工業(yè)機器人技術1-3

1工業(yè)機器人技術IndustrialRoboticTechnology工業(yè)機器人技術§1制造自動化技術概述§2工業(yè)機器人的應用案例§3舉例：達芬奇手術機器人§4舉例：拋光機器人制造自動化＝制造＋自動化制造－－目前對制造有兩種理解：一是通常的制造概念，指產(chǎn)品的“制作過程”或稱為“小制造概念”，如機械加工過程；另一個是廣義制造概念，包括產(chǎn)品整個生命周期過程，又稱為“大制造概念”。實際應用中，兩者皆在使用，其概念范圍視具體情況而定。自動化－－是美國人D.S.Harder于1936年提出的。當時他在通用汽車公司工作，他認為在一個生產(chǎn)過程中，機器之間的零件轉移不用人去搬運就是“自動化”。這實質是早期制造自動化的概念?！?制造自動化技術概述1.1制造自動化的定義及內涵制造自動化(以下簡稱自動化)的概念是一個動態(tài)發(fā)展過程。過去，人們對自動化的理解或者說自動化的功能目標是以機械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業(yè)。這實質上是自動化代替人的體力勞動的觀點。后來隨著電子和信息技術的發(fā)展，特別是隨著計算機的出現(xiàn)和廣泛應用，自動化的概念已擴展為用機器(包括計算機)不僅代替人的體力勞動而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。

(1)在形式方面，制造自動化有三個方面的含義：①代替人的體力勞動。②代替或輔助人的腦力勞動。③制造系統(tǒng)中人、機及整個系統(tǒng)的協(xié)調、管理、控制和優(yōu)化。

(2)在功能方面，制造自動化代替人的體力勞動或腦力勞動僅僅是制造自動化功能目標體系的一部分。制造自動化的功能目標是多方面的，已形成一個有機體系。此體系可用圖所示的功能目標模型描述。(3)在范圍方面，制造自動化不僅涉及到具體生產(chǎn)制造過程，而是涉及產(chǎn)品生命周期所有過程。TQCSE模型T表示時間(Time)，Q表示質量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服務(Service)，E表示環(huán)境友善性(Environment)。T有兩方面的含義，一是指采用自動化技術，能縮短產(chǎn)品制造周期，產(chǎn)品上市快；二是提高生產(chǎn)率。Q的含義是采用自動化系統(tǒng)，能提高和保證產(chǎn)品質量。C的含義是采用自動化技術能有效地降低成本，提高經(jīng)濟效益。S也有兩方面的含義，一是利用自動化技術，更好地做好市場服務工作；二是利用自動化技術，替代或減輕制造人員的體力和腦力勞動，直接為制造人員服務。E的含義是制造自動化應該有利于充分利用資源，減少廢棄物和環(huán)境污染，有利于實現(xiàn)綠色制造?；仡櫄v史，制造自動化技術服務的生產(chǎn)模式經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段:1．用機器代替手工，從作坊形成工廠。2．從單件生產(chǎn)方式發(fā)展到大量生產(chǎn)方式。3．從大量生產(chǎn)方式發(fā)展到多品種、小批量的柔性化、集成化生產(chǎn)方式。

1760年由于蒸汽機的出現(xiàn)而導致的工業(yè)革命揭開了工業(yè)化的序幕，從此使制造技術進人了第一階段。第一臺階：剛性自動化，包括剛性自動線和自動單機。本臺階在20世紀40一50年代已相當成熟。應用傳統(tǒng)的機械設計與制造工藝方法，采用專用機床和組合機床、自動單機或自動化生產(chǎn)線進行大批量生產(chǎn)。其特征是高生產(chǎn)率和剛性結構，很難實現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變。引人的新技術包括繼電器程序控制、組合機床等。第二臺階：數(shù)控加工，包括數(shù)控（NC）和計算機數(shù)控（CNC）。