工业机器人技术1-3

1工业机器人技术IndustrialRoboticTechnology工业机器人技术§1制造自动化技术概述§2工业机器人的应用案例§3举例：达芬奇手术机器人§4举例：抛光机器人制造自动化＝制造＋自动化制造－－目前对制造有两种理解：一是通常的制造概念，指产品的“制作过程”或称为“小制造概念”，如机械加工过程；另一个是广义制造概念，包括产品整个生命周期过程，又称为“大制造概念”。实际应用中，两者皆在使用，其概念范围视具体情况而定。自动化－－是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。这实质是早期制造自动化的概念。§1制造自动化技术概述1.1制造自动化的定义及内涵制造自动化(以下简称自动化)的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。

(1)在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：①代替人的体力劳动。②代替或辅助人的脑力劳动。③制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。

(2)在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用图所示的功能目标模型描述。(3)在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。TQCSE模型T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。T有两方面的含义，一是指采用自动化技术，能缩短产品制造周期，产品上市快；二是提高生产率。Q的含义是采用自动化系统，能提高和保证产品质量。C的含义是采用自动化技术能有效地降低成本，提高经济效益。S也有两方面的含义，一是利用自动化技术，更好地做好市场服务工作；二是利用自动化技术，替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务。E的含义是制造自动化应该有利于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造。回顾历史，制造自动化技术服务的生产模式经历了三个主要发展阶段:1．用机器代替手工，从作坊形成工厂。2．从单件生产方式发展到大量生产方式。3．从大量生产方式发展到多品种、小批量的柔性化、集成化生产方式。

