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

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

在機械制造領域中，全球化經濟的形成對產品的質量、產品更新換代的速度以及產品的生產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計制造技術才能符合時代的需求。計算機技術和機械設計制造技術相互結合、滲透，就產生了計算機輔助設計與輔助制造(ComputerAidedDesignandManufacturing)技術，簡稱CAD/CAM。3.1CAD/CAPP/CAM一體化技術3.1.1CAD技術

1．概述

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

究竟什么是CAD？CAD技術可以從兩個角度給予定義。

(1)

CAD是一個過程?！肮こ碳夹g人員以計算機為工具，運用各自的專業知識，完成產品設計的創造、分析和修改，以達到預期的設計目標?！?/p>

(2)

CAD是一項產品建模技術?！癈AD技術把產品的物理模型轉化為產品的數據模型，并將之存儲在計算機內供后續的計算機輔助技術所共享，驅動產品生命周期的全過程。”

圖3-1所示為CAD技術整個過程的流程圖。

圖3-1CAD技術過程流程

CAD的功能一般可歸納為四類：幾何建模、工程分析、動態模擬、自動繪圖。一個完整的CAD系統，由科學計算、圖形系統和工程數據庫等組成。科學計算包括有限元分析、可靠性分析、動態分析、產品的常規設計和優化設計等。圖形系統包括幾何造型、自動繪圖(二維工程圖、三維實體圖)和動態仿真等。工程數據庫對設計過程中需要使用和產生的數據、圖形、文檔等進行存儲和管理。

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

2．CAD系統的組成

典型的CAD系統的構成如圖3-2所示。當然，對于不同類型產品的不同要求，所需的CAD系統硬件也會有所不同。

圖3-2CAD系統的組成目前的CAD根據所用計算機的規格性能，大致分為以下四個層次。

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

(2)成套系統。它是基于中小型計算機的CAD系統，由CAD供應商根據企業要求提供全部硬件及軟件，企業人員只要經過培訓即可投入使用。

(3)基于工作站的CAD系統。它具有較強的圖形及網絡功能。

(4)基于微機的CAD系統。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(數字化儀)等，就能構成一個基本的CAD工作站。它可以滿足初步的計算機輔助設計要求。目前微機的價格低，而性能接近早期的工作站。所以，目前發展以微機為基礎的CAD，使眾多的中小型企業能開展針對本企業產品的CAD，有很大的意義。

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

1．CAPP的產生

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

工藝設計必須分析和處理大量的信息，既要考慮產品設計圖上有關結構形狀、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加工方法、加工設備、生產條件、加工成本及工時定額，甚至傳統習慣等方面的信息。工藝設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，選擇設備、工裝、切削參數，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。

高速發展的計算機技術為工藝設計的自動化奠定了基礎。計算機能有效地管理大量數據，并進行快速準確的計算，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。這些優勢正是工藝設計所需要的，于是計算機輔助工藝設計(CAPP)便應運而生。

CAPP是利用計算機技術，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程設計工作的一項技術。CAPP系統不但能利用工藝人員的經驗知識和各種工藝數據進行科學的決策，自動生成工藝規程，還能自動計算工藝尺寸，繪制工序圖，選擇切削參數，對工藝設計結果進行優化，從而設計出一致性良好、高質量的工藝規程。另外，由于計算機中存儲的信息可以反復利用，從而大大提高了工藝設計的效率。

2．CAPP的類型

CAPP系統按其工作原理可分為派生式、創成式和混合式三類。

1)派生式CAPP系統

根據成組技術相似性原理，如果零件的結構形狀相似，則它們的工藝規程也有相似性。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準工藝的形式出現，它可以集中專家、工藝人員的集體智慧和經驗及生產實踐的總結制訂出來，然后存儲在計算機中。當為一個新零件設計工藝規程時，從計算機中檢索標準工藝文件，然后經過一定的編輯和修改就可以得到該零件的工藝規程。

當一個企業生產的大多數零件相似程度較高，劃分成的零件族數較少，而每族中包括的零件種數很多時，該方式有明顯的優點。該方式存在的問題是不能擺脫對有經驗的工藝編制人員的依賴，不易適應生產技術和生產條件的發展。

2)創成式CAPP系統

創成式CAPP系統是指由計算機軟件系統根據加工能力知識庫和工藝數據庫中加工工藝信息和各種工藝決策邏輯，自動設計出零件的工藝規程。該系統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，計算切削參數和加工時間、加工成本，以及對工藝過程進行優化。人的任務僅在于監督計算機的工作，并在計算機決策過程中做一些簡單問題的處理，對中間結果進行判斷和評估等。

