智能制造应用基础 课件 宁立伟 第7-12章 智能制造企业操作系统的构建-智能制造的应用实例

——建设方案《智能制造应用基础》第7章

智能制造企业操作系统的构建

7.17.27.37.4智能制造企业操作系统数据统计与要求建立智能制造企业的数据系统智能制造企业数据系统分析7.1节智能制造企业操作系统第7章

智能制造企业操作系统的构建7.1智能制造企业操作系统-智能制造企业

智慧终端设计与制造的企业链中，主要包括了产品的感知层、网络层、执行层和应用层四大层面。

在感知层领域中，产品涵盖了智能传感器、RFID、机械视觉及系统设计等关键技术领域，而企业链主要包括惠岚科技、禾赛科技、北醒电子等运营商;在网络层领域中，产品涵盖了云计算、大数据分析、SCADA、工业互联网技术等关键技术领域，而企业链主要包括华为、百度、阿里巴巴、腾讯等一批知名企业;在执行层领域中，产品主要为实现各种复杂智能机器人生产、制造需求的设备终端平台和系统集成产品，包括智能机器人、数控机床、3D立体打印成型等系列设备;在应用层领域中，产品主要对象为各类复杂智能生产线。

7.1智能制造企业操作系统-智能制造企业企业智能制造的意义7.1智能制造企业操作系统-智能制造企业操作系统

智能制造企业操作系统，顾名思义，是一种专门为智能制造企业设计的操作系统。它集成了先进的信息技术、自动化技术、人工智能等技术，为企业提供了一个全新的生产和管理平台。通过该系统，企业可以实现生产过程的智能化、精细化、高效化，从而提升生产效率、降低成本、增强市场竞争力。系统主要包括以下功能：1）处理器管理2）存储器管理3）设备管理4）文件管理5）作业管理7.1智能制造企业操作系统-智能制造企业操作系统主要应用：1）模块化、嵌入式的控制系统设计技术2）新型的传感技术3）智能制造系统的协同技术4）先进控制与优化的技术5）高可靠实时通信的网络技术6）故障诊断与健康维护的技术7）智能制造系统识别技术8）智能制造系统功能安全技术9）特种工艺与精密制造技术智能制造企业操作系统的特点：1）高度集成2）智能化决策3）自动化控制4）安全性高智能制造企业操作系统的应用：1）智能制造操作系统的功能智能制造企业操作系统具有通用操作系统所具备的功能，并且包括语音识别、机器视觉、执行系统和认知行为系统。2）智能制造操作系统的意义首先，智能制造则需要将更广泛的利益攸关者纳人考虑，而这对跨学科的理解、沟通、合作、整合提出了更高的要求。其次，达成的重要变革在于解决了大规模生产与个性化定制之间的矛盾。最后，产品从概念、设计到研发、生产的过程，将由于智能制造系统打通上下游。7.2节数据统计与要求第7章

智能制造企业操作系统的构建

数据统计工具：（1）MicrosoftOfficeExcel2）存储器管理1）数据透视：一个数据透视表可以变成十几种报表。2）统计分析：是一种比较科学、精确和客观的测评方法。3）图表功能：有助于展示数据，几乎是Excel专有。4）高级筛选：在Excel表格中所提供出来了的一些比较高级的筛选查询的筛选功能。5）自动汇总功能：这个功能其他程序都有，但是Excel简便灵活。6）高级数学计算：函数计算，程序中使用算法可以用上。7.2数据统计与要求（2）SAS软件1）功能强大，统计方法齐、全、新2）使用简单，操作灵活3）提供联机帮助功能（3）R软件1）数据存储和处理系统2）数组运算分析工具:对向量、矩阵数组等进行运算3）完整连贯的统计分析工具4）优秀的统计制图功能5）简单的编程语言6）R软件是一个免费的软件

数据统计工具：（4）SPSS1）操作简便2）编程方便3）功能强大4）数据接口5）模块组合6）针对性强7.2数据统计与要求（5）Python1）简单2）易学3）速度快4）免费、开源5）可嵌入性6）规范的代码数据统计要求：（1）客观性原则（2）量化原则（3）规范性原则（4）制度性原则（5）统计工作要求智能制造企业操作系统的数据统计要求：（1）实时性（2）准确性（3）可追溯性（4）可靠性（5）可扩展性1）选择合适的操作系统2）加强数据采集3）建立完善的数据管理体系4）加强技术研发和创新5）培训和管理人员7.3节建立智能制造企业的数据系统第7章

智能制造企业操作系统的构建智能制造企业数据系统的优势：（1）提高生产效率（2）优化决策（3）提升产品质量（4）降低运营成本（5）增强企业竞争力7.3建立智能制造企业的数据系统企业数据系统的核心功能（1）订单管理（2）设计支撑管理（3）工艺流程设计管理（4）生产管理（5）检测管理（6）搬运管理（7）外协管理（8）消息和告警系统（9）智能决策支持系统（10）可视化看板（11）客户专区（12）组织管理（13）权限、账号管理（14）移动支持系统（15）一切均可配置7.3建立智能制造企业的数据系统普通企业数据系统建立:（1）分析业务场景（2）标准制定（3）数据标准落地映射和落地评估（4）数据整改智能制造企业数据系统建立:（1）明确数据系统的目标与需求（2）数据收集与整合（3）数据分析与挖掘（4）数据可视化与呈现（5）系统优化与迭代7.4节智能制造企业数据系统分析第7章

智能制造企业操作系统的构建7.4智能制造企业数据系统分析数据的经济性（1）数据经济性的商业模式（2）数据经济性的方法1）从消费互联网到产业互联网2）从共享产品服务到共享生产能力3）从传统基础设施到融合基础设施（3）数据经济性的阶段数据的目标性（1）数据目标性的定位

1）外部分析

2）内部分析（2）数据目标性的确定

1）数据愿景承接企业愿

2）数据目标对齐业务目标7.4智能制造企业数据系统分析（3）数据目标性的规划1）模型工具2）战略一致性模型3）阿姆斯特丹信息模型（4）数据架构（5）数据治理战略一致性模型阿姆斯特丹信息模型7.4智能制造企业数据系统分析智能制造企业数据的经济性分析（1）智能制造企业数据经济性概述（2）智能制造企业数据经济性的体现1）生产流程优化

