任务1.2 了解柔性制造与智能生产线
1.任务引入
制造是人类按照所需目的，利用所掌握的知识与技能，借助手工或工具，采用有效的方法将原材料转化为最终物质产品，并投放市场的全过程。制造不仅指单独的加工过程，还包括市场调研与预测、产品设计、选材与工艺设计、生产加工、质量保证、生产过程管理、营销和售后服务等产品寿命周期内的一系列活动。制造出来的产品用于满足顾客的需要，因此为了使顾客心甘情愿地消费，并使自己的产品占据越来越大的市场份额，获得最大的利润，就必须想方设法地满足顾客的要求，不断地改进制造技术，降低生产成本，提高产品质量和改善售后服务。
2.任务目标
1）知识目标
了解柔性制造的概念和智能生产线的发展。
2）技能目标
理解柔性制造系统的特点。
3）素养目标
加深学生对柔性制造概念的理解，激发学生的爱国主义情怀。
3.任务分析
在当今的买方市场中，“顾客第一”已成为制造业的共识，也就是说，为了提高企业竞争力，必须提高人员素质，改进组织机构与经营管理水平，以及提高产品设计制造水平等，在“竞争五要素”上狠下功夫。
第一，能够开发市场急需的、功能实用的和满足用户要求的产品。在这里强调功能的实用性，不片面追求高科技和功能的全面先进性，因为先进并不等于实用。
第二，能够在最短的时间内将产品投放市场或送到用户手中。这是衡量竞争力的一个重要指标。
第三，能够制造出品质优秀的产品。只有质量好的产品才能得到顾客的青睐。产品质量的内容主要是指工作性能、外观造型、噪声、振动、能耗、可维修性、可回收性及宜人性等。
第四，能够向市场提供价格低廉的产品。价格往往是顾客购物时首先考虑的因素。为了降低产品的价格，除了减少“冗余”功能外，还应该在经营管理水平及产品设计等方面采取措施。
第五，能够向用户提供优良的服务。这包括售前的技术咨询、产品性能演示及售后周到的培训与维修，应该努力提高产品销售人员的业务素质，建立完善的销售、培训和维修网络。
制造技术的发展与人类文明的进步密切相关并互相促进。在石器时代，人类利用天然石料制作劳动工具，以采集自然资源为主要生活手段。到了青铜器、铁器时代，人们开始采矿、冶炼、铸锻、织布及打造工具，满足以农业为主的自然经济的需要，这时的生产方式是作坊式手工业。1765年，瓦特改良蒸汽机，纺织业和机械制造业发生了革命性的变化，引发了第一次工业革命，开始出现近代工业化大生产。1820年，奥斯特发现了电磁效应，安培提出了电流相互作用定律；1831年，法拉第提出了电磁感应定律；1864年，麦克斯韦建立了电磁场理论，这些技术进步都为发电机、电动机的发明奠定了基础，从而开启了电气化时代。以电作为动力源改变了机器的结构，开拓了机电制造的新局面。19世纪末、20世纪初，内燃机的发明使汽车进入欧美家庭，引发了制造业的又一次革命。流水线及泰勒管理方法应运而生，工业进入大批量生产时代，尤其是汽车工业和兵器工业，其为第二次世界大战的大规模军工生产奠定了物质基础和技术基础，并积累了管理经验。第二次世界大战后市场需求的多样化、个性化、高品质趋势推动了微电子技术、计算机技术和自动化技术的飞速发展，导致了制造技术向程序控制的方向发展，柔性制造单元、柔性生产线、计算机集成制造及精益生产等相继问世，制造技术由此进入了面向市场多样需求柔性生产的新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。20世纪50—60年代以来，一些工业发达的国家和地区在达到了高度工业化的水平以后，就开始了从工业社会向信息社会的转变，形成了从工业社会向信息社会过渡的时期。这个时期的主要特征是电子计算机、遗传工程，光导纤维、激光和海洋开发等技术的应用日益广泛且深入。
4.相关知识
对机械制造业发展影响最大的是电子计算机的应用，由此出现了机电一体化的新概念，出现了一系列诸如机床数字控制、计算机数字控制、计算机直接控制（又称为“计算机群控管理”）、计算机辅助制造、计算机辅助设计、成组技术、计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助几何图形设计和工业机器人等新技术。
这些新技术的产生有多种内在的和外部的因素，但最根本的是以下两个。
第一，市场发展的需要。
从市场的特点来看，20世纪初，在工业化形成的初期，市场对产品有充分的需要。这一时期的特点是产品品种单一、生命周期长，产品数量迅速增加，各类产品的开发、生产和出售主要由少数企业控制，促使制造企业通过采用自动机或自动生产线提高生产率来满足市场的需求。
