CN113799090A - 一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生产调度相关技术领域，并公开了一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法。该方法包括下列步骤：S1将生产线划分为多个生产单元，包括装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元；S2将每类待加工零件的加工方式划分为单体、并行和串行，确定每类待加工零件的每种加工方式对应的总加工成本，其中，每种加工方式对应的总加工成本根据每个生产单元的加工成本进行计算；S3根据每类待加工零件的加工数量，确定加工每类待加工零件的总加工成本，选取加工成本最低时对应的加工方式作为最终的加工方式，以此实现装配线的重构。通过本发明，解决产品类型更换带来的生产线改造繁琐和成本高的问题。

Description

一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法

技术领域

本发明属于生产调度相关技术领域，更具体地，涉及一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法。

背景技术

近年来，随着机器人技术的快速发展，工业机器人以其自动化、智能化和高灵活性等特点越来越多的应用于机械加工制造及装配领域中。

目前，机器人自动化装配产线愈来愈多的应用于各种行业，而对于特定产品装配所对应的机器人产线往往较为固定，在这种装配中，机器人所执行的工序较为固定，不能很好的适应于不同规模的装配加工任务，且对于新产品的装配具有较差的柔性；而在当前，产品更新快，市场上多品种小批量的生产任务更为突出，产品装配工序发生变化是常有之事；为适应该种情况，产线需要进行适当的改变，而每次改造都将产生较高的成本。因此，需要提供一种能适应产品类型变换且改造生产线的成本低的装配线重构方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，解决产品类型更换带来的生产线改造繁琐和成本高的问题。

为实现上述目的，按照本发明面，提供了一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，该方法包括下列步骤：

S1将用于制备多类零件的生产线划分为多个生产单元，包括装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元；

S2将每类待加工零件的加工方式划分为单体、并行和串行，确定每类待加工零件的每种加工方式对应的总加工成本，其中，所述每种加工方式对应的总加工成本根据每个所述生产单元的加工成本进行计算；

S3根据每类待加工零件的加工数量，确定加工每类待加工零件的总加工成本，选取加工成本最低时对应的加工方式作为最终的加工方式，以此实现装配线的重构。

进一步优选地，在步骤S2，所述单体是单台机器单独完成整个待加工零件的所有加工工序，并行是多台机器并行，其中每台机器均单独完成整个待加工零件的所有工序，串行是多台机器共同协作完成待加工零件的所有工序。

进一步优选地，其特征在于，在步骤S2中，所述总加工成本包括经济成本和时间成本。

进一步优选地，所述经济成本包括机器成本、额外成本和装配成本，其中，所述机器成本是重构生产线中所造成的装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元所消耗的电能经济成本，所述额外成本是在重构过程中由于各个所述生产单元进行寻位重组，相互干扰影响而造成的额外等待形成的经济成本，所述装配成本为装配单个零件时所消耗的经济成本。

进一步优选地，所述时间成本为装配每个零件所消耗的时间。

进一步优选地，所述经济成本中还包括更换程序和配套设施耗费的经济成本，该更换程序和配套设施所述耗费的经济成本是指在同一条生产线中不同零件之间切换时产生的更换程序和配套设施的经济成本。

进一步优选地，在步骤S3中，所述经济成本和时间成本均包括成本因子和成本系数两项，所述经济成本和时间成本均是上述两项的乘积获得。

进一步优选地，在步骤S3中，所述总加工成本按照下列表达式计算获得：

总加工成本＝α经济成本+(1-α)时间成本

其中，α是经济成本的权重。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中首先将生产线划分为多个单元，然后将每类零件的加工方式划分为多种方式，最后根据每类零件的加工数量获取每类零件的总加工成本，包括经济成本和时间成本，从经济和时间两个方面衡量零件成本，最终获得即经济工期又短的最佳加工方案，使得装配时在满足工期要求的前提下尽量经济且减少不必要的设备空闲等待，进而使得机器人自动化装配更为灵活，柔性更高；

