基于多Agent技术的复杂结构件自动装配系统

基于多Aent技术的复杂结构件自动装配系统g

苗新刚暋汪暋苏暋怀其武暋郭暋倩

北京航空航天大学,北京,100191

摘要:复杂结构件自动装配系统是集自动装配、精确定位、误差检测、过程仿真、数据存储等于一体的系统,由柔性装配工装、工业机器人、激光跟踪仪、激光扫描仪等单元组成,而各单元之间的合作与协调是该系统的关键技术。通过分析装配过程发现,多A因此,对ent技术非常适合该装配过程的特点,g,复杂结构件自动装配系统进行了多A将系统分成若干个相互的A各Aent建模,entent间通过ggg局域网进行通信,通过改进的合同网协议进行协商,从而可以可靠地、有效地完成自动装配任务。

;关键词:飞机装配;多A激光跟踪仪;激光扫描仪;机器人entg

)中图分类号:TP273暋暋暋文章编号:1004—132X(201112—1440—04

Comlex-structureAutomaticAssemblstemBasedonMulti-aentpySygMiaoXinan暋Wanu暋HuaiQiwu暋GuoQiangggS

,,BeiinniversitfAeronauticsandAstronauticsBeiin100191jgUyojg

cooerationofallpartsisthekeechnolo.Itcanbeseenfromanalsesthatthetechnolofpytgyygyo

,multi-aentisveruitablefortheassemblsothemulti-aentmodelismade.Thewholesstemgysygy,canbedividedintoseveralsearateaentstheancommunicateblocalareanetwork,andtheanpgycyyc

,sneotiationbontractnetprotocolotheanaccomlishtheassemblaskreliablndgycycpytyaeffectivel.y

:;;;;Keordsaircraftassemblmulti-aentlasertrackerlaserscannerrobotygyw

动定位,以手工作业为主,飞机自动化装配系统在国内工程应用上还是空白,飞机的装配技术已

]1飊3

。为成为制约我国飞机快速研制的巨大障碍[

:,AbstractComlex-structureassembletectioninteratedsstemincludedautomaticassemblpydgyy

,,recisionorientationerrorcheckinrocesssimulationanddatastorae.Itwasmadeuflexiblepgpgpby

,lnumericalcontrolassembllatform,industrialrobotasertrackerandlaserscanner.Theyp

0暋引言

航空产品制造中,飞机零件多为复杂结构件,

飞机装配是典型的复杂结构件装配,因此在以下讨论中,以飞机复杂结构件装配为例。目前国外军机、民机普遍采用柔性装配技术和无型架装配技术;国内飞机装配仍大量采用手工定位或半自

收稿日期:2010—07—23

此,北京航空航天大学研制了一套可用于飞机装配的复杂结构件自动装配实验系统。该实验系统涉及激光跟踪仪随动定位、激光扫描仪适时检测、辅助机器人轨迹规划等多方面的问题,这些方面往往自成一体,可以运行来完成一定的任务,

[]蔡颖,刘旭东,等.产品模块化设计中的多10暋宗鸣镝,

():2003,235552飊556.

)基金项目:北京市教育委员会共建项目专项资助(20091024

棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈

,&IndustrialEnineerin2003,44:435飊459.ggAroachtoMeasurinunctionalDeendencndppgFpya[],,:J.Comuter&IndustrialEnineerin200345pgg

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科技大学出版社,2004.

作者简介:安暋波,男,1981年生。南京航空航天大学机电学院博发表论文5篇。廖文和,男,1965年生。南京航空航天大学机电学院教授、博士研究生导师。郭暋宇,男,1972年生。南京航空航天大学机电学院副教授。刘骄剑,男,1985年生。南京航空航天大学机电学院博士研究生。

//士研究生。主要研究方向为C制造业信息化。ADCAPPCAM、

[]:计算机辅助设计与图形学学报,J.2005,17(3)

·1440·

——苗新刚暋汪暋苏暋怀其武等基于多Aent技术的复杂结构件自动装配系统—g

如何将它们在装配过程中进行有效地组织协调,是系统设计的一个难点。

研究发现,复杂结构件自动装配系统由若干个相对的子系统组成,是典型的分布式系统,将多A是ent的控制思想应用到该装配系统中,g解决各子系统间通信、协调和合作的最有效途径。

内部的控制算法来驱动机械本体,从而实现装配定位的具体动作。

()数据采集与定位子系统。在装配的过程2

中,装配部件位置测量的准确性直接影响装配的成败,而激光跟踪测量系统是解决这一难题的最好手段。激光跟踪仪是近十几年才发展起来的新型测量仪,它可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其空间三维坐标,具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点。()装配适时检测与仿真子系统。采用三维3

