智能制造裝備與集成 課件 02 智能制造架構與裝備

高等學校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成智能制造裝備與集成INTELLIGENTMANUFACTURINGEQUIPMENTANDINTEGRATION高等學校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.1智能制造架構2.2智能制造裝備概述2.3智能機床2.4工業(yè)機器人2.5增材制造裝備2.6智能生產線第二章智能制造架構與裝備2.1智能制造架構2.1.1智能制造的核心要素智能制造系統(tǒng)核心要素為6M：

Material——材料，包括特性和功能等

Machine——機器，包括精度、自動化、和生產能力等

Methods——方法，包括工藝、效率、和產能等

Measurement——測量，包括六西格瑪、傳感器監(jiān)測等

Maintenance——維護，包括使用率、故障率、和運維成本等其區(qū)別與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)最重要的因素在于第六個M，即建模（Modeling——數據和知識建模，包括監(jiān)測、預測、優(yōu)化和防范等），并且正是通過建模來驅動其他5個要素，從而解決和避免制造系統(tǒng)的問題。2.1智能制造架構2.1.2智能工廠實現(xiàn)智能制造的利器就是數字化、網絡化的工具軟件和制造裝備，包括以下類型：計算機輔助工具：如CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、CAPP（計算機輔助工藝設計）、CAM（計算機輔助制造）、CAT（計算機輔助測試，如ICT信息測試、FCT功能測試）等；計算機仿真工具：如物流仿真、工程物理仿真（包括結構分析、聲學分析、流體分析、熱力學分析、運動分析、復合材料分析等多物理場仿真）、工藝仿真等；工廠/車間業(yè)務與生產管理系統(tǒng)：如ERP（企業(yè)資源計劃）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、PLM（產品全生命周期管理）/PDM（產品數據管理）等；智能裝備：如高檔數控機床與機器人、增材制造裝備（3D打印機）、智能爐窯、反應釜及其他智能化裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備等；新一代信息技術：如物聯(lián)網、云計算、大數據等。2.1智能制造架構2.1.2智能工廠

在智能工廠中，借助于各種生產管理工具/軟件/系統(tǒng)和智能設備，打通企業(yè)從設計、生產到銷售、維護的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)產品仿真設計、生產自動排程、信息上傳下達、生產過程監(jiān)控、質量在線監(jiān)測、物料自動配送等智能化生產。智能工廠模型2.1智能制造架構2.1.3制造環(huán)節(jié)智能化數字化：

數字化是指將信息載體（文字、圖片、圖像、信號等）以數字編碼形式（通常是二進制）進行儲存、傳輸、加工、處理和應用的技術途徑。數字化本身指的是信息表示方式與處理方式，但本質上強調的是信息應用的計算機化和自動化。在智能制造領域，數字化是指借助于各種計算機工具，一方面在虛擬環(huán)境中對產品物體特征、生產工藝甚至工廠布局進行輔助設計和仿真驗證；另一方面，對生產過程進行數字化管理。網絡化：網絡化是指使用相同或不同的網絡將工廠/車間中的各種計算機管理軟件、智能裝備連接起來，以實現(xiàn)設備與設備之間、設備與人之間的信息互通和良好交互。

智能化可分為兩個階段，當前階段是面向定制化設計，支持多品種小批量生產模式，通過使用智能化的生產管理系統(tǒng)與智能裝備，實現(xiàn)產品全生命周期的智能管理，未來愿景則是實現(xiàn)狀態(tài)自感知、實時分析、自主決策、自我配置、精準執(zhí)行的自組織生產。智能化：2.1智能制造架構2.1.4網絡互聯(lián)互通智能制造的首要任務是信息的處理與優(yōu)化，工廠/車間內各種網絡的互聯(lián)互通則是基礎與前提。沒有互聯(lián)互通和數據采集與交互，工業(yè)云、工業(yè)大數據都將成為無源之水。圖2-1智能工廠/數字化車間典型網絡結構2.1智能制造架構2.1.5端到端數據流數據/信息交換要求從底層現(xiàn)場層向上貫穿至執(zhí)行層甚至計劃層網絡，使得工廠/車間能夠實時監(jiān)視現(xiàn)場的生產狀況與設備信息，并根據獲取的信息來優(yōu)化生產調度與資源配置。也要涉及到協(xié)同制造單位（如上游零部件供應商、下游用戶）的信息改變，這就需要用互聯(lián)網實現(xiàn)企業(yè)與企業(yè)數據流動。圖2-2智能制造端到端數據流2.2智能制造裝備概述

