智慧機電裝備系統設計與實例

智慧製造裝備是指具有感知、分析、推理、決策、控制功能的製造裝備，它是先進製造技術、資訊技術和人工智慧技術的高度集成和深度融合。製造領域重點發展智慧製造裝備，核心是以高端數控技術為核心的智慧成套生產線，智慧控制系統，智慧感測和測試儀器儀表關鍵基礎零部件、元件及通用的和專用的智慧製造裝備。

本書圍繞智慧製造裝備系統展開，全書分7章內容。第1章對智慧製造裝備的概念和發展趨勢進行介紹；第2章介紹智慧製造裝備機械本體的設計方法和數位化設計；第3章對智慧製造裝備驅動系統的設計和智慧驅動系統進行介紹；第4章主要介紹智慧製造裝備感知系統的設計和智慧感測技術的發展趨勢；第5章講述智慧製造裝備控制系統的設計和實現；第6章介紹智慧物聯網系統的概念和應用；第7章以筆者所在課題組研發的自動塗膠機為例，介紹了中空玻璃成型工藝和高性能運動控制裝備系統的設計和開發過程。

全書內容豐富，材料翔實，可供裝備設計和控制系統研發人員使用，也可供高等院校相關科系師生閱讀參考。

徐明剛，工學博士後，副教授，主要從事高效複合加工技術及數位控制技術方面的研究工作。

張從鵬，博士，機械與材料工程學院教授，碩士生指導教授。

第1章 智慧裝備概述
1.1 智慧製造裝備的概念、 組成及特點
1.1.1 智慧製造裝備的概念
1.1.2 智慧製造裝備的組成
1.1.3 智慧製造裝備的特點及關鍵技術
1.1.4 智慧裝備應用領域
1.2 智慧製造裝備的發展概況
1.2.1 數控機床發展現狀
1.2.2 工業機器人發展現狀
1.2.3 未來的智慧製造裝備發展
1.3 智慧製造裝備研發內容
1.3.1 智慧機床與基礎製造裝備
1.3.2 工業機器人
1.3.3 積層製造
1.4 智慧製造裝備的發展趨勢
1.4.1 智慧機床裝備
1.4.2 智慧工程機械
1.4.3 智慧動力裝備
1.4.4 智慧機器人
1.4.5 智慧終端產品
1.5 本章小結
第2章 智慧裝備的機械本體設計
2.1 機械設計的基本要求
2.2 智慧製造裝備機械本體整體設計
2.2.1 機械結構設計的任務
2.2.2 機械結構設計的特點
2.2.3 機械結構件的結構要素和設計方法
2.3 智慧製造裝備本體設計的主要內容
2.3.1 功能原理設計
2.3.2 方案評價與篩選
2.3.3 機械結構設計的基本要求
2.3.4 機械結構基本設計準則
2.3.5 機械結構設計步驟
2.4 智慧製造裝備進給傳動系統設計
2.4.1 智慧製造裝備進給傳動系統的功能要求
2.4.2 智慧製造裝備進給傳動系統的組成
2.4.3 智慧製造裝備傳動系統的分析及運算
2.4.4 智慧製造裝備傳動系統結構的設計
2.4.5 滾動導軌副的設計
2.4.6 滾珠絲槓的設計
2.5 智慧製造裝備支承系統設計
2.5.1 設計支承系統需注意的問題
2.5.2 支承件的設計
2.5.3 旋轉支承部件設計
2.5.4 移動支承部件結構方案設計
2.6 智慧製造裝備執行系統設計
2.7 智慧製造裝備本體動態設計
2.7.1 動態設計的原則
2.7.2 機體動態設計的步驟
2.7.3 智慧製造裝備本體動態性能分析
2.8 智慧製造裝備本體優化設計
2.8.1 本體設計的主要內容
2.8.2 結構模組的優化設計
2.8.3 系統模組的優化設計
2.8.4 產品特徵的優化設計
2.8.5 機械結構優化方法
2.9 智慧製造裝備數位化設計
2.9.1 數位化設計的現狀
2.9.2 數位化設計的發展
2.9.3 數位化設計製造的主要方法和常用文件交換類型
2.9.4 數位化設計製造的未來趨勢
2.9.5 參考文獻
2.9.6 綠色設計
2.10 本章小結
第3章 智慧製造裝備驅動系統設計
3.1 驅動機構的分類和特性
3.1.1 驅動機構的分類
