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第四章:先进制造技术与系统的基础理论

 

 

制造技术是创造社会物质产品的系统工艺,是人类创造物质文明和精神文明的技艺和工具。

   先进制造技术的特点:

先进制造技术的核心和基础是优质高效低耗少 

  、无污染工艺。它是从传统的制造工艺发展起

本章内容

与新技术实现了局部或系统集成。

传统制造技术一般仅指加工制造的工艺方法,  

  实际上只是制造全过程的一段,而先进制造技

  术不是单独分割在制造过程的某一环节,它覆

了产品设计、生产准备、加工制造、销售使

用、维修服务、甚至回收再生的整个过程。

为确保生产力和经济效益的持续稳步提 

  高,及对最佳技术经济效果的追求,先进

  制造技术更加注重技术与管理的结合,重

  视生产过程组织管理体制的合理化及最佳

  化,产生了一系列技术与管理紧密结合的

  新的生产方式。

  传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质

  流和能量流,即由原材料到产品的物质流动过程

  和由投入到消耗、转换的能量流动过程。随着微

  电子、信息技术的引入,使先进制造技术还能驾

  驭信息生成、采集、传递、反馈、调整的信息流

  动过程。先进制造技术是可以驾驭生成过程的物

  质流、能量流和信息流的系统工程。

传统制造技术的学科、专业单一独立,相互间的

  界限分明;先进制造技术由于学科间的不断渗

透、交叉、融合,界限逐渐淡化甚至消失,技术

  趋于统化、集成化,已发展成为集机械、电

子、信息、材料和管理技术为一体的新兴交叉

科。

     制造技术发展至今,已经正由一种技术发展、成熟为一门新型工程科学——制造科学主要表现 

     在以下几方面:

制造经验、技能和知识的获取、表 

  示、存储、推理等是使制造技术上升

  到制造科学的关键。

制造系统是一个复杂的

   系统。基于系统论、信息

   论和控制论,对制造系统

   物质流、能量流和信息流

   三方面综合考虑,探索制

   造系统新的组织结构与管

   理方式;从对单一的制造

   设备和过程的建模到对整

   个制造系统的建模,并进

   一步研究新的人机一体化

   制造系统的建模;从研究

   单一的制造过程调度到对

   基于知识的整个制造系统 

   的调度,以优化制造系统

   的组织模式与管理,形成

   制造系统优化的系统结构

   与制造企业科学的管理方

   法。

  广泛以计算机为工具,将各种先进

计算技术和计算机科学的理论和方

越来越深入地应用到CAD/CAPP/CAM、

  机器人学、智能检测和智能诊断等制

  造过程各环节,用于建立制造系统各

  环节的数学模型及其处理和优化等。

  涉及计算机图形学、模式识别、图象

  处理、计算机辅助设计、机器人学等

  方面的几何算法设计和分析,特别是

  其中的几何表示、几何计算和几何处

  理,几何知识的共享已成为制约先进

  制造技术向前发展的关键问题。作为

  一门新学科——计算机几何,正受到

  日益广泛的关注。

                                           

(制造系统组成图)

 

开放结构制造系统

制造过程的建模、仿真与优化方法

制造技术发展对建模仿真优化的新要求与方向`

 制造系统是制造业中形成制造生产的组织形式,

是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员

组成的一个将制造资源转变为产品的有机整体。

  制造系统的集成决策观

   为了对制造系统中各制造过程所面临的各种复杂的决策问题实施最优决策,达到制造过程整体优化

和提高制造企业综合效益的目的,必须将制造企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销

售及服务等全部生产活动集成起来,将各种自动化系统、制造系统的各种资源和人机系统集成起来,

实现整个企业的信息集成与功能集成。

 

 

  开放结构制造系统:

    强调对增强的计算机集成制造系统所要求的特定计算机技术,以及强调对不但能够共享制造数据,而且能够共享制造知识来不断提高质量保证系统的需求。

美国开发的制造系统开放结构原型系统由几何建模系统、基于知识的工艺规划器和开放结构的机床等三个核心模块。三个模块都运行在集成的软件与硬件环境,能够实现快速原型和小批量柔性生产。

开放系统的主要方法和原理是:

高级的面向对象语言是制造知识在制造 

   系统之中和之间传递的必要条件;

选择便于制造系统通讯、编程和对标

数据结构进行保护的制造系统公共操作系

统;