激光扫描仪,可快速准确地对工件原型进行三维1暋复杂结构件自动装配系统总体方案

1.1暋装配过程简介

在复杂结构件自动装配系统工作时,由柔性装配工装来支撑和夹持飞机部件。在飞机部件的定位基准点上安装光学目标反射器,由激光跟踪仪测量这些光学目标点的位置,以获得位置信息。该信息与飞机部件模型信息比对后,将数据传递给装配系统的运动控制器,从而驱动柔性装配工装来调整飞机部件的位姿,直到定位基准点到达公差范围内的准确目标位置上,实现部件的精确对接定位。同时,辅助机器人夹持着激光扫描仪对装配部件进行扫描,获得飞机部件的形面数据,然后传递给数据分析与处理系统,实现对整个装配过程的实时在线仿真。

.2暋系统的总体方案如上所述,复杂结构件自动装配实验系统是一个集自动装配、精确定位、适时检测、批量数据处理、装配过程仿真等一体的综合系统,涉及机械、控制、测量、计算机等方面的专业知识,系统的硬件结构如图1所示。

图1暋飞机装配检测一体化实验系统硬件结构

机械本体(1

)柔性装配工装子系统、多姿态柔性装配型架。主要由柔性工装、。柔性装配工装子系统是整个装UMAC运动控制器等部分组成配系统的主体,它接受产品数据集数据,并根据其

扫描和高精度数字化复制,从而建立工件的数学模型,产生出装配全过程的三维动态仿真,并显示装配工装系统的生成时间、飞机部件的装配时间以及装配操作性、安全性的检查评估报告。该系统由辅助机器人末端夹持激光扫描仪来实现。配机器人按照装配工艺的要求(4

)装配机器人子系统。当定位完成后,对零部件进行装,由装配连接。

(5)数据管理子系统。基于Orical数据库,利用多线程技术并行实现数据采集、数据存储与在线监控,将产品数据集、装配工作数据、测量数据、检测数据等关键数据进行实时保存,并提供一个友好的用户界面。

暋复杂结构件自动装配系统的多建模

Ag

ent.1暋系统的多Ag

ent建模通过对系统的特征分析我们可以发现,系统中包含有功能不同、相互的资源,采用传统的

集中式控制存在一定的困难。而多想符合飞机自动装配系统分布式控制的特点Ag

ent[4飊11

]思,并且该系统中的资源,如柔性装配子系统、激光扫描仪、激光跟踪仪、装配机器人等,它们都是A想作gent的最佳代表。因此,本文选择多为系统的控制模型,从而建立A系ge的思统nt的多Ag

ent结构,如图系统中各A负责整个A2所示。系统管理系ge统nt的功能如下:的管理工作过系统管gent,用户理Aent提供的界面与装配过Ag程en进t通交互;柔性装g

行配工装Aent负责系统的装配任务,包括基本的机械构件及控制模块g

,是整个装配系统的主体;数据采集与定位精确定位,一般由三台激光跟踪仪组成Agent负责系统的,可对空间的定位点提供精确地三维坐标;定位完成后,由装配机器人Agent进行装配连接;适时检测·144A1g

e·

nt122图2暋飞机自动装配系统的多Ag

ent模型由工业辅助机器人手持激光扫描仪组成,主要完成装配零部件的关键部分轮廓扫描,得到该特征的三维实体模型;装配过程仿真根据装配零部件生成相关的装配工艺Agent一方面要,另一方面还要根据反馈的信息对装配过程进行适时仿真,从而监控整个装配过程;数据库程中生成的大量数据进行保存。A所有的gent将装配过过以太网进行通信,并采用改进的合同网协议进Agent通行协商,从而共同完成整个装配任务。

.2暋A慎思型结构Ag

ent内部结构建模gent的体系结构一般包括以下三种[12飊13

]、反应型结构、混合型结构。其中,混:合型结构是慎思型结构和反应型结构的结合,既能实现面向目标的长期规划,又具有实时性的特点,是多在考虑Agen应用中最常用的体系结构。Atent基本结构和实际装配生产过程的基础上,g

本文提出了如图Ag

ent模型。3所示的混合式各模块功能如下:

专家定义的协作描述(1

)总控模块暋初始化内部知识库,调入领域,应用交互协议与其他专家

A交互,控制任务队列中任务的提交和委托等g

e。nt它是各个(2)反应模A块gen暋t内部的控制机构。使得Aent具备了反应性;继承了反应型(3)通信模Ag

块en暋t的优点g。与其他Anet的接口,使A能力gent不再是孤立的,具备和其g

他,从而使Aent协议采用改进Ag的ent具有了社会性。g的交互本系统通信合同网协议,通信语言采用KQMA不受其他系统干涉g

en(Lt4)语言。

局部任务规划模块和协作模块暋使根据自己的目标、能力及状态做出决定,而,·保证了1442·

Agent具有自主性和中国机械工程第22卷第12期2011年6月下半月

图3暋Ag

ent内部结构能动性。

()任务模块和任务队列暋系统中的问题求解和协作均以任务为单位进行5

,任务处理模块对本地用户提交的问题进行分析,将超出自身知识领域的部分问题分解成一个或多个子任务并放入任务队列,将其转化成推理模块可以识别的信息格式以进行推理。

(6)推理模块暋是专家,推理机体现了知识运用的Aent的执行机构,由任务处理模块启动g方法。

题求解过(7)知识库程中的暋记录本地专家中间信息。存放Ag

专en家t和协作问,以及采用的交互协议Aent间协作的策略、知识、方法g。

从系统的开发方式来看,该模型既具有反应层的特性又复合慎思层的要求,以适应系统对反应速度和智能水平的不同要求。有了这样的混合型同时原有子系统的重用也为新系统的开发提高了Agent内核,可以实现更多原有系统的重用,效率、节约了成本。

暋装配实例

图例。装配要求为4为用多:A某机翼的翼梁模型由三段连接而g

ent系统进行装配定位的一个实成,对接3个三坐标的柔性工装上分别夹持其中一段进行,由激光跟踪仪进行定位测量。为了对比效果,

分两次进行对接,一次是基于传统的集中式控制方法,另一次是基于多对接完成后再次使用激光跟踪仪对其设计轴Ag

ent方法。线的同轴度进行测量,测量方法是在每段翼梁上分别取一个测量点A的坐标,

每个点测量三次、B、C,,测量结果如表分别测其空间1X和表、Y、

所示。

23Z2——苗新刚暋汪暋苏暋怀其武等基于多Aent技术的复杂结构件自动装配系统—g

、,数据采集与定位AAentent等的Aentggg

并根据装配过程的实际情况设计了单Aent的g内部结构,从而为复杂结构件自动装配系统的各子系统设计提供了理论基础。装配实验表明,基于多A其定位精度和装配ent技术的控制方法,g效率都得到很大的提高。

参考文献:

[]]大型飞机自动化装配技术[航空学报,1暋许国康.J.

Z轴

图4暋装配实例图

表1暋集中式控制方法测量的同轴度

测量坐标X轴

Y轴

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第A-440.1082229.0233.107一B-444.6731973.712355.759组C-448.1041435.473350.013同轴度第A-442.86822327.3.036

183.261二B-441.5561972.288356.246组C-448.9591435.2350.266同轴度第A-442.86822327.4.432183.261三B-441.5561972.288356.246组

C-448.959

1435.2350.266

同轴度

同轴度平均值

33..433934表2暋基于Ag

ent方法测量的同轴度测量坐标X轴

Y轴

Z轴

第A-442.8482227.726352.867一B-443.2791972.773355.747组C-449.4431435.5873.339同轴度第A-442.81222227.4.593

523.287二B-443.4271972.99356.611组C-449.0351435.63.494同轴度第A-442.68822228.3.11436352.953三B-443.5571973.165356.016组

C-449.313

1437.3.382

同轴度

同轴度平均值

22..443040运用基于暋暋从表中可以看出,

与传统的集中式控制相比,多Aent的控制方法装配的定位精度(系统在控制方式和数据传递上都比集中式控制减同轴度)大约提高了g

30%。另外,由于多Agent少了中间环节,所以,其装配效率有很大提高。

暋结束语

本文首先设计了复杂结构件装配检测一体化系统的总体方案,该方案是一个集自动装配、适时检测、精确定位、批量数据处理、装配过程仿真等一体的综合系统。其次,提出了基于多术的控制思想,对系统进行了多Aent技整个系统划分为系统管理Ag

ent、A柔g

e性nt建g模,将装配工装新技术新工艺,[3]暋范玉青.

飞机数2字00化7(装7)配:5技7飊6术0综.

述———飞机制造的一次性变革[48.

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NotesgingComputerIyntellig

egncnets,(编辑暋何成根)

作者简介:苗新刚,男,1973年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士研究生。研究方向为焊接机器人设计及控制系统、飞机自动装配系统。发表论文年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授10余篇。汪暋苏,男,、博士研究1959生导师。怀其武,男,自动化学院硕士研究生198。5年生。北京航空航天大学机械工程及郭暋倩,女,1987年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院硕士研究生。

·1443·

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