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計算機輔助裝配規(guī)劃研究綜述

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摘要:裝配規(guī)劃是影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量和成本的重要因素,代寫論文 作為并行工程和計算機集成制造的關(guān)鍵支撐技術(shù),計算機輔助裝配規(guī)劃涉及計算機、人工智能、自動化和機器人等領(lǐng)域。對目前該領(lǐng)域國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,總結(jié)和剖析了經(jīng)典方法、虛擬現(xiàn)實方法、軟計算方法和協(xié)同方法等4 種具有代表性的裝配規(guī)劃技術(shù),并對今后計算機輔助裝配規(guī)劃的發(fā)展方向和研究趨勢進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:計算機應(yīng)用; 裝配規(guī)劃; 綜述; 虛擬現(xiàn)實; 軟計算; 協(xié)同裝配
裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié),是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過程。代寫畢業(yè)論文 裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%~50%,裝配自動化一直是制造自動化中的瓶頸問題。裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下,得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝配方案的過程,對指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時間等內(nèi)容[1]~[3]。
較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式,工藝人員根據(jù)設(shè)計圖紙和技術(shù)文檔,通過分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系,必要時再和設(shè)計人員進(jìn)行討論,進(jìn)一步明確設(shè)計者的真正意圖,利用自己的經(jīng)驗和知識規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低,且難于保證裝配方案的經(jīng)濟性。
隨著計算機集成制造CIMS 和并行工程CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,一方面對裝配相關(guān)的設(shè)計技術(shù)提出了計算機化的要求,以提高和產(chǎn)品開發(fā)過程中其他環(huán)節(jié)的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時間以加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動”兩方面的影響,80 年代初,出現(xiàn)了對計算機輔助裝配規(guī)劃(Computer Aided Assembly Planning,CAAP)技術(shù)的研究。到目前為止,CAAP 經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段,出現(xiàn)了4 種代表性的方法,按照出現(xiàn)的時間順序及方法的特點,筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。
1 經(jīng)典裝配規(guī)劃方法
早期CAAP 的研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃,以產(chǎn)品CAD 裝配模型為基礎(chǔ),代寫碩士論文 一般采用幾何推理的方法,通過產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評價和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持,其過程通常如圖1 所示。
1.1產(chǎn)品裝配建模
產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ),為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國學(xué)者Bourjauct 提出了聯(lián)系圖模型[4],將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝配關(guān)系,圖中的節(jié)點對應(yīng)零件,邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。關(guān)系模型[5] 進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系,圖中包含3 種實體類型:零件、接觸和聯(lián)接,邊表達(dá)了實體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性,即裝配體可以分解為子裝配體,子裝配體又可分解為下級子裝配體和零件的集合,以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。
矩陣比圖易于計算機表達(dá)和實現(xiàn)。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品,干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時相互間的干涉情況,接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài),連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數(shù)量,Huang[8]等把6個干涉矩陣合并為一個拆卸矩陣,集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。
1.2裝配序列推理和表達(dá)
基于聯(lián)系圖模型,Bourjauct 采用人機交互“問答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4],代寫醫(yī)學(xué)論文 隨后De Fazio 和Whitney[9],Baldwin[10]等人的工作進(jìn)一步較少了需要由用戶回答問題的數(shù)量,然后通過對裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通過對產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并,利用“割集”算法對聯(lián)接圖進(jìn)行循環(huán)分解,生成所有可能的子裝配體,直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR 圖表達(dá)方法,圖中的節(jié)點對應(yīng)裝配過程中的子裝配體或零件,超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因為“割集”算法的計算復(fù)雜性為O(3N) (N為零件個數(shù)),因此,對于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問題,這是難以讓人接受的。
1.3裝配序列評價和選擇
裝配序列的選擇對裝配線設(shè)計、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響,代寫職稱論文而評價是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評價可分為定性和定量兩方面因素[11]~[13],定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個裝配時間 (包括子裝配體的操作時間、運輸時間等 )、整個裝配成本 (包括勞動成本、夾緊和加工成本 )、產(chǎn)品在裝配中再定位的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機器人手爪的數(shù)目、工作臺的數(shù)目等。
更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見Texas A&M 大學(xué)Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14],其中收集了自1980年起近15 年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間,這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列,但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加,解空間的組合爆炸給序列的存儲、選優(yōu)帶來極大困難;且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識,難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。
2虛擬裝配規(guī)劃方法
