機器人自動化集成系統(tǒng)設(shè)計(NX MCD) 課件 第1、2章 機器人集成技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)

機器人自動化集成系統(tǒng)

設(shè)計(NXMCD)第1章機器人集成技術(shù)第2章數(shù)字孿生技術(shù)第3章機電軟協(xié)同設(shè)計第4章基于數(shù)字孿生的自動化集成技術(shù)第5章基于人工智能的自動化集成技術(shù)第6章基于NXMCD的機器人自動上下料系統(tǒng)第1章

機器人集成技術(shù)1.1機器人技術(shù)1.1.1機器人發(fā)展概述1.1.2機器人基本組成1.1.3機器人常見類型1.2系統(tǒng)集成1.2.1控制系統(tǒng)1.2.2通信系統(tǒng)1.2.3視覺系統(tǒng)1.3接口技術(shù)1.3.1系統(tǒng)接口1.3.2工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)1.3.3

OPC技術(shù)隨著科技的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動化成為推動工業(yè)革命的重要力量。其中，機器人集成技術(shù)作為工業(yè)自動化的核心技術(shù)之一，正不斷引起人們的關(guān)注和研究。機器人集成技術(shù)將各種類型的機器人系統(tǒng)和可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)、計算機數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)、運動控制（MC）系統(tǒng)及機器視覺（MV）系統(tǒng)等進行連接、編程和控制，實現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同工作，完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)。這項技術(shù)不僅能提高生產(chǎn)效率，降低勞動力成本，還能有效改善工作環(huán)境，減少人為操作的錯誤和事故。1.1

機器人技術(shù)1.1.1機器人發(fā)展概述011.1.2機器人基本組成021.1.3機器人常見類型031.1.1

機器人發(fā)展概述1.1.1.1機器人發(fā)展歷史機器人“Robot”最早出現(xiàn)在捷克文學(xué)家卡雷爾·恰佩克（KarelCapek）1920年的劇本《羅素姆萬能機器人》（Rossum’sUniversalRobots）中，這個詞源于捷克語的“robota”，意思是“奴隸、苦力”，該劇1921年在劇院首次演出。從那時起，人類就越來越有消除危險的體力勞動的想法，只是機器人作為普通奴隸接管所有工作的概念尚未成熟。1942年，美國著名科幻小說家、文學(xué)評論家艾薩克·阿西莫夫（IsaacAsimov）在作品《我，機器人》（I，Robot）中提出了“機器人學(xué)三定律”，該理論被稱為“現(xiàn)代機器人學(xué)的基石”，這也是機器人學(xué)（Robotics）這個名詞在人類歷史上的首度亮相。阿西莫夫提出：第一定律：機器人不得傷害人類，或坐視人類受到傷害；第二定律：除非違背第一法則，機器人必須服從人類的命令；第三定律：在不違背第一及第二法則下，機器人必須保護自己。1.1.1

機器人發(fā)展概述1.1.1.1機器人發(fā)展歷史現(xiàn)代機器人的研究起源于20世紀中葉的美國，技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求使用某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿貢國家實驗室（ANL）于1947年開發(fā)了遙控機械手，又開發(fā)了機械式的主從機械手。1954年，美國的戴沃爾（Devol）最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。1.1.1

機器人發(fā)展概述1.1.1.1機器人發(fā)展歷史工業(yè)機器人產(chǎn)品最早的實用機型（極坐標型）是美國Unimation（萬能自動化）公司1959年推出的“Unimate（萬能自動）”和AMF（美國機械與鑄造）公司1962年推出的“VERSTRAN（萬能搬運）”。圖1-1所示是世界上第一臺真正意義上的工業(yè)機器人Unimate，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。圖1-1工業(yè)機器人Unimate1.1.1機器人發(fā)展概述1.1.1.1機器人發(fā)展歷史1965年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Roborts（羅伯茨）演示了第一個具有視覺傳感器、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。1973年，美國辛辛那提·米拉克?。–incinnatiMilacron）公司的理查德·豪恩(RichardHohn)制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅(qū)動的，能提升的有效負載達45kg。Unimation公司的創(chuàng)始人約瑟夫·

恩格爾柏格（JoephF?Engelberger）對世界機器人工業(yè)的發(fā)展做出了杰出貢獻，被人們稱為“機器人之父”。1.1.1

機器人發(fā)展概述1.1.1.1機器人發(fā)展歷史1980年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。隨后工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此贏得了“機器人王國”的美稱。美國、日本、德國、法國等都是機器人的研發(fā)和制造大國，無論在基礎(chǔ)研發(fā)或產(chǎn)品研發(fā)、制造方面都居世界領(lǐng)先水平。我國的機器人研發(fā)起始于20世紀70年代中期，在工業(yè)機器人及零部件研發(fā)等方面取得了一定的成績，但真正意義上的完全自主機器人制造商的產(chǎn)生還任重而道遠。機器人技術(shù)與數(shù)控技術(shù)、PLC技術(shù)并稱為工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱。1.1.1

機器人發(fā)展概述1.1.1.2機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況工業(yè)機器人整個產(chǎn)業(yè)鏈有上、中、下3個層次：①上游是關(guān)鍵零部件，主要包括減速器、控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，是機器人的核心；②中游是機器人本體，主要包括機座和手臂、腕部等執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的基礎(chǔ)；③下游是系統(tǒng)集成，依賴上游和中游的核心設(shè)備做集成產(chǎn)品。1.1.2機器人基本組成1.1.2.1工業(yè)機器人組成結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人是能夠自動識別對象或其動作，根據(jù)識別結(jié)果自動決定應(yīng)采取動作的自動化裝置。它能模擬人的手、臂的部分動作，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具等。它綜合了精密機械技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和自動控制技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果。工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成主要包括：機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)。工業(yè)機器人系統(tǒng)如圖1-2所示。圖1-2工業(yè)機器人系統(tǒng)1.1.2機器人基本組成機器人總體概述工業(yè)機器人包括機器人本體、伺服電機、驅(qū)動器、控制器、編碼器等，如圖1-3所示。此外還有一些外圍的設(shè)備，如攝像頭、力傳感器、I/O（Input/Output，輸入/輸出）模塊、末端執(zhí)行器等。圖1-3工業(yè)機器人組成1.1.2機器人基本組成機器人機械系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)機器人電氣伺服系統(tǒng)

機器人傳感檢測系統(tǒng)