2）精准决策支持3）个性化定制服务（3）提升智能制造企业数据经济性的建议1）加强数据基础设施建设2）培养数据驱动的企业文化（4）深化产学研合作1）建立长期稳定的合作关系2）共享资源和成果3）开展联合研究和项目合作4）培养人才（5）积极参与国际交流与合作1）深入了解目标市场2）提高产品和服务质量3）加强品牌宣传和推广4）建立国际销售渠道5）培养国际化人才7.4智能制造企业数据系统分析智能制造企业数据的目标性分析（1）确定数据目标的重要性（2）如何确定数据目标

明确企业战略目标：市场需求、业务发展、竞争态势、技术进步。

为了实现数据目标与战略目标的一致性，智能制造企业可以采取以下措施：1）建立跨部门协作机制：加强企业内部各部门之间的沟通与协作，确保数据的收集、处理和分析能够满足企业整体发展的需要。2）制定详细的数据计划：根据战略目标和业务需求，制定详细的数据计划，包括数据来源、处理流程、分析方法和应用场景等方面。3）建立数据质量管理体系：确保数据的准确性、完整性和一致性，为企业决策提供可靠的支持。4）持续优化数据目标：根据企业战略和市场变化，对数据目标进行持续优化和调整，保持数据目标的时效性和针对性。（3）分析业务流程（4）识别关键绩效指标7.4智能制造企业数据系统分析（5）数据目标的实施1）制定数据收集计划（a）明确数据源。（b）选择合适的数据采集方法。（c）设定数据采集频率。（d）确定数据的存储和处理方式。（e）保证数据质量和准确性。（f）制定应急计划。（g）持续优化和改进。2）建立数据处理流程（a）数据清洗。（b）数据整合。（c）数据转换。（d）数据处理速度和效率。（e）数据存储和管理。（f）持续优化和改进。3）应用数据分析工具（a）工具的功能性。（b）易用性和用户友好性。（c）数据处理能力。（d）数据可视化能力。（e）集成和连接性。（f）可扩展性和定制性。（g）数据安全和隐私保护。（h）成本效益分析。（i）社区支持和生态系统。（j）持续更新和升级。4）持续改进和优化——建设方案

本章结束！《智能制造应用基础》课程组——建设方案《智能制造应用基础》第8章

智能制造单元控制与管理系统

8.18.28.38.4智能制造单元智能制造管理目标智能制造单元的管理系统智能制造单元的产品建模与仿真8.1节智能制造单元第8章

智能制造单元控制与管理系统智能制造车间的体系结构

8.1智能制造单元8.1智能制造单元智能制造车间构成：（1）物联感知层（2）数据传输层1）基于串行口的通信方式。2）基于局域网的通信方式3）基于现场总线的通信方式。（3）分析处理层

1）关联指通过车间制造数据的关联分析，发现其间隐藏的关系。2）预测指利用关联分析结果，描述车间制造过程与性能指标的内在关系。3）调控指基于车间性能预测模型，找到车间运行过程的关键制造参数并进行控制。（4）应用服务层关联＋预测＋调控：1）车间制造大数据预处理方法2）车间制造大数据时序分析方法3）车间制造大数据关系网络建模方法4）车间运行状态预测方法5）车间运行状态决策方法8.2节智能制造管理目标第8章

智能制造单元控制与管理系统8.2智能制造管理目标

生产管理系统是一个复杂的系统。管理部门必须从系统的各个方面有效地收集信息，以便制定有效的措施，保证系统的稳定有序运行。

智能制造管理系统的主要目标是：（1）准确定位故障，提高故障处理效率；（2）准确展示生产计划，明确实际生产状态；（3）实现协同管理，提高整体工作效率；（4）生产状态的实时监控和及时控制；（5）及时高效，及时处理各种异常情况；（6）及时反馈各种异常情况，有针对性地改进管理；（7）数据分析为生产管理运营方案提供优化解决方案；（8）为工厂产品提供有效的数据追溯。

（1）原材料编码；（2）生产部门制定生产计划；（3）印制工艺卡；（4）接收原材料；（5）物料转移车间；（6）各个过程的全面控制；（7）质量检验室，合格；（8）产品包装；（9）产品线；（10）产品储存；（11）异常管理、设备管理、人员管理、质量管理、汇总、统计等。8.2智能制造管理目标8.3节智能制造单元的管理系统第8章

智能制造单元控制与管理系统8.3智能制造单元的管理系统

MES制造执行系统。MES可以提供制造数据管理、计划调度管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、为企业提供过程控制等生产管理模块。8.3智能制造单元的管理系统

MES是企业CIMS信息集成的环节，是实施企业敏捷制造战略、实现敏捷车间生产的基本技术手段。MES系统在国外知名企业的应用已经成为一种普遍现象，国内很多企业也逐渐开始使用这种技术来提升自身的核心竞争力。MES位于计划层和现场自动化系统执行层之间，主要负责车间生产管理和排程执行。8.3智能制造单元的管理系统

与其他系统相比，EMS具有以下特点：（1）使用强大的数据采集引擎，整合数据采集通道（RFID、条码设备、PLC、传感器、IPC、PC等），覆盖整个工厂生产现场，确保实时、准确、全面地采集现场海量数据；（2）搭建工厂生产管理系统数据采集的基础平台，具有良好的可扩展性；（3）采用先进的RFID、条形码和移动计算技术，打造从原材料供应、生产、销售到物流闭环的条形码系统；（4）全面、完整的产品跟踪和可追溯性功能；（5）监控生产过程的状态；（6）实时库存管理和看板管理；（7）实时、全面、准确的性能和质量分析SPC；（8）在微软上开发。NET平台，支持Oracle/SQLServer等主流数据库。系统采用C/S结构和B/S结构相结合，易于安装和升级；（9）个性化工厂信息门户（portal），通过WEB浏览器，可以随时随地掌握生产现场的实时信息；（10）强大的MES技术团队确保快速实施并降低项目风险。8.3智能制造单元的管理系统

企业信息管理系统（ERP）

应用于智能制造的ERP，主要用于制造业的物质资源、资金资源和信息资源的整合和管理，具有明显的集成性、系统性、灵活性和实时性等显著特点。8.3智能制造单元的管理系统

ERP在系统中整合配置材料、人才、财务、信息等资源，实现企业资源的合理配置和利用。ERP的提出离不开计算机技术的高度发展。

综合管理主要包括三个方面：生产控制（计划、制造）、物流管理（配送、采购、库存管理）和财务管理（会计、财务管理）。这三个系统本身就是集成商，它们之间有相应的接口，可以很好地集成起来管理企业。此外，值得一提的是，随着企业对人力资源管理的重视，越来越多的ERP厂商将人力资源管理纳入ERP系统的重要组成部分。8.3智能制造单元的管理系统

