智能制造概論與技術(shù)

1、智能制造概念與技術(shù),,目錄,智能制造概述,1、智能制造含義 智能制造是研究制造活動(dòng)中的信息感知與分析、知識(shí)表達(dá)與學(xué)習(xí)、智能決策與執(zhí)行的一門綜合交叉技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)屬性和功能的必然手段。 智能制造是人類的智慧向制造裝備轉(zhuǎn)移的過程。,智能制造概述,2、智能制造技術(shù)的特點(diǎn) (1)智能制造技術(shù)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高產(chǎn)品對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)。 &

2、#160;   (2)智能制造技術(shù)不局限于制造工藝，而是覆蓋了市場(chǎng)分析、生產(chǎn)管理、加工和裝配、銷售、維修、服務(wù)，以及回收再生的全過程。     (3)智能制造強(qiáng)調(diào)技術(shù)、人、管理和信息的四維集成，不僅涉及到物質(zhì)流和能量流，還涉及到信息流和知識(shí)流，即四維集成和四流交匯是智能制造技術(shù)的重要特點(diǎn)。 (4)智能制造技術(shù)更加重視制造過程組成和管理的合理化以及革新，

3、它是硬件、軟件、智能(人)與組織的系統(tǒng)集成。,智能制造概述,3、智能制造發(fā)展的歷史背景及發(fā)展?fàn)顩r 3.1 智能制造發(fā)展的歷史背景 20世紀(jì)60年代后，由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的沖擊和信息革命的推動(dòng)，世界范圍內(nèi)的制造業(yè)正經(jīng)歷了一場(chǎng)重大的變革。 企業(yè)面臨的是一個(gè)多變得市場(chǎng)和越來越激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的需求正從大批量產(chǎn)品專向多品種、小批量甚至單件產(chǎn)品上。企業(yè)必須對(duì)自身不斷進(jìn)行改造以適應(yīng)變化了的市場(chǎng)。因此，

4、智能制造技術(shù)正是為了適應(yīng)以上市場(chǎng)變化的新型制造系統(tǒng)。,智能制造概述,3.2 國(guó)外智能制造發(fā)展?fàn)顩r 美國(guó)政府將智能制造視為21世紀(jì)占領(lǐng)世界制造技術(shù)領(lǐng)先地位的基石。 1991~1992和1992~1993年度，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）著重資助了有關(guān)智能制造的諸項(xiàng)研究。 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）先后開發(fā)了車間調(diào)度系統(tǒng)（ISIS）、項(xiàng)目管理系統(tǒng)（CALLISTO）等項(xiàng)目。 1989年，D.A

5、.Boume組織完成了首臺(tái)智能加工工作站（IMW）的樣機(jī)。 日本東京大學(xué)Furkawa教授等人正式提出了智能制造系統(tǒng)（IMS）國(guó)際合作計(jì)劃，并于1990年被日本立案為國(guó)際共同研究開發(fā)項(xiàng)目。 2011，美國(guó)啟動(dòng)“先進(jìn)制造伙伴關(guān)系”（AMP）計(jì)劃。旨在打造關(guān)鍵國(guó)家安全工業(yè)的國(guó)內(nèi)制造能力；縮短研制先進(jìn)材料（用于制造產(chǎn)品）所需的時(shí)間；確立美國(guó)在下一代機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。,智能制造概述,2013年，德國(guó)政府提出

6、“工業(yè)4.0”的概念，旨在旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及人因工程學(xué)的智慧工廠，在商業(yè)流程及價(jià)值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴。,智能制造概述,3.2 國(guó)內(nèi)智能制造發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)在智能制造的研究方面起步較晚，但在這個(gè)領(lǐng)域的研究發(fā)展還是比較快的。目前絕大多數(shù)的研究集中在人工智能在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用方面，如智能CAD、CAPP專家系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備的智能控制等等。 1989年在華中理科大學(xué)召開“

7、機(jī)械制造走向2000年——回顧、展望與對(duì)策”大會(huì)。 1990年，華中理科大學(xué)首次組建了IM學(xué)科組，積極跟蹤國(guó)際IMS的最新研究動(dòng)態(tài)和從事IMS關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研工作。 2002年，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)ARJ21-700飛機(jī)項(xiàng)目立項(xiàng)，已全面采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和并行工程方法，最終實(shí)現(xiàn)了大部段對(duì)接一次成功，飛機(jī)上天一次成功。 2012年4月，科技部發(fā)布《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，布局了基礎(chǔ)理論

