《先進制造技術(shù)》課件第3章

第3章計算機輔助與綜合自動化技術(shù)3.1CAD/CAPP/CAM一體化技術(shù)3.2制造模擬仿真技術(shù)3.3工業(yè)機器人(IndustrialRobot)3.4柔性制造系統(tǒng)3.5虛擬軸機床技術(shù)3.6生產(chǎn)物流技術(shù)

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，推動了制造技術(shù)向更深層次的發(fā)展，自20世紀(jì)50年代以來，NC、CNC、DNC、FMC、CAD、CAM、CAPP等新的制造技術(shù)相繼出現(xiàn)。作為對這些技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果，自20世紀(jì)70年代起，F(xiàn)MC徹底改變了制造技術(shù)的內(nèi)涵，更進一步發(fā)展了CIMS技術(shù)，使制造自動化技術(shù)進入了新的發(fā)展階段。市場的變化迫使制造自動化技術(shù)向更加實用和柔性化的方向發(fā)展，以適應(yīng)小批量、高效率、低成本的制造，從而滿足產(chǎn)品不同生命周期動態(tài)變化的需要。

在機械制造領(lǐng)域中，全球化經(jīng)濟的形成對產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度以及產(chǎn)品的生產(chǎn)周期都提出了越來越高的要求。這也要求必須采用先進的設(shè)計制造技術(shù)才能符合時代的需求。計算機技術(shù)和機械設(shè)計制造技術(shù)相互結(jié)合、滲透，就產(chǎn)生了計算機輔助設(shè)計與輔助制造(ComputerAidedDesignandManufacturing)技術(shù)，簡稱CAD/CAM。3.1CAD/CAPP/CAM一體化技術(shù)3.1.1CAD技術(shù)

1．概述

計算機輔助設(shè)計(CAD)是近幾十年來形成的一門新興學(xué)科?，F(xiàn)在，CAD技術(shù)已應(yīng)用于各個行業(yè)，大至航空航天、造船、汽車、工程建筑、機械、電氣，小至紡織印染業(yè)的花色設(shè)計、服裝裁剪等。而在機械設(shè)計工作應(yīng)用CAD之前，是由設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計對象的要求，參考各種資料、計算公式，考慮采用的加工方法及生產(chǎn)設(shè)備條件，類比相似或同類產(chǎn)品的設(shè)計及自己的設(shè)計經(jīng)驗，由人來構(gòu)思，擬訂產(chǎn)品的初步方案，進行多次反復(fù)的計算分析、綜合比較，選定在經(jīng)濟性、工藝性及可靠性等方面較為合理、完善的方案，根據(jù)這個初步設(shè)計繪制設(shè)計圖紙并編制有關(guān)文件資料。這種傳統(tǒng)的由人完成的機電產(chǎn)品設(shè)計，一般難以做到最終設(shè)計即優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計周期長?，F(xiàn)在，只有使自己的新產(chǎn)品研制周期短、質(zhì)量高、價格低，企業(yè)才能在國際國內(nèi)市場的激烈競爭中生存和發(fā)展。計算機輔助設(shè)計便是根據(jù)這種需要而誕生的。

究竟什么是CAD？CAD技術(shù)可以從兩個角度給予定義。

(1)

CAD是一個過程?！肮こ碳夹g(shù)人員以計算機為工具，運用各自的專業(yè)知識，完成產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)造、分析和修改，以達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)?！?/p>

(2)

CAD是一項產(chǎn)品建模技術(shù)。“CAD技術(shù)把產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，并將之存儲在計算機內(nèi)供后續(xù)的計算機輔助技術(shù)所共享，驅(qū)動產(chǎn)品生命周期的全過程?！?/p>

圖3-1所示為CAD技術(shù)整個過程的流程圖。

圖3-1CAD技術(shù)過程流程

CAD的功能一般可歸納為四類：幾何建模、工程分析、動態(tài)模擬、自動繪圖。一個完整的CAD系統(tǒng)，由科學(xué)計算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫等組成?？茖W(xué)計算包括有限元分析、可靠性分析、動態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計等。圖形系統(tǒng)包括幾何造型、自動繪圖(二維工程圖、三維實體圖)和動態(tài)仿真等。工程數(shù)據(jù)庫對設(shè)計過程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進行存儲和管理。

要很好地應(yīng)用CAD技術(shù)，除了要掌握一定的計算機知識外，還必須具備相應(yīng)的豐富的工程背景。這些背景知識是長期工作經(jīng)驗的積累，大多數(shù)人不具備這樣的經(jīng)驗，同時這樣的經(jīng)驗很難長久地保留下去。于是，有人就考慮如何使這些經(jīng)驗得到更廣泛的傳播和應(yīng)用，專家系統(tǒng)是一個比較好的解決辦法。CAD的開發(fā)人員研究將人工智能和專家系統(tǒng)加入CAD中，以大大提高設(shè)計的自動化水平，降低對設(shè)計人員背景知識的要求。

2．CAD系統(tǒng)的組成

典型的CAD系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-2所示。當(dāng)然，對于不同類型產(chǎn)品的不同要求，所需的CAD系統(tǒng)硬件也會有所不同。

圖3-2CAD系統(tǒng)的組成目前的CAD根據(jù)所用計算機的規(guī)格性能，大致分為以下四個層次。

(1)基于大中型計算機的CAD系統(tǒng)。所需投資費用較昂貴，只有大的公司、企業(yè)才承擔(dān)得起。例如，在大型汽車制造公司，可采用這種系統(tǒng)進行車身外形、車體及底盤結(jié)構(gòu)、模具等的設(shè)計。它可以模擬車輛在各種條件下的狀態(tài)，分析車輛的安全性及其它性能。通過在屏幕顯示，設(shè)計人員可對車身或模具任意部位的設(shè)計進行修改，直至滿意，然后輸出設(shè)計圖紙及全套技術(shù)文件。

(2)成套系統(tǒng)。它是基于中小型計算機的CAD系統(tǒng)，由CAD供應(yīng)商根據(jù)企業(yè)要求提供全部硬件及軟件，企業(yè)人員只要經(jīng)過培訓(xùn)即可投入使用。

(3)基于工作站的CAD系統(tǒng)。它具有較強的圖形及網(wǎng)絡(luò)功能。

(4)基于微機的CAD系統(tǒng)。微機價格低廉，配以圖形顯示終端、繪圖機、打印機及圖形輸入板(數(shù)字化儀)等，就能構(gòu)成一個基本的CAD工作站。它可以滿足初步的計算機輔助設(shè)計要求。目前微機的價格低，而性能接近早期的工作站。所以，目前發(fā)展以微機為基礎(chǔ)的CAD，使眾多的中小型企業(yè)能開展針對本企業(yè)產(chǎn)品的CAD，有很大的意義。

微機也有其固有的弱點，如內(nèi)存有限，大型程序的運行有一定的困難，數(shù)據(jù)運算、處理的功能不夠強，特別是圖形功能不如工作站系統(tǒng)。故基于微機的CAD的應(yīng)用有一定局限性。3.1.2CAPP技術(shù)

1．CAPP的產(chǎn)生

CAPP是計算機輔助工藝設(shè)計(ComputerAidedPressPlanning)的簡稱。工藝設(shè)計是生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的第一步，也是連接產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的橋梁。工藝規(guī)程是進行工裝設(shè)計制造和決定零件加工方法及加工路線的主要依據(jù)，它對組織生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、縮短生產(chǎn)周期及改善勞動條件都有直接的影響，因此是生產(chǎn)中的關(guān)鍵工作。

工藝設(shè)計必須分析和處理大量的信息，既要考慮產(chǎn)品設(shè)計圖上有關(guān)結(jié)構(gòu)形狀、尺寸公差、材料及熱處理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有關(guān)加工方法、加工設(shè)備、生產(chǎn)條件、加工成本及工時定額，甚至傳統(tǒng)習(xí)慣等方面的信息。工藝設(shè)計包括查閱資料和手冊，確定零件的加工方法，安排加工路線，選擇設(shè)備、工裝、切削參數(shù)，計算工序尺寸，繪制工序圖，填寫工藝卡片和表格文件等工作。

高速發(fā)展的計算機技術(shù)為工藝設(shè)計的自動化奠定了基礎(chǔ)。計算機能有效地管理大量數(shù)據(jù)，并進行快速準(zhǔn)確的計算，進行各種形式的比較和選擇，自動繪圖，編制表格文件和提供便利的編輯手段等。這些優(yōu)勢正是工藝設(shè)計所需要的，于是計算機輔助工藝設(shè)計(CAPP)便應(yīng)運而生。

CAPP是利用計算機技術(shù)，在工藝人員較少的參與下，完成過去完全由人工進行的工藝規(guī)程設(shè)計工作的一項技術(shù)。CAPP系統(tǒng)不但能利用工藝人員的經(jīng)驗知識和各種工藝數(shù)據(jù)進行科學(xué)的決策，自動生成工藝規(guī)程，還能自動計算工藝尺寸，繪制工序圖，選擇切削參數(shù)，對工藝設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化，從而設(shè)計出一致性良好、高質(zhì)量的工藝規(guī)程。另外，由于計算機中存儲的信息可以反復(fù)利用，從而大大提高了工藝設(shè)計的效率。

2．CAPP的類型

CAPP系統(tǒng)按其工作原理可分為派生式、創(chuàng)成式和混合式三類。

1)派生式CAPP系統(tǒng)

