引 言 90年代的十年已被看作是基于PC的技術迅速發展的年代。這種基于PC的硬件和軟件的迅猛增長，對制造業（從定單輸入和系統分析到生產線過程控制）有十分重要的意義。隨著Intel奔騰處理器和微軟Windows NT的出現,現在，制造商已有了一種真正的開放式體系結構，非專有的控制環境可以利用。這種環境支持（事實是促進）不同制造設備的廣泛的系統集成。它也使制造商能容易地開發用戶應用程序，以支持其過程并獲得第三方在現成的軟件包中得到的經驗。更為重要的是，PC硬件和軟件平臺是在工業界可接受的硬件部件和軟件常規標準下建立的。采用標準的好處已被計算行業所證實。這些好處可以容易地轉移到工廠車間和控制工業。 這種開放式體系結構環境為系統控制、過程監視和數據采集、質量管理、以及以前不能做到的與其它系統的通信、典型的閉環結構、專用性、用于制造業的計算平臺提供了一系列制造業專用的功能。基于開放式體系結構的PC制造的主要好處是在： ＊通信 ＊連通性 ＊部件標準化和可用性 ＊節省成本。 開放式PC控制正在為現有的機械系統（如機器人、機床和自動化系統）提供“即插即用”自適應開創新的機遇，為改型和升級資本設備提供大市場。真正的開放式部件和通信協議的最早的例子之一是出現在機器人領域。 今日生產中的PC控制 “財富500家”中的一些公司已積極采取一種基于PC的制造業進取精神來實現生產領域內的PC技術的各種優點。現在，Saturn公司處于將PC技術應用于制造業的領先者行列[1]。 在Saturn公司，生產停頓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，以開發更佳的生產過程，使其制造系統不停頓地運行。只是采用工業標準的硬件和軟件，Saturn在車輛系統、車體系統和動力傳動中實現了一種基于PC的策略和與財務和行政管理真正集成的生產系統。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構。 在Saturn公司，基于PC的開放式體系結構，微軟Windows制造環境，已證明其對諸如動態噴漆作業調度、生產跟蹤和質量監控等關鍵性任務處理的能力。該系統也自動地搜集90%所需要的制造數據，以便評估各種生產過程，并作出不斷的改進。用微軟可視圖象Basicâ或可視C++語言，已開發出用戶應用程序，以捕獲生產和停機時間數據，并用于維護報告，檢修和試驗系統。該公司甚至已開發出用于遠距性能監視的各種機內工具。 “自動化孤島” 過去20年內，一直由基于計算機的專有技術的實施而引起的車間“自動化孤島”，由于原始設備制造商（OEM）同意采用硬件、軟件、控制、通信和操作用的工業標準協議而正在消失。 機器人自動化的情況除外。專有的控制結構將機器人的應用程序開發局限于簡單的、可獨立應用的任務。業已表明，從柔性自動化機器人技術中可獲得很大好處的骯臟、黑暗和危險的任務，簡直不可能以成本有效的方式開發和集成。諸如用穿弧和視覺傳感器的自適應多次焊接，或在貼合性材料上散布粘結劑等復雜的應用程序正在‘財富500家’公司內開發。這些大公司在專用機器人控制器的研究和開發預算，工作人員經驗和較長的研究開發時間等方面都是能夠承受的。但是，這種“先進的”系統并不應用于生產。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、明確的任務場合，專用機器人控制體系結構也會單獨地增加系統實施成本。在大多數場合會妨礙最新開發利益的實現。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‘財富500家’有關生產線上裝有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在工作單元建立和運行時，預期要額外支出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開列的項目出現的。此外還有不可避免的其它支出。這類支出隱藏在工程、維護、備件和培訓等其它預算內（或者有時全然不包括在內）。 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。操作人員培訓時間也許需要長達8個月。備件庫存可能要占20%工作單元成本。從而影響到生產停頓時間。實際的價格單據可能是驚人的，而用一個新裝置替換生產中的一個現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備的壽命 自從機器人技術出現以來，僅在北美地區的制造設施上就已安裝了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幾十年），在長壽命基礎上，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，原始設備制造商為此就要推出一種新類型控制器。 當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向后兼容。這意味著，現有的機器人程序不能用于新系統，因而必須為面臨的任務重新編程，以便能在新系統上運行。終端用戶只有通過將新系統應用于新的工作站和新的生產線來避免重新編程費用開銷。 這種策略在設備擴展和新安裝情況下才是行得通的。但是，直到現在還沒有好的策略來升級帶有新的控制器的現有機器人。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大的財務和生產率障礙，但是，只能局限于采用70年代和80年代的計算和控制技術。 機器人原始設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。其結果是，采用早先的機器人的用戶，現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50塊。由于控制器不再得到支持，因而也不再能從原始設備制造商那里獲得替換的印刷電路板。必須從轉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，這是因為原始設備制造商已不再參與機器人業務。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，在機器人行業是如此普遍，以至在利用廢棄部件可能性基礎上的一個老的“孤兒”控制器的價格現在將近2萬美元。 變動的目標 與機床和自動化設備行業的其它部門不同，機器人行業還未采用任何計算、控制或語言標準。每個機器人制造商都提供其專有的技術，由于機器人的制造和仿制不斷變動，專有技術的實施依舊缺乏一般最低可接授的PC工業標準。其結果是，機器人行業隨時可以利用PC技術。 資本投資的困境 使用機器人已有10、15或20年的制造商現在面臨一種很大的困境。他們已對在生產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、外圍設備、其它的工具和設備，以及培訓等方面的投資，很少有希望能適應2000年的制造業要求。控制器不能與車間內或整個企業內的其它設備通信。控制器也不能與同一牌號的新的機器人相連接。原始設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的開放式體系結構，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。采用一種開放系統體系結構。支持各種通信。簡化操作、培訓、維護。