可重构装配系统中装配模块的可重构性研究.pdf

文章编号: 1007?5429( 2005) 02?0010?05 收稿日期: 2004- 04- 16 ; ? 修回日期: 2004- 08- 23 基金项目: 国家 863高科技研究发展计划资助项目 ( 2001AA412250); 国家自然科学基金资助项目 ( 60205006) 作者简介: 严灏 ( 1980- ), 男, 江苏苏州人, 上海交通大学机械与动力工程学院硕士研究生。 可重构装配系统中装配模块的可重构性研究 严? 灏, 殷跃红, 俞建峰 (上海交通大学 机器人研究所, 上海 200030) ? 摘要:介绍了可以快速适应新产品装配生产的可重构装配系统概念, 进行了可重构装配系统 中装配模块的可重构性研究, 提出将可重构装配模块的结构分为可重构接口模块、 状态协调器模块 和自治域模块三个部分的设计方案。在此基础上, 构建了 Scara仿真机器人装配模块和 M otoman 仿真机器人装配模块。通过可重构装配系统仿真实验证明, 它们基本上符合可重构装配系统对于 装配模块的要求。 关键词: 可重构; 装配模块; 消息传递;COM /DCOM;XML 中图分类号:TH164? ? ? 文献标识码:A Study on the Reconfiguration of the Asse mblyM odule in the Reconfigurable Assembling System YAN H ao , YI N Yue? hong, YU Jian?feng ( The Robot Institute , Shanghai Jiao TongUniversity ,Shanghai 200030 , China) ? Abstract : The concept of the reconfigurable assembling system that can change its configuration quickly for the ne w assembly is presented . The reconfiguration of the assemblymodule in the reconfigurable asse mb? ling syste m is studied ,and it can bemade up of three components :the reconfigurable interfacemodule ,the status coordinatormodule and the self? maintenance controller . On this basis ,the reconfigurable assembling modules of the emulative Scara robot and the e mulativeMotoman robot have been buil.t W ith the certification of the e mulative experm i ent of the reconfigurable asse mbling system,they are able tomeet the requirementsof the reconfigurable asse mbling syste m for the assembling module . Key words:reconfigurable ;assemblingmodule ; message transfer ;COM /DCOM; XML 1? 引言 随着新世纪的来临, 全球的市场竞争日益激烈。 一方面人们对于产品的功能、 性能、 质量要求越来越 高促使制造商不断研发新产品, 另一方面科学技术 的快速发展也加快了产品更新换代的步伐。传统的 单一大批量生产方式已经不能再适应当代变幻莫测 的市场需求了。在这种形势下, 为了保持市场竞争 能力, 制造企业需要一种生产能力能随市场需求变 化而调节、 功能上能适应新产品的快速响应的制造 装配系统, 以小批量、 多品种的生产方式代替传统的 生产 方式。本 研究 所涉及 的可 重构 装配系 统 ( Reconfigurable Assembly System, RAS)正是适应这 样的要求而提出的。 可重构装配系统是指一种具有主动适应外界环 境变化和被动响应系统内部扰动两大功能的装配系 统 1。它能够在现有系统的基础上通过系统构件 的重构改变系统的结构, 从而调整系统的功能或装 配能力以适应产品品种的变化或市场需求量的变 化。它的实现将能极大地降低企业为生产新产品而 重构调整装配系统的时间与成本。