根據(jù)成組技術(shù)相似性原理，如果零件的結(jié)構(gòu)形狀相似，則它們的工藝規(guī)程也有相似性。對于每一個相似零件組，可采用一個公共的制造方法來加工。這種公共的制造方法以標(biāo)準(zhǔn)工藝的形式出現(xiàn)，它可以集中專家、工藝人員的集體智慧和經(jīng)驗及生產(chǎn)實踐的總結(jié)制訂出來，然后存儲在計算機中。當(dāng)為一個新零件設(shè)計工藝規(guī)程時，從計算機中檢索標(biāo)準(zhǔn)工藝文件，然后經(jīng)過一定的編輯和修改就可以得到該零件的工藝規(guī)程。

當(dāng)一個企業(yè)生產(chǎn)的大多數(shù)零件相似程度較高，劃分成的零件族數(shù)較少，而每族中包括的零件種數(shù)很多時，該方式有明顯的優(yōu)點。該方式存在的問題是不能擺脫對有經(jīng)驗的工藝編制人員的依賴，不易適應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)條件的發(fā)展。

2)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)

創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是指由計算機軟件系統(tǒng)根據(jù)加工能力知識庫和工藝數(shù)據(jù)庫中加工工藝信息和各種工藝決策邏輯，自動設(shè)計出零件的工藝規(guī)程。該系統(tǒng)的原理是讓計算機模擬工藝人員的邏輯思維能力，自動進行各種決策，選擇零件的加工方法，安排工藝路線，選擇機床、刀具、夾具，計算切削參數(shù)和加工時間、加工成本，以及對工藝過程進行優(yōu)化。人的任務(wù)僅在于監(jiān)督計算機的工作，并在計算機決策過程中做一些簡單問題的處理，對中間結(jié)果進行判斷和評估等。

要實現(xiàn)完全創(chuàng)成式的CAPP系統(tǒng)，必須解決幾個關(guān)鍵問題：零件信息要以計算機能識別的形式完全準(zhǔn)確的描述；要收集大量的工藝設(shè)計知識和工藝規(guī)程決策邏輯等。目前，要解決這些問題在技術(shù)上還有一定的困難。因此，現(xiàn)在還沒有一種真正意義上的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。

3)混合式CAPP系統(tǒng)

混合式CAPP系統(tǒng)是將派生式和創(chuàng)成式互相結(jié)合，綜合采用兩種方法的優(yōu)點。它沿用派生式為主的檢索——編輯原理；當(dāng)零件不能歸入系統(tǒng)已存在的零件族時，則轉(zhuǎn)向創(chuàng)成式工藝設(shè)計，或在工藝編輯時引入創(chuàng)成式的決策邏輯原理。目前世界各國研制出的號稱創(chuàng)成式的CAPP系統(tǒng)，實際都屬于這一類型，它們僅具有有限的創(chuàng)成功能。

評價一個CAPP系統(tǒng)水平的高低，不在于創(chuàng)成的決策數(shù)目多少，而在于能否不依賴于工藝人員的知識與經(jīng)驗，自動可靠地編制出高質(zhì)量的工藝規(guī)程。企業(yè)開發(fā)CAPP系統(tǒng)時，應(yīng)針對自己的產(chǎn)品和生產(chǎn)條件，從實際需求與效果出發(fā)，處理好“創(chuàng)成”、“檢索”、“選擇”、“規(guī)定”的關(guān)系。

3．CAPP的發(fā)展趨勢和存在的問題

CAPP技術(shù)從20世紀(jì)60年代末誕生以來，其研究開發(fā)工作一直在國內(nèi)外蓬勃發(fā)展，而且逐漸引起人們的重視。遺憾的是，盡管國內(nèi)外在各種機加工工藝CAPP以及智能化、集成化方面取得了很大成績，但應(yīng)用基礎(chǔ)還不很牢固，研究開發(fā)方向也和當(dāng)前的實際需求有較大差距。CAPP系統(tǒng)的開發(fā)研究中仍存在著許多有待解決的問題。

1)存在的問題

(1)零件信息的描述與輸入問題。實際上就是一個CAD與CAPP的集成問題，它直接關(guān)系到CAPP系統(tǒng)能否真正實用化和商品化。事實證明，在CAD系統(tǒng)出圖紙后，由CAPP系統(tǒng)使用者對照已有的圖紙手工再次輸入零件信息的方法，在生產(chǎn)中是不受歡迎的。

(2)

CAPP系統(tǒng)的通用性問題。工藝設(shè)計是一項個性很強的工作，由于工藝決策問題本身的復(fù)雜性，其制約的因素很多且不易把握，導(dǎo)致設(shè)計CAPP系統(tǒng)十分費力費時。想解決CAPP系統(tǒng)的通用性問題，就必須解決CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方法上的許多基礎(chǔ)問題，解決工藝設(shè)計過程中的大量規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的問題。

(3)

CAPP系統(tǒng)的柔性問題。CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，CAPP開發(fā)者應(yīng)向用戶提供多種設(shè)計手段，以滿足用戶的不同需求。

(4)工藝決策數(shù)據(jù)與知識的獲取、表達和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫與知識庫的建造問題。如何組織和管理這些信息，并便于擴充和維護，使之適用于各種不同企業(yè)和產(chǎn)品，是CAPP系統(tǒng)需迫切解決的問題。

(5)探索和研究有效的工藝決策方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題。

(6)工序尺寸的自動確定和工序圖自動生成問題。

以上這些問題束縛了CAPP技術(shù)的發(fā)展。

2)

CAPP系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

縱觀先進制造技術(shù)與先進制造系統(tǒng)的發(fā)展可以看出，未來的制造業(yè)是集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“網(wǎng)絡(luò)化”制造，未來的產(chǎn)品是基于信息和知識的產(chǎn)品，而CAPP系統(tǒng)的智能化、集成化和廣泛應(yīng)用是實現(xiàn)產(chǎn)品工藝過程信息化的前提，是實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品制造全過程集成的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)之一。

(1)集成化趨勢。計算機集成制造是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢。因此，未來的CAPP系統(tǒng)除了與CAD和CAM集成以外，還應(yīng)能與制造自動化系統(tǒng)MAS、管理信息系統(tǒng)MIS以及質(zhì)量檢測與控制系統(tǒng)CAQ等集成，這種集成已不是普通意義上的集成，而是統(tǒng)一在工程數(shù)據(jù)庫上的集成。近幾年，人們還提出了面向并行工程的CAPP系統(tǒng)等，在CIMS環(huán)境下，CAPP系統(tǒng)接收來自CAD的產(chǎn)品總體信息、幾何結(jié)構(gòu)信息以及精度、粗糙度等工藝信息，進行工藝規(guī)劃，并向CAD反饋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝評價結(jié)果；向CAM提供零件加工所需的設(shè)備、工裝、切削參數(shù)、裝夾參數(shù)和數(shù)控加工指令，并接受CAM反饋的工藝修改意見；向MIS提供工藝路線、設(shè)備、工裝、工時、材料定額等信息，并接受MIS發(fā)出的技術(shù)準(zhǔn)備計劃、原材料庫存、刀量具狀況、設(shè)備變更等信息；向MAS提供各種工藝規(guī)程文件以及夾具、刀具等信息，并接受MAS的刀具使用報告和工藝修改意見；向CAQ提供工序、設(shè)備、工裝等工藝數(shù)據(jù)，以及生成質(zhì)量控制計劃和質(zhì)量檢測規(guī)程，接受CAQ反饋的控制數(shù)據(jù)，用以修改工藝規(guī)程。

(2)工具化趨勢。通用性問題是CAPP系統(tǒng)面臨的最主要的難點之一，也是制約CAPP系統(tǒng)實用化和商品化的一個重要因素。為解決生產(chǎn)實際中變化多端的問題，力求使CAPP系統(tǒng)也像CAD系統(tǒng)那樣具有通用性，有人提出了CAPP專家系統(tǒng)建造工具的思路。工具化思想主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①工藝設(shè)計的共性與個性分開處理，使CAPP系統(tǒng)各工藝設(shè)計模塊與系統(tǒng)所需的工藝數(shù)據(jù)與知識或規(guī)則完全獨立。工藝設(shè)計的共性問題由系統(tǒng)開發(fā)者完成，即將推理控制策略和一些公用的算法固定于源程序中，并建立公用工藝數(shù)據(jù)與知識庫。個性問題由用戶根據(jù)實際需要進行擴充和修改。

②工藝決策方式多樣化。系統(tǒng)的工藝設(shè)計是通過推理機實現(xiàn)的，單一的推理控制策略不能滿足用戶的需要，系統(tǒng)應(yīng)能給用戶提供多種工藝設(shè)計方法。

③具有功能強大、使用方便和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與知識庫管理平臺。④智能化輸出。系統(tǒng)除了可按標(biāo)準(zhǔn)格式輸出各種工藝文件外，還可輸出由用戶自定義的工藝文件。

(3)智能化趨勢。CAPP所涉及的是典型的跨學(xué)科的復(fù)雜問題，不僅業(yè)務(wù)內(nèi)容廣泛、性質(zhì)各異，而且許多決策大大依賴于專家個人的經(jīng)驗、技術(shù)和技巧。另一方面，制造業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的差別也非常顯著，要求CAPP系統(tǒng)具有很強的適應(yīng)性和靈活性。依靠傳統(tǒng)的過程性軟件設(shè)計技術(shù)，如利用判定表或判定樹進行工藝決策軟件的設(shè)計等，已遠遠不能滿足工程實際對CAPP的需求。而專家系統(tǒng)技術(shù)以及其他人工智能技術(shù)在獲取、表達和處理各種知識的靈活性和有效性方面給CAPP的發(fā)展帶來了生機。

目前人工智能技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于各種類型的CAPP系統(tǒng)之中，還有將人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論、遺傳算法、模糊理論、黑板推理與實例推理等方法用于CAPP系統(tǒng)的開發(fā)中。3.1.3CAM技術(shù)

CAM是計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing)的簡稱，是指任何在計算機控制下的自動化控制過程。它源于20世紀(jì)40年代末到50年代數(shù)控機器的發(fā)展。1952年研制成功數(shù)控機床，1955年在通用計算機上研制成功自動編程系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)控編程的自動化，這標(biāo)志著柔性制造時代的開始，成為CAM硬軟件的開端。

CAM的定義有廣義和狹義之分。廣義的CAM是指利用計算機輔助完成從原材料到產(chǎn)品的全部制造過程，其中包括直接制造和間接制造兩個過程，涉及計算機輔助制造的環(huán)境，輔助設(shè)計和輔助制造的銜接，計算機輔助零件信息分類和編碼的成組技術(shù)(GT)，計算機輔助工藝設(shè)計和工藝規(guī)劃(CAPP)，計算機數(shù)控技術(shù)(CNC)，計算機輔助工裝設(shè)計，計算機輔助質(zhì)量管理和質(zhì)量控制，計算機輔助數(shù)控編程，計算機加工過程仿真，數(shù)控加工工藝，計算機加工過程監(jiān)控等。從狹義講，CAM就是計算機輔助機械加工(ComputerAidedMachining)，更明確地講也就是數(shù)控加工，它的輸入信息是零件的工藝路線和工序的內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時的運動軌跡和數(shù)控加工程序，其核心是數(shù)控編程和數(shù)控加工工藝的設(shè)計。計算機輔助制造是先進制造技術(shù)的重要組成部分和基礎(chǔ)內(nèi)容，而數(shù)控編程和數(shù)控加工則是計算機輔助制造的核心內(nèi)容。

CAM的應(yīng)用分為CAM直接應(yīng)用和CAM間接應(yīng)用兩大類。

1)

CAM直接應(yīng)用

CAM的直接應(yīng)用就是計算機直接與制造過程連接，對制造過程進行監(jiān)控和控制。這類應(yīng)用可以分為計算機過程監(jiān)視系統(tǒng)和計算機過程控制系統(tǒng)兩種。

(1)計算機過程監(jiān)視系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，計算機通過與制造系統(tǒng)的直接接口來監(jiān)視系統(tǒng)的制造過程及其輔助裝備的工作情況，并隨時采集制造過程中的數(shù)據(jù)，以監(jiān)視制造系統(tǒng)的運行狀況。但在這種系統(tǒng)中，計算機并不直接對制造系統(tǒng)的制造過程中的各個工序進行控制，這些控制工作將由系統(tǒng)的操作者根據(jù)計算機給出的信息去手工完成，例如數(shù)顯系統(tǒng)、坐標(biāo)測量系統(tǒng)、切削力實時測量系統(tǒng)等。

(2)計算機過程控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)不僅對制造系統(tǒng)進行監(jiān)視，而且還對制造系統(tǒng)的制造過程和輔助裝備實行控制，如數(shù)控機床上的計算機數(shù)字控制就屬于此類。

2)

CAM間接應(yīng)用

CAM的間接應(yīng)用中，計算機不直接與制造過程連接，只是用計算機作為制造過程的支持。此時，計算機是“離線”或“脫機”的，它只是用來提供生產(chǎn)計劃、作業(yè)調(diào)度計劃、發(fā)出指令及有關(guān)信息，以便使生產(chǎn)資源的管理更為有效。這些支持包括：

計算機輔助NC編程——為NC機床準(zhǔn)備加工零件用的控制程序。

計算機輔助編制物料需求計劃——計算機用于確定原材料和外購件的采購和訂貨時間以及確定完成生產(chǎn)計劃所需訂購的數(shù)量。計算機輔助車間控制——計算機用于收集和整理工廠數(shù)據(jù)，并確定各不同車間進度計劃。3.1.4CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)

1.CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)概述

CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)是一項利用計算機幫助人完成設(shè)計與制造任務(wù)的新技術(shù)。它是隨著計算機技術(shù)、制造工程技術(shù)的發(fā)展和需求，從早期的CAD、CAPP、CAM技術(shù)發(fā)展演進而來的。這種技術(shù)將傳統(tǒng)的設(shè)計與制造彼此相對分離的任務(wù)作為一個整體來規(guī)劃和開發(fā)，實現(xiàn)信息處理的高度一體化。同時，它也是制造自動化技術(shù)的方向——CIMS的主要組成部分。計算機集成制造系統(tǒng)CIMS是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，而實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成是實現(xiàn)CIMS的重要條件。

CAD/CAPP/CAM集成是指將計算機輔助產(chǎn)品設(shè)計(CAD)、計算機輔助工藝過程設(shè)計(CAPP)、計算機輔助制造(CAM)以及零件加工等有關(guān)信息實現(xiàn)自動傳遞和轉(zhuǎn)換的技術(shù)。CAD、CAPP和CAM分別在產(chǎn)品設(shè)計自動化、工藝過程設(shè)計自動化和數(shù)控編程自動化方面起到了重要作用。但是，這些各自獨立的系統(tǒng)不能實現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動傳遞和交換。用CAD系統(tǒng)進行產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果，只能輸出圖紙和有關(guān)的技術(shù)文檔，這些信息不能直接為CAPP系統(tǒng)所接受。進行工藝過程設(shè)計時，還需由人工將這些圖樣、文檔等紙面上的文件轉(zhuǎn)換成CAPP系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)，并通過人機交互的方式輸入給CAPP系統(tǒng)進行處理，輸出零件加工的工藝規(guī)程。利用獨立的CAM系統(tǒng)進行計算機輔助數(shù)控編程時，同樣需要用人工將CAD或CAM輸出的紙面文件轉(zhuǎn)換成CAM系統(tǒng)所需的輸入文件和數(shù)據(jù)，然后再輸入CAM系統(tǒng)。

由于各獨立系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息需經(jīng)人工轉(zhuǎn)換，這不但影響工程設(shè)計效率的進一步提高，而且在人工轉(zhuǎn)換過程中難免發(fā)生錯誤，將給生產(chǎn)帶來極大的危害。為此，人們自20世紀(jì)70年代起，就開始研究CAD、CAPP和CAM之間的數(shù)據(jù)和信息的自動化傳遞與轉(zhuǎn)換的問題，即CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)。目前，這一技術(shù)在國內(nèi)外均已取得了很大的進展，達到了實用的水平。

2．CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成方式

CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成是通過不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射和數(shù)據(jù)交換，利用各種接口將CAD/CAPP/CAM的各應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫連接成一個集成化的整體。CAD/CAPP/CAM的集成涉及網(wǎng)絡(luò)集成、功能集成和信息集成等諸多方面，其中信息集成是CAD/CAPP/CAM集成的核心。目前CAD／CAM信息集成一般可由如下三種方式實現(xiàn)。

(1)通過專用格式文件的集成方式。在這種方式下，對于相同的開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，可在各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)確定數(shù)據(jù)格式的文件層次上實現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)；而在不同的開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境下，則需要在各系統(tǒng)與專用數(shù)據(jù)文件之間開發(fā)專用的轉(zhuǎn)換接口進行前置或后置處理，其集成方法如圖3-3所示。該數(shù)據(jù)交換方式原理簡單，轉(zhuǎn)換接口程序易于實現(xiàn)，運行效率高，但無法實現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)的安全性和可維護性較差。

F—前處理器；R—后處理器

圖3-3通過專用格式文件的集成方式

(2)通過標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件的集成方式。在這種方式下，采用統(tǒng)一格式的中性數(shù)據(jù)文件作為系統(tǒng)集成的工具，各個應(yīng)用子系統(tǒng)通過前置或后置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的傳輸，其實現(xiàn)方式如圖3-4所示。在這種集成方法中，每個子系統(tǒng)只與標(biāo)準(zhǔn)格式的中性數(shù)據(jù)文件打交道，無需知道另外的系統(tǒng)細節(jié)，由此減少了集成系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換接口數(shù)，并降低了接口維護難度，便于應(yīng)用者的開發(fā)和使用，是目前CAD/CAM集成系統(tǒng)應(yīng)用較多的方法之一，許多圖形系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就是采用中性的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件，如IGES、DXF等。

(3)利用公共工程數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)集成。這是一種較高層次的數(shù)據(jù)共享和集成方法，各子系統(tǒng)通過用戶接口按工程數(shù)據(jù)庫要求直接存取或操作數(shù)據(jù)庫。采用工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，既可實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間直接的交換，加快了系統(tǒng)的運行速度，又可集成系統(tǒng)而達到真正的數(shù)據(jù)一致、準(zhǔn)確性、及時性和共享性。該集成方法原理如圖3-5所示。

F—前處理器；R—后處理器

圖3-4通過標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件的集成方式圖3-5利用工程數(shù)據(jù)庫的集成方式

3．CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成就是按照產(chǎn)品設(shè)計與制造的實際進程，在計算機內(nèi)實現(xiàn)各應(yīng)用程序所需的信息處理和交換，形成連續(xù)的、協(xié)調(diào)的和科學(xué)的信息流。因而，產(chǎn)生公共信息的產(chǎn)品造型技術(shù)、存儲和處理公共信息的工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)、進行數(shù)據(jù)交換的接口技術(shù)、對系統(tǒng)的資源進行統(tǒng)一管理、對系統(tǒng)的運行進行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序以及實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的通信和數(shù)據(jù)等，構(gòu)成了CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)的實施水平將成為衡量CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成度高低的主要依據(jù)。

1)產(chǎn)品建模技術(shù)

