自动化制造系统的人机一体化设计

1、自动化制造系统的人机一体化设计摘要:为了使制造系统达到效率最大化、经济最优化,我们发展适度的自动化制造系统,具体研究了自动 化制造系统的人机一体化设计。该系统是在三个层面上实现一体化,即感知和信息交互层面、控制层面和 执行层面,这三个层面有机的结合,就构成了人机一体化制造系统的总体结构。在设计过程中,我们解决 人机一体化的运行机制以及相关安全预防,即可实现最优化的自动化制造系统。关键词:自动化制造系统,人机一体化,感知,控制,执行,人机一体化运行机制,预防Abstract:In order to make munufacture systems efficiency and economica

2、lly,we develop automamation of manufacture systems within measure.And detailed study man-machine all-in-one. The system is at three levels on the integration of Interaction sensing and information level, control level and implementation level. Under their combination appropriately, they constitute a

3、 man-machine integration of the overall structure of manufacturing systems . In the design process, we address the human-machine integration of the operating mechanism and the relevant safety precautions, you can optimize the implementation of automated manufacturing systems.Key word: Automation of

4、manufacture systems, man-machine all-in-one, Sensing, control, implementation, integration human-computer operating mechanism, prevention1. 引言自动化制造系统,尤其是柔性自动化制造系统的出现和大量使用,导致使用者与制造 系统之间的关系发生了根本的变化。 早期许多自动化制造系统的设计者片面追求系统的自动 化和无人化,反而降低了系统运行的可靠性和经济性,最终导致系统的运行失败。沉痛的训迫使人们重新认识人在自动化制造系统中的重要地位和使用,而且提出发展 适度自动

5、化的制造系统人机一体化的制造系统的概念。 近年来随着全球制造业的快速发 展和向中国的转移, 我国制造业迎来难得的发展机遇。 然而如何根据中国国情, 快速发展人 机一体化的制造系统,是摆在我们面前的一个新课题。2. 自动化制造系统的人机一体化的概述自从有了制造系统,就有了人与制造系统的关系,无论制造系统的自动化程度如何, 它终究是一种生产工具, 而掌握生产工具的是人而不是机器。 因此, 任何制造系统必定是一 个人机一体化的系统。为此,我们给出了人机一体化制造系统如下定义:“所谓人机一体化 制造系统,就是人与具有适度自动化水平的制造装备和控制系统共同组成的一个完善系统, 各自执行自己最擅长的工作,

6、人与机器(制造装备共同决策、共同作业,从而突破传统自 动化制造系统将人排除在外的旧格局,形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统。 ” 在此处, 主要强调人在制造系统中的重要地位, 人机功能的最优匹配, 以实现制造系统经济 高效、安全可靠的运行,使整个制造系统取得最优的社会经济效益。3. 自动化制造系统的人机一体化总体结构3.1 感知层面上的人机联合作用人机一体化制造系统感知层面人的五官感知系统和机器的信息显示系统共同组成,一 方面由人感知外界对系统的输入信息, 如被加工零件的工艺文件、 毛坯信息、 作业计划指令 和机床参数等, 另一方面由机器通过传感器感知制造系统内外部的物理信息, 如机床

7、工作状 态、排屑状态、加工精度、环境温度、照明、在制品暂存等,并由数据转换系统把这些信息 转化为人能感知的形式, 由显示形式传达给人, 达到信息交互的目的, 用于人机间信息交互 的载体有文字、数码、图形、语音、声光信号等。人机感知的联合作用体现在:自动化制造系统中机器系统可精确感知系统输入信息, 环境信息, 人及机器本身的定量信息, 并可通过拓宽感知范围感知人类不能感知的信息 (如 微波、红外、超声波等 ;而人类则利用自身创造性思维与模糊综合判断决策能力的优势,对机器感知和决策出来的信息作一次综合感知, 正确识别、 判断自动化制造系统所需要的正 确输入信息与反馈信息。 (人类感知与机器感知的比

8、较:表 1因此,通过人机联合感知多维综合信息,充分利用计算机视野广阔、定量感知精确, 人对复杂现象模糊定性感知和创造性思维、 预判能力强的特点, 提高自动化制造系统信息感 制的全面性、 可靠性和准确性, 为系统智能定量控制提供支持, 从而提高整体系统的可控性, 改善系统的综合性能。3.2 控制层面上采用人机共同决策在制造系统中,人主要从事形象思维,灵感思维等创造性思维活动,人的中枢神经系 统通过对人、机、环境所感知信息的综合处理、判断和决策, 向人的肢体运动系统下达执行 指令或向机器智能决策系统提供必要信息; 机器的智能决策系统根据机器对人、 机、 环境感 知的综合信息进行复杂数据的快速计算和

9、严密的逻辑推理, 向人显示运算结果, 等候人的进 一步指令; 或在特殊情况下自动做出必要决策, 驱动控制系统或执行系统去执行必要的操作 任务。 (人类思维和机器思维的比较:表 2自动化制造系统能根据加工任务信息进行制造 过程的动态仿真,并将加工仿真结果显示给人,由人判断该加工方法是否能达到加工要求, 若能达到, 则可按此方法加工直至达到要求为止这一过程就充分体现了人机联合决策控制制 造系统工作的执行效果。控制层面上的人机联合控制有三种控制策略如下:第一种为“机主人辅”控制策略。人在信息综合分析、定性问题处理、模糊控制以及 灵巧动作的执行等方面有远远高于机器的能力。 所以, 制造系统在处理较复杂

