1、文章编号nullnullnullnullnull2nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull2nullnull2nullnullnullnull自动化制造系统的产生与发展王天然 刘海波null中国科学院沈阳自动化研究所 沈阳 nullnullnullnullnullnullnull摘 要null探讨了自动化与制造业的产生和互促发展过程null论述了自动化制造系统的形成和不同发展阶段的内涵及重大作用null指出自动化技术与制造技术是驱动自动化制造系统发展的两个轮子null不能忽视任何一个侧面null自动化研究与制造技术研究相结合是发展先进制造
2、技术的必由之路null关键词null自动化null制造技术null自动化制造系统null先进制造null智能制造中图分类号nullnullnullnullnullnullnull 文献标识码nullnull1 引言制造业是带动经济快速增长的/发动机0null目前null一个加快制造业发展!实现制造业高技术化的浪潮正在兴起null它推动制造业进入一个新的先进制造技术时代null先进制造技术nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull
3、nullnullnullnullnull nullnullnull是一种产生于nullnull世纪nullnull年代null面向nullnull世纪的新的高技术体系null/先进制造技术是支持自动化制造系统null硬件及软件null进行规划!设计!开发!运行和集成的各种技术null以及为了支持产品在其从原理设计null经过制造交货null运行服务null直至报废的整个生命周期中null考虑到物理!人工!环境与安全等方面null所关联的研究!方法!工具!控制!信息null数据null与通信系统等的集合null0nullnull自动化制造系统nullnullnullnullnull nullnu
4、llnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull不仅是先进制造技术的主要研究内容null而且还是正确表述自动化与制造关系的动态概念null随着科学技术的进步和生产的发展null其内涵不断扩充和深化nullnullnull的产生和发展过程就是自动化技术与制造技术不断更新!结合及互促进步的过程null2 自动控制技术与制造业相伴产生并促进了工业革命自动控制是自动化的核心null近代自动控制技术的产生是从nullnullnull发明调速器null解决蒸汽机转速控制问
5、题开始的nullnullnullnullnullnullnull世纪工业的发展null迫切需要解决动力机问题nullnullnullnullnull年nullnullnullnullnullnull nullnull发明了蒸汽机null由于效率很低null当时除了煤矿排水和通风外null其他领域均未采用nullnullnullnullnull年nullnullnull开始对蒸汽机进行改进和创新null他用分离式凝汽器提高热效率和输出功率null用行星齿轮机构把活塞的往复运动转换为主轴的旋转运动null扩大其应用范围nullnullnull但转速不能控制null使用不安全又成为影响蒸汽机推广应用
6、的主要问题nullnullnullnullnull年nullnullnullnull又发明了离心式调速器null用反馈原理实现了蒸汽机的转速自动调节nullnullnull他还给锅炉装上水位和压力控制系统nullnullnullnull蒸汽机采用了压力控制!水位控制和转速控制三种控制技术null第一次实现对锅炉和蒸汽机组成系统的相互关联的三个变数进行自动控制null使nullnullnull蒸汽机成为实用于一切部门安全可控的动力机nullnullnull由于nullnullnull蒸汽机可以提供比人力!畜力和自然能更强大的动力null它的推广和应用使手工业开始向以蒸汽机为动力的机器大工业过渡n
7、ull机器动力代替人力null手工作坊变成了机器制造工厂null控制第nullnull卷第null期nullnullnullnull年nullnull月信息与控制nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull收稿日期nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull基金项目null国家nulln
8、ullnull智能机器人主题资助项目nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull沈阳先进制造技术基地资助项目nullnullnullnullnullnullnullnull技术与机器制造业相伴形成和互促发展null开始了工业大生产的新时代null并引发了工业革命nullnullnullnull离心式调速器的发明不仅开创了近代控制技术应用的新纪元null而且对控制理论的形成和发展产生重要影响nullnullnull由于与蒸汽机配套的离心式调速器的大量制造和使用null如何设计稳定的离心式调速
9、器成为亟待解决的问题nullnullnullnullnull年null nullnullnullnullnullnull为解决这一问题发表了5论调速器6的论文null对反馈作了理论论述null并提出用微分方程来描述和分析机械调速器的稳定性问题null开辟了应用数学方法研究控制系统现象的途径nullnullnullnullnull和nullnullnullnullnullnull推进了nullnullnullnullnullnull的工作null分别在nullnullnullnull年和nullnullnullnull年独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的判据null为建立根据频率
