引 言 90年代的十年已被看作是基于PC的技術(shù)迅速發(fā)展的年代。這種基于PC的硬件和軟件的迅猛增長，對制造業(yè)（從定單輸入和系統(tǒng)分析到生產(chǎn)線過程控制）有十分重要的意義。隨著Intel奔騰處理器和微軟Windows NT的出現(xiàn),現(xiàn)在，制造商已有了一種真正的開放式體系結(jié)構(gòu)，非專有的控制環(huán)境可以利用。這種環(huán)境支持（事實是促進）不同制造設(shè)備的廣泛的系統(tǒng)集成。它也使制造商能容易地開發(fā)用戶應(yīng)用程序，以支持其過程并獲得第三方在現(xiàn)成的軟件包中得到的經(jīng)驗。更為重要的是，PC硬件和軟件平臺是在工業(yè)界可接受的硬件部件和軟件常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)下建立的。采用標(biāo)準(zhǔn)的好處已被計算行業(yè)所證實。這些好處可以容易地轉(zhuǎn)移到工廠車間和控制工業(yè)。 這種開放式體系結(jié)構(gòu)環(huán)境為系統(tǒng)控制、過程監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量管理、以及以前不能做到的與其它系統(tǒng)的通信、典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)、專用性、用于制造業(yè)的計算平臺提供了一系列制造業(yè)專用的功能。基于開放式體系結(jié)構(gòu)的PC制造的主要好處是在： 通信 連通性 部件標(biāo)準(zhǔn)化和可用性 節(jié)省成本。 開放式PC控制正在為現(xiàn)有的機械系統(tǒng)（如機器人、機床和自動化系統(tǒng)）提供“即插即用”自適應(yīng)開創(chuàng)新的機遇，為改型和升級資本設(shè)備提供大市場。真正的開放式部件和通信協(xié)議的最早的例子之一是出現(xiàn)在機器人領(lǐng)域。 今日生產(chǎn)中的PC控制 “財富500家”中的一些公司已積極采取一種基于PC的制造業(yè)進取精神來實現(xiàn)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的PC技術(shù)的各種優(yōu)點?，F(xiàn)在，Saturn公司處于將PC技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)的領(lǐng)先者行列[1]。 在Saturn公司，生產(chǎn)停頓1分鐘要損失4400美元。Saturn確定，它需要最近的100，000個不同類型制造信息存取，以開發(fā)更佳的生產(chǎn)過程，使其制造系統(tǒng)不停頓地運行。只是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件，Saturn在車輛系統(tǒng)、車體系統(tǒng)和動力傳動中實現(xiàn)了一種基于PC的策略和與財務(wù)和行政管理真正集成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該公司選擇微軟Windows NT用于其安全措施、圖形用戶接口和開放式體系結(jié)構(gòu)。 在Saturn公司，基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu)，微軟Windows制造環(huán)境，已證明其對諸如動態(tài)噴漆作業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)跟蹤和質(zhì)量監(jiān)控等關(guān)鍵性任務(wù)處理的能力。該系統(tǒng)也自動地搜集90%所需要的制造數(shù)據(jù)，以便評估各種生產(chǎn)過程，并作出不斷的改進。用微軟可視圖象Basica或可視C++語言，已開發(fā)出用戶應(yīng)用程序，以捕獲生產(chǎn)和停機時間數(shù)據(jù)，并用于維護報告，檢修和試驗系統(tǒng)。該公司甚至已開發(fā)出用于遠(yuǎn)距性能監(jiān)視的各種機內(nèi)工具。 “自動化孤島” 過去20年內(nèi)，一直由基于計算機的專有技術(shù)的實施而引起的車間“自動化孤島”，由于原始設(shè)備制造商（OEM）同意采用硬件、軟件、控制、通信和操作用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議而正在消失。 機器人自動化的情況除外。專有的控制結(jié)構(gòu)將機器人的應(yīng)用程序開發(fā)局限于簡單的、可獨立應(yīng)用的任務(wù)。業(yè)已表明，從柔性自動化機器人技術(shù)中可獲得很大好處的骯臟、黑暗和危險的任務(wù)，簡直不可能以成本有效的方式開發(fā)和集成。諸如用穿弧和視覺傳感器的自適應(yīng)多次焊接，或在貼合性材料上散布粘結(jié)劑等復(fù)雜的應(yīng)用程序正在‘財富500家’公司內(nèi)開發(fā)。這些大公司在專用機器人控制器的研究和開發(fā)預(yù)算，工作人員經(jīng)驗和較長的研究開發(fā)時間等方面都是能夠承受的。但是，這種“先進的”系統(tǒng)并不應(yīng)用于生產(chǎn)。集成、安裝和維護這種試驗性的機器人工作單元的成本太高，工廠無法承受。 即使在簡單、明確的任務(wù)場合，專用機器人控制體系結(jié)構(gòu)也會單獨地增加系統(tǒng)實施成本。在大多數(shù)場合會妨礙最新開發(fā)利益的實現(xiàn)。這對我們北美市場已擁有的115,000臺機器人和每年新安裝15,000多臺機器人來說，簡直是難以接受的。 據(jù)‘財富500家’有關(guān)生產(chǎn)線上裝有50臺（或更多）機器人的制造商報告，平均來說，一臺機器人工作單元的最終實施成本是單獨的機器人和控制器報價的3～5倍。附加的成本不僅來自購置外圍設(shè)備和工具，而且也來自安裝和硬接線的集成。 這意味著，一臺價值5萬美元的機器人和控制系統(tǒng)在工作單元建立和運行時，預(yù)期要額外支出15萬到25萬美元（或更多）。這些費用還只是在“資本撥款”項目下作為一種詳細(xì)開列的項目出現(xiàn)的。此外還有不可避免的其它支出。這類支出隱藏在工程、維護、備件和培訓(xùn)等其它預(yù)算內(nèi)（或者有時全然不包括在內(nèi)）。 例如，一臺工作單元的程序編制（或重新編制）時間可以是幾星期到幾個月。操作人員培訓(xùn)時間也許需要長達(dá)8個月。備件庫存可能要占20%工作單元成本。從而影響到生產(chǎn)停頓時間。實際的價格單據(jù)可能是驚人的，而用一個新裝置替換生產(chǎn)中的一個現(xiàn)有的機器人臂的費用甚至要更多。基本的機器人軌跡、工具架，I/O及機械接口一般都不相同，需要有新的研究和新的工程。 用基于PC的控制來擴展機器人設(shè)備的壽命 自從機器人技術(shù)出現(xiàn)以來，僅在北美地區(qū)的制造設(shè)施上就已安裝了11.5萬臺以上的機器人。最初安裝的機器人大多還在工作。與機床的情況相類似（機床的使用壽命可長達(dá)幾十年），在長壽命基礎(chǔ)上，機器人正在日益證明其機械方面是可靠的，可使用的和合理的。有些報告稱，在大修前，機器人已使用了50,000小時，但是，平均每隔7年，機器人控制器就顯得陳舊了，原始設(shè)備制造商為此就要推出一種新類型控制器。 當(dāng)一家機器人制造商推出“新一代”機器人時，新控制器采用某種新的編程語言這一特色并非罕見。這種新的控制器并不與以前的控制系統(tǒng)向后兼容。這意味著，現(xiàn)有的機器人程序不能用于新系統(tǒng)，因而必須為面臨的任務(wù)重新編程，以便能在新系統(tǒng)上運行。終端用戶只有通過將新系統(tǒng)應(yīng)用于新的工作站和新的生產(chǎn)線來避免重新編程費用開銷。 這種策略在設(shè)備擴展和新安裝情況下才是行得通的。但是，直到現(xiàn)在還沒有好的策略來升級帶有新的控制器的現(xiàn)有機器人。隨著機器人/控制器群體的陳舊，這個因素正在對試圖不斷地提高其競爭能力的制造商形成相當(dāng)大的財務(wù)和生產(chǎn)率障礙，但是，只能局限于采用70年代和80年代的計算和控制技術(shù)。 機器人原始設(shè)備制造商最終的選擇是，一旦推出下一代控制器，就不再支持以前的控制器型式。其結(jié)果是，采用早先的機器人的用戶，現(xiàn)在很難找到他們所用的機器人控制器備件。某些老的機器人控制器所用的專用的印刷電路板多達(dá)50塊。