智能制造與機器人應用技術第1章緒論第2章智能制造概述第3章智能制造內涵第4章智能制造關鍵技術第5章智能制造與工業(yè)機器人第6章工業(yè)機器人行業(yè)應用第7章工業(yè)機器人視覺技術及應用第8章智能移動機器人第9章智能制造虛擬仿真技術第1章緒論1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略1.1.1德國“工業(yè)4.0”1.背景（1）工業(yè)1.018世紀60年代，隨著蒸汽機的誕生，英國發(fā)起第一次工業(yè)革命，開創(chuàng)了以機器代替手工勞動的時代，蒸汽機帶動機械化生產，紡織、冶鐵、交通運輸等行業(yè)快速發(fā)展，人類社會進入工業(yè)1.0時代，即“機械化”時代，如圖1-1所示。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略（2）工業(yè)2.019世紀六七十年代起，電燈、電報、電話、發(fā)電機、內燃機等一系列電氣發(fā)明相繼問世，電氣動力帶動自動化生產，出現第二次工業(yè)革命，汽車、石油、鋼鐵等重化工行業(yè)得到迅速發(fā)展。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略（3）工業(yè)3.020世紀四五十年代以來，在原子能、電子計算機、空間技術和生物工程等領域的重大突破，標志著第三次工業(yè)革命的到來。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略（4）工業(yè)4.0在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上，德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部正式推出以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，即“工業(yè)4.0”，并將其納入國家戰(zhàn)略。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略2.概念1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略3.四大主題（1）智能工廠智能工廠重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現。（2）智能生產智能生產主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用等。（3）智能物流智能物流主要通過互聯網、物聯網、物流網來整合物流資源，充分提高現有物流資源供應方的效率，而需求方則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持。（4）智能服務智能服務是應用多方面信息技術，以客戶需求目的跨平臺、多元化的集成服務。4.三大集成（1）縱向集成縱向集成關注產品的生產過程，力求在智能工廠內通過互聯網建成生產的縱向集成。（2）數字化集成數字化集成關注產品整個生命周期的不同階段，包括設計與開發(fā)、安排生產計劃、管控生產過程以及產品的售后維護等，實現各個階段之間的信息共享，從而達成工程的數字化集成。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略（3）橫向集成橫向集成關注全社會價值網絡的實現，從產品的研究、開發(fā)與應用拓展至建立標準化策略、提高社會分工合作的有效性、探索新的商業(yè)模式以及考慮社會的可持續(xù)發(fā)展等，從而達成德國制造業(yè)的橫向集成。1.1.2其他各國智能制造戰(zhàn)略1.美國“振興美國先進制造業(yè)”（1）背景20世紀80年代以來，隨著經濟全球化、國際產業(yè)轉移及虛擬經濟的不斷深化，美國的產業(yè)結構發(fā)生了深刻的變化，制造業(yè)日益衰退，“去工業(yè)化”趨勢明顯，雖然美國制造業(yè)的增加值逐年提高，但制造業(yè)的增加值占國內生產總值的比重卻在逐年下降。（2）內容《振興美國先進制造業(yè)》指出，加快技術創(chuàng)新、確保人才輸送、改善商業(yè)環(huán)境是振興美國制造業(yè)的三大支柱，具體內容見表1-3。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略2.法國“新工業(yè)法國”（1）背景根據法國國家統(tǒng)計局的數據，自20世紀80年代開始，法國開始進入“去工業(yè)化”時代，制造業(yè)就業(yè)崗位從1980年的510萬下降到2013年的290萬，制造業(yè)增加值占GDP比重從20.6%下降到10%。（2）內容調整后的“新工業(yè)法國”總體布局為“一個核心，九大支點”，如圖1-6所示。3.英國“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”（1）背景英國是工業(yè)革命的發(fā)生地，現代工業(yè)的搖籃。（2）內容“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”展望了2050年制造業(yè)的發(fā)展狀況，并據此分析了英國制造業(yè)的機遇和挑戰(zhàn)。1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略1.1國外智能制造國家戰(zhàn)略4.印度“印度制造計劃”（1）背景自20世紀90年代初推行市場化改革以來，印度經濟走出了一條不同于傳統(tǒng)工業(yè)化的發(fā)展道路，以新興的軟件、信息技術等服務業(yè)為增長主引擎，而制造業(yè)對國民經濟的貢獻有限。（2）內容“印度制造計劃”是以對外開放、自由化、市場化為指導思想，旨在推動本國制造業(yè)快速增長的經濟計劃。5.日本“機器人新戰(zhàn)略”（1）背景日本制造業(yè)在第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展迅猛，20世紀60年代的工業(yè)年均增長率高達13%。（2）政策支持日本是全球工業(yè)機器人裝機數量最多的國家，其機器人產業(yè)也極具競爭力。1.2中國制造20251.2.1背景1.2.2主要內容1.“三步走”戰(zhàn)略2.基本原則和方針1.2中國制造20251.2中國制造20253.五項重點工程（1）國家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程重點開展行業(yè)基礎和共性關鍵技術研發(fā)、成果產業(yè)化、人才培訓等工作；2015年建成15家，2020年建成40家制造業(yè)創(chuàng)新中心。（2）智能制造工程開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應用；建立智能制造標準體系和信息安全保障系統(tǒng)等。（3）工業(yè)強基工程以關鍵基礎材料、核心基礎零部件（元器件）、先進基礎工藝、產業(yè)技術基礎為發(fā)展重點。（4）綠色制造工程組織實施傳統(tǒng)制造業(yè)能效提升、清潔生產、節(jié)水治污等專項技術改造；制定綠色產品、綠色工廠、綠色企業(yè)標準體系。1.2中國制造2025（5）高端裝備創(chuàng)新工程組織實施大型飛機、航空發(fā)動機、智能電網、高端診療設備等一批創(chuàng)新和產業(yè)化專項、重大工程。4.十大重點領域（1）新一代信息技術產業(yè)1）集成電路及專用裝備：著力提升集成電路的設計水平，不斷豐富知識產權（IP）和設計工具，提升國產芯片的應用適配能力。2）信息通信設備：掌握新型計算、高速互聯、先進存儲、體系化安全保障等核心技術，推動核心信息通信設備的體系化發(fā)展與規(guī)?；瘧谩?.2中國制造20253）操作系統(tǒng)及工業(yè)軟件：開發(fā)安全領域操作系統(tǒng)等工業(yè)基礎軟件，推進自主工業(yè)軟件的體系化發(fā)展和產業(yè)化應用。（2）高檔數控機床和機器人1）高檔數控機床：開發(fā)一批數控機床與基礎制造裝備及集成制造系統(tǒng)，加快高檔數控機床、增材制造等前沿技術和裝備的研發(fā)。