智能制造系统论文.doc

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1、 编号: 课 程 论 文题 目 智能制造系统指导教师 王慧 学生姓名 邵芹 学 号 200901701193 专 业 机械设计制造及其自动化 教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 2012年6月20日目录摘要及关键词. 11 引言11.1 智能制造提出的背景11.2 主要研究内容和目标22 人工智能与 I M T、 I M S42.1 机器智能化42.2 I M T 和I M S 的区别43 I M S 和C I M S44 智能制造的理论基础5参考文献6谢 辞8智能制造系统邵芹（德州学院机电系，山东德州 253023）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 I

2、M T、 I M S的关系, I M S 和C I M S, 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。Abstract：Intelligent Manufacturing introduced the background, main contents and objectives, Artificial Intelligence and IMT, IMS relations, IMS and CIMS, intelligent m

3、anufacturing and the material basis of the theoretical basis of the characteristics of intelligent manufacturing system and the framework structure, and gave a briefing on intelligence Machining Center IMC, intelligent manufacturing technology development trend of wood, as well as the Intelligent Ma

4、nufacturing Systems research results and problematic.Key words: Intelligent Manufacturing, IMS, IMC, IMT。1 引言1.1 智能制造提出的背景制造业是国民经济的基础工业部门, 是决定国家发展水平的最基本因素之一。 从机械制造业发展的历程来看, 经历了由手工制作、 泰勒化制造、 高度自动化、 柔性自动化和集成化制造、 并行规划设计制造等阶段。就制造自动化而言, 大体上每十年上一个台阶: 50 60年代是单机数控, 70 年代以后则是CNC 机床及由它们组成的自动化岛, 80 年代出现了世界性的柔

5、性自动化热潮。与此同时, 出现了计算机集成制造, 但与实用化相距甚远。随着计算机的问世与发展, 机械制造大体沿两条路线发展: 一是传统制造技术的发展, 二是借助计算机和自动化科学的制造技术与系统的发展。 80年代以来, 传统制造技术得到了不同程度的发展,但存在着很多问题。 先进的计算机技术和制造技术向产品、 工艺和系统的设计人员和管理人员提出了新的挑战, 传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题, 这就促使我们借助现代的工具和方法, 利用各学科最新研究成果, 通过集成传统制造技术、 计算机技术与科学以及人工智能等技术, 发展一种新型的制造技术与系统, 这便是智能制造技术 (

6、 In telligen t M anufactu r ingTechno logy, I M T ) 与智能制造系统( In telligen tM anufactu r ing System , I M S)1 。90 年代以后, 世界各国竞相大力发展 I M T 和I M S 的深层次原因有:(1)集成化离不开智能制造系统是一个复杂的大系统, 其中有多年积累的生产经验, 生产过程中的人机交互作用, 必须使用的智能机器(如智能机器人)等。 脱离了智能化, 集成化也就不能完美地实现。(2)机器智能化比较灵活可以选择系统智能化, 也可以选择单机智能化; 单机可发展一种智能,也可发展几种智能;

7、无论在系统中或单机上, 智能化均可工作, 不像集成制造系统, 只有全系统集成才可工作。(3)智能化的经济效益较高现有的计算机集成制造系统(Compu ter In tegratedM anufactu r ingSystem , C I M S)少则投资数千万元, 多则投资数亿元乃至数十亿元, 很少有企业能承担得起, 而且投入正常运行的很少, 维护费用也高, 还要废弃原有的设备, 难以推广。(4)白领化使得有丰富经验的机械工人和技术人员日益缺少，产品制造技术越来越复杂, 促使使用人工智能和知识工程技术来解决现代化的加工问题。(5)工厂生产率的提高更多地取决于生产管理和生产自动化人工智能与计算机

8、管理相结合, 使得不懂计算机的人也能通过视觉、 对话等智能手段实现生产管理的科学化。1.2 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, I M T 和 I M S 的