智能制造裝備是智能制造技術的重要載體。智能制造裝備融合了先進制造技術、數字控制技術、現(xiàn)代傳感技術以及人工智能技術，具有感知、學習、決策和執(zhí)行等功能，是實現(xiàn)高效、高品質、節(jié)能環(huán)保和安全可靠生產的下一代制造裝備。智能制造裝備主要包括高端數控機床、工業(yè)機器人、智能測控裝置、成套自動化生產線、增材制造裝備等。2.2智能制造裝備概述2.2.1智能制造裝備的特征自我感知能力智能制造裝備具有收集和理解工作環(huán)境信息、實時獲取自身狀態(tài)信息的能力。自主規(guī)劃和決策能力智能制造裝備能夠依據不同來源的信息進行分析、判斷和規(guī)劃自身行為。自學習和自維護能力智能制造裝備能夠對系統(tǒng)進行故障診斷、排除及修復，并依據專家知識庫提供相應的解決維護方案，保持系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運行。自優(yōu)化能力制造裝備在使用過程中不可避免地會存在損耗，傳統(tǒng)的機器或系統(tǒng)的性能因此會不斷退化，智能制造裝備能夠依據設備實時的性能，調整本身的運行狀態(tài)，保證裝備系統(tǒng)的正常運行。容錯能力智能制造裝備能夠在環(huán)境異?；虿僮麇e誤的情況下正常運行。網絡集成能力智能制造系統(tǒng)包括了大量功能各異的子系統(tǒng)，而智能制造裝備是智能制造系統(tǒng)信息獲取和任務執(zhí)行的基本載體，它與其他子系統(tǒng)集成為一個整體，實現(xiàn)了整體的智能化。2.2智能制造裝備概述2.2.2智能制造裝備的組成智能感知系統(tǒng)感知是智能的輸入和起點，也是智能發(fā)揮作用的基礎。感知系統(tǒng)模擬智能體的視覺、聽覺、觸覺等等。機械執(zhí)行系統(tǒng)裝備的執(zhí)行系統(tǒng)，也就是機械執(zhí)行機構，是機械工具的進一步延伸?，F(xiàn)階段的裝備機械執(zhí)行系統(tǒng)，是包括產生特定運動的機構和驅動機構運動的電機、發(fā)動機、氣動馬達等驅動設備。運動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是智能發(fā)揮作用的橋梁。控制系統(tǒng)可以使執(zhí)行系統(tǒng)按照給定的指令進行復雜的操作。智能決策系統(tǒng)決策系統(tǒng)使真正的智能。決策系統(tǒng)根據各種感知系統(tǒng)收集的信息，進行復雜的決策計算，優(yōu)化出合理的指令，指揮控制系統(tǒng)來驅動執(zhí)行系統(tǒng)，從而實現(xiàn)復雜的智能行為。2.2智能制造裝備概述2.2.3典型智能制造裝備智能機床智能機床是能夠自主決策制造過程的機床。智能機器人智能機器人能根據環(huán)境與任務的變化，實現(xiàn)主動感知、自主規(guī)劃、自律運動和智能操作。增材制造裝備增材制造技術可以精確地控制物料成型，提高材料利用率，能夠生產傳統(tǒng)工藝無法加工的復雜零件。智能成型制造裝備實現(xiàn)材料組織性能的精確設計與制備加工過程的精確控制，獲得最佳的材料組織性能與成型加工質量。特種智能制造裝備特種智能制造裝備是基于科學發(fā)現(xiàn)的新原理、新方法和專門的工藝知識，為適應超常加工尺度、精度、性能、環(huán)境等特殊條件而產生的裝備。2.3智能機床依照智能制造的三個范式和機床的發(fā)展歷程，機床從傳統(tǒng)的手動操作機床向智能機床演化同樣可以分為三個階段：數字化+機床（numericalcontrolmachinetool，NCMT），即數控機床；互聯(lián)網+數控機床（smartmachinetool，SMT），即互聯(lián)網機床；新一代人工智能+互聯(lián)網+數控機床，即智能機床（intelligentmachinetool，IMT）。圖2-2智能制造端到端數據流2.3智能機床2.3.1機床到智能機床的演化機床從手動機床發(fā)展到智能機床可分為三個階段：數控機床、互聯(lián)網+機床和智能機床。數控機床只是通過G代碼來實現(xiàn)刀具、工件的軌跡控制，缺乏對機床實際加工狀態(tài)（如切削力、慣性力、摩擦力、振動、切削力、熱變形，以及環(huán)境變化等）的感知、反饋和學習建模的能力，導致實際路徑可能偏離理論路徑等問題，影響了加工精度、表面質量和生產效率。2.3智能機床一、數控機床（a）數控機床控制原理

