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加快數字中國建設，就是要適應我國發展新的歷史方位，全面貫徹新發展理念，以信息化培育新動能，用新動能推動新發展，以新發展創造新輝煌?！暯降?章2.1.1

機器視覺技術

機器視覺技術是指用計算機實現人的視覺功能，也就是用計算機來實現對客觀的三維世界的識別。2.1

實現智能制造的基礎技術

機器視覺技術涉及人工智能、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理和模式識別等多個技術領域。

機器視覺系統是一種非接觸式的光學傳感器，它同時集成軟硬件，能夠自動地從所采集的圖像中獲取信息或者產生控制動作。該系統主要由三部分組成：圖像的采集（信息拾?。?、圖像的處理和分析（特征提取、模式識別和數據融合）、輸出或顯示。1.機器視覺系統的組成光源光學系統機器視覺系統的組成圖像捕捉系統圖采集卡圖像信號處理控制系統與執行機構圖像的接收與模數轉換模塊相機控制輸入輸出接口總線接口2.機器視覺系統的工作原理及工作過程

視覺系統輸出的是經過運算處理后的檢測結果，而并非視頻信號。視覺系統首先將相機攝取的目標轉換成圖像信號，然后傳送給專用的圖像處理系統；圖像處理系統根據像素分布、亮度和顏色等信息，通過模數轉換器轉換成數字信號；接著圖像系統對這些數字信號進行各種運算來提取目標的面積、長度、數量和位置等特征；緊接著根據預設的容許度和其他條件輸出尺寸、角度、偏移量、個數、合格/與否等結果；最后控制系統實時獲得檢測結果后，指揮執行機構進行相應的控制運動動作。

當工件定位檢測器探測到有物體已經運動至接近攝像系統的視野中心時，立即向圖像采集部分發送觸發脈沖。

圖像采集部分按照事先設定的程序和延時，分別向攝像機和照明系統發出啟動指令。

相機完成一幀掃描后即停止掃描，而后重新開始新的一幀掃描；或者相機在啟動脈沖來到之前處于等待狀態脈沖，待啟動脈沖到來后再啟動新一幀掃描。事先設定曝光時間，相機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構。

另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應該與相機的曝光時間匹配。一個完整的機器視覺系統的主要工作過程如下待續相機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。

圖像采集部分接收模擬視頻信號，通過A-D轉換將其數字化，或者直接接收相機數字化后的數字視頻數據。圖像采集部分將數字圖像存放在處理器或計算機的內存中。

處理器對圖像進行處理、分析和識別，獲得測量結果或邏輯控制值。處理結果控制流水線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。續前

大多數系統監控對象都是運動物體，系統與運動物體的西配和協調動作尤為重要，所以給系統各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴格的要求3.智能工廠對機器視覺的需求

機器視覺在智能制造工廠可以有效增加產能、提高產品合格率。當選擇應用小型機器視覺系統時，傳統工業智能相機的優勢是體積小、集成度高、便于開發使用；嵌人式機器視覺系統的優勢在于配置相當有彈性，可配備較高等級的CPU處理器，支持多通道相機，擴展性強。

選用機器視覺系統時，需要考慮以下因素處理器計算性能圖像傳感器的優劣生產線環境軟件開發環境2.1.2

射頻識別技術

在RFID系統中，射頻識別部分主要由閱讀器和應答器兩部分組成，閱讀器與應答器之間的通信采用無線的射頻方式進行耦合，主要靠能量、時序和數據三個方面來完成交互。閱讀器產生射頻載波為應答器提供工作所需能量閱讀器與應答器之間通常采用詢問一應答的方式進行信息交互，兩者必須遵循嚴格的時序關系，該時序也由閱讀器提供

閱讀器與應答器之間可以實現雙向數據交換，閱讀器通常采用載波間隙、脈沖位置調制、編碼解調等方法向應答器傳送命令和數據；應答器存儲的數據信息則采用對載波的負載調制方式向閱讀器傳送。

1.射頻識別技術的基本原理閱讀器應答器

能量時序數據

射頻識別具有如下特點通過電磁耦合方式實現非接觸自動識別需用無線電頻率資源，并且須遵守無線電頻率使用的眾多規范由于存放的識別信息是數字化的，因此通過編碼技術可以方便實現多種應用可以方便地進行組合建網，以完成多種規模的系統應用涉及計算機、無線數字通信、集成電路和電磁場等眾多學科

應用RFID技術的優勢

實現生產數據采集的自動化和實時化，克服企業計劃層與控制層間的“信息斷層”，及時掌握生產計劃和生產線生產狀態

有效地跟蹤、控制和管理生產所需的資源及在制品的狀態，增強生產現場物料配送的及時性和準確性，對生產過程實現透明化和可視化管理

加強生產過程質量監控和跟蹤能力，提高產品質量和生產線整體生產效率；借助RFID技術在識別、感知、聯網和定位等方面的強大功能，將其應用于復雜零件制造過程管理，可有效提升其制造效率和品質，降低裝配差錯率2.射頻識別技術在智能制造中的應用RFID技術在智能制造中的應用基于RFID技術的數字化車間管理基于RFID技術的智能產品全生命周期管理基于FDID技術的制造物流智能化

RFID技術應用于智能制造領域，將加快智能制造領域的技術創新，促進智能制造技術的快速發展，拓展智能制造的研究領域，逐步減少高品質產品制造對專家的依賴性，徹底改變現有的生產方式和制造業競爭格局。2.1.3智能檢測技術

科學技術的迅猛發展為實現檢測技術的現代化創造了條件，主要表現在三個方面

新原理、新材料、新工藝的研究成果將產生更多品質優良的新型傳感器。帶處理器的智能化儀表的出現。

國防工業和工業控制大量使用的結構型傳感器正向高穩定性、高可靠性和高精度方向發展，并且將敏感元件和電路組裝在一起，向著有源化方向發展，減小了裝置體積、提高了信噪比和精度。1.檢測技術概述工業過程檢測具有如下特點被測對象形態多樣。有氣態、液態、固態介質及其混合體，也有的被測對象具有特殊性質。被測參數性質多樣。被測變量的變化范圍寬。2.工業過程檢測檢測方式多種多樣。檢測環境比較惡劣。利用計算機及相關儀器，實現智能化和自動化的檢測過程。除了前面所述機器視覺系統、射頻識別技術外，還包括利用聲、光、磁和電等特性，不損害或不影響被檢對象使用性能的無損檢測無損檢測技術具有非破壞性、全面性、全程性、可靠性的特點3.智能檢測超聲波檢測射線檢測磁粉檢測在介質中傳播時，遇到界面會發生反射指向性好，頻率越高，指向性越好傳播能量大，對各種材料的穿透力較強

智能檢測系統和所有的計算機系統一樣，由硬件、軟件兩大部分組成。智能檢測系統的硬件部分主要包括各種傳感器、信號采集系統、處理芯片、輸入輸出接口與輸出隔離驅動電路。智能檢測系統中的傳感器（詳見節點4）4.智能檢測系統數據采集智能儀器的基本結構智能儀器的現狀與發展趨勢智能儀器的硬件部分主要包括主機電路、模擬量輸入／輸出通道、人機接口電路、標準通信接口等智能儀器的軟件部分主要包括監控程序和接口管理程序兩部分待續智能儀器的人機接口虛擬儀器概說問答對話式續前專用指令語言式菜單式預定義式盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創造出功能更強的儀器用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器智能傳感器與網絡智能傳感器