由于控制器不再得到支持，因而也不再能從原始設(shè)備制造商那里獲得替換的印刷電路板。必須從轉(zhuǎn)賣商的存貨中獲得備件。有些型號的替換零件（例如辛辛那提米拉克隆公司的機器人系列用的零件）已非常稀缺。事實上，這是因為原始設(shè)備制造商已不再參與機器人業(yè)務(wù)。如果可提供某種替換零件，其價格也非常高。 在獲得備件方面存在的這種問題，在機器人行業(yè)是如此普遍，以至在利用廢棄部件可能性基礎(chǔ)上的一個老的“孤兒”控制器的價格現(xiàn)在將近2萬美元。 變動的目標(biāo) 與機床和自動化設(shè)備行業(yè)的其它部門不同，機器人行業(yè)還未采用任何計算、控制或語言標(biāo)準(zhǔn)。每個機器人制造商都提供其專有的技術(shù)，由于機器人的制造和仿制不斷變動，專有技術(shù)的實施依舊缺乏一般最低可接授的PC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)果是，機器人行業(yè)隨時可以利用PC技術(shù)。 資本投資的困境 使用機器人已有10、15或20年的制造商現(xiàn)在面臨一種很大的困境。他們已對在生產(chǎn)中機械部件依舊完好的機器人進行了大量投資。在機器人硬件、安裝、外圍設(shè)備、其它的工具和設(shè)備，以及培訓(xùn)等方面的投資，很少有希望能適應(yīng)2000年的制造業(yè)要求?？刂破鞑荒芘c車間內(nèi)或整個企業(yè)內(nèi)的其它設(shè)備通信?？刂破饕膊荒芘c同一牌號的新的機器人相連接。原始設(shè)備制造商不再要求支持這些控制器，因而也很難找到要使它們運行的備件。 PC控制策略 用一種基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu)，即插即用的解決方案來翻修過時的機器人控制器。包括PC平臺的價格/性能突破。利用微軟Windows NT的處理功能。采用一種開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。支持各種通信。簡化操作、培訓(xùn)、維護。使數(shù)據(jù)采集和分配自動化。規(guī)定并執(zhí)行各種標(biāo)準(zhǔn)。以最小的生產(chǎn)停頓時間重新布置生產(chǎn)線機器人。保留現(xiàn)有的、證明性能良好的工作單元、夾具和工具。在新的工作單元和生產(chǎn)線上重新布置庫存機器人，使以前的投資收益為最大，并使今后的資本設(shè)備支出為最小。擴充你的資本投資。 一種基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu)控制器 世界上第一臺運行于Windows NT、基于Intel奔騰處理器的真正的開放式體系結(jié)構(gòu)機器人控制器是在1997年7月，由‘機器人工作空間技術(shù)’（RWT）公司推出的。1998年12月，RWT推出第二代URC控制器。 通用機器人控制器（URC）代表了工廠自動化和機器運動控制的一種重要的技術(shù)突破。它是專門為即插即用翻修現(xiàn)有的機器人而設(shè)計的，以便簡單和成本有效地實施運動控制技術(shù)現(xiàn)代化。由于受到專用硬件、有限的任選件和單個資源供應(yīng)商等因素限制，URC的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出今日新的原始設(shè)備供應(yīng)商所能提供的控制器性能水平。 這種基于開放式體系結(jié)構(gòu)PC的控制的主要好處是以下幾方面： 通信 連通性 部件 成本。 第二代URC概述 URC系統(tǒng)用的所有硬件和軟件都是市場上可以得到的、標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成部件。完全地集成到一個真正的開放式體系結(jié)構(gòu)平臺內(nèi)。 URC的特點是采用Intel奔騰處理器，一個觸摸屏用戶接口和一個簡化的操作員示教盒。后者最大限度地利用微軟Windows軟件的特點。與傳統(tǒng)的機器人控制器相比，包含有機器人的所有機電接口系統(tǒng)的功率模塊是一個非常小的盒子。它可以放置在工作單元中的機器人附近。裝有PC、機器人邏輯線路、觸摸屏和鍵盤的URC，作為操作員接口可以安裝在工作單元內(nèi)或外、任何可接近的地方。新的體系結(jié)構(gòu)提供分布式控制，而且甚至可以提供PLC邏輯的功能度。 URC的最新技術(shù)水平的功能包括：內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)、與現(xiàn)有自動化系統(tǒng)的連接，以及監(jiān)視和報告用的遠(yuǎn)距連通性。微軟Windows NT使用戶能用戶化用戶接口。用諸如微軟的可視圖象Basic或C++語言，能方便地開發(fā)用戶應(yīng)用程序，以便自動地進行數(shù)據(jù)采集和運行分布式例行程序。URC也將運行任何第三方基于PC的軟件，以支持（例如）ISO 9000，以及其它制造業(yè)倡議。 URC配置提供的一些優(yōu)點是：URC可以方便地與多功率模塊和其它控制系統(tǒng)相集成，以支持一種分布式控制體系結(jié)構(gòu)。事實上，URC可以在布置工作單元之前安裝，以便易于實行企業(yè)范圍系統(tǒng)的集成。URC也可用作一種培訓(xùn)用的控制臺，這種配置對最終用戶意味著成本的大量節(jié)省。這是因為，它的軌跡功率塊減少，減少生產(chǎn)車間的不動產(chǎn)。URC也節(jié)省系統(tǒng)集成、培訓(xùn)和備件庫存的成本。 標(biāo)準(zhǔn)編程語言 Robot ScriptTM用于任何采用URC的機器人的程序編制。它基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微軟可視圖象Basic語言，但是對它作了機器人控制方面的擴充。Robot Script支持所有控制結(jié)構(gòu)和變量類型，使用能建立數(shù)據(jù)處理、I/O操作和機器人控制用的復(fù)雜的應(yīng)用程序。運動規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理和伺服控制都嵌入在簡單、直觀的英語命令內(nèi)。運動控制系統(tǒng)支持大范圍操作機配置用的關(guān)節(jié)、直線、工具和圓弧運動方式，坐標(biāo)系、絕對和相對位置、工具、以及連續(xù)和點對點運動。 機器人系統(tǒng)的柔性來自其編程能力。實際上，所有的機器人都是用某些類型的機器人編程語言編程的。這些編程語言用來命令機器人移動到規(guī)定位置、輸出信號，以及讀取輸入。目前還不存在機器人語言標(biāo)準(zhǔn)，因而每個機器人制造商都在各自開發(fā)自己的機器人語言，每種語言都有其自己的語法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種趨勢注定還要繼續(xù)下去。 機器人編程語言障礙 很多因素促使用戶從多家機器人制造商那里獲得機器人。其結(jié)果是，多種語言運行于控制系統(tǒng)內(nèi)。這就要求機器人編程員精通多種編程語言，或要求編程員精通某些編程語言。這種多樣性導(dǎo)致要求有一種能用于任何類型機器人的公用語言。采用微軟Windows NT能在軟件設(shè)計中達(dá)到很大的靈活性，而更為重要的是，能利用早已存在的數(shù)千個軟件程序。這也是一種為許多人所熟悉的操作系統(tǒng)，因而所需的學(xué)習(xí)時間也較短。 微軟的可視圖象Basic語言系列包括可視圖象Basic描述版本（VB Script）.它原先是為了在因特網(wǎng)上使用而開發(fā)的，作為一種網(wǎng)頁上附加動態(tài)內(nèi)容的途徑?，F(xiàn)在，VB Script包括微軟Windows98 用作一種批文件語言，并且也將是下一版本微軟Windows NT的一部分。 所有基于可視圖象Basic語言的語法學(xué)習(xí)起來都非常簡單。所用的命令類似于英語，因此，整個程序易于跟蹤和調(diào)試。Robot Script是附加有一種專門為機器人用的命令庫的VB Script。這些命令的語義的書寫格式與固有的VB Script命令中出現(xiàn)的語法相匹配。這種命令也設(shè)計成這樣，即使不大精通機器人編程的用戶也能相對來說較容易地學(xué)會這種語言。 通過建立微軟Active X控制的語言驅(qū)動程序，Robot Script也可利用微軟Windows開放式體系結(jié)構(gòu)特性。微軟Active控制使軟件開發(fā)者能將現(xiàn)有的技術(shù)嵌入到它的產(chǎn)品內(nèi)。這使用戶能開發(fā)出一種常規(guī)的用戶接口，除了開發(fā)者附加的任何其它的特征外，它還能運行、停止和暫停機器人程序的執(zhí)行。以這種方式，Robot Script程序?qū)嶋H上可與任何其它軟件進行通信（如果有人編寫一種程序，以便在Robot Script和這種軟件之間進行聯(lián)系的話）。 Robot Script 是一種通用機器人編程語言。一旦機器人編程員學(xué)會了Robot Script，他（或她）就可編寫出與通用機器人控制器相連接的任何機器人程序。為一臺機器人生成的程序可用于不同的機器人（假定所有的示教點都位于這二臺機器人的有效工作范圍內(nèi)）。 基于PC的機器人控制的現(xiàn)實世界例子 最近，機器人工作空間技術(shù)公司（RWT）完成了一種創(chuàng)新的機器人示范項目，將Cognex checkpoint 900視覺系統(tǒng)與‘通用機器人控制器’相集成，為一家第一流的汽車行業(yè)供應(yīng)商的生產(chǎn)零件完成在線檢驗。 本架上沖出各種不同尺寸的圓孔和槽孔。經(jīng)過這些孔，用螺釘與車體零件相連接；經(jīng)過這些孔引出各種導(dǎo)線和電纜。沖孔過程是利用硬自動化完成的。有時，由于刀具斷裂或磨損，沖出的孔不完整，或是由于夾具有問題，沖出的孔位置不對。有時，由于刀具磨損，孔的尺寸超出公差范圍。象大多數(shù)汽車供應(yīng)商那樣，這家第一流的汽車零件經(jīng)銷商承擔(dān)零缺陷零件。除了改變工藝外，保證零缺陷的其它方法是工件的在線檢驗。 為了達(dá)到系統(tǒng)的最大柔性，視頻攝像機和燈架都直接安裝在機器人臂端部處的工具架上。機器人臂在車架長度范圍內(nèi)移動視頻攝象機，并掃描車架上的孔。同時，視覺軟件計算編程孔的存在、孔的尺寸和位置。 操作者可對測量技術(shù)規(guī)范進行調(diào)整，以保證關(guān)鍵性的孔位于規(guī)定的公差內(nèi)，并避免剔除偏離的非關(guān)鍵孔的零件。在實際應(yīng)用過程中，二秒鐘一次循環(huán)，可檢驗19個孔。 這一示范項目也證實了另外的制造方案：通過“大腦移植”，有效地使已在使用的機器人獲得現(xiàn)代先進水平的技術(shù)，用基于PC的通用機器人控制器升級已使用的機器人的重新布置的可行性。在這家第一流的汽車零件供應(yīng)商那里，在某種型號機器人的生產(chǎn)運行結(jié)束時，這些機器人按常規(guī)退役?，F(xiàn)在，則可以最小的資本支出，在諸如在線檢驗等上游過程中，重新布置這些機器人。該示范項目采用已用了15年的一臺ABB IRB-6型機器人，用‘通用機器人控制器’對它進行改裝。實施這個示范項目的這家第一流的汽車零件供應(yīng)商的工廠內(nèi)裝有數(shù)百臺機器人。在另一家第一流的汽車零件供應(yīng)商那里，在“即插即用”基礎(chǔ)上，用‘通用機器人控制器’對一臺Fanuc S-300型機器人進行改裝。在這個生產(chǎn)工作單元內(nèi)，機器人用于汽車座椅架沖孔時的上、下料。URC改裝工作不僅包括Fanac S-300機器人的“大腦移植”，而且也包括與沖床和其它外圍設(shè)備的集成。整個改裝工作包括重新編程在內(nèi)，在不到二天內(nèi)就完成了。 結(jié)論 過去25年內(nèi)，制造商為開發(fā)和實施新技術(shù)和新工藝作出了很大努力，以改善工藝過程；提高生產(chǎn)量；提供更多各種類型的產(chǎn)品，并使這些產(chǎn)品以更短的生產(chǎn)周期投入市場；提高質(zhì)量并降低成本。更快、更好、更便宜。一般說來，工業(yè)界在這些方面的努力已取得了顯著的成功。 然而，從產(chǎn)品中節(jié)省成本也許不再是降低成本的一個可行的方法。從工藝過程中節(jié)省成本也不是好辦法。事實上，改善企業(yè)年終結(jié)算時的損益數(shù)字才是明智之舉。要多注意資本投資和可利用的控制平臺有用壽命的延長?；赑C的開放式體系結(jié)構(gòu)控制器也許掌握了重要的關(guān)鍵，以贏得下一世紀(jì)的競爭優(yōu)勢。 這種關(guān)鍵將是簡單化和標(biāo)準(zhǔn)化?；赑C的控制平臺具有所有的“合適的素質(zhì)”，能協(xié)助制造商在21世紀(jì)中達(dá)到其競爭目標(biāo)。