一种装配产线调度决策与执行教学实验系统

技术领域

本发明属于智能装配技术领域，具体涉及一种装配产线调度决策与执行教学实验系统。

背景技术

传统的教学实验方式主要以教师、教材和课堂为中心，以传授系统知识、培养基本技能为目标。以教师、教材和课堂为中心的传统教学中，整个过程是围绕教师展开的，虽然教学省时、高效，可以保证知识的完整性和系统性，有利于知识的系统传授，但整个教学过程中，学生更多的是听、记忆、重复，很难发挥主观能动性，很少甚至没有独立思考和自主学习的时间，只能被动的接受，机械的训练，很难发挥学生的潜能，限制了学生自主学习的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的旨在提供一种装配产线调度决策与执行教学实验系统。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面提供了一种装配产线调度决策与执行教学实验系统，包括后台管理系统和实验硬件设备，所述实验硬件设备包括教师端多媒体教学一体机、学生端平板电脑、实验工位台、AGV车、智能仓储系统；所述后台管理系统用于对实验项目涉及的实验硬件设备进行参数配置和管理；所述教师端多媒体教学一体机上安装有教师客户端，所述学生端平板电脑安装有学生客户端；教师客户端用于开放学生客户端相应实验项目的操作权限并管理学生实验进度，学生客户端用于学生进行实验学习和验证操作；实验工位台用于学生进行实验操作，所述AGV车用于运载实验所需的物料工件和实验装配成品；所述智能仓储系统用于实验所需装配物料、工件及实验装配成品的储存。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述后台管理系统包括实验项目管理模块、算法管理模块、工位管理模块、装配工序管理模块、装配工件管理模块和AGV管理模块；所述实验项目管理模块用于管理实验项目信息，并将实验项目信息配置至实验硬件设备；所述算法管理模块设有开放算法上传接口，用于上传和管理实验项目涉及的实验算法，并将实验算法配置至学生客户端；所述工位管理模块用于管理各实验工位信息，并将实验工位信息配置至学生客户端；所述装配工序管理模块用于管理实验装配产品的装配工序及每个装配工序所对应的工序信息，并将装配工序信息配置至学生客户端；所述装配工件管理模块用于管理所有装配相关工件信息以及每台AGV车装载的物料工件信息，并将AGV车装载的物料工件清单配置至学生客户端；所述AGV管理模块用于管理AGV车的基本信息和运行信息，并将AGV车运行信息配置至学生客户端，其中，所述运行信息包括地标信息和运行路线信息。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述实验工位台包括操作台，所述操作台上设有模型装配位、工件料架、协作机器人；所述学生端平板电脑安装在操作台上。更加优选地，所述模型装配位是用于进行实验产品装配的工作台；所述工件料架用于放置实验所需的物料工件；所述协作机器人用于辅助学生或独立执行实验产品装配任务，同时还用于实验过程中的上下料。更进一步地，所述模型装配位设置有装配定位架，装配定位架用于定位并放置实验用装配模型，实验产品装配任务均在装配定位架上进行。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述实验项目信息包括实验项目介绍、实验操作说明、实验准备清单、装配流程和实验数据模型；所述工位信息包括工位名称、工位编号、工位的协作机器人编号、AGV车往返与起点和实验工位的耗时；所述工序信息包括工序名称、工序编号、工序对应物料工件、装配产品型号。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述教师客户端包括实验进度管理模块和学生管理模块；所述实验进度管理模块接收学生端平板电脑、协作机器人、AGV车发送的信号，通过可视化方式展示实验工位台的实验进程和AGV车的运行状态，实现学生实验进度实时监控、管理；所述学生管理模块用于教师对参与实验的学生进行统一用户管理，所述用户管理是对学生信息、实验分组、实验结果评价进行管理。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述学生客户端包括实验项目操作模块和用户基本操作模块，所述实验项目操作模块搭载有实验操作说明，学生根据实验操作说明实施实验项目；所述用户基本操作模块用于学生账户的登录、退出及查看管理学生账户信息，学生账户信息包括个人基本信息、实验分组、历史实验结果记录。更加优选地，所述实验项目操作模块通过实验操作步骤讲解和用户交互操作，指导、辅助学生完成实验项目。所述学生账户信息均由教师端客户端统一管理分配。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述实验硬件设备还包括工位看板，每个实验工位台均设置一个工位看板，所述工位看板用于显示工位看板所在工位的工位信息、实验进度及实验操作说明；所述工位看板显示的内容由后台管理系统、学生客户端进行配置，并在实验过程中根据实验硬件设备的运行信息同步更新显示内容。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述算法管理模块设有算法输入接口，通过算法输入接口将实验算法上传至算法管理模块。更加优选地，所述实验算法为现有算法或学生编写的算法。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述智能仓储系统包括立体仓库和直角坐标型机器人。更加优选地，所述立体仓库用于实验用装配物料工件、实验装配成品的存储，所述直角坐标型机器人用于对AGV车进行下料。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述后台管理系统搭载在实验系统局域网内，可通过设备输入网址在网页端进行登录操作，用于实验管理人员统一管理实验硬件设备并配置实验参数。此外，后台管理系统也可以搭载在PC服务器上，学生端平板电脑、教师端多媒体教学一体机与PC服务器可通过Wifi通信连接。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述后台管理系统、教师客户端、学生客户端三者相互之间均通过HTTP协议进行数据传输，后台管理系统、学生客户端、教师客户端、协作机器人均通过TCP/IP协议与AGV车进行数据传输，学生客户端通过TCP/IP协议与协作机器人进行数据传输，AGV车与智能仓储系统之间通过Modbus协议进行数据传输。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统，优选地，所述装配产线调度决策与执行教学实验系统的装配对象为简化车辆模型，简化车辆模型由底盘、车架、前盖、左车门、右车门和轮胎(含车轴)这六个装配零件组成。