傳感器通過信號調理電路與微處理器賦予智能的結合，兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器。5.智能檢測新技術智能傳感器的功能特點提高了檢測的準確度可設置靈活的檢測窗口多種輸出形式及數字通信接口快捷方便的按鈕編程具有學習功能具有自診斷功能開發新應用更經濟、更方便待續智能傳感器網絡化的實現利用現場總線技術利用Intranet/Internet技術續前2.1.4智能傳感器

傳感技術以傳感器為核心逐漸外延，與測量學、電子學、光學、機械、材料學和計算機科學等多門學科密切相關，由多種技術相互滲透、相互結合而形成的新技術密集型工程技術，是現代科學技術發展的基礎?，F代傳感技術與現代信息技術的另外兩個支柱部分——信息傳輸技術、信息處理技術正逐漸融為一體，其內涵已發生深刻變化。1.傳感器的定義及其組成

國家標準GB/T7665—2005對傳感器的定義：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”傳感器是測量裝置，能完成檢測任務。

傳感器的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。

它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電學量，但主要是電學量。輸出與輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。2.傳感器的分類分類方法具

體

分

類按傳感器的物理量分類分為位移、力、速度、溫度、濕度、流量、氣體成分等傳感器按傳感器的工作原理分類分為電阻、電容、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器按傳感器輸出信號的性質分類分為輸出為“1”“0”或“開”“關”等開關量的開關型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器根據傳感器的能量轉換情況分類分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器，前者需要外電源供給，后者主要由能量變換元件構成，不需要外電源常用傳感器熱電傳感器（將溫度轉換成電量的裝置）應變式傳感器（利用電阻應變效應將應變轉換成電阻的相對變化）電感式傳感器（基于電磁感應原理將被測量轉換成電感量變化的裝置）電感式傳感器（基于電磁感應原理將被測量轉換成電感量變化的裝置）電容式傳感器（將被測量轉換成電容量變化的裝置）壓電式傳感器（利用某些材料的壓電效應將力轉變為電荷或電壓輸出）磁電式傳感器（過磁電作用將被測量轉換為電信號）電式傳感器（用光電元件將光能轉換成電能的一種裝置）聲波傳感器（利用超聲波的傳播特性進行工作的，其輸出為電信號）新型傳感器

光纖傳感器（分為利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的功能型傳感器和光纖僅僅起傳輸光波的作用而必須在光纖端面或中間加裝其他敏感元件才能構成傳感器的傳光型傳感器）紅外傳感器（將輻射能轉換為電能的一種傳感器，又稱為紅外探測器）氣敏傳感器（能將被測氣體濃度轉換為與其成一定關系電量輸出的裝置）

生物傳感器（利用生物或生物物質做成的、用以檢測與識別生物體內的化學成分的傳感器）機器人傳感器（能將機器人目標物特性或參量變換為電量輸出的裝置）智能傳感器（帶有微處理機且兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯恩維與判斷功能的傳感器）數字傳感器（能把被測模擬量直接轉換成數字量輸出的傳感器）輸出線性度靈敏度輸出平滑性降功耗曲線遲滯重復性分辨率與閾值穩定性漂移3.傳感器的技術指標精確度

帶有微處理器的、兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器，即將傳統的傳感器和微處理器及相關電路組成一體化的一種結構，可以對信號進行檢測、分析、處理、存儲和通信，具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能。4.智能傳感器智能傳感器的組成智能傳感器的功能具備功能具

體

內

涵自校準功能操作者輸入零值或某一標準量值后，自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。自補償功能智能傳感器在工作中可以通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移響應時間等進行自動補償。自診斷功能智能傳感器在接通電源后，可以對傳感器進行自檢，檢查各部分是否正常。在內部出現操作問題時，能夠立即通知系統，通過輸出信號表明傳感器發生故障，并可診斷出發生故障的部件。數據處理功能智能傳感器可以根據內部的程序自動處理數據，如進行統計處理、剔除異常數值等。雙向通信功能智能傳感器的微處理器與傳感器之間構成閉環，微處理器不但能夠接收、處理傳感器的數據，還可以將信息反饋至傳感器，對測量過程進行調節和控制。信息存儲和記憶功能智能傳感器對輸入信息能夠分類進行儲存，并按要求進行保留（記憶）以備后查。數字信號輸出功能智能傳感器輸出數字信號，可以很方便地和計算機或接口總線相連。智能傳感器的特點利用微處理器能提高傳感器的線性度，且能對各種特性進行補償。提高測量可靠性，測量數據可存取，對異常情況可做出應急處理。對測量值進行各種零點自校準和滿度校正，測量精度及分辨率提高。靈敏度高，可進行微小信號的測量。具有數字通信接口，能與微型計算機直接連接，相互交換信息。能進行多參數、多功能的測量，是新型智能傳感器的一大特色。正朝著超小型化、微型化、微功耗、短、小、輕、薄的方向發展.智能傳感器的分類模塊式智能傳感器混合式智能傳感器集成式智能傳感器

智能控制是智能制造的基礎之一。智能控制系統的控制流程如圖所示。在整個控制系統中，控制器居于系統的核心地位。2.1.5

智能控制器智能控制的產生背景1.智能控制產生的背景及發展智能控制的重要意義傳統控制面臨的問題

系統的設計與分析是建立在精確的系統數學模型基礎上的，而實際系統由于存在復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數學模型。

研究這類系統時，必須提出并遵循一些比較苛刻的假設，而這些假設在應用中往往與實際不相吻合。

對于某些復雜的和包含不確定性的對象，根本無法以傳統數學模型來表示，即無法解決建模問題。

為了提高性能，傳統控制系統可能變得很復雜，從而增加了設備的初投資和維修費用，降低了系統的可靠性。

應用要求進行創新，提出新的控制思想，進行新的集成開發，以解決未知環境中復雜系統的控制問題。自動控制工作者的任務

拓展視野，著力創新，發展新的控制概念和控制方法，采用非完全模型控制系統。

采用開始時知之甚少和不甚正確的，但可以在系統工作過程中加以在線改進，使之成為知之較多和日臻正確的系統模型。采用離散事件驅動的動態系統和本質上完全斷續的系統。

從這些任務可以看出，系統與信息理論以及人工智能思想和方法將深入建模過程，不把模型視為固定不變的，而是視為不斷演化的實體。所開發的模型不僅含有解析與數值，而且包含定性和符號數據。它們是因果性的和動態的，高度非同步的和非解析的，甚至是非數值的。對于非完全已知的系統和非傳統數學模型描述的系統，必須建立包括控制律、控制算法、控制策略、控制規則和協議等理論。實質上，這就是要建立智能化控制系統模型，或者建立傳統解析和智能方法的混合（集成）控制模型，而其核心就在于實現控制器的智能化。自動化控制的發展過程發展智能控制的意義為解決傳統控制無法解決的問題找到一條新的途徑。促進自動控制向著更高水平發展。激發學術界的思想解放，推動科技創新。為實現腦力勞動和體力勞動的自動化——智能化做出貢獻。為多種學派合作樹立了典范。智能控制的內涵2.智能控制的內涵及特點

智能控制是典型的多學科交叉的產物，智能控制涵蓋了人工智能、自動控制、運籌學、信息論、仿生學、系統論、心理學、計算機科學等眾多學科。其中，人工智能是智能控制產生和發展的重要基礎。

