（控制理论与控制工程专业论文）基于plc的车锁柔性装配系统.pdf

竖鲨塑兰兰垡塑竺型 a b s t r a c t f l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e mi sas o r to fa s s e m b l ys y s t e mc o n t r o l l e db yc o m p u t e r a n di sa u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e mw i t h a l t i t u d i n a la s s e m b l ya u t o m a t i z a t i o n ，a s s e m b l y f l e x i b l ec h a r a c t e r ，h i g hp r o d u c t i v i t ya n dp r e f e r a b l e r e l i a b i l i t y i n2 0 t hc e n t u r y ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to ff l e x i b l em a n u f a c t u r e s y s t e ma n d c o m p u t e rf l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e mh a sm a d eaf a s tp r o m o t i o n i na n o t h e rs i d e ，i n o r d e rt oa d a p tt ot h en e e do fq u i c ke x c h a n g eo fp r o d u c ta n dt h ei n c r e a s e i nt y p e s o fp r o d u c t ，a u t o m a t i o na s s e m b l ys y s t e mm u s tb ef l e x i b l e a n dt h e n ，t h ep r i n c i p l e o ff l e x i b em a n u f a c t u r e s y s t e mh a sb e e n u s e di n t ot h ed e v e l o p m e n to ff l e x i b l e a s s e m b l ys y s t e m f l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e mu n l i k eo l df i xa s s e m b l ys y s t e m ，i t r e q u i r e sf i n er e s p o n s et oc h a n g eo fi n s i d eo ro u t s i d e d u r i n gt h ew h o l ep e r i o do f a c t i o n ，t h e f l e x i b l e w o u l dr u nt h r o u g ht h es y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p ta n di d e ao ff a sh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h er e s e a r c h a u t o m a t i ea s s e m b l es y s t e mf o rc a r sl a t c hp i e c e ss oi tb e h a v em o r ef l e x i b l e d u r i n g t h ew h o l ep e r i o do fd e v e l o p m e n t ，t h ei d e ao ff l e x i b l eh a sb e e nu s e di nh a r d w a r ea n d a l s oi ns o f t w a r e w h e nd e s i g n e dt h es y s t e m ，t h ec o m p 8 t i b i l i t yo fa s s e m b l yf o r d i f f e r e n tt y p e sp i e c e sm u s tb ec o n s i d e r e d s y s t e mc a na s s e m b l en o to n l yt w o p i e c e s t y p el a t c hb u ta l s oo t h e rt y p e sl a t c h e s m o d u l a r i z e di d e ah a sb e e nu s e dr u nt h r o u g h t h ew h o l ew o r k w h e nf a si sr u n n i n g ，f a