1760年由于蒸汽机的出现而导致的工业革命揭开了工业化的序幕，从此使制造技术进人了第一阶段。第一台阶：刚性自动化，包括刚性自动线和自动单机。本台阶在20世纪40一50年代已相当成熟。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床和组合机床、自动单机或自动化生产线进行大批量生产。其特征是高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。引人的新技术包括继电器程序控制、组合机床等。第二台阶：数控加工，包括数控（NC）和计算机数控（CNC）。本台阶中的数控(NC）在50一70年代发展迅速并已成熟，但到了70一80年代，由于计算机技术的迅速发展，它迅速被计算机数控(CNC）取代。数控加工设备包括数控机床、加工中心等。数控加工的特点是柔性好、加工质量高，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的生产。引人的新技术包括数控技术、计算机编程技术等。第三台阶：柔性制造。本台阶特征是强调制造过程的柔性和高效率。适应于多品种、中小批量的生产。涉及的主要技术包括成组技术(GT)、计算机直接数控和分布式数控(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等等。第四台阶：计算机集成制造（CIM）和计算机集成制造系统（CIMS）。CIMS既可看作是制造自动化发展的一个新阶段，又可看作是包含制造自动化系统的一个更高层次的系统。CIMS在80年代以来得到迅速发展，而今正方兴未艾。其特征是强调制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竟争的TQCS问题，即产品上市快（Time）、质量好（Quality）、成本低（cost）和服务好(Service）。CIMS涉及的学科和技术非常广泛，包括现代制造技术、管理技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术等。第五台阶：新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等。上述新的制造自动化模式是在20世纪末提出并开展研究的，是制造自动化面向21世纪的发展方向。制造自动化系统开放式智能体系结构研究智能4M系统中关键技术的研究制造自动化系统的优化理论与调度方法面向制造自动化的虚拟制造技术研究CAD／CAPP／CAM一体化技术的研究面向制造自动化的数控技术的研究柔性制造技术和智能制造技术的研究机器人化制造技术的研究先进制造智能传感与检测的研究1.2制造自动化的关键技术制造自动化系统开放式智能体系结构研究目标是使制造系统具备自组织和并行作用的能力，充分利用分布式计算机技术、网络技术等，使制造自动化向柔性化、集成化、智能化和全球化方向发展。该技术研究集中在以下几个方面：(1)分布式、协同处理的制造自动化体系结构，柔性制造环境下制造系统自组织技术基础研究，通信协议各异的异构设备集成的研究，由智能设计机器、智能加工工作站及智能控制器等构成的分布式、协同处理结构的研究。15(2)以人为中心的自动化制造系统，研究人机的适度集成，制造自动化系统和技术同个体和组织创新、体制革新的关系，如何把人的知识和智能活动有效集成入整个系统乃至各个方面。(3)基于因特网的制造自动化系统，研究面向全球制造的开放式自动化系统及集成平台，开发协作式开放制造集成网络基础结构，研究基于信息高速公路的数据库技术、设备重组和资源重用，以及能自动进行产品建模逆工程集成等技术，用面向对象方法和高级计算机编程语言研究基于WWW(worldwideweb)的产品建模、生产调度管理和并行控制的方法和技术。智能4M系统中关键技术的研究智能4M系统就是将建模(Modeling)、加工(Manufacturing)、测量(Measuring)、机器人操作(Manipulation)四者一体化的智能系统，实现信息共享，促进建模、加工、测量、装夹、操作的一体化，其目的是实现快速制造、快速检测、快速响应和快速重组。智能4M系统主要研究内容是：信息共享和集成、传感器信息的处理和融合、4M系统的系统一建模理论及方法以及系统结构和功能模型、一体化的制造仿真与控制语言研究，形成面向用户的柔性加工高层控制语言、几何信息提取、特征映射方法和4M系统信息集成的研究。制造自动化系统的优化理论与调度方法制造系统是一类离散事件动态系统(DiscreteEventDynamicSystem，DEDS)，其物流、信息流以及各种资源的规则、调度和控制等有独特的要求。对这类系统的更精确的描述、分析和控制，需要在离散事件动态系统理论方面进一步突破。同时，由于实现各种先进的制造哲理和管理策略，如虚拟企业、敏捷制造、精益生产、准时生产等，作为先进制造模式赖以实现的基础之一，生产组织与过程优化中决策调度的成功与否对上述目标的实现有着最为直接的影响。面向制造自动化的虚拟制造技术研究虚拟制造关键技术的研究可分为四个层次，即：虚拟制造哲理研究、虚拟制造技术层、虚拟制造原型系统层，虚拟制造集成开发平台层。虚拟制造哲理的研究为制造企业敏捷制造提供指导思路，在信息集成基础上，通过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品的开发过程的集成。虚拟制造技术层的研究为VM实施和VMS的建立提供了理论和技术上的支持，它由三大主体技术群和一个支撑技术群组成。(1)建模技术群。用来开发VMS中各种模型的所有技术与方法，包括产品过程及生产系统建模技术，虚拟公司建模技术，虚拟制造环境与现实制造环境之间结构、功能映射关系的管理，维护、监控和更新问题．基于分布式并行处理下的虚拟制造开放式体系结构研究，面向整个产品的生命周期综合经济模型和产品评价体系．(2)仿真技术群。即运行和操作构成VMS的各种模型的所有方法和技术，对分布式交互仿真技术和虚拟现实技术有更新要求。20(3)控制技术群。即建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制技术与方法，主要包括：模型部件的组织、调度策略及交换技术，仿真过程的工作淹程与信息流程控制，虚拟制造方法论；概念设计与制造方法、加工过程、成本估计集成技术，集成动态的、分布式的、协作模型的集成技术，虚拟制造环境下，产品开发过程中的调度与控制机制的研究，以及面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等．(4)支撑技术群．即支持虚报制造系统开发控制与运行的基础性技术，主要包括：数据库技术，人工智能在制造企业各级组织，产品生命周期各个阶段决策中应用的研究，系统集成技术，虚拟环境下分布式并行处理多智能主体协同求解技术与系统的研究，以及全局最优决策理论和技术，综合可视化技术在虚拟制造环境构造中的应用，计算机软硬件技术以及通信技术。