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工業 4.0與工業計量的未來
來源:廣東斐克 | 作者:gdphic | 發布時間: 2016-04-05 | 837 次瀏覽 | 分享到:
1. 介紹:工業4.0與信息物理融合係統

       工業4.0為德國政府對於工業生產未來發展所發起的倡議,該術語通常理解為製造產業、信息技術及所有與之相關活動的融合。
       麵向工業生產的“工業4.0”概念亦稱為“信息物理融合概念”,依據VDI/VDE協會7.20及7.21(德國工程師協會“自動化應用領域”之技術部分)的定義,信息物理融合係統 (CPS) 通過開放實時的互聯互通信息網絡關聯了信息處理(虛擬)對象過程與現實(物理)對象過程。
       信息物理融合生產係統 (CPPS) 是一種特用於生產的信息物理係統CPS (圖1)

圖1 信息物理融合生產係統


2. 工業計量路線圖

      工業計量的趨勢與挑戰迎合了路線圖中工業製造趨勢關鍵詞快速、精確、可靠(安全)與靈活。與此同時,全麵的技術例如CT及三維光學法越趨重要,參見以下相關描述(圖 2)。

圖2  VDI工業計量2020路線圖的要求及趨勢 (2015年更新版)

以下結合相關例證闡述路線圖所涉及的關鍵詞:

2.1 快速
      首先,測量速度指的是計量方案的應用及發展可實現產品質量信息的更快獲取,例如對於某類應用領域,光學測量技術扮演著非常重要的角色。
      其次,將測量緊湊地集成於生產過程,特別是通過自動化方式,將實現測量數據的更快傳遞及更高效的測量數據使用。該方法將縮減甚至於消除產品運輸到測量設備的時間。再者,測量信息可直接用於生產及閉環控製, 實現信息的高效率自動傳遞,此類製造數字化的發展及收益亦是工業4.0的主題之一。
      圖3 展示了兩種方案的融合:生產線集成融合多功能圖像處理及多線激光三角光學傳感器的機器人實現車身在線檢測。


圖3 於生產線集成基於機器人的光學多功能傳感器實現快速測量


2.2 精確
        測量精度要求伴隨著產業苛刻的質量要求不斷提升,其精度量化的相關術語依據於ISO標準中“測量不確定度”部分。工業計量不確定度技術發展體現於EURAMET(歐洲國家計量研究院協會)所發布的計量科學技術路線圖,整體計量應用領域呈現了往更低測量不確定度發展的趨勢。
       圖4 闡述了形狀計量的最新進展,當前坐標測量機(CMM)已可達到專用形狀測量儀器的性能水平,使得坐標測量機實現更高效應用成為可能。

圖4 基於某超高精度坐標測量機(PRISMO ultra/RT-AB)與常規形狀測試儀器(Formtester)的形狀量測比對

2.3 可靠
      當考慮工業產品合格評定時測量不確定度正變得更趨重要,最新發布的ISO 9001關於監控與測量方法獨立章節主要部分即涉及量測可追溯性,而這僅是說明此主題日趨重要的例證之一。
      確定測量不確定度的標準化流程正變得越發具有建設性,亦可實現基於任務的快捷修改及定製化,標準器的校準要求更專注於確定測量不確定度而非產品特性檢測。對於生產而言,簡化的流程將成產業標準,而對於產業中涉及安全因素的產品,測量不確定度的記錄更尤為重要,例如醫療器械、航空航天等著重於安全改善的實踐。另外基於蒙特卡洛法的測量不確定度評定的測量過程輔助仿真變得越發重要。與此同時,市場上已具備麵向標準器校準的形狀檢測儀器、坐標測量機及不同的測量方法,以用戶為導向的方案對於更廣泛推廣具有其必要性。
      然而,特別對於此類複合型的檢測裝備例如坐標測量機,計量設備使用者的技術能力是獲取可靠測量值的關鍵要素,自德國開始啟動一項獨立於工業製造的資質培訓課程,現已在不同的國家得以采用。(圖5)

圖 5 AUKOM (麵向工業測量技術的全球培訓標準)


 2.4 靈活
        麵向生產領域的測量方案已更趨靈活及多樣化。
        現常見具有不同測量方法的多傳感器(複合式)測量機,通過結合不同測頭傳感器的測量數值實現數據融合,有效提升了係統靈活性的同時,其多功能複合性要求  對於人員培訓不可忽視。
        圖6 為信息融合的應用案例

圖 6 結合多測頭傳感器的坐標測量機實現模具檢測的信息融合


2.5 全麵
       包括邊界投影及攝像測量等獲取產品整體外形輪廓數據的方法已得到廣泛的應用,借助於計算機斷層掃描(CT)技術更可獲取內部結構數據。現今CT技術已用於注塑或壓鑄製品的缺陷分析及尺寸量測,更重要的是,CT數據可應用於麵向注塑模具領域的高效修模。(圖 7)
       此類技術要求需基於計算機係統的數學算法評定,海量的數據對於計算機的處理能力提出新的挑戰,而工業4.0則有效推動了工業製造及工業計量數字化的發展。

圖 7 基於CT測量技術的注塑模具修正


3. 信息技術環境下的計量:通訊與標準化

       不同計量層級的接口與環境及測量技術相關聯,此類層級通過下圖配備視像傳感器的坐標測量機以說明。(圖8)
       首先通過以太網圖像傳輸接口聯接視像傳感器與坐標測量機, 並通過軟件接口DME I++ 與上層級交互作用,繼而實現測量係統交互層軟件與用戶的人機對話,與此同時,通過信息技術連接輸入數據特性信息,例如攜帶產品特性信息的產品製造信息PMI與產品外形數據(例如多種格式的CAD標準格式)、連接輸出測量結果信息(例如標準的DMIS輸出或其它的基於ASCII的格式)。

圖 8 配備視像傳感器的坐標測量機信息技術連接層(接口)
(PMI=產品與製造信息,DME I++=尺寸測量設備接口)


3. 結論
 
        現代測量技術廣泛集中采用信息技術部件, 離開信息技術包括CT等涉及坐標測量的眾多應用將無法實現。自80年代至今,網絡化及測量數據的更深入應用是科學研究主題之一,製造流程的測量數據自動反饋得以發展及實現。這些方案給出了工業4.0的答案,測量技術做為數據提供者亦可理解為工業4.0概念的接口。
       更重要的是,測量技術及信息獲取將成為工業4.0的驅動者,在信息物理融合生產係統(CPPS)中關聯“虛擬世界”與“現實世界”,同時,借助於有效的數據庫係統將更利於信息世界的流程虛擬化。
       因此,數據的有效性與處理將是工業4.0時代工業測量的中心主題,測量技術於此時代的發展必須扮演著引領角色。

圖 9 通過理論(CAD模型)與實際產品外形的量測比對闡述關聯虛擬與現實世界的計量

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