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工業 4.0與工業計(jì)量的未來(lái)
來(lái)源:廣東斐克
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作(zuò)者:gdphic
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發布時(shí)間(jiān): 2016-04-05
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1. 介紹：工業4.0與信息物理(lǐ)融合系統
工業4.0為(wèi)德國政府對于工業生(shēng)産未來(lái)發展所發起的倡議，該術(shù)語通(tōng)常理(lǐ)解為(wèi)制(zhì)造産業、信息技(jì)術(shù)及所有(yǒu)與之相關活動的融合。
面向工業生(shēng)産的“工業4.0”概念亦稱為(wèi)“信息物理(lǐ)融合概念”，依據VDI/VDE協會(huì)7.20及7.21（德國工程師(shī)協會(huì)“自動化應用領域”之技(jì)術(shù)部分）的定義，信息物理(lǐ)融合系統 (CPS) 通(tōng)過開(kāi)放實時(shí)的互聯互通(tōng)信息網絡關聯了信息處理(lǐ)(虛拟)對象過程與現實(物理(lǐ))對象過程。
信息物理(lǐ)融合生(shēng)産系統 (CPPS) 是一種特用于生(shēng)産的信息物理(lǐ)系統CPS （圖1）
圖1 信息物理(lǐ)融合生(shēng)産系統
工業4.0為(wèi)德國政府對于工業生(shēng)産未來(lái)發展所發起的倡議，該術(shù)語通(tōng)常理(lǐ)解為(wèi)制(zhì)造産業、信息技(jì)術(shù)及所有(yǒu)與之相關活動的融合。
面向工業生(shēng)産的“工業4.0”概念亦稱為(wèi)“信息物理(lǐ)融合概念”，依據VDI/VDE協會(huì)7.20及7.21（德國工程師(shī)協會(huì)“自動化應用領域”之技(jì)術(shù)部分）的定義，信息物理(lǐ)融合系統 (CPS) 通(tōng)過開(kāi)放實時(shí)的互聯互通(tōng)信息網絡關聯了信息處理(lǐ)(虛拟)對象過程與現實(物理(lǐ))對象過程。
信息物理(lǐ)融合生(shēng)産系統 (CPPS) 是一種特用于生(shēng)産的信息物理(lǐ)系統CPS （圖1）
圖1 信息物理(lǐ)融合生(shēng)産系統
2. 工業計(jì)量路線圖
工業計(jì)量的趨勢與挑戰迎合了路線圖中工業制(zhì)造趨勢關鍵詞快速、精确、可(kě)靠（安全）與靈活。與此同時(shí)，全面的技(jì)術(shù)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(jì)量2020路線圖的要求及趨勢 (2015年更新版)
2.1 快速
首先，測量速度指的是計(jì)量方案的應用及發展可(kě)實現産品質量信息的更快獲取，例如對于某類應用領域，光學測量技(jì)術(shù)扮演着非常重要的角色。
其次，将測量緊湊地集成于生(shēng)産過程，特别是通(tōng)過自動化方式，将實現測量數(shù)據的更快傳遞及更高(gāo)效的測量數(shù)據使用。該方法将縮減甚至于消除産品運輸到測量設備的時(shí)間(jiān)。再者，測量信息可(kě)直接用于生(shēng)産及閉環控制(zhì), 實現信息的高(gāo)效率自動傳遞，此類制(zhì)造數(shù)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(shēng)産線集成融合多(duō)功能圖像處理(lǐ)及多(duō)線激光三角光學傳感器(qì)的機器(qì)人(rén)實現車(chē)身在線檢測。
圖3 于生(shēng)産線集成基于機器(qì)人(rén)的光學多(duō)功能傳感器(qì)實現快速測量
圖4 基于某超高(gāo)精度坐(zuò)标測量機（PRISMO ultra/RT-AB）與常規形狀測試儀器(qì)（Formtester）的形狀量測比對
