自动化制造系统的人机一体化设计

自动化制造系统的人机一体化设计

摘要：为了使制造系统达到效率最大化、经济最优化，我们发展适度的自动化制造系统，具体研究了自动化制造系统的人机一体化设计。该系统是在三个层面上实现一体化，即感知和信息交互层面、控制层面和执行层面，这三个层面有机的结合，就构成了人机一体化制造系统的总体结构。在设计过程中，我们解决人机一体化的运行机制以及相关安全预防，即可实现最优化的自动化制造系统。 关键词：自动化制造系统，人机一体化，感知，控制，执行，人机一体化运行机制，预防

Abstract:In order to make munufacture systems efficiency and economically,we develop automamation of manufacture systems within measure.And detailed study man-machine all-in-one. The system is at three levels on the integration of Interaction sensing and information level, control level and implementation level. Under their combination appropriately, they constitute a man-machine integration of the overall structure of manufacturing systems . In the design process, we address the human-machine integration of the operating mechanism and the relevant safety precautions, you can optimize the implementation of automated manufacturing systems.

Key word: Automation of manufacture systems, man-machine all-in-one, Sensing, control, implementation, integration human-computer operating mechanism, prevention

1. 引言

自动化制造系统，尤其是柔性自动化制造系统的出现和大量使用，导致使用者与制造系统之间的关系发生了根本的变化。早期许多自动化制造系统的设计者片面追求系统的自动化和无人化，反而降低了系统运行的可靠性和经济性，最终导致系统的运行失败。

沉痛的训迫使人们重新认识人在自动化制造系统中的重要地位和使用，而且提出发展适度自动化的制造系统——人机一体化的制造系统的概念。近年来随着全球制造业的快速发展和向中国的转移，我国制造业迎来难得的发展机遇。然而如何根据中国国情，快速发展人机一体化的制造系统，是摆在我们面前的一个新课题。

2. 自动化制造系统的人机一体化的概述

自从有了制造系统，就有了人与制造系统的关系，无论制造系统的自动化程度如何，它终究是一种生产工具，而掌握生产工具的是人而不是机器。因此，任何制造系统必定是一个人机一体化的系统。为此，我们给出了人机一体化制造系统如下定义：“所谓人机一体化制造系统，就是人与具有适度自动化水平的制造装备和控制系统共同组成的一个完善系统，各自执行自己最擅长的工作，人与机器（制造装备）共同决策、共同作业，从而突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局，形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统。”在此处，主要强调人在制造系统中的重要地位，人机功能的最优匹配，以实现制造系统经济高效、安全可靠的运行，使整个制造系统取得最优的社会经济效益。

3.自动化制造系统的人机一体化总体结构

3.1 感知层面上的人机联合作用

人机一体化制造系统感知层面人的五官感知系统和机器的信息显示系统共同组成，一方面由人感知外界对系统的输入信息，如被加工零件的工艺文件、毛坯信息、作业计划指令和机床参数等，另一方面由机器通过传感器感知制造系统内外部的物理信息，如机床工作状态、排屑状态、加工精度、环境温度、照明、在制品暂存等，并由数据转换系统把这些信息转化为人能感知的形式，由显示形式传达给人，达到信息交互的目的，用于人机间信息交互的载体有文字、数码、图形、语音、声光信号等。

人机感知的联合作用体现在：自动化制造系统中机器系统可精确感知系统输入信息，环境信息，人及机器本身的定量信息，并可通过拓宽感知范围感知人类不能感知的信息（如微波、红外、超声波等）；而人类则利用自身创造性思维与模糊综合判断决策能力的优势，

对机器感知和决策出来的信息作一次综合感知，正确识别、判断自动化制造系统所需要的正确输入信息与反馈信息。（人类感知与机器感知的比较：表1）

因此，通过人机联合感知多维综合信息，充分利用计算机视野广阔、定量感知精确，人对复杂现象模糊定性感知和创造性思维、预判能力强的特点，提高自动化制造系统信息感制的全面性、可靠性和准确性，为系统智能定量控制提供支持，从而提高整体系统的可控性，改善系统的综合性能。

