雙臂空間機器人在數(shù)字化車間智能制造中的應用

陳欣歡，常 輝，李能菲

（安徽職業(yè)技術學院機電工程學院,安徽 合肥 230011）

制造企業(yè)的生產(chǎn)車間正向著數(shù)字化方向發(fā)展，為了提升生產(chǎn)線運行的穩(wěn)定性，需要在數(shù)字化車間內(nèi)應用機器人進行智能化作業(yè)[1]。機器人的應用既解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下時間精力消耗較大的問題，又可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)數(shù)字控制生產(chǎn)線向數(shù)字化和智能制造的模式發(fā)展[2]。機器人作為數(shù)字化車間智能制造的核心，不同類型的機器人工作模式具有較大差異，將其應用到數(shù)字化生產(chǎn)線上，有利于智能制造技術的創(chuàng)新設計。文獻[3]以寧夏煤機裝備制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀為基礎，明確智能制造發(fā)展路線，根據(jù)寧夏煤機裝備制造業(yè)存在的問題，提出了智能制造技術路徑和發(fā)展建議，但該方法應用后企業(yè)生產(chǎn)效率較低。文獻[4]深入解讀“智能+”時代發(fā)展特點，將該技術與制造企業(yè)數(shù)字化車間實際情況相結(jié)合，提出了一種新的智能制造技術。按照企業(yè)生產(chǎn)流程構(gòu)建云制造架構(gòu)，基于該云制造體系，結(jié)合“智能+”技術進行創(chuàng)新，從協(xié)調(diào)發(fā)展的角度提出智能制造發(fā)展模式，但該制造模式需要耗費較大的成本。文獻[5]以鋼鐵行業(yè)為例，提出了智能制造的發(fā)展路徑。通過智能產(chǎn)線的建設，匯總傳統(tǒng)產(chǎn)線智能化制造技術的應用現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)字化空間發(fā)展特性建立智能化模型，以適應車間智能制造的發(fā)展，但該技術的應用拓展性較差，實際應用效果會受到較多外界影響因素的干擾。參考上述智能制造技術，作者將雙臂空間機器人應用于數(shù)字化車間，設計新的智能制造技術。雙臂空間機器人具有惡劣環(huán)境適應力較強的特點，結(jié)合協(xié)調(diào)控制工作算法，應用機器人對目標物料進行高精度抓取和放置，實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的有效提升。

1 基于雙臂空間機器人的數(shù)字化車間智能制造技術設計

1.1 構(gòu)建雙臂空間機器人動力模型

作者將雙臂空間機器人應用于數(shù)字化車間智能制造設計[6]，采用平面四自由度的雙臂空間機器人，其整體模型如圖1所示。

圖1 雙臂空間機器人模型圖

1.2 設計雙臂協(xié)調(diào)運動控制算法

上述基于雙臂空間機器人工作原理得到的慣性動力學方程，按照模糊基函數(shù)網(wǎng)絡設計機器人末端爪手協(xié)調(diào)運動控制算法。通過手眼相機測量機器人坐標系，分析其與機器人末端坐標系之間的位姿偏差[9]。將預先設定的閾值與位姿偏差計算結(jié)果相比，實現(xiàn)雙臂空間機器人的高精度運動時效內(nèi)目標成功捕獲。當相對位姿偏差值大于設定閾值時，則表明機器人抓取目標超出負載能力，將超出部分以數(shù)據(jù)的形式傳送至末端速度規(guī)劃器，生成最佳抓取路徑。

根據(jù)規(guī)劃路徑的機器人末端爪手運動速度，利用自主奇異回避算法獲取機器人每個關節(jié)的期望角速度。在機器人各個關節(jié)處添加PD控制器，生成雙臂空間機器人工作過程中期望關節(jié)力矩[10]。將其作為雙臂空間機器人的輸入?yún)?shù)，獲取輸出的關節(jié)變量，并將其轉(zhuǎn)化為機械臂末端位姿。添加關節(jié)控制器后，采用微分形式獲取機械臂末端運動速度，可得出：

1.3 建立數(shù)字化車間物料調(diào)度方案

在數(shù)字化車間智能制造技術設計過程中，通過上述算法實現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)運動控制，實施一個帶時間窗的物料調(diào)度方案。該方案屬于VRP形式，針對其中帶能力約束的VRP進行研究，采用遺傳算法求解物料調(diào)度方案的最優(yōu)解。

