（机械电子工程专业论文）全自动气门芯装配系统的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的不断提高，轿车已经逐渐进入普通老百姓的家中。这 意味着，2 l 世纪将是汽车飞速发展的世纪，而汽车的飞速发展也必将带动相关 行业的突飞猛进，轮胎气门芯行业就是其中之一。 目前，国内生产气门芯的厂家不少，但实现自动化生产的却很少，个别厂 家实现了自动化，但其自动化设备全是进口，价格相当昂贵，并且生产效率不 是很高，很难满足汽车行业日益增长的大量需求。所以，一种高效的、有自主 知识产权的全自动气门芯装配系统成为我国气门芯制造行业的迫切需要。鉴于 此，作者从以下几个方面对全自动气门芯装配系统作了深入的研究，开发出了 一台全自动气门芯装配系统。 1 ) 气门芯装配系统是一种典型的机电一体化设备，论文首先对当今与机电 一体化相关的常规、先进技术作了简要介绍，以便研究、开发站在一个比较高 的起点之上； 2 ) 气门芯装配是典型的离散随机事件，对于组成气门芯的七个零部件，怎 样把它们装到一起，实际上有多种方案，但最优方案只有一个。故此，按照现 有的气门芯装配工艺，运用p e t r i 网对气门芯装配进行了数学建模，并对之进行 了装配仿真，得出理想状态下的最优方案，为研制高效的气门芯装配系统提供 了必要的前提条件和宏观指导： 3 ) 对装配系统的整体结构作了深入研究与规划；对9 套送料机构和5 套装 配夹具进行了大胆的创新设计，使得整套系统结构紧凑，装配夹具性能优良， 尤其是镦项夹具的设计，为作者得意之作； 4 ) 控制系统硬件进行了精心选型，软件进行了认真编写。控制器选用了性 能优良的西门子p l c 一$ 7 3 0 0 系列，并运用西门子公司为之配套的编程软件s t e p 7 , 0 编写了控制程序；选用了西门予公司的t p l 7 0 b 系列触摸屏，用p r o t o o l6 0 对之进行了组态，形成了一套便于操作，活泼美观的人机交互界面； 5 ) 对系统的外观以工业美学的理念进行设计，并周全地考虑了安全等方面 的因素，使该自动化装配系统更具人性化。 晟后，论文在总结全文工作的基础上，对进一步研究提出了建议和展望。 关键词：气门芯全自动装配可编程控制器触摸屏 武汉理：r 大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f p e o p l e sl i f e ，m o r ea n d m o r em o t o r c a r sa r eb o u g h ti n t o t h e i rh o u s e s ，w h i c hm e a n s2 1 c e n t u r yb e l o n gt ot h em o t o r c a r s ! i ti s s a i dt h a tt h e i n d u s t r yo ft i r ev a l v em a k i n gi so n eo ft h o s ei n d u s t r i e sw h i c h a r eb o o s t e db yf a s t d e v e l o p m e n t o f t h em o t o r c a r s n o w , t h en u m b e r o f c o m p a n i e sa b o u tm a k i n g t i r ev a l v ei sn o tl i t t l e ，b u tf e wo f t h e mc a n a u t o m a t i c a l l ym a k e t i r ev a l v ei nc h i n a s o m e c o m p a n i e sc a r ld o t h ew o r k ， b u tm o s t e q u i p m e n t c o m ef r o mo t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，w h o s ep r i c ei sv e r yh i g h ， o nt h ec o n t r a r y , t h ee f f i c i e n c yi sv e r yl o w ! s oi tb e c o m eo n ei m p o r t a n to b s t a c l et h a t b a f f l e st h e d e v e l o p m e n to fm o t o r c a ri n d u s t r y i t i s o b v i o u s l y t h a to n ek i n do f e q u i p m e n t t h a tc a n a u t o m a t i c l ym a k e t i r ev a l v eb e c o m et h eg r e a tn e e d ! s ot h ea u t h o r d oal o to fr e s e a r c ha n ds t u d yo nt h ea u t o m a t i cs y s t e mo f m a k i n g t i r ev a l v ea n dh a s