ERP的优势主要体现在以下几个方面：缩短周转时间；物流与资金流的整合；加强物料和生产计划；模拟了不同市场条件对生产计划、产能需求计划、物资采购计划和仓储运输的影响；能够快速应对商业环境的变化；通过管理实现实时在线查询信息；为企业决策提供更准确、更及时的财务报告；及时提供各种管理报告和分析数据；制度本身具有严格的内部控制功能。

我国企业在实施ERP系统中存在的问题：（1）大量的外来词为ERP设置了较高的心理门槛。（2）国外ERP软件供应商有非常标准化的ERP实施方法，但他们不太了解中国企业的实际需求和定制流程。（3）国内许多ERP企业管理软件供应商在ERP实施方面有着丰富的经验，但没有科学规范的实施方法。（4）ERP软件供应商、提供业务流程再造的咨询公司、政府部门提供的ERP服务，以及倡导第三方监管的监管机构都从各自的角度提供了ERP实施建议和经验，但企业无法充分看到具体实施的方面。8.3智能制造单元的管理系统

PLM设计、制造和管理平台

PLM系统是将单个软件应用程序转换为基于SOA、跨学科、跨项目的阶段和计划，为大大小小的制造企业提供平台可扩展性和应用程序丰富性、灵活性和可配置性。8.3智能制造单元的管理系统

PLM系统平台总体设计方案

根据产品设计和工艺业务的需求，提出了PLM系统的构建方案。通过对产品、资源和工厂的数据集成管理，实现了产品从设计到制造全过程的信息支持。8.3智能制造单元的管理系统

Teamcenter设计的平台管理需求主要包括以下几个方面：（1）实现图形文档管理。（2）实现与CAD软件的集成。（3）产品结构管理。（4）工作流管理。（5）变革管理。（6）物料清单管理。8.3智能制造单元的管理系统

计算机集成制造系统（CIMS）（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）是计算机应用技术在工业生产领域的主要分支技术之一。

CIMS通常包括以下两个基本点：（1）企业生产经营的各个方面，如市场分析与预测、产品设计、加工制造、企业管理、产品销售等生产经营活动，都是一个不可分割的整体。（2）企业的整个生产经营过程本质上是一个数据收集、传输和处理的过程，最终产品也可以看作是数据的物质表现。8.3智能制造单元的管理系统

CIMS一般可分为以下四个功能子系统和两个支持子系统：工程设计自动化子系统、管理信息子系统、制造自动化子系统、质量保证子系统、计算机网络子系统和数据库子系统。

CIMS的实施：（1）首先，必须改变原有的商业模式、体制和组织，以适应市场竞争的需要。因为CIMS是一种由多种技术支持的新型商业模式。（2）其次，在企业商业模式、体制和组织改革过程中，要充分重视人的因素，妥善处理人的因素，因为它涉及人的知识水平、技能和观念。（3）最后，CIMS的实施是一项复杂的系统工程，整个实施过程必须以正确的方法和标准化的实施步骤为指导，以减少盲目性和不必要的遗漏。8.3智能制造单元的管理系统

CIMS的经济效益：（1）在工程设计自动化方面，可以提高产品开发和生产能力，推动技术含量高、结构复杂的产品开发，保证产品设计质量，缩短产品设计和工艺设计周期，加快产品更换，满足客户需求。占领市场。（2）在制造自动化或柔性制造方面，加强了产品制造的质量和灵活性，提高了设备利用率，缩短了产品制造周期，提高了生产能力，增强了产品供应能力。（3）在企业管理方面，企业的经营决策和生产管理趋于科学化。使企业能够快速准确地报价，在市场竞争中赢得时间；在实际生产中，解决了“瓶颈”问题，减少了在制品；同时，减少了库存资金的占用。8.3智能制造单元的管理系统

计算机辅助工艺设计系统（CAPP）根据产品设计提供的信息，设计产品的加工方法和制造工艺。CAPP结构示意图系统基本结构8.3智能制造单元的管理系统

工艺设计主要包括：（1）根据产品图纸，分析产品零部件的结构特点和技术要求；（2）了解产品生产计划和批次；（3）选择加工方法和使用的机床、工具、夹具和其他工装设备；（4）合理安排加工顺序；（5）选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工艺尺寸和公差；（6）选择合理的切割量；（7）计算时间定额和加工成本；（8）编制包含上述所有数据的工艺文件和各种统计汇总卡8.3智能制造单元的管理系统

设计流程图

CAPP中包含的技术：（1）集团科技；（2）零件信息的描述和获取；（3）工艺设计决策机制；（4）过程知识的获取和表达；（5）生成流程图和其他文件；（6）数控加工指令—加工过程的自动生成和动态模拟；（7）建立过程数据库。8.3智能制造单元的管理系统专家系统的基本组成图

专家系统（ES）

专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统，用来解决需要人类专家处理的复杂问题。8.3智能制造单元的管理系统专家系统的发展经历了三个阶段，正在向第四代过渡。

第一代专家系统(dendral、macsyma等)具有高度专业化、解决专业问题能力强的特点。

第二代专家系统（mycin、casnet、prospector、hearingsay等）是一个单一的专业学科和面向应用的系统。其体系结构比较完整，可移植性得到了提高。

第三代专家系统是一个多学科综合系统。它使用多种人工智能语言，使用多种知识表示方法、推理机制和控制策略，并开始使用多种知识工程语言、框架系统和专家系统。8.3智能制造单元的管理系统专家系统结构

专家系统通常由六部分组成：

人机界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库和知识获取。其中，知识库和推理机是相互分离的，这是唯一的。专家系统的结构因专家系统的类型、功能和大小而异。8.3智能制造单元的管理系统专家系统运行流程

工作过程：

专家系统的基本工作过程是用户通过人机界面回答系统的问题，推理机将用户输入的信息与知识库中每个规则的条件相匹配，并将匹配规则的结论存储在综合数据库中。在中间部分的末尾，专家系统将得出最终结论并将其呈现给用户。8.3智能制造单元的管理系统

