高等機械工程學(xué) 課件 第5、6章 機械自動化系統(tǒng)、智能制造及應(yīng)用

高等機械工程學(xué)機械自動化系統(tǒng)第五章普通高等教育機械類系列教材5.1計算機控制技術(shù)機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制技術(shù)計算機控制是以控制理論和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的一門工程科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。隨著控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，以及工程技術(shù)人員對計算機應(yīng)用技術(shù)的不斷總結(jié)和創(chuàng)新，計算機控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計理論和方法不斷得以完善和發(fā)展，并成為從事自動化技術(shù)工作的科技人員必須掌握的一門專業(yè)技術(shù)。計算機

D/A轉(zhuǎn)換器e(k2)

數(shù)字控制器

2(kD!,

D/A

u(4)、保持器

()

|

執(zhí)行機構(gòu)

被控對象

采樣開關(guān)yi(0

A/D

轉(zhuǎn)換器r(kT)

y(kT)測量變送環(huán)節(jié)y(1)A/D圖5-1計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制技術(shù)1.穩(wěn)定性任何系統(tǒng)在擾動作用下都會偏離原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是指當(dāng)擾動作用消失以后，系統(tǒng)恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力。2.穩(wěn)態(tài)指標穩(wěn)態(tài)指標是衡量系統(tǒng)精度的指標，用穩(wěn)態(tài)誤差來表征。3.動態(tài)指標動態(tài)指標能夠比較直觀地反映系統(tǒng)的過渡過程特性4.綜合性能指標在設(shè)計最優(yōu)控制系統(tǒng)時，既要考慮到能對系統(tǒng)的性能做出正確的評價，又要考慮到數(shù)學(xué)上容易處理或工程上便于實現(xiàn)，因此經(jīng)常使用綜合性能指標來評價一個系統(tǒng)。機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制的理論基礎(chǔ)1.計算機控制系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換分析計算機運算和處理的是數(shù)字信號，而實際系統(tǒng)大部分是連續(xù)控制系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)中的給定量、反饋量及被控對象都是連續(xù)型的時間函數(shù)，把計算機引入連續(xù)控制系統(tǒng)，就造成了信息表示形式與運算形式的不同，為了分析與設(shè)計計算機控制系統(tǒng)，要對兩種信息進行變換。機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制的理論基礎(chǔ)圖5-2所示為計算機控制系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖。(1)模擬信號：時間上連續(xù)，幅值上也連續(xù)的信號，即通常所說的連續(xù)信號。(2)離散模擬信號：時間上離散，幅值上連續(xù)的信號，即常說的采樣信號。(3)數(shù)字信號：時間上離散，幅值上也離散的信號，可用一個序列數(shù)字表示。(4)量化：采用一組數(shù)碼(多用二進制數(shù)碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。(5)采樣：利用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號。圖5-2計算機控制系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制的理論基礎(chǔ)在計算機控制系統(tǒng)中，一個連續(xù)模擬信號經(jīng)采樣開關(guān)后，變成了采樣信號，即離散模擬信號，采樣信號再經(jīng)過量化過程才變成數(shù)字信號，如圖所示。算機控制系統(tǒng)中的計算機作為信息處理裝置，其輸出一般有兩種形式：一種是直接數(shù)字量輸出形式，即直接以數(shù)字量形式輸出，如開關(guān)控制、步進電動機控制等；另一種需要將數(shù)字信號u(kT)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號u(t),用輸出信號去控制被控對象。機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制的理論基礎(chǔ)4.z變換是由拉普拉斯變換引出的，是拉普拉斯變換的特殊形式，它在離散系統(tǒng)的分析及設(shè)計中發(fā)揮了重要作用.5.離散時間系統(tǒng)(簡稱離散系統(tǒng))是輸入和輸出信號均為離散信號的物理系統(tǒng)。在數(shù)學(xué)上，離散系統(tǒng)可以抽象為一種系統(tǒng)的離散輸入信號和離散輸出信號之間的數(shù)學(xué)變換函數(shù)或映射。機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制的理論基礎(chǔ)6.脈沖傳遞函數(shù)線性連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)特性主要用傳遞函數(shù)來描述，線性離散系統(tǒng)的動態(tài)特性主要用脈沖傳遞函數(shù)來描述。脈沖傳遞函數(shù)也稱為z傳遞函數(shù)。1)脈沖傳遞函數(shù)的定義在線性離散系統(tǒng)中，在零初始條件下，一個系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))輸出脈沖序列的z變換與輸入脈沖序列的z變換之比，被定義為該系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的脈沖傳遞函數(shù)。機械自動化系統(tǒng)5.1計算機控制的理論基礎(chǔ)2)由差分方程求脈沖傳遞函數(shù)W(z)設(shè)線性離散系統(tǒng)用下列差分方程來描述：y(k)+q?y(k-1)+a?y(k-2)+…+a,y(k-n)=bx(k)+bx(k-1)+…+bmx(k-m)(5-15)在零初始條件下，對式(5-15)等號兩邊取z變換可得該離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為3)離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是設(shè)計計算機控制系統(tǒng)首先要考慮的問題。分析穩(wěn)定性的基礎(chǔ)是z變換，由于z變換與連續(xù)系統(tǒng)的s變換在數(shù)學(xué)上的內(nèi)在聯(lián)系，我們有可能經(jīng)過一定的變換把分析連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法引入離散系統(tǒng)的分析中。連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件是閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的全部極點位于s平面的左半平面內(nèi)。機械自動化系統(tǒng)5.1數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計1.