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1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 主講人 張寧 IndustrialRoboticTechnology 工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 1制造自動(dòng)化技術(shù)概述 2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概述 3工業(yè)機(jī)器人的組成 4工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用案例 5舉例 達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人 6舉例 拋光機(jī)器人 制造自動(dòng)化 制造 自動(dòng)化制造 目前對(duì)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(jī)械加工過程 另一個(gè)是廣義制造概念 包括產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程 又稱為 大制造概念 實(shí)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(dòng)化 是美國(guó)人D S Harder于1936年提出的 當(dāng)時(shí)他在通用汽車公司工作 他認(rèn)為在一個(gè)生產(chǎn)過程中 機(jī)器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)就是 自動(dòng)化 這實(shí)質(zhì)是早期制造自動(dòng)化的概念 1制造自動(dòng)化技術(shù)概述 1 1制造自動(dòng)化的定義及內(nèi)涵 制造自動(dòng)化 以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化 的概念是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程 過去 人們對(duì)自動(dòng)化的理解或者說自動(dòng)化的功能目標(biāo)是以機(jī)械的動(dòng)作代替人力操作 自動(dòng)地完成特定的作業(yè) 這實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)化代替人的體力勞動(dòng)的觀點(diǎn) 后來隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展 特別是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用 自動(dòng)化的概念已擴(kuò)展為用機(jī)器 包括計(jì)算機(jī) 不僅代替人的體力勞動(dòng)而且還代替或輔助腦力勞動(dòng) 以自動(dòng)地完成特定的作業(yè) 1 在形式方面 制造自動(dòng)化有三個(gè)方面的含義 代替人的體力勞動(dòng) 代替或輔助人的腦力勞動(dòng) 制造系統(tǒng)中人 機(jī)及整個(gè)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(dòng)化代替人的體力勞動(dòng)或腦力勞動(dòng)僅僅是制造自動(dòng)化功能目標(biāo)體系的一部分 制造自動(dòng)化的功能目標(biāo)是多方面的 已形成一個(gè)有機(jī)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)化技術(shù)能有效地降低成本 提高經(jīng)濟(jì)效益 S也有兩方面的含義 一是利用自動(dòng)化技術(shù) 更好地做好市場(chǎng)服務(wù)工作 二是利用自動(dòng)化技術(shù) 替代或減輕制造人員的體力和腦力勞動(dòng) 直接為制造人員服務(wù) E的含義是制造自動(dòng)化應(yīng)該有利于充分利用資源 減少?gòu)U棄物和環(huán)境污染 有利于實(shí)現(xiàn)綠色制造 1 2制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程 回顧歷史 制造自動(dòng)化技術(shù)服務(wù)的生產(chǎn)模式經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段 1 用機(jī)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(jī)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(jìn)人了第一階段 20世紀(jì)初 泰勒提出了以勞動(dòng)分工為基礎(chǔ)的科學(xué)管理理論 繼而福特運(yùn)用泰勒的理論 找到了克服單件生產(chǎn)方式弱點(diǎn)的方法 在福特汽車公司實(shí)現(xiàn)了流水裝配線生產(chǎn) 從此開始了代表本世紀(jì)工業(yè)文明的 以高效自動(dòng)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(jì)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(chǎng)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(guó)麻省理工學(xué)院研制出的第一臺(tái)數(shù)控銑床揭開了柔性自動(dòng)化的序幕 70年代初柔性自動(dòng)化進(jìn)人了生產(chǎn)實(shí)用階段 近20多年來 柔性自動(dòng)化有了飛速的發(fā)展 從單臺(tái)數(shù)控機(jī)床到加工中心 DNC 柔性制造單元 柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)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(shì) 可以看出 制造自動(dòng)化的歷史和發(fā)展可分為五個(gè)臺(tái)階 第一臺(tái)階 剛性自動(dòng)化 包括剛性自動(dòng)線和自動(dòng)單機(jī) 本臺(tái)階在20世紀(jì)40一50年代已相當(dāng)成熟 應(yīng)用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝方法 采用專用機(jī)床和組合機(jī)床 自動(dòng)單機(jī)或自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)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(shí)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(jī)床等 第二臺(tái)階 數(shù)控加工 包括數(shù)控 NC 和計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 本臺(tái)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展 它迅速被計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 取代 數(shù)控加工設(shè)備包括數(shù)控機(jī)床 加工中心等 數(shù)控加工的特點(diǎn)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(jì)算機(jī)編程技術(shù)等 第三臺(tái)階 柔性制造 本臺(tái)階特征是強(qiáng)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(jì)算機(jī)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(jì)劃與控制 制造過程監(jiān)控技術(shù) 計(jì)算機(jī)控制與通信網(wǎng)絡(luò)等等 第四臺(tái)階 計(jì)算機(jī)集成制造 CIM 和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS CIMS既可看作是制造自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)新階段 又可看作是包含制造自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)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(qiáng)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(jì)算機(jī)技術(shù) 信息技術(shù) 自動(dòng)化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)等 第五臺(tái)階 新的制造自動(dòng)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(dòng)化模式是在20世紀(jì)末提出并開展研究的 是制造自動(dòng)化面向21世紀(jì)的發(fā)展方向 制造自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化理論與調(diào)度方法面向制造自動(dòng)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(dòng)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(jī)器人化制造技術(shù)的研究先進(jìn)制造智能傳感與檢測(cè)的研究 1 3制造自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù) 制造自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等 使制造自動(dòng)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(gè)方面 1 分布式 協(xié)同處理的制造自動(dòng)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(jì)機(jī)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(dòng)化制造系統(tǒng) 研究人機(jī)的適度集成 制造自動(dòng)化系統(tǒng)和技術(shù)同個(gè)體和組織創(chuàng)新 體制革新的關(guān)系 如何把人的知識(shí)和智能活動(dòng)有效集成入整個(gè)系統(tǒng)乃至各個(gè)方面 3 基于因特網(wǎng)的制造自動(dòng)化系統(tǒng) 研究面向全球制造的開放式自動(dòng)化系統(tǒng)及集成平臺(tái) 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(kù)技術(shù) 設(shè)備重組和資源重用 以及能自動(dòng)進(jìn)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?jí)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)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(cè)量 Measuring 機(jī)器人操作 Manipulation 四者一體化的智能系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)信息共享 促進(jìn)建模 加工 測(cè)量 裝夾 操作的一體化 其目的是實(shí)現(xiàn)快速制造 快速檢測(cè) 快速響應(yīng)和快速重組 智能4M系統(tǒng)主要研究?jī)?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(yǔ)言研究 形成面向用戶的柔性加工高層控制語(yǔ)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(dòng)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(dòng)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(dú)特的要求 對(duì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論方面進(jìn)一步突破 同時(shí) 由于實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)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(shí)生產(chǎn)等 作為先進(jìn)制造模式賴以實(shí)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(duì)上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著最為直接的影響 面向制造自動(dòng)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(gè)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(tái)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(jī)集成實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)制造環(huán)境之間結(jié)構(gòu) 功能映射關(guān)系的管理 維護(hù) 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(gè)產(chǎn)品的生命周期綜合經(jīng)濟(jì)模型和產(chǎn)品評(píng)價(jià)體系 2 仿真技術(shù)群 即運(yùn)行和操作構(gòu)成VMS的各種模型的所有方法和技術(shù) 對(duì)分布式交互仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)與制造方法 加工過程 成本估計(jì)集成技術(shù) 集成動(dòng)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(jī)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(bào)制造系統(tǒng)開發(fā)控制與運(yùn)行的基礎(chǔ)性技術(shù) 主要包括 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 人工智能在制造企業(yè)各級(jí)組織 產(chǎn)品生命周期各個(gè)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(jì)算機(jī)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(xiàng)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?jī)?nèi)容有 CAD系統(tǒng)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期 充分考慮產(chǎn)品信息的繼承性 滿足并行設(shè)計(jì)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(guó)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(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究 CAD CAPP CAM一體化技術(shù)一個(gè)重要研究?jī)?