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

3)混合式CAPP系統

混合式CAPP系統是將派生式和創成式互相結合，綜合采用兩種方法的優點。它沿用派生式為主的檢索——編輯原理；當零件不能歸入系統已存在的零件族時，則轉向創成式工藝設計，或在工藝編輯時引入創成式的決策邏輯原理。目前世界各國研制出的號稱創成式的CAPP系統，實際都屬于這一類型，它們僅具有有限的創成功能。

評價一個CAPP系統水平的高低，不在于創成的決策數目多少，而在于能否不依賴于工藝人員的知識與經驗，自動可靠地編制出高質量的工藝規程。企業開發CAPP系統時，應針對自己的產品和生產條件，從實際需求與效果出發，處理好“創成”、“檢索”、“選擇”、“規定”的關系。

3．CAPP的發展趨勢和存在的問題

CAPP技術從20世紀60年代末誕生以來，其研究開發工作一直在國內外蓬勃發展，而且逐漸引起人們的重視。遺憾的是，盡管國內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，但應用基礎還不很牢固，研究開發方向也和當前的實際需求有較大差距。CAPP系統的開發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，它直接關系到CAPP系統能否真正實用化和商品化。事實證明，在CAD系統出圖紙后，由CAPP系統使用者對照已有的圖紙手工再次輸入零件信息的方法，在生產中是不受歡迎的。

(2)

CAPP系統的通用性問題。工藝設計是一項個性很強的工作，由于工藝決策問題本身的復雜性，其制約的因素很多且不易把握，導致設計CAPP系統十分費力費時。想解決CAPP系統的通用性問題，就必須解決CAPP系統結構、方法上的許多基礎問題，解決工藝設計過程中的大量規范化、標準化的問題。

(3)

CAPP系統的柔性問題。CAPP系統的應用環境千差萬別，CAPP開發者應向用戶提供多種設計手段，以滿足用戶的不同需求。

(4)工藝決策數據與知識的獲取、表達和相應數據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和產品，是CAPP系統需迫切解決的問題。

(5)探索和研究有效的工藝決策方法和系統結構等問題。

(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技術的發展。

2)

CAPP系統的發展趨勢

縱觀先進制造技術與先進制造系統的發展可以看出，未來的制造業是集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“網絡化”制造，未來的產品是基于信息和知識的產品，而CAPP系統的智能化、集成化和廣泛應用是實現產品工藝過程信息化的前提，是實現產品設計與產品制造全過程集成的關鍵性環節之一。

(1)集成化趨勢。計算機集成制造是現代制造業的發展趨勢。因此，未來的CAPP系統除了與CAD和CAM集成以外，還應能與制造自動化系統MAS、管理信息系統MIS以及質量檢測與控制系統CAQ等集成，這種集成已不是普通意義上的集成，而是統一在工程數據庫上的集成。近幾年，人們還提出了面向并行工程的CAPP系統等，在CIMS環境下，CAPP系統接收來自CAD的產品總體信息、幾何結構信息以及精度、粗糙度等工藝信息，進行工藝規劃，并向CAD反饋產品結構的工藝評價結果；向CAM提供零件加工所需的設備、工裝、切削參數、裝夾參數和數控加工指令，并接受CAM反饋的工藝修改意見；向MIS提供工藝路線、設備、工裝、工時、材料定額等信息，并接受MIS發出的技術準備計劃、原材料庫存、刀量具狀況、設備變更等信息；向MAS提供各種工藝規程文件以及夾具、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、設備、工裝等工藝數據，以及生成質量控制計劃和質量檢測規程，接受CAQ反饋的控制數據，用以修改工藝規程。

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

②工藝決策方式多樣化。系統的工藝設計是通過推理機實現的，單一的推理控制策略不能滿足用戶的需要，系統應能給用戶提供多種工藝設計方法。

③具有功能強大、使用方便和統一標準的數據與知識庫管理平臺。④智能化輸出。系統除了可按標準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科的復雜問題，不僅業務內容廣泛、性質各異，而且許多決策大大依賴于專家個人的經驗、技術和技巧。另一方面，制造業生產環境的差別也非常顯著，要求CAPP系統具有很強的適應性和靈活性。依靠傳統的過程性軟件設計技術，如利用判定表或判定樹進行工藝決策軟件的設計等，已遠遠不能滿足工程實際對CAPP的需求。而專家系統技術以及其他人工智能技術在獲取、表達和處理各種知識的靈活性和有效性方面給CAPP的發展帶來了生機。

目前人工智能技術已越來越廣泛地應用于各種類型的CAPP系統之中，還有將人工神經元網絡理論、遺傳算法、模糊理論、黑板推理與實例推理等方法用于CAPP系統的開發中。3.1.3CAM技術