智能控制四元交集論，即認為智能控制是自動控制、人工智能、運籌學和信息論的交集，如圖所示。智能控制的功能特點學習功能適應功能自組織功能優化功能

智能控制系統通過智能機自動地完成其目標的控制過程，其智能機可以在熟悉或不熱悉的環境中自動地或人機交互地完成擬人任務。智能控制的功能特點學習功能：能夠從外界環境中獲取信息，并進行識別、記憶和學習，通過不斷地積累知識和經驗來逐步提高控制系統的性能。適應功能：在被控對象的動力學特性變化、外部環境變化、運行條件變化等情況下均能進行良好的控制，即使系統某一部分發生故障也能實現控制。自組織功能：對于復雜的任務和多種傳感器信息具有自行組織與協調的功能，當出現多目標時，可自行決策進行解決。優化功能：能不斷優化控制參數和控制系統的結構形式，以獲得最優的控制性能。除以上功能外，控制系統還應具有相當的在線實時響應能力和友好人機界面。以保證人機互助和人機協同工作。智能控制與傳統控制的關系和差別

傳統的自動控制是建立在確定的模型基礎上的，而智能控制的研究對象則存在模型嚴重的不確定性，即模型未知或知之甚少。

傳統的自動控制系統的輸入或輸出設備與人及外界環境的信息交換很不方便，而智能控制能夠更加深入而靈活地和系統進行信息交流，能夠用文字、圖紙、立體形象、語言等形式輸出信息。

傳統的自動控制系統對控制任務的要求要么使輸出量為定值（調節系統），要么使輸出量跟隨期望的運動軌跡（跟隨系統），因此具有控制任務單一性的特點，而智能控制系統的控制任務可能比較復雜，它要求系統對一個復雜的任務具有自動規劃和決策的能力等。待續

傳統的控制理論對線性問題有較成熱的理論，而智能控制為解決復雜的非線性問題以及工業過程中動態的、在線運動的問題等找到了行之有效的途徑。

與傳統自動控制系統相比，智能控制系統具有足夠的關于人的控制策略、被控對象及環境的有關知識以及運用這些知識的能力；以知識表示的非數學廣義模型和以數學表示的混合控制過程，采用開、閉環控制和定性及定量控制結合的多模態控制方式；具有變結構特點，能總體自尋優，具有自適應、自組織、自學習和自協調能力；具有補償及自修復能力和判斷決策能力。續前智能控制的主要研究內容智能控制的基礎理論和方法研究智能控制體系結構的研究基于知識系統的專家控制基于模糊系統的智能控制基于神經網絡的智能控制系統基于信息論和進化論的學習控制器研究基于感知信息的智能控制系統其他，如計算機智能集成制造系統、智能計算系統等基于學習及適應性的智能控制

基于個人計算機（PC）的控制系統：工業控制計算機和工業I/O接口板；

基于微處理器（MCU）的控制系統：包括單片機、嵌入式處理器和數字信號處理器（DSP）；基于可編程序邏輯控制器（PLC）的控制系統：順序控制；

其他控制系統：包括數控系統（NCS）、集散控制系統（DCS）和現場總線系統（FCS）等。3.智能控制器的分類專家智能控制分級遞階控制模糊控制神經網絡控制仿生智能控制仿生智能控制集成智能控制系統遺傳算法4.智能控制的幾個重要分支可編程序邏輯控制器的功能特點編程方法簡單功能強、性價比高可靠性高，抗干擾能力強系統的設計、安裝和調試工作量少維修工作量小，維修方便硬件配套齊全5.可編程序邏輯控制器可編程序邏輯控制器及其特點體積小、能耗低可編程序邏輯控制器的基本結構

CPU）是可編程序邏輯控制器的核心，它在系統程序的控制下完成邏輯運算、數學運算以及協調系統內部各部分工作等任務。PLC中配置的CPU常用的有三類：通用微處理器，單片機芯片和位處理器。中央處理器接收從編程器輸入的用戶程序和數據診斷電源、PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等

通過輸入接口接收現場的狀態或數據，并存入輸入映像寄存器或數據寄存器中從存儲器逐條讀取用戶程序，經過解釋后執行

根據執行的結果，更新有關標志位的狀態和輸出映像寄存器的內容，通過輸出單元實現輸出控制CPU的功能存儲器區域按用途不同分為程序區和數據區。在PLC中，存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序及工作數據。存儲器可讀/寫操作的隨機存儲器RAM只讀存儲器，又分為ROM（不能修改）、EPROM（紫外線可擦寫）和EEPROM（電可擦寫）三類

通過輸入接口可檢測被控對象的各種數據，以這些數據作為PLC對被控制對象進行控制的依據；同時，PLC又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的。開關電源輸入/輸出單元電源外部裝置編程器（分簡易和智能兩種）可編程序邏輯控制器的工作模式PLC采用循環掃描工作模式復雜工業過程的智能控制機器人智能控制工程機械智能控制家用電器的智能控制6.智能控制器的應用1.制造自動化技術

制造自動化是指“大制造概念”的制造過程的所有環節采用自動化技術，實現制造全過程的自動化，也就是對制造過程進行規劃、運作、管理、組織、控制與協調優化以使產品制造過程實現高效，優質，低耗、及時和潔凈的目標。制造自動化的概念

制造自動化的功能目標是多方面的，可用TQCSE功能目標模型描述。待續2.2

智能制造的支撐技術2.2.1

支撐智能控制的先進制造技術續前

制造自動化代表著先進制造技術的水平，促使制造業逐漸由勞動密集型產業向技術密集型和知識密集型產業轉變，以其柔性化、集成化、敏捷化、智能化、全球化的特征來滿足市場快速變化的要求，是制造業發展的重要表現和重要標志，也體現了一個國家的科技水平。功能目標具

體

內

涵T表示時間（Time）指采用自動化技術，縮短產品制造周期，產品上市快．提高生產率。Q表示質量（Quality）指采用自動化技術，提高和保證產品質量。C表示成本（Cost）指采用自動化技術有效地降低成本，提高經濟效益。S表示服務（Service）指利用自動化技術，更好地做好市場服務工作，也能通過替代或減輕制造人們的體力和腦力勞動，直接為制造人員服務。E表示環境（Environment）其含義是制造自動化應該有利于充分利用資源，減少廢棄物和環境污染，有利于實現綠色制造及可持續發展制造戰略。制造自動化技術發展的沿革發展階段具

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現第一階段剛性自動化，包括自動單機和剛性自動線：本階段應用傳統的機械設計與制造工藝方法，采用專用機床和組合機床、自動單機或自動化生產線進行大批量生產。其特征是高生產率和剛性結構．很難實現生產產品的改變。第二階段數控加工，包括數控（NC）和計算機數控（CNC）：數控加工設備包括數控機床、加工中心等。其特點是柔性好、加工質量高，適應于多品種、中小批量（包括單件）產品的生產。第三階段柔性制造。本階段特征是強調制造過程的柔性和高效率，適應于多品種、中小批量的生產。涉及的主要技術包括成組技術（GT）、計算機直接數控和分布式數控（DNC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統（FMS）、柔性加工線（FML）、離散系統理論和方法，仿真技術，車間計劃與控制、制造過程監控技術、計算機控制與通信網絡等。第四階段計算機集成制造（CIM）和計算機集成制造系統（CIMS）：其特征是強調制造全過程的系統性和集成性，以解決現代企業生存與競爭的TQCSE問題。第五階段新制造自動化模式：智能制造、敏捷制造、虛擬制造、網絡制造、全球

制造和綠色制造。待續制造自動化研究的內容研究方向具

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容單元系統的研究占有很重要的位置以一臺或多臺數控加工設備和物料儲運系統為主體的單元系統在計算機統一控制管理