u l tc a ni n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m f o r t h i sr e a s o n ，f a u l td i a g n o s i sh a sa ni m p o r t a n tr o l e s i n c e i t s c o m p l e x i t ya n d r a n d o m i c i t y ，f a u l ta p p e a r sm a n yt y p e sa n daw i d ed i s t r i b u t i o n t h e r e a s o n st oc a u s e f a u l ta r ec o m p l e xa l s o a l lo ft h e s ee l e m e n t sa d dt h ed i f f i c u l t ya n dc o m p l e x i t y o ff a u l td i a g n o s i so ff a sa n dc a u s et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nm a t ha n dp h y s i c s c a nn o tm e tt h en e e do ff a u l td i a g n o s i so ff a s i nt h i sp a p e r ，s o m em e t h o do ff a u l t s d i a g n o s i sh a db e e ni n t r o d u c e da n dt h et e c h n o l o g yo fe x p e r ts y s t e mh a sb e e nu s e dt o d e a lw i t ht h ef a u l to ff a sa n di t sr e a s o n i n gs t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h e s et h e o r i e s ， o n ee x p e r ts y s t e mo ff a u l td i a g n o s i sh a sb e e nb u i l tu pa n dm a d eag o o d s t a r tf o r d e e pr e s e a r c h k e vw o r d ：f l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e m ，k e yc o d e ，f a u l td i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m ， c o n s e a u e n c em e c h a n i s m ，c o n s e q u e n c em e t h o d ， c o n s e q u e n c er e s o u r c e ， r e p o s i t o r y - 堑堡茎兰! ! 圭兰垡堡苎 丝二兰堕丝 第一章绪论 2 0 世纪，随着全球信息网络技术、通信技术与多媒体技术等高新技术的飞速发展， 全球化大市场逐步形成，新产品的竞争日益激烈，制造业中传统的大批量生产模式越来 越难以满足市场的需要。为了提高制造业对今后市场变化和小批量、多品种产品要求 的迅速响应能力，系统设计正在向集成化、柔性化、自动化方向发展。一方面，随着 柔性加工系统的开发已趋于成熟，并进入推广阶段，以及微型机控制的装配机器人的 研制成功，为柔性装配系统的开发创造了条件。另一方面，由于近几年来产品的迅速 更新换代，产品品种的不断增加和批量的下降，要求装配自动系统具有柔性的响应， 于是人们把已经开发成功的柔性加工系统的原理【1 ，3 ，4 j 应用于柔性装配系统的开发之 中。柔性装配系统与7 0 年代应用的固定装配系统的配置及操作有着本质的区别，柔性 装配系统要求系统具有良好的响应内部和外部变化的能力，同时柔性应贯穿系统的整 个生命周期( 设计、实现、运行、维护) ，具有可集成性和协作能力。 本论文主要介绍和分析了f a s 系统概念和特点，详细研究了柔性自动装配系统的 实现，采用p l c 控制的锁片自动装配系统的设计。 第一章绪论。主要阐述了本课题的提出、课题的目标与任务，并分析了f a s 的特 点、构成及薄弱点，以及国内外发展动态与现状。 第二章f a s 系统的故障诊断技术。对于一个系统故障的出现不足为奇，但是故障 出现后没有及时处理或处理不当则会直接影响系统的运行，因此系统的故障诊断成为 一个系统不可缺少的部分。针对不同的系统，故障诊断有自身的特点。本章介绍了f a s 系统故障诊断的一些方法，详细介绍了f a s 故障诊断专家系统的推理方法及推理策略， 以及知识库的建立。根据这些故障诊断的理论，结合锁片自动装配系统，建立了一个 故障诊断的专家系统。从系统结构，阐述了模型的建立，并着重分析了该系统的推理 机制，对其推理算法进行了一定的研究，为今后的进一步研究奠定了基础。 第三章系统总体结构及特点。