高性能专家系统应具有以下特点：（1）启发性。不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识，它运用规范的专门知识和直觉的评判知识进行判断、推理和联想，实现问题求解。（2）透明性。它使用户在对专家系统结构不了解的情况下，可以进行相互交往，并了解知识的内容和推理思路，系统还能回答用户的一些有关系统自身行为的问题。（3）灵活性。专家系统的知识与推理机构的分离，使系统不断接纳新的知识，从而确保系统内知识不断增长以满足商业和研究的需要。8.4节智能制造单元的产品建模与仿真第8章

智能制造单元控制与管理系统8.4智能制造单元的产品建模与仿真

产品的三维建模产品三维建模的定义：产品建模是计算机辅助产品开发活动的重要组成部分。在计算机辅助设计（Computeraideddesign，CAD）系统中，产品建模包括零件建模和装配建模。它是影响制造企业竞争力的关键因素之一。8.4智能制造单元的产品建模与仿真产品的运动与有限元仿真机械产品的运动分析与仿真已成为计算机辅助工程（CAE）的重要组成部分，是机械设计的必要环节。在机械产品的设计中，通常要对机构进行运动分析，以验证机构设计的合理性和可行性。机械运动仿真步骤8.4智能制造单元的产品建模与仿真有限元分析技术，即CAE（计算机辅助工程）CAE产生和发展的三个主要条件：数值分析方法;计算机仿真分析软件，计算机硬件。加工仿真产品加工仿真是虚拟制造技术在数控加工中的应用。利用计算机建模和图形仿真技术，在计算机上建立虚拟加工环境，在不消耗实际材料和不占用机床的情况下模拟数控加工过程。产品的加工仿真8.4智能制造单元的产品建模与仿真产品加工仿真技术呈现以下发展趋势（1）智能化。利用有限元法、传感器融合检测技术和神经网络技术提高数控力加工仿真系统的建模能力，结合知识库和专家系统等技术，开发了一个高度智能化的数控力加工仿真系统。（2）网络化。模拟过程所需的数据来自分布在不同地方的多个数据库。网络化数控仿真系统可以在多台计算机之间交换和共享数据，并与CAM等系统无缝连接。支持网络远程数控服务，实时监控远程数控加工仿真的全过程。（3）建立良好的评价体系，从加工参数的角度对数控加工仿真效果进行有效的评价和决策。8.4智能制造单元的产品建模与仿真模拟数控加工全过程8.4智能制造单元的产品建模与仿真流程设计与管理根据当前机械设计企业的行业特点，简要分析了机械设计行业存在的几个主要管理问题。（1）机械设计质量与安全管理（2）设计过程的标准化管理（3）机械设计中的误区及对策（4）核心技术的保护和管理（5）机械设计的风险管理（6）机械设计成本管理（7）机械设计产品的质量评估管理（8）设计人才团队的管理（9）加强知识产权管理——建设方案

本章结束！《智能制造应用基础》课程组——建设方案《智能制造应用基础》第9章智能制造的质量管理系统

9.19.29.3智能制造的产品质量管理产品质量智能控制策略智能控制与诊断的硬件结构与软件设计9.4控制系统硬件简介9.1节智能制造的产品质量管理第9章

智能制造质量管理9.1智能制造的产品质量管理产品质量管理使得车间进入最佳的工作状态，从而实现产能最大化，同时能过及时的发现与监督生产过程中出现的质量问题，并得到有效反馈和处理，形成生产——管理——生产联动机制，这要求生产车间及时向有关部门反馈加工过程的产品质量相关信息，依据此信息对原材料、生产工艺、设备状况等环节做出调整，从而最小化产品质量损失。9.1智能制造的产品质量管理-QMS的建立分析

一种针对智能制造系统建立统一信息平台下的质量管理系统。能够解决质量监控过程的时效性问题，及时有效反映车间生产质量情况，协助质量管理人员对生产质量信息进行多角度多层面的统计和分析，全局掌握质量控制全过程并有效实施职责范围内的监督管理职能。定义传统的人工管理：

实时掌握产品质量状态难、质量信息时效性准确性差、时间跨度长导致数据冗长，难以进行分析、应用，达到提升产品整体质量水平的目的。9.1智能制造的产品质量管理-QMS的功能模块设计QMS包括产品质量检验、产品质量分析和产品质量控制三个主要环节，细分为六个功能模块。9.1智能制造的产品质量管理-MES系统中的质量模块简介MES是企业信息化系统的重要组成部分，主要用于生产过程的监控和管理，以提高生产执行的效率和质量。

质量模块是MES系统中的一个关键模块，用于实时监控生产过程中的质量问题，并及时采取措施进行纠正和预防。9.1智能制造的产品质量管理-MES系统中的质量模块简介MES质量模块主要功能主要特点质量数据采集和分析实时性质量问题追溯可视化不良品管理信息集成质量控制计划的制定和执行灵活性质量文档管理可扩展性9.2节产品质量智能控制策略第9章智能制造质量管理9.1产品质量智能控制策略智能制造作为现阶段制造业的关键发展方向，已经深度渗透和改变了传统的制造模式。在智能制造环境下，产品质量控制是企业不可或缺的重要环节。智能制造环境下的产品质量控制策略是当前制造业发展的核心问题。具体针对产品质量的智能控制主要有三种：反馈控制、直接数字控制和最有控制。9.1产品质量智能控制策略-反馈控制反馈控制是指在某一行动和任务完成之后，将实际结果进行比较，从而对下一步行动的进行产生影响，起到控制的作用。

其特点是：对计划决策在实施过程中的每一步骤所引起的客观效果，能够及时做出反应，并据此调整、修改下一步的实施方案，使计划决策的实施与原计划本身在动态中达到协调。9.2产品质量智能控制策略-反馈控制反馈控制是指在某一行动和任务完成之后，将实际结果进行比较，从而对下一步行动的进行产生影响，起到控制的作用。

优点：抑制任何内、外扰动，控制精度高。缺点：引入反馈支路后可能导致系统出现不稳定。9.2产品质量智能控制策略-直接数字控制直接数字控制（DirectDigitControl，简称为DDC系统），是用一台计算机对被控参数进行检测，根据设定值和控制算法进行运算，机的输出直接作用于控制对象。直接式数字控制系统9.2产品质量智能控制策略-最优控制对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。最优控制是指在给定的约束条件下，寻求一个控制，使给定的系统性能指标达到极大值（或极小值）。它反映了系统有序结构向更高水平发展的必然要求。它属于最优化的范畴，与最优化有着共同的性质和理论基础。对于给定初始状态的系统，如果控制因素是时间的函数，没有系统状态反馈，称为开环最优控制，如果控制信号为系统状态及系统参数或其环境的函数，称为自适应控制。9.2产品质量智能控制策略-最优控制解决最优化控制问题的常见方法：（1）局部参数最优化和整体最优化设计方法;（2）预测控制中的滚动优化算法;（3）稳态递阶控制;（4）系统优化和参数估计的集成研究方法.9.3节智能控制与诊断的硬件结构与软件设计第9章智能制造质量管理9.3智能控制与诊断的硬件结构与软件设计

