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附录X 译文
基于AGV的机器人装配系统的布局配置、维护规划和仿真
摘 要
本文介绍了西门子工厂仿真软件开发的一套模块，该软件基于AGV的材料处理的机器人装配系统模型创建，并支持生产和维护计划。布局规划模块从预定义的组件集创建布局。区域分析器和跟踪配置器模块映射布局中的空闲区域并创建AGV轨道。维护计划模块优化系统的维护计划。生产控制模块则创建生产计划并执行集成维护和生产模拟仿真。
关键词:装配机器人；自动导向车辆；配置；遗传算法；维护工程；多目标优化；概率仿真；可靠性分析；行程安排
1.介绍
目前的离散事件模拟(DES)工具使复杂的制造系统仿真模型的交互创建成为可能。然而，系统地创建仿真模型替代方案及其评估需要大量的精力、专业知识和时间。此外，生产过程和维护事件的综合模拟使建模更加复杂。本文提出了一套新的集成模块，作为西门子工厂模拟软件工具中的附加功能，支持仿真模型的快速系统创建和评估。这些发展的目的是为现有的机器人装配系统建立一套建模工具，该系统由一套有限的机器人、装配站、自动引导车辆(AGV)以及人类工人组成。更具体地说，其目的是：首先支持装配系统的布局规划或重新配置，以及生产和维护规划，其次是创建离散事件仿真模型，以便通过生产和维护活动的模拟来评估配置的装配系统。
现有的要建模的装配系统由装配单元和一个或多个AGV 组成，它们将货物放在电池与输入输出缓冲器之间的托盘上。每个装配单元由一个或多个表、一个或多个拾取机器人和/或一个或多个工人组成。 每个表包含一个或多个固定装置，以容纳部件或完成的产品。产品由机器人或人类工人组装。AGV的运动是以AGV在预定轨道路径上移动的方式建模的。 模型工具集由五个模块组成：布局规划模块、区域分析器模块、轨道配置模块、生产控制模块和维护计划 模块。
2.布局规划模块
布局规划(配置器)模块编写装配系统仿真模型，并为生产控制(PRC)模块和维护规划(MP)模块提供数据。在设计过程中，用户可以从预设的模板中构建模型，然后根据需要来扩展或修改它们，从而创建完整的自定义布局。在此之前，Haraszko等人(2015)创建了一个能够使用布局模板自动创建DES模型的制造系统配置器。Popovics等人(2012)提出了建立物理组件和控制逻辑仿真模型所需的数据。我们系统中的模型是根据包含可用设备数据的输入库构建的;用户在使用该库之前需要填充该库。。
装配系统的部件根据其在系统中的位置和功能分为两大类。只属于一个单元格的项是表、固定装置、机器人、机器钳夹和缓冲区。属于多个单元的元素称为系统级组件;这些是AGV的停车点以及输入和输出存储区(分别在仿真模型中的源和排水)。在模块中，组件被提供了颜色编码，以方便它们的区分。在使用配置器时，用户需要通过图形用户界面(GUIS)输入所有必要的信息。
在机器人装配系统设计的第一步，需要对系统进行布局设计。制定了两个层次的布局规划方法。在第一个级别，用户创建组装单元的排列。然后在第二级，可以进一步配置每个单元的内容。要创建单元安排，用户可以从五个预定义的布局模板中进行选择，或者他可以创建任何自定义安排。布局模板由数量可变的装配单元和固定模式的参数化AGV轨迹组成。在互动过程中(自定义协议)AGV跟踪不同时设计,但是单独的区域分析器模块和跟踪配置器模块可用于这个目的在后面的步骤中(见章节3和4)。通过设置组装细胞的数量和规模非常不同类型的安排可以构建在这个早期阶段。配置程序在建模过程中用它们的轮廓来指定单元格，并为以后的配置放置一个标记对象。在规划自定义布局时，必须将这些标记对象手动放置在草图上以创建新单元格。
放置单元格后，下一步的配置是构建单元格。在装配单元的配置过程中，所有组件都放置在表对象的顶部，并且它们仍然属于该表。在仿真模拟中，只有带有夹具的表单被认为是装配站。建模时，必须为对象在AGV停止的地方选择单独的加载位置。有五种方法来安排表。 机器人和夹具的定位是相互依存的，它们的距离和定位可以交互调整。临时存储（缓冲区）和人力工作站也可以添加到表中。
图1.基本单元放置示图
图1.显示了在第二步中配置的单元的示例。在图中，三个表(黄色矩形)组成一个u形单元格，每个单元格上都有一个固定装置(绿色正方形)。其中两个机器人由一个搬运机器人(小红圈)服务，第三个机器人有一个员工工作场所(右边有白色的人形符号)。每个机器人的工作区域用蓝色的圆圈标记。左边的表也有一个用于工件的缓冲区(蓝色矩形)。由于三个站点都有固定装置，所以每个站点都有一个AGV加载点(带有白色箭头的灰色矩形)。
