智能制造基础理论与创新实践案例

智能制造背景下，培养具有创新实践能力的智能制造复合型人才成为新工科教育的重要目标。本书从智能制造成熟度等级模型的角度，分析了新型智能制造人才的培养需求，构建了智能制造教学工厂的概念模型、面向服务的组成域模型及全生命周期数字化资源模型；分专题讨论了智能产线、柔性生产、机器视觉、智能物流AGV、工业机械臂、复合机器人、协作机器人、数字孪生、可重构产线等核心技术，并围绕这些核心技术问题设计了一系列创新实践案例。 本书在内容安排上紧密围绕智能制造核心技术，在案例设置上贴合工业4.0 智能制造应用场景，助力解决行业创新应用；理论与实践结合，由浅入深，帮助读者建立智能制造基本概念及创新能力。另外，为了方便读者学习，本书配套的彩图可扫描封四二维码随时观看。 本书可作为自动化、智能制造等相关专业智能制造相关课程和课外创新实践竞赛的参考教材，也可面向广大工程技术人员作为智能制造系统应用的参考书目。

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第1章 智能制造内涵与发展概论 1.1 智能制造发展的历史背景 001 1.2 智能制造的基本内涵 003 1.3 智能制造核心技术 004 1.4 智能制造的特点 008 1.5 智能工厂 009 1.5.1 流程工业智能工厂 010 1.5.2 离散制造智能工厂 011 1.5.3 智能工厂与传统工厂的区别 013 1.5.4 建设智能工厂的路径方向 015 1.6 智能工厂的设计步骤 016 1.7 智能工厂信息化总体架构 017 1.7.1 ERP系统 017 1.7.2 PLM 系统 018 1.7.3 MES 018 1.7.4 WMS 019 1.8 国内外智能工厂发展现状 019 1.9 本书内容的组织及立论 025 思考题 026 第2章 智能制造背景下的新工程教育 2.1 智能制造需求下人工智能技术加速渗透 027 2.1.1 专家系统 028 2.1.2 机器学习 029 2.1.3 深度学习和知识图谱 029 2.2 智能制造背景下对人才需求的分析 030 2.2.1 人机协同方式的变化 030 2.2.2 智能制造成熟度与企业人才需求 031 2.2.3 自动化专业实验教学新挑战 032 2.3 教学模式改革 033 2.3.1 基于能力培养的教学模式 034 2.3.2 基于项目学习的教学模式 034 2.3.3 “教学做一体”CDIO工程教学模式 036 2.4 教学工厂实践培养模式 038 2.4.1 智能制造教学工厂的特征 039 2.4.2 基于教学工厂的CDIO工程教学探索 040 2.5 智能制造背景下复合型人才的培养 042 2.5.1 智能制造复合型人才的需求 042 2.5.2 “STEM+基于项目学习”培养复合型创新人才 042 2.5.3 企业数字化人才培养变革 044 思考题 045 第3章 智能制造教学工厂的设计理论 3.1 智能制造教学工厂的概念和组成域模型 046 3.1.1 智能工厂的架构模型 046 3.1.2 智能制造教学工厂的概念模型 048 3.1.3 智能制造教学工厂的组成域模型 048 3.2 教学工厂智能产线主要设备 049 3.2.1 生产流水线 049 3.2.2 物流运输设备 050 3.2.3 工业机器人 050 3.2.4 执行器 052 3.2.5 传感器 053 3.2.6 控制器 054 3.2.7 伺服系统 056 3.2.8 气动系统 057 3.3 流水线自动控制系统的设计 057 3.3.1 流水线自动控制系统的设计内容 057 3.3.2 自动化生产线中人机集成的安全问题 060 3.4 智能产线生产执行系统 061 3.4.1 MES的定义 061 3.4.2 MES的功能模块 062 3.4.3 MES在智能制造中的作用 063 3.5 柔性自动装配系统 064 3.5.1 柔性自动装配系统的工艺规划 064 3.5.2 柔性装配产品的设计准则 064 3.5.3 智能装配机器人 065 3.5.4 虚拟装配 066 思考题 067 第4章 智能玩具生产线教学工厂的设计 4.1 智能组装单元工艺分析 069 4.1.1 智能组装工艺流程 069 4.1.2 智能组装单元设备构成 070 4.2 智能组装单元控制系统设计 071 4.2.1 智能组装单元硬件设计 071 4.2.2 智能组装单元软件设计 074 4.2.3 智能组装单元控制系统网络组态 079 4.3 