9、研究方向已从最初的人工智能在制造领域中的应用(A i M )发展到今天的I M S, 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。国际 I M S 计划的基本观点如下: I M S 是21世纪的制造系统, 必须开发与之相适应的制造技术; 应对这些技术进行组织化和系统化; 加强技术的标准化; 考虑人的因素; 保护环

10、境。 该计划由已有生产技术的体系化和标准化、 21 世纪生产技术的研究与开发两大部分构成。日本提出的智能制造系统国际合作计划, 以高新计算机为后盾、 深受其 “真空世界” 计算机研究计划的影响。其主要研究内容如下: 强调部分代替人的智能活动, 实现部分人的技能; 使用智能计算机技术来集成设计制造过程, 使之一体化, 以虚拟现实技术实现虚拟制造, 以多媒体的人机接口技术、 虚拟现实技术, 实现职业教育; 强调全球制造网络的生产制造技术, 通过卫星、In ternet 和数字电话网络实现全球制造; 强调智能化与自律化的智能加工系统以及智能化CNC、 智能机器人的研究。重视分布式人工智能技术的应用,

11、 强调自律协作代替集中递阶控制。I M T 与 I M S 的研究与开发对于提高产品质量、 生产效率和降低成本, 提高国家制造业响应市场变化的能力和速度, 以及提高国家的经济实力和国民的生活水准, 均具有重大的意义。其研究目标是要实现将市场适应性、 经济性、 人的重要性、 适应自然和社会环境的能力、 开放性和兼容能力等融合在一起的生产系统: 使整个制造过程实现智能化, 并具有自组织能力; I M S 是一个集成许多工厂和多种机器设备的混合系统; 具备满足各种社会需求的柔性; 能充分发挥人的作用; 易于操作; 总效率高; 能避免重复投资等。人工智能的目的是为了用技术系统来突破人的自然智力的局限性

12、 ,达到对人脑的部分代替、 延伸和加强的目的 ,使那些单靠人的天然智能无法进行或带有危险性的工作得以完成 ,从而使人类的智慧能集中到那些更富于创造性的工作中去。人是制造智能的重要来源 ,在制造业走向智能化过程中起着决定性作用。目前在整体智能水平上 ,与人工系统相比 ,人的智力仍然是遥遥领先的。人工智能模拟的蓝本主要是人类的智能 ,但人类的智能是随时间不断变化的 ,而这种变化又是无止境的 ,只有人与机器有机高度结合 ,才能实现制造过程的真正智能化。智能制造被称为新世纪的制造技术 ,目前之所以还不能实现 ,是由于要受到目前科学技术、 人以及经济等诸多方面的制约。智能与思维智能 ,就是在各种环境和目

13、的的条件下正确制定决策和实现目的的能力。在这里 ,给定的环境和目的是问题的约束条件 ,制定正确的决策是智能的中心环节 ,而有效地实现目的 ,则是智能的评判准则。从信息处理的角度讲 ,智能可以看成是获取、 传递、 处理、 再生和利用信息的能力。而思维能力是整个智能活动中最复杂、最核心的部分 ,主要指处理和再生信息的能力。这种信息处理的过程是十分复杂和多样化的 ,归纳起来 ,大体可分为 3 种基本的类型 ,即:经验思维、 逻辑思维和创造性思维。在工艺设计过程中 ,这三种类型的思维都存在 ,在不同层次的决策中起着重要作用。2 人工智能与 I M T、 I M S2.1 机器智能化人工智能的研究, 一

14、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、N ew ell、 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

15、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造工程 I M T 和新代制造系统 I M S 便脱颖而出。2.2 I M T 和I M S 的区别人工智能在制造领域中的应用与 I M T 和I M S 的一个重要区别在于, I M

