一种基于机械臂的单站点给料生产加工系统的工作方法与流程

本发明涉及自动控制领域，尤其是一种单站点传送带给料生产加工站系统的工作方法。

背景技术：
随着现代工业的快速的发展，机械臂自动化生产线在工业生产领域的应用日趋广泛，如在电子制造、汽车制造、加工包装、货物分拣等领域。特别是机器视觉技术在生产线上的运用，极大地提高了系统的柔性化、智能化和自动化水平。该类自动化生产线通常配置一个或多个用于拣取或加工的机械臂作为具体执行机构；配置一条或多条传送带用于输送工件和包装盒；配置工业视觉系统用于工件的定位、识别、尺寸测量等不同的操作。然而随着社会经济的发展，生产加工的特殊化、专业化、随机化对自动化生产线的生产效率、生产多用性、智能性以及灵活性提出了更高的要求。传统的生产线往往适应单一工件流，并且按照固定节拍在固定点加工工件。针对非固定节拍、随机供料、多品种小批量等生产方式的适应性和生产效率不高。

技术实现要素：
本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于机械臂的单站点给料生产加工系统的工作方法，以期能够提高针对非固定节拍、随机供料、非固定点加工的单站点机械臂生产线的生产效率，从而为工业生产中的单站点机械臂生产线优化调度提供依据。本发明为解决技术问题采用如下技术方案：本发明一种基于机械臂的单站点给料生产加工系统的工作方法，所述单站点给料生产加工系统包括：机械臂、传送带、工业相机、容量为M的缓存库、容量为N的成品库和工件；所述机械臂位于所述传送带的一侧，在所述机械臂的两侧分别设置有所述缓存库和成品库；所述工业相机处于所述机械臂的上游，且垂直正对所述传送带上的工件，令所述工业相机垂直正对的位置为拍照点Pcam；且所述工业相机能将位于拍照点Pcam下游的工件位置传递给所述机械臂；定义所述机械臂的前视点为Plook，且位于所述前视点Plook下游的工件无法被所述机械臂抓取；定义缓存库中的空余量为m；m∈[0,M]；定义所述机械臂的抓手的位置为p；当p＝1时，表示所述机械臂的抓手的位置在成品库中；当p＝0时，表示所述机械臂的抓手的位置p在缓存库中；由空余量m和抓手的位置p构成所述加工系统的联合状态Sm,p；定义以所述前视点Plook为起点的一段观测距离为前视距离定义工件经过所述前视距离所花费的时间为前视时间定义所述机械臂在所述传送带上的工作范围为Wpick，并在所述工作范围Wpick内进行卸载操作，在缓存库上进行服务操作；所述卸载操作是将所述工件从所述传送带上抓取至所述缓存库中；所述服务操作是将所述缓存库中的工件进行加工后放入所述成品库中；定义完成卸载操作的时间为卸载时间定义完成服务操作的时间为服务时间在完成卸载操作后所述机械臂的抓手处于所述缓存库中；在完成服务操作后所述机械臂的抓手处于所述成品库中；其特点是，所述工作方法是按如下步骤进行：步骤1、所述加工系统开始运行，工件随机到达机械臂工作区间；设定传送带速度、机械臂速度、工件到达率、工件加工率；定义变量i，并初始化i＝1；步骤2、所述机械臂获取第i次的空余量mi和抓手位置pi，根据最优控制策略v*选择第i次前视距离步骤3、判断所述第i次的最优前视距离内是否有工件，若有工件，则所述机械臂对处于所述第i次的最优前视距离内最靠近前视点Plook的工件进行卸载操作后，执行步骤4；若没有工件，则所述机械臂对所述缓存库中的工件进行服务操作后，执行步骤5；步骤4、判断最靠近前视点Plook的工件的第i次卸载时间是否大于所述最靠近前视点Plook的工件的第i次前视时间若大于，则将i+1赋值给i后，返回步骤2执行；否则，经过第i次的卸载延时后，将i+1赋值给i，并返回步骤2执行；步骤5、判断最靠近前视点Plook的工件的第i次服务时间是否大于所述最靠近前视点Plook的工件的第i次前视时间若大于，则将i+1赋值给i后，返回步骤2执行；否则，经过第i次服务延时后，将i+1赋值给i，并返回步骤2执行。本发明所述的基于机械臂的单站点给料生产加工系统的工作方法的特点也在于：所述加工系统是以所述空余量m和抓手位置p作为状态来控制所述前视距离的长短，进而控制所述机械臂的操作方式；当空余量m较小时，则所述机械臂选取较短的前视距离所述机械臂趋向于服务操作；当空余量m较大时，则所述机械臂选取较长的前视距离所述机械臂趋向于卸载操作。