在數(shù)字化車間內(nèi)，通過染色體編碼的方式得到初始物料調(diào)度方案。并對每個加工工位添加時間窗，按照加工時間順序，從前到后進行物料配送。明確數(shù)字化車間內(nèi)每個工位與物料存儲區(qū)域的相對關系，設計按照工位順序配送的調(diào)度方案。采用實數(shù)編碼方式，描述遺傳算法求解的配送路徑?？紤]到車間內(nèi)工位的具體數(shù)量，明確機器人數(shù)量，生成初始種群。由于車間內(nèi)每一個基因位之間均存在一定聯(lián)系，初始種群的生成需要使染色體滿足部分約束條件。所形成的染色體數(shù)量為N的初始種群，如圖2所示。

圖2 初始種群

以圖2所示的遺傳算法初始種群為基礎，利用適應度函數(shù)，判斷初始種群內(nèi)染色體的好壞。適應度計算結(jié)果越大，則表明該染色體的質(zhì)量更佳，該數(shù)字化車間物料調(diào)度方案更符合企業(yè)生產(chǎn)要求。根據(jù)適應度函數(shù)獲取多個個體的適應度值，將其中計算結(jié)果較低的種群個體去除，留下適應度值較高的個體，將其遺傳至下一代，完成遺傳算法中的優(yōu)勝劣汰操作。在圖2所示的初始種群中添加有效性檢驗算法，確保種群內(nèi)包含的個體具有較高的有效性。然后對數(shù)字化車間物料調(diào)度方案進行交叉變異處理，將新的不符合要求的個體去除，獲取符合約束限制的適應度函數(shù)。

分析上述遺傳和交叉處理后的數(shù)字化車間物料調(diào)度方案，計算物料配送所需的時間，當上述選定調(diào)度方案的配送時間滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求后，選擇合適的個體，根據(jù)選定的個體生成新的車間物料調(diào)度方案。

1.4 制訂智能制造技術實施計劃

根據(jù)上述研究，明確數(shù)字化車間內(nèi)雙臂空間機器人的應用，設計智能制造新模式，并為此制定實施計劃。考慮到智能制造技術的實施，涉及多種技術和內(nèi)容，智能制造技術的實施需要耗費較長的周期。所以文中對實施目標進行逐級分解，實現(xiàn)高效率智能制造技術的設計。

實施雙臂空間機器人數(shù)字化車間智能制造技術是一項長遠的任務，從整體上分析，按照從點到線、從內(nèi)到外的方式制定技術實施的路線。以雙臂空間機器人為基礎，實現(xiàn)生產(chǎn)物料配送向數(shù)字化車間智能化發(fā)展。根據(jù)智能制造技術的發(fā)展路線，從設計到制造，從車間現(xiàn)場到企業(yè)管理，從訂單接收到產(chǎn)品生產(chǎn)時間，實現(xiàn)硬件、軟件相結(jié)合的全方位智能制造技術升級。

在實際應用過程中，基于企業(yè)實際發(fā)展情況和數(shù)字化車間建設狀態(tài)，制定相關智能制造技術發(fā)展目標。以提升產(chǎn)品質(zhì)量為核心，確定設計的智能制造技術初步實施方案。按照數(shù)字化車間智能制造技術的發(fā)展要求，將該技術的實施劃分為三個階段，即：雙臂空間機器人的初步應用，智能化生產(chǎn)車間的發(fā)展，數(shù)字化車間智能制造技術的發(fā)展成熟。從而實現(xiàn)雙臂空間機器人在數(shù)字化車間智能制造中的應用。

2 算例分析

為了驗證文中提出技術的應用性能，選擇某高端液壓元件制造企業(yè)作為研究對象，該企業(yè)主要生產(chǎn)液壓系統(tǒng)元件。為了提升企業(yè)生產(chǎn)效率，2019年建設了數(shù)字化車間，并應用了雙臂空間機器人優(yōu)化智能制造技術。作者分析了設計的智能制造技術的應用效果。