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟如圖所示的計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，G(s)是被控對象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器的傳遞函數(shù)，D(z)是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)?，F(xiàn)在的設(shè)計問題是，根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標和G(s)來設(shè)計數(shù)字控制器D(z)。2.數(shù)字PID控制器根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進行控制(簡稱PID控制),是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。機械自動化系統(tǒng)5.1數(shù)字控制器的離散化設(shè)計考慮信號采樣的影響，從被控對象的實際特性出發(fā)，直接根據(jù)采樣控制理論進行分析和綜合，在z平面上設(shè)計數(shù)字控制器，最后通過軟件編程實現(xiàn)。這種方法稱為數(shù)字控制器的離散化設(shè)計方法，也稱為數(shù)字控制器的直接設(shè)計法。機械自動化系統(tǒng)5.1數(shù)字控制器的離散化設(shè)計最少拍無紋波控制器的設(shè)計按最少拍有紋波系統(tǒng)設(shè)計的控制器，其系統(tǒng)的輸出值跟蹤輸入值后，在非采樣點有紋波存在。2設(shè)計最少拍無紋波控制器的必要條件最少拍無紋波控制器要求系統(tǒng)的輸出信號在采樣點之間不出現(xiàn)紋波，這樣被控對象G。(s)必須有能力給出與系統(tǒng)輸入r(t)相同且平滑的輸出y(t)。最少拍控制數(shù)字隨動控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制就是滿足這一要求的一種離散化設(shè)計方法。15.2自動控制系統(tǒng)的重要組成自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2有源電氣元件的建模理想運算放大器性質(zhì)(1)正極和負極之間的壓差為0,即e1=e?,通常叫作“虛地”或“虛短”。(2)流入正極和負極的電流為0,即輸入阻抗無限大。(3)輸出阻抗為0,即輸出被視為理想電壓源。(4)輸入、輸出關(guān)系為e=A(e1-e),其中增益A接近無窮大。圖5-13運算放大器原理圖自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2有源電氣元件的建模圖5-14反相運算放大器的配置反相運算放大器的配置如圖5-14所示。其中，Z?(s)和Z?(s)通常由電容或電阻組成，受體積和成本限制，電感在此類電路中并不常用。根據(jù)理想運算放大器的性質(zhì)，如圖5-14所示的電路的輸入、輸出關(guān)系或傳遞函數(shù)可以表示為自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動控制系統(tǒng)中的傳感器和編碼器傳感器和編碼器是反饋控制系統(tǒng)的重要組成部分。1.電位計電位計是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的機電換能裝置。電位計的輸入為機械位移(線性移動或旋轉(zhuǎn)),當(dāng)在電位器的固定端子上施加輸入電壓時，對應(yīng)的輸出電壓(可變端子和地之間)與輸入位移呈一定線性或非線性的關(guān)系。2.轉(zhuǎn)速計轉(zhuǎn)速計是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的機電裝置。該裝置主要用作電壓發(fā)生器，其輸出電壓與輸入軸的角速度大小成正比。在自動控制系統(tǒng)中，所使用的大部分轉(zhuǎn)速計均為直流變頻器，即輸出電壓是直流電壓。自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動控制系統(tǒng)中的傳感器和編碼器傳感器和編碼器是反饋控制系統(tǒng)的重要組成部分。3.增量編碼器增量編碼器在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中十分常用，它的功能是將線性或旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼或脈沖信號。絕對編碼器的輸出信號為數(shù)字信號，根據(jù)最小精度，絕對編碼器將每個確定的位移轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字編碼輸出。典型的旋轉(zhuǎn)增量編碼器有四個基本部分；光源、旋轉(zhuǎn)碼盤、固定碼盤和光電傳感器。自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動控制系統(tǒng)中的直流電動機直流電動機的基本工作原理直流電動機可視為將電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器。直流電動機轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與磁通量和電樞電流成正比。如圖5-23所示，在磁通量為φ的磁場中，有一個帶電導(dǎo)體，其以半徑r繞中心旋轉(zhuǎn)，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，與磁通量φ、電流i的關(guān)系為Tm=Kmdi?式中，π為直流電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(單位為N·m);φ為磁通量(單位為Wb);i為電樞電流(單位為A);Km為比例常數(shù)。自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動控制系統(tǒng)中的直流電動機永磁直流電動機的數(shù)學(xué)模型圖5-24所示為永磁直流電動機的等價電路圖。電樞可等價于電感L和電阻R的串聯(lián)電路，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，電樞中的反向電動勢用電壓源e來表示。永磁直流電動機的各個變量和參數(shù)定義如下。i(t)=電樞電流；L=電樞感應(yīng)系數(shù)；R?(t)=電樞電阻；e(1)=外加電壓；e(t)=反向電動勢；K,=反向電動勢常數(shù)；T()=載荷力矩；φ=磁通量；Tm(t)=電動機轉(zhuǎn)矩；m(t)=旋轉(zhuǎn)角速度；θm(t)=旋轉(zhuǎn)位移；Jm=旋轉(zhuǎn)慣量；K?=轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Bm=黏性摩擦系數(shù)。自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動機的速度控制及位置控制伺服機構(gòu)是最為常見的機電控制系統(tǒng)之一，一些典型的應(yīng)用包括機器人(機器人的每個關(guān)節(jié)都需要位置伺服機構(gòu))、數(shù)字控制器和激光打印機等。這些系統(tǒng)的共同特征是被控變量(通常是位置和速度變量)被反饋回來以修正指令信號。設(shè)計和實現(xiàn)一個成功的控制器的關(guān)鍵因素之一就是獲得系統(tǒng)組成元件(特別是執(zhí)行器)的精確模型。在前面的章節(jié)中我們討論了各種與直流電動機建模相關(guān)的問題，本節(jié)將研究直流電動機的速度控制及位置控制。自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動機的速度控制及位置控制速度響應(yīng)、自感效應(yīng)和擾動：開環(huán)響應(yīng)圖5-26所示為電樞控制直流電動機。在這個系統(tǒng)中，將場電流視為常量，傳感器為轉(zhuǎn)速計，用于測量電動機軸速度。