本发明第二方面提供了上述第一方面所述装配产线调度决策与执行教学实验系统的使用方法，包括如下步骤：

(1)实验开始前，通过后台管理系统的实验项目管理模块设置实验项目信息，通过算法管理模块设置实验算法，通过工位管理模块设置各实验工位信息，通过装配工序管理模块设置每个实验工位台的装配工序信息及装配工序任务序列，通过装配工件管理模块设置AGV车装载的物料工件信息，通过AGV管理模块设置AGV车的运行路线信息，并将上述各模块设置的信息配置至学生客户端；通过教师客户端的学生管理模块对参与实验的学生进行分组，并将分组信息发送至学生客户端；

(2)学生通过学生端平板电脑安装的学生客户端登录学生账户，根据后台管理系统配置的实验项目信息、工位信息、工序信息、装配工序任务序列和AGV车运行路线信息，选择待验证的实验算法，运行实验算法后，生成实验生产调度方案，并将实验生产调度方案同步发送至教师客户端；

(3)学生执行实验生产调度方案，并根据实验生产调度方案通过学生客户端向AGV车发送物料工件配送任务；AGV车接收到物料工件配送任务后将各实验工位台需要的物料工件运输至每个实验工位台，协作机器人将AGV车的物料工件上料至零件料架；

(4)当某个实验工位台物料工件的配送任务执行完毕后，实验工位台的学生操作端系统向对应的协作机器人发出执行信号，协作机器人接收到执行信号后调用后台管理系统配置的装配流程数据，并根据装配流程数据从实验工位台的零件料架上依次抓取物料工件，执行装配任务；协作机器人执行装配任务过程中，将当前正在执行的装配步骤、装配状态信息同步发送至教师客户端实现同步更新监管；

