智能制造基礎與應用 第三章 智能制造關鍵技術

智能制造基礎與應用高等職業(yè)教育“十三五”規(guī)劃教材2智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術第三章智能制造關鍵技術第一節(jié) 概述第二節(jié) 工業(yè)物聯(lián)網

第三節(jié) 工業(yè)機器人

第四節(jié)

3D打印技術

第五節(jié)

RFID射頻技術第六節(jié) 云計算與大數(shù)據第七節(jié) 虛擬現(xiàn)實與人工智能技術第八節(jié) 智能制造的信息安全技術概

述1

第一節(jié)第三章智能制造關鍵技術4智能制造基礎與應用智能制造是利用智能科學的理論、技術、方法和云計算、物聯(lián)網、移動互聯(lián)、大數(shù)據、自動化、智能化等技術手段，實現(xiàn)工業(yè)產品研發(fā)設計、生產制造過程與機械裝備、經營管理、決策和服務等全流程、全生命周期的網絡化、智能化、綠色化，通過各種工業(yè)資源與信息資源整合和優(yōu)化利用，實現(xiàn)信息流、資金流、物流、業(yè)務工作流的髙度集成與融合的現(xiàn)代工業(yè)體系。第三章智能制造關鍵技術5智能制造基礎與應用在智能制造發(fā)展過程中，主要有以下幾種關鍵技術：一、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網工業(yè)互聯(lián)網、工業(yè)物聯(lián)網是互聯(lián)網、物聯(lián)網在工業(yè)中的應用,是實現(xiàn)智能生產制造的基礎，在智能工業(yè)生產制造體系中，把人、設備、生產線、工廠車間、供應商、客戶緊密地連接在一起。設備和設備的互聯(lián)成為生產線；單機智能設備相互連接成為智能生產線；智能車間、智能工廠、供應鏈等有關工礦企業(yè)、客戶互聯(lián)形成產業(yè)鏈網絡。基于設備與人互聯(lián)的信息物理系統(tǒng)（CPS)也是工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網的核心，能極大地提升人員效率、工業(yè)效益，創(chuàng)造更多價值，為用戶提供更好服務。第三章智能制造關鍵技術二、工業(yè)云、云制造工業(yè)云是智能工業(yè)的基礎設施，通過云計算技術為工業(yè)企業(yè)提供服務，是工業(yè)企業(yè)的社會資源實現(xiàn)共享的一種信息化創(chuàng)新模式。工業(yè)云平臺6智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術7智能制造基礎與應用云制造是一種利用網絡和云制造服務平臺，按用戶需求組織網上

制造資源（制造云），為用戶提供各類按需制造服務的一種網絡化制造新模式。云制造技術將現(xiàn)有網絡化制造和服務技術同云計算、云安全、高性能計算、物聯(lián)網等技術融合，實現(xiàn)各類制造資源（制造硬設備、計算系統(tǒng)、軟件、模型、數(shù)據、知識等）統(tǒng)一的、集中的智能化管理和經營，為制造業(yè)全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質廉價的各類制造活動服務。它是一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式，目前在航天、汽車、模具行業(yè)已有成功的試點和示范應用，并開始推廣。第三章智能制造關鍵技術工業(yè)制造相關技術8智能制造基礎與應用云制造服務平臺第三章智能制造關鍵技術9智能制造基礎與應用三、工業(yè)自動化設備及工業(yè)軟件工業(yè)自動化設備包括數(shù)字化儀表、半導體非電量（物理、化學，生物等變量）的各種傳感器及數(shù)字測量儀表、RFID及其讀寫器；單片機、各類嵌入式計算機及模塊組件；工控機、數(shù)控裝置、可編程控制器、工業(yè)機器人、分布式控制系統(tǒng)；行業(yè)電子的應用產品，如汽車電子、航空電子、機械電子、紡織電子等產品。第三章智能制造關鍵技術10智能制造基礎與應用四、工業(yè)大數(shù)據工業(yè)大數(shù)據包括產品數(shù)據、運營數(shù)據、管理數(shù)據、供應鏈數(shù)據、研發(fā)數(shù)據等企業(yè)內部數(shù)據，以及國內外市場數(shù)據、客戶數(shù)據、政策

法律數(shù)據等企業(yè)外部數(shù)據，信息化、網絡化帶來了海量的結構化與

非結構化數(shù)據，數(shù)據本身最基本的特征是及時性、準確性、完整性，大數(shù)據的實時采集和處理帶來更高的研發(fā)生產效率以及更低的運營

成本。這為更精準、更高效、更科學地進行管理、決策以及不斷提

升智能化水平提供了保證。第三章智能制造關鍵技術11智能制造基礎與應用五、智能制造、智能生產、智能工廠狹義智能制造是指生產智能儀表、智能控制裝置、智能機器人、智能控制軟件、智能執(zhí)行機構等智能設備的制造業(yè)。廣義智能生產制造是指將信息技術、網絡技術和智能技術應用于工業(yè)生產制造領域，實現(xiàn)產品生產、研發(fā)、經營管理及服務全流程的數(shù)字化、網絡化、信息化、自動化、智能化、綠色化，是智能化的生產工廠和制造企業(yè)。第三章智能制造關鍵技術12智能制造基礎與應用六、增材制造增材制造（Additive

Manufacturing，AM）技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除－切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法。近二十年來，AM技術取得了快速的發(fā)展，“快速原型制造（Rapid

Prototyping）”、“三維打印(3DPrinting)”、“實體自由制造(SolidFree-formFabrication)”之類各異的叫法分別從不同側面表達了這一技術的特點。第三章智能制造關鍵技術廣義增材制造13智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術七、虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。14智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術15智能制造基礎與應用思考題：1.什么是智能制造？2.智能制造的關鍵技術主要有哪些？工業(yè)物聯(lián)網2