根據(jù)具體的應(yīng)用，如位置控制系統(tǒng)，電位計或編碼器也可作為傳感器。圖5-26電樞控制直流電動機自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動機的速度控制及位置控制2.直流電動機的速度控制：閉環(huán)響應(yīng)直流電動機的輸出速度在很大程度上依賴于轉(zhuǎn)矩π,因此可以通過比例反饋控制器來改進電動機的速度控制性能。該控制器由一個測量速度的傳感器(通常用轉(zhuǎn)速計)和增益為K的功率放大器(比例控制)構(gòu)成，其配置如圖5-29所示。直流電動機的速度控制框圖如圖5-30所示。圖5-29直流電動機的反饋控制圖5-30直流電動機的速度控制框圖自動控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動機的速度控制及位置控制3.位置控制在開環(huán)情況下，對速度響應(yīng)進行積分可以獲得位置響應(yīng)，故開環(huán)傳遞函數(shù)為式中，J=J?/n2+Jm,為總慣量。對于足夠小的L,時間響應(yīng)為圖5-31閉環(huán)系統(tǒng)的控制框圖5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述1.伺服系統(tǒng)的工作原理和特點圖5-32所示為液壓進口節(jié)流閥式節(jié)流調(diào)速回路。在這種回路中，調(diào)定節(jié)流閥的開口量后，液壓缸就以某一調(diào)定速度運動。當(dāng)負載、油溫等參數(shù)發(fā)生變化時，這種回路將無法保證原有的運動速度，因此其速度精度較低且不能滿足精確地連續(xù)無級調(diào)速要求。1—液壓泵；2一溢流閥；3—節(jié)流閥；4一換向閥；5—液壓缸。圖5-32液壓進口節(jié)流閥式節(jié)流調(diào)速回路液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述2.伺服系統(tǒng)的職能框圖和組成環(huán)節(jié)圖5-35所示為速度伺服系統(tǒng)的職能框圖。其中，一個方框表示一個元件，方框中的文字表明該元件的職能。帶有箭頭的線段表示元件之間的相互作用，即系統(tǒng)中信號的傳遞方向。圖5-35速度伺服系統(tǒng)的職能框圖由圖5-36可以看出，上述速度伺服系統(tǒng)是由輸入元件、比較元件、放大及轉(zhuǎn)換元件、執(zhí)行元件、檢測及反饋元件和控制對象組成的。實際上，任何一個伺服系統(tǒng)都是由這些元件組成的。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述3.伺服系統(tǒng)的分類與優(yōu)缺點1)伺服系統(tǒng)的分類(1)按輸入信號變化規(guī)律伺服系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)三類。(2)按輸入信號介質(zhì)伺服系統(tǒng)可分為機液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、氣液伺服系統(tǒng)等。(3)按輸出物理量伺服系統(tǒng)可分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力(或壓力)伺服系統(tǒng)等。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述3.伺服系統(tǒng)的分類與優(yōu)缺點2)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點液壓和氣壓伺服系統(tǒng)除具有液壓和氣壓傳動所固有的一系列優(yōu)點以外，還具有控制精度高、響應(yīng)速度快、自動化程度高等優(yōu)點。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件力矩馬達和力馬達力矩馬達是一種具有旋轉(zhuǎn)運動功能的電一機械轉(zhuǎn)換器，力馬達是一種具有直線運動功能的電一機械轉(zhuǎn)換器。它們在閥中的作用是將電控信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角(力矩馬達)或直線位移(力馬達),用來作為液壓放大器的輸入信號。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件滑閥根據(jù)滑閥控制邊數(shù)(起控制作用的閥口數(shù))的不同，滑閥有單邊控制滑閥、雙邊控制滑閥和四邊控制滑閥三種類型。圖5-39單邊控制滑閥的工作原理圖5-40雙邊控制滑閥的工作原理圖5-41四邊控制滑閥的工作原理液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件滑閥單邊、雙邊和四邊控制滑閥的控制作用是相同的，均起到換向和調(diào)節(jié)的作用?？刂七厰?shù)越多，控制質(zhì)量越好，但結(jié)構(gòu)工藝性越差。在通常情況下，四邊控制滑閥多用于對精度要求較高的系統(tǒng)；單邊、雙邊控制滑閥多用于一般精度要求系統(tǒng)。四邊控制滑閥在初始平衡狀態(tài)下的開口有三種形式，即負開口(x?<0)、零開口(x=0)和正開口(x>0)。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件射流管閥射流管閥的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠。它的缺點是射流管運動部件慣性較大、工作性能較差；射流能量損耗大、效率較低；當(dāng)供油壓力過高時易引起振動。射流管閥控制只適用于低壓、小功率場合。圖5-43射流管閥的工作原理液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3伺服閥液控伺服閥是電液或電氣聯(lián)合控制的多級伺服控制元件，它能將微弱的電氣輸入信號放大成大功率的液壓或氣壓能量輸出，以實現(xiàn)對流量和壓力的控制。它接收一種模擬量電控信號，輸出隨電控信號的大小及極性變化而變化的液壓模擬量。液控伺服閥具有控制精度高和放大倍數(shù)大等優(yōu)點，在液壓與氣壓控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3伺服閥液控伺服閥的分類、組成、結(jié)構(gòu)和工作原理1)液控伺服閥的分類2)液控伺服閥的組成液控伺服閥通常由電一機械轉(zhuǎn)換器(力矩馬達或力馬達)、液壓放大器和反饋或平衡機構(gòu)三大部分組成。2)液控伺服閥的組成液控伺服閥通常由電一機械轉(zhuǎn)換器(力矩馬達或力馬達)、液壓放大器和反饋或平衡機構(gòu)三大部分組成。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3伺服閥2.液控伺服閥的選用液控伺服閥的控制精度高、響應(yīng)速度快，所以在航空、冶金、機械、船舶和化工等工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。它常用于實現(xiàn)位置、速度、加速度和力的控制。3.氣壓伺服閥氣壓控制系統(tǒng)除有用氣壓伺服閥控制的氣壓伺服系統(tǒng)以外，還有用比例閥控制的氣壓比例控制系統(tǒng)，比例閥結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便，是介于普通的開關(guān)式控制閥和氣壓伺服閥之間的控制元件。5.4典型的伺服系統(tǒng)典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)1.車床液壓仿形刀架車床液壓仿形刀架是機液伺服系統(tǒng)。刀架傾斜地安裝在溜板上，工作時隨溜板縱向移動。樣板安裝在機床身后側(cè)支架上固定不動。液壓泵置于車床附近。液壓缸的活塞桿固定在刀架的底座上，缸體、閥體和刀架連成一體，可在刀架底座的導(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動?；y閥芯在彈簧的作用下通過支桿使杠桿的觸銷緊壓在樣板上。