基于機(jī)器人裝配生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)與離散事件建模研究

陳玲琳

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 合肥 230051)

1 裝配流程圖

本文以某手機(jī)包裝生產(chǎn)線為研究對(duì)象，先確定裝配對(duì)象類(lèi)型，再根據(jù)老式生產(chǎn)線的工藝流程，對(duì)其流程進(jìn)行分析，并計(jì)算出所需物理元件的個(gè)數(shù)，然后構(gòu)建出能夠用于實(shí)際生產(chǎn)的系統(tǒng)方案。最后用數(shù)字化工廠軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性。具體工序的描述如表1所示，流程圖如圖1所示。

表1 手機(jī)包裝流水線工序詳述Table 1 Mobile packaging pipeline process details

2 流水線結(jié)構(gòu)

2.1 Robot

ABB IRB 360 Flexpicker 四軸工業(yè)機(jī)器人，專(zhuān)門(mén)用于高速撿取及放置任務(wù)，經(jīng)模塊化設(shè)計(jì)，具有 0.1 mm 的重復(fù)定位精度，且負(fù)載高、節(jié)拍時(shí)間短、運(yùn)動(dòng)性能強(qiáng)，其組成結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

從表2中IRB 360機(jī)器人的性能指標(biāo)可知，機(jī)器人可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)貨物撿取及放置的一次往返路徑，同時(shí)節(jié)拍時(shí)間不會(huì)隨著負(fù)重增加而提高，且能夠高速行進(jìn)。

表2 Robot指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 2 Robot indicator data

本文使用的 ABB 公司的 IRC5 控制器，具備動(dòng)態(tài)建模技術(shù)，可以自動(dòng)優(yōu)化機(jī)器人性能，并采用 TrueMoveTM、QuickMoveTM技術(shù)來(lái)增加精度、減少節(jié)拍時(shí)間。而且IRC5的傳感器接口、遠(yuǎn)程接口等均可編程，其 I/O 接口可兼容大部分工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，具備良好的聯(lián)網(wǎng)能力。

2.2 傳送系統(tǒng)

輸送機(jī)可實(shí)現(xiàn)大批貨物在某區(qū)間內(nèi)的快速移動(dòng)，可有效節(jié)約人力，在傳送更多貨物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更少的人力和空間占用，是自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)中不可或缺的部分，在包裝生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)行業(yè)的不同，傳送系統(tǒng)的種類(lèi)也不同，這些都可以從3D Create組件庫(kù)中找到如圖3所示。

圖3 3D Create中的各類(lèi)輸送機(jī)Fig.3 Various conveyors in 3D Create

2.3 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)模塊主要包含：立體貨架、出入庫(kù)操作臺(tái)、堆垛起重設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)。它可以將貨物傳入倉(cāng)庫(kù)的同時(shí)，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)情況進(jìn)行數(shù)字化仿真分析。圖4是3D Create的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)模擬圖，并通過(guò)條碼識(shí)別和計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)貨物的歸類(lèi)。

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)模塊包含：存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)部分、貨物傳輸系統(tǒng)、控制及管理模塊。針對(duì)現(xiàn)實(shí)操作中不同類(lèi)型貨物的不同屬性，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)也有不同的分類(lèi)。

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)模塊還有很多優(yōu)勢(shì)，比如節(jié)約占地資源、高效管理和運(yùn)作以及具有很高的安全性。

2.4 掃碼設(shè)備

條形碼掃描技術(shù)能方便地采集產(chǎn)品信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)控，被越來(lái)越多地用于倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)[1]。自動(dòng)分揀系統(tǒng)、AGV等先進(jìn)物料處理技術(shù)，在掃碼技術(shù)的加持下，失誤率更低，生產(chǎn)效率得以提升。在本自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，掃碼設(shè)備被安裝在傳送帶兩側(cè)，可以邊運(yùn)送產(chǎn)品邊進(jìn)行掃描(圖5)，從而實(shí)時(shí)掌握庫(kù)存情況及物料存儲(chǔ)位置信息，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)的出入庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理[2]。

3 離散事件系統(tǒng)仿真

3.1 離散事件系統(tǒng)的研究

在對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的分析研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)工作中，最普遍應(yīng)用的方法就是離散事件仿真。其組成有實(shí)體、屬性、活動(dòng)、事件、進(jìn)程等多種要素，用戶可以通過(guò)離散事件仿真試驗(yàn)各種不同的條件，以此來(lái)優(yōu)化工作流程[3]。

1)實(shí)體是指系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成，例如傳送帶、機(jī)械設(shè)備及物料等。

2)屬性是指實(shí)體所具備的狀態(tài)、參數(shù)等特性，如手機(jī)包裝中包裝盒的外觀、尺寸、選材、耗時(shí)等是手機(jī)外盒的屬性。

3)活動(dòng)是指系統(tǒng)變化的歷程，指示體系狀況的改變。活動(dòng)的停止可引起其它事件產(chǎn)生，并且活動(dòng)本身也是由另一個(gè)事件引起的。