第二節(jié)第三章智能制造關鍵技術17智能制造基礎與應用一、物聯(lián)網的定義物聯(lián)網是通過RFID技術、無線傳感器技術以及定位技術等自動識別、采集和感知獲取物品的標識信息、物品自身的屬性信息和周邊環(huán)境信息，借助各種電子信息、傳輸技術將物品相關信息聚合到統(tǒng)一的信息網絡中，并利用云計算、模糊識別、數(shù)據挖掘以及語義分析等各種智能計算技術對物品相關信息進行分析融合處理，最終實現(xiàn)對物理世界的高度認知和智能化的決策控制。目前物聯(lián)網的傳輸技術非常豐富，包括：藍牙、Zigbee、WIFI、超短波數(shù)傳電臺、GPRS等等。主要可以概括為以太網終端、WIFI終端、2G/3G終端等，當然有些智能終端具有上述兩種或兩種以上的接口。第三章智能制造關鍵技術物聯(lián)網的體系結構18智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術19智能制造基礎與應用感知層是物聯(lián)網的皮膚和五官,用來識別物體，采集信息。感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等，主要作用是識別物體，采集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用相似。網絡層是物聯(lián)網的神經中樞和大腦，進行信息傳遞和處理。網絡層包

括通信與互聯(lián)網的融合網絡、網絡管理中心和信息處理中心等。網絡層將

感知層獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經中樞和大腦。應用層是物聯(lián)網的“社會分工”，與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)廣泛智能化。應用層是物聯(lián)網與行業(yè)專業(yè)技術的深度融合，與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)行業(yè)智能化，這類似于人的社會分工，最終構成人類社會。第三章智能制造關鍵技術20智能制造基礎與應用三、工業(yè)物聯(lián)網中的關鍵技術工業(yè)物聯(lián)網通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別技術、

全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與

技術，實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程、采集其聲、光、熱、電等各種需要的信息。具有環(huán)境感知能力的各類

終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等，不斷融入到工業(yè)生產

的各個環(huán)節(jié)，從而大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本

和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。第三章智能制造關鍵技術工業(yè)物聯(lián)網中的關鍵技術21智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術22智能制造基礎與應用四、工業(yè)物聯(lián)網應用前景工業(yè)物聯(lián)網的應用改變了傳統(tǒng)工業(yè)中被動的信息收集方式，實現(xiàn)自動、準確、及時地收集生產過程參數(shù)。傳統(tǒng)的工業(yè)生產采用M2M

（Machine

toMachine）的通信模式，實現(xiàn)了機器與機器間的通信。而工業(yè)物聯(lián)網通過ThingstoThings的通信方式實現(xiàn)了人、機器和系統(tǒng)三者之間的智能化、交互式無縫連接，從而使得企業(yè)與客戶、市場的聯(lián)系更為緊密，企業(yè)可以感知到市場的瞬息萬變，大幅提高制造效率、改善產品質量、降低產品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。第三章智能制造關鍵技術23智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術24智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術基于物聯(lián)網的現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)體系結構25智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術1．制造業(yè)供應鏈管理企業(yè)利用物聯(lián)網技術，能及時掌握原材料采購、庫存、銷售等信息，通過

大數(shù)據分析還能預測原材料的價格趨向、供求關系等，有助于完善和優(yōu)化供應

鏈管理體系，提高供應鏈效率，降低成本。例如，空中客車通過在供應鏈體系

中應用傳感網絡技術，構建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應鏈體系。26智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術空客公司供應鏈體系27智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術28智能制造基礎與應用生產過程工藝優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網的泛在感知特性提高了生產線過程檢測、實時參數(shù)采集、材料

消耗監(jiān)測的能力和水平，通過對數(shù)據的分析處理可以實現(xiàn)智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護，提高生產力，降低能源消耗。生產設備監(jiān)控管理利用傳感技術對生產設備進行健康監(jiān)控，可以及時跟蹤生產過程中各個工業(yè)機器設備的使用情況，通過網絡把數(shù)據匯聚到設備生產商的數(shù)據分析中心進行處理，能有效地進行機器故障診斷、預測，快速、精確地定位故障原因，提高維護效率，降低維護成本。第三章智能制造關鍵技術29智能制造基礎與應用環(huán)保監(jiān)測及能源管理工業(yè)物聯(lián)網與環(huán)保設備的融合可以實現(xiàn)對工業(yè)生產過程中產生的各種污染源及污染治理環(huán)節(jié)關鍵指標的實時監(jiān)控。在化工、輕工、火電廠等企業(yè)布署傳感器網絡，不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據，而且可以通過智能化的數(shù)據報警及時發(fā)現(xiàn)排污異常并停止相應的生產過程，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故發(fā)生。工業(yè)安全生產管理工業(yè)物聯(lián)網技術通過把傳感器安裝到礦山設備、油氣管道、礦工設備等危險作業(yè)環(huán)境中，可以實時監(jiān)測作業(yè)人員、設備機器以及周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，全方位獲取生產環(huán)境中的安全要素，將現(xiàn)有的網絡監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網絡監(jiān)管平臺。第三章智能制造關鍵技術基于物聯(lián)網的公交智能調控系統(tǒng)30智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術基于物聯(lián)網的倉儲物流方案31智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術32智能制造基礎與應用思考題：1.什么是物聯(lián)網？工業(yè)物聯(lián)網的關鍵技術有哪些？工業(yè)物聯(lián)網的應用主要集中在哪幾個方面？工業(yè)機器人3

第三節(jié)第三章智能制造關鍵技術一、工業(yè)機器人定義及特點工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行。34智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術35智能制造基礎與應用工業(yè)機器人最顯著的特點有以下幾個：可編程。生產自動化的進一步發(fā)展是柔性啟動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種產品，特別是具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。擬人化。工業(yè)機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。第三章智能制造關鍵技術36智能制造基礎與應用通用性。除了專門設計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務。工業(yè)機器技術涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結合：機電一體化技術。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。第三章智能制造關鍵技術37智能制造基礎與應用當今工業(yè)機器人技術正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應能力的方向發(fā)展。技術先進。工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用

開發(fā)等先進制造技術于一體。通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，實現(xiàn)增加產量、提高質量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)

境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。技術升級。工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細