智能控制：由智能机器自主地实现其目标的过程，是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。

智能诊断系统：智能诊断系统是基于知识的系统，它以知识处理为研究内容，以基于知识寻求提高系统智能化程度和诊断准确率为目标。智能诊断技术是以计算机和人工智能技术为基础，集多学科于一体的综合性技术，它的出现为提高现代复杂工程技术系统的可靠性开辟了一条新途径。9.3智能控制与诊断的硬件结构与软件设计-系统的硬件结构智能监视与诊断系统的体系结构形式，主要由其核心部件——微型计算机硬件及各种输入输出通道组成。

对于普通要求的比较小的应用系统可采用单机系统；对于高可靠性系统，即使系统规模不大，但为了可靠，也常采用双机系统；

对于规模较小，但系统各部分相对比较集中时，则常采用中、小型微机搭配构成的主从式集散控制系统；

对于规模大，且分散在各地的系统应采用多微处理机分散控制系统或分布式数据采集处理系统。9.3智能控制与诊断的硬件结构与软件设计-系统的软件设计系统软件不论是通用机还是专用机都必须包含两大部件：系统监控软件（或者是操作系统）和系统应用软件。（1）操作系统监控软件监控程序属于小系统（或单机系统）低级管理程序（常固化在EPROM中），而操作系统是较大的系统或多机的高级系统管理软件，它们都是用来自动化管理内部硬件系统及外设的工具。（2）系统应用软件的结构设计系统的应用软件设计应尽量使用成熟的功能软件包，如数据处理系统软件包、控制系统软件包及某些应用生成软件等，以帮助软件开发。9.4节控制系统硬件简介第9章智能制造质量管理9.4控制系统硬件简介-传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。几种典型传感器9.4控制系统硬件简介-传感器传感器的特点：微型化、数字化、智能化等。

传感器的分类：热敏元件、光敏元件、气敏元件、磁敏元件、等十大类。

传感器的组成：一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。传感器的组成9.4控制系统硬件简介-传感器传感器的发展与智能传感器一阶段

始于20世纪50年代，结构型传感器出现二阶段

始于20世纪70年代，固体型传感器逐渐发展三阶段

由20世纪末开始，智能型传感器出现并快速发展智能传感器是计算机技术与检测技术相结合的产物，能够对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是当前传感器的主流。智能传感器结构9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路信号变换是将信号从一种形式转换成另一形式的过程，通常依靠转换元件和转换电路来实现的。转换元件是将敏感元件输出的非电物理量转换为电学量。转换电路是将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成便于测量的电量，或将非标准的电压、电流转换成统一的电流、电压信号。

9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（1）简单直接变换

该变换的误差是各个环节相对误差之和，故该种计分表精度较低。当仪表的某个环节非线性，则整个仪表就存在非线性，信息能量传输效率较低，转换电路与检测元件间需考虑阻抗匹配，具有结构沿反方向变化的物理量，其优点是简单、结果可靠、价格便宜。

9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（2）差动式变换该方式采用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换两个性质相同的信号。差动式变换亦称补偿式变换，目的是消除环境条件变化对敏感元件的影响。

9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（3）平衡式变换亦称反馈式变换，指信号变换环节为闭环式结构。根据平衡时比较器的输入信号和反馈信号之间是否有差值，平衡式变换可分为有差随动式变换和无差随动式变换。9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（4）数字式变送器检测单元能够完成被测过程参数的信号输入，并且直接与各种传感器连接。数字式变送器的核心是微处理器，因而各种信号在变送器内部进行交换和处理时均采用数字信号方式。9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路接口是CPU和外设之间的连接设备，用于缓存和转发数据，接口电路主要实现以下功能：1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合以及通信联络问题；2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换以及匹配问题；3）解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路接口电路还可实现端口的可编程功能以及错误检测功能，一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，或者作为控制口，使用非常灵活方便。同时，多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测功能，如可进行奇/偶校验、冗余校验等。接口硬件包含基本逻辑电路、端口地址译码电路以及供选电路。其中基本逻辑电路包括命令寄存器、状态寄存器以及数据缓冲寄存器；端口地址译码电路根据地址总线上的信号确定是否选中该接口的某个寄存器（端口）；供选电路是接口电路与其它部件的连接电路，如与中断控制器连接以实现中断方式的数据传送。9.4控制系统硬件简介-显示与记录设备对于数据采集、处理或测控系统，其数据输出与记录工具在系统中也占据相当重要的位置，它涉及被检测的信息能否重现输出的中间或最后结果并以清晰、精确、可靠的形式表达和保存起来。常用的显示设备有各类字符管、灯示管、CRT、存储式示波器、图示仪及模拟式或数字式万用表等。常用的记录装置，按记录介质的不同又分为硬拷贝和软拷贝，所谓硬拷贝就是以能用人眼直接观察、直接理解的信息形式记录下来的，如X-Y记录仪、点阵打印机等。而软拷贝的特点是以间接的方式，不能直接理解的形式记录存储信息，必须进行某种变换处理后才能直读。常用的软拷贝即是软磁盘、硬盘、磁带等，大都是以数字数据形式保存。9.4控制系统硬件简介-可编程控制器可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PC或PLC），是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程逻辑控制器9.4控制系统硬件简介-可编程控制器可编程控制器的主要功能：（1）顺序逻辑控制（2）运动控制（3）定时控制（4）计数控制（5）步进控制（6）数据处理（7）模、数和数、模转换（8）通信及联网——建设方案

本章结束！《智能制造应用基础》课程组——建设方案《智能制造应用基础》第10章

智能制造的工业机器人系统

10.110.210.310.4概述工业机器人定义、组成与技术原理工业机器人系统的智能运维工业机器人在智能制造系统中的应用10.5工业机器人的安全注意事项10.1节概述第10章

