基于机器人装配生产线的结构与离散事件建模研究

2019-04-30陈玲琳

太原学院学报(自然科学版) 2019年1期

陈玲琳

(安徽工业经济职业技术学院机械与汽车工程学院，安徽合肥 230051)

1 装配流程图

本文以某手机包装生产线为研究对象，先确定装配对象类型，再根据老式生产线的工艺流程，对其流程进行分析，并计算出所需物理元件的个数，然后构建出能够用于实际生产的系统方案。最后用数字化工厂软件验证设计方案的有效性。具体工序的描述如表1所示，流程图如图1所示。

表1 手机包装流水线工序详述Table 1 Mobile packaging pipeline process details

2 流水线结构

2.1 Robot

ABB IRB 360 Flexpicker 四轴工业机器人，专门用于高速捡取及放置任务，经模块化设计，具有 0.1 mm 的重复定位精度，且负载高、节拍时间短、运动性能强，其组成结构如图 2所示。

从表2中IRB 360机器人的性能指标可知，机器人可在短时间内实现货物捡取及放置的一次往返路径，同时节拍时间不会随着负重增加而提高，且能够高速行进。

表2 Robot指标数据Table 2 Robot indicator data

本文使用的 ABB 公司的 IRC5 控制器，具备动态建模技术，可以自动优化机器人性能，并采用 TrueMoveTM、QuickMoveTM技术来增加精度、减少节拍时间。而且IRC5的传感器接口、远程接口等均可编程，其 I/O 接口可兼容大部分工业网络，具备良好的联网能力。

2.2 传送系统

输送机可实现大批货物在某区间内的快速移动，可有效节约人力，在传送更多货物的同时，实现更少的人力和空间占用，是自动化仓储中不可或缺的部分，在包装生产中广泛应用。根据行业的不同，传送系统的种类也不同，这些都可以从3D Create组件库中找到如图3所示。

图3 3D Create中的各类输送机Fig.3 Various conveyors in 3D Create

2.3 自动化仓储

自动化仓储模块主要包含：立体货架、出入库操作台、堆垛起重设备和自动控制系统。它可以将货物传入仓库的同时，对仓储情况进行数字化仿真分析。图4是3D Create的自动化仓储模拟图，并通过条码识别和计算机控制实现货物的归类。

自动化仓储模块包含：存储仓库部分、货物传输系统、控制及管理模块。针对现实操作中不同类型货物的不同属性，自动化仓储系统也有不同的分类。

自动化仓储模块还有很多优势，比如节约占地资源、高效管理和运作以及具有很高的安全性。

2.4 扫码设备

条形码扫描技术能方便地采集产品信息，实现对产品的实时监控，被越来越多地用于仓储系统[1]。自动分拣系统、AGV等先进物料处理技术，在扫码技术的加持下，失误率更低，生产效率得以提升。在本自动化仓储系统中，扫码设备被安装在传送带两侧，可以边运送产品边进行扫描(图5)，从而实时掌握库存情况及物料存储位置信息，对仓储的出入库进行动态管理[2]。

3 离散事件系统仿真

3.1 离散事件系统的研究

在对生产系统的分析研究及改进设计工作中，最普遍应用的方法就是离散事件仿真。其组成有实体、属性、活动、事件、进程等多种要素，用户可以通过离散事件仿真试验各种不同的条件，以此来优化工作流程[3]。