(5)实验工位台的装配任务执行完成后，协作机器人向学生客户端发送装配任务完成信息；学生客户端接收到装配任务完成信息后，向AGV车发送下料指令，AGV车接收到下料指令后运行至完成装配任务的实验工位台，并向实验工位台对应的协作机器人发出到达信号，协作机器人接收到到达信号后将实验装配成品下料至AGV车，AGV车按照生产调度方案生成的运行路线将实验装配成品运送至智能仓储系统；

(6)AGV车到达智能仓储系统后，向智能仓储系统发送下料信号，智能仓储系统接收到下料信号后执行下料任务，将AGV车上的实验装配成品取下并存储；AGV车返回停驻区，并向学生客户端发送任务完成信号；

(7)学生客户端接收到实验所有AGV车的任务完成信号后，判定为实验结束；系学生客户端统根据实验开始时间和结束时间生成实验结果，并将实验结果发送至教师客户端；教师客户端根据实验结果对学生实验结果进行评价管理。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统的运行方法，优选地，所述实验算法为调度算法。更加优选地，所述实验生产调度方案包括AGV车物料工件配送方案和AGV车排程调度计划方案。根据AGV车排程调度计划方案和AGV车物料工件配送方案向AGV车发送物料工件配送任务。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统的运行方法，优选地，步骤(6)具体为：AGV车到达智能仓储系统后，向智能仓储系统发送下料信号，智能仓储系统接收到下料信号后调用直角坐标型机器人执行下料任务，将AGV车上的实验装配成品取下并放置到立体仓库的空闲仓储位，AGV车返回停驻区，并向学生客户端发送任务完成信号。

根据上述的装配产线调度决策与执行教学实验系统的运行方法，优选地，所述后台管理系统、教师客户端、学生客户端三者之间均通过HTTP协议与进行数据传输，后台管理系统、学生客户端、教师客户端、协作机器人均通过TCP/IP协议与AGV车进行数据传输，学生客户端通过TCP/IP协议与协作机器人进行数据传输，AGV车与智能仓储系统之间通过Modbus协议进行数据传输。

与现有技术相比，本发明取得的技术效果为：

(1)本发明装配产线调度决策与执行教学实验系统是实验硬件设备与软件系统的结合，并基于智能决策技术等相关知识点与技术搭建，旨在配合教学内容，让学生摆脱传统公式理论的学习，通过在模拟产线中的实际操作，让学生能够把理论与实践相结合，从知识的被动接受方转变为主动参与者。基于本发明的系统，学生可实现在装配任务情境下运行调度算法，根据算法运行生成的实验生产调度方案调用机器人和AGV车完成装配实验订单，能够为调度算法提供有效验证并直观地反应问题，帮助学生深入理解智能决策与智能调度相关理论知识，锻炼学生的逻辑思维能力。

(2)本发明实验系统让学生在主动完成项目的过程中，通过解决一系列相互关联的问题，掌握多领域的理论知识和操作技能。通过在模拟场景中实际操作，验证调度算法，进一步理解算法深入体会调度相关理论概念。而且，本发明的实验系统突破了传统的课堂教学范式，实现了以“教”为中心，向以“学”为中心的转化，实现了理论与实践的一体化、学用的统一和学生专业知识、业务技能、方法能力等职业素质的综合培养，既可以保证学生动手能力的培养，也可以保证学生可持续发展能力的培养，是实现教育目标的重要手段。

附图说明

图1为本发明装配产线调度决策与执行教学实验系统的硬件设备布局示意图；图中，1为教师端多媒体教学一体机，2为工位看板，3为实验工位台，4为AGV车，5为AGV车充电区，6为智能仓储系统；

图2为本发明实验工位台的布局示意图；图中1为学生端平板电脑，2为模型装配位，3为工件料架，4为协作机器人；

图3为本发明装配产线调度决策与执行教学实验系统数据传输流程示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种装配产线调度决策与执行教学实验系统，包括后台管理系统和实验硬件设备，所述实验硬件设备(如图1所示)包括教师端多媒体教学一体机、学生端平板电脑、实验工位台、工位看板、AGV车、智能仓储系统，每个实验工位台均配置一个工位看板。