本臺階中的數(shù)控(NC）在50一70年代發(fā)展迅速并已成熟，但到了70一80年代，由于計算機技術的迅速發(fā)展，它迅速被計算機數(shù)控(CNC）取代。數(shù)控加工設備包括數(shù)控機床、加工中心等。數(shù)控加工的特點是柔性好、加工質量高，適應于多品種、中小批量（包括單件產(chǎn)品）的生產(chǎn)。引人的新技術包括數(shù)控技術、計算機編程技術等。第三臺階：柔性制造。本臺階特征是強調制造過程的柔性和高效率。適應于多品種、中小批量的生產(chǎn)。涉及的主要技術包括成組技術(GT)、計算機直接數(shù)控和分布式數(shù)控(DNC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性加工線(FML)、離散系統(tǒng)理論和方法、仿真技術、車間計劃與控制、制造過程監(jiān)控技術、計算機控制與通信網(wǎng)絡等等。第四臺階：計算機集成制造（CIM）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。CIMS既可看作是制造自動化發(fā)展的一個新階段，又可看作是包含制造自動化系統(tǒng)的一個更高層次的系統(tǒng)。CIMS在80年代以來得到迅速發(fā)展，而今正方興未艾。其特征是強調制造全過程的系統(tǒng)性和集成性，以解決現(xiàn)代企業(yè)生存與竟爭的TQCS問題，即產(chǎn)品上市快（Time）、質量好（Quality）、成本低（cost）和服務好(Service）。CIMS涉及的學科和技術非常廣泛，包括現(xiàn)代制造技術、管理技術、計算機技術、信息技術、自動化技術和系統(tǒng)工程技術等。第五臺階：新的制造自動化模式，如智能制造、敏捷制造、虛擬制造、網(wǎng)絡制造、全球制造、綠色制造等。上述新的制造自動化模式是在20世紀末提出并開展研究的，是制造自動化面向21世紀的發(fā)展方向。制造自動化系統(tǒng)開放式智能體系結構研究智能4M系統(tǒng)中關鍵技術的研究制造自動化系統(tǒng)的優(yōu)化理論與調度方法面向制造自動化的虛擬制造技術研究CAD／CAPP／CAM一體化技術的研究面向制造自動化的數(shù)控技術的研究柔性制造技術和智能制造技術的研究機器人化制造技術的研究先進制造智能傳感與檢測的研究1.2制造自動化的關鍵技術制造自動化系統(tǒng)開放式智能體系結構研究目標是使制造系統(tǒng)具備自組織和并行作用的能力，充分利用分布式計算機技術、網(wǎng)絡技術等，使制造自動化向柔性化、集成化、智能化和全球化方向發(fā)展。該技術研究集中在以下幾個方面：(1)分布式、協(xié)同處理的制造自動化體系結構，柔性制造環(huán)境下制造系統(tǒng)自組織技術基礎研究，通信協(xié)議各異的異構設備集成的研究，由智能設計機器、智能加工工作站及智能控制器等構成的分布式、協(xié)同處理結構的研究。15(2)以人為中心的自動化制造系統(tǒng)，研究人機的適度集成，制造自動化系統(tǒng)和技術同個體和組織創(chuàng)新、體制革新的關系，如何把人的知識和智能活動有效集成入整個系統(tǒng)乃至各個方面。(3)基于因特網(wǎng)的制造自動化系統(tǒng)，研究面向全球制造的開放式自動化系統(tǒng)及集成平臺，開發(fā)協(xié)作式開放制造集成網(wǎng)絡基礎結構，研究基于信息高速公路的數(shù)據(jù)庫技術、設備重組和資源重用，以及能自動進行產(chǎn)品建模逆工程集成等技術，用面向對象方法和高級計算機編程語言研究基于WWW(worldwideweb)的產(chǎn)品建模、生產(chǎn)調度管理和并行控制的方法和技術。智能4M系統(tǒng)中關鍵技術的研究智能4M系統(tǒng)就是將建模(Modeling)、加工(Manufacturing)、測量(Measuring)、機器人操作(Manipulation)四者一體化的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，促進建模、加工、測量、裝夾、操作的一體化，其目的是實現(xiàn)快速制造、快速檢測、快速響應和快速重組。