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40年代末到50年代數控機器的發展。1952年研制成功數控機床，1955年在通用計算機上研制成功自動編程系統，實現了數控編程的自動化，這標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境，輔助設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(GT)，計算機輔助工藝設計和工藝規劃(CAPP)，計算機數控技術(CNC)，計算機輔助工裝設計，計算機輔助質量管理和質量控制，計算機輔助數控編程，計算機加工過程仿真，數控加工工藝，計算機加工過程監控等。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控加工，它的輸入信息是零件的工藝路線和工序的內容，輸出信息是刀具加工時的運動軌跡和數控加工程序，其核心是數控編程和數控加工工藝的設計。計算機輔助制造是先進制造技術的重要組成部分和基礎內容，而數控編程和數控加工則是計算機輔助制造的核心內容。

CAM的應用分為CAM直接應用和CAM間接應用兩大類。

1)

CAM直接應用

CAM的直接應用就是計算機直接與制造過程連接，對制造過程進行監控和控制。這類應用可以分為計算機過程監視系統和計算機過程控制系統兩種。

(1)計算機過程監視系統。在這類系統中，計算機通過與制造系統的直接接口來監視系統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據，以監視制造系統的運行狀況。但在這種系統中，計算機并不直接對制造系統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的操作者根據計算機給出的信息去手工完成，例如數顯系統、坐標測量系統、切削力實時測量系統等。

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

2)

CAM間接應用

CAM的間接應用中，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計劃、作業調度計劃、發出指令及有關信息，以便使生產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計劃所需訂購的數量。計算機輔助車間控制——計算機用于收集和整理工廠數據，并確定各不同車間進度計劃。3.1.4CAD/CAPP/CAM集成技術

1.CAD/CAPP/CAM集成技術概述

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

CAD/CAPP/CAM集成是指將計算機輔助產品設計(CAD)、計算機輔助工藝過程設計(CAPP)、計算機輔助制造(CAM)以及零件加工等有關信息實現自動傳遞和轉換的技術。CAD、CAPP和CAM分別在產品設計自動化、工藝過程設計自動化和數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不能實現系統之間信息的自動傳遞和交換。用CAD系統進行產品設計的結果，只能輸出圖紙和有關的技術文檔，這些信息不能直接為CAPP系統所接受。進行工藝過程設計時，還需由人工將這些圖樣、文檔等紙面上的文件轉換成CAPP系統所需的輸入數據，并通過人機交互的方式輸入給CAPP系統進行處理，輸出零件加工的工藝規程。利用獨立的CAM系統進行計算機輔助數控編程時，同樣需要用人工將CAD或CAM輸出的紙面文件轉換成CAM系統所需的輸入文件和數據，然后再輸入CAM系統。

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

2．CAD/CAPP/CAM系統集成方式

CAD/CAPP/CAM系統的集成是通過不同數據結構的映射和數據交換，利用各種接口將CAD/CAPP/CAM的各應用程序和數據庫連接成一個集成化的整體。CAD/CAPP/CAM的集成涉及網絡集成、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。

(1)通過專用格式文件的集成方式。在這種方式下，對于相同的開發和應用環境，可在各系統之間協調確定數據格式的文件層次上實現系統間的互聯；而在不同的開發和應用環境下，則需要在各系統與專用數據文件之間開發專用的轉換接口進行前置或后置處理，其集成方法如圖3-3所示。該數據交換方式原理簡單，轉換接口程序易于實現，運行效率高，但無法實現廣泛的數據共享，數據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)通過標準格式數據文件的集成方式。在這種方式下，采用統一格式的中性數據文件作為系統集成的工具，各個應用子系統通過前置或后置數據轉換接口進行系統間數據的傳輸，其實現方式如圖3-4所示。在這種集成方法中，每個子系統只與標準格式的中性數據文件打交道，無需知道另外的系統細節，由此減少了集成系統中的轉換接口數，并降低了接口維護難度，便于應用者的開發和使用，是目前CAD/CAM集成系統應用較多的方法之一，許多圖形系統的數據轉換就是采用中性的標準格式數據文件，如IGES、DXF等。

(3)利用公共工程數據庫進行系統集成。這是一種較高層次的數據共享和集成方法，各子系統通過用戶接口按工程數據庫要求直接存取或操作數據庫。采用工程數據庫及其管理系統實現系統的集成，既可實現各子系統之間直接的交換，加快了系統的運行速度，又可集成系統而達到真正的數據一致、準確性、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通過標準格式數據文件的集成方式圖3-5利用工程數據庫的集成方式