工業計(jì)量的趨勢與挑戰迎合了路線圖中工業制(zhì)造趨勢關鍵詞快速、精确、可(kě)靠（安全）與靈活。與此同時(shí)，全面的技(jì)術(shù)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(jì)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(jì)量方案的應用及發展可(kě)實現産品質量信息的更快獲取，例如對于某類應用領域，光學測量技(jì)術(shù)扮演着非常重要的角色。
其次，将測量緊湊地集成于生(shēng)産過程，特别是通(tōng)過自動化方式，将實現測量數(shù)據的更快傳遞及更高(gāo)效的測量數(shù)據使用。該方法将縮減甚至于消除産品運輸到測量設備的時(shí)間(jiān)。再者，測量信息可(kě)直接用于生(shēng)産及閉環控制(zhì), 實現信息的高(gāo)效率自動傳遞，此類制(zhì)造數(shù)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(shēng)産線集成融合多(duō)功能圖像處理(lǐ)及多(duō)線激光三角光學傳感器(qì)的機器(qì)人(rén)實現車(chē)身在線檢測。
圖3 于生(shēng)産線集成基于機器(qì)人(rén)的光學多(duō)功能傳感器(qì)實現快速測量
2.2 精确
測量精度要求伴随着産業苛刻的質量要求不斷提升，其精度量化的相關術(shù)語依據于ISO标準中“測量不确定度”部分。工業計(jì)量不确定度技(jì)術(shù)發展體(tǐ)現于EURAMET（歐洲國家(jiā)計(jì)量研究院協會(huì)）所發布的計(jì)量科學技(jì)術(shù)路線圖，整體(tǐ)計(jì)量應用領域呈現了往更低(dī)測量不确定度發展的趨勢。
圖4 闡述了形狀計(jì)量的最新進展，當前坐(zuò)标測量機（CMM）已可(kě)達到專用形狀測量儀器(qì)的性能水(shuǐ)平，使得(de)坐(zuò)标測量機實現更高(gāo)效應用成為(wèi)可(kě)能。
測量精度要求伴随着産業苛刻的質量要求不斷提升，其精度量化的相關術(shù)語依據于ISO标準中“測量不确定度”部分。工業計(jì)量不确定度技(jì)術(shù)發展體(tǐ)現于EURAMET（歐洲國家(jiā)計(jì)量研究院協會(huì)）所發布的計(jì)量科學技(jì)術(shù)路線圖，整體(tǐ)計(jì)量應用領域呈現了往更低(dī)測量不确定度發展的趨勢。
圖4 闡述了形狀計(jì)量的最新進展，當前坐(zuò)标測量機（CMM）已可(kě)達到專用形狀測量儀器(qì)的性能水(shuǐ)平，使得(de)坐(zuò)标測量機實現更高(gāo)效應用成為(wèi)可(kě)能。
圖4 基于某超高(gāo)精度坐(zuò)标測量機（PRISMO ultra/RT-AB）與常規形狀測試儀器(qì)（Formtester）的形狀量測比對
2.3 可(kě)靠
當考慮工業産品合格評定時(shí)測量不确定度正變得(de)更趨重要，最新發布的ISO 9001關于監控與測量方法獨立章節主要部分即涉及量測可(kě)追溯性，而這僅是說明(míng)此主題日趨重要的例證之一。
确定測量不确定度的标準化流程正變得(de)越發具有(yǒu)建設性，亦可(kě)實現基于任務的快捷修改及定制(zhì)化，标準器(qì)的校(xiào)準要求更專注于确定測量不确定度而非産品特性檢測。對于生(shēng)産而言，簡化的流程将成産業标準，而對于産業中涉及安全因素的産品，測量不确定度的記錄更尤為(wèi)重要，例如醫(yī)療器(qì)械、航空(kōng)航天等着重于安全改善的實踐。另外基于蒙特卡洛法的測量不确定度評定的測量過程輔助仿真變得(de)越發重要。與此同時(shí)，市場(chǎng)上(shàng)已具備面向标準器(qì)校(xiào)準的形狀檢測儀器(qì)、坐(zuò)标測量機及不同的測量方法，以用戶為(wèi)導向的方案對于更廣泛推廣具有(yǒu)其必要性。
然而，特别對于此類複合型的檢測裝備例如坐(zuò)标測量機，計(jì)量設備使用者的技(jì)術(shù)能力是獲取可(kě)靠測量值的關鍵要素，自德國開(kāi)始啓動一項獨立于工業制(zhì)造的資質培訓課程，現已在不同的國家(jiā)得(de)以采用。（圖5）
圖 5 AUKOM （面向工業測量技(jì)術(shù)的全球培訓标準）
當考慮工業産品合格評定時(shí)測量不确定度正變得(de)更趨重要，最新發布的ISO 9001關于監控與測量方法獨立章節主要部分即涉及量測可(kě)追溯性，而這僅是說明(míng)此主題日趨重要的例證之一。
确定測量不确定度的标準化流程正變得(de)越發具有(yǒu)建設性，亦可(kě)實現基于任務的快捷修改及定制(zhì)化，标準器(qì)的校(xiào)準要求更專注于确定測量不确定度而非産品特性檢測。對于生(shēng)産而言，簡化的流程将成産業标準，而對于産業中涉及安全因素的産品，測量不确定度的記錄更尤為(wèi)重要，例如醫(yī)療器(qì)械、航空(kōng)航天等着重于安全改善的實踐。另外基于蒙特卡洛法的測量不确定度評定的測量過程輔助仿真變得(de)越發重要。與此同時(shí)，市場(chǎng)上(shàng)已具備面向标準器(qì)校(xiào)準的形狀檢測儀器(qì)、坐(zuò)标測量機及不同的測量方法，以用戶為(wèi)導向的方案對于更廣泛推廣具有(yǒu)其必要性。
然而，特别對于此類複合型的檢測裝備例如坐(zuò)标測量機，計(jì)量設備使用者的技(jì)術(shù)能力是獲取可(kě)靠測量值的關鍵要素，自德國開(kāi)始啓動一項獨立于工業制(zhì)造的資質培訓課程，現已在不同的國家(jiā)得(de)以采用。（圖5）
圖 5 AUKOM （面向工業測量技(jì)術(shù)的全球培訓标準）
2.4 靈活
面向生(shēng)産領域的測量方案已更趨靈活及多(duō)樣化。
現常見具有(yǒu)不同測量方法的多(duō)傳感器(qì)（複合式）測量機，通(tōng)過結合不同測頭傳感器(qì)的測量數(shù)值實現數(shù)據融合，有(yǒu)效提升了系統靈活性的同時(shí)，其多(duō)功能複合性要求 對于人(rén)員培訓不可(kě)忽視(shì)。
圖6 為(wèi)信息融合的應用案例
圖 6 結合多(duō)測頭傳感器(qì)的坐(zuò)标測量機實現模具檢測的信息融合
面向生(shēng)産領域的測量方案已更趨靈活及多(duō)樣化。
現常見具有(yǒu)不同測量方法的多(duō)傳感器(qì)（複合式）測量機，通(tōng)過結合不同測頭傳感器(qì)的測量數(shù)值實現數(shù)據融合，有(yǒu)效提升了系統靈活性的同時(shí)，其多(duō)功能複合性要求 對于人(rén)員培訓不可(kě)忽視(shì)。
圖6 為(wèi)信息融合的應用案例
圖 6 結合多(duō)測頭傳感器(qì)的坐(zuò)标測量機實現模具檢測的信息融合
2.5 全面
包括邊界投影(yǐng)及攝像測量等獲取産品整體(tǐ)外形輪廓數(shù)據的方法已得(de)到廣泛的應用，借助于計(jì)算(suàn)機斷層掃描（CT）技(jì)術(shù)更可(kě)獲取內(nèi)部結構數(shù)據。現今CT技(jì)術(shù)已用于注塑或壓鑄制(zhì)品的缺陷分析及尺寸量測，更重要的是，CT數(shù)據可(kě)應用于面向注塑模具領域的高(gāo)效修模。（圖 7）
此類技(jì)術(shù)要求需基于計(jì)算(suàn)機系統的數(shù)學算(suàn)法評定，海量的數(shù)據對于計(jì)算(suàn)機的處理(lǐ)能力提出新的挑戰，而工業4.0則有(yǒu)效推動了工業制(zhì)造及工業計(jì)量數(shù)字化的發展。
圖 7 基于CT測量技(jì)術(shù)的注塑模具修正
包括邊界投影(yǐng)及攝像測量等獲取産品整體(tǐ)外形輪廓數(shù)據的方法已得(de)到廣泛的應用，借助于計(jì)算(suàn)機斷層掃描（CT）技(jì)術(shù)更可(kě)獲取內(nèi)部結構數(shù)據。現今CT技(jì)術(shù)已用于注塑或壓鑄制(zhì)品的缺陷分析及尺寸量測，更重要的是，CT數(shù)據可(kě)應用于面向注塑模具領域的高(gāo)效修模。（圖 7）
此類技(jì)術(shù)要求需基于計(jì)算(suàn)機系統的數(shù)學算(suàn)法評定，海量的數(shù)據對于計(jì)算(suàn)機的處理(lǐ)能力提出新的挑戰，而工業4.0則有(yǒu)效推動了工業制(zhì)造及工業計(jì)量數(shù)字化的發展。
圖 7 基于CT測量技(jì)術(shù)的注塑模具修正
3. 信息技(jì)術(shù)環境下的計(jì)量：通(tōng)訊與标準化
不同計(jì)量層級的接口與環境及測量技(jì)術(shù)相關聯，此類層級通(tōng)過下圖配備視(shì)像傳感器(qì)的坐(zuò)标測量機以說明(míng)。（圖8）
首先通(tōng)過以太網圖像傳輸接口聯接視(shì)像傳感器(qì)與坐(zuò)标測量機, 并通(tōng)過軟件接口DME I++ 與上(shàng)層級交互作(zuò)用，繼而實現測量系統交互層軟件與用戶的人(rén)機對話(huà)，與此同時(shí)，通(tōng)過信息技(jì)術(shù)連接輸入數(shù)據特性信息，例如攜帶産品特性信息的産品制(zhì)造信息PMI與産品外形數(shù)據（例如多(duō)種格式的CAD标準格式）、連接輸出測量結果信息（例如标準的DMIS輸出或其它的基于ASCII的格式）。
圖 8 配備視(shì)像傳感器(qì)的坐(zuò)标測量機信息技(jì)術(shù)連接層（接口）
（PMI=産品與制(zhì)造信息，DME I++=尺寸測量設備接口）
不同計(jì)量層級的接口與環境及測量技(jì)術(shù)相關聯，此類層級通(tōng)過下圖配備視(shì)像傳感器(qì)的坐(zuò)标測量機以說明(míng)。（圖8）
首先通(tōng)過以太網圖像傳輸接口聯接視(shì)像傳感器(qì)與坐(zuò)标測量機, 并通(tōng)過軟件接口DME I++ 與上(shàng)層級交互作(zuò)用，繼而實現測量系統交互層軟件與用戶的人(rén)機對話(huà)，與此同時(shí)，通(tōng)過信息技(jì)術(shù)連接輸入數(shù)據特性信息，例如攜帶産品特性信息的産品制(zhì)造信息PMI與産品外形數(shù)據（例如多(duō)種格式的CAD标準格式）、連接輸出測量結果信息（例如标準的DMIS輸出或其它的基于ASCII的格式）。
圖 8 配備視(shì)像傳感器(qì)的坐(zuò)标測量機信息技(jì)術(shù)連接層（接口）
（PMI=産品與制(zhì)造信息，DME I++=尺寸測量設備接口）
3. 結論
現代測量技(jì)術(shù)廣泛集中采用信息技(jì)術(shù)部件, 離開(kāi)信息技(jì)術(shù)包括CT等涉及坐(zuò)标測量的衆多(duō)應用将無法實現。自80年代至今，網絡化及測量數(shù)據的更深入應用是科學研究主題之一，制(zhì)造流程的測量數(shù)據自動反饋得(de)以發展及實現。這些(xiē)方案給出了工業4.0的答(dá)案，測量技(jì)術(shù)做(zuò)為(wèi)數(shù)據提供者亦可(kě)理(lǐ)解為(wèi)工業4.0概念的接口。
更重要的是，測量技(jì)術(shù)及信息獲取将成為(wèi)工業4.0的驅動者，在信息物理(lǐ)融合生(shēng)産系統（CPPS）中關聯“虛拟世界”與“現實世界”，同時(shí)，借助于有(yǒu)效的數(shù)據庫系統将更利于信息世界的流程虛拟化。
因此，數(shù)據的有(yǒu)效性與處理(lǐ)将是工業4.0時(shí)代工業測量的中心主題，測量技(jì)術(shù)于此時(shí)代的發展必須扮演着引領角色。
圖 9 通(tōng)過理(lǐ)論（CAD模型）與實際産品外形的量測比對闡述關聯虛拟與現實世界的計(jì)量
現代測量技(jì)術(shù)廣泛集中采用信息技(jì)術(shù)部件, 離開(kāi)信息技(jì)術(shù)包括CT等涉及坐(zuò)标測量的衆多(duō)應用将無法實現。自80年代至今，網絡化及測量數(shù)據的更深入應用是科學研究主題之一，制(zhì)造流程的測量數(shù)據自動反饋得(de)以發展及實現。這些(xiē)方案給出了工業4.0的答(dá)案，測量技(jì)術(shù)做(zuò)為(wèi)數(shù)據提供者亦可(kě)理(lǐ)解為(wèi)工業4.0概念的接口。
更重要的是，測量技(jì)術(shù)及信息獲取将成為(wèi)工業4.0的驅動者，在信息物理(lǐ)融合生(shēng)産系統（CPPS）中關聯“虛拟世界”與“現實世界”，同時(shí)，借助于有(yǒu)效的數(shù)據庫系統将更利于信息世界的流程虛拟化。
因此，數(shù)據的有(yǒu)效性與處理(lǐ)将是工業4.0時(shí)代工業測量的中心主題，測量技(jì)術(shù)于此時(shí)代的發展必須扮演着引領角色。
圖 9 通(tōng)過理(lǐ)論（CAD模型）與實際産品外形的量測比對闡述關聯虛拟與現實世界的計(jì)量
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