智能制造概述
摘要：介绍了智能制造提出的原因及概念，智能制造的物质基础及理论基础，主要研究内容和目标，人工智能与 I M T、 I M S的关系，I M S 和C I M S，智能制造系统研究成果及存在问题以及智能制造技木的发展趋势。 关键词：智能制造，IMS，IMT.
Abstract：Intelligent Manufacturing introduced the background, main contents and objectives, Artificial Intelligence and IMT, IMS relations, IMS and CIMS, intelligent manufacturing 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 Manufacturing Systems research results and problematic. Key words: Intelligent Manufacturing, IMS,IMT。
一．智能制造系统的提出
随着制造信息的爆炸性增长以及处理信息工作量的猛增，要求制造系统表现出更大的智能但是专业人才的缺乏和专门知识的短缺，严重制约了制造工业的发展，在发展中国家是如此，在发达国家由于制造企业向第三世界转移，同样也造成了本国技术力量的空缺，这动荡不定的市场和激烈的竞争要求制造企业在生产活动中表现出更高的机敏和智能：CMS的实施和制造业的全球化发展遇到了两个重大的障碍，即目前所形成的“自动化孤岛”的连接和全局优化问题以及全国各地区的标准，数据和人-机接口的统一问题，这些问题的解决促进了智能制造系统的产生。 二．智能制造的概念
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和高度集成的方式通过计算机来模拟人类专家的智能活动对制造问题进行分析判断推理构思和决策旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动并对人类专家的制造智能进行收集存贮完善共享继承和发展。智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程人机智能等学科相互渗透和融合的一种综合技术。智能制造技术的研究对象是世界范围内的整个制造环境的集成化与自组织能力，包括制造技能处理技术、自组织加工单元、自组织机器人、智能管理信息系统、多级竞争式控制网络、全球通讯与操作网等。智能制造系统就是通过集成知识工程制造软件系统、机器视觉与机器人控制等对制造技术的技能与专家知识进行模拟，使智能机器在没有人干预的情况下进行生产实现人类智能活动向制造机械智能活动的转化。
智能制造系统的研究内容包括智能活动、智能机器以及两者的以及两者的有机融合技术，其中智能活动是研究问题的核心。在众多基础技术的研究中制造智能处理技术负责各环节的制造智能的集成和生成智能机器的智能活动成为世界各国普遍重视研究的重要课题。智能制造系统是其环境有物质能量和信息交换是依赖于强制性的损耗磨损的开放式的自组织系统
是远离平衡态的耗散结构。
三．智能制造的物质基础及理论基础 1.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。
2.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 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。
四．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: ①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; ②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。
由日本提出的 I M S 国际合作研究计划对 I M S的解释可以看出, I M S 的研究包括智能活动、 智能机器以及两者的有机融合技术, 其中智能活动是问题的核心。在 I M S 研究的众多基础技术中, 制造智能处理技术是最为关键和迫切需要研究的问题之一, 因为它负责各环节的制造智能的集成和生成智能机器的智能活动。在一个国家甚至世界范围内, 企业之间有着密切的联系, 譬如, 采用相同的生产设备和系统, 有着类似的生产控制与管理方式,上下游产品之间的联系, 等等。其间存在的突出问题是产品和技术的规范化、 标准化和通用化、 信息自动交换形式与接口以及制造智能共享等。
国际 I M S 计划的基本观点如下: ①I 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; ②应对这些技术进行组织化和系统化; ③加强技术的标准化; ④考虑人的因素; ⑤保护环境。 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。
1992 年4 月在日本召开的第一次国际技术委员会, 确定了4 个主题: ①技术课题; ②选择原则;③评价程序; ④执行准则。由国际 I M S 中心成员提出的首批10 项研究课题是①企业集成; ②全球制造; ③系统单元技术; ④清洁制造技术; ⑤人与组织研究; ⑥先进的材料加工技术; ⑦全球并行工程(评估和实施) ; ⑧自主模块的系统设备与分布控制; ⑨快速产品开发; b k知识系统化(设计与制造)。美国国家科学基金会(N SF)已连续数年重点资助了与智能制造有关的研究项目, 这些项目覆盖了智能制造的绝大部分技术领域, 包括制造过程中的智能决策、 基于多施主(mu lt i- agent)的智能协作求解、智能并行设计、 物流传输的智能自动化、 智能加工系统和智能机器等。
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: ①强调部分代替人的智能活动, 实现部分人的技能; ②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; ③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; ④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。⑤重视分布式人工智能技术的应用, 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: ①使整个制造过程实现智能化, 并具有自组织能力; ②I M S 是一个集成许多工厂和多种机器设备的混合系统; ③具备满足各种社会需求的柔性; ④能充分发挥人的作用; ⑤易于操作; ⑥总效率高; ⑦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 ,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。
总之，智能制造技术是制造技术、 自动化技术、 系统工程与人工智能等学科互相渗透、 互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现为:智能设计、 智能加工、 机器人操作、 智能控制、 智能工艺规划、 智能调度与管理、 智能装配、 智能测量与诊断等。它强调通过“ 智能设备 ” 和“ 自治控制 ” 来构造新一代的智能制造系统模式。智能制造系统具有自律能力、 自组织能力、 自学习与自我优化能力、 自修复能力 ,因而适应性极强 ,而且由于采用 VR技术 ,人机界面更加友好。因此 , I M技术的研究开发对于提高生产效率与产品品质、 降低成本 ,提高制造业市场应变能力、 国家经济实力和国民生活水准 ,具有重要意义。智能制造是制造系统柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分 ,因此未来智能制造将向智能集成的方向发展 ,未来智能制造的研究将着重于智能传感与检测(如智能传感器、 智能传感与检测技术、 光纤传感技术等 )。