3．CAD/CAPP/CAM系統集成的關鍵技術

CAD/CAPP/CAM系統的集成就是按照產品設計與制造的實際進程，在計算機內實現各應用程序所需的信息處理和交換，形成連續的、協調的和科學的信息流。因而，產生公共信息的產品造型技術、存儲和處理公共信息的工程數據庫技術、進行數據交換的接口技術、對系統的資源進行統一管理、對系統的運行進行統一組織的執行控制程序以及實現系統內部的通信和數據等，構成了CAD/CAPP/CAM系統集成的關鍵技術。這些技術的實施水平將成為衡量CAD/CAPP/CAM系統集成度高低的主要依據。

1)產品建模技術

為了實現信息的高度集成，產品建模是非常重要的。一個完善的產品設計模型是CAD/CAPP/CAM系統進行信息集成的基礎，也是CAD/CAPP/CAM系統中共享數據的核心。傳統的基于實體造型的CAD系統僅僅是產品幾何形狀的描述，缺乏產品制造工藝信息，從而造成設計與制造信息彼此分離，導致CAD/CAPP/CAM系統集成的困難。將特征概念引入CAD/CAPP/CAM系統，建立CAD/CAPP/CAM范圍內相對統一的、基于特征的產品定義模型，該模型不僅支持從設計到制造各階段所需的產品定義信息(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，能使設計和制造工程師用相同的方式考慮問題。它允許用一個數據結構同時滿足設計和制造的需要，這就為CAD/CAPP/CAM系統提供了設計和制造之間相互通信和相互理解的基礎，使之真正實現CAD/CAPP/CAM系統的一體化。因而就目前而言，基于特征的產品定義模型是解決產品建模關鍵技術的比較有效的途徑。

2)集成的數據管理技術

隨著CAD/CAPP/CAM技術的自動化、集成化、智能化和柔性化程度的不斷提高，集成系統中的數據管理問題日益復雜，傳統的商用數據庫已滿足不了上述要求。CAD/CAPP/CAM系統的集成應努力建立能處理復雜數據的工程數據處理環境，使CAD/CAPP/CAM各子系統能夠有效地進行數據交換，盡量避免數據文件和格式轉換，清除數據冗余，保證數據的一致性、安全性和保密性。采用工程數據庫方法將成為開發新一代CAD/CAPP/CAM集成系統的主流，也是系統進行集成的核心。3)產品數據交換接口技術

數據交換的任務是在不同的計算機之間、不同操作系統之間、不同數據庫之間和不同應用軟件之間進行數據通信。為了克服以往各種CAD/CAPP/CAM系統之間，甚至各功能模塊之間在開發過程中的孤島現象，統一它們的機內數據表示格式，使不同系統間、不同模塊間的數據交換順利進行，充分發揮用戶應用軟件的效益，提高CAD/CAPP/CAM系統的生產率，必須制定國際性的數據交換規范和網絡協議，開發各類系統接口。有了這種標準和規范，產品數據才能在各系統之間方便、流暢地傳輸。

4)集成的執行控制程序

由于CAD/CAPP/CAM集成化系統的程序規模大、信息源多、傳輸路徑不一，以及各模塊的支撐環境多樣化，因而沒有一個對系統的資源統一管理、對系統的運行統一組織的執行控制程序是無法實現的。這種執行控制程序是系統集成的最基本要素之一。它的任務是把各個相關模塊組織起來，按規定的運行方式完成規定的作業，并協調各模塊之間的信息傳輸，提供統一的用戶界面，進行故障處理等工作。

3.2.1模擬仿真技術的內涵

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

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

結果顯示與處理就是將數值模擬的結果經可視化處理得出工程上有意義的量和結論。仿真技術的本質是對真實的物理、化學系統或其他系統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、更安全地對系統進行設計和了解。

人們在使用仿真系統時，希望在仿真系統中與在真實系統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之中，并能通過自然感官功能與仿真系統進行交互作用。也就是說，用戶需要仿真系統具有身臨其境的逼真感。另一方面，某些實際應用領域希望從仿真系統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，需要仿真系統具有超越現實的虛擬性。這些客觀需求推動了一種新興的技術——虛擬現實(VirtualReality，VR)技術的發展。

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

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

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

1．模擬仿真技術的作用

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

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

(3)降低投資風險、節省研究開發費用。計算機仿真研究實際系統的設計、規劃，預測系統建成后的運行效果，從而增加決策的科學性，減少失誤；并在系統的設計制造過程中提供隨時修正設計的依據，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、財產的危害。例如：電力調度、汽車駕駛等技術培訓，如果從開始就在真實系統上實施，則相當危險。而用計算機仿真卻可以較好地達到目的，避免對人員、財產的危害。

