《先進(jìn)制造技術(shù)》課件第3章

第3章計(jì)算機(jī)輔助與綜合自動(dòng)化技術(shù)3.1CAD/CAPP/CAM一體化技術(shù)3.2制造模擬仿真技術(shù)3.3工業(yè)機(jī)器人(IndustrialRobot)3.4柔性制造系統(tǒng)3.5虛擬軸機(jī)床技術(shù)3.6生產(chǎn)物流技術(shù)

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了制造技術(shù)向更深層次的發(fā)展，自20世紀(jì)50年代以來，NC、CNC、DNC、FMC、CAD、CAM、CAPP等新的制造技術(shù)相繼出現(xiàn)。作為對(duì)這些技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果，自20世紀(jì)70年代起，F(xiàn)MC徹底改變了制造技術(shù)的內(nèi)涵，更進(jìn)一步發(fā)展了CIMS技術(shù)，使制造自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。市場(chǎng)的變化迫使制造自動(dòng)化技術(shù)向更加實(shí)用和柔性化的方向發(fā)展，以適應(yīng)小批量、高效率、低成本的制造，從而滿足產(chǎn)品不同生命周期動(dòng)態(tài)變化的需要。

在機(jī)械制造領(lǐng)域中，全球化經(jīng)濟(jì)的形成對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度以及產(chǎn)品的生產(chǎn)周期都提出了越來越高的要求。這也要求必須采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)才能符合時(shí)代的需求。計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)相互結(jié)合、滲透，就產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造(ComputerAidedDesignandManufacturing)技術(shù)，簡稱CAD/CAM。3.1CAD/CAPP/CAM一體化技術(shù)3.1.1CAD技術(shù)

1．概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是近幾十年來形成的一門新興學(xué)科?，F(xiàn)在，CAD技術(shù)已應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，大至航空航天、造船、汽車、工程建筑、機(jī)械、電氣，小至紡織印染業(yè)的花色設(shè)計(jì)、服裝裁剪等。而在機(jī)械設(shè)計(jì)工作應(yīng)用CAD之前，是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求，參考各種資料、計(jì)算公式，考慮采用的加工方法及生產(chǎn)設(shè)備條件，類比相似或同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，由人來構(gòu)思，擬訂產(chǎn)品的初步方案，進(jìn)行多次反復(fù)的計(jì)算分析、綜合比較，選定在經(jīng)濟(jì)性、工藝性及可靠性等方面較為合理、完善的方案，根據(jù)這個(gè)初步設(shè)計(jì)繪制設(shè)計(jì)圖紙并編制有關(guān)文件資料。這種傳統(tǒng)的由人完成的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般難以做到最終設(shè)計(jì)即優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長?，F(xiàn)在，只有使自己的新產(chǎn)品研制周期短、質(zhì)量高、價(jià)格低，企業(yè)才能在國際國內(nèi)市場(chǎng)的激烈競爭中生存和發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)便是根據(jù)這種需要而誕生的。

究竟什么是CAD？CAD技術(shù)可以從兩個(gè)角度給予定義。

(1)

CAD是一個(gè)過程?！肮こ碳夹g(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，運(yùn)用各自的專業(yè)知識(shí)，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)造、分析和修改，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。”

(2)

CAD是一項(xiàng)產(chǎn)品建模技術(shù)?！癈AD技術(shù)把產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，并將之存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)供后續(xù)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)所共享，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生命周期的全過程。”

圖3-1所示為CAD技術(shù)整個(gè)過程的流程圖。

圖3-1CAD技術(shù)過程流程

CAD的功能一般可歸納為四類：幾何建模、工程分析、動(dòng)態(tài)模擬、自動(dòng)繪圖。一個(gè)完整的CAD系統(tǒng)，由科學(xué)計(jì)算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫等組成?？茖W(xué)計(jì)算包括有限元分析、可靠性分析、動(dòng)態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。圖形系統(tǒng)包括幾何造型、自動(dòng)繪圖(二維工程圖、三維實(shí)體圖)和動(dòng)態(tài)仿真等。工程數(shù)據(jù)庫對(duì)設(shè)計(jì)過程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

要很好地應(yīng)用CAD技術(shù)，除了要掌握一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)外，還必須具備相應(yīng)的豐富的工程背景。這些背景知識(shí)是長期工作經(jīng)驗(yàn)的積累，大多數(shù)人不具備這樣的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)這樣的經(jīng)驗(yàn)很難長久地保留下去。于是，有人就考慮如何使這些經(jīng)驗(yàn)得到更廣泛的傳播和應(yīng)用，專家系統(tǒng)是一個(gè)比較好的解決辦法。CAD的開發(fā)人員研究將人工智能和專家系統(tǒng)加入CAD中，以大大提高設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平，降低對(duì)設(shè)計(jì)人員背景知識(shí)的要求。

2．CAD系統(tǒng)的組成

典型的CAD系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-2所示。當(dāng)然，對(duì)于不同類型產(chǎn)品的不同要求，所需的CAD系統(tǒng)硬件也會(huì)有所不同。

圖3-2CAD系統(tǒng)的組成目前的CAD根據(jù)所用計(jì)算機(jī)的規(guī)格性能，大致分為以下四個(gè)層次。

(1)基于大中型計(jì)算機(jī)的CAD系統(tǒng)。所需投資費(fèi)用較昂貴，只有大的公司、企業(yè)才承擔(dān)得起。例如，在大型汽車制造公司，可采用這種系統(tǒng)進(jìn)行車身外形、車體及底盤結(jié)構(gòu)、模具等的設(shè)計(jì)。它可以模擬車輛在各種條件下的狀態(tài)，分析車輛的安全性及其它性能。通過在屏幕顯示，設(shè)計(jì)人員可對(duì)車身或模具任意部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，直至滿意，然后輸出設(shè)計(jì)圖紙及全套技術(shù)文件。

(2)成套系統(tǒng)。它是基于中小型計(jì)算機(jī)的CAD系統(tǒng)，由CAD供應(yīng)商根據(jù)企業(yè)要求提供全部硬件及軟件，企業(yè)人員只要經(jīng)過培訓(xùn)即可投入使用。

(3)基于工作站的CAD系統(tǒng)。它具有較強(qiáng)的圖形及網(wǎng)絡(luò)功能。

(4)基于微機(jī)的CAD系統(tǒng)。微機(jī)價(jià)格低廉，配以圖形顯示終端、繪圖機(jī)、打印機(jī)及圖形輸入板(數(shù)字化儀)等，就能構(gòu)成一個(gè)基本的CAD工作站。它可以滿足初步的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)要求。目前微機(jī)的價(jià)格低，而性能接近早期的工作站。所以，目前發(fā)展以微機(jī)為基礎(chǔ)的CAD，使眾多的中小型企業(yè)能開展針對(duì)本企業(yè)產(chǎn)品的CAD，有很大的意義。

微機(jī)也有其固有的弱點(diǎn)，如內(nèi)存有限，大型程序的運(yùn)行有一定的困難，數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理的功能不夠強(qiáng)，特別是圖形功能不如工作站系統(tǒng)。故基于微機(jī)的CAD的應(yīng)用有一定局限性。3.1.2CAPP技術(shù)

1．CAPP的產(chǎn)生

CAPP是計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(ComputerAidedPressPlanning)的簡稱。工藝設(shè)計(jì)是生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的第一步，也是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁。工藝規(guī)程是進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)制造和決定零件加工方法及加工路線的主要依據(jù)，它對(duì)組織生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、縮短生產(chǎn)周期及改善勞動(dòng)條件都有直接的影響，因此是生產(chǎn)中的關(guān)鍵工作。

工藝設(shè)計(jì)必須分析和處理大量的信息，既要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖上有關(guān)結(jié)構(gòu)形狀、尺寸公差、材料及熱處理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有關(guān)加工方法、加工設(shè)備、生產(chǎn)條件、加工成本及工時(shí)定額，甚至傳統(tǒng)習(xí)慣等方面的信息。工藝設(shè)計(jì)包括查閱資料和手冊(cè)，確定零件的加工方法，安排加工路線，選擇設(shè)備、工裝、切削參數(shù)，計(jì)算工序尺寸，繪制工序圖，填寫工藝卡片和表格文件等工作。

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)為工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)能有效地管理大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計(jì)算，進(jìn)行各種形式的比較和選擇，自動(dòng)繪圖，編制表格文件和提供便利的編輯手段等。這些優(yōu)勢(shì)正是工藝設(shè)計(jì)所需要的，于是計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)便應(yīng)運(yùn)而生。

CAPP是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在工藝人員較少的參與下，完成過去完全由人工進(jìn)行的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)工作的一項(xiàng)技術(shù)。CAPP系統(tǒng)不但能利用工藝人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和各種工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的決策，自動(dòng)生成工藝規(guī)程，還能自動(dòng)計(jì)算工藝尺寸，繪制工序圖，選擇切削參數(shù)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)出一致性良好、高質(zhì)量的工藝規(guī)程。另外，由于計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的信息可以反復(fù)利用，從而大大提高了工藝設(shè)計(jì)的效率。

2．CAPP的類型

CAPP系統(tǒng)按其工作原理可分為派生式、創(chuàng)成式和混合式三類。

1)派生式CAPP系統(tǒng)

根據(jù)成組技術(shù)相似性原理，如果零件的結(jié)構(gòu)形狀相似，則它們的工藝規(guī)程也有相似性。對(duì)于每一個(gè)相似零件組，可采用一個(gè)公共的制造方法來加工。這種公共的制造方法以標(biāo)準(zhǔn)工藝的形式出現(xiàn)，它可以集中專家、工藝人員的集體智慧和經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)制訂出來，然后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)為一個(gè)新零件設(shè)計(jì)工藝規(guī)程時(shí)，從計(jì)算機(jī)中檢索標(biāo)準(zhǔn)工藝文件，然后經(jīng)過一定的編輯和修改就可以得到該零件的工藝規(guī)程。

