自動(dòng)化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化設(shè)計(jì)摘要:為了使制造系統(tǒng)達(dá)到效率最大化、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化,我們發(fā)展適度的自動(dòng)化制造系統(tǒng),具體研究了自動(dòng) 化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是在三個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)一體化,即感知和信息交互層面、控制層面和 執(zhí)行層面,這三個(gè)層面有機(jī)的結(jié)合,就構(gòu)成了人機(jī)一體化制造系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們解決 人機(jī)一體化的運(yùn)行機(jī)制以及相關(guān)安全預(yù)防,即可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:自動(dòng)化制造系統(tǒng),人機(jī)一體化,感知,控制,執(zhí)行,人機(jī)一體化運(yùn)行機(jī)制,預(yù)防Abstract:In order to make munufacture systems efficiency and economica

2、lly,we develop automamation of manufacture systems within measure.And detailed study man-machine all-in-one. The system is at three levels on the integration of Interaction sensing and information level, control level and implementation level. Under their combination appropriately, they constitute a

3、 man-machine integration of the overall structure of manufacturing systems . In the design process, we address the human-machine integration of the operating mechanism and the relevant safety precautions, you can optimize the implementation of automated manufacturing systems.Key word: Automation of

4、manufacture systems, man-machine all-in-one, Sensing, control, implementation, integration human-computer operating mechanism, prevention1. 引言自動(dòng)化制造系統(tǒng),尤其是柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)的出現(xiàn)和大量使用,導(dǎo)致使用者與制造 系統(tǒng)之間的關(guān)系發(fā)生了根本的變化。 早期許多自動(dòng)化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者片面追求系統(tǒng)的自動(dòng) 化和無(wú)人化,反而降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,最終導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行失敗。沉痛的訓(xùn)迫使人們重新認(rèn)識(shí)人在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的重要地位和使用,而且提出發(fā)展 適度自動(dòng)

5、化的制造系統(tǒng)人機(jī)一體化的制造系統(tǒng)的概念。 近年來(lái)隨著全球制造業(yè)的快速發(fā) 展和向中國(guó)的轉(zhuǎn)移, 我國(guó)制造業(yè)迎來(lái)難得的發(fā)展機(jī)遇。 然而如何根據(jù)中國(guó)國(guó)情, 快速發(fā)展人 機(jī)一體化的制造系統(tǒng),是擺在我們面前的一個(gè)新課題。2. 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化的概述自從有了制造系統(tǒng),就有了人與制造系統(tǒng)的關(guān)系,無(wú)論制造系統(tǒng)的自動(dòng)化程度如何, 它終究是一種生產(chǎn)工具, 而掌握生產(chǎn)工具的是人而不是機(jī)器。 因此, 任何制造系統(tǒng)必定是一 個(gè)人機(jī)一體化的系統(tǒng)。為此,我們給出了人機(jī)一體化制造系統(tǒng)如下定義:“所謂人機(jī)一體化 制造系統(tǒng),就是人與具有適度自動(dòng)化水平的制造裝備和控制系統(tǒng)共同組成的一個(gè)完善系統(tǒng), 各自執(zhí)行自己最擅長(zhǎng)的工作,

6、人與機(jī)器(制造裝備共同決策、共同作業(yè),從而突破傳統(tǒng)自 動(dòng)化制造系統(tǒng)將人排除在外的舊格局,形成新一代人機(jī)有機(jī)結(jié)合的適度自動(dòng)化制造系統(tǒng)。 ” 在此處, 主要強(qiáng)調(diào)人在制造系統(tǒng)中的重要地位, 人機(jī)功能的最優(yōu)匹配, 以實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)經(jīng)濟(jì) 高效、安全可靠的運(yùn)行,使整個(gè)制造系統(tǒng)取得最優(yōu)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。3. 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化總體結(jié)構(gòu)3.1 感知層面上的人機(jī)聯(lián)合作用人機(jī)一體化制造系統(tǒng)感知層面人的五官感知系統(tǒng)和機(jī)器的信息顯示系統(tǒng)共同組成,一 方面由人感知外界對(duì)系統(tǒng)的輸入信息, 如被加工零件的工藝文件、 毛坯信息、 作業(yè)計(jì)劃指令 和機(jī)床參數(shù)等, 另一方面由機(jī)器通過(guò)傳感器感知制造系統(tǒng)內(nèi)外部的物理信息, 如機(jī)床