為了實現(xiàn)信息的高度集成，產(chǎn)品建模是非常重要的。一個完善的產(chǎn)品設(shè)計模型是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)進行信息集成的基礎(chǔ)，也是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中共享數(shù)據(jù)的核心。傳統(tǒng)的基于實體造型的CAD系統(tǒng)僅僅是產(chǎn)品幾何形狀的描述，缺乏產(chǎn)品制造工藝信息，從而造成設(shè)計與制造信息彼此分離，導(dǎo)致CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的困難。將特征概念引入CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)，建立CAD/CAPP/CAM范圍內(nèi)相對統(tǒng)一的、基于特征的產(chǎn)品定義模型，該模型不僅支持從設(shè)計到制造各階段所需的產(chǎn)品定義信息(信息包括幾何信息、工藝信息和加工制造信息等)，而且還提供符合人們思維方式的高層次工程描述語言特征，能使設(shè)計和制造工程師用相同的方式考慮問題。它允許用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同時滿足設(shè)計和制造的需要，這就為CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)提供了設(shè)計和制造之間相互通信和相互理解的基礎(chǔ)，使之真正實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的一體化。因而就目前而言，基于特征的產(chǎn)品定義模型是解決產(chǎn)品建模關(guān)鍵技術(shù)的比較有效的途徑。

2)集成的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

隨著CAD/CAPP/CAM技術(shù)的自動化、集成化、智能化和柔性化程度的不斷提高，集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫已滿足不了上述要求。CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成應(yīng)努力建立能處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工程數(shù)據(jù)處理環(huán)境，使CAD/CAPP/CAM各子系統(tǒng)能夠有效地進行數(shù)據(jù)交換，盡量避免數(shù)據(jù)文件和格式轉(zhuǎn)換，清除數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)的一致性、安全性和保密性。采用工程數(shù)據(jù)庫方法將成為開發(fā)新一代CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的主流，也是系統(tǒng)進行集成的核心。3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)

數(shù)據(jù)交換的任務(wù)是在不同的計算機之間、不同操作系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)庫之間和不同應(yīng)用軟件之間進行數(shù)據(jù)通信。為了克服以往各種CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)之間，甚至各功能模塊之間在開發(fā)過程中的孤島現(xiàn)象，統(tǒng)一它們的機內(nèi)數(shù)據(jù)表示格式，使不同系統(tǒng)間、不同模塊間的數(shù)據(jù)交換順利進行，充分發(fā)揮用戶應(yīng)用軟件的效益，提高CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的生產(chǎn)率，必須制定國際性的數(shù)據(jù)交換規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開發(fā)各類系統(tǒng)接口。有了這種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，產(chǎn)品數(shù)據(jù)才能在各系統(tǒng)之間方便、流暢地傳輸。

4)集成的執(zhí)行控制程序

由于CAD/CAPP/CAM集成化系統(tǒng)的程序規(guī)模大、信息源多、傳輸路徑不一，以及各模塊的支撐環(huán)境多樣化，因而沒有一個對系統(tǒng)的資源統(tǒng)一管理、對系統(tǒng)的運行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序是無法實現(xiàn)的。這種執(zhí)行控制程序是系統(tǒng)集成的最基本要素之一。它的任務(wù)是把各個相關(guān)模塊組織起來，按規(guī)定的運行方式完成規(guī)定的作業(yè)，并協(xié)調(diào)各模塊之間的信息傳輸，提供統(tǒng)一的用戶界面，進行故障處理等工作。

3.2.1模擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵

仿真(Simulation)顧名思義就是模擬真實系統(tǒng)，即是通過對模擬系統(tǒng)的實驗去研究一個存在或設(shè)計中的系統(tǒng)。計算機仿真技術(shù)是以計算機為工具，對工程過程進行仿真建模、數(shù)值模擬、結(jié)果顯示與處理的技術(shù)，也就是通常所說的CAE技術(shù)。它是CAD/CAM系統(tǒng)的重要組成部分。3.2制造模擬仿真技術(shù)對于機械產(chǎn)品的設(shè)計來說，仿真建模主要是用現(xiàn)代力學(xué)的理論和方法對產(chǎn)品的使用過程、生產(chǎn)過程及事故過程等進行數(shù)學(xué)描述，并根據(jù)數(shù)值模擬方法的要求將所涉及的工程過程的幾何、物理等參數(shù)進行量化。

數(shù)值模擬是根據(jù)仿真模型的特點選擇合適的數(shù)值求解技術(shù)，對仿真過程進行求解；其目前應(yīng)用最廣泛的方法包括有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)等。

結(jié)果顯示與處理就是將數(shù)值模擬的結(jié)果經(jīng)可視化處理得出工程上有意義的量和結(jié)論。仿真技術(shù)的本質(zhì)是對真實的物理、化學(xué)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)在某一層次上的抽象，在這個抽象出來的模型上，可以更高級、更靈活、更安全地對系統(tǒng)進行設(shè)計和了解。

人們在使用仿真系統(tǒng)時，希望在仿真系統(tǒng)中與在真實系統(tǒng)中所得到的感受盡可能的相同，同時希望能夠沉浸在仿真系統(tǒng)之中，并能通過自然感官功能與仿真系統(tǒng)進行交互作用。也就是說，用戶需要仿真系統(tǒng)具有身臨其境的逼真感。另一方面，某些實際應(yīng)用領(lǐng)域希望從仿真系統(tǒng)中得到真實世界中無法親身體驗到的感受，從而能突破物理空間和時間的限制，避開危及生命和環(huán)境的危險而又真切地體會和感受到某一過程。也就是說，需要仿真系統(tǒng)具有超越現(xiàn)實的虛擬性。這些客觀需求推動了一種新興的技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，VR)技術(shù)的發(fā)展。

近年來不斷涌現(xiàn)的迅速發(fā)展的高技術(shù)，如計算機仿真建模、CAD/CAM及先期技術(shù)演示驗證、可視化計算、遙控機器、計算機藝術(shù)等，都有一個共同的需求：建立一個比現(xiàn)有計算機系統(tǒng)更為真實方便的輸入輸出系統(tǒng)，使其能與各種傳感器相連，組成更為友好的人機界面，實現(xiàn)人能夠沉浸其中、超越其上、進出自如又能交互作用的多維化的信息環(huán)境。這個環(huán)境就是計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(VRS)。在這個環(huán)境中從事設(shè)計的技術(shù)稱為虛擬設(shè)計(VD，VirtualDesign)。3.2.2模擬仿真技術(shù)的地位與作用

當(dāng)前，計算機仿真技術(shù)已成為很多工程領(lǐng)域進行系統(tǒng)分析、設(shè)計、運行、評估和培訓(xùn)的重要手段。由于它可以替代費時、費力、費錢的真實實驗，并在一項工程的設(shè)計和分析階段就可以對設(shè)計對象進行一定程度的考察和評價，尤其是可以應(yīng)用在某些難以實現(xiàn)或根本不可能實現(xiàn)的實驗上，因而，近年來計算機仿真技術(shù)在國防和許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并受到各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視。如1991年3月，在美國政府提出的22項國家關(guān)鍵技術(shù)報告里，計算機仿真技術(shù)被列為第六項。

VR技術(shù)是人機完美結(jié)合環(huán)境下的先進設(shè)計技術(shù)，它使設(shè)計者可以用各種方式表達和實現(xiàn)自己的設(shè)計意圖，最大限度地發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，在一種豐富自然的多維信息環(huán)境中完成一項工程或一個產(chǎn)品的設(shè)計、修改、制造、裝配、測試和使用，從根本上改變產(chǎn)品設(shè)計的方式，使設(shè)計真正作為與產(chǎn)品的制造、裝配乃至整個生命周期緊密聯(lián)系在一起的“工程”，并融入企業(yè)的生產(chǎn)與營銷的整個活動中，而不僅僅是產(chǎn)品生產(chǎn)的一個先行階段。VR技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于快速設(shè)計與快速原型(RP)、面向裝配的設(shè)計(DFA)、面向制造的設(shè)計(DFM)、產(chǎn)品設(shè)計進入市場的并行處理和人員培訓(xùn)及產(chǎn)品維護等領(lǐng)域，為工程設(shè)計帶來了革命性的進步。綜上所述，模擬仿真技術(shù)的作用及應(yīng)用范圍可以歸納如下。

1．模擬仿真技術(shù)的作用

(1)可以替代許多難以或無法實施的實驗。例如：戰(zhàn)爭爆發(fā)與進程，地球氣候變化等。

(2)解決一般方法難以求解的大型系統(tǒng)問題。例如：計算機集成制造系統(tǒng)，核電站的控制與運行等。

(3)降低投資風(fēng)險、節(jié)省研究開發(fā)費用。計算機仿真研究實際系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃，預(yù)測系統(tǒng)建成后的運行效果，從而增加決策的科學(xué)性，減少失誤；并在系統(tǒng)的設(shè)計制造過程中提供隨時修正設(shè)計的依據(jù)，以免建成后改動或重建的巨大浪費。

(4)避免實際實驗對生命、財產(chǎn)的危害。例如：電力調(diào)度、汽車駕駛等技術(shù)培訓(xùn)，如果從開始就在真實系統(tǒng)上實施，則相當(dāng)危險。而用計算機仿真卻可以較好地達到目的，避免對人員、財產(chǎn)的危害。

(5)縮短實驗時間，不受時空限制。許多系統(tǒng)的實驗需要耗時幾十小時，甚至數(shù)月、數(shù)年，還有場地條件要求。而計算機則不受這些客觀條件的約束，即可縮短實驗時間，又可多次重復(fù)進行。

2．模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

模擬仿真技術(shù)是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一。它主要應(yīng)用于：

(1)產(chǎn)品形態(tài)仿真。例如，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、外觀、色彩等形象化的屬性。