智能制造的工业机器人系统10.1概述

10.1.1机器人发展历史我国对机器人的需求和实践可以追溯到久远的古代。西周时期，能工巧匠偃师研制的能歌善舞伶人。春秋末期，木匠鲁班制造的木鸟。后汉三国，丞相诸葛亮创造的“木牛流马”。机器人(Robot)一词是1920年由捷克作家KarelCapek在他的讽刺剧“罗莎姆的万能机器人”中首先提出的。剧中描述了一个与人类相似，但能不知疲倦工作的机器奴仆Robota(捷克语)。从那时起，Robot(英文)或机器人(中文)开始出现在人们的生活和生产中。10.1概述-机器人发展历史

1942年美国科幻作家IsaacAsimov在他的科幻小说《我是机器人》中提出了“机器人三定律”。1954年，美国戴沃尔(GeorgeDevol)制造出世界上第一台可编程的机械手。1959年，戴沃尔与美国发明家英格伯格（Engerberge）联手制造出第一台工业机器人。成立了世界上第一家机器人制造工厂—Unimation公司---Unimate机器人，见下图10-1。由此英格伯格---被称为“工业机器人之父”。图10-1

第一台机器人10.1概述-机器人发展历史

1962年，美国AMF公司生产出万能搬运(Verstran)，与Unimation公司生产的万能伙伴(Unimate)一样成为真正商业化的工业机器人。1967年，日本川崎重工公司引进---Unimate；日本丰田公司引进---Versatran。日本从此开始了对机器人的研究和制造热潮。在20世纪60年代后期，喷漆弧焊机器人问世并逐步开始应用于工业生产。1973年，世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3，见图10-2。图10-2

机器人T310.1概述-机器人发展历史

1979年，美国Unimation公司推出仿人手臂的通用工业机器人PUMA(图10-3)，应用于通用公司汽车装配线，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线，许多机器人技术的研究都以该机器人为模型和对象。

(a)结构示意图

(b)实物图10-3

PUMA(ProgrammableUniversalMachineforAssembly)机器人10.1概述-机器人发展历史

1979年，日本山梨大学牧野洋发明了水平多关节型SCARA机器人，在此后的装配作业中得到了广泛应用，如图10-4为所示。1985年，法国Clavel博士发明了并联结构的Delta机械手，因其结构像倒三角的希腊字母△而命名。Delta机械手具有刚度大、精度高、运动速度快的特点，在电子、轻工、食品等行业的物品分拣、抓取、搬运中得到了广泛应用。

图10-4

SCARA机器人10.1概述-机器人发展历史

1996年，本田公司推出仿人型机器人P2，使双足行走机器人的研究达到了一个新的水平。随后许多国际著名企业争相研制代表自己公司形象的仿人型机器人，以展示公司的科研实力。图10-5为本田仿人机器人ASIMO。

(a)下楼梯

(b)端菜图10-5本田仿人机器人ASIMO10.1概述-机器人发展历史

1998年，丹麦Lego公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年，日本索尼公司推出机器人狗爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐、宠物机器人成为机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年，美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba(如图10-6所示)。图10-6吸尘器机器人Roomba10.1概述-机器人发展历史

2006年，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。2009年，丹麦优傲机器人(UniversalRobot)公司推出第一台轻量型的UR5系列工业机器人，即轻量臂(见图10-7)。轻量臂特点：6轴串联，自重18kg，负载高达5kg，工作半径为85cm，适合中小企业选用。UR5型机器人拥有轻便灵活、易于编程、高效节能、低成本和投资回报快等特点。无需安全围栏即可直接与人协同工作。一旦人与机器人接触并产生150N的力，机器人就自动停止工作。10-7优傲UR5型机器人

10.1概述-机器人发展历史

2012年，多家机器人著名厂商开发出双臂协作机器人。如ABB公司开发的YuMi双手臂工业机器人(如图10-8所示)，能够满足电子消费品行业对柔性和灵活制造的需求，未来也将逐渐应用于更多市场领域。

图10-8机器人YuMi10.1概述-机器人发展历史

2014年Kuka第一款7轴轻型灵敏机器人LBRiiwa，如图10-9所示。2017年新松公司推出了高科技轻量、柔性机械臂，如图10-10所示。

图10-9Kukaiiwa机器人

图10-10新松公司推出的国内首台七轴柔性机械臂10.1概述-机器人发展历史

2016年3月，AlphaGo战胜李世石，谷歌的人工智能程序AlphaGo以4:1战胜围棋九段李世石，标志着人工智能在复杂游戏领域的突破。2019年11月，波士顿动力正式发布四足机器人Spot，具备自主导航和多种应用场景，开启商业化销售。2021年6月，特斯拉CEO埃隆·马斯克宣布公司正在研发名为Optimus的人形机器人，计划用于执行日常任务。

10.1概述-机器人发展历史

2022年3月，日本推出新型护理机器人，旨在解决老龄化社会中护理人员短缺的问题，提高护理效率。2023年2月，研究预测到2033年，机器人将承担近40%的家务劳动，显示出家用机器人市场的巨大潜力。2024年1月，多家医疗机构开始使用机器人进行手术和护理，提升医疗服务质量和效率。

10.1概述-发展机器人的意义

在不违背“机器人三原则”的前提下，发展工业机器人的主要目的是让机器人协助或替代人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作，把人类从劳动强度大、工作环境恶劣、危险性高的低水平工作中解放出来，实现生产自动化和柔性化。我国机器人产业正处于爆发的临界点，人工成本的逐年上升，机器人购置与维护成本的逐年下降(图10-11)，都将给“数字化劳动力”带来广阔的市场发展空间。

图10-11使用机器人与普工的年均成本比较10.2节工业机器人定义、组成与技术原理第10章

智能制造的工业机器人系统10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

至今还没有对机器人的统一定义。要给机器人下个合适的和为人们普遍接受的定义是很难的，因公众对机器人的想象以及科学幻想小说、电影和电视中对机器人形状的描绘而变得更为困难。为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果,需要对机器人这一术语有某些共同的理解。现在,世界上对机器人还没有统一的定义，各国有自己的定义，专家们也采用不同的方法来定义这个术语,这些定义之间差别较大。产生这种差别的部分原因是很难区别简单的机器人与其密切相关的运送材料的“刚性自动化”技术装置。关于机器人的定义，国际上主要有如下几种:貌似人的自动机，是具有智力的、顺从于人的但不具有人格的机器。@《牛津简明英语词典》10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。@美国机器人协会一种装备有记纪装置和末增执行器的、能够转动并通过自动化运作来代替人类劳动的通用机器。@日本工业机器人协会一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。@美国国家标淮和技术研究所一种自动的、位置可控的,具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务。@国际标准化组织10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器。@《中国大百科全书》(第一版)机器人是一种自动化的机器，具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。@我国科学家10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