8、與技術(shù)研究、智能化裝備、制造過程智能化成套技術(shù)與裝備、智能制造基礎(chǔ)技術(shù)與部件、系統(tǒng)與集 成 與重 大 示 范 應(yīng) 用 等 五 項(xiàng) 重 點(diǎn) 任務(wù)。,智能制造概述,2015年，中國(guó)推出“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，并將其定位于國(guó)家戰(zhàn)略。,智能制造技術(shù),4、智能制造的關(guān)鍵技術(shù) 4.1 智能制造裝備的關(guān)鍵技術(shù) 4.1.1裝備運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境的感知與識(shí)別技術(shù) 內(nèi)容：這個(gè)技術(shù)主要對(duì)金屬切削機(jī)

9、床的加工精度、溫度、切削力、熱變形、應(yīng)力應(yīng)變、圖像信息等進(jìn)行感知和識(shí)別。 目的：該技術(shù)目的在于研制具有高靈敏、高可靠、高精度的檢測(cè)環(huán)境信息的新型傳感器。,智能制造技術(shù),4.1.2 性能預(yù)測(cè)和智能維護(hù)技術(shù) 內(nèi)容：該技術(shù)主要對(duì)機(jī)床的刀具磨損情況、機(jī)床故障狀態(tài)、振動(dòng)狀態(tài)、精度退化狀態(tài)進(jìn)行智能預(yù)測(cè)和維護(hù)。 目的：該技術(shù)的目的是建立狀態(tài)表征體系與裝備性能表征指標(biāo)間的映射關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)

10、對(duì)故障的自診斷和自修復(fù)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)裝備的壽命測(cè)試和預(yù)測(cè)，從而達(dá)到對(duì)裝備可靠性和壽命精確評(píng)估的目的。,智能制造技術(shù),4.1.3 智能工藝規(guī)劃和智能編程技術(shù) 內(nèi)容：該技術(shù)主要通過計(jì)算機(jī)模擬專家處理綜合考慮機(jī)床工裝和零件材料特性的工藝規(guī)劃。 目的：建立工藝系統(tǒng)和作業(yè)環(huán)境的集成數(shù)學(xué)模型和標(biāo)定方法。 建立面向典型行業(yè)的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝知識(shí)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工藝優(yōu)化。

11、 建立規(guī)劃與編程的智能推理和決策方法。,智能制造技術(shù),4.1.4 智能數(shù)控系統(tǒng)與智能數(shù)控驅(qū)動(dòng)技術(shù) 內(nèi)容：主要對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控能力進(jìn)行提高。 目的：完善伺服控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別、控制參數(shù)自動(dòng)配 置、多軸參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化、振動(dòng)主動(dòng)控制。 完善基于視覺感知的伺服控制，實(shí)現(xiàn)防碰撞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自律運(yùn)動(dòng)、無人駕駛和靈巧操作。

12、 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制和基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的操作，發(fā)展智能化人機(jī)交互技術(shù)。,智能制造技術(shù),4.2 智能CAD/CAM技術(shù) 內(nèi)容：該技術(shù)主要以人為主體，借助計(jì)算機(jī)硬件、軟件工具，輔助完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。 優(yōu)點(diǎn)： 1、系統(tǒng)各模塊之間資源共享，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，系 統(tǒng)成本降低。

13、 2、避免了應(yīng)用系統(tǒng)之間信息傳遞的人為誤差，提高了產(chǎn)品 的質(zhì)量。 3、有利于實(shí)現(xiàn)并行作業(yè)， 縮短產(chǎn)品上市周期、提高產(chǎn)品 質(zhì)量和企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。,智能制造技術(shù),4.2.1 CAD/CAM的組成,,CAD/CAM系統(tǒng),,,,,,,,硬件系統(tǒng),軟件系統(tǒng),計(jì)算機(jī),外圍設(shè)備,系統(tǒng)軟件,支撐軟