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(tái)等 面向制造自動(dòng)化的數(shù)控技術(shù)的研究 數(shù)控技術(shù)是自動(dòng)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(shí)用化方向發(fā)展 對(duì)數(shù)控技術(shù)的研究與開發(fā)重點(diǎn)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(kuò)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(duì)策論 排隊(duì)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(jì)算機(jī)通信及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究 計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù) 物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)如AGV 立體倉(cāng)庫(kù)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(gè)環(huán)節(jié)通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人類專家制造智能活動(dòng) 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(jī)結(jié)合 智能制造系統(tǒng)的智能化水平?jīng)Q定了其研究?jī)?nèi)容有 個(gè)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(jī)智能的柔性交互與協(xié)同等 機(jī)器人化制造技術(shù)的研究 機(jī)器人是一種高度柔性化的自動(dòng)化設(shè)備 未來的典型制造工廠將是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的包含多個(gè)機(jī)器人加工單元的分布式自主制造系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人 IR 智能加工中心 IMC 坐標(biāo)測(cè)量機(jī) CMM 自動(dòng)導(dǎo)引小車 AGV 均被視為 智能機(jī)器 這些智能機(jī)器依據(jù)不同的要求有機(jī)地組成機(jī)器人化制造單元 實(shí)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?jī)?nèi)容是 機(jī)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(shí)的一體化制造仿真與控制語(yǔ)言 NC Robot CMM信息共享技術(shù)等 工業(yè)機(jī)器人的離線編程與圖形仿真是機(jī)器人化生產(chǎn)應(yīng)用工程的關(guān)鍵技術(shù) 如機(jī)器人制造單元的CAD建模 面向?qū)ο蟮臋C(jī)器人作業(yè)規(guī)劃 機(jī)器人編程語(yǔ)言及標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范 機(jī)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(duì)機(jī)器人系統(tǒng)建模和仿真研究又有兩個(gè)方面 一是通過機(jī)器人的建模與仿真 幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)機(jī)器人本體 評(píng)價(jià)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué) 動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)的性能 另一個(gè)就是通過建立機(jī)器人與周邊環(huán)境物和模型 幫助機(jī)器人操作人員進(jìn)行機(jī)器人工作單元的設(shè)計(jì) 離線示教和編程規(guī)劃 使用圖形技術(shù)和避碰算法 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析 在以機(jī)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?jī)?nèi)容是 機(jī)器人加工及裝配系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)與重構(gòu)技術(shù) 柔性裝配機(jī)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(jī)器人的裝配設(shè)計(jì)技術(shù) 傳感器系統(tǒng)集成與信息融合技術(shù) 機(jī)器人化機(jī)器是應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)新一代類似機(jī)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(jī)器 主要研究?jī)?nèi)容包括 傳統(tǒng)機(jī)械的機(jī)器人化實(shí)現(xiàn)技術(shù) 傳感器 決策和控制 體化技術(shù) 新型機(jī)器人化加工與裝配機(jī)器研究等 特種機(jī)器人方面上要研究?jī)?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(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng) 面向遙控機(jī)器人的擬實(shí)系統(tǒng) 基于計(jì)算機(jī)屏幕的機(jī)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(jìn)制造智能傳感與檢測(cè)的研究 智能傳感與檢測(cè)研究主要包括智能傳感器 智能傳感和檢測(cè)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(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)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(jī)構(gòu)或控制器等與其他系統(tǒng)連接 對(duì)白身進(jìn)行檢測(cè)式診斷 實(shí)現(xiàn)智能決策 光纖傳感技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容為 光波調(diào)制原理 調(diào)制光波信號(hào)檢測(cè)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(shì)可用 六化 簡(jiǎn)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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 制造全球化的概念出于美日歐等發(fā)達(dá)國(guó)家的智能系統(tǒng)計(jì)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(chǎng)的國(guó)際化 產(chǎn)品銷售的全球網(wǎng)絡(luò)正在形成 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的國(guó)際合作 產(chǎn)品制造的跨國(guó)化 制造企業(yè)在世界范圍內(nèi)的重組與集成 如動(dòng)態(tài)聯(lián)盟公司 制造資源的跨地區(qū) 跨國(guó)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(jì)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(duì)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(jì)制造活動(dòng)的必然趨勢(shì) 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(jī)器柔性 工藝柔性 運(yùn)行柔性和擴(kuò)展柔性等 重構(gòu)能力 能實(shí)現(xiàn)快速重組重構(gòu) 增強(qiáng)對(duì)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(dòng)帶來新的變革 其影響的深度 廣度和發(fā)展速度往往遠(yuǎn)超過人們的預(yù)測(cè) 