智能组装单元数据管理 079 4.4 基于Profinet的工业以太网的应用 081 4.5 执行器中的气动执行机构 086 4.6 教学工厂资源 088 4.6.1 实体资源 088 4.6.2 虚拟资源 089 4.6.3 面向服务的数字化资源的构建 090 4.6.4 全生命周期数字化资源的构建 090 4.7 教学工厂的运行 092 思考题 094 第5章 智能产线传感与检测桌面型实验装置 5.1 实验装置硬件设计 095 5.1.1 硬件架构设计 095 5.1.2 传感器和外设位置规划与功能区设计 096 5.1.3 检测工件设计 100 5.2 实验装置的系统设计与通信 100 5.2.1 触摸屏人机界面设计 101 5.2.2 检测对象图像特征检测界面 101 5.3 实验内容设计与应用 103 5.4 案例一:基于机器视觉的流水线模拟工件特征检测实验 105 5.4.1 检测对象各性能指标要求 105 5.4.2 静态成像系统硬件设计 105 5.4.3 基于LabVIEW 的工件特征检测流程设计 107 5.5 案例二:流水线上直插式接线端子缺陷检测实验 115 5.5.1 工件描述及缺陷定义 116 5.5.2 图像预处理 117 5.5.3 图像校正与分割 117 5.5.4 A部缺陷检测 120 5.5.5 B部缺陷检测 122 5.5.6 整体流程及结果 124 思考题 125 第6章 桌面型柔性上料实验装置 6.1 FlexiJet柔性上料实验装置系统架构 127 6.1.1 FlexiJet喷气式柔性上料机 128 6.1.2 控制系统架构 129 6.1.3 系统通信 130 6.2 控制系统软件设计 130 6.2.1 PLC控制系统软件设计 131 6.2.2 机器视觉相关软件设计 133 6.2.3 运动控制系统相关软件设计 135 6.2.4 机械臂相关程序流程 137 6.3 FlexiJet柔性上料实验装置HMI上位机设计 140 6.3.1 HMI上位机功能需求分析 140 6.3.2 HMI上位机设计 140 6.4 课程实验应用 142 6.4.1 实验课程应用案例 142 6.4.2 柔性上料系统拓展性实验探索 143 6.4.3 拓展性实验案例一:视觉算法优化 144 6.4.4 拓展性实验案例二:机械臂算法优化 148 6.4.5 拓展性实验案例三:立 视觉算法仿真和实践 149 思考题 153 第7章 AGV 与机器人协同搬运系统 7.1 协同搬运系统设计方案 154 7.1.1 硬件设计 154 7.1.2 软件设计 156 7.1.3 实验室仓储环境搭建 157 7.2 导航运动模块设计与优化 157 7.2.1 环境地图建立 157 7.2.2 AGV定位 158 7.2.3 AGV路径规划 159 7.3 机械臂抓取模块 166 7.3.1 机械臂控制 166 7.3.2 气动吸盘控制 166 7.4 机器视觉模块 167 7.4.1 准备工作 167 7.4.2 基于AR码的精准导航定位 169 7.4.3 基于AR码的物块识别抓取 171 7.4.4 物块颜色识别 171 7.5 语音识别模块 171 7.6 实验成果验证 172 7.6.1 激光雷达建图功能 172 7.6.2 AGV导航避障功能 173 7.6.3 仓储环境下货物搬运效果展示 173 7.7 小结 177 思考题 177 第8章 魔术师机械臂力控视觉抓手 8.1 项目背景介绍 178 8.2 项目方案分析 179 8.2.1 需求分析 180 8.2.2 方案优势 180 8.2.3 方案缺点 181 8.3 视觉伺服仿真技术详析 181 8.3.1 视觉伺服的原理 181 8.3.2 仿真环境 181 8.3.3 机械臂仿真模型 182 8.3.4 获取图像数据 184 8.3.5 色块识别 185 8.3.6 机械臂目标关节角 185 8.3.7 仿真结果 187 8.3.8 存在的问题与不足 187 8.4 力控视觉抓手实物 188 8.4.1 整体架构 188 8.4.2 硬件部分 188 8.4.3 软件部分 192 8.4.4 机械臂工作流程 195 8.5 近红外光谱技术破损检测实验 195 8.6 小结与展望 197 8.6.1 电路板一体化 197 8.6.2 机械结构改进 197 8.6.3 更精确的建模 198 8.6.4 场景扩展 198 思考题 198 第9章 数字孪生驱动的智能装配机械臂控制与运行监测 9.1 数字孪生基本概念 199 