7、工作狀 態(tài)、排屑狀態(tài)、加工精度、環(huán)境溫度、照明、在制品暫存等,并由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)把這些信息 轉(zhuǎn)化為人能感知的形式, 由顯示形式傳達(dá)給人, 達(dá)到信息交互的目的, 用于人機(jī)間信息交互 的載體有文字、數(shù)碼、圖形、語(yǔ)音、聲光信號(hào)等。人機(jī)感知的聯(lián)合作用體現(xiàn)在:自動(dòng)化制造系統(tǒng)中機(jī)器系統(tǒng)可精確感知系統(tǒng)輸入信息, 環(huán)境信息, 人及機(jī)器本身的定量信息, 并可通過(guò)拓寬感知范圍感知人類(lèi)不能感知的信息 (如 微波、紅外、超聲波等 ;而人類(lèi)則利用自身創(chuàng)造性思維與模糊綜合判斷決策能力的優(yōu)勢(shì),對(duì)機(jī)器感知和決策出來(lái)的信息作一次綜合感知, 正確識(shí)別、 判斷自動(dòng)化制造系統(tǒng)所需要的正 確輸入信息與反饋信息。 (人類(lèi)感知與機(jī)器感知的比

8、較:表 1因此,通過(guò)人機(jī)聯(lián)合感知多維綜合信息,充分利用計(jì)算機(jī)視野廣闊、定量感知精確, 人對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象模糊定性感知和創(chuàng)造性思維、 預(yù)判能力強(qiáng)的特點(diǎn), 提高自動(dòng)化制造系統(tǒng)信息感 制的全面性、 可靠性和準(zhǔn)確性, 為系統(tǒng)智能定量控制提供支持, 從而提高整體系統(tǒng)的可控性, 改善系統(tǒng)的綜合性能。3.2 控制層面上采用人機(jī)共同決策在制造系統(tǒng)中,人主要從事形象思維,靈感思維等創(chuàng)造性思維活動(dòng),人的中樞神經(jīng)系 統(tǒng)通過(guò)對(duì)人、機(jī)、環(huán)境所感知信息的綜合處理、判斷和決策, 向人的肢體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)下達(dá)執(zhí)行 指令或向機(jī)器智能決策系統(tǒng)提供必要信息; 機(jī)器的智能決策系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器對(duì)人、 機(jī)、 環(huán)境感 知的綜合信息進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速計(jì)算和

9、嚴(yán)密的邏輯推理, 向人顯示運(yùn)算結(jié)果, 等候人的進(jìn) 一步指令; 或在特殊情況下自動(dòng)做出必要決策, 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)或執(zhí)行系統(tǒng)去執(zhí)行必要的操作 任務(wù)。 (人類(lèi)思維和機(jī)器思維的比較:表 2自動(dòng)化制造系統(tǒng)能根據(jù)加工任務(wù)信息進(jìn)行制造 過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真,并將加工仿真結(jié)果顯示給人,由人判斷該加工方法是否能達(dá)到加工要求, 若能達(dá)到, 則可按此方法加工直至達(dá)到要求為止這一過(guò)程就充分體現(xiàn)了人機(jī)聯(lián)合決策控制制 造系統(tǒng)工作的執(zhí)行效果?？刂茖用嫔系娜藱C(jī)聯(lián)合控制有三種控制策略如下:第一種為“機(jī)主人輔”控制策略。人在信息綜合分析、定性問(wèn)題處理、模糊控制以及 靈巧動(dòng)作的執(zhí)行等方面有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)器的能力。 所以, 制造系統(tǒng)在處理較復(fù)雜

