智能制造复习提纲（简要Est）

考试题型

填空题10分
多选题40分，漏选三分
名称解释，简答写两三行，三个15分
论述 green二选一15分，做两个，多给分，
概念设计配图20分

必备内容

智能制造:是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化生产系统，它在制造过程中能进行智能活动，实现生产效能的提升。

机器人三大关键技术：控制器、关键件、机械臂。

计算机集成制造系统(CIMS)：将信息技术、管理技术、制造技术相结合

智能化检测关键前提：机械制造、加工过程关键物理量的在线检测。

特种加工制造技术：增材制造技术、微纳制造技术、复合能场制造技术、极端制造技术。控形与控性是两大核心问题；

工业机器人是一种具有自动控制，可重复编程，多功能，多自由度的操作机。

工业机器人是由操作机、驱动系统、控制系统和末端执行器组成

人工智能(AI)，是研究、开发用于模拟、扩展人的智能的理论、方法及应用系统的技术科学；核心特征：模拟自然过程，解决复杂工程问题。

专家系统是基于计算机的交互式决策系统，对使用知识推理过程进行模拟，能在一个范围较窄的存在疑难问题****排队论(QueuingTheory)也称随机服务系统理论**，是为寻求服务机构和服务对象最优匹配的一门学科。排队系统包括三个组成部分：输入过程、排队规则和服务机构。**的领域中有效地工作。

整子制造系统是智能制造体系的一种追求快速适应生产变化能力的制造模式，整子系统是一个通过整子的合作达到生产目标的系统。

主要性质：单个整子的自治性与整子间的合作性。关键问题：决定整子自治、协作和响应的任务调度算法。

数字孪生是一个集成了多物理性、多尺度性、概率性的复杂产品仿真模型，能够反映实体装备的全生命周期过程。技术支撑：高性能计算、先进传感采集、数值仿真、VR呈现，实现目标物理对象的超现实镜像呈现。

基于数字孪生的重构优化方法 工业微调、遗传算法、交叉熵、模拟退火

电子标签在制造自动化中的作用：数据实时共享、标准化的生产控制、质量跟踪和追溯

中间件是介于操作系统和应用软件之间的一类软件，它使用系统软件基础服务，衔接网络应用，达到资源共享、功能提升的目的。

云计算的体系结构由5部分组成，分别为应用层、平台层、资源层、用户访问层、管理层

计算机集成制造系统CIMS是通过计算机硬软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。

柔性制造系统FMS是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。

企业资源计划ERP是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台；

虚拟制造是利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题。

柔性制造是依靠高柔度的计算机、数控机床等制造设备来实现的多品种，小批量的制造方式。

柔性制造系统中关键技术计算机辅助设计、模糊控制技术、人工智能技术及专家系统、人工神经网络技术

CIMS的基本组成？功能分系统：生产经营管理信息分系统、工程设计自动化分系统、制造自动化分系统、质量保证分系统。支撑分系统：计算机网络分系统、数据库分系统

CIMS关键技术：先进制造技术、敏捷制造、敏捷制造、并行工程

智能仓储系统是由立体货架、堆垛机、AGV、出入库输送系统、信息识别系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他辅助设备组成的智能化系统。

自动化立体库组成：高层货架🏢、堆垛机🚜、输送机🚚、货物📦、库房🏘、计算机💻

机器人导航包括地图构建、机器人定位、路径规划和运动控制等导航系统构成模块。

机器人导航模块在机器人运动之前会根据静态地图，利用全局规划器（路径规划算法）计算出一条可行的路径，然后将全局路径上的路径点设置给局部规划器（局部避障算法）当作目标点。

🚩第一章智能制造概述

智能制造:是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化生产系统，它在制造过程中能进行智能活动，实现生产效能的提升。

增材制造采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,是一种“自下而上”的制造方法。

计算机集成制造系统(CIMS)：将信息技术、管理技术、制造技术相结合，并应用于企业全生命周期各个阶段，通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，从而提高企业的市场应变能力和生产效能。