对于每个布局好的组件，用户必须从组件库中分配一个项，以确保只有预定义的元素被嵌入到系统中。模块跟踪选择的项目。可以删除或修改已配置的单元。
在第三步中，可以重新安排已配置的系统组件。此外，可以将新的组件添加到单元中。通过这两个功能，用户可以创建单元格可选的复杂性和配置;唯一的限制是元素库的大小。在选择了一个组件之后，用户可以单独移动它，或者与它的表一起移动，或者与它的单元一起移动，或者与整个系统一起移动。要添加新组件，用户必须使用专用接口指定其位置(单元格、表)和确切位置。
图2.修改后单元格放置的示图
图2.显示了图1所示的单元格的修改版本。主要的变化是新表的出现。在这个新车站，两个机器人协同工作，共同在一个固定装置中组装零件。在这个阶段，组件已经逐一放入模型中。
为了能够在一个配置好的布局上运行模拟，需要一个模型准备。在此过程中，配置器模块准备一些输出表，这些表将作为PRC和MP模块的输入数据，并收集模型中使用的元素及其连接的列表。在运行模拟之前，可能需要在agv的加载点之间创建传输轨迹。
图3.配置器生成的装配系统布局示例
图3.显示了一个由矩阵网格轨迹连接的三个单元组成的系统。单元有输入(紫色)和输出(淡紫色)存储器;并且为agv提供了一个停车位(深灰色)。连接所有的轨道并执行准备过程后，模型就可以进行仿真了。
3.面积分析模块
在布局规划模块之后使用区域分析器。每当在布局规划模块中创建一个对象时，它都会出现在布局中，但该外观并不总是表示对象的实际大小。由于这个原因，区域分析器是用来搜索的空白空间已配置的制造系统，可用于放置其他对象或作为人员和agv在系统中的路径。
首先，区域分析器获取布局规划模块已经放置的单元及其组件的数据。每个组件都具有与库中的组件一起存储的预定义大小。区域分析器可以将一个扩展为dwg的图形加载到模型的背景中，以指导用户的规划过程。然后，用户指定一个矩形，其两个角的X和Y坐标。区域分析器将在该区域内搜索空闲空间。
然后用户必须指定沿X轴和Y轴的网格间距。agv的控制点将定向到网格定义的矩形中心之一。通过设置它们的宽度，也可以考虑这些agv的大小。这样，面积分析仪使用偏移量，确保每个自由矩形的中心距离任何障碍物都足够远。用户可以添加圆形或矩形的障碍。
接着，面积分析仪可以搜索自由区域。为此，它检查由网格指定的每个矩形，其中心是否由对象占用。如果没有，则标记为自由网格。
图4.装配系统中自由和占用的空间
图4.显示了区域分析器工作的一个示例输出，一个系统布局，其中自由矩形显示为绿色，已占用矩形显示为白色。
搜索结束后，可以以多种方式使用结果。首先，可以显示网格和自由矩形。这将在视觉上指导用户。它还可以将自由矩形的坐标和它们的坐标导出到Excel工作表中，供实际AGV系统的控制系统使用。最后，轨迹配置器模块(参见下一节)可以使用这些自由矩形为agv自动创建轨迹。
4.轨道配置器模块
轨迹配置器可用于在配置的布局中为agv创建轨迹。轨道配置器可以为每一对要连接的点创建一个单向轨道或一个双向轨道。轨道的宽度也可以是集。
轨迹配置器可以从区域分析器获取数据，并在自由矩形的中心之间创建网格型轨迹系统。这个系统将有平行的轨道无论是X轴还是y轴，在这种情况下，还可以指定一个数字(n)，这样，不是每个空闲矩形都被用作轨迹的端点，而是每个第n个矩形。
此模块可用于自动创建一些类型的通用的、完全参数化的轨迹子系统，如直线、矩形、圆、u形轨迹、l形轨迹、并行路径、侧路径、交叉路径及其镜像变体。用户还可以设置音轨配置器，将下一个音轨与任何现有的音轨连接起来。也可以在整个系统或系统中给定的矩形或单元格周围创建轨道圆。
布局规划模块为每个单元创建一条特殊的轨迹。轨道配置器可以连接这些特殊轨道与任何其他轨道。然后，轨道配置器将创建一个轨道从第一个结束到第二个开始，反之亦然。所有这些之后，系统就可以进行仿真了。
5.生产控制模块
生产控制(PRC)模块的任务是在生产系统中执行装配的仿真。布局由布局配置器模块生成，其数据与PRC模块共享。生产过程的模拟包括由维护计划模块生成的计划内和计划外维护事件(参见下一节)。PRC模块也可以在没有维护计划模块的情况下运行。PRC模块可用于模拟给定的生产计划(以下模式)，但它也能够基于给定的要装配的产品数量和类型创建计划(调度模式)。在此调度过程中，模块根据启发式规则进行决策，以确保其可行性。
