（精密仪器及机械专业论文）柔性装配系统的规划和建模方法研究.pdf

中周科学救术人学 蹲学位论丘 摘要 柔性装配系统( f a s ) 是柔性制造系统( f m s ) 中的重要组成部分和关键环节， 对产品的质量和生产效率有重要的影响。装配系统的柔性化可以使制造企业更好 地适应市场和用户的快速变化的需求。本文针对产品装配序列规划、装配任务在 装配执行系统中的分配、柔性装配系统的体系结构和装配任务执行过程建模与验 证等四个方面进行了研究，具体如下： 1 、装配顺序规划 装配顺序规划对于柔性装配系统的装配方案的可行性和优化性方面有重要 影响。论文提出了一种以模拟退火遗传算法解决装配顺序规划的方法，首先在装 配对象之闻关系的表达、零件装配顺序的染色体表示、装配中约束的分类方法方 面进行了研究，并提出应该将不同类型的约束在模拟退火遗传算法的不同阶段予 以考虑，从而针对装配零件顺序规划和优化中的具体要求，对模拟退火遗传算法 作了改进，在传统的遗传算法步骤中增加了一个静态约束检测步骤这样，既减 小了无效的搜索空间，又增加了染色体的多样性，从而提高了算法的效率，增加 了优化结果的可靠性。 柔性装配系统的体系结构 提出了基于f s m a s 的柔性装配控制系统。根据功能结构将柔性装配系统分成 儿个夫的组成部分，每个部分用一个a g e n t 联邦进行建模，联邦内部由一个调度 a g e n t 和若干个普通a g e n t 组成。对系统中的a g e n t 进行了构造，描述了不同a g e n t 在系统中的角色、任务和内容。系统中的各a g e n t 之间的分工合作是以调度a g e n t 为中心，通过“投标仲裁”和“指派执行”两种机制来配合实现的。该系统具 伯如 、的自点：1 ) 系统结构呈层次化：2 ) 系统的任务分解执行；3 ) 系统的运 行的智能化：4 ) 系统鲁棒性好，系统中的扰动可以被局部的a g e n t 消化处理，当 装配任务发生变化时，系统能够较快地适应完成，因而系统具有较好的柔性。 中国科学投术大学博士学位论文 柔性装配系统的任务分配 柔性装配系统的任务分配是确定具体完成各装配任务的设备以及各设备完 成各项任务的顺序，对于柔性装配系统( f a s ) 的装配任务执行的可行性和优化 性方面起着重要作用。它是大规模强约束问题，是n p 难题。本文提出了一种将 基于延时p e t r i 网( t t p n ) 的装配过程仿真与基于遗传算法( g a ) 的优化相结合 的任务分配方案求解方法。在该方法中，g a 中使用的染色体是由t t p n 模型中的 部分选择库所名称排列而成，每个染色体都代表一种任务分配方案。遗传操作包 括选择、交叉、变异三种类型：利用基于t t p n 的装配过程模型进行仿真，得到 每个染色体相对应的装配时间，进而将装配时间通过适应度函数转化为适应度。 本文用延时p e t r i 网( t t p n ) 建立的f a s 模型不仅包含基于联结约束和几何约束 的装配顺序信息，还包含了装配设备和装配任务之间的约束信息从而保证了任务 分配的结果能够满足上述约束。其中提出了以下子问题的解决方法： 1 ) 提出了由装配顺序建立基本装配顺序p e t r i 网的方法； 2 ) 提出了元装配的概念，围绕着实现元装配这个目标，进行动态装配资源 配霄，并建立了元装配设备配冒表： 3 ) 提出了用设各能力对装配顺序p e t r i 网进行拓展，形成了拓展了的装配 顺序p e t r i 网，使其具有了描述时间和装配设备配置方案的能力。 4 ) 提出了将遗传算法和时延p e t r i 网方法结合起来，进行柔性装配系统 的柔性装配系统任务分配方法。利用遗传算法的全局自动寻优的功能，对拓展了 的装配顺序p e t r i 网进行优化，实现了系统任务优化分配的目的。 该方法融合了p e t r i 网和g a 的各自优点，较好地解决了f a s 中的装配建模 和装配任务分配优化的问题，为f a s 的装配任务的自动分配提供技术支持。 4 、 装配过程的建模 f a $ 的任务执行是由多联邦多设备相互协作而进行的并行、离散、异步过程。 联邦与联邦之间、设备与设备之间既要能够相对独立地完成属于自己的任务，又 要能够彼此之间的保持适当的协调关系，因此对执行任务过程进行建模验证是必 要的。同时，装配任务过程建模是快速高效地编制装配系统设备的任务控制程序 中国科学投术人学博i ：学位论文 的重要基础，它一方面提供了编程前的验证手段，另一方面模型的结构也决定了 程序结构和设备之间的协作关系。本文提出7 a p n 以及基于a p n 的柔性装配系统装 配过程建模的方法，主要包括： 1 ) 、根据柔性装配系统装配过程建模的需要，将g 网，面向对象p e t r i 网和 a g e n 理论相结合，提出了a p n 模型结构和工作机制； 2 ) 、为了增加模型的重用性和继承性，引入了设各能力的概念，并提出了 以设备能力对应p e t r i 网的变迁，从而构建不同的设备的装配任务的操作方法 p e t r i 网： 3 ) 、对于三种任务之间的顺序关系：由同一台设备完成的任务的先后关系、 不同设备完成的任务之间的先后关系和不同设备之问的并行协作关系分别进行 了研究，并用相应的p e t r i 网结构与之对应，从而为针对不同的装配任务构建装 配顺序p e t r i 网打下基础，著进一步研究t a p n 用于柔性装配系统( f a s ) 的建模的 方法和步骤； 4 ) 指出了单个a p n 的p e t r i 网 p n 。