工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

潘尚潔，趙 璐，王 哲，傅 浩

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

潘尚潔，趙 璐，王 哲，傅 浩

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

分析傳統(tǒng)物料配套模式中存在的不足，通過軟硬件集成，搭建工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)。系統(tǒng)提出了基于自動倉儲系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)化料箱的定制化存儲模式，實現(xiàn)了總裝物料的自動存取；提出基于物料特征屬性組合的工序級物料匹配算法，實現(xiàn)依據(jù)工序物料需求的智能匹配；建立任務(wù)指令執(zhí)行隊列機(jī)制和依據(jù)指令相對關(guān)系的多執(zhí)行策略動態(tài)選擇機(jī)制，實現(xiàn)物料的快速揀選及配套。工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)的應(yīng)用有效保障了物料配套的及時性、準(zhǔn)確性和便捷性。

物料配套；定制化存儲；特征屬性匹配；動態(tài)執(zhí)行策略

0 引言

衛(wèi)星總裝是根據(jù)設(shè)計與工藝要求，將所有部組件和儀器設(shè)備組裝成為完整艙體的過程[1]?？傃b工藝是開展總裝工作的主要依據(jù)，總裝工序是總裝過程中開展計劃編排、物料配套和操作實施的最小管理單元[2]。物料信息是工序級總裝的重要組成部分[3]，涵蓋當(dāng)前工序?qū)嵤┑娜课锪闲枨?。物料配套是依?jù)物料需求，完成總裝工序所需物料的齊備過程[4]，物料配套完成是總裝工序開展實施的重要前提之一。

衛(wèi)星總裝過程中涉及到的物料主要包括儀器、直屬件、熱控元器件和標(biāo)準(zhǔn)件等四大類，單顆衛(wèi)星總裝物料數(shù)量達(dá)數(shù)萬件，分散于上千道總裝工序中[5]。在傳統(tǒng)的物料配套模式下，庫房管理員定期盤查在庫物料信息，按照工序需求進(jìn)行物料配套。該模式下開展的物料配套工作在時效性、準(zhǔn)確性和便捷性等方面均存在一定不足。隨著我國衛(wèi)星研制規(guī)模不斷擴(kuò)大，研制模式逐漸由單件試制生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榕炕a(chǎn)[6]，多星并行總裝成為常態(tài)，傳統(tǒng)的物料配套模式已經(jīng)成為影響衛(wèi)星總裝實施效率的瓶頸環(huán)節(jié)。

本文結(jié)合多星并行總裝模式下的物料配套需求，通過對物料管理信息系統(tǒng)、自動化倉儲設(shè)備、多自由度機(jī)械臂、物料傳送設(shè)備、自動檢測設(shè)備等軟硬件集成，搭建了工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)，以提升衛(wèi)星總裝物料配套效率和規(guī)范性。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)由物料信息管理子系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、倉儲子系統(tǒng)、揀選子系統(tǒng)和傳送子系統(tǒng)五個部分組成。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

物料信息管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)總裝物料臺賬管理，并依據(jù)工序物料需求匹配在庫物料。系統(tǒng)依據(jù)匹配關(guān)系自動生成并下發(fā)配套業(yè)務(wù)指令，同時按指令執(zhí)行結(jié)果更新物料配套狀態(tài)及庫存狀態(tài)。

中控系統(tǒng)負(fù)責(zé)配套業(yè)務(wù)指令解析，按最小等待時間間隔制定執(zhí)行策略，順序?qū)⒉僮髦噶罘职l(fā)到各個子系統(tǒng)。中控系統(tǒng)對各個子系統(tǒng)的執(zhí)行狀態(tài)和結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測，對系統(tǒng)異常進(jìn)行預(yù)警和處理。

倉儲子系統(tǒng)負(fù)責(zé)物料的存儲。系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)化料箱開展物料的定制化存儲，依據(jù)物料屬性和料箱狀態(tài)智能分配物料存儲位置，并配合其他子系統(tǒng)開展物料自動存取工作。

揀選子系統(tǒng)和傳送子系統(tǒng)是重要的末端執(zhí)行子系統(tǒng)，按照各自獲取的操作指令完成對應(yīng)配套物料的出入庫揀選和傳送工作，并將操作指令執(zhí)行過程和結(jié)果信息反饋至中控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計

2.1 基于標(biāo)準(zhǔn)化料箱的自動存取

標(biāo)準(zhǔn)化料箱是總裝物料存儲的最小載體，按物料存儲需求分為大、中、小三種類型。標(biāo)準(zhǔn)化料箱由結(jié)構(gòu)主體、組合邊框、防靜電內(nèi)襯和位置條碼四部分組成。結(jié)構(gòu)主體采用一體化成型方式制作，在箱口邊緣安裝組合式邊框，滿足強(qiáng)度提升、自動抓取定位、與抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合等三方面需求。防靜電內(nèi)襯實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)化料箱內(nèi)部的全包圍防護(hù)。位置條碼是標(biāo)準(zhǔn)化料箱存放位置的唯一標(biāo)識。

