基于虚拟约束关系的机械产品设计缺陷推理模型与方法研究

机械产品零部件的设计缺陷是影响机械产品质量、可靠性与安全性的重要因素。将没有完成设计的机械产品零部件作为虚拟零件,通过机械产品零部件之间的装配约束关系构建约束树,并将虚拟零件注入到约束树中,将节点的可信度作为评价节点设计参数可靠性的依据,依据约束树建立设计缺陷推理模型,将约束树中的子节点作为父节点推理的前提条件,从叶节点开始沿着约束树的节点自底向上逐层推理。当虚拟零件的设计工作完成后,其设计参数的变动会破坏约束树原始的约束关系,约束树中节点的推理值的大小反映了原始约束关系被破坏的程度,依据约束树中各节点的推理值来确定需修正设计参数的零件,通过节点设计缺陷的传递因子来反映装配体零部件之间设计缺陷传递的规律,通过分析1TP+3TPS并联机构的设计缺陷推理结果,验证了该方法能有效辨识机械产品中存在的设计缺陷。     

装配规划中物理连接性设计缺陷的免疫辨识与修复

针对复杂机械产品装配规划过程中可能出现的装配序列组合爆炸问题和物理连接性设计缺陷,提出一种基于免疫仿生机理的装配物理连接性设计缺陷的自动辨识与优化修复算法。为有效解决子装配体的自动识别和稳定连接问题,重新定义了装配物理约束关系的连接矩阵,利用该连接矩阵的编码特征和免疫系统的疫苗接种策略定制了设计缺陷的辨识算子、修复疫苗和子装配体的识别与调整疫苗,并将三者进行集成构建了装配物理连接性设计缺陷的免疫辨识与修复算法。以含有子装配体结构的减速器为装配实例,验证了该免疫辨识与修复算法的有效性和正确性。     

斜齿圆柱齿轮承载能力设计缺陷的辨识与优化修正

斜齿圆柱齿轮承载能力的设计过程中,涉及到大量的非线性约束条件分析计算,传统的优化方法很难得到全局最优解。利用BP神经网络非线性映射能力,建立了斜齿圆柱齿轮设计参数与承载能力之间的全局映射关系,利用训练后的BP神经网络模型对斜齿圆柱齿轮承载能力设计缺陷进行辨识。采用遗传算法对斜齿圆柱齿轮承载能力设计缺陷进行优化修正,利用BP神经网络得到的斜齿圆柱齿轮结构特性响应构造了遗传算法罚函数,提高了遗传迭代过程中的约束计算效率,优化结果表明该方法能够有效提高斜齿圆柱齿轮设计缺陷优化修正效率。     

约束驱动的机械产品装配设计缺陷免疫辨识模型与方法

为快速查找、准确定位机械产品设计中违反约束条件的设计缺陷,将机械产品中零部件几何约束关系规约为设计缺陷判别函数,在对零部件几何约束编码的基础上建立了机械产品的装配约束关系矩阵,采用有向图存储装配约束关系矩阵信息,有向图中的节点标志零件编号,节点的数据结构存储零件的设计参数,弧的权值标志几何约束的类型。将有向图中弧的权值作为抗原,设计缺陷作为抗体,依据抗原基因与抗体基因的亲和度来决定抗体的变异规则,通过对抗体的剪切、拼接与替换等变异操作来识别抗原,基于对有向图中弧的权值的解码分析实现了机械产品设计缺陷的动态辨识。     

基于成本约束的机械产品装配实现

针对并行设计中的性能需求和成本约束,提出了一类自上而下的并行环境下装配设计的实施模式,发展了该模式下的装配建模方法及装配设计表达方式;讨论了模型对产品设计与装配规划实施的设计准则.针对具体实例,对产品的装配性、装配方案的选择进行了分析及优化,获得了最优的装配实现路径.结果表明,提出的装配模型能够优化装配过程,并有利于缩短工期和降低成本.     

虚拟装配工艺规划实现技术研究

对虚拟环境下的产品装配工艺规划进行了研究,分析虚拟环境下面向集成的装配工艺规划系统结构。对虚拟装配工艺规划的三个核心问题(装配模型、装配序列规划和装配路径规划)进行描述,提出虚拟环境下面向工艺设计的产品装配模型总体结构。给出虚拟环境下装配约束关系的识别方法,实现了零部件基于约束的三维空间导航运动。建立原型系统,能够为虚拟环境下的装配工艺规划奠定基础。     

约束驱动的动态关联式装配验证系统的设计与实现

针对机械产品设计中的装配约束验证问题,采用构造装配约束验证树的方法,将机械产品设计中存在装配约束关系的信息存储在树的节点中,将修改后的设计参数存入修改器,使用监视器监视修改器内容的变化,并对验证树进行实时更新,通过验证分析器调用监视器中的堆栈信息来决定验证工作的启停,实现了装配约束关系的动态、关联验证。开发了一个动态关联式装配验证原型系统进行实例验证,结果表明,该系统能够与设计同步监测设计变化对约束关系的影响,动态地检测出违反装配约束关系的设计缺陷。     