9.2 数字孪生驱动的机械臂建模 200 9.2.1 基于多模型融合的数字孪生构建 200 9.2.2 智能装配机械臂数字孪生仿真实现 202 9.2.3 机械臂建模基础 202 9.3 机械臂控制策略研究 204 9.3.1 虚拟仿真环境的传感反馈与驱动机构 204 9.3.2 机械臂关节角单回路控制 205 9.3.3 机械臂关节角串级控制 209 9.4 运行数据与处理 216 9.4.1 正常运行数据采集 216 9.4.2 故障运行数据生成、采集与对比 216 9.4.3 数据降采样 220 9.4.4 基于机理建模的特性构造 221 9.5 机械臂运行监测 222 9.5.1 机械臂采样数据特点 222 9.5.2 机械臂过程监测方案 223 9.5.3 机械臂过程监测结果 224 9.6 小结与展望 230 思考题 231 第10章 人机物品交接协同机器人 10.1 人机物品交接项目背景 232 10.2 本实验主要研究内容 232 10.3 技术理论综述 233 10.3.1 机器视觉 233 10.3.2 目标跟踪与检测 238 10.4 操作机器人运动规划与控制 238 10.4.1 人工势场法 238 10.4.2 导纳控制 239 10.5 人机交接系统构建与测试 240 10.5.1 实验平台 240 10.5.2 技术路线 242 10.5.3 具体实施 243 10.6 视觉功能测试与实验结果 247 10.7 进一步研究展望 249 思考题 250 第11章 多AGV 协同智慧物流仿真 11.1 背景介绍及需求分析 251 11.2 应用场景及详细设计方案 251 11.3 Petri网建模 256 11.3.1 Petri网基本概念 256 11.3.2 AGV协调控制系统模型 257 11.3.3 路径规划算法研究 258 11.4 模型对接及方案测试 264 11.4.1 仿真事件编写 265 11.4.2 整体流程及代码实现 267 11.5 运行结果及分析小结 275 11.5.1 仿真情况展示 275 11.5.2 数据情况展示 275 11.6 项目进一步改进方向 278 思考题 279 第12章 智能产线生产管控可重构实验平台 12.1 产线生产管控技术发展概述 280 12.2 面向实验教学的智能产线可重构模型需求分析 282 12.3 智能产线可重构模型的特点 284 12.4 智能制造教学工厂生产线可重构模型 288 12.4.1 可重构模型的功能层次 288 12.4.2 生产调度视角下的可重构模型 289 12.5 生产调度可重构模型实验系统 291 12.6 基于多智能体的智能产线重构模型实例 292 12.6.1 智能制造示范产线实例 292 12.6.2 生产调度场景可重构实例分析 293 12.7 生产调度算法可重构实例分析 299 12.8 基于可重构模型的调度算法推荐实例分析 304 思考题 310 参考文献 10.5.3 具体实施 243 10.6 视觉功能测试与实验结果 247 10.7 进一步研究展望 249 思考题 250 第11章 多AGV 协同智慧物流仿真 11.1 背景介绍及需求分析 251 11.2 应用场景及详细设计方案 251 11.3 Petri网建模 256 11.3.1 Petri网基本概念 256 11.3.2 AGV协调控制系统模型 257 11.3.3 路径规划算法研究 258 11.4 模型对接及方案测试 264 11.4.1 仿真事件编写 265 11.4.2 整体流程及代码实现 267 11.5 运行结果及分析小结 275 11.5.1 仿真情况展示 275 11.5.2 数据情况展示 275 11.6 项目进一步改进方向 278 思考题 279 第12章 智能产线生产管控可重构实验平台 12.1 产线生产管控技术发展概述 280 12.2 面向实验教学的智能产线可重构模型需求分析 282 12.3 智能产线可重构模型的特点 284 12.4 智能制造教学工厂生产线可重构模型 288 12.4.1 可重构模型的功能层次 288 12.4.2 生产调度视角下的可重构模型 289 12.5 生产调度可重构模型实验系统 291 12.6 基于多智能体的智能产线重构模型实例 292 12.6.1 智能制造示范产线实例 292 12.6.2 生产调度场景可重构实例分析 293 12.7 生产调度算法可重构实例分析 299 12.8 基于可重构模型的调度算法推荐实例分析 304 思考题 310 参考文献