CN108388159A - 一种微小零件自动装配系统控制软件的设计架构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种针对微小零件自动装配系统的软件框架，软件框架划分为4个层级，从顶层到底层依次为交互层、任务层、逻辑层和行为层。交互层用于接受用户输入的信息指令，是该软件架构与用户的直接接口。任务层接受和解析交互层下达的命令,以装配工艺为依据分解装配任务，构造动作序列，发送给逻辑层。逻辑层接受任务层发来的动作序列信息，将其分解后，发送给行为层对应对象。行为层根据逻辑层发来的命令，实现对应的动作。每个层级执行不同的任务，上一层通过接口控制下一层，下一层通过接口将信息反馈给上一层，用于解决微小零件装配系统的控制软件开发和维护困难的问题。

Description

一种微小零件自动装配系统控制软件的设计架构

技术领域

本文涉及一种微小零件自动装配系统控制软件的设计架构，属于精密装配技术领域。

背景技术

目前，微机电产品不仅应用于生物医学、汽车工业、航空航天、环境监测等领域，而且已经渗透到人们生活的各个角落，如手机、计算机、相机等产品。而在国内大部分微机电产品仍然是通过熟练工人借助显微镜完成装配。构建自动化微装配系统，可以有效降低劳动强度与人为因素，改善装配效率，提高产品稳定性与装配精度。而为装配系统设计控制软件的人员要对装配系统有深入的了解，这就要求程序设计人员不仅要有一定的编程基础，还要对装配系统所涉及的多个学科领域都要有所了解。因此，为装配系统设计控制软件对设计人员要求高，开发难度较大。目前一台微装配设备的控制软件往往只是针对一种特定零件设计的，而当零件改变时，装配设备的硬件往往无需变化，装配控制程序则需要重新编写。但是每个人编写程序的方式不尽相同，程序又常与硬件相关，代码不易理解，为装配系统的后期维护改进也带来不小的困难。针对微装配系统控制软件开发困难的问题，国内人员展开了相应研究。

徐征，王晓东等人【徐征等，基于机器视觉的微装配控制策略及设计架构，光学精密工程，2009，(4)：820-823】提出一种适用于微装配系统的三层设计架构，包括任务层、策略层和行为层。其中任务层接受和解析操作者下达的命令,以装配工艺为依据分解任务；策略层接受任务层发来的动作序列信息,将其分解后,发送给行为层对应对象；行为层根据策略层发来的命令,控制硬件行为。该设计架构各层次分工明确，耦合度低，有助于可复用性和鲁棒性，但是对每一装配步骤都需要人工决策，人工依赖性强，不适用于自动装配系统。

黄翔，黄心汉等人【黄翔等，微装配机器人的控制软件设计，计算机与数字工程，2011，(2)：64-67】提出一种基于.NET框架的四层架构，适用于微装配机器人控制软件设计，分为初始层、控制层、监测层和视图层。其中初始层完成硬件的初始化工作；控制层负责控制硬件行为；监测层获取系统状态并且通知视图层；视图层提供用户交互界面和处理数据。该架构设计模式可以实现基于人机交互方式控制半自动装配过程，但并不能实现自动装配过程。

目前的微装配系统设计架构只适用于半自动装配，装配系统的人工依赖程度高，针对这一问题，本发明提出一种适用于微小零件全自动装配系统控制软件的设计架构，每一步装配结果由控制系统判断，不再依赖操作人员。

发明内容

本发明提出一种适用于微小零件全自动装配系统控制软件的设计架构，设计架构划分为四个层级，从顶层到底层依次为交互层、任务层、逻辑层和行为层，每个层级执行不同的任务，上一层通过接口控制下一层，下一层通过接口将信息反馈给上一层，用于实现微装配系统的全自动装配过程，同时解决微小零件自动装配系统的控制软件开发和维护困难的问题。

本发明技术方案：

一种微小零件自动装配系统控制软件的设计架构，从顶层到底层依次包括交互层100、任务层200、逻辑层300和行为层400。

所述交互层100用于接受用户输入的信息指令，是该设计架构与用户的直接接口。用户输入信息指令主要包括继续装配、重复上一装配步骤、系统复位和退出。在交互层100上，用户可以根据不同的需求设计不同的人机界面。

