智能制造技术与系统的发展与研究

智能制造技术与系统的发展与研究

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赵东标　副教授

赵东标　朱剑英

摘要　介绍智能制造技术与智能制造系统产生的背景与科学意义,分析

国内外的发展现状与关键问题。讨论智能制造技术及系统与人工智能、计算机

集成制造系统的关系。提出发展先进智能制造系统所必须解决的关键技术基础,强调人的智能在制造系统中的重要作用。未来智能制造系统必然是以高度的集成化和智能化为特征的自动化制造系统。

关键词　智能制造　人工智能　计算机集成制造　机械制造

中国图书资料分类法分类号　TP403

*国家自然科学基金资助项目(59505001),航空科学基金资助项目(97H52072)

收稿日期:1998—05—18 修回日期:1999—05—27

1　智能制造提出的背景

制造业是国民经济的基础工业部门,是决定国家发展水平的最基本因素之一。从机械制造业发展的历程来看,经历了由手工制作、泰勒化制造、高度自动化、柔性自动化和集成化制造、并行规划设计制造等阶段。就制造自动化而言,大体上每十年上一个台阶:50～60年代是单机数控,70年代以后则是CNC 机床及由它们组成的自动化岛,80年代出现了世界性的柔性自动化热潮。与此同时,出现了计算机集成制造,但与实用化相距甚远。

随着计算机的问世与发展,机械制造大体沿两条路线发展:一是传统制造技术的发展,二是借助计算机和自动化科学的制造技术与系统的发展。80年代以来,传统制造技术得到了不同程度的发展,但存在着很多问题。先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺和系统的设计人员和管理人员提出了新的挑战,传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题,这就促使我们借助现代的工具和方法,利用各学科最新研究成果,通过集成传统制造技术、计算机技术与科学以及人工智能等技术,发展一种新型的制造技术与系统,这便是智能制造技术(Intelligent M anufacturing Technolo gy ,IM T )与智能制造系统(Intellig ent M anufacturing Sy stem,IMS)[1]

。

90年代以后,世界各国竞相大力发展IMT 和

IMS 的深层次原因有:

(1)集成化离不开智能　制造系统是一个复杂

的大系统,其中有多年积累的生产经验,生产过程中的人—机交互作用,必须使用的智能机器(如智能机器人)等。脱离了智能化,集成化也就不能完美地实现。

(2)机器智能化比较灵活　可以选择系统智能化,也可以选择单机智能化;单机可发展一种智能,也可发展几种智能;无论在系统中或单机上,智能化均可工作,不像集成制造系统,只有全系统集成才可工作。

(3)智能化的经济效益较高　现有的计算机集成制造系统(Com puter Integr ated M anufacturing System ,CIMS )少则投资数千万元,多则投资数亿元乃至数十亿元,很少有企业能承担得起,而且投入正常运行的很少,维护费用也高,还要废弃原有的设备,难以推广。

(4)白领化使得有丰富经验的机械工人和技术人员日益缺少　产品制造技术越来越复杂,促使使用人工智能和知识工程技术来解决现代化的加工问题。

(5)工厂生产率的提高更多地取决于生产管理和生产自动化　人工智能与计算机管理相结合,使得不懂计算机的人也能通过视觉、对话等智能手段实现生产管理的科学化。

2　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,对制造问题进行分析、判断、推理、构思和决策,旨在取

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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[1]。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分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;º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,IMT和IMS的研究方向已从最初的人工智能在制造领域中的应用(AiM)发展到今天的IMS,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IM S国际合作研究计划对IMS 的解释可以看出[1],IMS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IM 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IM S计划的基本观点如下:¹IM S是21世纪的制造系统,必须开发与之相适应的制造技术;º应对这些技术进行组织化和系统化;»加强技术的标准化;¼考虑人的因素;½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;º选择原则;»评价程序;¼执行准则。由国际IM S中心成员提出的首批10项研究课题是¹企业集成;º全球制造;»系统单元技术;¼清洁制造技术;½人与组织研究;¾先进的材料加工技术;¿全球并行工程(评估和实施);À自主模块的系统设备与分布控制;Á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(NSF)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(m ulti-ag ent)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[2]。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;º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;»强调全球化制造网络的生产制造技术,通过卫星、Inter net和数字电话网络实现全球制造;¼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。½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。

IMT与IM 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;ºIM S是一个集成许多工厂和多种机器设备的混合系统;»具备满足各种社会需求的柔性;¼能充分发挥人的作用;½易于操作;¾总效率高;¿能避免重复投资等。

3　人工智能与IM T、IM S

人工智能的研究,一开始就未能摆脱制造机器生物的思想,即“机器智能化”。这种以“自主”系统为目标的研究路线,严重地阻碍了人工智能研究的进展[3]。许多学者已意识到这一点,Feigenbaum、New ell、钱学森从计算机角度出发,提出了人与计算机相结合的智能系统概念。目前国外对多媒体及虚拟技术研究进行大量投资,以及日本第五代智能计算机研制计划的搁浅等事例,就是智能系统研究目标有所改变的明证。

人工智能技术在机械制造领域中的应用涉及市场分析、产品设计、生产规划、过程控制、质量管

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