智能4M系統(tǒng)主要研究內容是：信息共享和集成、傳感器信息的處理和融合、4M系統(tǒng)的系統(tǒng)一建模理論及方法以及系統(tǒng)結構和功能模型、一體化的制造仿真與控制語言研究，形成面向用戶的柔性加工高層控制語言、幾何信息提取、特征映射方法和4M系統(tǒng)信息集成的研究。制造自動化系統(tǒng)的優(yōu)化理論與調度方法制造系統(tǒng)是一類離散事件動態(tài)系統(tǒng)(DiscreteEventDynamicSystem，DEDS)，其物流、信息流以及各種資源的規(guī)則、調度和控制等有獨特的要求。對這類系統(tǒng)的更精確的描述、分析和控制，需要在離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論方面進一步突破。同時，由于實現(xiàn)各種先進的制造哲理和管理策略，如虛擬企業(yè)、敏捷制造、精益生產(chǎn)、準時生產(chǎn)等，作為先進制造模式賴以實現(xiàn)的基礎之一，生產(chǎn)組織與過程優(yōu)化中決策調度的成功與否對上述目標的實現(xiàn)有著最為直接的影響。面向制造自動化的虛擬制造技術研究虛擬制造關鍵技術的研究可分為四個層次，即：虛擬制造哲理研究、虛擬制造技術層、虛擬制造原型系統(tǒng)層，虛擬制造集成開發(fā)平臺層。虛擬制造哲理的研究為制造企業(yè)敏捷制造提供指導思路，在信息集成基礎上，通過組織管理、技術、資源和人機集成實現(xiàn)產(chǎn)品的開發(fā)過程的集成。虛擬制造技術層的研究為VM實施和VMS的建立提供了理論和技術上的支持，它由三大主體技術群和一個支撐技術群組成。(1)建模技術群。用來開發(fā)VMS中各種模型的所有技術與方法，包括產(chǎn)品過程及生產(chǎn)系統(tǒng)建模技術，虛擬公司建模技術，虛擬制造環(huán)境與現(xiàn)實制造環(huán)境之間結構、功能映射關系的管理，維護、監(jiān)控和更新問題．基于分布式并行處理下的虛擬制造開放式體系結構研究，面向整個產(chǎn)品的生命周期綜合經(jīng)濟模型和產(chǎn)品評價體系．(2)仿真技術群。即運行和操作構成VMS的各種模型的所有方法和技術，對分布式交互仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術有更新要求。20(3)控制技術群。即建模過程、仿真過程所用到的各種管理、組織與控制技術與方法，主要包括：模型部件的組織、調度策略及交換技術，仿真過程的工作淹程與信息流程控制，虛擬制造方法論；概念設計與制造方法、加工過程、成本估計集成技術，集成動態(tài)的、分布式的、協(xié)作模型的集成技術，虛擬制造環(huán)境下，產(chǎn)品開發(fā)過程中的調度與控制機制的研究，以及面向產(chǎn)品開發(fā)過程的組織與管理等問題的研究等．(4)支撐技術群．即支持虛報制造系統(tǒng)開發(fā)控制與運行的基礎性技術，主要包括：數(shù)據(jù)庫技術，人工智能在制造企業(yè)各級組織，產(chǎn)品生命周期各個階段決策中應用的研究，系統(tǒng)集成技術，虛擬環(huán)境下分布式并行處理多智能主體協(xié)同求解技術與系統(tǒng)的研究，以及全局最優(yōu)決策理論和技術，綜合可視化技術在虛擬制造環(huán)境構造中的應用，計算機軟硬件技術以及通信技術。CAD／CAPP／CAM一體化技術的研究CAD／CAPP／CAM一體化是一項綜合性的高新技術，當前正朝著集成化、智能化，可視化和標準化方向發(fā)展．主要研究內容有：CAD系統(tǒng)面向產(chǎn)品的整個生命周期，充分考慮產(chǎn)品信息的繼承性，滿足并行設計的要求，CAD與產(chǎn)品信息標準化相結合，產(chǎn)品模型的可轉換性，面向全國乃至全球的產(chǎn)品信息編碼系統(tǒng)等方面的研究：具有很好的可移植性和自組織性的軟件系統(tǒng)、智能化CAD系統(tǒng)的研究，虛擬現(xiàn)實設計技術的研究．