4)事件是指致使系統(tǒng)產(chǎn)生變化的行為，只有通過(guò)事件的作用，才能導(dǎo)致系統(tǒng)的狀態(tài)改變。

5)進(jìn)程包括了跟實(shí)體有關(guān)的各種活動(dòng)及事件，表達(dá)了它們的時(shí)序和相互邏輯。

3.2 離散事件系統(tǒng)仿真

離散事件系統(tǒng)仿真操作包括：

1)任務(wù)解讀。首先要掌握流水線的大體情況，了解為什么要仿真及仿真模型結(jié)果的參數(shù)，如系統(tǒng)的工作時(shí)間、裝置的使用率等等。

2)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。全面深入地掌握系統(tǒng)基本情況，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相關(guān)數(shù)據(jù)等各種情況進(jìn)行描述。

3)獲取數(shù)據(jù)。依據(jù)周邊環(huán)境，獲取所需的完整數(shù)據(jù)，并執(zhí)行分析及比對(duì)。

4)制作仿真模型。根據(jù)周邊現(xiàn)實(shí)環(huán)境，制作仿真模型，再經(jīng)反復(fù)檢驗(yàn)及完善后構(gòu)建完成。

5)實(shí)現(xiàn)模型的編程?？梢允褂肅++、Python等通用的編程語(yǔ)言，也可以通過(guò)Witness、Simula 等仿真語(yǔ)言。

6)仿真實(shí)驗(yàn)。首先指定時(shí)間范圍，在時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)操作，得到所需的結(jié)果信息。

7)結(jié)果分析。分析得結(jié)果數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并研究各項(xiàng)性能參數(shù)，并比對(duì)預(yù)估目標(biāo)、研究可行性。

4 流水線的Petri網(wǎng)建模

4.1 基本Petri網(wǎng)的介紹

滿足下面四個(gè)條件的PN=(P,T,I,O;F)叫做有向網(wǎng)：

(3)F?(P×T)∪(T×S)，(“×”為笛卡爾積運(yùn)算)；

(4)dom(F)∪cod(F)=P∪T；

其中dom(F)和cod(F)分別為F的定義域和值域；

dom(F)={x∈P∪T∣?y∈P∪T：(x，y)∈F}；

cod(F)={x∈P∪T∣?y∈P∪T：(y，x)∈F}；

P={p1，…，pn}是庫(kù)所的有限集，n>0為庫(kù)所的個(gè)數(shù)；

T={t1，…，tn}為變遷的有限集，m>0是變遷的數(shù)量；

輸入I：P×T→N，是指由P至T的權(quán)的集合，其中非負(fù)整數(shù)集N={0,1，…}；I可以描述為：

(1)

輸出函數(shù)O:T×P→N，表示從變遷 T 到庫(kù)所 P 的權(quán)的集合，O可以描述為：

(2)

關(guān)聯(lián)矩陣 C 是用來(lái)描述 Petri 網(wǎng)的動(dòng)態(tài)行為，可以描述為：

(3)

離散事件系統(tǒng)建模普遍使用Petri 網(wǎng)對(duì)流水線建模，以此來(lái)全面解完整的的生產(chǎn)流程，并利用 Petri 網(wǎng)模型來(lái)分析系統(tǒng)的有效性、安全性等性能。

4.2 Petri網(wǎng)建模步驟

Petri網(wǎng)建模方式為[4]：

1)以建模為目標(biāo)，找出Robot、包裝及裝箱設(shè)備、碼垛機(jī)等物理單元。再找出系統(tǒng)的過(guò)程元素。

2)通過(guò) Petri 網(wǎng)中的T、P及流關(guān)系來(lái)表示資源同過(guò)程間的關(guān)系，變遷表示系統(tǒng)中全部的活動(dòng)、庫(kù)所表示系統(tǒng)中全部的狀態(tài)、流關(guān)系描述活動(dòng)和狀態(tài)間的約束。

3)利用 Petri 網(wǎng)模型，依據(jù)不同工序及托肯數(shù)目的改變，得到相關(guān)函數(shù)及關(guān)聯(lián)矩陣，然后利用關(guān)聯(lián)矩陣對(duì)流水線的工藝進(jìn)行研究。只要不影響結(jié)果，在進(jìn)行Petri網(wǎng)建模前，假定有下列條件：

一是流水線工作中零故障，生產(chǎn)順利；二是生產(chǎn)過(guò)程中材料供給流暢；三是僅輸入主要工作站的任務(wù)時(shí)間，不考其他因素。

以上面假設(shè)條件為前提，構(gòu)建該生產(chǎn)線的Petri 網(wǎng)模型，其具體流程如圖 6 所示。

圖6 生產(chǎn)線的 Petri 網(wǎng)模型Fig.6 Petri net model of production line

本流水線中，庫(kù)所P的集合代表流水線上全部裝置的狀態(tài)，變遷T的集合代表系統(tǒng)運(yùn)行中導(dǎo)致待處理件改變的操作，如表3所示。