机器人三大关键技术：控制器、关键件、机械臂。

云计算：基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。

智能制造的领域前沿有哪些？简要阐述手术机器人的优缺点。

①高端加工技术 (1)流体精密加工(2)微纳超精密加工(3)增材制造-3D打印

②先进制造技术 (1)计算机集成制造系统(CIMS)(2)柔性制造系统(FMS)(3)网络化制造系统

③机器人技术 (1)工业机器人(机械臂)(2)服务机器人(3)仿生机器人(4)智能灵巧手(5)手术机器人

手术机器人

优点：手术创伤小、手术视野好、机器人无抖动、定位准确、执行末端灵活超越人体感知极限、手术时间短

缺点：价格昂贵、限制条件多、需要人工维护、无法应对突发情况

智能制造关键技术，嵌入式，物联网、多智能体技术、整子系统技术、云计算技术

核心是制造，而非智能；

🚩第二章智能精密制造技术

生产过程的智能化检测!（重点）

闭环反馈控制是数字化机械生产精度与效率的重要保障；

智能化检测关键前提：机械制造、加工过程关键物理量的在线检测。

难点：加工接触位置的传感器安装；工业干扰条件下的有用信号提取。

加工测量一体化控制是保证高质、高效机械加工的关键支撑技术。

①工业过程检测；工业过程检测是通过传感手段获取工业生产过程关键参数，以保证生产高质、高效、安全进行的关键支撑技术。

③嵌入式系统。嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

🎈机械加工参数采集的难点是什么？请提供几种解决方案；

机械加工过程一般伴随高频冲击振动信号;

刀架、主轴安装传感器困难，且拾取信号含有较多干扰成分。

解决方案：更换合适的传感器，通过算法排除干扰成分，通过安装多个传感器以及在不同位置、不同时间安装传感器消除干扰。

🎈简要阐述智能化多体动力学建模与优化流程。

两个过程:几何模型形成物理模型的物理建模、由物理模型形成数学模型的数学建模;基于经典力学方法建立任意系统的微分方程，结合现代计算方法进行分析:绝对坐标、相对坐标。

通过实验与各种算法进行优化

🚩第三章特种加工制造技术

特种加工制造技术主要包括：增材制造技术、微纳制造技术、复合能场制造技术、极端制造技术。

控形与控性是两大核心问题；

增材制造可为具有内部复杂结构的构件制造提供可靠解决方案，能耗与强度是关键难点；

减材制造：自顶向下，技术相对简单容易实现、可以加工大型零件、成本低。复杂结构零件难以成形；

增材制造：自底向上，可以实现复杂结构的快速成形制造、成本高、技术较为复杂。

微纳制造技术是指尺度为毫米、微米和纳米量级的零件，以及由这些零件构成的部件或系统的设计、加工、组装、集成与应用技术。

复合能场制造技术利用光、电、声、热、化学、磁和原子能等能量进行加工的特种加工方法(包括激光、超声、电火花、电化学、高压水切割等)。

极端制造技术在极端条件或环境下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统，集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造等方面。

🚩第四章工业机器人及其关键技术

工业机器人是一种具有自动控制，可重复编程，多功能，多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，完成各种作业。

一台完整的工业机器人是由操作机、驱动系统、控制系统和末端执行器组成

工业机器人按机械结构大致可以分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、关节型机器人

工业机器人的技术参数一般包括下列几项：➡️自由度(轴数)➡️定位精度和重复定位精度➡️工作空间➡️额定负载➡️最大单轴速度

目前成熟并标准化的减速器有：圆柱齿轮减速器、涡轮减速器、行星减速器、行星齿轮减速器、RV(RotateVector)减速器、摆线针轮减速器和谐波减速器。其中RV减速器和谐波减速器是精密减速器中重要的两种减速器。

