水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，它包括以下步驟：(1)基于Pro/E二次開發(fā)技術(shù)建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫與軌跡數(shù)據(jù)庫；(2)導(dǎo)入待裝配的子裝配體和零部件模型，通過建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中待裝子裝配體和零部件之間的配合關(guān)系以及零部件的屬性與標識，將待裝配的零部件進行位姿變換直至零部件只需通過平移到達子裝配體；(3)訪問軌跡數(shù)據(jù)庫，通過軌跡庫選擇確定多條裝配路徑中最短的裝配軌跡，并輸出子裝配體和零部件之間的軌跡文件；(4)根據(jù)輸出的軌跡文件裝配待裝子裝配體和零部件；(5)重復(fù)所述的步驟(2)-(4)，直至完成裝配體的裝配。采用本方法提高了裝配的正確性與準確性。
【專利說明】水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種虛擬裝配方法，尤其涉及具有軌跡優(yōu)化的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著陸地上的資源能源的日益短缺，深海石油的開發(fā)吸引了人們的關(guān)注，作為石 油必備的開采設(shè)備，水下生產(chǎn)設(shè)施具有著種類多，體積大，費用高，安裝精度高的特點。所以 水下生產(chǎn)設(shè)施組成部件的批量生產(chǎn)離不開虛擬裝配技術(shù)。通過虛擬裝配技術(shù)，規(guī)劃出合理 的運動順序與路徑，可以為實際工程提供參考與借鑒。
[0003] 虛擬裝配軌跡規(guī)劃是在建模和序列規(guī)劃的基礎(chǔ)上，利用所得到的裝配信息進行路 徑分析、判斷、求解并生成一條合理的裝配路徑，達到優(yōu)化裝配過程的規(guī)劃方法。
[0004] 近些年來，關(guān)于虛擬裝配軌跡規(guī)劃，出線了一些新理論和新方法，如有關(guān)虛擬裝配 路徑規(guī)劃的新理論、新方法層出不窮，在航天裝備裝配工藝設(shè)計中提出了基于有效采樣點 的裝配路徑優(yōu)化方法，在機器人路徑規(guī)劃問題中引入了蟻群算法的思想，在解決貨物揀選 路徑規(guī)劃問題中引入了基于群集智能的蟻群優(yōu)化算法等。
[0005] 但是對于水下生產(chǎn)設(shè)施組成部件的虛擬裝配技術(shù)目前研宄很少，目前的虛擬裝配 技術(shù)需要過多的人機交互，路徑單一，不能通過對不同的路徑進行擇優(yōu)選擇。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點，提供一種使得裝配操作更加簡單，提高 裝配過程精度的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法。
[0007] 本發(fā)明的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，它包括以下步驟：
[0008] (1)基于Pro/E二次開發(fā)技術(shù)建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫與軌跡數(shù)據(jù)庫；
[0009] 所述的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建立方法為：對裝配體的裝配順序和過程進行拆分形成多級 子裝配體和零部件，建立裝配結(jié)構(gòu)樹，將所得到的裝配配合關(guān)系以及零部件屬性與標識錄 入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；
[0010] 所述的軌跡數(shù)據(jù)庫的建立方法為：在待裝配的子裝配體和零部件之間設(shè)定多條裝 配位移路徑；
[0011] (2)導(dǎo)入待裝配的子裝配體和零部件模型，通過建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中待裝子裝配 體和零部件之間的配合關(guān)系以及零部件的屬性與標識，將待裝配的零部件進行位姿變換直 至零部件只需通過平移到達子裝配體；
[0012] (3)訪問軌跡數(shù)據(jù)庫，通過軌跡庫選擇確定多條裝配路徑中最短的裝配軌跡，并輸 出子裝配體和零部件之間的軌跡文件；
[0013] (4)根據(jù)輸出的軌跡文件裝配待裝子裝配體和零部件；
[0014] (5)重復(fù)所述的步驟（2)-(4)，直至完成裝配體的裝配。
[0015] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：本發(fā)明是基于Pro/E的二次開發(fā)平臺，通過建 立關(guān)系數(shù)據(jù)庫，可以使零部件的裝配約束信息與標識等屬性錄入庫中，方便了裝配過程，提 高了裝配的正確性與準確性。通過建立軌跡數(shù)據(jù)庫，避免了普通虛擬裝配的人機交互，不僅 對軌跡進行了封裝，同時可以根據(jù)目標函數(shù)在具體情況下對裝配路徑進行優(yōu)化，操作簡便。 使得裝配操作更加簡單，提高裝配過程精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的具有軌跡優(yōu)化的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法的裝配結(jié)構(gòu)樹；
[0017] 圖2為本發(fā)明方法的軌跡數(shù)據(jù)庫的示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明方法的軌跡數(shù)據(jù)庫裝配路徑避障方法示意圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明的具有軌跡優(yōu)化的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法的流程示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作以詳細描述。
[0021] 本發(fā)明方法的原理是：建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫與軌跡數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫與虛擬裝 配平臺的信息交互，得到裝配信息，使用軌跡庫選擇裝配軌跡，通過目標函數(shù)對裝配軌跡進 行擇優(yōu)選擇，使得裝配操作更加簡單，提高裝配過程精度。
[0022] 如附圖所示的本發(fā)明的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，它包括以下步驟：
[0023] (1)基于Pro/E二次開發(fā)技術(shù)建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫與軌跡數(shù)據(jù)庫；
[0024] 如圖1所示，所述的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建立方法為：對裝配體的裝配順序和過程進行 拆分形成多級子裝配體和零部件，建立裝配結(jié)構(gòu)樹，將所得到的裝配配合關(guān)系以及零部件 屬性與標識錄入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；裝配結(jié)構(gòu)樹中總裝配體至頂向下，從復(fù)雜到簡單。零部件的 裝配順序即為此結(jié)構(gòu)樹的逆向裝配過程。待裝零部件和子裝配體之間的配合關(guān)系，一般分 為幾種：軸孔配合、孔對齊、面面貼合、面面對齊。待裝零部件和子裝配體的屬性與標識屬性 是指它本身具有的一些特性如尺寸信息，標識是識別零部件與子裝配體的一種編號，可以 自己定義。
[0025] 所述的軌跡數(shù)據(jù)庫的建立方法為：在待裝配的子裝配體和零部件之間設(shè)定多條裝 配位移路徑；如圖2所示，本發(fā)明方法中給出了方法1和2以及避障方法3,由于裝配的總 體路徑遠大于裝配特征，所以這里將待裝零部件和子裝配體（基準零部件）簡化為有質(zhì)量 的兩個點。
[0026] 方法1的路徑是在待裝配的子裝配體和零部件之間采用直角路徑移動的方式。方 法2的路徑是在待裝配的子裝配體和零部件之間采用沿著始末兩點矢量方向路徑移動的 方式。當然也可以在子裝配體和零部件之間設(shè)定其它的移動裝配路徑。
[0027] (2)導(dǎo)入待裝配的子裝配體和零部件模型，通過建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中待裝子裝配 體和零部件之間的配合關(guān)系以及零部件的屬性與標識，將待裝配的零部件進行位姿變換直 至零部件只需通過平移到達子裝配體；
[0028] 位姿變換方法可以為：通過人機交互，選取待裝零部件軸線與子裝配體（基準零 部件）裝配基準軸，使用二次開發(fā)函數(shù)獲取兩個方向向量g為待裝零部件軸線方 向向量，反為裝配基準軸方向向量。令γ為這兩軸線之間的夾角。則
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，其特征在于，它包括以下步驟： (1) 基于Pro/E二次開發(fā)技術(shù)建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫與軌跡數(shù)據(jù)庫； 所述的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建立方法為：對裝配體的裝配順序和過程進行拆分形成多級子裝 配體和零部件，建立裝配結(jié)構(gòu)樹，將所得到的裝配配合關(guān)系以及零部件屬性與標識錄入關(guān) 系數(shù)據(jù)庫中； 所述的軌跡數(shù)據(jù)庫的建立方法為：在待裝配的子裝配體和零部件之間設(shè)定多條裝配位 移路徑。 (2) 導(dǎo)入待裝配的子裝配體和零部件模型，通過建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中待裝子裝配體和 零部件之間的配合關(guān)系以及零部件的屬性與標識，將待裝配的零部件進行位姿變換直至零 部件只需通過平移到達子裝配體； (3) 訪問軌跡數(shù)據(jù)庫，通過軌跡庫選擇確定多條裝配路徑中最短的裝配軌跡，并輸出子 裝配體和零部件之間的軌跡文件； (4) 根據(jù)輸出的軌跡文件裝配待裝子裝配體和零部件； (5) 重復(fù)所述的步驟（2)-(4)，直至完成裝配體的裝配。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，其特征在于：所述的軌跡數(shù)據(jù) 庫中還包括避障方法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，其特征在于：所述的步驟（3) 的具體過程為：分別執(zhí)行軌跡數(shù)據(jù)庫中的多條裝配位移路徑，同時對執(zhí)行多條裝配位移路 徑過程中是否產(chǎn)生干涉進行檢測；若未發(fā)生干涉則不觸發(fā)避障方法，若發(fā)生干涉，則觸發(fā)避 障方法，將所得到的干涉信息進行提取，錄入已經(jīng)建好的數(shù)據(jù)庫中，對發(fā)生干涉的路徑進行 修正得到新的路徑，通過公式分別得到多條裝配位移路徑的最終的裝配路徑總長度，然后 確定多條裝配位移路徑中最短的裝配軌跡并輸出子裝配體和零部件之間的軌跡文件，上傳 于軌跡數(shù)據(jù)庫。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，其特征在于：所述的避障方法 為： (a) 通過pro/E的二次開發(fā)技術(shù)得到待裝零部件和子裝配體的起始位置坐標，令a。= (x〇，y〇，zQ)為起點的坐標，ap= (xp,yp,zp)為終點的坐標，則p= 方向向量，給定一個合適的步長h，然后在起點和終點的連線上η等分，得到點a。，apa2...... ap，則力=1，式中h為步長，d為始末兩點的距離，將這些點的坐標分別錄入方法3所對應(yīng)η 的數(shù)據(jù)庫中； (b) 使待裝的零部件沿著已存入軌跡數(shù)據(jù)庫中的方法1或方法2的路徑方向運動，同 時開啟干涉檢驗，首先取數(shù)據(jù)庫中第一點和第二點，使得零部件從％- &1方向運動，若未發(fā) 生干涉則取第3點，同時將未干涉標明，上傳到軌跡數(shù)據(jù)庫中，繼續(xù)使零部件由ai-a2方向 運動，如此運動，若運動到ak點檢測到干涉，則取a!^與ak的中點am作為aJrf的運動的下一 點，并刪除數(shù)據(jù)庫中ak及之后的所有點，此時步長為h/2,接著使零部件由am方向運 動，此時分為兩種情況： 發(fā)生干涉，則取&1;_1與am中點作為運動的下一節(jié)點，此時步長為h/4,再進行所述步驟 (b)； 若未發(fā)生干涉，則將ajf入表中，取a111與ak的中點作為下一運動節(jié)點，步長為h/4,進 行上述步驟（b); (c) 重復(fù)步驟（b)直到找到一點％，使得滿足結(jié)束循環(huán)的條件，結(jié)束條件是給定極小值 μ，若I<=A/，則循環(huán)結(jié)束，這樣可以得到逼近離障礙物表面的點，找到此點后將軌跡數(shù) 據(jù)庫中此點之后除終點外的點數(shù)據(jù)全部刪除； (d) 以％為圓心，以步長h為半徑做一個圓球面，以規(guī)定好的水平投影平面沿ai到終 點的方向為基準，規(guī)定逆時針向左每隔一定角度做一條步長為h的路徑搜尋，通過干涉檢 驗可以得到沿％到終點的方向不發(fā)生干涉的總角度最小的線路，并找到了新的路徑點，將 新的路徑點數(shù)據(jù)插入軌跡數(shù)據(jù)庫中，然后對新路徑點與終點之間的距離重新等分，進行如 前所述步驟（a)、（b)、（c)，（d)直到到達終點位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下生產(chǎn)設(shè)施虛擬裝配方法，其特征在于：所述的公式為：對 裝配軌跡進行擇優(yōu)選擇令D(X) =λ^ΟΟ+λΑΟΟ,其中D(X)為裝配路徑總長度，A(X) 為待裝零部件在未與障礙物發(fā)生干涉前所經(jīng)過的路徑；f2(x)為待裝零部件在與障礙物發(fā) 生干涉后所經(jīng)過的路徑；A1,λ2為完成總路徑所占得權(quán)重； 若整個過程都未發(fā)生干涉，則；X1= 100%，λ2= 0,D(X) =?\(χ) 若發(fā)生干涉則可以分為兩部分：若起點為Qtl，終點為αρ，所得滿足結(jié)束循環(huán)條件的點 為ak，則：
式中ai，ai+1分別代表軌跡數(shù)據(jù)庫中所存的相鄰兩路徑點，（xi+1，yi+1，zi+1)，（Xi，yi，Zi)分 別代表apai+1的坐標。
【文檔編號】G06F17/50GK104462662SQ201410649495
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】史佑, 田明杰, 張育坤, 章青, 李欣, 劉斌, 片成榮, 李偉, 張念濤, 吳楠 申請人:中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司, 天津大學