智能制造技术与数字化工厂 习题及答案全套

第一章课后习题四次工业革命的标志性技术都有哪些？答：所谓的“四次工业革命”，分别指的是“18世纪第一次工业革命的机械化”、“19世纪第二次工业革命的电气化”、“20世纪第三次工业革命的信息化”以及我们现在所处的“智能化”四个阶段。第一次工业革命标志性技术有蒸汽机；第二次工业革命标志性技术是电力、内燃机的应用；第三次工业革命标志性技术是原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用；第四次工业革命的标志性技术则以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表、以人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实以及生物技术为主。智能制造的全生命周期实施包括哪些过程？答：①数字化产品设计②数字化工厂规划③数字化生产制造过程④产品生命周期管理什么是产品全生命周期管理？产品全生命周期管理包含哪些内容？答：产品全生命周期管理(PLM)是指管理产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养，直到回收再用处置的全生命周期中的信息与过程。产品全生命周期管理包含内容主要有：在设计和开发阶段，对产品的规划和需求分析、原型设计和验证；在生产和经销阶段，对制造和供应链管理、质量控制和测试；在使用和维修保养方面，需要提供及时的客户支持和培训、故障排除和维修；在退役和回收阶段，需要制定产品退市计划和环境影响评估、资源回收和再利用。“中国制造2025”的五大工程是什么？答：①制造业创新中心（工业技术研究基地）建设工程，围绕重点行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、生物医药等领域创新发展的重大共性需求，形成一批制造业创新中心；②智能制造工程，紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化；③工业强基工程，开展示范应用，建立奖励和风险补偿机制，支持核心基础零部件（元器件）、先进基础工艺、关键基础材料的首批次或跨领域应用；④绿色制造工程，组织实施传统制造业能效提升、清洁生产、节水治污、循环利用等专项技术改造；⑤高端装备创新工程，组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机、民用航天、智能绿色列车、节能与新能源汽车、海洋工程装备及高技术船舶、智能电网成套装备、高档数控机床、核电装备、高端诊疗设备等一批创新和产业化专项、重大工程。例举说明“中国制造2025”的十大领域中的任意三个。答：“中国制造2025”十个重点领域分别有新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料和生物医药及高性能医疗器械。（例举其中任意三个皆可）什么是“工业4.0”？德国“工业4.0”与“中国制造2025”有哪些相同点和不同点？答：“工业4.0”是德国政府提出的一个高科技战略计划，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。相同点：都是为了占领世界工业发展先机，提升国家工业发展水平。通过工业4.0战略的实施，德国希望成为新一代工业生产技术(信息物理系统)的供应国和主导市场，提升全球竞争力。中国推出“中国制造2025”计划，希望可以全面提升中国制造业发展质量和水平，使中国迈入制造强国行列，成为制造强国。不同点：德国“工业4.0”战略是由自动化向智能迈进，“中国制造2025”是由大向强发展。两个战略是中德两国在不同时代提出来的，德国工业经历了三次工业革命的改革，生产技术已经相当成熟，德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一。而中国工业还是处于大批量生产阶段，企业发展水平参差不齐，中国目前只是一个制造大国，离制造强国还有一定的距离。两个战略是中德两国在不同时代提出来的。德国工业经历了三次工业革命的改革，生产技术已经相当成熟，德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一，而中国工业还是处于大批量生产阶段，企业发展水平参差不齐，中国目前只是一个制造大国，离制造强国还有一定的距离。第一章课后习题四次工业革命的标志性技术都有哪些？答：所谓的“四次工业革命”，分别指的是“18世纪第一次工业革命的机械化”、“19世纪第二次工业革命的电气化”、“20世纪第三次工业革命的信息化”以及我们现在所处的“智能化”四个阶段。