末端執(zhí)行器

1.1.2機器人基本組成1.1.2.2工業(yè)機器人主要技術(shù)指標機器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度（控制軸數(shù)）、精度、工作范圍（作業(yè)空間）、最大工作速度、承載能力等；此外，還有安裝方式、防護等級、環(huán)境要求、供電電源要求、機器人外形尺寸與重量等與使用、安裝、運輸相關(guān)的其他參數(shù)。1.1.3機器人常見類型專業(yè)分類法專業(yè)分類法又可根據(jù)機器人控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、機械結(jié)構(gòu)形態(tài)和運動控制形式進行分類。①根據(jù)目前的控制系統(tǒng)技術(shù)水平，一般可分為示教再現(xiàn)機器人（第一代）、感知機器人（第二代）和智能機器人（第三代）。②按運動控制形式，可分為順序控制型、軌跡控制型、遠程控制型和智能控制型。③按機器人現(xiàn)有的機械結(jié)構(gòu)形態(tài)，可分為圓柱坐標型、球坐標型、直角坐標型、關(guān)節(jié)型、并聯(lián)型等，以關(guān)節(jié)型機器人最為常用。1.1.3.1主要分類方法1.1.3機器人常見類型應(yīng)用分類法應(yīng)用分類法是根據(jù)機器人的應(yīng)用環(huán)境（用途）進行分類。根據(jù)機器人應(yīng)用環(huán)境的不同，主要可分為工業(yè)機器人和服務(wù)機器人兩類。①工業(yè)機器人是指在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的機器人，它是一種可編程的、多用途自動化設(shè)備。②服務(wù)機器人是服務(wù)于人類非生產(chǎn)性活動的機器人總稱。服務(wù)機器人是能半自主或全自主工作的自動化設(shè)備，能完成有益于人類的服務(wù)工作，但不直接從事工業(yè)品生產(chǎn)。1.1.3.1主要分類方法1.1.3機器人常見類型1.1.3.2工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)類型如圖1-4所示，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)形態(tài)，工業(yè)機器人可分為：1、笛卡爾直角坐標型2、圓柱坐標型3、球坐標型4、水平串聯(lián)關(guān)節(jié)型5、垂直串聯(lián)關(guān)節(jié)型6、并聯(lián)型7、Delta型圖1-4工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)類型1.1.3機器人常見類型1.1.3.3工業(yè)機器人的用途類型根據(jù)功能與用途，工業(yè)機器人可分為加工類、裝配類、搬運類、包裝類，如圖1-5所示。圖1-5工業(yè)機器人的用途類型1.1.3機器人常見類型加工類機器人加工類機器人是直接用于工業(yè)產(chǎn)品加工作業(yè)的工業(yè)機器人，常用的有金屬材料焊接、切割、折彎、沖壓、研磨、拋光等，也有部分用于建筑、木材、石材、玻璃等行業(yè)的非金屬材料切割、研磨、雕刻、拋光等加工作業(yè)。焊接、切割、研磨、雕刻、拋光加工的環(huán)境比較惡劣，加工時產(chǎn)生的強弧光、高溫、煙塵、飛濺、電磁干擾等都有害于人體健康。這些行業(yè)采用機器人自動作業(yè)，不僅可改善工作環(huán)境，避免人體傷害；而且還可自動連續(xù)工作，提高工作效率和改善加工質(zhì)量。圖1-6加工類機器人1.1.3機器人常見類型裝配類機器人裝配類機器人是將不同的零件或材料組合成組件或成品的工業(yè)機器人，常用的主要有組裝和涂裝兩大類。3C行業(yè)是目前組裝機器人最大的應(yīng)用市場。3C行業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，采用人工裝配，不僅需要使用大量的員工，而且操作工人的工作高度重復(fù)、頻繁，勞動強度極大，致使人工難以承受。涂裝機器人用于部件或成品的油漆、噴涂等表面處理，這類處理通常含有影響人體健康的有害、有毒氣體。采用機器人自動作業(yè)后，不僅可改善工作環(huán)境，避免有害、有毒氣體的危害；而且還可自動連續(xù)工作，提高工作效率和改善噴涂質(zhì)量。圖1-7裝配類機器人1.1.3機器人常見類型搬運類機器人搬運類機器人是從事物體移動作業(yè)的工業(yè)機器人的總稱，常用的主要有輸送機器人和裝卸機器人兩大類。工業(yè)生產(chǎn)中的輸送機器人以無人搬運車（AGV）為主。AGV具有自身的計算機控制系統(tǒng)和路徑識別傳感器，能夠自動行走和定位停止，可廣泛應(yīng)用于機械、電子、紡織、食品、造紙等行業(yè)的物品搬運和輸送。裝卸機器人多用于機械加工設(shè)備的工件裝卸（上下料），它通常和數(shù)控機床等自動化加工設(shè)備組合，構(gòu)成FMC，成為無人化工廠、FMS的一部分。裝卸機器人還經(jīng)常用于沖剪、鍛壓、鑄造等設(shè)備的上下料，以替代人工完成高風(fēng)險、高溫等惡劣環(huán)境下的危險作業(yè)或繁重作業(yè)。圖1-8搬運類機器人1.1.3機器人常見類型包裝類機器人包裝類機器人是用于物品分類、成品包裝、碼垛的工業(yè)機器人，常用的主要有分揀、包裝和碼垛3類。3C行業(yè)和化工、食品、飲料、藥品工業(yè)是包裝機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域。3C行業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量大、周轉(zhuǎn)速度快，成品包裝任務(wù)繁重；化工、食品、飲料、藥品包裝由于行業(yè)特殊性，人工作業(yè)涉及安全、衛(wèi)生、清潔、防水、防菌等方面的問題。因此，上述行業(yè)都需要利用包裝機器人來完成物品的分揀、包裝和碼垛作業(yè)。圖1-9包裝類機器人1.2系統(tǒng)集成011.2.1控制系統(tǒng)021.2.2通信系統(tǒng)031.2.3視覺系統(tǒng)1.2系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成是將原來沒有聯(lián)系或聯(lián)系不緊密的元素組合起來，成為具有一定功能、滿足一定目標、相互聯(lián)系、彼此協(xié)調(diào)工作的新系統(tǒng)的過程。在工業(yè)控制領(lǐng)域，系統(tǒng)集成用于解決不同設(shè)備、不同軟件及軟硬件間的網(wǎng)絡(luò)連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同設(shè)備、不同系統(tǒng)及不同層次間的傳輸，最終達到設(shè)備信息、生產(chǎn)信息等信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通互操作。機器人自動化集成系統(tǒng)，指使用一臺或多臺機器人，配以相應(yīng)的周邊設(shè)備，用于完成某一特定工序作業(yè)的獨立生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1-10所示。圖1-10機器人自動化集成系統(tǒng)1.2.1控制系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)中，工業(yè)機器人整體包括自有控制器，屬于PLC控制下的一個部分，而且自有的控制器通常屬于專業(yè)控制器或PC-based（基于個人計算機的）控制器。機器人控制器負責工業(yè)機器人本身的控制，并與PLC、視覺系統(tǒng)等進行無縫鏈接。PLC負責協(xié)調(diào)自動化生產(chǎn)線上所有工業(yè)機器人、工裝夾具、傳送帶、焊接變位機、移動導(dǎo)軌等設(shè)備的運作。1.2.1控制系統(tǒng)1.2.1.1機器人控制器機器人控制器組成：控制器作為工業(yè)機器人最核心的零部件之一，是工業(yè)機器人的大腦，對機器人的性能起著決定性的影響。機器人控制器，通過硬件和軟件的結(jié)合來控制機器人運動，并協(xié)調(diào)機器人與其他設(shè)備的關(guān)系，包括人機界面與運動控制。①控制器硬件。②控制器軟件。圖1-11機器人控制器1.2.1控制系統(tǒng)機器人控制器功能機器人控制屬于運動控制，主要用于運動軸的位置和軌跡控制，與數(shù)控機床所使用的數(shù)控系統(tǒng)（CNC）并無本質(zhì)的區(qū)別。工業(yè)機器人控制器主要控制機器人坐標軸在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動作時間，并進行DI/DO（數(shù)字輸入/數(shù)字輸出）信號的邏輯運算、通信處理等。機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡，同樣需要插補運算生成，但機器人運動軸多，且多為回轉(zhuǎn)軸，插補運算比以直線軸為主的數(shù)控機床更為復(fù)雜。機器人控制器用于控制機械臂關(guān)節(jié)和連桿的運動，在工作空間內(nèi)驅(qū)動機器人完成特定任務(wù)。機器人每個關(guān)節(jié)上都裝有電機，控制器通過給電機驅(qū)動器發(fā)送指令來控制手臂的位置。機器人的運動軌跡由用戶或機器人程序設(shè)定，軌跡由一系列工作空間內(nèi)的點構(gòu)成，而該程序決定機器人停留或經(jīng)過這些空間點。機器人程序通常也包括邏輯監(jiān)控，同時能夠控制安裝在機械手上或與機器人相配合的加工設(shè)備。1.2.1控制系統(tǒng)主流機器人控制器與編程語言目前，國際上還沒有專業(yè)生產(chǎn)廠家統(tǒng)一生產(chǎn)、銷售專門的工業(yè)機器人控制器（IRC），現(xiàn)有的機器人控制器是由機器人生產(chǎn)廠商自行研發(fā)、設(shè)計和制造。國外主流機器人廠商控制器均為在通用多軸運動控制器平臺基礎(chǔ)上自主研發(fā)，各品牌機器人均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配，主流機器人控制器如表1-3所示。1.2.1控制系統(tǒng)主流機器人控制器與編程語言目前，還沒有統(tǒng)一的機器人編程語言，不同廠商使用的編程語言千差萬別。主流的機器人編程語言如表1-4所示。1.2.1控制系統(tǒng)1.2.1.2PLCPLC是一種以微處理器為核心，集計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置，如圖1-12所示。圖1-12PLC外形1.2.1控制系統(tǒng)PLC功能PLC是硬接線繼電器控制技術(shù)發(fā)展中的替代產(chǎn)品，現(xiàn)代PLC早已超出開關(guān)控制的范圍，具有高速計數(shù)、斜坡、浮點數(shù)運算能力，具有PID（比例-積分-微分）調(diào)節(jié)、溫度控制、精確定位、步進驅(qū)動、報表統(tǒng)計、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產(chǎn)過程。PLC及有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體、易于擴充功能的原則設(shè)計。PLC以結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、可靠性高、功能強、體積小巧、價格合理等優(yōu)點已成為工業(yè)控制的主流技術(shù)，在微型化、集成化和開放化方面正不斷取得巨大進步。1.2.1控制系統(tǒng)PLC模塊PLC由電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、底板或機架組成，屬于總線式開放式結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進行擴展或組合。①電源模塊。②CPU模塊。③存儲器。④I/O模塊。⑤通信模塊。⑥智能模塊。1.2.1控制系統(tǒng)PLC工作原理PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作。在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）做周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束；然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。當PLC投入運行后，工作過程分為3個階段：①輸入采樣階段。②程序執(zhí)行階段。③輸出刷新階段。完成上述3個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個階段。1.2.1控制系統(tǒng)PLC編程語言PLC編程語言具有多樣性、易操作性、靈活性、兼容性、開放性、可讀性、安全性和非依賴性等特點。IEC（國際電工技術(shù)委員會）61131-3定義了下述幾種編程語言：①梯形圖（LD）②功能塊圖（FBD）③順序功能圖（SFC）④指令表（IL）⑤結(jié)構(gòu)化文本（ST）。⑥連續(xù)功能圖（CFC）ST和LD專注的是算法，IL專注的是執(zhí)行效率。如果把稍微復(fù)雜點的LD轉(zhuǎn)換成IL后，會多出一些無需關(guān)注的語句，IL中這些語句有或沒有，對程序的邏輯結(jié)果沒有影響。IL類似于匯編語言，直接操作物理內(nèi)存，效率更高；LD在復(fù)雜邏輯處理方面更勝一籌；ST在復(fù)雜算法方面比LD和IL更優(yōu)。