圖5-52車床液壓仿形刀架的原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)2.機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)一般機械手的伸縮、回轉(zhuǎn)、升降和手腕的動作，都是由液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，其工作原理相同。該系統(tǒng)主要由電液伺服閥、液壓缸、由活塞桿帶動的機械手手臂、齒輪齒條機構(gòu)、電位器、步進電動機和放大器組成，是電液位置伺服系統(tǒng)。圖5-54機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)3.帶鋼液壓張力伺服系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要求控制帶鋼的張力(如在熱處理爐內(nèi)進行熱處理時),因此對薄帶材的連續(xù)生產(chǎn)提出了高精度、恒張力控制要求。圖5-56帶鋼液壓張力伺服系統(tǒng)原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)4.電液速度伺服系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要求控制帶鋼的張力(如在熱處理爐內(nèi)進行熱處理時),因此對薄帶材的連續(xù)生產(chǎn)提出了高精度、恒張力控制要求。圖5-58電液速度伺服系統(tǒng)原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4氣壓伺服系統(tǒng)力控制伺服系統(tǒng)壓比例/伺服系統(tǒng)非常適用于汽車部件、橡膠制品、軸承及鍵盤等產(chǎn)品的中、小型疲勞試驗機。該試驗機主要由被試件(方向盤)、負載傳感器、氣缸、位移傳感器、伺服閥等組成。要求向被試件(方向盤)的軸向、徑向和螺旋方向單獨或復(fù)合(兩軸同時)地施加呈正弦波變化的負載，然后檢測其壽命。典型的伺服系統(tǒng)5.4氣壓伺服系統(tǒng)張力控制伺服系統(tǒng)在印刷、紡織、造紙等許多工業(yè)領(lǐng)域中，張力控制是不可缺少的工藝手段。帶材或板材(如紙張、膠片、電線、金屬薄板等)的卷繞機，在卷繞過程中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，都要求卷筒張力保持一定。氣壓制動器因為具有價廉、維修簡單、制動力矩范圍變更方便等特點，所以在各種卷繞機中得到了廣泛的應(yīng)用。典型的伺服系統(tǒng)5.4氣壓伺服系統(tǒng)加壓控制伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由比例壓力閥、氣缸、夾具、磨石和減壓閥等組成，其中減壓閥的作用是向氣缸有桿腔加恒壓，以平衡活塞桿和夾具機構(gòu)的自重。圖5-62磨床中的加壓控制伺服系統(tǒng)45.5機械自動化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動器機械自動化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動器5.5磁盤可以方便、有效地存儲信息。磁盤驅(qū)動器采用ANSI標準，廣泛應(yīng)用于從便攜式計算機到大型計算機等各類計算機中。全球磁盤驅(qū)動器的市場需求量超過5.5億套，磁盤驅(qū)動器設(shè)計師以往關(guān)注的焦點是存儲容量和讀取速度。近年來的變化趨勢表明，數(shù)據(jù)存儲密度的增長速度達到了大約每年40%。圖5-63所示為磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5-63磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖機械自動化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動器5.5磁盤驅(qū)動器讀取裝置的設(shè)計目標是準確定位磁頭，以便正確讀取磁盤磁道上的信息。需要實施精確控制的受控變量是磁頭(安裝在一個滑動簧片上)的位置。磁盤的旋轉(zhuǎn)速度為1800～7200rad/min,磁頭在磁盤上方不到100nm的地方“飛行”,位置精度指標初步定為1μm。如果有可能，還要做進一步要求，磁頭由磁道a移動到磁道b的時間不超過50ms。圖5-63磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖機械自動化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動器5.5磁盤驅(qū)動器控制系統(tǒng)的基本設(shè)計目標：盡可能地將磁頭精確定位于指定的磁道，并且磁頭在兩個磁道之間移動所需的時間不超過50ms。針對這個系統(tǒng)，本節(jié)首先確定受控對象、傳感器和控制器，然后建立受控對象和傳感器的數(shù)學(xué)模型。磁盤驅(qū)動器控制系統(tǒng)用永磁直流電機來驅(qū)動磁頭臂轉(zhuǎn)動(見圖5-65)。磁盤驅(qū)動器制造者稱這種電機為音圈電機。磁頭安裝在一個與磁頭臂相連的簧片上，由彈性金屬制成的簧片能夠保證磁頭以小于100nm的間隙懸浮在磁盤之上。磁頭讀取磁盤上各點處的磁通量，并將信號提供給放大器。圖5-64磁盤驅(qū)動器磁頭的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖5-65磁頭安裝結(jié)構(gòu)圖機械自動化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動器5.5在讀取磁盤上預(yù)存的索引磁道時，磁頭將生成偏差信號，如圖5-66(a)所示。假定磁頭足夠精確，可以如圖5-66(b)所示，將傳感器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)取為H(s)=1。同時，用電樞控制式直流電機模型作為永磁直流電機的模型，并令K=0,這是一個具有足夠精度的近似模型。表5-2所示為磁盤驅(qū)動器控制系統(tǒng)的一些典型參數(shù)。圖5-66磁盤驅(qū)動器控制系統(tǒng)框圖模型機械自動化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動器5.5機械自動化，顧名思義就是指在進行機械制造時，結(jié)合自動化技術(shù)，使工程在運行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動且不間斷地生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)不同，機械自動化技術(shù)優(yōu)化了傳統(tǒng)機械制造技術(shù)的制造過程，減少了許多人力的投入和使用。本章面向機械自動化系統(tǒng)的核心技術(shù)，首先介紹了計算機控制系統(tǒng)的基本概念、組成結(jié)構(gòu)、信號轉(zhuǎn)換原理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及數(shù)字控制器的設(shè)計方法，對計算機控制系統(tǒng)涉及的各方面技術(shù)進行了較全面的闡述。其次在此基礎(chǔ)上進一步介紹了機械自動化系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的電機伺服系統(tǒng)、液壓與氣壓伺服系統(tǒng)的基本組成和工作原理，以及典型應(yīng)用。最后以磁盤驅(qū)動器為例，介紹了機械自動化系統(tǒng)在實際工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。感謝觀看，再見！高等機械工程學(xué)普通高等教育機械類系列教材高等機械工程學(xué)智能制造及應(yīng)用第六章普通高等教育機械類系列教材6.1智能制造技術(shù)智能制造技術(shù)6.1智能制造技術(shù)的含義回顧每一次工業(yè)革命，人類社會的發(fā)展都離不開科學(xué)技術(shù)的進步，而在智能制造技術(shù)不斷發(fā)展的今天，世界工業(yè)正面臨著一場新的產(chǎn)業(yè)升級與變革，智能制造技術(shù)也將成為第四次工業(yè)革命的核心推動力量。