基于工业机器人在智能装配上的可重构模块化设计研究与应用.pdf

Topical Review专题综述152023年 第4期WMEM基于工业机器人在智能装配上的可重构模块化设计研究与应用四川九洲电器集团有限责任公司 钱自富 李 剑 刘 松 白竹川 李 鹏【摘要】在各行各业的精密组件柔性装配生产中，智能装配是行业共性难题，面向市场反应迅速、项目生产研制周期短、质量要求高、稳定性好等要求，基于工业机器人的高适应性，借助创新方法，采用可重构模块化的设计思路，开展智能装配相关技术研究，为机械自动化领域智能装配问题的解决提供一种思路和参考，并以扎带机为例进行模拟应用，以初步验证方法的理论可行性，通过扎带机及扎带方法的发明专利间接验证本文理论的创新性，从而为相关设计研究提供参考。近年来，随着信息化、智能化技术的发展，在智能制造等领域，智能装配、精密组装、自动化装配、柔性制造等技术得到了迅速的发展。但在众多行业中，非标设备，小批量设备等需求依然旺盛，但市场给出的反应时间和研制周期较短，对项目的质量和稳定性要求高，没有足够的时间重新研制专门的设备。如果可以对设备的各子系统进行简单的组合、优化或调整就可以满足新的技术要求，将会大大缩短产品装配过程的生产周期并提高复杂系统的稳定性。因此，在智能装配、自动化柔性生产的迫切需求下，进行以工业机器人为核心的智能装配的可重构模块化设计关键技术研究和应用示范有着重要意义。一、国内外现状及发展趋势特种行业装配技术经历了从手工装配、半机械/半自动化装配、机械/自动化装配到智能装配的发展历程。下面对引言中相关问题及其解决措施的现有研究状况进行梳理和分析。1.国内外研究现状自面向装配的设计1提出以来，装配自动化的实现技术成为了制造行业的研究重点。装配过程包含产品装配建模、产品装配规划与优化、产品装配结构评估、装配公差分析与综合、机构运动分析与综合等2,3。近年来，随着信息化、网络化、智能化技术的发展，数字化装配技术与智能装配技术成为了研究者关注的重点4，面向装配的MES技术也应运而生5，并以此为基础，产生了可重构装配方法6和模块化装配技术7。同工业革命的发展规律一致，特种行业专用控制装备的智能装配技术正向着可重构模块化方向迈进8。在装配的可重构模块化设计领域，国内的研究已经逐渐走向成熟，中国航发南方工业有限公司提出了航空发动注：第一作者简介：钱自富（1983-），男，四川大英人，硕士研究生，主要从事智能制造相关研究。通讯作者简介：李剑（1991-），男，江西萍乡人，硕士研究生，主要从事产品创新设计研究与应用。初稿.indd 15初稿.indd 152023/8/23 16:22:512023/8/23 16:22:51Topical Review专题综述WMEM2023年 第4期机智能装配架构9，单泉团队提出了模块化产品族的智能装配方法10、柔性装配的系统规划11、多智能体系统的混合控制体系结构与可重构装配系统的快速重构12，邵明提出了可重构装配模块的结构划分方案13，樊伟等提出了基于配置系统、控制系统和机械系统相互协调的复杂装配零件精密自动化装配14，彭涛等提出了基于计算智能、机器智能、人类智能的智能装配系统15。在国外相关研究中，米兰理工大学Colledani研究团队提出了支持可重构装配的方法和流程16，Manzini团队分别提出了可重构装配系统设计和管理的集成方法17，Xu W提出了支持可重构模块化单元之间进行无线操纵的控制系统18，Gyulai等提出了模块化装配系统的能力管理19、柔性可重构装配系统设计过程的组成部分20，相关理论和方法研究均为后续的研发和应用提供了有利参考。2发展趋势及分析关于在智能装配系统研制中涉及的相关技术发展趋势主要有：（1）自动化装备装配过程呈现智能化和柔性化的趋势，要求装配的能力更强，适应性更好，对定制化产品装配过程各模块软件、硬件、接口的可靠性要求不断提高。（2）生产装配过程的信息感知与交互数字化、智能化和透明化成为制造企业发展的方向。（3）采用可重构模块化思路解决高适应性、高可靠性的定制化装备。二、研究内容1研究目标面向特种行业装备对智能装配柔性生产的迫切需求，开展以工业协作机器人为核心的可重构模块化的关键技术研究与初步应用。2.技术关键基于定制化、小批量的行业装备的大量数据信息，从装配对象特征、装配策略和装配模块化的交互关系出发、研究装配对象数据模型，针对结构化、半结构和非结构的装备对象等类型和多样的异构数据模型数据集，建立智能装配可重构模块化设计机理模型。