加工以及柔性生產等技術特點，是繼動力機械、計算機之后，出現(xiàn)的全

面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，是實現(xiàn)生產數(shù)字化、自動化、網絡化以及智能化的重要手段。第三章智能制造關鍵技術38智能制造基礎與應用應用領域廣泛。工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產過程的關鍵設備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產環(huán)節(jié)，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應用領域非常廣泛。技術綜合性強。工業(yè)機器人與自動化成套技術，集中并融合了多項學科，涉及多項技術領域，包括工業(yè)機器人控制技術、機器人動力學及仿真、機器人構建有限元分析、激光加工技術、模塊化程序設計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術，技術綜合性強。第三章智能制造關鍵技術39智能制造基礎與應用二、工業(yè)機器人種類工業(yè)機器人的種類主要包括以下幾種：1．移動機器人（AGV）點焊機器人弧焊機器人激光加工機器人真空機器人潔凈機器人第三章智能制造關鍵技術40智能制造基礎與應用1.移動機器人（AGV）移動機器人（AGV）是工業(yè)機器人的一種類型，它由計算機控制，具有移、自動導航、多傳感器控制、網絡交互等功能，它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ?，也用?/p>

自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)（以AGV作為活動裝配平

臺）。移動機器人是物流技術的核心技術和設備，用現(xiàn)代物流技術配合、支

撐、改造、提升傳統(tǒng)生產線，實現(xiàn)點對點自動存取的高架箱儲、作業(yè)和搬

運相結合，實現(xiàn)精細化、柔性化、信息化，縮短物流流程，降低物料損耗，減少占地面積，降低建設投資。第三章智能制造關鍵技術移動機器人A

G

V41智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術2．點焊機器人焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點焊作業(yè)的生產率。42智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術43智能制造基礎與應用點焊機器人主要用于汽車整車的焊接工作，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是當前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，我國機器人研究所研制完成國內首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，使得我國焊接機器人整體技術指標已經達到國外同類機器人水平。第三章智能制造關鍵技術44智能制造基礎與應用3．弧焊機器人弧焊機器人主要應用于各類汽車零部件的焊接生產。關鍵技術包括：

(1)弧焊機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術：弧焊機器人采用交流伺服驅動技術以及高精度、高剛性的RV減速機和諧波減速器，具有良好的低速穩(wěn)定性和高速動態(tài)響應，并可實現(xiàn)免維護功能。(2)協(xié)調控制技術：控制多機器人及變位機協(xié)調運動，既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。第三章智能制造關鍵技術(3)精確焊縫軌跡跟蹤技術：結合激光傳感器和視覺傳感器離線工作方式的優(yōu)點，采用激光傳感器實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，提升焊接機器人對復雜工件進行焊接的柔性和適應性，結合視覺傳感器離線觀察獲得焊縫跟蹤的殘余偏差，基于偏差統(tǒng)計獲得補償數(shù)據并進行機器人運動軌跡的修正，在各種工況下都能獲得最佳的焊接質量。45智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術4．激光加工機器人激光加工機器人是將機器人技術應用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機器人實現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。激光加工機器人可以通過示教盒進行在線操作，也可通過離線方式進行編程。46智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術5．真空機器人真空機器人是一種在真空環(huán)境下工作的機器人，主要應用于半導體工業(yè)中，實現(xiàn)晶圓在真空腔室內的傳輸。真空機械手難進口、受限制、用量大、通用性強，是制約半導體裝備整機的研發(fā)進度和整機產品競爭力的關鍵部件。47智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術48智能制造基礎與應用6．潔凈機器人潔凈機器人是一種在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機器人。隨著生產技術水平不斷提高，其對生產環(huán)境的要求也日益苛刻，很多現(xiàn)代工業(yè)產品生產都要求在潔凈環(huán)境進行，潔凈機器人是潔凈環(huán)境下生產需要的關鍵設備。第三章智能制造關鍵技術三、典型機器人系統(tǒng)案例1.輸送線系統(tǒng)應用領域：機器人及輸送線物流自動化系統(tǒng)可應用于建材、家電、電子、化纖、汽車、食品等行業(yè)。一機三線自動碼垛系統(tǒng)輸送線49智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術2.機器人涂膠工作站機器人涂膠工作站主要包括機器人、供膠系統(tǒng)、涂膠工作臺、工作站控制系統(tǒng)及其它周邊配套設備。工作站自動化程度高，適用于多品種、大批量生產，可廣泛地應用于汽車風擋、汽車摩托車車燈、建材門窗、太陽能光伏電池涂膠等行業(yè)。50智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術3.焊接系統(tǒng)應用領域：自動機器人焊接工作站可廣泛地應用于鐵路、航空航天、軍工、冶金、汽車、電器等各個行業(yè)。51智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術52智能制造基礎與應用優(yōu)點：⑴穩(wěn)定和提高焊接質量；⑵提高勞動生產率；⑶改善工人勞動強度，機器人可在有害環(huán)境下工作；⑷降低了對工人操作技術的要求；⑸縮短了產品改型換代的準備周期（只需修改軟件和必要的夾具即可），減少相應的設備投資。因此，在各行各業(yè)已得到了廣泛的應用。該系統(tǒng)一般多采用熔化極氣體保護焊（MIG、MAG、CO2焊）或非熔化極氣體保護焊（TIG、等離子弧焊）方法。設備一般包括：焊接電源、焊槍和送絲機構、焊接機器人系統(tǒng)及相應的焊接軟件及其它輔助設備等。第三章智能制造關鍵技術53智能制造基礎與應用四、自動裝箱系統(tǒng)機器人自動裝箱、碼垛工作站是一種集成化的系統(tǒng)，它包括工業(yè)機器人、控制器、編程器、機器人手爪、自動拆疊盤機、托盤輸送及定位設備和碼垛模式軟件等。它還配置自動稱重、貼標簽和檢測及通訊系統(tǒng)，并與生產控制系統(tǒng)相連接，以形成一個完整的集成化包裝生產線。應用領域機器人自動裝箱、碼垛工作站可應用于建材、家電、電子、化纖、汽車、食品等行業(yè)。第三章智能制造關鍵技術酒類裝箱碼垛線54智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術55智能制造基礎與應用思考題：1.工業(yè)機器人有哪些特點？2.工業(yè)機器人的常用種類有哪些？3D打印技術4