當(dāng)一個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的大多數(shù)零件相似程度較高，劃分成的零件族數(shù)較少，而每族中包括的零件種數(shù)很多時(shí)，該方式有明顯的優(yōu)點(diǎn)。該方式存在的問題是不能擺脫對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的工藝編制人員的依賴，不易適應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)條件的發(fā)展。

2)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)

創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是指由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)加工能力知識(shí)庫和工藝數(shù)據(jù)庫中加工工藝信息和各種工藝決策邏輯，自動(dòng)設(shè)計(jì)出零件的工藝規(guī)程。該系統(tǒng)的原理是讓計(jì)算機(jī)模擬工藝人員的邏輯思維能力，自動(dòng)進(jìn)行各種決策，選擇零件的加工方法，安排工藝路線，選擇機(jī)床、刀具、夾具，計(jì)算切削參數(shù)和加工時(shí)間、加工成本，以及對(duì)工藝過程進(jìn)行優(yōu)化。人的任務(wù)僅在于監(jiān)督計(jì)算機(jī)的工作，并在計(jì)算機(jī)決策過程中做一些簡單問題的處理，對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行判斷和評(píng)估等。

要實(shí)現(xiàn)完全創(chuàng)成式的CAPP系統(tǒng)，必須解決幾個(gè)關(guān)鍵問題：零件信息要以計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式完全準(zhǔn)確的描述；要收集大量的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)和工藝規(guī)程決策邏輯等。目前，要解決這些問題在技術(shù)上還有一定的困難。因此，現(xiàn)在還沒有一種真正意義上的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。

3)混合式CAPP系統(tǒng)

混合式CAPP系統(tǒng)是將派生式和創(chuàng)成式互相結(jié)合，綜合采用兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。它沿用派生式為主的檢索——編輯原理；當(dāng)零件不能歸入系統(tǒng)已存在的零件族時(shí)，則轉(zhuǎn)向創(chuàng)成式工藝設(shè)計(jì)，或在工藝編輯時(shí)引入創(chuàng)成式的決策邏輯原理。目前世界各國研制出的號(hào)稱創(chuàng)成式的CAPP系統(tǒng)，實(shí)際都屬于這一類型，它們僅具有有限的創(chuàng)成功能。

評(píng)價(jià)一個(gè)CAPP系統(tǒng)水平的高低，不在于創(chuàng)成的決策數(shù)目多少，而在于能否不依賴于工藝人員的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)可靠地編制出高質(zhì)量的工藝規(guī)程。企業(yè)開發(fā)CAPP系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)針對(duì)自己的產(chǎn)品和生產(chǎn)條件，從實(shí)際需求與效果出發(fā)，處理好“創(chuàng)成”、“檢索”、“選擇”、“規(guī)定”的關(guān)系。

3．CAPP的發(fā)展趨勢(shì)和存在的問題

CAPP技術(shù)從20世紀(jì)60年代末誕生以來，其研究開發(fā)工作一直在國內(nèi)外蓬勃發(fā)展，而且逐漸引起人們的重視。遺憾的是，盡管國內(nèi)外在各種機(jī)加工工藝CAPP以及智能化、集成化方面取得了很大成績，但應(yīng)用基礎(chǔ)還不很牢固，研究開發(fā)方向也和當(dāng)前的實(shí)際需求有較大差距。CAPP系統(tǒng)的開發(fā)研究中仍存在著許多有待解決的問題。

1)存在的問題

(1)零件信息的描述與輸入問題。實(shí)際上就是一個(gè)CAD與CAPP的集成問題，它直接關(guān)系到CAPP系統(tǒng)能否真正實(shí)用化和商品化。事實(shí)證明，在CAD系統(tǒng)出圖紙后，由CAPP系統(tǒng)使用者對(duì)照已有的圖紙手工再次輸入零件信息的方法，在生產(chǎn)中是不受歡迎的。

(2)

CAPP系統(tǒng)的通用性問題。工藝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)個(gè)性很強(qiáng)的工作，由于工藝決策問題本身的復(fù)雜性，其制約的因素很多且不易把握，導(dǎo)致設(shè)計(jì)CAPP系統(tǒng)十分費(fèi)力費(fèi)時(shí)。想解決CAPP系統(tǒng)的通用性問題，就必須解決CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方法上的許多基礎(chǔ)問題，解決工藝設(shè)計(jì)過程中的大量規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的問題。

(3)

CAPP系統(tǒng)的柔性問題。CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，CAPP開發(fā)者應(yīng)向用戶提供多種設(shè)計(jì)手段，以滿足用戶的不同需求。

(4)工藝決策數(shù)據(jù)與知識(shí)的獲取、表達(dá)和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫的建造問題。如何組織和管理這些信息，并便于擴(kuò)充和維護(hù)，使之適用于各種不同企業(yè)和產(chǎn)品，是CAPP系統(tǒng)需迫切解決的問題。

(5)探索和研究有效的工藝決策方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題。

(6)工序尺寸的自動(dòng)確定和工序圖自動(dòng)生成問題。

以上這些問題束縛了CAPP技術(shù)的發(fā)展。

2)

CAPP系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

縱觀先進(jìn)制造技術(shù)與先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展可以看出，未來的制造業(yè)是集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“網(wǎng)絡(luò)化”制造，未來的產(chǎn)品是基于信息和知識(shí)的產(chǎn)品，而CAPP系統(tǒng)的智能化、集成化和廣泛應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝過程信息化的前提，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造全過程集成的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)之一。

(1)集成化趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)集成制造是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，未來的CAPP系統(tǒng)除了與CAD和CAM集成以外，還應(yīng)能與制造自動(dòng)化系統(tǒng)MAS、管理信息系統(tǒng)MIS以及質(zhì)量檢測(cè)與控制系統(tǒng)CAQ等集成，這種集成已不是普通意義上的集成，而是統(tǒng)一在工程數(shù)據(jù)庫上的集成。近幾年，人們還提出了面向并行工程的CAPP系統(tǒng)等，在CIMS環(huán)境下，CAPP系統(tǒng)接收來自CAD的產(chǎn)品總體信息、幾何結(jié)構(gòu)信息以及精度、粗糙度等工藝信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，并向CAD反饋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝評(píng)價(jià)結(jié)果；向CAM提供零件加工所需的設(shè)備、工裝、切削參數(shù)、裝夾參數(shù)和數(shù)控加工指令，并接受CAM反饋的工藝修改意見；向MIS提供工藝路線、設(shè)備、工裝、工時(shí)、材料定額等信息，并接受MIS發(fā)出的技術(shù)準(zhǔn)備計(jì)劃、原材料庫存、刀量具狀況、設(shè)備變更等信息；向MAS提供各種工藝規(guī)程文件以及夾具、刀具等信息，并接受MAS的刀具使用報(bào)告和工藝修改意見；向CAQ提供工序、設(shè)備、工裝等工藝數(shù)據(jù)，以及生成質(zhì)量控制計(jì)劃和質(zhì)量檢測(cè)規(guī)程，接受CAQ反饋的控制數(shù)據(jù)，用以修改工藝規(guī)程。

(2)工具化趨勢(shì)。通用性問題是CAPP系統(tǒng)面臨的最主要的難點(diǎn)之一，也是制約CAPP系統(tǒng)實(shí)用化和商品化的一個(gè)重要因素。為解決生產(chǎn)實(shí)際中變化多端的問題，力求使CAPP系統(tǒng)也像CAD系統(tǒng)那樣具有通用性，有人提出了CAPP專家系統(tǒng)建造工具的思路。工具化思想主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①工藝設(shè)計(jì)的共性與個(gè)性分開處理，使CAPP系統(tǒng)各工藝設(shè)計(jì)模塊與系統(tǒng)所需的工藝數(shù)據(jù)與知識(shí)或規(guī)則完全獨(dú)立。工藝設(shè)計(jì)的共性問題由系統(tǒng)開發(fā)者完成，即將推理控制策略和一些公用的算法固定于源程序中，并建立公用工藝數(shù)據(jù)與知識(shí)庫。個(gè)性問題由用戶根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)充和修改。

②工藝決策方式多樣化。系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)是通過推理機(jī)實(shí)現(xiàn)的，單一的推理控制策略不能滿足用戶的需要，系統(tǒng)應(yīng)能給用戶提供多種工藝設(shè)計(jì)方法。

③具有功能強(qiáng)大、使用方便和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與知識(shí)庫管理平臺(tái)。④智能化輸出。系統(tǒng)除了可按標(biāo)準(zhǔn)格式輸出各種工藝文件外，還可輸出由用戶自定義的工藝文件。

(3)智能化趨勢(shì)。CAPP所涉及的是典型的跨學(xué)科的復(fù)雜問題，不僅業(yè)務(wù)內(nèi)容廣泛、性質(zhì)各異，而且許多決策大大依賴于專家個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和技巧。另一方面，制造業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的差別也非常顯著，要求CAPP系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。依靠傳統(tǒng)的過程性軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，如利用判定表或判定樹進(jìn)行工藝決策軟件的設(shè)計(jì)等，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際對(duì)CAPP的需求。而專家系統(tǒng)技術(shù)以及其他人工智能技術(shù)在獲取、表達(dá)和處理各種知識(shí)的靈活性和有效性方面給CAPP的發(fā)展帶來了生機(jī)。

目前人工智能技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于各種類型的CAPP系統(tǒng)之中，還有將人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論、遺傳算法、模糊理論、黑板推理與實(shí)例推理等方法用于CAPP系統(tǒng)的開發(fā)中。3.1.3CAM技術(shù)