智能制造系統(tǒng)的主要特征包括以下四個方面。自我感知、自適應(yīng)和優(yōu)化、自我診斷和維護、自主規(guī)劃和決策智能制造技術(shù)6.1智能制造技術(shù)的含義1)自我感知，是指智能制造系統(tǒng)通過傳感器獲取所需信息，并對自身狀態(tài)與環(huán)境變化進行感知，自動識別與數(shù)據(jù)通信是實現(xiàn)自我感知的重要基礎(chǔ)。(2)自適應(yīng)和優(yōu)化，是指智能制造系統(tǒng)根據(jù)感知到的信息對自身運行模式進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)處于最優(yōu)或較優(yōu)的狀態(tài)，實現(xiàn)對復(fù)雜任務(wù)不同工況的智能適應(yīng)。(3)自我診斷和維護，是指智能制造系統(tǒng)在運行過程中，能夠?qū)ψ陨砉收虾褪栴}做出自我診斷，并能通過優(yōu)化調(diào)整保證系統(tǒng)可以正常運行。(4)自主規(guī)劃和決策，是指智能制造系統(tǒng)在無人于預(yù)的條件下，基于感知到的信息，進行自主的規(guī)劃計算，給出合理的決策指令，并控制執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作，實現(xiàn)復(fù)雜的智能行為。智能制造技術(shù)6.1國內(nèi)外智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在2008年全球金融危機之后，世界各國均將智能制造作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的目標，紛紛做出戰(zhàn)略部署，而智能制造裝備作為智能制造的核心載體，已成為競爭的焦點。美國將“制造業(yè)復(fù)興”和“再工業(yè)化”戰(zhàn)略作為制造業(yè)發(fā)展的重要途徑，頒布了《重振美國制造業(yè)政策框架》《先進制造伙伴計劃》《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》等綱領(lǐng)性文件和一系列戰(zhàn)略性措施，并已投入超過20億美元，研究智能制造及相關(guān)的高、精、尖技術(shù)，希望通過制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，在智能制造領(lǐng)域保持美國制造業(yè)和制造技術(shù)的全球領(lǐng)先地位。在全球制造業(yè)智能化的發(fā)展大趨勢下，歐盟也推出了相應(yīng)的戰(zhàn)略計劃。歐盟在整合各成員國工業(yè)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，推出了“數(shù)字化歐洲工業(yè)”計劃，旨在通過智能制造推進歐洲工業(yè)的數(shù)字化進程。智能制造技術(shù)6.1國內(nèi)外智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀改革開放后經(jīng)過40多年的快速發(fā)展，我國的裝備制造業(yè)系統(tǒng)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈已逐漸完善，在規(guī)模和水平上都有了長足的進步，已成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，為工業(yè)和國防建設(shè)做出了十分重要的貢獻。我國智能制造裝備的發(fā)展起步較晚，國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)數(shù)量較少，競爭力不足，目前十分缺乏有競爭力的骨干企業(yè)。同時，大部分企業(yè)集中于單純的制造生產(chǎn)，在維修改造、備件供應(yīng)、設(shè)備租賃、再制造等方面的增值服務(wù)能力較為欠缺。此外，大部分優(yōu)秀企業(yè)目前只能在國內(nèi)進行競爭，尚未進入國際市場。智能制造技術(shù)6.1智能制造的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)智能制造裝備是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的高度集成，也是智能制造產(chǎn)業(yè)的核心載體。典型的智能使能技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、機器學(xué)習(xí)、智能傳感、互聯(lián)互通與遠程運維等。圖6-2智能制造系統(tǒng)的組成示意圖智能制造技術(shù)6.1智能制造的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)如圖6-2所示，從下到上分為五層：第一層為不同功能的智能制造裝備，如智能機床、智能機器人及智能測量儀；第二層由多臺智能制造裝備組成了數(shù)字化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了各智能制造裝備的連接；第三層進一步由多條數(shù)字化生產(chǎn)線組成了數(shù)字化車間，實現(xiàn)了各數(shù)字化生產(chǎn)線的連接；圖6-2智能制造系統(tǒng)的組成示意圖智能制造技術(shù)6.1智能制造的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)第四層由多個數(shù)字化車間組成了智能工廠，實現(xiàn)了各數(shù)字化車間的連接；第五層為應(yīng)用層，由物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、遠程運維等智能使能技術(shù)組成，為各級智能制造系統(tǒng)提供技術(shù)支撐與服務(wù)，而互聯(lián)互通廣泛存在于各級智能制造系統(tǒng)間，智能傳感主要存在于智能制造裝備與傳感器間。圖6-2智能制造系統(tǒng)的組成示意圖智能制造技術(shù)6.1物聯(lián)網(wǎng)麻省理工學(xué)院的Ashton教授最先提出物聯(lián)網(wǎng)的概念，其理念是基于射頻識別(RFID)、電子產(chǎn)品代碼(EPC)等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過信息傳感技術(shù)把所有的物品連接起來，構(gòu)造一個實現(xiàn)物品信息實時共享的智能化網(wǎng)絡(luò)，即物聯(lián)網(wǎng)。目前，存在很多與物聯(lián)網(wǎng)并存的術(shù)語，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、泛在網(wǎng)絡(luò)等。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和泛在網(wǎng)絡(luò)的概念和特征可得出三者之間的關(guān)系，如圖6-3所示。圖6-3物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和泛在網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系智能制造技術(shù)6.1物聯(lián)網(wǎng)目前，對于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)架，國際電信聯(lián)盟給出了公認的三個層次，從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖所示。