第四節(jié)第三章智能制造關鍵技術57智能制造基礎與應用一、

3D打印技術特點及發(fā)展歷史3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設

計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。第三章智能制造關鍵技術3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中

期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。這打印技術稱為3D立體打印技術。3D打印流程58智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術59智能制造基礎與應用1986年，美國科學家Charles

Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機。1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術專利。1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權并開始開發(fā)3D打印機。2005年，市場上首個高清晰彩色3D打印機Spectrum

Z510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，美國JimKor團隊打造出世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。第三章智能制造關鍵技術60智能制造基礎與應用2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺3D巧克力打印機。2011年8月，南安普敦大學的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機。2012年11月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織。2013年10月，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術品。2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設計制造出3D打印金屬手槍。第三章智能制造關鍵技術二、3D打印技術應用實例61智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術3D打印的復雜零件62智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術3D打印的能發(fā)射真正子彈的手槍63智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術64智能制造基礎與應用類型累積技術基本材料擠壓熔融沉積式(FDM）熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料線電子束自由成形制造(EBF)幾乎任何合金粒狀直接金屬激光燒結（DMLS）幾乎任何合金電子束熔化成型（EBM）鈦合金選擇性激光熔化成型(SLM)鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末粉末層噴頭3D打印石膏3D打印(PP)石膏層壓分層實體制造（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜光聚合立體平板印刷（SLA）光硬化樹脂數(shù)字光處理(DLP)光硬化樹脂3D打印技術分類第三章智能制造關鍵技術3D打印的航空零件65智能制造基礎與應用3D打印的火箭噴射器3D打印的無人機樣機3D打印商業(yè)無人機第三章智能制造關鍵技術日本研發(fā)的3D打印肝臟模型國內首臺空間在軌3D打印機66智能制造基礎與應用3D打印的頭蓋骨第三章智能制造關鍵技術3D打印的胸腔67智能制造基礎與應用北京大學成功實施世界首例3D打印脊椎植入第三章智能制造關鍵技術3D打印運河住宅68智能制造基礎與應用3D打印血管機第三章智能制造關鍵技術69智能制造基礎與應用思考題：1.3D打印技術的特點是什么？2.3D打印技術相對于減料加工，優(yōu)勢在什么地方？3.3D打印技術的常用類型有哪些?RFID射頻技術5

第五節(jié)第三章智能制造關鍵技術71智能制造基礎與應用一、

RFID射頻技術定義及特點1．RFID定義RFID（Radio

Frequency

Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據，它的基本原理是利用射頻信號和空間稱合或雷達反射的傳輸特性,從一個貼在商品或者物品上叫做電子標簽或者RFID標簽中讀取數(shù)據,從而實現(xiàn)對物品或者商品的自動識別。RFID讀寫器也分移動式的和固定式的，目前RFID技術應用很廣，如：圖書館，門禁系統(tǒng)，食品安全溯源等。第三章智能制造關鍵技術RFID系統(tǒng)架構72智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術73智能制造基礎與應用2．RFID特點射頻識別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100毫秒。有源式射頻識別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點。可用于流程跟蹤和維修跟蹤等交互式業(yè)務?？焖賿呙?。RFID辨識器可同時辨識讀取數(shù)個RFID標簽。體積小型化、形狀多樣化。RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。此外，RFID標簽更

可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應用于不同產品。第三章智能制造關鍵技術74智能制造基礎與應用抗污染能力和耐久性。傳統(tǒng)條形碼的載體是紙張，因此容易受到污染，但RFID對水、油和化學藥品等物質具有很強抵抗性。此外，由于條形碼是附于塑料袋或外包裝紙箱上，所以特別容易受到折損；RFID卷標是將數(shù)據存在芯片中，因此可以免受污損?？芍貜褪褂谩，F(xiàn)今的條形碼印刷上去之后就無法更改，RFID標簽則可以重復地新增、修改、刪除RFID卷標內儲存的數(shù)據，方便信息的更新。穿透性和無屏障閱讀。在被覆蓋的情況下，RFID能夠穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質，并能夠進行穿透性通信。而條形碼掃描機必須在近距離而且沒有物體阻擋的情況下，才可以辨讀條形碼。第三章智能制造關鍵技術75智能制造基礎與應用數(shù)據的記憶容量大。一維條形碼的容量是50Bytes，二維條形碼最大的容量可儲存2至3000字符，RFID最大的容量則有數(shù)個MB。隨著記憶載體的發(fā)展，數(shù)據容量也有不斷擴大的趨勢。未來物品所需攜帶的資料量會越來越大，對卷標所能擴充容量的需求也相應增加。安全性。由于RFID承載的是電子式信息，其數(shù)據內容可經由密碼保護，使其內容不易被偽造及變造。第三章智能制造關鍵技術RFID射頻技術原理76智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術77智能制造基礎與應用二、

RFID射頻技術應用射頻識別技術以其獨特的優(yōu)勢，逐漸地被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化和交通運輸控制管理等領域。隨著大規(guī)模集成電路技術的進步以及生產規(guī)模的不斷擴大，射頻識別產品的成本將不斷降低，其應用也將越來越廣泛。如電子標簽、IC卡、智能卡、動物識別系統(tǒng)等，而且RFID技術已普遍應用在食品衛(wèi)生、物流、零售、制造、服裝、醫(yī)療、交通、防偽等各個領域，促進我國信息化快速發(fā)展。第三章智能制造關鍵技術78智能制造基礎與應用RFID標簽技術電子標簽是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據。電子標簽上的數(shù)據可以加密，存儲數(shù)據容量大，存儲信息容易更改，因而它比條形碼的應用范圍更廣泛，使用起來也更方便。RFID門禁控制門禁控制器通常是指分體式門禁控制系統(tǒng)，主要用于門禁管理系統(tǒng)的底層控制。通過和計算機的命令、數(shù)據通信，使管理者可以隨時掌握門和防區(qū)的實際情況，便于在緊急情況下迅速作出反應。第三章智能制造關鍵技術79智能制造基礎與應用RFID智能卡智能卡也叫IC卡，是一個帶有微處理器和存儲器等微型集成電路芯片的、具有標準規(guī)格的卡片。智能卡已應用到銀行、電信、交通、社會保險、電子商務等領域，IC電話卡、金融IC卡、社會保險卡和手機中的SIM卡都屬于智能卡的范疇。第三章智能制造關鍵技術RFID在智能制造中，主要應用于物流系統(tǒng)。供應鏈的網鏈結構模型80智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術射頻技術貨物出庫流程圖81智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術82智能制造基礎與應用供應鏈是一個網絡結構，由圍繞核心企業(yè)的供應商、供應商的供應商和用戶、用戶的用戶組成。供應鏈上一般有供應商、制造商、銷售商以及最終客戶4個節(jié)點，RFID技術在各個節(jié)點的應用優(yōu)勢主要有以下幾個方面：1.加強供應商管理，促進原材料的快速周轉在原材料供應環(huán)節(jié)，RFID技術給原材料供應商和制造商提供了一個共享信息的平臺。采用RFID技術以后，帶有RFID電子標簽的原材料包裝箱進入射頻天線工作區(qū)時，電子標簽將被激活，標簽上的相關數(shù)據(如供應商、原材料名稱、類型、數(shù)量等)都將被自動識別，可以實時地獲取供應商及原材料的各種信息。因此，