CAM是計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing)的簡稱，是指任何在計(jì)算機(jī)控制下的自動(dòng)化控制過程。它源于20世紀(jì)40年代末到50年代數(shù)控機(jī)器的發(fā)展。1952年研制成功數(shù)控機(jī)床，1955年在通用計(jì)算機(jī)上研制成功自動(dòng)編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程的自動(dòng)化，這標(biāo)志著柔性制造時(shí)代的開始，成為CAM硬軟件的開端。

CAM的定義有廣義和狹義之分。廣義的CAM是指利用計(jì)算機(jī)輔助完成從原材料到產(chǎn)品的全部制造過程，其中包括直接制造和間接制造兩個(gè)過程，涉及計(jì)算機(jī)輔助制造的環(huán)境，輔助設(shè)計(jì)和輔助制造的銜接，計(jì)算機(jī)輔助零件信息分類和編碼的成組技術(shù)(GT)，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃(CAPP)，計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)(CNC)，計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理和質(zhì)量控制，計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程，計(jì)算機(jī)加工過程仿真，數(shù)控加工工藝，計(jì)算機(jī)加工過程監(jiān)控等。從狹義講，CAM就是計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械加工(ComputerAidedMachining)，更明確地講也就是數(shù)控加工，它的輸入信息是零件的工藝路線和工序的內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和數(shù)控加工程序，其核心是數(shù)控編程和數(shù)控加工工藝的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助制造是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分和基礎(chǔ)內(nèi)容，而數(shù)控編程和數(shù)控加工則是計(jì)算機(jī)輔助制造的核心內(nèi)容。

CAM的應(yīng)用分為CAM直接應(yīng)用和CAM間接應(yīng)用兩大類。

1)

CAM直接應(yīng)用

CAM的直接應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)直接與制造過程連接，對(duì)制造過程進(jìn)行監(jiān)控和控制。這類應(yīng)用可以分為計(jì)算機(jī)過程監(jiān)視系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)兩種。

(1)計(jì)算機(jī)過程監(jiān)視系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通過與制造系統(tǒng)的直接接口來監(jiān)視系統(tǒng)的制造過程及其輔助裝備的工作情況，并隨時(shí)采集制造過程中的數(shù)據(jù)，以監(jiān)視制造系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。但在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)并不直接對(duì)制造系統(tǒng)的制造過程中的各個(gè)工序進(jìn)行控制，這些控制工作將由系統(tǒng)的操作者根據(jù)計(jì)算機(jī)給出的信息去手工完成，例如數(shù)顯系統(tǒng)、坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)、切削力實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)等。

(2)計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)不僅對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，而且還對(duì)制造系統(tǒng)的制造過程和輔助裝備實(shí)行控制，如數(shù)控機(jī)床上的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制就屬于此類。

2)

CAM間接應(yīng)用

CAM的間接應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)不直接與制造過程連接，只是用計(jì)算機(jī)作為制造過程的支持。此時(shí)，計(jì)算機(jī)是“離線”或“脫機(jī)”的，它只是用來提供生產(chǎn)計(jì)劃、作業(yè)調(diào)度計(jì)劃、發(fā)出指令及有關(guān)信息，以便使生產(chǎn)資源的管理更為有效。這些支持包括：

計(jì)算機(jī)輔助NC編程——為NC機(jī)床準(zhǔn)備加工零件用的控制程序。

計(jì)算機(jī)輔助編制物料需求計(jì)劃——計(jì)算機(jī)用于確定原材料和外購件的采購和訂貨時(shí)間以及確定完成生產(chǎn)計(jì)劃所需訂購的數(shù)量。計(jì)算機(jī)輔助車間控制——計(jì)算機(jī)用于收集和整理工廠數(shù)據(jù)，并確定各不同車間進(jìn)度計(jì)劃。3.1.4CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)

1.CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)概述

CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)是一項(xiàng)利用計(jì)算機(jī)幫助人完成設(shè)計(jì)與制造任務(wù)的新技術(shù)。它是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造工程技術(shù)的發(fā)展和需求，從早期的CAD、CAPP、CAM技術(shù)發(fā)展演進(jìn)而來的。這種技術(shù)將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造彼此相對(duì)分離的任務(wù)作為一個(gè)整體來規(guī)劃和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息處理的高度一體化。同時(shí)，它也是制造自動(dòng)化技術(shù)的方向——CIMS的主要組成部分。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，而實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成是實(shí)現(xiàn)CIMS的重要條件。

CAD/CAPP/CAM集成是指將計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)以及零件加工等有關(guān)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳遞和轉(zhuǎn)換的技術(shù)。CAD、CAPP和CAM分別在產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化、工藝過程設(shè)計(jì)自動(dòng)化和數(shù)控編程自動(dòng)化方面起到了重要作用。但是，這些各自獨(dú)立的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動(dòng)傳遞和交換。用CAD系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果，只能輸出圖紙和有關(guān)的技術(shù)文檔，這些信息不能直接為CAPP系統(tǒng)所接受。進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)時(shí)，還需由人工將這些圖樣、文檔等紙面上的文件轉(zhuǎn)換成CAPP系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)，并通過人機(jī)交互的方式輸入給CAPP系統(tǒng)進(jìn)行處理，輸出零件加工的工藝規(guī)程。利用獨(dú)立的CAM系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程時(shí)，同樣需要用人工將CAD或CAM輸出的紙面文件轉(zhuǎn)換成CAM系統(tǒng)所需的輸入文件和數(shù)據(jù)，然后再輸入CAM系統(tǒng)。

由于各獨(dú)立系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息需經(jīng)人工轉(zhuǎn)換，這不但影響工程設(shè)計(jì)效率的進(jìn)一步提高，而且在人工轉(zhuǎn)換過程中難免發(fā)生錯(cuò)誤，將給生產(chǎn)帶來極大的危害。為此，人們自20世紀(jì)70年代起，就開始研究CAD、CAPP和CAM之間的數(shù)據(jù)和信息的自動(dòng)化傳遞與轉(zhuǎn)換的問題，即CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)。目前，這一技術(shù)在國內(nèi)外均已取得了很大的進(jìn)展，達(dá)到了實(shí)用的水平。

2．CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成方式

CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成是通過不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射和數(shù)據(jù)交換，利用各種接口將CAD/CAPP/CAM的各應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫連接成一個(gè)集成化的整體。CAD/CAPP/CAM的集成涉及網(wǎng)絡(luò)集成、功能集成和信息集成等諸多方面，其中信息集成是CAD/CAPP/CAM集成的核心。目前CAD／CAM信息集成一般可由如下三種方式實(shí)現(xiàn)。

(1)通過專用格式文件的集成方式。在這種方式下，對(duì)于相同的開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，可在各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)確定數(shù)據(jù)格式的文件層次上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)；而在不同的開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境下，則需要在各系統(tǒng)與專用數(shù)據(jù)文件之間開發(fā)專用的轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行前置或后置處理，其集成方法如圖3-3所示。該數(shù)據(jù)交換方式原理簡單，轉(zhuǎn)換接口程序易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行效率高，但無法實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)的安全性和可維護(hù)性較差。

F—前處理器；R—后處理器

圖3-3通過專用格式文件的集成方式

(2)通過標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件的集成方式。在這種方式下，采用統(tǒng)一格式的中性數(shù)據(jù)文件作為系統(tǒng)集成的工具，各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)通過前置或后置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的傳輸，其實(shí)現(xiàn)方式如圖3-4所示。在這種集成方法中，每個(gè)子系統(tǒng)只與標(biāo)準(zhǔn)格式的中性數(shù)據(jù)文件打交道，無需知道另外的系統(tǒng)細(xì)節(jié)，由此減少了集成系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換接口數(shù)，并降低了接口維護(hù)難度，便于應(yīng)用者的開發(fā)和使用，是目前CAD/CAM集成系統(tǒng)應(yīng)用較多的方法之一，許多圖形系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就是采用中性的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件，如IGES、DXF等。

(3)利用公共工程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)集成。這是一種較高層次的數(shù)據(jù)共享和集成方法，各子系統(tǒng)通過用戶接口按工程數(shù)據(jù)庫要求直接存取或操作數(shù)據(jù)庫。采用工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，既可實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間直接的交換，加快了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，又可集成系統(tǒng)而達(dá)到真正的數(shù)據(jù)一致、準(zhǔn)確性、及時(shí)性和共享性。該集成方法原理如圖3-5所示。

F—前處理器；R—后處理器

圖3-4通過標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件的集成方式圖3-5利用工程數(shù)據(jù)庫的集成方式

3．CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成就是按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際進(jìn)程，在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用程序所需的信息處理和交換，形成連續(xù)的、協(xié)調(diào)的和科學(xué)的信息流。因而，產(chǎn)生公共信息的產(chǎn)品造型技術(shù)、存儲(chǔ)和處理公共信息的工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口技術(shù)、對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理、對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的通信和數(shù)據(jù)等，構(gòu)成了CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)的實(shí)施水平將成為衡量CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成度高低的主要依據(jù)。

1)產(chǎn)品建模技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)信息的高度集成，產(chǎn)品建模是非常重要的。一個(gè)完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)進(jìn)行信息集成的基礎(chǔ)，也是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中共享數(shù)據(jù)的核心。傳統(tǒng)的基于實(shí)體造型的CAD系統(tǒng)僅僅是產(chǎn)品幾何形狀的描述，缺乏產(chǎn)品制造工藝信息，從而造成設(shè)計(jì)與制造信息彼此分離，導(dǎo)致CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的困難。將特征概念引入CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)，建立CAD/CAPP/CAM范圍內(nèi)相對(duì)統(tǒng)一的、基于特征的產(chǎn)品定義模型，該模型不僅支持從設(shè)計(jì)到制造各階段所需的產(chǎn)品定義信息(信息包括幾何信息、工藝信息和加工制造信息等)，而且還提供符合人們思維方式的高層次工程描述語言特征，能使設(shè)計(jì)和制造工程師用相同的方式考慮問題。它允許用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足設(shè)計(jì)和制造的需要，這就為CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)和制造之間相互通信和相互理解的基礎(chǔ)，使之真正實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的一體化。因而就目前而言，基于特征的產(chǎn)品定義模型是解決產(chǎn)品建模關(guān)鍵技術(shù)的比較有效的途徑。