， o 1 ，n ，n 为尉s 中的设备爿弘所的个数) 与整个f a s 任务模型p e t r i 网 p n ，。之削活。i 矛d t 变量覆盖性之问的关系，从而为通过分析和验证单个删。 的活- 胜和t 不变景覆盖性而对p n ，。的活性和t 不变量存在性进行分析和验证提 供了理论依据，并降低分析验证p a r 。的活性和t 变量覆盖性的难度。 该柔性装配系统模型具有结构清晰、实现了p e t r i 网与a g e n t 的结合、有良好 的扩展性和便于分布式程序设计等特点，而且在模块的智能化，封装化以及模块 之问的松耦合和规范接口方面更加完善。 关键词：模拟退火遗传算法，延时p e t r i 网，柔性装配系统，装配任务分配，联 邦结构a g e n t ，柔性装配系统，控制结构，基：p a g e n t 的p e t r i 网，形式化与智能 化建模，设备能力建模 中国科学技术大学博卜学位论文 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 m ( e a s ) i sa ni m p o r t a n tp a r to ff l e x i b l em a n u f a c t u r e s y s t e m ( f m s ) t h ef u n c t i o n so ft h ef l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e m ( f a s ) i n f l u e n c eh e a v i l y o nt h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n dt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n f a sa r en e e d e dt om e e t t h er a p i d l yc h a n g i n go ft h em a r k e t sa n du s e r sd e m a n d st h i sp a p e rs t u d yo ns e v e r a l i m p o r t a n tp r o b l e m so ff a ss u c ha s ：a s s e m b l ys e q u e n c e s ，t h ef r a m e w o r ko ft h ef a s c o n t r o ls y s t e m ，t a s k sd i s t r i b u t i o na n dt h em o d e l i n go ft h ep r o c e s s i o no fa s s e m b l y ， d e t a i l e d l yn a r r a t e da sf o l l o w s ： 1 a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n a s s e m b l ys e q u e n c e ss h o u l db ea r r a n g ed e l i b e r a t e l yt om e e tt h ec o n s t r a i n t so f g e o m e t r y ，l i a i s o ne t c aw e l ls e q u e n c e dp l a nl e a d st oh i g he f f i c i e n c yo f a s s e m b l y p r o c e s s i o n b a s e do ns a g a ，t h ep a p e rp l a ng e ta s s e m b l ys e q u e n c e so p t i m i z e d f i r s t l y ，h o w t oe x p r e s st h er e l a t i o n s h i p so f t h ep a r t so rs u b a s s e m b l yo b j e c t s ，a n d h o wt or e p r e s e n tt h es e q u e n c ei nw h i c ht h ep a r t so fa p r o d u c tt ob ea s s e m b l e db y c h r o m o s o m e sa r es t u d i e d t w ok i n d so f a s s e m b l yc o n s t r a i n t sa r ec l a s s i f i e d ：s t a t i c c o n s t r m n t sa n dd y n a m i cc o n s t r a i n t s a n dt h e ya r ed e a