16、S 和 I M T 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。3 I M S 和C I M SC I M S 发展的道路不是一帆风顺的。今天,C I M S 的发展遇到了不可逾越的障碍, 可能是刚开始时就对C I M S 提出了过高的要求, 也可能是C I M S 本身就存在某种与生俱来的缺陷, 今天的C I M S 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C I M S 的发展来看, 众多研究者把重点放在计算机集成上, 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。C I M S

17、 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。C I M S 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C I M S 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C I M S 深入发展和推广应用的今天, 人们已经逐渐认识到, 要想让C I M S 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改造的情况下亦能应用C I M S。现有的C

18、I M S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。C I M S 强调的是企业内部物料流的集成和信息流的集成; 而 I M S 强调的则是更大范围内的整个制造过程的自组织能力。从某种意义上讲, 后者难度更大, 但比C I M S 更实用、 更实际。C I M S 中的众多研究内容是 I M S 的发展基础, 而 I M S 也将对C

19、 I M S 提出更高的要求。集成是智能的基础, 而智能也将反过来推动更高水平的集成。I M T 和 I M S的研究成果将不只是面向21 世纪的制造业, 不只是促进C I M S 达到高度集成, 而且对于FM S、 M S、CNC 以至一般的工业过程自动化或精密生产环境而言, 均有潜在的应用价值。有识之士对人工智能技术、计算机科学和C I M S 技术进行了全面的反思。他们在认识机器智能化的局限性的基础上, 特别强调人在系统中的重要性。如何发挥人在系统中的作用, 建立一种新型的人机的协同关系, 从而产生高效、 高性能的生产系统, 这是当前众多学者都会提出的问题, 也正是C I M S 所忽视

20、的关键因素, 这一因素导致了C I M S 发展中不可逾越的障碍。值得一提的是有的学者特别强调 “人件(Humanw are)” 在系统中的重要性, 提出C I M S 的开放结构体系思想。最引人注目的是欧共体的ESPR IT 计划中单独列出的一个研究子项, 即 “以人为中心的C I M S” 。甚至有人索性称以人为中心的 C I M S 为 H I M S (HumanIn tegrated M anufactu r ing System ) , 指出集成制造系统首先是 “人的集成” 。耐人寻味的是, 目前研究的 “精良生产” 与 “敏捷制造” 等新型制造系统的主要出发点也是强调 “人” 的

21、作用, 即 “以人为中心”。4 智能制造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J IRPIMS” 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

22、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

23、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

24、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。参考文献 1 熊有伦, 张卫平. 制造科学- - 先进制造技术的源泉. 科学通报,1998 , 43 -337 - 344 2 Hendrik Van Brussel . Holonic Manu facturing Systems : The Vision Matching the Problem. First European C on ference on Holonic Manu

25、facturingSystems. Hannover , G ermany , Dec. 1 , 1994.3 段广洪等. 多智能体系统:一种新型的生产运行模式. 中国机械工程, 1998 , 9 (2) : 23 - 27.4 史忠植. 高级人工智能. 北京: 科学出版社, 1998.谢 辞另外，感谢学校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在过去的一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。 德州学院毕业(论文)设计评语院（系）： 机 电 工 程 系 专业： 自

26、动 化 学生姓名： 邵芹 学 号： 200901701193题 目： 智能制造系统指导教师评语：评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日 德州学院毕业(论文)设计评语院（系）： 机 电 工 程 系 专业： 自 动 化 学生姓名： 邵芹 学号： 200901701193 题 目： 智能制造系统评阅人评语：评定成绩： 评阅人签名： 年 月 日 德州学院毕业(论文)设计评语 院（系）： 机 电 工 程 系 专业： 自 动 化 学生姓名： 邵芹 学号： 200901701193 题 目： 智能制造系统答辩小组评语： 评定成绩： 答辩小组组长签名： 年 月 日 指导教师评定成绩（30%）评阅人评定成绩（30%）答辩小组评定成绩（40%）答辩委员会主任签字：年 月 日综合评定成绩