先进制造技术.docx
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先进制造技术
《学科前沿专题》课程考察论文
学院：
研究生学院
专业：
机械工程
姓名：
学号：
2014年6月5日
1.简述机械制造业的变革及挑战。
（10分）
机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但随着社会的发展，人们的生活水平日益提高，各个方面的个性化需求越加强烈。
作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。
机械制造技术的发展趋势可以概括为：
机械制造自动化；精密工程；传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展.机械制造自动化技术始终是机械制造中最活跃的一个研究领域。
也是制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。
机械制造自动化技术自本世纪20年代出现以来，经历了三个阶段，即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。
综合自动化常常与计算机辅助制造、计算集成制造等概念相联系，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合，旨在全面提高制造企业的劳动生产率和对市场的响应速度。
机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但随着社会的发展，人们的生活水平日益提高，各个方面的个性化需求越加强烈。
作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。
机械制造技术的发展趋势可以概括为：
（1）机械制造自动化。
（2）精密工程。
（3）传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展。
一、集成化
计算机集成制造（CIMS）被认为是21世纪制造企业的主要生产方式。
CIMS作为一个由若干个相互联系的部分（分系统）组成，通常可划分为5部分：
1．工程技术信息分系统
2．管理信息分系统（MIS）
3．制造自动化分系统（MAS）
4．质量信息分系统
5．计算机网络和数据库分系统（Network&DB）
二、智能化
智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等。
在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性（适应性和友好性）。
在设计和制造过程中，采用模块化方法，使之具有较大的柔性；对于人，智能制造强调安全性和友好性；对于环境，要求作到无污染，省能源和资源充分回收；对于社会，提倡合理协作与竞争。
三、敏捷化
敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。
为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。
敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。
四、虚拟化
“虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。
虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。
虚拟制造利用信息技术、仿真计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防的措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。
五、清洁化
清洁生产是指：
将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。
清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。
对生产过程而言，清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒的原材料和短缺资源，二次能源和再生资源的利用，改进工艺及设备，并将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。
对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料的提取到产品的最终处理，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等，合理利用资源，并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。