介绍了锁片自动装配系统的总体结构，并对p l c 配 置及系统构成部分：钥匙代码检测部分、主装配系统、智能终端、输入及检测器件进 行介绍，分析其控制要求和特点。 第四章主装配系统控制过程及原理。车锁自动装配系统中主装配系统是系统的主 要过程。本章主要介绍了主装配系统的工作过程，及其对控制系统的要求，并对控制 浙匹大学硕士学位论文第一章绪论 用步进电动机及直流电机的原理进行了说明。 第五章系统软件设计。前面几章对系统及原理进行了详细的介绍，本章着重介绍 软件的设计思想和程序流程。将系统的控制流程及要求通过程序来实施完成，并对各 模块程序进行分析介绍。 第六章对所作的工作进行了总结。介绍了关于f a s 故障诊断工作的总结以及f a s 故障诊断的发展方向。对设计锁片装配系统设计的总结。 1 1 课题的提出 由于轿车门锁的装配零件小而多，手工装配繁琐，且效率低，不能满足批量生产的 要求。因而研制门锁的自动装配系统，以适用批量生产的要求。 同时，由于市场需求会发生变化，为了竞争的需要，企业必须根据用户的不同要求， 开发新产品。锁片装配不仅要适用于双锁片的装配，还要适用于单锁片的装配以及其 它新品种的装配。为适应装配品种的多变，必须要改变以前的适用于单一品种的装配 形式，从而引出了柔性自动装配系统的概念。灵活适用多种锁片的装配。 柔性装配系统( f l e x i b l e a s s e m b l ys y s t e m ) 是近年才发展起来的一种自动装配系统， 它是由计算机控制的，具有高度的装配自动化、装配柔性、生产率及较好的可靠性的 自动装配系统。 技术的发展和进步，为柔性自动装配系统的实现提供了基础。计算机的发展和应用 给生产和装配带来了深刻的变化，出现了一系列的新技术新概念，c a m 、c a p p 、f m s 、 c i m s 经过3 0 年的发展，技术上日益成熟，已部分或完全应用于生产实践。与此同时， 自动控制理论，生产工艺，以及生产管理科学，也都有了日新月异的变化，这就为f a s 的发展提供了发展环境。 研究和建立柔性装配系统，是为了更加彻底、全面解决中小批量生产自动化的综合 效果最佳问题。即：要使多品种中小批量生产系统能随时跟踪技术的进步、社会的需 要和经济效益的要求，自动调整和变换生产过程。 在进行锁片自动装配系统的研制过程中，利用f a s 的概念和系统思想，使系统更具 特色。下面介绍一下关于f a s 的一些概念和知识。 2 浙匹大学硕士学位论文第一章绪论 用步进电动机及直流电机的原理进行了说明。 第五章系统软件设计。前面几章对系统及原理进行了详细的介绍，本章着重介绍 软件的设计思想和程序流程。将系统的控制流程及要求通过程序来实施完成，并对各 模块程序进行分析介绍。 第六章对所作的工作进行了总结。介绍了关于f a s 故障诊断工作的总结以及f a s 故障诊断的发展方向。对设计锁片装配系统设计的总结。 1 1 课题的提出 由于轿车门锁的装配零件小而多，手工装配繁琐，且效率低，不能满足批量生产的 要求。因而研制门锁的自动装配系统，以适用批量生产的要求。 同时，由于市场需求会发生变化，为了竞争的需要，企业必须根据用户的不同要求， 开发新产品。锁片装配不仅要适用于双锁片的装配，还要适用于单锁片的装配以及其 它新品种的装配。为适应装配品种的多变，必须要改变以前的适用于单一品种的装配 形式，从而引出了柔性自动装配系统的概念。灵活适用多种锁片的装配。 柔性装配系统( f l e x i b l e a s s e m b l ys y s t e m ) 是近年才发展起来的一种自动装配系统， 它是由计算机控制的，具有高度的装配自动化、装配柔性、生产率及较好的可靠性的 自动装配系统。 技术的发展和进步，为柔性自动装配系统的实现提供了基础。计算机的发展和应用 给生产和装配带来了深刻的变化，出现了一系列的新技术新概念，c a m 、c a p p 、f m s 、 c i m s 经过3 0 年的发展，技术上日益成熟，已部分或完全应用于生产实践。与此同时， 自动控制理论，生产工艺，以及生产管理科学，也都有了日新月异的变化，这就为f a s 的发展提供了发展环境。 研究和建立柔性装配系统，是为了更加彻底、全面解决中小批量生产自动化的综合 效果最佳问题。即：要使多品种中小批量生产系统能随时跟踪技术的进步、社会的需 要和经济效益的要求，自动调整和变换生产过程。 在进行锁片自动装配系统的研制过程中，利用f a s 的概念和系统思想，使系统更具 特色。下面介绍一下关于f a s 的一些概念和知识。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 一 1 2 柔性装配系统需求分析【1 7 】 柔性装配系统应满足如下需求： 具有高度的可重构性，能够应付已知或未知的需求变化，无论这种变化是结构上 的还是操作上的，都无须对整个系统重新设计； 大幅度降低系统设计和实现所需的精力和时间； 容易而有效地改变和修正所包括的元素； 在动态运行中避免因系统失灵而导致的产品类型和数量的变化。 1 3 柔性装配系统的特性 柔性装配系统的特性有各种不同的描述方式，例如，可以对市场变化做出快速反 应的装配系统，可以适应不同需求的装配系统等等，但这些描述都显得笼统，不够精 确。