m a d eo u taa u t o m a t i cs y s t e mf o ra s s e m b l i n gt i r ev a l v e t h ew o r k sa r ea sf o l l o w , 1 ) t h es y s t e mi s m e c h a t r o n i e se q u i p m e n t ，a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , t h e n o r m a la n da d v a n c e dt e c h n o l o g ya b o u tm e c h a t r o n i c si si n t r o d u c e di no r d e rt ol e tt h e r e s e a r c ha n d s t u d y b eb a s e do n g o o d s t a r t 2 ) t i r ev a l v ea s s e m b l yb e l o n gt od e d s o n e t i r ev a l v ei n c l u d s7p a r t m e n t s i n f a c tt h e r ea r em a n ym e t h o d sa b o u th o wt oa s s e m b l yt h e mt o g e t h e r ，b u tt h eb e s to f t h e mi sj u s to n l yo n e a c c o r d i n gt ot i r ev a l v ea s s e m b l i n gc r a f l w o r k ，g i v et h em a t h m o d e lb a s e do np e t r in e ta n ds t i m u l a t ei t ，a n dg e tt h eb e s ts c h e m e a l lt h e s ew o r k a f f o r dap r e c o n d i t i o na n dm a c r o s c o p i c a lg u i d a n c ef o rs t u d ya n dm a k i n go u tag o o d f u n c t i o nt i r ev a l v ea s s e m b l i n g e q u i p m e n t 3 ) h a v ead e e pr e s e a r c h o nt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ea s s e m b l ye q u i p m e n t g r e a ti n n o v a t i o ni s p r e s e n t e d i nt h e d e s i g np r o c e s s o f9s u i t so ft r a n s m i s s i o n m a c h i n ea n d5s e t sa s s e m b l yt o n g s ，s ot h a tt h es t r u c t u r ei sc o m p a c ta n dt h et o n g s h a v eg o o df u c t i o n s e s p e c i a l l y , t h ed e s i g no ft o n g sf o re x t r u s i o ni sp e r f e c ta st h e a u t h o rt h i n k 4 ) h a r d w a r ea b o u tc o n t r o li ss e l e c t e dc a r e f u l l ya n ds o f t w a r ei sp r o g r a m m e d s e r i o u s l y t h ep l c s 7 3 0 0o fs i m e n s ec o m p a n yi si n s t a l l e di nt h ec o n t r o lb o xa n d 武汉理工大学硕士学位论文 t h ec o n t r o lp r o g r a m ei sp r o g r a m m e di nt h ei n v i r o n m e mo ft h es o f t w a r es t e p7 0 w h i c hm a t c h e st h ep l c w h a ti sm o r e ，t h et o u c hp a n e lt p l 7 0 bo fs i m e n s e c o m p a n yi s a l s os e l e c t e da n dc o n f i g u r a t e db yt h es o w a r ep r o t o o l6 0 a l lt h e s e f a c t o r sc a u s eai n t e r f a c ew h i c hi sl i v e l ya n de a s yt oo p e r