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1、智能制造作者：王玉石 湖北文理学院机械与汽车工程学院工业工程 1311 班 学号 2013123106摘要：介绍了智能制造提出的背景、主要研究内容和目标,人工智能与 IMT、IM 的关系,IMS 和 CIMS,智能制造的物质基础及理论基础,智能制造系统的 特征及框架结构,并简要介绍了智能加工中心 IMC,智能制造技木的发展趋势， 以及智能制造系统研究成果及存在问题。 关键词：智能制造，IMS,IMC,IMT。 1.1. 主要研究内容和目标主要研究内容和目标 智能制造在国际上尚无公认的定义。目前比较通行的一种定义是, 智能制造 技术是指在制造工业的各个环节,以一种高度柔性与高度集成的方式,通过计
2、算 机来模拟人类专家的制造智能活动。因此,智能制造的研究开发对象是整个机械 制造企业, 其主要研究开发目标有二: 整个制造工作的全面智能化,它在实际 制造系统中首次提出了以机器智能取代人的部脑力劳动作为主要目标,，强调整 个企业生产经营过程大范围的自组织能力;信息和制造智能的集成与共享, 强 调智能型的集成自动化。目前,IMT 和 IMS 的研究方向已从最初的人工智能在制 造领域中的应用(AiM)发展到今天 IMS,研究课题涉及的范围由最初仅一个企业 内的市场分析、产品设计、生产计划、制造加工、过程控制、信息管理、设备 维护等技术型环节的自动化,发展到今天的面向世界范围内的整个制造环境的集 成
3、化与自组织能力,包括制造智能处理技术、自组织加工单元、自组织机器人、 智能生产管理信息系统、多级竞争式控制网络、全球通讯与操作网等。 2.2.人工智能与人工智能与 IMTIMT， IMSIMS 人工智能的研究一开始就未能摆脱制造机器生物的思想,即“机器智能化” 。 这种以“自主”系统为目标的研究路线,严重地阻碍了人工智能研究的进展。许 多学者已意识到这一点, Feigenbaum、Newell、钱学森从计算机角度出发,提出 了人与计算机相结合的智能系统概念。目前国外对多媒体及虚拟技术研究进行 大量投资,以及日本第五代智能 计算机研制计划的搁浅等事例, 就是智能系统 研究目标有所改变的明证。人工
4、智能技术在机械制造领域中的应用涉及市场分 析、 产品设计、生产规划、过程控制、质量管理、材料处理、设备维护等诸方 面。结果是开发出了种类繁多的面向特定领域的独立的专家系统、基于知识的 系统或智能辅助系统,形成一系列的“智能化孤岛” 。随着研究与应用的深入,人 们逐渐认识到, 未来的制造自动化应是高度集成化与智能化的人机系统的有 机融合, 制造自动化程度的进一步提高要依赖于整个制造系统的自组织能力。 如何提高这些“孤岛”的应用范围和在实际制造环境中处理问题的能力, 成为 人们的研究焦点。在 80 年代末和 90 年代初,一种通过集成制造自动化、新一 代人工智能、计算机等科学技术而发展起来的新型制
5、造工程 IMT 和新 代制造系统 IMS 便脱颖而出。人工智能在制造领域中的应用与 IMT 和 IMS 的一个重要区别在于, IMS 和 IMT 首次以部分取代制造中人的脑力劳动为 研究目标, 而不再仅起“辅助和支持”作用,在一定范围还需要能独立地适应周 围环境, 开展工作。四 IMS 和 CIMS 发展的道路不是一帆风顺的。今天,CIMS 的 发展遇到了不可逾越的障碍,可能是刚开始时就对 CIMS 提出了过高的要求,也可能是 CIMS 本身就存在某种与生俱来的缺陷,今天的 CIMS 在国际上已不像几年前 那样受到极大的关注与广泛地研究。从 CIMS 的发展来看,众多研究者把重点放 在计算机集
6、成上,从科学技术的现状看,要完成这样一个集成系统是很困难的。 CIMS 作为一种连接生产线中的单个自动化子系统的策略,是一种提高制造效率 的技术。它的技术基础具有集中式结构的递阶信息网络。尽管在这个递阶体系 中有多个执行层次,但主要控制设施仍然是中心计算机。CIMS 存在的一个主要 问题是用于异种环境必须互连时的复杂性。在 CIMS 概念下,手工操作要与高度 自动化或半自动化操作集成起来是非常困难和昂贵的。在 CIMS 深入发展和推广 应用的今天,人们已经逐渐认识到,要想让 CIMS 真正发挥效益和大面积推广应用,有 两大问题需要解决:人在系统中的作用和地位;在不作很大投资对现有设施 进行技术
7、改造的情况下亦能应用 CIMS。现有的 CIMS 概念是解决不了这两个难 题的。今天,人力和自动化是一对技术矛盾,不能集成在一起,所能做的选择,或 是昂贵的全自动化生产线, 或是手工操作,而缺乏的是人力和制造设备之间的相 容性,人机工程只是一个方面的考虑,更重要的相容性考虑要体现在竞争、技能 和决策能力上。人在制造中的作用需要被重新定义和加以重视。 3 3智能制造的物质基础及理论基础智能制造的物质基础及理论基础 3.1.3.1.智能制造系统的物质基础主要有：智能制造系统的物质基础主要有： (1)数控机床和加工中心美国于 1952 年研制成功第一台数控铣床,使机械制 造业发生一次技术革命。数控机