第一次工业革命标志性技术有蒸汽机；第二次工业革命标志性技术是电力、内燃机的应用；第三次工业革命标志性技术是原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用；第四次工业革命的标志性技术则以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表、以人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实以及生物技术为主。智能制造的全生命周期实施包括哪些过程？答：①数字化产品设计②数字化工厂规划③数字化生产制造过程④产品生命周期管理什么是产品全生命周期管理？产品全生命周期管理包含哪些内容？答：产品全生命周期管理(PLM)是指管理产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养，直到回收再用处置的全生命周期中的信息与过程。产品全生命周期管理包含内容主要有：在设计和开发阶段，对产品的规划和需求分析、原型设计和验证；在生产和经销阶段，对制造和供应链管理、质量控制和测试；在使用和维修保养方面，需要提供及时的客户支持和培训、故障排除和维修；在退役和回收阶段，需要制定产品退市计划和环境影响评估、资源回收和再利用。“中国制造2025”的五大工程是什么？答：①制造业创新中心（工业技术研究基地）建设工程，围绕重点行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、生物医药等领域创新发展的重大共性需求，形成一批制造业创新中心；②智能制造工程，紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化；③工业强基工程，开展示范应用，建立奖励和风险补偿机制，支持核心基础零部件（元器件）、先进基础工艺、关键基础材料的首批次或跨领域应用；④绿色制造工程，组织实施传统制造业能效提升、清洁生产、节水治污、循环利用等专项技术改造；⑤高端装备创新工程，组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机、民用航天、智能绿色列车、节能与新能源汽车、海洋工程装备及高技术船舶、智能电网成套装备、高档数控机床、核电装备、高端诊疗设备等一批创新和产业化专项、重大工程。例举说明“中国制造2025”的十大领域中的任意三个。答：“中国制造2025”十个重点领域分别有新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料和生物医药及高性能医疗器械。（例举其中任意三个皆可）什么是“工业4.0”？德国“工业4.0”与“中国制造2025”有哪些相同点和不同点？答：“工业4.0”是德国政府提出的一个高科技战略计划，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。相同点：都是为了占领世界工业发展先机，提升国家工业发展水平。通过工业4.0战略的实施，德国希望成为新一代工业生产技术(信息物理系统)的供应国和主导市场，提升全球竞争力。中国推出“中国制造2025”计划，希望可以全面提升中国制造业发展质量和水平，使中国迈入制造强国行列，成为制造强国。不同点：德国“工业4.0”战略是由自动化向智能迈进，“中国制造2025”是由大向强发展。两个战略是中德两国在不同时代提出来的，德国工业经历了三次工业革命的改革，生产技术已经相当成熟，德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一。而中国工业还是处于大批量生产阶段，企业发展水平参差不齐，中国目前只是一个制造大国，离制造强国还有一定的距离。两个战略是中德两国在不同时代提出来的。德国工业经历了三次工业革命的改革，生产技术已经相当成熟，德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一，而中国工业还是处于大批量生产阶段，企业发展水平参差不齐，中国目前只是一个制造大国，离制造强国还有一定的距离。第二章课后习题简述可编程逻辑控制器的定义、功能和硬件配置有哪些？答：可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入/输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。