1.2.1控制系統(tǒng)不同運動控制類型的特點運動控制技術(shù)是裝備領(lǐng)域和制造行業(yè)的核心技術(shù)。這是因為機械裝備的制造加工功能一般是通過相關(guān)部件的運動來實現(xiàn)。盡管制造加工的原理常常有很大的差異，但是都離不開機械部件的運動。從這個意義上說，運動是機械裝備的本質(zhì)特征。運動控制泛指通過某種驅(qū)動部件（如液壓泵、直線驅(qū)動器或電機，通常是伺服電機）對機械設(shè)備或其部件的力或力矩、位置、速度、加速度和加速度變化率進行控制，從而達到預(yù)設(shè)的結(jié)果。由此可見，運動控制系統(tǒng)是確保數(shù)控機床、機器人及各種先進裝備高效運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機器人和數(shù)控機床的運動控制要求更高，其運動軌跡和運動形態(tài)不同于其他行業(yè)專用的機械裝置（如包裝機械、印刷機械、紡織機械、裝配線、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備等）。1.2.1.3PLCopen運動控制集成開放式標準1.2.1控制系統(tǒng)不同運動控制類型的特點PLC可容易地控制數(shù)字和模擬設(shè)備的過程，但對更復(fù)雜、連續(xù)過程的編程要比用高級編程語言，如BASIC、C或C#更加困難。多年來，PLC已經(jīng)進化到可以用BASIC或C語言編程的水平，但大部分仍然依賴于梯形圖邏輯。很多低端PLC通過步進和方向輸出支持運動控制。一些更高水平的運動控制可以通過昂貴的專用模塊來實現(xiàn)，但必須添加到基本系統(tǒng)。盡管這樣，大多數(shù)設(shè)備用梯形圖邏輯編程，需要熟悉編程環(huán)境、制造工藝，以及專門的功能塊才能實現(xiàn)需要的功能。1.2.1控制系統(tǒng)不同運動控制類型的特點機器人控制器已經(jīng)被用于實現(xiàn)某些復(fù)雜機械設(shè)備的最優(yōu)控制。大多數(shù)控制器都是為某個特定設(shè)備定制生產(chǎn)，需要使用廠家自有的專門編程語言進行編程，這些編程語言因產(chǎn)品平臺不同而有很大差異，只有機器人程序員才能理解。如果機器人控制器用于控制定制的對象，效率很高，但在通信性能、集成性能及可編程能力方面則不是最好的?，F(xiàn)在，提供部分機器人類型指令的運動控制器更為常見。機器人控制器和運動控制器之間的界限正在變得模糊，但是仍需要編程人員在這些不同的系統(tǒng)之間進行協(xié)調(diào)，因為每個系統(tǒng)的編程都使用了為某個特定目的而專門設(shè)計的語言。目前，運動控制器應(yīng)用廣泛多樣，通常使用PC（個人計算機）庫或其他專有語言來編程。1.2.1控制系統(tǒng)不同運動控制類型的特點在處理聯(lián)動的運動時，運動控制器無法與機器人控制器競爭。在自動化環(huán)境中，PLC、運動控制器和機器人需要緊密集成。越來越多的最終用戶要求把機器人控制器、運動控制器和PLC都用熟悉的PLC語言進行編程。這些語言對機器設(shè)備制造商的程序員來說更容易理解，也使最終用戶的服務(wù)人員更容易維護。為了減少復(fù)雜性，協(xié)調(diào)這3個不同的平臺的外觀、感覺和功能，PLCopen（可編程邏輯控制器開放標準）工作組為運動控制提供了一套標準化工具，能在PLC編程環(huán)境下直接對運動控制編程。1.2.1控制系統(tǒng)PLCopen運動控制標準化PLCopen對運動控制進行了標準化，邏輯定義了機器控制編程的所有內(nèi)容，使用一種容易理解、多數(shù)制造商都常用的語言，這是一種集成PLC、機器人和運動控制的最佳嘗試。PLCopen開發(fā)運動控制規(guī)范的目的在于：在以IEC61131-3為基礎(chǔ)的編程環(huán)境下，在開發(fā)、安裝和維護運動控制軟件的各個階段，協(xié)調(diào)不同的編程開發(fā)平臺，使它們都能滿足運動控制功能塊的標準化要求。換句話說，PLCopen在運動控制標準化方面所采取的技術(shù)路線是在IEC61131-3編程環(huán)境下，建立標準的運動控制應(yīng)用功能塊庫。這樣較容易讓運動控制軟件做到：開發(fā)平臺獨立于運動控制的硬件，具有良好的可復(fù)用性，在各個階段都能滿足運動控制功能塊的標準化要求?？偠灾?，IEC61131-3為機械部件的運動控制提供了一種良好架構(gòu)。1.2.1控制系統(tǒng)PLCopen運動控制標準化PLCopen為運動控制提供功能塊庫，功能塊庫的方式保證了數(shù)據(jù)的封裝和隱藏，進而使之能適應(yīng)不同的系統(tǒng)架構(gòu)，它不但服務(wù)于當前的運動控制技術(shù)，而且也能適應(yīng)正在開發(fā)的或今后的運動控制技術(shù)。PLCopen標準創(chuàng)建了PLC、數(shù)控（CNC）、機器人和運動控制之間的一座橋梁?，F(xiàn)在可以用一種和PLC一樣的編程環(huán)境，完成一臺機器的全部控制。這個標準使機器人控制器、運動控制器成為控制系統(tǒng)的一個部分，而不是獨立系統(tǒng)。1.2.1控制系統(tǒng)PLCopen運動控制標準化現(xiàn)在有可能使用機器控制器完美同步機器人與附加伺服軸，這種技術(shù)以前只能在機器人控制器的領(lǐng)域來實現(xiàn)。PLCopen標準的最終目標是讓控制程序代碼完全獨立于硬件或特定制造商。當不同的硬件廠商支持相同的底層代碼和以同樣的方式運行時，程序員將從學(xué)習(xí)每個制造商專有語言的噩夢中解放出來。PLCopen標準使這種開發(fā)減少了工程復(fù)雜性和專業(yè)性培訓(xùn)，使整個系統(tǒng)更容易被PLC編程人員所熟悉。PLCopen標準不僅覆蓋一般運動控制，同時也實現(xiàn)了機器人的協(xié)調(diào)運動控制，該標準將PLC、數(shù)控、機器人和運動控制集成到一起。目前很多機器人公司，如庫卡、史陶比爾、歐姆龍等，機器人控制器的實現(xiàn)方案均參照此標準。1.2.1控制系統(tǒng)PLCopen運動控制標準化在機器人自動化集成制造中，首當其沖的關(guān)鍵就是PLC、CNC和機器人等制造單元的開放架構(gòu)問題。當PLC、CNC和PC集成交互使用時，許多任務(wù)就都能夠?qū)崿F(xiàn)高效和經(jīng)濟的自動化。自動化集成制造技術(shù)的實現(xiàn)也要求PLC、CNC、機器人和其他制造單元及設(shè)備之間建立開放性的網(wǎng)絡(luò)和軟件接口。PLC及運動控制技術(shù)、機器人技術(shù)和CNC技術(shù)正在呈現(xiàn)融合發(fā)展的趨勢。1.2.2通信系統(tǒng)為了提高自動化生產(chǎn)的性能和靈活性，制造現(xiàn)場的設(shè)備，包括傳感器、執(zhí)行器、分析器、驅(qū)動器、視覺、視頻和機器人等，都需要連接通信。在這種環(huán)境下的工業(yè)自動化集成系統(tǒng)需要開放的通信代碼、數(shù)據(jù)定義、框架和應(yīng)用程序交換標準。1.2.2通信系統(tǒng)1.2.2.1信息集成在自動化集成系統(tǒng)中，機器人控制器、PLC、視覺系統(tǒng)、輔助裝置之間需要進行信息交互和數(shù)據(jù)傳遞，包括控制指令信號、傳感檢測信息、視覺定位數(shù)據(jù)、人機交互信息、設(shè)備組態(tài)數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)信息、故障報警信息等。傳感檢測信息與控制輸出信號是系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)。機器人系統(tǒng)接收傳感器輸出信號，檢測系統(tǒng)運行參數(shù)，經(jīng)過運算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號，驅(qū)動系統(tǒng)按規(guī)劃功能運行。人機交互信息是操作者與機器人系統(tǒng)之間進行的信息交換，可以分為輸入信息與輸出信息。系統(tǒng)通過輸出信息向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運行參數(shù)及結(jié)果等，操作者利用輸入信息向系統(tǒng)輸入各種控制命令，干預(yù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以實現(xiàn)所要求完成的任務(wù)。1231.2.2通信系統(tǒng)1.2.2.1信息集成工業(yè)裝備的大型化、連續(xù)化、高參數(shù)化，對自動化產(chǎn)品的要求不斷提高。為了達到工業(yè)設(shè)備的安全啟/停、穩(wěn)定運行、優(yōu)化操作、故障處理、低碳經(jīng)濟等要求，必須把不同廠家的各種設(shè)備和系統(tǒng)無縫集成為一個協(xié)調(diào)的信息系統(tǒng)，處理這些設(shè)備、系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞、信息共享、協(xié)調(diào)操作等以滿足用戶的要求，則成為一項十分重要的技術(shù)。在自動化集成系統(tǒng)中完成信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、傳遞、處理和執(zhí)行等功能就是信息化的重要組成部分。自動化集成化涉及多個方面，包括產(chǎn)品與產(chǎn)品、系統(tǒng)與系統(tǒng)、產(chǎn)品與系統(tǒng)、系統(tǒng)與上位機的集成等，真正的集成需要有通暢的數(shù)據(jù)傳遞能力、良好的協(xié)調(diào)操作能力，能夠幫助客戶實現(xiàn)設(shè)備控制、安全保護、信息共享、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、生產(chǎn)優(yōu)化等。1.2.2通信系統(tǒng)1.2.2.2通信技術(shù)目前，集成控制中應(yīng)用的通信方法主要有：串行通信方法、制造自動化協(xié)議（MAP）通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)。由于工業(yè)自動化生產(chǎn)線上設(shè)備的通信接口具有差異性，在構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)時必須克服通信網(wǎng)絡(luò)之間的互通障礙。自動化生產(chǎn)線上許多設(shè)備還具有以RS232為代表的串行通信接口，對于這些通信接口可以采用通過串口服務(wù)器中轉(zhuǎn)的方式來解決和以太網(wǎng)之間的互通難題。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)自動化生產(chǎn)線設(shè)備絕大多數(shù)都集成了以太網(wǎng)接口，已經(jīng)不需轉(zhuǎn)化就可實現(xiàn)互連。能夠?qū)崿F(xiàn)同所有被控設(shè)備的通信，還能夠?qū)崿F(xiàn)信息的動態(tài)處理，是實現(xiàn)生產(chǎn)線集成控制的關(guān)鍵。1.2.2通信系統(tǒng)1.2.2.2通信技術(shù)由于現(xiàn)場總線控制技術(shù)具有分散性、智能化、全數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)化等特點，所以是目前生產(chǎn)線設(shè)備集成控制的主要使用方式。但是在其應(yīng)用推廣道路上依然有許多阻礙因素存在：現(xiàn)場總線的國際標準就有十幾種之多，而且各個協(xié)議之間還不能互相兼容，這就使得想要實現(xiàn)互操作性難度很大；現(xiàn)場總線在傳輸速率方面相較于其他通信方式還是處于較低水平；另外，生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線和上層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)交互也具有很大難度。作為工業(yè)自動化大家族中一顆耀眼新星，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)通信中占據(jù)了重要地位，并且大有向下擴展至設(shè)備層的陣勢。雖然以太網(wǎng)集眾多優(yōu)勢于一身，但是也還存在著一些不足之處：以太網(wǎng)的抗干擾（電磁干擾，EMI）性能差；由于以太網(wǎng)的通信可靠性隨負荷的增大而降低，所以作為控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)時，還達不到實時性條件；此外，以太網(wǎng)也沒有向現(xiàn)場儀表供電的能力。1.2.2通信系統(tǒng)1.2.2.2通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)（IndustrialEthernet）是建立在IEEE（電氣和電子工程師學(xué)會）802.3系列標準和TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）上的分布式實時控制通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)可以兼容TCP/IP協(xié)議，其中TCP是使用有連接的服務(wù)，而UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）是使用無連接的服務(wù)。目前，運用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)就是工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)之所以具有明顯優(yōu)勢，是由它的低成本、開放性和廣泛的軟硬件支持等特點決定的。