3.1.2 驅動機構的技術特性
3.2 電機驅動系統
3.2.1 電機驅動系統概述
3.2.2 步進電機的選擇
3.2.3 伺服電機的選擇原則
3.2.4 伺服電機選擇注意的問題
3.2.5 根據負載轉矩選擇伺服電機
3.2.6 根據負載慣量選擇伺服電機
3.2.7 根據電機加減速時的轉矩選擇伺服電機
3.2.8 根據電機轉矩均方根值選擇伺服電機
3.2.9 伺服電機選擇的步驟、 方法、 公式
3.3 液壓驅動系統
3.3.1 概述
3.3.2 液壓系統的形式
3.3.3 液壓系統性能評價
3.3.4 液壓動力系統
3.3.5 液壓系統設計
3.4 氣壓傳動系統設計
3.5 驅動機構的發展方向
3.6 本章小結
第4章 智慧裝備的感知系統設計
4.1 感測器的概念
4.1.1 感測器的概念和組成
4.1.2 感測器的特性
4.1.3 智慧感測器的特點和作用
4.1.4 感測器的分類
4.1.5 微機電系統（ MEMS） 感測器
4.1.6 感測器的發展
4.2 智慧製造裝備感測器
4.2.1 概述
4.2.2 智慧製造裝備感測器的作用
4.2.3 智慧製造裝備感測器的分類
4.2.4 無線感測器網路
4.2.5 模糊感測器
4.3 智慧製造裝備感測器的選擇
4.4 智慧製造裝備感知系統設計
4.4.1 感知系統定製開發
4.4.2 感知系統定製開發方式及案例
4.5 工業機器人的感測器
4.5.1 工業機器人的感覺系統
4.5.2 工業機器人內部感測器
4.5.3 工業機器人外部感測器
4.6 智慧製造裝備感測器的發展趨勢
4.7 本章小結
第5章 智慧製造裝備控制系統設計
5.1 智慧控制概述
5.2 智慧製造裝備的控制系統分類
5.2.1 分級遞階控制系統
5.2.2 模糊控制系統
5.2.3 神經網路控制系統
5.2.4 專家控制系統
5.2.5 仿人智慧控制
5.2.6 集成智慧控制系統
5.3 智慧製造裝備控制系統的硬體平台設計
5.3.1 概述
5.3.2 常見控制系統硬體
5.3.3 機器人控制系統
5.4 智慧製造裝備控制系統的軟體設計
5.4.1 概述
5.4.2 智慧控制系統常用的軟體設計方法
5.5 現代工業裝備自動控制技術
5.5.1 概述
5.5.2 可編程邏輯控制器
5.5.3 DCS控制系統
5.5.4 現場總線
5.5.5 PC數控
5.5.6 先進控制技術方
5.6 PLC控制系統設計
5.6.1 PLC控制系統的硬體設計
5.6.2 PLC控制系統的軟體設計
5.6.3 PLC系統的抗干擾設計
5.6.4 PLC系統的除錯
5.7 電氣控制系統設計
5.7.1 概述
5.7.2 常用的控制線路的基本迴路
5.7.3 常用保護環節
5.7.4 故障維修
5.8 本章小結
第6章 智慧物聯網機電裝備系統的設計
6.1 物聯網概述
6.1.1 物聯網的主要功能
6.1.2 物聯網的關鍵技術
6.1.3 物聯網的應用
6.2 物聯網架構
6.3 物聯網的終端
6.3.1 物聯網終端的概念
6.3.2 物聯網終端的基本原理及作用
6.3.3 物聯網終端的分類
6.3.4 物聯網終端的標準化
6.4 物聯網技術在裝備中的應用
6.5 機電裝備物聯網設計
6.5.1 概述
6.5.2 物聯網平台架構設計過程
6.6 本章小結
第7章 具有複雜工藝與高性能運動要求的工業裝備系統
7.1 案例一 中空玻璃全自動塗膠機開發
7.1.1 中空玻璃全自動塗膠機機械本體設計
7.1.2 中空玻璃全自動塗膠機驅動系統設計
7.1.3 中空玻璃全自動塗膠機控制系統
7.1.4 中空玻璃全自動塗膠機下位控制
7.2 案例二 全自動立式玻璃磨邊機開發
7.2.1 全自動立式玻璃磨邊機機械本體設計
7.2.2 全自動立式玻璃磨邊機控制系統設計
參考文獻