標(biāo)準(zhǔn)化料箱的位置條碼信息由貨柜號、托盤號和托盤內(nèi)位置編號組成，每一個標(biāo)準(zhǔn)化料箱均對應(yīng)自動化貨柜內(nèi)部唯一的存儲位置，每一個存儲位置均安裝機(jī)械導(dǎo)向及限位裝置，料箱存放位置偏差小于±5mm，確保與抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的相對位置精度。存儲位置與標(biāo)準(zhǔn)化料箱需同步設(shè)定或變更。

標(biāo)準(zhǔn)化料箱按用途分為配套料箱和非配套料箱兩大類。配套料箱用于存放某一個工序配套的各類總裝物料，一個配套料箱可以存放多種類型的多件總裝物料，一個工序?qū)?yīng)一個或多個配套料箱。非配套料箱用于存放一件或多件同一類型總裝物料。在物料入庫和配套過程中，標(biāo)準(zhǔn)化料箱采用自動分配為主，手動選取為輔的分配方式，具體分配機(jī)制如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖2 料箱分配機(jī)制

2.2 基于特征屬性組合的智能配套

衛(wèi)星總裝物料對象按屬性值和屬性數(shù)量差異可以歸為不同類型Ci（i∈N），主要包括儀器、直屬件、熱控元器件和標(biāo)準(zhǔn)件四大類。每一類總裝物料分別包含了名稱、代號、規(guī)格、技術(shù)條件、編號等多類屬性[7]。同種類型物料的屬性包含于屬性集Aj（j∈N），其中某一最小子集A,k（k∈N，k＜j）能夠使某一物料對象區(qū)別于其他同類物料對象，該屬性組合稱為物料特征屬性組合，衛(wèi)星各類總裝物料特征屬性組合如表1所示。

表1 各類總裝物料特征屬性組合

具有相同特種屬性組合的某一物料對象M因物料批次、入庫時間等屬性不同在物料臺賬中形成多條物料記錄Md(i)（i∈N），每一條物料記錄對應(yīng)著不同的物料數(shù)量Nd(i)（i∈N）。

設(shè)定在某一衛(wèi)星總裝工序內(nèi)包含有m個物料對象需求（m∈N），通過對特征屬性值和物料需求數(shù)量進(jìn)行自動抽取，可以獲得該工序的物料需求集，具體表示如下：

其中nm為某一物料對象的需求數(shù)量，為該物料對象的特征屬性值集合。在物料配套過程中，依據(jù)A'k(m)在物料庫內(nèi)依次開展精確匹配遍歷，獲得物料記錄集（Md(1)，Md(2)，…，Md(i)），并按照工序物料數(shù)量需求nm分配物料數(shù)量。在獲得的物料記錄集內(nèi)，若SUM（Nd(j)≥nm）=1，(j≤i)，則對該物料記錄進(jìn)行優(yōu)先配套；若SUM（Nd(j)≥nm）＞1，(j≤i)，則對物料記錄生成時間最早的記錄進(jìn)行優(yōu)先配套；若SUM（Nd(j)≥nm）＜1，（j≤i），則按入庫時間升序依次進(jìn)行配套，直至滿足nm數(shù)量要求。

2.3 基于配套指令的自動揀選與傳送

配套指令分為業(yè)務(wù)指令和操作指令兩大類。業(yè)務(wù)指令在進(jìn)行物料信息匹配后由物料信息管理子系統(tǒng)生成并發(fā)送給中控系統(tǒng)，主要包含了工序、物料和存儲位置間的對應(yīng)關(guān)系信息。操作指令是中控系統(tǒng)依據(jù)業(yè)務(wù)指令分解后形成的可用于各個子系統(tǒng)操作執(zhí)行的指令，主要包含了操作類型、操作位置和操作策略信息。

在某一個工序級物料配套過程中，可能包含多類、多件物料的多個配套業(yè)務(wù)指令，而多個業(yè)務(wù)指令以指令集的形式存在。每一個業(yè)務(wù)指令集為一個整體，指令集內(nèi)的全部業(yè)務(wù)指令完成才表示該工序級物料配套工作完成。每一個業(yè)務(wù)指令T均包含了多個指令參數(shù)，具體定義如下：

業(yè)務(wù)指令內(nèi)各個參數(shù)的定義如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)操作指令參數(shù)定義

圖3 指令對應(yīng)關(guān)系

每一個業(yè)務(wù)指令均對應(yīng)著兩類操作指令，即料箱出庫操作指令和料箱回庫操作指令，而每一類操作指令又對應(yīng)著各個子系統(tǒng)不同類型的操作指令，需要通過各個執(zhí)行子系統(tǒng)之間配合完成。中控系統(tǒng)接收到業(yè)務(wù)指令后，對指令集中的業(yè)務(wù)指令進(jìn)行逐條解析，按照倉儲子系統(tǒng)、揀選子系統(tǒng)和傳送子系統(tǒng)的工作需求分別編制不同的操作指令。各子系統(tǒng)的操作指令與業(yè)務(wù)指令之間的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