2)集成的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

隨著CAD/CAPP/CAM技術(shù)的自動(dòng)化、集成化、智能化和柔性化程度的不斷提高，集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫已滿足不了上述要求。CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成應(yīng)努力建立能處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工程數(shù)據(jù)處理環(huán)境，使CAD/CAPP/CAM各子系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，盡量避免數(shù)據(jù)文件和格式轉(zhuǎn)換，清除數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)的一致性、安全性和保密性。采用工程數(shù)據(jù)庫方法將成為開發(fā)新一代CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的主流，也是系統(tǒng)進(jìn)行集成的核心。3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)

數(shù)據(jù)交換的任務(wù)是在不同的計(jì)算機(jī)之間、不同操作系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)庫之間和不同應(yīng)用軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了克服以往各種CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)之間，甚至各功能模塊之間在開發(fā)過程中的孤島現(xiàn)象，統(tǒng)一它們的機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)表示格式，使不同系統(tǒng)間、不同模塊間的數(shù)據(jù)交換順利進(jìn)行，充分發(fā)揮用戶應(yīng)用軟件的效益，提高CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的生產(chǎn)率，必須制定國際性的數(shù)據(jù)交換規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開發(fā)各類系統(tǒng)接口。有了這種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，產(chǎn)品數(shù)據(jù)才能在各系統(tǒng)之間方便、流暢地傳輸。

4)集成的執(zhí)行控制程序

由于CAD/CAPP/CAM集成化系統(tǒng)的程序規(guī)模大、信息源多、傳輸路徑不一，以及各模塊的支撐環(huán)境多樣化，因而沒有一個(gè)對(duì)系統(tǒng)的資源統(tǒng)一管理、對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序是無法實(shí)現(xiàn)的。這種執(zhí)行控制程序是系統(tǒng)集成的最基本要素之一。它的任務(wù)是把各個(gè)相關(guān)模塊組織起來，按規(guī)定的運(yùn)行方式完成規(guī)定的作業(yè)，并協(xié)調(diào)各模塊之間的信息傳輸，提供統(tǒng)一的用戶界面，進(jìn)行故障處理等工作。

3.2.1模擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵

仿真(Simulation)顧名思義就是模擬真實(shí)系統(tǒng)，即是通過對(duì)模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)工程過程進(jìn)行仿真建模、數(shù)值模擬、結(jié)果顯示與處理的技術(shù)，也就是通常所說的CAE技術(shù)。它是CAD/CAM系統(tǒng)的重要組成部分。3.2制造模擬仿真技術(shù)對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說，仿真建模主要是用現(xiàn)代力學(xué)的理論和方法對(duì)產(chǎn)品的使用過程、生產(chǎn)過程及事故過程等進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并根據(jù)數(shù)值模擬方法的要求將所涉及的工程過程的幾何、物理等參數(shù)進(jìn)行量化。

數(shù)值模擬是根據(jù)仿真模型的特點(diǎn)選擇合適的數(shù)值求解技術(shù)，對(duì)仿真過程進(jìn)行求解；其目前應(yīng)用最廣泛的方法包括有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)等。

結(jié)果顯示與處理就是將數(shù)值模擬的結(jié)果經(jīng)可視化處理得出工程上有意義的量和結(jié)論。仿真技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)真實(shí)的物理、化學(xué)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)在某一層次上的抽象，在這個(gè)抽象出來的模型上，可以更高級(jí)、更靈活、更安全地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和了解。

人們?cè)谑褂梅抡嫦到y(tǒng)時(shí)，希望在仿真系統(tǒng)中與在真實(shí)系統(tǒng)中所得到的感受盡可能的相同，同時(shí)希望能夠沉浸在仿真系統(tǒng)之中，并能通過自然感官功能與仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互作用。也就是說，用戶需要仿真系統(tǒng)具有身臨其境的逼真感。另一方面，某些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域希望從仿真系統(tǒng)中得到真實(shí)世界中無法親身體驗(yàn)到的感受，從而能突破物理空間和時(shí)間的限制，避開危及生命和環(huán)境的危險(xiǎn)而又真切地體會(huì)和感受到某一過程。也就是說，需要仿真系統(tǒng)具有超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性。這些客觀需求推動(dòng)了一種新興的技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)技術(shù)的發(fā)展。

近年來不斷涌現(xiàn)的迅速發(fā)展的高技術(shù)，如計(jì)算機(jī)仿真建模、CAD/CAM及先期技術(shù)演示驗(yàn)證、可視化計(jì)算、遙控機(jī)器、計(jì)算機(jī)藝術(shù)等，都有一個(gè)共同的需求：建立一個(gè)比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更為真實(shí)方便的輸入輸出系統(tǒng)，使其能與各種傳感器相連，組成更為友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)人能夠沉浸其中、超越其上、進(jìn)出自如又能交互作用的多維化的信息環(huán)境。這個(gè)環(huán)境就是計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(VRS)。在這個(gè)環(huán)境中從事設(shè)計(jì)的技術(shù)稱為虛擬設(shè)計(jì)(VD，VirtualDesign)。3.2.2模擬仿真技術(shù)的地位與作用

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為很多工程領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)估和培訓(xùn)的重要手段。由于它可以替代費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，并在一項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)和分析階段就可以對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行一定程度的考察和評(píng)價(jià)，尤其是可以應(yīng)用在某些難以實(shí)現(xiàn)或根本不可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)上，因而，近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在國防和許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并受到各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視。如1991年3月，在美國政府提出的22項(xiàng)國家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告里，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被列為第六項(xiàng)。

VR技術(shù)是人機(jī)完美結(jié)合環(huán)境下的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，它使設(shè)計(jì)者可以用各種方式表達(dá)和實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)意圖，最大限度地發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，在一種豐富自然的多維信息環(huán)境中完成一項(xiàng)工程或一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、制造、裝配、測(cè)試和使用，從根本上改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方式，使設(shè)計(jì)真正作為與產(chǎn)品的制造、裝配乃至整個(gè)生命周期緊密聯(lián)系在一起的“工程”，并融入企業(yè)的生產(chǎn)與營銷的整個(gè)活動(dòng)中，而不僅僅是產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)先行階段。VR技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于快速設(shè)計(jì)與快速原型(RP)、面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)、面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)入市場(chǎng)的并行處理和人員培訓(xùn)及產(chǎn)品維護(hù)等領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)帶來了革命性的進(jìn)步。綜上所述，模擬仿真技術(shù)的作用及應(yīng)用范圍可以歸納如下。

1．模擬仿真技術(shù)的作用

(1)可以替代許多難以或無法實(shí)施的實(shí)驗(yàn)。例如：戰(zhàn)爭爆發(fā)與進(jìn)程，地球氣候變化等。

(2)解決一般方法難以求解的大型系統(tǒng)問題。例如：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，核電站的控制與運(yùn)行等。

(3)降低投資風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省研究開發(fā)費(fèi)用。計(jì)算機(jī)仿真研究實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃，預(yù)測(cè)系統(tǒng)建成后的運(yùn)行效果，從而增加決策的科學(xué)性，減少失誤；并在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造過程中提供隨時(shí)修正設(shè)計(jì)的依據(jù)，以免建成后改動(dòng)或重建的巨大浪費(fèi)。

(4)避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)的危害。例如：電力調(diào)度、汽車駕駛等技術(shù)培訓(xùn)，如果從開始就在真實(shí)系統(tǒng)上實(shí)施，則相當(dāng)危險(xiǎn)。而用計(jì)算機(jī)仿真卻可以較好地達(dá)到目的，避免對(duì)人員、財(cái)產(chǎn)的危害。

(5)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不受時(shí)空限制。許多系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需要耗時(shí)幾十小時(shí)，甚至數(shù)月、數(shù)年，還有場(chǎng)地條件要求。而計(jì)算機(jī)則不受這些客觀條件的約束，即可縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，又可多次重復(fù)進(jìn)行。

2．模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

模擬仿真技術(shù)是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一。它主要應(yīng)用于：

(1)產(chǎn)品形態(tài)仿真。例如，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、外觀、色彩等形象化的屬性。

(2)裝配關(guān)系仿真。例如，零件之間裝配關(guān)系與干涉檢查，車間布局與設(shè)備、管道安裝，電力、供暖、供氣、冷卻系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備布局規(guī)劃等。

(3)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程。

(4)零件工藝過程仿真。根據(jù)工藝路線的安排，模擬零件從毛坯到成品的金屬去除過程，檢驗(yàn)工藝路線的合理性、可行性和正確性。

(5)加工過程仿真。例如，數(shù)控加工自動(dòng)編程后的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，刀具與夾具、機(jī)床的碰撞干涉檢查，切削過程中刀具磨損、切屑形成，工件表面的加工生成等。

(6)生產(chǎn)過程仿真。例如，產(chǎn)品制造過程仿真，模擬工件在系統(tǒng)中的流動(dòng)過程，展示從上料、加工、換位一直到成品入庫全部過程。3.2.3模擬仿真與虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

模擬仿真與虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在如下方面：

●建模/仿真方法學(xué)、仿真計(jì)算機(jī)和仿真軟件將仍然是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中的重要課題。

●科學(xué)計(jì)算的可視化(VISC，VisualizationinScientificComputation)作為仿真的重要基礎(chǔ)將進(jìn)一步向深入方向發(fā)展。