(5)縮短實驗時間，不受時空限制。許多系統的實驗需要耗時幾十小時，甚至數月、數年，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，又可多次重復進行。

2．模擬仿真技術的應用

模擬仿真技術是CAD/CAPP/CAM系統中的重要技術之一。它主要應用于：

(1)產品形態仿真。例如，產品的結構形狀、外觀、色彩等形象化的屬性。

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

(3)運動學仿真。模擬機構的運動過程。

(4)零件工藝過程仿真。根據工藝路線的安排，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)生產過程仿真。例如，產品制造過程仿真，模擬工件在系統中的流動過程，展示從上料、加工、換位一直到成品入庫全部過程。3.2.3模擬仿真與虛擬設計技術的發展趨勢

模擬仿真與虛擬設計技術的發展趨勢體現在如下方面：

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

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

●為了適應VD環境的要求，高質量地跟蹤和控制仿真模型運行的方式將有很大發展；鑒于網絡環境是由多臺處理機(異構或同構)連接而成的分布仿真系統，將可支持多個子仿真系統的任務協調統一執行。分布仿真系統將成為我國電力、郵電、鐵路、金融等行業的通用技術。

●面向對象的建模仿真技術將逐步發展到面向特征、面向產品的加工和裝配等；并發仿真環境將作為并行設計技術的一種支撐技術而形成通用的支撐系統；專家系統、模糊決策和人工神經網絡技術將全面引入仿真系統。在仿真建模、仿真實驗設計、仿真結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的適應性和仿真的準確性，形成高效的智能仿真系統?！?/p>

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

●

VR設備驅動軟件和用新型傳感裝置測得大量數據的高效處理軟件也將面市。ISO標準化組織將推出有關的信息交換標準。VR技術在2010年左右將普遍應用，但由于對人腦思維和人體行為的基礎研究難以在短時期內突破，故VR技術還會有一個較長的發展時期。

●仿真技術和CAD/CAPP/CAM發展的更高階段是虛擬制造技術。利用虛擬現實技術、仿真技術等在計算機上建立起的虛擬制造環境是一種接近人們自然活動的“自然”環境，人們的視覺、觸覺和聽覺都與實際環境接近。人們在這樣的環境中進行產品的開發時，可以充分發揮技術人員的想象力和創造力，相互協作發揮集體智慧，大大提高產品開發的質量和縮短開發周期。

●虛擬制造技術的發展首先是在其支撐技術的發展上取得進展，例如，虛擬設計技術、仿真技術等。特別是一些單元技術與制造業的緊密結合，更推動了這些技術的進一步發展。同時，支撐技術和單元技術的不斷成熟和在制造業中發揮越來越大的作用，也推動了虛擬制造技術的組合和集成。但由于各技術的相對獨立性，其統一的特征模型的建立、數據共享和交換等遇到了巨大的挑戰。基于STEP、EDI、TCP/IP等標準的集成技術是惟一的發展方向。

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

相信在計算機上實現產品從設計、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化設計

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

金屬材料是目前應用最為廣泛的結構材料，而熱加工又是將金屬制成零部件及工程構件的最重要的工序之一。金屬材料的熱加工過程是極其復雜的高溫、動態、瞬時的過程。在這個過程中，材料發生了一系列復雜的物理、化學變化，這一切在現有的技術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計只能建立在經驗的基礎上。近年來，隨著金屬材料的熱加工工藝模擬及優化設計技術的發展、成熟和廣泛應用，這種現象得到了很大改觀。

1．熱加工工藝模擬及優化設計技術的主要內容

熱加工工藝模擬及優化設計技術的主要實現途徑有以下三種：

(1)數值模擬(NumericalSimulation)。數值模擬是本技術領域中最重要的核心技術，一般的流程是通過建立能準確描述某一熱加工工藝過程的數學物理模型，然后應用數值方法。目前主要是有限元法，對數學物理方程求解，并以一定的方式動態、直觀地顯示工藝過程和預測的過程結果，進而根據這些模擬結果對工藝過程進行優化。

(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規律和數據的模擬方法。

(3)專家系統(ExpertSystem)。專家系統是近幾十年來人工智能領域取得的一個重要進展，它是一個計算機軟件系統，把有關領域的專家知識按一定的結構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。它包括數據庫、知識表達系統、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雜，因此對于工藝優化設計來講，專家系統也是數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，且各因素間的關系復雜，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工藝過程的動態模擬：用數值模擬的方法在一定的精度要求范圍內近似地預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，如形狀尺寸、位移、變形、應力、溫度等的演變和分布。這一層次模擬是最基本的，也是后續模擬的基礎。