10、响应法判断反馈控制系统的稳定性的经典控制理论奠定了基础nullnullnull控制论nullnullnullnullnull2nullnullnullnullnullnullnull创始人nullnullnullnullnull对蒸汽机调速器是十分重视的nullnullnullnullnull年他选用/控制论0作为学科命名是与纪念nullnullnull调速器和nullnullnullnullnullnull的5论调速器6论文有关的nullnullnull从字源上说nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull控制论null与拉丁文nullnu
11、llnullnullnullnullnullnull调速器null源于同一希腊文null在以往的许多文献和教科书中null叙述nullnullnull的贡献往往只谈及nullnullnull蒸汽机的凝汽器null而忽略了nullnullnull蒸汽机的调速器null如上所述nullnullnullnull调速器等控制技术的应用才使蒸汽机变为安全!可控!实用的动力机null推广普及才成为可能null由上述可知null控制技术在机器制造业的形成和第一次工业革命中起到了重要作用null3 刚性自动化制造系统带来了20世纪的工业文明早期的自动化制造系统与自动化概念是同时出现的nullnullnulln
12、ullnull年null美国福特汽车公司研制出由自动化传送机和冲压机等组成的生产流水线null当时该公司的机械工程师nullnullnullnullnullnull首先提出将该生产线的机器之间零件转移不用人去搬运称为自动化nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull自动化一词第一次在出版物上出现是nullnullnullnull年nullnull月nullnull日5美国机械师6杂志介绍福特公司自动化研究成果null并把自动化定义为null/用机械装置去操纵工件的进出null在各项操作之间转送零件null消除
13、废料null使生产设备按照一定时序去完成这些任务null使流水线能部分或全部地处在集中控制站的按钮控制之下的一种技术0nullnullnull自动化生产线的产生显示出强大的生命力null它推动了制造业从单件生产方式向大批量生产方式变革null由于这种由机械式或液压式的自动车床或专用机床组成的大批量制造流水线的生产节拍固定null改变生产品种非常困难和昂贵null故称此种流水线为刚性自动化nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull刚性自动化制造系统可使复杂产品以合理的成本进行大批量生产null与以前生
14、产流水线相比null大大提高了效率null节省人力null缩短了生产周期null降低了制造成本null促进了汽车工业和整个制造业的大发展nullnullnullnullnullnull高瞻远瞩null首先预料到自动化与制造结合的重大战略意义null他在nullnullnullnull年出版的5nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull6一书中null对自动化制造nullnullnullnull2nullnullnullnullnullnull nullnullnulln
15、ullnullnullnullnullnullnullnull概念赋予新的含义null他指出null/自动化制造实质上是将反馈控制和计算机应用到机器制造中去的结果0null他坚信当时发展起来的自动化制造将导制第二次工业革命null他说null/我相信这一发展必将是决定未来社会生活和技术生活的巨大因素之一null是第二次工业革命的导火线0null他还预言null/自动控制将使自动化工厂在nullnull年内成为普遍的现实0nullnullnullnullnull世纪中期null以刚性自动化制造系统为代表的大批量生产方式成为主流null为社会创造了巨大物质财富null并带来了nullnull世纪的
16、工业文明null4 柔性自动化制造系统使自动化工厂成为普通的现实nullnull年代以后null由于市场多变竞争激烈null产品品种日益增多null产品生命周期和交货期日益缩短null产品的复杂程度也随之提高null使产品和设备更新换代加速null显而易见null以往采用刚性自动化nullnullnull信 息 与 控 制nullnull卷 的单一品种大批量生产方式已不能适应需要null必须建立提高制造柔性和生产率的新的生产方式nullnullnull年代初null电子计算机技术在机械制造中应用null出现了数控机床和工业机器人nullnullnullnullnull年null英国nullnu
17、llnullnullnullnull公司推出了名为/ nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull0null意为nullnull小时无人值守自动运行null的柔性制造系统nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull之后null美!欧!日也相继开发出由加工系统!物料运储系统!计算机控制与管理系统等组成的null null如图null所示nullnull 是一种能根据
