高等學(xué)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(xué)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(gòu)2.2智能制造裝備概述2.3智能機(jī)床2.4工業(yè)機(jī)器人2.5增材制造裝備2.6智能生產(chǎn)線第二章智能制造架構(gòu)與裝備2.1智能制造架構(gòu)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(jī)器，包括精度、自動(dòng)化、和生產(chǎn)能力等

Methods——方法，包括工藝、效率、和產(chǎn)能等

Measurement——測(cè)量，包括六西格瑪、傳感器監(jiān)測(cè)等

Maintenance——維護(hù)，包括使用率、故障率、和運(yùn)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(gè)M，即建模（Modeling——數(shù)據(jù)和知識(shí)建模，包括監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和防范等），并且正是通過建模來驅(qū)動(dòng)其他5個(gè)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(gòu)2.1.2智能工廠實(shí)現(xiàn)智能制造的利器就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的工具軟件和制造裝備，包括以下類型：計(jì)算機(jī)輔助工具：如CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，如ICT信息測(cè)試、FCT功能測(cè)試）等；計(jì)算機(jī)仿真工具：如物流仿真、工程物理仿真（包括結(jié)構(gòu)分析、聲學(xué)分析、流體分析、熱力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、復(fù)合材料分析等多物理場(chǎng)仿真）、工藝仿真等；工廠/車間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)：如ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）/PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等；智能裝備：如高檔數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人、增材制造裝備（3D打印機(jī)）、智能爐窯、反應(yīng)釜及其他智能化裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測(cè)與裝配裝備、智能物流與倉儲(chǔ)裝備等；新一代信息技術(shù)：如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。2.1智能制造架構(gòu)2.1.2智能工廠

在智能工廠中，借助于各種生產(chǎn)管理工具/軟件/系統(tǒng)和智能設(shè)備，打通企業(yè)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售、維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)、生產(chǎn)自動(dòng)排程、信息上傳下達(dá)、生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、物料自動(dòng)配送等智能化生產(chǎn)。智能工廠模型2.1智能制造架構(gòu)2.1.3制造環(huán)節(jié)智能化數(shù)字化：

數(shù)字化是指將信息載體（文字、圖片、圖像、信號(hào)等）以數(shù)字編碼形式（通常是二進(jìn)制）進(jìn)行儲(chǔ)存、傳輸、加工、處理和應(yīng)用的技術(shù)途徑。數(shù)字化本身指的是信息表示方式與處理方式，但本質(zhì)上強(qiáng)調(diào)的是信息應(yīng)用的計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化。在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字化是指借助于各種計(jì)算機(jī)工具，一方面在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品物體特征、生產(chǎn)工藝甚至工廠布局進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證；另一方面，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化管理。網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化是指使用相同或不同的網(wǎng)絡(luò)將工廠/車間中的各種計(jì)算機(jī)管理軟件、智能裝備連接起來，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與人之間的信息互通和良好交互。

智能化可分為兩個(gè)階段，當(dāng)前階段是面向定制化設(shè)計(jì)，支持多品種小批量生產(chǎn)模式，通過使用智能化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)與智能裝備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的智能管理，未來愿景則是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)自感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、自我配置、精準(zhǔn)執(zhí)行的自組織生產(chǎn)。智能化：2.1智能制造架構(gòu)2.1.4網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通智能制造的首要任務(wù)是信息的處理與優(yōu)化，工廠/車間內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通則是基礎(chǔ)與前提。沒有互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)采集與交互，工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)都將成為無源之水。圖2-1智能工廠/數(shù)字化車間典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.1智能制造架構(gòu)2.1.5端到端數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)/信息交換要求從底層現(xiàn)場(chǎng)層向上貫穿至執(zhí)行層甚至計(jì)劃層網(wǎng)絡(luò)，使得工廠/車間能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況與設(shè)備信息，并根據(jù)獲取的信息來優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)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(yīng)商、下游用戶）的信息改變，這就需要用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)與企業(yè)數(shù)據(jù)流動(dòng)。圖2-2智能制造端到端數(shù)據(jù)流2.2智能制造裝備概述