2）機器人：圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人、特種機器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人的應用需求，積極研發(fā)新產品，促進機器人向標準化、模塊化方向發(fā)展，擴大市場應用。1.2中國制造2025（3）航空航天裝備加快大型飛機的研制，建立發(fā)動機自主發(fā)展工業(yè)體系，開發(fā)先進機載設備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產業(yè)鏈。（4）海洋工程裝備及高技術船舶大力發(fā)展深海探測、資源開發(fā)利用、海上作業(yè)保障裝備及其關鍵系統(tǒng)和專用設備，掌握重點配套設備設計制造核心技術。（5）先進軌道交通裝備加快新材料、新技術和新工藝的應用，研制先進可靠適用的產品，建立世界領先的現代軌道交通產業(yè)體系。（6）節(jié)能與新能源汽車繼續(xù)支持電動汽車、燃料電池汽車的發(fā)展，掌握汽車核心技術，形成從關鍵零部件到整車的完整工業(yè)體系和創(chuàng)新體系。（7）電力裝備推進新能源和可再生能源裝備的發(fā)展，突破關鍵元器件和材料的制造及應用技術，形成產業(yè)化能力。（8）農機裝備重點發(fā)展糧食和戰(zhàn)略性經濟作物主要生產過程使用的先進農機裝備，推進形成面向農業(yè)生產的信息化整體解決方案。1.2中國制造2025（9）新材料以先進復合材料為發(fā)展重點，加快研發(fā)新材料制備關鍵技術和裝備。（10）生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械發(fā)展藥物新產品，提高醫(yī)療器械的創(chuàng)新能力和產業(yè)化水平。重點發(fā)展影像設備、高性能診療設備、移動醫(yī)療產品，實現新技術的突破和應用。1.2.3中國制造2025與德國工業(yè)4.01.區(qū)別1.2中國制造20252.聯系1.3智能制造的提出及建設意義1.3.1智能制造的提出1.3智能制造的提出及建設意義1.3.2智能制造的建設意義1.推動制造業(yè)升級2.重塑制造業(yè)新優(yōu)勢1.3.3智能制造的人才培養(yǎng)第2章智能制造概述2.1智能制造的定義與特點1.智能制造的定義2.智能制造的主要特點（1）自組織能力IMS中的各種組成單元能夠根據工作任務的需要自行集結成一種超柔性最佳結構，并按照最優(yōu)的方式運行。（2）自律能力IMS具有搜集與理解環(huán)境信息及自身信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行的能力。（3）自學習和自維護能力IMS能以原有的專家知識為基礎，在實踐中不斷進行學習，完善系統(tǒng)的知識庫，并刪除庫中不適用的知識，使知識庫更趨合理；同時，還能對系統(tǒng)故障進行自我診斷、排除及修復。2.1智能制造的定義與特點（4）智能集成整個制造系統(tǒng)的智能集成IMS在強調各個子系統(tǒng)智能化的同時，更注重整個制造系統(tǒng)的智能集成。（5）人機一體化智能系統(tǒng)IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。（6）虛擬現實虛擬現實是實現虛擬制造的支持技術，也是實現高水平人機一體化的關鍵技術之一。2.2智能制造技術體系2.2智能制造技術體系1.商業(yè)模式創(chuàng)新（1）開發(fā)智能產品智能產品通常包括機械元件、電氣元件和嵌入式軟件，具有記憶、感知、計算和傳輸功能。2.2智能制造技術體系2.生產模式創(chuàng)新（1）應用智能裝備智能裝備具有檢測功能，可以實現在線檢測，從而補償加工誤差，提高加工精度，還可以對熱變形進行補償。（2）建立智能生產線鋼鐵、化工、制藥、食品飲料、煙草、芯片制造、電子組裝、汽車、軸承等行業(yè)的企業(yè)高度依賴自動化生產線，以實現自動化的加工、裝配和檢測。2.2智能制造技術體系（3）構建智能車間要實現車間的智能化，需要對生產狀況、設備狀態(tài)、能源消耗、生產質量、物料消耗等信息進行實時采集和分析，從而進行高效排產和合理排班，以顯著提高設備利用率。2.2智能制造技術體系（4）打造智能工廠智能工廠不僅生產過程應實現自動化、透明化、可視化、精益化，產品檢測、質量檢驗和分析、生產物流也應當與生產過程實現閉環(huán)集成，也要實現信息共享、準時配送、協同作業(yè)。2.2智能制造技術體系3.運營模式創(chuàng)新（1）踐行智能研發(fā)離散制造企業(yè)在產品智能研發(fā)方面，應用了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助工藝過程設計（CAPP）、電子設計自動化（EDA）等工具軟件和產品數據管理（PDM）、產品周期管理（PLM）系統(tǒng)。（2）形成智能物流和供應鏈體系制造企業(yè)越來越重視物流自動化，自動化立體倉庫、無人引導小車（AGV）、智能吊掛系統(tǒng)得到了廣泛應用，智能分揀系統(tǒng)、堆垛機器人、自動輥道系統(tǒng)的應用日趨普及。（3）開展智能管理實現智能管理的前提條件是，基礎數據的準確性和主要信息系統(tǒng)的無縫集成。4.決策模式創(chuàng)新2.3智能制造與數字制造2.3.1數字制造的定義與分類1.數字制造的定義2.數字制造的分類（1）以控制為中心的數字制造以數字量實現加工過程的物料流、加工流和控制流的表征、存儲與控制，就形成了以控制為中心的數字制造。（2）以設計為中心的數字制造將制造、檢測、裝配等方面的所有規(guī)劃以及產品設計、制造、工藝、管理、成本核算等所有信息數字化，并被制造過程的全階段所共享，就形成了以產品設計為中心的數字制造。2.3智能制造與數字制造（3）以管理中心的數字制造為了使制造企業(yè)經營生產過程能隨市場需求快速的重構和集成，出現了能覆蓋整個企業(yè)從產品的市場需求、研究開發(fā)、產品設計、工程制造、銷售、服務、維護等生命周期中信息的產品數據管理系統(tǒng)（PDM），從而實現以“產品”和“供需鏈”為核心的過程集成，這就是以管理為中心的數字制造。2.3智能制造與數字制造3.數字孿生（1）概念數字李生是一種擬人化的說法，是指利用數字化技術營造的與現實世界對稱的數字化鏡像，可以理解成在虛擬的數字世界里按照真實的物理產品建立的一套對應的數字化表達。2.3智能制造與數字制造（2）組成數字孿生涵蓋了產品數字孿生、生產工藝流程數字孿生和設備數字李生三個部分。1）產品數字孿生：在產品研發(fā)領域，可以建立虛擬的數字化產品模型，如包含工藝信息的三維CAD模型，然后對其進行仿真測試和驗證，以更低的成本做更多的樣品。2）生產工藝流程數字李生：在生產管理領域，可將數字化模型構建在生產管理體系中，在運營和生產管理的平臺上對生產進行調度、調整和優(yōu)化。3）設備數字李生：在設備管理領域，可以通過模型來模擬設備的運動和工作狀態(tài)，實現機械和電氣設備的聯動。2.3智能制造與數字制造2.3.2數字制造與智能制造的聯系2.3智能制造與數字制造2.3.3從數字制造到智能制造1.制造環(huán)節(jié)智能化2.3智能制造與數字制造2.流水線作業(yè)智能化3.機器人智能化2.4智能制造的發(fā)展趨勢1.計算機建模與仿真技術2.機器人和柔性化生產2.4智能制造的發(fā)展趨勢3.物聯網和務聯網4.供應鏈動態(tài)管理、整合與優(yōu)化5.增材制造技術第3章智能制造內涵第3章智能制造內涵3.1智能工廠3.1.1智能工廠的內涵與特征1.智能工廠的內涵2.智能工廠的主要特征3.1智能工廠（1）設備互聯能夠實現設備與設備互聯，通過與設備控制系統(tǒng)集成，以及外接傳感器等方式，由SCADA（數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)）實時采集設備的狀態(tài)、生產完工的信息、質量信息，并通過應用RFID（無線射頻技術）、條碼（一維和二維）等技術實現生產過程的可追溯，如圖3-3所示。（2）廣泛應用工業(yè)軟件廣泛應用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、APS（先進生產排程）、能源管理、質量管理等工業(yè)軟件，實現生產現場的可視化和透明化。（3）結合精益生產理念充分體現工業(yè)3.1智能工廠工程和精益生產的理念，能夠實現按訂單驅動拉動式生產，盡量減少在制品的庫存，消除浪費。（4）實現柔性自動化結合企業(yè)的產品和生產特點，持續(xù)提升生產、檢測和工廠物流的自動化程度。（5）注重環(huán)境友好，實現綠色制造能夠及時采集設備和生產線的能源消耗，實現能源的高效利用。在危險和存在污染的環(huán)節(jié)，優(yōu)先用機器人替代人工，能夠實現廢料的回收和再利用。（6）實現實時洞察從生產排產指令的下達到完工信息的反饋，實現閉環(huán)。3.1智能工廠3.1.2智能工廠的組成與建設模式1.智能工廠的組成3.1智能工廠（1）企業(yè)資源計劃企業(yè)資源計劃（EnterpriseResourcePlanning,ERP）是一種主要面向制造行業(yè)進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業(yè)信息管理系統(tǒng)。3.1智能工廠（2）制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem,MES）是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產信息化管理系統(tǒng)。（3）過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)（Process

