CN109108642A - 基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法，包括以下步骤：步骤1，建立机器人小臂装配线全部工序的Petri网模型；步骤2，建立每一工序独立的Petri网模型；步骤3，将全部工序的Petri网模型和每一工序的Petri网模型合并。

Description

基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法

技术领域

本发明涉及一种生产线构建技术，特别是一种基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法。

背景技术

传统的Petri网在建立装配系统模型时，由于系统的结构复杂，模型的针对性强，模型的建立和改进都非常困难。简单的Petri网在建立装配系统模型时，无法表达系统的时间因素。传统的Petri网在建立装配系统模型时，模型层次不够清晰，且所建模型有较高的系统独立性，具有可重用性和可维护性差等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法，包括以下步骤：

步骤1，建立机器人小臂装配线全部工序的Petri网模型；

步骤2，建立每一工序独立的Petri网模型；

步骤3，将全部工序的Petri网模型和每一工序的Petri网模型合并。

采用上述方法，步骤1中机器人小臂装配线为一U型装配线，共24道工序，在U型装配线上共有八个工位，每个工位被分配相应的装配工序，各工位旁有一装配机器人，负责该工位装配工序的实现，U型装配线中间有一AGV小车轨道，AGV小车在轨道上工作，完成将各零部件运送到各工位及将成品入库的任务；采用串并联相结合的方式对装配线进行Petri网模型的建立：

当装配零件被送至装配线完成质检打码后，分为五条装配支线进行装配，其中第一、二支线在独立完成各自装配任务后进行联合装配，第三支线单独负责一条支线的装配，第四、五支线在独立完成各自装配任务后进行联合装配；各支线任务完成后便送往最终装配区完成最终装配，最后由AGV小车完成运输入库。

采用上述方法，步骤2中对每一工序建立独立的Petri网模型的具体过程为：

每一工序包括主线任务、支线任务和控制弧，

主线表示装配操作任务，主线为t_k1→p_k1→t_k2→p_k2→t_k3，其中，t代表变迁，p代表库所，k代表工序序号，k右侧的数字代表库所或变迁的序号；

支线表示工人状态变化，支线为p_k3→t_k5→p_k4→t_k4，其中，p_k3、p_k4分别表示工人繁忙和空闲，工人同一时间只能为繁忙或空闲；

控制弧包括三条，其中

(1)p_k3→t_k2控制弧表示待装配的上一道工序零件存储区有零件，工人繁忙并且装配机器人等待工作时t_k2被触发；

(2)p_k2→t_k5控制弧表示当库所p_k2的存储区容量到达M时，若此时工人处于繁忙状态，则变迁t_k5被触发；

(3)p_k2→t_k4控制弧表示当库所p_k2的容量为0时，若此时工人处于空闲状态，则变迁t_k4被触发。

采用上述方法，支线还包括线p_k5→t_k6→p_k6→t_k2，即装配机器人正常启动，完成准备，并等待工作，成为触发变迁t_k2的条件；支线还包括p_k5→t_k7→p_k7→t_k8→p_k8→t_k9→p_k5，即装配机器人发生故障并进行维修，完成维修后重新回到p_k5状态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)利用自上而下/自下而上建模思想为指导思想，模型结构简单，可重用性好；(2)模型中引入时间，可实现系统时间因素的表达；(3)将不同建模角度相结合，层次分明，建模过程清晰，重点突出，可维护性好。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为实施例某机器人小臂装配线布局图。

图2为实施例的基于流程的赋时Petri网模型示意图。

图3为实施例的基于任一工序的赋时Petri网模型示意图。

图4为基于流程和工序将结合的Petri网模型示意图。

具体实施方式

一种基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法，包括以下步骤：

第一步，从全局的角度出发，用自上而下的思想建立了基于流程的赋时Petri网模型；

第二步，从局部的角度出发，用自下而上的思想建立了基于任一工序的赋时Petri网模型；

第三步将前两步所建模型相结合并细化。

第一步，从全局的角度出发，用自上而下的思想建立了基于流程的赋时Petri网模型：

首先对整个机器人小臂装配系统进行设计，暂时不考虑各工序内部的详细活动过程，运用自上而下的思想建立了基于流程的赋时Petri网模型。然后对装配线中具体的工序的细节活动进行设计，运用自下而上的思想建立了基于任一工序的赋时Petri网模型。最后运用自上而下/自下而上相结合的思想将前两步所建模型相结合并细化，从而建立整个装配线的赋时Petri网模型。

结合图1，机器人小臂装配线为一U型装配线，共24道工序，在U型装配线上共有八个工位，每个工位被分配相应的装配工序，各工位旁有一装配机器人，负责该工位装配工序的实现，U型装配线中间有一AGV小车轨道，AGV小车在轨道上工作，完成将各零部件运送到各工位及将成品入库的任务。现依据自上而下的建模思想对装配工序的库所集和变迁集进行划分，采用串并联相结合的方式对流程进行Petri网模型的建立。当装配零件被送至装配线完成质检打码后，分为五条装配支线进行装配。一二支线在独立完成各自装配任务后进行联合装配，三支线单独负责一条支线的装配；四五支线同一二支线相似。各支线任务完成后便送往最终装配区完成最终装配，最后由AGV小车完成运输入库。

表1转配的整体流程

第二步，从局部的角度出发，用自下而上的思想建立了基于任一工序的赋时Petri网模型：

对于整个装配线而言，除了对整个流程进行Petri网建模外，还应该考虑更为详细的内容，该内容包含了操作人员、工具、设备等一系列的实体资源，这些资源是每一个工序所必不可少的。所以，接下来再以自下而上的思想为指导思想，对单独某一工序的库所、变迁进行定义，从而建成该装配工序的独立的Petri网模型。

如图2所示：依据自上而下的建模思想对装配工序的库所集和变迁集进行划分，采用串并联相结合的方式对流程进行Petri网模型的建立。当装配零件被送至装配线完成质检打码后，分为五条装配支线进行装配。一二支线在独立完成各自装配任务后进行联合装配，三支线单独负责一条支线的装配；四五支线同一二支线相似。各支线任务完成后便送往最终装配区完成最终装配，最后由AGV小车完成运输入库。

表2各支线库所定义

表3各支线变迁的定义

变迁	定义
		T<sub>0</sub>	质检机在工作
T<sub>1</sub>	打码机在工作
		T<sub>2</sub>	装配电机座
T<sub>3</sub>	装配电机
		T<sub>4</sub>	拧紧电机座螺丝
T<sub>5</sub>	装配旋转轴套
		T<sub>6</sub>	拧紧电机座螺栓
T<sub>7</sub>	装配轴承压盖
		T<sub>8</sub>	拧紧旋转轴套螺丝
T<sub>9</sub>	安装深沟球轴承1
		T<sub>10</sub>	安装轴承隔套
T<sub>11</sub>	安装中心轴
		T<sub>12</sub>	安装轴承盖
T<sub>13</sub>	拧紧轴承盖螺丝
		T<sub>14</sub>	安装连接套
T<sub>15</sub>	拧紧连接套螺栓
		T<sub>16</sub>	安装键
T<sub>17</sub>	安装连接轴套
		T<sub>18</sub>	安装轴承压板
T<sub>19</sub>	安装深沟球轴承2
		T<sub>20</sub>	拧紧轴承压板螺栓
T<sub>21</sub>	安装固定套
		T<sub>22</sub>	安装压盖
T<sub>23</sub>	拧紧压盖螺栓

如图3所示：对于整个装配线而言，除了对整个流程进行Petri网建模外，还应该考虑更为详细的内容，该内容包含了操作人员、工具、设备等一系列的实体资源，这些资源是每一个工序所必不可少的。所以，接下来再以自下而上的思想为指导思想，对单独某一工序的库所、变迁进行定义。在图3中，k可选取[1，24]中任一整数，代表24道工序的任意一道。该装配操作围绕一主线进行，即t_k1→p_k1→t_k2→p_k2→t_k3，经过这一主线即可完成本工序的装配操作。支线p_k3→t_k5→p_k4→t_k4表示的是工人状态的变化。库所p_k3、p_k4分别表示工人繁忙与空闲，两个库所同时只能有一个有黑点。若p_k3中有黑点表示工人繁忙；同理，若p_k4中有黑点则表示工人空闲。对于三条用虚线表示的弧，它们本质上是控制弧。控制弧包括条件弧和抑制弧等，这些弧只是起到控制迁移发生的作用，并不消耗库所中的托肯即令牌数。下面来具体分析一下这三组控制弧在装配过程中的实际意义。p_k3-t_k2这组控制弧表达的意义是待装配的上一道工序零件存储区有零件，p_k3中有黑点即工人繁忙，并且装配机器人等待工作时，t_k2被触发，即完成本工序的装配操作。为使考虑更接近于现实情况，假定库所p_k2的容量为M，即完成本工序的零件存储区的容量为M。当该存储区容量到达M时，即满足了p_k2-t_k5的条件弧的条件，若此时工人处于繁忙状态，则变迁t_k5被触发，操作工人开始拆卸本工序的装配工具，结束本工序的装配工作。当该存储区的容量为0时，即满足了p_k2-t_k4的条件弧的条件，若此时工人处于空闲状态，则变迁t_k4被触发，操作工人开始安装本工序的装配工具，为后续的装配工作做准备。当然，本Petri网对装配机器人是否会发生故障也做了详尽的考虑。初始状态时，p_k5有黑点，表示装配机器人启动。这时有两种情况，第一种p_k5→t_k6→p_k6→t_k2，即装配机器人正常启动，完成准备，并等待工作，成为触发变迁t_k2的条件之一；第二种p_k5→t_k7→p_k7→t_k8→p_k8→t_k9→p_k5，即装配机器人发生故障并进行维修，完成维修后重新回到p_k5状态，即装配机器人重新启动。从而建成该装配工序的独立的Petri网模型。t_k7和t_k9将时间因素考虑在内，即该步骤消耗一定的工时。