14、件,應(yīng)用軟件,智能制造技術(shù),4.2.2 CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件,使其向著集成化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。,智能制造技術(shù),4.3 智能計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃技術(shù)（ICAPP） CAPP是通過向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的原始數(shù)據(jù)，加工條件和加工要求，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地進(jìn)行編碼，編程直至最后輸出經(jīng)過優(yōu)化的工藝規(guī)程

15、卡片的過程。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃常是聯(lián)結(jié)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的橋梁。,智能制造技術(shù),CAPP智能化？ 將人工智能運(yùn)用到CAPP系統(tǒng)的研究與開發(fā)中，使得CAPP系統(tǒng)在知識(shí)推理、知識(shí)獲取等方面能夠模擬人的智能活動(dòng)與思維方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝設(shè)計(jì)問題的解決，使得CAPP能夠具有人類的智能特性，也就是智能化CAPP。,智能制造技術(shù),CAPP系統(tǒng)的組成:,智能制造技術(shù),5、智能制造系統(tǒng) 智

16、能制造系統(tǒng)由智能機(jī)器組成。整個(gè)系統(tǒng)包含制造過程的智能控制、作業(yè)的智能調(diào)度與控制、制造質(zhì)量信息的智能處理系統(tǒng)、智能檢測(cè)與診斷系統(tǒng)。,智能制造技術(shù),5.1 MES系統(tǒng) MES系統(tǒng)即制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES 可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購(gòu)管理、成本管理、

17、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺(tái)。,智能制造技術(shù),5.2 MES系統(tǒng)的功能 現(xiàn)場(chǎng)管理細(xì)度：由按天變?yōu)榘捶昼?秒 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集：由人手錄入變?yōu)閽呙琛⒖焖贉?zhǔn)確采集 電子看板管理：由人工統(tǒng)計(jì)發(fā)布變?yōu)樽詣?dòng)采集、自動(dòng)發(fā)布 倉(cāng)庫(kù)物料存放：模糊、雜散變?yōu)橥该?、?guī)

18、整 生產(chǎn)任務(wù)分配：人工變?yōu)樽詣?dòng)分配、產(chǎn)能平衡 倉(cāng)庫(kù)管理：人工、數(shù)據(jù)滯后變?yōu)橄到y(tǒng)指導(dǎo)、及時(shí)、準(zhǔn)確 責(zé)任追溯：困難、模糊變?yōu)榍逦?、正確 績(jī)效統(tǒng)計(jì)評(píng)估：靠殘缺數(shù)據(jù)估計(jì)變?yōu)閼{準(zhǔn)確數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計(jì)分析：按不同時(shí)間/機(jī)種/生產(chǎn)線等多角度分析對(duì)比,智能制造技術(shù),5.2 MES應(yīng)用存在的主要問題 1、MES體系還不完整 2、通用性和可配置性較

19、差 3、實(shí)時(shí)性不強(qiáng) 4、智能化程度不高,智能制造技術(shù),6、智能制造系統(tǒng)建模的數(shù)學(xué)方法 6.1專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)通常由人機(jī)交互界面、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取等6個(gè)部分構(gòu)成。 優(yōu)點(diǎn)：解決一些比較簡(jiǎn)單的確定性問題 缺點(diǎn)：有延遲，不易滿足實(shí)時(shí)性要求,智能制造技術(shù),工作過程

20、 專家、知識(shí)工程師 用戶,,人機(jī)交互界面,,,,,,知識(shí)獲取,推理機(jī),解釋器,,,知識(shí)庫(kù),綜合數(shù)據(jù)庫(kù),,,專業(yè)知識(shí),why,how的信息,智能制造技術(shù),6.2 模糊推理 從不精確的前提集合中得出可能的不精確結(jié)論的推理過程。 優(yōu)點(diǎn)：可以解決不確定現(xiàn)象和模糊現(xiàn)象 缺點(diǎn)：需要

21、大量經(jīng)驗(yàn)和感知為前提,智能制造技術(shù),6.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)廣泛，反映了多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域的特點(diǎn)。主要的研究工作集中在以下幾個(gè)方面： （1）生物原型研究 （2）建立理論模型 （3）網(wǎng)絡(luò)模型與算法研究 （4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)時(shí)處理動(dòng)態(tài)多變得復(fù)雜問題