10、的加工活动时, 特别是有机器处理非结构化、 非线性化、 模糊性及随机性强的事件时, 往往都要得到人的帮 助。另外,在有些情况下,让机器完成复杂控制活动需付出巨大代价,这是“机主人辅”的 控制策略就起着减少这种代价的作用。第二种为“人主机辅”控制策略。即由机器的智能决策系统来辅助人进行控制,机器 完成人类感知范围以外的信息处理, 大规模数据定量处理及严密的快速逻辑推理等工作。 如 工艺仿真系统, 将辅助人完成被加工零件的工艺方案的可视化、 动态工程显示和工艺方案的 优化。第三种为“人机耦合”控制策略。在人机联合控制的系统中,由于这样或那样的原因, 人或机器的单独决策都可能出现失误,因此, 人机耦

11、合控制, 可在人或机器出现失误时,系 统自动切换到另一种控制方式, 两者有机配合, 从而保证系统的稳定性和可靠性。 如客运飞 机的有人驾驶和无人自动驾驶系统的配合就属于这种情况。3.3 执行层面上人机交互协作、取长补短、充分发挥各自优势人在制造系统种主要从事灵巧性、协调性、创造性强的操作活动(如发出指令、操作 控制台、编写加工程序、机器系统监测、维修以及意外时间的应急处理等 ,而机器系统则 主要完成功率大、 定位精度高、 动作频率高或一些超出人能力范围的操作活动, 如数控机床 的操作。但是,人在系统中应该始终处于主导地位,应当充分发挥人在系统中的主导作用。 表 2 人类思维和机器思维的比较 表

12、 3 人与机器执行能力的比较 4.1 自动化制造系统的人机一体化运行机制在人机一体化制造系统中,特别强调人在系统中的主导作用,以及人与机器系统的有 机配合,通过人机界面的设计, 协调一致地工作。 因此, 自动化制造系统的运行机制是人体 一体化的集成模式。以 FMS 为例其运行机制特点体现在:切削加工、生产调度、工件及刀 具贮运、换刀、托盘交换、排屑等工作都由加工中心、机械手、托盘贮运装置、计算机控制 系统等完成,人负责对系统进行监控管理、意外事故处理、维修、工件及刀具进出站装卸、 预调及安全巡视等工作。整个 FMS 的运行处在人的监控状态下进行。因此,在自动化制造 系统的运行过程中, 人的监控

13、能力是设计自动化制造系统时必须考虑的重要因素。 所谓人的 监控能力, 是指一个人通过计算机能监控多少台加工中心和物流设备。 一个经典的人机一体 化 FMS 运行模式如图 1所示。 4.2 自动化制造系统中的作业安全要求自动化制造系统的安全性可采用以下措施来保障:系统管理软件中应有安全防护的 控制部分;采用电子、电气和机械装置连锁防护;在机器人、自动装夹设备、自动更换 工件和道具设备的工作区外, 设置安全防护围栏, 钢丝罩等; 机器人和其它自动运送设备 的控制系统中, 应设计有安全互锁装置, 防止停机检修时的意外启动和运转; 在有危险的 设备和运动部件上安全培训, 对作业员工进行安全作业的技术教

14、育和防护措施培训, 使他们严格按照安全规程作业。4.3 自动化制造系统中的疲劳及事故预防4.3.1 监控作业中的疲劳预防在自动化制造系统中,随着自动化程度的不断提高,人的作业变得单调、乏味、监控 任务减少。 单调作业和低负荷, 使人的监控警觉性降低, 产生信号脱漏,并导致脑力疲劳产 生。处于这种状态的人, 在自动化制造系统的监控活动中,极易出现操作错误或失误, 甚至 引起严重事故。 可采取以下措施来避免:使操作内容相当复杂化; 定期变化工作内容或 作业岗位;良好的作业环境。4.3.2 系统中的事故预防(一事故的物理条件因素:1. 作业者与机器功能分配不适当; 2. 工具、作业场所等设计失 误;

15、 3. 缺少必要的安全装置与防护装置; 4. 物理环境对人造成的生理和心理压力。(二事故的人为因素:1. 一方面是人的主观行为因素 2. 另一方面是人的生理与心里客观因 素。(三导致事故的人的行为因素:1. 训练和技巧,训练的标准不安全; 2. 记忆疏忽,全部忘 记或记忆错误导致操作无效。(四导致事故的人的生理与心理因素:1. 性格; 2. 生理和生物节律; 3. 作业疲劳。5. 结论在新的时代来临之际,人机一体化这一模式强调人与机器系统的最佳匹配,充分发挥 人在制造系统中的控制和管理作用, 并考虑制造系统与社会、 经济环境和人力资源等更大范 围的匹配,使自动化制造系统的运行取得最佳的综合效益。参考文献1张根宝 . 自动化制造系统 M. 北京:机械工业出版社, 2006Zhang Genbao.Automation of manufacture systems.M. Beijing:Mechanical In