●為了適應(yīng)VD環(huán)境的要求，高質(zhì)量地跟蹤和控制仿真模型運(yùn)行的方式將有很大發(fā)展；鑒于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是由多臺(tái)處理機(jī)(異構(gòu)或同構(gòu))連接而成的分布仿真系統(tǒng)，將可支持多個(gè)子仿真系統(tǒng)的任務(wù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一執(zhí)行。分布仿真系統(tǒng)將成為我國電力、郵電、鐵路、金融等行業(yè)的通用技術(shù)。

●面向?qū)ο蟮慕７抡婕夹g(shù)將逐步發(fā)展到面向特征、面向產(chǎn)品的加工和裝配等；并發(fā)仿真環(huán)境將作為并行設(shè)計(jì)技術(shù)的一種支撐技術(shù)而形成通用的支撐系統(tǒng)；專家系統(tǒng)、模糊決策和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將全面引入仿真系統(tǒng)。在仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果分析和模型的修正及維護(hù)等多個(gè)方面將大大提高仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性和仿真的準(zhǔn)確性，形成高效的智能仿真系統(tǒng)?！?/p>

VR技術(shù)將很快進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，其主要趨勢(shì)是頭盔式顯示器(HMD)等可視化設(shè)備、人體(或四肢)方位跟蹤系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)等VR專用硬件將全面上市，其性能價(jià)格比會(huì)迅速提高。VR技術(shù)所需求的高性能計(jì)算機(jī)將以用戶可以接受的價(jià)格出現(xiàn)。

●

VR設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和用新型傳感裝置測(cè)得大量數(shù)據(jù)的高效處理軟件也將面市。ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織將推出有關(guān)的信息交換標(biāo)準(zhǔn)。VR技術(shù)在2010年左右將普遍應(yīng)用，但由于對(duì)人腦思維和人體行為的基礎(chǔ)研究難以在短時(shí)期內(nèi)突破，故VR技術(shù)還會(huì)有一個(gè)較長的發(fā)展時(shí)期。

●仿真技術(shù)和CAD/CAPP/CAM發(fā)展的更高階段是虛擬制造技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)等在計(jì)算機(jī)上建立起的虛擬制造環(huán)境是一種接近人們自然活動(dòng)的“自然”環(huán)境，人們的視覺、觸覺和聽覺都與實(shí)際環(huán)境接近。人們?cè)谶@樣的環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)，可以充分發(fā)揮技術(shù)人員的想象力和創(chuàng)造力，相互協(xié)作發(fā)揮集體智慧，大大提高產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

●虛擬制造技術(shù)的發(fā)展首先是在其支撐技術(shù)的發(fā)展上取得進(jìn)展，例如，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)、仿真技術(shù)等。特別是一些單元技術(shù)與制造業(yè)的緊密結(jié)合，更推動(dòng)了這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，支撐技術(shù)和單元技術(shù)的不斷成熟和在制造業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用，也推動(dòng)了虛擬制造技術(shù)的組合和集成。但由于各技術(shù)的相對(duì)獨(dú)立性，其統(tǒng)一的特征模型的建立、數(shù)據(jù)共享和交換等遇到了巨大的挑戰(zhàn)?；赟TEP、EDI、TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)的集成技術(shù)是惟一的發(fā)展方向。

●在CAD/CAE/CAM和仿真技術(shù)等發(fā)展的基礎(chǔ)上，虛擬制造技術(shù)方面的研究也得到了迅猛的進(jìn)步。例如：美國已經(jīng)從虛擬制造的環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信息系統(tǒng)、仿真和控制、虛擬企業(yè)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，多數(shù)單元技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和完善的階段。像美國華盛頓大學(xué)的虛擬制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的用于設(shè)計(jì)和制造的虛擬環(huán)境VEDAM、用于設(shè)計(jì)和裝配的虛擬環(huán)境等，已經(jīng)初具規(guī)模。但虛擬制造作為一個(gè)完整的體系，尚沒有進(jìn)行全面的集成。我國機(jī)械科學(xué)研究院與同濟(jì)大學(xué)、香港理工大學(xué)合作進(jìn)行的分散網(wǎng)絡(luò)化制造、異地設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)的理論研究和實(shí)踐活動(dòng)已經(jīng)取得了不少進(jìn)展；清華大學(xué)進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬機(jī)床、虛擬汽車訓(xùn)練系統(tǒng)等方面的研究；浙江大學(xué)進(jìn)行了分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、VR工作臺(tái)、虛擬產(chǎn)品裝配等研究；西安交大和北航進(jìn)行了遠(yuǎn)程智能協(xié)同設(shè)計(jì)研究；天大、北京機(jī)床所、大連機(jī)床所進(jìn)行了機(jī)床的虛擬設(shè)計(jì)和軸機(jī)床的研究；西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的研究等。

相信在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、使用的整個(gè)生命周期的模擬和仿真，將不是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)。3.2.4熱加工工藝的模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

模擬仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而其在制造業(yè)的應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品生產(chǎn)全過程或某部分過程的仿真和某一工藝過程的數(shù)值模擬兩個(gè)層次上。熱加工工藝的模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)是后一層次上比較典型的應(yīng)用，也是目前模擬仿真技術(shù)在制造業(yè)中成功應(yīng)用的一個(gè)典范。

金屬材料是目前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)材料，而熱加工又是將金屬制成零部件及工程構(gòu)件的最重要的工序之一。金屬材料的熱加工過程是極其復(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)的過程。在這個(gè)過程中，材料發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，這一切在現(xiàn)有的技術(shù)條件下不僅不能直接觀察，間接測(cè)試也十分困難。因此，多年來，金屬材料的熱加工工藝的設(shè)計(jì)只能建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。近年來，隨著金屬材料的熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展、成熟和廣泛應(yīng)用，這種現(xiàn)象得到了很大改觀。

1．熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的主要內(nèi)容

熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)途徑有以下三種：

(1)數(shù)值模擬(NumericalSimulation)。數(shù)值模擬是本技術(shù)領(lǐng)域中最重要的核心技術(shù)，一般的流程是通過建立能準(zhǔn)確描述某一熱加工工藝過程的數(shù)學(xué)物理模型，然后應(yīng)用數(shù)值方法。目前主要是有限元法，對(duì)數(shù)學(xué)物理方程求解，并以一定的方式動(dòng)態(tài)、直觀地顯示工藝過程和預(yù)測(cè)的過程結(jié)果，進(jìn)而根據(jù)這些模擬結(jié)果對(duì)工藝過程進(jìn)行優(yōu)化。

(2)物理模擬(PhysicalSimulation)。物理模擬是一種輔助研究方法，它是按照相似原理，用相同或相似的材料制成一定比例的試樣，同時(shí)將各種條件以一定的相似比例加載到試樣上進(jìn)行試驗(yàn)，得出工藝過程的有關(guān)規(guī)律和數(shù)據(jù)的模擬方法。

(3)專家系統(tǒng)(ExpertSystem)。專家系統(tǒng)是近幾十年來人工智能領(lǐng)域取得的一個(gè)重要進(jìn)展，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，把有關(guān)領(lǐng)域的專家知識(shí)按一定的結(jié)構(gòu)表示成計(jì)算機(jī)能夠利用并在用戶需要時(shí)以一定的形式表達(dá)出來的形式，用于模仿專家的智能進(jìn)行判斷、分析和推理。它包括數(shù)據(jù)庫、知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)、推理機(jī)和人機(jī)接口等幾個(gè)核心部分。由于影響熱加工過程的因素十分復(fù)雜，因此對(duì)于工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)來講，專家系統(tǒng)也是數(shù)值模擬的一個(gè)必要補(bǔ)充。

在熱加工過程中涉及到的因素眾多，且各因素間的關(guān)系復(fù)雜，難以在一個(gè)模擬進(jìn)程中完成對(duì)所有考慮的因素的分析。通常，為了研究的方便，將模擬分為以下三個(gè)層次：

①工藝過程的動(dòng)態(tài)模擬：用數(shù)值模擬的方法在一定的精度要求范圍內(nèi)近似地預(yù)測(cè)并形象地顯示工藝實(shí)施過程及材料在被加工過程中的一些基本參數(shù)，如形狀尺寸、位移、變形、應(yīng)力、溫度等的演變和分布。這一層次模擬是最基本的，也是后續(xù)模擬的基礎(chǔ)。

②組織性能模擬及缺陷預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)在不同工藝條件下材料經(jīng)過加工制成零件后的組織、性能和質(zhì)量，其中質(zhì)量的預(yù)測(cè)是以缺陷預(yù)報(bào)為主的。這一層次上的模擬過程的許多輸入量要用到上一層次模擬的結(jié)果。

③優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)：通過在虛擬條件下對(duì)工藝參數(shù)的反復(fù)比較，得出最優(yōu)工藝方案，變傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化工藝的試驗(yàn)為計(jì)算機(jī)上修改構(gòu)思。這一層次要用到大量前兩個(gè)層次模擬的結(jié)果，甚至是前兩個(gè)層次上多次模擬結(jié)果的對(duì)比。

2．熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的意義

該技術(shù)是材料和制造兩大行業(yè)的交叉技術(shù)，是材料熱加工工藝研究中最重要的技術(shù)前沿和研究熱點(diǎn)之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。它的發(fā)展和廣泛應(yīng)用的意義在于：

(1)使金屬材料熱加工由“技藝”走向“科學(xué)”，將能夠徹底改變熱加工工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化靠經(jīng)驗(yàn)的面貌。

(2)是預(yù)測(cè)并保證材料熱加工過程質(zhì)量的先進(jìn)手段，特別對(duì)確保大型工件的一次制造成功具有重大的應(yīng)用前景和效益。