CAD／CAPP／CAM一體化技術一個重要研究內容就是CAPP技術的研究，主要有；基于并行工程的CAPP技術；虛擬制造模式下CAPP技術：基于PDM的CAD／CAPP/CAM集成系統(tǒng)；面向CIMS／CAPP集成開發(fā)平臺等。面向制造自動化的數(shù)控技術的研究數(shù)控技術是自動化技術的基礎及關鍵單元技術，又是精密、高效、高可靠性加工技術的支撐，它正朝著集成化和實用化方向發(fā)展。對數(shù)控技術的研究與開發(fā)重點是：開放性結構系統(tǒng)的發(fā)展，采用新元件、新工藝不斷改善和擴展以高精、高速、高效為代表的功，改善和發(fā)展伺服技術，采用通信技術，研制開發(fā)超精數(shù)控系統(tǒng)等。柔性制造技術和智能制造技術的研究柔性制造系統(tǒng)的理論和技術所涉及領域很廣，主要包括：生產(chǎn)調度理論與算法的研究，主要涉及數(shù)學規(guī)劃、圖論、對策論、排隊論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法、Petri網(wǎng)理論等應用數(shù)學理論及方法；計算機通信及數(shù)據(jù)庫技術的研究；計算機仿真技術的研究；生產(chǎn)組織及控制模式理論和技術的研究，主要涉及動態(tài)邏輯單元重構理論、多黑板結構模型的智能單元控制理論、系統(tǒng)擾動及再調度理論和技術、JIT技術、開放式體系結構等；制造資源控制管理理論和技術的研究，主要涉及刀具管理理論及技術、加工設備的實時調度技術、物料儲運系統(tǒng)如AGV、立體倉庫等的控制技術。智能制造技術是指在制造系統(tǒng)及制造過程的各個環(huán)節(jié)通過計算機實現(xiàn)人類專家制造智能活動(分析、判斷、推理、構想、決策等)的各種制造技術的總稱，它是人工智能技術與制造技術的有機結合。智能制造系統(tǒng)的智能化水平?jīng)Q定了其研究內容有：個體“智能化”水平、系統(tǒng)的自組織能力、分布協(xié)同求解、制造智能的集成、人機智能的柔性交互與協(xié)同等。機器人化制造技術的研究機器人是一種高度柔性化的自動化設備，未來的典型制造工廠將是計算機網(wǎng)絡控制的包含多個機器人加工單元的分布式自主制造系統(tǒng)，工業(yè)機器人(IR)、智能加工中心(IMC)、坐標測量機(CMM)、自動導引小車(AGV)均被視為“智能機器”，這些智能機器依據(jù)不同的要求有機地組成機器人化制造單元，實現(xiàn)多元化產(chǎn)品生產(chǎn)。在所組成的制造單元、建模方法及仿真技術的應用研究方面主要研究內容是：機器人制造單元的結構和功能模型的研究，NC、Robot、CMM全信息模型的研究，基于知識的一體化制造仿真與控制語言，NC．Robot．CMM信息共享技術等。工業(yè)機器人的離線編程與圖形仿真是機器人化生產(chǎn)應用工程的關鍵技術，如機器人制造單元的CAD建模，面向對象的機器人作業(yè)規(guī)劃，機器人編程語言及標準接口規(guī)范，機器人傳感器仿真模型的研究及各種傳感器信息融合的仿真。對機器人系統(tǒng)建模和仿真研究又有兩個方面：一是通過機器人的建模與仿真，幫助設計者設計機器人本體，評價機器人的運動學、動力學和控制系統(tǒng)的性能；另一個就是通過建立機器人與周邊環(huán)境物和模型，幫助機器人操作人員進行機器人工作單元的設計、離線示教和編程規(guī)劃，使用圖形技術和避碰算法，進行運動分析。先進制造智能傳感與檢測的研究智能傳感與檢測研究主要包括智能傳感器、智能傳感和檢測技術以及光纖傳感技術等方面的研究。智能傳感器主要功能為：感知環(huán)境條件的變化，并進行相應補充，通過雙向通信，以一種可以理解和接受的格式及執(zhí)行機構或控制器等與其他系統(tǒng)連接，對白身進行檢測式診斷，實現(xiàn)智能決策。光纖傳感技術主要研究內容為：光波調制原理、調制光波信號檢測技術、多傳感器復用技術、多傳感器網(wǎng)絡及通信技術、光纖傳感技術與光纖通信技術的結合原理和方法等。