基于網(wǎng)絡(luò)的制造 包括以下幾個(gè)方面 1 制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化 實(shí)現(xiàn)制造過程的集成 2 制造環(huán)境與整個(gè)制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化 實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設(shè)計(jì) 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(shí)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(shí)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(shì) 虛擬化技術(shù)包括 虛擬現(xiàn)實(shí) 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(shí)制造 虛擬制造 Virtualmanufacturing 是以制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形學(xué) 并行工程 人工智能 人工現(xiàn)實(shí)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(shí)形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù) 虛擬制造是實(shí)現(xiàn)敏捷制造的重要關(guān)鍵技術(shù) 對(duì)未來制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要 同時(shí)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(gè)發(fā)展趨勢(shì) 智能制造將是未來制造自動(dòng)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(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng) 它在制造過程中能進(jìn)行智能活動(dòng) 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(jī)器的合作共事 去擴(kuò)大 延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng) 以實(shí)現(xiàn)制造過程的優(yōu)化 有人預(yù)言下一世紀(jì)的制造工業(yè)將由兩個(gè) I 來標(biāo)識(shí) 即Integration 集成 和Intelligence 智能 綠色制造是一個(gè)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(jì) 制造 包裝 運(yùn)輸 使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中 對(duì)環(huán)境的影響 負(fù)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(gè)生命周期和多生命周期 對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該予以充分考慮的一個(gè)重大問題 生命系統(tǒng) 平衡 步行 發(fā)聲 身體擺動(dòng) 感覺 表情 調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)等 造型解質(zhì) 關(guān)節(jié)能自由運(yùn)動(dòng)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(jī)理 輪廓 頭發(fā) 視覺 牙齒 手爪等 2 1機(jī)器人的起源 1886年法國(guó)作家利爾亞當(dāng)在他的小說 未來夏娃 中將外表像人的機(jī)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(wàn)能機(jī)器人 中的主人公 Robota 在捷克語(yǔ)中是奴隸的意思 是一個(gè)具有人的外表 特征與功能 并為人服務(wù)的機(jī)器人 英語(yǔ)的 Robot 由此而來 2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概述 41 2 2機(jī)器人的定義 國(guó)際上 關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種 1 美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì) RIA 的定義 機(jī)器人是 一種用于移動(dòng)各種材料 零件 工具或?qū)Ｓ醚b置的 通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行種種任務(wù)的 并具有編程能力的多功能機(jī)械手 manipulator 2 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì) JIRA 的定義 工業(yè)機(jī)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(dòng)并通過自動(dòng)完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器 3 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 NBS 的定義 機(jī)器人是 一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置 42 4 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 的定義 機(jī)器人是一種自動(dòng)的 位置可控的 具有編程能力的多功能機(jī)械手 這種機(jī)械手具有幾個(gè)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(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是 機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器 所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力 是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器 43 工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人特種機(jī)器人用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人 包括 服務(wù)機(jī)器人 水下機(jī)器人 娛樂機(jī)器人 軍用機(jī)器人 農(nóng)業(yè)機(jī)器人 機(jī)器人化機(jī)器等 機(jī)器人分為兩大類 即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) 機(jī)械本體 控制器 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成 是一種仿人操作 自動(dòng)控制 可重復(fù)編程 能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī) 控制論 機(jī)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(jī)器人應(yīng)用情況 是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志 2 3機(jī)器人的分類 44 2 4工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)涵 在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機(jī)器人我們稱為工業(yè)機(jī)器人 通常對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義是 