迟滞动态模型辨识

介绍用Krasnosel′skii-Pokrovkii(KP)迟滞算子对所设计的超磁致伸缩驱动器中的频率无关迟滞特性进行建模.首先,给出了KP迟滞模型中的密度函数离散化的离线辨识方法.其次,为了能够使迟滞模型更好的与自适应控制理论结合,又提出了应用神经网络进行密度函数的自适应在线辨识.此神经网络的BP算法是以离散的KP算子为作用函数、以密度函数为权值.最后,仿真与实验验证了所提出的模型辨识方法的有效性.     

再制造机床装配过程误差传递模型与精度预测

再制造机床的装配零件具有更多的不确定性和随机性,为保证装配精度的一致性与可靠性,需要建立其装配过程误差传递数学模型,定量描述装配过程的误差传递与累积规律.提出再制造机床装配过程中的零件质量特征、实际测量结果与装配过程误差源的数学映射关系及其误差流模型,定量描述了再制造机床装配过程中零件质量特征变动、特征测量、调整的偏差传递.在此基础上提出误差流修正函数,实现了再制造机床装备精度预测、分析和质量误差修正.以再制造机床主轴箱装配过程为例,验证了该模型及修正函数能够正确有效地消减装配过程误差.     

融合多目标与能耗控制的无人仓库内AGV路径规划

为降低自动导引车的能耗,以提升其工作效率,促进无人仓库高效运转,提出一种两阶段全局路径规划方法。第一阶段建立了以路径最短与平滑度最大为约束的多目标函数模型,并采用改进后的量子粒子群优化算法进行求解,得出曲率不连续的初始路径;第二阶段根据Bezier曲线与平滑度约束对第一阶段所求的初始路径进行拟合修正,得到速度变化小、能耗低的几何连续路径。仿真结果表明,采用两阶段规划方法得出的路径能够提升自动导引车的工作效率并降低能耗;与常规算法对比,改进算法在优化时间和精度上效果显著。     

基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计

提出一种基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计方法。分析二维多工位装配尺寸偏差传递关系,建立由定位销和零件定位孔(槽)公差引起夹具定位偏差的偏差流状态空间模型。采用数论网格方法对定位销和零件定位孔(槽)公差进行采样,将得到的公差样本代入夹具定位偏差模型,求得夹具定位偏差样本空间,将夹具定位偏差作为状态空间模型的输入偏差,提出基于状态空间模型的二维多工位装配成功率计算方法。继而应用Taguchi正交试验直观分析方法,分析得到影响装配成功率的主要因素即夹具系统定位销副关键公差,运用回归正交组合设计拟合得到二维多工位装配成功率与夹具系统定位销副关键公差的响应面模型。以定位销、零件定位孔(槽)制造成本所构成的装配成本最小化为目标,二维多工位装配成功率为约束,建立二维多工位装配夹具系统定位销和零件定位孔(槽)公差可行稳健设计模型。以汽车车身地板二维三工位装配为例,建立其公差可行稳健设计模型并对该模型进行计算与分析,结果表明在装配成本增幅较小的情况下,采用稳健约束后可显著提高公差设计的可行稳健性。该方法为二维多工位装配夹具系统公差稳健设计提供了一种新途径。     

敏捷制造环境下装配产品变形设计方法

为了获得满足顾客个性化需求的装配产品设计方案 ,提出了通过修改现有成熟零件的设计的变形设计方法。建立了描述装配产品构成零件之间配合关系的模型并识别出反映装配产品构成零部件之间尺寸关联关系的约束组。每个约束组的变形设计过程被归结为一个混合整数线性规划 (MILP)问题 ,而所有约束组的MILP问题的组合求解过程则反映了装配产品的变形设计优化过程。开发了软件原型系统并进行了仿真 ,仿真结果表明该方法能够在合理的时间内获得新的、可行的装配产品设计方案 ,可以作为装配产品设计方案的生成器 ,以缓解顾客个性化需求对产品设计带来的压力     

基于宽容分层序列法的飞机装配公差稳健设计技术

飞机制造中由于工序能力指数和公差等设计变量存在变差,可能导致无法满足飞机装配质量要求以及制造成本波动较大的问题。运用稳健设计方法建立了飞机装配公差的可行稳健性和敏感稳健性两类设计模型。可行稳健设计考虑了公差等设计变量对装配可行性的影响,使其变差不影响装配功能的实现;敏感稳健性设计则考虑了公差等设计变量对制造成本和装配质量的影响,在目标成本较小的前提下使得目标成本和装配质量受设计变量变差的影响最小。提出了针对飞机装配公差可行敏感稳健设计的多目标优化问题的宽容分层序列求解算法。将公差设计中制造成本、装配质量波动、制造成本波动多个设计目标按照重要性依次排序。首先求解成本最小情况下的公差一般优化解,然后在成本最小值的宽容约束下,求得具有装配质量波动最小值的公差,最后在上述两个优化目标的宽容约束下,求得成本波动最小的最优公差。应用实例和分析结果表明了方法的有效性。       

