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(shí)是促進(jìn)）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(yàn)。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(jì)算行業(yè)所證實(shí)。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(jì)算平臺提供了一系列制造業(yè)專用的功能?；陂_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(jī)械系統(tǒng)（如機(jī)器人、機(jī)床和自動化系統(tǒng)）提供“即插即用”自適應(yīng)開創(chuàng)新的機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域。 今日生產(chǎn)中的PC控制 “財(cái)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(jìn)取精神來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的PC技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)?，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(yùn)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(shí)現(xiàn)了一種基于PC的策略和與財(cái)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(jìn)。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(jī)時間數(shù)據(jù)，并用于維護(hù)報(bào)告，檢修和試驗(yàn)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(jī)內(nèi)工具。 “自動化孤島” 過去20年內(nèi)，一直由基于計(jì)算機(jī)的專有技術(shù)的實(shí)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(jī)器人自動化的情況除外。專有的控制結(jié)構(gòu)將機(jī)器人的應(yīng)用程序開發(fā)局限于簡單的、可獨(dú)立應(yīng)用的任務(wù)。業(yè)已表明，從柔性自動化機(jī)器人技術(shù)中可獲得很大好處的骯臟、黑暗和危險(xiǎn)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(cái)富500家’公司內(nèi)開發(fā)。這些大公司在專用機(jī)器人控制器的研究和開發(fā)預(yù)算，工作人員經(jīng)驗(yàn)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(jìn)的”系統(tǒng)并不應(yīng)用于生產(chǎn)。集成、安裝和維護(hù)這種試驗(yàn)性的機(jī)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(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)也會單獨(dú)地增加系統(tǒng)實(shí)施成本。在大多數(shù)場合會妨礙最新開發(fā)利益的實(shí)現(xiàn)。這對我們北美市場已擁有的115,000臺機(jī)器人和每年新安裝15,000多臺機(jī)器人來說，簡直是難以接受的。 據(jù)‘財(cái)富500家’有關(guān)生產(chǎn)線上裝有50臺（或更多）機(jī)器人的制造商報(bào)告，平均來說，一臺機(jī)器人工作單元的最終實(shí)施成本是單獨(dú)的機(jī)器人和控制器報(bào)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(jī)器人和控制系統(tǒng)在工作單元建立和運(yùn)行時，預(yù)期要額外支出15萬到25萬美元（或更多）。這些費(fèi)用還只是在“資本撥款”項(xiàng)目下作為一種詳細(xì)開列的項(xiàng)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(hù)、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(shí)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(jī)器人臂的費(fèi)用甚至要更多。基本的機(jī)器人軌跡、工具架，I/O及機(jī)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(kuò)展機(jī)器人設(shè)備的壽命 自從機(jī)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(jī)器人。最初安裝的機(jī)器人大多還在工作。與機(jī)床的情況相類似（機(jī)床的使用壽命可長達(dá)幾十年），在長壽命基礎(chǔ)上，機(jī)器人正在日益證明其機(jī)械方面是可靠的，可使用的和合理的。有些報(bào)告稱，在大修前，機(jī)器人已使用了50,000小時，但是，平均每隔7年，機(jī)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(jī)器人制造商推出“新一代”機(jī)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(jī)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(yùn)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(fèi)用開銷。 這種策略在設(shè)備擴(kuò)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(jī)器人。隨著機(jī)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(cái)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(jì)算和控制技術(shù)。 機(jī)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(jī)器人的用戶，現(xiàn)在很難找到他們所用的機(jī)器人控制器備件。某些老的機(jī)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(jī)器人系列用的零件）已非常稀缺。事實(shí)上，這是因?yàn)樵荚O(shè)備制造商已不再參與機(jī)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(jī)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(jī)床和自動化設(shè)備行業(yè)的其它部門不同，機(jī)器人行業(yè)還未采用任何計(jì)算、控制或語言標(biāo)準(zhǔn)。每個機(jī)器人制造商都提供其專有的技術(shù)，由于機(jī)器人的制造和仿制不斷變動，專有技術(shù)的實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)械部件依舊完好的機(jī)器人進(jìn)行了大量投資。