基于连接接口和移动算子概念的拆卸方法
摘要：
拆卸过程对产品设计的影响是一个公认的事实，它对于产品持续发展的回收，维护，维修和部件/材料重用起着重要作用。为了简化和改进他们的工作以及设计合适和高效的拆卸计划，工程师必须从拆卸方法中获益，自动生成拆卸序列，并将其纳入软件解决方案中，以提供快速拆卸信息，进一步用于实时拟真模拟。本文提出的拆卸方法基于两个创新元素：连接界面概念和移动算子，它集成了有关几何约束，接触面相对位置和公共区域，相邻组件以及组件相对移动性的信息。所有这些数据都通过理论上的标准得到证实，并用于为产品生成一组连接界面，以定义机械连接，自动识别组件中的紧固件以及确定组件在组装中的移动性。因此，可以计算和真实地模拟组件的拆卸路径。在所提出的方法中，基于移动性算子对组件相对于其周围组件的有效拆卸轨迹进行建模，使用扫掠体积方法评估组件之间的碰撞，最后，通过改进的层剥离技术确定拆卸顺序。
关键词：拆卸；序列规划；连接界面；移动运营商
Ⅰ 介绍
制造商现在正面临有关其产品在生命周期结束时的回收和再利用的法规，对生产率和成本方面的拆卸过程进行了全面分析，并在设计产品时将功能，经济和环境考虑因素整合为强制性方面。因此，自动产生最佳和接近最佳的拆卸顺序和模拟拆卸任务的可能性对产品有直接和实际的意义，不仅在其生命的开始阶段（在设计过程中），而且在最后（在回收过程中）。通过适当和有效的方法（理论设计和软件工具），可以提高所有这些活动的生产力，通过支持评估不同设计决策的影响来简化工程师的工作，不在回收或组件重新使用操作考虑维修和维护时间的成本，而是在机器人的拆卸任务编程提前完成成本的计算。
目前的论文参与了这一总体背景，介绍了两个创新元素的应用：连接界面概念和移动算子，用于表征组件之间的接触类型以及计算组件相对于相邻组件的相对移动性确定去除方向。从产品的3D CAD模型开始，有关组件的几何约束，接触表面的相对位置，公共区域和邻居的信息，与所有与该组件接口相关联的轨迹族以及基于知识的标准证实，直接被集成以用于自动生成拆卸。
开发的方法可用于拆卸序列的虚拟仿真，以推断关节和运动副的类型以及组件的有效拆卸方向，作为目前正在开发的装配/拆卸仿真平台ViPAD的一部分。该软件将包含一个用于使用触觉设备模拟反汇编序列的模块。
由于知道组件的数量以指数方式成倍增加了可能的拆卸序列的数量，所以为中型和大型组件寻找最佳或接近最佳的拆卸顺序的问题面临着严重的计算问题。对每个组件应用碰撞检测算法并检查该组件的每个可能的移除方向也会加大时间成本。为了减少搜索空间，我们的方法是使用数学移动算子来确定组件相对于其周围的有效移除轨迹。同时为了确保所提出的方法在计算上可行并适用于大尺寸机械装配，实施了一种改进的“层剥离”拆卸技术和一套基于设计人员知识的规则。这些部件从那些放置在组件外部的部件、那些放置在组件外部的部件开始一个一层一层地分解开来，从基础部件到最远的位置。首先移动目标为拆卸的每个部件以断开与邻居的接触，然后沿着所识别的移除路径移动具有至少等于移动方向上的对象的尺寸的值。如果轨迹没有碰撞，那么可以将组件从组件中完全移除，并且继续检查另一个组件以进行拆卸。虽然在我们的方法中使用了包含单个平移路径的抽取运动，但旋转和多个平移或连续的平移和旋转也可用于反汇编过程。这个限制与提出的反汇编方法无关，与当前的实现也无关，并且大部分机械装配使用单个平移来提取组件都是合理的。
在建议的拆卸方法中，连接接口的识别是自动执行的，因此提供了明确区分部件和紧固件的可能性。这允许执行下面的附加反汇编规则：通过首先移除将其与周围组件连接的紧固件，然后断开连接接口（使用标准接口或标准接口组合（如 飞机，针孔，燕尾等）与这些组件。通过分析属于候选部件和周围部件的功能表面的配置，可以确定候选部件的拆卸可行路径。为了分离组件，应首先破坏表面之间的界面，使接触区域变为无效。
在本文的其余部分安排如下。 第2节介绍了基于组装几何约束，组件定位，避免碰撞和几何优先关系的方法进行的重要研究，以确定最佳或接近最佳的拆卸序列。 第3部分包含对在本文中使用到的术语和新概念的描述。 第4节详细介绍了反汇编方法和集成的概念：连接接口和移动操作器，并且列举说明理论信息的实例。 第5节给出了关于该方法的结论和讨论。
Ⅱ相关工作