20世纪60年代以后，世界市场发生了很大的变化，对许多产品的需求呈现饱和趋势。在这种饱和的市场中，制造企业面临着激烈的竞争，企业为了赢得竞争，必须按照用户的不同要求开发新产品。这个时期市场的变化，归纳起来有以下特征。
（1）产品品种日益增多。为了竞争的需要，生产企业必须根据用户的不同要求开发新产品。为了适应品种的多变，企业必须改变旧有的适用于大批量生产的生产方式，代之以应变能力强的、能很快适应新产品生产的生产方式，寻求一条有效的途径解决单件小批量生产的自动化问题。
（2）产品生命周期明显缩短。生产生活的需要对产品的功能不断提出新的要求，同时技术的进步为产品的不断更新提供了可能，从而使产品的生命周期越来越短。
（3）产品交货期缩短。缩短从订货到交货的周期是赢得竞争的重要手段。
第二，科学发展到一个新阶段，为新技术的出现提供了一种可能。
从科学技术的发展条件来看，近年来，科学技术在各个领域发生了深刻变化，出现了新的飞跃。
计算机的发展和应用给制造业带来了深刻的变化，出现了一系列新技术，如计算机辅助制造系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。经过多年的发展，这些技术日益成熟，已部分或全部应用于实际生产。与此同时，自动控制理论、制造工艺及生产管理科学也都有日新月异的变化，这为柔性制造系统的产生提供了基础。
计算机辅助制造技术的发展应从数控机床的发展算起，自美国麻省理工学院成功研制第一台数控铣床以来，计算机辅助制造技术就被公认为解决单件小批量生产自动化的有效途径。此后，随着控制元器件的不断革新，电子管、晶体管和大规模集成电路的相继出现，仅在20年间就发生了4次根本性的变革。与此同时，机床本身也在机械结构和功能方面有了极大的发展，滚珠丝杠、滚动导轨和变频变速主轴的应用，加工中心的出现，都给机床结构带来了极大的变化。伺服系统也从步进电动机、直流伺服电动机发展到交流伺服电动机，在控制理论方面有了长足的进步。
20世纪70年代初期出现了计算机数控系统，它使计算机软件的发展出现了一个极大的转机，过去的硬件数控系统要进行某些改变或增加一些功能，都要重新进行结构设计，而计算机数控系统只要对软件进行必要的修改，就可以适应新的要求。与此同时，工业机器人和自动上下料机构、交换工作台和自动换刀装置都有很大的发展，于是出现了自动化程度更高、柔性更强的柔性制造单元，又由于自动编程技术和计算机通信技术的发展而出现了一台大型计算机控制若干台机床或由中央计算机控制若干台计算机数控机床的计算机直接控制系统，即分布式数控系统。
20世纪70年代末、80年代初，随着计算机辅助管理物料自动搬运、刀具管理和计算机网络数据库的发展及CAD/CAM技术的成熟，出现了更加系统化、规模更大的柔性制造系统。
20世纪60—80年代，以数控机床应用为基础的柔性制造技术在汽车、飞机及其他行业得到发展，其应用结果表明，柔性制造适用于多品种、变批量产品的生产。20世纪80年代末，随着柔性制造技术的发展，以数控加工中心，数控加工模块及多轴加工模块组成的柔性自动生产线也得到了发展，给单一品种的大量生产方式带来了转机，正在不断发展和进步的柔性制造方式将是适应21世纪工业生产的主导方式。自改革开放以来，中国的制造业有了很大的进步，产品的外观和包装有了很大的改善，产品的种类也增加了很多，已有不少产品打入国际市场。但与工业发达国家相比，除了价格优势外，国内产品在功能、质量、投放市场时间和售后服务等方面均存在一定的差距。中国政府及社会各界人士已充分认识到这个问题，积极商量对策，采取多种措施，以便赶上世界潮流。在2002年12月召开的中国机械工程学会年会就把“制造业与未来中国”作为主题。放眼世界，随着经济全球化进程日益加快，新一轮的世界产业结构调整正在不断推进，国际分工正在更为宽广的领域中展开。如何在全球经济格局中占据有利位置、如何应对高科技时代的激烈竞争、如何化解全球化这把双刃剑可能带来的伤害、如何赢得未来世界对自己国家和民族的尊重，已经成为各国必须回答的命题。
从制造业的发展历程可以看出，制造技术沿革总是在市场需求和科技发展这两方面的推动作用下演化的，当前制造技术的前沿已发展到以信息密集的柔性自动化生产方式满足多品种、变批量的市场需求，并开始向知识密集的智能自动化方向发展。
1）柔性制造系统的特征
柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，其包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。柔性制造系统的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，可以按照计算机辅助工艺过程的派生法组织生产，选择与数控加工设备、工件和工具等相适应的物料储运系统，并由计算机进行控制，能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产（即具有“柔性”），可以及时地改变产品以满足市场需求。柔性制造系统兼有加工制造功能和部分生产管理功能，因此能综合地提高生产效益。柔性制造系统的两个主要特点就是柔性和自动化，其他特点如下。
第一，柔性高，适应多品种、中小批量生产。
第二，系统内的机床工艺能力是相互补充和相互替代的。
第三，可混流加工不同的零件。
第四，对系统局部调整或维修时，整个系统的运作不中断。
第五，采用多层计算机控制，可以和上层计算机联网。
第六，可进行三班无人干预生产。
（1）柔性。
“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的刚性自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但刚性自动化生产线只能加工一个或几个类似的零件，难以应付多品种、中小批量的生产。一个理想的柔性制造系统应具备8种柔性：设备柔性、工艺柔性、产品柔性、工序柔性、运行柔性、批量柔性、扩展柔性和生产柔性。
①设备柔性。
设备柔性是指系统中的加工设备具有适应加工对象变化的能力。其衡量指标是当加工对象的类、族和品种变化时，加工设备所需刀、夹、铺具的准备和更换所需的时间；硬、软件的交换与调整所需的时间；加工程序的准备与调校所需的时间等。
②工艺柔性。
工艺柔性是指系统能以多种方法加工某一族工件的能力，也称为“加工柔性”或“混流柔性”。其衡量指标是系统不采用成批生产方式而同时加工的工件品种数。
③产品柔性。
产品柔性是指系统能够经济而迅速地转向生产一族新产品的能力，也称为“反应柔性”。衡量产品柔性的指标是系统从加工一族工件转向加工另一族工件所需的时间。
④工序柔性。
工序柔性是指系统改变每种工件加工工序的能力。其衡量指标是系统以实时方式进行工艺决策和现场调度的水平。
⑤运行柔性。
运行柔性是指系统处理其局部故障，并维持继续生产原定工件族的能力。其衡量指标是系统发生故障时生产率的下降程度或处理故障所需的时间。
⑥批量柔性。
批量柔性是指系统在成本核算方面适应不同批量的能力。其衡量指标是系统保持经济效益的最小运行批量。
⑦扩展柔性。
扩展柔性是指系统能根据生产需要方便地模块化进行组建和扩展的能力。其衡量指标是系统可扩展的规模大小和难易程度。
⑧生产柔性。
生产柔性是指系统适应生产对象变换的范围和综合能力。其衡量指标是前述7项柔性的总和。
在综合性的专业实验室里，主要传授与实践有关的教学内容和实际的操作技能，在建立综合性的专业实验室时，必须考虑使学习的内容与劳动过程紧密结合。因此，所要建立的模块化柔性制造系统应具备下述重要特性。
第一，工业标准化特性。在系统中绝大部分设备和元器件都符合工业标准，尽可能不使用过分简化的教学设备与元器件，使学生可以在一个能反映真实生产过程的系统中学到专业知识与操作技能。
第二，模块化特性。系统具有模块化特性，即系统中的每个功能部件都能独立运行，重要的功能部件应该是分布式控制的。在学习过程中，学生不仅可以对各个功能部件进行操作，还可以根据不同的教学内容增减功能部件，同时功能部件的增减又不影响系统中其他功能部件的运行。
第三，结构的开放性和兼容性。基于电子技术、信息技术和自动化技术的快速发展，所建系统必须与变化的技术要求匹配。在设计系统时，需要充分考虑其硬件结构与软件系统的开放性和兼容性，使组成该系统的设备不仅能与现今其他设备组合和匹配，而且具有进一步开发的可能性，为将来的技术更新留有余地。
第四，学习的实践特性。学生在综合性的专业实验室中学习时应该具有创造性劳动的可能性，也就是允许学生对某些设备进行拆装、更改，使他们能够真正学到生产实际所需的专业技能。系统中的元器件虽然是工业用的，但是在设计这些元器件时需要充分考虑拆装的方便性。这样，学生就能较容易地把建好的系统拆开，然后重新组装起来，还可以通过增减元器件对系统的配置进行重构。
第五，现代教学特性。在现代职业劳动中，劳动组织形式是以小组劳动为特征的，在职业技术教育中，学生在学校就应该了解并习惯这种劳动组织形式。模块化柔性制造实验系统为学生提供了这种可能性，这是因为每个功能部件都能独立运行，各功能部件又通过局域网络互相连接，通过协调控制连成一个系统。当学生在该系统中学习时，可以将“构建系统”作为一个学习课题，先构思出整个系统的方案，然后各小组分别对各功能部件进行设计、安装、编程和调试。在各功能部件调试通过之后，对组合系统进行整体调试。