上述各种定义有共同之处，即认为机器人像人或人的上肢，并能模仿人的动作；具有智力或感觉与识别能力；是人造的机器或机械电子装置。随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要重新定义。机器人的范畴不但要包括“由人类制造的像人一样的机器”，还应包括“由人类制造的生物”。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成从模块角度，工业机器人系统主要由机器人本体、机器人控制器、示教器和周边设备等组成。如图10-12所示，机器人工作站是指以一台或多台机器人为主，配以相应的周边设备，由机器人及其控制系统、辅助设备以及其他周边设备等组成。图10-12

机器人工作站10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成机器人本体由伺服电机驱动的轴和手腕的机构部件组成，如图10-13所示，以埃夫特ER3AC10六轴机器人为例，六轴机器人本体的基本结构类似于人的手臂，共包含六个关节。六个关节共有六个自由度，可以使机器人的末端工具（末端执行器，如焊枪、夹具、吸盘等）以固定的姿态到达空间中的任一点。一轴、二轴、三轴称为基本轴，用于确定机器人末端执行器的位置；四轴、五轴、六轴称为手腕轴，用于确定机器人末端执行器的姿态。图10-13六轴机器人10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成从系统角度，工业机器人系统由控制部分、机械部分和传感部分三大部分组成，如图10-14所示。控制部分控制机器人的运动，分为人机交互系统和控制系统。机械部分是机器人的主体，分为驱动系统和机械结构系统。传感部分使机器人能感受外部环境状况，保证机器人工作的精确性，分为感知(传感)系统、机器人-环境交互系统。我们通常将工业机器人系统概括为三大部分、六大系统组成。图10-14

工业机器人基本组成10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(1)人机交互系统人机交互(Human-MachineInterfac，HMI)系统指人通过人机界面控制机器人的装置。例如，汽车中的方向盘和离合器，当转动方向盘或离合器时，汽车就会转动方向或改变速度，也可以通过输入的程序、鼠标、触摸屏、语音或手势来改变方向或速度。人机交互系统可以分为指令给定装置和信息显示装置。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(2)控制系统控制系统的任务是根据接收到人机交互系统发出的作业指令以及传感器反馈的信号，控制机器人各部分完成运动。每个机器人都有一种反馈控制系统。它不断从传感器读取数据并更新执行器的命令，以实现机器人所需的行为。反馈分为闭环控制系统和开环控制系统，输出量对系统有影响的称为闭环系统，没有影响的称为开环系统。按控制运动形式分为点位控制系统和连续路径控制系统两种基本类型。点位控制是通过控制机器人末端操作器在特定位置的运动。这个过程中让机器人在特定的两点间快速、准确运动，对两点间的运动方式没有特殊要求。轨迹控制方式是连续的控制末端操作器的位置，按规定的精度和轨迹运动，并且速度要能实时控制，确保平稳地完成运动工作任务。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成如图10-15所示，人发出指令语言或通过面板输入指令，也可以通过键盘输入计算机程序指令，这些操作指令通过人机接口传递给机器人；机器人开始解释分析操作指令，将其转化为一个个小任务来实现操作任务；机器人再将每个任务进行分析转化为相应动作，这些动的设计与实施均按照预期的轨迹进行，这一过程即为轨迹规划。轨迹规划的最底层是伺服控制，将传感器输入的位置和速度等信号与轨迹规划生成的输出控制量进行比较，最后得出指令值控制电动机转动；伺服系统发出电流指令到电流/电压控制模块，监视通过电动机的电流大小。图10-15控制系统组成及功能10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成工业机器人控制系统的所要达到的功能：1)记忆功能。存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。2)示教功能。可实现离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。3)与外围设备联系功能。具有输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。4)坐标设置功能。具有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。5)传感器接口。可进行位置检测并具有视觉、触觉等。6)位置伺服功能。实现机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。7)故障诊断安全保护功能。运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(3)驱动系统驱动系统为机械结构系统提供动力，控制各个关节的动作。常用的驱动系统有电气驱动系统、机械驱动系统、液压驱动系统和气压驱动系统等。电气驱动系统常用直流伺服电机或直流步进电机，具有较好的准确性和可重复性，适用于高功率的工业机器人和小型机器人和精密应用，是使用的最多的一种驱动系统。机械驱动系统采样机械传动机构进行驱动，一般用凸轮连杆机构附属到工作主机上，适用于一些动作固定的场合。液压驱动系统通过缸体和活塞杆的相对运动实现直线运动，从而提供动力输出。减速装置不需要与被驱动的杆件相连，结构紧凑、刚度高、响应快速并具有较高的精度，用于特大功率的机器人系统。气压驱动系统的结构简单、无污染、灵敏度高并具有缓冲作用。但功率较小、噪音大、速度不易控制，多用于精度不高的点位控制机器人。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(4)机械结构机械结构分为机械部分和传动部分。机械部分分为机身、手臂、末端操作器。机身直接连接传动手臂和支承以及行走机构，由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。手臂部件是主要执行部件，支撑带动腕部和手部运动，由臂杆和与屈伸、自转或伸缩等运动相关的构件组成，如驱动装置、传动机构、支撑联接和导向定位装置等。按运动和布局可分为：伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，其他专用的机械传动臂部结构。末端执行器是装在末端法兰上抓握工件或执行作业的部件，分为手爪（部）和专用操作器两类。手爪的功能是抓住工件和握持、释放工件。专用操作器指用于某种特定作业的专用工具，如机器人焊接用焊枪。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(5)机器人-环境交互系统机器人与外部环境设备相互协调的系统被称为机器人-环境交互系统，该系统可以是机器人与外部设备集成为一个功能单元，如焊接单元；也可以是多台机床或设备、多个零件存储装置集成去执行任务的功能单元。(6)感知系统感知系统由外部传感器模块和内部传感器模块组成，用以感知内部和外部环境状态中的信息，前文已对传感器进行过详细介绍，这里不再赘述。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统的技术原理工业机器人的工作原理基于其核心技术。包括传感器、控制系统和执行器等关键组件。(1)传感器：工业机器人通常搭载各种传感器，如视觉传感器、力量传感器、接触传感器等。这些传感器用于感知周围环境和工件的位置、形状、力量等信息。(2)控制系统：工业机器人的控制系统是其大脑，通常由计算机和软件组成。控制系统接收传感器提供的数据，并根据预先设定的程序和算法进行计算和决策，控制机器人的各个动作。(3)执行器：执行器是工业机器人实现各种动作的关键部件，包括电动机、液压装置、气压装置等。执行器接收控制系统发出的指令，通过产生力或转动力矩，将机器人的关节或未端执行器移动到指定位置，实现各种操作任务。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统的技术原理工业机器人的工作原理可以简单概括为感知-计算-执行的闭环过程。机器人首先通过传感器感知工作环境和工件的状态，然后将感知到的信息传输给控制系统。控制系统根据预先设定的程序和算法对感知信息进行处理和分析，并做出相应的决策与控制指令。执行器根据控制指令产生相应的动力输出，将机器人移动到指定位置，完成各种操作任务。总的来说，工业机器人的工作原理依赖于传感器的感知、控制系统的计算和决策，以及执行器的动力输出，通过这些组件的协作实现机器人的复杂操作。10.3节工业机器人系统的智能运维第10章