在一个具体实施例中，交互层100还用于显示报警信息、显示装配结果、显示采集图像和系统参数调节等。

所述任务层200在装配过程中以装配工艺为依据分解装配任务，构造动作序列，发送给逻辑层300，同时接收逻辑层300的反馈信息，根据装配信息进行决策判断，实现装配流程自动化。

在一个具体实施例中，任务层200可以综合装配参数库和逻辑层300反馈的时时装配状态，判断每一个装配步骤是否执行成功，若装配成功则自动进行下一装配步骤。若遇到错误时反馈给交互层100，请求人工干预，当操作人员通过交互层100对系统下达命令后，任务层200接受和解析交互层100下达的命令并发送给逻辑层300。

所述逻辑层300接受任务层200发来的动作序列信息，将其分解后，通过接口发送给行为层400。

在一个具体实施例中，逻辑层300包括图像处理模块310和坐标转换模块320，其中图像处理模块310将任务层400传感器采集到的图像处理后，将结果反馈给任务层200；坐标转换模块320用于处理各坐标系的关系，进行坐标位置换算。

所述行为层400根据逻辑层300发来的命令，控制硬件实施对应的动作，实现装配信息的加载与保存。

在一个具体实施例中，行为层400包括信息加载模块410、硬件控制模块420和数据保存模块430。其中信息加载模块410用于加载预先标定好的各项参数；硬件控制模块410根据逻辑层300发来的命令，控制步进电机、工业相机、数字量输出板卡等硬件的具体行为，同时将采集到的信号传递给逻辑层300；数据保存模块430将装配结果信息从内存保存至硬盘。

附图说明

图1设计架构结构示意图。

图2逻辑层结构示意图。

图3行为层结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例及附图对微小零件自动装配系统控制软件的设计架构进行详细叙述：

如图1所示，为一个具体实施实例中微小零件自动装配系统控制软件的设计架构，该设计架构从顶层到底层依次包括交互层100、任务层200、逻辑层300和行为层400。

其中交互层100用于接受用户输入的信息指令，指令信息可以通过鼠标键盘等设备输入。信息指令主要包括继续装配、重复上一装配步骤、系统复位和退出。当装配过程中遇到问题后，操作人员可以根据用户层100的错误提示进行适当调整，然后在交互界面上选择继续装配，或者是重复上一装配步骤，也可以选择系统复位，重新开始装配。在交互层100上，用户可以根据不同的需求设计不同的人机界面。

在一个具体实施实例中，交互层100提供接口包括报警信息显示接口，用于显示装配过程中遇到的问题，请求人工干预；装配信息显示接口，用于显示当前的装配步骤及相关提示，方便操作人员时时掌握装配系统的工作状态；图像显示接口，用于显示视觉系统采集的图像，方便操作人员人工检查装配状态；系统参数调节接口，用于出现装配错误时，操作人员可调节部分系统参数，解决装配中遇到的问题。

任务层200是装配系统的控制中枢，负责将装配任务分解为指令，通过接口发送给逻辑层300，并可以根据逻辑层300的反馈信息自动判断装配结果。

在一个具体实施实例中，任务层200根据装配任务加载所需的装配参数，通过接口函数向逻辑层300发送相应指令，并在装配过程中将逻辑层300接口反馈回来的零件位姿等过程信息与预先标定的参数库对比，判断每一个装配步骤是否执行成功。若装配遇到错误时将错误信息通过接口反馈给交互层100，请求人工干预，并通过接口解析交互层100的人工干预指令。若装配成功则自动进行下一装配步骤。整套零件装配完成后，执行系统复位，等待用户指令，进行下一次装配或者是退出装配系统。

逻辑层300接受任务层200发来的指令信息，将其分解后，发送给行为层400的对应对象。

在一个具体实施例中，逻辑层300负责分解动作序列和后台数据处理，包括图像处理模块310和坐标转换模块320，如图2所示。

其中图像处理模块310对任务层400传感器采集到的图像进行处理，将得到的零件状态和位姿信息通过接口反馈给任务层200，任务层200可以根据反馈过程信息和装配参数库判断装配步骤的执行状况。

坐标转换模块320用于处理各坐标系的关系，进行坐标位置换算。在本实例中坐标系包括图像坐标系、视觉坐标系、装配坐标系和世界坐标系等，装配参数库中保存的位置信息一般为基于世界坐标系的位置。坐标转换模块320的代码只与装配系统的结构相关，当装配任务发送变化时，装配程序也要做出相应修改，而只要装配系统结构不发生变化，坐标转换模块320的代码就可以直接使用而无需改动。这种设计架构设计模式为装配系统的后期改进升级提供了方便。

在具体装配实例中，当逻辑层300接收到控制视觉系统运动至指定位置检测零件的指令时，逻辑层300首先通过坐标转换模块320将任务层200指令中的位置信息由世界坐标系转换至视觉坐标系，然后通过接口函数向行为层400下达对应驱动器的位移命令，驱动视觉系统移动；采集的图像通过接口由行为层400传递给图像处理模块310，得到零件的位姿信息再经过坐标转换模块320由图像坐标系转换至世界坐标系，最后逻辑层300将零件的位姿信息反馈给任务层200，完成指令。

行为层400通过接口接收逻辑层300发来的命令，实现对应硬件的动作，同时实现装配参数的加载与保存。

在一个具体实施例中，行为层400包括信息加载模块410、硬件控制模块420和数据保存模块430，如图3所示。

其中，信息加载模块410负责在装配开始时将预先标定好的各项装配参数加载至内存，方便控制调用。

硬件控制模块420在装配过程中根据逻辑层300发来的命令，通过串口通信以及硬件厂商提供的SDK开发包等方法控制硬件执行相应的动作，同时将采集到的信号通过接口传递给逻辑层300，本实例中控制硬件包括步进电机、工业相机、光源控制器和扭矩传感器等。硬件控制模块420的代码只与装配系统的硬件型号相关，当装配系统需要改进时，只要装配系统的硬件型号不发生变动，该模块代码就无需改动，降低了二次开发难度。

数据保存模块430在装配结束后将装配结果信息和对应的零件序号从内存保存至硬盘，便于后期查询。

上述微小零件自动装配系统控制软件的设计架构从顶层到底层依次包括交互层、任务层、逻辑层和行为层，各层级负责任务不同，通过接口通信，上一层级控制下一层级，可以实现微小零件的全自动装配，架构明确易于理解，部分代码可重复使用，减少装配系统控制的二次开发难度，方便后期维护升级。

Claims (1)

1.一种微小零件自动装配系统控制软件的设计架构，其特征在于，采用分层设计，从顶层到底层依次为交互层、任务层、逻辑层和行为层；

所述交互层用于接受用户输入的信息指令、显示报警信息、显示装配结果、显示采集图像和系统参数调节，是该设计架构与用户的直接接口；

所述任务层负责在装配中进行决策,以装配工艺为依据分解装配任务，构造动作序列，发送给逻辑层，同时可以接受和解析交互层下达的命令；所述任务层综合装配参数库和逻辑层反馈的装配状态，判断每一个装配步骤是否执行成功，若遇到错误时反馈给交互层，请求人工干预，若装配成功则自动进行下一装配步骤；

所述逻辑层接受任务层发来的动作序列信息，将其分解处理后，发送给行为层对应对象，同时将装配过程信息反馈给任务层；所述逻辑层包括图像处理模块和坐标转换模块；所述图像处理模块用于处理任务层传感器采集到的图像，将结果反馈给任务层；所述坐标转换模块用于处理各坐标系的关系，进行坐标位置换算；

所述行为层根据逻辑层发来的命令，控制设备硬件实现对应动作，同时加载和保存装配参数；所述行为层包括信息加载模块、硬件控制模块和数据保存模块；所述信息加载模块将预先标定好的各项装配信息加载至内存；所述硬件控制模块根据逻辑层发来的命令，控制硬件执行相应的动作；所述数据保存模块将装配结果信息从内存保存至硬盘；

其中，所述交互层与任务层通过接口相连，所述任务层与逻辑层层通过接口相连，所述逻辑层与行为层通过接口相连，每个层级执行不同的任务，上一层通过接口控制下一层，下一层通过接口将信息反馈给上一层。