在機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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(hù)。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(jī)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(jī)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(kuò)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(yùn)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(jī)器人控制器是在1997年7月，由‘機(jī)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(jī)器人控制器（URC）代表了工廠自動化和機(jī)器運(yùn)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(jī)器人而設(shè)計(jì)的，以便簡單和成本有效地實(shí)施運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)。與傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器相比，包含有機(jī)器人的所有機(jī)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(jī)器人附近。裝有PC、機(jī)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(bào)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行分布式例行程序。URC也將運(yùn)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(diǎn)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(shí)上，URC可以在布置工作單元之前安裝，以便易于實(shí)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?yàn)?，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(jī)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(jī)器人控制方面的擴(kuò)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(jī)器人控制用的復(fù)雜的應(yīng)用程序。運(yùn)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(yùn)動控制系統(tǒng)支持大范圍操作機(jī)配置用的關(guān)節(jié)、直線、工具和圓弧運(yùn)動方式，坐標(biāo)系、絕對和相對位置、工具、以及連續(xù)和點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動。 機(jī)器人系統(tǒng)的柔性來自其編程能力。實(shí)際上，所有的機(jī)器人都是用某些類型的機(jī)器人編程語言編程的。這些編程語言用來命令機(jī)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(jī)器人語言標(biāo)準(zhǔn)，因而每個機(jī)器人制造商都在各自開發(fā)自己的機(jī)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(jī)器人編程語言障礙 很多因素促使用戶從多家機(jī)器人制造商那里獲得機(jī)器人。其結(jié)果是，多種語言運(yùn)行于控制系統(tǒng)內(nèi)。這就要求機(jī)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(jī)器人的公用語言。采用微軟Windows NT能在軟件設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)成這樣，即使不大精通機(jī)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(yùn)行、停止和暫停機(jī)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(jìn)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(jìn)行聯(lián)系的話）。 Robot Script 是一種通用機(jī)器人編程語言。一旦機(jī)器人編程員學(xué)會了Robot Script，他（或她）就可編寫出與通用機(jī)器人控制器相連接的任何機(jī)器人程序。為一臺機(jī)器人生成的程序可用于不同的機(jī)器人（假定所有的示教點(diǎn)都位于這二臺機(jī)器人的有效工作范圍內(nèi)）。 基于PC的機(jī)器人控制的現(xiàn)實(shí)世界例子 最近，機(jī)器人工作空間技術(shù)公司（RWT）完成了一種創(chuàng)新的機(jī)器人示范項(xiàng)目，將Cognex checkpoint 900視覺系統(tǒng)與‘通用機(jī)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(yàn)。 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(yàn)。 為了達(dá)到系統(tǒng)的最大柔性，視頻攝像機(jī)和燈架都直接安裝在機(jī)器人臂端部處的工具架上。機(jī)器人臂在車架長度范圍內(nèi)移動視頻攝象機(jī)，并掃描車架上的孔。同時，視覺軟件計(jì)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(jìn)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(shí)際應(yīng)用過程中，二秒鐘一次循環(huán)，可檢驗(yàn)19個孔。 這一示范項(xiàng)目也證實(shí)了另外的制造方案：通過“大腦移植”，有效地使已在使用的機(jī)器人獲得現(xiàn)代先進(jìn)水平的技術(shù)，用基于PC的通用機(jī)器人控制器升級已使用的機(jī)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(jī)器人的生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)束時，這些機(jī)器人按常規(guī)退役。現(xiàn)在，則可以最小的資本支出，在諸如在線檢驗(yàn)等上游過程中，重新布置這些機(jī)器人。該示范項(xiàng)目采用已用了15年的一臺ABB IRB-6型機(jī)器人，用‘通用機(jī)器人控制器’對它進(jìn)行改裝。實(shí)施這個示范項(xiàng)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(jī)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(jī)器人控制器’對一臺Fanuc S-300型機(jī)器人進(jìn)行改裝。在這個生產(chǎn)工作單元內(nèi)，機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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)。