关于可重构装配 系统建模请参见参考文献 1 , 2。要真正建立起这 ?10? IndustrialEngineering andM anage ment? No . 2 , 2005工业工程与管理? 2005年第 2期 样的一个可重构装配系统, 一个能在实时环境中稳 定运行的可重构装配系统控制平台是必不可少的。 如图 1所示, 可重构装配系统控制平台划分为 三个层次: ( 1)调度规划层, 其主要组成部分是系统 规划器, 它根据从系统信息库那里得到的装配系统 的设备状况和待装配任务等装配信息, 调用遗传算 法或者滑模预测控制完成调度计划, 生成混合产品 在装配线上的装配流程; ( 2)重构管理层, 由系统重 构器和系统信息库组成。其主要功能是解析调度规 划层输出的目标系统的构形数据, 并将之绑定到具 体的可重构装配模块中; ( 3)设备控制层, 则由多个 可重构装配模块组成, 它主要负责控制装配设备实 现各种与装配有关的行为, 并能实时向重构管理层 反馈设备的状态信息。 图 1? 可重构装配系统结构图 本文所研究开发的可重构装配模块从功能上 讲, 它应能够接受上层的重构调度信息并能按照装 配作业的要求控制装配设备与其它的可重构装配模 块一起有序协调地实现装配过程。 2? 可重构装配模块 可重构装配作为未来装配的发展方向越来越受 到人们的关注。许多人也开始对于可重构装配系统 及可重构装配模块的实现方式进行探索研究。比如 文献 3就提出了基于机器人的可重构装配系统的 构想, 提出了对于可重构模块化机器人一些设想及 需要研究的问题。但是他们并没有提出解决这些问 题的具体方案。又如冉宇瑶等 4介绍的基于多智 能体概念实现的多机器人协作装配系统。受控机器 人依据组织级计算机指令相互协作完成装配任务, 但是该底层机器人却无法独自完成装配, 不能充分 体现出模块化的思想。 可重构装配模块 ( Reconfigurable AssemblyMod? ule, RAM)是可重构装配环境下生产组织调度的基 本单位, 是具有自治能力的逻辑或物理资源的组合。 装配模块应能根据新装配任务及时调整自己的装配 动作, 同时模块之间可以建立新的合作关系以完成 新的装配任务。因此装配模块要实现可重构性有两 种特性是不可缺少的, 即: ( 1)独立性, 可重构装配 模块对自身的行为拥有完全自治规划的能力, 在重 构过程中独自分析上层下达的装配任务, 能够根据 装配任务自主规划装配行为, 而在整个装配过程中 无须上层的参与控制; ( 2)协调性, 可重构装配模块 与可重构装配模块之间应依照装配任务的要求能快 速地建立联接, 协调相互之间的动作, 使整个装配系 统能有序地完成装配任务。 为了能使装配模块具备这样的特性, 装配模块 做了特别的设计。如图 2所示, 装配模块被划分为 三个小模块, 即可重构接口模块, 状态协调器模块和 自治域模块。其中可重构接口模块负责与可重构装 配系统的重构管理层的联接, 从而根据接收到的重 构信息对状态协调器模块和自治域控制模块进行重 构配置。状态协调器模块负责与位于设备控制层中 的其它可重构装配模块的消息交互。而自治域模块 则负责对于装配动作的具体控制。 图 2? 可重构装配模块结构图 2. 1? 可重构接口模块 可重构接口模块是实现上层系统重构管理器 ( System Reconfigurable Manager , SRM ) 与可重构装 配模块 ( RAM )之间联系的纽带。装配模块在开始 装配作业之前首先须先了解新的重构信息。这些重 构信息包括新的装配动作要求, 本装配模块与其它 装配模块的协作关系等。这些信息都将由调度规划 层的系统规划器按一定的调度算法, 结合存储于数 ?11? IndustrialEngineering andM anage ment? No . 2 , 2005工业工程与管理? 2005年第 2期 据库中的相关装配信息和生产装配任务规划而成。 这些信息通过系统重构管理器向位于设备控制层的 可重构装配模块进行传递。可重构装配模块则依靠 它的可重构接口模块获取这些信息。 由于在实际的控制中, 不同的装配机器人的 控制器所采用的操作系统平台也不尽相同, 因此 这就要求可重构接口模块应可以适应不同的操作 系统环境。而且, 可重构装配模块与上层系统重 构管理器之间是通过网络传递重构信息的, 因此 所设计的可重构接口模块同样也应得到网络协议 等底层技术支持, 满足远程传递信息的要求。所 以采用了 COM /DCOM 组件技术来完成可重构接 口模块的设计。 组件对象模型 ( Component ObjectMode,l COM ) 是 M icrosoft公司为组件软件和应用程序之间的连 接通信创建的一种二进制的统一标准。