🚩第五章智能计算与制造过程优化

人工智能(AI)，是研究、开发用于模拟、扩展人的智能的理论、方法及应用系统的技术科学；

算法是人工智能与实际应用之间的技术桥梁。

核心特征：模拟自然过程，解决复杂工程问题。

专家系统是基于计算机的交互式决策系统，对使用知识推理过程进行模拟，能在一个范围较窄的存在疑难问题的领域中有效地工作。

请列举几种常用的人工智能算法；并以其中一种算法为例，简述它的基本原理。

主要有以下三种：人工神经网络、探索式进化计算、差异化样本训练

其中人工神经网络是由大量简单的基本元件——神经元相互连接,通过模拟人的大脑神经处理信息的方式,进行信息并行处理和非线性转换的复杂网络系统。神经网络的优点是多输入多输出实现了数据的并行处理以及自学习能力。前向反馈网络和径向基网络是目前技术最成熟、应用范围最广泛的两种网络。

结构三要素：输入层(参数样本)、隐层(神经元)、输出层(目标)；
计算三要素：误差函数(代价函数)、激活函数、权值修正函数。

粒子群算法(PSO):每一个粒子代表一个可能解，通过粒子个体行为、群体信息交互实现问题求解的智能化。

🚩第六章流程控制与物流调度

排队论(QueuingTheory)也称随机服务系统理论**，是为寻求服务机构和服务对象**最优匹配的一门学科。

排队系统包括三个组成部分：输入过程、排队规则和服务机构。

图论(GraphTheory)是数学的一个分支，其研究对象是由若干给定的点及连接各点的线所构成的图形。

在线识别技术就是应用一定的识别装置，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

常用的在线识别技术有哪些？简述它们的应用领域。

条码识别技术，应用领域：移动支付、商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域。

图像识别技术，应用领域：导航、地图与地形配准、自然资源分析、天气预报、环境监测等

射频识别技术，应用领域：物流、交通、身份识别、安全控制、查阅应用、信息统计、食品安全等
混合流水车间调度问题(HFSP)：在一定的约束条件下，把有限的资源在时间上按照一定的顺序分配给若干个任务，以满足或优化一个或多个性能指标。

智能解决方案：遗传算法、模拟退火、禁忌搜索、蚁群算法、微粒群优化、人工免疫系统、蛙跳算法等。

图像识别技术：视觉深度感知是图像识别领域中的关键，从传统的工业零件的测量到现在流行的人机交互、人体测量和虚拟试衣景深摄像头：可分为单目与双目。

双目视觉深度识别原理：通过对摄像头采集的两幅图像视差的计算，直接对前方景物进行距离测量。

射频识别技术是利用射频信号通过空间耦合(交变电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。射频识别技术，具有适用性、高效性、独一性等优点。

设计题

🚩第七章制造过程智能集成与优化

整子制造系统是智能制造体系的一种追求快速适应生产变化能力的制造模式，整子系统是一个通过整子的合作达到生产目标的系统。

主要性质：单个整子的自治性与整子间的合作性。关键问题：决定整子自治、协作和响应的任务调度算法。

多智能体系统在人工智能领域中，任何独立的能够思想并可以同环境交互的实体都可以抽象为智能体(Agent)，多智能体系统就是多个智能体组成的集合。

常用的调度算法包括：模拟退火法（SA）、禁忌搜索法（TS）**、**遗传算法（GA）和神经网络算法（ANN）。

Petri网：一种图论工具，适于对离散事件动态系统建模。广泛应用于制造系统、计算机系统、通讯系统的建模与分析。

📦简述整子制造系统和多智能体系统之间的区别与联系。

区别：①整子系统的本质是通过生产赋予定义的概念单位，智能体的本质则是为系统行为建模的软件组件；
②整子制造系统主要应用于智能制造系统，多智能体在不同的研究领域都有应用；
③前者框架由显著的分隔，信息处理模块和物理模块，后者没有明确的分离，一个软件单元。
④前者为整体型组织构架，后者具有不同的组织架构。
联系：二者都遵循相似的概念，目标和方法以满足制造系统不断增长的需求。共同点为相似与协作。

🚩第八章数字孪生与生产过程重构

数字孪生是一个集成了多物理性、多尺度性、概率性的复杂产品仿真模型，能够反映实体装备的全生命周期过程。
技术支撑：高性能计算、先进传感采集、数值仿真、VR呈现，实现目标物理对象的超现实镜像呈现。
三个维度：物理、虚拟、连接