下，可進行多品種、中小批量零件的自動化加工生產，它是現代集成制造系統的重要組成部分，是自動化工廠車間作業計劃的分解決策層和具體執行機構。制造過程的計劃和調度研究表明，一個機械零件在傳統的制造過程中，只有1％的時間在機床上，而在另外95％的時間里，零件是在不同的地方和不同的機床之間運輸或等待。減少這95％的時間，是提高制造生產率的重要方向；優化制造過程的計劃和調度是減少95％的時間的主要手段。柔性制造技術研究FMS的研究已有較長歷史，目前的研究主要圍繞FMS的系統結構、控制、管理和優化運行等方面進行。制造系統的系境技術和集成技術集成技術含制造系統中的信息集成和功能集成技術（如CIMS）、過程集成技術（如并行工程）、企業間集成技術（如敏捷制造）等；系統技術包括制造系統分析技術、制造系統建模技術、制造系統運籌技術、制造系統管理技術和制造系統優化技術等。研究方向具

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容制造自動化系統中人的作用的研究人們通過對無人化制造自動化問題進行反思，對于人在制造自動化系統中有著機器無法替代的重要作用進行了重新認識，提出了“人機一體化制造系統”、“以人為中心的制造系統”等新思想，其內涵就是發揮人的核心作用，將人作為系統結構中的有機組成部分，使人與機器處于優化合作的地位．實現制造系統中人機集成的決策機制，以取得制造系統的最佳效益。適應現代生產模式的制造環境的研究當前，并行工程（ConcurrentEngineering）、精益生產（LeanProduction）、敏捷制造（AgileManufacturing）、虛擬制造（VirtualManufacturing）、仿生制造（BionicManufacturing）和綠色制造（GreenManufacturing）等現代制造模式的提出和研究，推動了制造自動化技術研究和應用的發展，適應了現代制造模式應用的需要。底層加工系統的智能化和集成化研究目前世界上IMS計劃中，提出了智能完備制造系統HMS（HolonicManufacturingSysterm，又稱合弄制造系統）。HMS是由智能完備單元復合而成，其底層設備具有開放、自律、合作、適應柔性、可知、易集成和魯棒性好等特性。另外，世界上剛剛出現的虛擬軸機床，變革了傳統機床的工作原理，在性能上更具許多獨特優勢。又如快速原型制造（RapidprototypingManufacturing）是一種有利于實現集成制造的新技術。制造自動化技術的發展趨勢發展趨勢具

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現制造敏捷化敏捷化是制造環境和制造過程面向21世紀制造活動的必然趨勢，所包括的內容有柔性、重構能力、快速化的集成制造工藝等。制造網絡化基于Internet/Intranet的制造已成為制造業重要的發展趨勢。制造網絡化包括制造環境內部的網絡化，實現制造過程的集成；制造環境與整個制造企業的網絡化，實現制造環境與企業中工程設計、管理信息系統等各子系統的集成；企業與企業間的網絡化，實現企業間的資源共享、組合與優化利用；通過網絡，實現異地制造等。制造虛擬化基于數字化的虛擬化技術主要包括虛擬現實（VR）、虛擬產品開發（VPD）、虛擬制造（VM）和虛擬企業（VE）。制造虛擬化主要是以制造技術和計算機技術支持的系統建模技術和仿真技術為基礎，集現代制造工藝、計算機圖形學、并行工程、人工智能、人工現實技術和多媒體技術等多種高新技術為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統枝術。它將現實制造環境及其制造過程通過建立系統模型映射到計算機及其相關技術所支撐的虛擬環境中，在虛擬環境下模擬現實制造環境及其制造過程的一切活動和產品制造全過程，并對產品制造及制造系統的行為進行預測和評價。虛擬制造是實現敏捷制造的重要關鍵枝術。待續發展趨勢具

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現制造智能化智能化是制造系統在柔性化和集成化基礎上的進一步發展和延伸，未來的研究重點是具有自律、分布、智能、仿生、敏捷、分形等特征的新一代自動化制造系統。智能制造技術的

目標在于通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代專家在制造過程中的腦力勞動，以實現制造過程的優化。制造全球化智能制造系統計劃和敏捷制造戰略的發展和實施，促進了制造業的全球化。隨著網絡全球化、市場全球化、競爭全球化、經營全球化的出現，全球化制造的研究和應用迅速發展，主要包括市場的國際化，產品銷售的全球網絡正在形成；產品設計和開發的國際合作及產品制造的跨國化；制造企業在世界范圍內的重組與集成，如動態聯盟公司；制造資源的跨地區、跨國家的協調、共享和優化利用；全球制造體系結構的即將形成。制造綠色化近幾年來，出現了一個新的制造理念，即最有效地利用資源和最低限度地產生廢棄物。這是當前世界上環境問題的治本之道，綠色制造的概念亦即由此產生。綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的負作用影響最小，資源使用效率最高。綠色制造已成為全球可持續發展戰略對制造業的具體要求和體現。對制造環境和制造過程而言．綠色制造主要涉及到資源的優化利用、清潔生產和廢棄物的最少化及綜合利用。

現代制造技術的發展過程是制造技術、自動化技術、信息技術和管理技術等相互滲透和發展的過程，而數控技術以其高精度、高速度、高可靠性等特點已成為現代制造技術的技術基礎。2.數控加工技術數控加工技術的發展歷程

數控加工技術按照控制系統的發展，經歷了五個階段發展階段具

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容1948年美國帕森斯公司（ParsonsCo．）提出了數控機床的初始設想。1952年，美國麻省理工學院試制成功世界上第一臺數控機床。這是一臺三坐標數控立式銑床，采用的是脈沖乘法器原理，其數控系統全部采用電子管元件，稱之為第一代數控系統。1959年由于在計算機行業中研制出晶體管元件，因而數控系統開始廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入第二代數控系統。1965年小規模集成電路以其體積小、功耗低廣泛應用于數控系統，使得數控系統的可靠性得以進一步提高。數控系統發展到第三代。1970年在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展示以小型計算機取代專用計算機的第四代數控系統，即計算機數控系統（ComputerNumericalControl，CNC）。1974年美、日等國數控生產廠家，在美國Intel公司開發的微處理器技術基礎上，首先研制出以微處理器為核心的數控系統（Micro-computerNumericalControl，CNC，MNC）。由于中、大規模集成電路集成度和可靠性高，價格低廉，這種以微處理器技術為特征的第五代數控系統很快占據領先地位。CNC系統的組成和結構特點組

成具

體

結

構硬件結構單微處理機結構在此結構中，只有一個微處理機集中控制、分時處理數控的多個任務。有的CNC裝置有兩個以上的微處理機，但只有一個微處理機能夠控制系統總線，而其他微處理機成為專用的智能部件，不能控制系統總線，不能訪問主存儲器。多微處理機結構此結構是指具有兩個或兩個以上的微處理機構成的處理部件，處理部件之間采用緊耦合，有集中式操作系統，共享資源；或者具有兩個或兩個以上的微處理機構成的功能模塊，功能模塊間采用松耦合，有多重操作系統有效地實行并行處理。

多微處理機CNC裝置采用模塊結構，一般由6種功能模塊組成，即CNC管理模塊，CNC插補模塊，位置控制模塊．可編程控制模塊，操作、控制數據輸入輸出及顯示模塊，存儲器模塊。軟件結構軟件的結構取決于裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質。CNC系統軟件包括零件程序的管理軟件和系統控制軟件兩大部分。零件程序的管理軟件實現屏幕編輯、零件程序的存儲及調度管理、與外界的信息交換等功能。系統控制軟件是一種前后臺結構式的軟件。前臺程序（即實時中斷服務程序）承擔全部實時功能，而準備工作及協調處理則在后臺程序中完成。后臺程序是一個循環運行的程序，在其運行過程中實時中斷服務程序不斷插入，共同完成零件加工任務。發展趨勢具

體

體

現總線式、模塊化結構的CNC裝置采用多微處理機、多主總線體系結構，提高系統計算能力和響應速度。模塊化有利于滿足用戶需要，構成最小至最大系統。在PC機基礎上開發CNC裝置充分利用通用PC機豐富的軟件資源，隨PC機硬件的升級而升級，適當配置高分辨率的彩色顯示器。通過田像、多窗口、菜單驅動以及多媒體等方式，得到友好的人機界面。PC數控PC既作為人機界面，同時利用其大容量存儲能力和較強的通信能力，又可作機床控制用，成為PC數控。開放性現代數控系統要求控制系統的硬件體系結構和功能模塊具有兼容性，軟件的層次結構、模塊結構、接口關系等均符合規范標準，以方便于機床制造商將特殊經驗植入系統，讓數控機床用戶有自動化開發環境。數控功能豐富，控制功能加強大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數控功能，同時也加強CNC系統的控制功能。它具備通信聯網能力，支持多種通用和專用的網絡操作，為工廠自動化提供基礎設備。實現多過程、多通道控制將多種控制功能，如刀具破損檢測、物料搬運、機械手控制等，都集成到數控系統中．使系統實現多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務，或控制多臺和多種機床的能力。面向車間編程和智能化面向車間編程技術（Workshop-OrientedProgramming，WOP）和智能化。系統能提供會話編程、藍圖編程和

CAD/CAM等面向車間的編程技術和實現二三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。數控加工技術的發展趨勢3.FMS和CIMS

計算機技術的飛速發展，計算機控制的數控機床在自動化領域中取代了機械式的自動機床，因此使建立適合于多品種、小批量生產的柔性加工生產線成為可能。作為這種技術具體應用的柔性制造系統（FMS）、柔性制造單元（FMC）和柔性制造自動線（FML）等柔性制造設備紛紛問世，其中柔性制造系統（FMS）最具代表性。FMS的產生和發展FMS是一種高效率、高精度、高柔性的加工系統，是制造業向現代自動化發展（計算機集成制造系統、智能制造系統、無人工廠）的基礎設備。柔性制造技術將數控技術、計算機技術、機器人技術以及生產管理技術等融為一體，通過計算機管理和控制實現生產過程的實時調度，最大限度地發揮設備的潛力，減少工件搬運過程中的等待時間損失，使多品種、中小批量生產的經濟效益接近或達到大批量生產的水平，從而解決了機械制造業高效率與高柔性之間矛盾的難題，被稱為是機械制造業中一次劃時代的技術革命。FMS（柔性制造系統）FMS作為當今世界制造自動化技術發展的前沿科技，是實現計算機集成制造（CIM）、智能制造（IM）、精益生產（LP）、敏捷制造（AM）等先進制造生產模式的基礎，為未來機械制造工廠勾畫出一幅宏偉的藍圖，將成為21世紀機械制造業的主要生產模式。

由數控加工設備、物流儲運裝置和計算機控制系統等組成的自動化制造系統。

由多工位的數控加工系統、自動化的物料儲運系統和計算機控制的信息系統組成。FMS的定義與基本組成續前組

成具

體

內

涵加工系統加工系統的功能是以任意順序自動加工各種工件，并能自動地更換工件和刀具。加工系統通常包括由兩臺以上的數控機床、加工中心或柔性制造單元以及其他的加工設備所組成。物流系統在FMS中，工件、工具流統稱為物流，物流系統即物料儲運系統，由輸送系統、儲存系統和操作系統組成，通常包含有傳送帶、有軌運輸車、無軌運輸車、搬運機器人、上下料托盤、交換工作臺等機構，能對刀具、工件和原材料等物料進行自動裝卸和運輸、儲備。信息系統信息系統包括過程控制及過程監視兩個系統，能夠實現對FMS的運行控制、刀具監控和管理、質量控制，以及FMS的數據管理和網絡通信。FMS的主要功能和優點作業計劃與調度功能制造功能，在柔性制造系統中，由數控機床這類設備承擔制造任務自動輸送工件和刀具的功能自動監視（對刀具磨損、破損的監測）、自動補償、自診斷等功能自動交換工件和刀具的功能自動保管毛坯、工件、半成品、工夾具、模具的功能主要功能具備優點具

體

效

益有很強的柔性制造能力由于FMS備有較多的刀具、夾具以及數控加工程序，因而能接受各種不同的零件加工，柔性度很高。FMS的這一“柔性”特點，對新產品開發特別有利。提高設備利用率，減少設備成本與占地面積在FMS中，工件是安裝在托盤上輸送的，并通過托盤能夠快速也在機床上進行定位與夾緊，節省了工件裝夾時間。此外，因借助計算機管理而使加工不同零件時的準備時間大為減少，有很多準備工作可在機床工作時間內同時進行。機床利用率的提高使得每臺機床的生產率提高，相應地可以減少設備數量。減少直接生產工人，提高勞動生產率FMS除了少數操作由人力控制外（如裝卸、維修和調整），可以說正常工作完成是由計算機自動控制的。在這一控制水平下，FMS通常實施24小時工作制，將所有靠人力完成的操作集中安排在白班進行，晚班除留一人看管之外，系統完全處于無人操作狀態下工作，直接生產工人大為減少，勞動生產率提高。減少在制品數量，提高對市場的反應能力由于FMS具有高柔性、高生產率以及準備時間短等特點，能夠對市場的變化做出較快的反應，沒有必要保持較大的在制品和成品庫存量。產品質量提高FMS自動化水平高，工件裝夾次數和經過機床數減少，夾具的耐久性好，工人可把注意力更多地放在機床和零件的調整上，有助于零件加工質量的提高。FMS可以逐步地實現實施計劃若建一條自動線，FMS可進行分步實施，每一步的實施都能進行產品的生產，因為FMS的各個加工單元都具有相對獨立性。主要優點

CIM概念中有兩個基本觀點CIM與CIMS的概念

企業生產的各個環節，即從市場分析、產品設計、加工制造、經營管理到售后服務的全部生產活動是一個不可分割的整體，要緊密連接，統一考慮。CIMS（計算機集成制造系統）

整個生產過程實質上是一個數據的采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產品可看做是數據的物質表現。CIMS是基于CIM哲理而組成的現代制造系統，是CIM思想的物理體現。

CIMS是通過討算機硬件和軟件，并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程中有關人、技術、經營管理三要素及其信息流與物流有機地集成并優化運行的復雜的大系統。系

統

組

成具

體

內

涵功能系統管理信息系統包括預測、經營決策、各級生產計劃、生產技術準備、銷售、供應、財務、成本、設備、人力資源的管理信息功能。工程設計自動化系統通過計算機來輔助產品設計、制造準備以及產品測試，即CAD/CAPP/CAM階段。制造自動化系統由數控機床、加工中心、清洗機、測量機、運輸小車、立體倉庫、多級分布式控制計算機等設備及相應的支持軟件組成，根據產品工程技術信息、車間層加工指令，完成對零件毛坯的作業調度及制造。這是CIMS信息流和物流的結合點，是CIMS最終產生經濟效益的聚集地。質量保證系統包括質量決策、質量檢測、產品數據的采集、質量評價、生產加工過程中的質量控制與跟蹤功能。該系統保證從產品設計、產品制造、產品檢測到售后服務全過程的質量。支撐系統計算機網絡支撐系統即企業外部的廣域網、內部的局域網及支持CIMS各子系統的開放型網絡通信系統，采用標準協議可以實現異機互聯、異構局域網和多種網絡的互聯。該系統滿足不同子系統對網絡服務提出的不同需求，支持資源共享、分布處理、分布數據庫和適時控制。數據庫支撐系統支持CIMS各子系統的數據共享和信息集成，覆蓋了企業全部數據信息，在邏輯上是統一的，在物理上是分布式的數據庫管理系統。

CIMS的基本組成1.

工業物聯網工業物聯網及其執行程序

物聯網是以互聯網、傳統電信網和移動通訊網等信息載體將具有獨立功能的普通物體實現互聯互通的網絡。

工業物聯網是指通過傳感器技術、標識識別技術、圖像視頻技術和定位技術等感知技術，實時感知企業或工廠中需要監控、連接和互動的裝備，并構建企業辦公室的信息化系統，打通辦公信息化系統與生產現場設備的直接聯系。

工業物聯網是物聯網技術在制造企業或智能工廠中的具體應用。

物聯網將現實世界中的“人-機-物”實現數字化，任何具有網絡功能的設備都可以接入互聯網，為智能制造提供各種服務。2.2.2

工業互聯網與網絡制造工業物聯網的技術優勢工業物聯網涉及的技術領域

優

勢具

體

體

現產品智能化產品中加人大量電子技術元素，實現產品功能的智能化。例如，通過在產品中植入

RFID芯片，記錄產品的靜態信息，如出廠日期、編號和產品類型等;通過在產品中植人智能傳感器，可記錄設備運行數據，如檢測設備的運行狀態等，并通過網絡傳送至后臺信息系統中。實時售后服務通過無線網絡，獲取全球范圍內產品運行的狀態信息，經過后臺信息化系統的分析、處理和反饋，實施在線售后服務，提高服務水平過程監控與管理工廠可以通太網或現場總線采集生產設備的運行狀態數據實施生產控制和設備維護，包括供需轉換、工時統計、部件管理、產品質量在線監測和設備狀況監測等。物流管理在工廠內外的物流設備中植入RFID，實現對物品位置、數量和交接的管理和控制，提高物流流通效率，對特殊儲藏要求的貨品實施在線監測與防偽，實現了信息在真實世界和虛擬空間之間的智能化流動。工業物聯網的技術優勢基于工業物聯網的智能制造產業發展優勢發展趨勢具

體

體

現制造過程向全球化的協同創新發展隨著企業逐漸實現跨國的產品開發、營銷和服務，對信息系統提出了支持多語種、多工廠、多個企業實體的開發與管理需求，以及全球協作開發的需求。工業發達國家的許多企業將信息化技術綜合集成，并廣泛應用于研發、管理、財務運作、營銷和服務等核心業務，實現了產品研制、采購和銷售等在全球范圍內的協作，在全球范圍進行資源的優化配置。生產和研發向精益化方向發展通過整合各種產品生產、服務反饋的數據，企業可以把物理世界與數字世界充分關聯起來，為企業提供一種企業級的產品數字化樣機開發環境，使產品的質量與可靠性有了系統的保障。同時，高度的信息共享使企業可以通過優化業務流程和資源配置，強化運行細節管理和過程管理，追求持續改進，推動企業不斷適應內外環境變化，提高核心競爭力和創造效益的能力，達到精益管理，提高制造業生產力。制造設計從高能耗向低能高效轉變將工業物聯網的應用與“綠色、環保、節能、低碳經濟”的發展理念緊密結合，充分利用工業物聯網技術，實現更精細、更簡單和更高效的管理，幫助企業創造更大的經濟效益和社會效益，實現智能制造綠色設計和綠色制造的行業要求。工業物聯網的應用實際應用具

體

內

涵制造業供應鏈管理工業物聯網應用于企業原材料采購、庫存和銷售等環節，通過完善和優化企業供應鏈管理體系，提高了供應鏈效率，降低了成本?？罩锌蛙嚬就ㄟ^在供應鏈體系中應用傳感網絡技術，構建了全球制造業中規模最大、效率最高的供應鏈體系。生產過程工藝優化工業物聯網技術的應用提高了生產線過程檢測、實時參數采集、生產設備監控和材料消耗監測的能力和水平，生產過程的智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策和智能維護水平不斷提高，優化了生產流程。生產設備監控管理各種傳感技術與制造技術的融合實現了對生產設備操作使用記錄設備故障診斷的遠程監控，智能工廠可建立產品生產綜合服務中心，通過傳感器和網絡對設備進行在線監測和實時監控，并提供設備維護和故障診斷的解決方案。環保監測及能源管理工業物聯網與環保設備的融合實現了對工業生產過程中產生的各種污染源及污染治理各環節關鍵指標的實時監控。在重點排污企業排污口安裝無線傳感設備，不僅可以實時監測企業排污數據，而且可以遠程關閉排污口，防止突發性環境污染事故發生。電信運營商已開始推廣基于物聯網的污染治理實時監測解決方案工業安全生產管理工業物聯網技術與工廠生產設備相融合，可對工廠在生產過程中產生的各種污染源進行實時監控。把傳感器應用到設備、油氣管道中，可以感知危險環境中工作人員、設備機器和周邊環境等方面的安全狀態信息等，還可對危險物品的運輸進行監控，準確描述每一批運輸物料的特征，從而追蹤到每一個貨柜或散貨中的原物料，為運輸提供更多的安全保障。通過工業物聯網技術可將現有的網絡監管平臺提升為系統、開放和多元的綜合網絡監管平臺，實現實時感知、準確辨識、快捷響應及有效控制。2.網絡化制造網絡化制造的基本概念覆蓋企業內外部、四通八達的網絡環境產品生命周期過程的協同不同企業制造資源的共享供應鏈上各方利益的共贏核心概念網絡化制造的主要內容網絡化制造的支撐環境網絡化制造的關鍵是協同集團公司與子公司的協同子公司之間的協同集團與其他合作伙伴的協同集團與用戶的協同集團與供應商的協同分散制造系統網絡化制造技術網絡化制造技術的特征特征具

體

內

涵技術特征

①

時間特征。網絡使信息能快速傳輸與交互．使制造系統中信息傳輸過程的時間效率發生根本性變化，可在制造過程中利用地球時差實現不間斷的24小時設計作業等。

②

空間特征?；诰W絡的異地設計、異地制造使企業走出圍墻，走向全球，使得分散在各地的企業根據市場機遇隨時組成動態聯盟，實現資源共享，拓展了企業空間。

③

集成特征

網絡和信息快速傳輸與交互，支持企業內外實現信息集成、功能集成、過程集成、資源集成及企業之間的集成。待續網絡化制造技術的特征特征具

體

內

涵功能特征

①

敏捷響應特征?；诰W絡的敏捷制造和并行工程等技術可顯著縮短產品開發周期，迅速響應市場。

②

資源共享特征。通過網絡分散在各地的信息資潭、設備資源、人才資潭可實現共享和優化利用。

③

企業組織模式特征。網絡和數據庫技術將使得封閉性較強的金字塔式遞階結構的傳企業組織模式向著基于網絡的、扁平化的、透明度高的、項目主線式的組織模式發展。

④

生產方式特征。從過去的大批量、少品種和現在的小批量、多品種將發展到小批量、多品種定制型生產方式。21世紀的市場將愈來愈體現個性化需求的特點，因此基于網絡的定制將是滿足這種需求的一種有效模式。

⑤

客戶參與特征?？蛻舨粌H是產品的消費者，而且還將是產品的創意者和設計參與者。基于網絡的DFC（Designforcustomer）和DBC（Designbycustomer）技術將為用戶參與產品設計提供可能。