(2)裝配關(guān)系仿真。例如，零件之間裝配關(guān)系與干涉檢查，車間布局與設(shè)備、管道安裝，電力、供暖、供氣、冷卻系統(tǒng)與機械設(shè)備布局規(guī)劃等。

(3)運動學(xué)仿真。模擬機構(gòu)的運動過程。

(4)零件工藝過程仿真。根據(jù)工藝路線的安排，模擬零件從毛坯到成品的金屬去除過程，檢驗工藝路線的合理性、可行性和正確性。

(5)加工過程仿真。例如，數(shù)控加工自動編程后的刀具運動軌跡模擬，刀具與夾具、機床的碰撞干涉檢查，切削過程中刀具磨損、切屑形成，工件表面的加工生成等。

(6)生產(chǎn)過程仿真。例如，產(chǎn)品制造過程仿真，模擬工件在系統(tǒng)中的流動過程，展示從上料、加工、換位一直到成品入庫全部過程。3.2.3模擬仿真與虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢

模擬仿真與虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在如下方面：

●建模/仿真方法學(xué)、仿真計算機和仿真軟件將仍然是計算機仿真技術(shù)中的重要課題。

●科學(xué)計算的可視化(VISC，VisualizationinScientificComputation)作為仿真的重要基礎(chǔ)將進一步向深入方向發(fā)展。

●為了適應(yīng)VD環(huán)境的要求，高質(zhì)量地跟蹤和控制仿真模型運行的方式將有很大發(fā)展；鑒于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是由多臺處理機(異構(gòu)或同構(gòu))連接而成的分布仿真系統(tǒng)，將可支持多個子仿真系統(tǒng)的任務(wù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一執(zhí)行。分布仿真系統(tǒng)將成為我國電力、郵電、鐵路、金融等行業(yè)的通用技術(shù)。

●面向?qū)ο蟮慕７抡婕夹g(shù)將逐步發(fā)展到面向特征、面向產(chǎn)品的加工和裝配等；并發(fā)仿真環(huán)境將作為并行設(shè)計技術(shù)的一種支撐技術(shù)而形成通用的支撐系統(tǒng)；專家系統(tǒng)、模糊決策和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將全面引入仿真系統(tǒng)。在仿真建模、仿真實驗設(shè)計、仿真結(jié)果分析和模型的修正及維護等多個方面將大大提高仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性和仿真的準(zhǔn)確性，形成高效的智能仿真系統(tǒng)。●

VR技術(shù)將很快進入一個快速發(fā)展時期，其主要趨勢是頭盔式顯示器(HMD)等可視化設(shè)備、人體(或四肢)方位跟蹤系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)等VR專用硬件將全面上市，其性能價格比會迅速提高。VR技術(shù)所需求的高性能計算機將以用戶可以接受的價格出現(xiàn)。

●

VR設(shè)備驅(qū)動軟件和用新型傳感裝置測得大量數(shù)據(jù)的高效處理軟件也將面市。ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織將推出有關(guān)的信息交換標(biāo)準(zhǔn)。VR技術(shù)在2010年左右將普遍應(yīng)用，但由于對人腦思維和人體行為的基礎(chǔ)研究難以在短時期內(nèi)突破，故VR技術(shù)還會有一個較長的發(fā)展時期。

●仿真技術(shù)和CAD/CAPP/CAM發(fā)展的更高階段是虛擬制造技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)等在計算機上建立起的虛擬制造環(huán)境是一種接近人們自然活動的“自然”環(huán)境，人們的視覺、觸覺和聽覺都與實際環(huán)境接近。人們在這樣的環(huán)境中進行產(chǎn)品的開發(fā)時，可以充分發(fā)揮技術(shù)人員的想象力和創(chuàng)造力，相互協(xié)作發(fā)揮集體智慧，大大提高產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

●虛擬制造技術(shù)的發(fā)展首先是在其支撐技術(shù)的發(fā)展上取得進展，例如，虛擬設(shè)計技術(shù)、仿真技術(shù)等。特別是一些單元技術(shù)與制造業(yè)的緊密結(jié)合，更推動了這些技術(shù)的進一步發(fā)展。同時，支撐技術(shù)和單元技術(shù)的不斷成熟和在制造業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用，也推動了虛擬制造技術(shù)的組合和集成。但由于各技術(shù)的相對獨立性，其統(tǒng)一的特征模型的建立、數(shù)據(jù)共享和交換等遇到了巨大的挑戰(zhàn)?；赟TEP、EDI、TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)的集成技術(shù)是惟一的發(fā)展方向。

●在CAD/CAE/CAM和仿真技術(shù)等發(fā)展的基礎(chǔ)上，虛擬制造技術(shù)方面的研究也得到了迅猛的進步。例如：美國已經(jīng)從虛擬制造的環(huán)境和虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息系統(tǒng)、仿真和控制、虛擬企業(yè)等方面進行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，多數(shù)單元技術(shù)已經(jīng)進入實驗和完善的階段。像美國華盛頓大學(xué)的虛擬制造技術(shù)實驗室發(fā)展的用于設(shè)計和制造的虛擬環(huán)境VEDAM、用于設(shè)計和裝配的虛擬環(huán)境等，已經(jīng)初具規(guī)模。但虛擬制造作為一個完整的體系，尚沒有進行全面的集成。我國機械科學(xué)研究院與同濟大學(xué)、香港理工大學(xué)合作進行的分散網(wǎng)絡(luò)化制造、異地設(shè)計與制造等技術(shù)的理論研究和實踐活動已經(jīng)取得了不少進展；清華大學(xué)進行了虛擬設(shè)計環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實、虛擬機床、虛擬汽車訓(xùn)練系統(tǒng)等方面的研究；浙江大學(xué)進行了分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、VR工作臺、虛擬產(chǎn)品裝配等研究；西安交大和北航進行了遠程智能協(xié)同設(shè)計研究；天大、北京機床所、大連機床所進行了機床的虛擬設(shè)計和軸機床的研究；西北工業(yè)大學(xué)進行了虛擬樣機的研究等。

相信在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗、使用的整個生命周期的模擬和仿真，將不是遙遠的夢。3.2.4熱加工工藝的模擬及優(yōu)化設(shè)計

模擬仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而其在制造業(yè)的應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品生產(chǎn)全過程或某部分過程的仿真和某一工藝過程的數(shù)值模擬兩個層次上。熱加工工藝的模擬和優(yōu)化設(shè)計是后一層次上比較典型的應(yīng)用，也是目前模擬仿真技術(shù)在制造業(yè)中成功應(yīng)用的一個典范。

金屬材料是目前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)材料，而熱加工又是將金屬制成零部件及工程構(gòu)件的最重要的工序之一。金屬材料的熱加工過程是極其復(fù)雜的高溫、動態(tài)、瞬時的過程。在這個過程中，材料發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，這一切在現(xiàn)有的技術(shù)條件下不僅不能直接觀察，間接測試也十分困難。因此，多年來，金屬材料的熱加工工藝的設(shè)計只能建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上。近年來，隨著金屬材料的熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展、成熟和廣泛應(yīng)用，這種現(xiàn)象得到了很大改觀。

1．熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的主要內(nèi)容

熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的主要實現(xiàn)途徑有以下三種：

(1)數(shù)值模擬(NumericalSimulation)。數(shù)值模擬是本技術(shù)領(lǐng)域中最重要的核心技術(shù)，一般的流程是通過建立能準(zhǔn)確描述某一熱加工工藝過程的數(shù)學(xué)物理模型，然后應(yīng)用數(shù)值方法。目前主要是有限元法，對數(shù)學(xué)物理方程求解，并以一定的方式動態(tài)、直觀地顯示工藝過程和預(yù)測的過程結(jié)果，進而根據(jù)這些模擬結(jié)果對工藝過程進行優(yōu)化。

(2)物理模擬(PhysicalSimulation)。物理模擬是一種輔助研究方法，它是按照相似原理，用相同或相似的材料制成一定比例的試樣，同時將各種條件以一定的相似比例加載到試樣上進行試驗，得出工藝過程的有關(guān)規(guī)律和數(shù)據(jù)的模擬方法。

(3)專家系統(tǒng)(ExpertSystem)。專家系統(tǒng)是近幾十年來人工智能領(lǐng)域取得的一個重要進展，它是一個計算機軟件系統(tǒng)，把有關(guān)領(lǐng)域的專家知識按一定的結(jié)構(gòu)表示成計算機能夠利用并在用戶需要時以一定的形式表達出來的形式，用于模仿專家的智能進行判斷、分析和推理。它包括數(shù)據(jù)庫、知識表達系統(tǒng)、推理機和人機接口等幾個核心部分。由于影響熱加工過程的因素十分復(fù)雜，因此對于工藝優(yōu)化設(shè)計來講，專家系統(tǒng)也是數(shù)值模擬的一個必要補充。

在熱加工過程中涉及到的因素眾多，且各因素間的關(guān)系復(fù)雜，難以在一個模擬進程中完成對所有考慮的因素的分析。通常，為了研究的方便，將模擬分為以下三個層次：

①工藝過程的動態(tài)模擬：用數(shù)值模擬的方法在一定的精度要求范圍內(nèi)近似地預(yù)測并形象地顯示工藝實施過程及材料在被加工過程中的一些基本參數(shù)，如形狀尺寸、位移、變形、應(yīng)力、溫度等的演變和分布。這一層次模擬是最基本的，也是后續(xù)模擬的基礎(chǔ)。

②組織性能模擬及缺陷預(yù)測：預(yù)測在不同工藝條件下材料經(jīng)過加工制成零件后的組織、性能和質(zhì)量，其中質(zhì)量的預(yù)測是以缺陷預(yù)報為主的。這一層次上的模擬過程的許多輸入量要用到上一層次模擬的結(jié)果。