ControlSystem,PCS）有時稱為“工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）”，可收集制造過程中產生的各類數據，并返回數據，以進行狀態(tài)監(jiān)控和故障排除。（4）產品生命周期管理產品生命周期管理（ProductLifecycleManagement,PLM），是對產品的整個生命周期（包括投入期、成長期、成熟期、衰退期、結束期）進行全面管理，通過投入期的研發(fā)成本最小化和成長期至結束期的企業(yè)利潤最大化來達到降低成本和增加利潤的3.1智能工廠目標，如圖3-8所示。（5）供應鏈管理供應鏈管理（SupplyChainManagement,SCM）主要通過信息手段對供應鏈（圖3-9）的各個環(huán)節(jié)中的各種物料、資金、信息等資源進行計劃、調度、調配、控制與利用，形成用戶、銷售商、分銷商、制造商、原材料供應商的全部供應過程的功能整體。3.1智能工廠（6）客戶關系管理客戶關系管理（CustomerRelationshipManagement,CRM），作一種新型管理機制，CRM極大地改善了企業(yè)與客戶之間的關系，實施于企業(yè)的市場營銷、產品銷售、服務與技術支持等與客戶相關的領域。3.1智能工廠2.智能工廠的建設模式（1）從數字工廠到智能工廠在石化、鋼鐵、治金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內在動力在于產品品質可控，側重從生產數字化建設起步，基于品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。3.1智能工廠（2）從智能生產單元到智能工廠在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產品的價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品效能的提升實現價值增長。（3）從個性化定制到智能工廠在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領域中，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現規(guī)模經濟生產，側重通過互聯網平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。3.1智能工廠3.1.3案例分析3.2智能生產3.2智能生產3.2.1智能生產的設計目標1.裝備數字化智能化2.倉儲物流智能化3.生產執(zhí)行管理智能化4.效益目標3.2智能生產3.2.2智能生產的總體框架1.智能裝備與控制系統(tǒng)3.2智能生產（1）柔性制造系統(tǒng)的特點（圖3-17）1）機器柔性：機器設備具有隨產品的變化而加工不同零件的能力。3.2智能生產2）工藝柔性：能夠根據加工對象的變化或原材料的變化而確定相應的工藝流程。3）生產能力柔性：當生產量改變時，系統(tǒng)能及時做出反應而經濟地運行。4）維護柔性：系統(tǒng)能采用在線監(jiān)控方式、故障診斷技術，保障設備正常進行。5）擴展柔性：當生產需要的時候，可以很容易地擴展系統(tǒng)結構、增加模塊，構成一個更大的制造系統(tǒng)。6）運行柔性：利用不同的機器、材料、工藝流程來生產一系列產品的能力。（2）柔性制造系統(tǒng)的主要功能1）能自動管理零件的生產過程，自感知加工狀態(tài)，自適應控制，自動控制制造質量，自動進行故障診斷與處理，自動進行信息收集與傳輸。2）簡單地改變加工工藝過程，就能制造出某一零件族的多種零件。3）在柔性制造系統(tǒng)的線邊，設有物料儲存和運輸系統(tǒng)，對零件的毛坯、隨行夾具、刀具，零件進行存儲，并按照系統(tǒng)指令將這些物料自動化傳送。3.2智能生產4）能解決多機床條件下零件的混流加工問題，且無需額外增加費用。5）具有優(yōu)化調度管理功能，能實現無人化或少人化加工。2.智能倉儲和物流系統(tǒng)3.智能制造執(zhí)行系統(tǒng)3.2智能生產3.3智能物流3.3.1智能物流的定義與特點1.智能物流的定義3.3智能物流2.智能物流的特點（1）智能化運用數據庫和數據分析，對物流具有一定反應機理，可以做出相應措施，使物流系統(tǒng)智能化。（2）一體化和層次化以物流管理為中心，實現物流過程中運輸、存儲、包裝、裝卸等環(huán)節(jié)的一體化和智能物流系統(tǒng)的層次化。（3）柔性化由于電子商務的發(fā)展，使以前以生產商為中心的商業(yè)模式轉力以消費者為中心的商業(yè)模式，根據消費者需求來調節(jié)生產工藝，從而實現物流系統(tǒng)的柔性化。3.3智能物流（4）社會化智能物流的發(fā)展會帶動區(qū)域經濟和互聯網經濟的高速發(fā)展，從而在某些方面改變人們的生活方式，從而實現社會化。3.3.2核心技術的應用現狀1.集成化的物流規(guī)劃設計仿真技術2.物流實時跟蹤技術3.網絡化分布式倉儲管理及庫存控制技術4.物流運輸系統(tǒng)的調度優(yōu)化技術3.3.3智能物流的發(fā)展趨勢1.智能化物流系統(tǒng)2.智能物流裝備服務的市場化與專業(yè)化3.3智能物流3.智能物流倉儲系統(tǒng)4.云倉系統(tǒng)3.4智能服務3.4.1智能服務的定義與特點1.定義2.特點3.4智能服務3.生態(tài)結構3.4智能服務3.4智能服務4.總體框架（1）通信連接服務要對所有產品提供在線服務，首先要將這些裝備產品連接起來，在裝備產品基本智能化的基礎上，通過傳感器、嵌入式系統(tǒng)來取裝備運行的參數。（2）在線云服務平臺在線云服務平臺由數據基礎設施、云計算平臺和應用系統(tǒng)組成。1）設備及性能管理：設備資產性能管理是在線服務的核心，其功能包括設備（產品）技術檔案的創(chuàng)建、存儲、管理資產的屬性，如基于產品出廠編號的產品物料清單、質量追溯記錄（零部件供應商及質量記錄）、產品全生命周期的維修3.4智能服務記錄、維修知識庫等。2）模型及數據分析：在線云服務系統(tǒng)通過物聯網與設備資產連接，來獲取大量設備的實時運行數據，檢測設備的運行狀態(tài)，進行故障診斷，對運行狀態(tài)進行預測，在維修知識庫和專家系統(tǒng)的支持下做出維修決策。圖3-27所示為預測性維修所需的模型和分析方法。3）數據處理：通過傳感器、嵌入式系統(tǒng)來獲取設備的運行數據和狀態(tài)監(jiān)測數據；從企業(yè)的研發(fā)設計系統(tǒng)和企業(yè)經營管理系統(tǒng)獲取產品設計數據、生產數據、質量跟蹤數據、歷史數據、供應商數據。4）執(zhí)行操作：在服務合同允許的條件下，根據運行狀態(tài)，經過決策分析，可以對設備進行優(yōu)化控制；通過故障診斷，確定維修策略，派遣維修人員現場維修，或者提示用戶進行維修或保養(yǎng)。3.4智能服務3.4.2智能服務的發(fā)展現狀第4章智能制造關鍵技術第4章智能制造關鍵技術4.1機器人技術4.1.1概念及特點4.1機器人技術1.機器人術語的來歷2.機器人三原則（1）第一原則機器人必須不能傷害人類，也不允許見到人類將要受傷害而袖手旁觀。（2）第二原則機器人必須完全服從于人類的命令，但不能違反第一原則。