虛擬現(xiàn)實技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人-機”協(xié)同工作提供了契機。虛擬裝配是指由操作者通過數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來模擬裝配/拆卸過程,無需產(chǎn)品或支撐過程的物理實現(xiàn),通過分析、先驗?zāi)P汀⒖梢暬蛿?shù)據(jù)表達(dá)等手段,利用計算機工具來安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過程中,人機可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,即人通過直覺/裝配經(jīng)驗和知識決定產(chǎn)品的裝配過程,但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零件,也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素,而通過一定算法和規(guī)則實現(xiàn)的機器智能剛好彌補人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序,還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺等信息。圖2 為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。
國外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16], [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)為代表,代寫英語論文通過建立一個裝配規(guī)劃和評價的虛擬環(huán)境來探索運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、制造的潛在技術(shù)可能性,為機械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評價和驗證提供支持。在虛擬環(huán)境中,利用提取并導(dǎo)入的CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引導(dǎo)裝配過程;通過引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性,基于物理特性進(jìn)行裝配建模,逼真地模擬真實裝配環(huán)境;支持雙手的靈活裝配和操作;記錄虛擬裝配過程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯;建立了工具/零件/人相互作用模型,支持裝配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運用。
國內(nèi)管強等[18]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與面向裝配設(shè)計的理論相結(jié)合,建立了一個虛擬環(huán)境下的面
向裝配設(shè)計系統(tǒng)(VirDFA)。萬華根等[19]建立了一個具有多通道界面的虛擬設(shè)計與虛擬裝配系統(tǒng)(VDVAS),通過直接三維操作和語音命令方便地對零件進(jìn)行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過程與歷史的虛擬設(shè)計與裝配環(huán)境(VIRDAS)中,張樹有等[20]通過識別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運動的導(dǎo)航,實現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點出發(fā),姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計全過程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu),從方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配工藝設(shè)計3 個層次上分階段地對產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評價。田豐等[22]提出一個面向虛擬裝配的三維交互平臺(VAT),簡化了虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造,便于應(yīng)用的快速生成。
應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境開展裝配規(guī)劃,提供了一種新的思路和工具。但是,虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入,另外,虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身(如圖形的高速刷新)及其相關(guān)硬件技術(shù)(如力觸覺設(shè)備)的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。
3 裝配規(guī)劃軟計算方法
1994 年,Zadeh 教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來,提出了軟計算方法(soft computing)[23]。軟計算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基礎(chǔ),不追求問題的精確解,以近似性和不確定性為主要特征,所得到的是精確或不精確問題的近似解。為避免組合爆炸同時又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案,近來,基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計算方法得到廣泛關(guān)注。
3.1 裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類形象思維的一種人工智能方法,它是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),代寫留學(xué)生論文單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出,神經(jīng)元之間的相互作用通過連接的權(quán)值體現(xiàn),神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu)化計算問題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù) (通常稱網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù))對應(yīng)起來,網(wǎng)絡(luò)動態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動的過程就可視作優(yōu)化問題的求解過程,穩(wěn)態(tài)點則是優(yōu)化問題的局部或全局最優(yōu)解。

Hong 和Cho[24]用于機器人裝配順序優(yōu)化的Hopfiled 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,考慮裝配約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程,基于優(yōu)先約束推理和專家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力,計算結(jié)果顯示,該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝配順序,且常常只能得到一個局部最優(yōu)的裝配序列。另外,參數(shù)選擇和初始條件對網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練,而訓(xùn)練時要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對某種類型的產(chǎn)品,對其它類型的產(chǎn)品則不一定適用,該方法的應(yīng)用范圍窄。
3.2 裝配規(guī)劃模擬退火算法
模擬退火算法源于固體退火思想,將一個優(yōu)化問題比擬成一個熱力學(xué)系統(tǒng),將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量,將優(yōu)化求解過程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá)到最低能量狀態(tài)的退火過程,通過模擬固體的退火過程獲得優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解。
Saeid 等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時,根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系,將裝配過程總裝配時間和重定向次數(shù)運用多屬性應(yīng)用理論組合成單一目標(biāo)函數(shù),作為裝配序列優(yōu)化的評價函數(shù)。Hong 和Cho[26]將裝配約束和裝配過程的成本映射為裝配序列能量函數(shù),利用模擬退火算法使裝配序列能量函數(shù)擾動地逐步減小,經(jīng)過多次迭代,直到能量函數(shù)不再變化為止,最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應(yīng)用到一個電子繼電器裝配體上,并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運算時間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