可编程控制器主要有：开关量的逻辑控制功能、过程控制功能、定时控制功能、计数控制功能、条件顺序控制功能、运动控制功能、脉冲控制功能、数据处理功能、通信和联网功能。可编程控制器一般的PLC控制系统是由中央处理器(CPU)、存储器、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、通信接口和电源等组成。用户通过钮等开关设备或各种传感器就能够将开关量或模拟量由输入接口输入主机存储器的输入映像寄存区；而后经过运算或处理得到的开关量或模拟量的控制信号经由输出接口输出到用户的被控设备；配合编程器就组成了PLC控制系统。按照结构来分，工业机器人可以分成哪几类？各有什么特点？答：按照结构来分，工业机器人可以分为以下四种：①六轴机器人：有很高的自由度，适合于几乎任何轨迹或角度的工作；可以自由编程，完成全自动化的工作提高生产效率，可控制的错误率；操作非常简便，可实现不同工件之间的灵活快捷更换②SCARA机器人：结构轻便、响应快，最适用于平面定位、垂直方向进行装配的作业③直角坐标机器人：成本低廉、结构简单，能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机④并联机器人:不易产生动态误差，无误差积累，精度较高,结构紧凑稳定，输出轴大部分承受轴向力，机器刚性高，承载能力大,但在位置求解上正解比较困难，而反解容易。简述工业机器人的组成和技术参数。答：通常工业机器人由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四部分组成。技术参数包括自由度、定位精度和重复定位精度，其中自由度又可分为刚体自由度和机器人自由度。简述D-H参数的物理意义，叙述连杆坐标系的建立方法。答：对于一个连杆需要有四个参数对其进行描述，即D-H参数，两个参数描述连杆本身的特性（连杆长度ai和连杆转角αi），另外两个参数描述该连杆和上一个连杆之间的关系（连杆偏距di和关节角θi）。其中连杆偏距di和关节角θi是由关节决定的，反映关节的运动学特性。连杆坐标系的建立方法：需给各连杆关节上都安装一构件坐标系，用Craig参考坐标系建立约定，如图2-32所示，其特点是每一杆件的坐标系轴和原点固连在该杆件的前一个轴线上。连杆的坐标系原点位于轴和的公共法线与关节轴线的交点上。如果两相邻连杆的轴线相交于一点，那么原点就在这一交点上。如果两轴线互相平行，那么就选择原点使对下一连杆（其坐标原点已确定）的距离为零。连杆的轴与关节的轴线在一直线上，而x轴则在连杆和的公共法线上，其方向从指向，见图2-31。当两关节轴线相交时，轴的方向与两矢量的交积，平行或反向平行，轴的方向总是沿着公共法线从转轴指向。当两轴和，平行且同向时，第个转动关节的，为零。在建立机器人杆件坐标系时，首先在每一杆件的首关节轴上建立坐标轴,正向在两个方向中选一个方向即可，但所有轴应尽量一致。某刚体先绕参考坐标系z轴转30°，然后绕坐标系x轴转60°，再绕坐标系y轴转90°，试求旋转矩阵。0.4330.733-0.866-0.8660.50答：简述AGV小车的技术特点及应用场景。答：技术特点：装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能，另一个特点是柔性好，自动化程度高和智能化水平高，AGV的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。应用场景：仓储行业、制造行业、邮局、图书馆、码头、机场、烟草、医药、食品、化工和危险场所和sourceType":"answer","sourceId":2452125248}"特种行业。分析机器视觉技术的发展趋势和应用前景。答：机器视觉技术的发展趋势主要朝着价格持续下降、功能逐渐增多、产品小型化、集成产品增多发展。由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，随着机器视觉技术自身的成熟和发展，它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。第三章课后习题：工业控制常用的网络协议有哪些？答：常用网络协议主要有OSI七层协议参考模型，其应用层上代表协议包括TFTP、HTTP、SNMP、FTP、SMTP、DNS、Telnet等，网络层上代表协议包括IP、ICMP、RIP、OSPF、BGP、IGMP，数据链路层代表协议包括SLIP、CSLIP、PPP、ARP、RARP、MTU等，TCP/IP、以太网协议和其他协议。TCP和UDP协议有何区别？