（3）第三原則機器人應保護自身的安全，但不能違反第一和第二原則。4.1機器人技術4.1.2技術及應用4.1機器人技術1.工業(yè)機器人2.服務機器人（1）公共服務機器人公共服務機器人是指面向公眾或商業(yè)任務的服務機器人，包括迎賓機器人、餐廳服務機器人、酒店服務機器人、銀行服務機器人和場館服務機器人等，如圖4-4a所示。（2）個人/家用服務機器人個人/家用服務機器人是指在家庭以及類似環(huán)境中由非專業(yè)人士使用的服務機器人，包括家政、教育娛樂、養(yǎng)老助殘、家務機器人、個人運輸和安防監(jiān)控等類型的機器人，如圖4-4b所示。4.1機器人技術（3）特種機器人特種機器人是指由專業(yè)知識人士操縱的、面向國家、特種任務的服務機器人，包括國防/軍事機器人、航空航天機器人、搜救救援機器人、醫(yī)用機器人、水下作業(yè)機器人、空間探測機器人、農場作業(yè)機器人、排爆機器人、管道檢測機器人和消防機器人等，如圖4-5所示。4.2人工智能技術4.2.1概念及特點1.概念4.2人工智能技術2.特點4.2人工智能技術4.2.2技術及應用1.機器學習4.2人工智能技術4.2人工智能技術2.知識圖譜（1）實體在知識圖譜里，通常用“實體（Entity）”來表達圖里的節(jié)點，實體指的是現實世界中的事物，如人、地名、概念、藥物、公司等。（2）關系在知識圖譜中，用“關系（Relation）”來表達圖里的“邊”。4.2人工智能技術3.自然語言處理（1）語音識別將口語翻譯成文本。（2）自然語言理解計算機能理解自然語言文本的意義。（3）自然語言生成計算機能以自然語言文本來表達給定的意圖、思想等。4.人機交互（1）多通道交互多通道交互是一種使用多種通道與計算機通信的人機交互方式，如言語、眼神、臉部表情、唇動、手動、手勢、頭動、肢體姿勢、觸覺、嗅覺或味覺等。（2）虛擬現實和三維交互了達到三維效果和立體的沉浸感，人們先后發(fā)明了立體眼鏡、頭盔式顯示器、雙目全方位監(jiān)視器、墻式顯示屏的自動聲像虛擬環(huán)境CAVE（圖4-11）等。4.2人工智能技術4.2人工智能技術5.計算機視覺4.2人工智能技術6.生物特征識別4.3物聯網技術4.3.1概念及特點（1）全面感知工業(yè)物聯網是利用了射頻識別技術、傳感器技術、二維碼技術隨時獲取產品從生產過程直到銷售到終端用戶使用的各個階段信息數據。（2）互聯傳輸工業(yè)物聯網通過專用網絡和互聯網相連的方式，實時將設備信息準確無誤地傳遞出去。（3）智能處理工業(yè)物聯網是利用云計算、云存儲、模糊識別及神經網絡等智能計算的技術，對數據和信息進行分析并處理，結合大數據技術，深挖數據的價值。（4）自組織與自維護一個功能完善的工業(yè)物聯網系統(tǒng)應具有自組織與自維護的功能。4.3物聯網技術4.3.2技術及應用1.物聯網體系架構（1）感知層其主要功能是通過各種類型的傳感器對物質屬性、環(huán)境狀態(tài)、行態(tài)勢等靜態(tài)/動態(tài)的信息進行大規(guī)模、分布式的信息獲取與狀態(tài)辨識。（2）傳輸層其主要功能是通過現有的移動通信網（如GSM網、TD-SCDMA網）、無線接入網（如WiMAX）、無線局域網（WiFi）、衛(wèi)星網等基礎設施，將來自感知層的信息傳送到互聯網中。（3）應用層其主要功能是集成系統(tǒng)底層的功能，構建起面向各類行業(yè)的實際應用。4.3物聯網技術2.應用4.3物聯網技術（1）智能家居智能家居是以住宅為基礎，利用物聯網技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、語音視頻技術將與家居生活有關的設施進行高度信息化集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，以提升家居安全性、便利性、舒適性和藝術性，并實現環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境，如圖4-16所示。4.3物聯網技術（2）智能交通智能交通系統(tǒng)將先進的信息技術、數據通信傳輸技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等，有效地集成運用于整個地面交通管理系統(tǒng)。（3）智能醫(yī)療物聯網技術在智能醫(yī)療的應用場景如圖4-18所示，聯網的便攜式醫(yī)療設備可對病人進行遠程監(jiān)護，可實現對人體生理參數和生活環(huán)境的遠程實時監(jiān)測與詳細記錄，便于醫(yī)務人員全面地了解病人的病歷和生活習慣，提前發(fā)現并預防潛在疾病。4.3物聯網技術4.4大數據技術4.4.1概念及特點1.概念（1）工業(yè)現場設備工業(yè)現場設備指的是工廠內設備，主要可分為三類：專用采集設備，如傳感器、變送器；通用控制設備，如PLC、嵌入式系統(tǒng)；專用智能設備/裝備，如機器人、數控機床、AGV小車等。（2）工廠外智能產品/裝備通過工業(yè)物聯網實現對工廠外智能產品/裝備的遠程接入和數據采集，主要采集智能產品/裝備運行時的關鍵指標數據，如工作電流、電壓、功耗、電池電量、內部資源消耗、通信狀態(tài)、通信流量等數據，主要用于實現智能產品/裝備的遠程監(jiān)控、健康狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護等應用。（3）EPR、MES等應用系統(tǒng)通過接口和系統(tǒng)集成方式實現對SCADA數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、DCS分布式控制系統(tǒng)、MES生產過程數據系統(tǒng)、ERP企業(yè)資源計劃系統(tǒng)等應用系統(tǒng)的數據采集。4.4大數據技術2.特點（1）數據量（Volumes）大計量單位從TB級上升到PB、EB、ZB、YB級及以上級別。（2）數據類別（Variety）大數據來自多種數據源，數據的種類和格式日漸豐富，既包含生產日志、圖片、聲音，又包含動畫、視頻、位置等信息，已沖破了以前所限定的結構化數據范疇，囊括了半結構化和非結構化數據。（3）數據處理速度（Velocity）快在數據量非常龐大的情況下，也能夠做到數據的實時處理。（4）價值密度（Value）低隨著物聯網的廣泛應用，信息感知無處不在，信息海量，但存在4.4大數據技術大量不相關的信息，因此需要對未來趨勢與模式進行可預測分析，利用機器學習、人工智能等進行深度復雜分析。（5）數據真實性（Veracity）高隨著社交數據、企業(yè)內容、交易與應用數據等新數據源的興起，傳統(tǒng)數據源的局限被打破，企業(yè)愈發(fā)需要有效的信息之力，以確保其真實性及安全性。4.4.2技術及應用1.關鍵技術（1）大數據集成與清洗技術大數據集成是把不同來源、格式、特點性質的數據有機集中。（2）大數據存儲與管理技術該技術是采用分布式存儲、云存儲等技術將數據進行經濟、安全、可靠的存儲管理，并采用高吞吐量數據庫技術和非結構化訪問技術支持云系統(tǒng)中數據的高效快速訪問。（3）大數據分析挖掘技術該技術是從海量、不完全、有噪聲、模糊及隨機的大型數據庫中發(fā)現隱含在其中有價值的、潛在有用的信息和知識。4.4大數據技術（4）大數據可視化技術該技術是利用包括二維綜合報表、VR/AR等計算機圖形圖像處理技術和可視化展示技術，將數據轉換成圖形、圖像并顯示在屏幕上，使數據變得直觀且易于理解。4.4大數據技術（5）大數據標準與質量體系技術該技術包括了工業(yè)大數據通用技術、平臺、產品、行業(yè)、安全等方面的標準和規(guī)范。（6）大數據安全技術工業(yè)大數據涉及大量重要工業(yè)數據和用戶隱私信息，在傳輸和存儲時都會存在一定的數據安全隱患，也存在黑客竊取數據、攻擊企業(yè)生產系統(tǒng)的風險。2.應用（1）生產工藝改進在生產過程中使用工業(yè)大數據，就能分析整個生產流程，了解每個環(huán)節(jié)是如何執(zhí)行的。（2）生產流程優(yōu)化利用大數據技術，還可以對工業(yè)產品的生產過程建立虛擬模型，仿真并優(yōu)化生產流程。（3）能耗優(yōu)化在能耗分析方面，在設備生產過程中利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產流程，能夠發(fā)現能耗的異?；蚍逯登樾危纱吮憧稍谏a過程中優(yōu)化能源的消耗，對所有流程進行分析將會大大降低能耗，如圖4-21所示。4.4大數據技術4.5云計算技術4.5.1概念及特點1.概念4.5云計算技術2.