制造系统的开放计算机平台,特别是适

   用于机床、机器人及其他公共制造设施的

开放计算机平台。

制造过程的建模、仿真与优化方法 

定性模型——功能模型

定量模型——性能模型

功能模型

    主要描述集合顺序、数据结构等方面的特征,描述一个

据集合向另一个数据集合的转换,转换与数据间的输

出关系,执行一个转换的时间,在故障环境下执行

一个换的可靠性和可行性。常用的定性模型有:有限

状态机、功能层次分析和Petri网。有限状态机:包括

一个输入集X,一个输出集Y,一个状态集S,一个初始

状态集S0和一对分别用于规定对于一个输入、输出和状

态的转换。

功能层次模型:主要在制造系统设计中用于功能需求分

析。IDEF模型Petri网则提供了对制造活动之间关系的

确描述,它可用于精确地定义顺序选择、并发、同步

的概念,可用来分析是否产生正确的结果,是否存在死

锁。

性能模型

  模型可为决策过程提供有力的支持。 在制造系统的运行阶段,性能模型可以帮助在突发故障时寻找最优路径,预见增加、删除资源和零件的效果,在意外事件发生时获得最优调度策略,避免死锁。还可帮助决定一些基本的设计方法。性能特征包括:制造周期、在制品量、产量、机床利用率、容量、生产质量等。

性能的评价方法
测量法——用于已经存在的、正在运行的系统,通过对一些关键变量进行监视,通过频繁的数据采集和分析作为管理信息系统报告的一部分。

建模法:   (1)仿真模型:离散事件仿真,加工过程仿真和Petri仿真。(2)分析模型:

 

  制造技术发展对建模仿真优化的新要求与方向 耐心!

      计算机软、硬件技术的发展为建模者提供了一定的方便条件,另一方面制造技术的发展又给模型的建立提出了新的要求。 不仅要在制造系统的规划、设计、分析、运行、监控等过程中有模型的支持,而且对制造过程的重组提供支持。

 

信息在管理科学领域中,通常认为是经过加工处理之后的一种数据形式,是一种有次序的符号排列,是系统传输和处理的对象。

信息是一项极为重要的资源,它是有指导性的、有价值的情报。

   信息的特征

        信息的可识别性

        信息的可变性

        信息的可流动性

        信息的可储存性

           

   信息的可再生性

   信息的有效性和无效性

   信息的属性

   信息的使用性

   信息的可处理性

    

信息 作为物质的一种属性,作为对物质有序度的一种映射,已

深入制造过程的各个方面。物质、能量和信息构成制造系统的

三大要素.制造系统的主要信息来源之一是制造系统中各类人员

的知识。

制造经验、技能和知识的信息化

   与制造有关的信息分类:

产品信息为了确切描述产品的特征所必需的制造信息;

制造信息为了实现某一制造过程,并获得满足预定要

求的产品所需注人制造过程的各种信息,包括生产控制信息

(即工艺信息)和管理信息。产品信息来源于人们在长期的制

造活动中所积累起来的知识或经验.来源于设计、工艺、生

产操作和管理人员的智力劳动。在制造信息已广泛应用于制

造各过程的今天,研究制造经验、技能和知识的信息化,特

别是制造中设计人员、工艺人员和加工师傅的经验、技能、

诀窍和知识的获取、表示、传递、变换和保真机制已成为必

要。尤其是恰当的表述、传递和保真技术,将是制造信息学

的一个主要的研究内容。

  基础研究的问题   

 数据库管理系统的简单连接形成的一些现有工具并不是这一问题的解。要解决的主要集成问题是在各种表示之间提供一致的处理传播。出于为制造信息系统的实施开发必须的工具和技术基础,下列领域的问题有待进一步研究:
数据建模特别是表示制造信息的最恰当的概念化数据模型。
基于特征的存取与操作。
一致性约束的规范与执行。
数据库与知识库处理的集成。
传播处理。

  制造信息系统与信息网络

    先进制造技术的目标是用最少的时间把质优价廉的产品推向动态多变的全球市场。时间是竞争优势的最终资源,而信息系统是达到这种优势的关键。这种基于时问的竞争要求在整个制造组织内,实现整个过程的集成。使制造信息系统的研究成为先进制造技术研究中极富挑战和卓有成果购研究领域。制造信息系统研究可以分为组织研究问题、结构研究问题及基础研究问题。

 

   系统组织所研究的问题
(l)
先进制造技术不仅从技术上赋予制造企业新的活力,也将从管理结构与模式上重组和改变长期以来形成的制造实践和制造哲理。
(2)
技术转变必须从制造企业问题识别人手,然后从制造信息系统角度对组织目标做全盘规划与仔细计算,对企业进行诊断。而且制造信息系统作为数据和通信集成的手段,需要有长远规划的眼光,而不能单纯以投资回报来确定其优先级。
(3)
 
基于特定的组织需求和日标,先进制造技术需要有恰当的技术管理。

   系统结构所研究的问题
   
构造先进信息系统结构不仅要吸收新的技还要尽可能的包容原有的制造信息系统。
制造信息系统结构基于为通信集成与数据集成提供基础设施,强调以下四方面的应用:

    

     面向操作管理的信息系统应用:

 

  1、面向工程设计与问题求解的信息系统的应用;

  2、面向工厂自动化的信息系统的应用

  3、面向连结公司与供应商、顾客、以及其它公

信息系统的应用。

(现代制造系统)

 

            

  智能制造系统

   

