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移动机器人与机械手服务的装配/拆卸机电一体化生产线的建模和控制
摘要
本文的目的是使用配备机械手的移动平台来逆转装配线。通过可逆性，我们的意思是该生产线能够进行拆卸。为此，将使用装配/拆卸线路平衡（A / DLB）和同步混合Petri网（SHPN）模型来建模和控制装配/拆卸机电一体化生产线（A / DML），具有固定数量的工作站由配备机器人操纵器（RM）的轮式移动机器人（WMR）提供服务。SHPN模型是混合类型，其中A / DML是离散部分，而具有RM的WMR是连续部分。此外该模型以同步模式与来自传感器的信号一起运行。在组装过程之后以及在组装件未通过质量测试之后开始拆卸，以便恢复零件。带RM的WMR仅在拆卸过程中使用，用于将零件从拆卸位置运输到存储位置。使用这 些模型和LabView平台，设计并实现了实时控制结构，允许自动装配和拆卸，后者由配备机械手的移动平台辅助。
1.介绍
本文提出的方法响应了配备机械手的移动平台所服务的机电一体化线路上的装配/拆卸过程的规划和控制概念，重点是操作规划。
装配线是面向流的生产系统，其中生产单元在工作站上执行操作，工作站可以配置为串行，平行，圆形，U形，蜂窝或双面线。当工件沿着线移动时，工件连续地访问工位，通常是通过某种传输系统，例如传送带（崔，张，吴， amp; 刘，1998).拆卸操作涉及将可重复使用部件与废弃产品分离。这些部件要么进行再制造操作，要么出售给供应商（科帕切克amp; Kopacek 1998; Seliger, Grudzien, amp; 扎伊迪，1999 年).装配/拆卸制造系统是实时和复杂的控制系统，涉及多个操作条件和任务。混合系统目前是备受关注的焦点。由移动机器人提供的组装/拆卸生产线具有混合特性，由连续动态行为和离散事件行为组成。混合Petri网（HPN）是用于对此类系统进 行建模的工具（高姆里amp; 阿拉， 2008; Minca, Filipescu, amp; 沃达，2012；伏达，拉达钦，米卡， amp; 菲利普斯，2012).装配/拆卸计划由安装在一起的零件或子组件组成（阿不思 amp; Meystel 1996).特别相关的研究课题包括装配/拆卸表示，工作单元规划，顺序规划等。离 线任务计划是一个包含多种规划方法的大范围，能够制定详细的操作 计划，包括规划感官行动，计划机械手动作，规划移动机器人的轨迹（加斯帕雷托amp; Zanotto，2007年），粗糙运动规划，精细运动规划和其他规划（丰 amp; 宋，2008）.在线计划解决执行和反应问题，例如如何在线开发计划，如何执行和监控离线开发的计划，以及如何应对计划执行期间出现的各种情况（Ganget, Hattenberger, amp; 阿拉米， 2005年).这些问题可以进一步分为：计划监控，反应式调度和基于行 为的操作。装配/拆卸计划过程涉及更复杂的要求，例如几何关系，性能测量和评估，资源调度，运动控制和系统规划。对于并行且灵活 的制造环境中的复杂装配/拆卸线，这是一项艰巨的任务。这些因素 的结合使得实际的装配/拆卸计划更加困难，并且需要丰富的设计师的经验和生产工程师的知识。到目前为止，在任务规划中有许多技术，例如二进制矩阵的使用，有向图，建立条件，优先关系，和/ 或图（曹amp; 桑德森 1998已经提出用于在设计智能和有效的装配/拆卸操作时生成和表示，推理和搜索装配计划，其中操作员（机器人或人）基于某些指定，存储或感测的信息自主地执行给定任务。然而， 在具有操纵器的移动机器人系统中，面向系统特征的规划策略通常比源自独立于域的方法的技术更有效。没有约束的系统模型的常规表示可能导致可行计划的巨大搜索空间。