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1 工業(yè)機器人技術(shù) 主講人 張寧 IndustrialRoboticTechnology 工業(yè)機器人技術(shù) 1制造自動化技術(shù)概述 2工業(yè)機器人技術(shù)概述 3工業(yè)機器人的組成 4工業(yè)機器人的應(yīng)用案例 5舉例 達芬奇手術(shù)機器人 6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(yīng)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(dāng)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(zhuǎn)移不用人去搬運就是 自動化 這實質(zhì)是早期制造自動化的概念 1制造自動化技術(shù)概述 1 1制造自動化的定義及內(nèi)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(biāo)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(zhì)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(shù)的發(fā)展 特別是隨著計算機的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)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 代替人的體力勞動 代替或輔助人的腦力勞動 制造系統(tǒng)中人 機及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào) 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(biāo)體系的一部分 制造自動化的功能目標(biāo)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(biāo)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(zhì)量 Quality C表示成本 Cost S表示服務(wù) 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(shù) 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(zhì)量 C的含義是采用自動化技術(shù)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(shù) 更好地做好市場服務(wù)工作 二是利用自動化技術(shù) 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(wù) E的含義是制造自動化應(yīng)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 1 2制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程 回顧歷史 制造自動化技術(shù)服務(wù)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(dǎo)致的工業(yè)革命揭開了工業(yè)化的序幕 從此使制造技術(shù)進人了第一階段 20世紀初 泰勒提出了以勞動分工為基礎(chǔ)的科學(xué)管理理論 繼而福特運用泰勒的理論 找到了克服單件生產(chǎn)方式弱點的方法 在福特汽車公司實現(xiàn)了流水裝配線生產(chǎn) 從此開始了代表本世紀工業(yè)文明的 以高效自動化專用設(shè)備和流水線生產(chǎn)為特征的大量生產(chǎn)方式 到20世紀中期 這種生產(chǎn)方式發(fā)展到了頂峰 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 新產(chǎn)品不斷出現(xiàn) 產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增高 而產(chǎn)品的市場壽命卻日益縮短 使大量生產(chǎn)方式受到巨大的挑戰(zhàn) 1952年美國麻省理工學(xué)院研制出的第一臺數(shù)控銑床揭開了柔性自動化的序幕 70年代初柔性自動化進人了生產(chǎn)實用階段 近20多年來 柔性自動化有了飛速的發(fā)展 從單臺數(shù)控機床到加工中心 DNC 柔性制造單元 柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng) 到90年代更是向敏捷化 網(wǎng)絡(luò)化 虛擬化 智能化等方向發(fā)展 分析上述生產(chǎn)模式的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢 可以看出 制造自動化的歷史和發(fā)展可分為五個臺階 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(dāng)成熟 應(yīng)用傳統(tǒng)的機械設(shè)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(jié)構(gòu) 很難實現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變 引人的新技術(shù)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(shù)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(shè)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(zhì)量高 