它不依赖于 任何特定的语言和操作系统, 只要按照该规范, 任何 语言都可以使用。而 DCOM 是 COM 的无缝的扩 展, 它可以支持不同计算机上组件对象与客户程序 之间或者组件对象之间的相互通信。在采用了 COM /DCOM 组件技术后, 在设计装配模块时就不需 要考虑操作运行平台和编程语言和网络上数据传递 上的限制, 提高了装配系统的适应性, 体现出更高的 灵活性。 重构信息包含了包括装配动作以及与其它装配 模块的协调关系等信息在内的很多的内容。这些信 息按照 XML格式进行转换。XML 作为信息交换的 格式, 可以大大降低数据交换的复杂性, 便于系统在 互联网上进行数据的交换。以 XML 作为可重构装 配系统记录装配任务的数据格式, 一方面增强了数 据内容的可读性, 另一方面也为可重构装配系统以 后的进一步发展, 如未来加入 W eb服务体系以提供 更强大的功能提供了空间。当可重构装配接口接收 到重构信息后, 将发送消息通知状态协调器模块和 自治域模块按照新的配置要求进行功能配置。下面 就是该重构信息的一个例子。 = = U2 U3 U5 = 1 = 10 . 000000 20 . 000000 30 . 000000 重构信息主要包含了以下的信息, 即: ( 1) ? 待装配产品序号。 ( 2) ? 位于装配 模块装配动作的前端的设备序列号及 IP地址。 ( 3) ? ? 当前设备 序列号及 IP地址。 ( 4) ? 位于装配模 块装配动作的后端的设备序列号及 IP地址。 ( 5) ? ? 装配动作序号。 ( 6) ? 相应的装配动作信息。 从以上例子的重构信息可知, 装配产品号为 1 。 该装配模块设备序列号为 U3 , 其在局域网络中 IP地 址为 10 . 0 . 5 . 177!。而位于该装配模块动作序列前 端的模块设备序列号为 U2 , 其在局域网络中 IP地址 为 10 . 0 . 5 . 161!。位于该装配模块动作序列后端的 模块设备序列号为 U5 , 其在局域网络中 IP地址为 10 . 0 . 5 . 188!。该装配模块动作序列 1的第一个动 作为装配臂移动至 ( 10 . 0 , 20 . 0 , 30 . 0)的 XYZ空间位 置。装配协调器模块和自治域模块都能通过读入这 种格式的重构信息, 提取各自所需的信息。 2. 2? 状态协调器模块 状态协调器是可重构装配模块与外界信息交互 的通道。它在整个可重构数字控制器中起着感知器 和信号器的作用。与此相对应它包含接收器与发送 器两个部分。接收器用来感知来自位于设备控制层 的其它可重构装配模块的消息, 而发送器则用来向 设备控制层中指定的可重构装配模块发送消息。 可重构装配模块间传递的消息协议格式如图 3 所示。 A1*# 12345678910 图 3? 消息协议格式 ?12? 严? 灏, 等: 可重构装配系统中装配模块的可重构性研究 其中第一位代表的是消息区分报头; 第二位代 表的是产品代码; 第三位 * !为分隔符; 第四位到 第十位为装配信息位, 提供产品装配的完成状况信 息。由于一般这些消息内容简单, 所以这种网络上 的通信是利用网络套接字 ( Socket)网上传递数据的 能力实现的。 状态协调器模块的工作流程如图 4所示。在接 收到来自可重构接口模块发送的重构指令后, 状态 协调器模块首先会分析由重构接口模块传递来的重 构信息, 确认当前接收消息的对象以及发送消息的 对象, 并依此配置接收器和发送器的通信端口。由 于网络上的消息可能存在着许多未知或无用的信 息, 因此当接收器接收到消息后, 首先会对消息进行 分析。可重构装配模块在相互间传递的消息中加有 报头, 接收器根据查询报头, 过滤去不符合要求的消 息, 而保留指定可重构装配模块传来的有效消息, 接 着根据接收到的消息通知自治域控制模块做出相应 的操作。自治域模块可以通过状态协调器模块上的 COM接口向其发送反馈消息, 比如装配机器人装配 动作完成的消息。而当状态协调器模块在接收到这 些反馈消息后, 就会生成相应的消息交给发送器, 由 它向相应的可重构装配模块发送。通过这样的方 式, 可重构装配模块就能利用消息, 驱动装配机器人 按一定的节拍工作, 并与制造装配系统中的其它可 重构装配模块确定作业关系, 协调地共同完成生产 任务。这极大地提高了数控设备的灵活性, 使其具 备协作性, 又保证了它的独立性, 使其在生产过程中 不受外界的干扰。 图 4? 状态协调器模块的工作流程 2 . 3? 自治域模块 自治域模块, 主要负责对于底层设备具体装配 行为及过程的控制。一般在每次装配任务中, 每个 种装配设备所实现的具体功能并不相同, 比如装配 机器人要完成装配的动作, 而 AGV则需要执行装配 零部件的搬运。