工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用典型形式是Ethernet+TCP/IP形式。因為目前使用的工業(yè)以太網(wǎng)和在工廠中使用的信息網(wǎng)絡(luò)的底層通信協(xié)議是一致的，工業(yè)以太網(wǎng)能夠完成控制和信息兩種網(wǎng)絡(luò)之間的無障礙通信。1.2.2通信系統(tǒng)1.2.2.3數(shù)據(jù)傳遞與信息交互自動化集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)指生產(chǎn)過程中采集、保存在自動化設(shè)備存儲器中的過程變量，這些數(shù)據(jù)反映了設(shè)備狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)傳遞，將各種自動化設(shè)備有機連接在一起。同時，操作者需對自動化設(shè)備進行控制管理，通過人機界面實現(xiàn)人和設(shè)備之間的信息交互。1.2.2通信系統(tǒng)機器人通信I/O信號是機器人與末端執(zhí)行器、外部裝置等系統(tǒng)的外圍設(shè)備進行通信的電信號?？煞譃橥ㄓ肐/O和專用I/O。①通用I/O是由用戶自定義而使用的I/O，包括數(shù)字輸入輸出DI/DO、群組輸入輸出GI/GO和模擬輸入輸出AI/AO。②專用I/O是用途已經(jīng)確定的I/O，包括外圍設(shè)備專用信號UI/UO（用戶操作面板輸入/用戶操作面板輸出）、操作面板SI/SO（標準操作面板輸入/標準操作面板輸出）、機器人RI/RO（機器人輸入/機器人輸出）。1.2.2通信系統(tǒng)PLC通信機器人自動化集成系統(tǒng)根據(jù)使用環(huán)境的不同，除了機器人外還會配備各種外圍設(shè)備，通常需要大量的信號通信和指令控制，PLC的使用成為了必然。PLC通過執(zhí)行用戶預(yù)先編制好的程序指令，根據(jù)接收到的輸入信號，經(jīng)過邏輯運算和判斷后輸出相應(yīng)信號，并將PLC的輸出信號轉(zhuǎn)化為機器人I/O板的輸入信號。在機器人自動化系統(tǒng)中，PLC可通過TCP通信與機器人交互數(shù)據(jù)，在機器人的存儲器中設(shè)置一些共用的存儲空間，讓通信雙方都可以對其進行訪問。但是PLC和機器人對同一個存儲空間進行訪問時，訪問的級別是不一樣的，PLC能夠進行寫操作的存儲空間，機器人只能以只讀的方式訪問；反之，機器人能夠進行寫操作的存儲空間，PLC也只能以只讀的方式訪問。這樣避免了PLC和機器人同時對同一存儲空間進行寫操作時，造成數(shù)據(jù)沖突。1.2.2通信系統(tǒng)機器視覺通信機器人自動化集成系統(tǒng)中，視覺系統(tǒng)的檢測結(jié)果可通過TCP通信發(fā)送至主控PLC，由主控PLC處理后發(fā)送至工業(yè)機器人，驅(qū)動機器人按照規(guī)定的工作流程執(zhí)行相應(yīng)操作。對被檢測工件進行處理的時候，需要先從視覺系統(tǒng)中獲取測量數(shù)據(jù)。在主控PLC中建立一個視覺系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)塊，PLC從視覺系統(tǒng)讀入視覺檢測數(shù)據(jù)后，對工件信息進行處理，把工件在視覺系統(tǒng)坐標系下的坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為在工業(yè)機器人坐標系下的坐標數(shù)據(jù)，再發(fā)送給機器人控制器。機器人控制器接收PLC發(fā)送的工件坐標數(shù)據(jù)后，對工件進行定位補償，最終實現(xiàn)對工件的準確抓取。1.2.2通信系統(tǒng)人機交互通信①人機交互主要功能包括顯示和狀態(tài)監(jiān)視功能、數(shù)字輸入功能、控制功能、實時報警功能和網(wǎng)絡(luò)通信功能。人機界面（HMI）如圖1-13所示，又稱用戶界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。人機界面是系統(tǒng)和用戶之間進行交互的媒介，它可實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受的形式之間的轉(zhuǎn)換。圖1-13人機界面1.2.2通信系統(tǒng)人機交互通信在控制領(lǐng)域，HMI一般指用于操作人員與控制系統(tǒng)之間進行對話和相互作用的專用設(shè)備。人機界面按工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境應(yīng)用來設(shè)計，它是各種控制器的最佳搭檔。②人機界面的主要任務(wù)有：a．動態(tài)顯示過程數(shù)據(jù)和開關(guān)量的狀態(tài)；b．用圖形界面來控制過程，用按鈕控制設(shè)備、修改參數(shù)；c．顯示報警和數(shù)據(jù)記錄，打印報表和報警記錄；d．控制程序指令輸入與系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)管理。HMI用組態(tài)軟件設(shè)計畫面，實現(xiàn)與控制器的通信。③人機界面的工作原理有：a．對畫面組態(tài)。b．人機界面的通信功能。c．編譯和下載項目文件。d．運行階段。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.1概述機器視覺系統(tǒng)指通過攝像頭將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素（Pixel）分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來提取目標的特征，根據(jù)判別結(jié)果控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。目前，機器人涉及的技術(shù)領(lǐng)域越來越廣，讓機器人具有“視覺”，使用機器視覺系統(tǒng)讓機器人“觀察”并適應(yīng)不同工作環(huán)境的需要，增強機器人的柔性和智能性，讓機器人根據(jù)工作時的具體情況進行自我調(diào)整，從而提高機器人的技術(shù)性能和經(jīng)濟效益。機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息及加工控制信息集成，因此，在自動化生產(chǎn)過程中機器視覺系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，人工視覺檢測效率低且精度不高，機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)自動化集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。機器視覺系統(tǒng)正成為機器人自動化集成制造系統(tǒng)若干領(lǐng)域的行業(yè)標準。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.1概述機器視覺將攝像頭與機器人控制器相結(jié)合，增加了機器人系統(tǒng)的靈活性。可以將一個或多個攝像頭安裝在機器人本體或旁邊，機器視覺系統(tǒng)利用攝像頭來測量工件的位姿，并引導(dǎo)機器人運動使之能夠動態(tài)操作工件，快速做出調(diào)整以適應(yīng)工件位姿的任意變化。機器視覺系統(tǒng)要達到實用的目的，需滿足以下幾方面的要求：①實時性。②可靠性③柔性。④價格要適中。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.1概述在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類信息，即距離信息和明暗信息。視覺系統(tǒng)主要用來獲得這兩方面的信息。當然，物體視覺信息還有色彩信息，但對物體的識別來說，它不如前兩類信息重要，所以在視覺系統(tǒng)中用得不多。獲得距離信息的方法有超聲波法、激光反射法、立體攝像法等；而明暗信息主要靠電視攝像機、CCD（電荷耦合器件）固態(tài)攝像機來獲得。與其他傳感器工作情況不同，視覺系統(tǒng)對光線的依賴性很大，往往需要好的照明條件，以便使物體所形成的圖像最為清晰，識別的復(fù)雜程度最低，檢測到的所需信息增多，不至于產(chǎn)生不必要的陰影、低反差、鏡面反射等問題。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.2基本組成典型的機器視覺系統(tǒng)主要包括圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分等?；赑C的視覺系統(tǒng)基本組成部分如圖1-14所示。圖1-14視覺系統(tǒng)基本組成1—相機與鏡頭；2—光源；3—傳感器；4—圖像采集卡；5—PC平臺；6—視覺處理軟件；7—控制單元1.2.3視覺系統(tǒng)相機與鏡頭這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或多套這樣的成像系統(tǒng)組成。如果有多路相機，可以由圖像采集卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可以由同步控制同時獲取多相機通道的數(shù)據(jù)。光源光源作為輔助成像器件，對成像質(zhì)量的好壞往往起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED（發(fā)光二極管）燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。傳感器傳感器通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等形式出現(xiàn)，用以判斷被測對象的位置和狀態(tài)，觸發(fā)圖像傳感器進行準確采集。圖像采集卡通常以插入卡的形式安裝在PC中，主要工作是把相機輸出的圖像輸送給計算機主機。它將來自相機的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時還可以控制相機的一些參數(shù)，如觸發(fā)信號、曝光/積分時間、快門速度等。圖像采集卡PC平臺計算機是一個PC式視覺系統(tǒng)的核心，完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對于檢測類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時間。同時，為了減少工業(yè)現(xiàn)場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級的計算機。1.2.3視覺系統(tǒng)視覺處理軟件機器視覺處理軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過一定的運算得出結(jié)果，這個輸出的結(jié)果可以是PASS/FAIL（通過/失敗）信號、坐標位置、字符串等。常見的機器視覺處理軟件以C/C++（作為C語言的繼承，是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言）圖像庫、ActiveX（活動型對象）控件、圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專用功能（如僅用于LCD（液晶顯示器）檢測、BGA（球柵陣列）檢測、模板對準等），也可以是通用目的（包括定位、測量、條碼/字符識別、斑點檢測等）。1.2.3視覺系統(tǒng)控制單元控制單元包含I/O、運動控制、電平轉(zhuǎn)化單元等。一旦視覺處理軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進行通信以完成對生產(chǎn)過程的控制。簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對復(fù)雜的邏輯/運動控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現(xiàn)必要的動作。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.3基本原理機器視覺系統(tǒng)通過攝像機獲取環(huán)境對象的圖像，經(jīng)A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，將數(shù)字化圖像傳輸?shù)綄Ｓ玫膱D像處理器中，經(jīng)過計算處理，獲得物體的外形特征和空間位置，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值和其他條件輸出結(jié)果，實現(xiàn)自動識別或定位。機器視覺系統(tǒng)的工作流程如圖1-15所示。