1)感知層物聯(lián)網(wǎng)的感知層主要完成物理世界中信息的采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與收集,主要由各種傳感器(或控制器)和短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。2)網(wǎng)絡(luò)層物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層主要完成信息的傳遞和處理，由接入單元和接入網(wǎng)絡(luò)組成。3)應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，主要任務(wù)是對物理世界的數(shù)據(jù)進行處理、分析和決策，主要包括物聯(lián)網(wǎng)中間件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。智能制造技術(shù)6.1物聯(lián)網(wǎng)(1)RFID技術(shù)。RFID技術(shù)是一種高級的非接觸式自動識別技術(shù)，通過無線射頻的方式識別目標對象和獲取數(shù)據(jù)，可以在各種惡劣環(huán)境下工作，識別過程無須人工干預(yù)。(2)傳感技術(shù)。傳感技術(shù)是指從物理世界獲取信息，并對所獲取的信息進行處理和識別的技術(shù)，其在物聯(lián)網(wǎng)中的主要功能是對物理世界進行信息的采集和處理，涉及傳感器、信息處理和識別。3)智能技術(shù)。智能技術(shù)是指通過在物體中嵌入智能系統(tǒng)，使物體具備一定的智能，能夠和用戶實現(xiàn)溝通，從而進行信息交換。(4)納米技術(shù)。納米技術(shù)是在0.1～100nm微尺度上的一類高新技術(shù)。國際電信聯(lián)盟的報告指出，RFID技術(shù)、傳感技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的四個關(guān)鍵性技術(shù)，其中RFID技術(shù)被稱為四大關(guān)鍵性技術(shù)之首，是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)。智能制造技術(shù)6.1大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)是指存儲在各種介質(zhì)中大規(guī)模的各種形態(tài)的數(shù)據(jù)，對各種存儲介質(zhì)中的海量信息進行獲取、存儲、管理、分析、控制而得到的數(shù)據(jù)便是大數(shù)據(jù)。IBM公司提出了大數(shù)據(jù)的5V特點，即Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)、Val(低價值密度)、Veracity(真實性)。大數(shù)據(jù)的架構(gòu)在邏輯上主要分為四層，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲和管理層、數(shù)據(jù)分析層及數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如圖所示。智能制造技術(shù)6.1云計算云計算的概念自被提出以來，尚未出現(xiàn)一個統(tǒng)一的定義。綜合不同文獻資料對云計算的定義，可以認為云計算是一種分布式的計算系統(tǒng)，其具有兩個主要特點：第一，其計算資源是虛擬的資源池，將大量的計算資源池化，與之前的單個計算資源或多個計算資源不同，形成了大型的資源池，并將其中一部分以虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施、平臺、應(yīng)用等方式提供給用戶；第二，計算能力可以有彈性地、快速地根據(jù)用戶的需求增加或減少，當(dāng)用戶對計算能力的需求有變化時，可以快速地獲得或退還計算資源，為用戶節(jié)約了成本，同時也使資源池的利用效率大大提高。智能制造技術(shù)6.1云計算圖6-7計算模式演化云計算服務(wù)的最高層是軟件即服務(wù)，云計算提供商完成全部工作，用戶直接付費就可以使用軟件。軟件即服務(wù)適用于不關(guān)心背后原理邏輯，需要直接使用軟件的用戶。智能制造技術(shù)6.1機器學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)的基本實現(xiàn)方式可描述為，將具象的概念映射為數(shù)據(jù)，同目標事物的觀測數(shù)據(jù)一起組成原始樣本集，計算機根據(jù)某種規(guī)則對原始樣本集進行特征提取，形成特征樣本集，通過預(yù)處理過程將特征樣本集拆分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集，再調(diào)用合適的機器學(xué)習(xí)算法，對其進行訓(xùn)練擬合并測試、改良評價函數(shù)，即可用評價函數(shù)對未來的觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)測或評價。圖6-9機器學(xué)習(xí)的基本流程智能制造技術(shù)6.1機器學(xué)習(xí)(1)按照學(xué)習(xí)態(tài)度和靈感來源，可將機器學(xué)習(xí)分為符號主義、聯(lián)結(jié)主義、進化主義、貝葉斯主義和類推主義等。(2)按照學(xué)習(xí)模式和樣本結(jié)構(gòu)，可將機器學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)等。(3)按照學(xué)習(xí)方法和模型復(fù)雜度，可將機器學(xué)習(xí)分為傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。(4)其他學(xué)習(xí)算法以改良、優(yōu)化的方式，提升或補充上述算法的應(yīng)用效果，其本身無法直接輸出預(yù)測函數(shù)，常見算法包括遷移學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)、集成學(xué)習(xí)和演化學(xué)習(xí)等。智能制造技術(shù)6.1智能傳感智能傳感主要是指利用壓電技術(shù)、熱式傳感技術(shù)、微流控BioMEMS技術(shù)、磁傳感技術(shù)和柔性傳感技術(shù)等將待感知、待控制的參數(shù)量化，并集成應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，具有信息感知、信息診斷、信息交互的能力。智能傳感將傳感器、微處理器和執(zhí)行器三者融合至同一系統(tǒng)中，先對輸入信號完成檢測、處理、記憶等過程，再將調(diào)理好的信號發(fā)送到執(zhí)行器或控制系統(tǒng)，其原理框架如圖6-12所示。圖6-12智能傳感的原理框架智能制造技術(shù)6.1智能傳感智能傳感技術(shù)的優(yōu)勢(1)信息診斷與自補償。智能傳感技術(shù)利用微處理器中的診斷算法對傳感器的輸出進行檢驗，通過讀取的診斷信息確定測量精度變化，具有信息診斷的能力。此外，智能傳感技術(shù)還可以通過軟件計算自動補償線性、非線性和漂移及環(huán)境影響等因素帶來的誤差，實現(xiàn)自補償?shù)墓δ堋?2)信息存儲。智能傳感器可以內(nèi)置存儲空間，用于存儲功能程序、數(shù)據(jù)及參數(shù)等信息，從而大大緩解控制系統(tǒng)的存儲壓力。(3)自學(xué)習(xí)。利用微處理器中的編程算法，可以使智能傳感具有自學(xué)習(xí)功能。例如，在操作過程中學(xué)習(xí)特定采樣值，基于近似和迭代算法自主感知被測量。(4)數(shù)字化輸出。傳統(tǒng)的模擬輸出需要通過A/D轉(zhuǎn)換后才可以進行數(shù)字處理，而智能傳感技術(shù)集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，無須二次處理即可直接輸出數(shù)字信號，緩解了信號處理的壓力。智能制造技術(shù)6.1互聯(lián)互通互聯(lián)互通是指通過有線、無線等通信技術(shù)，實現(xiàn)裝備之間、裝備與控制系統(tǒng)之間、企業(yè)之間的相互連接及信息交換。