求一篇簡(jiǎn)易機(jī)器人制作論文

【專家解說】：1、先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì) <br> 隨著信息技術(shù)、材料技術(shù)、新能源技術(shù)等新技術(shù)與制造技術(shù)的相互交叉、滲透、融合，現(xiàn)在的制造業(yè)與過去相比有了許多重大而深刻的變化。日益增長的復(fù)雜性是現(xiàn)在制造業(yè)的一個(gè)重要特點(diǎn)，這不僅表現(xiàn)在制造系統(tǒng)中，還表現(xiàn)在所制造的產(chǎn)品，制造過程以及企業(yè)的結(jié)構(gòu)中。這種復(fù)雜性對(duì)傳統(tǒng)的控制和調(diào)度方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。先進(jìn)制造技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)作為一個(gè)專有名詞的提出始于20世紀(jì)80年代末期的美國，這個(gè)概念一經(jīng)提出立即獲得世界各國的積極響應(yīng)，將制造技術(shù)的研究推向新的高潮。包括機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)以及它們所依賴的控制軟件會(huì)給現(xiàn)代企業(yè)帶來重大的沖擊。 <br> 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)是適應(yīng)規(guī)模生產(chǎn)的，它的層次控制適合于在穩(wěn)定狀態(tài)下的批量生產(chǎn)，可以通過批量規(guī)模以及標(biāo)準(zhǔn)化來節(jié)約硬件成本。因此，每一個(gè)制造系統(tǒng)都有自己固定的軟硬件結(jié)構(gòu)，但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是無法適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化環(huán)境下的小批量生產(chǎn)。為了解決當(dāng)前日益復(fù)雜的制造業(yè)面臨的問題，繼柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、精良生產(chǎn)及并行工程之后，各國政府、產(chǎn)業(yè)界及科技界紛紛研究和探索 “下一代制造系統(tǒng)”或者 “21世紀(jì)的制造模式”。許多企業(yè)正在采用先進(jìn)制造技術(shù)，以提高自己的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使得企業(yè)能夠在國內(nèi)外激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境下生存和發(fā)展。1994年，我國國家科委組織的國家關(guān)鍵技術(shù)選擇研究組提出了國家四大關(guān)鍵技術(shù)，AMT便是其中之一。 <br> 柔性制造系統(tǒng)FMS <br> 柔性制造系統(tǒng)是60年代后期發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造系統(tǒng)，關(guān)于柔性制造的定義很多，但是一直未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。柔性生產(chǎn)主要依靠有高度柔性的制造設(shè)備來實(shí)現(xiàn)多品種小批量的生產(chǎn)。它的優(yōu)勢(shì)是明顯的：如增強(qiáng)制造企業(yè)的靈活性和應(yīng)變能力、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高設(shè)備使用效率和員工勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量等。 <br> 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS <br> CIMS將制造系統(tǒng)中的各種自動(dòng)化孤島用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有機(jī)的集成，使制造系統(tǒng)適合于多品種，中小批量的生產(chǎn)，提高制造系統(tǒng)的總體效益。 <br> 精益生產(chǎn)系統(tǒng)LPS <br> 精益生產(chǎn)是美國麻省理工學(xué)院根據(jù)其在INVP(International Motor Vehicle Program)的研究中對(duì)日本豐田生產(chǎn)方式的總結(jié)，于1990年提出的制造生產(chǎn)模式。精益生產(chǎn)的原則是：團(tuán)隊(duì)作業(yè)，交流，有效利用資源并消滅一切浪費(fèi)，不斷改進(jìn)及改善。精益生產(chǎn)追求的目標(biāo)是大幅度降低勞動(dòng)力需求、占地面積、投資、工程時(shí)間及新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。 <br> 智能制造系統(tǒng)IMS <br> 智能制造是指應(yīng)用智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)的制造生產(chǎn)模式，是在制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性和高度集成的方式，通過計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)，并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存貯、完善、共享、繼承和發(fā)展。 <br> 敏捷制造系統(tǒng)AMS <br> 敏捷制造是美國Lehigh大學(xué)和美國通用汽車公司在1998年首次提出的。