18、制造任务或生产环境的变化而迅速进行调整的自动化制造系统nullnullnull图null null 的系统构成即在设备和技术规范范围内null自动适应加工条件和生产批量的变化null具有较高的更新产品品种和市场应变能力null柔性好null生产率高null适合于多品种!中小批量生产null因此柔性自动化与制造技术结合而出现的柔性自动化制造系统是制造业生产及管理上的重大变革nullnullnull年代后null由于nullnull和微机的应用null提高了数控机床!工业机器人和计算机控制系统的可靠性null其成本也大大降低nullnull 开始广泛应用null使制造业进入以柔性自动化制造系统为代
19、表null以多品种中小批量生产方式为特征的柔性自动化阶段null出现了大批的自动化工厂null证实了nullnullnullnullnullnullnull年前的预言null/自动化工厂成为普遍的现实0null进入nullnull年代后null用户对产品的要求不断提高null高质量!新产品的竞争成为企业生存与发展的主要问题null于是从发展为null微电子技术!计算机和信息技术的使用null使自动化制造向更深层次更广泛的工艺领域扩展null各种计算机辅助工具如null!null!null!nullnull等发展很快null各种柔性高效的生产设备如null!null!机器人!null !null
20、 !null等也越来越多地被采用null为了全面提高企业的经营生产效益null要求全面实现从生产计划决策!产品设计!加工直到市场销售服务的整个生产过程的自动化nullnullnullnullnull年美国nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull博士提出的计算机集成制造的思想在nullnull年代受到美!欧!日等国的重视null积极开展nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull2nullnulln
21、ullnullnull nullnullnullnullnullnull研究null美国nullnullnullnull年投资nullnullnullnull万美元建立了以国家标准技术研究所nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null为主持单位null有麻省理工学院nullnullnullnull和普杜大学nullnu
22、llnullnullnull等nullnull个单位参加的美国自动化制造研究基地nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull并提出了有影响的nullnull 五级递阶控制结构null如图null所示nullnullnull美国自动化制造研究基地是美国向工业部门转移各种nullnull技术的研究试验中心null
23、nullnull 的产生是自动化制造系统向广深发展的必然null在广度上把系统的空间扩展到市场!产品设计!加工制造!检验!销nullnullnullnull期王天然等null自动化制造系统的产生与发展售以及用户服务等全部过程null在深度上null不仅涉及到物流的自动化null而且还包含了信息流的自动化nullnullnullnullnullnull 使生产实现了高效率化!柔性化和省人化nullnullnull年代nullnullnull 研究和应用使第二代自动化制造系统达到了顶峰nullnullnullnullnullnullnull图null nullnull 五级递阶结构5 智能自动化制
24、造系统将推进新的制造技术革命世界市场的激烈竞争是推动自动化制造向更高层次发展的直接动因nullnullnull世纪nullnull年代以来null世界自由贸易体制进一步完善以及全球交通运输体系和通信网的建立null使世界制造业变成一个统一的大市场null现代生产已在全球规模展开null同时制造对地球生态和环境的影响也日益引起重视null人们要求在生产和消费过程中更加注意生态和环境方面的相容性和友善性null从制造系统的观点处理这些问题null比以往的制造系统的范围扩大了许多null需要考虑产品全生命周期null包括产品的使用环境!产品的再循环!节能等null因而全球产业界进入了结构大调整的重要
25、时期null制造业的全球化与一体化的格局已在形成null制造技术的发展必须与此相适应null先进制造技术不仅限于国际化经营null也包括了从设计!生产!供应链的全过程的全球化null另外null随着社会需求的个性化和多样化null人们对产品的要求不仅在于物质功能null而且附加了非物质的如文化!艺术!行销方式等方面的需求null未来的制造产品趋向于/客户化!变种变批量!快速交货0null产品的内涵已变为一组满足消费需求的解nullnullnullnullnullnullnullnullnull制造企业的一切活动开始转向利用信息与自动化技术满足以用户要求为核心的竞争null市场的动态多变性迫使制
26、造企业改变竞争战略null把市场响应速度提高到首位null另外null随着制造技术的进步null在制造过程中人的体力劳动通过自动化技术获得了很大的解放null而脑力劳动自动化程度null其实质是决策自动化程度null则很低null制约制造业未来发展的/瓶颈0就是/制造智能0和制造技术的/智能化0null适应此种需要null出现了智能制造技术null/智能制造技术是指在制造工业的各个环节null以一种高度柔性与高度集成的方式null通过计算机来模拟人类专家的制造智能活动null对制造问题进行分析!判断!推理!构思决策null旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动null并对人类专家的制造智能进