國際電工委員會(IEC)在其技術(shù)報告中對互聯(lián)互通的層級進行了定義，如圖6-13所示。圖6-13IEC對互聯(lián)互通層級的定義互聯(lián)互通作為智能制造的重要使能技術(shù)，在智能制造的各方面均起著重要的作用?；ヂ?lián)互通應(yīng)用常見于由數(shù)控機床和上、下料機器人組成的柔性生產(chǎn)線。數(shù)控機床與機器人之間，或者數(shù)控機床/機器人與上層管控系統(tǒng)之間，通過互聯(lián)互通相互獲取數(shù)據(jù)、狀態(tài)和指令，通過解析相關(guān)信息完成生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)節(jié)拍的配合，共同完成工作?；ヂ?lián)互通在數(shù)字孿生中同樣起著重要作用。智能制造技術(shù)6.1互聯(lián)互通數(shù)字孿生是指以數(shù)字化的方式建立物理實體多維、多時空尺度、多學(xué)科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫實體在環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等。數(shù)字孿生也能用于診斷、監(jiān)控、預(yù)防和資產(chǎn)預(yù)測性維護的有效調(diào)度?；ヂ?lián)互通中的信息模型技術(shù)通過對數(shù)字孿生各種屬性信息建模的方式實現(xiàn)信息標準化，為信息在物理世界層和虛擬世界層的順利流通提供保障。智能制造技術(shù)6.1遠程運維遠程運維主要是指利用云計算技術(shù)、智能網(wǎng)關(guān)硬件、通信技術(shù)、VPN技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)等對工業(yè)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)設(shè)備遠程監(jiān)控，故障、警報的實時分析和通知，遠程故障診斷，程序升級，設(shè)備維保管理，設(shè)備預(yù)防性維護，以及工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘等功能。遠程運維的核心是通信網(wǎng)絡(luò)、中央數(shù)據(jù)庫、運維流程及監(jiān)測系統(tǒng)。遠程運維的主要功能模塊包括以下幾個：(1)狀態(tài)信息采集模塊(2)健康評估模塊(3)故障模式識別及預(yù)測性維護模塊智能制造技術(shù)6.1遠程運維遠程運維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)如圖6-19所示，包含采集層、數(shù)據(jù)訪問層、邏輯層和應(yīng)用層。圖6-19遠程運維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)智能制造技術(shù)6.1遠程運維數(shù)據(jù)采集平臺可接收來自設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)，也可通過通信網(wǎng)絡(luò)或其他數(shù)據(jù)采集器接口采集其他平臺的數(shù)據(jù)，對數(shù)控設(shè)備的運行狀態(tài)進行在線連續(xù)采集和存儲。數(shù)據(jù)采集平臺每天采集大量的數(shù)據(jù)，涉及設(shè)備生產(chǎn)基本信息、運維信息服務(wù)反饋等。圖6-19遠程運維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)智能制造技術(shù)6.1遠程運維數(shù)據(jù)訪問層對數(shù)據(jù)信息進行歸檔，以保證數(shù)據(jù)的完整性、安全性和統(tǒng)一性，為上層數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。圖6-19遠程運維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)智能制造技術(shù)6.1遠程運維邏輯層包含遠程運維系統(tǒng)的各個模塊，如運維系統(tǒng)協(xié)助模塊、運維系統(tǒng)決策模塊等，調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層的數(shù)據(jù)服務(wù)，對數(shù)控設(shè)備進行健康狀態(tài)評估和故障診斷。通過對設(shè)備的故障類型和程度進行判斷，對設(shè)備的維修計劃、維修時間、維修方案等做出決策。應(yīng)用層主要包含波形管理、遠程協(xié)助、即時通信、系統(tǒng)設(shè)置等具體應(yīng)用，并為云平臺管理系統(tǒng)的用戶提供操作界面。圖6-19遠程運維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)6.2智能制造系統(tǒng)智能制造系統(tǒng)6.2智能制造系統(tǒng)是一個“大系統(tǒng)”,貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)，也是一個“大概念”,是制造技術(shù)與新一代人工智能技術(shù)的高度融合。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)，它在制造過程中能以一種高度柔性與集成不高的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，從而取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，同時收集、存儲、完善、共享、集成和發(fā)展人類專家的智能。與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比，智能制造系統(tǒng)一般應(yīng)具有如下幾個方面的特征。智能制造系統(tǒng)6.2智能機床系統(tǒng)智能機床可看作數(shù)控機床發(fā)展的高級形態(tài)，它融合了先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)，具有自我感知和預(yù)估自身狀態(tài)的能力，其主要技術(shù)特征包括利用歷史數(shù)據(jù)估算設(shè)備關(guān)鍵零部件的使用壽命；感知自身加工狀態(tài)和環(huán)境的變化，診斷故障并給出修正指令；對所加工工件的質(zhì)量進行智能化評估；基于各種功能模塊，實現(xiàn)多種加工工藝，提高加工效能，降低對資源和能源的消耗。1.自主感知與連接2.自主學(xué)習(xí)與建模3.自主優(yōu)化與決策4.自主控制與執(zhí)行智能制造系統(tǒng)6.2智能生產(chǎn)線系統(tǒng)智能生產(chǎn)線是在流水線的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。智能生產(chǎn)線系統(tǒng)是通過工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，將一組數(shù)控機床和輔助設(shè)備按照工藝順序連接起來，自動完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)。智能車削生產(chǎn)線的設(shè)計涉及智能車削生產(chǎn)線總體布局、數(shù)字化工廠與車間的建設(shè)規(guī)劃和智能生產(chǎn)線的系統(tǒng)集成等方面的內(nèi)容。智能制造系統(tǒng)6.2智能生產(chǎn)線系統(tǒng)智能制造融合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)等先進技術(shù)，大量傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置等智能設(shè)備在車間投入使用，通過智能感知、人機交互等手段，采集了車間生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涉及產(chǎn)品需求設(shè)計、原材料采購、生產(chǎn)制造、倉儲物流、銷售售后等環(huán)節(jié)，包括傳感器、數(shù)控機床、MES、ERP等相關(guān)信息化應(yīng)用。