智能制造裝備是智能制造技術(shù)的重要載體。智能制造裝備融合了先進(jìn)制造技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)以及人工智能技術(shù)，具有感知、學(xué)習(xí)、決策和執(zhí)行等功能，是實(shí)現(xiàn)高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和安全可靠生產(chǎn)的下一代制造裝備。智能制造裝備主要包括高端數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能測(cè)控裝置、成套自動(dòng)化生產(chǎn)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(shí)時(shí)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(jù)不同來源的信息進(jìn)行分析、判斷和規(guī)劃自身行為。自學(xué)習(xí)和自維護(hù)能力智能制造裝備能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行故障診斷、排除及修復(fù)，并依據(jù)專家知識(shí)庫提供相應(yīng)的解決維護(hù)方案，保持系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運(yùn)行。自優(yōu)化能力制造裝備在使用過程中不可避免地會(huì)存在損耗，傳統(tǒng)的機(jī)器或系統(tǒng)的性能因此會(huì)不斷退化，智能制造裝備能夠依據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)的性能，調(diào)整本身的運(yùn)行狀態(tài)，保證裝備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。容錯(cuò)能力智能制造裝備能夠在環(huán)境異?；虿僮麇e(cuò)誤的情況下正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)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(wù)執(zhí)行的基本載體，它與其他子系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，實(shí)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(diǎn)，也是智能發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。感知系統(tǒng)模擬智能體的視覺、聽覺、觸覺等等。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)裝備的執(zhí)行系統(tǒng)，也就是機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)械工具的進(jìn)一步延伸。現(xiàn)階段的裝備機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)，是包括產(chǎn)生特定運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)設(shè)備。運(yùn)動(dòng)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(jìn)行復(fù)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(jù)各種感知系統(tǒng)收集的信息，進(jìn)行復(fù)雜的決策計(jì)算，優(yōu)化出合理的指令，指揮控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jī)床智能機(jī)床是能夠自主決策制造過程的機(jī)床。智能機(jī)器人智能機(jī)器人能根據(jù)環(huán)境與任務(wù)的變化，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知、自主規(guī)劃、自律運(yùn)動(dòng)和智能操作。增材制造裝備增材制造技術(shù)可以精確地控制物料成型，提高材料利用率，能夠生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝無法加工的復(fù)雜零件。智能成型制造裝備實(shí)現(xiàn)材料組織性能的精確設(shè)計(jì)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(zhì)量。特種智能制造裝備特種智能制造裝備是基于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新原理、新方法和專門的工藝知識(shí)，為適應(yīng)超常加工尺度、精度、性能、環(huán)境等特殊條件而產(chǎn)生的裝備。2.3智能機(jī)床依照智能制造的三個(gè)范式和機(jī)床的發(fā)展歷程，機(jī)床從傳統(tǒng)的手動(dòng)操作機(jī)床向智能機(jī)床演化同樣可以分為三個(gè)階段：數(shù)字化+機(jī)床（numericalcontrolmachinetool，NCMT），即數(shù)控機(jī)床；互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)控機(jī)床（smartmachinetool，SMT），即互聯(lián)網(wǎng)機(jī)床；新一代人工智能+互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)控機(jī)床，即智能機(jī)床（intelligentmachinetool，IMT）。圖2-2智能制造端到端數(shù)據(jù)流2.3智能機(jī)床2.3.1機(jī)床到智能機(jī)床的演化機(jī)床從手動(dòng)機(jī)床發(fā)展到智能機(jī)床可分為三個(gè)階段：數(shù)控機(jī)床、互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床和智能機(jī)床。數(shù)控機(jī)床只是通過G代碼來實(shí)現(xiàn)刀具、工件的軌跡控制，缺乏對(duì)機(jī)床實(shí)際加工狀態(tài)（如切削力、慣性力、摩擦力、振動(dòng)、切削力、熱變形，以及環(huán)境變化等）的感知、反饋和學(xué)習(xí)建模的能力，導(dǎo)致實(shí)際路徑可能偏離理論路徑等問題，影響了加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。2.3智能機(jī)床一、數(shù)控機(jī)床（a）數(shù)控機(jī)床控制原理

（b）數(shù)控機(jī)床的“人-信息-機(jī)系統(tǒng)”（HCPS)圖2-4

數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)2.3智能機(jī)床（一）數(shù)控機(jī)床按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類圖2-5機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡控制2.3智能機(jī)床（一）數(shù)控機(jī)床按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類2.3智能機(jī)床（一）數(shù)控機(jī)床按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類2.3智能機(jī)床（一）數(shù)控機(jī)床按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類2.3智能機(jī)床（一）數(shù)控機(jī)床按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類2.3智能機(jī)床（二）數(shù)控機(jī)床按控制方式分類2.3智能機(jī)床（二）數(shù)控機(jī)床按控制方式分類2.3智能機(jī)床（二）數(shù)控機(jī)床按控制方式分類2.3智能機(jī)床（二）數(shù)控機(jī)床按控制方式分類2.3智能機(jī)床（三）數(shù)控機(jī)床按工藝用途分類2.3智能機(jī)床（三）數(shù)控機(jī)床按工藝用途分類2.3智能機(jī)床（三）數(shù)控機(jī)床按工藝用途分類2.3智能機(jī)床（三）數(shù)控機(jī)床按工藝用途分類2.3智能機(jī)床（三）數(shù)控機(jī)床按工藝用途分類2.3智能機(jī)床二、互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床與數(shù)控機(jī)床相比，互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床增加了傳感器，增強(qiáng)了對(duì)加工狀態(tài)感知能力；應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備的連接互通，實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和匯聚；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過程的實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的反饋控制。2.3智能機(jī)床二、互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床（a）互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床控制原理

（b）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)“人-信息-機(jī)系統(tǒng)”圖2-7互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床控制原理系統(tǒng)

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

什么是工業(yè)機(jī)器人？“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！薄獓?guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，19872.4工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（液壓缸、電機(jī)等）檢測(cè)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作對(duì)象各組成部分關(guān)系

檢測(cè)系統(tǒng)2.4.1工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.4工業(yè)機(jī)器人2.4.2工業(yè)機(jī)器人的分類2.4工業(yè)機(jī)器人2.4.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)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(jī)器人2.4.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用焊接打磨裝配碼垛搬運(yùn)檢測(cè)

組裝機(jī)械加工2.5增材制造裝備增材制造（additivemanufacturing，AM）技術(shù)（也稱為3D打印技術(shù)）是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復(fù)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)件，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了巨大契機(jī)。2.5增材制造裝備2.5.1增材技術(shù)的種類激光增材制造技術(shù)一類以激光直接沉積（LMD）技術(shù)為代表；另一類以激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）為代表。電子束增材制造技術(shù)分為基于熔化同步送進(jìn)絲材的電子束自由成形制造技術(shù)（EBF3）和基于預(yù)鋪粉末的電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）。電弧增材制造以電弧作為熱源的電弧增材制造技術(shù)（WAAM），其成形設(shè)備簡(jiǎn)單且設(shè)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(gòu)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(shù)，結(jié)合固相焊接技術(shù)方法，提出了固相增材制造技術(shù)。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(yùn)用超聲波焊接方法，通過周期性的機(jī)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(yīng)用增材制造技術(shù)可快速地將模型轉(zhuǎn)換成物理