②組織性能模擬及缺陷預測：預測在不同工藝條件下材料經過加工制成零件后的組織、性能和質量，其中質量的預測是以缺陷預報為主的。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果。

③優化工藝設計：通過在虛擬條件下對工藝參數的反復比較，得出最優工藝方案，變傳統工藝設計時優化工藝的試驗為計算機上修改構思。這一層次要用到大量前兩個層次模擬的結果，甚至是前兩個層次上多次模擬結果的對比。

2．熱加工工藝模擬及優化設計技術發展的意義

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

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

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

(3)是實現快速設計制造、擬實設計制造、分布設計制造的技術基礎。

(4)由于該技術領域是多學科的交叉，對應用高新技術改造傳統產業進而開拓新興工程技術學科具有重要意義。

3．國內外的發展現狀

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值模擬研究。進入20世紀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的國際會議上，該領域的論文數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值模擬國際會議，鍛壓及熱處理專業也定期分別召開計算機數值模擬的學術會議，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。

在研究開發工作的同時，工藝模擬技術已經開始在熱加工工藝生產中得到了比較廣泛的應用?，F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專用的數值模擬軟件得到了廣泛應用。在軍事、航空航天、汽車、機械制造、造船、核能等重要的制造業部門中，這一技術也得到了廣泛應用?，F在，世界最大的有限元分析和計算機仿真軟件供應商——美國MSC公司的產品就覆蓋了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新車型時，已將板材沖壓過程的數值模擬作為一個重要的技術環節。德國則應用此技術對400噸重的核電轉子鍛件的鍛造工藝進行了校核、優化，確保了一次制造成功。同時，數值模擬已逐步成為新工藝研究開發的重要手段和方法。在工業發達國家，應用可靠的商業軟件進行數值模擬已成為與實驗同樣重要的實現技術創新、開發新工藝的基本研究手段。我國一些重要的研究院所和大學也已開始應用數值模擬技術替代部分實驗。

4．發展趨勢

(1)模擬研究的變量從宏觀向微觀發展。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、變形場基礎上的旨在模擬預測宏觀形狀、尺寸等宏觀改尺度上的模擬(mm—m級)進入到以預測顯微組織結構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晶、再結晶、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展。為真實模擬復雜的熱加工過程，模擬功能已由單一的溫度場、流場、應力應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力/應變場的耦合分析。此外還有流場—溫度場、應力/應變場—電磁場等的耦合。

(3)研究重點已從共性、通用的問題轉向專用、特殊、極端問題的模擬。隨著建立在溫度場、流場、應力/應變場數值模擬基礎上的常規熱加工工藝模擬技術的日益成熟和商業化軟件的不斷出現和完善，一些共性、通用的問題的模擬已經進入成熟應用階段，研究工作的前沿已經轉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化問題，深入認識并預防和消除熱加工過程中出現的各種缺陷。

(4)重視數值算法和物理模型的基礎研究，以從根本上提高數值模擬的精度和效率。為達到這一目的，現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值判據、精度和效率更高的數值求解算法等。

(5)重視物理模擬技術和精確測試技術的研究。物理模擬是揭示工藝過程本質，獲得準確的判據，檢驗、校核數值模擬結果的有力手段。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應用新技術成果，設計、開發新型物理模擬實驗方法和裝置。

②注重物理模擬與數值模擬的合理搭配應用，根據模擬研究對象的不同，合理確定兩者的應用比例。一般認為，工件越大，設備越龐大，則數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，用作檢驗和校核數值模擬手段。要在準確了解數值模擬軟件的功能、不足和產生誤差的大小與因素等的基礎上，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，并完成預成形與最終脹形工序的協調，這樣就充分發揮了兩者的長處。通常認為，數值模擬均需實驗或物理模擬方法校核，當兩者有較大差別時，應以物理模擬或實驗為準。③重視基礎數據的測試與積累。為要模擬材料的熱加工過程，需要確定大量與工件、模具相關的參數。

(6)注重工藝模擬與生產系統其他技術環節的結合與集成，成為先進制造系統的重要組成部分。現在，工藝模擬的應用已經與產品和模具的CAD/CAE/CAM系統、零件的加工制造系統、零件的可靠性等方面有了較好的結合。

(7)在數值模擬研究中，選擇適當的商業軟件平臺，結合具體問題進行二次開發或針對特殊問題進行改良，已經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，而且古代人在當時的科學技術水平下也曾制造出許多構思巧妙的“機器人”。3.3工業機器人(IndustrialRobot)早在公元前3世紀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士的形象而虛構出來的“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，也曾經出現過美麗的人工造人“阿達里”，它是由齒輪、發條、電線、電鈕組成的復雜機器。但它的皮膚柔軟，頭腦可以思考問題，外形和人一模一樣。我國有關機器人的傳說可追溯到公元前數百年的遠古時代。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，“千變萬化，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，結構特點是“內則肝、膽、心、肺、脾、腎、腸、胃，外則筋骨、支節、皮毛、齒發，皆假物也”。