a t e db e t w e e no p e r a t o ra n d m a c h i n e 5 ) a c c o r d i n gt oi n d u s t r ye s t h e t i c sd e s i g nt h ea p p e a r a n c eo f t h ee q u i p m e n t ，a n d i nt h ep a p e r , o t h e ra s p e c t ss u c ha ss a f e f a c t o re t ca r ea l s ot o o ki n t oc o n s i d e r a t i o n a tl a s t b a s e do nt h es u m m a r i e sa n dc o n c l u s i o n so fa l lr e s e a r c hw o r k s 。s o m e s u g g e s t i o n sa n dp r o s p e c t f o rf u r t h e rr e s e a r c h e sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：t i r ev a l v e ，a u t o m a t i o nc o m p l e t e l y , a s s e m b l e ，p l c ，t o u c hp a n e l 1 i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 自古至今，人类一直在梦想着，追求着温馨、舒适、轻松愉快的生活，这 样的生活也时时在向我们招手，向我们靠近，却让我们等得太久太久。工业革 命带来了自动化，解放了生产力，开始把我们从原始的低级手工体力劳动中解 放出来，真正地让人类开始了一种几乎是“一劳永逸”的生活。 时下，随着人们生活水平的不断提高，轿车已经逐渐进入了普通老百姓的 家中。这意味着，2 l 世纪将是汽车飞速发展、大量需求的世纪，而汽车的飞速 发展也必将带动相关行业的突飞猛进，与之紧密相关的轮胎气门芯行业就是其 中之一。 国内生产气门芯的厂家不少，但全部实现自动化生产的却很少。目前，组 成气门芯的七个零部件基本上可以实现自动化生产，效率可以达到很高，但由 于其零件的结构特殊性，装配工作却无法实现完全自动化，还停留在半自动化 状态，即有一半的工作仍需工人动手完成，故装配的效率远远无法与零件的生 产效率相匹配。这不仅仅是当前气门芯生产行业，也是中国整个加工行业所面 临的一个瓶颈问题。国内的个别厂家虽然实现了自动化，但其自动化设备全是 进口，价格相当昂贵，规模很难扩大，并且生产效率不是很高，很难满足汽车 行业对气门芯日益增长的大量需求。所以，一种高效的、有自主知识产权的全 自动气门芯装配系统成为我国气门芯制造行业的迫切需要。 1 2 装配系统中机电一体化的产品概念设计新理论 由于气门芯全自动装配系统属于典型的机电一体化设备，因此在做研究开 发之前，有必要对机电一体化的相关情况作比较深入的了解。 机电一体化技术已经取得喜人的成就，该技术的先进性和设计问题的复杂 性都深刻地启示着我们，应当建立一种能够与当代机电一体化技术发展相适应 的产品设计理论，才能从质上给其一个飞跃，这也符合自然界的发展哲学。 概念设计是产品设计的重要阶段，决定了产品设计质量的6 0 7 0 。因而 要建立机电一体化产品的设计理论，必须首先建立机电一体化产品概念设计的 武汉理工人学硕士学位论文 理论、方法。基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品。 因此，建立机电一体化产品的概念设计理论体系对于研究和丌发本气门芯自动 装配系统是非常必要的。 德国d a r m s t a d t 大学的r i s e r r m a n n ，h j h e r p e l ，m h e l d ，m g 1 e s n e r 等人， 对机电体化产品设计进行了较深入的研究。他们的研究领域主要集中在机电 一体化控制系统的设计方法学上。提出了机电一体化系统的能量流和信息流模 型，并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次“1 。 德国h e i n zn i x d o r f 大学的j u r g e ng a u s e m e ，m a r t i n f l a t h ，s t e f a n m o h r i n g e r 等人于2 0 0 1 年构建了机电一体化系统开发的v 型模型，指出在概念设计的早期阶 段，需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识，给出了一 种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法，即用半规则式说明语言进行功 能原理建模，并已将该方法成功地用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中。 在法国p s a 所进行的e s p r i t i i i o l m e c o ( o p e nl i b r a r y f o rm o d e l so f m e c h a t r o n i c sc o m p o n e n t s 机电一体化组成元件的模型的开放库) 研究项目，取得 了阶段性成功。该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型 所组成的模型库0 3 。 国内，邹慧君从广义功能原理出发将机电一体化系统划分为广义执行机构 子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统，并深入研究了机电系统概念 设计的基本原理。 1 。3 可用于自动装配系统中的机电一体化关键技术 实际上，机电一体化技术已成为- - f 新兴的交叉学科技术，它涉及到机械制 造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技 术，甚至于总线技术等，而这些技术在气门芯自动装配系统中也必然用到。 1 3 1 先进制造技术“1 先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其 综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造 过程，以实现高效、低耗、清洁敏捷生产，提高对动态多变市场的适应能力和 竞争能力的制造技术的总称。先进制造具有实用性、应用的广泛性、动态特征、 2 武汉理一r 大学硕士学位论文 集成性、系统性等特点。女h c a d c a m ，电火花，激光等先进制造技术。 1 3 2 信息处理技术 机电一体化系统当中，为了更好的实施控制，控制系统必须实时地从系统 中的各个监测传感器获得信息，并对其作快速处理，再把结果反馈给执行单元。 物理上作为信息载体的电、光、声成为处理的主要对象。很多与之相关的新技 术不断地被应用于其中。实现信息处理的数学算法也在时时更新，对机电一体 化系统当中处理信息的实时性，可靠性都起了巨大的推动作用。 1 3 3 传感技术 除了常规的传感技术，在伺服控制的机电一体化系统中，也用视觉传感器作 为机器人的位置补偿。根据视觉传感器摄录下来的图像，将零部件放置的位置、 大小反馈给控制系统，就可以根据这些信息对机器人的动作进行位置补偿，提高 整个系统的柔性和智能。在机电一体化系统中，传感器就象人的感觉器官一样， 非常重要。智能传感器和组合传感器的使用使机电一体化系统更加具有智能和 柔性。目前，运动控制最常用的是编码器、光栅尺、磁栅及同步感应器等。高精 度的传感器有双频激光干涉仪、激光尺等，其他物理量的反馈传感器有张力计、 流量计、压力计和温度计等。 1 3 4 伺服驱动技术嘲 在现代化的机电一体化设备中，对其各个动作的位置精度提出了越来越高 的要求，这样的位置精度单靠机械执行元件部分的精度是远远不够的，而伺服 系统则是靠一定的反馈来实时的调整位置，从而避免了误差的过程积累，由于 气门芯的各个零件都很小，所以精度极高的伺服系统对于其准确装配至关重要。 1 3 5 接口技术 由于机电一体化设计当中往往要用到很多相关的控制、传感及执行元件， 这些硬件在实际的应用当中要进行实时的信号通讯，就必然要用到接口技术。 如控制芯片与周围电路元件的接口，总线与控制单元的接口，信息传输方式之 间转换的接口等技术，在机电一体化系统中都是有了越来越多的应用，也使得 3 武汉理工大学硕士学位论文 机电一体化产品的性能更趋稳定，结构更趋紧凑。 1 3 6 自动控制技术 控制系统是机电一体化的发令系统，决定着整套系统的工作状况。硬件方 面，用到的控制器有单板机，可编程逻辑控制器( p l c ) ，工控机等，其中p l c 凭其操作简单，性能稳定，易于维护等特点在机电一体化中占有了它独有的地 位。软件方面有着不断发展的控制算法，为其硬件的更好工作做了强有力的支 撑。 1 3 ，7 总线技术 总线技术是于8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、 制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数 字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理 层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布 控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综 合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自 动化系统结构与设备的深刻变革。 1 4 国内外自动装配技术的研究现状 人类最大的特点就是不满足现状，有着卓越的追求精神，也正是如此，我 们在各个方面都逐渐实现了自动化。其中制造自动化更是取得了长足的发展， 极大地满足了社会发展的物质需要。而在制造自动化中，装配自动化又是很重 要的一个环节。它决定着最后成品的质量，也决定着前期大量工作的成效，从 某种意义上讲，它是决定着制造自动化这一行业能否进入一个良性循环的关键 因素。所以科研工作者在这方面的工作丝毫没有懈怠，经过长期的努力，各种 装配技术也已经取得很大的进展。现就国内外的发展情况简述如下： 1 4 1 大型自动化装配线” 对于一些发展较早的工业，自动化装配线应用得相对成熟些。如德国奔驰 公司的奔驰汽车生产线，自动化程度相当高，各个装配工位都采用了先进的现 4 武汉理： 大学硕士学位论文 代化技术，如传感、电子控制，甚至美学都应用其中。这也使得其公司在全世 界的竞争力独占鳌头，撼之不动。但我们知道，像装配汽车的这类自动化装配 生产线基本上属于大部件的装配，其装配特点不能与小部件装配相提并论。 1 4 2 小型自动化装配线”1 随着电子、信息等新兴产业的飞速发展，人们对这类产品的需求也与日俱 增，这也呼唤着此类产品要有更高的生产效率。当然制造的效率已不是太大的 问题，关键之关键是要把那些小的不能再小的零件精确可靠地装配到一起，难 度就相当大。现在的装配情况大部分仍旧采用机械式装配。虽然可以满足要求， 有一个极限，存在一个瓶颈。 1 5 生物技术在自动装配中的应用一 据报导，东京大学山下勋教授开发出一种微型机械零件“自组织化”自动 装配技术，利用自然界的“自组织化”现象把散乱零件结合到一起，对提高工 作效率、增加微型机械产量大有帮助。这种技术在超大规模集成电路微型装置 镶嵌中大有用武之地。大规模集成电路感知装置和电子零件已成为现实，但这 些只有数微米大的零件和芯片用手工组装非常困难，而且零件越多作业效率越 低，运用“自组织化”自动装配技术有望解决这一问题。从某种意义上讲，这 种装配技术是应用了现今发展最为迅猛的生物技术。 综上所述，自动化装配生产线是现代制造业中的重要设备，在美国、日本 和西欧等工业先进国家的生产中已得到了广泛的应用，在国内，对相关技术的 研究开发起步较晚，自行设计与制造精密机芯机器人自动化装配线还处于探索 阶段。当然目前，国内在自动化装配技术方面也有较大的进展。像一些大型的 汽车产行业如神龙富康轿车的生产，都用了较多的自动化装配技术，自动化装 配生产线等。许多科研院所也都对自动化装配技术作了大量的研究。如机器人 柔性自动化装配技术，都有很好的应用前景，对于这些技术，我们更多的是引 进，真正是自己设计开发的，有自主知识产权的东西还是相当少。另外，现在 比较成熟的自动化装配技术多是应用于大部件的自动装配，而对于小部件的装 配还没有。所以应该认清现实，加快研究创新步伐，争取走在世界的前列。 武汉理上火学硕士学位论文 1 6 问题的提出 当前，气门芯的生产状况还是停留在半自动化状态，也就是说整个气门芯 生产的过程中有一半是机器完成，另一半是人完成，这就存在一个人和机器的 生产速度匹配问题。并且，工人所完成的都是些装配的关键部位，很难避免人 为地随意性装配误差，从而也很难保证气门芯的装配标准化，成为其产品达到 国际化标准的一个重要障碍。 同时，工人们为了和机器赛跑，劳动强度相当高，很累也是自然而然的事 情。实地调研时所看到车间里的生产场景跟美国著名笑星卓别林演的摩登时代 里的场景并无两样。工人们从早上8 点到下午6 点所重复的就是一个动作，机 械而死板。询问工人们工作的感觉时，她们都说开始干的时候一天下来，浑身 都是疼的，严重的手腕都会肿起来老高。因此，改善职工们的劳动环境，降低 工人们的劳动强度与日益增长的产品社会需求量成为主要矛盾。 这只是对职工而言，而对于企业，问题更为严重。首先，他们要背负一大 笔工资负担，如果企业拿这笔资金来改造设备的话，在节约有限的资金，避免 工人装配随机性所造成较高的废品率的同时，还可以大大增强企业在本行业的 竞争力。这也是汽配有限公司决心要开发这个自动装配生产系统的重要原因。 从上面的大体介绍可以看到，尽管自动装配技术已经有了很大的发展，很 多技术也已经应用到了生产实际当中，还是存在着如下的不足， ( 1 ) 大型的自动化装配生产线比较成熟，小型零部件的自动化装配发展缓 慢； ( 2 ) 对于气门芯这一特定的产品，主要装配工作及装配部位均由人来完成， 人为的随机性因素易造成较高的废品率； ( 3 ) 国外自动化装配系统价格昂贵，且效率不高 鉴于此，气门芯自动装配这一特定的研究工作得以开展。 1 7 研究内容 1 7 1 装配工艺流程的研究 对于一个能够把多个零部件装配到一起的自动装配生产线，必定有多种不 同的实施方案，那么在这些不同的方案中也必定有一个在空间上、时间上、效 6 武汉理工大学硕士学位论文 率上都相对较好的方案，论文当中主要运用p e t r i 网对系统进行了建模与仿真 从仿真的结果中分析得出一个相对理想的装配工艺流程方案。 1 7 2 系统结构的研究 气门芯自动装配生产线是一个典型的机电一体化生产系统。该系统一方面 要求各个装配夹具具有相当高的灵活度，有足够的精度和耐用度：另一方面要 求其整体能够智能地协调工作，避免人为地操作而影响其工作性能。系统总体 结构如图1 1 所示。 图1 1 气门芯自动装配生产线总体结构 1 ，7 3 机械部分的研究 整个装配过程由两个工作台完成，一个工作台上包括了两件子装配系统和 三件子装配系统。其中，三件装配中的研究内容主要是如何把气门芯的三个初 始部件芯杆、密封垫、电镀芯体准确送料，按照气门芯的装配工艺要求准确装 夹；两件装配中的研究内容是如何把套圈芯体和密封圈压配到一起，准确程度 与三件的要求相同，但特点不同；而总成装配中的研究内容除了与前面两部分 有相同的要求之外，特点是工位较多，装配动作的相互协调成为研究的关键。 1 7 4 控制硬件部分的研究 控制系统主要由高性能工业微机控制器( p l c ) 、伺服驱动系统、检测系统、 7 武汉理工大学硕士学位论文 操作界面等，l 部分构成。其中p l c 选用西门子公司s 7 3 0 0 系列可编程控制器： 伺服驱动系统由交流伺服电机、伺服电机驱动器、高精度减速器、光电编码器 等构成，在p l c 的控制下实现精确定位和速度调节；检测系统由电磁传感器、 光电传感器、光纤传感器、激光传感器等构成，实现系统的定位检测、零件检 测与识别、工序时序匹配等功能；操作界面选用西门子公司触摸屏t p l 7 0 b ，实 现系统操作控制和系统状态显示。这些硬件系统构成一个有机的整体，相互协 作，实现对气门芯的自动高速装配。 1 7 5 控制软件部分的研究 如果说机械部分是实现自动化装配的先决条件的话，那么系统的软件控制 部分则是关键因素。如图1 2 气门芯自动装配系统的软件控制示意图所示，系 统软件主要由人机界面接口模块、系统初始化模块、三件装配控制模块、两件 装配控制模块、总成装配控制模块、系统参数维护模块、系统管理与调度模块 等几大部分组成。各模块功能相对独立，各模块通过系统管理与调度模块连接 成一个有机整体。实现软件的编写所使用的编程环境为西门子的p l c 编程软件 s t e p 7 0 与西门子触摸屏t p l 7 0 b 的界面组态软件p r o t o o lv 6 ，0 。该软件将使各个 模块之间产生有机的联系，为实现整个系统的自动化、智能化装配提供先决条 件和环境支持。 图1 2 气门芯自动装配系统的软件系统结构 综合以上各项研究内容，最终做成套完整的气门芯自动装配系统，其功 能满足如下要求： ( 1 ) 产品达到气门芯装配企业标准的规定精度； ( 2 ) 单条生产线的装配生产率达到每分钟1 0 0 件气门芯。装配过程中的综 8 武汉理二f ：大学硕士学位论文 能 合废品率小于1 ； ( 3 ) 装配生产线具有自动检测所装配的每个产品的缺陷并剔除次品的功 ( 4 ) 具有产品自动计数与显示功能； ( 5 ) 具有工作过程自检与报警功能； ( 6 ) 具有良好的人机操作界面，争取做到“傻瓜式操作”； ( 7 ) 使整台机器的外形结构设计符合现代工业设计的美学标准 ( 8 ) 装配功能具有一定的柔性。 1 8 本章小结 本章首先对自动化装配系统的研究背景、国内外的发展状况以及与其相关 的机电一体化关键技术作了简要的介绍，其次结合当前气门芯生产的实际情况 提出了问题，并对本课题研究的主要内容作了概述。 9 武汉理丁：大学硕士学位论文 第2 章装配系统的建模与仿真 气门芯的装配实际上属于离散随机事件，在装配的过程当中，有许多随机 事件的发生，因此也给装配工作带来很大的不便。当前，装配生产线是离散制 造领域内广为应用的一类典型生产线，属于离散事件动态系统( 简称为d e d s ) 的研究范畴，是当今系统与控制领域研究的前沿方向。国内外对装配生产线调 度控制系统的研究始于2 0 世纪9 0 年代前后，随着社会需求的个性化和多样化， 制造产品趋向于“客户化、变种变批量、快速交货”，制造企业的一切活动开始 转向利用信息与自动化技术满足以用户要求为核心的竞争，市场的动态多变性 迫使制造企业改变竞争战略，把市场响应速度提高到首位。综合计算机数控技 术、机器人技术和计算机软硬件技术的先进生产或装配线应运而生。人们对装 配生产线调度策略与控制方法作了大量的研究工作，但主要偏向以自动化程度 较高的加工系统，如柔性生产线( 简称为f m s ) j 背景1 。 目前国内制造企业主要以手工作业和自动化作业并存的装配生产系统为 主。至今还没有一个切实可行的、面向手工装配和自动化装配相结合的混合型 系统。这主要起因于国内制造企业装配生产的一些特点：手工作业和自动化 作业并存；装配工序繁多，错综复杂，缺件严重；信息传递不及时，管理 水平落后；生产管理缺乏计划性、均衡性。这种管理现状必然限制一些先进 技术的应用。因此开发面向国内制造企业的生产调度控制系统，使其能根据装 配计划的形式以及生产考核的数学模型控制装配过程的物流、信息流的数量和 方向，就显得尤为迫切。装配生产线调度控制系统开发的关键是系统模型的建 立及优化算法的确立。本系统选用p e t r i 网作为手段来建立数学模型，对装配工 艺流程进行研究。 2 1 装配生产线的p e t ri 网模型m 眦” 装配生产线调度控制系统模型的建立要以装配工艺流程的描述信息为基 础，考虑到装配过程不仅存在顺序关系，还存在并行和竞争关系，提出用p e t r i 网( p e t r in e t s ) 作为系统的建模和分析方法。p e t r i 网，简称p n ，是由德国学者 c a ，p e t r i 在1 9 6 2 年提出的。此后随着理论上的不断完善和应用上的不断扩大， 1 0 武汉理工火学硕士学位论文 这种方法已经成为在逻辑层次上对离散事件动态系统( d e d s ) 进行建模和分析 的主要方法之一。p e t r i 网方法是一种以图形形式研究系统组织结构和动态特性 的理论，具有直观、可执行、易于仿真等特点，尤其适合于对异步并发及竞争 系统的建模与分析。 21tp e t ri 网的基本概念“” 一个动态系统的p e t r i 网模型主要包含两部分：网结构，即一个赋权值的， 由两部分组成的有向图，它表示系统的静态部分；标记( m a r k i n g ) ，表示系统 的总的分布状态。对一个离散事件动态系统建模，需要考虑系统的状态及状态 转移。