工序級物料配套業(yè)務(wù)指令集的執(zhí)行具有完整性要求，在不同指令集之間，指令執(zhí)行按照指令集下發(fā)的時間順序開展，而在同一指令集內(nèi)，對原本按照時序排列的業(yè)務(wù)指令依據(jù)最小等待時間間隔原則建立新的任務(wù)指令執(zhí)行隊列，并根據(jù)隊列內(nèi)前后項任務(wù)指令的相對關(guān)系動態(tài)選擇不同的執(zhí)行策略，進(jìn)而形成工序級物料配套指令的整體執(zhí)行策略，具體如圖4所示。

倉儲子系統(tǒng)與揀選子系統(tǒng)在料箱揀入與揀出過程中，因軟、硬件響應(yīng)速度差異造成的操作等待是影響系統(tǒng)操作指令執(zhí)行效率的主要因素，也是建立任務(wù)指令執(zhí)行隊列時需要優(yōu)先解決的問題。任務(wù)指令執(zhí)行隊列主要依據(jù)兩大規(guī)則建立：規(guī)則一，涉及相同貨柜編號Nc和托盤編號Np的指令集中排列。規(guī)則二，涉及相同貨柜編號Nc和不同托盤編號Np的指令穿插排列。任務(wù)指令執(zhí)行隊列在執(zhí)行過程中采用先入先出的原則。

系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)指令列表內(nèi)前后項指令間的相互關(guān)系，制定了三種執(zhí)行策略。策略一，前后項指令間的貨柜編號Nc和托盤編號Np完全相同時，一次托盤出庫，連續(xù)完成料箱的揀入與揀出。策略二，前后項指令間的貨柜編號Nc不同時，并行觸發(fā)不同貨柜的托盤回庫和托盤出庫，連續(xù)完成料箱的揀入和揀出。策略三，前后項指令間的貨柜編號Nc相同而托盤編號Np不同時，交替觸發(fā)托盤出庫、料箱揀入或揀出、托盤回庫等操作。執(zhí)行策略需要在指令隊列執(zhí)行過程中進(jìn)行動態(tài)選擇。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)以中控系統(tǒng)為核心，不僅完成了總裝物料信息管理系統(tǒng)的建設(shè)與信息集成，同時實現(xiàn)了對自動化貨柜、多自由度機(jī)械臂、抓取裝置、傳送裝置、位姿調(diào)整裝置、激光檢測裝置、條碼掃描裝置、紅外檢測裝置、門禁裝置、狀態(tài)監(jiān)控與展示設(shè)備等多類硬件設(shè)備與裝置的集成控制。

系統(tǒng)實現(xiàn)了對全部總裝物料的管理，通過建立虛擬倉庫的方式實現(xiàn)了對物料存儲狀態(tài)和料箱在庫狀態(tài)的實時監(jiān)控。系統(tǒng)依據(jù)總裝工序物料需求，自動完成后工序級在庫物料信息的智能匹配。

圖4 操作指令執(zhí)行策略

系統(tǒng)的各類硬件中，除自動化貨柜通過IP/TCP協(xié)議與中控系統(tǒng)進(jìn)行通信外，其他硬件均直接與中控系統(tǒng)的運(yùn)動控制器連接。自動化貨柜具有托盤探出機(jī)構(gòu)，可以保證托盤內(nèi)料箱均能探出貨柜本體，而每一個托盤內(nèi)均安裝了料箱定位裝置。多自由度機(jī)械臂底部裝有長距離移動導(dǎo)軌，可以在多臺自動化貨柜間移動。機(jī)械臂前端安裝抓取機(jī)構(gòu)和檢測裝置，滿足多種規(guī)格料箱的精確抓取要求。傳送裝置為環(huán)形布局，采用分段式控制的方式，可以滿足多個料箱并行出、回庫的精確控制。

4 結(jié)束語

工序級衛(wèi)星總裝物料自動配套系統(tǒng)建設(shè)完成后，不僅在物料配套的時效性和準(zhǔn)確性方面有了大幅提升，同時可以滿足無庫房管理人員狀態(tài)下的自主配套出庫需求，為衛(wèi)星總裝工作的順利開展提供了有力保障。

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The design and implementation of material supporting automation system for process assembly on satellite

PAN Shang-jie, ZHAO Lu, WANG Zhe, FU Hao

圖5 系統(tǒng)布局

TP23

：B

：1009-0134(2017)05-0139-05

2017-03-16

潘尚潔（1984 -），男，河北人，工程師，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星總裝技術(shù)支持工作。