工業(yè)機(jī)器人是一種能模擬人的手 臂的部分動(dòng)作 按照預(yù)定的程序 軌跡及其它要求 實(shí)現(xiàn)抓取 搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝置 45 工業(yè)機(jī)器人以剛性高的機(jī)械手臂為主體 與人相比 可以有更快的運(yùn)動(dòng)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(hào) 自動(dòng)進(jìn)行各種操作 工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動(dòng)化系統(tǒng) 是典型的機(jī)電一體化的產(chǎn)品 工業(yè)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)智能化 多功能化 柔性自動(dòng)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(jī)器人的組成 47 通常是由安裝在機(jī)體上的若干個(gè)回轉(zhuǎn) 或移動(dòng) 關(guān)節(jié)與桿件相互聯(lián)接構(gòu)成的多自由度主動(dòng)機(jī)構(gòu)組成 人們力圖把它設(shè)計(jì)成具有擬人的手臂或動(dòng)物肢體動(dòng)作功能的一種固定式或移動(dòng)式的機(jī)器 包括 人 機(jī)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(jì)算機(jī) 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(dòng)系統(tǒng) 交 直流PWM 電 液伺服系統(tǒng)或其他繼電驅(qū)動(dòng)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(wú)級(jí)調(diào)速 控制精度較高 可標(biāo)準(zhǔn)化 易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng) 功率 質(zhì)量比大 結(jié)構(gòu)緊湊 易漏油 對(duì)環(huán)境有污染 適用于重載 低速傳動(dòng) 如噴涂機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 輸出功率大 可標(biāo)準(zhǔn)化 易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng) 功率 質(zhì)量比大 結(jié)構(gòu)緊湊 噪聲大 難以實(shí)現(xiàn)高速 高精度的連續(xù)軌跡控制 適用于中小負(fù)載 精度要求較低的機(jī)器人 如沖壓機(jī)器人 50 輸出功率大 控制精度較高 可實(shí)現(xiàn)高速 高精度的連續(xù)軌跡控制 伺服電機(jī)可標(biāo)準(zhǔn)化 結(jié)構(gòu)性能好 噪聲低 無(wú)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(fù)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(jī)器人 如噴涂機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人 弧焊機(jī)器人和裝配機(jī)器人 電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 用于測(cè)量機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)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(cè)量外部環(huán)境信息和作業(yè)對(duì)象工況的傳感器 稱外部傳感器 51 裝配每臺(tái)汽車車體一般大約需要完成3000 4000個(gè)焊點(diǎn) 其中60 是由點(diǎn)焊機(jī)器人完成的 點(diǎn)焊機(jī)器人 4工業(yè)機(jī)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(tái)6 基座7 連接電纜8 轉(zhuǎn)臺(tái)緩沖器9 第一軸 轉(zhuǎn)臺(tái) 電動(dòng)機(jī) M1 10 14 平衡氣缸11 第二軸 臂架 電動(dòng)機(jī) M2 12 第三軸螺桿15 驅(qū)動(dòng)臂架16 電動(dòng)機(jī)組 M4 M5 M6 17 控制柜 弧焊機(jī)器人 日本汽車工業(yè)使用的一種曲柄式弧焊機(jī)器人 其驅(qū)動(dòng)方式采用交 直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 用于焊接車架的側(cè)粱或雙輪機(jī)動(dòng)管結(jié)構(gòu)車架 55 1 焊接電源2 顯示器3 機(jī)器人控制裝置4 夾具控制裝置5 工件6 焊接夾具7 機(jī)器人 噴漆機(jī)器人 日本TOKICO公司生產(chǎn)的RPA856RP關(guān)節(jié)式噴漆機(jī)器人 該機(jī)器人由操作機(jī) 控制箱 修正盤和液壓源四部分組成 有6個(gè)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(gè)噴槍同時(shí)工作 1 小臂2 大臂3 轉(zhuǎn)臺(tái)4 基座 58 裝配機(jī)器人 60 61 搬運(yùn)機(jī)器人 該機(jī)器人是用來抓取 搬運(yùn)來自輸送帶或輸送機(jī)上流動(dòng)的物品的自動(dòng)化裝置 主要由搬人機(jī)械部件 機(jī)器主體部件 搬出機(jī)械部件和系統(tǒng)控制等基本部分組成 1 裝卸運(yùn)輸機(jī)2 極式輸送機(jī)3 極式分配器4 橫進(jìn)給式輸送機(jī)5 操作臺(tái)6 控制臺(tái)7 多工位式輸送機(jī) 焊接機(jī)器人 64 65 鈑金機(jī)器人 66 鑄造機(jī)器人 67 堆放機(jī)器人 68 69 71 食品包裝機(jī)器人 行走機(jī)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(jī)器人拉著的人力車溜達(dá) 這款機(jī)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(jī)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(jī)器人 奏樂機(jī)器人 2008年5月4日 豐田汽車公司的機(jī)器人在陳列室中正在演奏樂器 人形握手機(jī)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(jī)器人握手 它是跟真人一樣大的人形機(jī)器人 設(shè)計(jì)師制造它的目的是模仿人類手勢(shì) 大狗 機(jī)器人 2009年2月4日 泰國(guó)和美國(guó)士兵在金色眼鏡蛇聯(lián)合軍事演習(xí)開幕式 觀看了一個(gè)名叫 大狗 機(jī)器人 BigDog 的精彩表演 手術(shù)機(jī)器人 達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人由美國(guó) 公司生產(chǎn) 目前國(guó)內(nèi)購(gòu)置的是第三代高清型 有三個(gè)部分組成 手術(shù)醫(yī)師的操作主控臺(tái) 機(jī)械臂 攝像臂和手術(shù)器械組成的移動(dòng)平臺(tái) 三維成像視頻影像平臺(tái) 實(shí)施手術(shù)時(shí)外科醫(yī)生不與患者直接接觸 通過三維視覺系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)操作控制 醫(yī)生手臂 手腕和手指的動(dòng)作通過傳感器在計(jì)算機(jī)中記錄下來 并同步翻譯給機(jī)器手臂 機(jī)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(dòng)作 完成手術(shù)操作 5達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人 78 6拋光機(jī)器人