CAD／CAPP／CAM一体化技术的研究CAD／CAPP／CAM一体化是一项综合性的高新技术，当前正朝着集成化、智能化，可视化和标准化方向发展．主要研究内容有：CAD系统面向产品的整个生命周期，充分考虑产品信息的继承性，满足并行设计的要求，CAD与产品信息标准化相结合，产品模型的可转换性，面向全国乃至全球的产品信息编码系统等方面的研究：具有很好的可移植性和自组织性的软件系统、智能化CAD系统的研究，虚拟现实设计技术的研究．CAD／CAPP／CAM一体化技术一个重要研究内容就是CAPP技术的研究，主要有；基于并行工程的CAPP技术；虚拟制造模式下CAPP技术：基于PDM的CAD／CAPP/CAM集成系统；面向CIMS／CAPP集成开发平台等。面向制造自动化的数控技术的研究数控技术是自动化技术的基础及关键单元技术，又是精密、高效、高可靠性加工技术的支撑，它正朝着集成化和实用化方向发展。对数控技术的研究与开发重点是：开放性结构系统的发展，采用新元件、新工艺不断改善和扩展以高精、高速、高效为代表的功，改善和发展伺服技术，采用通信技术，研制开发超精数控系统等。柔性制造技术和智能制造技术的研究柔性制造系统的理论和技术所涉及领域很广，主要包括：生产调度理论与算法的研究，主要涉及数学规划、图论、对策论、排队论、人工神经网络方法、Petri网理论等应用数学理论及方法；计算机通信及数据库技术的研究；计算机仿真技术的研究；生产组织及控制模式理论和技术的研究，主要涉及动态逻辑单元重构理论、多黑板结构模型的智能单元控制理论、系统扰动及再调度理论和技术、JIT技术、开放式体系结构等；制造资源控制管理理论和技术的研究，主要涉及刀具管理理论及技术、加工设备的实时调度技术、物料储运系统如AGV、立体仓库等的控制技术。智能制造技术是指在制造系统及制造过程的各个环节通过计算机实现人类专家制造智能活动(分析、判断、推理、构想、决策等)的各种制造技术的总称，它是人工智能技术与制造技术的有机结合。智能制造系统的智能化水平决定了其研究内容有：个体“智能化”水平、系统的自组织能力、分布协同求解、制造智能的集成、人机智能的柔性交互与协同等。机器人化制造技术的研究机器人是一种高度柔性化的自动化设备，未来的典型制造工厂将是计算机网络控制的包含多个机器人加工单元的分布式自主制造系统，工业机器人(IR)、智能加工中心(IMC)、坐标测量机(CMM)、自动导引小车(AGV)均被视为“智能机器”，这些智能机器依据不同的要求有机地组成机器人化制造单元，实现多元化产品生产。在所组成的制造单元、建模方法及仿真技术的应用研究方面主要研究内容是：机器人制造单元的结构和功能模型的研究，NC、Robot、CMM全信息模型的研究，基于知识的一体化制造仿真与控制语言，NC．Robot．CMM信息共享技术等。工业机器人的离线编程与图形仿真是机器人化生产应用工程的关键技术，如机器人制造单元的CAD建模，面向对象的机器人作业规划，机器人编程语言及标准接口规范，机器人传感器仿真模型的研究及各种传感器信息融合的仿真。对机器人系统建模和仿真研究又有两个方面：一是通过机器人的建模与仿真，帮助设计者设计机器人本体，评价机器人的运动学、动力学和控制系统的性能；另一个就是通过建立机器人与周边环境物和模型，帮助机器人操作人员进行机器人工作单元的设计、离线示教和编程规划，使用图形技术和避碰算法，进行运动分析。先进制造智能传感与检测的研究智能传感与检测研究主要包括智能传感器、智能传感和检测技术以及光纤传感技术等方面的研究。智能传感器主要功能为：感知环境条件的变化，并进行相应补充，通过双向通信，以一种可以理解和接受的格式及执行机构或控制器等与其他系统连接，对白身进行检测式诊断，实现智能决策。光纤传感技术主要研究内容为：光波调制原理、调制光波信号检测技术、多传感器复用技术、多传感器网络及通信技术、光纤传感技术与光纤通信技术的结合原理和方法等。发展趋势可用“六化”简要描述。即：制造全球化制造敏捷化制造网络化制造虚拟化制造智能化制造绿色化1.4制造自动化技术的发展趋势制造全球化的概念出于美日欧等发达国家的智能系统计划。近年来随着Internet技术的发展，制造全球化的研究和应用发展迅速。制造全球化包括的内容非常广泛，主要的有：市场的国际化，产品销售的全球网络正在形成。产品设计和开发的国际合作。产品制造的跨国化。制造企业在世界范围内的重组与集成，如动态联盟公司。制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用。全球制造的体系结构将要形成。敏捷制造是一种面向21世纪的制造战略和现代制造模式，当前全球范围内敏捷制造的研究十分活跃。敏捷制造是对广义制造系统而言。制造环境和制造过程的敏捷性问题是敏捷制造的重要组成部分。敏捷化是制造环境和制造过程面向21世纪制造活动的必然趋势。制造环境和制造过程的敏捷化包括的内容很广，如：柔性：包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性和扩展柔性等。重构能力：能实现快速重组重构，增强对新产品开发的快速响应能力。快速化的集成制造工艺：如快速原型制造RPM，是一种CAD/CAM的集成工艺。当前由于网络技术特别是Internet/Intranet技术的迅速发展，正在给企业制造活动带来新的变革，其影响的深度、广度和发展速度往往远超过人们的预测。基于网络的制造，包括以下几个方面：(1)制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。(2)制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。(3)企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。(4)通过网络，实现异地制造。总之，制造的网络化，特别是基于Internet/Intranet的制造已成为重要的发展趋势。虚拟化技术包括：虚拟现实（VR）、虚拟产品开发（VPD）、虚拟制造（VM）和虚拟企业（VE）。制造虚拟化主要指虚拟制造，又称拟实制造。虚拟制造(Virtualmanufacturing)是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。虚拟制造是实现敏捷制造的重要关键技术，对未来制造业的发展至关重要；同时虚拟制造将在今后发展成为很大的软件产业，我们应充分注意到这个发展趋势。智能制造将是未来制造自动化发展的重要方向。

所谓智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。

有人预言下一世纪的制造工业将由两个“I”来标识，即Integration(集成)和Intelligence(智能)。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设