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智能制造 | 全集成智能测控探索和实践

2018/2/6 9:35:20 人评论 次浏览 分类:新闻

前言:新一轮科技革命和产业变革蓄势待发,工业发达国家纷纷出台制造业发展战略,揭开了全球新一轮工业革命浪潮的序幕,智能制造是《中国制造2025》的主攻方向,是落实创新驱动发展,实现工业转型升级和跨越式发展的关键举措之一。制造业是国家的根本,只有制造业才能真正创造财富。从表面上看,中国是制造业大国,但中国制造业的大多数领域,只要涉及到有难度的核心技术,几乎都被国外技术垄断,国内企业以产品代理、系统集成及设备制造商为主,关键基础技术开发者很少,这是一种表面繁荣背后的行业危机。

现在国外制造装备越来越智能化,各种核心技术被高度集成与加密,最终对制造业技能人才的要求越来越低,表面上看起来是好事,但对于基础工艺本身就薄弱的中国制造业,这种智能化趋势会使国内的技术人才越来越远离真正的工艺技术,使国外装备在中国形成越来越强的垄断地位,不仅漫天要价获取高额利润,而且威胁到国家安全。

现在风靡中国的工业4.0,核心技术几乎都是国外的,这些装备一旦联网或植入了木马程序,国家的军工、航空航天等就没有什么机密可言了,国外在远程控制的情况下,一个指令就可以让这些高端装备彻底瘫痪,或者把机密数据泄露出去。如果《中国制造2025》的智能制造风向标是引进一大堆国外智能装备,这种不掌握核心技术的依赖,损失的不仅是钱,更会导致在技术陷阱这个泥潭里越陷越深。

因此,中国迫切需要把更多的资源和力量投放到装备制造业、尤其是基础性的软件业的发展上,不限于跟踪模仿,更要不断地创新突破,集中精力突破智能制造领域的关键技术(例如智能化测控技术等),打破发达国家的技术垄断。

智能制造的灵魂和核心

工业4.0离不开智能制造,智能制造离不开测控技术。

智能制造的典型特征是:动态感知、实时分析、自主决策和精准执行。

动态感知指的是全面感知、监测供应链、企业、生产线、设备以及产品的实时运行状态。实时分析就是要对获取的实时运行状态数据进行及时、快速的分析。自主决策指的是按照设定的规则,根据分析结果,自主做出判断决策。精准执行则是执行决策,控制产品、设备、生产线、企业和供应链的运行,实现自适应调整。这个特征是一个循环的过程,可以概括成2个关键字:“测控”。

如果说工业机器人是人手的延伸、测控系统就相当于人的大脑和中枢神经系统,工业机器人本身是不具有智能的,测控软件涵盖感知、分析、决策全过程,还可以对精准执行进行闭环监控,是体现智能的显著标志。

对于工业机器人来说,其完成最多的一类操作是“抓取-放置”动作,无论是示教方式还是离线编程方式,机器人只是按照固定的程序进行操作,为了高质量作业,就要求生产线相对固定,定位精度高,这样的结果是柔性下降,成本增加,生产线的柔性和产品的质量是矛盾的。

视觉的引导和定位是解决上述矛盾的理想工具,以机器视觉系统为代表的计算机测控系统提供了外部闭环控制机制,自动补偿误差,保证动作正确完成。目前机器人系统集成项目中遇到的大量痛点都聚焦到了精确测控上,发达国家最新研究前沿方向也是测控技术和机器人的结合应用。

计算机测控技术是集检测、控制、仪器仪表为一体,以嵌入式系统、信息处理、电子技术为主,软硬件兼顾,光、机、电、计有机结合的专业技术,主要研究系统的数学模型、数字信号处理、数字图像处理、传感器与测试系统、计算机测控系统、逻辑与运动控制系统、基于工业以太网的远程测控系统、数据库等。

计算机测控技术是计算机技术与自动控制理论相结合的产物,随着自动控制理论、自动检测技术、计算机软硬件及网络技术的不断发展与进步,目前正在向新的前沿交叉学科:“智能测控”的方向发展,具有学习能力、综合能力、适应能力、优化能力四个典型特征,计算机在线获得信息、实时处理并给出控制决策、通过不断优化参数和寻找控制器最佳结构形式,以获得整体最优控制性能,推动智能制造的变革。

目前我国的相关技术发展还不太成熟,高精度测控主要依靠进口国外设备,系统集成存在软硬件不兼容、数据接口不一致、关键核心技术受制于人、价格昂贵等诸多问题。

为解决上述问题,中国航空制造技术研究院在我国首次创新性的提出了全集成智能测控理念“TIIMC-Totally Integrated Intelligent Measuring & Control”,将感知、分析、决策、离线编程、仿真、监控完全集成在一套测控软件中,并在实际工程应用中进行了探索和实践,引领具有完全自主知识产权的全集成智能测控“TIIMC”系统发展成为智能制造的灵魂和核心,打破发达国家的技术垄断。

