基于Petri Net的机器人焊接柔性制造系统建模与控制研究

摘要

机器人焊接柔性制造系统作为焊接工作站而言，在多设备柔性生产线中，具有典型的代表作用，不仅包含物料流同信息流的并发/序贯等的冲突，还有焊接过程本身工艺复杂、柔性系统加工动作的防干涉以及系统内部传感、控制信息流相互交错等问题，很难建立合适的系统模型，从而使系统动作冲突的解决存在困难，导致整个系统的协调优化控制无法实现。本文基于PetriNet理论，以机器人焊接柔性加工系统的信息流作为研究对象，通过设计合理的建模方法和实验软件程序，来实现对系统的建模与控制研究。 本文针对机器人焊接柔性系统物料流同信息流复杂交错的特点，提出的TCPN建模方法。根据机器人焊接柔性系统的结构特点，分析了建模的条件和因素，采用系统分解的形式，即将机器人焊接系统分为分解为单机器人焊接柔性加工系统和多机器人焊接柔性加工系统两个方面进()研究。对于单机器人焊接系统，通过分析了系统的信息流之后，PetriNet理论建立了焊接系统的STCPN模型；根据建立的模型，()有的模型分析和证明方法，从模型的模型有界和系统守恒两个方面进行了模型证明，从理论上验证了模型的正确性；对于多机器人焊接系统，采用同样的方法进行了建模(MTCPN模型)、分析和证明。 为了解决建立的机器人焊接系统PN模型结构复杂信息不完整问题，本文设计了模型结构约减算法，通过模型的关系矩阵的方式分析计算，对建立的PN模型结构进行约减；在对约减后的模型进行二次建模过程中，设计了分层建模方法，从而简化了模型因素；同时，为了保证约减后的模型的正确性，也分别对二次建立的模型进行PN理论上的证明。 为了深入分析建立的系统模型是否能够真实的反映了系统的运行条件，从而对建立的系统模型进行进一步的完善，本文利用国际上通用的PetriNet理论专业仿真软件对建立的PN模型进行了模型仿真程序的开发设计，结合系统的运行条件分别对单机器人焊接系统模型和多机器人焊接系统模型进行了仿真实验，结果表明建立的模型流畅性好，结构完善，无死锁、溢出等异常现象，确保建立的模型在理论上正确可行。 为了实现模型对机器人焊接加工系统的优化协调控制，根据建立的二次模型，结合模糊理论的相关研究，提出了模型控制的优化调度控制算法FPIOA，利用该算法对系统模型进行优化调度的研究；为了分析系统模型的时间特征，从而更好的分析系统的调度过程，本文采用了PetriNet模型时间标签特征算法(CS-stock算法)，对系统模型进行带时间的调度研究，为系统模型的仿真提供对比的依据。 为了实现模型的控制要求，本文针对建立的系统模型，通过面向对象的方法实现模型的程序控制，分别进行了单机器人焊接系统模型调度实验和多机器人焊接系统的焊接实验。对于单机器人系统模型，结合局部自主智能焊接机器人系统(LAIWR)，根据建立的模型开发了实验程序，利用该程序在LAIWR上实现了基于模型的控制；并根据实验的结果，结合模型仿真程序进行了仿真实验。该结果通过CS-stock算法证明了实验的正确性。 对于多机器人焊接系统模型，利用实验室里的多台不同机器人及焊接熔池监控系统，提出了局域网的多机器人系统四层网络控制软件系统结构设计方法，利用该方法实现了多机器人焊接柔性加工系统的一体化控制；对于控制系统之间的通讯以及设备寻址的问题，设计了IP寻址的方法来对系统对进行精确定位；还根据上述方法开发了一套多机器人焊接柔性加工系统优化调度软件程序，可以对系统进行协调控制；为了实现焊接系统在高难度、协调性等条件下的调度能力，本文设计了一种铝合金交流脉冲GTAW的悬空角接焊工艺实验。为了验证系统的运动在时间上是否合理，通过设计具有时间参数关系的仿真程序理论仿真。实验结果证明了系统建模的正确，达到了预期的目标。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

第一章绪论

第二章焊接柔性制造系统的Petri Net建模方法

第三章机器人焊接柔性制造系统建模

第四章机器人焊接柔性制造系统模型信息优化

第五章机器人焊接柔性制造系统模型仿真

第六章机器人焊接柔性制造系统控制实验

第七章结论

本文的主要创新点

攻读博士学位期间发表的论文及科研项目

致谢