文章编号: 100220411 (2001) 072640204
基于机器人的可重构装配系统
刘明尧 谈大龙 李 斌
(中国科学院沈阳自动化研究所 110015)
摘 要:本文分析了市场全球化给企业带来的挑战和机遇,提出了基于机器人的可重构装配系统. 在分析 国外在可重构制造领域的研究状况的基础上,提出了基于机器人可重构装配系统的设计内容和方法,并提出 了可重构装配系统今后需研究的方向. Ξ
关键词:可重构;装配系统重构;机器人 中图分类号: T P 13 文献标识码: A
RECO NF IGURABL E ASSEM BLY SY STEM S BASED O N RO BO TS
L IU M ing2yao TAN Da2long L IB in(S heny ang I nstitu te of A u tom ation, C h inese A cad em y of S ciences)
Abstract: T h is paper ana lyses the cha llenge and oppo rtun ity tha t m anufactu re en terp rises w ill face becau se of m a rket globa liza tion and pu t fo rw a rd reconfigu rab le a ssem b ly system s ba sed on robo ts. T he design con ten ts and m ethod s of reconfigu rab le a ssem b ly system s ba sed on robo ts a re d iscu ssed ba sed on oversea s resea rch on re2 configu rab le m anufactu re. Som e resea rch top ics on reconfigu rab le a ssem b ly system s a re p ropo sed.
Keywords: reconfigu rab ility, a ssem b ly system reconfigu ra tion, robo ts
1 制造业 所 面临 的挑 战和 机遇 ( the chal 2 lenge and oppo rtun ity)
在市场全球化竞争的驱动下, 二十一世纪的制 造业面临着不可预测的、快速多变的市场变化的巨 大挑战, 主要表现在: 新产品的出现频率加快; 产品 更新换代加快; 产品的功能、性能、质量要求发生大 的变化; 政府对有关安全性、环境等的政策、法规的 及时调整; 生产工艺技术的不断提高. 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 能力随市场变化调节和功能适应新产品的快速响应 制造系统. 显然过去的刚性制造生产线由于缺乏柔 性、不能充分发挥其生产能力, 同时设计、建造、调试 时间长, 不能适应市场的变化, 目前的 FM S 是以计 算机为核心的信息集成系统, 其核心是以计算机来 辅助制造系统的集成, 由于底层采用价格昂贵的、通 用的 CN C 机床及其它自动化设备, 建造成本高, 但 生产效率大大低于刚性生产线. 1988 年美国里海大 学 (L eh igh U n iversity) 在《二十一世纪制造企业发展 战略》报告中提出了敏捷制造的新概念, 敏捷制造是
将柔性的先进制造技术、熟练掌握生产技能的有知 识能力的劳动力、以及促进企业内部和企业之间的 灵活管理三者集成在一起、对千变万化的市场机遇 作出快速响应, 最大限度地满足客户需求. 要实施敏 捷制造的关键是要有高度柔性的制造. 柔性的制造 体现在柔性的制造组织、柔性的工装卡具、面向工件 的柔性制造单元、柔性制造设备、柔性质量保证、柔 性装配、开放式的控制系统硬件和软件等. 1997 年 美 国 M IT 组 织 的《下 一 代 制 造 (N ex t Generation M anufactu ring ) 》项目组发布了《下一代制造—— 行 动框架》的研究报告, 提出了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 定产品的需要. 综上所述, 未来的制造系统应是一个 第30卷第7期
2001年7月 信 息 与 控 制
Info rm a tion and Con tro l
V o l. 30, N o. 7 J u ly. , 2001
Ξ 收稿日期: 2001- 03- 12
可重构的制造系统, 其目的就是要减少制造系统从 定货到交货的时间 (lead tim e) , 即减少制造系统从 设计、建造到试生产直到满负荷生产高质量产品的 时间, 可重构制造系统设计的理论基础是软件的模 块化和开放式体系结构以及结构和硬件的模块化技 术.
可重构制造系统具有的几个主要特征:
(1) 模块化 (M odularity) : 可重构制造系统中所 有单元或部件是模块化的.
(2) 可集成性 ( In tegrability) : 模块有连接界面, 集成的系统性能可以通过模块和接口性能来预测.
(3) 专用化或用户化 (Custom ization) : 用户化 柔性和用户化控制. 用户化柔性是指设备是根据用 户要求的产品而建造的, 用户化控制是指在开放式 结构中集成控制模块, 提供与用户要求产品有关的 控制功能, 这一特征使可重构制造系统具有专用的 特征, 因此生产率高.