RFID技術可簡化原材料的卸貨、檢驗及等待工序，加快原材料的周轉速度，提高企業(yè)的自動化水平，同時也可以對供應商進行實時控制及考核。第三章智能制造關鍵技術83智能制造基礎與應用2.優(yōu)化采購管理，實現(xiàn)JIT(Just

in

time，準時制)生產在制造環(huán)節(jié)，制造型企業(yè)采用RFID技術可以優(yōu)化采購管理并實現(xiàn)JIT生產，應用于從生產命令下達至產品完成的整個生產過程，因為RFID技術可以實現(xiàn)自動化流水線操作，實現(xiàn)對原材料、零部件、半成品和成品的識別與跟蹤，進行物料動態(tài)管理，并可以收集生產過程中大量的實時數(shù)據，隨時根據現(xiàn)場實際變動情況調整整個車間的生產工序節(jié)拍，由此減少人工處理的出錯率，從而提高工人的工作效率和企業(yè)整體經濟效益。另外，采用RFID技術后，生產車間可預先設置物料預警點，企業(yè)調度員可以利用便攜式數(shù)據終端(Portable

data

terminal，PDT)調用后臺數(shù)據資料，并讀取生產區(qū)庫存物品的RFID標簽信息，決定是否補貨，從而實現(xiàn)流水線均衡生產，加強對產品質量的控制與追蹤。第三章智能制造關鍵技術84智能制造基礎與應用3.提高銷售商品的管理水平，提升商品的銷售業(yè)績在商品銷售環(huán)節(jié)，銷售商應用RFID技術可以進行高效率的商品出入庫、存儲和銷售信息管理，并可以用于商品防盜、貨物有效監(jiān)控等?，F(xiàn)場管理人員只需將貨物中來自于不同企業(yè)的商品信息掃入RFID處理終端，并上傳至后臺信息系統(tǒng)數(shù)據庫，就可以實時地監(jiān)控商品的銷售流動情況，及時更新商品的庫存信息，并根據不同商品的銷售數(shù)據，可以統(tǒng)計分析暢銷或滯銷商品，并對大量的數(shù)據進行數(shù)據挖掘，制定相應的銷售策略。另外，RFID電子標簽可以有效監(jiān)控商品的時效性，即當商品超過了保質期，電子標簽及時地發(fā)出警報，并及時地提醒銷售人員更新庫存，以提高商品的庫存周轉率。第三章智能制造關鍵技術85智能制造基礎與應用4.方便客戶，維護消費者利益在客戶環(huán)節(jié)，消費者在超市購物時，挑選好商品后進行結算，此時只需將貼有RFID標簽的商品通過RFID識讀器過道，原來費時費力的結算就變得簡單了，商品清點及統(tǒng)計也就自動完成，這時消費者可以自由選擇現(xiàn)金、信用卡付款，也可以使用帶有RFID標簽的結算卡進行結算。因此，在結算過程中，商家節(jié)省了人力資源，而消費者也不用為排隊而苦惱，極大地提高了顧客滿意度。另外，RFID標簽也可以防止商品的“假冒偽劣”現(xiàn)象。RFID標簽就像公民的身份證，從商品下線時，就賦予了商品的身份，并一直跟蹤商品的流動。因此，無論商品在哪個流動環(huán)節(jié)出了質量問題，制造商都無法推卸責任，由此切實維護了消費者的切身利益。第三章智能制造關鍵技術物流管理中的RFID系統(tǒng)86智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術87智能制造基礎與應用思考題：1.什么是射頻技術？2.射頻技術有什么特點？3.射頻技術主要應用于什么場合?云計算與大數(shù)據6

第六節(jié)第三章智能制造關鍵技術89智能制造基礎與應用一、云計算與大數(shù)據概述云計算（cloud

computing）是基于互聯(lián)網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網來提供動態(tài)易擴展且經常是虛擬化的資源。云是網絡、互聯(lián)網的一種比喻說法。過去在圖中往往用云來表示電信網，后來也用來表示互

聯(lián)網和底層基礎設施的抽象。因此，云計算甚至可以讓你體驗每秒10萬億次的運算能力，擁有這么強大的計算能力可以模擬核爆炸、預測氣候變化和市場發(fā)展趨