使數據采集和分配自動化。規定并執行各種標準。以最小的生產停頓時間重新布置生產線機器人。保留現有的、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的開放式體系結構控制器 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構機器人控制器是在1997年7月，由‘機器人工作空間技術’（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突破。它是專門為即插即用翻修現有的機器人而設計的，以便簡單和成本有效地實施運動控制技術現代化。由于受到專用硬件、有限的任選件和單個資源供應商等因素限制，URC的性能遠遠超出今日新的原始設備供應商所能提供的控制器性能水平。 這種基于開放式體系結構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系統用的所有硬件和軟件都是市場上可以得到的、標準的現成部件。完全地集成到一個真正的開放式體系結構平臺內。 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。與傳統的機器人控制器相比，包含有機器人的所有機電接口系統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或外、任何可接近的地方。新的體系結構提供分布式控制，而且甚至可以提供PLC邏輯的功能度。 URC的最新技術水平的功能包括：內部聯網、與現有自動化系統的連接，以及監視和報告用的遠距連通性。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，能方便地開發用戶應用程序，以便自動地進行數據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，以及其它制造業倡議。 URC配置提供的一些優點是：URC可以方便地與多功率模塊和其它控制系統相集成，以支持一種分布式控制體系結構。事實上，URC可以在布置工作單元之前安裝，以便易于實行企業范圍系統的集成。URC也可用作一種培訓用的控制臺，這種配置對最終用戶意味著成本的大量節省。這是因為，它的軌跡功率塊減少，減少生產車間的不動產。URC也節省系統集成、培訓和備件庫存的成本。 標準編程語言 Robot ScriptTM用于任何采用URC的機器人的程序編制。它基于工業標準微軟可視圖象Basic語言，但是對它作了機器人控制方面的擴充。Robot Script支持所有控制結構和變量類型，使用能建立數據處理、I/O操作和機器人控制用的復雜的應用程序。運動規劃、數據處理和伺服控制都嵌入在簡單、直觀的英語命令內。運動控制系統支持大范圍操作機配置用的關節、直線、工具和圓弧運動方式，坐標系、絕對和相對位置、工具、以及連續和點對點運動。 機器人系統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準，因而每個機器人制造商都在各自開發自己的機器人語言，每種語言都有其自己的語法和數據結構。這種趨勢注定還要繼續下去。 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。其結果是，多種語言運行于控制系統內。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能在軟件設計中達到很大的靈活性，而更為重要的是，能利用早已存在的數千個軟件程序。這也是一種為許多人所熟悉的操作系統，因而所需的學習時間也較短。 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上使用而開發的，作為一種網頁上附加動態內容的途徑。現在，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語言的語法學習起來都非常簡單。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命令中出現的語法相匹配。這種命令也設計成這樣，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會這種語言。 通過建立微軟Active X控制的語言驅動程序，Robot Script也可利用微軟Windows開放式體系結構特性。微軟Active控制使軟件開發者能將現有的技術嵌入到它的產品內。這使用戶能開發出一種常規的用戶接口，除了開發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行。以這種方式，Robot Script程序實際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）。 基于PC的機器人控制的現實世界例子 最近，機器人工作空間技術公司（RWT）完成了一種創新的機器人示范項目，將Cognex checkpoint 900視覺系統與‘通用機器人控制器’相集成，為一家第一流的汽車行業供應商的生產零件完成在線檢驗。 本架上沖出各種不同尺寸的圓孔和槽孔。經過這些孔，用螺釘與車體零件相連接；經過這些孔引出各種導線和電纜。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。象大多數汽車供應商那樣，這家第一流的汽車零件經銷商承擔零缺陷零件。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。 為了達到系統的最大柔性，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規范進行調整，以保證關鍵性的孔位于規定的公差內，并避免剔除偏離的非關鍵孔的零件。在實際應用過程中，二秒鐘一次循環，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代先進水平的技術，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商那里，在某種型號機器人的生產運行結束時，這些機器人按常規退役。現在，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商的工廠內裝有數百臺機器人。在另一家第一流的汽車零件供應商那里，在“即插即用”基礎上，用‘通用機器人控制器’對一臺Fanuc S-300型機器人進行改裝。在這個生產工作單元內，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備的集成。整個改裝工作包括重新編程在內，在不到二天內就完成了。 結論 過去25年內，制造商為開發和實施新技術和新工藝作出了很大努力，以改善工藝過程；提高生產量；提供更多各種類型的產品，并使這些產品以更短的生產周期投入市場；提高質量并降低成本。更快、更好、更便宜。一般說來，工業界在這些方面的努力已取得了顯著的成功。 然而，從產品中節省成本也許不再是降低成本的一個可行的方法。從工藝過程中節省成本也不是好辦法。事實上，改善企業年終結算時的損益數字才是明智之舉。要多注意資本投資和可利用的控制平臺有用壽命的延長。基于PC的開放式體系結構控制器也許掌握了重要的關鍵，以贏得下一世紀的競爭優勢。 這種關鍵將是簡單化和標準化。基于PC的控制平臺具有所有的“合適的素質”，能協助制造商在21世紀中達到其競爭目標。