10、的加工活動(dòng)時(shí), 特別是有機(jī)器處理非結(jié)構(gòu)化、 非線性化、 模糊性及隨機(jī)性強(qiáng)的事件時(shí), 往往都要得到人的幫 助。另外,在有些情況下,讓機(jī)器完成復(fù)雜控制活動(dòng)需付出巨大代價(jià),這是“機(jī)主人輔”的 控制策略就起著減少這種代價(jià)的作用。第二種為“人主機(jī)輔”控制策略。即由機(jī)器的智能決策系統(tǒng)來(lái)輔助人進(jìn)行控制,機(jī)器 完成人類(lèi)感知范圍以外的信息處理, 大規(guī)模數(shù)據(jù)定量處理及嚴(yán)密的快速邏輯推理等工作。 如 工藝仿真系統(tǒng), 將輔助人完成被加工零件的工藝方案的可視化、 動(dòng)態(tài)工程顯示和工藝方案的 優(yōu)化。第三種為“人機(jī)耦合”控制策略。在人機(jī)聯(lián)合控制的系統(tǒng)中,由于這樣或那樣的原因, 人或機(jī)器的單獨(dú)決策都可能出現(xiàn)失誤,因此, 人機(jī)耦

11、合控制, 可在人或機(jī)器出現(xiàn)失誤時(shí),系 統(tǒng)自動(dòng)切換到另一種控制方式, 兩者有機(jī)配合, 從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 如客運(yùn)飛 機(jī)的有人駕駛和無(wú)人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的配合就屬于這種情況。3.3 執(zhí)行層面上人機(jī)交互協(xié)作、取長(zhǎng)補(bǔ)短、充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)人在制造系統(tǒng)種主要從事靈巧性、協(xié)調(diào)性、創(chuàng)造性強(qiáng)的操作活動(dòng)(如發(fā)出指令、操作 控制臺(tái)、編寫(xiě)加工程序、機(jī)器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、維修以及意外時(shí)間的應(yīng)急處理等 ,而機(jī)器系統(tǒng)則 主要完成功率大、 定位精度高、 動(dòng)作頻率高或一些超出人能力范圍的操作活動(dòng), 如數(shù)控機(jī)床 的操作。但是,人在系統(tǒng)中應(yīng)該始終處于主導(dǎo)地位,應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮人在系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。 表 2 人類(lèi)思維和機(jī)器思維的比較 表

12、 3 人與機(jī)器執(zhí)行能力的比較 4.1 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化運(yùn)行機(jī)制在人機(jī)一體化制造系統(tǒng)中,特別強(qiáng)調(diào)人在系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用,以及人與機(jī)器系統(tǒng)的有 機(jī)配合,通過(guò)人機(jī)界面的設(shè)計(jì), 協(xié)調(diào)一致地工作。 因此, 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制是人體 一體化的集成模式。以 FMS 為例其運(yùn)行機(jī)制特點(diǎn)體現(xiàn)在:切削加工、生產(chǎn)調(diào)度、工件及刀 具貯運(yùn)、換刀、托盤(pán)交換、排屑等工作都由加工中心、機(jī)械手、托盤(pán)貯運(yùn)裝置、計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)等完成,人負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理、意外事故處理、維修、工件及刀具進(jìn)出站裝卸、 預(yù)調(diào)及安全巡視等工作。整個(gè) FMS 的運(yùn)行處在人的監(jiān)控狀態(tài)下進(jìn)行。因此,在自動(dòng)化制造 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中, 人的監(jiān)控