因为特种行业装备系统表达形式多样、功能和运行机制复杂，要实现装备系统中可重构模块化首先要解决其涉及的功能组成、结构组成和要素共性等问题，以便建立真实的可交互、可适应的装配数据集，通过参数化和图形化定义、建立多源、表达形式多样、异构的装配数据集，是本文研究关键之一。3.技术路线面向多源异构非结构装配数据集的可重构模块化设计，按照层级原则分为装配对象层、装配策略层和装配模块层，各层之间和层级内部均可进行可重构模块化设计，层级内部各单元为独立模块，通过对装配组件的功能、装配工艺方法、装配流程等数据进行规则制定形成数据集，进行技术交叉与融合，协同运行与优化迭代，形成闭环系统，从而针对不同需求和应用场合重构模块，构成面向以工业机器人为核心的多源异构非结构装配数据集的智能装配可重构模块化设计机理模型，如图1所示。图1 智能装配可重构模块化设计机理模型装配模块数据集拆解逻辑及方法，通过树状图，按照系统、子系统、部件、零件、元器件等细分思路进行划分，从而得出某系统的底层支撑，应用机械设计相关原理和制造工艺方法对相关自制件进行功能分解，是否存在组合装配等情况，如有则继续分解，如无则终止分解，最终形成系统-子系统-部件-零件或软硬件等单一功能元素，构成装配模块层的数据集。具体重构逻辑如图2所示。通过对分解出的数据集进行分析，剔除不宜重构的部分，剩余的子系统、组件和零件构成非结构可重构模块化数据集。初稿.indd 16初稿.indd 162023/8/23 16:22:512023/8/23 16:22:51Topical Review专题综述172023年 第4期WMEM 图2 装配模块层数据集构建流程按照产品的功能和特征等指标进行分解，得出最基本的功能指标和最单一的特征，组成产品数据集，如图3所示。通过对产品的数据集进行分析，可得出一组具有新的功能的产品，从而为智能装配的模块化重构和装配策略提供目标指向，实现精准重构。结合创新设计方法，如Triz理论21中的39个通用技术参数进行适应性分析，为策略模块化提供方法支撑，策略模块化流程与产品和装配模块化类似。对产品的各项指标进行重构形成新的产品目标后，再通过对非结构可重构模块化数据集和异构策略重构，形成适应新产品的智能装配流程。图3 装配对象层产品数据集构建流程三、应用案例面向特种行业装备中的特殊应用，选取生产线大系统中的小系统（扎带机）为例进行应用示范。扎带机整机系统可以分为控制系统、末端夹具、入料系统、视觉系统和机器人等子系统。末端夹具可分为自动组件部件和复合夹头零件，复合夹头中的零件又可以按照功能分区成剪刀部分和夹持部分。入料系统可以分解出滑槽机构和挡板，滑槽机构由支撑柱等零部件组成。机器人系统下分为示教器、机器人本体和控制系统；机器人本体中又可以拆分出伺服电机和壳体组件等。将分解出的各模块进行分析，剔除不宜重构的部分，剩余的子系统、组件和零件构成非结构可重构模块化数据集。新产品可以按照功能分为单签和双签产品，单签有定量裁剪和姿态控制等功能，双签有状态校对和定量裁剪功能。根据特征可以分为大小、状态和外观，可适应产品变大或者缩小。对齿状、节状和带吊牌的扎带的大小和外观特征可通过三维逆向扫描并进行数学建模形成产品数据集。根据策略可以对装配工艺、辅助工具、执行算法和设计方法进行重构，形成策略数据集。如装配工艺中的胶接和螺纹联接重构、辅助工具中的扫描仪和视觉仪的重构、执行算法中的PID算法和遗传算法重构、设计方法中的概念扇法22和Triz理论重构等。对关键特征、关键部件或者关键组件进行重构，以适应不同的设备功能和产品需求，形成对应新产品的新设备。根据本文研究方法建立智能扎带装配可重构模块化设计机理模型，如图4所示。初稿.indd 17初稿.indd 172023/8/23 16:22:512023/8/23 16:22:51Topical Review专题综述WMEM2023年 第4期应用方案中涉及的产品如图7所示，根据不同的产品特性形成装配对象层扎带产品数据集构建流程（见图8）。可通过重构策略数据集和模块数据集进行适应性重构，最终解决研制周期较短、对项目的质量和稳定性要求高等设计问题。通过采用NX软件的运动仿真功能形成包络图（见图9），实现对机器人机械臂的运动轨迹的初步模拟，判断机器人的末端夹具可以覆盖设备重构后的产品及工件的范围，为实现不同扎带的捆扎功能提供良好基础。