● 摘要
随着现代工业发展的需求和产品功能与结构的日益复杂，复杂产品产业越来越受到重视并在国民经济和国防建设中占有越来越重要的地位。复杂产品开发不但要求较高的设计水平、工艺水平，而且需要由产品结构和工艺要求引发的相匹配的生产规划技术。产品装配设计技术(Design for assembly-DFA)与装配规划技术(Assembly planning-AP)是当前CAD研究和应用的重要技术，对提高产品装配效率、装配质量和降低装配成本起着决定作用。作为产品及过程可装配性设计的重要研究内容，装配规划技术适应企业快速响应市场变化的需求，多年来一直受到工业界和学术界的广泛关注；然而随着产品零部件数目的增加，装配规划变得愈加困难，迫切需要更新现有的技术和方法以适应复杂产品的研制生产。另外，随着网络化制造技术的发展，研究网络制造模式下的产品装配设计与装配规划技术和平台成为装配研究相关人员新的努力方向。结合863项目《复杂产品协同装配设计、工艺规划与仿真验证技术》的研究，针对复杂产品零部件及装配关系数目庞大的特点，提出了复杂产品协同装配规划与优化技术体系，并对该体系涉及的装配建模、装配单元规划、装配序列优化、装配序列合并和网络环境下的装配方案协同决策等若干关键技术进行了深入的研究。其中，装配建模、装配单元规划、装配序列优化和装配序列合并是本文的主要研究内容。第一章介绍了复杂产品装配规划产生的背景和主要研究内容，回顾了装配规划技术的国内外发展现状，分析了现有装配规划方法的特点和复杂产品装配规划存在的问题，在此基础上提出了复杂产品协同装配规划与优化的解决方案。第二章提出了复杂产品协同装配设计与装配规划集成框架，阐述了集成框架的研究内容和运行机制；同时介绍了复杂产品协同装配规划与优化的研究内容，并讨论了包括产品设计者、工艺规划人员、装配工人、产品供应商等在内的多用户参与的协同装配规划与优化流程，最后给出了本文的几点假设。第三章介绍了面向协同装配规划的装配建模。在产品装配设计过程分析和协同装配规划对装配信息需求分析的基础上，提出了包含产品功能、装配结构、装配工艺和共享装配信息的面向协同装配规划的装配建模思想；建立了基于装配约束的装配关系图模型和基于共享装配关系的规划结构树模型，并阐明了装配模型中零件信息、装配约束信息和协同管理信息的内容组成。第四章提出了装配单元规划方法。装配单元规划将复杂产品分解成包含较少零件的装配单元，装配单元可以采用合适的方法进行装配序列规划，从而避开了复杂产品装配规划遇到的“组合爆炸”难题。基于模糊层次分析法(Fuzzy analytical hierarchy process-FAHP)的装配单元规划系统地考虑了产品功能约束、装配结构约束和装配工艺约束，将装配设计(DFA)和装配工艺规划(CAAP)有机地集成起来；同时模糊层次分析法还有效地处理了装配单元规划中的诸多不确定决策因素。装配干涉检验保证生成的装配单元在协同装配规划过程中互不干涉，降低了协同装配规划的难度。第五章提出建立智能优化算法库实现不同结构产品的装配序列优化，重点探讨并实现了基于混沌-粒子群算法的装配序列优化。通过分析装配过程约束建立了装配序列优化模型，并给出了装配序列优化模型和粒子群算法模型(Particle Swarm Optimization-PSO)之间的映射关系；装配序列优化过程中采用混沌方法产生加速PSO算法收敛的个体较优的装配序列，然后通过粒子个体搜索和群体协作搜索生成最优或次优的装配序列。第六章在基于共享装配关系的规划结构树和子装配序列生成的基础上，实现了装配序列合并。提出人人协同序列合并方法和基于计算机辅助推理的人机协同序列合并方法。人人协同序列合并充分利用了专家的装配经验和知识，通过协商讨论生成满足具体装配要求的整体装配序列；计算机辅助推理的装配序列合并则借助计算机强大的推理计算能力，通过全局几何约束获取、装配序列推理和评价生成最优的整体装配序列。装配序列评价建立在装配单元规划与装配序列规划考虑的装配约束的基础上，从而保证了装配单元、子装配序列与整体装配序列的一致性。第七章开发了一个支持复杂产品协同装配规划与优化的原型系统，实现了面向协同装配规划的装配建模、装配单元规划、基于混沌-粒子群算法的装配序列优化、装配序列合并和装配方案协同决策网络环境等功能模块；并采用不同复杂程度的示例装配体和产品实例对本文的方法和系统进行了验证，通过应用和分析表明了本文方法的正确性和系统的有效性。第八章对全文的研究工作进行了总结，讨论了今后需要进一步研究的内容。