CN107562025B - 基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化装配技术，旨在提供一种基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统及控制方法。该系统有多个可移动平台，并沿传输线布置多个工作站；可移动平台包括托盘，其底部装有的驱动装置，还设有能接收无线信号的分布式控制器，后者通过信号线接至驱动装置；工作站包括无效站、存储站、人工站和自动站；在各工作站处均设有减速传感器、停止传感器和触发气缸，传感器通过有线或无线通信方式连接至中央控制器，后者通过无线连接方式分别连接至各可移动平台。与现有技术相比，本发明可以实现异步运动，同步装配，大大提升了传输线的柔性，能够满足多样化柔性装配的需求。无线通信技术，可降低控制系统成本，提高工作效率和系统的机动性。

Description

基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统及控制方法

技术领域

本发明涉及自动化装配技术，更详细地说，本发明涉及基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统及控制方法，采用非支配排序遗传算法生成分布式调度策略，实现装配过程中可移动平台的柔性动态调节。

技术背景

物流传输或者装配制造系统，都会配有专门的传输线，这些自动化传输线设计复杂、功能单一、节拍固定，不具备可柔性调节的特点。主要表现在：

首先，传统的自动化传输线传动普遍采用倍速链结构或皮带式结构，这种结构的主要特点是整条传输线的回转半径比较大，运行不可靠，精度比较低；传输线功能单一，可装配的品种较少；工作地工序固定，而且每道工序都按照统一的节拍进行装配，无法保证整条传输线的平衡，从而影响到整条传输线的工作效率。此外，由于传输线节拍无法动态调节，使得传输线缺乏柔性，多种类型的产品频繁切换也会使得传输线效率严重下降。

其次，目前的自动化传输线中，控制系统大都采用基于有线连接的现场总线技术作为基础网络技术，传输线本身采用统一驱动部件带动承载的多个托盘沿工位前行，不具备根据工位特性实现托盘异步运行的功能。虽然相对无线通信来说，有线连接更加稳定可靠，但还是会有很多的缺陷。第一，对复杂的控制系统采用有线连接技术增加控制系统成本；第二，反复拔插线缆会造成接触不良，影响通讯质量，降低系统的稳定性；第三，有线连接使得控制系统的移动性能降低，也会使传输线的柔性降低；第四，对于一些移动的控制系统，根本无法采用有线连接的方式实现预定功能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，克服背景技术的不足，提供一种基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统及控制方法，实现基于可移动平台的自动化柔性装配系统的调节。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统，包括闭合运行的传输线，传输线具有上下两层结构的传送装置，以及设于传送装置两端的上料机器人、下料机器人和两台升降机；在传输线上设有多个可移动平台，并沿传输线布置多个工作站；

所述可移动平台的主体是用于盛装工件的托盘，其底部装有能使可移动平台在传送装置上移动的驱动装置；在托盘上设有内置无线信号接收装置的分布式控制器，分布式控制器通过信号线接至驱动装置；

所述工作站包括：作为装配系统工艺调节冗余设计的无效站、作为临时存储工位的存储站、作为人工装配操作工位的人工站，以及作为装配机构执行自动装配操作的自动站；各工作站根据工艺要求设置为单线装配站或多线装配站；

在各工作站处均设有减速传感器、停止传感器和触发气缸，减速传感器和停止传感器通过有线或无线通信方式连接至中央控制器；中央控制器通过无线连接方式分别连接至各可移动平台。

本发明中，在可移动平台上设有视觉可识别标记，所述减速传感器和停止传感器是摄像及识别装置；或者，在可移动平台上设有射频识别标记，所述减速传感器和停止传感器是射频检测及识别装置。