图5 扎带机机器人工作视角图6 扎带机上料及人工操作位置工作视角图4 智能扎待装配可重构模块化设计机理模型应用方案的一种智能装配过程为：“扎带在入料口通过滑槽机构进行排队，并滑落到定位处；机器人通过末端夹具夹持扎带进入三维扫描仪进行外形特征的三维建模形成产品数据集，并将扫描出模型传递到控制系统，通过控制系统的策略数据集重构后控制机器人联动，将扎带进行姿态控制，使得扎带可以被装配到所需要的其他产品上，根据扎带装配后的状态还可以进行裁剪使得外观良好，使用方便”。应用方案模型如图5、图6所示。初稿.indd 18初稿.indd 182023/8/23 16:22:512023/8/23 16:22:51Topical Review专题综述192023年 第4期WMEM产品重构前后智能装配的效果示意图如表1所示。表1 产品重构智能装配效果 图7 装配对象层扎带产品数据集构建流程图8 装配模块层数据集构建流程图9 机器人的工作区域包络图目前扎待机应用方案已于2020年10月30日申请中国发明专利，发明专利名称为：一种扎带机及扎带方法23。该发明专利主要利用机械手的灵活性解决了扎带在多次缠绕或复杂穿插过程中的运动引导及约束问题；采用图像识别器解决了扎带运动过程中形态变化和姿态校正、扎带入孔定位、定位裁剪及质量判断等问题；采用了三维扫描仪对扎带进行实时建模及分析，适应了不同类型的扎带，解决了扎带在多次缠绕或复杂穿插过程中的扎带问题。该专利具有较强的通用性，能够满足不同扎带产品在装配过程中的智能组装和柔性装配问题，间接证明了本文相关理论研究的可行性和创新性。四、结束语随着智能制造2025的实施，根据对国内外现状和发展趋势的调研，本文研究的相关技术、理论和方法可广泛应用于特种行业控制装备智能装配等领域，包含但不限于智能装配、柔性化生产、精密组装、精密控制、定制化产品开发、多元产品适应性组装、模块化设计、可重构组件装配、机器人等相关应用场合，应用市场领域较广，前景较好。基于本文研究的相关技术、理论和方法探索的相关技术将带动各行业装备产业的发展，为国家科技创新战略的实现提供重要支撑。参考文献：1 Alting L,Boothrold G.Design for assembly and disassembly JJ.CIRP Annals-Manufacturing Technology.1992,41(2):625-636.2 顾寄南,蔡健敏.产品可装配性评价技术的研究现状和发展方向J.机械设计.2003(12):1-3.3 姜华,熊光椤.面向装配的设计方法与技术研究J.计算机集成制造系统.1999,000(004):56.4 刘检华,孙清超,程晖,等.产品装配技术的研究现状,技术内涵及发展趋势J.机械工程学报.2018,v.54(11):16-42.5 黄学文.制造执行系统(MES)的研究和应用D.大连理工大学,2003.6 朱传军,饶运清,张超勇,等.基于CORBA的可重构制造执行系统研究J.中国机械工程.2004,15(023):2097-2101.7 张玉华,赵杰,张亮,等.新型模块化可重构机器人系统J.机械工程学报.2006,42(B05):175-178.（下转第47页）初稿.indd 19初稿.indd 192023/8/23 16:22:512023/8/23 16:22:51Exhibits Review展品评述2023年 第4期WMEM 特新”的产品目标，采用“马扎克”合作模式，对标国外高端激光加工机床，依托华中9型数控系统平台，将“智能+数控”、“互联网+数控”与激光切割控制和工艺深度融合，打造的完全自主可控的国产高端激光切割设备。双方合作还先后开发了等离子切割控制系统、三维五轴激光切割控制系统、重装坡口激光切割控制系统等多个产品，并成功实现批量配套。华中激光公司展出的五轴激光坡口切割智能装备三、数控系统智能化技术发展国内外差距分析及行业发展建议1数控系统智能化技术发展国内外差距分析从展品看，西门子Sinumerik One数控系统系统包含智能动态控制、智能负载控制等功能，能够实现在不同负载、不同姿态的精度保持。针对曲面曲面加工，包含精优曲面、臻优曲面、Top Speed等功能，能够实现曲面的高精度加工，同时还提供机床数字孪生等仿真技术。