    计算机辅助制造系统正向智能制造系统发

展。智能制造系统的特征表现为其对没有详细和

显示的算法的求解过程,成为得到确定和唯一解

而无完备安排和全部形式的所有事实、数学关系

及模型的问题的求解能力。智能制造系统将具备

在不完全和不精确信息下解决前所未有或不可预

见问题的能力。智能制造系统需要大量的制造知

识。基于人工智能的技术通过计算机获取、表

示、组织和应用制造知识。

   智能制造系统的应用

制造决策支持系统的基于知识的专家系统和基

神经网络的自适应机床控制器等。最初的智能

为表现为计算机的符号推理,专家系统就是符

号推理的代表。专家系统是人工智能较为成功应

用的领域。专家系统的出现使人工智能从对人类

思维的一般规律的研究转为对知识的研究。研究

知识表示、知识获取和基丁知识的推理技术,进

而形成了知识工程。人工智能在产品制造过程各

个环节的应用产生了制造智能。制造智能具体表

现为:智能设计、智能装配、机器人操作、智能

加工、智能控制、智能工艺规划、智能调度、智

能测量和诊断等。知识工程与计算智能在制造领

域中的应用,将会引起一场技术上的革新。

   计算智能的研究成果

    人工智能的最新研究已经有向计算智能方向发展的趋势。计算智能目前较为成功的研究有人工神经网

络、模糊逻辑、基因算法以及模拟退火算法。从计算机的处理方式上来看,计算智能是基于数值计算

的智能方法,具灵活性、通用性及严密性明显优于基于知识的人工智能技术。计算智能的研究对推动

人上智能的发展有着重大的意义。

  知识工程
    知识工程是针对人工智能以往对人类般思维

规律的研究而提出的以知识为研究对象进行的研

究。基于知识的专家系统被证明是其最有前途的

开发与应用。
    专家系统由知识库、推理机、知识库维护、用

界面利知识获取机制五部分组成,实现了由传

的数据处理向知识处理的中命性转变。

  有下列优点:
    

(l)专家系统能处理符号信息

(2)专家系统能够利用启发信息降低搜索的复杂性,

(3)专家系统能包容新识别的知识;

(4)专家系统能解释其给出的解和结果,

(5)专家系统能为用户提供专家级的咨询服务来提

高制造系统生产率;

(6)专家系统能降低制造系统对人类专家的依赖。

  专家系统的缺点如下:

  (l)构筑专家系统时必须有相关领域的人类专家;

  (2)人类专家必须能够清晰地给出专家系统解答问

    题的规则,对有模糊及不一致的描述还没有有

    效的手段;
  (3)所述规则必须具有说服力、正确、一致。
  (4)依赖于问题域的大小专家系统的开发可能是

个非常长的过程;
  (5)适应性差,当问题稍稍偏离期望的问题域
时,

专家系统的性能将大幅下降;
  (6)大而复杂的专家系统的执行时间也是问题。

 

计算智能
 
计算智能(CI)技术在制造领域有其较知识工程优越

的方面,对计算智能的研究可以克服知识工程中的不

足之处,同时由于其灵活性、通用性和计算的严密性

倍受人们的青昧,也引起越来越多的人从事这方面的

研究。计算智能的研究目前主要集中在以下几方面

(1)人工神经网络(ANN)

人工神经网络是主要由结点和权值组

的具有学习能力的并行分布式结构处理

模型,目前已广泛应用在制造的各个领

域,包括设计、控制、调度和质量管理。

神经网络具有下列主要优点

(a)基于并行处理的高速处理能力; 

(b)高效的知识获取和嵌套(Emhedding)

   的学习能力和适应能力;
(c)对组织缺陷和各种故障的鲁棒性;

   神经网络还有许多需要探索的问题:
(a)对某一给定问题,往往要通过试错法

寻找恰当的神经网络结构,这种构造

方式通常非常费时;
(b)神经网络对知识的表示模糊且不易理

解;
(c)神经网络不能显式地解释其结果,因

此,神经网络系统的界面不如专家系统

那样友好和富有成效;
(d)目前神经网络的学习算法还不够有效,

能保证网络一定收敛;
(e)神经网络最优训练集的确定也是一个

未定的问题。

(2)模糊系统

    由模糊集理论发展形成的模糊系统适用于不确定

近似推理,尤其适合难以推导出数学模型的系

统。

(3)遗传算法

遗传算法是模拟自然进化的一类随机搜索技

术,它模拟由个体组成的群体的集体学习过程。

(4)模拟退火算法

基于热处理中固体物质退火时由高能态向低能态

变的过程与组合优化问题中百找目标函数最优

值过程的相似性而提出的模拟退火算法是一种通

用的随机搜索算法,己用于求解制造领域中的组

合优化问题。

制造智能

   随着专家系统、人工神经网络等计算智能在制造系统及其各环节的广泛应用,制造知识的获取、表示、存贮和推理成为可能,出现了制造智能与制造技术的智能化。制造智能主要表现在智能设计、帮能加工、机器人、智能控制、智能工艺规划、智能调度以及智能测量和诊断等多方向。

 

Copyright 1999—2000 IMT,GDUT Prof.Dr.Wang Chengyong.

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