3.2 控制层面上采用人机共同决策

在制造系统中，人主要从事形象思维，灵感思维等创造性思维活动，人的中枢神经系统通过对人、机、环境所感知信息的综合处理、判断和决策，向人的肢体运动系统下达执行指令或向机器智能决策系统提供必要信息；机器的智能决策系统根据机器对人、机、环境感知的综合信息进行复杂数据的快速计算和严密的逻辑推理，向人显示运算结果，等候人的进一步指令；或在特殊情况下自动做出必要决策，驱动控制系统或执行系统去执行必要的操作任务。（人类思维和机器思维的比较：表2）自动化制造系统能根据加工任务信息进行制造过程的动态仿真，并将加工仿真结果显示给人，由人判断该加工方法是否能达到加工要求，若能达到，则可按此方法加工直至达到要求为止这一过程就充分体现了人机联合决策控制制造系统工作的执行效果。

控制层面上的人机联合控制有三种控制策略如下：

第一种为“机主人辅”控制策略。人在信息综合分析、定性问题处理、模糊控制以及灵巧动作的执行等方面有远远高于机器的能力。所以，制造系统在处理较复杂的加工活动时，特别是有机器处理非结构化、非线性化、模糊性及随机性强的事件时，往往都要得到人的帮助。另外，在有些情况下，让机器完成复杂控制活动需付出巨大代价，这是“机主人辅”的控制策略就起着减少这种代价的作用。

第二种为“人主机辅”控制策略。即由机器的智能决策系统来辅助人进行控制，机器完成人类感知范围以外的信息处理，大规模数据定量处理及严密的快速逻辑推理等工作。如工艺仿真系统，将辅助人完成被加工零件的工艺方案的可视化、动态工程显示和工艺方案的优化。

第三种为“人机耦合”控制策略。在人机联合控制的系统中，由于这样或那样的原因，人或机器的单独决策都可能出现失误，因此，人机耦合控制，可在人或机器出现失误时，系统自动切换到另一种控制方式，两者有机配合，从而保证系统的稳定性和可靠性。如客运飞机的有人驾驶和无人自动驾驶系统的配合就属于这种情况。 3.3 执行层面上人机交互协作、取长补短、充分发挥各自优势

人在制造系统种主要从事灵巧性、协调性、创造性强的操作活动（如发出指令、操作控制台、编写加工程序、机器系统监测、维修以及意外时间的应急处理等），而机器系统则主要完成功率大、定位精度高、动作频率高或一些超出人能力范围的操作活动，如数控机床的操作。但是，人在系统中应该始终处于主导地位，应当充分发挥人在系统中的主导作用。

表1 人类感知与机器感知的比较 优点 人类感知 多样性（视、听、嗅??） 多维性（空间、多义性??） 自适应性 综合性 感知与思维的一致性 感知与执行的一致性 本能（或特殊）感知的能力 机器感知 单一参数的灵敏性 对环境的高度承受能力 性能的一致性 分布方式的任意性 准确性 快速性 缺点 生理的局限性 环境承受的局限性 个体间的差异性 分布方式的自然局限性 心理因素的影响 自然老化 不准确性和模糊性 人类控制 具有创造力，有决策力 有自主力，有主动性 记忆空间中的快速检索功能 多种媒介方式获取信息 处理问题的柔性（应变能力） 抽象思维能力强 丰富的形象思维能力 语言能力强 有责任心、道德观、法制观 自学能力强 体能的局限性 信息存储的局限性 心理因素的存在 对生存环境的高要求 信息交互的单向性 拥有知识的局限性 决策得不严密性 思维存在盲点 记忆存在时效性和不可靠性 个体间的差异性 人类执行能力 灵巧性、协调性 自适应性 自我保护能力 执行与思维的一致性 执行与感知的一致性 本能执行能力 易实现多种执行方式的综合 执行的多样性 能力的自然局限性 环境的生理局限性 个体间的差异性 低精度 心理因素的影响 感知的单一性 多维性的局限性 综合感知实现的复杂性 自适应能力弱 特殊感知无法实现 与思维的不一致性 与执行得不一致性 机器控制 存储能力的无限性 知识获取的多元性 交互的平行能力 多媒体技术所带来的能力 处理问题的严密性 记忆的永久性、不变性 决策的逻辑性 无心理、生理因素的影响 处理问题快速性 有限的自学习功能 被动性 自主力的局限性 无创造性 不能或很难具备语言能力 应变能力差 无形象思维能力 无灵感思维能力 智能实现的高代价 无责任心 无道德观、无法制观 机器执行能力 能力的可扩展性 环境极限的可拓展性 高精度、可靠性 执行点分布的随意性 优秀的动力学特性 优秀的运动学特性 执行的一致性 无心里局限性 执行的单调性 功能合成的复杂性 无自我保护能力 与思维的不一致性 与感知的不一致性 表2 人类思维和机器思维的比较