適應(yīng)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(shù)包括數(shù)控技術(shù) 計算機編程技術(shù)等 第三臺階 柔性制造 本臺階特征是強調(diào)制造過程的柔性和高效率 適應(yīng)于多品種 中小批量的生產(chǎn) 涉及的主要技術(shù)包括成組技術(shù) 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(shù) 車間計劃與控制 制造過程監(jiān)控技術(shù) 計算機控制與通信網(wǎng)絡(luò)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(diào)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?fàn)幍腡QCS問題 即產(chǎn)品上市快 Time 質(zhì)量好 Quality 成本低 cost 和服務(wù)好 Service CIMS涉及的學(xué)科和技術(shù)非常廣泛 包括現(xiàn)代制造技術(shù) 管理技術(shù) 計算機技術(shù) 信息技術(shù) 自動化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)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(luò)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(jié)構(gòu)研究智能4M系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究制造自動化系統(tǒng)的優(yōu)化理論與調(diào)度方法面向制造自動化的虛擬制造技術(shù)研究CAD CAPP CAM一體化技術(shù)的研究面向制造自動化的數(shù)控技術(shù)的研究柔性制造技術(shù)和智能制造技術(shù)的研究機器人化制造技術(shù)的研究先進制造智能傳感與檢測的研究 1 3制造自動化的關(guān)鍵技術(shù) 制造自動化系統(tǒng)開放式智能體系結(jié)構(gòu)研究 目標(biāo)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(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu) 柔性制造環(huán)境下制造系統(tǒng)自組織技術(shù)基礎(chǔ)研究 通信協(xié)議各異的異構(gòu)設(shè)備集成的研究 由智能設(shè)計機器 智能加工工作站及智能控制器等構(gòu)成的分布式 協(xié)同處理結(jié)構(gòu)的研究 19 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(shù)同個體和組織創(chuàng)新 體制革新的關(guān)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(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 研究基于信息高速公路的數(shù)據(jù)庫技術(shù) 設(shè)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(shù) 用面向?qū)ο蠓椒ê透呒売嬎銠C編程語言研究基于WWW worldwideweb 的產(chǎn)品建模 生產(chǎn)調(diào)度管理和并行控制的方法和技術(shù) 智能4M系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)和快速重組 智能4M系統(tǒng)主要研究內(nèi)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(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(zhǔn)時生產(chǎn)等 作為先進制造模式賴以實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一 生產(chǎn)組織與過程優(yōu)化中決策調(diào)度的成功與否對上述目標(biāo)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(shù)研究 虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(dǎo)思路 在信息集成基礎(chǔ)上 通過組織管理 技術(shù) 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(shù)層的研究為VM實施和VMS的建立提供了理論和技術(shù)上的支持 它由三大主體技術(shù)群和一個支撐技術(shù)群組成 1 建模技術(shù)群 用來開發(fā)VMS中各種模型的所有技術(shù)與方法 包括產(chǎn)品過程及生產(chǎn)系統(tǒng)建模技術(shù) 虛擬公司建模技術(shù) 虛擬制造環(huán)境與現(xiàn)實制造環(huán)境之間結(jié)構(gòu) 功能映射關(guān)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(jié)構(gòu)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(shù)群 即運行和操作構(gòu)成VMS的各種模型的所有方法和技術(shù) 