(3)是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)制造、擬實(shí)設(shè)計(jì)制造、分布設(shè)計(jì)制造的技術(shù)基礎(chǔ)。

(4)由于該技術(shù)領(lǐng)域是多學(xué)科的交叉，對(duì)應(yīng)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)而開拓新興工程技術(shù)學(xué)科具有重要意義。

3．國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

材料熱加工工藝模擬研究始于鑄造過程，這是因?yàn)殍T件凝固過程溫度場(chǎng)模擬計(jì)算相對(duì)簡單。1962年，丹麥的Forsund首次采用計(jì)算機(jī)及有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程的傳熱計(jì)算之后，美國于20世紀(jì)60年代中期在NSF的資助下，開始進(jìn)行大型鑄鋼件溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，更多的國家(我國從70年代末期開始)加入到這個(gè)研究行列，并從鑄造逐步擴(kuò)展到鍛壓、焊接、熱處理，在全世界形成了一個(gè)材料熱加工工藝模擬研究的熱潮。在最近幾十年召開的材料熱加工各專業(yè)的國際會(huì)議上，該領(lǐng)域的論文數(shù)量居各類論文的首位；另外，從1981年開始，每兩年還專門召開一屆鑄造和焊接過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬國際會(huì)議，鍛壓及熱處理專業(yè)也定期分別召開計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的學(xué)術(shù)會(huì)議，如NUMIFORM和NUMISHEET會(huì)議。另外，針對(duì)高分子材料在注塑成形過程中的優(yōu)化控制，也相繼開展了非牛頓流體的充型、保壓、冷卻過程的數(shù)值模擬工作，形成了金屬、非金屬材料并進(jìn)的局面。

在研究開發(fā)工作的同時(shí)，工藝模擬技術(shù)已經(jīng)開始在熱加工工藝生產(chǎn)中得到了比較廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，已有MSC公司的MARC、NASTRAN、AutoForge、SuperModel和ANSYS公司的ANSYS以及其他公司的一些通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)值模擬軟件得到了廣泛應(yīng)用。在軍事、航空航天、汽車、機(jī)械制造、造船、核能等重要的制造業(yè)部門中，這一技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，世界最大的有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真軟件供應(yīng)商——美國MSC公司的產(chǎn)品就覆蓋了100多個(gè)國家中92%的機(jī)械制造部門、97%的汽車公司、95%的航空航天部門、98%的軍事研究及國防部門。美國福特、通用汽車公司在開發(fā)新車型時(shí)，已將板材沖壓過程的數(shù)值模擬作為一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。德國則應(yīng)用此技術(shù)對(duì)400噸重的核電轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造工藝進(jìn)行了校核、優(yōu)化，確保了一次制造成功。同時(shí)，數(shù)值模擬已逐步成為新工藝研究開發(fā)的重要手段和方法。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，應(yīng)用可靠的商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬已成為與實(shí)驗(yàn)同樣重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、開發(fā)新工藝的基本研究手段。我國一些重要的研究院所和大學(xué)也已開始應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)替代部分實(shí)驗(yàn)。

4．發(fā)展趨勢(shì)

(1)模擬研究的變量從宏觀向微觀發(fā)展。材料熱加工工藝模擬的研究工作已普遍由建立在溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、變形場(chǎng)基礎(chǔ)上的旨在模擬預(yù)測(cè)宏觀形狀、尺寸等宏觀改尺度上的模擬(mm—m級(jí))進(jìn)入到以預(yù)測(cè)顯微組織結(jié)構(gòu)和性能為目的的微觀尺度(mm—μm級(jí))上的模擬，研究對(duì)象中也包含了結(jié)晶、再結(jié)晶、相變等微觀層次上的變化過程，甚至達(dá)到了單個(gè)晶粒的尺度。

(2)模擬對(duì)象的變化從單一物理場(chǎng)向多種物理耦合發(fā)展。為真實(shí)模擬復(fù)雜的熱加工過程，模擬功能已由單一的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的模擬普遍進(jìn)入了多種物理場(chǎng)相互耦合集成的階段。在耦合場(chǎng)的模擬中，熱加工工藝模擬最常見的熱力耦合就是溫度場(chǎng)與應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的耦合分析。此外還有流場(chǎng)—溫度場(chǎng)、應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)—電磁場(chǎng)等的耦合。

(3)研究重點(diǎn)已從共性、通用的問題轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ?、特殊、極端問題的模擬。隨著建立在溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的常規(guī)熱加工工藝模擬技術(shù)的日益成熟和商業(yè)化軟件的不斷出現(xiàn)和完善，一些共性、通用的問題的模擬已經(jīng)進(jìn)入成熟應(yīng)用階段，研究工作的前沿已經(jīng)轉(zhuǎn)向了特殊工藝或極端工藝條件的模擬研究，用以解決特種熱加工工藝的模擬和工藝優(yōu)化問題，深入認(rèn)識(shí)并預(yù)防和消除熱加工過程中出現(xiàn)的各種缺陷。

(4)重視數(shù)值算法和物理模型的基礎(chǔ)研究，以從根本上提高數(shù)值模擬的精度和效率。為達(dá)到這一目的，現(xiàn)在研究較多的方向有熱加工過程基本理論、缺陷形成的機(jī)理和數(shù)值判據(jù)、精度和效率更高的數(shù)值求解算法等。

(5)重視物理模擬技術(shù)和精確測(cè)試技術(shù)的研究。物理模擬是揭示工藝過程本質(zhì)，獲得準(zhǔn)確的判據(jù)，檢驗(yàn)、校核數(shù)值模擬結(jié)果的有力手段。其在模擬研究中得到了越來越多的重視，有以下一些新動(dòng)向：

①應(yīng)用新技術(shù)成果，設(shè)計(jì)、開發(fā)新型物理模擬實(shí)驗(yàn)方法和裝置。

②注重物理模擬與數(shù)值模擬的合理搭配應(yīng)用，根據(jù)模擬研究對(duì)象的不同，合理確定兩者的應(yīng)用比例。一般認(rèn)為，工件越大，設(shè)備越龐大，則數(shù)值模擬的作用和工作量越大。以美國凈成形工程研究中心(NSM/ERC)的研究工作為例，數(shù)值模擬上工作的大致比例為：模鍛：80%；管件液壓成形：50%；切削：30%。通常，物理模擬由于代價(jià)較大，用作檢驗(yàn)和校核數(shù)值模擬手段。要在準(zhǔn)確了解數(shù)值模擬軟件的功能、不足和產(chǎn)生誤差的大小與因素等的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)或物理模擬進(jìn)行修正。NSM/ERC在管件成形研究中，先采用實(shí)驗(yàn)確定單道次脹形機(jī)理并修正有限元數(shù)值模擬的誤差后，用有限元方法進(jìn)行多道次工藝模擬，并完成預(yù)成形與最終脹形工序的協(xié)調(diào)，這樣就充分發(fā)揮了兩者的長處。通常認(rèn)為，數(shù)值模擬均需實(shí)驗(yàn)或物理模擬方法校核，當(dāng)兩者有較大差別時(shí)，應(yīng)以物理模擬或?qū)嶒?yàn)為準(zhǔn)。③重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)試與積累。為要模擬材料的熱加工過程，需要確定大量與工件、模具相關(guān)的參數(shù)。

(6)注重工藝模擬與生產(chǎn)系統(tǒng)其他技術(shù)環(huán)節(jié)的結(jié)合與集成，成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)在，工藝模擬的應(yīng)用已經(jīng)與產(chǎn)品和模具的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)、零件的加工制造系統(tǒng)、零件的可靠性等方面有了較好的結(jié)合。

(7)在數(shù)值模擬研究中，選擇適當(dāng)?shù)纳虡I(yè)軟件平臺(tái)，結(jié)合具體問題進(jìn)行二次開發(fā)或針對(duì)特殊問題進(jìn)行改良，已經(jīng)成為一種非常簡便高效的研究模式。

3.3.1古代機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人的由來

人類很早就向往著造出一種像人一樣聰明靈巧的機(jī)器。這種追求和愿望，在各種神話故事里得到充分的體現(xiàn)，而且古代人在當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平下也曾制造出許多構(gòu)思巧妙的“機(jī)器人”。3.3工業(yè)機(jī)器人(IndustrialRobot)早在公元前3世紀(jì)的古代希臘神話中就描述過一個(gè)克里特島的青銅巨人“太羅斯”，這是作者為了塑造一個(gè)國王衛(wèi)士的形象而虛構(gòu)出來的“人工造人”?！疤_斯”的身體由青銅材料制成，刀槍不入，力量無窮，它每天在島上巡邏數(shù)次，防止外來人偷渡到克里特島上來。它可以扔下巨石砸沉船只，也可以使自己的身體變得熾熱，以燒死周圍的敵人。

1879年，在一位法國作家寫的題為“未來的夏娃”小說中，也曾經(jīng)出現(xiàn)過美麗的人工造人“阿達(dá)里”，它是由齒輪、發(fā)條、電線、電鈕組成的復(fù)雜機(jī)器。但它的皮膚柔軟，頭腦可以思考問題，外形和人一模一樣。我國有關(guān)機(jī)器人的傳說可追溯到公元前數(shù)百年的遠(yuǎn)古時(shí)代。成書于魏晉年代(公元220年～公元420年)的《列子·湯問篇》記述了公元前900多年周穆王出游曾遇到一位叫做偃師的巧匠，他做了一個(gè)會(huì)走動(dòng)能歌舞，“千變?nèi)f化，惟意所適”，稱為“倡者”的機(jī)器人，所用原料不外“革、木、膠、漆、白、黑、丹、青……”等，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“內(nèi)則肝、膽、心、肺、脾、腎、腸、胃，外則筋骨、支節(jié)、皮毛、齒發(fā)，皆假物也”。