2.本发明通过将原机器人构成的固定装配产线进行单元化，在获得装配订单后，可以结合实际订单要求进行与之相适应的产线重组，一方面，对于单品种小批量，工期较长的情况，可在满足工期要求的前提下尽量使用较少设备进行产线重组，使单台机器人完成多道装配工序，减少空闲机器时间，减少能耗，达到绿色生产的目的；另一方面，当对于多品种小批量的生产时，可充分发挥设备的效力，组成两条产线进行同时装配，提高装配效益，采用该种可重构型装配产线设计，可使得装配任务的完成更为灵活，柔性强，经济节约，绿色环保。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的单体加工方式下装配线的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的并行加工方式下装配线的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的串行加工方式下装配线的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的不同加工方式下零件总加工成本的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于移动机器人的复杂零部件自动化装配产线可重构方法流程图，它包括以下步骤：

S1.固定自动化装配产线模块化

本实例原固定产线为复杂两种不同型号电池的机器人自动化固定装配产线，经分析，将其功能进行模块化，分为以下几个单元：装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元。其中，固定物料库与上下料机器人仍采用固定放置，其余各模块均设置为可移动，且搭配有视觉定位与视觉伺服装置。

S2将每类待加工零件的加工方式划分为单体、并行和串行，确定每类待加工零件的每种加工方式对应的总加工成本，其中，所述每种加工方式对应的总加工成本根据每个所述生产单元的加工成本进行计算；

总成本包括经济成本和时间成本。经济成本包括机器成本、额外成本和装配成本，其中，机器成本是重构生产线中所造成的装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元所消耗的电能经济成本，额外成本是在重构过程中由于各个生产单元进行寻位重组，相互干扰影响而造成的额外等待形成的经济成本，装配成本为装配单个零件时所消耗的经济成本。经济成本中还包括更换程序和配套设施耗费的经济成本，该更换程序和配套设施耗费的经济成本是指在同一条生产线中不同零件之间切换时产生的更换程序和配套设施的经济成本。时间成本为装配每个零件所消耗的时间。

如图2所示，单体加工方式由固定物料库、成品存放处、两台上下料固定机器人、以及两台装配运输小车、一台可移动装配平台、一台装配执行可移动机器人配合一台完备工装库构成。所谓单体装配，是指只有单台装配执行机器人搭配工装库在唯一工位完成全部工序的装配工作，从而得到成品的装配过程。

如图3所示，并行加工方式由固定物料库、成品存放处、两台上下料固定机器人、以及四台装配运输小车、两台可移动装配平台、两台装配执行可移动机器人配合两台完备工装库构成。所谓并行装配，是指同时有两条或多条装配线，而每条装配线都各自进行单体装配，从而得到成品的装配过程。

如图4所示，串行加工方式由固定物料库、成品存放处、两台上下料固定机器人、以及三台装配运输小车、两台可移动装配平台、两台装配执行可移动机器人配合两台完备工装库构成。所谓串行装配，是指在单条装配线中有多个装配机器人单元配合各自的完备工装库在不同工位完成零件装配的某一部分工序，从而得到成品的装配过程。

已知的A、B产品在不同情况下的装配分别所需的各类花费比例如下：

A₁₁、A₁₂、A₁₃、B₁₁、B₁₂、B₁₃：分别为A、B产品在单体、并行、串行方式进行装配任务时的机器成本系数。

A₂₁、A₂₂、A₂₃、B₂₁、B₂₂、B₂₃：分别为A、B产品在单体、并行、串行方式进行装配任务时的额外成本系数。

A₃₁、A₃₂、A₃₃、B₃₁、B₃₂、B₃₃：分别为A、B产品在单体、并行、串行方式进行装配任务时的单个零部件装配的经济成本系数。

A₃₁、A₃₂、A₃₃、B₃₁、B₃₂、B₃₃：分别为A、B产品在单体、并行、串行方式进行装配任务时的单个零部件装配的时间成本系数。

a：机器成本因子

c:额外成本因子

d₁、d₂：分别为A、B产品的装配成本因子

b₁、b₂：分别为A、B产品的时间成本因子

S3根据每类待加工零件的加工数量，确定加工每类待加工零件的总加工成本，选取加工成本最低时对应的加工方式作为最终的加工方式，以此实现装配线的重构。

将花费的经济成本与时间成本按α：(1-α)的权重算出总花费，为挑选出合适的产线构成方式，需计算出三种情况的总花销，并选择花销最小的情况。在上表情况下，假设订单内A，B数量分别为x，y，则总花销通过一下函数计算：

单体：

C1＝α(A₁₁a+A₃₁d₁x+A₂₁c+A₅₁e+B₃₁d₂y)+(1-α)(A₄₁b₁x+B₄₁b₂y)