后台管理系统用于对实验项目涉及的实验硬件设备进行参数配置和管理。述后台管理系统包括实验项目管理模块、算法管理模块、工位管理模块、装配工序管理模块、装配工件管理模块和AGV管理模块。所述实验项目管理模块用于管理实验项目信息，并将实验项目信息配置至实验硬件设备；所述实验项目信息包括实验项目介绍、实验操作说明和实验数据模型。所述算法管理模块设有开放算法上传接口，用于上传和管理实验项目涉及的实验算法，并将实验算法配置至学生客户端。所述工位管理模块用于管理各实验工位信息，并将实验工位信息配置至学生客户端；所述工位信息包括工位名称、工位编号、工位的协作机器人编号、AGV车往返与起点和实验工位的耗时等。所述装配工序管理模块用于管理实验装配产品的装配工序及每个装配工序所对应的工序信息，并将装配工序信息配置至学生客户端；所述工序信息包括工序名称、工序编号、工序对应物料工件、装配产品型号等。所述装配工件管理模块用于管理实验用物料工件信息及AGV车装载的物料工件信息，并将AGV车装载的物料工件信息配置至学生客户端。所述AGV管理模块用于管理AGV车的基本信息和运行信息，并将AGV车运行信息配置至学生客户端，其中，运行信息包括地标信息和运行路线信息。所述后台管理系统搭载在实验系统局域网内，可通过设备输入网址在网页端进行登录操作，用于实验管理人员统一管理实验硬件设备并配置实验参数。此外，后台管理系统也可以搭载在PC服务器上，学生端平板电脑、教师端多媒体教学一体机与PC服务器可通过Wifi通信连接。

实验工位台用于学生进行实验操作，实验工位台(如图2所示)包括操作台，操作台上设有模型装配位、工件料架、协作机器人。模型装配位是用于进行实验产品装配的工作台；进一步地，所述模型装配位设置有装配定位架，装配定位架用于定位并放置实验用装配模型，实验产品装配任务均在装配定位架上进行。工件料架用于放置实验所需的物料工件，每个实验工位台的工件料架根据不同装配对象所涉及的工件形状定制。所述协作机器人用于辅助学生或独立执行实验产品装配任务，同时还用于实验过程中的上下料；更进一步地所述协作机器人为六轴协作机器人。

所述教师端多媒体教学一体机上安装有教师客户端，教师客户端用于切换当前实验项目，开放学生客户端的对应实验项目的操作权限，并管理学生实验进度。教师客户端包括实验进度管理模块和学生管理模块；所述实验进度管理模块用于接收各实验工位台学生端平板电脑、协作机器人以及AGV车发送的信号，通过可视化方式展示实验工位台的实验进程和AGV车的运行状态，实现学生实验进度实时监控、管理；所述学生管理模块用于教师对参与实验的学生进行统一用户管理，并将管理后的数据信息发送至学生客户端，所述用户管理是对学生信息、实验分组、实验结果评价进行管理。

学生端平板电脑安装有学生客户端，学生客户端用于学生进行实验学习和验证操作；每个实验工位台均配置一个学生端平板电脑，每台学生端平板电脑上安装有学生客户端系统。所述学生客户端包括实验项目操作模块和用户基本操作模块，所述实验项目操作模块搭载有实验操作说明，学生根据实验操作说明实施实验项目；所述用户基本操作模块用于学生账户的登录、退出及查看管理学生账户信息，学生账户信息包括个人基本信息、实验分组、历史实验结果记录。更加优选地，所述实验项目操作模块通过实验操作步骤讲解和用户交互操作，指导、辅助学生完成实验项目。所述学生账户信息均由教师端客户端统一管理分配。学生客户端通过HTTP协议与后台管理系统、教师客户端进行数据传输，学生客户端通过TCP/IP协议与协作机器人进行数据传输。