l ta tt h ed i f f e r e n ts t e p so fs a g a t r a d i t i o n a ls a g am e t h o di sm o d i f i e dt om e e tt h en e e do f p l a r m i n ga n d o p t i m i z i n g t h ea s s e m b l ys e q u e n c e so f t h ep a r t s e m u l a t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o di sv a l i d t h i ss t u d yo f f e r ss o m es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yf o ra u t o p r o d u c ea s s e m b l ys e q u e n c ef o r r o b o t i ca s s e m b l y 2 t h ef r a m e w o r ko ft h ef a sc o n t r o ls y s t e m an o v e lf r a m e w o r ko fc o n t r o ls y s t e m so ff a s ，w h i c hb a s e do nt h ef e d e r a t i o n s t r u c t u r eo fm a s ( f s m a s ) ，i sd e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mo ff a si sd e c o m p o s e d i n t os e v e r a lf e d e r a t i o n sa c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s e a c hf e d e r a t i o nc o m p o s e sa m e d i a t o ra g e n ta n ds e v e r a lc o m m o na g e n t s c o o p e r a t i o nm e c h a n i s m sb a s e do d i v 中固科学挫术人学博i ，学位论义 b i d m e d i a t ea n dt e l l d om e c h a n i s m sa r ed e s c r i b e d t h ef r a m e w o r kh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha s ：h i e r a r c h i c a lf r a m e w o r k ，i n t e l l i g e n c ea n dr o b u s t n e s s ，t a s k sa r e d i v i d e da n dc o n q u e r e da n ds y s t e mi se a s yt om o d e la n da n a l y s i s 3 t a s ka s s i g n m e n to ff a s t a s ka s s i g n m e n ti st od e t e r m i n et h ee q u i p m e n t so ft h ef a st oe x e c u t et h et a s k s a n dt h es e q u e n c e si nw h i c ht h ee q u i p m e n t st oe x e c u t et h et a s k s t h eg o a lo ft a s k a s s i g n m e n to faf a si st oe n s u r et h ef e a s i b i l i t ya n do p t i m i z a t i o no ft h ea s s e m b l y p r o c e s s i o no ft h ef a s t a s ka s s i g n m e n ti sal a r g es c a l e ，h a r dc o n s t r a i n ta n dn p h a r d p r o b l e m t a s ka s s i g n m e n ti sr e a l i z e di n t h i sp a p e rb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a n dt r a n s m i tt i m e dp e t r in e t ( t t p n ) at t p ni sa p p l i e dt os i m u l a t et h ep r o c e s s i o no f a s s e m b l i n g a n dt h et t p nm o d e li m