對分布式交互仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)有更新要求 24 3 控制技術(shù)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(shù)與方法 主要包括 模型部件的組織 調(diào)度策略及交換技術(shù) 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(shè)計與制造方法 加工過程 成本估計集成技術(shù) 集成動態(tài)的 分布式的 協(xié)作模型的集成技術(shù) 虛擬制造環(huán)境下 產(chǎn)品開發(fā)過程中的調(diào)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(shù)群 即支持虛報制造系統(tǒng)開發(fā)控制與運行的基礎(chǔ)性技術(shù) 主要包括 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 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(yīng)用的研究 系統(tǒng)集成技術(shù) 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(shù)與系統(tǒng)的研究 以及全局最優(yōu)決策理論和技術(shù) 綜合可視化技術(shù)在虛擬制造環(huán)境構(gòu)造中的應(yīng)用 計算機軟硬件技術(shù)以及通信技術(shù) CAD CAPP CAM一體化技術(shù)的研究 CAD CAPP CAM一體化是一項綜合性的高新技術(shù) 當(dāng)前正朝著集成化 智能化 可視化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展 主要研究內(nèi)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(shè)計的要求 CAD與產(chǎn)品信息標(biāo)準(zhǔn)化相結(jié)合 產(chǎn)品模型的可轉(zhuǎn)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(shè)計技術(shù)的研究 CAD CAPP CAM一體化技術(shù)一個重要研究內(nèi)容就是CAPP技術(shù)的研究 主要有 基于并行工程的CAPP技術(shù) 虛擬制造模式下CAPP技術(shù) 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(shù)的研究 數(shù)控技術(shù)是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)及關(guān)鍵單元技術(shù) 又是精密 高效 高可靠性加工技術(shù)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(shù)的研究與開發(fā)重點是 開放性結(jié)構(gòu)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(shù) 采用通信技術(shù) 研制開發(fā)超精數(shù)控系統(tǒng)等 柔性制造技術(shù)和智能制造技術(shù)的研究 柔性制造系統(tǒng)的理論和技術(shù)所涉及領(lǐng)域很廣 主要包括 生產(chǎn)調(diào)度理論與算法的研究 主要涉及數(shù)學(xué)規(guī)劃 圖論 對策論 排隊論 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 Petri網(wǎng)理論等應(yīng)用數(shù)學(xué)理論及方法 計算機通信及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究 計算機仿真技術(shù)的研究 生產(chǎn)組織及控制模式理論和技術(shù)的研究 主要涉及動態(tài)邏輯單元重構(gòu)理論 多黑板結(jié)構(gòu)模型的智能單元控制理論 系統(tǒng)擾動及再調(diào)度理論和技術(shù) JIT技術(shù) 開放式體系結(jié)構(gòu)等 制造資源控制管理理論和技術(shù)的研究 主要涉及刀具管理理論及技術(shù) 加工設(shè)備的實時調(diào)度技術(shù) 物料儲運系統(tǒng)如AGV 立體倉庫等的控制技術(shù) 智能制造技術(shù)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(gòu)想 決策等 的各種制造技術(shù)的總稱 它是人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的有機結(jié)合 智能制造系統(tǒng)的智能化水平?jīng)Q定了其研究內(nèi)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(shù)的研究 機器人是一種高度柔性化的自動化設(shè)備 未來的典型制造工廠將是計算機網(wǎng)絡(luò)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(biāo)測量機 CMM 自動導(dǎo)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(shù)的應(yīng)用研究方面主要研究內(nèi)容是 機器人制造單元的結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用工程的關(guān)鍵技術(shù) 如機器人制造單元的CAD建模 面向?qū)ο蟮臋C器人作業(yè)規(guī)劃 