圖1-15機器視覺系統(tǒng)工作流程1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.3基本原理①工件定位檢測傳感器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖；②圖像采集部分按照事先設(shè)定程序和延時，分別向攝像機和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖；③攝像機停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機在啟動脈沖到來之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描；④攝像機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定；⑤另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機的曝光時間匹配；⑥攝像機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出；⑦圖像采集部分接收模擬視頻信號，通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)；⑧圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機的內(nèi)存中；⑨處理器對圖像進行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值；⑩處理結(jié)果可控制傳送線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.4圖像傳感器圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，通常采用CCD或CMOS（互補型金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器，如圖1-16所示。圖1-16圖像傳感器外形（a）CCD（b）CMOS1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.4圖像傳感器CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。CMOS傳感器的優(yōu)點之一是電源消耗量比CCD低。CCD為提供優(yōu)異的圖像品質(zhì)付出的代價是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS傳感器將每一像素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動，電源消耗量比CCD低。CMOS傳感器的另一優(yōu)點是與周邊電路的整合性高，可將ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）與信號處理器整合在一起，使體積大幅縮小。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.4圖像傳感器圖1-17CCD和CMOS傳感器捕獲光信息方式的差別CMOS傳感器捕獲光信息的方式是逐行獲取，而CCD傳感器則是一次性獲取，二者的差別如圖1-17所示。2.3視覺系統(tǒng)2.3.4圖像傳感器CCD圖像傳感器在市場上已經(jīng)有了更長的時間，而且成熟得多，但CMOS傳感器的快速發(fā)展使其將逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)機器視覺的首選?，F(xiàn)在所接觸到的CCD尺寸的說法是參考傳統(tǒng)攝像機內(nèi)的真空攝像管的對角線長短來衡量的，它嚴格遵守了OpticalFormat（光學(xué)格式，OF）規(guī)范，其數(shù)值稱為OF值，單位為英寸。因此，CCD尺寸的標準OF值計算方法是其實際對角線長度（單位：16mm），也就是說數(shù)碼相機中的1英寸長度不是工業(yè)上的25.4mm，而是16mm。CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進步，二者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢。1.2.3視覺系統(tǒng)1.2.3.5智能相機智能相機（SmartCamera）也稱嵌入式機器視覺系統(tǒng)，它并不是一臺單純的相機，而是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)，能勝任PC式視覺系統(tǒng)同樣的檢測任務(wù)。它將圖像的采集、處理與通信功能融為一體，可直接輸出影像處理結(jié)果，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案。同時，由于應(yīng)用了DSP（數(shù)字信號處理器）、FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）及大容量存儲技術(shù)，智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應(yīng)用需求。智能相機具有易學(xué)、易用、易維護、安裝方便等特點，可在短期內(nèi)構(gòu)建可靠而有效的機器視覺系統(tǒng)。1.2.3視覺系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢①智能相機結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，易于安裝在生產(chǎn)線和各種設(shè)備上，且便于裝卸和移動；②智能相機實現(xiàn)了圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置的高度集成，通過可靠性設(shè)計，可以獲得較高的效率及穩(wěn)定性；③智能相機固化了成熟的機器視覺算法，用戶無需編程就可實現(xiàn)有/無判斷、表面/缺陷檢查、尺寸測量、OCR/OCV（光學(xué)字符識別/光學(xué)字符驗證）、條碼閱讀等功能，極大提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)速度。1.2.3視覺系統(tǒng)基本組成智能相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等構(gòu)成。①圖像采集單元。②圖像處理單元。③圖像處理軟件。④網(wǎng)絡(luò)通信裝置。1.2.3視覺系統(tǒng)（1）非接觸測量1.2.3.6機器視覺系統(tǒng)特點（2）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍（3）連續(xù)性（4）成本低、效率高、精度高（5）易于實現(xiàn)信息集成，提高自動化程度（6）靈活性1.3接口技術(shù)1.3.1系統(tǒng)接口1.3.2工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)1.3.3OPC技術(shù)1.3接口技術(shù)機器人自動化集成系統(tǒng)中，各要素和子系統(tǒng)相接處必須具備一定聯(lián)系條件，這個聯(lián)系條件被稱為接口，即各子系統(tǒng)之間及子系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間相互連接的硬件及相關(guān)協(xié)議軟件。1.3.1系統(tǒng)接口接口按輸入輸出功能可分為：機械接口物理接口信息接口環(huán)境接口。1.3.1.1接口分類1.3.1系統(tǒng)接口人機接口實現(xiàn)人與機器（或設(shè)備）的信息交流及信息反饋，保證對機器的實時監(jiān)測與有效控制。人機接口包括輸入接口與輸出接口。通過輸入接口，操作者向系統(tǒng)輸入各種命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)進行控制；通過輸出接口，操作者可對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各種參數(shù)進行監(jiān)測。人機接口作為人機之間進行信息傳遞的通道，具有以下一些特點：（1）專用性（2）低速性（3）高性能價格比1.3.1.2人機接口1.3.1系統(tǒng)接口由于機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別，兩者間的聯(lián)系須通過機電接口進行調(diào)整、匹配、緩沖，因此機電接口具有非常重要的作用。按照信息和能量的傳遞方向，機電接口又可分為信息采集接口與控制輸出接口。信息處理系統(tǒng)通過信息采集接口接收傳感器輸出的信號，檢測機械系統(tǒng)運行參數(shù)，經(jīng)過運算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大后，驅(qū)動執(zhí)行元件，以調(diào)節(jié)機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使其按要求動作。機電接口的主要作用有：（1）電平轉(zhuǎn)換和功率放大（2）抗干擾隔離（3）進行A/D或D/A轉(zhuǎn)換1.3.1.3機電接口1.3.2工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)目前，計算機技術(shù)、通信技術(shù)、IT（信息技術(shù)）的發(fā)展已經(jīng)滲入工業(yè)自動化領(lǐng)域，其中最主要的表現(xiàn)就是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，為自動化技術(shù)帶來了深刻變革。1.3.2.1現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是智能裝備從單機生產(chǎn)到連線生產(chǎn)的一個重要技術(shù)階段，總線已經(jīng)普遍應(yīng)用于各個裝備制造領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，用于連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化測量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)?，F(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一，它的出現(xiàn)標志著自動化控制技術(shù)又一個新時代的開始?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化”的方向進一步邁進，形成新型的網(wǎng)絡(luò)通信的全分布式控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。1.3.2.1現(xiàn)場總線總線分類機器與系統(tǒng)的控制需求在不斷發(fā)生變化，更為高效的生產(chǎn)系統(tǒng)需要通過互聯(lián)來降低機器各個單元之間的停頓，以便形成連續(xù)的生產(chǎn)系統(tǒng)，這也使得現(xiàn)場總線得到了快速發(fā)展。不同的自動化公司開發(fā)了不同的現(xiàn)場總線，不同的現(xiàn)場總線使得不同系統(tǒng)之間難以相互連接。現(xiàn)場總線還沒有形成真正統(tǒng)一的標準，多種標準并行存在，都有自己的生存空間。目前主流的現(xiàn)場總線如表1-5所示。1.3.2.1現(xiàn)場總線機器控制對于總線的性能需求①實時控制的需求更為迫切。②網(wǎng)絡(luò)延時對于控制質(zhì)量的影響。③數(shù)據(jù)容量的需求④熱插拔。⑤直接交叉通信需求。1.3.2.1現(xiàn)場總線總線特點①優(yōu)點有：a．現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)；b．通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性；c．功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性；d．控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性；e．現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入信息網(wǎng)絡(luò)行業(yè)，其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域；f．一對雙絞線上可接掛多個控制設(shè)備，便于節(jié)省安裝費用；g．節(jié)省了維護開銷；h．提高了系統(tǒng)的可靠性；i．為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。②缺點有：網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲、通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數(shù)據(jù)包丟失、發(fā)送與到達次序的不一致等，都會破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更為復(fù)雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負面影響。1.3.2.2工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在實時性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是繼現(xiàn)場總線之后最被認同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)是以太網(wǎng)技術(shù)辦公自動化走向工業(yè)自動化。