8、床和加工中心是柔性制造的核心单元技术。 (2)计算机辅助设计与制造提高了产品的质量和缩短产品生产周期,改变了传 统用手工绘图、依靠图纸组织整个生产过程的技木管理模式。 (3)工业控制技术、微电子技术与机械工业的结合机器人开创了工业 生产的新局面,使生产结构发生重大变化,使制造过程更富于柔性扩展了人类工 作范围。 (4)制造系统为智能化开发了面向制造过程 中特定环节、特定问题的“智能化孤岛”,如专家系统、基干知识的系统和智能 辅助系统等。 (5)智能制造系统和计算机集成制造系统用计算机一体化控制生产系统,使生 产从概念、设计到制造联成一体,做到直接面向市场进行生产,可以从事大小规 模并举的多样化
9、的生产;近年来,制造技术有了长足的发展和进步,也带来了很多 新问题。数控机床、自动物料系统、计算机控制系统、 =机器人等在工业公司 得到了广泛的应用,越来越多的公司使用了“计算机集成制造系统(CIMS)” 、 “柔 性制造系统(FMS)” 、 “工厂自动化(FA)” 、 “多目标智能计算机辅助设计(M1CAD)” 、 “模块化制造与工厂(MXMF)、并行工程(CE)” 、 “智能控制系统(ICS)”以及“智 能制造(IM)” 、 “智能制造技术(IMT)”和“智能制造系统(IMS)”等等新术语。 先进的计算机技术、控制技术和制造技术向产品、工艺和系统的设计师和管理 人员提出了新的挑战,传统的设
10、计和管理方法不能再有效地解决现代制造系统提 出的问题了。要解决这些问题、需要用现代的工具和方法,例如人工智能(AI)就 为解决复杂的工业问题提出了一套最适宜的工具。 3.2.3.2.智能制造技术的理论基础智能制造技术的理论基础 智能制造技术是采用一种全新的制造概念和实现模式。其核心特征强调整 个制造系统的整体“智能化”或“自组织能力”与个体的“自主性” 。 “智能制 造国际合作研究计划 JIRPIMS”明确提出:“智能制造系统是一种在整个制造过 程中贯穿智能活动,并将这种智能活动与智能机器有机融合,将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最 大生产力的
11、先进生产系统“。基于这个观点,在智能制造的基础理论研究中, 提 出了智能制造系统及其环境的一种实现模式,这种模式给制造过程及系统的描述、 建模和仿真研究赋予了全新的思想和内容,涉及制造过程和系统的计划、管理、 组织及运行各个环节,体现在制造系统中制造智能知识的获取和运用,系统的智 能调度等,亦即对制造系统内的物质流、信息流、功能决策能力和控制能力提出 明确要求。作为智能制造技术基础,各种人工智能工具,及人工智能技术研究成 果在制造业中的广泛应用,促进了智能制造技术的发展。而智能制造系统中,智 能调度、智能信息处理与智能机器的有机融合而构成的复杂智能系统,主要体现 在以智能加工中心为核心的智能加
12、工系统的智能单元上。作为智能单元的神经 中枢智能数控系统,不仅需要对系统内部中各种不确定的因素如噪声测量、 传动间隙、摩擦、外界干扰、系统内各种模型的非线性及非预见性事件实施智 能控制,而且要对制造系统的各种命令请求做出智能反应。这种功能已远非传统 的数控系统体系结构所能胜任,这是一个具有挑战性的新课题。对此有待研究解 决的问题有很多,其中包括智能制造机理、智能制造信息、制造智能和制造中的 计算几何等。总之,制造技术发展到今天,已经由一种技术发展成为包括系统论、 信息论和控制论为核心的、贯穿在整个制造过程各个环节的一门新型的工程学 科,即制造科学。制造系统集成与调度的关键是信息的传递与交换。从
13、信息与控 制的观点来看,智能制造系统是一个信息处理系统,由输入、处理、输出和反馈 等部分组成。输入有物质(原料、设备、资金、人员)、能量与信息;输出有产品 与服务;处理包括物料的处理与信息处理;反馈有产品品质回馈与顾客反馈。制 造过程实质上是信息资源的采集、输入、加工处理和输出的过程,而最终形成的 产品可视为信息的物质表现形式。 4 4结语结语 制造业是国家经济和综合国力的基础,被称为“立国之本” 。而我国的制造工 业与发达国家相比,差距很大,主要表现为自主开发能力和技术创新能力薄弱,核 心技术、关键技术仍依赖进口。对此,我国已引起重视,在“九五”科技规划和 15 年科技发展规划中,将先进制造
14、技术列为重点发展领域之一。进入 21 世纪, 经济全球化的进程日益加快,制造业领域的竞争日益加剧,而竞争的核心是先进 制造技术。在此环境下,我们只有抓住机遇,迎接挑战,利用先进制造技术改造传 统产业,实现技术创新、机制创新、管理创新及人才创新,才能实现我国跻身世 界制造强国的目标。参考文献 1李伟。先进制造技术。北京：机械工业出版社，2005 2张世昌。先进制造技术。北京:天津大学出版社，2004 3颜永年。先进制造技术。北京：化学工业出版社，2002 4张迪妮。现金制造技术。北京：北京大学出版社，2006 5周育才，刘忠伟。先进制造技术。北京：国防工业出版社,2011 6王隆太。现金指导技术。北京：机械制造出版社，2012 7赵云龙。先进制造技术。北京：机械工业出版社，2005 8张平亮。先进制造技术。北京：高等教育出版社，2012 9李发致。模具先进制造技术。北京;机械工业出版社，2003 10刘延林。柔性制造自动化概念。武汉：华中科技大学出版社，2001