以下从技术的角度给出一个较为全面的描述： 系统可以同时装配多种产品； 系统可以方便地重新配置系统的硬件和软件，以装配新产品； 系统可以动态地响应计划内和计划外的生产变动： 系统容易重组、设置及改变生产程序。 与柔性装配系统相比，传统的固定式装配系统有以下不足： 每套系统都需要专用的硬件和软件； 系统的安装成本高，时间长； 系统一旦安装完毕开始运行，就很难改变系统的配置和装配过程； 系统中的某个元素失灵时，很难改变计划调度，也不能重新选用另外的元素来维 持正在进行的生产； 系统的升级耗时长，成本高。 因此，在开发用于柔性装配系统的元素时，不仅要考虑其操作功能的不断完善， 而且要考虑到该元素是否有助于提高整个生产系统的柔性；不仅要改善元素的硬件功 能，而且要改善与其配套的软件功能，还要为这些元素配备相应的传感器、监控设备 及驱动器，以便能对它们进行有效控制。同时，系统元素还应具有较强的通信能力， 使得它们之间可以交换信息，系统元素可以获取它所装配的工件的信息，所获得的信 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 一 1 2 柔性装配系统需求分析【1 7 】 柔性装配系统应满足如下需求： 具有高度的可重构性，能够应付已知或未知的需求变化，无论这种变化是结构上 的还是操作上的，都无须对整个系统重新设计； 大幅度降低系统设计和实现所需的精力和时间； 容易而有效地改变和修正所包括的元素； 在动态运行中避免因系统失灵而导致的产品类型和数量的变化。 1 3 柔性装配系统的特性 柔性装配系统的特性有各种不同的描述方式，例如，可以对市场变化做出快速反 应的装配系统，可以适应不同需求的装配系统等等，但这些描述都显得笼统，不够精 确。以下从技术的角度给出一个较为全面的描述： 系统可以同时装配多种产品； 系统可以方便地重新配置系统的硬件和软件，以装配新产品； 系统可以动态地响应计划内和计划外的生产变动： 系统容易重组、设置及改变生产程序。 与柔性装配系统相比，传统的固定式装配系统有以下不足： 每套系统都需要专用的硬件和软件； 系统的安装成本高，时间长； 系统一旦安装完毕开始运行，就很难改变系统的配置和装配过程； 系统中的某个元素失灵时，很难改变计划调度，也不能重新选用另外的元素来维 持正在进行的生产； 系统的升级耗时长，成本高。 因此，在开发用于柔性装配系统的元素时，不仅要考虑其操作功能的不断完善， 而且要考虑到该元素是否有助于提高整个生产系统的柔性；不仅要改善元素的硬件功 能，而且要改善与其配套的软件功能，还要为这些元素配备相应的传感器、监控设备 及驱动器，以便能对它们进行有效控制。同时，系统元素还应具有较强的通信能力， 使得它们之间可以交换信息，系统元素可以获取它所装配的工件的信息，所获得的信 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 息可以迅速而准确地传递到决策处理器。 1 4 柔性装配系统的构成 f a s 的构成根据生产的不同需求及产品的不同结构可能有很大变化。一般来说，f a s 大体由以下几部分构成：装配系统、物流系统、信息系统。 1 装配系统 主要有装配机器人，来实现装配的自动化。减轻了人力，提高了效益。同时，对 于恶劣环境下的装配工作，不用担心对人的损害。 2 物流系统 物流系统可分为物料流系统和能源系统两大部分。物料流系统有物料输送，零件 自动供料。 3 信息系统 多品种中小批量生产环境中的技术信息和生产信息管理比单品种大批量生产时要 复杂得多。因此，柔性系统中，由计算机系统承担数据信息的收集、存储、检索、处 理、传输和显示等复杂的信息流自动化工作。而在信息系统中，又可按控制和监测的功 能分为两个子系统，即控制系统和监测系统。 1 5 自动化系统策略 开发一个自动化系统必须要考虑到其整个生命周期，即从系统设计到系统实现和 运行的全过程。基于这一考虑，将从以下4 个方面讨论开发自动化系统的策略： 1 系统需求 与系统需求有关的策略如下： ( 1 ) 大规模客户化 按照柔性化与快速响应原则生产大量的高质量产品和客户化产品，系统需求来源 于缩短产品开发周期与产品生命周期的要求。 ( 2 ) 并行工程 并行工程的概念主要用于产品设计和加工方面，使得产品设计和加工过程并行进 行以缩短生产周期，这个概念已经深入影响了产品系统需求。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 息可以迅速而准确地传递到决策处理器。 1 4 柔性装配系统的构成 f a s 的构成根据生产的不同需求及产品的不同结构可能有很大变化。一般来说，f a s 大体由以下几部分构成：装配系统、物流系统、信息系统。 1 装配系统 主要有装配机器人，来实现装配的自动化。减轻了人力，提高了效益。同时，对 于恶劣环境下的装配工作，不用担心对人的损害。 2 物流系统 物流系统可分为物料流系统和能源系统两大部分。物料流系统有物料输送，零件 自动供料。 3 信息系统 多品种中小批量生产环境中的技术信息和生产信息管理比单品种大批量生产时要 复杂得多。因此，柔性系统中，由计算机系统承担数据信息的收集、存储、检索、处 理、传输和显示等复杂的信息流自动化工作。而在信息系统中，又可按控制和监测的功 能分为两个子系统，即控制系统和监测系统。 