探索和实践

2017年,中国航空制造技术研究院智能制造装备中心所属机器人系统集成工程中心开展了激光扫描测量系统的研究,成功突破了机器视觉在加工基准检测、曲面法向检测及弱刚性复杂构件制孔毛刺检测领域的关键技术;实现了机器视觉系统在机器人空间中精确地测定物体的三维位姿信息;完成了加工基准检测装置、自由曲面法向检测装置及制孔毛刺形貌检测装置软硬件的研制;满足了机器人自动钻铆、装配、焊接、喷涂、打磨等系统对机器视觉的快速、高效、高精度检测要求;奠定了制造院在智能制造及装备智能化方面的技术基础。

在此基础上,中国航空制造技术研究院自行研制成功了LSMS-1型五坐标激光扫描测量及柔性装配机器人系统。该技术是在创新基金的支持下首先进行原理性试验,又在金属支座自动化柔性生产线上得到工程化推广应用,是具有完全自主知识产权的柔性装配机器人系统,技术难度大,在总体设计上有多项突破性创新,达到了国际同类产品的领先水平,填补了国际空白,具有重大的社会效益和经济效益。

2017年11月23日,首台设备关键测量及装配试车一次成功,实际工程应用验证了关键核心的机器视觉软件算法及机械精度,经过重复测量装配及数据对比,设备在测量精度、测量效率、安全性、稳定性等方面均达到了国际同类产品的领先水平,使用、维护方便,更加适合我国国情。

该系统是技术含量很高的高精度、光机电一体化设备,涉及光学、机械、电子、自动控制、传感器、计算机软硬件、数字图像处理、数字信号处理、高等数学、数据库等多门学科,包含大量复杂的测量控制算法,是发达国家对我国进行严密技术封锁,获取高额垄断利润的领域,开发难度极大。

中国航空制造技术研究院完全自主研发了关键核心的机器视觉算法及测控软硬件系统,突破了机器视觉在复杂构件智能特征识别及空间大尺寸几何三维测量领域的关键技术。该系统突出的实质性创新点是把三坐标测量机和五坐标执行机构合二为一形成有机的整体,测量系统和执行系统统一在一个世界坐标系下,省去了传统视觉系统的空间标定和坐标转换过程,提高了系统精度、简化了操作、降低了成本;并解决了现有成熟机器视觉系统测量精度和视野范围相矛盾的技术局限性,以及工业机器人负载小、刚性低、精度差等缺陷,适用于大中型工件的柔性装配等领域,具有很高的推广应用价值。

工业4.0时代,数据是最宝贵的资源,掌握了数据就有了话语权。系统基于数据库开发,具有强大的数据统计分析处理能力,可以和MES系统无缝连接,不仅可以追溯历史数据,而且具备了大数据分析的基础,可在此基础上开发出具有自主知识产权的专家系统,打破国外的垄断;软件专门开发了离线编程功能,用户只需输入工件的长宽高等几何尺寸,系统就可自动生成扫描轨迹,大幅降低用户工作量,减少故障发生率,并可以仿真和实时监控扫描路径;制造院在实际工程应用中对全集成智能测控TIIMC进行了探索和实践,将感知、分析、决策、离线编程、仿真、监控完全集成在一套测控软件中,推动了具有完全自主知识产权的全集成智能测控TIIMC技术的发展。

结束语

以智能制造为主导的工业4.0给全集成智能测控TIIMC带来了重大的发展机遇,但同时也是发达国家对我们进行严密技术封锁,获取高额垄断利润的领域。软件和其它技术不同,看不见摸不着,很难通过逆向工程破解仿制,关键技术的突破需要长期的技术积累,不断地探索,没有捷径。

发展高端制造装备任重道远,必须要实事求是、脚踏实地、稳扎稳打、步步为营,机器人系统集成工程中心将加大基础性工艺技术研究,深入开展技术成果的转化与应用,以中国航空制造技术研究院先进制造技术为依托,以先进数字信息技术为手段,致力于探索机器人系统集成前沿技术,引领全集成智能测控TIIMC理念的发展,成为国际领先的机器人系统集成创新中心,为我国智能制造及装备智能化方面的发展做出贡献。

作者简介

姜超浪,研究员,测控专家,中国航空制造技术研究院装备中心技术发展委员会委员,机器人系统集成工程中心技术总工,主任师。在我国首次创新提出并实践了全集成智能测控TIIMC理念,填补国内多项空白。



中国航空制造技术研究院【智能制造装备中心】是我国国防军工系统领先的高端制造装备研发中心,专注于智能化制造装备的发展,为航空航天领域客户提供专业化的技术服务和高端制造装备,有力支持中国高端武器装备的发展。


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