使用此模型，任务计划程序可以确定必须删除的组件序列，以实现特定的任务序列。如果目标包括反汇编特定组件，则任务规划人员可以提供到达特定组件的最佳顺序（摩尔，古戈尔， amp; 古普塔，2001年).如果完全组装的产品未通过质量测试，则任务计划员提供完全拆卸产品的最佳顺序。需要一种全面的基于知识的反汇编任务规划方法，该方法考虑了受技术和经济约束的复杂互动和领域知识的所有方面（大卫 amp; 阿拉， 2010).基于与序列生成算法集成的HPN模型的知识开发成功地应用于灵活的拆卸过程和系统的建模和规划。然而，具有机械手，拆卸计划方法和任务级别规划的自主移动机器人的类型，极大地提高了整个过程的效率并降低了产品拆卸的成本。低级任务规划中的任务规范包括改变模型或操作顺序（平石，1999).本文介绍了一种用于装配/拆卸机电一体化生产线（A / DML）的同步混合Petri网（SHPN）模型，该机型由配备机器人操纵器（RM）的轮式移动机器人（WMR）服务，以及装配/拆卸线平衡（A / DLB）模型。拆卸线平衡用于查找为每个要拆卸的产品分配给每个工作站的任务集。这个问题对于最大限度地减少在拆卸过程中投入的宝贵资源（如时间和金钱）的使用，以及最大限度地提高拆卸过程的自动化水平以及回收的零件或材料的质量至关重要（麦戈文 amp; 古普塔 2007).在本文中，我们考虑具有固定数量工作站的拆卸线平衡问题（DLBP），以便最大化恢复部件的价值。兰伯特（2002） 强调拆卸过程并不意味着反向装配过程。A / DLB和SHPN型号已针对装配机电一体化生产线进行了定制，该生产线组装了一个由5部分组成的产品。使用LabView平台，基于A / DLB和SHPN模型，提供了WMR与RM服务的A / DML的实时控制。这些模型提供了要拆卸产品的高级描述。目的是将任务分配给拆卸线工作站， 以便最大化恢复部件的总价值。执行反汇编操作相同的装配线，由许多线性配置的工作站组成。第一个工作站将产品 拆开，部件在不同的工作站上断开连接。只要所有需要的零件都被拆卸，一个循环终止，即产品离开生产线。在本文中，装配/拆卸任务 的概念在SHPN模型中进行了说明，该模型符合两个方面：基本装配/ 拆卸操作的离散方法，以及WMR位移的连续方法。因此，A / DML系统变得可逆并且在拆卸过程期间由安装在移动平台上的机器人操纵器提 供。A / DML动态由事件决定，由自动系统的控制序列提供，并通过与WMR的交互来确定，WMR代表系统的连续时间部分。所考虑的系统是 混合系统，需要专门的建模工具。混合模型使用专用建模工具HPN进 行详细说明大卫和阿拉（2010年）.SHPN模型是由分析系统的SED模型与WMR与RM的循环和连续时间的组合得出的。
2.关于A / DLB和SHPN模型的初步评论
装配/拆卸线由拆装阶段配备RM的WMR提供服务，图1.目的是使 装配/拆卸线平衡且可逆。此外，移动机器人用于将拆卸的组件运送 到适当的存储仓库。
2.1大会假设
装配线是特殊的流水线生产系统，在大量标准化商品的工业生产中是典型的。根据崔等人。（1998），装配线有几种分类方案，它们考虑了产品的性质，操作方式和操作时间的性质。与这些分类相对应，以下假设涉及机电一体化系统的组装：
A / DML是单一型号的产品线，根据产品的性质，节奏线（工作站之间的转移是装配线是特殊的流水线生产系统，在大量标准化商品的工业生产中是典型的。根据崔等人。（1998），装配线有几种分类方案，它们考虑了产品的性质，操作方式和操作时间的性质。与这些分类相对应， 以下假设涉及机电一体化系统的组装：
A1. A / DML是单一型号的产品线，根据产品的性质，节奏线（工作站之间的转移是同步的），由操作模式和确定性线，由操作时间的性质（当然已知 的时间）。