综上所述，机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，是企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。
2.简述先进制造技术的定义、特点和发展趋势。
（10分）
先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology），人们往往用AMT来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。
具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。
主要包括：
计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。
AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。
先进制造技术特点：
（一）先进制造技术涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，它的目的是提高制造业的综合经济效益和社会效益，是面向工业应用的技术。
（二）先进制造技术强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。
它驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流，是生产过程的系统工程。
（三）80年代以来，随着全球市场竞争越来越激烈，先进制造技术要求具有世界先进水平，它的竞争已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的竞争，因此它是面向全球竞争的技术。
（四）先进制造技术的最新发展阶段保持了过去制造技术的有效要素，同时吸收各种高新技术成果，渗透到产品生产的所有领域及其全部过程，从而形成了一个完整的技术群，具有面向21世纪新的技术领域。
先进制造技术发展趋势：
（一）工业应用的技术，机械、电子、信息、材料及能源技术成果，综合应用于制造过程。
（二）制造业综合自动化，信息技术、自动化技术、现代企业管理技。
3.先进制造生产模式有哪些主要特点？
主要的先进制造生产模式有哪些？
（10分）
制造模式是指制造企业在生产经营、管理体制、组织结构和技术系统等方面所表现出来的形态或运作方式。
先进制造模式则是指企业在生产过程中，依据环境因素通过有效地组织各种生产要素来达到良好制造效果的先进生产方法或样板，这种样板所蕴含的概念、哲理和结构对其他企业具有可仿效性。
先进制造模式的先进性表现在企业的组织结构合理、管理手段得当、制造技术领先、市场反应快、客户满意度高、单位产品成本低等诸多方面。
主要特点：
通过对现代各种先进制造模式的研究分析，可以总结出它们具有如下几个特点。
（1）综合性：
是技术、管理方法和人的有效综合和集成。
（2）普适性：
其概念、哲理和结构，适用于不同企业，其核心思想和观念具有普遍指导意义。
（3）协同性：
强调人一机协同、人一人协同因素的重要性，技术和管理是两个平行推进的车轮。
（4）动态性：
与社会及其生产力发展水平相适应的动态发展过程。
主要的先进制造生产模式有：
（1）柔性生产模式
柔性生产模式由英国莫林斯（Molins）公司首次提出的柔性生产模式，在20世纪70年代末得到推广应用。
该模式主要依靠有高度柔性的以计算机数控机床为主的制造设备来实现多品种小批量的生产，以增强制造业的灵活性和应变能力，可缩短产品生产周期，提高设备使用效率和员工劳动生产率且改进产品质量。
（2）智能制造模式
该模式是在制造生产的各个环节中，应用智能制造技术和系统，以一种高度柔性和高度集成的方式，通过计算机模拟专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，以便取代或延伸制造过程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行了完善、继承和发展。
因智能制造可实现决策自动化，实现“制造智能”和制造技术的“智能化”，进而实现制造生产的信息化和自动化。
（3）精益生产模式
该生产模式是由1990年美国麻省理工学院在总结第二次世界大战后以丰田汽车为代表的日本制造工业的经验时提出的。
这种模式以改革企业生产管理为特点，其基本要求是企业在生产过程中要同时获得极高的生产率、最好的产品质量和极大的生产柔性，使所生产出的产品具有精益特点。
它可消除制造企业因采用大量生产方式所造成的过于臃肿和浪费的缺点，实施“精简、消肿”的对策，以及“精益求精”的管理思想。
该模式要求产品优质，且充分考虑人的因素，采用灵活的小组工作方式和强调合作的并行工作方式；在生产技术上是采用适度的自动化技术，使制造企业的资源能够得到合理的配置、充分的利用。
（4）敏捷制造模式
敏捷制造模式产生于20世纪80年代后期的敏捷制造模式与虚拟制造生产模式一起被美国政府作为具有划时代意义的“21世纪制造企业的发展战略”。