表3 Petri 網(wǎng)模型P同T的對(duì)照Table 3 Comparison of petri net model P and T

4.3 對(duì)流水線的評(píng)估

本文對(duì)該流水線系統(tǒng) Petri 網(wǎng)模型的分析方法，選用了基于不變量分析的數(shù)學(xué)分析法，首先利用Petri網(wǎng)得到相關(guān)函數(shù)及關(guān)聯(lián)矩陣，然后根據(jù)解線性方程解的個(gè)數(shù)進(jìn)行性能判斷，以此來(lái)判斷可行性。

狀態(tài)方程為：

M=M0+CY......................

(4)

M=[m1,m2,…,mn]T...........

(5)

其中M0是最初各P的token數(shù)，M是經(jīng)T后，P的token數(shù)。

假如系統(tǒng)經(jīng)過(guò)T后，又回到原始狀態(tài)，即

M=M0+CY.......................

(6)

那么Y就稱(chēng)為T(mén)的不變量，即

CY=0.................

(7)

(8)

利用 Petri 網(wǎng)的模型，獲得的輸出函數(shù)(9)式所示：

(9)

通過(guò)方程CY = 0，得到 Y，就能夠有該流水線模型T不變量，求解出關(guān)聯(lián)矩陣 C 的秩，利用數(shù)學(xué)軟件求得rank(C)=16，由于變遷數(shù)量是17(列數(shù))，因此CY= 0有無(wú)窮個(gè)解，且有非0解。據(jù)此，能夠分析出具有T不變量，證明其可達(dá)、有界、活性?？蛇_(dá)性是指該流水線能夠依據(jù)規(guī)則連續(xù)運(yùn)行，而且可以經(jīng)歷原始狀態(tài)→變遷→目標(biāo)狀態(tài)→原始狀態(tài)的循環(huán)；有界性是指該流水線的布局設(shè)計(jì)合理，在工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生資源溢出；活性是指工藝流程合理，在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)死鎖情況，能確保流水線的順暢運(yùn)行。

4.4 Petri 網(wǎng)的工藝流程轉(zhuǎn) 3D Creat

利用 Petri 網(wǎng)構(gòu)建流水線的工藝模型后，通過(guò)面向?qū)ο蟮难芯糠椒?，在仿真軟件中?Petri 網(wǎng)中生產(chǎn)過(guò)程全部的庫(kù)所、變遷轉(zhuǎn)為相關(guān)的物理元件和指標(biāo)，詳細(xì)的轉(zhuǎn)換步驟有：

1)流水線上的物料能夠利用3D Create仿真軟件中的Feeder組件庫(kù)生成。將Feeder的供料參數(shù)定為無(wú)限，確保足額添料。

2)利用3D Create創(chuàng)建2個(gè)Robot，并設(shè)定其計(jì)劃日志及軌跡。

3)在模型庫(kù)中創(chuàng)建有碼垛機(jī)、控制器、貨架、入庫(kù)臺(tái)、出庫(kù)臺(tái)等自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的組成元件，再通過(guò)PNP與其連接，制定Controller的各項(xiàng)參數(shù)。

圖7 手機(jī)包裝機(jī)器人流水線布局圖Fig.7 Pipeline layout of mobile packaging robot

4)最后的工序由包裝模塊執(zhí)行，通過(guò)cp240組件生成并制定有關(guān)參數(shù)。

5)傳送帶可通過(guò)Conveyor組件生成，并設(shè)定長(zhǎng)度、形狀、速度、加速度等參數(shù)。

6)利用模型庫(kù)的設(shè)備控件實(shí)現(xiàn)各類(lèi)變遷的出發(fā)條件。

根據(jù)上述步驟，繪制出的生產(chǎn)線布局如圖7所示。

5 結(jié)論

1)分析了某手機(jī)機(jī)器人包裝流水線的工藝流程，整個(gè)流水線系統(tǒng)完全基于自動(dòng)化設(shè)計(jì)。由于不同種類(lèi)的手機(jī)在生產(chǎn)線上的裝配流程基本相同，所以該包裝流水線的結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于同類(lèi)產(chǎn)品。

2)裝配生產(chǎn)線屬于典型的離散事件系統(tǒng)，研究離散事件系統(tǒng)，然后利用Petri 網(wǎng)對(duì)流水線建模，采用不變量分析法研究系統(tǒng)工藝,進(jìn)而評(píng)估該系統(tǒng)的合理性。

3)Petri網(wǎng)的工藝流程轉(zhuǎn) 3D Create對(duì)應(yīng)的裝配工藝，構(gòu)建了流水線的總體布局方案。