所述最优控制策略v*按以下步骤获得：步骤1、所述加工系统以缓存库的空余量和抓手位置作为状态，前视距离的选取作为行动，建立半Markov决策模型；步骤2、通过策略迭代算法对半Markov模型进行优化求解，得到最优控制策略v*。所述半Markov模型按以下步骤建立：步骤1、定义所述缓存库的状态为其空余量m，则所述缓存库的状态空间为Φ1，并有Φ1＝{0,1,...,M}；定义抓手位置p的状态空间为Φ2，并有Φ2＝{0,1}；当p＝0时，表示所述机械臂的抓手的位置p在缓存库中，当p＝1时，表示所述机械臂的抓手的位置在成品库中；定义所述加工系统的联合状态Sm,p的状态空间为Φ，并有Φ＝Φ1×Φ2；步骤2、以前视距离作为所述加工系统在联合状态Smp下的行动，所述加工系统的一个平稳控制策略v为所有的联合状态到行动的映射，并有其中表示当缓存库中的空余量为m，抓手的位置在缓存库中时加工系统的行动；表示当缓存库中的空余量为m，抓手的位置在成品库中时加工系统的行动；定义所有策略v的集合为Ω，Ω＝{v|v＝(v(1),v(2),v(3),…,v(N)),v(i)∈D}；所述加工系统不存在SM,0和S0,1这两个状态，则相应的行动记为NaN；步骤3、定义Ti为所述加工系统的第i次决策时刻，令T0＝0；定义所述加工系统进行第i次Markov无后效性处理时的卸载操作延时为服务操作延时为当所述机械臂的第i次操作为卸载操作时，则第i+1次决策时刻Ti+1为：第i+1次联合状态为Xi+1＝Sm-1,0，表示抓手(7)位置为p＝0，缓存库(4)中的空余量为m-1；第i次卸载操作延时为：当所述机械臂的第i次操作为服务操作时，则第i+1次决策时刻Ti+1为：第i+1次联合状态为Xi+1＝Sm+1,1；表示抓手(7)位置为p＝1，缓存库(4)中的空余量为m+1；第i次服务操作延时为：定义半Markov核Qv(t)为：式(5)中，表示矩阵相乘的操作符；t表示系统时刻；Pv表示Markov嵌入链在策略v下的转移矩阵，Fv(t)表示在策略v下的逗留时间分布矩阵，并有：式(6)中是从状态Sm,p采取行动转移到Sm',p'的概率，式(7)中是在状态Sm,p采取行动到下一状态是Sm',p'的逗留时间分布；步骤4、定义期望性能函数fv为：式(8)中，表示加工系统采取行动从联合状态Sm,p转移到下一状态Sm',p'的单位时间期望代价；步骤5、建立如式(9)所示的SMDP模型：X＝(Xt,Φ,D,Qv(t),fv)(9)式(9)中，Xt表示t时刻加工系统的状态过程。所述策略迭代算法按以下步骤进行：步骤1、根据半Markov核Qv(t)和期望性能函数fv，定义等价无穷小和等价性能矩阵并将SMDP模型X＝(Xt,Φ,D,Qv(t),fv)转换为连续时间Markov决策过程α是折扣因子，α∈[0,1]；步骤2、定义变量k，定义vk为加工系统的第k次策略；初始化k＝0；且第0次策略v0为：步骤3、利用式(11)获得第k次策略vk的性能势向量式(11)中；I是单位对角矩阵；e为单位列向量；并有：表示在状态i的平均逗留时间，表示等价Markov决策过程中第k次的稳态分布；并有：步骤4、利用式(15)获得第k+1次策略vk+1：步骤5、利用式(11)获得第k+1次策略vk+1的性能势向量步骤6、判断是否成立，ξ为一较小的常量；若成立，则表示所获得的第k+1次策略vk+1即为最优控制策略v*，并退出算法，否则；将k+1赋值给k后，返回步骤4。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明采用一种基于半Markov模型的单站点机械臂生产加工系统工作方法，能够有效的处理非固定节拍、非固定捡取点、工件随机到达的生产线加工问题，提高了生产线各工序的平衡性和生产效率。1、本发明采用半Markov模型对单站点机械臂生产加工系统进行建模，把随机到达的工件流分成很多小段的独立的满足Markov过程的工件序列，相比传统方法按照固定节拍对工件进行处理，本发明能够更有效的处理随机到达工件的捡取、加工问题。2、本发明以前视距离的控制作为加工系统的行动，可以根据生产线实时的工件、缓存库和成品库的情况，调整加工策略。有效提高了生产线各工序之间的平衡性，加强了生产线的鲁棒性。3、本发明采用策略迭代...