(4) 可改变性 (Convertibility) : 为适应同一类零 件中不同零件或产品的要求, 从加工一批零件或产 品的最优构形在短时间内就能改变为加工另一批零 件或产品的最优构形.
(5) 可诊断性 (D iagno sability) : 为降低斜升时 间 (R amp2up) , 即系统从调试到满负荷生产的时间, 系统必须要有诊断功能.
在产品的制造过程中, 装配工作是自动化程度 最低的, 因为装配操作与产品的结构密切相关, 实现 自动化的难度大. 但是装配工作在产品制造过程中 所占比重越来越大, 在西方发达国家, 装配占到生产 成本的 50% 和制造劳动力的 50%. 因此如何实现低 成本的自动化柔性装配已成为敏捷制造发展的中心 问题之一. 目前自动化装配仅适用于大批量产品的 生产, 原因是装配线建造成本高, 建造时间长. 如果 采用可重构的装配系统, 提高系统的敏捷性, 则可经 济有效地实现小批量产品的装配自动化, 且对市场 变化的响应快. 本文就基于机器人的可重构装配系 统的理论进行研究.
2 国内外研究状况 (L iterature R eview )
在智能制造和敏捷制造的推动下, 以模块化为 核心的制造系统研究已经引起国内外研究者的兴 趣, 1996 年美国M ich igan 大学 Ko ren 通过对目前的 典型制造系统 DM L 和 FM S 的分析提出了可重构 制造系统的概念 (R econfigurableM anufacturing Sys2 tem : RM S) , 可重构制造系统是一种为了响应市场或产品要求突然改变而快速调节生产能力和功能, 从一开始就考虑结构、硬件和软件的快速改变的制 造系统. RM S 具有 DM L 的高生产率和 FM S 的高 柔性, 以便快速有效地响应市场的变化, RM S 的系 统和机器的结构可根据市场的要求变化而扩大和产 品的变化而改变, 结构可在系统级改变 (如增加机床 等) 和在设备级改变 (如改变机器硬件和控制软件, 增加主轴, 改变刀库, 集成先进控制器等) , RM S 的 核心就是同时考虑开放式结构的可重构控制器和可 重构模块化机器. RM S 的可重构分为三个不同的层 次: 系统级可重构、设备级可重构和控制软件可重 构. 系统级可重构就是根据新产品的要求设计和建 造出制造系统的最优构形, 设备级可重构主要考虑 机床的机械结构、功能的可重构, 采用模块化设计技 术, 根据零件工艺要求, 设计和建造出最优的设备构 形. 同时采用开放式结构的控制器, 适应设备构形的 变化. T sukubu 等人认为实现RM S 的关键是建立基 于模块化理论的制造系统. 制造模型指的是基于模 块化理论的制造系统模型, 基于这种模型导出的设 计、建造、操作和控制技术创建的制造系统就是模块 化制造系统, 进一步提出了模块化机器人制造系统 的概念, 是由多机器人、机器和人集成的一个柔性制 造系统, 为扩大机器人的应用, 必须探索环境识别技 术、机器人传感技术、模块化机械手以及基于传感器 的操作技术, 机器人操作采用自治分布式系统, 机器 人采用模块化技术, 对不同的工作任务可用不同的 最优构形来实现. 在这个制造系统中, 最关键的是虚 拟工厂和实际工厂的相互映射, 虚拟工厂的目标是 通过建模和仿真来预测制造过程中可能出现的问 题, 来优化制造工艺过程及其设备的运行工况以及 整个制造过程的计划调度, 使得产品及其制造过程 更加合理和经济. 在系统设计阶段, 虚拟工厂模拟实 际工厂的生产情况, 在实际工厂工作阶段, 虚拟工厂 用作为实际工厂工作情况的在线监测, 如有问题可 在虚拟工厂中进行研究. Carnegie M ellon 大学微动 力系统实验室提出了敏捷装配的体系结构 (AAA ) , 在 AAAg微工厂工程中, 针对一些小的、高价值高密 度的机电装置 (如软驱、光驱、计算机等) , 由于零件 太小, 不能有效地由人工来处理和操作, 目前的自动 化又不适应以足够低的成本做这种工作的情况, 提 出了一种敏捷装配的体系结构, 这种体系结构的基 本原则有以下 4 条: 分布式工厂执行系统; 自动的 A gen t 协调机制; 柔性的产品传输系统; 自动化的工 厂标定. 建造的微工厂的基本组成有: 基础单元、工
1 4 6 7期 刘明尧等:基于机器人的可重构装配系统
作平台、Courier 机器人、机械手机器人、模块化末端 件、柔性零件传输系统以及AAA 接口工具等组成, 并比较了目前常用的 SCA RA 机器人装配系统, 平 面电机驱动 4- dof 机器人装配系统与AAA 结构下 建造的微工厂之间的特点, 得出微工厂能大大减少 系统的建造时间, 提高精度.