该模式是将柔性制造的先进技术、熟练掌握的生产技能、有素质的劳动力，以及促进企业内部和企业之间的灵活管理三者集成在一起，利用信息技术对千变万化的市场机遇做出快速响应，最大限度地满足顾客的要求。
这种模式促进了传统的制造业发生根本性变化，以因特网为代表的信息技术导致制造企业的管理体制和生产模式发生根本变化。
敏捷制造生产模式的新概念和新理论不断出现，推动着制造科学发展，例如分形制造、生物制造、全球制造、全能制造和智能制造等新概念的问世。
（5）高效快速重组生产系统模式
该模式是在对柔性生产、精益生产和敏捷制造这三种制造生产模式的优点进行比较、综合和创新之后，于1995年提出的，目前已开始推广应用。
高效快速重组生产系统模式是上述三种模式的理论和实践在更高层次上的有机集成生产系统，其特征是对市场的灵活快速反应的制造资源的有效集成。
（6）虚拟制造生产模式
虚拟制造生产模式是利用制造过程计算机模拟和仿真来实现产品的设计和研制的模式，即在计算机中实现的制造技术。
它将从根本上改变设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。
在产品真正制造出来之前，首先应在虚拟制造环境中完成软产品原型（SoftPrototype），代替传统的硬样品（HardPrototype）进行试验，对其性能进行了预测和评估，从而大大缩短产品设计与制造周期、降低产品开发成本，提高其快速响应市场变化的能力，以便更可靠地决策产品研制，更经济地投入、更有效地组织生产，从而实现制造系统全面最优的制造生产模式。
（7）极端制造模式
制造技术正在从常规制造、传统制造向非常规制造及极端制造发展，因而出现了极端制造模式。
极端制造是指在极端条件或环境下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统。
当前，极端制造已成为制造技术发展的重要领域，极端制造集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造和强场（如强能量场）制造，例如：
制造空天飞行器、超常规动力装备、超大型冶金和石油化工装备等极大尺寸和极强功能的重大装备，制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。
（8）绿色制造模式
绿色制造是综合运用生物技术、“绿色化学”、信息技术和环境科学等方面的成果，使制造过程中没有或极少产生废料和污染物的工艺或制造系统的综合集成生态型制造技术。
绿色制造模式是实现制造业可持续长远发展的制造模式。
日趋严格的环境与资源约束，使绿色制造显得越来越重要。
发达国家的经验表明，解决生态与环境问题必须依靠全社会和各行各业的广泛参与和投入，“为环境而设计”、“环境友好产业和产品”、“绿色制造”、“绿色化学”等都是近年来先进工业国家进行的卓有成效的实践。
绿色制造已成为制造业未来的重要发展方向。
绿色制造主要体现在：
（1）绿色产品设计：
使产品在生命周期内都符合环保、健康、能耗低、资源利用率高的要求。
（2）绿色生产过程：
在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。
绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。
（3）产品的回收和循环再利用：
如生态工厂的循环式制造技术。
它主要包括生产系统工厂－－致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段，恢复系统工厂－－对产品（材料使用）生命周期结束时的材料处理循环再利用。
预计具有绿色制造集成功能的信息化产品将很快成为抢手货。
绿色产品和工艺设计与材料制造系统的集成、绿色制造的过程集成等集成技术以及绿色设计和绿色制造信息管理技术，都将是未来绿色制造中的关键技术。
4.写一篇综述性论文，题目自定（70分）
要求：
（1）内容为机械工程领域、或你所学的研究生专业（工业设计或工业工程）领域的一个较前沿、热点技术问题；
（2）阐述问题的意义、研究历史过程、研究现状及所存在亟待解决的主要问题；
（3）参考文献15篇以上，英文参考文献5篇以上。
仿人机器人运动控制的研究
摘要：
随着数字化信息和高度集成芯片的发展，运动控制器的处理核心也得到了长足的发展。
运动控制器是一种具有自主或半自主控制能力，能够控制电机或其它动力执行器件运动的控制器。
具有自主能力运动控制器能够脱离上位机，完成具有特定功能的运动控制，多用于机器人控制或数控控制系统，半自主运动控制器需要借助于上位机，其单独个体处理信息能力有限。
此外，运动控制器从单一自由度运动控制器发展到多自由度运动控制器，同时响应速度快、精度高，控制系统硬件越来越简单化，实现的运动却越来越复杂。
关键词：
仿人机器人；运动控制器；上位机；控制系统
1仿人机器人概述
自第一台计算机问世以来，人类就进入了电子数字化时代[]。
随着计算机的不断更新换代，计算机控制系统也在不断精简，其应用领域也在不断的扩展。
从最开始的加减运算，已经发展到了生活中的各个方面，工业、农业、运输业等各行业都离不开计算机的控制，最高端的应用领域已经发展到了人工智能控制。