发那科数控系统具备切削负载监控、AI轮廓控制等功能，海德汉系统提供高级动态预测功能，均能实现曲面的高精度加工。华中9型数控系统具备负载自适应、iSurfine智优曲面、Cyber-Milling等智能化技术。广数GSK27i提供智能主轴负载自适应等功能。整体来看，近些年国内数控系统在智能化技术的研制方面不断努力，发展方向基本与国外保持一致，推出了华中9型等新产品，但是在数字孪生、虚拟仿真、数字化调试等方面与国外还有差距。2建议国产数控系统企业加强智能化技术的研究为了追赶国外高端数控系统，建议国产数控系统企业将智能化技术列为研究重点，通过不断的技术攻关，进一步提升数控加工质量提升、工艺优化、健康保障与生产管理等方面的关键共性技术，加大对智能数控系统、智能功能部件和智能优化、智能补偿、健康保障等工业应用软件和数控机床互联通讯协议标准规范的研发和应用。3建议国产数控系统企业加强与机床企业联合推广智能化技术数控机床是典型的机电一体化产品，机床整体性能的提升离不开数控系统、机床主机、其他功能部件的协同。建议国产数控系统企业加强与主机企业的技术交流，在他们的支持下，改进机床设计方法，合作推出市场需要的具备更多智能化功能的高档机床。上接第19页 8 姚艳彬,邹方,刘华东.飞机智能装配技术J.航空制造技术.2014,467(23/24):57-59.9 黄小东,宁勇,刘杰,等.航空发动机智能化装配技术体系构建探索J.航空发动机.2020,v.46;No.201(01):95-100.10 单泉,雷毅,闫光荣.基于模块化产品族的智能装配设计J.图学学报.2009(01):1-5.11 邵明.基于质量特征的柔性装配工艺规划理论研究C.1999.12 孟凡力,谈大龙,黄雪梅.可重构装配系统中智能体的开发J.计算机集成制造系统.2006,12(012):2033-2038.13 严灏,殷跃红,俞建峰.可重构装配系统中装配模块的可重构性研究J.工业工程与管理.2005,010(002):10-14.14 樊伟,郑联语,王亚辉.面向管路组件装配的自动化可重构柔性工装系统J.计算机集成制造系统.2018,24(11):38-52.15 彭涛,李世其,徐迟,等.面向航天器舱体的智能装配系统研究J.中国机械工程.2010,021(005):545-549.16 Colledani M,Yemane A,Lugaresi G,etal.A Decision Support Methodology for the Design of Reconfigurable Assembly SystemsJ.IFAC-PapersOnLine.2018,51(11):108-115.17 AMM,BJU,DDGC,etal.An integrated framework for design,management and operation of reconfigurable assembly systemsJ.Omega.2018,78:69-84.18 Xu W,Han L,Wang X,etal.A wireless reconfigurable modular manipulator and its control systemJ.Mechatronics.73.19 Gyulai,David,Monostori,etal.Capacity management of modular assembly systemsJ.Journal of Manufacturing Systems.2017.20 Natalia,Svensson,Harari,etal.Components of the Design Process of Flexible and Reconfigurable Assembly SystemsJ.Procedia Manufacturing.2018.21 林岳,齐二石,李彦.创新方法教程（初级）M.北京:高等教育出版社,2012:100-104.22李剑,李文强,李 彦,万延见,陈 喜.基于概念扇的创新设计方法J.制造业自动化.2014(6).23李剑,张庆军,钱自富,白竹川,明涛.一种扎带机及扎带方法:中国,CN202011196963.5P,2021-02-05.初稿.indd 47初稿.indd 472023/8/23 16:22:532023/8/23 16:22:53