2.1 數(shù)字化車間的整體布局

高端液壓元件制造企業(yè)的數(shù)字化車間整體布局如圖3所示，車間由智能倉儲區(qū)域、1條清洗線、1條總裝線以及2條部裝線共同構(gòu)成。其中，智能倉儲區(qū)域內(nèi)的物料存放加工具備自動化特點，部裝線和總裝線內(nèi)的人工工位分別為1個和4個，滿足車間生產(chǎn)需求。

圖3 數(shù)字化車間的整體布局

在數(shù)字化車間內(nèi)，物料配送是生產(chǎn)線上部件生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，以工位為中心、工裝板為單位進行物料的實時精準投放，是企業(yè)生產(chǎn)的核心?？紤]到每個工位分別對應一個固定的倉儲區(qū)域，為了保證生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)拍符合要求，需要根據(jù)不同工位的物料需求進行配送。若某工位的物料投放不符合生產(chǎn)需求，會造成工裝板堆積，生產(chǎn)線出現(xiàn)問題。因此，作者應用智能制造技術將雙臂空間機器人應用于車間。

2.2 智能制造技術的實施

實施設計的智能制造技術需要三個環(huán)節(jié)，即：項目準備、項目實施和項目驗收。其中，項目準備環(huán)節(jié)的任務是成立技術實施組織，形成符合生產(chǎn)要求的實施方案。為了促進智能制造技術的應用，生成圖4所示的項目組織架構(gòu)圖。

圖4 項目組織架構(gòu)圖

高端液壓元件制造企業(yè)要實施智能制造技術，首先企業(yè)高層負責人要成立項目決策委員會，由部門經(jīng)理和生產(chǎn)總監(jiān)組成項目管理部門和質(zhì)量監(jiān)督部門，再將智能制造技術主要設計人員組成顧問團隊，結(jié)合業(yè)務部、技術部等部門，加強雙臂空間機器人的應用管理。

將雙臂空間機器人應用到數(shù)字化車間智能制造中，根據(jù)雙臂抓持載荷和機器人動力學模型，建立圖5所示的雙臂協(xié)調(diào)控制原理圖。

圖5 雙臂協(xié)調(diào)控制原理圖

深入分析閉鏈的幾何運動約束關系和內(nèi)力平衡關系，結(jié)合提出的雙臂協(xié)調(diào)控制算法獲取各關節(jié)控制力矩陣以及關節(jié)運動參數(shù)，根據(jù)控制原理控制機器人機械臂的運動，使其符合企業(yè)生產(chǎn)物料抓取、放置要求。將雙臂空間機器人應用期限設置為 1個月，然后對智能制造技術的應用效果進行驗收，驗證設計技術的實施效果。

2.3 應用結(jié)果分析

智能制造技術應用結(jié)果分析，以產(chǎn)品質(zhì)量為評價指標，計算一個月內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率，將計算結(jié)果與文獻[3]、[4]提出的智能制造技術應用結(jié)果進行對比，確定應用雙臂空間機器人后高端液壓元件制造企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6 企業(yè)產(chǎn)品良品率對比

根據(jù)圖6可知，應用設計的智能制造技術后，企業(yè)液壓缸、液壓閥、葉片泵、液壓馬達和柱塞泵五類產(chǎn)品的良品率均高于文獻[3]、[4]。根據(jù)圖6進行計算，得到表1所示的平均產(chǎn)品質(zhì)量對比數(shù)據(jù)。

表1 不同技術實施后平均良品率對比

根據(jù)表1可知，實施雙臂空間機器人數(shù)字化車間智能制造技術后，企業(yè)的平均良品率為96.52%，相比其他兩種技術，企業(yè)的良品率提升了10.42%和16.45%，達到了提升企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的目的。通過本文的研究，將雙臂空間機器人應用到數(shù)字化車間智能制造中，能促進智能制造企業(yè)的快速發(fā)展。

3 結(jié)束語

以數(shù)字化車間為基礎，應用雙臂空間機器人設計智能制造技術，根據(jù)雙臂空間機器人的動力模型和協(xié)調(diào)控制算法，實現(xiàn)車間內(nèi)物料的合理抓取和放置。結(jié)合車間物料調(diào)度方案，按照實施計劃，車間智能制造技術逐漸趨向成熟，促進了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。雖然研究的智能制造技術達到了較好的應用效果，但是由于研究深度不夠，使得該項技術的應用還存在一定限制，未來可以融合信息管理技術進一步完善該智能制造技術。