它強(qiáng)調(diào)的是一種新的企業(yè)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中每一個(gè)公司都能開發(fā)自己的產(chǎn)品和實(shí)施自己的經(jīng)營戰(zhàn)略。構(gòu)成這個(gè)結(jié)構(gòu)的基石是三種基本資源：有創(chuàng)新精神的管理結(jié)構(gòu)和組織：有技術(shù)、有知識(shí)的高素質(zhì)人員；先進(jìn)制造技術(shù)。敏捷源于這三種制造資源的有效集成。 <br> 全能制造系統(tǒng)HMS <br> HMS由若干個(gè)全能體（Holon）組成，每一個(gè)全能體是一個(gè)既獨(dú)立又協(xié)作的完整的個(gè)體，且在每個(gè)個(gè)體中都含有整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)值和目的、每個(gè)全能體可以互相轉(zhuǎn)換、傳送、存儲(chǔ)和確認(rèn)信息及物理對(duì)象。一般來說，全能體既包含信息處理部分，也包含物理處理部分，同時(shí)也可以是另一全能體的特殊條件。 <br> 虛擬制造系統(tǒng)VMS <br> VMS是多學(xué)科先進(jìn)制造技術(shù)的綜合應(yīng)用。其本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)、產(chǎn)品建模技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行工程技術(shù)、分布式智能協(xié)同求解技術(shù)等為前提，對(duì)設(shè)計(jì)、制造等過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)時(shí)地、并行地模擬產(chǎn)品未來制造全過程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的成本等。從而更有效地、靈活地組織生產(chǎn)，使工廠與車間的設(shè)計(jì)與布局更為合理，以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化，生產(chǎn)效率的最高化。 <br> 高效快速重組生產(chǎn)系統(tǒng) <br> 通過對(duì)柔性生產(chǎn)、精益生產(chǎn)和敏捷制造的比較、綜合和創(chuàng)新，我國學(xué)者也提出了“高效快速重組生產(chǎn)系統(tǒng)”的概念。高效快速重組生產(chǎn)系統(tǒng)是指，全面吸收精益生產(chǎn)、敏捷制造和柔性生產(chǎn)的精髓，包含了全面質(zhì)量管理、準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)等現(xiàn)代管理的經(jīng)驗(yàn)，而將這些技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)的資源集成為一個(gè)獨(dú)特的管理環(huán)境和生產(chǎn)實(shí)體的系統(tǒng)，其主導(dǎo)思想是 “對(duì)市場(chǎng)的快速靈活反映”和“制造資源的有效集成”。 這一研究目前尚處于構(gòu)建理論體系的階段。 <br> 2、機(jī)器人與先進(jìn)制造系統(tǒng) <br> 2.1 機(jī)器人與機(jī)器人技術(shù) <br> 機(jī)器人的最初出現(xiàn)是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1961年，美國的Consolided Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺(tái)實(shí)用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，迄今為止，世界上對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究已經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，日本、美國、法國、德國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已日趨成熟和完善。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) （機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 <br> 當(dāng)前，機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。是當(dāng)代十分活躍的研究開發(fā)領(lǐng)域，它包括正在逐步深入的機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)研究，也包擴(kuò)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有著重要作用的機(jī)器人工程應(yīng)用技術(shù)研究。 <br> 2.2 機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) <br> 我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“、八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。我國尚未形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是針對(duì)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。