1 5 自动化系统策略 开发一个自动化系统必须要考虑到其整个生命周期，即从系统设计到系统实现和 运行的全过程。基于这一考虑，将从以下4 个方面讨论开发自动化系统的策略： 1 系统需求 与系统需求有关的策略如下： ( 1 ) 大规模客户化 按照柔性化与快速响应原则生产大量的高质量产品和客户化产品，系统需求来源 于缩短产品开发周期与产品生命周期的要求。 ( 2 ) 并行工程 并行工程的概念主要用于产品设计和加工方面，使得产品设计和加工过程并行进 行以缩短生产周期，这个概念已经深入影响了产品系统需求。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 息可以迅速而准确地传递到决策处理器。 1 4 柔性装配系统的构成 f a s 的构成根据生产的不同需求及产品的不同结构可能有很大变化。一般来说，f a s 大体由以下几部分构成：装配系统、物流系统、信息系统。 1 装配系统 主要有装配机器人，来实现装配的自动化。减轻了人力，提高了效益。同时，对 于恶劣环境下的装配工作，不用担心对人的损害。 2 物流系统 物流系统可分为物料流系统和能源系统两大部分。物料流系统有物料输送，零件 自动供料。 3 信息系统 多品种中小批量生产环境中的技术信息和生产信息管理比单品种大批量生产时要 复杂得多。因此，柔性系统中，由计算机系统承担数据信息的收集、存储、检索、处 理、传输和显示等复杂的信息流自动化工作。而在信息系统中，又可按控制和监测的功 能分为两个子系统，即控制系统和监测系统。 1 5 自动化系统策略 开发一个自动化系统必须要考虑到其整个生命周期，即从系统设计到系统实现和 运行的全过程。基于这一考虑，将从以下4 个方面讨论开发自动化系统的策略： 1 系统需求 与系统需求有关的策略如下： ( 1 ) 大规模客户化 按照柔性化与快速响应原则生产大量的高质量产品和客户化产品，系统需求来源 于缩短产品开发周期与产品生命周期的要求。 ( 2 ) 并行工程 并行工程的概念主要用于产品设计和加工方面，使得产品设计和加工过程并行进 行以缩短生产周期，这个概念已经深入影响了产品系统需求。 4 ! 堕查堂堡主兰堡笙苎 苎二兰笪堡 ( 3 ) c a s a s m e 制造企业轮图c i m 轮图 1 7 两个轮图提供了理解市场和客户需求的视角，为了满足客户需求，必须合理规划 市场、设计、加工和c i m 的相关支持。 2 系统设计 与系统设计有关的策略如下： ( 1 ) 改善系统柔性 该策略的目的是设计一个系统，使其具有应付内部和外部变化的能力，以适应市场 对系统的新需求。 ( 2 ) 面向对象的方法 面向对象的分析与设计方法提供了一整套方法，用于设计和开发具有封装特性的 柔性装配系统的构造模块。 ( 3 ) 递阶工厂控制 递阶框架提供了一个建立自动化系统时可供参考的控制结构。在这个分层的控制 结构中，最主要的决策工作在最高层完成，控制指令一层层的逐级下发至最底层；反 之，各控制层的状态信息也是逐级反馈给上层组，作为决策的依据。 ( 4 ) c i m 开放式系统体系结构( c i m o s a ) c i m - o s a 提供了一个用于描述c i m 项目整个生命周期的集成化体系结构，显示了项 目中各任务间的关系。 3 系统实施 与系统实施有关的策略如下： ( 1 ) 模块化 模块化是针对硬件和软件而言的。系统由高度自治的系统构造部件组成，每个系 统构造部件具有通用性，部件间可以作到无缝连接，系统构造部件封装了所有与该部 件有关的信息和操作。该策略使得系统的实施可以像搭积木一样，一步步进行。 ( 2 ) 机电一体化原则 机电一体化原则旨在将机械、电子以及计算机工程有机地结合在一起。该原则可 用于设计、构造或选择系统构造部件，如装配工作站，装配机器人等。该策略旨在增 加装配工作的智能和柔性。 4 系统运行 浙江大学硕士学位论文第章绪论 与系统运行有关的策略如下： ( 1 ) 专门功能操作 使用专门设备承担特殊的操作工序，以达到高效率生产。 ( 2 ) 复合操作 该策略解决如何减少零件经过的装配工作站和设备的数量，方法尽可能在一台机 器或工作站上完成更多的操作。这样，可以节省机器初始化所需要的时间，同时工件 储运耗费也可以减少。 ( 3 ) 集成化操作 该策略旨在将多台工作站连接成一个集成化的系统，系统使用自动化物流传输装 置完成工件在不同工作站间的传输。 ( 4 ) 过程控制和优化 它包括了很多控制算法，旨在更有效地操作单个过程及其相关设备。利用这一策 略，单个过程的数量可以减少，产品质量得到改善。 ( 5 ) 工厂运行控制 前面所述的策略都是有关单个过程控制的，现在要讨论的策略则考虑工厂控制层， 重点考虑如何管理和协调工厂中某类相关的操作。 ( 6 ) 增加柔性 该策略的目的是，在中小批量生产模式下，利用同一设备生产不同的产品从而获 得最大的设备利用率。 1 6 故障诊断 为了减少柔性装配系统的停机时间和检验时间，保证系统具有良好的工作可靠性 和质量，现代的柔性装配系统都设置了装配过程的自动检测、检验和故障诊断的自动 装置，以便使系统具有自动监督、检验和故障诊断的功能。从而提高系统的工作可靠 性，减少停机及废品损失。 柔性装配状态监控与故障诊断的必要性与难点【j ：状态监控与故障诊断是f a s 、 f m s 、c i m 、智能制造等先进制造技术中各个环节、各个层次都必须着力解决的关键与 瓶颈技术之一。