（2）自动化。
①按零件加工顺序配置机床的系统。
根据被加工零件的加工顺序选择机床，并用一个物料储运系统将机床连接起来，机床间在加工内容方面相互补充。工件借助一个装卸站送入系统，并由此开始，在计算机的控制下，由一个加工站送至另一个加工站，连续完成各加工工序。通常工件在系统中的输送路径是固定的，但是不同的机床也能加工不同的工件。
②机床可相互替换的系统。
柔性制造系统在设备出现故障时，能用替换机床保持整个系统继续工作。在一个由几台加工中心、一个存储系统和一个穿梭式物料输送线组成的柔性制造系统中，工件可以被送至任何一台加工中心，它们都有相应的刀具来加工零件。计算机具有记忆每台机床的状态，并能在机床空闲时分配工件去加工的能力。每台机床都配有能根据指令选用刀具的换刀机械手，能完成部分或全部加工工序。该系统中还具有机床刀库的更换和存储系统，以保证加工多种零件所需的刀具量。柔性制造系统的最大优点是设备发生故障时，只有部分系统停工，工件的班产量有所降低，但不会造成停产。
③混合型系统。
在实际生产中常常采用既按工序选择，又具有替换机床的柔性制造系统，这就是混合型系统。混合型系统内同类机床具有相互替换的能力。
④具有集中式刀具储运装置的系统。
这种集中式刀具储运装置可以是与机载刀库交换的备用刀库，也可以是与机床多轴主轴箱交换的备用主轴箱。系统中的刀具都按工件的加工要求集中布置在若干个刀具储运装置中，当加工任务确定后，控制系统选出相应的多轴箱或备用刀库送至机床，来完成工序的加工要求。
在对柔性制造系统基本概念和定义进行分析后，接着对该系统的指标进行分析。柔性制造系统的主要指标为生产柔性、生产效率、技术利用率、系统可靠性和投资强度比。
①生产柔性。针对自动化生产线，如果通过重新组合和调整容易完成其他类型产品的生产，就称为柔性好；只能适应单一产品的生产就称为不具有柔性。
②生产效率。生产效率指固定投入量下，制造的实际产出与最大产出两者的比例。它可反映达成最大产出、预定目标或最佳营运服务的程度，亦可衡量经济个体在产出量、成本、收入和利润等目标下的绩效。
③技术利用率。技术利用率反映在柔性制造系统中一些新技术、新元器件的加入等。
④系统可靠性。随着科学技术的发展，现代化的机器、技术装备、交通工具和探索工具越来越复杂。这些机器和设备的可靠性受到了人们的广泛重视。
⑤投资强度比。投资强度比简单地说就是投入资金与该系统功能和效率的比例。
2）柔性制造系统构成单元
柔性制造技术（FMT）是建立在数控设备应用的基础上，正在随着制造企业技术进步而不断发展的新兴技术，是一种主要用于多品种、中小批量或变批量生产的制造自动化技术，它是对各种不同形状的加工对象进行有效加工且转化为成品的各种技术的总称。
柔性制造技术是电子计算机技术在生产过程及其装备上的应用，是将微电子技术、智能化技术与传统加工技术融合在一起，具有先进性、柔性化、自动化和高效率特点的制造技术。柔性制造技术在机械转换、刀具更换、夹具可调和模具转位等硬件柔性化的基础上发展成为以自动变换、人机对话转换和智能变换形式对不同加工对象进行程序化柔性制造加工的一种崭新技术，它是智能制造系统的基本单元技术。
柔性制造技术有多种不同的应用形式，按照其规模、柔性和其他特征，柔性自动化可分为以下形式：柔性制造单元（FMC）、柔性生产线（FMIL）、柔性制造系统和以柔性制造系统为主体的自动化工厂。概括地说，凡是在计算机辅助设计、辅助制造系统支持下，采用数控设备、分布式数控设备、柔性制造单元、柔性制造系统、柔性自动生产线和柔性装配系统等具有一定制造柔性的制造自动化技术，都属于柔性制造技术。柔性制造技术是在数控机床研制和应用的基础上发展起来的，考察其背景，则离不开计算机技术、微电子技术的发展。
为了获得较明确的技术概念，对柔性制造系统各构成单元说明如下。
（1）数控设备是一种机床或工业加工设备（包括焊机、金属成形及钣金加工设备等），其加工运动的轨迹或加工顺序是由数字代码指令确定的，它通常是用计算机辅助制造软件工具生成的。
（2）计算机数控系统是一种具有内装式专用小型计算机的数控系统。(https://www.daowen.com)
（3）计算机直接数控系统是将一组数控设备连接到一个公共计算机存储器的系统，该存储器能按需要在线分配数控指令给数控设备的控制器。
