大型裝備預(yù)裝配分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李　瑩，吳　雪，孫超宇，李東京

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063000;2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191;3.湖北科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

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大型裝備預(yù)裝配分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李瑩1，吳雪1，孫超宇1，李東京2,3*

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063000;2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191;3.湖北科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

摘要：針對大型裝備的預(yù)裝配需求，設(shè)計(jì)出預(yù)裝配機(jī)械系統(tǒng).根據(jù)預(yù)裝配要求計(jì)算選擇合適的電機(jī)及減速器，最終完成一套滿足要求的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)開發(fā)各軟件模塊.最后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和廣度優(yōu)先的搜索算法完成預(yù)裝配總體路徑規(guī)劃，引導(dǎo)整套裝備的預(yù)裝配工作.該系統(tǒng)為國內(nèi)首套可重復(fù)使用的大型裝備預(yù)裝配系統(tǒng)，具有配置靈活、功能全面、可重用性好、控制可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，有很大的實(shí)用性及推廣價(jià)值.

關(guān)鍵詞：預(yù)裝配；分布式控制系統(tǒng)；路徑規(guī)劃；廣度優(yōu)先搜索算法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各類裝備越來越復(fù)雜，零部件越來越多，為防止產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的疏忽，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品生產(chǎn)前，一般均會利用計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行預(yù)裝配，來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能存在的各種問題.但是雖然通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行預(yù)裝配可以發(fā)現(xiàn)絕大部分設(shè)計(jì)中的問題，但是對于系統(tǒng)很復(fù)雜的大型裝備，僅僅通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行虛擬裝配還是不能保證.設(shè)計(jì)完全沒有問題，裝配過程中不會干涉，所有部件均能按照預(yù)想的狀態(tài)進(jìn)行裝配，特別是一些功能性部件除了有裝配位置要求而且有姿態(tài)要求，這些需求僅僅靠計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)來預(yù)裝配驗(yàn)證是不夠的.為了徹底通過產(chǎn)品預(yù)裝配來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能存在的各種問題.許多廠商在生產(chǎn)一個樣機(jī)的大部分零部件后會通過木頭或其他材料做一個產(chǎn)品模型進(jìn)行實(shí)際預(yù)裝配.但是由于現(xiàn)在產(chǎn)品更新比較快，做一個一次性的預(yù)裝配模型只能適應(yīng)一種型號產(chǎn)品的預(yù)裝配，而且裝配過程中都是人力進(jìn)行預(yù)裝配，造成了很大的人力財(cái)力的浪費(fèi).為了徹底解決大型裝備的預(yù)裝配問題，設(shè)計(jì)一個可以靈活配置，適應(yīng)多種型號裝備預(yù)裝配的系統(tǒng)非常有必要.目前國內(nèi)外針對預(yù)裝配也進(jìn)行了廣泛的研究，主要集中在數(shù)字化裝配、協(xié)同預(yù)裝配等方面[1-3],由于有預(yù)裝配的需求的裝備一般比較復(fù)雜而且體積較大，控制點(diǎn)較多.要求控制靈活、準(zhǔn)確.目前分布式控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在控制點(diǎn)比較分散的大型控制系統(tǒng)中，國內(nèi)外對分布式控制系統(tǒng)的各種應(yīng)用也進(jìn)行了廣泛的研究[4-11],這些研究表明分布式控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)控制點(diǎn)分散等復(fù)雜控制需求的場合.預(yù)裝配裝備大，需要裝配的部件多，預(yù)裝配的目的就是通過預(yù)裝配來發(fā)現(xiàn)各種問題，因此需要對大量零件預(yù)裝配的順序及結(jié)合預(yù)裝配裝備情況進(jìn)行規(guī)劃各個零部件如何進(jìn)行預(yù)裝配，在解決這一問題中涉及到裝配過程的路徑規(guī)劃及全局規(guī)劃問題.規(guī)劃的核心是如何規(guī)劃出合理的路徑同時(shí)避開各種障礙，對于這一問題國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一定的研究提出了各自的解決辦法[12-19].雖然目前關(guān)于預(yù)裝配涉及的各種問題都有學(xué)者針對相似課題進(jìn)行了相關(guān)研究，但目前針對本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的眾多機(jī)械手靈活實(shí)現(xiàn)大型裝備的預(yù)裝配的研究還未發(fā)現(xiàn).本文將對采用大量機(jī)械手實(shí)現(xiàn)大型裝備的所有零部件的靈活預(yù)裝配的控制系統(tǒng)展開研究.

表1　系統(tǒng)需求指標(biāo)表

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　System architecture schematics

1系統(tǒng)簡介及需求分析

本預(yù)裝配系統(tǒng)針對大型復(fù)雜裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)之初以火車或大型客車車廂的預(yù)裝配為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì).具體要求及參數(shù)如下表1所示.

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及功能模塊選型

根據(jù)前述需求分析，待裝配體是長、寬、高范圍很大的裝備，預(yù)裝配需要設(shè)計(jì)能滿足在此空間范圍內(nèi)進(jìn)行任意位置姿態(tài)的150 kg部件的預(yù)裝配系統(tǒng).為滿足工作空間大，定位精度高，負(fù)載重的上述需求，設(shè)計(jì)一套一定數(shù)量龍門架結(jié)構(gòu)的預(yù)裝配系統(tǒng)，每個龍門架的左右兩邊及頂面均裝上可以定位的一定數(shù)量機(jī)械手，每個機(jī)械手均有3個自由度可以來調(diào)整機(jī)械手末端手抓的位置及姿態(tài)，通過調(diào)整各龍門架上機(jī)械手末端手抓的位置和姿態(tài)，調(diào)整完畢進(jìn)行鎖緊，然后在規(guī)劃的手抓之間掛上C型槽，將待裝部件掛到C型槽上進(jìn)行預(yù)裝配.

按照這個思路，每個機(jī)械手3個自由度需要3個電機(jī)加上龍門行走電機(jī)，考慮到待裝裝備28 m長，故設(shè)計(jì)9個龍門架，每個龍門架平均間距3 m左右.由于裝備高度寬度范圍也比較大，根據(jù)待裝配裝備零部件分布情況，龍門的左右側(cè)面設(shè)計(jì)安裝6個機(jī)械手，龍門頂面設(shè)計(jì)9個機(jī)械手，這樣一個龍門配置21個機(jī)械手.如果每個機(jī)械手配置3個電機(jī)實(shí)現(xiàn)3個自由度的運(yùn)動，一個龍門將需要63個機(jī)械手電機(jī)加上2個行走電機(jī)共65個電機(jī)，整體系統(tǒng)將需要585個電機(jī).這樣設(shè)計(jì)的話一方面成本巨大，另一方面這么多電機(jī)現(xiàn)場布線是一個大問題.考慮到這些問題為節(jié)省成本不降低系統(tǒng)靈活性及其他指標(biāo)情況下，系統(tǒng)進(jìn)行如下改進(jìn)，整個預(yù)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個大的外龍門，外龍門的兩側(cè)面分別裝一帶動力的機(jī)械手，頂面裝2個帶動力的機(jī)械手，9個內(nèi)龍門還是每個內(nèi)龍門裝21個機(jī)械手，但內(nèi)龍門機(jī)械手均無動力，通過動力對接的方式通過外龍門上機(jī)械手的運(yùn)動來推動內(nèi)龍門機(jī)械手的移動，內(nèi)龍門機(jī)械手移動到位后通過制動裝置進(jìn)行制動.系統(tǒng)組成如下圖1所示.

2.1電機(jī)減速器選型計(jì)算

電機(jī)主要是內(nèi)外龍門行走電機(jī)和外龍門機(jī)械手電機(jī)，內(nèi)外龍門行走都是兩個電機(jī)通過齒輪齒條驅(qū)動龍門在導(dǎo)軌上行進(jìn)，外龍門機(jī)械手都是通過電動推桿的形式來推動內(nèi)龍門機(jī)械手的移動.每個外龍門機(jī)械手上有3個電機(jī)實(shí)現(xiàn)3個自由度的運(yùn)動.所有電機(jī)減速器的選型過程類似，下面僅以內(nèi)龍門行走電機(jī)及減速器的選型過程為例進(jìn)行說明.

內(nèi)龍門在X方向行走過程中，伺服電機(jī)通過減速器和齒輪齒條帶動內(nèi)龍門在滑塊導(dǎo)軌上移動.

2.1.1內(nèi)龍門行走阻力計(jì)算內(nèi)龍門行走導(dǎo)軌采用的上銀PG型式(定位線性滑軌整合線性滑軌及編碼器于一體)，大幅增加空間效益，兼具線性滑軌高剛性及磁性編碼器高精度的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)藏式尺身及感應(yīng)讀頭，不宜受外力破壞訊號感應(yīng)非接觸性，產(chǎn)品壽命長，可做長距離之測量，(磁性尺身部分可達(dá)30 m)，根據(jù)裝備的工作環(huán)境特點(diǎn)，裝備滿載在軌道上加速運(yùn)行，其最大行駛阻力為滑塊與導(dǎo)軌間摩擦力Ff和慣性阻力Fa等組成，即:

F運(yùn)=Ff+Fa=2 000 N

其中：Ff表示裝備運(yùn)行過程中，滑塊與直線導(dǎo)軌阻力(N)；Fa表示內(nèi)龍門運(yùn)行過程中的慣性力(N).

Ff=fG=1 000 N

其中:G表示裝備最大重量(N)，G=100 000 N，f表示滑塊與導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.01，式(1)中：

Fa=ma=1 000 N

其中:m表示裝備質(zhì)量(kg)，m=10 000 kg，裝備加速度(m/s2)，a=0.1 m/s2.

2.1.2裝備驅(qū)動功率N驅(qū).

N驅(qū)=F運(yùn)V/η=588 W

其中:F運(yùn)表示裝備運(yùn)行阻力(N)，F(xiàn)運(yùn)=2 000 N，V表示裝備運(yùn)行速度(m/s)，V=0.25 m/s，η表示傳動效率，η=0.85.

2.1.3龍門行走驅(qū)動電機(jī)的選擇與校核

1)行走驅(qū)動電機(jī)的選擇.根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，內(nèi)龍門兩側(cè)各有一電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)數(shù)目m=2，安全系數(shù)k=2.0，

N電=kN運(yùn)/m=558 W.

選擇電機(jī)額定功率1 kW，額定轉(zhuǎn)矩Te=3.2 N.m，轉(zhuǎn)速ne=3 000 r/min.

2)減速器速比i的確定與選型.

i=nemax/nmax=33,

其中:nemax表示電機(jī)最大旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(50 Hz時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速)，nemax=3 000 r/min，nmax表示裝備最大運(yùn)行速度時(shí)齒輪轉(zhuǎn)速(rpm)，

nmax=Vmax/(πd)=90.99 rpm,

其中:Vmax表示裝備最大運(yùn)行速度(m/min)，Vmax=15 r/min;D表示齒輪分度圓直徑(mm)，D=0.052 5 m，選擇減速器傳動比i=30，額定輸出扭矩為311 Nm，額定輸入扭矩為10.37 Nm.

3)電機(jī)的校核計(jì)算.裝備各工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，所需電機(jī)輸出扭矩，

T=kFD/(2iηm)=2.01Nm

其中:k表示安全系數(shù)，k=2.0;F運(yùn)表示裝備運(yùn)行阻力(N)，F(xiàn)運(yùn)=2 000 N;D表示齒輪分度圓直徑(mm)，D=0.052 5 m;η表示行走機(jī)構(gòu)的傳動效率，η=0.85;i表示行走機(jī)構(gòu)傳動比，i=30;m表示驅(qū)動電機(jī)數(shù)目，m=2;TeH表示電機(jī)額定輸出扭矩，TeH=3.2 Nm.外龍門行走及外龍門動力機(jī)械手電機(jī)及減速器的選型計(jì)算與內(nèi)龍門行走電機(jī)及減速器選型方法類似.

2.2內(nèi)龍門機(jī)械手制動裝置、及定位傳感器的選型

內(nèi)龍門機(jī)械手是無動力的機(jī)械手，但在預(yù)裝配時(shí)，調(diào)整好位姿后用手抓抓取C型槽再安裝待裝配部件，并長期保持，故機(jī)械手各自由度需要設(shè)計(jì)抱緊裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械手位置固定，根據(jù)負(fù)載計(jì)算并考慮到成本，機(jī)械手水平自由度受力較小選用電磁離合器進(jìn)行掉電抱閘，但對于豎直方向的自由度，當(dāng)所掛部件達(dá)到150 kg時(shí)需要的抱閘力很大，故采用類似電梯的夾緊器來進(jìn)行抱閘.由于內(nèi)龍門機(jī)械手的運(yùn)動動力來自于外龍門機(jī)械手，故系統(tǒng)正常工作的前提是外龍門主動機(jī)械手能準(zhǔn)確操作內(nèi)龍門機(jī)械手需要移動的自由度，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中機(jī)械手位置對準(zhǔn)采用電機(jī)編碼器反饋位置及超聲波傳感器測量綜合來實(shí)現(xiàn).

3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)組成

結(jié)合整個控制系統(tǒng)需求及現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)分布式的控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)分為上位機(jī)及觸摸屏、外龍門控制系統(tǒng)(主)、內(nèi)龍門控制系統(tǒng)(從)三大部分構(gòu)成.控制系統(tǒng)之間采用總線通信.控制器與伺服電機(jī)驅(qū)動器之間也要求總線通信以方便現(xiàn)場布線，控制系統(tǒng)要完成本系統(tǒng)所有電機(jī)控制，傳感器信息讀取及抱閘裝置的控制及其他系統(tǒng)所需功能.

3.2控制總體方案

控制系統(tǒng)總體方案示意如下圖2所示.

圖2　預(yù)裝配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure schematic of preassembly control system

3.3各部分關(guān)系說明

外龍門控制柜：主要控制外龍門14套伺服及本龍門IO;內(nèi)龍門控制柜：含2套內(nèi)龍門伺服及本內(nèi)龍門IO.所有主從站之間采用Ethernet總線通信.控制器與驅(qū)動器之間也為總線連接方式.方便接線.控制系統(tǒng)如圖3所示.

圖4　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Software architecture

圖3　控制系統(tǒng)連接示意圖Fig.3　Control system connection schematic

3.4龍門機(jī)械手位置檢測說明

3.4.1龍門行走安全防護(hù)每個龍門左右極限位置均有漫反射光電開關(guān)，保證龍門架運(yùn)行時(shí)安全.

3.4.2機(jī)械手運(yùn)動安全防護(hù)外龍門機(jī)械手推動內(nèi)龍門的機(jī)械手運(yùn)動，采用安全措施來保證運(yùn)動安全.

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要由PLC下位軟件、觸摸屏操作監(jiān)控軟件及上位機(jī)規(guī)劃、管理軟件三部分組成.軟件系統(tǒng)組成如下圖4所示.

4.2自動規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)

軟件規(guī)劃的目標(biāo)是在內(nèi)龍門的189個機(jī)械手中找到多組手抓懸掛C型槽實(shí)現(xiàn)待裝配裝備的所有部件均能通過這些C型槽進(jìn)行預(yù)裝配，同時(shí)不能有干涉.這個問題可以看成一個避障礙的路徑規(guī)劃問題，本系統(tǒng)采用廣度優(yōu)先的搜索算法，搜索路徑，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來獲取全局最優(yōu)規(guī)劃路徑.具體算法如下圖5所示.

5結(jié)論

根據(jù)大型裝備的預(yù)裝配需求設(shè)計(jì)了一套分布式控制的預(yù)裝配控制系統(tǒng)，并應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及廣度優(yōu)先的搜索算法對預(yù)裝配進(jìn)行整體規(guī)劃.該系統(tǒng)配置靈活，控制及調(diào)試方便，可重復(fù)應(yīng)用，滿足不同需求，極大的降低了廠家生產(chǎn)大型復(fù)雜裝備預(yù)裝配的成本，具有很大的推廣價(jià)值.

圖5　全局預(yù)裝配路徑規(guī)劃流程圖Fig.5　The whole assembly path planning process

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責(zé)任編輯：時(shí)凌

The Design of Distributed Control System for Large Equipment Preassembly

LI Ying1，WU Xue1，SUN Chaoyu1，LI Dongjing2，3*

(1.CRRC TANGSHAN CO.,LTD,Tangshan 063000,China;2.School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University,Beijing 100191, China;3.School of Information and Electrical Engineering,Hubei University of Science and Technology,Xianning,437100,China)

Abstract：A preassembly mechanical system is designed to meet the large equipment preassembly requirement.According to the requirement of the preassembly,we calculate and select suitable motor and reducer, and complete the design of a distributed control system that meets the requirements.We design and develop the software modules according to the system functional requirements.Finally we use the neural network and breadth first search algorithm to complete the overall path planning of the preassembly to guide the preassembly work of the whole set of equipment.This system is the first domestic reusable large equipment preassembly system,which has many advantages such as flexible configuration,comprehensive function,good reusability,reliable control.

Key words：preassembly;distributed control system(DCS);path planning;breadth first search(BFS);neural network (NN)

收稿日期：2016-01-18.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305008);中車集團(tuán)項(xiàng)目(5212302-X325).

作者簡介：李瑩(1980- )，男，碩士生，主要從事裝配工藝自動化的研究；*通信作者：李東京(1978- )，男(土家族)，博士,講師，主要從事工業(yè)機(jī)器人研究.

文章編號：1008-8423(2016)01-0113-05

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.028

中圖分類號：TP242.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A