优点 缺点 表3 人与机器执行能力的比较

优点 缺点 自然老化 执行的不一致性 应变能力差 4. 自动化制造系统的人机一体化运行与维护 4.1 自动化制造系统的人机一体化运行机制

在人机一体化制造系统中，特别强调人在系统中的主导作用，以及人与机器系统的有机配合，通过人机界面的设计，协调一致地工作。因此，自动化制造系统的运行机制是人体一体化的集成模式。以FMS为例其运行机制特点体现在：切削加工、生产调度、工件及刀具贮运、换刀、托盘交换、排屑等工作都由加工中心、机械手、托盘贮运装置、计算机控制系统等完成，人负责对系统进行监控管理、意外事故处理、维修、工件及刀具进出站装卸、预调及安全巡视等工作。整个FMS的运行处在人的监控状态下进行。因此，在自动化制造系统的运行过程中，人的监控能力是设计自动化制造系统时必须考虑的重要因素。所谓人的监控能力，是指一个人通过计算机能监控多少台加工中心和物流设备。一个经典的人机一体化FMS运行模式如图1所示。

人 机器人 刀具预调仪 人 系统控制 管理计算机 指令 数字控制数据 监控计算机 人 机床控制器 MC MC MC MHS 工件装卸 人 ATC MC——加工中心 MHS——自动工件存放和运送系统 ATC——自动刀具存放系统和更换装置 图1 人机一体化FMS运行模式

4.2 自动化制造系统中的作业安全要求

自动化制造系统的安全性可采用以下措施来保障：①系统管理软件中应有安全防护的控制部分；②采用电子、电气和机械装置连锁防护；③在机器人、自动装夹设备、自动更换工件和道具设备的工作区外，设置安全防护围栏，钢丝罩等；④机器人和其它自动运送设备的控制系统中，应设计有安全互锁装置，防止停机检修时的意外启动和运转；⑤在有危险的设备和运动部件上⑥安全培训，对作业员工进行安全作业的技术教育和防护措施培训，使他

们严格按照安全规程作业。

4.3 自动化制造系统中的疲劳及事故预防 4.3.1 监控作业中的疲劳预防

在自动化制造系统中，随着自动化程度的不断提高，人的作业变得单调、乏味、监控任务减少。单调作业和低负荷，使人的监控警觉性降低，产生信号脱漏，并导致脑力疲劳产生。处于这种状态的人，在自动化制造系统的监控活动中，极易出现操作错误或失误，甚至引起严重事故。可采取以下措施来避免：①使操作内容相当复杂化；②定期变化工作内容或作业岗位；③良好的作业环境。 4.3.2 系统中的事故预防

（一）事故的物理条件因素：1.作业者与机器功能分配不适当；2.工具、作业场所等设计失误；3.缺少必要的安全装置与防护装置；4.物理环境对人造成的生理和心理压力。

（二）事故的人为因素：1.一方面是人的主观行为因素2.另一方面是人的生理与心里客观因素。

（三）导致事故的人的行为因素：1.训练和技巧，训练的标准不安全；2.记忆疏忽，全部忘记或记忆错误导致操作无效。

（四）导致事故的人的生理与心理因素：1.性格；2.生理和生物节律；3.作业疲劳。

5.结论

在新的时代来临之际，人机一体化这一模式强调人与机器系统的最佳匹配，充分发挥人在制造系统中的控制和管理作用，并考虑制造系统与社会、经济环境和人力资源等更大范围的匹配，使自动化制造系统的运行取得最佳的综合效益。

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