状态监控与故障诊断技术是生产过程及控制、工艺规划、产品的质量 保证与控制、设备的性能、维修与寿命管理等诸多方面的共性技术，对提高装配系统 6 浙江大学硕士学位论文第章绪论 与系统运行有关的策略如下： ( 1 ) 专门功能操作 使用专门设备承担特殊的操作工序，以达到高效率生产。 ( 2 ) 复合操作 该策略解决如何减少零件经过的装配工作站和设备的数量，方法尽可能在一台机 器或工作站上完成更多的操作。这样，可以节省机器初始化所需要的时间，同时工件 储运耗费也可以减少。 ( 3 ) 集成化操作 该策略旨在将多台工作站连接成一个集成化的系统，系统使用自动化物流传输装 置完成工件在不同工作站间的传输。 ( 4 ) 过程控制和优化 它包括了很多控制算法，旨在更有效地操作单个过程及其相关设备。利用这一策 略，单个过程的数量可以减少，产品质量得到改善。 ( 5 ) 工厂运行控制 前面所述的策略都是有关单个过程控制的，现在要讨论的策略则考虑工厂控制层， 重点考虑如何管理和协调工厂中某类相关的操作。 ( 6 ) 增加柔性 该策略的目的是，在中小批量生产模式下，利用同一设备生产不同的产品从而获 得最大的设备利用率。 1 6 故障诊断 为了减少柔性装配系统的停机时间和检验时间，保证系统具有良好的工作可靠性 和质量，现代的柔性装配系统都设置了装配过程的自动检测、检验和故障诊断的自动 装置，以便使系统具有自动监督、检验和故障诊断的功能。从而提高系统的工作可靠 性，减少停机及废品损失。 柔性装配状态监控与故障诊断的必要性与难点【j ：状态监控与故障诊断是f a s 、 f m s 、c i m 、智能制造等先进制造技术中各个环节、各个层次都必须着力解决的关键与 瓶颈技术之一。状态监控与故障诊断技术是生产过程及控制、工艺规划、产品的质量 保证与控制、设备的性能、维修与寿命管理等诸多方面的共性技术，对提高装配系统 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的可靠性、延长使用寿命、缩短生产周期、降低成本，以及加强制造工业基础都具有 重要意义。 系统的高度自动化、柔性化、智能化，其设备、功能的日趋复杂化，对状态监控 与故障诊断技术提出了更高的要求。对装配过程来说，主要表现如下：系统设备多 样、复杂，装配以柔性多任务为目标，装配类型、过程、工况多样，难以全面搜集各 种正常与异常状态的先验样本和模式样本；过程状态及故障的断续性、突发性、模 糊性、关联性及时变性；装配各部件间的动态联动性、离散性；装配过程中信息 量大而繁杂，适合于监控、诊断与预警的信息资源需要挖掘；监控系统的安装限制 及监控系统与装配单元的协调性要求；监控与诊断的水平和程度受制于设备本身的 自动化与智能水平等。这些都是研究中必须注意和解决的，因此如何在多变复杂的工 况与过程中快速有效地识别状态，如何进行动态、关联、离散设备的状态监控与故障 诊断，如何合理排除变工况及时变性对监控与决策的影响，如何在无法完全获取状态 及故障的先验样本及故障类别时进行识别分类与决策，如何简捷地实现实际装配现场 环境下的监控与诊断等，都是开展装配设备与装配过程状态监控与故障诊断技术研究 必须突破的技术关键。 1 7 课题的任务和目标 本系统是用于桑塔纳轿车门锁的自动装配，采用p l c 控制，要求每个锁的装配生 产时间不大于1 0 秒。 本系统应用于轿车门锁的自动装配生产线，通过对钥匙齿形代码进行无接触自动 检测后，依据所测代码将锁簧及相应锁片自动装入锁芯，实现按钥匙自动装配。装配 过程具有手动和自动两种方式。解决了双锁片叠层的难题，使系统不仅适用于双锁片 装配，而且经过对系统软件的适当修改还可完成单锁片及其它锁片的自动装配，实现 了柔性生产。系统具有高度的可靠性，并使系统具备一定的开放性。为提高系统的可 靠性和生产效率，设置了状态监控，系统具有故障自诊断功能及处理功能，对一些故 障可实现报警功能。 控制系统具有以下功能： 钥匙齿形代码无接触自动检测及钥匙代号自动译码； 钥匙齿形代码人工设置； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的可靠性、延长使用寿命、缩短生产周期、降低成本，以及加强制造工业基础都具有 重要意义。 系统的高度自动化、柔性化、智能化，其设备、功能的日趋复杂化，对状态监控 与故障诊断技术提出了更高的要求。对装配过程来说，主要表现如下：系统设备多 样、复杂，装配以柔性多任务为目标，装配类型、过程、工况多样，难以全面搜集各 种正常与异常状态的先验样本和模式样本；过程状态及故障的断续性、突发性、模 糊性、关联性及时变性；装配各部件间的动态联动性、离散性；装配过程中信息 量大而繁杂，适合于监控、诊断与预警的信息资源需要挖掘；监控系统的安装限制 及监控系统与装配单元的协调性要求；监控与诊断的水平和程度受制于设备本身的 自动化与智能水平等。这些都是研究中必须注意和解决的，因此如何在多变复杂的工 况与过程中快速有效地识别状态，如何进行动态、关联、离散设备的状态监控与故障 诊断，如何合理排除变工况及时变性对监控与决策的影响，如何在无法完全获取状态 及故障的先验样本及故障类别时进行识别分类与决策，如何简捷地实现实际装配现场 环境下的监控与诊断等，都是开展装配设备与装配过程状态监控与故障诊断技术研究 必须突破的技术关键。 