一个p e t r i 网正是包含了两种集合，一个为位置( p l a c e ) ，个为变迁 ( t r a n s i t i o n ) ，位和变迁分别以圆圈和短直线段表示，位与变迁之间以加权流动 关系( w e i g h t e df l o w r e l a t i o n ) 联系，下面给出p e t r i 网的定义。 定义1 1从抽象和一般的角度，一个p e l r i 网表示为一个六元组，即 p n = ( p ，t ，f ，w ，m ，m 0 ) 其中，各个符号的含义为： p = p l ，p 2 p m ) 为有限位置( p l a c e ) 集； t = t l ，t 2 tn ) 为有限变迁( t r a n s i t i o n ) 集： p n t = ( 集合p 和集合t 不相交) ，p u t ( 集合p 和集合t 不同时为空) ； f a ( p t ) u ( t p ) ( 关系f 只存在于集合p 和集合t 之间) 为节点流关系 集，即为有向弧集； w ：f 一 1 ，2 ，) ( 关系集f 到自然数的映射) 为有向弧的权函数； m ：p 一 0 ，1 2 ) ( 集合p 到非负整数的映射) 为状态标识( m a r k i n g ) ： m 0 ；p 一 o ，1 2 ) ( 集合p 到非负整数的映射) 为初始标识( i n i t i a l m a r k i n g ) 。 先举例说明其定义。如图2 1 画的是从装配生产线上截取的两个相连的环 节及相关资源的装配生产线片段。这是典型的物质资源流动：半成品在装配生 产线上移动，每个生产环节再组装上一两个部件，直到产生成品。显然，生产环 节是系统中的t _ 元素，亦即变迁元素；而代表半成品、部件等等种类和数量的 是位置元素，即p ，元素。 p 1 ，p 2 ，p 3 半成品；p 4 ，p 6 部件；p 5 一螺丝钉：p 7 一工具 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 装配生产线片段 图中t - 元和p 一元分别用短直线段和圆圈。表示，每个0 代表一种资源，其 中黑点个数表示该种资源的数量，这种黑点叫做托肯( t o k e n ) 。图中的箭头代表 资源流动的方向，箭头上的数字则代表组装所需或产生该种资源的数量，称为 弧上的权，没有写出来的数字均为1 。例如组装环节t l 用两个螺丝钉( p 5 1 把一 个部件( p 4 ) 装配到半成品( p 1 ) 上产生一个新的半成品( p 2 ) 。m 为所考虑的状态 下位置p i 中的黑点数即其所包含的“托肯”数，i = l ，2 ，r r l ，m 为网图所包含 的位置节点个数，则网图的状态标识m 定义为如下的一个行向量， m 一【m ( p 1 ) ，m ( p m ) ，对图2 1 所示的例子，1 1 1 = 7 ，现今的状态标识 m = 3 ，3 ，2 ，4 ，5 ，3 ，1 。初始标识m o 对应于状态标识m 的初始设置。p e t r i 网本身一般仅能描述一个离散事件动态系统的静态结构。系统的动态过程是由 状态标识的变化迁移过程来表征的。进一步，状态标识能否变迁和变迁结果， 则是由p e t r i 网中变迁的点火规则所决定的。 2 1 2p e t r i 网的点火规则。 由于p e t r i 网定义为一个五元系统p n = ，其中 p 为位置l a c e ) 集，p = p l ，p 2 一。，p 一) ； t 为转移( t r a n s i t i 。n ) 集，t ：“，。”一p ； i 为输入函数集，i = ，( ) ，( ：) ，。，( ，) 一一，转移，的输入函数，( - ) 2 仇一p f ) ： 0 为输出函数集，0 2 0 ( ，) ，0 ( ：) ，d ( - ) 一一，转移t j 的输出函数 o ( t ，) = ( p 。，p 。) 武汉理工大学硕士学位论文 m 为标识( m a r k i n 酚，m2 卅l ，m ：一，小一一 ，小t 表示位置只的令牌数，m 是从位 置p 到非负整数集n 的一个映射函数m ：p n ，m o 为初始标识。 p e t r i 网的特点之一是可运行性。p e t r i 网的运行由连续的触发点火进行。p e t r i 网每点火1 次，它的某些转移就发生，令牌从输入函数移到输出函数，p e t r i 网 的状态( 标识) 更新1 次。p e t r i 网的点火规则是：当转移，的输入函数 ，( ，) 3 段一。，p ， 的所有位露都至少有1 个令牌存在时，0 被点火。，点火后， 输入函数的所有位置分别减少1 个令牌，而输出函数0 ( ，) 2 p 一，p ” 中的所 有位置分别增加1 个令牌。 2 2 基于p e t ri 网的气门芯装配系统的建模m m 9 ， 气门芯装配系统是一种典型的离散事件系统。离散事件系统往往以事件为 主要特征，各事件以某种顺序或在某种条件下发生，并且大都属于随机性的， 使得不能用常规的方法去研究。p e t r i 网以图的形式，简洁、直观地模拟了离散 事件系统，能较好地描述离散事件动态系统的并行、并发、同步、资源共享等 特点，是离散事件系统建模的有效工具。 2 2 1 气门芯装配系统的工作过程 气门芯总共有7 个零件，分别为芯杆、密封垫、电镀芯体、密封圈、套圈 芯体、弹簧和芯帽，这7 个零件的装配不管在空间还是时间上如何安排，都必 须经历下面三个装配过程。 ( 1 ) 套圈芯体套上密封圈一两件 图2 2 两件装配工艺 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 芯杆套上密封垫装电镀芯体一夹紧电镀芯体一三件 图2 3 三件装配工艺 ( 3 ) 三件装上两件一装弹簧( 大头朝下) 一夹刺一装芯帽 缩口一墩顶一成品 图2 4 总成装配工艺 2 2 2 基于p e t ri 网的气门芯装配系统建模 根据组成气门芯的七个零部件的结构特点和现在生产气门芯的厂家所实行 的装配工艺，把气门芯装配的整个过程可用如图2 5 中的p e t r i 网模型表示，图 中的符号和含义如下： 位置p ： p 1 代表等待装配的芯杆可使用( 其中含有托肯表示可用) ； p 2 代表等待装配的密封垫可使用( 其中含有托肯表示可用) ： p 3 代表将密封垫套上芯杆后的两件组合： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p 4 代表等待装配的电镀芯体可使用( 其中含有托肯表示可用) ； p 5 代表将电镀芯体套上装了密封垫的芯杆，形成三件( 三件组合，未夹紧) p 6 代表夹紧后的三件组合( 三件组合，己夹紧) ： p 7 代表等待装配的密封圈可使用( 其中含有托肯表示可用) ： p 8 代表等待装配的套圈芯体可使用( 其中含有托肯表示可用) ； p 9 代表将密封圈套在套圈芯体上，形成两件组合( 芯体两件组合) ： p 1 0 代表将等待装配的两件组合放置在缓冲区中： p 1 l 代表将两件组合装上三件组合后，形成的五件组合( 五件组合) ； p 1 2 代表等待装配的弹簧可使用( 其中含有托肯表示可用) ； p 1 3 代表五件组合装上弹簧后所形成的六件组合( 六件组合，未夹刺) ； p 1 4 代表夹刺后的六件组合( 六件组合，已夹刺) ； p 1 5 代表等待装配的芯帽可使用( 其中含有托肯表示可用) ： p 1 6 代表六件组合装上芯帽后所形成的七件组合( 七件组合，未缩口，未墩顶) p 1 7 代表缩口后的七件组合( a z 件组合，已缩口，未墩顶) ； p 1 8 代表墩顶后的七件组合，即成品( - l 件组合，已缩口，已墩顶) ； 转移t ： t 1 代表将密封垫套上芯杆； t 2 代表将电镀芯体套上芯轩的三件组合； t 3 代表夹紧电镀芯体和芯杆形成的三件组合； t 4 代表套圈芯体套上密封圈，形成两件组合； t 5 代表苍体两件组合进入缓冲站； t 6 代表芯体两件套上芯杼三件，形成五件组合； t 7 五件组合装弹簧。形成六件组合： t 8 六件组合夹刺固定； t 9 六件组合套芯帽，形成七件组合； t 1 0 代表七件组合的芯帽缩口固定： t 1 1 七件组合墩顶，形成成品。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 给定初始托肯使能状态下的气门芯装配的p e t r i 网模型 该模型的位置集为：p = 嘏，足，。异8 ) ，变迁集为：正环互，万古 2 赛；动= 6 翔孵劫孵d 孵习蝎乃赡移孵d 瞎d 露刁胛。移鼎劲纯劲纯刁囝劲始习纯拍犯耵 乏粥劢= 6 币孵写) 孵写) 媚，石) 鼎劲卿- 劢鼎写) 鼎劲鼎劢鼎黝鼎驯 图2 3 表示的是给定初始托肯使能状态的p e t r i 网模型，其初始表识 m o = 3 ，3 ，0 ，3 ，0 ，0 ，3 ，3 ，0 ，0 ，0 ，3 ，0 ，0 ，3 ，0 ，0 ，0 ) ，它表示p 1 ( 芯 杆) ，p ：( 密封垫) ，p 。( 电镀芯体) ，p ，( 密封圈) ，p 。( 套圈芯体) ，p ，：( 弹簧) ， p ，；( 芯帽) 的数量各为3 个，为待装配的零件，其余中间件的数量为零，表示还 未开始装配。在图2 3 所示的初始标识下，根据前面所介绍的p e t r i 网点火规则， 转移t ，t 。被点火后，即为图2 4 所示，其标识为：m 。= 2 ，2 ，1 ，3 ，0 ，0 ，2 ， 2 ，1 ，0 ，0 ，3 ，o ，0 ，3 ，o ，0 ，o ) ，它表示这时有1 件芯杆和1 件芯杆垫圈 正在装配，同时还有1 件芯体密封圈和l 件芯体也在装配，两者同时进行。同 时，还有p 。( 芯轩) ，p ：( 密封垫) ，p 。( 套圈芯体) ，p ，( 密封圈) 各2 件，p 。( 电 镀芯体) ，p ，：( 弹簧) ，p 。；( 芯帽) 各3 件待装配。所以建立的p e t r i 网模型能够很 好地描述了系统的整个物理过程，并且反映了系统的动态特性。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 转移t l ，t 4 点火后气门芯装配的p e t r i 网模型 2 2 3 仿真结论 根据上面p e t r i 网的动态装配仿真，我们可以看出，从开始的气门芯零件 配置，到装配的开始，再到有两件、三件等半成品形成，最后到整个气门芯的 装配完成，整个装配过程中没有资源冲突现象，在理想的装配情况下，各个部 分相互协调一致，整体的装配效率是比较高的，按照仿真规律，调节仿真参数， 可以达到1 0 0 件分钟。因此按照两件、三件、七件的装配方案是较好的装配方 案。 2 3 本章小结 在对工程当中用于离散事件进行仿真的工具p e t r i 网的相关知识、定义进行 介绍的基础上，重点依据现行生产厂家的实际情况，