并行：

C2＝α(A₁₂a+A₃₂d₁x+A₂₂c+A₅₂e+B₃₂d₂y)+(1-α)(A₄₂b₁x+B₄₂b₂y)

串行：

C3＝α(A₁₃a+A₃₃d₁x+A₂₃c+A₅₃e+B₃₃d₂y)+(1-α)(A₄₃b₁x+B₄₃b₂y)

通过比较C1，C2，C3的大小，根据最小原则选择单体、并行与串行装配模式。

下面结合具体的实施例进一步说明本发明。

(1)确定实验条件

按照1中进行模块化，本实例提供移动装配执行机器人单元5台，物料运输小车10台，完备工装库5台，固定物料库一台，上下料机器人一台，带有变位机的装配平台5台。

(2)订单分析

对订单进行分析，在实验情况下，按照实际情况得到近似参数：

A₁₁＝1,A₁₂＝2,A₁₃＝2.5,A₂₁＝2,A₂₂＝4,A₂₃＝6,A₃₁＝4,A₃₂＝7,A₃₃＝8,A₄₁＝10,A₄₂＝5,A₄₃＝3,A₅₁＝1,A₅₂＝2,A₅₃＝4；

B₁₁＝1,B₁₂＝2,B₁₃＝2.5,B₂₁＝2,B₂₂＝4,B₂₃＝6,B₃₁＝4,B₃₂＝6,B₃₃＝7,B₄₁＝10,B₄₂＝5,B₄₃＝3.5,B₅₁＝10,B₅₂＝5,B₅₃＝3.5；

a＝200；b₁＝1；c＝100；d₁＝1；e＝100；b₂＝1.2；d₂＝1.5；

结合(1)和(2)，可得下表：

(3)工序划分

需充分考虑到工序的连贯性，以及不同执行单元所应完成的装配工序包括更换夹具与工件状态等准备时间在内的总体装配时长应尽可能相近，从而使得机器空闲时间最短。单体与并行皆为单个机器人负责全套工序装配，而串行则需要进行工序划分。

(4)装配线组装

按照既定的产线划分与工序分配，各模块寻位至指定位置，使装配线完成自律重组，进行工件装配。如图5所示，据计算得到不同的A、B产品订单量时所应采取的不同装配方式作为最优装配。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1将用于制备多类零件的生产线划分为多个生产单元，包括装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元；

S2将每类待加工零件的加工方式划分为单体、并行和串行，确定每类待加工零件的每种加工方式对应的总加工成本，其中，所述每种加工方式对应的总加工成本根据每个所述生产单元的加工成本进行计算；

S3根据每类待加工零件的加工数量，确定加工每类待加工零件的总加工成本，选取加工成本最低时对应的加工方式作为最终的加工方式，以此实现装配线的重构。

2.如权利要求1所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，在步骤S2，所述单体是单台机器单独完成整个待加工零件的所有加工工序，并行是多台机器并行，其中每台机器均单独完成整个待加工零件的所有工序，串行是多台机器共同协作完成待加工零件的所有工序。

3.如权利要求1或2所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，在步骤S2中，所述总加工成本包括经济成本和时间成本。

4.如权利要求3所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，所述经济成本包括机器成本、额外成本和装配成本，其中，所述机器成本是重构生产线中所造成的装配机器人单元、物料运输单元、物料供给单元和装配平台单元所消耗的电能经济成本，所述额外成本是在重构过程中由于各个所述生产单元进行寻位重组，相互干扰影响而造成的额外等待形成的经济成本，所述装配成本为装配单个零件时所消耗的经济成本。

5.如权利要求3所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，所述时间成本为装配每个零件所消耗的时间。

6.如权利要求3所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，所述经济成本中还包括更换程序和配套设施耗费的经济成本，该更换程序和配套设施所述耗费的经济成本是指在同一条生产线中不同零件之间切换时产生的更换程序和配套设施的经济成本。

7.如权利要求3所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，在步骤S3中，所述经济成本和时间成本均包括成本因子和成本系数两项，所述经济成本和时间成本均是上述两项的乘积获得。

8.如权利要求7所述的一种基于移动机器人的复杂零部件装配线可重构方法，其特征在于，在步骤S3中，所述总加工成本按照下列表达式计算获得：

总加工成本＝α经济成本+(1-α)时间成本

其中，α是经济成本的权重。

Images