1)实体是指系统的设备构成，例如传送带、机械设备及物料等。

2)属性是指实体所具备的状态、参数等特性，如手机包装中包装盒的外观、尺寸、选材、耗时等是手机外盒的属性。

3)活动是指系统变化的历程，指示体系状况的改变。活动的停止可引起其它事件产生，并且活动本身也是由另一个事件引起的。

4)事件是指致使系统产生变化的行为，只有通过事件的作用，才能导致系统的状态改变。

5)进程包括了跟实体有关的各种活动及事件，表达了它们的时序和相互逻辑。

3.2 离散事件系统仿真

离散事件系统仿真操作包括：

1)任务解读。首先要掌握流水线的大体情况，了解为什么要仿真及仿真模型结果的参数，如系统的工作时间、装置的使用率等等。

2)仿真实验设计。全面深入地掌握系统基本情况，同时对系统的结构组成、相关数据等各种情况进行描述。

3)获取数据。依据周边环境，获取所需的完整数据，并执行分析及比对。

4)制作仿真模型。根据周边现实环境，制作仿真模型，再经反复检验及完善后构建完成。

5)实现模型的编程。可以使用C++、Python等通用的编程语言，也可以通过Witness、Simula 等仿真语言。

6)仿真实验。首先指定时间范围，在时间范围内实验操作，得到所需的结果信息。

7)结果分析。分析得结果数据，统计并研究各项性能参数，并比对预估目标、研究可行性。

4 流水线的Petri网建模

4.1 基本Petri网的介绍

满足下面四个条件的PN=(P,T,I,O;F)叫做有向网：

(3)F⊆(P×T)∪(T×S)，(“×”为笛卡尔积运算)；

(4)dom(F)∪cod(F)=P∪T；

其中dom(F)和cod(F)分别为F的定义域和值域；

dom(F)={x∈P∪T∣∃y∈P∪T：(x，y)∈F}；

cod(F)={x∈P∪T∣∃y∈P∪T：(y，x)∈F}；

P={p1，…，pn}是库所的有限集，n>0为库所的个数；

T={t1，…，tn}为变迁的有限集，m>0是变迁的数量；

输入I：P×T→N，是指由P至T的权的集合，其中非负整数集N={0,1，…}；I可以描述为：

(1)

输出函数O:T×P→N，表示从变迁 T 到库所 P 的权的集合，O可以描述为：

(2)

关联矩阵 C 是用来描述 Petri 网的动态行为，可以描述为：

(3)

离散事件系统建模普遍使用Petri 网对流水线建模，以此来全面解完整的的生产流程，并利用 Petri 网模型来分析系统的有效性、安全性等性能。

4.2 Petri网建模步骤

Petri网建模方式为[4]：

1)以建模为目标，找出Robot、包装及装箱设备、码垛机等物理单元。再找出系统的过程元素。

2)通过 Petri 网中的T、P及流关系来表示资源同过程间的关系，变迁表示系统中全部的活动、库所表示系统中全部的状态、流关系描述活动和状态间的约束。

3)利用 Petri 网模型，依据不同工序及托肯数目的改变，得到相关函数及关联矩阵，然后利用关联矩阵对流水线的工艺进行研究。只要不影响结果，在进行Petri网建模前，假定有下列条件：

一是流水线工作中零故障，生产顺利；二是生产过程中材料供给流畅；三是仅输入主要工作站的任务时间，不考其他因素。

以上面假设条件为前提，构建该生产线的Petri 网模型，其具体流程如图 6 所示。

图6 生产线的 Petri 网模型Fig.6 Petri net model of production line

本流水线中，库所P的集合代表流水线上全部装置的状态，变迁T的集合代表系统运行中导致待处理件改变的操作，如表3所示。

表3 Petri 网模型P同T的对照Table 3 Comparison of petri net model P and T

4.3 对流水线的评估

本文对该流水线系统 Petri 网模型的分析方法，选用了基于不变量分析的数学分析法，首先利用Petri网得到相关函数及关联矩阵，然后根据解线性方程解的个数进行性能判断，以此来判断可行性。

状态方程为：

M=M0+CY......................

(4)

M=[m1,m2,…,mn]T...........

(5)

其中M0是最初各P的token数，M是经T后，P的token数。

假如系统经过T后，又回到原始状态，即

M=M0+CY.......................

(6)

那么Y就称为T的不变量，即

CY=0.................

(7)

(8)

利用 Petri 网的模型，获得的输出函数(9)式所示：

(9)

通过方程CY = 0，得到 Y，就能够有该流水线模型T不变量，求解出关联矩阵 C 的秩，利用数学软件求得rank(C)=16，由于变迁数量是17(列数)，因此CY= 0有无穷个解，且有非0解。据此，能够分析出具有T不变量，证明其可达、有界、活性。可达性是指该流水线能够依据规则连续运行，而且可以经历原始状态→变迁→目标状态→原始状态的循环；有界性是指该流水线的布局设计合理，在工作过程中不会发生资源溢出；活性是指工艺流程合理，在工作过程中不会出现死锁情况，能确保流水线的顺畅运行。