③優(yōu)化工藝設(shè)計：通過在虛擬條件下對工藝參數(shù)的反復(fù)比較，得出最優(yōu)工藝方案，變傳統(tǒng)工藝設(shè)計時優(yōu)化工藝的試驗為計算機上修改構(gòu)思。這一層次要用到大量前兩個層次模擬的結(jié)果，甚至是前兩個層次上多次模擬結(jié)果的對比。

2．熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)發(fā)展的意義

該技術(shù)是材料和制造兩大行業(yè)的交叉技術(shù)，是材料熱加工工藝研究中最重要的技術(shù)前沿和研究熱點之一，是先進制造技術(shù)的重要組成部分。它的發(fā)展和廣泛應(yīng)用的意義在于：

(1)使金屬材料熱加工由“技藝”走向“科學(xué)”，將能夠徹底改變熱加工工藝的設(shè)計和優(yōu)化靠經(jīng)驗的面貌。

(2)是預(yù)測并保證材料熱加工過程質(zhì)量的先進手段，特別對確保大型工件的一次制造成功具有重大的應(yīng)用前景和效益。

(3)是實現(xiàn)快速設(shè)計制造、擬實設(shè)計制造、分布設(shè)計制造的技術(shù)基礎(chǔ)。

(4)由于該技術(shù)領(lǐng)域是多學(xué)科的交叉，對應(yīng)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進而開拓新興工程技術(shù)學(xué)科具有重要意義。

3．國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

材料熱加工工藝模擬研究始于鑄造過程，這是因為鑄件凝固過程溫度場模擬計算相對簡單。1962年，丹麥的Forsund首次采用計算機及有限差分法進行鑄件凝固過程的傳熱計算之后，美國于20世紀(jì)60年代中期在NSF的資助下，開始進行大型鑄鋼件溫度場的數(shù)值模擬研究。進入20世紀(jì)70年代后，更多的國家(我國從70年代末期開始)加入到這個研究行列，并從鑄造逐步擴展到鍛壓、焊接、熱處理，在全世界形成了一個材料熱加工工藝模擬研究的熱潮。在最近幾十年召開的材料熱加工各專業(yè)的國際會議上，該領(lǐng)域的論文數(shù)量居各類論文的首位；另外，從1981年開始，每兩年還專門召開一屆鑄造和焊接過程的計算機數(shù)值模擬國際會議，鍛壓及熱處理專業(yè)也定期分別召開計算機數(shù)值模擬的學(xué)術(shù)會議，如NUMIFORM和NUMISHEET會議。另外，針對高分子材料在注塑成形過程中的優(yōu)化控制，也相繼開展了非牛頓流體的充型、保壓、冷卻過程的數(shù)值模擬工作，形成了金屬、非金屬材料并進的局面。

在研究開發(fā)工作的同時，工藝模擬技術(shù)已經(jīng)開始在熱加工工藝生產(chǎn)中得到了比較廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，已有MSC公司的MARC、NASTRAN、AutoForge、SuperModel和ANSYS公司的ANSYS以及其他公司的一些通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)值模擬軟件得到了廣泛應(yīng)用。在軍事、航空航天、汽車、機械制造、造船、核能等重要的制造業(yè)部門中，這一技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，世界最大的有限元分析和計算機仿真軟件供應(yīng)商——美國MSC公司的產(chǎn)品就覆蓋了100多個國家中92%的機械制造部門、97%的汽車公司、95%的航空航天部門、98%的軍事研究及國防部門。美國福特、通用汽車公司在開發(fā)新車型時，已將板材沖壓過程的數(shù)值模擬作為一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。德國則應(yīng)用此技術(shù)對400噸重的核電轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造工藝進行了校核、優(yōu)化，確保了一次制造成功。同時，數(shù)值模擬已逐步成為新工藝研究開發(fā)的重要手段和方法。在工業(yè)發(fā)達國家，應(yīng)用可靠的商業(yè)軟件進行數(shù)值模擬已成為與實驗同樣重要的實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、開發(fā)新工藝的基本研究手段。我國一些重要的研究院所和大學(xué)也已開始應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)替代部分實驗。

4．發(fā)展趨勢

(1)模擬研究的變量從宏觀向微觀發(fā)展。材料熱加工工藝模擬的研究工作已普遍由建立在溫度場、速度場、變形場基礎(chǔ)上的旨在模擬預(yù)測宏觀形狀、尺寸等宏觀改尺度上的模擬(mm—m級)進入到以預(yù)測顯微組織結(jié)構(gòu)和性能為目的的微觀尺度(mm—μm級)上的模擬，研究對象中也包含了結(jié)晶、再結(jié)晶、相變等微觀層次上的變化過程，甚至達到了單個晶粒的尺度。

(2)模擬對象的變化從單一物理場向多種物理耦合發(fā)展。為真實模擬復(fù)雜的熱加工過程，模擬功能已由單一的溫度場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場的模擬普遍進入了多種物理場相互耦合集成的階段。在耦合場的模擬中，熱加工工藝模擬最常見的熱力耦合就是溫度場與應(yīng)力/應(yīng)變場的耦合分析。此外還有流場—溫度場、應(yīng)力/應(yīng)變場—電磁場等的耦合。

(3)研究重點已從共性、通用的問題轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ?、特殊、極端問題的模擬。隨著建立在溫度場、流場、應(yīng)力/應(yīng)變場數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的常規(guī)熱加工工藝模擬技術(shù)的日益成熟和商業(yè)化軟件的不斷出現(xiàn)和完善，一些共性、通用的問題的模擬已經(jīng)進入成熟應(yīng)用階段，研究工作的前沿已經(jīng)轉(zhuǎn)向了特殊工藝或極端工藝條件的模擬研究，用以解決特種熱加工工藝的模擬和工藝優(yōu)化問題，深入認識并預(yù)防和消除熱加工過程中出現(xiàn)的各種缺陷。

(4)重視數(shù)值算法和物理模型的基礎(chǔ)研究，以從根本上提高數(shù)值模擬的精度和效率。為達到這一目的，現(xiàn)在研究較多的方向有熱加工過程基本理論、缺陷形成的機理和數(shù)值判據(jù)、精度和效率更高的數(shù)值求解算法等。

(5)重視物理模擬技術(shù)和精確測試技術(shù)的研究。物理模擬是揭示工藝過程本質(zhì)，獲得準(zhǔn)確的判據(jù)，檢驗、校核數(shù)值模擬結(jié)果的有力手段。其在模擬研究中得到了越來越多的重視，有以下一些新動向：

①應(yīng)用新技術(shù)成果，設(shè)計、開發(fā)新型物理模擬實驗方法和裝置。

②注重物理模擬與數(shù)值模擬的合理搭配應(yīng)用，根據(jù)模擬研究對象的不同，合理確定兩者的應(yīng)用比例。一般認為，工件越大，設(shè)備越龐大，則數(shù)值模擬的作用和工作量越大。以美國凈成形工程研究中心(NSM/ERC)的研究工作為例，數(shù)值模擬上工作的大致比例為：模鍛：80%；管件液壓成形：50%；切削：30%。通常，物理模擬由于代價較大，用作檢驗和校核數(shù)值模擬手段。要在準(zhǔn)確了解數(shù)值模擬軟件的功能、不足和產(chǎn)生誤差的大小與因素等的基礎(chǔ)上，通過實驗或物理模擬進行修正。NSM/ERC在管件成形研究中，先采用實驗確定單道次脹形機理并修正有限元數(shù)值模擬的誤差后，用有限元方法進行多道次工藝模擬，并完成預(yù)成形與最終脹形工序的協(xié)調(diào)，這樣就充分發(fā)揮了兩者的長處。通常認為，數(shù)值模擬均需實驗或物理模擬方法校核，當(dāng)兩者有較大差別時，應(yīng)以物理模擬或?qū)嶒灋闇?zhǔn)。③重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測試與積累。為要模擬材料的熱加工過程，需要確定大量與工件、模具相關(guān)的參數(shù)。

(6)注重工藝模擬與生產(chǎn)系統(tǒng)其他技術(shù)環(huán)節(jié)的結(jié)合與集成，成為先進制造系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)在，工藝模擬的應(yīng)用已經(jīng)與產(chǎn)品和模具的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)、零件的加工制造系統(tǒng)、零件的可靠性等方面有了較好的結(jié)合。

(7)在數(shù)值模擬研究中，選擇適當(dāng)?shù)纳虡I(yè)軟件平臺，結(jié)合具體問題進行二次開發(fā)或針對特殊問題進行改良，已經(jīng)成為一種非常簡便高效的研究模式。

3.3.1古代機器人和工業(yè)機器人的由來

人類很早就向往著造出一種像人一樣聰明靈巧的機器。這種追求和愿望，在各種神話故事里得到充分的體現(xiàn)，而且古代人在當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)水平下也曾制造出許多構(gòu)思巧妙的“機器人”。3.3工業(yè)機器人(IndustrialRobot)早在公元前3世紀(jì)的古代希臘神話中就描述過一個克里特島的青銅巨人“太羅斯”，這是作者為了塑造一個國王衛(wèi)士的形象而虛構(gòu)出來的“人工造人”。“太羅斯”的身體由青銅材料制成，刀槍不入，力量無窮，它每天在島上巡邏數(shù)次，防止外來人偷渡到克里特島上來。它可以扔下巨石砸沉船只，也可以使自己的身體變得熾熱，以燒死周圍的敵人。