1.3.2.2工業(yè)以太網(wǎng)操作要求①工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣體的存在，要求工業(yè)級的產(chǎn)品具有氣候環(huán)境適應(yīng)性，并要求耐腐蝕、防塵和防水。②工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需要采取防爆措施保證安全生產(chǎn)。③工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的振動、電磁干擾大，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須具有機械環(huán)境適應(yīng)性（如耐振動、耐沖擊）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性（EMC）。④工業(yè)網(wǎng)絡(luò)器件的供電，通常是采用柜內(nèi)低壓直流電源標準，大多工業(yè)環(huán)境中控制柜內(nèi)所需電源為低壓24V直流。⑤采用標準導(dǎo)軌安裝，安裝方便，適用于工業(yè)環(huán)境安裝的要求，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)器件要能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi)，并容易更換。1.3.2.2工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當?shù)膽?yīng)用層和用戶層協(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)真正應(yīng)用到控制層，并延伸到現(xiàn)場層，而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效最新的成果。因此，工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用不是同一個概念。工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的比較如表1-6所示。1.3.2.2工業(yè)以太網(wǎng)實時以太網(wǎng)以太網(wǎng)發(fā)展迅速，相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線有很大優(yōu)勢，工業(yè)界嘗試將其應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。但是工業(yè)領(lǐng)域的一些應(yīng)用需求使得基于IEEE802.3的以太網(wǎng)無法在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。為了充分利用以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢而避免其劣勢，實時以太網(wǎng)技術(shù)在實現(xiàn)更高的傳輸速率的同時，可以達到微秒級的數(shù)據(jù)循環(huán)周期，用于解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法實現(xiàn)實時性的問題。目前主流的實時以太網(wǎng)技術(shù)如表1-7所示。1.3.2.2工業(yè)以太網(wǎng)實時以太網(wǎng)不同的工業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的實時性、數(shù)據(jù)量、冗余等需求不同，具體差異如表1-8所示。對于裝備制造業(yè)而言，隨著分布式驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用，以及更為高速的機器生產(chǎn)要求，控制系統(tǒng)的實時性也變得越來越苛刻，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線已經(jīng)逐漸不能滿足需求。另外，技術(shù)進步也使得實時以太網(wǎng)的成本變得更低。因此，未來的機器控制將基于實時以太網(wǎng)開發(fā)。1.3.3OPC技術(shù)OPC是OLEforProcessControl的縮寫，即應(yīng)用于過程控制的對象連接與嵌入。OPC是為了給工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序之間的通信建立一個接口標準，在工業(yè)控制設(shè)備與控制軟件之間建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取規(guī)范。它給工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標準數(shù)據(jù)訪問機制，將硬件與應(yīng)用軟件有效分離開來，是一套與廠商無關(guān)的軟件數(shù)據(jù)交換標準接口和規(guī)程，主要解決控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換問題，可以在各個應(yīng)用之間提供透明的數(shù)據(jù)訪問。工業(yè)控制領(lǐng)域存在大量現(xiàn)場設(shè)備，在OPC出現(xiàn)以前，軟件開發(fā)商需要開發(fā)大量的驅(qū)動程序來連接這些設(shè)備。硬件與應(yīng)用軟件耦合性大，底層變動對應(yīng)用影響較大，即便硬件供應(yīng)商在硬件上做了一些小小改動，應(yīng)用程序也可能需要重寫。不同領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備品種繁多，不同設(shè)備之間的通信及互操作困難。不同設(shè)備甚至同一設(shè)備不同單元的驅(qū)動程序也有可能不同，軟件開發(fā)商很難同時對這些設(shè)備進行訪問來實現(xiàn)優(yōu)化操作。為了消除硬件平臺和自動化軟件之間互操作性的障礙，研究人員建立了OPC軟件互操作性標準。開發(fā)OPC的最終目標是在工業(yè)控制領(lǐng)域建立一套數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。OPC技術(shù)的應(yīng)用與制造商無關(guān)，幾乎所有的軟件和硬件制造商都執(zhí)行OPC接口。OPC標準能夠?qū)⒍喾N不同的軟件和硬件組合在一起，允許不同制造商的不同設(shè)備之間交互數(shù)據(jù)。1.3.3.1工作原理OPC標準是以O(shè)LE/DCOM（分布式組件對象模型）技術(shù)為底層依據(jù)的，可以使生產(chǎn)線智能單元和用戶應(yīng)用程序不在同一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，這就使得采集分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不再是空中樓閣那般遙不可及。OPC技術(shù)以服務(wù)器和客戶端的方式分布在工業(yè)控制的數(shù)據(jù)訪問應(yīng)用中。OPC服務(wù)器的作用是搭建用戶與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信通道，以O(shè)PC數(shù)據(jù)接口為重要組件讀取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與OPC客戶端之間的數(shù)據(jù)傳遞。OPC客戶端應(yīng)用程序通過OPC數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)OPC服務(wù)器的訪問。OPC客戶端若想訪問OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，進一步實現(xiàn)應(yīng)用程序和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的互通，必須符合OPC數(shù)據(jù)接口的協(xié)議。1.3.3.1工作原理如圖1-18所示，OPC服務(wù)器和OPC客戶端之間的連接方式大致分為兩類：第一類是在本地集成控制系統(tǒng)中以O(shè)PC接口為媒介和OPC服務(wù)器直接通信；第二類是通過工業(yè)以太網(wǎng)訪問OPC服務(wù)器，達到工業(yè)設(shè)備信息遠程訪問的目的。在開發(fā)OPC用戶應(yīng)用程序的時候，只需符合OPC數(shù)據(jù)的接口協(xié)議，就能夠利用數(shù)據(jù)訪問接口得到所需數(shù)據(jù)，不需要了解設(shè)備底層程序是如何開發(fā)的，也不需要關(guān)心硬件設(shè)備的特征，這就實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備與應(yīng)用程序之間信息互通的便捷性，為開發(fā)適用于大多數(shù)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息獲取應(yīng)用程序提供了支持。圖1-18OPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.3.1工作原理OPC服務(wù)器與客戶端的連接方式有很多，最典型的應(yīng)用方式是單臺PC上的服務(wù)器與客戶端的連接。此外，還有OPC服務(wù)器與不同的多客戶端連接，OPC客戶端與一個OPC服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接，OPC服務(wù)器與另一個OPC服務(wù)器連接實現(xiàn)彼此共享數(shù)據(jù)的目的。OPC服務(wù)器的工作部分由服務(wù)器對象、組對象、項對象和OPC瀏覽器對象4大部分組成。OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)組織形式如圖1-19所示。圖1-19OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)組織形式1.3.3.2接口與通信數(shù)據(jù)接口OPC服務(wù)器的作用就是在與OPC客戶端通信中充當輸送數(shù)據(jù)的角色，而OPC客戶端的開發(fā)從根本上來看就是對OPC服務(wù)器接口的聲明、調(diào)用并訪問的流程。OPC接口如圖1-20所示。圖1-20OPC接口示意圖1.3.3.2接口與通信通信方式OPC客戶端和服務(wù)器有同步、異步、數(shù)據(jù)訂閱3種通信方式。在使用同步通信方式時，客戶端必須處于就緒等待狀態(tài)，這就使得有許多的數(shù)據(jù)請求或同時有大量的OPC客戶端訪問申請時，OPC服務(wù)器的負擔一定會加重，而這就導(dǎo)致OPC客戶端運行卡頓，使用效率降低。所以，OPC同步通信方式只適用于那些處理少量的數(shù)據(jù)請求服務(wù)或是OPC客戶端的情況。異步通信方式雖然克服了同步通信的不足之處，但是依然需要客戶端主動反復(fù)發(fā)送請求，這就可能導(dǎo)致客戶端不能及時獲取實時數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)訂閱方式就解決了同步及異步通信的短板，當OPC客戶端在和數(shù)據(jù)項建立連接后，客戶端將不需反復(fù)申請，而是交給OPC服務(wù)器自身來檢測數(shù)據(jù)項是否變化，有變化則調(diào)用相應(yīng)事件來通知客戶端獲取最新數(shù)據(jù)。OPC數(shù)據(jù)訂閱方式如圖1-21所示。圖1-21OPC數(shù)據(jù)訂閱方式1.3.3.3OPCUAOPC是開放的通信平臺，UA是面向服務(wù)的統(tǒng)一架構(gòu)，OPCUA就是OPC統(tǒng)一架構(gòu)，是新一代的OPC標準。OPCUA接口協(xié)議包含了之前的A&E（報警&事件）、DA（數(shù)據(jù)訪問）、OPCXMLDA（基于XML的OPC數(shù)據(jù)訪問）、HDA（歷史數(shù)據(jù)訪問），使用一個地址空間就能訪問之前所有的對象。OPCUA帶來的最根本好處就是跨平臺性，它打破了原有的Windows（視窗）系統(tǒng)中DCOM的局限性，可以讓各種操作系統(tǒng)、各種平臺進行OPC通信。OPCUA通過單一端口進行通信，具有標準安全協(xié)議的特點，為數(shù)據(jù)安全性提供保障。OPCUA不再是基于分布式組件對象模型（DCOM），而是以面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）為基礎(chǔ)，可以連接更多設(shè)備，成為連接企業(yè)級計算機與嵌入式自動化組件的橋梁。在建模方面，OPCUA將架構(gòu)由“數(shù)據(jù)建?！睌U展為“信息建模”。OPCUA規(guī)范中包括3個核心功能：①通信支持。②信息模型支持。③安全機制。1.3.3.3OPCUA如果沒有OPC，軟件廠商需要分別開發(fā)大量驅(qū)動程序，若硬件改動，應(yīng)用程序就可能需要重寫。有了OPC，硬件供應(yīng)商無需考慮應(yīng)用程序的多種需求和傳輸協(xié)議，軟件開發(fā)商也無需了解硬件的實質(zhì)和操作過程。在“工業(yè)4.0”的環(huán)境下運用OPC，目的不是要取代機械裝置內(nèi)已普遍使用的確定性通信手段，而是為不同廠商生產(chǎn)的成套裝置、機械設(shè)備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通信方式。OPC是“工業(yè)4.0”的贏家，已經(jīng)成為“工業(yè)4.0”未來標準的主要候選者。第2章