答：①UDP协议的特点：（1）无连接；（2）不可靠（不能保证数据都送达）；（3）面向报文（UDP数据传输单位是报文，不会对数据进行拆分和拼接操作，只是给上层传来的数据加个UDP头或者给下层来的数据去掉UDP头）；（4）没有拥塞控制，始终以恒定速率发送数据；（5）支持一对一、一对多、多对多、多对一；（6）首部开销小，只有8字节。②TCP协议的特点：（1）有连接；（2）可靠的；（3）面向字节流；（4）全双工通信，TCP两端既可以作为发送端也可以作为接收端；（5）连接的两端只能是两个端点，即一对一，不能一对多；有哪些措施能够保证工业网络安全？答：mGuard工业防火墙技术不但可以防止黑客从网络入侵，同时可以对病毒实现监控和防御保证工业网络安全，其安全性能主要包括.OPC深度数据包监测技术、恶意软件及病毒监测技术、多种防护模式、1比1NAT、条件防火墙、VPN通道、DMZ非军事化区、mGuard安全云技术等技术。什么是mGuard？它有何特点？答：mGuard工业防火墙技术始于2001年，在全球已经得到了众多客户的应用和验证，应用领域包括汽车、机械制造、仪表自动化、能源和轨道交通等行业。mGuard工业防火墙技术不但可以防止黑客从网络入侵，同时可以对病毒实现监控和防御，mGuard提供满足各种应用要求的安全解决方案，例如设备监控与数据采集解决方案、远程数据通信解决方案等。PDM系统的主要目标是什么？答：PDM系统的主要目标是通过中心化的数据存储和管理，减少数据错误、减少数据的冗余和提高数据可靠性和准确性，从而提高产品设计和制造的效率和质量。产品数据管理系统的主要特征有什么？答：通过实施PDM，可以提高生产效率，有利于对产品的全生命周期进行管理，加强对于文档、图纸、数据的高效利用，使工作流程规范化；能够有效组织企业生产工艺过程卡片、零件蓝图、三维数模、刀具清单、质量文件和数控程序等生产作业文档，实现车间无纸化生产；从数据来看，PDM系统可帮助组织产品设计，完善产品结构修改，跟踪进展中的设计概念，及时方便地找出存档数据以及相关产品信息；从过程来看，PDM系统可协调组织整个产品生命周期内诸如设计审查、批准、变更、工作流优化以及产品发布等过程事件。什么是数字化工厂？它有什么主要特征？答：数字化工厂是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，包含仿真和3D/虚拟现实可视化，通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。数字化工厂的主要特征有数字化、集成化、虚拟化、动态性、分布性、严谨性、协同性和互补性。ERP的主要思想是什么？它与MRPⅡ的区别是什么？答：ERP的主要思想是供应链管理。ERP与MRPⅡ的区别是其在MRP管理系统的基础上，系统增加了对企业生产中心、加工工时、生产能力等方面的管理，以实现计算机进行生产排程的功能，同时也将财务的功能囊括进来，在企业中形成了以计算机为核心的闭环管理系统，这种管理系统已能动态监察到产、供、销的全部生产过程。什么叫数字孪生？它有何特点？答：数字孪生（DigitalTwin）还可以称为数字双胞胎或数字映射，它利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生的主要特点有多源异构数据融合、数据驱动精确映射和智慧分析协助决策。数字孪生的设计过程及要点是什么？答：（1）在产品设计阶段：构建一个全三维标注的产品模型，包括三维设计模型+产品制造信息（ProductManufacturingInformation，PMI）+关联属性等。（2）在工艺设计阶段：要点阶段，在三维设计模型+PMI+关联属性的基础上，实现基于三维产品模型的工艺设计，最终形成基于数模的工艺规程（ModelBasedInstructions，MBI），具体包括工艺BOM+三维工艺仿真动画+关联的工艺文字信息和文档。（3）在产品生产制造阶段：主要实现产品档案(ProductMemory)或产品数据包（ProductDataPackage）即制造信息的采集和全要素重建，包含制造BOM(ManufactureBOM，MBOM)、质量数据、技术状态数据、物流数据、产品检测数据、生产进度数据、逆向过程数据等的采集和重建。（4）在产品服务阶段：主要实现产品的使用和维护（OperationsandSustainment，OS），Operations主要是指操作，Sustainment既包括维修、保养，也包括升级和改造。（5）在产品报废/回收阶段：主要记录产品的报废/回收数据，包括产品报废/回收原因、产品报废/回收时间、产品实际寿命等，从而为下一代产品的设计改进和创新、同类型产品的质量分析及预测、基于物理的产品仿真模型和分析模型的优化等提供数据支持。