本发明中，所述传送装置是直线导轨，沿着直线导轨设置平行的齿条，可移动平台的驱动装置包括电机，电机输出轴通过传动机构连接至齿轮，齿轮与所述齿条相互啮合；或者，

所述传送装置具有塑胶或橡胶的平面，可移动平台的驱动装置包括电机，电机输出轴通过传动机构连接至滚轮，滚轮安放在传送装置的平面上。

本发明中，所述可移动平台上装有分别用于配合执行可移动平台的启动、减速、停止、零位、换向及旋转定位操作的传感器。

本发明中，还包括始端输送系统，该系统包括物料传输装置和定位装置，用于将物料输送至指定位置以便上料机器人抓取物料。

本发明中，沿传输线还设有用于质量检测的自动测试站。

作为一种应用例，所述可移动平台的主体是塔型工件托盘，其底部设置V型滚轮，托盘上安装了伺服电机并通过减速机和传动机构与滚轮相连；托盘上装设内置无线信号接收装置的分布式控制器，以及用于配合启动、减速、停止、零位、换向及旋转定位操作的传感器。

本发明进一步提供了利用所述装配系统实现基于分布式可移动平台的自动化柔性装配的方法，包括以下步骤：

(1)位于始端的升降机将可移动平台抬升至与上层传送装置平齐的位置后，上料机器人抓取物料放置在可移动平台上；

(2)可移动平台根据中央控制器发送的调度指令，利用驱动装置沿着上层传送装置行进，并根据沿途经过的工作站类型进行运动模式切换，具体为：

在下述情况下，可移动平台保持原速度继续行进，并忽略停止传感器的作用：(a)移动到无效站的减速传感器时；(b)移动到存储站、人工站或自动站的减速传感器时，中央控制器传递的调度指令中提示对应工作站中无空位；

当移动到存储站、手动站或自动站的减速传感器时，如中央控制器传送的调度指令中提示该工作站有空位，则可移动平台按预先设定的平滑速度曲线运行到停止传感器处，并由工作站的触发气缸将可移动平台推送至相应工位上，以实现可移动平台的存储、或者针对托盘中工件的手动与自动装配操作；

当上层传送装置中位置在后的手动站或自动站出现空工位时，中央控制器向已进入存储站的可移动平台传送调度指令，以执行返回上层传送装置并继续行进的操作；

(3)完成装配操作的工作站由人工或自动启动触发气缸，将可移动平台推送回上层传送装置，沿原行进方向前进并忽略沿途各工作站的传感器；最终停止在末端升降机上，由下料机器人抓取至指定位置；

(4)空载的可移动平台由末端升降机下降至与下层传送装置平齐的位置后，再沿与在上层传送装置时相反方向运行；沿下层传送装置布置了多个临时存储站，空载的可移动平台根据中央控制器传送的调度指令，直接运行至首端升降机上或者进入沿途的临时存储站中。

本发明中，如可移动平台在上层传送装置的整个行进过程中均未能进入工作站，则按步骤(4)的内容进行操作。

本发明中，所述中央控制器接收各运行设备运行状态或传感器检测结果的数据，根据下述方式建立调度机制，并将调度指令传送至各可移动平台和运行设备以满足调度机制的要求；具体包括以下内容：

所述自动化柔性装配系统基于petri网进行模型构建，采用三元组形式定义，其数学模型如下：

W＝＜T,Γ,F＞

Γ＝{τ₁,τ₂,...,τ_N}

F＝{N₁+N₂＝M＜N}.

式中，W表示petri网的三元组，T表示Petri网库所的集合，Γ表示变迁的集合，F表示满足的约束条件；t_i1表示单线操作装配线时间,1≤i≤N₁；t_i2表示多线操作装配线时间,1≤i≤N₂；τ_i表示可移动平台在相邻工位切换时间，1≤i≤N；，N₁表示单线装配工序数，N₂表示多线装配工序数，M表示产品所需的总装配工序数，N表示整条装配线所有的工位数；

所述的自动化柔性装配系统使用非支配排序遗传算法进行优化调度，非支配排序遗传算法根据预定的优化指标及装配系统实时反馈回来的状态信息，动态生成帕累托最优解，根据帕累托最优解L来调节分布式调度策略；所需的优化指标可由用户预先定义，其中包括可移动平台装配时间，连续两次分布式策略切换时间；

具体的多目标优化数学模型如下：

L:Pareto{f₁(t),f₂(t)}

s.t.N₁+N₂＝M＜N.

模型中t_i1表示的是第i个单线操作的时间，1≤i≤N₁；t_i2的i表示的是第i个多线操作的时间，1≤i≤N₂；t_i3表示分布式策略切换时第i个工序的切换时间，1≤i≤M；i<N时，τ_i表示可移动平台在第i个工位和第i+1个工位的切换时间，i＝N时，τ_i表示可移动平台在第N个工位和第1个工位的切换时间；N₁表示单线装配工序数，N₂表示多线装配工序数，M表示产品所需的总装配工序数，N表示整条装配线所有的工位数，f₁(t)表示传输线装配时间，f₂(t)表示连续两次分布式策略切换时间，Pareto{f₁(t),f₂(t)}表示帕累托最优求解问题；

所述多目标优化数学模型必须满足如下柔性装配系统工位配置的约束条件：

m₁₁≥1,

m_m1≤N,

m_i1-m_(i-1)1≥1,i＝2,3,...p-1

m_p2-m_(p-1)1≥3,

m_(p+1)1-m_p2≥2,

m_(p+i)1-m_(p+i-1)1≥1,i＝2,3,...q-p-1

m_q3-m_(q-1)1≥4,

m_(q+1)1-m_q3≥3,

m_(q+i)1-m_(q+i-1)1≥1,i＝2,3,...m-q.

具体表现为：将装配系统的工位按照顺序编号为1,2,…,N，假设在第p步为2线装配，对应工位编号为m_p2和m_p2+1，第q步为3线装配工艺，对应工位编号为m_q3，m_q3+1和m_q3+2，并且满足(p<q)；其他单线工艺对应工位编号为m_i1，(i＝1,2,…p-1,p+1,…,q-1,q+1,…m)；

具体的调度方式为：中央。

发明原理描述：

本发明中的基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统，包括中央控制器和传输线系统。中央控制器负责上层控制命令的发布、下层反馈信息的收集、传输线运行状态的监测以及分布式调度策略的实时调整。装配系统包括闭合运行的传输线，始端输送系统。分布式控制器配以WIFI模块，用于可移动平台与中央控制器之间的信息交互。

具体来说，中央控制器与传输线系统中的各传感器通过有线或无线方式实现数据交付，并控制升降机、机器人、各工作站触发气缸和自动站的装配操作。可移动平台的分布式控制器与中央控制器通过无线的方式进行数据交互。同时分布式控制器通过由驱动器、减速机和电机构成的伺服系统实现可移动平台的加减速规划及电机控制。

始端输送系统用于完成物料的传输及视觉定位，主要通过连续抓拍机械轴类图像，通过对特征点的定位使其旋转到指定的位置，以便上料机器人的抓取。始端输送系统可有效防止物料和外部装置的碰撞，同时可设置输送线的传输速度、旋转角度误差范围和检测次数等，使系统可兼容多种产品。

上料机器人负责将始端输送系统定位完成的物料抓取到可移动平台的托盘上。传输线末端可设置测试站，用以完成对装配产品的质量检测。中央控制器接收测试站上传的产品质量信息，向下料机器人发送对已装配完成产品的抓取指示。下料机器人将合格产品放到终端输送线，将不合格产品放到其他指定位置，以便人工再次检验。

所述的可移动平台可实时判断其在线体位置，具体实现为：传输线上每个工位上固定有触发气缸、减速传感器和停止传感器，减速传感器和停止传感器将检测到的可移动平台标记传送至中央控制器，根据各工位传感器的位置和可移动平台的预置标记编号来确认各可移动平台的位置。

一种可利用的示例为：分布式控制器通过N个有效数据保存N个工位的配置信息，如果第i个数据为0，代表该工位是无效站；如果第i个数据为i，代表该工位是存储站；如果第i个数据为i+1，代表该工位是单线手动站；如果第i个数据为i+2，代表该工位是单线自动站；如果第i个数据为i+128，代表该工位是多线手动站；如果第i个数据为i+129，代表该工位是多线自动站。

可移动平台可以根据所在工位类型进行相应的多线装配，具体实现为：当可移动平台第一次运行到多线站的减速传感器的位置时，如果下一个相邻工作站也是多线站且无可移动平台，则可移动平台按之前的速度继续运行，当下一个相邻工作站不是多线站或有可移动平台停止在下一个相邻工作站时，则可移动平台在该站按照预先设定的平滑速度和位置曲线减速运行到停止传感器位置。当多线装配完成时，传输线上的对应的多线站的触发气缸同时触发，处在多线站位置上的多个可移动平台同时运行，直到运行到下一个相邻的非无效站为止。

可移动平台在进行多线装配时，可以使用相同数目的存储站进行配合，一种可利用的示例为：在2线装配站之前，配置有2个存储站，当2线站的可移动平台离开后，传输线之前的2个存储站对应的触发气缸同时触发，触发对应的可移动平台同时运行到2线装配站的位置。

在整个装配系统中，分布式调度策略的生成基于非支配排序遗传算法(NSGA)，该算法在基本遗传算法的基础上，对选择再生方法进行改进，将个体按照它们的支配与非支配关系进行分层，再做选择操作，从而在多目标优化方面得到满意的结果。NSGA根据用户事先预定的优化指标及装配系统实时反馈回来的状态信息，动态生成帕累托最优解，根据帕累托最优解来调节分布式调度策略。

整个传输线可移动平台由于脱离了传统传输线传送带的限制，可实现异步运动，同步装配。同时中央控制器可通过不同的工艺要求，实时下发相应的控制命令，使得传输线柔性大大提高，可兼容多种产品。同时基于非支配排序遗传算法的分布式控制及调度策略可以实现装配系统最优的运行效果。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

1、本发明采用的多移动平台的方案，可以实现异步运动，同步装配，大大提升了传输线的柔性，能够满足多样化柔性装配的需求。具体来说，本发明产品基件将附着在可移动平台上面，传输线不再运动，上下两层V型导轨、左右升降机构成的封闭传输线仅提供导向作用，可移动平台在封闭的传输线上周期运动。

2、本发明采用的通信方案是无线通信技术，一方面可以有效避免传统有线连接方式带来的布线和电源问题，另一方面可以降低控制系统的成本，提高工作效率，提高系统的机动性。

3、本发明中的线体上的工作站可以根据不同的工艺要求实时配置成不同的工作模式，同时中央控制器还可以为线体上的可移动平台下发控制命令，实现可移动平台单线/多线工作模式的切换，显著提高了整条传输线的柔性，可以兼容多种产品。

4、本发明中的中央控制器实时监测装配系统的状态，可以根据用户预先定义的优化指标，基于非支配排序遗传算法生成分布式调度策略，实现装配系统最优的运行效果。

5、本发明中的可移动平台具有高度模块化的功能，在突发故障发生时可以方便整体拆卸和安装，可以极大的节省传输线的维修时间，提高传输线的装配效率。

附图说明

图1为本发明自动化柔性装配系统的布置图。

图2为本发明传输线的结构示意图。

图3为本发明通信方案示意图。

图4为本发明控制系统结构框图。

图中附图标记：始端输送系统1、上料机器人2、存储站3、人工站4、自动站5、自动测试站61、自动测试站62、下料机器人7，终端输送系统8、升降机9、升降机10，临时存储站11、可移动平台12、无效站13。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1和图2是基于分布式可移动平台的自动化柔性装配系统的整体结构图。自动化柔性装配系统包括闭合运行的传输线，传输线具有上下两层结构的传送装置(如图2所示)，以及设于传送装置两端的上料机器人2、下料机器人7和两台升降机9、10；在传输线上设有多个可移动平台12，并沿传输线布置多个工作站；工作站包括：作为装配系统工艺调节冗余设计的无效站13、作为临时存储工位的存储站3、作为人工装配操作工位的人工站4，以及作为装配机构执行自动装配操作的自动站5；各工作站根据工艺要求设置为单线装配站或多线装配站；沿传输线还设有用于质量检测的自动测试站61、62。在各工作站处均设有减速传感器、停止传感器和触发气缸，减速传感器和停止传感器通过有线或无线通信方式连接至中央控制器；中央控制器通过无线连接方式分别连接至各可移动平台12。传感器的识别方式可以采用多种方式，例如，可以在可移动平台12上设有视觉可识别标记，所述减速传感器和停止传感器是摄像及识别装置；或者，在可移动平台12上设有射频识别标记，所述减速传感器和停止传感器是射频检测及识别装置。当然，传感器和识别标志物的安装位置也可以相互对调。

可移动平台12的主体是用于盛装工件的托盘，其底部装有能使可移动平台在传送装置上移动的驱动装置；在托盘上设有内置无线信号接收装置的分布式控制器，分布式控制器通过信号线接至驱动装置。在可移动平台12上还可以装有分别用于配合执行可移动平台的启动、减速、停止、零位、换向及旋转定位操作的传感器。

本发明中，传送装置和可移动平台12的移动方式也是可以有多种选择的。例如，传送装置是直线导轨，沿着直线导轨设置平行的齿条，可移动平台12的驱动装置包括电机，电机输出轴通过传动机构连接至齿轮，齿轮与所述齿条相互啮合；或者，传送装置具有塑胶或橡胶的平面，可移动平台12的驱动装置包括电机，电机输出轴通过传动机构连接至滚轮，滚轮安放在传送装置的平面上。

自动化柔性装配系统还包括始端输送系统1，始端输送系统1包括物料传输装置和定位装置，用于将物料输送至指定位置以便上料机器人抓取物料。自动化柔性装配系统也可以包括终端输送系统8，包括物料传输装置和定位装置，用于将下料机器人7抓取的物料输送至指定位置。

本发明中，利用所述装配系统实现基于分布式可移动平台的自动化柔性装配的方法，包括以下步骤：

(1)位于始端的升降机9将可移动平台12抬升至与上层传送装置平齐的位置后，上料机器人2抓取物料放置在可移动平台12上；

(2)可移动平台12根据中央控制器发送的调度指令，利用驱动装置沿着上层传送装置行进，并根据沿途经过的工作站类型进行运动模式切换，具体为：

在下述情况下，可移动平台12保持原速度继续行进，并忽略停止传感器的作用：(a)移动到无效站13的减速传感器时；(b)移动到存储站3、人工站4或自动站5的减速传感器时，中央控制器传递的调度指令中提示对应工作站中无空位；

当移动到存储站3、手动站4或自动站5的减速传感器时，如中央控制器传送的调度指令中提示该工作站有空位，则可移动平台12按预先设定的平滑速度曲线运行到停止传感器处，并由工作站的触发气缸将可移动平台12推送至相应工位上，以实现可移动平台的存储、或者针对托盘中工件的手动与自动装配操作；

当上层传送装置中位置在后的手动站4或自动站5出现空工位时，中央控制器向已进入存储站3的可移动平台12传送调度指令，以执行返回上层传送装置并继续行进的操作；

(3)完成装配操作的工作站由人工或自动启动触发气缸，将可移动平台12推送回上层传送装置，沿原行进方向前进并忽略沿途各工作站的传感器；最终停止在末端的升降机10上，由下料机器人7抓取至指定位置；

(4)空载的可移动平台12由末端的升降机10下降至与下层传送装置平齐的位置后，再沿与在上层传送装置时相反方向运行；沿下层传送装置布置了多个存储站3，空载的可移动平台12根据中央控制器传送的调度指令，直接运行至首端的升降机9上或者进入沿途的存储站3中。

如可移动平台12在上层传送装置的整个行进过程中均未能进入工作站，则按步骤(4)的内容进行操作。

本发明中，所述中央控制器接收各运行设备运行状态或传感器检测结果的数据，根据下述方式建立调度机制，并将调度指令传送至各可移动平台和运行设备以满足调度机制的要求；具体包括以下内容：

所述自动化柔性装配系统基于petri网进行模型构建，采用三元组形式定义，其数学模型如下：

W＝＜T,Γ,F＞

Γ＝{τ₁,τ₂,...,τ_N}

F＝{N₁+N₂＝M＜N}.

式中，W表示petri网的三元组，T表示Petri网库所的集合，Γ表示变迁的集合，F表示满足的约束条件；t_i1表示单线操作装配线时间(1≤i≤N₁)，t_i2表示多线操作装配线时间(1≤i≤N₂)，τ_i表示可移动平台在相邻工位切换时间(1≤i≤N)，N₁表示单线装配工序数，N₂表示多线装配工序数，M表示产品所需的总装配工序数，N表示整条装配线所有的工位数；

所述的自动化柔性装配系统使用非支配排序遗传算法进行优化调度，非支配排序遗传算法根据预定的优化指标及装配系统实时反馈回来的状态信息，动态生成帕累托最优解，根据帕累托最优解L来调节分布式调度策略；所需的优化指标可由用户预先定义，其中包括可移动平台装配时间，连续两次分布式策略切换时间；

具体的多目标优化数学模型如下：

L:Pareto{f₁(t),f₂(t)}

s.t.N₁+N₂＝M＜N.

模型中t_i1表示的是第i个单线操作的时间(1≤i≤N₁)；t_i2的i表示的是第i个多线操作的时间(1≤i≤N₂)；t_i3表示分布式策略切换时第i个工序的切换时间(1≤i≤M)；i<N时，τ_i表示可移动平台在第i个工位和第i+1个工位的切换时间，i＝N时，τ_i表示可移动平台在第N个工位和第1个工位的切换时间(1≤i≤N)；N₁表示单线装配工序数，N₂表示多线装配工序数，M表示产品所需的总装配工序数，N表示整条装配线所有的工位数，f₁(t)表示传输线装配时间，f₂(t)表示连续两次分布式策略切换时间，Pareto{f₁(t),f₂(t)}表示帕累托最优求解问题；

所述多目标优化数学模型必须满足如下柔性装配系统工位配置的约束条件：

m₁₁≥1,

m_m1≤N,

m_i1-m_(i-1)1≥1,i＝2,3,...p-1

m_p2-m_(p-1)1≥3,

m_(p+1)1-m_p2≥2,

m_(p+i)1-m_(p+i-1)1≥1,i＝2,3,...q-p-1

m_q3-m_(q-1)1≥4,

m_(q+1)1-m_q3≥3,

m_(q+i)1-m_(q+i-1)1≥1,i＝2,3,...m-q.

具体表现为：将装配线的工位按照顺序编号为1,2,…,N，假设在第p步为2线装配，对应工位编号为m_p2和m_p2+1，第q步为3线装配工艺，对应工位编号为m_q3，m_q3+1和m_q3+2，并且满足(p<q)；其他单线工艺对应工位编号为m_i1，(i＝1,2,…p-1,p+1,…,q-1,q+1,…m)；

具体的调度方式为：中央。

一个具体应用的示例如下：

首先物料经由装配有视觉定位系统的始端输送线系统1输送到指定位置，当视觉定位系统完成旋转定位时，上料机器人2接收定位完成信号，完成物料的抓取，同时可移动平台12通过升降机9上升到位，精定位到上料机器人2下指定工作站，上料机器人2接收到可移动平台12精定位完成信号时，将物料抓取到可移动平台12的托盘上；存储站3有两个工位，人工站4有两个工位，配置为双线装配，当存储站3两个工位上同时存储有可移动平台12时，这两个可移动平台12可以同时移动到人工站4的两个手动工位上，物料在两个手动工位同时进行装配，装配完成后可以同时离开，这样可以解决传统传输线由于不同工位装配时间不同导致效率降低的问题。可移动平台12同时离开后到达自动站5进行积料，之后自动切换成单站模式，通过手动站4或自动站5完成装配，物料在自动测试站61和62进行质量检测，物料优先在自动测试站61检测。当自动测试站61在做检测时，装配完成的物料在自动测试站62做检测。检测完成后，物料完成最后的装配。之后可移动平台12精定位到下料机器人7下的指定位置，下料机器人7接收到定位完成信号时，抓取装配完成的物料，根据自动测试站61、62保存的物料是否合格信号，将合格物料放到终端输送系统8输送打包，将不合格物料放到其他位置，以便做进一步的维修处理。之后可移动平台12经由升降机10下降到位，在下层运动到临时存储站11停止，再经由升降机10上升到位，进行下一个周期的装配。

图3是分布式可移动平台的自动化柔性装配系统的通信方案示意图，中央控制器与可移动平台12通过无线的方式经由无线路由器进行数据交互。系统内部的上料/下料机器人、视觉定位系统、触摸屏、串口服务器通过工业以太网交换机以有线(或无线)的方式连接到中央控制器。中央控制器作为整个系统的核心协调各部分的工作。

图4是柔性装配系统的控制框图，首先由用户通过生产任务生成配置文件给中央控制器，中央控制器根据配置文件来确定每个可移动平台的工作模式，可以配置其为自动站、存储站、人工站或无效站，也可以确定单线装配或双线装配模式。中央控制器实时监测装配系统的状态，包括产品在每个环节的生产速率，以及成品率等等。接收可移动平台的状态反馈信息，中央控制器能够监测其工作是否正常，如果发现异常，中央控制器根据不同异常情况作出相应的处理。同时中央控制器基于用户事先预定的优化指标和非支配排序遗传算法动态生成帕累托最优解，根据帕累托最优解来调节分布式调度策略。

Claims (8)

1.一种基于分布式可移动平台的自动化柔性装配的方法，其特征在于，该方法是基于下述自动化柔性装配系统而实现的：该系统包括闭合运行的传输线，传输线具有上下两层结构的传送装置，以及设于传送装置两端的上料机器人、下料机器人和两台升降机；其特征在于，在传输线上设有多个可移动平台，并沿传输线布置多个工作站；

所述可移动平台的主体是用于盛装工件的托盘，其底部装有能使可移动平台在传送装置上移动的驱动装置；在托盘上设有内置无线信号接收装置的分布式控制器，分布式控制器通过信号线接至驱动装置；

所述工作站包括：作为装配系统工艺调节冗余设计的无效站、作为临时存储工位的存储站、作为人工装配操作工位的人工站，以及作为装配机构执行自动装配操作的自动站；各工作站根据工艺要求设置为单线装配站或多线装配站；

在各工作站处均设有减速传感器、停止传感器和触发气缸，减速传感器和停止传感器通过有线或无线通信方式连接至中央控制器；中央控制器通过无线连接方式分别连接至各可移动平台；

所述自动化柔性装配的方法包括以下步骤：

(1)位于始端的升降机将可移动平台抬升至与上层传送装置平齐的位置后，上料机器人抓取物料放置在可移动平台上；

(2)可移动平台根据中央控制器发送的调度指令，利用驱动装置沿着上层传送装置行进，并根据沿途经过的工作站类型进行运动模式切换，具体为：

在下述情况下，可移动平台保持原速度继续行进，并忽略停止传感器的作用：(a)移动到无效站的减速传感器时；(b)移动到存储站、人工站或自动站的减速传感器时，中央控制器传递的调度指令中提示对应工作站中无空位；

当移动到存储站、手动站或自动站的减速传感器时，如中央控制器传送的调度指令中提示该工作站有空位，则可移动平台按预先设定的平滑速度曲线运行到停止传感器处，并由工作站的触发气缸将可移动平台推送至相应工位上，以实现可移动平台的存储、或者针对托盘中工件的手动与自动装配操作；

当上层传送装置中位置在后的手动站或自动站出现空工位时，中央控制器向已进入存储站的可移动平台传送调度指令，以执行返回上层传送装置并继续行进的操作；

(3)完成装配操作的工作站由人工或自动启动触发气缸，将可移动平台推送回上层传送装置，沿原行进方向前进并忽略沿途各工作站的传感器；最终停止在末端升降机上，由下料机器人抓取至指定位置；

(4)空载的可移动平台由末端升降机下降至与下层传送装置平齐的位置后，再沿与在上层传送装置时相反方向运行；沿下层传送装置布置了多个临时存储站，空载的可移动平台根据中央控制器传送的调度指令，直接运行至首端升降机上或者进入沿途的临时存储站中；

所述中央控制器接收各运行设备运行状态或传感器检测结果的数据，根据下述方式建立调度机制，并将调度指令传送至各可移动平台和运行设备以满足调度机制的要求；具体包括以下内容：

所述自动化柔性装配系统基于petri网进行模型构建，采用三元组形式定义，其数学模型如下：

W＝＜T,Γ,F＞

T＝{t₁₁,t₂₁,...,t_N11,t₁₂,t₂₂,...,t_N22}

Γ＝{τ₁,τ₂,...,τ_N}

F＝{N₁+N₂＝M＜N}.

式中，W表示petri网的三元组，T表示Petri网库所的集合，Γ表示变迁的集合，F表示满足的约束条件；t_i1表示单线操作装配线时间,1≤i≤N₁；t_i2表示多线操作装配线时间,1≤i≤N₂；τ_i表示可移动平台在相邻工位切换时间，1≤i≤N；N₁表示单线装配工序数，N₂表示多线装配工序数，M表示产品所需的总装配工序数，N表示整条装配线所有的工位数；

所述的自动化柔性装配系统使用非支配排序遗传算法进行优化调度，非支配排序遗传算法根据预定的优化指标及装配系统实时反馈回来的状态信息，动态生成帕累托最优解，根据帕累托最优解L来调节分布式调度策略；所需的优化指标可由用户预先定义，其中包括可移动平台装配时间，连续两次分布式策略切换时间；

具体的多目标优化数学模型如下：

L:Pareto{f₁(t),f₂(t)}

s.t.N₁+N₂＝M＜N.

模型中t_i1表示的是第i个单线操作的时间，1≤i≤N₁；t_i2的i表示的是第i个多线操作的时间，1≤i≤N₂；t_i3表示分布式策略切换时第i个工序的切换时间，1≤i≤M；i<N时，τ_i表示可移动平台在第i个工位和第i+1个工位的切换时间，i＝N时，τ_i表示可移动平台在第N个工位和第1个工位的切换时间；N₁表示单线装配工序数，N₂表示多线装配工序数，M表示产品所需的总装配工序数，N表示整条装配线所有的工位数，f₁(t)表示传输线装配时间，f₂(t)表示连续两次分布式策略切换时间，Pareto{f₁(t),f₂(t)}表示帕累托最优求解问题；

所述多目标优化数学模型必须满足如下柔性装配系统工位配置的约束条件：

m₁₁≥1,

m_m1≤N,

m_i1-m_(i-1)1≥1,i＝2,3,...p-1

m_p2-m_(p-1)1≥3,

m_(p+1)1-m_p2≥2,

m_(p+i)1-m_(p+i-1)1≥1,i＝2,3,...q-p-1

m_q3-m_(q-1)1≥4,

m_(q+1)1-m_q3≥3,

m_(q+i)1-m_(q+i-1)1≥1,i＝2,3,...m-q.

具体表现为：将装配系统的工位按照顺序编号为1,2,…,N，假设在第p步为2线装配，对应工位编号为m_p2和m_p2+1，第q步为3线装配工艺，对应工位编号为m_q3，m_q3+1和m_q3+2，并且满足(p<q)；其他单线工艺对应工位编号为m_i1，(i＝1,2,…p-1,p+1,…,q-1,q+1,…m)；

具体的调度方式为：中央。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在可移动平台上设有视觉可识别标记，所述减速传感器和停止传感器是摄像及识别装置；或者，在可移动平台上设有射频识别标记，所述减速传感器和停止传感器是射频检测及识别装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传送装置是直线导轨，沿着直线导轨设置平行的齿条，可移动平台的驱动装置包括电机，电机输出轴通过传动机构连接至齿轮，齿轮与所述齿条相互啮合；或者，

所述传送装置具有塑胶或橡胶的平面，可移动平台的驱动装置包括电机，电机输出轴通过传动机构连接至滚轮，滚轮安放在传送装置的平面上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可移动平台上装有分别用于配合执行可移动平台的启动、减速、停止、零位、换向及旋转定位操作的传感器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括始端输送系统，该始端输送系统包括物料传输装置和定位装置，用于将物料输送至指定位置以便上料机器人抓取物料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿传输线还设有用于质量检测的自动测试站。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可移动平台的主体是塔型工件托盘，其底部设置V型滚轮，托盘上安装了伺服电机并通过减速机和传动机构与滚轮相连；托盘上装设内置无线信号接收装置的分布式控制器，以及用于配合启动、减速、停止、零位、换向及旋转定位操作的传感器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如可移动平台在上层传送装置的整个行进过程中均未能进入工作站，则按步骤(4)的内容进行操作。