2000多年以前，我國就出現了自動定向指南車，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世紀以后，隨著各種機械裝置的發明和應用，特別是隨著機械計時裝置的發展，先后出現了各種由發條、凸輪、齒輪和杠桿驅動且具有人形的自動機械裝置。19世紀就出現了由人自己牽動的靈活的假肢。19世紀末發明了內燃機驅動的汽車原型，它們不是機器人但卻發展成為今日世界上數量最多的人機型移動機器。

20世紀初，隨著電氣技術的發展，產生了各種自動機械裝置的電氣驅動和開關量控制。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。

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

Devol在他申請的專利“Programmedarticletransfer”中，首次提出了“示教/再現機器人的概念”。1958年，美國推出了世界上第一臺工業機器人實驗樣機。工業機器人(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的工業機器人(命名為Unimation)。與此同時，美國AMF公司也研制生產出了另一種可編程的通用機器，并以“IndustrialRobot”(工業機器人)為商品廣告投入市場。1970年4月，在伊利諾伊工學院召開了第一屆全美工業機器人會議。當時在美國已有200余臺工業機器人用于自動生產線上。日本的豐田和川崎公司于1967年分別引進了美國的工業機器人技術，經過消化、仿制、改進、創新，到1980年，機器人技術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在，日本擁有工業機器人的臺數約占世界總臺數的65%。

我國機器人技術起步較晚，但近年來也有了很大的發展。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機器人。經過“七五”、“八五”攻關，我國研制和生產的工業機器人已達到了工業應用水平。3.3.2工業機器人的定義

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

在科技界，科學家會給每一個科技術語一個明確的定義，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，沒有一個統一的意見。原因之一是機器人還在發展，新的機型、新的功能不斷涌現。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。但隨著機器人技術的飛速發展和信息時代的到來，機器人所涵蓋的內容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創新。

關于工業機器人，目前世界各國尚無統一定義，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?！比毡緦I機器人提出了各種定義，由于所強調的重點不同，因此差別較大。1971年日本通產省“工業機器人制造業高度化計劃”中的定義說：“工業機器人是整機能夠回轉，有抓取(或吸住)物件的手爪和能夠進行伸縮、彎曲、升降(俯仰)、回轉及其復合動作的臂部，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”。另據報導，日本對現代工業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、工具或專用裝置的，通過程序化的動作來執行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機”。國際標準化組織(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，以執行各種任務”。

我國國家標準GB/T12643—90將工業機器人定義為“一種能自動定位控制，可重復編程的，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?！辈僮鳈C定義為“一種機器，其機構通常由一系列互相鉸接或相對滑動的構件所組成。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)的時變要求進行移動，從而完成某一工業生產的作業要求，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件；進行激光切割；噴涂；裝配機械零、部件等。應當認識到工業機器人和機械手是有區別的，見表3-1。前者具有獨立的控制系統，可通過編程方法實現動作程序的變化；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工業機器人和機械手的區別有人把機器人分為“類人型”和“非人型”兩種，目前所說的工業機器人屬于“非人型”。因為無論從它的外形或結構來說，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，而且定位精度相當高。它可以根據外部來的指令信號，自動進行各種操作?，F代科學技術的發展提供了工業機器人向智能化發展的可能性。目前，依靠先進技術(如電子計算機、各種傳感器和伺服控制系統等)能使工業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開始在生產中運用。

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

目前使用的工業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，實現自動抓取、搬運或操作的自動機械。它主要由執行系統、驅動系統、控制系統以及檢測機構組成。

1．執行系統

(1)手部：又稱手爪或抓取機構。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。其作用是調整或改變手部的方位(姿態)。

(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，并把它傳送到預定的工作位置。有時也將手臂和手腕統稱為臂部。

(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、升降和俯仰運動都與立柱有密切聯系。

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

2．驅動系統

該系統是驅動執行機構運動的傳動裝置，常用的是液壓傳動、氣壓傳動和電傳動等。

3．控制系統

該系統通過對驅動系統的控制，使執行系統按照規定的要求進行工作。對示教再現型工業機器人來說，是指包括示教、存儲、再現、操作等各環節的控制系統。按控制信號對執行機構發出指令，必要時對機器人的動作進行監視，當發生錯誤或故障時發出報警信號?？刂葡到y還對生產系統(加工機械和其他輔助設備)的狀況作出反應，產生相應的動作?？刂葡到y是反映一臺工業機器人的功能和水平的核心部分。