（4）分布式数控系统是能将主控计算机存储器中存储的各个零件加工的计算机数控程序，通过分布式前端控制器（也称“工作站”）分配、发送到数控设备的控制器，并能采集数控设备上报的工况信息的系统。
（5）加工中心是一种带有刀库和自动换刀功能的多工序加工数控机床，如钻、镗、铣、车削和车铣加工中心等。
（6）柔性制造系统是一个在中央计算机控制下由两台以上配有自动换刀及自动换工件托盘的数控机床与为之供应刀具和工件托盘的物料运送装置组成的制造系统，它具有生产负荷平衡调度和对制造过程实时监控功能及制造多种零件族的柔性自动化。
（7）柔性制造单元通常是由一台加工中心、一组公共工件托盘及其传送装置组成的，工件托盘按单一方向传送，传送装置的循环起点是工件装卸工位，控制系统没有生产调度功能（少数柔性制造单元由多台加工中心组成，具有初步的调度功能）。
（8）柔性自动生产线由多台柔性加工设备及一套自动工件传送装置和控制管理计算机组成。柔性加工设备可以是1～3坐标数控加工模块、多轴加工模块（转塔式或自动换箱式）或数控加工中心的组合，工件按传送线流向顺序加工。柔性自动生产线适用于大批量生产，并具有加工零件品种在一定范围内变化的制造柔性。
（9）柔性装配系统由控制计算机、若干工业机器人、专用装配机及自动传送线和线间运载装置（包括自动导引车、滚道式传送器）组成。柔性装配系统用于印制电路板插装电子器件、各种电动机和机械部件等的自动装配。
3）柔性制造系统的分类
由于柔性制造系统还在发展中，所示目前柔性制造系统的概念还没有统一的定义，它作为一种新的制造技术的代表，在零件的加工以及与加工有关的领域得到了越来越广泛的应用，这就决定了柔性制造系统组成和机理的多样性。
柔性制造系统具有较好的柔性，但是这并不意味着柔性制造系统能生产所有类型的产品。事实上，现有的柔性制造系统只能制造一定种类的产品。据统计，从工件形状来看，95%的柔性制造系统用于加工箱体类或回转体类工件。从工件种类来看，很少有加工20种产品以上的柔性制造系统，多数柔性制造系统只能加工10多个品种。现有的柔性制造系统大致可分为3种类型。
（1）专用型柔性制造系统。
专用型柔性制造系统是指以一定产品配件为加工对象的专用柔性制造系统，如汽车底盘柔性加工系统。
（2）监视型柔性制造系统。
监视型柔性制造系统是指具有自我检测和校正功能的柔性制造系统。其主要功能如下。
①工作进度监视。包括运动程序、循环时间和自动电源切断的监视。
②运动状态的监视。包括刀具破损检测、工具异常检测、刀具寿命管理和工夹具的识别等。
③精度监视。包括镗孔自动测量、自动曲面测量、自动定位中心补偿、刀尖自动调整和传感系统。
④故障监视。包括自动诊断监控和自动修复。
⑤安全监视。包括障碍物、火灾的预检。
（3）随机任务型（可同时加工多种相似工件的）柔性制造系统。
加工小批量相似工件（如回转体类、箱体类及一般对称体工件等）的柔性制造系统具有不同的自动化传送方式和存储装置，配备高速数控机床、加工中心和加工单元，有的柔性制造系统可以加工近百种工艺相近的工件。与传统加工系统相比，该类型柔性制造系统的优点如下。
①生产效率可提高140%～200%。
②工件传送时间可缩短40%～60%。
③生产面积利用率可提高20%～40%。
④设备（数控机床）利用率每班可达95%。
4）柔性制造系统的组成及发展趋势
（1）柔性制造系统的组成。
各种定义的描述方法虽然不同，但它们都反映了柔性制造系统的以下特征。
第一，从硬件的形式看它由三部分组成：①两台以上的数控机床或加工中心及其他加工设备，包括测量机、各种特种加工设备等；②一套能自动装卸的运储系统，包括刀具的运储和工件原材料的运储，具体可采用传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘和交换工作站等；③一套计算机控制系统及通信网络控制系统。
第二，软件内容主要包括：①柔性制造系统的运行控制；②柔性制造系统的质量保证；③柔性制造系统的数据管理和通信网络。
第三，柔性制造系统的功能主要包括：①自动进行零件的批量生产，自动控制制造质量，自动进行故障诊断及处理，自动进行信息收集及传输；②简单地改变软件，便能制造出某一零件族的任何零件；③物料的运输和存储必须是自动的（包括刀具等工装和工件）；④能解决多种机床条件下零件的混流加工且无须额外增加费用；⑤具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工。
根据实际情况，某些企业实施的柔性制造系统与上述柔性制造系统的特征有些差别，称为准柔性制造系统，也有些人称为DNC系统。一般可以认为缺少自动化物流系统的是DNC系统，否则可称为柔性制造系统。因为DNC系统与柔性制造系统的主要区别在于是否具有自动物流系统，所以两者在系统的调度与管理上存在一些差别。