p l i e st h ei n f o r m a t i o no fc o n s t r a i n t sd u r i n g a s s e m b l yp r o c e s s i o n e a c hc h r o m o s o m eo ft h eg a i sc o d e dw i t hs o m es e l e c t i o n p a r t so ft h et t p nm o d e l g ai sc o n s i s t e do ft h eo p e r a t i o n so fs e l e c t i o n ，c r o s s o v e r ， a n dm u t a t i o nb ys i m u l a t i n gt h ea s s e m b l i n gp r o c e s s i o nd e t e r m i n e db yac h r o m o s o m e w i t ht t p nm o d e l ，a s s e m b l i n gt i m ec o r r e s p o n d i n gt ot h ec h r o m o s o m ei sg o t a d a p t a b i l i t yv a l u eo ft h ec h r o m o s o m ec a nb ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ea s s e m b l i n g t i m et h ef o l l o w i n gs u b p r o b l e m sa r es o l v e d ： 1 ) t oc o n s t r u c ta s s e m b l ys e q u e n c ep e t r in e ta c c o r d i n g t oa s s e m b l ys e q u e n c ei n w o r d s ； 2 ) t h ec o n c e p to fe l e m e n ta s s e m b l yi sd e f i n e d ，t or e a l i z ea ne l e m e n ta s s e m b l y ， e q u i p m e n tr e s o l 3 r c e s a r ed y n a m i c a l l ya s s i g n e d ，a n dt h ec a p a b i l i t yt a b l eo ft h e e q u i p m e n t si se s t a b l i s h e d ； 3 ) + g oe n l a r g ea s s e m b l ys e q u e n c e sp e t r in e tw i t ht h ec a p a b i l i t yt a b l eo ft h e e q u i p m e n t s ，a n de n l a r g e da s s e m b l ys e q u e n c ep e t r in e tc a ne x p r e s st h ei n f o r m a t i o no f b o t ha s s e m b l yt i m ea n dt a s ka s s i g n m e n t 4 ) g aa n dt t p na r ec o m b i n e dt oo p t i m i z et h et a s ka s s i g n m e n t s t h em e t h o d c a nu t i l i z et h ee x c e l l e n c e so fb o t hg aa n dt t p na n dr e a l i z et h ea u t ot a s k a s s i g n m e n t so f t h ef a s 中国科学技术大学博士学位论文 4 m o d e l i n ga n da n a l y z i n go f t h ep r o c e s s i o no fa s s e m b l y t a s ke x e c u t i n gi nf a si so fp a r a l l e l ，d i s p e r s i n ga n da s y n c h r o n o u s ，e v e r y f e d e r a t i o na sw e l la se v e r ya g e n t so f t h ef e d e r a t i o nh a st h e i ro w nt a s k s ，t h e ya r e r e s p o n d e df o rt h e i ro w nt a s k s ，a n dt h e yc a n n o tf i n i s ht h e i rt a s k sw i t h o u tt h e c o o p e r a t i o nw i t ho t h e rf e d e r a t i