智能制造技术基础.doc

依托基金项目开展创新研究*国家自然科学基金重点项目“智能制造技术基础”研究综述杨叔子吴波摘要介绍了项目的提出背景与研究内容，项目所取得的研究成果及学术创新，并指出了其科学意义与应用前景；介绍了本项目的特色成果之一 基于Agent的分布式网络化IMS原型系统。关键词智能制造智能制造单元技术智能机器智能加工中心智能机器人分布式制造网络化制造中国图书资料分类法分类号TH16Survey of the NSFC Project: Intelligent Manufacturing Technology FoundationYang ShuziWu Bo(Huazhong University of Science & Technology,Wuhan,China)Abstract: The background of the project is introduced. Then the achievements are presented and the scientific significance and applications prospect for manufacturing industry are pointed out. Finally, a prototype of the distributed network-based intelligent manufacturing system, which is one of the outstanding achievements of the project, is presented.Key words:intelligent manufacturingintelligent manufacturing technologyintelligent machineintelligent machining centerintelligent robotdistributed manufacturingnetwork manufacturing1项目背景智能制造是当今制造领域研究热点之一，代表着21世纪的制造技术。智能制造的概念一经提出，即受到各国政府和研究人员的广泛关注。鉴于智能制造在先进制造技术中的重要地位及在制造自动化中所具有的重要作用，1992年由华中理工大学领衔，向国家自然科学基金委员会建议设立智能制造重点项目；1993年，本项目获准设立；1994年开始实施，由华中理工大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合承担。研究内容：智能制造基础理论、智能化单元技术（智能设计ID/智能工艺规划IPP/智能制造IM，智能数控技术，智能质量保证、监测与诊断技术）、智能机器（智能机器人、智能加工中心IMC）等。其中，华中理工大学承担智能制造基础理论、ID/IPP/IM关键技术、IMC及其相关技术；南京航空航天大学承担智能机器人及其相关技术；西安交通大学承担智能质量保证、监测与诊断技术；清华大学承担智能数控技术。在基金委的大力支持下，通过各承担单位的共同努力，该项目于1997年12月顺利完成，并于1999年5月通过专家组验收。2研究成果与特色2.1智能制造系统（IMS）基础理论13提出了基于Agent的分布式网络化IMS系统模式；研究了实现IMS运作的相关理论与若干关键技术，如IMS体系结构、IMS的局部控制与全局协调的理论与技术、基于网络的数据交换与共享技术、面向IMS的信息与知识处理技术、基于局部搜索的车间调度算法、IMS系统集成理论与技术、基于Petri网的制造系统建模与运行状态实时监视技术、IMS中的消息传递机制、IMS环境中基于Agent的智能自主体统一结构等，初步形成了较为系统的IMS理论与技术体系。在此基础上建立了基于Agent的分布式网络化IMS环境，建立了基于Agent的制造自主单元结构。基于上述理论与技术，我们建立了分布式IMS的局域网络原型系统，该局域网络可以连接到Internet上，使其成为基于Internet的全球制造网络中的一部分。2.2智能化单元技术(1) ID/IPP/IM关键技术4，5研究并开发了面向IMS的产品统一信息模型和基于STEP的CAD/CAM信息集成平台高华CAD（GHCAD）系统；完成了面向对象的设计型专家系统开发工具DEST的研究与开发；完成了面向对象的分布式设计型多专家系统开发工具DDEST的研究与开发；完成了面向大型减速器的CAPP专家系统开发平台和应用系统，经大型企业应用，取得了良好的经济效益。