所述工位看板用于显示工位看板所在工位的工位信息、实验项目名称、实验进度及实验操作说明；所述工位看板显示的内容由后台管理系统、学生客户端进行配置，并在实验过程中根据实验硬件设备的运行信息同步更新显示内容。

所述AGV车用于运载实验所需的物料工件和实验装配成品。每个实验工位台和立体仓库处均设有AGV停靠位。本发明实验系统共设置5台AGV车。AGV车通过TCP/IP协议与后台管理系统、学生客户端、教师客户端、协作机器人进行数据信号传输，通过Modbus协议与智能仓储系统之间进行数据传输。

所述智能仓储系统用于实验所需装配物料及实验装配成品的储存。智能仓储系统包括立体仓库和直角坐标型机器人。立体仓库用于实验用装配物料工件、实验装配成品的存储，直角坐标型机器人用于对AGV车进行下料。

实施例2：

实施例2的内容与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述实验硬件设备由教师端多媒体教学一体机、学生端平板电脑、实验工位台、工位看板、AGV车、智能仓储系统组成，不包括工位看板。

实施例3：

实施例1所述装配产线调度决策与执行教学实验系统的运行方法，其步骤为：

(1)实验开始前，通过后台管理系统的实验项目管理模块设置实验项目信息，通过算法管理模块设置实验算法，通过工位管理模块设置各实验工位信息，通过装配工序管理模块设置每个实验工位台的装配工序信息及装配工序任务序列，通过装配工件管理模块设置AGV车装载的物料工件信息，通过AGV管理模块设置AGV车的运行路线信息，并将上述各模块设置的信息通过HTTP协议配置至学生客户端；通过教师客户端的学生管理模块对参与实验的学生进行分组，并将分组信息通过HTTP协议发送至学生客户端(本发明装配产线调度决策与执行教学实验系统数据传输流程示意图如图3所示)。

(2)学生通过学生端平板电脑安装的学生客户端登录学生账户，根据后台管理系统配置的实验项目信息、工位信息、工序信息、装配工序任务序列和AGV车运行路线信息，选择待验证的实验算法，运行后，生成实验生产调度方案，并将实验生产调度方案同步发送至教师客户端和工位看板(工位看板为看板所处工位协作机器人装配进度、工位涉及AGV状态的显示)，更新其显示的任务信息；其中，实验生产调度方案包括AGV车物料工件配送方案和AGV车排程调度计划方案。

(3)学生执行实验生产调度方案，并根据AGV车排程调度计划方案和AGV车物料工件配送方案通过学生客户端向AGV车发送物料工件配送任务；AGV车接收到物料工件配送任务后，AGV车工作状态切换为“工作”，并将各实验工位台需要的物料工件运输至相应实验工位台的AGV停靠位，AGV车到达AGV停靠位后向实验工位台对应的协作机器人发出到达信号，协作机器人将AGV车的物料工件上料至工件料架；然后AGV车工作状态切换为“空闲”。

(4)当某个实验工位台物料工件的配送任务执行完毕后，该实验工位台的学生操作端系统向协作机器人发出执行信号，协作机器人接收到执行信号后调用后台管理系统配置的装配流程数据，并根据装配流程数据从实验工位台的零件料架上依次抓取物料工件，执行装配任务；协作机器人执行装配任务过程中，将当前正在执行的装配步骤、装配状态信息同步发送至教师客户端、工位看板，实现同步更新监管。

(5)实验工位台的装配任务执行完成后，协作机器人向学生客户端发送装配任务完成信息；学生客户端接收到装配任务完成信息后，向AGV车发送下料指令，AGV车接收到下料指令后运行至完成装配任务的实验工位台，到达实验工位台的AGV停驻区后，向实验工位台对应的协作机器人发出到达信号，协作机器人接收到到达信号后将实验装配成品下料至AGV车，AGV车按照生产调度方案生成的运行路线将实验装配成品运送至智能仓储系统。