由于柔性制造系统将硬件、软件、数据库与信息集成在一起，融合了普通数控机床的灵活性和专用机床及刚性自动化系统效率高、成本低的特点，所以具有许多优点：①在计算机直接控制下实现产品的自动化制造，大大提高了加工精度和生产过程的可靠性；②使生产过程的控制和流程连续，并且达到最佳，有效提高了生产效率；③实现系统内材料、刀具、机床、运储装置、夹具及测量检查站的理想配置，具有良好的柔性；④可直接调整物流（即工件流、工具流）和制造中的各项工序，从而制造不同品种的产品，大大提高了设备的利用率。
近年来，在制造自动化技术领域，以柔性制造单元和柔性制造系统为代表的柔性制造技术得到了快速发展和应用，其用于实现高柔性、高生产率、高质量和低成本的产品制造，使企业生产经营能力整体优化，适应产品更新和市场快速变化，保持企业在市场上的竞争优势。
柔性制造技术包含柔性制造系统的4个基本部分中的自动化技术，即自动化加工设备、自动化刀具系统、自动化物流系统及自动化控制与管理系统；还包括各组成部分之间的有机结合和配合，即物流和信息流集成技术及人与系统集成技术。柔性制造技术大致包含下列内容：规划设计自动化、设计管理自动化、作业调度自动化、加工过程自动化、系统监控自动化、离散事件动态系统的理论与方法、柔性制造系统的体系结构、柔性制造系统管理软件技术、柔性制造系统中的计算机通信和数据库技术。
柔性制造技术及柔性制造系统发展之所以如此迅猛，是因其集高效率、高质量和高柔性三者于一体，解决了近百年来中小批量、中大批量多品种生产和生产自动化的技术难题。柔性制造系统的问世和发展确实是机械制造业生产及管理上的历史性变革，柔性制造技术及柔性制造系统能有力地支持企业实现优质、高效、低成本和短周期的竞争优势，已成为现代集成制造系统必不可少的基石和支柱。半个世纪以来，柔性制造技术的出现、发展、进步和广泛应用，对机械加工行业及工厂自动化技术发展产生了重大的影响，并开创了工厂自动化技术应用的新领域，大大促进了计算机集成制造技术的发展和应用。
20世纪90年代后，尽管柔性制造系统的发展遇到了一些困难，由于机床制造业出现了世界性的滑坡，影响了柔性制造系统的发展和应用速度，但工业界经长期实践，积累了丰富的经验和教训，已超越了早期柔性制造系统概念的约束，不再盲目追求实现加工过程的全盘自动化，而是更加注重信息集成和人在计算机集成制造系统和柔性制造系统中的积极作用。对柔性制造系统而言，如果系统规模小些，并允许人更多地能动介入，系统运行往往会更有成效。现在柔性制造技术已朝着更加正确的方向发展，并开发了新的柔性制造设备，如由高性能柔性加工中心构成的柔性制造单元、柔性自动生产线得到广泛的应用。
当今，“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”是制造设备和系统的主要发展趋势。柔性制造技术仍在继续发展之中，并将更趋于成熟和实用。柔性制造系统的构成和应用形式将更加灵活和多样，为越来越多的企业所接受。特别是随着工业机器人技术的成熟和应用，小型柔性制造系统在吸取了应用实践经验后发展迅速，其总体结构通常采用模块化、通用化、硬/软件功能兼容和可扩展的设计技术。这些模块具有通用功能化特征，相对独立性好，配有相应硬/软件接口，按不同需求进行组合和扩展。与大型柔性制造系统相比，小型柔性制造系统投资较低，运行可靠性好，成功率较高。这种小型化柔性制造系统伴随着DNC、柔性制造技术发展而附带生产的柔性制造单元将得到快速发展和广泛应用，并可能形成商品化的柔性制造设备，成为制造业先进设备的主要发展趋势和面向21世纪的先进生产模式。
（2）柔性制造的发展趋势。
①利用技术相对成熟的标准化模块构造不同用途的系统。
②柔性制造单元的功能进一步发展和完善。柔性制造单元比传统制造单元功能全，比柔性制造系统规模小、投资少、可靠，也便于连接成能可扩展的柔性制造系统。
③柔性制造系统效益显著，有向小型化、多功能化方向发展的趋势。
④在已有的传统组合机床及其自动线基础上发展起来的柔性自动生产线，用计算机控制管理，保留了组合机床的模块结构和高效特点，又加入了数控技术的有限柔性。
⑤向集成化、智能化的方向发展。
5）工业机器人在柔性制造系统中的应用
（1）工业机器人的应用及性能简介。
工业机器人由控制系统、机械手及手持操作编辑器组成。相较于人工，工业机器人具有快速精准、自由灵活、工作空间要求低、工作范围广、成本低和效率高等优点，因此工业中机器人常被用来代替人工做码垛拆垛、焊接、喷涂和搬运等工作。