特點（1）自助式服務消費者無需與服務提供商交互就可以得到自助的計算資源能力，如服務器的時間、網絡存儲等（資源的自助服務），如圖4-23所示。（2）無所不在的網絡訪問消費者可借助于不同的客戶端通過標準的應用對網絡進行訪問，如圖4-24所示。4.5云計算技術（3）劃分獨立資源池根據消費者的需求來動態(tài)地劃分或釋放不同的物理和虛擬資源，這些池化的供應商計算資源以多租戶的模式來提供服務。（4）快速彈性云計算系統(tǒng)能夠快速和彈性地提供資源并且快速和彈性地釋放資源。（5）服務可計量云系統(tǒng)對服務類型通過計量的方法來自動控制和優(yōu)化資源使用（如存儲、處理、寬帶及活動用戶數）。4.5云計算技術4.5.2技術及應用1.服務模式（1）SaaSSaas就是軟件服務提供商了滿足用戶的需求提供的軟件的計算能力。（2）PaasPaas是一種分布式平臺服務，為用戶提供一個包括應用設計、應用開發(fā)、應用測試及應用托管的完整的計算機平臺，如圖4-26所示。4.5云計算技術4.5云計算技術（3）laaslaas是把計算、存儲、網絡以及搭建應用環(huán)境所需的一些工具當成服務提供給用戶，使得用戶能夠按需獲取IT基礎設施。4.5云計算技術2.部署模式（1）公有云公有云是一種對公眾開放的云服務，由云服務提供商運營，為最終用戶提供各種IT資源，可以支持大量用戶的并發(fā)請求。4.5云計算技術（2）私有云私有云指組織機構建設專供自己使用的云平臺。（3）混合云混合云是由私有云及外部云提供商構建的混合云計算模式。4.5云計算技術（4）社區(qū)云社區(qū)云服務的用戶是一個特定范圍的群體，它既不是一個單位內部的，也不是一個完全公開的服務，而是介于兩者之間。3．應用介紹（1）阿里巴巴一阿里云ET工業(yè)大腦平臺阿里云ET工業(yè)大腦平臺依托阿里云大數據平臺，通過大數據技術、人工智能技術與工業(yè)領域知識的結合實現工業(yè)數據建模分析，有效地改善生產良率、優(yōu)化工藝參數、提高設備利用率、減少生產能耗，提升設備預測性維護能力。（2）航天云網一INDICS平臺INDICS平臺是由中國航天科工集團開發(fā)的云計算平臺。4.5云計算技術（3）華為—OceanConnectIoT平臺華為推出的OceanConnectIoT平臺在技術架構上分3層，分別為連接管理層、設備管理層和應用使能層。4.6虛擬現實技術4.6.1概念及特點1.概念2.特點（1）沉浸性指利用三維立體圖像，給人一種身臨其境的感覺。（2）交互性指利用一些傳感設備進行交互，使用戶感覺就像是在真實客觀世界中一樣。（3）想象性指使用戶沉浸其中并提高感性和理性認識，進而產生認知上的新意和構想。4.6虛擬現實技術4.6.2技術及應用1.系統(tǒng)組成4.6虛擬現實技術（1）專業(yè)圖形處理計算機計算機在虛擬現實系統(tǒng)中處于核心地位，是系統(tǒng)的心臟，是VR的引擎，主要負責從輸人設備中讀取數據、訪問與任務相關的數據庫，執(zhí)行任務要求的實時計算。（2）應用軟件系統(tǒng)虛擬現實的應用軟件系統(tǒng)是實現VR技術應用的關鍵，提供了工具包和場景圖，主要完成虛擬世界中對象的幾何模型、物理模型、行次模型的建立和管理；三維立體聲的生成、三維場景的實時繪制；虛擬世界數據庫的建立與管理等。（3）數據庫數據庫用來存放整個虛擬世界中所有對象模型的相關信息。（4）輸入設備輸入設備是虛擬現實系統(tǒng)的輸入接口。（5）輸出設備輸出設備是虛擬現實系統(tǒng)的輸出接口，是對輸人的反饋。2.應用分析（1）生產線設計虛擬現實技術借助計算機技術和仿真技術，從產品設計初期就可實時、并行地對產品制造過程進行建模和仿真，以檢查產品的可加工性和設計合理性，從而及時地修改設計，有效靈活地組織生產。4.6虛擬現實技術（2）自動化系統(tǒng)優(yōu)化利用虛擬現實技術可以先在虛擬環(huán)境中調試自動化控制邏輯和PLC代碼，然后再將其下載到真實設備。4.6虛擬現實技術（3）生產過程仿真隨著生產制造技術的不斷發(fā)展，制造系統(tǒng)的自動化程度也越來越高，系統(tǒng)也越來越復雜。4.6虛擬現實技術（4）機器人的編程與仿真在智能制造中，大量的工業(yè)機器人被采用，用來代替人類執(zhí)行某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)。4.7

3D打印技術4.7.1概念及特點1.概念4.7

3D打印技術2.特點4.7.2技術及應用1.關鍵技術（1）熔融沉積成形技術（FDM）FDM是現今使用最廣泛的一種快速造型技術，是將絲狀的熱熔性4.7

3D打印技術材料加熱熔化，機械噴頭通過程序控制將絲狀材料迅速地噴涂在工作板上，經過快速冷卻之后形成熔融層。（2）光固化立體成形技術（SLA）SLA是最早商用化的打印技術，按照照射方式的不同，可分為直接光刻和掩膜光刻法。1）直接光刻法：直接光刻法基于直接光固化技術，如圖4-43a所示。2）掩膜光刻法：掩膜光刻法與直接光刻法的不同之處在于，激光路徑和承物臺的移動方向。4.7

3D打印技術（3）疊層實體制造技術（LOM）LOM技術由Helisys開發(fā)，這項技術基于一層一層材料的疊加而成型，材料包括塑料、紙、金屬等。1）優(yōu)點：①LOM技術獲得的原型零件精度較高，通常小于0.15mm。②制件能承受高達200°C的溫度，有較高的力學性能。③制件的尺寸大，可達1600mm。2）缺點：①成型過程中需要對承物臺和滾輪進行加熱，以確保層與層之間有良好的黏結性，加熱不均或不充分會導致層與層之間粘連不牢而起皮或導致結構破壞。②廢料難以剝離，不能循環(huán)利用。③所用材料必須能被制成薄膜，這也是IOM技術的另一缺點。4.7

3D打印技術（4）選擇性激光燒結/熔融技術（SLS/SLM）SIS技術誕生于20世紀80年代，它仍然是基于固體粉末材料的一項技術。4.7

3D打印技術2.應用分析（1）汽車制造利用3D打印技術，可以在數小時或數天內制作出概念模型，由于3D打印的快速成型特性，汽車廠商可以應用于汽車外形設計的研發(fā)。4.7

3D打印技術4.7

3D打印技術（2）食品加工隨著人們對食品的要求越來越高，個性化的食品越來越受到人們的青睞。4.8無線傳感網絡技術4.8.1概念及特點1.概念2.特點（1）大規(guī)模包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內，如在原始大森林采用傳感器網絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在面積較小的空間內，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。（2）自組織傳感器節(jié)點的放置位置不能預先精確設定，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理。（3）可靠性無線傳感網絡技術特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，節(jié)點可以工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。（4）集成化傳感器節(jié)點的功耗低，體積小，價格便宜，實現了集成化。4.8無線傳感網絡技術4.8.2技術及應用1.關鍵技術4.8無線傳感網絡技術（1）無線傳感器節(jié)點無線傳感器節(jié)點具有感知、計算和通信能力，它主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源組成，如圖4-52所示，完成對感知對象的信息采集、存儲和簡單的計算。（2）網關節(jié)點無線傳感器節(jié)點分布在需要監(jiān)測的區(qū)域，用來監(jiān)測特定的信息、物理參量等；網關節(jié)點將監(jiān)測現場中許多傳感器節(jié)點獲得的被監(jiān)測量數據收集匯聚后，通過傳輸網絡傳送到遠端的監(jiān)控中心。4.8無線傳感網絡技術（3）傳輸網絡傳輸網絡為傳感器之間、傳感器與監(jiān)控中心之間提供通暢的通信，可以在傳感器與監(jiān)控終端之間建立通信路徑。（4）監(jiān)控中心針對不同的具體任務，監(jiān)控中心負責對無線傳感網絡發(fā)送來的信息進行分析處理，并在需要的情況下向無線傳感網絡發(fā)布查詢和控制指令。2.應用分析4.9射頻識別技術4.9.1概念及特點1.概念2.特點4.9射頻識別技術4.9射頻識別技術4.9.2技術及應用1.