仿人机器人运动控制器就是计算机发展的一个重要分支，仿人机器人控制器集成了执行器硬件驱动、人机交互以及人工智能控制于一体的综合型技术，也是检验机电一体化技术应用是否成熟的标准。
机器人技术是集机械设计、电子工程、传感器技术、计算机软件设计、控制算法研究、信号处理于一体的高科技含量的技术，机器人技术的发展水平标志着一个国家的科技以及工业自动化水平。
现如今，机器人的应用越来越广泛，其作用也越来越重要。
在现代科技生活中，机器人首先涉足的是工业领域，从最初的单一自由度的运动控制发展到了多自由度组合运动控制；从简单、粗糙的精度控制发展到了微米级的高精度控制，同时衍生出了控制类型多样、控制方式不同的运动控制器。
随着计算机、电子芯片以及控制算法等高科技智能设备的不断发展，机器人也从工业领域对外进行扩展，逐步发展到了军事领域，如美国的四足侦察机器人“大狗”，能够代替人类执行搜索、警戒任务；还有家庭服务领域，如日本的“ASIMO”机器人能够在家政、客服中服务；教育服务领域，如知识问答教育机器人[]。
运动控制器是机器人系统的核心，是机器人控制系统中研究的重点。
随着计算机、电子芯片以及控制算法等高科技智能设备的不断发展，高集成度的控制芯片和驱动芯片使运动控制器在体积方面不但有了精简[]，同时，在控制功能方面也有了更大的提高，更重要的是在价格方面，电子芯片由于制造工艺和制造水平的提高，价格降低的幅度很大。
这些综合因素使研究运动控制器有了提高的可能，可以根据具体应用要求，设计满足使用要求的运动控制器。
经典的控制系统采用的是51、AVR系列单片机作为主控制芯片[]，在处理单自由度或两自由度，并且控制精度要求不高时，搭建控制系统是比较合理的。
若要控制多自由度运动或高精度控制，需要借助数据采集卡，基于工控机作为处理器，完成控制要求，但是成本较高。
还有一类控制系统，是借助于PLC作为控制核心，PLC能够处理强电信号，对于微弱的传感器输出信号，需要放大电路才能输入至PLC中，PLC控制端口有限，单个模块的输入输出控制点数在12点至24点，主要用于工业控制与过程控制。
因此，对于多个51单片机系统组合的系统，需开发出一种新的控制模式，可以应用于特殊的场合，例如仿人机器人控制系统。
2仿人机器人研究意义
仿人机器人是机器人中的一个重要分支,它具有类似人类的基本外貌特征和步行功能,还具有视觉、听觉等智能功能,它是在一定的环境中能够自主运动,并与人进行一定交流的服务性机器人。
仿人机器人是多门基础学科、多项高技术的集成,代表了机器人的尖端技术。
因此,仿人机器人是当代科技的研究热点之一。
仿人形机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志,也在人类生产、生活中有着广泛的用途。
研究仿人机器人的科学意义主要有如下几点[]:
（1）双足行走是生物界难度最高的步行动作,但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。
因此,仿人机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求,仿人机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化,同时有力推进机器人学及其它相关学科的发展。
（2）仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度、多变量、强藕合和变结构复杂动力学系统,其变姿态结构的不稳定性及产生的稳定步行运动所需解决的动态平衡问题为机器人运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。
在对其研究的过程中,很可能导致力学及控制领域中新理论、新方法的产生。
（3）仿人机器人作为步行机器人的一种形式,是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。
研究仿人机器人两足步行运动,揭示了两足类步行运动的机理及控制规律,研制一种连续稳定步行的仿人型两足步行机器人可为机器人操作器提供灵活的操作平台,使其能够促进康复医学、仿生学、人工智能、计算机图形学、通信等相关学科的发展。
（4）仿人机器人具有人类的外观,可以适应人类的生活和工作环境,代替人类完成各种作业,如在原子能电站、核化环境、太空和海底等危害人类的环境下工作,可以在很多方面扩展人类的能力,同时在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域有着广泛的应用前景。
3仿人机器人国外研究现状和发展趋势
自19世纪末电气化时代以来，电动机得到了快速地发展，相应的控制技术也越来越成熟。
直到20世纪下半叶的信息化技术时代，电动机的控制得到了进一步的发展。
国内外最著名的运动控制卡生产公司有德国的SIEMENS公司，瑞士的ABB公司，美国的GALIL公司、DeltaTau公司，英国的Trio、日本的FANUC，台湾的台达、凌华、研华，国内的运动控制器制造公司雷赛、固高、乐创、众为兴等[]。