o n sa n da g e n t s s i n c et h ew o r ko ff a si sv e r yc o m p l e x a n dd y n a m i c ，i ti sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt om o d e la n da n a l y z et h ep r o c e s s i o n o f t a s k e x e c u t i n g o nt h eo t h e rh a n d ，ag o o dm o d e l o f t h ea s s e m b l yp r o c e s s i o nm a k e s p r o g r a mt h ec o n t r o ls o f t w a r eo f t h ee q u i p m e n t so ff a se a s i e ra n db e t t e r 1 ) t om e e tt h en e e do f t h em o d e l i n go f a s s e m b l yo f t h ef a s ，t h es t r u c t u r eo f a p na n di t st h e o r ya r ei n t r o d u c e db a s e do nt h et h e o r yo fg n e t ，o o p na n da g e n t ； 2 ) t om a k et h e m o d e l sr e u s a b l ea n di n h e r i t a b l e ，t h ec o n c e p t i o no fe q u i p m e n t s k i l li si n t r o d u c e do n ee q u i p m e n ts k i l li st r a n s f e r r e dt oat r a n s i t i o no fap e t r in e t ，a n d m a n yt r a n s i t i o n sa n dp l a c e sc o m p o s e ao p e r a t i o np e t r in e to fae q u i p m e n t ； 3 ) t h r e ek i n d so fr e l a t i o n sb e t w e e nt a s k sw e r es t u d i e d ：s e q u e n c er e l a t i o n s b e t w e e nt h et a s k so f t h es a m ee q u i p m e n t ，s e q u e n c er e l a t i o n sb e t w e e nt h et a s k so f t h e d i f f e r e n te q u i p m e n t sa n ds y n c h r o n o u sa n dc o o p e r a t i o nr e l a t i o n sb e t w e e nt h et a s k so f t h ed i f f e r e n te q u i p m e n t s t h r e ek i n d so fp e t r in e t sa r ec o n s t r u c t e dt oe x p r e s st h et h r e e k i n d so f r e l a t i o n sb e t w e e nt h et a s k s ，t h i si sh e l p f u lf o rb u i l d i n gaw h o l em o d e lo f a s s e m b l yp r o c e s s i o no ft h ef a s w i t hap e t r in e t ，t h em e t h o d sa n ds t e p so fm o d e l i n g f a sb a s e do nt h ea p na r eo f f e r e d ； 4 ) ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r a l l yl i v ea n dt ic o v e r i n go fp nw a n ds t r u c t u r a l l yl i v ea n dt ic o v e r i n go f p n ，_ n a r ep o i n t e do u t ，w h i c ho f f e r st h e t h e o r ya c c o r d i n gw h i c ht oa n a l y s i st h es t r u c t u r a l l yl i v ea n d t ic o v e r i n go f p n 翻s b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r