而且即使是对于同一类型的装配机 器人, 它们所被要求完成的装配动作也应不同的产 品装配要求而不尽相同, 因此由自治域模块所控制 装配设备及其装配行为也应该是可重构的。自治域 模块应设计有开放式的控制接口, 可以连接不同类 型的装配设备, 从而可构成具备不同功能的装配模 块, 并能完成不同的装配动作。在每次新的装配任 务下达时, 自治域模块除了需要在硬件上做相应的 改变, 在装配指令上也需要进行重新规划。而有关 的一些基本信息 (如装配动作以及动作目标位置等 信息 )需要从上层重构管理器传来的重构信息中得 到。接着自治域模块按照模块规则库所定义的规则 将之转换为相应的运动控制程序存入程序库中。当 自治域模块得到由状态协调器传来的装配消息, 它 将根据消息中产品代码等信息确认当前装配的任 务, 从程序库中选出相应的程序交给装配机器人的 控制器单元。控制单元将控制装配机器人准确的完 成装配动作。当整个装配行为全部执行完之后, 自 治域模块将调用状态协调器上的 COM 接口向其发 送消息通知装配行为的完成, 并等待下一次的装配 指令。而在整个装配过程中, 自治域模块独立控制 装配机器人, 而不受上层的干预。只有当装配发生 意外故障无法再正常运行时, 自治域模块才进行状 态上报, 请求系统级构形调整。并且它将会状态记 录在系统信息库中, 供系统规划器进行规划时调用。 作为一个独立的控制单元, 自治域模块与其它 模块应是相互独立的。自治域模块内部的改变不应 影响到状态协调器模块的正常工作。同样状态协调 器模块内的变化也不应影响到自治域模块。所以设 计 COM 接口实现这两个模块的连接。COM 组件将 功能组件化, 外界要实现组件功能只需调用其相应 的 COM接口, 而不介入其功能的具体实现。当状态 协调器模块向自治域传递消息时只是调用了自治域 模块组件上的 COM接口而无须知晓接口的具体实 现。因此自治域模块的变化并不会影响到其它模块 的运作, 这样实现不同功能的自治域模块可以根据 需要方便地 即插即用!。 3? 应用实例 Scara机器人和 M otoman机器人都是现代工业 中装配机器人的典型代表。采用 OpenGL 技术设计 了两种动画仿真机器人 (如图 5所示 ), 分别模仿它 们的装配动作。仿真机器人的装配行为则由设计的 相应的自治域模块控制。而当该自治域模块与已设 计好的可重构接口模块和状态协调器模块一起组成 ?13? IndustrialEngineering andM anage ment? No . 2 , 2005工业工程与管理? 2005年第 2期 相应机器人的可重构装配模块, 从而接受可重构装 配系统的重构管理器调用控制。利用它们我们可以 通过对装配系统的重构完成对于不同类型玩具小车 装配的模拟仿真。 图 5?Scara动画仿真机器人 首先完成玩具小车甲的装配仿真。根据装配要 求需要调用两个 Scara仿真机器人装配模块和三个 M otoman仿真机器人装配模块, 分别用来仿真完成 前车轴的装配动作、 后车轴的装配动作、 前轮的装配 动作、 后轮的装配动作和车身装配动作。各装配模 块具体完成何种动作进行装配将根据所接受到的消 息来确定。装配流程如图 5所示。各装配模块受所 接收的消息的驱动, 协调完成装配任务。在完成玩 具小车甲的转配任务后, 系统又接收到装配玩具小 车乙的任务。装配系统依据优化和装配的具体要求 对系统构形迅速进行了重构。新的装配流程如图 6 所示。除了装配次序上有些不同外, 系统还需再调 入一 Motom an仿真机器人装配模块以完成车身 2的 装配。在短时间的重构完成后, 模块根据新的消息 又开始新的装配任务。 图 6? 装配流程图 4? 结论 采用 COM /DCOM等技术巧妙地将可重构装配 模块设计为由三个子模块组合的结构, 三个模块各 司其职。玩具小车的装配仿真实验表明, 通过这样 的方式初步实现了装配模块的可重构性和自治性, 基本满足了可重构装配系统对于装配模块的要求。 装配系统可以根据装配任务的需要实现对于装配模 块的灵活配置调用, 并通过消息传递的方式使装配 模块间能协作完成装配任务。虽然目前的研究的对 象还只是针对比较简单的装配行为, 但它为今后进 一步的研究打下了坚实的基础。 参考文献: 1 俞建峰, 殷跃红, 陈兆能. 可重构装配系统建模 J. 中国机械工 程, 2003 , 14( 13): 1108- 1111. 2Yu J , Y inY, ShenX, et a. l M odeling strategies for reconfigurable assembly system J. 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