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现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断袁楚明Tel:87540381(h)87543555(o)Email:cmyuan@mail.hust.edu.cn华中科技大学机械科学与工程学院国家数控系统工程技术研究中心现代制造系统的智能控制、监控与故障诊断现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断现代制造系统概述现代制造系统的智能控制现代制造系统的智能监控现代制造系统的智能诊断现代制造系统的控制、监控与诊断的集成一、课程的主要内容：现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断二、课程的学习目的了解和掌握现代制造系统智能控制、监控与故障诊断的概念与学科体系；学习和了解现代制造系统的发展过程与智能体系结构学习和掌握现代制造系统智能控制、监控的主要方法和手段；学习和掌握制造系统故障(模型)、机理的分析与诊断方法；了解当今最新研究成果与发展趋势。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断三、课程的教学方式学习方式：授课、自学相结合，自学为主；专题讨论。考核方式：综合报告/试题/二者结合。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断四、参考书目周祖德等.现代机械制造系统的监控与故障诊断.武汉：华中理工大学出版社，1999年6月.李小俚等.先进制造中的智能监控技术，北京：科学出版社，1999年3月.有关智能控制、监控与诊断方面的参考书。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论本讲主要内容一、现代制造系统的定义与构成二、现代制造系统的发展趋势与特征三、现代制造系统的开放式智能体系结构四、现代新型制造模式与系统（全能制造系统、可重构制造系统、网络制造系统等）五、现代制造系统智能控制、监控与诊断的需求现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论一、制造系统的定义基本定义：制造过程及其所涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置以及有关的软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)和制造信息等组成了一个具有特定功能的有机整体，称之为制造系统。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论根据所研究的问题的侧重面不同，又分为三种特定的定义：制造系统的结构定义：制造系统是制造过程所涉及的硬件(包括人员、设备、物料流等)及其相关软件所组成的一个统一整体。制造系统的功能定义：制造系统是一个将制造资源(原材料、能源等)转变为产品或半成品的输入、输出系统。制造系统的过程定义：制造系统可看成是制造生产的运行过程,包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造实施、检验出厂、产品销售等各个环节的制造全过程。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论二、现代制造系统的构成现代制造系统的核心是先进制造技术AMT(AdvancedManufacturingTechnology)，它是现代信息技术与制造技术相结合所产生的各种设备、技术、系统的总称，由AMT的硬件、软件组成。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论现代制造系统的硬件构成:－数控机床NC(NumericalControlMachine)；－计算机数控CNC(ComputerNumericalControl)；－直接数控(群控)DNC(DirectNumericalControl)；－机器人Robot；－计算机工艺过程监视/控制器CPM/CPC(ComputerProcessMonitoringandComputerProcessControl)；－机器视觉技术系统MV(MachineVision)；－自动运货小车AGV(AutomatedGuideVehicle)；－自动物料指挥系统AMH(AutomatedMaterialsHandling)。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论现代制造系统的软件构成:－计算机辅助设计系统CAD(ComputerAidedDesign)；－计算机辅助工程系统CAE(ComputerAidedEngineering)；－计算机辅助制造系统CAM(ComputerAidedManufacturing)；－计算机辅助工艺规划系统CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)；－物料需求计划系统MRP(MaterialRequirementPlanning)；－主生产计划系统MPS(MasterProductionScheduling)；－生产作业排序系统Sequencing；－制造资源计划系统MRP(ManufacturingResourcesPlanning)；－企业资源规划系统ERP/ERPII(EnterpriseResourcesPlanning)。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论三、现代制造系统的发展过程刚性自动化数控加工智能制造、敏捷制造虚拟制造、网络制造全球制造、绿色制造适应于大批大量的生产适应于多品种中小批量生产适应于大规模可定制生产计算机集成制造柔性制造现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论第一阶段：刚性自动化，包括刚性自动线和自动单机时期：20世纪40－50年代。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床、组合机床、自动单机或自动化生产线进行大批量生产。引入新技术：继电器程序控制、组合机床。特征：高生产率、刚性结构，难以实现产品更新换代。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论第二阶段：数控加工，包括NC和CNC时期：20世纪50－70年代（NC），70－80年代（CNC）。计算机技术的迅速发展，NC被CNC所取代。数控加工设备包括数控机床、加工中心等。引入新技术：数控技术、计算机编程技术。特征：柔性好、加工质量高，适应于多品种中小批量生产。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论第三阶段：柔性制造时期：20世纪70－80年代。