(6)AGV车到达智能仓储系统后，向智能仓储系统发送下料信号，智能仓储系统接收到下料信号后调用直角坐标型机器人执行下料任务，将AGV车上的实验装配成品取下并放置到立体仓库的空闲仓储位，AGV车返回停驻区，并向学生客户端发送任务完成信号。

(7)学生客户端接收到所有AGV车的任务完成信号后，判定为实验结束，学生客户端接根据实验开始时间和结束时间生成实验结果，并将实验结果发送至教师客户端；教师客户端根据实验结果对学生实验结果进行评价管理。

实施例4：

一种实施例2所述装配产线调度决策与执行教学实验系统的运行方法，其步骤为：

(1)实验开始前，通过后台管理系统的实验项目管理模块设置实验项目信息，通过算法管理模块设置实验算法，通过工位管理模块设置各实验工位信息，通过装配工序管理模块设置每个实验工位台的装配工序信息及装配工序任务序列，通过装配工件管理模块设置AGV车装载的物料工件信息，通过AGV管理模块设置AGV车的运行路线信息，并将上述各模块设置的信息通过HTTP协议配置至学生客户端；通过教师客户端的学生管理模块对参与实验的学生进行分组，并将分组信息通过HTTP协议发送至学生客户端。

(2)学生通过学生端平板电脑安装的学生客户端登录学生账户，根据后台管理系统配置的实验项目信息、工位信息、工序信息、装配工序任务序列和AGV车运行路线信息，选择待验证的实验算法，运行实验算法后，生成实验生产调度方案，并将实验生产调度方案同步发送至教师客户端；其中实验生产调度方案包括AGV车物料工件配送方案和AGV车排程调度计划方案。

(3)学生执行实验生产调度方案，并根据AGV车排程调度计划方案和AGV车物料工件配送方案通过学生客户端向AGV车发送物料工件配送任务；AGV车接收到物料工件配送任务后，AGV车工作状态切换为“工作”，并将各实验工位台需要的物料工件运输至相应实验工位台的AGV停靠位，AGV车到达AGV停靠位后向实验工位台对应的协作机器人发出到达信号，协作机器人将AGV车的物料工件上料至工件料架；然后AGV车工作状态切换为“空闲”。

(4)当某个实验工位台所需物料工件的配送任务执行完毕后，该实验工位台的学生操作端系统向对应协作机器人发出执行信号，协作机器人接收到执行信号后调用后台管理系统配置的装配流程数据，并根据装配流程数据从实验工位台的零件料架上依次抓取物料工件，执行装配任务；协作机器人执行装配任务过程中，将当前正在执行的装配步骤、装配状态信息同步发送至教师客户端、工位看板，实现同步更新监管。

(5)实验工位台的装配任务执行完成后，协作机器人向学生客户端发送装配任务完成信息；学生客户端接收到装配任务完成信息后，向AGV车发送下料指令，AGV车接收到下料指令后运行至完成装配任务的实验工位台的AGV停靠位，并向实验工位台对应的协作机器人发出到达信号，协作机器人接收到到达信号后将实验装配成品下料至AGV车，AGV车按照生产调度方案生成的运行路线将实验装配成品运送至智能仓储系统。

(6)AGV车到达智能仓储系统的AGV停靠位后，向智能仓储系统发送下料信号，智能仓储系统接收到下料信号后调用直角坐标型机器人执行下料任务，将AGV车上的实验装配成品取下并放置到立体仓库的空闲仓储位，AGV车返回停驻区，并向学生客户端发送任务完成信号。

(7)学生客户端接收到所有AGV车的任务完成信号后，判定为实验结束。系统根据实验开始时间和结束时间生成实验结果，并将实验结果发送至教师客户端；教师客户端根据实验结果对学生实验结果进行评价管理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。