📦简述一下数字孪生技术的基本框架。

数字孪生技术的核心特征是超现实镜像，其框架包括服务、数据、物理模型、建模、交互连接。

📦基于数字孪生的重构优化方法有哪些？
工业微调(FT)方法：简单有效，调优所需时间昂贵，小效率相对较低；
遗传算法(GA)：确定工程优化目标，通过无梯度启发式求解优化；
交叉熵(CE)：基于群体的启发式方法，通过方差最小化，将优化问题转化为概率极低的随机问题来处理；
模拟退火(SA)：以工程需求的全局最优为目标，可跳出局部最优，获得全局最优解。

🚩第九章工业互联网

射频识别（RFID）技术:阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的；应用于动物芯片、汽车防盗系统、生产线自动化、物流管理

结构三要素：电子标签(Tag)、阅读器(Reader)、数据管理系统(Systemsoftware)；

无线传感器网是通过无线通信技术把大量传感器结点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。特性：组建方式自由、网络拓扑结构不确定、控制方式不集中、安全性相对薄弱

物联网(InternetofThings,IoT):通过无线信息传感装置，实现物与物、物与人的泛在连接。

工业以太网是以工业生产应用为服务对象，基于IEEE802.3(工业互联网)的强大区域和单元网络；

电子标签在制造自动化中的作用：数据实时共享、标准化的生产控制、质量跟踪和追溯

简述网络“结点”与“节点”的区别与联系。
区别：

📦结点是网络的组成部分。网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成，结点可以是计算机、集线器(Hub)、交换机(Switch)、路由器(Router)、数字化生产设备。

📦节点是树中的元素。树是一种数据结构，它是由n(n>=1)个有限节点组成一个具有层次关系的集合。

联系：英文都是node，都是一个整体系统的组成元素。

设计题

🚩第十章网络中间件与制造自适应服务

中间件是介于操作系统和应用软件之间的一类软件，它使用系统软件基础服务，衔接网络应用，达到资源共享、功能提升的目的。

UPnP规范基于TCP/IP协议和针对设备彼此间通讯而制订的其它Internet协议。

DPWS设备网络服务构架,支持多个操作系统环境，提供设备统一接口规范和通信协议，实现了不同设备的兼容

透明服务：自适应服务的终极任务;自适应服务:根据不同的应用对象特征，自动完成相关功能服务;前期工作量决定自适应有效性;

简述一下制造过程中自适应服务的重要性。

在不同的制造环境下，可能出现诸如制造任务变更、服务故障、任务超期等不可预料的事件，影响制造活动的顺利进行。因此需要将自适应技术引入制造过程中，保证在异常发生的时候，制造平台可以自适应地做出调整，使制造任务能够继续执行。在动态、开放、复杂的制造环境下，各种异常事件的产生不可避免，如何感知这些异常并及时主动做出响应，是制造必须要解决的问题。

🚩第十一章云计算与云制造服务

云计算是分布式计算的一种，通过网络将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。

云计算的体系结构由5部分组成，分别为应用层、平台层、资源层、用户访问层、管理层

云制造是一种利用网络和云制造服务平台,按用户需求组织网上制造资源,为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。

智能云制造平台可以实现资源利用效率更高的智能制造网络，实现制造资源服务的动态共享。
以面向服务的方式按需提供，从而根据用户的实际需求动态地实现各种分布式制造资源的方便共享。
在制造云平台上，用户可以搜索和请求完成所需制造的任务和所需的服务，并动态地将它们组装到制造服务解决方案中