1 7 课题的任务和目标 本系统是用于桑塔纳轿车门锁的自动装配，采用p l c 控制，要求每个锁的装配生 产时间不大于1 0 秒。 本系统应用于轿车门锁的自动装配生产线，通过对钥匙齿形代码进行无接触自动 检测后，依据所测代码将锁簧及相应锁片自动装入锁芯，实现按钥匙自动装配。装配 过程具有手动和自动两种方式。解决了双锁片叠层的难题，使系统不仅适用于双锁片 装配，而且经过对系统软件的适当修改还可完成单锁片及其它锁片的自动装配，实现 了柔性生产。系统具有高度的可靠性，并使系统具备一定的开放性。为提高系统的可 靠性和生产效率，设置了状态监控，系统具有故障自诊断功能及处理功能，对一些故 障可实现报警功能。 控制系统具有以下功能： 钥匙齿形代码无接触自动检测及钥匙代号自动译码； 钥匙齿形代码人工设置； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 锁簧进给、到位检测及锁片送料、到位检测； 气缸运动控制及连锁； 配有智能终端，用于人一机对话来控制整个装配过程； 四种工作方式选择： a 手动调机 b 单步运行 j 单循环运行 d 连续运行 故障检测及报警提示( 包括推杆、片夹过载检测) 。 系统目标为： 1 系统柔性 系统应具有应付内部和外部变化的能力，从适应市场对制造系统的新需求原则上， 物理系统的配置是固定的。可以根据系统的预定义规则改变系统的动态行为，从而提 高系统的生产柔性。双锁片装配过程和单锁片完全不同，在进行双锁片装配中如需转 换为单锁片装配，不需要改变硬件的主体配置，只需改变相应的参数，就可执行单锁 片装配的控制软件，具有一定的柔性。系统还可以方便地重新配置系统的硬件和软件， 以装配其他新产品。 2 完善的故障诊断 系统在运行过程中不可避免地会出现硬件故障、软件故障、信息传输故障等。故 障的产生会影响生产速度、进程及产品的质量。为了保证系统的可靠运行，必须在系 统中增加故障诊断，建立故障诊断手段，在其运行过程中及时由故障征兆找出故障源， 并予以排除。由于系统的行为、状态与部件之间存在明显的复杂的关联性。系统故障 产生具有随机性、并发性与相继性，增加了其故障诊断的难度和复杂度。 3 良好的人机对话界面 人机对话界面是用户设定参数的关键，也是进行产量统计及故障显示的必要设备。 应该可以根据控制要求方便地切换画面、改变设定、暂停计时、复位、屏蔽等功能， 并对设备状态、计时时间、报警信息进行显示。现场人员可以方便地通过人机界面向 p l c 发出各种控制命令，画面要求直观，操作方便。 塑坚奎兰堡圭兰! ! _ | ! i 翌 蔓三童坠! 墨竺箜垫堕堡堑垫查 第二章f a s 系统的故障诊断技术 对于一个系统，故障的出现不足为奇，但是故障出现后没有及时处理或处理不当 则会直接影响系统的运行，因此系统的故障诊断成为一个系统不可缺少的部分。针对 不同的系统，故障诊断有自身的特点。本章介绍了f a s 系统故障诊断的一些方法，详 细介绍了f a s 故障诊断专家系统的推理方法及推理策略 2 1 ，2 2 , 2 4 , 2 ”，以及知识库的建 立。根据这些故障诊断的理论，结合锁片自动装配系统，建立了一个故障诊断的专家 系统，从系统结构，阐述了模型的建立，并着重分析了该系统的推理机制，对其推理 算法进行了一定的研究，为今后的进一步研究奠定了基础。 2 1f a s 故障诊断的必要性与难点 故障诊断是f 八s 、f 惦、c i i f i 、智能制造等先进制造技术中各个环节、各个层次都必 须着力解决的关键与瓶颈技术之一。故障诊断技术是生产过程及控制、工艺规划、产 品的质量保证与控制、设备的性能、维修与寿命管理等诸多方面的共性技术，对提高 系统的可靠性、延长使用寿命、缩短研制周期、降低成本具有重要意义。 柔性系统的高度自动化、柔性化、智能化，其设备、功能的日趋复杂化，对故障 诊断技术提出了更高的要求。对设备与装配过程来说，主要表现如下：系统设备多 样、复杂，装配种类、过程、工况多样，难以全面搜集各种正常与异常状态的先验样 本和模式样本；故障的断续性、突发性、模糊性、关联性及时变性；设备各部件 间的动态联动性、离散性；装配过程中信息量大而繁杂，适合于监控、诊断与预警 的信息资源需要挖掘；监控与诊断的水平和程度受制于设备本身的自动化与智能水 平等。这些表现都是研究中必须注意和解决的，因此如何进行动态、关联、离散设备 的故障诊断，如何合理排除变工况及时变性对决策的影响，如何在无法完全获取故障 的先验样本及故障类别时进行识别分类与决策，如何简捷地实现实际现场环境下的故 障诊断等，都是开展故障诊断技术研究必须突破的技术关键。 2 2f a s 故障诊断的常用方法 1 模式识别与神经网络等训练型模型的应用及与其它模型的结合，被认为是在分类与 塑坚奎兰堡圭兰! ! _ | ! i 翌 蔓三童坠! 墨竺箜垫堕堡堑垫查 第二章f a s 系统的故障诊断技术 对于一个系统，故障的出现不足为奇，但是故障出现后没有及时处理或处理不当 则会直接影响系统的运行，因此系统的故障诊断成为一个系统不可缺少的部分。针对 不同的系统，故障诊断有自身的特点。本章介绍了f a s 系统故障诊断的一些方法，详 细介绍了f a s 故障诊断专家系统的推理方法及推理策略 2 1 ，2 2 , 2 4 , 2 ”，以及知识库的建 立。