(2) 智能数控技术在刀具优选和切削参数自动生成研究方面，完成了一个可与CNC集成或在PC机上单独运行的软件包，该软件包以基本切削数据为基础，以人工智能技术为核心，利用人对实际工况进行反馈，实现了自动生成典型工步及余量分配、刀具优选、切削参数自动生成，并建成通用数据库管理系统。在工厂进行的加工验证结果表明，可使生产率平均提高50%以上，并使一个普通操作工对加工中心的操作达到专家级水平。在智能化自适应技术方面，研制了智能化适应控制系统，无须精确建模，具有自学习、自组织、最佳式与约束式相结合的特点，联机切削试验结果表明，生产率可提高40%以上。(3) 智能质量保证、监测与诊断技术68研制了傻瓜型机械诊断快速响应神经网络，实现机器故障的快速智能化诊断，研制的齿轮诊断快速响应神经网络系统，可实现齿轮常见故障的智能诊断；系统地将分形理论引入机械信号分析领域，为机械加工的质量监测、机器故障的诊断、机器行为的演变和趋势的预测提供了新的手段和方法；研究了证据理论的融合规则在机械故障诊断中的应用方法及决策判断规则，提出了多参数信息的Dempster Shafer 推理集成方法；提出了条件决策表和条件决策树的概念，并实现了基于试验信息熵的条件决策树的生成优化算法，提出了利用决策表和决策树技术构造专家系统的方法，以及基于决策表和决策树的自动推理机制的实现算法；提出了机器行为时变特性的分析方法；提出了噪声压缩链的降噪方法，并在齿轮轴承振动加速度信号的简化降噪中取得了很好的效果；提出了基于知识的加工质量智能分析、诊断策略和基于特征的质量信息模型，将该技术应用于箱体零件和自由曲面加工质量分析，取得了满意的结果；开发了印刷电路板红外热成像智能诊断系统。2.3智能机器(1) 智能加工中心及其相关技术911研究了智能加工中心(IMC)的智能控制方法和技术、多传感器信息融合技术、刀具状态智能监测技术以及IMC自修复技术；建立了基于Agent的IMC原型结构，并将其作为一个智能加工单元连接到分布式网络化IMS原型系统，参与系统的运作，实现了基于网络的IMC远程操作控制与运行监视。其中的各项智能化技术，通过验证性试验取得了满意的结果，如加工过程的自适应控制在粗加工条件下可提高效率30%以上；刀具状态监控能及时准确地预报刀具失效状态，并自动进行紧急处置。(2) 智能机器人及其相关技术12在智能机器人系统的力控制技术方面，建立了智能机器人的精密装配系统，装配精度为0.02 mm以上；建立了智能机器人力反馈控制系统的数学模型，实现了航天交会对接系统的力控制仿真。在计算机视觉研究方面，实现了二维工程图纸的识别与理解，完成了二维图形自动输入数控自动编程系统；研究了识别与定位三维零件的机器人系统，该系统与力控制相结合，实现了机器人对零件的自动识别、抓取与精密装配。在智能机器人系统的特殊控制方法方面，实现了机器人的变结构模型跟踪自适应控制，完成了系统仿真并解决了变结构系统的抖振问题。在其它相关技术方面，完成了智能制造信息的遥传遥控系统的研制，该系统可将加工指令远距（2 km范围内）遥传至数控机床并进行加工。此外，对筛选模糊特征理论、决定模糊收缩的公式、决定特征权重系数的理论和方法、机械零件模糊分类专家系统、CNC机床的语音控制、智能力/位混合控制、模糊BP网络新算法、数控机床的计算机视觉自动编程、机器人系统全局最优平衡等理论与技术进行了深入的研究。3科学意义与应用前景在全球性市场竞争环境下，制造全球化是制造业发展的必然趋势，也是我国制造企业所面临的机遇与挑战。研究基于网络的制造系统，建立全球范围内的合作与竞争机制，并为之提供必要的技术支撑是关系到我国制造企业能否抓住机遇，迎接挑战，提高我国制造业在国际市场的竞争能力的重大课题，其核心问题是制造单元的柔性化、智能化与敏捷化，以及基于网络的制造系统柔性智能化集成与快速重组。本项目研究在这方面进行了若干基础性与实验性工作，并取得了很有意义的成果。这项研究工作代表制造业的发展方向，对我国企业的生存与发展，对提高我国的综合国力具有不可估量的影响，这就是本项研究的科学意义之所在。通过本项目的研究，已初步建立了较为系统的IMS理论与技术体系，这些研究成果不仅着眼于制造系统的高效率，更重要的是通过智能化和集成化的手段来增强制造系统的柔性与自组织能力，提高我国制造业在国际市场的竞争能力和快速响应市场需求变化的能力。此外，该研究还将为我国的制造企业在全球范围的市场竞争环境下，基于Internet/Intranet的企业组织与资源重组提供参考模式和基础技术，为我国制造企业和生产经营模式的转变提供切实可行的思路。