敏捷化开发环境下产品装配建模研究

为了实现以自顶向下为主、自底向上为辅的双向产品设计方法,本文提出了一种面向产品族的混合装配模型。该模型由装配骨架模型、层次模型、约束关系模型、零件属性模型及参数化设计模型组成。通过引入高层次的装配骨架模型反映设计者的设计意图并自动向下游传播装配约束,实现自顶向下面向过程的设计方法;通过引入低层次的约束关系模型记录零件之间的各种约束关系,检验、改进和完成最终装配模型的重建,实现自底向上的面向结果的设计方法;通过引入参数化设计模型完成装配体的变形设计,实现以往知识的重用。最后用实例说明该混合装配建模方法的有效性。     

Solving 3D geometric constraints for closed-loop assemblies

In the design activity, part geometry is assembled to create an assembly model. The number of parts may range from a few tens to a few million and typically the relationship among them constructs closed-loops with under-constrained states. In this paper, a 3D constraint solving method is proposed for closed-loop assemblies with under-constrained states. The proposed constraint solving method determines assembly configurations by applying the following procedures: 1. Transform the geometric mating relations into the kinematic joint relations, 2. Convert the closed-chain kinematic assembly to an open kinematic assembly by removing a joint, 3. Compute an open kinematic configuration by solving the open kinematic problem and 4. Obtain the closed-loop kinematic configuration by pasting the ‘cut’ links of the open assembly. The cut and paste operations minimise the number of constraint variables that have to be solved simultaneously. Thus, it can maximise the efficiency and robustness of an assembly constraint solver. The proposed constraint solving method combines the simplicity of a sequential solving approach with the universality of a simultaneous solving approach.     

面向装配的设计评价的零件对称性自动识别方法

面向装配的设计评价为从装配角度确定产品设计的质量提供了一种系统方法，它主要研究各种产品设计因素对装配难度的影响，而零件对称性是影响产品零件装配操作难度的主要因素。为克服以往DFA评价中零件对称性人工识别的缺陷，提高评价的自动化程序，提出了基于零件CAD几何特征模型的零件对称性自动识别方法；将零件的对称性分解为零件组成表面特征点的对称性加以讨论，通过特征点的属性匹配确定零件的对称性。最后，以一个实例验证了方法的正确性。     

基于复杂网络的三维CAD装配模型模块单元发掘

三维CAD模型蕴含丰富的可重用结构知识,为了从已有三维CAD装配模型中提前获得模块知识,促进对复杂三维装配模型的理解与重用,提出了一种基于复杂网络的三维CAD装配模块单元发掘方法.首先融合装配零件的结构、功能、材料关联信息进行零件关联强度综合评价;然后以关联强度矩阵为基础构建三维装配模型所对应的关联关系网络,在此基础上...     

Formalized reasoning method for assembly sequences based on Polychromatic Sets theory

This paper presents a new formalized reasoning method for assembly sequences generation which reduces the solution space dramatically. Firstly, a polychromatic sets (PS) matrix is introduced to describe the relations between the part-match and freedom; Secondly, the polychromatic sets matrix of entirety and element are used to describe the relations between the parts and assembly constraints; assembly constraint models and connector assembly models are constructed in this phase; then, the solution method for constraint equations is given; and the reasoning algorithm of feasible sequence is presented. Finally, an application case is studied to demonstrate the effectiveness of the method.     

逆向工程中基于几何约束的汽车零部件模型重建

结合汽车变速籀、发动机零部件的精密测量和数字建模，考虑零部件实物模型中的隐含约束关系，提出了基于几何约束的模型重建和优化求解方法。该方法把约束按照优先等级顺序添加到约束图中，应用自由度分析法建立协调的约束系统，把复杂约束问题分解为约束子问题进行求解。将该方法应用于变速箱零部件模型重建中，所得到的几何模型较好地反映了原始设计意图，满足产品装配精度要求。     

基于多色集合的装配序列形式化推理方法

为减小装配序列的求解空间,提出了一种基于多色集合理论的装配序列的形式化推理方法,并建立了零件基本配合约束与自由度之间关系的多色集合矩阵.采用多色集合中的体与元素之间的模块布尔矩阵,描述产品的零件组与装配约束的对应关系,建立装配约束关系的方程组和联接件的装配数学模型,并给出求取约束关系方程组的算法.以装配约束关系方程组作为筛选可行装配序列的充要条件,提出可行装配序列的推理算法.最后以实例对该算法进行了说明.