A2.有固定数量的工作站，同时最大限度地缩短了A / DML装配线平衡的周期时间。
装配位置
y
x
O
拆卸位置
存储仓库
图1.装配/拆卸和存储仓库位置。
2.2. 拆卸假设
在Altekin，Kindlier和Ozdemirel（2008） 和Gungor和 古普塔（2002年），DLB模型分别描述了部分和完全拆卸。
讨论了拆卸线在产品回收中的重要性，以及在创建有效的拆卸线 时所涉及的各种复杂性。要详细说明DLB模型，
必须做出以下假设：
A3. 拆卸线是节奏的。
A4. 一种产品被拆卸，每种产品具有相同的配置。
A5. 考虑完整的拆卸过程，并且所有参数，即任务时间，周期时 间，部件需求，成本，都是确定的，即确定性的。
A6. 有N个工作站，线性配置第一个工作站，用于拆卸产品。工 作站的数量与通过反汇编释放的部件数量相同。
A7. 每个周期由单个部件拆卸指定，因此存在N个周期，其中每个周期被称为基本周期。相同的任务在每个周期中运行，但具有不 同的持续时间。
A8. 每项任务都由其成本和处理时间指定。部件发布任务具有附 加参数，即收入。
A9. 在组装过程之后和产品未通过质量测试后立即开始拆卸过程。
A10.存储仓库位置与装配发生的位置相同。
A11.在装配/拆卸操作中，仅组装/拆卸一个部件。
A12.按照惯例，如果最终产品包含不同材料的圆柱体，则认为最终产品未通过质量测试。
A13.一旦反汇编过程中的最后一个剩余部分被运送到存储仓库， 就会开始新的装配过程。
A14.在每个基本周期中，移动平台位移是线性的，没有障碍物并且具有相同的恒定速度。设N是要组装和拆卸的零件数量。
设N是Ox轴正方向的装配位置。
t
设Nai : i 1;N是负数的反汇编位置
本节介绍了基于上述假设的模型，用于找到A / DLB问题的最佳解决方案。由于假设A.1，A.2和A.10，可以认为，就组装过程而言，线 是平衡的。因此，隐含地解决了装配线平衡（ALB）问题。
3.拆卸任务
令M为反汇编产品所需的任务总数，Mc 为每个周期（周期）的任务数。与循环相关的任务，TCi;我frac14;1;Mc ，载列如下：
TC1 - 停止线。
TC2 - 释放拆卸部分。
TC3 - RM在拆卸位置定位。
TC4 - 抓握拆卸部件。
TC5 - 起跑线。
TC6 - 用于WMR位移的RM定位。
TC7 - WMR从拆卸位置到仓库的位移。
TC8 - RM定位在仓库位置。
TC9 - 仓库中的零件存储。
TC10 - 用于WMR位移的RM定位。
TC11 - 从仓库到下一个拆卸位置的WMR位移。
4.A / DML由WMR与RM共同服务
4.1硬件说明
一般方法将针对A / DML机电一体化生产线Hera＆Horstmann进行定制，如图所示图2,3 和4a和b，由五件式组成，如图所示图4c和d。WMR，Pioneer3-DX，具有测距系统，两个驱动轮和一个后自由轮。 此外，板载嵌入式微控制器能够读取位置信息并通过WI-FI链路根据特定协议将其发送到远程PC。远程PC计算控制输入并将其发送到WMR。 此外，远程PC将数据发送到装配线PLC。该WMR配备了RM，带有三个关节和一个抓手桨。装配/拆卸制造灵活生产线配备了SIEMENS Simatic S7-300可编程逻辑控制器（ PLC）， 由Profibus连接5个分布式模块。灵活的生产线包括五个独立的工作站， 具有不同的任务：运输和运输，气动工作站，传送带，分拣单元，测试站和仓库。工件支架用于在传送带系统上搬运和运输四件式工件。工作部件载体配有6位识别，提供大量可能的代码，由电感式传感器读出。四件式工作部件
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