从上世纪90年代开始，在美国控制器制造业界最具代表的是GALIL公司，GALIL公司从第一个基于微处理器的运动控制器发展到DMC-2lx3以太网控制器和驱动器，利用基于10base-T的Ethernet通讯方式，RS232高达19.2Kb的传输速率，能够支撑多组主控装置及多组受控装置，并支持TCP/IP,UDP及ModBus协议。
DMC-2lx3运动控制器采用强大的精简指令集处理器，使用第五代控制器Accelera系列的芯片[]，具有比指令处理快10倍的运行速度，支持以太网、PCI两种通讯接口，能够控制轴数在1至8轴之间。
DeltaTau公司主要致力于研发多轴运动控制器PMAC（ProgrammableMulti－axes Controller），PMAC运动控制器能够独立运行，也可以基于PC机运行。
其控制芯片主要是基于DSP数字处理技术，在其软件设计中能够使用内核控制或移植操作系统，最初的运动控制器能够控制的自由度数为8轴，随着控制芯片的发展及功能的升级，该公司陆续研制出了16轴、32轴运动控制器[]。
到目前为止，DeltaTau公司的运动控制器可以扩展至64轴，控制数量多，能够满足一般仿人机器人自由度数（常见的仿人机器人有19个自由度）。
对于特殊的应用场合，例如三坐标试验台、雕刻机等应用场合，可以实现直线、曲线运动，同时能够实现圆弧插补、样条插补等较高的精度要求。
但PMAC运动控制器如果控制64自由度运动，需要增加扩展卡，若以32轴控制芯片作为基卡，每4个轴需要一个扩展卡，控制64轴自由度运动需要增加8个控制卡，不但增加了控制成本，而且控制器的体积也有所增加，对于仿人机器人有限的体内空间，应用受到了局限性[]。
4仿人机器人国内研究现状和发展趋势
台湾运动控制器制造商台达公司，生产的DVP10MC控制器是基于PLC模块和MC运动控制模块，具备位置控制、电子凸轮、电子齿轮及典型应用，利用高速总线（CANopen）可控制高达16轴[]。
台达总线型多轴运动控制卡结合非标设备特点，设计了用于非标数字装备的用户编程语言和编译系统，采用模块化思想设计，运动控制卡在上位机提供给用户的是一个功能全面的人机交互界面，可以实现程序的编写、译码、调试、运行、设备的初始化和状态监测等多种操作。
20世纪90年代末期开始，国内先后投资建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地[]，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心、海尔机器人公司等。
但国内的工业机器人应用数量仍然偏少，仿人机器人应用就更少了。
国内从事工业机器人研发及制造的企业有深圳市固高、众为兴及广州数控等比较著名的企业。
深圳市固高科技公司主要研制的是控制伺服电机的控制器，它采用高性能的DSP芯片与FPGA芯片相结合技术，DSP芯片主要用于处理数字信号，内部编程具有单指令就能够完成数学运算，主要用于数字滤波[]。
FPGA是复杂可编程门阵列芯片，用于逻辑编程，每个控制器可以控制8个伺服电机，同时还具有网络通信功能，通过网络可以在上位机进行终端控制。
固高公司生产的控制器虽然也能够在数控、多轴控制系统中应用，但对于空间体积有限的机器人，需要扩展卡才能使用，使用也受到限制[]。
国内成功研制的反恐排爆机器人，具有7个自由度，使用的是嵌入式控制系统，在上位机控制界面通过无线通讯模块将指令发送至控制终端，能够控制150m范围以内的区域，已在2008年北京奥运会以及2010年亚运会应用。
南京工业大学运动控制器研究所研制的最具有代表性的控制系统是双轴跟踪系统，双轴跟踪系统是基于ADT850运动控制卡[]，可控制4轴联动。
浙江大学研制的多轴运动控制卡也是基于DSP数字信号处理芯片，利用上位机软件界面向控制芯片发送指令，控制其运动。
国内自主研发的运动控制器虽然能够控制4~8轴自由度联动[]，控制精度满足一般精度要求或亚精密精度要求，但是若要控制8轴以上自由度一起联动，则需要增加扩展卡，同时上位机界面会变得更加复杂。
因此，对于仿人机器人这种特殊的应用场合，分析特殊运动指标要求，设计符合运动要求的多自由度运动控制器，同时，多自由度运动控制器还应该具有一般性，能够在通用环境中使用。
5仿人机器人控制系统研究面临的问题
仿人机器人是人类曾一度幻想的最理想的机器人，它的目标不仅是外形仿人，而且它的思维方式和行为方式也将越来越接近人，并且它能够通过与环境的交互不断获取新的知识，而且还能以设计者们无法想象的方式去完成各种任务，它会自己适应结构化或非结构化的动态的环境。
迄今为止，仿人机器人研究已在诸如关键机械单元基本行走能力整体运动动态视觉等很多方面取得了突破。
但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的学习控制技术和方法与环境的交互和多传感器融合躯体结构和四肢运动体系结构人机接口等方面进行更进一步的研究。
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