3 基 于机器 人 的可 重构 装配 系统 的 设 计 ( T he design of reconfigurable assem bly sys 2 tem s based on robo ts)
3. 1 基于机器人的可重构装配系统的概念
可重构: 是指系统或产品在外部环境的驱动下 其构形发生改变, 以最佳构形适应外部条件.
可重构系统: 就是为响应外部环境和要求的突 然变化而快速改变其结构、硬件和软件等构形的系 统.
基于机器人的可重构装配系统: 就是为适应产 品的变化, 迅速改变系统结构、硬件和软件以适应新 的产品的生产能力和功能的一种以机器人为主的装 配系统. 基于机器人的可重构装配系统主要包括可 重构操作机器人、可重构移动机器人、可重构夹具和 送料装置等周边装置等组成, 为实现基于机器人的 可重构装配系统, 必须要有可重构设备或可重构单 元.
3. 2 基于机器人的可重构装配系统的系统或单元 设计
许多制造企业面对的环境是不可预测的、频繁 的市场变化, 这种变化影响了对装配系统的生产能 力及功能的要求变化, 可重构装配系统能够通过快 速改变生产能力和功能适应新情况来满足这种变化 要求, 可重构装配系统的这种适应特征也使系统的 重建时间较短. 在系统或单元设计时首先要解决的 问题是系统或单元的构成原理和体系结构, 根据给 定产品及其批量、产品装配顺序、可重构装配系统或 单元的模块库以及模块连接关系等约束条件, 建造 满足要求的系统构形. 因此设计可重构系统或单元 时的主要内容有:
(1) 建立可重构装配系统或单元的模块库. 它 是可重构装配系统或单元设计的关键.
(2) 根据给定产品及装配任务确定装配系统或 单元的组成, 根据评价指标选出最佳的系统组成.
(3) 建立多 A gen t 系统的通讯方式和协商机 制.
(4) 确定系统或单元的标定、诊断方法.
3. 3 基于机器人的可重构装配系统的设备设计 组成可重构装配系统的各设备均采用可重构 设备, 主要包括可重构机器人、可重构夹具、可重构 送料装置及可重构的支承系统. 本文仅就机器人的 可重构设计进行研究.
从理论上来讲, 机器人是一种柔性设备, 它能 通过编程来适应新的工作, 然而实际应用中很少使 用这种情况, 但传统的机器人都是根据特定的应用 范围来开发的, 虽然对那些任务明确的工业应用来 讲, 这种机器人已经足够满足实际需要了, 然而由于 市场全球化的竟争, 机器人的应用范围要求越来越 广, 而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围, 因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求, 解决 这一问题的方法就是开发可重构机器人系统, 它是 由一套具有各种性能特征的模块组成, 能够被装配 成各种不同构形的机器人, 以适应不同的工作.
国外对可重构机器人系统的研究已经进行了大 量的研究, 根据研究情况可分为以下几种类型: 根据 构形形成的方法来分: 分为动态可重构机器人系统 和静态可重构机器人系统, 前者主要适用于玩具行 业及非制造行业, 如空间机器人、危险作业环境下的 特殊机器人等, 后者主要适用于工业机器人. 根据机 器人类型来分: 有工业机器人可重构系统、移动机器 人可重构系统及非制造业应用机器人系统.
3. 3. 1 可重构模块化机器人系统应具有以下功能:
(1) 用户应能很方便地拆散和装配各种模块组 成不同的机器人构形满足特定的工作要求;
(2) 构造的机器人构形使用的模块数和模块类 型应尽可能地少;
(3) 用户对控制软件的修改也不应做复杂的操 作;
(4) 装配的模块化机器人应能立即工作, 完成实 际任务.
可重构模块化机器人系统是由一套模块构成 的, 目前对机械模块的划分主要分为基础单元模块、
末端件模块、连杆模块、关节模块 (移动关节模块、转 动关节模块、回转关节模块) 等.
3. 3. 2 机器人模块的主要设计要求:
(1) 每个模块单元应是独立的和自装的;
(2) 每个模块单元应是可快速连接到任意其它 的模块单元, 而不论其类型如何;
(3) 每个模块单元应是最小重量和最小惯性.