工业机器人综合实训装置由5个模块组成，分别为模拟焊接、模拟搬运、模拟注塑、码垛拆垛及七巧板拼图。这5个模块由浅入深，包括工业机器人的控制、运动以及工业机器人的编程、算法。
RRK-1410工业机器人综合实训平台是以工业生产中的工业机器人自动化生产线为原型开发的教学、实验和实训综合应用平台。该综合实训平台包含工业机器人、智能码垛系统、模拟注塑机系统、模拟焊接系统、计算机视觉系统和工装夹具系统，实训装置涉及工业机器人技术、PLC控制技术、触摸屏技术、传感器检测技术、气动技术、运动控制技术，机械结构与系统安装调试、故障检测技术、计算机控制技术及系统工程等。
该综合实训平台可满足汽车制造、机械加工和物流等行业对工业机器人应用训练的需求（如工件搬运、码垛、弧焊、装配和喷涂等），可用于学员学习工业机器人示教操作、编程及维护等。
（2）工业机器人控制技术。
工业机器人主要是应用于工业生产环节的控制系统，目前以其智能程度只能大范围应用于较为系统、规律的工作流程，还无法进行高难度的工程操作，因此需要针对工业机器人的运动控制系统进行着重研究。
①运动控制技术。
工业机器人最核心的价值体现为运动控制，运动控制系统在工业机器人体内的地位相当于大脑在人体内的地位，运动控制系统的好坏直接决定了工业机器人的性能和功能。运动控制技术的关键内容主要包括开放性、模块化的运动控制系统体系结构，工业机器人的故障诊断和安全维护技术，模块化、层次化的控制器软件系统和网络化的工业机器人控制器技术等。
运动控制方面的主要技术就是开放性、模块化的运动控制系统体系结构，该结构采用了分布式的CPU计算机结构，大致分为运动控制器、工业机器人控制器、光电隔离I/O控制板、编程式示教器和传感器处理板等。其中工业机器人控制器通过计算机，可以进行相关的运动规划；编程式示教器可以完成相关信息的显示和输入等工作，插补和位置伺服及主控逻辑、数字I/O和传感器处理等。从上述信息，可以看到工业机器人运动控制在工业生产中是极其重要的。
在研究领域，还没有一个针对工业机器人运动控制系统开放性的、权威公认的定义。对于开放性，IEEE曾经做出过这样的定义表述：在不同平台之间，系统在应用的时候能够自由地进行移植，而且能够与其他系统实现交互，为用户提供的交互方式是一致的。对于开放性系统，库卡机器人集团创始人也曾经进行过定义：对于开放性系统，计算机和操作系统运行环境采用商业化的标准，同时计算机和操作系统硬件及软件接口具有开放性，而且计算机与操作系统的控制器也应当具备开放式的结构，呈现标准化、模块化的特征。也就是说，用户在使用工业机器人的过程中，仅需通过简单的指令就能够操作工业机器人。与此同时，在工序发生变化的情况下，也能够以最小的代价、最短的时间对工业机器人系统进行修改，通过这种修改，能够使新的需求得到满足。
在与工业机器人有关的研究课题中，运动控制系统一直以来都是一个非常热门的研究课题。近年来，对工业机器人的研究主要聚焦于其自身技术及功能。在工业生产过程中，工业机器人的应用的广泛性不断增大，对于工业生产系统而言，工业机器人已经成了一个非常重要的标准部件，它将生产线上的各种设备的控制系统通过互联网或者工业总线进行有效的连接。对于现在的生产装备而言，形成一个综合、全面的运动控制系统，成为重要的发展趋势。这对于运动控制系统信息数据的流通、传递和共享产生了显著的影响。但是，在现代工业生产过程中，生产设备由不同厂家的部件组成，当前要将大部分设备综合在一起，形成一个综合全面的自动化的系统存在比较大的困难。因此，在当前的工业生产过程中，设备的开放性是一个备受关注的话题。除了受自身技术发展的影响之外，工业机器人运动控制系统的开放性还受到其他因素的影响和制约。整体上来看，主要有两个因素会影响到工业机器人运动控制系统开放性。
第一，开放的自动化设备。在工业生产系统中，控制器会给生产者带来诸多好处，包括可扩展、可联网和可移植等。
第二，运动控制系统开放程度提高的可行性随着当前计算机互联网技术商品化水平的提升而不断增大。
迄今为止，针对工业机器人运动控制系统的开放性还没有形成一个明确的具有权威性、统一性的定义。从整体来看，开放性主要体现在可扩展性、互操作性、可移植性和可增减性4个方面。
第一，可扩展性指的是第三方设备生产者能够增加硬件设备和软件设备，使功能得到扩充。
第二，互操作性指的是控制器的核心部分能够与外界的一台或者多台计算机进行信息交换。
第三，可移植性指的是在不同的环境下，工业机器人的应用软件能够相互移植。