⑥

虛擬產品特征。虛擬產品、虛擬超市和網絡化銷售將是未來市場競爭的重要方式。用戶足不出戶，可在網上定制所喜愛的產品，并迅速見到其虛擬產品，而且可進行虛擬使用和產品性能評價。⑦

遠程控制特征。設備的寬帶聯網運行，可實現設備的遠程控制管理，以及設備資源的異地共享。⑧

遠程診斷特征?；诰W絡可實現設備及生產現場的遠程監視及故障診斷。續前網絡化制造環境下的自動化制造系統

網絡化制造在一定程度上擴展了自動化制造系統的概念，網絡化制造環境下的機床或自動化制造設備將不再是孤立的加工系統，而是在網絡環境下與工程設計系統、生產管理系統直接相連的一個節點，可以實現遠程動態重構設備布局、遠程加工過程管理和控制、遠程設備監控及遠程故障診斷和維修等功能。網絡化制造平臺網絡化制造平臺的類型網絡化制造的運行支撐技術網絡化制造的運行管理策略一般通用型區域通用型通用支撐技術數字化與自動化相關支撐技術管理策略具

體

操

作制造資源的配置針對特定的制造項目，確定制造資源動態整合的目標，以及實施的評價標準。在一定的制造資源范圍內進行整合．形成一個能夠完成特定產品制造全過程的制造于系統。制造過程的規劃與調度根據定制產品的設計與制造工藝要求確定（虛擬）企業制造項目的目標。包括產品的功能與質量需求．對產品制造技術的要求，交貨期對制造總工期的限制，成本預算對制造總費用的限制，制訂制造項目規劃與調度方察。制造過程中的控制客戶需求的改變、關鍵參數估計得不準確，以及其他不可預知的因素將導致制造項目執行過程與原有項目調度方案產生差異。有時這種差異將不得不導致項目目標的重新設定。制造過程的控制問題實質上是一個在某種資源約束范圍內快速求得解決方案的過程。制造過程結束后的評價建立一整套跨企業制造項目結束后評價體系，以便對完成的每一個制造項目，從項目的周期范圍內的技術與質量、時間和費用等各方面進行全面評價。網絡化制造的運行管理策略網絡化制造方面的研究正在全球迅速興起，圍繞網絡化制造模式的研究，或者在與網絡化制造有關的研究中出現了一系列新概念、新觀點和新思想，如敏捷制造、并行工程、虛擬制造、虛擬企業和動態聯盟等。這些新概念、新觀點、新思想無不體現了企業基于網絡的制造理念，同時以此為基礎的網絡化制造的研究和應用也在迅速發展。國家自然科學基金、國家863計劃、國家九五科技攻關計劃網絡化制造研究的現狀分散網絡化制造系統（DNPS）現代集成制造系統網絡（CIMSNET）區域性網絡化制造系統

國際標準化組織（ISO）的定義是：工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。

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。”

操作機定義為“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。宏觀世界通常有幾個自由度，用以抓取或移動物體（工具或工件）”

工業機器人可以理解為：是一種模擬人手臂、手腕和手功能的機電一體化裝置，它可把任一物體或工具按空間位姿的時變要求進行移動，從而完成某一工業生產的作業要求。1.

工業機器人的概念2.2.3

工業機器人

現代工業機器人一般由機械系統、控制系統、驅動系統、智能系統四大部分組成2.

工業機器人的基本組成和結構特點工業機器人的組成1——基座2——腰部3——臂部4——腕部

工業機器人操作機可以簡化成各連桿首尾相接，末端開放的一個開式連桿系，連桿末端一般無法加以支撐，因而操作機的結構剛度差。

在組成操作機的開式連桿系中，每根連桿都具有獨立的驅動器，因而屬于主動連桿系。不同連桿之間的運動沒有依從關系，操作機的運動更為靈活，但控制起來也更復雜。

連桿驅動轉矩在運動過程中的變化規律比較復雜，連桿的驅動屬于伺服控制型，對機械傳動系統的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。

連桿的受力狀態，剛度條件和動態性能都隨位姿的改變而變化，因此容易發生振動或其它不穩定現象。工業機器人的結構特點自由度工作精度工業機器人的技術指標工作范圍額定負數最大工作速度整機技術最小運動慣量設計原則3.工業機器人的關鍵技術高強度高剛度設計原則可靠性設計原則部件技術集成應用技術本體設計三原則

按結構形式分類?？煞譃橹苯亲鴺诵汀A柱坐標型、球坐標型、關節型機器人。按驅動方式分類。可分為電力驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及復合式驅動機器人。按控制類型分類。可分為伺服控制、非伺服控制機揣人。按自由度數目分類?？煞譃闊o冗余度機器人和有冗余度機器人。按用途分類?？煞譃楹附訖C器人、搬運機器人、噴涂機器人、裝配機器人以及其他專門用途的機器人。4.工業機器人的分類按基座形式分為固定式和移動式機器人；按操作機運動鏈型式分為開鏈式、閉鏈式和局部閉鏈式機器人；按應用機能分為順序型、示教再現型、數值控制型、智能型機器人；按負載大小分為重型、中型、小型、微型機器人等。按自由度數目分類。分為無冗余度機器人和有冗余度機器人。

工業機器人最早應用在汽車制造工業，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業機器人延伸了人的手足和大腦功能，它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環境中的工作；代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。工業機器人與數控加工中心、自動搬運小車以及自動檢測系統可組成柔性制造系統（FMS）和計算機集成制造系統（CIMS），實現生產自動化。

隨著工業機器人技術的發展，其應用已擴展到宇宙探索、深海開發、核科學研究和醫療福利領域。火星探測器就是一種遙控的太空作業機器人。工業機器人也可用于海底采礦，深海打撈和大陸架開發等。在核科學研究中，機器人常用于核工廠設備的檢驗和維修，如前蘇聯切爾諾貝利核電站發生事故后，就利用機器人進入放射性現場檢修管道。在軍事上，工業機器人則可用來排雷和裝填炮彈。醫療福利和生活服務領域中，機器人應用更為廣泛，如護理、導盲、擦窗戶等。5.工業機器人在現代制造業中的應用工業機器人操作機構的優化設計技術機器人控制技術多傳感系統機器人的結構靈巧，控制系統愈來愈小，且二者有一體化趨勢機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術虛擬機器人技術6.工業機器人技術的研究熱點多智能體控制技術微型和微小機器人技術軟機器人技術仿人和仿生技術機器人的一體化/智能化機器人的人機/多機協調化機器人的信息化/標準化機器人的模塊化/柔性化機器人的微型化7.工業機器人技術的發展趨勢機器人的精密化大范圍作業發展趨勢3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成形技術。3D打印技術是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結最終疊加成型，制造出實體產品。3D打印將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料的處理并逐層疊加進行生產。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，大大降低了制造的復雜度。使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。2.2.4

3D打印技術1.3D打印技術概述3D打印技術的過程大體可以分以下4步加以描述通過CAD建模2.3D打印的工作原理及過程近似處理CAD模型對STL文件進行切片處理修整成形待續用CAD軟件設計工件3D模型工件樣品三維掃描工件3D模型轉化成STL格式文伴前處理分層切片，求得每層截面輪廓成形2D薄片層打印成形疊加成3D工件修整工件后處理最終工件3D打印流程3.3D打印方法類