27、行收集!存贮!完善!共享!继承和发展0nullnullnullnull世界各国null尤其是发达国家非常重视智能制造技术null把智能制造技术作为先进制造技术发展方向和nullnull世纪占领世界制造技术领先地位的基石null积极开展研究并建立了许多重要实nullnullnull信 息 与 控 制nullnull卷 验基地null制订出智能制造研究规划nullnullnullnullnullnullnullnull年null美国的智能制造国家工程中心首先提出智能制造nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull
28、nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null概念null并对智能制造单元技术null包括制造过程的建模和加工模拟系统null制造知识智能处理系统和专家系统null设计和工艺规划的智能化数据系统null制造过程监测!控制的智能化系统等null和系统集成技术开展研究null其最终目标是研制出分布式智能制造系统null美国自动化制造研究基地nullnullnullnullnull把/为下一代以知识库为基础的自动化制造系统提供研究和实验设施0作为其三大任务之一null近年来null美国国家基金会nullnull null也连续数年重点资助了与智能制造有关的
29、研究项目null包括制造过程中的智能决策!基于多智能体nullnullnullnullnull2nullnullnullnullnullnull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null欧共体也制订和实施了/ nullnull 0智能制造计划null在智能制造研究和发展计划方面最有影响的是日本/智能制造系统国际合作计划0null日本!美国!澳大利亚!加拿大!欧共体等null个国家和nullnull个制造业组织参与此项计划null共同投资null开展研究null从nullnullnullnull年开始进入nullnull 计划的全面实施阶段null目前对
30、已批准的企业集成全球人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull下一代制造系统nullnullnullnull nullnull全能制造系统nullnullnullnullnull变结构物料贮运系统nullnullnullnullnullnull快速产品开发nullnullnull!人机共存系统的组织问题nullnullnullnullnullnullnull知识系统化nullnullnullnullnullnullnull创新型和智能型现场工厂建设研究nullnullnull nullnull数字化模具设计系统nu
31、llnullnullnull智能复合产品null人的感觉因素对产品全生命周期的影响nullnullnull null null null null nullnull适于全球分布式企业设计!规划!运行的建模与仿真环境nullnull nullnullnullnullnull等nullnull个项目正在进行研究null新一代的自动化制造系统是具有分散!自律!敏捷!仿生!分形等特点null其主要类型有null以提高制造系统智能性为目标null以机器人nullnullnullnullnullnullnull!智能体nullnullnullnullnullnullnull或全能体nullnullnull
32、nullnullnullnull为手段的智能制造系统nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull如图null所示nullnullnullnull通过互联网把企业或企业间的建模nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull!加工nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull!测量nul
33、lnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull!机器人操作图null 根据作业需要可重构的全能机器人单元nullnullnullnull期王天然等null自动化制造系统的产生与发展nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull一体化的智能自动化制造系统null如图null所示nullnullnullnull以及使制造系统具有生物特点null采用生物的问题求解方法的生物型制造系统nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnulln
34、ullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null等null制造业的全球化和智能化null这是一种在更大范围内和更高层次上实现的自动化null预计nullnull世纪null自动化技术仍将是高技术前沿null它的继续发展是推进新技术革命的核心力量nullnullnullnull智能自动化与制造技术的结合与发展null将使制造业进入以智能自动化制造系统为代表null以变品种变批量生产方式为特征的智能自动化阶段null推进新的制造技术革命null图null 智能自动化制造系统6 结论回顾自动化与制造业的发展历程可
35、以看出null自动化与制造业是相伴产生null在结合中互促发展null从自动化在制造业中诞生以来null随着自动化从刚性自动化柔性自动化智能自动化的发展null也推动制造模式由单件生产模式大批量生产模式多品种中小批量生产模式变品种变批量生产模式变革null刚性自动化制造系统!柔性自动化制造系统以及智能自动化制造系统是制造技术不同发展阶段的主要标志null自动化制造系统是自动化与制造的融合体null是先进制造技术的主要研究内容null自动化与制造是驱动自动化制造系统发展的两个轮子null不能忽视任何一个侧面null控制技术和自动化都是萌生于制造业的沃土null自动化的新理论!新方法和新技术的生长