機器人編程語言及標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計者設(shè)計機器人本體 評價機器人的運動學(xué) 動力學(xué)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(shè)計 離線示教和編程規(guī)劃 使用圖形技術(shù)和避碰算法 進行運動分析 在以機器人為基礎(chǔ)的可重組的加工和裝配系統(tǒng)研究方面主要研究內(nèi)容是 機器人加工及裝配系統(tǒng)模塊化設(shè)計與重構(gòu)技術(shù) 柔性裝配機器人系統(tǒng)集成技術(shù) 用于柔性加工與裝配的集成系統(tǒng)技術(shù) 面向機器人的裝配設(shè)計技術(shù) 傳感器系統(tǒng)集成與信息融合技術(shù) 機器人化機器是應(yīng)用機器人技術(shù)實現(xiàn)新一代類似機器人的智能化 可編程 適于重組和系統(tǒng)應(yīng)用的新一代機器 主要研究內(nèi)容包括 傳統(tǒng)機械的機器人化實現(xiàn)技術(shù) 傳感器 決策和控制 體化技術(shù) 新型機器人化加工與裝配機器研究等 特種機器人方面上要研究內(nèi)容有 遙控加局部自主的系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究 人一機交互環(huán)境建模系統(tǒng) 面向遙控機器人的擬實系統(tǒng) 基于計算機屏幕的機器人遙控及監(jiān)控技術(shù) 多傳感器系統(tǒng) 導(dǎo)航和定位技術(shù) 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(shù)以及光纖傳感技術(shù)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(yīng)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(gòu)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(shù)主要研究內(nèi)容為 光波調(diào)制原理 調(diào)制光波信號檢測技術(shù) 多傳感器復(fù)用技術(shù) 多傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù) 光纖傳感技術(shù)與光纖通信技術(shù)的結(jié)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(luò)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(shù)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(shù)的發(fā)展 制造全球化的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速 制造全球化包括的內(nèi)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(luò)正在形成 產(chǎn)品設(shè)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(nèi)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(diào) 共享和優(yōu)化利用 全球制造的體系結(jié)構(gòu)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(dāng)前全球范圍內(nèi)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(nèi)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(gòu)能力 能實現(xiàn)快速重組重構(gòu) 增強對新產(chǎn)品開發(fā)的快速響應(yīng)能力 快速化的集成制造工藝 如快速原型制造RPM 是一種CAD CAM的集成工藝 當(dāng)前由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是Internet Intranet技術(shù)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(yù)測 基于網(wǎng)絡(luò)的制造 包括以下幾個方面 1 制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)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(luò)化 實現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設(shè)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(luò)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(luò) 實現(xiàn)異地制造 總之 制造的網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)和計算機技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ) 集現(xiàn)代制造工藝 計算機圖形學(xué) 并行工程 人工智能 人工現(xiàn)實技術(shù)和多媒體技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體 由多學(xué)科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù) 