13、能力是設(shè)計(jì)自動(dòng)化制造系統(tǒng)時(shí)必須考慮的重要因素。 所謂人的 監(jiān)控能力, 是指一個(gè)人通過(guò)計(jì)算機(jī)能監(jiān)控多少臺(tái)加工中心和物流設(shè)備。 一個(gè)經(jīng)典的人機(jī)一體 化 FMS 運(yùn)行模式如圖 1所示。 4.2 自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的作業(yè)安全要求自動(dòng)化制造系統(tǒng)的安全性可采用以下措施來(lái)保障:系統(tǒng)管理軟件中應(yīng)有安全防護(hù)的 控制部分;采用電子、電氣和機(jī)械裝置連鎖防護(hù);在機(jī)器人、自動(dòng)裝夾設(shè)備、自動(dòng)更換 工件和道具設(shè)備的工作區(qū)外, 設(shè)置安全防護(hù)圍欄, 鋼絲罩等; 機(jī)器人和其它自動(dòng)運(yùn)送設(shè)備 的控制系統(tǒng)中, 應(yīng)設(shè)計(jì)有安全互鎖裝置, 防止停機(jī)檢修時(shí)的意外啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn); 在有危險(xiǎn)的 設(shè)備和運(yùn)動(dòng)部件上安全培訓(xùn), 對(duì)作業(yè)員工進(jìn)行安全作業(yè)的技術(shù)教

14、育和防護(hù)措施培訓(xùn), 使他們嚴(yán)格按照安全規(guī)程作業(yè)。4.3 自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的疲勞及事故預(yù)防4.3.1 監(jiān)控作業(yè)中的疲勞預(yù)防在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中,隨著自動(dòng)化程度的不斷提高,人的作業(yè)變得單調(diào)、乏味、監(jiān)控 任務(wù)減少。 單調(diào)作業(yè)和低負(fù)荷, 使人的監(jiān)控警覺(jué)性降低, 產(chǎn)生信號(hào)脫漏,并導(dǎo)致腦力疲勞產(chǎn) 生。處于這種狀態(tài)的人, 在自動(dòng)化制造系統(tǒng)的監(jiān)控活動(dòng)中,極易出現(xiàn)操作錯(cuò)誤或失誤, 甚至 引起嚴(yán)重事故。 可采取以下措施來(lái)避免:使操作內(nèi)容相當(dāng)復(fù)雜化; 定期變化工作內(nèi)容或 作業(yè)崗位;良好的作業(yè)環(huán)境。4.3.2 系統(tǒng)中的事故預(yù)防(一事故的物理?xiàng)l件因素:1. 作業(yè)者與機(jī)器功能分配不適當(dāng); 2. 工具、作業(yè)場(chǎng)所等設(shè)計(jì)失 誤;

15、 3. 缺少必要的安全裝置與防護(hù)裝置; 4. 物理環(huán)境對(duì)人造成的生理和心理壓力。(二事故的人為因素:1. 一方面是人的主觀行為因素 2. 另一方面是人的生理與心里客觀因 素。(三導(dǎo)致事故的人的行為因素:1. 訓(xùn)練和技巧,訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)不安全; 2. 記憶疏忽,全部忘 記或記憶錯(cuò)誤導(dǎo)致操作無(wú)效。(四導(dǎo)致事故的人的生理與心理因素:1. 性格; 2. 生理和生物節(jié)律; 3. 作業(yè)疲勞。5. 結(jié)論在新的時(shí)代來(lái)臨之際,人機(jī)一體化這一模式強(qiáng)調(diào)人與機(jī)器系統(tǒng)的最佳匹配,充分發(fā)揮 人在制造系統(tǒng)中的控制和管理作用, 并考慮制造系統(tǒng)與社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)環(huán)境和人力資源等更大范 圍的匹配,使自動(dòng)化制造系統(tǒng)的運(yùn)行取得最佳的綜合效益。參考文獻(xiàn)1張根寶 . 自動(dòng)化制造系統(tǒng) M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006Zhang Genbao.Automation of manufacture systems.M. Beijing:Mechanical In