根据这些故障诊断的理论，结合锁片自动装配系统，建立了一个故障诊断的专家 系统，从系统结构，阐述了模型的建立，并着重分析了该系统的推理机制，对其推理 算法进行了一定的研究，为今后的进一步研究奠定了基础。 2 1f a s 故障诊断的必要性与难点 故障诊断是f 八s 、f 惦、c i i f i 、智能制造等先进制造技术中各个环节、各个层次都必 须着力解决的关键与瓶颈技术之一。故障诊断技术是生产过程及控制、工艺规划、产 品的质量保证与控制、设备的性能、维修与寿命管理等诸多方面的共性技术，对提高 系统的可靠性、延长使用寿命、缩短研制周期、降低成本具有重要意义。 柔性系统的高度自动化、柔性化、智能化，其设备、功能的日趋复杂化，对故障 诊断技术提出了更高的要求。对设备与装配过程来说，主要表现如下：系统设备多 样、复杂，装配种类、过程、工况多样，难以全面搜集各种正常与异常状态的先验样 本和模式样本；故障的断续性、突发性、模糊性、关联性及时变性；设备各部件 间的动态联动性、离散性；装配过程中信息量大而繁杂，适合于监控、诊断与预警 的信息资源需要挖掘；监控与诊断的水平和程度受制于设备本身的自动化与智能水 平等。这些表现都是研究中必须注意和解决的，因此如何进行动态、关联、离散设备 的故障诊断，如何合理排除变工况及时变性对决策的影响，如何在无法完全获取故障 的先验样本及故障类别时进行识别分类与决策，如何简捷地实现实际现场环境下的故 障诊断等，都是开展故障诊断技术研究必须突破的技术关键。 2 2f a s 故障诊断的常用方法 1 模式识别与神经网络等训练型模型的应用及与其它模型的结合，被认为是在分类与 浙江大学硕士学位论文 第二章f a s 系统的故障诊断技术 识别方面有特殊优点的模型之一。它受训练样本数据的正交性和完备性限制，以及训 练样本与检测样本格式一致性的限制，在监控与诊断应用中主要针对小范围或少数几 个固定过程的异常与故障。 2 模糊数学与决策方法应用，包括模糊模式识别、模糊逻辑推理、模糊综合决策，以 及模糊理论与人工神经网络、专家系统等方法的结合等，其关键是模糊关系的确定。 该方法既适合于具体对象，又适合于复杂大系统。 3 人工智能与专家系统方法及与图论、模糊理论和人工神经网络的结合是近年来的研 究热点，但对状态监控与故障诊断来说，主要是定性推理应用较多。近年来符号与数 值结合的融合型模型正被看好，如专家系统与神经网络结合的融合型专家系统。具有 自学习、自组织、自适应的智能模型在监控与诊断中的应用是探讨热点，如智能化信 息融合理论等。 4 、基于模型故障诊断方法及与神经网络、模糊理论的结合。基于模型的故障诊断是一 种适应性、鲁棒性好的有效方法 1 8 ，19 1 。基于模型的状态监控与故障诊断在过程控制 的故障监控与诊断中应用较广。近几年来，人工神经网络、模糊论等智能理论的渗透 使该领域更加活跃。 f a s 故障的关联性、并发性和故障现象的模糊性等特点，使得传统的基于数学模型 和物理模型的方法无法满足f a s 故障诊断的要求。专家系统【驯j 与人工智能在工业系 统中的应用非常广泛，在此采用专家系统技术，计算机技术和自动控制技术相结合的 方法来诊断处理f a s 的故障，研制f a s 故障诊断专家系统。 2 3f a s 故障分析及故障诊断特点 当f a s 系统以一种非期望的方式运行时，就会出现故障征兆，也就是说f a s 故障 是指其实际行为与要求的行为间出现明显差异的表现。主要表现为两类形式： f a s 各子系统、器件、元件的位置、运动关系或运行不正常； 经f a s 装配的产品出现质量不符合要求。 f a s 故障诊断可以概括为以下几个过程： 故障检测当系统的功能不正常时，能够检测到故障信号； 故障分离系统发生意外后，通过各种现象快速确定故障源； 浙江大学硕士学位论文 第二章f a s 系统的故障诊断技术 识别方面有特殊优点的模型之一。它受训练样本数据的正交性和完备性限制，以及训 练样本与检测样本格式一致性的限制，在监控与诊断应用中主要针对小范围或少数几 个固定过程的异常与故障。 2 模糊数学与决策方法应用，包括模糊模式识别、模糊逻辑推理、模糊综合决策，以 及模糊理论与人工神经网络、专家系统等方法的结合等，其关键是模糊关系的确定。 该方法既适合于具体对象，又适合于复杂大系统。 3 人工智能与专家系统方法及与图论、模糊理论和人工神经网络的结合是近年来的研 究热点，但对状态监控与故障诊断来说，主要是定性推理应用较多。近年来符号与数 值结合的融合型模型正被看好，如专家系统与神经网络结合的融合型专家系统。具有 自学习、自组织、自适应的智能模型在监控与诊断中的应用是探讨热点，如智能化信 息融合理论等。 4 、基于模型故障诊断方法及与神经网络、模糊理论的结合。基于模型的故障诊断是一 种适应性、鲁棒性好的有效方法 1 8 ，19 1 。基于模型的状态监控与故障诊断在过程控制 的故障监控与诊断中应用较广。近几年来，人工神经网络、模糊论等智能理论的渗透 使该领域更加活跃。 f a s 故障的关联性、并发性和故障现象的模糊性等特点，使得传统的基于数学模型 和物理模型的方法无法满足f a s 故障诊断的要求。专家系统【驯j 与人工智能在工业系 统中的应用非常广泛，在此采用专家系统技术，计算机技术和自动控制技术相结合的 方法来诊断处理f a s 的故障，研制f a s 故障诊