勢。用戶通過電腦、筆記本、手機等方式接入數(shù)據中心，按自己的需求進行運算。按服務商提供云服務的資源所在層次分，云計算可以分為基礎設施即服務(IaaS，Infrastructure

as

a

Service)、平臺即服務(PaaS，Platform

as

aService)和軟件即服務(SaaS，Software

as

a

Service)三個層面。第三章智能制造關鍵技術國內外主要的云計算服務提供商90智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術按照運營模式云計算可以分為公共云、私有云和混合云三種。公共云通常是指第三方提供商為用戶提供的通過Internet訪問使用的云，用戶可以使用相應的云服務但并不擁有云計算資源；私有云是指企業(yè)自行搭建的云計算基礎架構，可以為企業(yè)自身或外部客戶提供獨享的云計算服務，基礎架構搭建方擁有云計算資源的自主權；混合云是指既有私有云的基礎架構，也使用公共云服務的模式。云計算的運營模式分類91智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術92智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術93智能制造基礎與應用大數(shù)據（bigdata），指無法在一定時間范圍內用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理的數(shù)據集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應海量、高增長率和多樣化的信息資產。云計算與大數(shù)據之間是相輔相成，相得益彰的關系。大數(shù)據挖掘處理需要云計算作為平臺，而大數(shù)據涵蓋的價值和規(guī)律則能夠使云計算更好的與行業(yè)應用結合并發(fā)揮更大的作用。云計算將計算資源作為服務支撐大數(shù)據的挖掘，而大數(shù)據的發(fā)展趨勢是對實時交互的海量數(shù)據查詢、分析提供了各自需要的價值信息。第三章智能制造關鍵技術大數(shù)據的信息隱私保護是云計算大數(shù)據快速發(fā)展和運用的重要前提。沒有信息安全也就沒有云服務的安全。產業(yè)及服務要健康、快速的發(fā)展就需要得到用戶的信賴，就需要科技界和產業(yè)界更加重視云計算的安全問題，更加注意大數(shù)據挖掘中的隱私保護問題。從技術層面進行深度的研發(fā)，嚴防和打擊病毒和黑客的攻擊。同時加快立法的進度，維護良好的信息服務的環(huán)境。全球互聯(lián)網流量數(shù)據94智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術95智能制造基礎與應用二、云計算大數(shù)據平臺的主要技術框架（一）

Hadoop簡介Hadoop是一個海量數(shù)據分布式處理的開源軟件框架，Hadoop能支持PB

級海量數(shù)據，可擴展性強。可靠、高效、可擴展和開源的特性，使Hadoop技術得到了迅猛發(fā)展，并在2008年成為Apache的頂級項目。從2003年Google公開發(fā)布MapReduce的思想，到2006年Amazon使用Hadoop成為全球最早提供成熟云計算服務的供應商之一，再到如今IBM、微軟、DELL、EMC2、阿里巴巴、騰訊各大國內外廠商都商用了自己的Hadoop平臺，Hadoop已經取得了輝煌的成績，得到了越來越廣泛的應用。第三章智能制造關鍵技術基于Hadoop的數(shù)據倉庫架構設計96智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術97智能制造基礎與應用（二）Spark簡介Spark是一款開源的基于內存計算的分布式計算系統(tǒng)，能夠對大數(shù)據進行快速分析處理。Spark項目2010年由加州伯克利大學AMP實驗室開發(fā)，2014年2月，Spark成為Apache軟件基金會的頂級開源項目，Spark基于內存計算實現(xiàn)，加快了數(shù)據分析處理速度。Hadoop

MapReduce以批處理方式處理數(shù)據，每個任務都需要HDFS的讀寫，耗時較大，在機器學習和數(shù)據庫查詢等數(shù)據計算過程中，Spark的處理速度可以達到Hadoop

MapReduce的100倍以上。因此，對于實時要求較高的分析處理，Spark較為適用；對于非實時的海量數(shù)據分析應用，Hadoop

MapReduce更加合適。第三章智能制造關鍵技術98智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術99智能制造基礎與應用三、國內外大數(shù)據/云計算平臺的應用現(xiàn)狀（一）

Hadoop的應用1.國外企業(yè)Facebook、Amazon、Yahoo、Twitter和Hulu等互聯(lián)網信息提供商和電商基于Hadoop平臺為用戶提供快速的服務和精準的分析。IBM、甲骨文和HP等解決方案提供商、設備商，主要基于Hadoop架構為企業(yè)客戶提供大數(shù)據應用產品和解決方案。第三章智能制造關鍵技術2.國內企業(yè)在此方面，知名國內企業(yè)有百度、阿里巴巴、騰訊（BAT）和華為、中興等。（1）百度搜索巨頭百度圍繞數(shù)據而生，通過語義分析精準理解搜索需求進而從海量數(shù)據中找準結果，以及精準的搜索引擎關鍵字廣告百度基于Hadoop的海量數(shù)據處理平臺，平均每天處理的任務數(shù)和數(shù)據量分別超過120000個和20PB。100智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術（2）阿里巴巴淘寶是目前中國最大的C2C電子商務平臺，也是國內第一批采用Hadoop技術進行數(shù)據平臺升級的公司之一。從2008年開始，淘寶就開始研究基于Hadoop的數(shù)據處理平臺“云梯(Cloud

Ladder)”云梯使用的

Hadoop集群是全國最大的Hadoop集群之一，它支撐了淘寶整個數(shù)據分析工作，目前整個集群達到1700個節(jié)點，數(shù)據總容量24.3PB，并且以每天255TB的速度不斷增長。101智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術102智能制造基礎與應用（3）騰訊騰訊是中國互聯(lián)網行業(yè)的旗艦之一，騰訊業(yè)務已從最初的即時通信工具QQ擴展到涵蓋社交網絡、在線游戲、電子商務、新聞門戶、搜索等各類網絡服務。騰訊以其自主開發(fā)的臺風（Typhoon）云計算平臺進行在線數(shù)據處理和離線批量數(shù)據處理。同時，騰訊內部的技術團隊也應用Hadoop技術解決一些海量數(shù)據環(huán)境下的特殊問題，例如網頁分析、數(shù)據挖掘等，騰訊對臺風云計算平臺進行了一些擴展，以支持Hadoop程序在其上運行，提高了資源利用率和Hadoop擴展性。第三章智能制造關鍵技術（4）華為華云數(shù)據于2013年6月份推出了國內首個運營型云應用平臺，

迄今為止與平臺簽訂協(xié)議的ISV數(shù)量就已突破3000家。同時，華云數(shù)據電商云的打造也吸引來數(shù)千家獨立電商的進駐，部分行業(yè)集聚效應的發(fā)揮也進一步增添華云數(shù)據云平臺的行業(yè)特色。2014年3月，華云數(shù)據又推出了擁有自主知識產權的第四代架構云計算產品。103智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術（5）中興中興將Hadoop應用在智能管道的海量流量數(shù)據分析中，取得了非常不錯的效果。該海量流量數(shù)據分析系統(tǒng)，對電信運營商流量的精細化管理提供了數(shù)據分析支持。104智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術105智能制造基礎與應用（二）