1879年，在一位法國作家寫的題為“未來的夏娃”小說中，也曾經(jīng)出現(xiàn)過美麗的人工造人“阿達里”，它是由齒輪、發(fā)條、電線、電鈕組成的復(fù)雜機器。但它的皮膚柔軟，頭腦可以思考問題，外形和人一模一樣。我國有關(guān)機器人的傳說可追溯到公元前數(shù)百年的遠古時代。成書于魏晉年代(公元220年～公元420年)的《列子·湯問篇》記述了公元前900多年周穆王出游曾遇到一位叫做偃師的巧匠，他做了一個會走動能歌舞，“千變?nèi)f化，惟意所適”，稱為“倡者”的機器人，所用原料不外“革、木、膠、漆、白、黑、丹、青……”等，結(jié)構(gòu)特點是“內(nèi)則肝、膽、心、肺、脾、腎、腸、胃，外則筋骨、支節(jié)、皮毛、齒發(fā)，皆假物也”。

2000多年以前，我國就出現(xiàn)了自動定向指南車，車輛運動過程中木人的手總指向南方，可以說這是一種定向機器人。傳說中三國(公元220年～公元280年)時諸葛亮創(chuàng)造的木牛流馬可能是一種人機型的移動機器人。我國宋代科學(xué)家沈括在他的“夢溪筆談”書中記載了一個“動木人抓老鼠”的故事：“慶歷中有一術(shù)士，姓李，多巧思。嘗木刻一舞鐘馗，高二、三尺，右手持鐵簡。以香餌置鐘馗左手中，鼠緣手取食，則左手厄鼠，右手用簡斃之?！?/p>

17世紀(jì)以后，隨著各種機械裝置的發(fā)明和應(yīng)用，特別是隨著機械計時裝置的發(fā)展，先后出現(xiàn)了各種由發(fā)條、凸輪、齒輪和杠桿驅(qū)動且具有人形的自動機械裝置。19世紀(jì)就出現(xiàn)了由人自己牽動的靈活的假肢。19世紀(jì)末發(fā)明了內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車原型，它們不是機器人但卻發(fā)展成為今日世界上數(shù)量最多的人機型移動機器。

20世紀(jì)初，隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了各種自動機械裝置的電氣驅(qū)動和開關(guān)量控制。英語中的機器人即Robot，來源于斯拉夫語系，它是捷克作家K．Capek1920年在他的劇本《羅沙姆萬能機器人公司》中提出的。

現(xiàn)代機器人實體的誕生大致可以追溯到20世紀(jì)40年代，當(dāng)時由于核工業(yè)的興起，為了處理放射性材料采用了主從機械手，同時期還出現(xiàn)了電子計算機。1951年，美國麻省理工學(xué)院(MIT)開發(fā)成功第一代數(shù)控銑床。1954，美國人GeorgeC.

Devol在他申請的專利“Programmedarticletransfer”中，首次提出了“示教/再現(xiàn)機器人的概念”。1958年，美國推出了世界上第一臺工業(yè)機器人實驗樣機。工業(yè)機器人(IndustrialRobot，簡稱IR)是1960年由《美國金屬市場》報首先使用的。不久，Condec公司與Pulman公司合并，成立了Unimation公司，并于1961年制造出了用于模鑄生產(chǎn)的工業(yè)機器人(命名為Unimation)。與此同時，美國AMF公司也研制生產(chǎn)出了另一種可編程的通用機器，并以“IndustrialRobot”(工業(yè)機器人)為商品廣告投入市場。1970年4月，在伊利諾伊工學(xué)院召開了第一屆全美工業(yè)機器人會議。當(dāng)時在美國已有200余臺工業(yè)機器人用于自動生產(chǎn)線上。日本的豐田和川崎公司于1967年分別引進了美國的工業(yè)機器人技術(shù)，經(jīng)過消化、仿制、改進、創(chuàng)新，到1980年，機器人技術(shù)在日本取得了極大的成功與普及。1980年被日本人稱之為“日本的機器人元年”?，F(xiàn)在，日本擁有工業(yè)機器人的臺數(shù)約占世界總臺數(shù)的65%。

我國機器人技術(shù)起步較晚，但近年來也有了很大的發(fā)展。1987年，北京首屆國際機器人展覽會上，我國展出了10余臺自行研制或仿制的工業(yè)機器人。經(jīng)過“七五”、“八五”攻關(guān)，我國研制和生產(chǎn)的工業(yè)機器人已達到了工業(yè)應(yīng)用水平。3.3.2工業(yè)機器人的定義

機器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長足的進步。走向成熟的工業(yè)機器人和各種用途的特種機器人的實用化，昭示著機器人技術(shù)燦爛的明天。那么，何為機器人？

在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型、新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。

其實并不是人們不想給機器人一個完整的定義，自機器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機器人。但隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時代的到來，機器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。

關(guān)于工業(yè)機器人，目前世界各國尚無統(tǒng)一定義，分類方法也不盡相同?？ɡ谞枴げ榕嗫俗钤缃o“機器人”所下的定義是：“有勞動能力，沒有思考能力，外形像人的東西。”日本對工業(yè)機器人提出了各種定義，由于所強調(diào)的重點不同，因此差別較大。1971年日本通產(chǎn)省“工業(yè)機器人制造業(yè)高度化計劃”中的定義說：“工業(yè)機器人是整機能夠回轉(zhuǎn)，有抓取(或吸住)物件的手爪和能夠進行伸縮、彎曲、升降(俯仰)、回轉(zhuǎn)及其復(fù)合動作的臂部，帶有記憶部件，可部分地代替人進行自動操作的具有通用性的機械”。另據(jù)報導(dǎo)，日本對現(xiàn)代工業(yè)機器人還有作如下定義的，即“具有人體上肢(臂、手)動作功能，可進行多種動作的裝置；或者具有感覺功能，可自主地進行多種動作的裝置(智能機器人)”。美國機器人協(xié)會(RIA)定義的機器人是“一種用于移動各種材料、零部件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序化的動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機”。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義是“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機。這種操作機具有多個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零部件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)”。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643—90將工業(yè)機器人定義為“一種能自動定位控制，可重復(fù)編程的，多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C定義為“一種機器，其機構(gòu)通常由一系列互相鉸接或相對滑動的構(gòu)件所組成。它通常有幾個自由度，用以抓取或移動物體(工具或工件)”。

所以對工業(yè)機器人可以理解為：擬人手臂、手腕和手功能的機械電子裝置；它可把任一物件或工具按空間位(置)姿(態(tài))的時變要求進行移動，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求，如夾持焊鉗或焊槍，對汽車或摩托車車體進行點焊或弧焊；搬運壓鑄或沖壓成型的零件或構(gòu)件；進行激光切割；噴涂；裝配機械零、部件等。應(yīng)當(dāng)認識到工業(yè)機器人和機械手是有區(qū)別的，見表3-1。前者具有獨立的控制系統(tǒng)，可通過編程方法實現(xiàn)動作程序的變化；而后者則只能完成簡單的搬運、抓取及上下料工作，一般作為自動機和自動線上的附屬裝置，其程序固定不變。表3-1工業(yè)機器人和機械手的區(qū)別有人把機器人分為“類人型”和“非人型”兩種，目前所說的工業(yè)機器人屬于“非人型”。因為無論從它的外形或結(jié)構(gòu)來說，都和人有很大差異。但是，它雖然不完全具備人體的許多機能(如四肢多自由度靈活運動機能、五官的感覺機能等)，但在做某些動作時，它具有和人相同甚至超過人的能力。

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，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高。它可以根據(jù)外部來的指令信號，自動進行各種操作?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了工業(yè)機器人向智能化發(fā)展的可能性。目前，依靠先進技術(shù)(如電子計算機、各種傳感器和伺服控制系統(tǒng)等)能使工業(yè)機器人具有一定的感覺、識別、判斷功能，并且這種具有一定智能的機器人已經(jīng)開始在生產(chǎn)中運用。

中國工程院院長宋健指出：“機器人學(xué)的進步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動化”。機器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術(shù)的作用和影響。3.3.3工業(yè)機器人的組成

目前使用的工業(yè)機器人多半是代替人上肢的部分功能，按給定程序、軌跡和要求，實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測機構(gòu)組成。

1．執(zhí)行系統(tǒng)

(1)手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)。其作用是直接抓取和放置物件(或工具)。

(2)腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件。其作用是調(diào)整或改變手部的方位(姿態(tài))。

(3)臂部：又稱手臂，是支承腕部的部件。其作用是承受物件或工具的荷重，并把它傳送到預(yù)定的工作位置。有時也將手臂和手腕統(tǒng)稱為臂部。

(4)立柱：是支承手臂的部件。其作用是帶動臂部運動，擴大臂部的活動范圍，如臂部的回轉(zhuǎn)、升降和俯仰運動都與立柱有密切聯(lián)系。

(5)行走機構(gòu)：目前大多數(shù)工業(yè)機器人沒有行走機構(gòu)，一般由機座支承整機。行走機構(gòu)是為了擴大機器人使用空間，實現(xiàn)整機運動而設(shè)置的。其有兩種形態(tài)：模仿動物步行形態(tài)的足；模仿車子行走形態(tài)的滾輪。

2．驅(qū)動系統(tǒng)

該系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置，常用的是液壓傳動、氣壓傳動和電傳動等。

3．控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作。對示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人來說，是指包括示教、存儲、再現(xiàn)、操作等各環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)。按控制信號對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時對機器人的動作進行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號?？刂葡到y(tǒng)還對生產(chǎn)系統(tǒng)(加工機械和其他輔助設(shè)備)的狀況作出反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的動作?？刂葡到y(tǒng)是反映一臺工業(yè)機器人的功能和水平的核心部分。

4．檢測機構(gòu)

該系統(tǒng)通過各種檢測器、傳感器，檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，在與設(shè)定值進行比較后，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，以保證其動作符合設(shè)計要求，主要是對位置、速度和力等各種外部和內(nèi)部信息進行檢測。3.3.4工業(yè)機器人的分類