36、点蕴藏在先进制造技术的应用中null自动化研究与制造技术研究紧密结合是发展先进制造技术的必由之路null参 考 文 献null null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnulln
37、ullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull null nullnullnullnull 示村悦二郎#自动制御源流#计测制御nullnullnullnullnullnull24nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull# nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull# null null nullnull null nullnullnul
38、lnullnullnullnullnullnullnull 中国大百科全书5机械工程6编辑委员会null中国大百科全书null机械工程卷null北京null中国大百科全书出版社nullnullnullnullnullnull 中国大百科全书null5自动控制与系统工程卷6编辑委员会null中国大百科全书null自动控制与系统工程卷null北京null中国大百科全书出版社nullnullnullnullnullnullnullnull信 息 与 控 制nullnull卷 null 王雨田null控制论!信息论!系统科学与哲学null北京null中国人民大学出版社nullnullnullnulln
39、ullnull nullnullnullnullnullnull 2nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull
40、nullnull nullnullnullnullnullnull 孙大涌主编null先进制造技术null北京null机械工业出版社nullnullnullnullnullnull 刘飞等编著nullnullnull 制造自动化null北京null机械工业出版社nullnullnullnullnullnullnull 张 曙null先进制造技术讲座null机电一体化nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 袁清河null吕传毅null赵汝嘉null先进制造系统及nullnull世纪制造业的研究null我国先进制造
41、技术发展战略学术研讨会论文集null上海nullnullnullnullnullnullnull 福田好朗#生产nullnullnull轨迹#精密工学nullnullnullnullnullnull65nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 杨叔子null丁洪null智能制造技术与智能制造系统的发展与研究null中国机械工程nullnullnullnullnullnull3nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 赵东标null朱剑英null智能制造技术与系统的发展与研究null中国机械工程nullnulln
42、ullnullnullnull10nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 藤田信幸# nullnullnull组立nullnullnull#日本nullnull学会志nullnullnullnullnullnull15nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 国家自然科学基金委员会#先进制造技术基础null北京null高等教育出版社null柏林nullnullnullnullnullnullnullnullnull出版社nullnullnullnullnullnullnull 宋 健null智
43、能控制)超越世纪的目标null自动化博览nullnullnullnullnullnull17nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull2nullnullnull nullnullnull null nullnull2nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull
44、 nullnullnullnull nullnullnull2nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnull2nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnul
45、lnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nulln
46、ullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nulln
47、ullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nulln
48、ullnullnull2nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnu
