本发明具体涉及一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，属于产品装配序列自动化生成
技术领域：
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背景技术：
：装配序列生成是产品组装的基本组成部分，也是数字化装配过程中的重要环节之一，是指对零件装配顺序不断组合和寻优，最后得出一个最优或者近似最优的产品装配序列方案的过程。目前，面向装配序列生成，学术界提出了多种方法，如基于优先关系的方法、基于知识的方法、基于割集的方法以及基于启发式算法的方法等等。上述方法有如下缺点：基于优先关系方法生成效率较低，基于知识的方法在装配知识获取和表达上比较困难，基于割集的方法以及基于启发式算法的方法难以考虑以及表达装配顺序过程中涉及到的复杂知识等。随着现代工业发展，装配序列的生成方法开始向多种方法相结合的方向发展。装配序列生成的核心对象是产品几何模型、产品几何模型数据覆盖了产品整个生命周期中应用而全面定义的产品所有数据元素，它包含了丰富的面向装配的产品特征知识，另一方面，本体被定义为“共享概念模型的形式化规范说明”，可以实现真正意义上的语义表示和知识重用，因此，基于连杆机构设计数据，建立连杆机构知识本体，在装配知识的指导下，完成连杆机构的装配序列生成。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有连杆机构装配过程中存在知识利用率低甚至未考虑到知识的技术缺陷，提出了一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，涉及的本体模型是基于protégé软件平台建立的，包括ontostep本体模型的建立与改进、连杆机构装配元素语义框架的建立以及swrl规则库的建立，进行本体合并得到连杆机构知识本体。本发明的核心思想为：以连杆机构设计数据为输入，建立基于连杆机构设计数据的ontostep本体模型，发现连杆机构特征知识；同时，根据连杆机构装配工艺文件，基于连杆机构装配领域概念，获取装配元素关键词及连杆机构装配领域相关经验知识，建立用于连杆机构装配序列生成的非几何本体属性，基于装配元素关键词和本体属性得到连杆机构装配元素语义框架，并将连杆机构特征知识及连杆机构装配领域相关经验知识转化为swrl规则库；基于ontostep本体模型和连杆机构装配元素语义框架进行实例化得到知识本体，并将swrl规则库置入知识本体中，指导完成连杆机构的装配序列生成。为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：所述知识本体构建及其装配序列生成方法，具体步骤如下：步骤1、将连杆机构装配三维模型进行转化，得到ontostep本体模型；其中，连杆机构装配三维模型存储在stepap203格式文件中，该文件即stepap203格式保存的文件；其中，ontostep本体模型是基于三元组实体构成的；步骤2、根据步骤1得到的ontostep本体模型中三元组实体的属性关系，挖掘三元组实体间的隐性知识，区分出连杆机构中的装配单元实体，得到连杆机构所包含的零部件信息及连杆机构的层次结构树；步骤3、根据步骤2区分出的所有装配单元实体和零部件信息，找出定义每个装配单元实体自身的所有数据元素，并基于stepap203文件的数据段结构，进行数据元素值的坐标系转换，得到装配单元实体在连杆机构装配体全局坐标系下的坐标转换结果；步骤4、根据步骤3获取的在全局坐标系下的坐标转换结果，确定装配单元实体之间即零部件之间的装配关系、装配关系数量及装配关系类型，在本ontostep本体模型中生成新的几何属性关系和实体信息，同时对该本体模型中未涉及序列生成过程的概念属性进行删减修改，得到ontostep改进本体模型；其中，ontostep改进本体模型中包括连杆机构特征知识，该特征知识具体为：步骤2中连杆机构所包含的“零部件信息及连杆机构的层次结构树”以及步骤4中的“装配单元实体之间即零部件之间的装配关系、装配关系数量及装配关系类型”；步骤5、由连杆机构装配工艺文件，基于连杆机构装配领域概念，获取装配元素关键词，在本体中建立用于连杆机构装配序列生成的非几何相关属性以及连杆机构装配元素语义框架；步骤6、搜集传统装配经验以及发现装配工艺文件中针对连杆机构的特定装配经验，将获取的装配知识以if…then…形式进行表达；再建立零件基础系数与零部件之间装配系数评定方法，并将评定方法以及以if…then…形式表达的装配知识转化为本体能理解的swrl规则库；其中，“步骤5与步骤6”与“步骤1至步骤4”为并列关系；步骤7、根据步骤4得到的ontostep改进本体模型以及步骤5得到的连杆机构装配元素语义框架，经过ontostep改进本体模型对连杆机构装配元素语义框架的实例化过程，进行本体合并，得到知识本体，并将步骤6得到的swrl规则库置入知识本体中；步骤8、在步骤7中的知识本体中运行swrl规则库，根据步骤2得到的装配层次结构树，以层次结构为前提，并以步骤4得到零部件之间的装配关系信息为基础，由下往上逐层装配，并根据零件基础系数确定装配基础件，以零件间装配系数为依据，在本体中继续逐步搜寻最优待装配零件，并将零件间的先后装配顺序以“before”属性连接的形式在本体中进行表达，最终输出连杆机构装配序列；至此，从步骤1到步骤8，完成了一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法。有益效果：本发明所述的面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，与现有方法相比，通过对连杆机构设计数据的隐性设计意图挖掘以及装配工艺文件相关知识提取，在知识本体中进行表达，具有如下有益效果：1.所述方法中的知识本体构建解决了在连杆机构装配序列生成过程中涉及到的产品装配知识未被有效利用及装配知识表达效果不好的问题；2.所述方法以多源异构数据为知识来源，包括连杆机构设计数据及连杆机构工艺文件，解决了连杆机构涉及到的不同来源数据信息共享困难的问题；3.所述方法步骤8中对装配序列推理生成解决了在现有连杆装配过程中对熟练工人依赖性过强、手工装配精度低、可靠性差、一次装配成功率低等瓶颈问题，提高了实际生产中连杆机构的装配效率，缩短了生产周期，最终实现了连杆机构的一次装配成功率的提高。附图说明图1为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法欲装配的连杆机构爆炸图；图2为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法的流程图；图3为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法装配的连杆机构设计数据以stepap203文件格式保存的部分数据段；附图4为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法步骤1中获取的ontostep本体模型；附图5为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法步骤3中根据坐标转换方法得到的转换后坐标值结果；附图6为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法步骤4中确定装配关系类型中，面面配合判定的满足条件；附图7为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法步骤4得到的在本体中进行装配关系表达的结果；附图8为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法步骤5根据连杆机构装配工艺文件建立的装配元素语义框架；附图9为本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法步骤7中基于ontostep本体改进模型实例信息对装配元素语义框架实例化后得到的连杆机构知识本体；附图10为根据本发明所提供的本体构建及其装配序列生成方法，最终得到连杆机构装配序列结果；图示说明：1-拉力构件，2-挂钩，3-轴，4-轴承，5-垫圈，6-螺母，7-销钉。具体实施方式下面结合附图以及实施例对本发明一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法进行详细描述。实施例1附图1为连杆机构爆炸图，其中，1-拉力构件，2-挂钩，3-轴，4-轴承，5-垫圈，6-螺母，7-销钉；附图2为本发明提供的本体构建及其装配序列生成的流程图；以导引头天馈伺服系统等为代表的典型紧密传动/执行机构，是导弹武器系统实现高精度制导与控制的关键物理环节，直接影响导弹核心性能指标，提高其装配质量和稳定性，是保障我国各类空天防御武器装备战技指标实现的基础条件。为实现传动，此类产品普遍采用连杆形式，本实施例提供了此类产品中的某型号位标器上的一种连杆机构，参见附图1，包括：拉力构件1、挂钩2、轴3、轴承4、垫圈5、螺母6、销钉7；其中，挂钩2在拉力构件1的槽中，轴3从拉力构件1孔、挂钩2孔中穿过，通过销钉7将挂钩2与轴3固定，并将轴承4压入拉力构件1中的轴承孔中，垫圈5、螺母6用于紧固轴3与轴承4。参见附图2，流程图详细描述了本发明所提供的本体构建及其装配序列生成流程，并最终输出连杆机构装配序列。本发明提供的一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法是以本体为框架获取连杆机构装配序列，在装配序列生成过程中，以基础件作为装配单元的基础和其他零件装配的载体，基础件是第一个被装配的零件，并且基础件有且只有一个。参见附图3，所述stepap203文件中以“cartesian_point”“direction”“axis2_placement_3d”等字段定义了产品设计信息。根据附图2，本发明提供的知识本体构建及其装配序列生成方法的实施例中，具体描述步骤为：第一步，参见附图4，将stepap203文件作为p21文件，ap203express文文件作为p11文件，前者提供本体实例内容，后者提供ontostep模型框架，导入protégé软件平台中，得到基于连杆机构设计数据的ontostep本体模型；第二步，根据ontostep模型中三元组实体属性关系，即描述装配体的本体类之间的关系，在区分装配单元时，具体涉及的本体类为：“representation_relationship”、“item_defined_transformation”、“axis2_placement_3d”、“advanced_brep_shape_representation”等，具体属性包括：“representation_relationship_has_name”、“item_defined_transformation_has_transform_item_1”、“item_defined_transformation_has_transform_item_1”、“representation_has_items”、“set_of_representation_item_has_content”等，并基于已有本体类在本体中建立新类：“零件”、“子装配体”，根据产品特征知识将上述类中的实例通过上述属性关联，区分得到零部件中的零件和子装配体，同样的，可以得到连杆机构的产品层次结构树。第三步，由于定义每个零件的坐标与向量数据均以零件本身坐标系为基准，包括壳、面、环、边、顶点等等，在ontostep本体模型中，本体类“item_defined_transformation”定义了坐标转换信息，基于坐标转换信息求出转换矩阵m，根据以下关系求出转换后的坐标值与向量值：p1＝p2×m1×m2×…×mn其中，p1为某点或向量在全局坐标系下的位置，p2为某点或向量在本身坐标系下的位置。参见附图5，根据所述本体中坐标转换方法，新建属性“转换后坐标值_x”“转换后坐标值_y”“转换后坐标值_z”，进行坐标转换，得到装配体中某个位置点在坐标转换后的坐标值，并由上述新建属性将点、向量与转换后数值进行连接储存在ontostep本体模型中。第四步，在区分了零部件的基础上，建立零部件之间的装配关系，本发明提供了装配关系中三种常用的基本装配关系的确定方法，包括：面面配合、轴孔配合、螺纹配合。以面面配合为例，零部件某个面的定义由几何曲面与几何边界确定，确定面面配合首先考虑几何曲面关系，参见附图6，其中，n1、n2分别为face1、face2几何曲面的法向量，o1、o2分别为法向量起点，且起点不总是在零部件表面的几何中心，需满足式中条件即可确定几何曲面配合关系；其次，考虑边界包含关系，即需满足face1或face2定义边界的点在face2或face1定义边界的点所包围的最大区域内。同时满足面面配合例中两个条件，即可确定面面配合关系。轴孔配合的判定方法与面面配合的判定方法相比，需要保证圆柱面之间的轴线相同，并需要满足圆柱面的半径相同，同时需要区分圆柱面为内圆面或者是外圆面，若为内圆面，则该零件特征为孔，若为内圆面，则该零件特征为轴。螺纹配合的判定方法是在轴孔配合的判定基础上，在本体模型中查询“manifold_surface_shape_represenation”类中是否存在实例，如果有，那么该实例对应的零件即存在螺纹特征。若满足存在螺纹特征，并对内外螺纹进行区分，结合轴孔配合的判定方法，确定两个螺纹面之间的配合关系，最终确定螺纹配合关系。根据第三步获取的装配体中每个零件的所有几何信息，在本体中识别出各零部件之间的位置关系，进一步的，可以确定零部件之间的装配关系。参见附图7，为在本体中新建配合关系属性后，在本体中得到的零件配合关系结果，最终得到ontostep改进模型。第五步，根据连杆机构的实际装配工艺过程，获取装配元素关键词，在protege中建立一个构建了装配过程所涉及的所有装配元素的连杆机构装配元素语义框架，本连杆机构实施例提供的主要本体类为零件名称类，参见附图8，包括“拉力构件”类、“挂钩”类、“轴”类、“轴承”类、“垫圈”类、“螺母”类、“销钉”、存储装配信息的“list_of_relation_information”类。第六步，搜集传统装配经验以及发现工艺文件中的针对连杆机构的特定装配经验，以确定基础件为例，一般情况下，装配过程会选择体积最大且质量最大的零部件通常作为基准件，并且基准件与其他零件的装配关系一般最多，首先以if…then…的形式进行表达，即if在连杆机构中所有装配零件中，该零件体积最大and该零件质量最重and该零件同其他零件之间的装配连接关系最多then该零件为基础件。进一步的，根据第六步所得到的以if…then…形式表达的装配知识，确定一个零件的装配序列需考虑多方面因素，包括零件装配层次、零件体积(本实施例提供的连杆机构对于所有零件的密度要求均相等，体积因素与质量因素影响程度相同)、装配配合面数量、装配配合零件数量等，建立了零件基础系数ps与零件之间装配关系系数pa的评定方法，计算公式为：ps＝x1×w1 x2×w2 x3×w3 x4×w4pa＝(ps1 ps2)×α×n1 (ps1 ps2)×β×n2 (ps1 ps2)×γ×n3其中，x1、x2、x3、x4分别为零件的层次值、体积值、装配配合零件数量以及装配配合面数量，w1、w2、w3、w4分别为各影响因素的影响权因子，n1、n2、n3分别为两个零件之间对应三种装配关系类型的数量，α、β、γ分别为基本装配关系的关系权值，取值分别为装配关系类型关系权值面面配合α＝1.5轴孔配合β＝1.0螺纹配合γ＝0.5影响权因子根据层次分析法获取，由专家评定比较各影响因素之间的重要程度进而建立判断矩阵，经一致性检测后，得到的影响权因子结果分别为影响因素影响权因子层次值0.467体积值0.095装配配合面数量0.277装配配合零件数量0.160在装配知识的基础上，将以自然语言形式表达的知识转化为swrl规则库，以求解零件基础系数为例，形式为连杆机构零件(？a)^has_relation_information(？a,？b)^层次值(？b,？v1)^体积值(？b,？v2)^接触零件个数(？b,？v3)^接触面个数(？b,？v4)^swrlb:multiply(？x1,？v1,0.467)^swrlb:multiply(？x2,？v2,0.095)^swrlb:multiply(？x3,？v3,0.277)^swrlb:multiply(？x4,？v4,0.160)^swrlb:add(？x,？x1,？x2,？x3,？x4)->连杆机构零件基础系数(？a,？x)。第七步，参见附图9，结合ontostep本体改进模型和装配元素语义框架，完成装配领域本体的实例化过程，同时导入用以表达装配相关知识的swrl规则库，得到知识本体。进一步的，在连杆机构知识本体中，在装配知识指导下，首先确定装配基础件，在基础件的基础上，依据装配关系与装配关系系数搜寻下一个待装配零件，即待装配零件需满足：1)待装配零件需与已装配零件存在装配关系；2)在与已装配零件存在装配关系的零件中，待装配零件与已装配零件之间的装配关系系数应最大。参见附图10，为在连杆机构知识本体中得到的装配序列结果。本发明提供的一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，与现有的面向产品装配序列生成的方法相比，本方法从知识重用的角度出发，同时考虑到了连杆机构装配过程中涉及到的设计数据知识和工艺文件知识，并在本体中进行知识表达，指导装配序列生成，使得装配活动更具柔性，连杆机构装配质量大大提高，一次装配合格率提高到了80％以上，装配效率明显提高，生产周期缩短了65％，达到了保质保量的效果。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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技术特征：1.一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1、将连杆机构装配三维模型进行转化，得到ontostep本体模型；
其中，连杆机构装配三维模型存储在stepap203文件中；
其中，ontostep本体模型是基于三元组实体构成的；
步骤2、根据步骤1得到的ontostep本体模型中三元组实体的属性关系，挖掘三元组实体间的隐性知识，区分出连杆机构中的装配单元实体，得到连杆机构所包含的零部件信息及连杆机构的层次结构树；
步骤3、根据步骤2区分出的所有装配单元实体和零部件信息，找出定义每个装配单元实体自身的所有数据元素，并基于stepap203文件的数据段结构，进行数据元素值的坐标系转换，得到装配单元实体在连杆机构装配体全局坐标系下的坐标转换结果；
步骤4、根据步骤3获取的在全局坐标系下的坐标转换结果，确定装配单元实体之间即零部件之间的装配关系、装配关系数量及装配关系类型，在本ontostep本体模型中生成新的几何属性关系和实体信息，同时对该本体模型中未涉及序列生成过程的概念属性进行删减修改，得到ontostep改进本体模型；
步骤5、由连杆机构装配工艺文件，基于连杆机构装配领域概念，获取装配元素关键词，在本体中建立用于连杆机构装配序列生成的非几何相关属性以及连杆机构装配元素语义框架；
步骤6、搜集传统装配经验以及发现装配工艺文件中针对连杆机构的特定装配经验，将获取的装配知识以if…then…形式进行表达；再建立零件基础系数与零部件之间装配系数评定方法，并将评定方法以及以if…then…形式表达的装配知识转化为本体能理解的swrl规则库；
步骤7、根据步骤4得到的ontostep改进本体模型以及步骤5得到的连杆机构装配元素语义框架，经过ontostep改进本体模型对连杆机构装配元素语义框架的实例化过程，进行本体合并，得到知识本体，并将步骤6得到的swrl规则库置入知识本体中；
步骤8、在步骤7中的知识本体中运行swrl规则库，根据步骤2得到的装配层次结构树，以层次结构为前提，并以步骤4得到零部件之间的装配关系信息为基础，由下往上逐层装配，并根据零件基础系数确定装配基础件，以零件间装配系数为依据，在本体中继续逐步搜寻最优待装配零件，并将零件间的先后装配顺序以“before”属性连接的形式在本体中进行表达，最终输出连杆机构装配序列。
2.根据权利要求1所述的一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，其特征在于：涉及的本体模型是基于protégé软件平台建立的。
3.根据权利要求2所述的一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，其特征在于：步骤1中stepap203文件中即stepap203格式保存的文件。
4.根据权利要求3所述的一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，其特征在于：步骤4中，ontostep改进本体模型中包括连杆机构特征知识，该特征知识具体为：步骤2中连杆机构所包含的“零部件信息及连杆机构的层次结构树”以及步骤4中的“装配单元实体之间即零部件之间的装配关系、装配关系数量及装配关系类型”。
5.根据权利要求4所述的一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，其特征在于：“步骤5与步骤6”与“步骤1至步骤4”为并列关系。
技术总结本发明涉及一种面向连杆机构的知识本体构建及其装配序列生成方法，属于产品装配序列自动化生成技术领域。建立基于连杆机构设计数据的OntoSTEP本体模型，发现连杆机构特征知识；同时获取装配元素关键词及连杆机构装配领域相关经验知识，建立连杆机构装配序列生成的非几何本体属性，基于装配元素关键词和本体属性得到连杆机构装配元素语义框架，并将连杆机构特征知识及连杆机构装配领域相关经验知识转化为SWRL规则库；基于OntoSTEP本体模型和连杆机构装配元素语义框架进行实例化得到知识本体并将SWRL规则库置入知识本体中，指导完成连杆机构的装配序列生成。所述方法解决了连杆机构装配序列生成过程中知识表达效果不好的问题，提高了装配效率，缩短了生产周期。
技术研发人员：史玲玲;龚汗青;李霏;金鑫;马国财
受保护的技术使用者：北京电子工程总体研究所;北京理工大学
技术研发日：2020.12.08
技术公布日：2021.03.12