數(shù)字孿生技術(shù)2.1仿真技術(shù)2.1.1建模仿真2.1.2設(shè)計與仿真融合2.1.3聯(lián)合仿真2.2數(shù)字孿生2.2.1概述2.2.2智能制造數(shù)字孿生2.2.3裝備行業(yè)數(shù)字孿生2.3虛擬調(diào)試2.3.1概述2.3.2軟件/硬件在環(huán)2.3.3數(shù)物交互德國在2013年漢諾威博覽會（HannoverMesse）上推出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，引發(fā)了世界主要國家決策層的廣泛關(guān)注。為在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中占得先機，世界各國紛紛推出了適應(yīng)自身工業(yè)特點的新的發(fā)展戰(zhàn)略，其中包括我國提出的“中國制造2025”戰(zhàn)略。實現(xiàn)制造業(yè)成功轉(zhuǎn)型并快速搶占“第四次工業(yè)革命”的市場份額，需要設(shè)備制造產(chǎn)品向高自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，制造企業(yè)最大限度壓縮新產(chǎn)品的生產(chǎn)準備周期。信息化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展正給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來前所未有的變革，虛擬調(diào)試（VirtualCommissioning）在制造業(yè)的新時代要求下逐漸成為產(chǎn)品設(shè)計周期內(nèi)的重要環(huán)節(jié)。虛擬調(diào)試是在新開發(fā)或改造的設(shè)備進行實際調(diào)試之前，通過運行物理設(shè)備在虛擬空間中的映射模型來檢測和優(yōu)化設(shè)備的全新產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)。虛擬調(diào)試要求仿真技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，以物理設(shè)備的數(shù)字孿生（DigitalTwin）為對象在虛擬環(huán)境中運行生產(chǎn)制造過程，并得以評估和檢驗產(chǎn)品設(shè)計的合理性。虛擬調(diào)試的基礎(chǔ)是創(chuàng)建測試物理設(shè)備的數(shù)字孿生，數(shù)字孿生技術(shù)是虛擬調(diào)試的核心技術(shù)。2.1仿真技術(shù)2.1.3聯(lián)合仿真032.1.2設(shè)計與仿真融合022.1.1建模仿真012.1仿真技術(shù)仿真是利用虛擬模型替代真實世界的物理模型，在計算機中對真實世界進行模擬，從而以較低的成本和較短的時間，獲得對真實世界更為完整和全面的理解。仿真可用于透視產(chǎn)品特性，看到產(chǎn)品的運行本質(zhì)和規(guī)律，預(yù)測產(chǎn)品性能。采用仿真技術(shù)可以快速進行虛擬試驗，大量減少實物試驗次數(shù)。與實物試驗相比，仿真能看到實物試驗看不到的數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)缺陷，如預(yù)測壽命、運行故障及引起故障的原因。同時，仿真具有低成本和高效率的特點，因此可以做遍歷仿真，發(fā)現(xiàn)新方案，驗證創(chuàng)新思路的可行性。2.1.1建模仿真如果沒有模型作為基礎(chǔ)，仿真將無法真正落地，因為模型是數(shù)字世界與物理世界連接的橋梁。此外，仿真技術(shù)使得在復(fù)雜變化的制造現(xiàn)場可以實現(xiàn)非常多的虛擬測試、早期驗證，降低制造業(yè)的整體成本。2.1.1.1生產(chǎn)復(fù)雜性究竟機器的生產(chǎn)有多么復(fù)雜？在每個行業(yè)，生產(chǎn)的復(fù)雜度都包含多個維度：（1）材料的復(fù)雜性（2）工藝的復(fù)雜性（3）流程的復(fù)雜性圖2-1機器的變化組合如果不采用建模仿真來進行模型構(gòu)建，機器開發(fā)就必須進行大量的物理測試與驗證，造成成本巨大。盡管采用測繪方式可減少測試驗證環(huán)節(jié)的投入，一臺機器的研發(fā)仍然投入巨大，尤其是具有“高端”定位的機器，必須擁有穩(wěn)定可靠、適應(yīng)變化生產(chǎn)的能力。2.1.1.2應(yīng)用優(yōu)勢從全流程看機器的開發(fā)，包括概念設(shè)計、原型設(shè)計、測試驗證。對于機器與系統(tǒng)的開發(fā)，V-Mode（V形模式）是被普遍應(yīng)用的模式，如圖2-2所示。圖2-2基于V-Mode模式的開發(fā)2.1.1.2應(yīng)用優(yōu)勢在傳統(tǒng)的機器設(shè)計中，這個環(huán)節(jié)往往需要按照嚴格的流程來進行，而通過建模仿真所實現(xiàn)的虛擬測試與驗證可以使這個環(huán)節(jié)被提前，縮短整個流程周期。有了建模仿真的開發(fā)工具和方法，可以實現(xiàn)電氣控制與應(yīng)用軟件和機械的并行開發(fā)，如圖2-3所示。圖2-3并行工程2.1.1.2應(yīng)用優(yōu)勢建模仿真可以給機器的開發(fā)帶來非常多的便利，包括以下幾個方面：（1）縮短開發(fā)周期與降低成本（2）降低安全風(fēng)險（3）復(fù)用的組件開發(fā)因此，建模仿真是一種顯著降低成本的方案，而且有了這些模型后，可實現(xiàn)針對未來的數(shù)據(jù)應(yīng)用。2.1.1.3仿真本質(zhì)（1）仿真不是僅僅用于展示的簡單動畫（2）仿真不是無所不能的（3）仿真建模要以解決問題為導(dǎo)向（4）建模需要專業(yè)知識及對場景的理解與經(jīng)驗支持2.1.2設(shè)計與仿真融合計算機輔助設(shè)計（CAD）與計算機輔助工程（CAE）曾經(jīng)是兩個涇渭分明的陣營，少數(shù)工業(yè)軟件才會橫跨這兩個領(lǐng)域。而現(xiàn)在，設(shè)計已經(jīng)跟仿真緊密地結(jié)合在一起了。設(shè)計既出，仿真即行。同源數(shù)據(jù)，共生驗證。設(shè)計即仿真，將成為工業(yè)領(lǐng)域的標配。傳統(tǒng)的CAD和CAE分而治之的局面，正在由CAD廠商率先打破。CAD與CAE的融合，意味著制造端的前置，它使得設(shè)計要更多擔負起傳統(tǒng)上樣機與測試的功能。2.1.2.1仿真技術(shù)類型仿真最直接的作用是對設(shè)計各階段的結(jié)果進行驗證。設(shè)計過程具有需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設(shè)計和工藝設(shè)計等過程。因此，仿真可以分為5大類：指標分析、功能分析、系統(tǒng)分析、物理仿真和制造仿真。習(xí)慣上，把指標分析、功能分析和系統(tǒng)分析統(tǒng)稱為系統(tǒng)仿真。根據(jù)分析的目的不同，物理仿真分為單場仿真、多場仿真、多體仿真和虛擬現(xiàn)實，制造仿真分為工藝仿真、干涉檢查、裝備仿真、機構(gòu)仿真和6σ（六西格瑪）分析等。根據(jù)分析的對象不同，又分為機械仿真、流體仿真、電氣仿真、電子仿真、液壓仿真等。2.1.2.1仿真技術(shù)類型仿真技術(shù)指使用模型來模擬真實系統(tǒng)，并通過對模型操作的結(jié)果來分析、預(yù)測真實系統(tǒng)的行為。其中，模型有實物模型也有虛擬模型。在自動化集成系統(tǒng)的仿真中大多使用虛擬模型。仿真軟件可以對一個模型進行虛擬機械和多物理場應(yīng)力分析來驗證設(shè)計和材料選擇的正確性，而不需要制造出一個實體模型去檢驗。仿真軟件可以讓3D（三維）數(shù)字模型實現(xiàn)虛擬測試，結(jié)果以帶顏色的圖形在計算機屏幕上顯示出來。這些機械和物理仿真結(jié)果和在實驗室中實驗的結(jié)果很接近，在很多情況下實驗可以省略。這將減少制作實體樣機所需要的時間和費用，也可以加快整個設(shè)計的過程，縮短上市周期。2.1.2.1仿真技術(shù)類型仿真設(shè)計主要包括機、電、控的分類仿真和聯(lián)合仿真。分類仿真包括機械系統(tǒng)的運動、干涉、時序、有限元、振動、裝配與工藝仿真，電氣系統(tǒng)的電路、器件、元件與布線仿真，控制系統(tǒng)的參數(shù)、算法、性能仿真。聯(lián)合仿真將機、電、軟3個子系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中集成在一起，通過基于物理場的交互式仿真，實現(xiàn)數(shù)字化模型虛擬調(diào)試，利用PLC或控制器驅(qū)動數(shù)字化3D虛擬機電模型，虛擬模型的運動行為和真實機器一致，能做到“所見即所得（WYSIWYG）”。