模擬退火算法具有較強的局部搜索能力,并能使搜索過程避免陷入局部最優(yōu),但模擬退火算法對整個搜索空間的狀況了解不多,不能使搜索過程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域,從而使得算法的運算效率不高。
3.3 裝配規(guī)劃遺傳算法
在眾多軟計算方法中,遺傳算法得到了眾多研究者的重視。代寫工作總結(jié) 遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機制的隨機搜索算法,它將問題的可能解組成種群,將每一個可能的解看作種群的個體,從一組隨機給定的初始種群開始,持續(xù)在整個種群空間內(nèi)隨機搜索,按照一定的評估策略即適應(yīng)度函數(shù)對每一個體進(jìn)行評價,不斷通過復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用,使種群在適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化,算法終止時得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問題解。圖3 為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。
裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點集中于設(shè)計裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過程信息、設(shè)計基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段編碼遺傳算法中,將染色體分為3 段編碼,第1 段表示參與裝配的零件編號,第2 段表示零件的可行裝配方向,第3 段表示裝配工具,從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能,文中將裝配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配,減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目;Guan 等[28]采用基因團編碼方式,一個基因團表達(dá)一個零件的裝配操作,由被裝配零件號裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上,通過交叉和多層次變異實現(xiàn)裝配序列并行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計了復(fù)制、交叉、變異、剪貼和斷連5 種遺傳算子尋找裝配序列優(yōu)化解。在Smith 等[30]的增強型遺傳算法中,選擇下一代個體并不完全依靠適應(yīng)度,而是先把一定數(shù)量較優(yōu)的個體復(fù)制到下一代,將適應(yīng)度低但幾何可行的序列用于繼續(xù)產(chǎn)生序列,直到滿足下一代種群中序列個數(shù)的需求,從而使算法能跳出局部最優(yōu)點,在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。
理論上,找到全局最優(yōu)裝配序列要求參加演化計算的種群規(guī)模要足夠大,迭代次數(shù)要無限
多,但在計算資源和時間限制下是達(dá)不到要求的。因此,遺傳算法求解裝配規(guī)劃問題的效率和結(jié)果依賴于初始種群規(guī)模及其質(zhì)量、遺傳算子及其操作概率等因素。
4 協(xié)同裝配規(guī)劃方法
裝配體作為實現(xiàn)產(chǎn)品功能的載體,零部件可能由不同的企業(yè)設(shè)計,零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過程,因此需要設(shè)計團隊的協(xié)同工作和決策以保證裝配質(zhì)量和降低裝配成本。計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展縮短了異地人員在時間和空間上的距離,為實時的“人-機-人”協(xié)同裝配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison 大學(xué)[31]提出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電子化裝配( e-Assembly ),探討在Internet/Intranet 上利用3D 模型進(jìn)行協(xié)同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具,擬實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括3D 交互可視化、協(xié)同裝配/拆卸/維護(hù)/回收等。目前已開發(fā)了Motive3D 系統(tǒng),利用Synthesizer模塊可以交互/自動進(jìn)行產(chǎn)品的裝配建模和規(guī)劃,Visualizer 模塊為用戶在Web 平臺上提供裝配序列規(guī)劃結(jié)果的可視化仿真,但缺少交互修改、調(diào)整功能。在ATS 項目[32]實施中,為了向異地的開發(fā)人員展示裝配設(shè)計和裝配規(guī)劃結(jié)果,嘗試?yán)肰RML 作為可視化工具,一方面供設(shè)計團隊瀏覽零部件設(shè)計,另外將裝配模型用文本編輯軟件進(jìn)行編輯,生成裝配序列的VRML 仿真文件,供異地的設(shè)計團隊實時進(jìn)行評價和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費的時間長達(dá)一周,而且每次設(shè)計修改后都必須重新編輯;同時,仿真文件僅具有瀏覽功能,不能進(jìn)行交互修改。
Web 環(huán)境下的協(xié)同裝配規(guī)劃方法[33]采用協(xié)同工作環(huán)境下的裝配建模、裝配規(guī)劃任務(wù)分配和裝配序列合成等技術(shù),通過對復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問題的分解,即降低了單機規(guī)劃工作模式的復(fù)雜度,又便于集中不同地域多專家的裝配知識和經(jīng)驗進(jìn)行裝配規(guī)劃方案的協(xié)同決策。面向協(xié)同廣義裝配[34]通過確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評價指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議,以VRML 為產(chǎn)品模型載體實現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識和規(guī)則的支撐下,支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗證零部件可裝配性,相關(guān)的裝配人員能夠協(xié)同討論裝配方案。Web 環(huán)境下3D 交互裝配可視化仿真結(jié)構(gòu)是一個符合開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35],它基于VRML-Java 實現(xiàn)裝配場景的動態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測以及裝配過程的動畫回放等功能,目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng),不能支持多用戶的實時協(xié)同裝配工作。
5 結(jié)論與展望
CAAP 的研究在理論上取得了一定的成果,在工業(yè)界也得到了一定的應(yīng)用,但相對而言還很少,這說明該技術(shù)距離工業(yè)實用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個經(jīng)驗和知識密集型的工作,同時又與具體行業(yè)和產(chǎn)品有緊密的關(guān)系。經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優(yōu)勢,而軟計算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪:R融入規(guī)劃過程中,使得結(jié)果具有更好的工藝可行性,兩者的適當(dāng)結(jié)合將有利于模仿人類裝配專家的實際裝配規(guī)劃過程,從而得到合理的裝配方案。
跨地域、跨國家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個需要協(xié)同工作和決策的問題。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,建立基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配決策平臺和虛擬環(huán)境,支持異地多人員協(xié)同裝配方案決策將是新形勢下裝配規(guī)劃研究的新趨勢。

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