（b）數控機床的“人-信息-機系統(tǒng)”（HCPS)圖2-4

數控機床控制系統(tǒng)2.3智能機床（一）數控機床按機床運動軌跡分類圖2-5機床運動軌跡控制2.3智能機床（一）數控機床按機床運動軌跡分類2.3智能機床（一）數控機床按機床運動軌跡分類2.3智能機床（一）數控機床按機床運動軌跡分類2.3智能機床（一）數控機床按機床運動軌跡分類2.3智能機床（二）數控機床按控制方式分類2.3智能機床（二）數控機床按控制方式分類2.3智能機床（二）數控機床按控制方式分類2.3智能機床（二）數控機床按控制方式分類2.3智能機床（三）數控機床按工藝用途分類2.3智能機床（三）數控機床按工藝用途分類2.3智能機床（三）數控機床按工藝用途分類2.3智能機床（三）數控機床按工藝用途分類2.3智能機床（三）數控機床按工藝用途分類2.3智能機床二、互聯(lián)網+機床與數控機床相比，互聯(lián)網+機床增加了傳感器，增強了對加工狀態(tài)感知能力；應用工業(yè)互聯(lián)網進行設備的連接互通，實現(xiàn)機床狀態(tài)數據的采集和匯聚；對采集到的數據進行分析與處理，實現(xiàn)機床加工過程的實時或非實時的反饋控制。2.3智能機床二、互聯(lián)網+機床（a）互聯(lián)網+機床控制原理

（b）數字化網絡化制造系統(tǒng)“人-信息-機系統(tǒng)”圖2-7互聯(lián)網+機床控制原理系統(tǒng)

2.3智能機床三、智能機床智能機床是在新一代信息技術的基礎上，應用新一代人工智能技術和先進制造技術深度融合的機床，它利用自主感知與連接獲取機床、加工、工況、環(huán)境有關的信息，通過自主學習與建模生成知識，并能應用這些知識進行自主優(yōu)化與決策，完成自主控制與執(zhí)行，實現(xiàn)加工制造過程的優(yōu)質、高效、安全、可靠和低耗的多目標優(yōu)化運行。2.3智能機床三、智能機床圖2-8智能機床2.3智能機床2.3.2基于新一代人工智能的智能機床圖2-9智能機床控制原理2.3智能機床2.3.2基于新一代人工智能的智能機床表2-1數控機床、互聯(lián)網+機床與智能機床2.4工業(yè)機器人三大特征：擬人功能：機器人是模仿人或動物肢體動作的機器，能像人那樣使用工具。因此，數控機床和汽車不是機器人；可編程性：機器人具有智力或具有感覺與識別能力，可隨工作環(huán)境變化的需要而再編程。一般的電動玩具沒有感覺和識別能力，不能再編程，因此不能稱為機器人。通用性：一般機器人在執(zhí)行不同作業(yè)任務時，具有較好的通用性。比如，通過更換機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的任務。

什么是工業(yè)機器人？“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機?！薄獓H標準化組織，19872.4工業(yè)機器人執(zhí)行機構控制系統(tǒng)驅動系統(tǒng)（液壓缸、電機等）檢測系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)驅動系統(tǒng)執(zhí)行機構操作對象各組成部分關系

檢測系統(tǒng)2.4.1工業(yè)機器人的結構2.4工業(yè)機器人2.4.2工業(yè)機器人的分類2.4工業(yè)機器人2.4.3工業(yè)機器人的應用

汽車制造印刷和造紙金屬焊接

食品汽車裝配

木制品塑膠切割

娛樂2.4工業(yè)機器人2.4.3工業(yè)機器人的應用焊接打磨裝配碼垛搬運檢測

組裝機械加工2.5增材制造裝備增材制造（additivemanufacturing，AM）技術（也稱為3D打印技術）是20世紀80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術。目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長光源、電弧以及以上能量源的組合，成形尺寸從微納米元器件到10m以上大型航空結構件，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉型升級提供了巨大契機。2.5增材制造裝備2.5.1增材技術的種類激光增材制造技術一類以激光直接沉積（LMD）技術為代表；另一類以激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)燒結（SLS）為代表。電子束增材制造技術分為基于熔化同步送進絲材的電子束自由成形制造技術（EBF3）和基于預鋪粉末的電子束選區(qū)熔化技術（EBSM）。電弧增材制造以電弧作為熱源的電弧增材制造技術（WAAM），其成形設備簡單且設備成本低，材料利用率及成形過程的沉積效率較高，適合大尺寸構件的快速成形加工。固相增材制造以高能束流為熱源的金屬熔化增材制造技術，結合固相焊接技術方法，提出了固相增材制造技術。超聲增材制造超聲增材制造作為一種固態(tài)金屬成形加工方式，運用超聲波焊接方法，通過周期性的機械操作，將多層金屬帶加工成三維形狀，最后成形為精確的金屬部件。2.5增材制造裝備2.5.2增材制造的應用增材制造技術可快速地將模型轉換成物理