以往文献为解体序列规划问题提出了不同的解决方案。 Dong提出的评论对基于图，Petri网和组件几何的方法进行了区分，而Lambert将拆卸方法分类为组件导向（基于波传播，运动和定向分析，等等），面向产品（基于启发式算法，模块化分析，人工智能，Petri网等），或基于分层树或使用逆向物流方法。无论采用哪种方法，所有研究人员的主要目标都是生成最优或近乎最佳的拆卸序列，同时缩小搜索空间，消除不切实际的拆分解决方案，从而减少计算工作量和时间。从这个意义上说，几何关系和/或图形，优先图，启发式规则，高斯球，运动规划，干涉矩阵，遗传算法等，以及这些方法之间的不同组合，都应用于组件级或对组件中的组件进行分组。这些方法用于表示组件和/或子组件之间的链接，用于选择最佳拆卸候选并生成其拆卸路径。
我们的方法集成并使用CAD表示装配，功能部件和装配其他部件之间的区别，启发式规则，单位球概念确定元件移动性和扫频音量，采矿拆卸无碰撞路径。 因此，下面介绍的文献综述主要集中在以下研究上：（1）使用类似的输入，即3D CAD数据汇编，分析和确定组件位置和组件位置以及生成连接矩阵; （2）将紧固件与其他部件区分开来，作为一种真正实用的方法解决机械装配拆卸过程的解决方案; （3）使用启发式标准来减少搜索空间并建立可用于拆卸的候选组件。
Hu 等人使用几何推理和启发式规则从装配的CAD（Pro / Engineer）模型开始生成拆卸计划。 使用2D全局干涉检查检测目标组件和其他装配组件之间的碰撞。 对于反汇编过程，加入了具有给定值的翻译和离散旋转运动（由用户手动提供）。
Ong等人描述了一种通过将部件分组在稳定的组件中并用紧固件连接来降低拆卸复杂性的方法。 他们的方法涉及使用图形对组件进行建模，用户在x，手动生成干涉矩阵，并指示组件之间的连通性和空间关系。 虽然在 x，y和z被认为是反汇编的方向。Sundaram等人在复合C空间中应用运动规划方法，以考虑组件在任何方向上的运动。 概率性路线图运动规划方法用于随机生成无碰撞配置。 该算法的可行性证明了拼图类装配。 Le等人 也提出了一种随机抽样方法，仅基于碰撞检查来检测拆装序列。
T．akeuchi等人描述了一个基于组件几何结构的“多米诺骨牌式拆卸”方法，用于定义可行的运动方向的定位库以及与拆卸成本和组件回收利润相关的定义优先级集合。 虽然多目标遗传算法可以用于确定最优的拆卸解决方案， 但是这种方法缺乏更高的自动化水平。
高斯地图是运动表示的一个有趣概念。类似于曲线图，这是一个切线图，高斯图是一个法线贴图，用于定义单位球面上的几何实体 - 距固定中心点的距离为1的点集合。对于A / D域，高斯映射用于表示组件的可访问性和移动性，它被称为高斯球。Pomares等人正在使用组件的CAD模型和组件特征列表来开发组件去除的局部和全局策略。高斯球用于确定组件的拆卸方向。通过检测沿直线轨迹运动的多边物体之间的碰撞来确定去除路径。该组件的CAD模型也被用作Capelli等人的输入。他们开发了一个理论模型，结合CAD、和/或图形表示，用于生成组件的转换矩阵，以及用于减少问题复杂度的二叉树表示，基于接触分析，去除方向被映射在高斯球上。在产生选择性拆卸序列时，文献中提出的方法考虑了构件之间的几何关系，而不是几何约束。所提出的算法是递归的并且使用五个规则来消除不可行或不切实际的序列。因此，并非所有可能的拆卸解决方案都会生成，使用成本函数来评估最佳拆卸路径。该算法区分组件和螺钉之间的区别，但该输入由用户以及约束和运动矩阵手动提供。
Matthew等人基于SolidWorks API开发了一种自动捕获装配配对的方法信息以列表的形式包含组件之间的链接和功能。 该信息还用于生成二元邻接矩阵和联络图。 尽管提出的应用程序很有趣，但它仅为本机SolidWorks模型提供了完整的装配信息，因此应用程序的使用范围受到限制。
Vigano等人提出了一种方法，其中组件之间的接触自动从产品的3D CAD模型（Pro / E Wildfire）中确定（间隙零），仅使用拓扑信息。 基于组件和联系人列表生成联络图，不同的数学算法被进一步用于减少节点和子组件的数量。 使用这种方法，确定了几种拓扑等效拆卸解决方案，要由用户评估其可行性。
Yi等人描述了基于组件CAD模型的另一种策略。 并使用波传播方法进行选择性拆卸。在这项研究中，以目标组件为中心的波向外传播，直到它到达一组将被拆卸的边界组件。没有技术信息用于降低计算复杂度; 相反，遗传算法被应用于优化。
Dong等人提出了一种基于三维CAD模型和用户输入的逐层拆卸方法。开发的算法生成与产品可回收性有关的子装配（超级零件），并为每个层同时拆卸优先图，从而减少确定可行和实用拆卸序列所需的计算量。 用户根据零件和/或超级零件之间的配合表面的法向来计算局部可行的拆卸方向，从而确定螺纹配合，配合和配合条件。使用边界框检查全局干涉，在平面上投影组件表面并计算它们之间的干涉。
在他们的研究中，提出了一种基于部件和紧固件之间的区分的方法，表达为连通矩阵。 另外，方向矩阵用于表示零件的可接受性。 这些矩阵基于装配的3D CAD VRML，并使用一种算法生成，其中紧固件和零件的边界球，定向边界框和三角形贴片轮流检查碰撞。 由于部件可达性矩阵在计算上昂贵，作者正在使用数字化拆卸方向图来缩小搜索空间。 但是，紧固件和零件的列表由用户提供，而不是从装配CAD模型中推导出来。
与分析文献相比，我们选择使用SolidWorks API开发的应用程序，因为它通过其编程接口为开发人员提供了完整的功能集，因此提供了更高的自动化程度。有关装配组件的几何信息可以从任何CAD模型自动确定：本机或导入，并用于计算组件之间的连接接口，相对于邻居的组件移动性，以及反汇编路径。更多的，它可以自动识别组件内的紧固件。作为一个直接后果，计算时间减少了，因为在搜索候选组件时，应用程序在拆卸之前避免计算与紧固件有关的组件的无碰撞拆卸路径。这个规则实际上代表了一种切实可行的拆卸方法，它是在我们的方法中结合层剥离拆卸技术实现的。此外，因为避免了等效序列，所以在生成可行的拆卸序列时，列出紧固件列表是一个重要的优点。
因此，提出的方法和相关的开发应用程序如下：
- 集成关于几何（配合）约束的所有信息，接触表面的相对位置，接触公共区域以及关于产品的一组接口中的相邻组件的数据。
- 在此基础上，可以定义运动副（机械关节），并将它们的组合以及针对不同类型标准组件（例如铆钉，销钉，螺钉等）的一组规则一起，允许查找所有具有 一个特定的功能角色 - 紧固件列表的自动生成。这样可以通过快速验证相应的紧固件列表来减少检查组件是否可以被拆卸所需的计算量。
- 为候选部件生成轨迹的有效拆卸族（翻译，旋转和螺旋运动，这些都是拆分部件之间接触所必需的）。 有关组件相对移动性的信息用于生成和验证拆卸序列，从而加速该过程。 在处理大型装配时，节省的计算工作可能非常重要。
此外，我们的方法可能在拆卸计划的虚拟现实模拟中非常有用，对于触觉设备感兴趣时的可维护性，为了避免由于两个不同组件的表面彼此靠近的配置而导致的副作用，并且可能产生冲突。
Ⅲ术语和工作假设
“拆卸被定义为从原始组件中系统去除所需组分（组件和/或材料）的过程，从而不会损害任何有用的组分”。 我们的研究主要集中在完整的无损拆解上，而不是基于破坏性的（考虑更多的材料回收比部分）或选择性（部分）拆解。
组件被定义为不能进一步拆卸的组件的组成部分。 两个组件之间存在一个接口。 我们将候选组件称为在某个时刻进行可拆卸性分析所考虑/定位的组件的组件。
拆卸序列被定义为“后续拆卸动作列表”[3]。 在我们的研究中，组件的拆卸过程分两个阶段进行：
bull;首先，组件的连接接口断开。
bull;其次，组件沿着一个方向或多个方向组合（拆卸路径或拆卸方向）移离组件，而不会与其他组件碰撞。
连接接口被定义为两个独立组件相互作用或相互通信的边界。 因此，界面包含关于几何（配合）约束，接触表面的相对位置，公共区域和相邻组件数据的信息。
连接接口定义两个相邻组件（组件对）之间的链接。 断开界面运动被定义为移除与另一个（第二）部件的接触所需的一个部件的一组运动。 因此，使用两种类型的信息来识别组件的反汇编过程：组件移动性和“拆卸自由体积”，定义为组件从扫描卷中移除时所占用的体积。
在拆卸过程的第一阶段 - 打破连接界面以消除部件之间的接触 - 应该分析所有可能的运动：平移，旋转和螺旋运动。作为简化的假设，我们认为，组件之间的界面之后立即开始的拆卸路径被拆除（移除），包括一个单一的转换（即单一的直线运动），虽然我们知道例外（见Fig 1）例如，对于螺钉来说，需要螺旋运动来破坏螺钉与其一对/两个螺钉之间的界面，并且之后螺钉沿着其轴线作为拆卸路径进行平移运动。
在这项研究中，为了避免拆卸过程中组件的不稳定性，最重或最大的部件可视为固定基座。 此外，本工作中不分
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