型累積技術基

本

材

料擠壓打印熔融沉積式（FDM）

熱塑性塑料、共晶系統金屬、可食用材料線打印電子束自由成型制造（EBF）

幾乎任何合金粒狀打印直接金屬激光燒結（DMLS）

幾乎任何合金電子束熔化成型（EBM）

鈦合金選擇性激光熔化成型（SLM）

鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁選擇性熱燒結（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末粉末層噴頭3D打印石膏3D打印（PP）石膏層壓打印分層實體制造（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜光聚合打印立體光固化成型（SLA）

光固化樹脂

數字光處理（DLP）光固化樹脂WT制作模塊五智能制造的核心技術

中國正在大力建設“數字中國”，在“互聯網+”、人工智能等領域收獲一批創新成果。分享經濟、網絡零售、移動支付等新技術新業態新模式不斷涌現，深刻改變了中國老百姓生活。

——2018年11月18日，習近平在亞太

經合組織第二十六次領導人非正

式會議上的講話1.數據概說

數據（data）是關于自然、社會現象和科學試驗的定量或定性的記錄，是對客觀事物的邏輯歸納，是用于表示客觀事物的未經加工的的原始素材。數據具有數值屬性、物理屬性。2.3.1

智能制造的數字化基礎數據

數據是信息的表現形式和載體，可以是符號、文字、數字、語音、圖像、視頻等。數據可以是連續的值，可以是離散的。2.3

智能制造的核心技術

大數據（Bigdata），或稱巨量數據、海量數據，指的是所涉及的數據量規模巨大到無法通過目前主流軟件工具，在合理時間內達到截取、管理、處理、并整理成為幫助企業經營決策更積極目的的信息。大數據具有4個特點大數據數據巨大數據類型多樣處理速度快價值密度大

采用Value（價值）、Validity（有效性）、Veracity（準確性）和Visibility（可見性）等特征來定義大數據

大數據技術是指從各種各樣海量類型的數據中，快速獲得有價值信息的能力。適用于大數據的技術包括大規模并行處理（MPP）數據庫、數據挖掘電網、分布式文件系統、分布式數據庫、云計算平臺、互聯網、可擴展的存儲系統。大數據技術

簡而言之，大數據技術就是從大數據中提取大價值的挖掘技術，即根據特定目標，從數據收集與存儲、數據篩選、算法分析與預測、數據分析結果展示，直至輔助作出最正確的抉擇。大數據的作用就是挖掘出各個行業的關鍵運作路徑，幫助決策，提升社會運作效率。

指在工業領域中，圍繞典型制造模式，從客戶需求到銷售、訂單、計劃、研發、設計、工藝、制造、采購、供應、庫存、發貨和交付、售后服務、運維、報廢或回收再制造等整個產品全生命周期各個環節產生的各類數據和相關技術及應用的總稱。工程大數據

除了具有一般大數據的3V特征外，還具有價值性、高準確性和閉環性的特點生產經營相關業務數據設備物聯數據外部數據工程大數據的來源工程數據的類型類

別具

體

內

涵從數據來源分研發數據域研發設計數據，開發測試數據等。生產數據域控制信息、工況狀態、工藝參數、系統日志等。運維數據域物流數據、產品運行狀態數據、產品售后服務數據等。管理數據域系統設備資產信息、客戶與產品信息、產品供店要權據、業務統計數據等。外部數據域與其他主體共享的數據等。從數據形式分結構化數據由二維表結構來邏輯表達和實現的數據。半結構化數據并不符合關系型數據或其他數據表的形式關聯起來的數據模型結構，但包含相關標記，用來分隔語義元素以及對記錄和字段進行分層。非結構化數據數據結構不規則或不完整，沒有預定義的數據模型，不方便用數據庫二維邏輯表來表現的數據，包括所有格式的辦公文檔，文本、圖片、XML、HTML、各類報表、圖像和音頻、視頻信息等。從數據處理角度分原始數據來自上游系統的，沒有做過任何加工的數據。衍生數據通過對原始數據進行加工處理后產生的數據。工程數據的表示方法

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體

內

涵線表數表（NumericalTable）是指離散的數據列表。數表又分為以下幾種類型：經驗計算式這類數表常用一個或一組計算公式表示，在手冊中常以表格形式出現，以便檢索和使用。簡單數表這類數表中的數據常用于表示某些獨立的常量，數據之間互相獨立，無明確的函數關系。根據表中數據與自變量個數不同，可以分為一維數表、二維數表和多維數表。列表函數數表這類數表中的數據通常是通過試驗方式測得的一組離散數據，相對應的數據之間可能存在某種函數關系，但是無法以明確的函數表達式加以描述。數表又可分為一維數表、二維數表和多維數表。線圖線圖（LineGraph）是工程數據的另一種表達方法。線圖不僅能表示設計參數之間函數關系，還能夠直觀地反映數據的變化趨勢，具有形象、生動等特點。常用的線圖形色括直線、折線或曲線等。在使用時可以直接在線圖中查得所需的參數。依靠計算公式線圖所表示的各個參數之間原本存在較復雜的計算公式，但為了便于手工計算，可以將公式轉換成線圖以供設計時查用；不依靠計算公式線圖所表示的各參間沒有或者不存在計算公式。2.數據的獲取和處理大數據分析應用流程需求分析和方案設計確定數據集數據采集數據預處理數據分析和挖掘可視化步驟一步驟二步驟三步驟四步驟五步驟六

數據分析是智能制造的核心技術之一，數據的獲取與處理可以為準確、高速、可靠的數據分析提供保障。數據預處理技術數據清理數據集成數據規范化數據規約數據離散化常用數據的挖掘算法

從數據挖掘的角度考慮，大數據分析方法如前所述，可分為：分類、聚類、關聯規則、預測分析等工程數據的數字化處理處理方法具體操作特

點程序化處理將數表或線圖以某種算法編制成查閱程序，通過軟件系統直接調用。工程數據被直接編人查閱程序中，通過調用程序可以方便地查取數據，但是數據無法共享，程序無法共用，要更新數據必須更新程序（軟件）。文件化處理將數表和線圖中的數據存儲于獨立的數據文件中，通過程序讀取數據文件中的數據。將數據與程序分離，可以實現有限的數據共享。它的局限性在于:查閱程序必須符合數據文件的存儲格式，即數據與程序之間存在著依賴關系。此外，由于數據文件獨立存儲，安全性和保密性較差，數據需要通過專門的程序進行更新。數據庫處理將數表及經離散化處理的線圖數據存儲于數據庫中，數據表的格式與數表、線圖的數據格式相同，且與軟件系統無關。系統程序可直接訪問數據庫，數據更新方便，真正實現了數據的共享。數據獲取技術

數據采集是從企業內部和外部等數據源獲取各種類型的數據，并圍繞數據的使用，建立數據標準和管理機制，保證數據質量，提高數據管控水平。它是獲得有效數據的重要途徑，也是工業大數據分析和應用的基礎。在智能制造中，數據分析往往需要更精細化的數據，因此對數據采集能力有著較高的要求。

常用的數據獲取技術以傳感器為主，結合RFID（射頻識別技術）、條碼掃描器、生產和監測設備、PDA（個人數字助手），人機交互、智能終端等手段實現生產過程中的信息獲取，并通過互聯網或現場總線等技術實現原始數據的實時準確傳輸。數據處理技術大數據分析應用流程數據清洗數據融合數據分析數據儲存數據清理數據變換數據歸約指將各種傳感器在空間和時間上的互補與冗余信息依據某種優化準則或算法組合，來產生對觀測對象的一致性解釋和描述。通過數據融合可以有效地形成各個維度之間的互補，從而獲得更有價值的信息。

指用適當的統計分析方法對收集來的大量數據進行分析，將它們加以匯總和理解并消化，以求最大化地開發數據的功能，發揮數據的作用。