虛擬制造是實現(xiàn)敏捷制造的重要關(guān)鍵技術(shù) 對未來制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)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(yīng)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(gòu)思和決策等 智能制造技術(shù)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(yù)言下一世紀的制造工業(yè)將由兩個 I 來標(biāo)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(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計 制造 包裝 運輸 使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中 對環(huán)境的影響 負作用 最小 資源效率最高 綠色制造是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn) 或者說綠色制造是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式 綠色制造涉及的面很廣 涉及到產(chǎn)品的整個生命周期和多生命周期 對制造環(huán)境和制造過程而言 綠色制造主要涉及到資源的優(yōu)化利用 清潔生產(chǎn)和廢棄物的最少化及綜合利用 綠色制造是目前和將來制造自動化系統(tǒng)應(yīng)該予以充分考慮的一個重大問題 生命系統(tǒng) 平衡 步行 發(fā)聲 身體擺動 感覺 表情 調(diào)節(jié)運動等 造型解質(zhì) 關(guān)節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體 一種盔甲 人造肌肉 在上述盔甲上有肉體 靜脈 性別等身體的各種形態(tài) 人造皮膚 含有膚色 機理 輪廓 頭發(fā) 視覺 牙齒 手爪等 2 1機器人的起源 1886年法國作家利爾亞當(dāng)在他的小說 未來夏娃 中將外表像人的機器起名為 安德羅丁 android 它由4部分組成 1920年捷克作家卡雷爾 卡佩克的科幻劇本 羅薩姆的萬能機器人 中的主人公 Robota 在捷克語中是奴隸的意思 是一個具有人的外表 特征與功能 并為人服務(wù)的機器人 英語的 Robot 由此而來 2工業(yè)機器人技術(shù)概述 41 2 2機器人的定義 國際上 關(guān)于機器人的定義主要有以下幾種 1 美國機器人協(xié)會 RIA 的定義 機器人是 一種用于移動各種材料 零件 工具或?qū)Ｓ醚b置的 通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的 并具有編程能力的多功能機械手 manipulator 2 日本工業(yè)機器人協(xié)會 JIRA 的定義 工業(yè)機器人是 一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器 endeffector 的 能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器 3 美國國家標(biāo)準(zhǔn)局 NBS 的定義 機器人是 一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置 42 4 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 的定義 機器人是一種自動的 位置可控的 具有編程能力的多功能機械手 這種機械手具有幾個軸 能夠借助于可編程序操作來處理各種材料 零件 工具和專用裝置 以執(zhí)行種種任務(wù) 5 我國科學(xué)家對機器人的定義是 機器人是一種自動化的機器 所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力 如感知能力 規(guī)劃能力 動作能力和協(xié)同能力 是一種具有高度靈活性的自動化機器 43 工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人特種機器人用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人 包括 服務(wù)機器人 水下機器人 娛樂機器人 軍用機器人 農(nóng)業(yè)機器人 機器人化機器等 機器人分為兩大類 即工業(yè)機器人和特種機器人 工業(yè)機器人由操作機 機械本體 控制器 伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成 是一種仿人操作 自動控制 可重復(fù)編程 能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備 機器人技術(shù)是綜合了計算機 控制論 機構(gòu)學(xué) 信息和傳感技術(shù) 人工智能 仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù) 是當(dāng)代研究十分活躍 應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域 機器人應(yīng)用情況 是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志 2 3機器人的分類 44 2 4工業(yè)機器人的內(nèi)涵 在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機器人我們稱為工業(yè)機器人 通常對工業(yè)機器人的定義是 工業(yè)機器人是一種能模擬人的手 