第四章课后习题步进电机的驱动方式有哪几种？答：步进电机的驱动方式主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。直流伺服电机有何特点？工作原理是什么？答：特点：直流伺服电机可以使直流电按照驱动器控制信号的要求执行用户所发出的各种指令。直流伺服电机控制方式一般分为电枢电压控制及励磁磁场控制两种。通常直流伺服电机的励磁方式有四种：直流他励电机、直流并励电机、直流串励电机和直流复励电机，还具有体积小、过载能力大、安全性高、调整范围宽等特点，除此之外，在其性能方面还具有效率高、寿命长、噪声低、调速性能好、启动力矩大等特点。工作原理：伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位简述交流异步伺服电机的工作原理。答：交流伺服电机的激磁绕组和控制绕组在空间位置上相差90°，工作时激磁绕组通入恒定交流电压，控制绕组由伺服放大器供电通入控制电压，两个电压的频率相同，并且在相位上也相差90°。这样，两个绕组共同作用，在电机内部便产生了一个旋转磁场，在旋转磁场的作用下又会在转子中产生感应电动势和电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，带动转子转动。公共汽车门采用气动控制，司机和售票员各有一个控制气动的开关，控制汽车门的开和关，设计此气控回路，并说明其工作过程。答：设司机和售票员的气动开关为a、b，开门信号记为“1”，关门信号记为“0”，门开S记为“1”。列真值表：abS000011101111写逻辑函数并化简：积和式：绘制逻辑原理图：绘控制回路图：简述液压系统的工作原理。答：液压驱动是指以流体为工作介质，通过动力元件（液压泵），将原动机的机械能转变为液压油的压力能，再通过控制元件，然后借助执行元件（液压缸和液压马达）将压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动，且通过对控制元件的遥控操纵和对压力流量的调节，调定执行元件的力和速度。第六章课后习题智能生产线的网络架构有几层？各层功能是什么？答：智能生产线的网络架构包含四层：网络层、管理层、控制层和设备层。（1）网络层依托云服务器运行APP、公众号和后台管理WEB。（2）管理层在本地服务器上运行生产管理系统（MES），通过TCP/IP与网络层和控制层进行数据交互，按照订单实现整个生产流程的管理。（3）控制层包括PLC和AGV调度系统，PLC通过profinet等通信协议与各设备层进行数据交互，驱动各执行机构动作，AGV调度系统按照MES下达的命令完成整个生产流程中物料的传输。（4）设备层包括工业机器人、无人自导航机器人（AGV）、PLC本地和远程IO、安全IO、工业相机、伺服系统、激光打印机、打印贴标机、气缸、电机及各类传感器等，用于完成设备的精准动作及反馈设备的实时状态。简单叙述智能生产线的工作流程。答：智能产线的生产流程包括两条主线：一条为订单主线，共七步；另一条为补货主线，共四步。①订单主线（1）产品订单生成：客户可以使用PAD和公众号两种方式，通过订单系统下单，生产线的第四单元有四个库位，相当于企业的仓库，当第四单元的料仓里有装配完成的产品，订单从第四单元开始工作，下单后获取唯一取货码。（2）MES生成工单：订单系统将订单下发给MES（ManufacturingExecutionSystem），MES生成工单并下发给产线。（3）智能测试：产线接收到MES下发的任务后，机器人将缓存区电缸放入测试区进行测试，若测试不合格则丢入废料红盒，若测试通过则将电缸放入流水线的载具上，流入个性化定制单元。（4）个性化定制：激光雕刻机根据下单时客户输入的个性化内容进行激光雕刻，雕刻完成后，电缸跟随载具流入成品包装单元。（5）智能包装：成品包装单元机器人将雕刻完成的电缸放入包装纸盒，由打印机打印并贴上唯一标识，待AGV到达本单元后，再将包装好的电缸放到AGV上，流入成品库单元。（6）成品入库：待载有已包装电缸的AGV到达本单元后，将抓取已包装电缸并放入闲置库位。（7）扫码取件：客户提供唯一取货码，机器人根据该取货码将成品取出。②补货主线如果第四单元的库位有空库位，系统进行补货。（1）原材料出库：MES若检测到功能测试单元缓存区闲置，则会下发补货任务，原材料库接收到补货任务后，等待AGV到达本单元，机器人会将原材料放置在AGV上，流入缸体装配单元。（2）半成品装配：载有原材料的AGV到达缸体装配单元，机器人原材料从AGV搬运到原材料缓冲区，并将原材料装配成半成品电缸后放置在半成