郑等人(2017)针对文献中发现的相关工作，研究了一个基于水上agv的港口闭环调度问题。他们用混合整数线性规划来解决这个问题。由于生产过程中可能会出现不可预测的故障和维修事件，并且指定的时间是随机的，因此PRC模块在仿真过程中使用启发式规则来调度装配任务。感兴趣的读者可以参考Fazlollahtabar等人(2015)关于优化AGV调度和路由问题方法的综述研究的论文。
PRC模块的输入包括产品的装配说明、夹具的安装表、订单列表(即在调度模式下使用该模块时完成)、进度表(在以下模式下使用该模块时完成)。还可以使用各种设置。
该模块模拟生产如下。每个产品都有特定于该产品的给定数量的调色板。每个调色板可以携带给定数量的给定产品部件集合。集合是组装一个产品所需的所有部件。每个产品可以有任意数量的必备产品，这些产品是子程序集。这些模块必须先装配好，然后才能生产之后可以启动更高级别的产品。每个产品必须有自己的Excel文件和装配说明，包括先决条件。可以为每个产品指定适当的源和排放(输入和输出存储)。在组装产品时，该模块尝试在每个步骤中将每个新部件组装成一个组件。对于每个零件，必须指定以下内容:零件数量，是需要机器人还是需要装配操作员;(三)大会拒绝的概率，拒绝的条件概率为不可救药的拒绝;将一个零件装配成装配件所需时间的平均值和标准偏差，为每个合适的夹具规定。
首先，调色板在合适的源上加载集合，然后传输到单元中的夹具。在程序集中添加新部件，模块总是执行以下操作。在一个部件的装配时间之后，模块确定装配是否导致错误。 如果它是一个可改变的错误，模块再次重试相同的步骤。 如果程序集成为不可纠正的错误，则程序集及其集合将被处理。如果一个零件的装配成功，下一个可以继续。这是重复的，直到组装完成或一个无法纠正的错误的发生。如果需要操作员，模块等待直到有一个免费的操作员可用，然后保留它，并将其调用到夹具。如果需要机器人，模块等待直到夹具的机器人变得自由，然后保留它进行装配。一个零件的装配是在所有需要的东西出现后开始的。完成的产品被放回他们零件的调色板上。然后，调色板准备运输到一个合适的排水沟，在那里产品被卸载。 如果还有未使用的先决条件， 它们可以再次使用。
每次要传输调色板时，模块都会决定传输哪个调色板。这是基于简单的优先级规则，也可以设置。agv有两种类型:有或没有附加的机器人手臂。无论何时将调色板传输到缺少机器人的单元，都只能发送带有机器人手臂的agv。在工厂模拟中有一个内建的AGV路由算法已经被纳入PRC模块。系统中agv的数量可以由用户设置。
PRC模块有一个中央决策程序，称为内核。它可以在时间上周期性地运行，也可以在释放资源或需要某种工作的事件之后运行。第二个选项提供了更准确的结果，但是第一个选项在非常大规模的系统中运行得更快，在这种系统中，事件发生得非常频繁。
模块中有多个进程;每个进程日志数据库中都有一个条目。AGV控制过程检查AGV订单数据库，其中每个面板都有一个条目，并将传输作业分配给AGV。装配导体过程启动装配控制过程，该过程处理特定调色板的所有产品的装配。内核处理这些进程并在它们之间分配设备。通过这种方式，可以假定每个固定装置都被使用，两个进程永远不会使用或等待相同的治具。这个系统可以防止资源死锁。
每当一个固定装置有一个预定的维护事件时，首先在固定装置中执行的组装(如果有的话)完成，在此之后，夹具不能使用，直到维护完成。如果夹具失效，其产品将成为不可修复的废品，夹具在修理过程中不能使用。如果AGV有预定的维护事件，它将无法在指定的修复时间内工作。如果AGV失败，它将等待人员到达并将其推到最近的AGVPool，该AGVPool还没有满。在那之后，AGV在修理期间不能使用。
图5.在一个配置好的布局中运行仿真模拟
图5.显示了在配置的布局中运行的仿真。5个单元上有5个固定装置，每个桌子至少有一个机器人，有一些工作人员。红色的箭头指向其中的一个。左边跑道上的绿色矩形是一个没有机械臂的AGV。左下角的蓝色矩形是一个附带有机械臂的AGV。它们是孵化出来的，这意味着它们携带着一个调色板。单元角上淡棕色的阴影矩形是调色板。绿色矩形(夹具)上的黄色矩形是目前组装的产品。通过这种方式，模块可以在满足标准的任何布局中控制各种产品的组装。它可以遵循给
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