第1章　智慧製造裝備概述

智慧製造（IntelligentManufacturing, IM）是由智慧機器和人類專家共同組成的人機一體化智慧系統，通過人機合作進行生產過程的分析、推理、判斷、構思和決策等智慧活動，可擴大、延伸和部分地取代人類專家在製造過程中的腦力勞動。它把製造自動化的概念更新，使其擴展到柔性化、智慧化和高度集成化，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能。智慧製造集自動化、柔性化、集成化和智慧化於一身，具有自組織能力、自律能力、自學習和自維護能力及整個環境的智慧集成、人機一體化等特徵，涉及機器人技術、3D列印技術、虛擬實境技術等十項技術基礎。其主要特點是隨著製造業再次成為全球經濟穩定發展的驅動力，世界各主要工業國家都加快了工業發展的步伐，製造業正逐步成為各國發展的重中之重，引領未來製造業的方向也成為製造業強國競爭的一個策略制高點。中國是製造業大國，智慧製造是製造業的重要發展趨勢。製造裝備是國民經濟及國家科技發展的基礎性、策略性產業，是世界各國一直高度重視的產業。

智慧生產是「智慧製造工程」的主戰場；生產模式變革是「製造業服務化行動計劃」的主戰場，而智慧製造裝備則是「裝備創新工程」的主戰場。到2025年中國邁入製造強國行列，2035年製造業整體達到世界製造強國陣營中等水平。推進高端裝備製造業創新，在實施互聯網、高端數控裝備、大飛機等專項的基礎上，推進高端裝備創新專項，通過智慧製造帶動產業數位化水平和智慧化水平的提高。

智慧製造裝備是高端裝備製造業的重點發展方向和資訊化與工業化深度融合的重要體現方式，大力培育和發展智慧製造裝備產業對於加快製造業轉型升級，提升生產效率、技術水平和產品質量，降低能源資源消耗，實現製造過程的智慧化和綠色化發展具有重要的現實意義。當今世界，第四次工業革命的浪潮已經到來，智慧製造裝備不僅是海洋工程、高鐵、大型飛機、衛星等高端裝備的基礎支援，而且可通過將測量控制系統、自動化成套生產線、機器人等技術融入製造裝備來實現產業的提升。對中國來說，智慧製造發展瓶頸主要有創新能力不強，核心競爭力不足，產品附加值較低，品牌競爭力弱，能耗高、效率低。中國智慧製造裝備重點發展高檔數控機床與基礎製造裝備，自動化成套生產線，智慧控制系統，精密和智慧儀器儀表與試驗設備，關鍵基礎零部件、元件及通用部件，智慧專用裝備，實現生產過程自動化、智慧化、資訊化、精密化、綠色化，帶動工業整體技術水平的提升。

1.1 智慧製造裝備的概念、組成及特點

1.1.1 智慧製造裝備的概念

智慧製造包含智慧製造技術和智慧製造系統。智慧製造技術是指利用電腦模擬製造專家的分析、判斷、推理、構思和決策等智慧活動，並與智慧機器有機地融合在一起，貫穿應用於整個製造企業的經營決策、採購、產品設計、生產計劃、製造、裝配、質量保證和市場銷售等各個子系統，實現整個製造企業的高度柔性化和集成化，對製造業專家的智慧資訊進行收集、儲存、完善、共享、繼承和發展，並極大地提高生產效率的一種先進製造技術。智慧製造系統是指基於智慧製造技術，利用電腦綜合應用人工智慧技術、智慧製造機器、材料技術、現代管理技術、製造技術、資訊技術、自動化技術、並行工程、生命科學和系統工程理論與方法，在國際標準化和互換性的基礎上，使整個企業製造系統中的各個子系統分別智慧化，並使製造系統形成網路集成的、高度自動化的製造系統，目的是通過設備柔性和電腦人工智慧控制自動完成設計、加工、控制管理過程，提高高度變化環境下製造的有效性。