同时也为用高新技术改造我国的传统制造业，推动经济发展打下良好的基础。在本项目的实施过程中，开展国际合作交流，组织召开国际会议进行国际学术交流是本项目实施方式的一大特色。所取得的研究成果在总体上达到国际先进水平，为我国的先进制造技术研究在国际上争得应有的地位。4分布式网络化IMS原型系统分布式网络化IMS原型系统是本项目在智能制造基础理论与技术方面所取得的研究成果的综合体现。其基本思路是从智能制造系统的本质特征出发，在分布式制造网络环境中，根据分布式集成的基本思想，应用分布式人工智能中多Agent系统的理论与方法，着眼于制造单元的柔性智能化与基于网络的制造系统柔性智能化集成。根据分布式制造系统的同构特征，该原型系统作为IMS的一种局域实现形式，实际上反映了基于Internet的全球制造网络环境下IMS的实现模式。4.1分布式网络化IMS的总体构想IMS的本质特征是个体制造单元的“自主性”与系统整体的“自组织能力”，其基本格局是分布式多自主体智能系统。基于这一认识，并考虑到基于Internet的全球制造网络环境，我们提出了基于Agent的分布式网络化IMS的基本构想，见图1。一方面通过Agent赋予各制造单元以自主权，使其成为功能完善、自治独立的实体；另一方面，通过Agent之间的协同与合作，赋予系统自组织能力。图1分布式网络化IMS的基本构想多Agent系统的实现模式使系统易于设计、实现和维护，降低系统的复杂性，增强系统的可重组性、可扩展性和可靠性，以及提高系统的柔性、适应性和敏捷性等。4.2原型系统基于这一构想，我们以数控加工系统为背景，开发了一个分布式网络化IMS原型系统，见图2。该系统由系统经理、任务规划、设计和生产者4个结点组成。图2分布式网络化IMS原型系统系统经理结点包括2个部分：数据库服务器和系统Agent。数据库服务器负责管理一个全局数据库，该全局数据库可供原型系统中获得权限的结点进行数据的查询、读取、存储和检索等操作，并为各结点进行数据交换与共享提供一个公共场所；系统Agent 则负责该原型系统在网络上与外部的交互，通过Web服务器在Internet上发布该原型系统的主页，网上用户可通过访问该主页获得该系统的有关信息，并根据自己的需求，以决定是否由该原型系统来满足这些需求。系统Agent还负责监视该原型系统上各个结点间的交互活动，如记录和实时显示结点间发送和接收消息的情况、任务的执行情况等。任务规划结点的主要功能是对从网上获取的定单（任务）进行规划，分解成若干子任务，并通过招标投标的方式将这些子任务分配给各个结点。该结点由任务经理和它的代理任务经理Agent组成。设计结点是一个计算机辅助设计系统，它提供一个良好的人机界面以使设计人员能有效地和计算机进行交互，共同完成设计任务。该结点由CAD工具和它的代理设计Agent组成。CAD工具是一个软件包，用于帮助设计人员根据用户要求进行产品设计；而设计Agent则负责网络注册、取消注册、数据库管理、与其它结点的交互、决定是否接受设计任务和向任务发放者提交任务等事务。生产者结点实际上是本项目研究开发的IMC原型系统，包括加工中心和它的网络代理机床Agent。该加工中心不同于普通加工中心，主要表现如下：配置有在华中型数控系统的基础上开发的智能自适应数控系统，该数控系统通过智能控制器控制加工过程，以充分发挥自动化加工设备的加工潜力，提高加工效率；具有一定的自诊断和自修复能力，以提高加工设备运行的可靠性和安全性；具有与外部环境进行交互的能力；具有开放式的体系结构以支持系统集成和扩展。4.3原型系统的运作该系统中的每个结点必须通过网络注册，才能成为该原型系统的正式成员以获得相应的权限，才能与系统中的其它结点进行协作，共同完成系统任务。整个原型系统的运作过程如下： 任一网络用户都可以通过访问该原型系统的主页获得该系统的相关信息，还可通过填写和提交系统主页所提供的用户定单登记表来向该系统发出定单； 如果接到并接受网络用户的定单，系统Agent就将其存入全局数据库，从全局数据库那里，任务规划结点可以取出该定单，进行任务规划，将该任务分解成若干子任务，将这些子任务分配给原型系统上获得权限的结点； 产品设计子任务被分配给设计结点，该结点通过良好的人机交互完成产品设计子任务，生成相应的CAD/CAPP数据和文档以及数控代码，并将这些数据和文档存入全局数据库，最后向任务规划结点提交该子任务； 加工子任务被分配给生产者，一旦该子任务被生产者结点接受，机床Agent将被允许从全局数据库读取必要的数据，并将这些数据传送给