智能制造的工业机器人系统10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统运维

工业机器人设备及数据采集采样单点使能模式，所有设备独立使用，因此制造商维修响应慢、运维成本高。另外，若工业机器人使用单位在应用过程中遭遇非计划停机事件，将严重影响排产计划，设备备件损耗高。因此，工业机器人系统的运维具有重大意义。工业机器人系统运维工业机器人系统运维是指对工业机器人系统的运行和维护。工业机器人系统运维的主要内容包括：(1)对工业机器人本体、末端执行器、周边装置等机械系统进行常规性检查、诊断。(2)对工业机器人的控制系统、驱动系统、电源及线路等电气系统进行常规性检查、诊断。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统运维

(3)根据维护保养手册，对工业机器人、工业机器人工作站或系统进行零位校准、防尘、更换电池、更换润滑油等维护保养。(4)使用测量设备采集工业机器人、工业机器人工作站或系统运行参数、工作状态等数据，并对这些数据进行监测。(5)对工业机器人工作站或系统的故障进行分析、诊断与维修。(6)编制工业机器人系统运行维护、维修报告。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试ABBRobotics是机器人、机器自动化和数字服务的先驱，为从汽车到电子再到物流等各行各业提供创新的解决方案。ABB机器人是工业机器人行业的标杆，它有不同的种类的工业机器人，可为各种需求提供具有成本效益的优化解决方案。以ABB码垛工业机器人的安装调试过程为例进行介绍。(1)现场安装机器人本体和控制柜小心地用吊带吊起机器人，将机器人本体和机器人控制柜移动至合适位置。(2)机器人本体和控制柜之间的电缆连接10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试如图10-16所示为控制柜，

其中：A——附加轴，电源电缆连接器；B——示教器连接器；C——I/O连接器；D——安全连接器；E——电源电缆连接器；F——电源输入连接器；G——电源连接器；H——总线连接器；I、J——信号电缆连接器；K——轴选择器连接器；L——附加轴，信号电缆连接器。将上述接口与机器人机器人本体一对应连接即可。图10-16

机器人控制柜10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(3)示教器与控制柜连接示教器与控制柜之间通常通过电缆线进行连接。如图10-17所示，将1接口和2接口用缆线连接。(4)设置语言可通过示教器上的开始菜单设置用户需求的语言。(5)校准ABB机器人每个关节轴都有一个机械原点的位置。遇到下列情况时，需要对机械原点的位置进行转数计数器的更新操作：①更新伺服电动机转数计数器电池后。②当转数计数器发生故障，修复后。③转数计数器与测量板之间断开过以后。④断电后，机器人关节轴发生了移动后。⑤当系统警报提示“10036转数计数器未更新”后。图10-17控制柜与示教器连接10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(6)系统I/O配置及接线按照操作手册配置I/O单元，等所有的信号全部配置完成以后，就将对应的信号线接入通信板。(7)检查信号通过示教器对I/O信号进行监控。0表示没信号，1表示有信号。检查配置的信号与实际信号是否对应正确。之后检测机器人两个夹具状态，强制进行夹具松开、闭合的操作，查看电磁阀接线是否错误。(8)导入程序通过示教器加载所需要的程序模块，模块通常存放在PROGMOD文件夹下，可以用记事本打开。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(9)工件坐标系设定设定工件坐标是进行示教的前提，所有的示教点都在必须在对应的工件坐标中建立。(10)较准基准点根据操作手册，通过示教器完成基准点校准工作。(11)调整参数若新进纸箱有些许变化而影响码垛效果，或纸箱装箱效果不是很好时，需要进行参数调整工作。(12)自动运行调试完成无误后才能自动运行，且前期一定要将机器人设置为较低的速度。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(9)工件坐标系设定设定工件坐标是进行示教的前提，所有的示教点都在必须在对应的工件坐标中建立。(10)较准基准点根据操作手册，通过示教器完成基准点校准工作。(11)调整参数若新进纸箱有些许变化而影响码垛效果，或纸箱装箱效果不是很好时，需要进行参数调整工作。(12)自动运行调试完成无误后才能自动运行，且前期一定要将机器人设置为较低的速度。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制工业机器人作为一项机电一体化的高新技术，在工业领域中得到了全面普及和应用，对提升生产效率，保证生产质量，增加经济效益，改善生产方式等起到了一定的效果。而把PLC控制技术运用到工业机器人系统中，能够引导工业化稳定发展。因此，PLC控制在工业机器人系统中实现了广泛应用，并取得良好的应用效果。国际电工委员会对PLC做了如下定义：可编程控制器（PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制(1)PLC的组成如图10-18所示，PLC主要是由CPU模块、输出单元、输入单元和外部设备等组成。1)中央处理器(CPU)CPU是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成数学运算、逻辑运算、协调系统内部各部分工作等任务。图10-18

PLC的组成及部件功能10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制2)存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。可编程控制器的存储器可分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)两大类，ROM是用来存放永久保存的系统程序，RAM一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。可编程控制器的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。3)输入输出单元输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。4)外部设备1)编程器。不仅有编程功能，还具有调试及监控功能。2)盒式磁带机。用以记录程序或信息。3)打印机。用以打印程序或制表。4)EPROM写入器。用以将程序写入到用户EPROM中。5)图形监控系统。用以显示或监视有关部分的运行状态。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制(2)PLC在工业机械手上的应用西门子S7-200PLC系统采用晶体管输出型CPU224模块，可同时输出两路脉冲到步进电动机驱