在機(jī)器人的發(fā)展歷史上，存在著兩種不同的技術(shù)路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動(dòng)” ，以機(jī)器人結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求，開發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人，從而形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)；另一條是英、美倡導(dǎo)的把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，看成是計(jì)算機(jī)科學(xué)一部分的技術(shù)路線，但是，由于人工智能技術(shù)和其它智能技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于人們對(duì)它的希望致使大部分研究成果走不出實(shí)驗(yàn)室。 <br> 2.3 機(jī)器人在先進(jìn)制造系統(tǒng)中的地位 <br> 通過我們對(duì)先進(jìn)制造模式的分析可以看出，柔性是它的重要特點(diǎn)之一，能否把現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)線轉(zhuǎn)化為能進(jìn)行中小批量生產(chǎn)的“柔性”生產(chǎn)線，以達(dá)到生產(chǎn)同類產(chǎn)品的價(jià)格與批量無關(guān)，這將決定一個(gè)企業(yè)、一個(gè)地區(qū)，乃至一個(gè)國家在未來市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位。而機(jī)器人是一種具有高度柔性的自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)提高制造生產(chǎn)線的柔性具有特別重要的意義，因此機(jī)器人將在未來的制造企業(yè)中扮演越來越重要的角色。未來的典型制造工廠將是由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的包含多個(gè)機(jī)器人加工單元的分布式自主制造系統(tǒng)。在未來的制造工廠中，機(jī)器人技術(shù)不僅對(duì)工廠的底層車間產(chǎn)生深刻的影響，還將對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)者將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用工廠和機(jī)器人等設(shè)備的模型來檢驗(yàn)其產(chǎn)品的可制造性。 <br> 機(jī)器人并不僅僅是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，它還是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造系統(tǒng)中不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。因此，工業(yè)機(jī)器人必須改變過去的“部件發(fā)展方式”，而應(yīng)該優(yōu)先慮 “系統(tǒng)發(fā)展方式”。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，器人不應(yīng)該僅僅適用于簡(jiǎn)單重復(fù)的工作，而是要作為一個(gè)可程的高度柔性的、開放的加工單元集成到先進(jìn)制造系統(tǒng)中來。 <br> 3、制約機(jī)器人向先進(jìn)制造系統(tǒng)集成的問題 <br> 工業(yè)機(jī)器人從其最早期的應(yīng)用開始，就一直在制造業(yè)中發(fā)揮重要的作用。也正是隨著制造業(yè)（如汽車業(yè)）的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)不斷壯大，產(chǎn)量不斷增加。當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展迅速，作為一個(gè)以示教再現(xiàn)為基本特點(diǎn)的可編程操作臂，要能夠繼續(xù)在制造業(yè)占據(jù)重要地位，求得其產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)增長 （對(duì)國內(nèi)而言，則是為保持住我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的起始發(fā)展）就必須要注意解決有可能制約機(jī)器人向先進(jìn)制造系統(tǒng)集成的問題。 <br> 3.1 機(jī)器人控制器的開放性 <br> 工業(yè)機(jī)器人內(nèi)在的一些特性，包括它的柔性以及可重復(fù)編程性使得它在制造行業(yè)中的地位越來越重要，但是要將機(jī)器人作為一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備集成到先進(jìn)制造系統(tǒng)中來，必須解決它與系統(tǒng)中其它自動(dòng)化設(shè)備的連接問題。機(jī)器人是一種具有很高柔性的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，同種機(jī)器人可以應(yīng)用于不同的制造對(duì)象，但是不同的工作可能要求機(jī)器人控制器具有不同的控制軟件和硬件接口，而對(duì)于制造業(yè)企業(yè)來說，他們也希望所購買的設(shè)備具有較高的應(yīng)用價(jià)值，這就要求機(jī)器人控制器的性能可以被方便的擴(kuò)展和改進(jìn)，也就是說，機(jī)器人控制器要具有開放性。 <br> 開放的控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下特征： <br> 可擴(kuò)展性：第三方可容易地加入軟件及硬件功能； <br> 互操作性：多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間可容易地交換信息； <br> 可移植性：一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件可方便地用到另一系統(tǒng)中； <br> 可裁減性：現(xiàn)有系統(tǒng)功能可根據(jù)應(yīng)用的要求增加或減少。 <br> 機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放性，必須建立在控制器中內(nèi)嵌開放式計(jì)算機(jī)平臺(tái)開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上。在開放式的開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)人員可以應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將整個(gè)控制軟件分成不同的模塊，并留出相應(yīng)的軟件接口，這樣就可以對(duì)機(jī)器人應(yīng)用程序進(jìn)行多次開發(fā)，如果用戶想為控制器增加或改變功能，無需了解全部控制程序的編制過程，只需知道接口所要求的參數(shù)就可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)，增加功能，滿足機(jī)器人用戶的各種需要，以增加機(jī)器人的附加應(yīng)用價(jià)值。 <br> 3.2 機(jī)器人技術(shù)與通訊聯(lián)網(wǎng) <br> 在一個(gè)包括機(jī)器人在內(nèi)的先進(jìn)制造系統(tǒng)中還可能有其它的設(shè)備，比如外部設(shè)備傳感器單元、可編程邏輯控制單元等，整個(gè)工作單元的管理要由與車間級(jí)計(jì)算機(jī)相連接的主計(jì)算機(jī)來完成。既然整個(gè)工作單元涉及到許多復(fù)雜的裝置，那么連接這些復(fù)雜裝置的通訊系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)工作單元的有效管理來說就具有非常重要的意義。另外，在一個(gè)先進(jìn)的制造系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人將不再完全工作在示教再現(xiàn)方式下，離線編程方式也是被要求的。而離線編程作為機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的核心技術(shù)，也要求外部計(jì)算機(jī)直接與機(jī)器人控制器通信。同時(shí)，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)以兩三年一代的速度向前發(fā)展，世界上各種自動(dòng)化生產(chǎn)線也不斷向前發(fā)展。在一條生產(chǎn)線上僅有一臺(tái)機(jī)器人是不夠的，而是需要十幾臺(tái)甚至是幾十臺(tái)機(jī)器人共同工作，這就要求我們能夠?qū)⒆鳛樯a(chǎn)線底層設(shè)備的多臺(tái)機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。 <br> 而且在應(yīng)用中，人們還期望通過網(wǎng)絡(luò)更進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)功能，如協(xié)調(diào)作業(yè)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)也有較高的要求，如實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步準(zhǔn)確、可靠性高等。因此無論是從先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展方向來看，還是從機(jī)器人自身的發(fā)展來看，機(jī)器人與機(jī)器人以及機(jī)器人與其它自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的通訊與聯(lián)網(wǎng)都成為了制約機(jī)器人向先進(jìn)制造系統(tǒng)集成的另一個(gè)重要問題。 <br> 一般說來，一個(gè)工廠環(huán)境下的通信環(huán)節(jié)需要多層的網(wǎng)絡(luò)，它的范圍涵蓋了車間底層的設(shè)備網(wǎng)，車間級(jí)的監(jiān)控網(wǎng)，以及管理層所需的管理和財(cái)政網(wǎng)絡(luò)以至最終的協(xié)作層網(wǎng)絡(luò)，甚至還可能涉及到全球的通信過程。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義，一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)可以被描述成一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。 <br> 圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)<br> 機(jī)器人作為一種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，在入網(wǎng)的時(shí)候也應(yīng)該遵循這三層網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)則，被劃為車間級(jí)控制設(shè)備或具體的生產(chǎn)設(shè)備集成到自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中來。 <br> 4、結(jié)束語 <br> 在未來的制造工廠中，工業(yè)機(jī)器人被發(fā)展成為“智能機(jī)器”，可以根據(jù)不同的需要有機(jī)地組成機(jī)器人化制造單元。它所組成的智能制造單元、建模方法及仿真技術(shù)的應(yīng)用研究將對(duì)制造自動(dòng)化水平的提高起很大的作用。 <br>