除采用虛擬模型進行仿真外，也可以進行硬件在環(huán)（HiL）仿真。2.1.2.2仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域仿真技術(shù)產(chǎn)生之初主要是為產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)，用于對產(chǎn)品運行的特性進行提取或確認。隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步拓展到制造模擬和試驗?zāi)M。仿真應(yīng)用集中在3個方面：產(chǎn)品仿真、工藝（制造）仿真和試驗仿真分別應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期的3個階段，即產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造和試驗驗證。2.1.2.3仿真數(shù)據(jù)管理仿真數(shù)據(jù)在研發(fā)過程中是一類較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)，在管理和使用方面都具有獨特性，需要特殊系統(tǒng)來處理，不能使用傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)簡單替代。仿真數(shù)據(jù)管理主要是對仿真幾何模型、仿真網(wǎng)格數(shù)據(jù)、仿真載荷數(shù)據(jù)、仿真邊界條件數(shù)據(jù)、中間結(jié)果數(shù)據(jù)、最終結(jié)果數(shù)據(jù)、仿真流程模型數(shù)據(jù)、仿真計算報告等的管理。2.1.2.3仿真數(shù)據(jù)管理仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的建設(shè)目的①目前仿真過程數(shù)據(jù)主要散落于仿真人員的本地計算機之中，通過仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范化管理。②目前多工具、多專業(yè)協(xié)同仿真過程主要以手工方式進行數(shù)據(jù)處理與傳遞，多學(xué)科多輪迭代分析的效率較低，未來可以實現(xiàn)基于仿真數(shù)據(jù)管理支撐自動化的多學(xué)科協(xié)同仿真。③在產(chǎn)品仿真過程中，如果發(fā)現(xiàn)存在設(shè)計質(zhì)量問題，目前主要通過手工方式進行數(shù)據(jù)的反向檢索與追溯，未來可以實現(xiàn)基于仿真數(shù)據(jù)管理支撐研發(fā)過程的問題快速追溯。2.1.2.3仿真數(shù)據(jù)管理仿真數(shù)據(jù)管理的主要特點①每次協(xié)同仿真過程涉及的數(shù)據(jù)量大，但這些數(shù)據(jù)都是為了完成某個特定的分析任務(wù)而產(chǎn)生的，不可分散管理，需要按照仿真特點建立邏輯關(guān)系。②仿真過程數(shù)據(jù)的類型多種多樣，既有參數(shù)型數(shù)據(jù)，也有文件型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)既可能是個體參數(shù)、參數(shù)表格、矩陣、一維/二維/三維數(shù)據(jù)模型、文件，也可能是圖片、表格等表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)格式與類型的多樣化為仿真數(shù)據(jù)規(guī)范化管理帶來了難度。③仿真工作有時需要涉及多部門、多專業(yè)、多人員、多工具協(xié)同完成，數(shù)據(jù)協(xié)同較復(fù)雜，需要進行大量的數(shù)據(jù)前后處理工作，耗時耗力。④協(xié)同仿真過程往往需要進行多輪迭代分析，每輪分析都會產(chǎn)生大量的過程數(shù)據(jù)，如果沒有有效的信息化管理手段，數(shù)據(jù)大都零散存儲于仿真人員的本地計算機之中，各版本數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性差，產(chǎn)生問題之后的數(shù)據(jù)追溯困難。仿真數(shù)據(jù)管理主要實現(xiàn)對協(xié)同仿真過程相關(guān)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，并實現(xiàn)仿真過程數(shù)據(jù)與仿真工具和流程的緊密結(jié)合，支持多人、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計仿真分析，支持多輪迭代快速設(shè)計與仿真分析。2.1.2.3仿真數(shù)據(jù)管理仿真數(shù)據(jù)管理的主要功能要求①支持對仿真過程中各類文件型數(shù)據(jù)與參數(shù)型數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，如幾何模型數(shù)據(jù)、網(wǎng)格劃分數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)、邊界條件數(shù)據(jù)、中間結(jié)果數(shù)據(jù)、輸出結(jié)果數(shù)據(jù)等。②支持對個人多工具、多輪迭代分析過程數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，包括對各仿真步驟相關(guān)輸入、輸出、參數(shù)或約束條件設(shè)置等數(shù)據(jù)與信息的全程記錄、跟蹤。③支持對多部門、多專業(yè)、多人員協(xié)同仿真數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，支持個人數(shù)據(jù)向公共協(xié)同數(shù)據(jù)的發(fā)布管理。④支持從輸入數(shù)據(jù)、中間過程數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)之中進行相應(yīng)的元數(shù)據(jù)抽取，結(jié)合仿真報告模板快速生成相應(yīng)的仿真分析報告。⑤支持仿真數(shù)據(jù)向任務(wù)交付數(shù)據(jù)、成熟產(chǎn)品數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與提交，支持對數(shù)據(jù)版本、數(shù)據(jù)權(quán)限的管理。2.1.3聯(lián)合仿真集成仿真的學(xué)科種類繁多，而且各學(xué)科之間無可替代。但各學(xué)科所分析的產(chǎn)品對象是同一個，它們之間必然具有關(guān)聯(lián)。事實上，在產(chǎn)品定型的過程中，不同的設(shè)計參數(shù)會對不同學(xué)科的性能有不同影響，而這些影響之間往往是沖突的，必須權(quán)衡折中解決。（1）工具封裝與集成（2）多學(xué)科仿真流程定制（3）專業(yè)界面定制環(huán)境2.1.3.1仿真集成2.1.3.2機電軟一體化仿真自動化集成系統(tǒng)遇到的最基本挑戰(zhàn)是需要把機械、電子、軟件等不同領(lǐng)域結(jié)合在一起。如果一個領(lǐng)域是參數(shù)模式，另一個領(lǐng)域是純代碼形式的硬件描述語言，兩個領(lǐng)域彼此之間怎樣才能相互理解就是把兩個領(lǐng)域連接在一起的關(guān)鍵所在。設(shè)計開發(fā)工具是從不同的學(xué)科衍生而來，如計算機輔助機械設(shè)計（MCAD）軟件、計算機輔助電子/電氣設(shè)計（ECAD）軟件和運動控制軟件。很多情況下，設(shè)計開發(fā)工具的銷售商往往都是努力創(chuàng)建自有的設(shè)計與仿真產(chǎn)品集群。由于這些產(chǎn)品要放在一起使用，所以從一個階段到另一個階段的信息傳遞應(yīng)該是無縫傳遞。但在現(xiàn)實世界中，情況并不會總是這樣。當通過購買為設(shè)計鏈增加工具時，有時就會出問題。無論是哪種情況，都要千方百計地開發(fā)設(shè)計工具與仿真工具之間的接口。2.1.3.2機電軟一體化仿真但是，即使有這樣的接口也不能滿足所有需求，這個問題最困難的地方是運動控制軟件的集成。即使各設(shè)計開發(fā)工具之間這些特定的接口界面能夠有所幫助，它們也不能構(gòu)成一個完美的系統(tǒng)。機電軟一體化實質(zhì)上是一個多領(lǐng)域的問題，必須在數(shù)據(jù)交換和轉(zhuǎn)換工具上進行投入以保證該問題能夠得到解決。自動化集成系