臂的部分動作 按照預(yù)定的程序 軌跡及其它要求 實現(xiàn)抓取 搬運工件或操作工具的自動化裝置 45 工業(yè)機器人以剛性高的機械手臂為主體 與人相比 可以有更快的運動速度 可以搬更重的東西 而且定位精度相當(dāng)高 它可以很據(jù)外部來的信號 自動進行各種操作 工業(yè)機器人是應(yīng)用計算機進行控制的替代人進行工作的高度自動化系統(tǒng) 是典型的機電一體化的產(chǎn)品 工業(yè)機器人在實現(xiàn)智能化 多功能化 柔性自動化生產(chǎn) 提高產(chǎn)品質(zhì)量 代替人在惡劣環(huán)境條件下工作中發(fā)揮重大作用 46 3工業(yè)機器人的組成 47 通常是由安裝在機體上的若干個回轉(zhuǎn) 或移動 關(guān)節(jié)與桿件相互聯(lián)接構(gòu)成的多自由度主動機構(gòu)組成 人們力圖把它設(shè)計成具有擬人的手臂或動物肢體動作功能的一種固定式或移動式的機器 包括 人 機接口裝置 鍵盤 示教盒 操縱桿等 具有存貯記憶功能的電子控制裝置 計算機 PLC或其他可編程邏輯控制裝置 各種傳感器的信息放大傳輸及信息處理裝置 速度 位置伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交 直流PWM 電 液伺服系統(tǒng)或其他繼電驅(qū)動系統(tǒng)等 與外部設(shè)備 傳感器 離線編程設(shè)備等通信的輸入 輸出接口以及各種電源裝置等 48 49 輸出功率大 可無級調(diào)速 控制精度較高 可標(biāo)準(zhǔn)化 易實現(xiàn)直接驅(qū)動 功率 質(zhì)量比大 結(jié)構(gòu)緊湊 易漏油 對環(huán)境有污染 適用于重載 低速傳動 如噴涂機器人 點焊機器人和托運機器人 液壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動 輸出功率大 可標(biāo)準(zhǔn)化 易實現(xiàn)直接驅(qū)動 功率 質(zhì)量比大 結(jié)構(gòu)緊湊 噪聲大 難以實現(xiàn)高速 高精度的連續(xù)軌跡控制 適用于中小負載 精度要求較低的機器人 如沖壓機器人 50 輸出功率大 控制精度較高 可實現(xiàn)高速 高精度的連續(xù)軌跡控制 伺服電機可標(biāo)準(zhǔn)化 結(jié)構(gòu)性能好 噪聲低 無密封問題 一般需配置減速裝置 控制系統(tǒng)復(fù)雜 適用于中小負載 要求具有較高位置控制精度和軌跡控制精度 速度較高的機器人 如噴涂機器人 點焊機器人 弧焊機器人和裝配機器人 電動驅(qū)動 用于測量機器人自身運動速度 位置及加速度的傳感器 稱內(nèi)部傳感器 用于感受和測量外部環(huán)境信息和作業(yè)對象工況的傳感器 稱外部傳感器 51 裝配每臺汽車車體一般大約需要完成3000 4000個焊點 其中60 是由點焊機器人完成的 點焊機器人 4工業(yè)機器人的應(yīng)用案例 1 手臂及手腕2 臂架3 橡皮緩沖器4 肘形節(jié)桿5 回轉(zhuǎn)臺6 基座7 連接電纜8 轉(zhuǎn)臺緩沖器9 第一軸 轉(zhuǎn)臺 電動機 M1 10 14 平衡氣缸11 第二軸 臂架 電動機 M2 12 第三軸螺桿15 驅(qū)動臂架16 電動機組 M4 M5 M6 17 控制柜 弧焊機器人 日本汽車工業(yè)使用的一種曲柄式弧焊機器人 其驅(qū)動方式采用交 直流伺服電動機系統(tǒng) 用于焊接車架的側(cè)粱或雙輪機動管結(jié)構(gòu)車架 55 1 焊接電源2 顯示器3 機器人控制裝置4 夾具控制裝置5 工件6 焊接夾具7 機器人 噴漆機器人 日本TOKICO公司生產(chǎn)的RPA856RP關(guān)節(jié)式噴漆機器人 該機器人由操作機 控制箱 修正盤和液壓源四部分組成 有6個自由度 可連接工件傳送裝置做到同步操作 手腕為伺服控制型 末端接口可安裝兩個噴槍同時工作 1 小臂2 大臂3 轉(zhuǎn)臺4 基座 58 裝配機器人 60 61 搬運機器人 該機器人是用來抓取 搬運來自輸送帶或輸送機上流動的物品的自動化裝置 主要由搬人機械部件 機器主體部件 搬出機械部件和系統(tǒng)控制等基本部分組成 1 裝卸運輸機2 極式輸送機3 極式分配器4 橫進給式輸送機5 操作臺6 控制臺7 多工位式輸送機 焊接機器人 64 65 鈑金機器人 66 鑄造機器人 67 堆放機器人 68 69 71 食品包裝機器人 行走機器人 2009年1月8日 北京郊區(qū)農(nóng)民吳玉祿 音譯 在自家附近操作由他自制的行走機器人拉著的人力車溜達 這款機器人是熱衷于發(fā)明創(chuàng)造的吳玉祿制造的最新 最大的機器人 他用從垃圾堆撿來的金屬絲 金屬片 螺絲釘和釘子等為材料 從1986年就開始制造機器人 奏樂機器人 2008年5月4日 豐田汽車公司的機器人在陳列室中正在演奏樂器 人形握手機器人 2009年2月17日 在倫敦科學(xué)博物館里 一名觀眾在和名叫 貝爾蒂 Berti 的機器人握手 它是跟真人一樣大的人形機器人 設(shè)計師制造它的目的是模仿人類手勢 大狗 機器人 2009年2月4日 泰國和美國士兵在金色眼鏡蛇聯(lián)合軍事演習(xí)開幕式 觀看了一個名叫 大狗 機器人 BigDog 的精彩表演 手術(shù)機器人 達芬奇手術(shù)機器人由美國 公司生產(chǎn) 目前國內(nèi)購置的是第三代高清型 有三個部分組成 手術(shù)醫(yī)師的操作主控臺 機械臂 攝像臂和手術(shù)器械組成的移動平臺 三維成像視頻影像平臺 實施手術(shù)時外科醫(yī)生不與患者直接接觸 通過三維視覺系統(tǒng)和動作定標(biāo)系統(tǒng)操作控制 醫(yī)生手臂 手腕和手指的動作通過傳感器在計算機中記錄下來 并同步翻譯給機器手臂 機械手臂的前端安裝各種特殊的手術(shù)器械模擬外科醫(yī)生的技術(shù)動作 完成手術(shù)操作 5達芬奇手術(shù)機器人 78 6拋光機器人