a l l yl i v ea n d t ic o v e r i n go fp n 4 p n a n dm a k e sa n a l y z et h e s t r u c t u r a l l yl i v ea n d t 1c o v e r i n go fp nf a se a s i e r ； t h em o d e lo ff a sc o n s t r u c t e dw i t ha p nh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sc l e a r c o n s t r u c t i o n ，e a s yt oa n a l y z e ，i n t e g r a t i n gp e t r i - n e ta n da g e n t ，e a s i l ye n l a r g i n gt h e v i 中周科学技术大学博十。学位论文 m o d e la n dp r o g r a m m i n gi nd i s t r i b u t e dm a n n e r s ，a n dt h em o d e li sm o r ei n t e l l i g e n t a n dm o d u l a r i z e d k e yw o r d s ：s a g a ，f a s ，f m s ，p l a no fa s s e m b l ys e q u e n c e ，f e d e r a t i o ns t r u c t u r eo f m a s ，a g e n t ，c o o p e r a t i o nm e c h a n i s m ，p e t r in e t ，t t p n ，t a s ka s s i g n m e n t ，a g e n tb a s e d p e t r in e t ( a p n ) ，f o r m a la n di n t e l l i g e n tm o d e l i n g ，e q u i p m e n t ss k i l lm o d e l i n g v i i 中国科学技术大学博士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 1 1 1 发展柔性制造技术是适应2 1 世纪市场的需要 当我们刚刚跨入2 1 世纪的时候，迎来的是一个更为激烈的竞争和生存环 境，新知识、新概念的不断涌现和新产品、新工艺的迅速更迭加速了市场的变 化。信息技术、计算机技术、现代运输技术等加速了市场和经济的全球化，加剧 了世界各地的制造企业之间的竞争。随着社会需求的个性化和多样化，制造不 得不面对客户需求个性化、快速交货等要求，这使得制造业面临着不可预测的、 快速多变的市场变化的巨大挑战，主要表现是：产品的技术寿命缩短了，新的产 品被更快地投向了市场，制造商需要将消费者的需求融入到他们的决策之中， 并且向市场供应更多品种的产品以满足市场的需求，如在汽车市场中，投入市 场的品种繁多的汽车几乎可以满足每个人的需求。虽然提高产品品种的数量可 以吸引和保持顾客群，可是这也会增加生产的成本和生产的复杂性“。在这种 情况下为了保持市场竞争能力，制造企业应具有一种生产能力能够随市场变化 调节的以及功能适应新产品的快速响应要求的能力。然而，传统的刚性制造生 产线由于缺乏柔性，其设计、建造、调试时间长，不能适应市场的变化的要求。 冈此，研制具有数字化、柔性化、敏捷化和网络化的先进制造系统以快速响应 客户需求己成为新世纪制造技术革新的首要任务。1 9 9 7 年美国m i t 组织的下 一代制造( n e x to e n e r a t i o nm a n u f a c t u r i n g ) 项目组发布了下一代制造 行动框架的研究报告，该报告认为未来企业要想获得成功，必须具备的属性是 顾客响应度、工厂和设备的响应度、人力资源响应度、全球市场响应度、组织 响应度、快速响应的运作实践和文化，其中工厂和设备的响应度是指在日益成 熟的制造科学的基础上，建立和应用可重构的、可变规模的、有经济效益的制造 过程、设备和工厂，形成可重构的和不断改变的生产系统，以信息为主和与批量 无关的制造系统，独立自主的、模块化的、分布式的制造系统，使其迅速适应特 第一章绪论 定产品的需要。所以，随着科技的进步和市场需求的变化，多品种小批量生产 逐渐取代了旧有的大规模生产模式。为适应这种新的生产模式，现代生产方式 呈现出自动化、柔性化、集成化和智能化的特征。 1 1 2 柔性装配是实现柔性制造的一个重要的环节 柔性装配系统( f l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e m ，简称：f a s ) 是由装配线、自动 运输系统和自动化仓储系统等组成的，是计算机集成制造系统( c i m s ) 中的重要组 成部分和关键环节。装配作业作为产品制造过程中的后置工序，直接影响着产品 的最终质量。据统计，装配成本占到整个工业产品的劳动力成本的1 0 3 0 。1 ， 占到产品的制造成本的5 0 “1 ，因此，装配的柔性化是制造的柔性化的重要环 节和组成部分。