2000多年以前，我國就出現(xiàn)了自動(dòng)定向指南車，車輛運(yùn)動(dòng)過程中木人的手總指向南方，可以說這是一種定向機(jī)器人。傳說中三國(公元220年～公元280年)時(shí)諸葛亮創(chuàng)造的木牛流馬可能是一種人機(jī)型的移動(dòng)機(jī)器人。我國宋代科學(xué)家沈括在他的“夢(mèng)溪筆談”書中記載了一個(gè)“動(dòng)木人抓老鼠”的故事：“慶歷中有一術(shù)士，姓李，多巧思。嘗木刻一舞鐘馗，高二、三尺，右手持鐵簡。以香餌置鐘馗左手中，鼠緣手取食，則左手厄鼠，右手用簡斃之?！?/p>

17世紀(jì)以后，隨著各種機(jī)械裝置的發(fā)明和應(yīng)用，特別是隨著機(jī)械計(jì)時(shí)裝置的發(fā)展，先后出現(xiàn)了各種由發(fā)條、凸輪、齒輪和杠桿驅(qū)動(dòng)且具有人形的自動(dòng)機(jī)械裝置。19世紀(jì)就出現(xiàn)了由人自己牽動(dòng)的靈活的假肢。19世紀(jì)末發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車原型，它們不是機(jī)器人但卻發(fā)展成為今日世界上數(shù)量最多的人機(jī)型移動(dòng)機(jī)器。

20世紀(jì)初，隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了各種自動(dòng)機(jī)械裝置的電氣驅(qū)動(dòng)和開關(guān)量控制。英語中的機(jī)器人即Robot，來源于斯拉夫語系，它是捷克作家K．Capek1920年在他的劇本《羅沙姆萬能機(jī)器人公司》中提出的。

現(xiàn)代機(jī)器人實(shí)體的誕生大致可以追溯到20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)由于核工業(yè)的興起，為了處理放射性材料采用了主從機(jī)械手，同時(shí)期還出現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)。1951年，美國麻省理工學(xué)院(MIT)開發(fā)成功第一代數(shù)控銑床。1954，美國人GeorgeC.

Devol在他申請(qǐng)的專利“Programmedarticletransfer”中，首次提出了“示教/再現(xiàn)機(jī)器人的概念”。1958年，美國推出了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。工業(yè)機(jī)器人(IndustrialRobot，簡稱IR)是1960年由《美國金屬市場(chǎng)》報(bào)首先使用的。不久，Condec公司與Pulman公司合并，成立了Unimation公司，并于1961年制造出了用于模鑄生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人(命名為Unimation)。與此同時(shí)，美國AMF公司也研制生產(chǎn)出了另一種可編程的通用機(jī)器，并以“IndustrialRobot”(工業(yè)機(jī)器人)為商品廣告投入市場(chǎng)。1970年4月，在伊利諾伊工學(xué)院召開了第一屆全美工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。當(dāng)時(shí)在美國已有200余臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于自動(dòng)生產(chǎn)線上。日本的豐田和川崎公司于1967年分別引進(jìn)了美國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)過消化、仿制、改進(jìn)、創(chuàng)新，到1980年，機(jī)器人技術(shù)在日本取得了極大的成功與普及。1980年被日本人稱之為“日本的機(jī)器人元年”?，F(xiàn)在，日本擁有工業(yè)機(jī)器人的臺(tái)數(shù)約占世界總臺(tái)數(shù)的65%。

我國機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但近年來也有了很大的發(fā)展。1987年，北京首屆國際機(jī)器人展覽會(huì)上，我國展出了10余臺(tái)自行研制或仿制的工業(yè)機(jī)器人。經(jīng)過“七五”、“八五”攻關(guān)，我國研制和生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平。3.3.2工業(yè)機(jī)器人的定義

機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。走向成熟的工業(yè)機(jī)器人和各種用途的特種機(jī)器人的實(shí)用化，昭示著機(jī)器人技術(shù)燦爛的明天。那么，何為機(jī)器人？

在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人問世已有幾十年，機(jī)器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型、新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。

其實(shí)并不是人們不想給機(jī)器人一個(gè)完整的定義，自機(jī)器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機(jī)器人。但隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機(jī)器人的定義也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。

關(guān)于工業(yè)機(jī)器人，目前世界各國尚無統(tǒng)一定義，分類方法也不盡相同?？ɡ谞枴げ榕嗫俗钤缃o“機(jī)器人”所下的定義是：“有勞動(dòng)能力，沒有思考能力，外形像人的東西。”日本對(duì)工業(yè)機(jī)器人提出了各種定義，由于所強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同，因此差別較大。1971年日本通產(chǎn)省“工業(yè)機(jī)器人制造業(yè)高度化計(jì)劃”中的定義說：“工業(yè)機(jī)器人是整機(jī)能夠回轉(zhuǎn)，有抓取(或吸住)物件的手爪和能夠進(jìn)行伸縮、彎曲、升降(俯仰)、回轉(zhuǎn)及其復(fù)合動(dòng)作的臂部，帶有記憶部件，可部分地代替人進(jìn)行自動(dòng)操作的具有通用性的機(jī)械”。另據(jù)報(bào)導(dǎo)，日本對(duì)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人還有作如下定義的，即“具有人體上肢(臂、手)動(dòng)作功能，可進(jìn)行多種動(dòng)作的裝置；或者具有感覺功能，可自主地進(jìn)行多種動(dòng)作的裝置(智能機(jī)器人)”。美國機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)定義的機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零部件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序化的動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)”。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義是“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)。這種操作機(jī)具有多個(gè)軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零部件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)”。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643—90將工業(yè)機(jī)器人定義為“一種能自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程的，多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為“一種機(jī)器，其機(jī)構(gòu)通常由一系列互相鉸接或相對(duì)滑動(dòng)的構(gòu)件所組成。它通常有幾個(gè)自由度，用以抓取或移動(dòng)物體(工具或工件)”。

所以對(duì)工業(yè)機(jī)器人可以理解為：擬人手臂、手腕和手功能的機(jī)械電子裝置；它可把任一物件或工具按空間位(置)姿(態(tài))的時(shí)變要求進(jìn)行移動(dòng)，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求，如夾持焊鉗或焊槍，對(duì)汽車或摩托車車體進(jìn)行點(diǎn)焊或弧焊；搬運(yùn)壓鑄或沖壓成型的零件或構(gòu)件；進(jìn)行激光切割；噴涂；裝配機(jī)械零、部件等。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手是有區(qū)別的，見表3-1。前者具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可通過編程方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)作程序的變化；而后者則只能完成簡單的搬運(yùn)、抓取及上下料工作，一般作為自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)線上的附屬裝置，其程序固定不變。表3-1工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手的區(qū)別有人把機(jī)器人分為“類人型”和“非人型”兩種，目前所說的工業(yè)機(jī)器人屬于“非人型”。因?yàn)闊o論從它的外形或結(jié)構(gòu)來說，都和人有很大差異。但是，它雖然不完全具備人體的許多機(jī)能(如四肢多自由度靈活運(yùn)動(dòng)機(jī)能、五官的感覺機(jī)能等)，但在做某些動(dòng)作時(shí)，它具有和人相同甚至超過人的能力。

工業(yè)機(jī)器人以剛性高的機(jī)械手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高。它可以根據(jù)外部來的指令信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了工業(yè)機(jī)器人向智能化發(fā)展的可能性。目前，依靠先進(jìn)技術(shù)(如電子計(jì)算機(jī)、各種傳感器和伺服控制系統(tǒng)等)能使工業(yè)機(jī)器人具有一定的感覺、識(shí)別、判斷功能，并且這種具有一定智能的機(jī)器人已經(jīng)開始在生產(chǎn)中運(yùn)用。

中國工程院院長宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。3.3.3工業(yè)機(jī)器人的組成

目前使用的工業(yè)機(jī)器人多半是代替人上肢的部分功能，按給定程序、軌跡和要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成。

1．執(zhí)行系統(tǒng)

(1)手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)。其作用是直接抓取和放置物件(或工具)。

(2)腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件。其作用是調(diào)整或改變手部的方位(姿態(tài))。

(3)臂部：又稱手臂，是支承腕部的部件。其作用是承受物件或工具的荷重，并把它傳送到預(yù)定的工作位置。有時(shí)也將手臂和手腕統(tǒng)稱為臂部。

(4)立柱：是支承手臂的部件。其作用是帶動(dòng)臂部運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大臂部的活動(dòng)范圍，如臂部的回轉(zhuǎn)、升降和俯仰運(yùn)動(dòng)都與立柱有密切聯(lián)系。

(5)行走機(jī)構(gòu)：目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人沒有行走機(jī)構(gòu)，一般由機(jī)座支承整機(jī)。行走機(jī)構(gòu)是為了擴(kuò)大機(jī)器人使用空間，實(shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)動(dòng)而設(shè)置的。其有兩種形態(tài)：模仿動(dòng)物步行形態(tài)的足；模仿車子行走形態(tài)的滾輪。

2．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，常用的是液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)等。

3．控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。對(duì)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人來說，是指包括示教、存儲(chǔ)、再現(xiàn)、操作等各環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)。按控制信號(hào)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)還對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)(加工機(jī)械和其他輔助設(shè)備)的狀況作出反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)是反映一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的功能和水平的核心部分。

4．檢測(cè)機(jī)構(gòu)

該系統(tǒng)通過各種檢測(cè)器、傳感器，檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，在與設(shè)定值進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證其動(dòng)作符合設(shè)計(jì)要求，主要是對(duì)位置、速度和力等各種外部和內(nèi)部信息進(jìn)行檢測(cè)。3.3.4工業(yè)機(jī)器人的分類

目前還沒有統(tǒng)一的機(jī)器人的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的要求可進(jìn)行不同的分類。