系統(tǒng)的組成及工作原理4.9射頻識別技術（1）電子標簽電子標簽具有智能讀寫和加密通信的功能，它是通過無線電波與讀寫設備進行數據交換的，其工作能量由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供。（2）閱讀器閱讀器有時也被稱力“查詢器”“讀寫器”或“讀出裝置”。閱讀器可將主機的讀寫命令傳送到電子標簽，再把從主機發(fā)往電子標簽的數據加密，將電子標簽返回的數據解密后送到主機。（3）數據管理系統(tǒng)數據管理系統(tǒng)主要完成數據信息的存儲及管理，對卡進行讀寫控制等。4.9射頻識別技術2.應用分析（1）交通領域高速公路自動收費系統(tǒng)，也被稱為不停車收費系統(tǒng)（ElectronicTollCollection,ETC）。4.9射頻識別技術（2）門禁安保領域門禁保安系統(tǒng)也可應用射頻卡作為身份識別載體，并能適用到多個場合，如用作工作證、出入證、停車卡、飯店住宿卡甚至旅游護照等，以明確對象身份后，簡化出人手續(xù)、提高工作效率，如圖4-57所示。（3）零售業(yè)領域射頻識別技術在零售業(yè)有著廣泛的應用空間，如商品庫存、物流管理（根據RFID標簽內容和應用系統(tǒng)信息及時跟蹤商品的位置）、商品防偽（通過唯一性標識以及聯網的數據查詢系統(tǒng)鑒別物品真?zhèn)危①徫镒詣咏Y算等，如圖4-58所示。4.9射頻識別技術4.9射頻識別技術（4）圖書管理領域圖書館應用射頻識別技術后可以取代條形碼和防盜磁條的全部功能。4.10實時定位技術4.10.1概念及特點1.概念（1）主動式：主動式通過AOA（基于到達角度定位）、TDOA（基于到達時間差定位）以及RSSI（基于信號強弱定位）來實現，其特點是定位精度高，不易受干擾。（2）被動感應式被動感應式采用基于信號強度的方法進行位置計算，這種定位方式容易受到金屬物等障礙物的影響，從而易出現偏差。4.10實時定位技術2.特點1）實現技術手段豐富，可以針對不同的應用環(huán)境擇優(yōu)選擇。2）系統(tǒng)搭建復雜度較低，無需投入巨額成本。3）智能化水平高，可以與已有視頻監(jiān)控網絡有效的融合，以提高安全管控的層級。4）在非可視條件下，對于目標位置的定位和歷史軌跡追蹤，具有明顯優(yōu)勢。4.10實時定位技術4.10.2技術及應用1.主要實現技術及對比4.10實時定位技術2.工作模式（1）基于RFID的實時定位系統(tǒng)基于RFID的實時定位系統(tǒng)是一種特殊的RFID系統(tǒng)，它的電子標簽信號被系統(tǒng)中至少3個天線接收，并利用信號數據計算出標簽的具體位置。1）系統(tǒng)組成：基于RFID的實時定位系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器、中間件、應用系統(tǒng)四部分組成。4.10實時定位技術①電子標簽。②讀寫器。③中間件。④應用系統(tǒng)。2）通信機制：基于RFID的實時定位系統(tǒng)中讀寫器與電子標簽之間的通信機制需要兼顧空中協議、通信模式、數據幀結構以及數據傳輸安全四個方面的問題。①空中協議。②通信模式。③數據幀結構。④數據傳輸安全。（2）基于WiFi的實時定位系統(tǒng)基于WiFi的實時定位結合無線網絡、射頻技術和實時定位等技術，在WiFi覆蓋的范圍，能夠隨時跟蹤監(jiān)控資產和人員，實現實時定位和監(jiān)控管理，通過優(yōu)化資產的4.10實時定位技術能見度，可以實現利用率和投資回報率的最大化。1）系統(tǒng)組成：基于WiFi的實時定位系統(tǒng)由WiFi終端程序、無線局域網接入點（AP）、定位服務器（Locatingserver）組成。2）工作原理：在WiFi覆蓋區(qū)，標簽在工作時發(fā)出周期性信號，發(fā)射周期可由用戶根據實際需要自行設置，每個定位標簽具有與相應人員和物品信息相關聯的電子編碼。3.應用分析（1）外來人員、車輛管理智能化樓宇（社區(qū)）一般都是由無線局域網覆蓋的，實時定位系統(tǒng)不需要重新搭建，利用已有的無線局域網即可。（2）重要資產追蹤、防盜報警在需要監(jiān)控的區(qū)域搭建無線局域網，根據監(jiān)控物品的大小以及定位精度，來確定無線局域網接入點的鋪設。4.10實時定位技術第5章智能制造與工業(yè)機器人5.1工業(yè)機器人的定義和特點（1）擬人化在機械結構上類似于人的手臂或者其他組織結構。（2）通用性可執(zhí)行不同的作業(yè)任務，動作程序可按需求改變。（3）獨立性完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預。（4）智能性具有不同程度的智能功能，如感知系統(tǒng)等，提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應能力。5.2工業(yè)機器人的分類1.按結構運動形式分類（1）直角坐標機器人直角坐標機器人在空間上具有多個相互垂直的移動軸，常用的是3個軸，即x，Y，z軸，如圖5-1所示。5.2工業(yè)機器人的分類（2）柱面坐標機器人桂面坐標機器人的運動空間位置是由基座回轉、水平移動和豎直移動形成的，其作業(yè)空間呈“圓柱體”，如圖5-2所示。5.2工業(yè)機器人的分類（3）球面坐標機器人球面坐標機器人的空間位置機構主要由回轉基座、擺動軸和平移軸構成，具有2個轉動自由度和1個移動自由度。5.2工業(yè)機器人的分類（4）多關節(jié)型機器人多關節(jié)型機器人由多個回轉和擺動（或移動）機構組成，按旋轉方向可分水平多關節(jié)機器人和垂直多關節(jié)機器人兩種。1）水平多關節(jié)機器人水平多關節(jié)機器人是由多個豎直回轉機構構成的，沒有擺動或平移，手臂都在水平面內轉動，其作業(yè)空間次“圓柱體”，如圖5-4所示。5.2工業(yè)機器人的分類2）垂直多關節(jié)機器人垂直多關節(jié)機器人是由多個擺動和回轉機構組成的，其作業(yè)空間近似于一個球體空間，如圖5-5所示。5.2工業(yè)機器人的分類（5）并聯機器人并聯機器人的基座和末端執(zhí)行器之間通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且是以并聯方式驅動的一種閉環(huán)機構。5.2工業(yè)機器人的分類2.按運動控制方式分類（1）非伺服機器人非服機器人按照預先編好的程序進行工作，使用限位開關、制動器、插銷板和定序器等來控制機器人的運動。（2）伺服控制機器人伺服控制系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）任意變化的自動控制系統(tǒng)。1）點位型機器人：只控制執(zhí)行機構由一點到另一點準確定位，不對點與點之間的運動過程進行控制，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)。2）連續(xù)軌跡型機器人：可控制執(zhí)行機構按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。3.按程序輸入方式分類（1）編程輸入型機器人可將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過串口或者以太網等通信方式傳送到機器人控制器。5.2工業(yè)機器人的分類（2）示教輸入型機器人示教方法一般有兩種：在線示教和拖動示教。1）在線示教：操作者利用示教器將指令信號傳給驅動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。2）拖動示教：操作者直接拖動執(zhí)行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。4.按發(fā)展程度分類（1）第一代機器人第一代機器入主要是指只能以示教再現方式工作的工業(yè)機器人，稱示教再現機器人。（2）第二代機器人第二代機器人是感知機器人，帶有一些可感知環(huán)境的裝置，通過反饋控制使機器人能在一定程度上適應變化的環(huán)境。（3）第三代機器人第三代機器人是智能機器人，它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯推理、判斷及決策，可在作業(yè)環(huán)境中獨立行動；它具有發(fā)現問題且能自主地解決問題的能力。