目前，国内的装配方面主要是以由人具体完成的手工装配形式。 手工装配劳动强度大，劳动效率低。刚性自动化装配存在柔性小，适应度小，投 资利用率在产品种类经常发生变化的情况下比较低等缺点。装配工艺规划主要也 还是靠手工劳动，工作量大，工作效率低。一个普通产品的装配工艺规划少则十 儿天、多则几个月才能完成，复杂一点产品的装配工艺规划时间甚至需要半年“1 ， 这对于当今激烈的市场竞争来说是无法容忍的。作为随着柔性制造系统发展而产 生的柔性装配系统在实际生产中变得越来越重要，近年来已成为装配领域的重要 研究内容。柔性装配系统具有高度自适应性、柔性与敏捷性，将会适应2 1 世纪市 场需要，提高了制造系统的生产率，缩短生产周期，保证产品质量，降低成本， 增强企业的市场竞争力。因此，设计和实现具有高性能、成本合理的柔性装配系 统具有重大的意义。然而，系统性能的提高使系统的结构和组成越趋复杂化，如 何对这类非结构化的系统进行优化设计以达到高性能、低投入的目的也成为当前 学者的研究热点。同时，装配操作是制造生产活动中最为复杂的操作，它受到 如设计、管理、加工等方面的因素也最多。所以，相对于加工，装配的柔性化更 加艰难。尽管国内外均有柔性装配生产线的采用，但是柔性装配生产线真正在现 代工业生产中大规模的采用和发挥重要作用，还有很多技术问题要解决。 1 1 3 现代生产中的装配形式与柔性装配概念和特点 1 、现代生产中装配的种类 中国科学技术大学博士学位论文 目前，主要有3 类装配方式：手工装配、刚性自动装配和柔性装配。 手工装配是工人采用简单的装配工具，依靠手工操作这些工具或直接用手 作_ = j 于装配对象而完成装配操作的一种装配形式。手工装配的特点是设备要求 低，设备投资小，劳动效率低，装配周期长，装配质量主要由工人的技术水平 决定，因此装配质量波动比较大6 1 。 刚性自动装配是适应大批量生产的需要，针对特定的装配对象，采用了传 统的刚性自动装配生产设备来进行的装配。这种装配线的优点是相对于手工装 配，其装配效率大大提高了。但是，建立这种大型生产线，不仅投资大，而且 更换产品和修改装配工艺需要较长的时间和较多的费用，因此，在对于现代的 多变的市场和个性化的产品需求，刚性自动装配形式往往显得“刚性”有余， “柔性”不足。 柔性装配的工具主要是机器人。随着机器人技术的发展，柔性装配相关技 术同益成为重要的研究领域。 2 、柔性装配系统的概念和特点 柔性装配系统通常是由多级计算机来进行装配活动的计划、实施和控制 工作。系统采用可编程、多功能的数字控制装配设备和易编程、易修改、易扩 展、易更换的软件控制的装配工艺过程，使得装配系统能够快速响应市场需求， 完成多品种、中小批量的装配生产任务。 柔性装配系统具有如下几个特点： 1 ) 、设备柔性( m a c h i n ef l e x i b i l i t y ) ： 柔性装配系统中的设备，如装配机器人( a s s e m b l yr o b o t ) 、自动导引 小车( a c , v ) 、自动存储仓库( a u t o m a t i cb u f f e r ) 、和控制设备、人机接口设 备等都是采用程序控制设备，这些设备通过程序控制可以具有完成多种装配活 动的能力，通过这些装配设备之间的完成不同的装配活动的能力的不同的组合， 使得整个装配系统具有整体完成不同装配对象的能力。所以，柔性装配系统的 设备柔性是系统的柔性的物质基础。 2 ) 、工艺柔性( p r o c e s sf l e x i b i l i t y ) ： 是指系统能够以多种方法来完成一组装配任务的能力。工艺柔性使得系统 在系统中的某些装配设备出现故障或被占用的情况下，可以采用另一种工艺路 第一章绪论 线以完成某个( 些) 产品的装配。所以，工艺柔性又是系统的鲁棒性、适应性 的基础。同时，工艺柔性也提高了设备的利用效率。这使得柔性装配系统的比 刚性自动装配系统的设备投资的效率提高了。工艺柔性的衡量指标是系统不采 用成批方式而能同时装配的产品的品种数。 3 ) 、产品柔性( p r o d u c tf l e x i b i l i t v ) ： 是指系统能经济而迅速地转向装配新产品的能力。产品柔性也叫反应柔性。 产品柔性的指标是系统从一种产品装配到另一种产品的装配需要的时间”“1 。 从上面分析可以看出，柔性装配系统应该具备如下基本特征：在有扰动的情 况下，系统能够稳定工作，当装配任务发生变化时，系统具有适应性和柔性，能够 针对不同的装配任务，有效的组织和利用系统内的各种装配资源。“。 1 2 柔性装配技术的应用现状 柔性装配是针对小批量多品种生产特点而发展的一种新的生产模式，是 近年束装配领域的研究重点。柔性装配系统可以是企业以最短的时间适应新产 品的装配，增强企业的灵活性和适应性，提高企业的竞争能力，使企业在激烈 的市场竞争中立于不败之地。作为机器人技术应用的重要领域，柔性装配系统 对提高制造系统的生产率，发挥制造系统的效益有很大影响，是现代制造系统 的重要研究领域之。 1 2 1 柔性装配技术在国内研究、应用情况 在国家“8 6 3 ”高技术计划的支持下，国内的一些学者对柔性装配技术进行 了研究。张铁“等完成了摩托车发动机气门组件机器人柔性装配系统的研究工 作。研究和设计了摩托车发动机的柔性装配单元。为了保证产品的质量，单元中 应用了装配质量的在线控制技术，采用激光检测的方法进行检测以克服装配和检 测可用空f a j 4 的缺点系统中使用了优化恢复方法以排除由于工件质量问题而出 现的故降。沈炜良等“”设计了种灭弧室柔性装配系统，该系统可以实现5 个品 种的灭弧室的装配。结合8 6 3 c i m s 主题资助项目，胡元定“”等对产品模型的建 立、基于s t e p 的集成技术、装配c a d 、装配c a p p 和产品数据库等方面进行了深入 中国科学技术夫学博十学位论文 研究和探讨，建立了完整意义上的基于s t e p 和产品数据库的装配c a d c a p p 集成原 型系统。以国家8 6 3 机器人装配系统网点实验室( 集成平台) 科研项目为背景，费 燕琼等”3 1 对机器人装配操作过程进行了的分析和建模；冯光涛等“”进行了机器人 装配操作的离散路径规划与柔顺运动综合的研究。丁富强等“”对双臂s c a r a 机器 人快速无碰撞运动规划及其在装配单元布局中的应用进行了研究。张伟军等m 为了向公众展示现代化的计算机集成制造技术，普及先进制造技术知识，在上海 科技城建立了一条机器人自动装配演示流水线，向公众演示现代化工业生产从产 品设计、零件制造到产品装配的全过程，以及计算机辅助设计制造( cad ca m ) 技术、物流管理技术和机器人柔性装配等关键技术。 综上所述，国内的在柔性装配方面的研究和应用有以下特点： l 、虽然有研究人员与企业合作进行柔性装配系统的建设和研究的情况，但 是研究的经费的主要来源是国家高科技研究经费支持，这一方面体现了国家对 柔性装配系统的重要作用的认识，另一方面体现了我国柔性装配技术距离走向 产业，与生产实际大规模结合的路还比较遥远； 2 、当前柔性装配系统的国内研究和应用基本上还处于局部的初步的阶段， 主要集中在工艺规划、初步的系统原型设计、装配信息建模等方面。 1 2 2 柔性装配技术在国外研究、应用情况 新知u ：、新概念的不断涌现和新产品、新工艺的迅速更迭加速了市场的变 化。信息技术、计算机技术、现代运输技术等加速了市场和经济的全球化，加剧 了世界各地的制造企业之间的竞争。企业必须具有较大的灵敏性和适应性才能 在市场上立足因此，世界发达国家竞相建立了以机器人为核心的柔性装配系 统，以便可以按照客户定单生产多品种小批量的产品，提高企业对市场环境变 化的快速反映能力，实现在“需要的时候，按需要的量，生产所需要的产品” 的目标。例如，日本s e i k oe p s o n 公司开发的手表柔性装配系统，主要由5 5 台 s c a r a 装配机器人组成，可装配8 大类6 0 种型号的手表，曰产量为5 0 0 0 0 只，成 奉比原木r 降了6 3 1 ：美国w e s t i n gh o u s e 公司开发的a p a s 系统是一个具有 视觉的自适应柔性装配系统，能够装配4 5 0 种不同型号的电机，每天的产量为1 3 批6 0 0 台左右“。丰田汽车公司是首先采用混流生产方式的企业“，其c o r o n a s 第一苹绪论 生产线上可以生产4 0 0 0 多种类型的汽车，每种车型的发动机、变速器、车门等 其它部件不同 综上可以看出，柔性装配系统在发达国家的一些知名企业已经有成功的应 用。这些发达国家在柔性装配系统中的设备、工艺和应用方面均取得了一些成 功的经验。我国在这些方面与发达国家存在比较大的差距，积极发展我国的柔 性装配技术提高我国制造业在新的市场环境中的竞争力，是我们科技工作者 义不容辞的责任。 综合国内外的柔性装配系统的应用情况，可以看出，虽然柔性装配系统 及其相关技术受到国内外研究人员的很多重视和研究，也做了很多成果，但是 目前还存在很多的不足。主要体现在： 由于技术、资金、设备和人员等原因， 目前在国内外真正实现柔性装配的企业占的比例还很小，随着市场、技术等的 发展，给柔性装配技术提供了新的机遇和条件，也提出了新的挑战和要求。可 以晚，要使柔性装配技术大规模的应用，使这项技术能够真下充分发挥其优点， ，i 。t “i rk0 0 路要走。 1 3 柔性装配技术研究的内容与研究现状 柔忡装配系统作为一个复杂的技术系统，围绕柔性装配系统有许多研究 内容，如装配过程仿真、调度、装配过程的故障诊断和质量保证、装配规划、 装配过程控制等，这些也是是当今系统与控制领域研究的前沿方向的一部分。 数控技术、机器人技术、计算机技术、网络通讯、人工智能、自动控制、现代 竹理t j ：策技术等的高度发展，为柔性装配系统的实现奠定了技术基础。目前 的研究从7 个方面展开： l 、通过面向装配的产品设计，使产品结构更适于机器人装配。1 。1 1 ： 2 、通过对机器人装配操作的研究，使装配系统能成功地实现装配操作任务； 、通过研制装配机器人及其周边装置，组建适用于实际生产的柔性自动化 装配系统； 4 、装配工艺规划研究，其关键技术在于以下几个方面：1 ) 、产品装配建模 技术，2 ) 、产品装配序顺序规划，3 ) 、装配任务分配等： 5 、装配系统任务执行过程建模和虚拟实现： 中国利学技术人学博士学位论文 6 、柔性装配系统结构体系研究，使系统内各功能结构之间能够更好的协调 配合： 7 、装配机器人的研制和改进。 上述7 个大方面的技术均是柔性装配的关键技术，并且都不同程度地受到 国内外研究者的关