Spark的應用目前大數(shù)據在互聯(lián)網公司主要應用在廣告、推薦系統(tǒng)等業(yè)務上，在廣告業(yè)務方面需要大數(shù)據做應用分析、效果分析、定向投放等；在推薦系統(tǒng)方面則需要大數(shù)據進行排名計算、個性化推薦以及熱點點擊分析等。Spark可以滿足這些應用場景計算量大、效率要求高的需求。第三章智能制造關鍵技術106智能制造基礎與應用騰訊騰訊廣點通是最早使用Spark的應用之一，騰訊大數(shù)據精準推

薦借助Spark快速迭代的優(yōu)勢，圍繞“數(shù)據+算法+系統(tǒng)”技術方案，實現(xiàn)了在

數(shù)據實時采集、算法實時訓練、系統(tǒng)實時預測的全流程實時并行高維算法，支持每天上百億的請求量。Yahoo

Yahoo使用Spark完成Audience

Ex-pansion算法。目前在Yahoo部署的Spark集群有112臺節(jié)點，9.2TB內存。淘寶阿里搜索和廣告業(yè)務使用Mahout或者自主設計的MapReduce程序來實現(xiàn)復雜的機器學習算法，效率低而且代碼可維護性差。通過使用Spark

來解決多次迭代的機器學習算法、高計算復雜度的算法等后，算法效率提升明顯。優(yōu)酷土豆第三章智能制造關鍵技術107智能制造基礎與應用思考題：1.云計算有哪幾種分類？云計算的主要技術框架有哪些？3D打印技術的常用類型有哪些?虛擬現(xiàn)實與人工智能技術7

第七節(jié)圖片第三章智能制造關鍵技術109智能制造基礎與應用一、虛擬現(xiàn)實與人工智能定義及特點（一）虛擬現(xiàn)實的特征及關鍵技術虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境。是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實是一種環(huán)境，是高度現(xiàn)實化的虛幻。在其應用的領域中，為能達到虛擬現(xiàn)實這種環(huán)境而綜合運用計算機圖形學、圖像處理與模式識別、計算機視覺、計算機網絡／通信技術、語音處理與音響技術、心理／生理學、感知／認知科學、多傳感器技術、人工智能技術以及高度并行的實時計算技術等多方面技術，營造出一個虛擬環(huán)境（Virtual

Environment）。這些技術統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實技術。第三章智能制造關鍵技術110智能制造基礎與應用1．虛擬現(xiàn)實的特征多感知性指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實應該具有一切人所具有的感知功能。存在感指用戶感到作為主角存在丁模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難辨真假的程度。交互性指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。自主性指虛擬環(huán)境中的物體依據現(xiàn)實世界物理運動定律動作的程度。第三章智能制造關鍵技術111智能制造基礎與應用2．虛擬現(xiàn)實的關鍵技術虛擬現(xiàn)實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。（1）實時三維計算機圖形相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準

確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確

圖像，但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當

困難。第三章智能制造關鍵技術112智能制造基礎與應用（2）顯示在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像

是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動?，F(xiàn)在，已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數(shù)字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設備是數(shù)據手套和數(shù)據衣。第三章智能制造關鍵技術113智能制造基礎與應用聲音人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度

的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現(xiàn)的，所以會有一種方向感?，F(xiàn)實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。感覺反饋在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但

是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。第三章智能制造關鍵技術114智能制造基礎與應用（5）語音在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發(fā)音也會受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。第三章智能制造關鍵技術虛擬試衣間115智能制造基礎與應用虛擬跑步機第三章智能制造關鍵技術虛擬游戲場景116智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術（二）虛擬現(xiàn)實技術的應用沉浸式虛擬現(xiàn)實頭盔虛擬軍事訓練117智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術虛擬現(xiàn)實技術制作的房產效果圖118智能制造基礎與應用工業(yè)仿真界面虛擬現(xiàn)實技術制作的圓明園復原效果圖第三章智能制造關鍵技術淘寶推出的VR購物119智能制造基礎與應用虛擬現(xiàn)實技術制作的地理環(huán)境第三章智能制造關鍵技術波音787虛擬維修教室120智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術121智能制造基礎與應用（三）人工智能的特征人工智能（ArtificialIntelligence）簡稱AI，主要研究如何用人工的方法和技術，使用各種自動化機器或智能機器（主要指計算機）模仿、延伸和擴展人的智能，實現(xiàn)某些機器思維或腦力勞動自動化。人工智能是那些與人的思維相關的活動，諸如決策、問題求解和學習等的自