设计题

🚩第十二章先进制造系统与智能工厂

柔性制造系统FMS是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。

企业资源计划ERP是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台；

柔性制造是依靠高柔度的计算机、数控机床等制造设备来实现的多品种，小批量的制造方式。

🚗柔性制造系统中包括哪些关键技术？

计算机辅助设计：CAD技术引入专家系统，使之具有智能化，可加快开发新产品和研制新结构的速度。

模糊控制技术：实质是模糊控制器，具有自学习功能，可不断获取新的信息并自动地对控制量作调整，使系统性能大为改善。

人工智能技术及专家系统：利用专家知识和推理规则进行推理，求解FMS中各类问题(如监视，技术，控制等)。

人工神经网络技术(ANN)：模拟智能生物的神经网络对信息进行平行处理的一种方法。

🚗CIMS的基本组成？

功能分系统：生产经营管理信息分系统、工程设计自动化分系统、制造自动化分系统、质量保证分系统

支撑分系统：计算机网络分系统、数据库分系统

🚗CIMS关键技术：先进制造技术、敏捷制造、敏捷制造、并行工程

柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。

🚩第十三章智能物流与仓储系统

智能物流是利用集成智能化技术，使物流系统能模仿人的智能，具有思维、感知、学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力

🚗智能仓储系统是由立体货架、堆垛机、AGV、出入库输送系统、信息识别系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他辅助设备组成的智能化系统。

🚗自动导引车(AutomaticGuidedVehicle,AGV)也称无人搬运车或自动搬运车，是一种现代化的先进物料搬运装备。

按照导引方式分：固定路径导引和自由路径导引两种类型；

按照结构和用途分：搬运型、牵引型、叉车型和装配型等类型。

组成：车体、车轮驱动和转向装置、移载装置、安全装置、电源系统、信息传输及处理装置、导航控制系统。

AGV的主要技术参数包括1）额定载重量2）自重3）车体尺寸4）运行速度5）停位精度6）最小转弯半径7）工作周期8）工作噪声9）电源管理、网络支持

📦自动化立体库(AutomaticStorageandRetrievalSystem,AS/RS)又称高架仓库，一般指采用高层货架储存货物，并且用专门的仓储作业设备进行货物出库或入库作业的仓库。

组成：高层货架🏢、堆垛机🚜、输送机🚚、货物📦、库房🏘、计算机💻

自动化立体仓库的物流模式、同端(U型)出入式、直线型旁流式(L型)、多层同端式

🚩第十四章多机器人并行生产线

📦机器人导航包括地图构建、机器人定位、路径规划和运动控制等导航系统构成模块。

📦机器人导航模块在机器人运动之前会根据静态地图，利用全局规划器（路径规划算法）计算出一条可行的路径，然后将全局路径上的路径点设置给局部规划器（局部避障算法）当作目标点。

📦混合流水车间机器人调度求解的关键问题是什么。

不仅要考虑工件排序，还需考虑引入功能机器人后所带来的协调问题。

①调度对象与约束关系增加，需考虑机器人工作的顺序与路径；

②机器人资源冲突增加，加工过程瓶颈漂移；

③算法实时性要求更高，需保证机器人利用率和处理突发事件的有效性。

📦车间多机器人调度的时间管理注意包含哪些要素？

运输时间：运输是指将产品从一台机器转移到另一台机器所需的时间；直到之前的操作和运输时间已过，下一个操作才能开始；

延迟时间：生产流程中的各个步骤之间存在延迟时间；

转换时间：机器人将产品从一个制造过程传输到另一个制造过程；

处理时间：完成所需工序的理想最短时间；

运输时间、延迟时间、转换时间小于处理时间是产线调度优化的基本前提

📦机器人执行控制主要包含哪些功能要素。

记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

示教功能：离线编程、在线示教、间接示教；在线示教包括示教盒和导引示教两种。

联系功能：I/O接口、通信接口、网络接口、同步接口。

坐标功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、动态补偿等。

虚拟产线与区段生产优化：

3D虚拟孪生系统解决方案，集成生产报表、质量管控、设备维检、视频监控、安全防护等系统，自动监控各系统运行信息，并对潜在的或已发生的生产状况进行实时预警。
数据采集/融合：从ERP、MES、过程自动化、基础自动化、仪表等系统采集数据，采用数据分析算法，对实时数据进行集成与融合，获得反映生产计划、物料跟踪、设备状态、产品质量等结构化数据，供可视化系统使用。

数字孪生3D模型：对目标系统进行3D数字映射，以1:1比例尺寸建立3D虚拟孪生模型，包含车间布局、产线布置、设备结构、装配关系等三维空间信息。