目前還沒有統(tǒng)一的機器人的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的要求可進行不同的分類。

1．按驅(qū)動方式分類

(1)液動式。液壓驅(qū)動機器人通常由液壓機(各種油缸、油馬達)、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行工作。通常它具有很大的抓舉能力(高達幾百公斤以上)，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動，防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。

(2)氣動式。其驅(qū)動系統(tǒng)通常由汽缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。其特點是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

(3)電動式。電力驅(qū)動是目前機器人使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大(關(guān)節(jié)型的持重已達400

kg)，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用步進電機、直流伺服電機以及交流伺服電機(其中交流伺服電機為目前主要的驅(qū)動形式)。由于電機速度高，通常須采用減速機構(gòu)(如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構(gòu)等)。目前，有些機器人已開始采用無減速機構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機進行直接驅(qū)動，這既可以使機構(gòu)簡化，又可提高控制精度。

(4)混合驅(qū)動。液—氣或電—液混合驅(qū)動。

2．按用途分類

(1)搬運機器人。這種機器人用途很廣，一般只需點位控制，即被搬運零件無嚴(yán)格的運動軌跡要求，只要求始點和終點位置準(zhǔn)確。如機床上用的上、下料機器人，工件堆垛機器人以及彩管搬運機器人等。

(2)噴涂機器人。這種機器人多用于噴漆生產(chǎn)線上，重復(fù)位姿精度要求不高。但由于噴霧易燃，因此一般采用液壓驅(qū)動或交流伺服電機驅(qū)動。

(3)焊接機器人。這是目前使用最多的一類機器人，它又可分為點焊和弧焊兩類。點焊機器人負荷大、動作快，工作點的位姿要求較嚴(yán)，一般要有6個自由度?；『笝C器人負載小、速度低，通常有5個自由度即能進行焊接作業(yè)。為了更好地滿足焊接質(zhì)量對焊槍姿勢的要求，伴隨機器人的通用化和系列化，現(xiàn)在大多使用6自由度機器人。弧焊對機器人的運動軌跡要求較嚴(yán)，必須實現(xiàn)連續(xù)路徑控制，即在運動軌跡的每一點都必須實現(xiàn)預(yù)定的位置和姿態(tài)要求。

(4)裝配機器人。這類機器人要有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性。目前大多用于機電產(chǎn)品的裝配作業(yè)。

(5)專門用途的機器人。例如醫(yī)用護理機器人、航天用機器人、探海用機器人以及探險作業(yè)機器人等。

3．按操作機的位置機構(gòu)形式和自由度數(shù)量分類

機器人操作機的位置機構(gòu)形式是機器人重要的外形特征，故常用作分類的依據(jù)。按這一分類標(biāo)準(zhǔn)，機器人可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球(極)坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機器人(或擬人機器人)。

操作機本身的軸數(shù)(自由度數(shù))最能反應(yīng)機器人的工作能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類機器人可分為4軸(自由度)、5軸(自由度)、6軸(自由度)和7軸(自由度)等機器人。

按其他的分類方式，機器人還可分為點位控制機器人和連續(xù)控制機器人；按負載大小可分為重型、中型、小型、微型機器人；按機座形式分為固定式和移動式機器人；按操作機運動鏈的形式可分為開鏈?zhǔn)健㈤]鏈?zhǔn)?、局部閉鏈?zhǔn)綑C器人；按應(yīng)用機能又可分為順序控制機器人、示教再現(xiàn)機器人、數(shù)值控制機器人、智能機器人等。3.3.5現(xiàn)有工業(yè)機器人的應(yīng)用技術(shù)

1．工業(yè)機器人運動學(xué)

機器人是由用若干關(guān)節(jié)(運動副)連在一起的構(gòu)件所組成的具有多個自由度的開鏈型空間連桿機構(gòu)。開鏈的一端固接在機座上，另一端是末端執(zhí)行器，中間由一些構(gòu)件(剛體)用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串連而成。機器人運動學(xué)就是要建立各運動構(gòu)件與末端執(zhí)行器空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系，為機器人運動的控制提供分析的手段和方法。

機器人運動學(xué)主要研究兩個問題：一個是運動學(xué)正問題，即給定機器人手臂、腕部等各構(gòu)件的幾何參數(shù)及連接各構(gòu)件運動的關(guān)節(jié)變量(位置、速度和加速度)，求機器人末端執(zhí)行器對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)；另一個是運動學(xué)逆問題，即已知各構(gòu)件的幾何參數(shù)，機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求是否存在實現(xiàn)這個位姿的關(guān)節(jié)變量及有幾種解。

2．工業(yè)機器人動力學(xué)

工業(yè)機器人動力學(xué)主要是研究其機構(gòu)的動力學(xué)。研究的主要目的是解決如何來控制工業(yè)機器人的問題，同時為工業(yè)機器人的最優(yōu)化設(shè)計提供有力的證據(jù)。

在工業(yè)機器人動力學(xué)的研究中，要解決的問題很多，但歸納起來不外乎兩大類。第一類問題是動力學(xué)的力分析，或稱之為動力學(xué)的正問題。它是指已知系統(tǒng)必要的運動，通過運動學(xué)分析，計算與已知運動鏈各連桿間的位移、速度和加速度，而后求得各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力或反力。第二類問題是動力學(xué)的運動分析，或稱之為動力學(xué)的逆問題。它是指已知作用在機構(gòu)上的外力和各關(guān)節(jié)上的驅(qū)動力，計算各關(guān)節(jié)和連桿的加速度和反力，而后對加速度進行積分，求得所需要的速度和位移。

研究和解決工業(yè)機器人動力學(xué)問題的方法很多，主要有兩種最常用的方法：拉格朗日方程法和牛頓-歐拉方程法。

3．工業(yè)機器人控制技術(shù)

控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的重要組成部分，它的機能類似于人的大腦。工業(yè)機器人要與外圍設(shè)備協(xié)調(diào)動作，共同完成作業(yè)任務(wù)，就必須具備一個功能完善、靈敏可靠的控制系統(tǒng)。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)總的可分為兩大部分：一部分是對其自身運動的控制，另一部分是工業(yè)機器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。工業(yè)機器人控制研究的重點是對自身的控制。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等項。其中有些項目的控制是非常復(fù)雜的，這就決定了工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點：

(1)工業(yè)機器人的控制與其機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)有著密不可分的關(guān)系，因而要使工業(yè)機器人的臂、腕及末端執(zhí)行器等部位在空間具有準(zhǔn)確無誤的位姿，就必須在不同的坐標(biāo)系中描述它們，并且隨著基準(zhǔn)坐標(biāo)系的不同而要做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，同時要經(jīng)常求解運動學(xué)和動力學(xué)問題。

(2)描述工業(yè)機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，隨著工業(yè)機器人的運動及環(huán)境而改變。又因為工業(yè)機器人往往具有多個自由度，所以引起其運動變化的變量不止一個，而且各個變量之間一般都存在耦合問題。這就使得工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)不僅是一個非線性系統(tǒng)，而且是一個多變量系統(tǒng)。

(3)對工業(yè)機器人的任一位姿都可以通過不同的方式和路徑達到，因而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)還必須解決優(yōu)化的問題。

要有效地控制工業(yè)機器人，其控制系統(tǒng)就必須具備以下的功能：

(1)示教再現(xiàn)功能。示教再現(xiàn)功能是指在執(zhí)行新的任務(wù)之前，預(yù)先將作業(yè)的操作過程示教給工業(yè)機器人，由其再現(xiàn)示教的內(nèi)容，以完成作業(yè)任務(wù)。

(2)運動控制功能。運動控制功能是指對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的位姿、速度、加速度等項的控制。工業(yè)機器人的控制方式有多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，主要可分為點位控制方式和連續(xù)軌跡控制方式。點位控制又稱PTP控制，其特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿?？刂茣r只要求工業(yè)機器人快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動，而對達到目標(biāo)點的運動軌跡(包括移動路徑和運動姿態(tài))則不作任何規(guī)定。連續(xù)軌跡控制又稱CP控制，其特點是連續(xù)地控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運動，而且速度可控，軌跡光滑且運動平穩(wěn)，以完成作業(yè)任務(wù)。

4．工業(yè)機器人語言

使用工業(yè)機器人語言進行作業(yè)程序設(shè)計，使得包含感覺處理的復(fù)雜作業(yè)邏輯的編程成為可能，而且，也容易把各種基本的動作作為別的作業(yè)可以利用的通用程序庫存儲起來。

通用的工業(yè)機器人的語言一般都具有以下幾個特點：

(1)十分簡潔地描述工業(yè)機器人的作業(yè)動作及工作環(huán)境，能描述復(fù)雜的操作內(nèi)容、操作工藝和操作過程，并用盡可能簡要的程序來實現(xiàn)。

(2)和一般的實用程序語言一樣，具有結(jié)構(gòu)簡明，概念統(tǒng)一，容易擴展等特點。

(3)隨著工業(yè)機器人語言的不斷開發(fā)和研制，它們越來越接近自然語言，并且具有良好的對話性、兼容性、開發(fā)性和擴展性。

根據(jù)對作業(yè)任務(wù)描述水平的高低，機器人的語言通?？煞譃閯幼骷?、對象級和工作級三個級別。動作級的語言是以末端執(zhí)行器的動作作為描述的中心，由一系列動作命令指令組成，即把機器人的動作用命令語句來表達。對象級的語言是以改變對象狀態(tài)為著眼點編程的，即以對象物之間的相互關(guān)系為中心來描述作業(yè)，與機器人的動作沒有關(guān)系。