4．檢測機構

該系統通過各種檢測器、傳感器，檢測執行機構的運動情況，根據需要反饋給控制系統，在與設定值進行比較后，對執行機構進行調整，以保證其動作符合設計要求，主要是對位置、速度和力等各種外部和內部信息進行檢測。3.3.4工業機器人的分類

目前還沒有統一的機器人的分類標準，根據不同的要求可進行不同的分類。

1．按驅動方式分類

(1)液動式。液壓驅動機器人通常由液壓機(各種油缸、油馬達)、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統，由驅動機器人的執行機構進行工作。通常它具有很大的抓舉能力(高達幾百公斤以上)，其特點是結構緊湊，動作平穩，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，否則漏油將污染環境。

(2)氣動式。其驅動系統通常由汽缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。其特點是氣源方便，動作迅速，結構簡單，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。電力驅動是目前機器人使用的最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大(關節型的持重已達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動形式)。由于電機速度高，通常須采用減速機構(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等)。目前，有些機器人已開始采用無減速機構的大轉矩、低轉速電機進行直接驅動，這既可以使機構簡化，又可提高控制精度。

(4)混合驅動。液—氣或電—液混合驅動。

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，即被搬運零件無嚴格的運動軌跡要求，只要求始點和終點位置準確。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線上，重復位姿精度要求不高。但由于噴霧易燃，因此一般采用液壓驅動或交流伺服電機驅動。

(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，一般要有6個自由度。弧焊機器人負載小、速度低，通常有5個自由度即能進行焊接作業。為了更好地滿足焊接質量對焊槍姿勢的要求，伴隨機器人的通用化和系列化，現在大多使用6自由度機器人?；『笇C器人的運動軌跡要求較嚴，必須實現連續路徑控制，即在運動軌跡的每一點都必須實現預定的位置和姿態要求。

(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品的裝配作業。

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

3．按操作機的位置機構形式和自由度數量分類

機器人操作機的位置機構形式是機器人重要的外形特征，故常用作分類的依據。按這一分類標準，機器人可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球(極)坐標型、關節型機器人(或擬人機器人)。

操作機本身的軸數(自由度數)最能反應機器人的工作能力，也是分類的重要依據。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式、閉鏈式、局部閉鏈式機器人；按應用機能又可分為順序控制機器人、示教再現機器人、數值控制機器人、智能機器人等。3.3.5現有工業機器人的應用技術

1．工業機器人運動學

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

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

2．工業機器人動力學

工業機器人動力學主要是研究其機構的動力學。研究的主要目的是解決如何來控制工業機器人的問題，同時為工業機器人的最優化設計提供有力的證據。

在工業機器人動力學的研究中，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的力分析，或稱之為動力學的正問題。它是指已知系統必要的運動，通過運動學分析，計算與已知運動鏈各連桿間的位移、速度和加速度，而后求得各關節的驅動力或反力。第二類問題是動力學的運動分析，或稱之為動力學的逆問題。它是指已知作用在機構上的外力和各關節上的驅動力，計算各關節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。

研究和解決工業機器人動力學問題的方法很多，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．工業機器人控制技術

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

工業機器人控制系統的主要任務是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、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雜的，這就決定了工業機器人的控制系統應具有以下特點：

(1)工業機器人的控制與其機構運動學和動力學有著密不可分的關系，因而要使工業機器人的臂、腕及末端執行器等部位在空間具有準確無誤的位姿，就必須在不同的坐標系中描述它們，并且隨著基準坐標系的不同而要做適當的坐標變換，同時要經常求解運動學和動力學問題。

(2)描述工業機器人狀態和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著工業機器人的運動及環境而改變。又因為工業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。這就使得工業機器人的控制系統不僅是一個非線性系統，而且是一個多變量系統。

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

要有效地控制工業機器人，其控制系統就必須具備以下的功能：

(1)示教再現功能。示教再現功能是指在執行新的任務之前，預先將作業的操作過程示教給工業機器人，由其再現示教的內容，以完成作業任務。

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

4．工業機器人語言

使用工業機器人語言進行作業程序設計，使得包含感覺處理的復雜作業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可以利用的通用程序庫存儲起來。

通用的工業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機器人的作業動作及工作環境，能描述復雜的操作內容、操作工藝和操作過程，并用盡可能簡要的程序來實現。

(2)和一般的實用程序語言一樣，具有結構簡明，概念統一，容易擴展等特點。

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

根據對作業任務描述水平的高低，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為著眼點編程的，即以對象物之間的相互關系為中心來描述作業，與機器人的動作沒有關系。