包括计算机直接数控(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)。涉及新技术：CAD、CAM、成组技术(GT)、FMC/FMS/FML、离散系统理论与仿真技术、车间计划调度与控制、监控与诊断、计算机控制与通讯网络。特征：柔性与高效的理想结合，适应于多品种中小批量生产。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论第四阶段：计算机集成制造/系统(CIM/CIMS)时期：20世纪80年代－。既可看作制造自动化发展的一个新阶段，又可看作是包含制造自动化系统的一个更高层次的系统。涉及新技术：现代制造技术、CAD/CAM/CAPP集成、生产管理与调度、自动化技术与系统、信息技术、车间动态调度与仿真。特征：强调制造过程的系统性和集成性，以解决企业生存与竞争的TQCS问题。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论第五阶段：智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等时期：20世纪80年代末期提出，90年代兴起，是制造自动化面向21世纪的发展方向。发展趋势与特征：集成化、智能化、敏捷化、虚拟化、网络化、全球化、绿色化。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论四、现代制造系统的发展趋势与特征发展趋势与特征之一：制造集成化发展趋势与特征之二：制造智能化发展趋势与特征之三：制造敏捷化发展趋势与特征之四：制造虚拟化发展趋势与特征之五：制造网络化发展趋势与特征之六：制造全球化发展趋势与特征之七：制造绿色化总趋势：制造数字化现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之一：制造集成化集成化是21世纪制造自动化技术发展的一个重要特征和主要发展趋势，将从制造系统内部的信息集成、功能集成，发展到实现产品整个开发制造过程的集成，并步入全球制造的全局集成阶段。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之二：制造智能化智能制造是未来制造自动化发展的重要特征方向。所谓智能制造系统是一种智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能对进行诸如分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，以实现制造过程的优化。专家预言：21世纪的制造业用两个“I”来标识：即Integration(集成)和Intelligence(智能)。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之三：制造敏捷化敏捷制造是一种面向21世纪的制造战略和制造模式，当前研究十分活跃。制造环境与制造过程的敏捷性是敏捷制造的重要组成部分，它主要包括机器、工艺等的柔性，可重构能力，快速化的集成制造工艺等。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之四：制造虚拟化虚拟制造(VM)是将现实制造环境及制造过程通过建立系统模型映射到计算机及相关技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境下模拟现实制造环境及其制造过程的一切活动和产品的制造全过程，并对产品制造及制造系统的行为进行预测和评价。它是敏捷制造的重要关键技术。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之五：制造网络化20世纪末网络技术特别是Internet/Intranet技术的迅速发展，导致制造活动新的变革－－网络制造技术的产生。基于网络的制造包括制造环境内部的网络化、制造环境和整个制造企业的网络化、企业间的网络化、异地设计与制造等方面。基于Internet/Intranet的制造已成为21世纪制造自动化技术发展的重要趋势。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之六：制造全球化制造全球化的概念出于美、日、欧等发达国家的智能制造计划，20世纪末随着Internet技术的发展，其研究与应用发展迅速。制造全球化包括的内容非常广泛，主要有市场的国际化，产品设计与开发的国际合作，产品制造的跨国化，制造企业在全世界范围内的重组和集成，制造资源的跨地区、跨国家协调、共享与优化利用等。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论发展趋势与特征之七：制造绿色化环境、资源、人口是当今世界面临的三大主要问题。绿色制造(GreenManufacturing)是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源效率最高。绿色制造是现代制造业的可持续发展制造模式。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论五、现代制造系统的开放式智能体系结构－分布式、协同处理的智能制造自动化系统－以人为中心的制造自动化系统APS（AnthropocentricProductionSystem）－基于Internet的全球制造自动化系统现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论分布式、协同处理智能制造自动化系统分布式制造自动化系统集成面临的问题：－异构性：异种设备环境、异种数据库、异种协议、异种网络集成；－分布性：分布式数据的一致性、可达性和可操作性。解决手段：利用计算机网络连接异构设备，实现制造系统问题的分布式协同求解功能。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论分布式协同处理的制造自动化系统的两个层次：－在现有自动化设备的基础上，采用分布式计算机控制策略，将自动化程度不同、通信协议各异的异构设备集成起来，达到信息共享和知识的协同处理，提高整体自动化水平。－由智能多自主体包括智能设计机器、智能加工工作站、智能控制器等所构成的分布式、协同处理结构，它具备极强的应变能力和自组织能力，是未来自动化制造系统的发展方向。现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论网络开放式分布计算环境网络应用系统应用系统异构设备1异构设备2工作站PC工作站开放式分布计算环境网络应用系统应用系统异构设备n-1异构设备n工作站PC工作站自主体1…智能设计机器自主体n智能控制器自主体2智能加工工作站…监视器分布式协同处理的制造自动化系统的体系结构框图现代机械制造系统的智能控制、监控与诊断第一讲绪论以人为中心的制造自动化系统的体系结构框图制造建模与仿真产品设计过程规划执行规划维护工程活动顾客财政管理职员管理供应商管理活动产品规划信息系统知识库管理系统数据库管理系统人用户界面机器控制器接口