第四，可增减性指的是在实际需求的基础上，工业机器人系统的性能及功能能够非常便捷化地进行增减。
如果要实现上述特性和要求，那么运动控制系统的硬件应当采用标准化的体系结构，具有开放性界面。
工业机器人运动控制系统的开放性是必须的，其原因如下。
第一，这是工业机器人技术的发展趋势决定的。
第二，这是工业机器人应用领域自动化发展的需求决定的。
不论从技术实现的可能性角度来看，还是从技术成本角度来看，追求严格意义上的开放性体系结构是没有必要的。目前，在工业生产过程中，工业机器人运动控制系统的数量不仅非常庞大，而且技术进步速度也是令人瞠目结舌。要制定一个完全的、绝对的开放标准，是根本没有办法实现的。现阶段在工业机器人运动控制系统领域，探讨和研究的重点是可行的运动控制系统开放式结构，使运动控制系统的开放程度在现有计算机技术及信息技术发展成果的基础上进一步提升。
②运动规划技术。
工业机器人运动学需要从工业机器人的几何结构和正向、逆向运动学等方面研究工业机器人的运行特性，而不考虑力和力矩在运行过程中的影响。
工业机器人的正向运动学问题是指在已知工业机器人各个连杆的长度和关节变量的条件下，对工业机器人末端执行器的位置和姿态进行求解；工业机器人的逆向运动学问题是指在已知工业机器人末端执行器的位置和姿态及各个连杆长度的情况下，对工业机器人所有的关节变量（关节角度或移动距离）进行求解。
通过D-H参数法求解工业机器人的正向运动学问题，需要建立运动学模型；工业机器人的逆向运动学问题，需要通过解析法进行逆向推导，建立运动学模型。工业机器人运动学建模需要处理以下几个问题：由杆件间关系确定扭角、连杆长度、相邻杆法线间距离及进行坐标系转换；进行基于多项式的轨迹规划，即已知初始点和终止点关节角度参数，利用三次多项式插值算法或五次多项式插值算法，确定各关节变量与时间关系的平滑插值函数。
③视觉分析技术。
视觉分析技术是工业机器人获取未知环境信息的主要途径。视觉分析技术可以使工业机器人通过视觉传感器获取一些二维图像，并通过视觉传感器对图像进行分析和计算，把图像转变为某个符号或者相应的数据再通过计算机显示出来，让工业机器人识别相应的物体和物体所在坐标进而对其进行操作。现在的视觉分析技术基本上都是根据图像的明暗来处理信息，而不是对距离信息进行分析处理，这种视觉分析技术是二维的。随着科技的不断进步，三维的视觉分析系统逐渐被开发出来，供工业机器人使用。从视觉传感器传出的图像，一般都是下载到计算机中，计算机对传输的数据进行分析计算再回馈给工业机器人。通过计算机的一些编程软件对工业机器人进行开发，最终让工业机器人获得一个完美的视觉分析系统。
工业机器人的视觉分析技术的一个发展趋势就是融合三维技术和嵌入式处理器。三维视觉分析技术最初诞生于实验室，如今三维视觉分析技术已经被应用于多个领域，比如通过三维视觉分析系统使工业机器人进行高精度的行走和零件拾取等。嵌入式处理器则让三维视觉系统更加精准。在医疗方面，通过三维技术和嵌入式处理器的双重组合已可以使机器人进行高精度的激光手术。目前，工业机器人的视觉分析技术需要根据不同的领域和不同的环境进行设计实现，需要科研人员共同努力，争取早日实现工业机器人视觉分析的真正智能化。
④工业机器人与PLC连接。
a.PLC控制下的工业机器人系统设计包括两个方面的内容：系统总体设计、系统结构设计。工业机器人系统有较多组成部分，如执行系统、运动控制系统和感知系统等，不同的系统发挥着不同的作用，其中运动控制系统发挥着不可替代的作用，决定着工业机器人的运行状况。
b.系统结构设计分为三个方面的内容，分别是驱动系统设计、控制器选择和运动控制系统设计。驱动系统一般情况下需要借助电动机来完成运行工作；控制器的运行状况在很大程度上决定了工业机器人本身的性能；运动控制系统可以满足工业机器人的作业要求。系统总体设计与系统结构设计可以解决工业机器人在运行过程中出现的问题。PLC技术的不断发展改进，使工业机器人与互联网的结合更加紧密。
c.基于PLC控制的工业机器人的应用两个方面的内容：完善工业机器人硬件设计工作、合理科学地运用PLC技术。工业机器人在工作的过程中，其搬运或者装配的能力只有借助PLC技术才可以有更大程度地发展。在PLC技术发挥作用的情况下，各个装置会更加默契地配合。
d.科学合理地运用PLC技术可以从三个方面考虑：在工业机器人具有一定独立性的情况下，可以借助PLC技术推动工业机器人的合理发展；对工业机器人的运行进行一定的设计编制，以使工业机器人更好地完成任务；将PLC技术应用于工业机器人系统，实现具体的控制。
5.任务评价
任务评价见表1-2。
表1-2 任务评价
续表