(4) 每个模块单元在运动学和动力学上应具有 独立性.
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6 信 息 与 控 制 30卷
3. 3. 3 可重构模块化机器人系统模块的基本功能 应包括以下几个方面:
(1) 模块应具有自封装的功能, 完成某一特定 的功能.
(2) 模块应具有驱动能力, 完成特定的运动和 动作.
(3) 模块应具有通讯能力, 以便各模块能协调 的工作.
(4) 模块应具有数据处理能力.
3. 3. 4 可重构模块化机器人的构形设计
可重构模块化机器人系统是由一套各种功能的 模块组成的, 通过选择不同的模块组合就可装配成 不同模块化的机器人, 可重构模块化机器人构形设 计的目的就是如何找到一个最优的装配构形来完成 给定的工作. 可重构模块化机器人构形设计的方法 主要考虑以下三个问题: 首先要确定构形的表达方 法; 其次就是确定构形的评价标准; 最后采用适当的 优化方法确定满足给定任务的最优构形.
3. 3. 5 可重构模块化机器人的可重构实时控制系 统的设计
可重构机器人既要实现硬件的可重构, 同时实 时控制软件也必须是可重构的, 这样才能适应机器 人应用范围的快速变化. 为了实现软件的可重构, 必 须要解决可重构软件模块库的开发和这些模块根据 硬件构形和控制任务自动集成的问题.
4 基于机器人的可重构装配系统需研究的 主 要问题 (R esearch Top ics on reconfigurable assem b ly system s based on robo ts)
由于可重构装配系统是一个新的研究领域, 目 前世界上仍没有一个实用的可重构的装配系统, 也 没有一个可重构加工系统, 因此可重构装配系统仍 有大量的问题需要研究. 主要反映在以下几方面.
(1) 可重构装配系统或单元的研究: 包括设计 理论的研究, 基于多A gen t 的最佳体系结构的研究, 基于多 A gen t 的可重构装配系统或单元的规划、调 度方法的研究, 可重构装配系统或单元性能指标评 价体系的研究, 可重构装配系统或单元中多A gen t 的通讯方法和协商机制的研究, 系统的规模和功能
扩展方法的研究.
(2) 可重构机器人装配系统的检测、监控和标 定技术的研究: 包括系统监测和诊断方法的研究, 系 统故障排除方法的研究, 基于传感器的系统标定方 法的研究, 产品质量保证体系的研究.
(3) 可重构装配系统技术经济分析模型和方法 的研究: 包括技术经济评价模型和方法的研究, 综合 效益评价指标体系和方法的研究, 社会效益评价指 标体系和方法的研究.
(4) 可重构装配系统的仿真技术的研究: 包括 面向对象的模块描述理论和方法的研究, 虚拟现实 的装配系统仿真技术的研究, 装配系统在线仿真技 术的研究.
(5) 可重构设备的研究: 包括可重构模块化机 器人的研究, 可重构夹具的研究, 可重构传输系统的 研究, 可重构送料装置的研究, 可重构工具的研究.
参 考 文 献 (R eferences)
1 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部编.机械工程科学技 术前沿.北京:机械工业出版社, 1996. 5
2 张曙.分散网络化制造. 北京:机械工业出版社. 1999. 9 3 Ko ren Y, H eisel U , Jovane F, et al. R econfigurable M anufactur2
ing System s. A nnals of the C IR P, 1999, 48 (2) : 1～14
4 T sukune H , et al. M odular M anufacturing. Journal of In telligen t M anufactu ring, 1999, (4) : 163～181
5 R izzi A A , Gow dy J , Ho llis R L. A gile A ssem b ly A rch itectu re:
A n A gen t Based A pp roach to M odu lar P recision A ssem b ly Sys2 tem s. P roc. IEEE In t’ l Conf. O n Robo tics and A u tom ation, 1997: 1511～1516
6 Pared is C J J. A n A gen t2Based A pp roach to the D esign of R ap id ly D ep loyab le Fau lt To leran t M an ipu lato rs, Ph. D. D issertation.
Carnegie M ellon U n iversity, D epartm en t of E lectrical and Com pu t2 er Engineering. 1996
作者简介
刘 明尧(1964- ) ,男,博士研究生. 研究领域为制造系
统、机器人学.
谈大龙(1940- ) ,男,研究员,博士生导师. 研究领域为
机器人学.
李 斌(1963- ) ,男,副研究员. 研究领域为机器人控
制.
3 4 6 7期 刘明尧等:基于机器人的可重构装配系统