5.2工業(yè)機器人的分類智能機器人至少要具備以下3個要素：（1）感覺要素感覺要素包括能夠感知視覺和距離等非接觸型傳感器以及能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器，用來認知周圍的環(huán)境狀態(tài)。（2）運動要素機器人需要對外界做出反應性動作。（3）思考要素根據感覺要素所得到的信息，思考采用什么樣的動作，包括判斷、邏輯分析、理解和決策等。5.3工業(yè)機器人在智能制造中的應用1.搬運2.焊接5.3工業(yè)機器人在智能制造中的應用5.3工業(yè)機器人在智能制造中的應用3.噴涂5.3工業(yè)機器人在智能制造中的應用4.打磨5.4工業(yè)機器人的發(fā)展概況5.4.1國外發(fā)展概況1.美國5.4工業(yè)機器人的發(fā)展概況2.日本3.歐洲國家5.4工業(yè)機器人的發(fā)展概況5.4.2國內發(fā)展概況1.70年代的萌芽期2.80年代的開發(fā)期5.4工業(yè)機器人的發(fā)展概況3.90年代及以后的實用化期4.國內品牌5.4.3發(fā)展現狀分析5.4工業(yè)機器人的發(fā)展概況1.日本模式2.歐洲模式3.美國模式4.中國模式的走向5.5工業(yè)機器人的主要技術參數1.自由度5.5工業(yè)機器人的主要技術參數5.5工業(yè)機器人的主要技術參數2.額定負載5.5工業(yè)機器人的主要技術參數5.5工業(yè)機器人的主要技術參數3.工作空間4.最大工作速度5.5工業(yè)機器人的主要技術參數5.5工業(yè)機器人的主要技術參數5.分辦率6.工作精度（1）定位精度又稱“絕對精度”，是指機器人的末端執(zhí)行器實際到達位置與目標位置之間的差距。（2）重復定位精度簡稱“重復精度”，是指在相同的運動位置命令下，機器人重復定位其術端執(zhí)行器于同一目標位置的能力，以實際位置值的分散程度來表示。5.5工業(yè)機器人的主要技術參數5.6人才培養(yǎng)1.工業(yè)機器人系統(tǒng)操作員1）按照工藝指導文件等相關文件的要求完成作業(yè)準備。2）按照裝配圖、電氣圖、工藝文件等相關文件的要求，使用工具、儀器等進行工業(yè)機器人工作站或系統(tǒng)的裝配。3）使用示教器、計算機、組態(tài)軟件等相關軟硬件工具，對工業(yè)機器人、可編程序控制器、人機交互界面、電機等設備，以及視覺、位置等傳感器進行程序編制、單元功能調試和生產聯調。4）使用示教器、操作面板等人機交互設備，進行生產過程的參數設定與修改、菜單功能的選擇與配置、程序的選擇與切換。5）進行工業(yè)機器人系統(tǒng)工裝夾具等裝置的檢查、確認、更換與復位。6）觀察工業(yè)機器人工作站或系統(tǒng)的狀態(tài)變化并做相應操作，遇到異常情況時執(zhí)行急停操作等。7）填寫設備裝調、操作等記錄。5.6人才培養(yǎng)2.工業(yè)機器人系統(tǒng)運維員1）對工業(yè)機器人本體、末端執(zhí)行器、周邊裝置等機械系統(tǒng)進行常規(guī)性檢查、診斷。2）對工業(yè)機器人電控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、電源及線路等電氣系統(tǒng)進行常規(guī)性檢查、診斷。3）根據維護保養(yǎng)手冊，對工業(yè)機器人、工業(yè)機器人工作站或系統(tǒng)進行零位校準、防塵、更換電池、更換潤滑油等維護保養(yǎng)。4）使用測量設備采集工業(yè)機器人、工業(yè)機器人工作站或系統(tǒng)的運行參數、工作狀態(tài)等數據，進行監(jiān)測。5）對工業(yè)機器人工作站或系統(tǒng)的故障進行分析、診斷與維修。6）編制工業(yè)機器人系統(tǒng)的運行維護、維修報告。5.6人才培養(yǎng)3.工業(yè)機器人操作調整工1）調整工具的使用，能夠識讀工裝夾具的裝配圖。2）機器人示教調試、離線編程應用。3）關節(jié)機器人操作與調整，及其周邊自動化設備的應用。4）實現機器人工作站的噴涂、打磨、碼垛、焊接等工藝的調整與應用。5）AGV導航應用、控制、操作與調整。6）機器視覺與機器人通信，及其標定、編程與調試應用。7）機器人系統(tǒng)應用方案的制定與集成，生產線運行質量的保證和生產優(yōu)化。8）理論與技能培訓，以及現場物料、設備、人員、技術管理和指定保養(yǎng)方案。9）機器人系統(tǒng)日常保養(yǎng)和周邊設備保養(yǎng)。5.6人才培養(yǎng)4.工業(yè)機器人裝調維修工1）根據機械裝配圖完成機械零部件、機器人或工作站系統(tǒng)部件等機械裝置的檢驗與裝配。2）根據機器人電氣裝配圖完成機器人或工作站電氣組成部件的檢驗與裝配。3）完成機器人的整機調試，包括安裝質量檢查、性能調試等。4）能夠完成系統(tǒng)校準，進行校準補償、參數與位置修正、環(huán)境識別、異常判斷與分析、故障處理等。5）能夠完成系統(tǒng)標定，進行坐標系對準、測量采樣、性能評價、機器人位姿與軌跡規(guī)劃、采樣數據統(tǒng)計與分析、異常應對等。6）進行機器人機械與電氣功能部件、控制系統(tǒng)、外圍設置等的維修，完成系統(tǒng)常見故障的處理與日常保養(yǎng)，以及機器人技術改進與智能機器人維修等。7）按照要求完成機器人培訓，能夠撰寫培訓方案、講義等。8）實現機器人項目的管理，進行質量控制和機器人集成應用系統(tǒng)的改進，并進行技術總結。第6章工業(yè)機器人行業(yè)應用6.1搬運機器人1）動作穩(wěn)定，搬運準確性較高。2）定位準確，保證批量一致性。3）能夠在有毒、粉塵、輻射等危險環(huán)境中作業(yè)，能改善工人的勞動條件。4）生產柔性高、適應性強，可實現多形狀、不規(guī)則物料的搬運。5）能夠部分代替人工操作，且可以進行長期重載作業(yè)，生產效率高。6.1搬運機器人6.1.1搬運機器人的分類6.1搬運機器人1.直角式搬運機器人2.關節(jié)式搬運機器人（1）水平關節(jié)式搬運機器人這種機器人一般為4個軸，是一種精密型搬運機器人，具有速度快、精度高、柔性好、重復定位精度高等特點，在垂直升降方向剛性好，尤其適用于平面搬運場合，廣泛應用于電子、機械和輕工業(yè)等產品的搬運，如圖6-3所示。6.1搬運機器人（2）垂直關節(jié)式搬運機器人這種機器人多為6個自由度，其動作接近人類，工作時能夠繞過基座周圍的一些障礙物，動作靈活，廣泛應用于汽車、工程機械等行業(yè)，如圖6-4所示。3.并聯式搬運機器人6.1搬運機器人6.1.2搬運機器人的系統(tǒng)組成6.1搬運機器人1.搬運作業(yè)系統(tǒng)2.周邊設備6.2焊接機器人1）具有較高的穩(wěn)定性，能提高焊接質量，保證焊接產品的均一性。2）能夠在有害、惡劣的環(huán)境下作業(yè)，改善工人的勞動條件。3）降低對工人操作技術的要求，且可以進行連續(xù)作業(yè)，生產效率高。4）可實現小批量產品的焊接自動化生產。5）能夠縮短產品更新換代的準備周期，減少相應的設備投資，提高企業(yè)效益。6）提高一種柔性自動化生產方式，可以在一條焊接生產線上同時自動生產多種焊件。6.2焊接機器人6.2.1焊接機器人的分類6.2焊接機器人1.點焊機器人6.2焊接機器人2.弧焊機器人（1）熔化極氣體保護焊這是指連續(xù)等速送進可熔化的焊絲并將被焊工件之間的電弧作熱源來熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫，同時利用外加保護氣體作電弧介質來保護熔滴、熔池金屬及焊接區(qū)高溫金屬免受周圍空氣的有害作用，從而得到良好焊縫的焊接方法，如圖6-11所示。6.2焊接機器人1）在焊接過程中，電弧及熔池的加熱熔化情況清晰可見，便于發(fā)現問題與及時調整，故焊接過程與焊縫質量易于控制。2）在通常情況下不需要采用管狀焊絲，焊接過程中沒有熔渣，故焊后不需要清渣，從而降低了焊接成本。3）適用范圍廣，生產效率高。4）焊接時，采用明弧和使用的電流密度大，電弧光輻射較強，且不適于在有風的地方或露天施焊，往往設備較復雜。6.2焊接機器人（2）非熔化極氣體保護焊這主要是指鎢極惰性氣體保護焊（TIG焊），即采用純鎢或活化鎢作為不熔化電極，利用外加惰性氣體作為保護介質的一種電弧焊方法。1）在弧焊過程中，電弧可以自動清除工件表面的氧化膜，適用于焊接易氧化、化學活潑性強的有色金屬、不銹鋼和各種合金。2）鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流（<10A）下仍可穩(wěn)定燃燒，特別適用于薄板、超薄板材料的焊接。