動化；人工智能是一種計算機能夠思維，使機器具有智力的激動人心的新嘗試；人工智能是研究如何讓計算機做現(xiàn)階段只有人才能做得好的事情；人工智能是那

些使知覺、推理和行為成為可能的計算的研究。廣義地講，人工智能是關于人造

物的智能行為，而智能行為包括知覺、推理、學習、交流和在復雜環(huán)境中的行為。第三章智能制造關鍵技術122智能制造基礎與應用二、虛擬現(xiàn)實在智能制造中的應用（一）虛擬制造定義及關鍵技術虛擬制造技術涉及面很廣，如環(huán)境構成技術、過程特征抽取、元模型、集成基礎結構的體系結構、制造特征數(shù)據集成、多學科交叉功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現(xiàn)實技術、建模與仿真技術等。其中后3項是虛擬制造的核心技術。第三章智能制造關鍵技術123智能制造基礎與應用1．建模技術虛擬制造系統(tǒng)VMS是現(xiàn)實制造系統(tǒng)RMS在虛擬環(huán)境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生產模型、產品模型和工藝模型。生產模型?？蓺w納為靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩個方面。靜態(tài)描述是指系統(tǒng)生產能力和生產特性的描述。動態(tài)描述是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特性的基礎上預測產品生產的全過程。產品模型。產品模型是制造過程中，各類實體對象模型的集合。目前產品模型描述的信息有產品結構、產品形狀特征等靜態(tài)信息。虛擬制造下的產品模型不再是單一的靜態(tài)特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型，包括三維動態(tài)模型，干涉檢查，應力分析等。第三章智能制造關鍵技術（3）工藝模型。將工藝參數(shù)與影響制造功能的產品設計屬性聯(lián)系起來，以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數(shù)據表、制造規(guī)劃、統(tǒng)計模型以及物理和數(shù)學模型。三維軟件繪制的產品模型124智能制造基礎與應用虛擬現(xiàn)實技術制作的模型第三章智能制造關鍵技術125智能制造基礎與應用2．仿真技術仿真就是應用計算機對復雜的現(xiàn)實系統(tǒng)經過抽象和簡化形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計性能。由于仿真是以系統(tǒng)模型為對象的研究方法，不會干擾實際生產系統(tǒng)，同時利用計算機的快速運算能力，仿真可以用很短時間模擬實際生產中需要很長時間的生產周期，因而可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費，并可重復仿真，優(yōu)化實施方案。仿真的基本步驟為：研究系統(tǒng)——收集數(shù)據、建立系統(tǒng)模型——確定仿真算法、建立仿真模型、運行仿真模型——輸出結果并分析。第三章智能制造關鍵技術126智能制造基礎與應用產品制造過程仿真，可歸納為制造系統(tǒng)仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統(tǒng)中的產品開發(fā)涉及到產品建模仿真、設計過程規(guī)劃仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真等，以便對設計結果進行評價，實現(xiàn)設計過程早期反饋，減少或避免產品設計錯誤。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真、檢驗過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。第三章智能制造關鍵技術127智能制造基礎與應用3．虛擬現(xiàn)實技術VRT虛擬現(xiàn)實技術是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環(huán)境(稱為虛擬環(huán)境)中提供沉浸感覺的技術。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括操作者、機器和人機接口3個基本要素。利用VRS可以對真實世界進行動態(tài)模擬，通過用戶的交互輸人，并及時按輸出修改虛擬環(huán)境，使人產生身臨其境的沉浸感覺。虛擬現(xiàn)實技術是VM的關鍵技術之一。第三章智能制造關鍵技術虛擬工廠128智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術129智能制造基礎與應用（二）虛擬制造的分類根據虛擬制造應用環(huán)境和對象的側重點不同，虛擬制造分為三類：以設計為中心的虛擬制造，以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。（1）設計為中心的虛擬制造為設計者提供產品設計階段所需的制造信息，從而使設計最優(yōu)。設計部門和制造部門之間在計算機網絡的支持下協(xié)同工作，以統(tǒng)一的制造信息模型為基礎，對數(shù)字化產品模型進行仿真與分析、優(yōu)化，從而在設計階段就可以對所設計的零件甚至整機進行加工工藝分析、運動學和動力學分析、可裝配性分析等可制造性分析，以獲得對產品的設計評估與性能預測結果。第三章智能制造關鍵技術130智能制造基礎與應用生產為中心的虛擬制造為工藝師提供虛擬的制造車間現(xiàn)場環(huán)境和設備，用于分析改進生產計劃和生產工藝，從而實現(xiàn)產品制造過程的最優(yōu)。在現(xiàn)有的企業(yè)資源（如設備、人力、原材料等）的條件下，對產品的可生產性進行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產成本信息對生產計劃與調度進行合理化決策?？刂茷橹行牡奶摂M制造提供從設計到制造一體化的虛擬環(huán)境，對全系統(tǒng)的控制模型及現(xiàn)實加工過程進行仿真，允許評價產品的設計、生產計劃和控制策略。以全局優(yōu)化和控制為目標，對不同地域的產品設計、產品開發(fā)、市場營銷、加工制造等通過網絡加以連接和控制。第三章智能制造關鍵技術131智能制造基礎與應用（三）虛擬設計與虛擬裝配虛擬設計就是指在設計階段采用了虛擬現(xiàn)實技術，使設計人員可以隨時看到并修改三維的作品，讓設計人員更專注于產品功能的實現(xiàn)。虛擬裝配實際上是在計算機上模擬設備的連續(xù)裝配過程，如何有效地模擬實際裝配過程是虛擬裝配的目的。在廣義上，虛擬設計、虛擬裝配分別對應于以設計為中心和以控制為中心的虛擬制造。第三章智能制造關鍵技術132智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術微軟人工智能的應用133智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術134智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術人工智能的發(fā)展過程135智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術人工智能創(chuàng)業(yè)投資全貌136智能制造基礎與應用第三章智能制造關鍵技術137智能制造基礎與應用思考題：1.什么是虛擬現(xiàn)實技術？2.虛擬現(xiàn)實技術有哪些特征？什么是虛擬制造?人工智能在智能制造中的作用有哪些？智能制造的信息安全技術8

第八節(jié)第三章智能制造關鍵技術139智能制造基礎與應用一、智能制造信息安全技術（一）信息安全關鍵技術1．安全芯片安全芯片就是可信任平臺模塊，是一個可獨立進行密鑰生成、加解密的裝置，內部擁有獨立的處理器和存儲單元，可存儲密鑰和特征數(shù)據，為電腦提供加密和安全認證服務。用安全芯片進行加密，密鑰被存儲在硬件中，被竊的數(shù)據無法解密，從而保護商業(yè)隱私和數(shù)據安全。2．安全操作系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)是指計算機信息系統(tǒng)在自主訪問控制、強制訪問控制、標記、身份鑒別、客體重用、審計、數(shù)據完整性、隱蔽信道分析、可信路徑、可信恢復等方面滿足相應的安全技術要求的操作系統(tǒng)。第三章智能制造關鍵技術140智能制造基礎與應用密碼技術密碼技術包括密碼理論、新型密碼算法、對稱密碼體制與公鑰密碼體制的密碼體系、信息隱藏技術、公鑰基礎設施技術（PKI）以及消息認證與數(shù)字簽名技術等。信息安全總體技術總體技術主要包括系統(tǒng)總