「工業4.0」的推進實施，對製造裝備提出了更高的要求。工業4.0是德國BITKOM 協會提出的，代表了通過自配置機自動化系統實現的不斷進步的工業生產自動化。其本質是資訊技術與傳統製造相結合，通過工業物聯網實現人與設備、產品的互聯互通，構建數位化的智慧製造模式，實現智慧生產。其核心是通過智慧機器、大數據分析來幫助工人甚至取代工人，實現製造業的全面智慧化。智慧製造裝備是指具有感知、分析、推理、決策、控制功能的製造裝備，是先進製造技術、資訊技術和智慧技術集成和深度融合的產物，在中國建設製造業強國中的地位越來越重要。

智慧製造裝備主要分為智慧機床和智慧基礎製造裝備，是在數位化裝備基礎上改進而成的一種更先進、生產效率和製造精度更高的裝備。與傳統裝備不同的是，智慧製造裝備具有感知、分析、推理、決策和控制功能，可以將感測器及智慧診斷和決策軟體集成到裝備中，使製造工藝適應製造環境和製造過程的變化。它以推進高檔數控機床與基礎製造裝備，自動化成套生產線，智慧控制系統，精密和智慧儀器儀表與試驗設備，關鍵基礎零部件、元件及通用部件，智慧專用裝備的發展，實現生產過程自動化、智慧化、精密化、綠色化，帶動工業整體技術水平的提升為重點。

智慧製造裝備是數控制造裝備的延續和發展，是裝備性能的巨大飛躍，可以更有效、更經濟地實現航太、核電、航空、雷射核聚變等領域的普通數控裝備難以實現的超常規製造任務，以提升中國的核心競爭力。中國是製造業大國，在從製造業大國到強國邁進的過程中，智慧製造裝備是製造裝備發展的方向，是中國製造裝備產品走向高端並提升其技術附加值的重大機遇，是中國經濟策略的尖端技術領域，也是中國製造業進行策略性調整的方向性技術。

當前，以高檔數控機床、先進工業機器人、智慧儀器儀表為代表的關鍵技術裝備取得了積極進展，成果豐富；智慧製造裝備和先進工藝在重點行業不斷普及，製造裝備的數位化、網路化、智慧化步伐不斷加快。

1.1.2 智慧製造裝備的組成

機械系統是智慧製造裝備的基礎。除了機械系統，智慧製造裝備關鍵技術涉及智慧感知系統、機械執行系統、運動控制系統和智慧決策系統等模組，每一部分都有涉及軟硬體的關鍵技術，具有廣闊的發展空間。

（1） 智慧感知系統
智慧感知系統是智慧製造裝備高速發展的一個方向。感知系統模擬智慧體的視覺、聽覺、觸覺等，是智慧製造裝備的輸入和起點，也是智慧製造裝備「智慧」起作用的基礎。智慧製造裝備不是完全仿真人類的智慧，而是參考人類的智慧，利用各種超越人類感知能力的感測器，比如超音感測器、紅外感測器等，去解決實際問題。智慧製造裝備常用的感測器有視覺感測器（鏡頭等）、距離感測器（雷射測距儀、紅外測距儀等）、射頻辨識（RFID）感測器、聲音感測器、觸覺感測器等。高精度、高靈敏度的感測器是人類不懈追求的目標。

（2） 機械執行系統
機械執行系統即機械執行機構，是智慧製造裝備中與工作對象直接接觸、相互作用，同時與傳動系統、支承系統相互連繫的子系統，是機械系統中直接完成預期功能的部分。現代機械執行系統包括產生實際運動規律的機構和驅動機構運動的原動機等驅動設備，常用的原動機有電動機、內燃機、液壓馬達、氣動馬達等。

（3） 運動控制系統
運動控制是自動化的一個分支，是現代工業生產不可或缺的一部分。運動控制系統通過控制伺服機構的執行設備，如液壓泵、線性執行機或電機等，來控制機器的位置或速度，使裝備按照給定的指令進行複雜的操作，是實現設備智慧化的橋梁。

（4） 智慧決策系統
智慧決策系統根據各種感知系統收集的資訊，進行複雜的決策運算，優化出合理的指令，指揮控制系統來驅動執行系統，從而最終實現複雜的智慧行為。智慧決策系統是目前智慧製造裝備發展的瓶頸，目前工業領域還沒有好的通用解決方案。