3）熱源和填充焊絲可分別控制，熱輸入容易調節(jié)，可進行各種位置的焊接。4）鎢極承載電流的能力較差，過大的電流會引起鎢極的熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進入熔池，造成污染。3.激光焊機器人1）焦點光斑小，功率密度高，能焊接高熔點、高強度的合金材料。2）無需電極，沒有電極污染或受損的顧慮。6.2焊接機器人3）屬于非接觸式焊接，可極大地降低機具的耗損及變形。4）焊接速度快，功效高，可進行任何復雜形狀的焊接，且可焊材質的種類范圍大。5）熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序。6）不受磁場所影響，能精確地對準焊件。7）煤件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內。8）高反射性及高導熱性材料（如鋁、銅及其合金等）的焊接性會受激光所改變。6.2.2弧焊動作（1）直線擺動機器人沿著一條直線做一定振幅的擺動。（2）圓弧擺動機器人能夠以一定的振幅擺動通過一段圓弧。6.2焊接機器人6.2焊接機器人6.2焊接機器人6.2.3焊接機器人的系統(tǒng)組成1.點焊機器人的系統(tǒng)組成（1）點焊作業(yè)系統(tǒng)包括焊鉗、點煤控制器、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)等。1）焊鉗：煤鉗是指將點焊用的電極、焊槍架和加壓裝置等緊湊匯總的焊接裝置。6.2焊接機器人6.2焊接機器人2）點焊控制器：煤接電流、通電時間和電極加壓力是點焊的三大條件，而點焊控制器是合理控制這三大條件的裝置，是點焊作業(yè)系統(tǒng)中最重要的設備。3）供電系統(tǒng)：供電系統(tǒng)主要包括電源和機器人變壓器（圖6-17），其作用是為點焊機器人系統(tǒng)提供動力。4）供氣系統(tǒng)：供氣系統(tǒng)包括氣源、水氣單元和焊鉗進氣管等。5）供水系統(tǒng)：供水系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)裝置、焊鉗冷水管和焊鉗回水管等。6.2焊接機器人（2）周邊設備周邊設備包括安全保護裝置、機器人安裝平臺、輸送裝置、工件擺放裝置、電極修磨機、點焊機壓力測試儀和焊機專用電流表等，用以輔助點焊機器人系統(tǒng)完成整個點焊作業(yè)。1）電極修磨機：用于對點焊過程中磨損的電極進行打磨，去除電極表面的污垢，如圖6-20所示。2）點焊機壓力測試儀：用于焊鉗的壓力校正，如圖6-21所示。3）焊機專用電流表：用于設備的維護以及點焊時二次短路電流的測試，如圖6-22所示。6.2焊接機器人2.弧焊機器人的系統(tǒng)組成6.2焊接機器人（1）弧焊作業(yè)系統(tǒng)弧焊作業(yè)系統(tǒng)主要由弧焊電源、焯槍、送絲機、保護氣氣瓶總成和焊絲盤架組成。1）弧焊電源。2）煤槍。6.2焊接機器人6.2焊接機器人3）送絲機。4）焊絲盤架。6.2焊接機器人6.2焊接機器人（2）周邊設備周邊設備包括變位機、焊槍清理裝置和工具快換裝置等，用以輔助弧焊機器人系統(tǒng)完成整個弧焊作業(yè)。1）變位機。2）焊槍清理裝置。6.2焊接機器人3.激光焊機器人的系統(tǒng)組成6.2焊接機器人（1）激光焊接作業(yè)系統(tǒng)激光焊接作業(yè)系統(tǒng)一般由激光加工頭、激光發(fā)生器等組成。1）激光加工頭。2）激光發(fā)生器。（2）周邊設備周邊設備包括安全保護裝置、機器人安裝平臺、輸送裝置和工件擺放裝置等，用以輔助激光焊接機器人系統(tǒng)完成整個焊接作業(yè)。6.3噴涂機器人1）工件噴涂均勻，重復精度好，能得較高質量的噴涂產品。2）提高了涂料的利用率，降低了噴涂過程中有害揮發(fā)性有機物的排放量。3）柔性強，能夠適應多品種、小批量的噴涂任務。4）提高了噴槍的運動速度，縮短了生產節(jié)拍，效率顯著高于傳統(tǒng)的機械噴涂。5）易于操作和維護，可離線編程，大大地縮短現場調試時間。6.3噴涂機器人6.3.1噴涂機器人的分類6.3噴涂機器人1.球型手腕噴涂機器人2.非球型手腕噴涂機器人（1）正交非球型手腕噴涂機器人正交非球型手腕噴涂機器人的3個回轉軸相交于兩點，且相鄰軸線的夾角90°，具有代表性的ABB公司的IRB5400、IRBS500噴涂機器人。（2）斜交非球型手腕噴涂機器人斜交非球型手腕噴涂機器人的手腕相鄰兩軸線不垂直，而是具有一定角度，為3個回轉軸，且3個回轉軸相交于兩點的形式，具有代表性的為YASKAWA、Kawasaki、FANUC公司的噴涂機器人。6.3.2噴涂機器人的系統(tǒng)組成1.操作機1）手臂的工作范圍較大，進行噴涂作業(yè)時可以靈活避障。2）手腕一般有2~3個自由度，適合內部、狹窄的空間及復雜工件的噴涂。6.3噴涂機器人3）一般在水平手臂上搭載噴涂工藝系統(tǒng)，從而縮短清洗、換色時間，提高生產效率，節(jié)約涂料及清洗液，如圖6-36所示。6.3噴涂機器人2.噴涂機器人控制系統(tǒng)3.供漆系統(tǒng)6.3噴涂機器人4.自動噴槍/旋杯5.供電系統(tǒng)6.4打磨機器人1）改善工人勞動環(huán)境，可在有害環(huán)境下長期工作。2）降低對工人操作技術的要求，減輕工人的工作勞動力。3）安全性高，避免因工人疲勞或操作失誤引起的風險。4）工作效率高，一天可24h連續(xù)生產。5）提高打磨質量，產品精度高，且穩(wěn)定性好，保證其一致性。6）環(huán)境污染少，減少二次投資。6.4打磨機器人6.4.1打磨機器人的分類6.4打磨機器人1.機器人持工件1）可以跟隨很復雜的幾何形狀。2）可以將打磨后的工件直接放到發(fā)貨架上，容易實現現場流線化。3）在一個工位上完成機器人的裝件、打磨和卸件，投資相對較小。4）打磨設備可以很大，也可以采用大功率，可以使打磨設備的維護周期加長，加快打磨速度。5）可以采用便宜的打磨設備。2.機器人持工具1）要求工具的結構緊湊、重量輕。2）打磨頭的尺寸小，消耗快，更換頻繁。3）可以從工具庫中選擇和更換所需的工具。4）可以用于磨削工件的內部表面。6.4打磨機器人6.4.2打磨機器人的系統(tǒng)組成1.打磨作業(yè)系統(tǒng)（1）打磨動力頭打磨動力頭是一種用于機器人末端進行自動化打磨的裝置，如圖6-42所示。（2）變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源（通常50Hz）變成頻率連續(xù)可調的電能控制裝置，如圖6-44所示。6.4打磨機器人6.4打磨機器人（3）自動快換裝置在多任務作業(yè)環(huán)境中，一臺機器人要能夠完成抓取、搬運、安裝、打磨、卸料等多種任務，而自動快換裝置的出現，讓機器人能夠根據程序要求和任務性質，自動快速地更換末端執(zhí)行器，完成相應的任務，如圖6-45所示。2．周邊設備第7章工業(yè)機器人視覺技術及應用7.1工業(yè)機器人視覺功能7.1工業(yè)機器人視覺功能7.1.1引導7.1工業(yè)機器人視覺功能7.1.2檢測7.1工業(yè)機器人視覺功能7.1.3測量7.1工業(yè)機器人視覺功能7.1.4識別7.2工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)概述7.2.1工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的基本組成1）工業(yè)相機與工業(yè)鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都由一套或多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機，那么可以由圖像卡切換來獲取圖像數據，也可以由同步控制同時獲取多相機通道的數據。7.2工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)概述2）光源——作輔助成像器件，對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等光源都可能會用到。3）傳感器—通常以光纖開關、接近開關等的形式出現，用來判斷被測對象的位置和狀態(tài)，以告知圖像傳感器進行正確的采集。4）圖像采集卡——通常以插人卡的形式安裝在PC中，其主要工作是把相機輸出的圖像輸送給計算機主機。5）圖像處理軟件——機器視覺軟件用來完成對輸入圖像數據的處理，然后通過一定的運算得出結果，這個輸出結果可能是PASS/FAIL信號、坐標位置、字