1．按驅(qū)動(dòng)方式分類

(1)液動(dòng)式。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人通常由液壓機(jī)(各種油缸、油馬達(dá))、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它具有很大的抓舉能力(高達(dá)幾百公斤以上)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動(dòng)，防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。

(2)氣動(dòng)式。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。其特點(diǎn)是氣源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

(3)電動(dòng)式。電力驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大(關(guān)節(jié)型的持重已達(dá)400

kg)，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及交流伺服電機(jī)(其中交流伺服電機(jī)為目前主要的驅(qū)動(dòng)形式)。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)(如諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和多桿機(jī)構(gòu)等)。目前，有些機(jī)器人已開始采用無減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，這既可以使機(jī)構(gòu)簡化，又可提高控制精度。

(4)混合驅(qū)動(dòng)。液—?dú)饣螂姟夯旌向?qū)動(dòng)。

2．按用途分類

(1)搬運(yùn)機(jī)器人。這種機(jī)器人用途很廣，一般只需點(diǎn)位控制，即被搬運(yùn)零件無嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)軌跡要求，只要求始點(diǎn)和終點(diǎn)位置準(zhǔn)確。如機(jī)床上用的上、下料機(jī)器人，工件堆垛機(jī)器人以及彩管搬運(yùn)機(jī)器人等。

(2)噴涂機(jī)器人。這種機(jī)器人多用于噴漆生產(chǎn)線上，重復(fù)位姿精度要求不高。但由于噴霧易燃，因此一般采用液壓驅(qū)動(dòng)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(3)焊接機(jī)器人。這是目前使用最多的一類機(jī)器人，它又可分為點(diǎn)焊和弧焊兩類。點(diǎn)焊機(jī)器人負(fù)荷大、動(dòng)作快，工作點(diǎn)的位姿要求較嚴(yán)，一般要有6個(gè)自由度?；『笝C(jī)器人負(fù)載小、速度低，通常有5個(gè)自由度即能進(jìn)行焊接作業(yè)。為了更好地滿足焊接質(zhì)量對(duì)焊槍姿勢(shì)的要求，伴隨機(jī)器人的通用化和系列化，現(xiàn)在大多使用6自由度機(jī)器人?；『笇?duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡要求較嚴(yán)，必須實(shí)現(xiàn)連續(xù)路徑控制，即在運(yùn)動(dòng)軌跡的每一點(diǎn)都必須實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置和姿態(tài)要求。

(4)裝配機(jī)器人。這類機(jī)器人要有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性。目前大多用于機(jī)電產(chǎn)品的裝配作業(yè)。

(5)專門用途的機(jī)器人。例如醫(yī)用護(hù)理機(jī)器人、航天用機(jī)器人、探海用機(jī)器人以及探險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人等。

3．按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)形式和自由度數(shù)量分類

機(jī)器人操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)形式是機(jī)器人重要的外形特征，故常用作分類的依據(jù)。按這一分類標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球(極)坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)器人(或擬人機(jī)器人)。

操作機(jī)本身的軸數(shù)(自由度數(shù))最能反應(yīng)機(jī)器人的工作能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類機(jī)器人可分為4軸(自由度)、5軸(自由度)、6軸(自由度)和7軸(自由度)等機(jī)器人。

按其他的分類方式，機(jī)器人還可分為點(diǎn)位控制機(jī)器人和連續(xù)控制機(jī)器人；按負(fù)載大小可分為重型、中型、小型、微型機(jī)器人；按機(jī)座形式分為固定式和移動(dòng)式機(jī)器人；按操作機(jī)運(yùn)動(dòng)鏈的形式可分為開鏈?zhǔn)?、閉鏈?zhǔn)健⒕植块]鏈?zhǔn)綑C(jī)器人；按應(yīng)用機(jī)能又可分為順序控制機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、數(shù)值控制機(jī)器人、智能機(jī)器人等。3.3.5現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)

1．工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)

機(jī)器人是由用若干關(guān)節(jié)(運(yùn)動(dòng)副)連在一起的構(gòu)件所組成的具有多個(gè)自由度的開鏈型空間連桿機(jī)構(gòu)。開鏈的一端固接在機(jī)座上，另一端是末端執(zhí)行器，中間由一些構(gòu)件(剛體)用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串連而成。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)就是要建立各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與末端執(zhí)行器空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制提供分析的手段和方法。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究兩個(gè)問題：一個(gè)是運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題，即給定機(jī)器人手臂、腕部等各構(gòu)件的幾何參數(shù)及連接各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)變量(位置、速度和加速度)，求機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)；另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題，即已知各構(gòu)件的幾何參數(shù)，機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求是否存在實(shí)現(xiàn)這個(gè)位姿的關(guān)節(jié)變量及有幾種解。

2．工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)

工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)主要是研究其機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)。研究的主要目的是解決如何來控制工業(yè)機(jī)器人的問題，同時(shí)為工業(yè)機(jī)器人的最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的證據(jù)。

在工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究中，要解決的問題很多，但歸納起來不外乎兩大類。第一類問題是動(dòng)力學(xué)的力分析，或稱之為動(dòng)力學(xué)的正問題。它是指已知系統(tǒng)必要的運(yùn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算與已知運(yùn)動(dòng)鏈各連桿間的位移、速度和加速度，而后求得各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力或反力。第二類問題是動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)分析，或稱之為動(dòng)力學(xué)的逆問題。它是指已知作用在機(jī)構(gòu)上的外力和各關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)力，計(jì)算各關(guān)節(jié)和連桿的加速度和反力，而后對(duì)加速度進(jìn)行積分，求得所需要的速度和位移。

研究和解決工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問題的方法很多，主要有兩種最常用的方法：拉格朗日方程法和牛頓-歐拉方程法。

3．工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)

控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，它的機(jī)能類似于人的大腦。工業(yè)機(jī)器人要與外圍設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作，共同完成作業(yè)任務(wù)，就必須具備一個(gè)功能完善、靈敏可靠的控制系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)總的可分為兩大部分：一部分是對(duì)其自身運(yùn)動(dòng)的控制，另一部分是工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。工業(yè)機(jī)器人控制研究的重點(diǎn)是對(duì)自身的控制。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)。其中有些項(xiàng)目的控制是非常復(fù)雜的，這就決定了工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1)工業(yè)機(jī)器人的控制與其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)有著密不可分的關(guān)系，因而要使工業(yè)機(jī)器人的臂、腕及末端執(zhí)行器等部位在空間具有準(zhǔn)確無誤的位姿，就必須在不同的坐標(biāo)系中描述它們，并且隨著基準(zhǔn)坐標(biāo)系的不同而要做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，同時(shí)要經(jīng)常求解運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題。

(2)描述工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及環(huán)境而改變。又因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人往往具有多個(gè)自由度，所以引起其運(yùn)動(dòng)變化的變量不止一個(gè)，而且各個(gè)變量之間一般都存在耦合問題。這就使得工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅是一個(gè)非線性系統(tǒng)，而且是一個(gè)多變量系統(tǒng)。

(3)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的任一位姿都可以通過不同的方式和路徑達(dá)到，因而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)還必須解決優(yōu)化的問題。

要有效地控制工業(yè)機(jī)器人，其控制系統(tǒng)就必須具備以下的功能：

(1)示教再現(xiàn)功能。示教再現(xiàn)功能是指在執(zhí)行新的任務(wù)之前，預(yù)先將作業(yè)的操作過程示教給工業(yè)機(jī)器人，由其再現(xiàn)示教的內(nèi)容，以完成作業(yè)任務(wù)。

(2)運(yùn)動(dòng)控制功能。運(yùn)動(dòng)控制功能是指對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿、速度、加速度等項(xiàng)的控制。工業(yè)機(jī)器人的控制方式有多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式和連續(xù)軌跡控制方式。點(diǎn)位控制又稱PTP控制，其特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(包括移動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)姿態(tài))則不作任何規(guī)定。連續(xù)軌跡控制又稱CP控制，其特點(diǎn)是連續(xù)地控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，以完成作業(yè)任務(wù)。

4．工業(yè)機(jī)器人語言

使用工業(yè)機(jī)器人語言進(jìn)行作業(yè)程序設(shè)計(jì)，使得包含感覺處理的復(fù)雜作業(yè)邏輯的編程成為可能，而且，也容易把各種基本的動(dòng)作作為別的作業(yè)可以利用的通用程序庫存儲(chǔ)起來。

通用的工業(yè)機(jī)器人的語言一般都具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)十分簡潔地描述工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)動(dòng)作及工作環(huán)境，能描述復(fù)雜的操作內(nèi)容、操作工藝和操作過程，并用盡可能簡要的程序來實(shí)現(xiàn)。

(2)和一般的實(shí)用程序語言一樣，具有結(jié)構(gòu)簡明，概念統(tǒng)一，容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。

(3)隨著工業(yè)機(jī)器人語言的不斷開發(fā)和研制，它們?cè)絹碓浇咏匀徽Z言，并且具有良好的對(duì)話性、兼容性、開發(fā)性和擴(kuò)展性。

根據(jù)對(duì)作業(yè)任務(wù)描述水平的高低，機(jī)器人的語言通?？煞譃閯?dòng)作級(jí)、對(duì)象級(jí)和工作級(jí)三個(gè)級(jí)別。動(dòng)作級(jí)的語言是以末端執(zhí)行器的動(dòng)作作為描述的中心，由一系列動(dòng)作命令指令組成，即把機(jī)器人的動(dòng)作用命令語句來表達(dá)。對(duì)象級(jí)的語言是以改變對(duì)象狀態(tài)為著眼點(diǎn)編程的，即以對(duì)象物之間的相互關(guān)系為中心來描述作業(yè)，與機(jī)器人的動(dòng)作沒有關(guān)系。