表4各库所和变迁的定义

第三步将前两步所建模型相结合并细化：

将自上而下/自下而上的建模思想相结合，即基于流程的赋时Petri网模型中的任一工序均可用基于任一工序的赋时Petri网模型来表示，从而完成对整个装配线的Petri网建模。

如图4所示：将自上而下/自下而上的建模思想相结合，即基于流程的赋时Petri网模型中的任一工序均可用基于任一工序的赋时Petri网模型来表示，以图2虚线框中的部分作展开建模。需要注意的是，已完成本工序装配工作的零件存储区p_k2即为下一道工序的待装配的上工序零件存储区p_(k+1)1。每一道子Petri网模型之间是依靠t_k3按照机器人小臂装配顺序进行衔接，顺序不可颠倒。即可完成对整个装配线的Petri网建模。

Claims (4)

1.一种基于赋时Petri网的机器人小臂装配系统建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立机器人小臂装配线全部工序的Petri网模型；

步骤2，建立每一工序独立的Petri网模型；

步骤3，将全部工序的Petri网模型和每一工序的Petri网模型合并。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中机器人小臂装配线为一U型装配线，共24道工序，在U型装配线上共有八个工位，每个工位被分配相应的装配工序，各工位旁有一装配机器人，负责该工位装配工序的实现，U型装配线中间有一AGV小车轨道，AGV小车在轨道上工作，完成将各零部件运送到各工位及将成品入库的任务；采用串并联相结合的方式对装配线进行Petri网模型的建立：

当装配零件被送至装配线完成质检打码后，分为五条装配支线进行装配，其中

第一、二支线在独立完成各自装配任务后进行联合装配，

第三支线单独负责一条支线的装配，

第四、五支线在独立完成各自装配任务后进行联合装配；

各支线任务完成后便送往最终装配区完成最终装配，最后由AGV小车完成运输入库。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中对每一工序建立独立的Petri网模型的具体过程为：

每一工序包括主线任务、支线任务和控制弧，

主线表示装配操作任务，主线为t_k1→p_k1→t_k2→p_k2→t_k3，其中，t代表变迁，p代表库所，k代表工序序号，k右侧的数字代表库所或变迁的序号；

支线表示工人状态变化，支线为p_k3→t_k5→p_k4→t_k4，其中，p_k3、p_k4分别表示工人繁忙和空闲，工人同一时间只能为繁忙或空闲；

控制弧包括三条，其中

(1)p_k3→t_k2控制弧表示待装配的上一道工序零件存储区有零件，工人繁忙并且装配机器人等待工作时t_k2被触发；

(2)p_k2→t_k5控制弧表示当库所p_k2的存储区容量到达M时，若此时工人处于繁忙状态，则变迁t_k5被触发；

(3)p_k2→t_k4控制弧表示当库所p_k2的容量为0时，若此时工人处于空闲状态，则变迁t_k4被触发。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，支线还包括线p_k5→t_k6→p_k6→t_k2，即装配机器人正常启动，完成准备，并等待工作，成为触发变迁t_k2的条件；

支线还包括p_k5→t_k7→p_k7→t_k8→p_k8→t_k9→p_k5，即装配机器人发生故障并进行维修，完成维修后重新回到p_k5状态。