圖6-23智能車間系統(tǒng)的基本架構(gòu)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)智能機床可看作數(shù)控機床發(fā)展的高級形態(tài)，它融合了先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)，具有自我感知和預(yù)估自身狀態(tài)的能力，其主要技術(shù)特征包括利用歷史數(shù)據(jù)估算設(shè)備關(guān)鍵零部件的使用壽命；感知自身加工狀態(tài)和環(huán)境的變化，診斷故障并給出修正指令；對所加工工件的質(zhì)量進行智能化評估；基于各種功能模塊，實現(xiàn)多種加工工藝，提高加工效能，降低對資源和能源的消耗。1.自主感知與連接2.自主學(xué)習(xí)與建模3.自主優(yōu)化與決策自主控制與執(zhí)行工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)傳感器傳感器在工業(yè)化和物聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)揮著重要作用，如航空航天、智能裝備、智能工廠、工業(yè)自動化等領(lǐng)域的發(fā)展都離不開各類傳感器。對于工業(yè)大數(shù)據(jù)來說，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)就是由用各種各樣的傳感器采集的數(shù)據(jù)組成的。傳感器是一種能夠檢測出外界的物理量、化學(xué)量、生物量等信息，并能將其轉(zhuǎn)換為模擬量或數(shù)字量等電信號，然后通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸和存儲的器件或裝置。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、調(diào)理電路三部分組成。工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)單點采集技術(shù)工業(yè)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括單點采集技術(shù)和組合采集技術(shù)，基于傳感器的單點采集技術(shù)在機械制造及其相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。單點采集技術(shù)是工業(yè)大數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，可以理解為對數(shù)據(jù)采集裝置與感應(yīng)裝置(如數(shù)控機床、測量儀、各類傳感器等)建立單通道的連接，并將感應(yīng)裝置中產(chǎn)生的某項數(shù)據(jù)采集出來，對其進行處理、傳輸和保存等操作。工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)組合采集技術(shù)組合采集技術(shù)能對工業(yè)設(shè)備的多種數(shù)據(jù)項進行組合采集，建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。組合采集技術(shù)方案如圖6-28所示。首先，與工業(yè)設(shè)備建立連接，對采集參數(shù)配置模塊進行設(shè)置；其次，數(shù)據(jù)采集模塊對工業(yè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)庫中；最后，將數(shù)據(jù)在云端進行持久化存儲，以便于智能分析應(yīng)用。工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)——數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)庫分類半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)它是介于完全結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù))和完全無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)(如聲音、圖像文件等)之間的數(shù)據(jù)，因此它也被稱為自描述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。2非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)顧名思義就是沒有固定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。各種文檔、圖片、視頻、音頻等都屬于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。對于這類數(shù)據(jù)，一般直接進行整體存儲，存儲為二進制數(shù)據(jù)格式。3結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表示和存儲，表現(xiàn)為二維形式的數(shù)據(jù)。其一般特點是數(shù)據(jù)以行為單位，一行數(shù)據(jù)表示一個實體的信息，每行數(shù)據(jù)的屬性都是相同的。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲和排列是很有規(guī)律的，這對查詢和修改等操作很有利，但其擴展性不好。1工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)——Hadoop分布式存儲技術(shù)Hadoop是可以對海量信息進行分布式存儲和分析處理的一種架構(gòu)，是云計算的核心技術(shù)。Hadoop是由Apache基金會開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，具有高可靠性、高拓展性、高效性和成本低廉等優(yōu)點。Hadoop可以被部署在廉價的硬件集群中，然后將一個具有很大運算量的任務(wù)打碎成無數(shù)碎片任務(wù)分配給這些計算單元，每個單元運算自己那部分任務(wù)，再將結(jié)果整合，充分利用了集群的優(yōu)勢。HDFS采用Master-Slave(主-從)的架構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，這種架構(gòu)主要由四部分組成，分別為Client、NameNode、DataNode和SecondaryNameNode。工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)分析方法分布式并行計算基本理論解決海量數(shù)據(jù)的分析難題，傳統(tǒng)意義上有兩種方案：縱向擴展和橫向擴展?？v向擴展是指通過直接升級計算設(shè)備的硬件配置，如硬盤容量、內(nèi)存空間，或者更換更高性能的中央芯片等，提高計算設(shè)備的數(shù)據(jù)分析能力。但是這種硬件升級會受到計算設(shè)備本身架構(gòu)的局限，同時所需的升級成本也會快速上升，因此縱向擴展方案存在局限性，不能徹底解決大數(shù)據(jù)處理的問題。橫向擴展是指通過聯(lián)合多臺計算設(shè)備來模擬“超級計算機”,也就是同時使用多臺計算設(shè)備并行完成同一個大數(shù)據(jù)處理任務(wù)，這種方式在成本和擴展性上具備很大的優(yōu)勢。工業(yè)大數(shù)據(jù)6.3工業(yè)大數(shù)據(jù)分析方法MapReduce理論基礎(chǔ)MapReduce是一個出現(xiàn)較早的分布式并行計算框架，