發(fā)展趨勢可用“六化”簡要描述。即：制造全球化制造敏捷化制造網(wǎng)絡化制造虛擬化制造智能化制造綠色化1.4制造自動化技術的發(fā)展趨勢制造全球化的概念出于美日歐等發(fā)達國家的智能系統(tǒng)計劃。近年來隨著Internet技術的發(fā)展，制造全球化的研究和應用發(fā)展迅速。制造全球化包括的內容非常廣泛，主要的有：市場的國際化，產(chǎn)品銷售的全球網(wǎng)絡正在形成。產(chǎn)品設計和開發(fā)的國際合作。產(chǎn)品制造的跨國化。制造企業(yè)在世界范圍內的重組與集成，如動態(tài)聯(lián)盟公司。制造資源的跨地區(qū)、跨國家的協(xié)調、共享和優(yōu)化利用。全球制造的體系結構將要形成。敏捷制造是一種面向21世紀的制造戰(zhàn)略和現(xiàn)代制造模式，當前全球范圍內敏捷制造的研究十分活躍。敏捷制造是對廣義制造系統(tǒng)而言。制造環(huán)境和制造過程的敏捷性問題是敏捷制造的重要組成部分。敏捷化是制造環(huán)境和制造過程面向21世紀制造活動的必然趨勢。制造環(huán)境和制造過程的敏捷化包括的內容很廣，如：柔性：包括機器柔性、工藝柔性、運行柔性和擴展柔性等。重構能力：能實現(xiàn)快速重組重構，增強對新產(chǎn)品開發(fā)的快速響應能力?？焖倩募芍圃旃に嚕喝缈焖僭椭圃霷PM，是一種CAD/CAM的集成工藝。當前由于網(wǎng)絡技術特別是Internet/Intranet技術的迅速發(fā)展，正在給企業(yè)制造活動帶來新的變革，其影響的深度、廣度和發(fā)展速度往往遠超過人們的預測?；诰W(wǎng)絡的制造，包括以下幾個方面：(1)制造環(huán)境內部的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造過程的集成。(2)制造環(huán)境與整個制造企業(yè)的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設計、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的集成。(3)企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合與優(yōu)化利用。(4)通過網(wǎng)絡，實現(xiàn)異地制造?？傊?，制造的網(wǎng)絡化，特別是基于Internet/Intranet的制造已成為重要的發(fā)展趨勢。虛擬化技術包括：虛擬現(xiàn)實（VR）、虛擬產(chǎn)品開發(fā)（VPD）、虛擬制造（VM）和虛擬企業(yè)（VE）。制造虛擬化主要指虛擬制造，又稱擬實制造。虛擬制造(Virtualmanufacturing)是以制造技術和計算機技術支持的系統(tǒng)建模技術和仿真技術為基礎，集現(xiàn)代制造工藝、計算機圖形學、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實技術和多媒體技術等多種高新技術為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術。虛擬制造是實現(xiàn)敏捷制造的重要關鍵技術，對未來制造業(yè)的發(fā)展至關重要；同時虛擬制造將在今后發(fā)展成為很大的軟件產(chǎn)業(yè)，我們應充分注意到這個發(fā)展趨勢。智能制造將是未來制造自動化發(fā)展的重要方向。

所謂智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。智能制造技術的宗旨在于通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。

有人預言下一世紀的制造工業(yè)將由兩個“I”來標識，即Integration(集成)和Intelligence(智能)。綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設