馮消冰　劉文龍　都　東

(①清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；②上海清北智能科技有限公司，上海 201210)

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可視化技術(shù)在智能制造中的作用

馮消冰①劉文龍②都東①

(①清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；②上海清北智能科技有限公司，上海 201210)

如今的制造業(yè)具有巨大的市場(chǎng)需求，只有降低成本和用最少的資源才能變得更具備競(jìng)爭(zhēng)性。在當(dāng)前內(nèi)外環(huán)境壓力之下，在不同設(shè)施或者設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚并且保持連通性，然后反映出制造過(guò)程中實(shí)時(shí)狀態(tài)，再進(jìn)行分析并且加以優(yōu)化就變得十分的重要。最近，可視化技術(shù)在把帶有高速處理圖形圖像的硬件融合到商業(yè)產(chǎn)品上面有了巨大的跨越，這直接導(dǎo)致了提供高價(jià)值的可視化技術(shù)應(yīng)用成為一項(xiàng)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。文章將闡述可視化技術(shù)，以及這項(xiàng)技術(shù)如何在智能制造中發(fā)揮巨大的作用。

可視化技術(shù)；智能制造；工業(yè)4.0；圖形化；視覺(jué)傳感器

當(dāng)前市場(chǎng)需求在不停的變化，加上國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)的加劇，導(dǎo)致企業(yè)面臨的壓力越來(lái)越大，尤其是制造業(yè)。趨勢(shì)是從大批量生產(chǎn)逐漸走向個(gè)性化客戶定制式的小批量生產(chǎn)，那么如何在這樣一個(gè)大背景下，實(shí)現(xiàn)柔性制造，把控成本，提高質(zhì)量和服務(wù)，就成為企業(yè)必須要解決的問(wèn)題，同時(shí)企業(yè)也應(yīng)該對(duì)市場(chǎng)保持高度的靈敏，及時(shí)把握動(dòng)態(tài)，體現(xiàn)出靈活性和適應(yīng)性。

最近幾年，人們提出了一種新的制造方式，即智能制造，美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)都提出來(lái)自己相應(yīng)的概念，分別為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025，這些都是智能制造的更明確的詮釋。這種制造方式體現(xiàn)了更加高效智能的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了信息與制造相結(jié)合，并且是交互性很強(qiáng)的一種模式，信息的處理成為制造一大關(guān)鍵要素。

這種新的模式帶來(lái)了很多方面技術(shù)的快速發(fā)展，其中可視化作為一種高端技術(shù)，直接和人相互溝通，提高生產(chǎn)能力，在智能制造中成為不可或缺的一部分，其價(jià)值不亞于制造過(guò)程本身。它可以解決很多生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控困難、信息化程度低、管理人員難以實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前工況狀態(tài)等一系列問(wèn)題。因此在生產(chǎn)、物流、倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)布置可視化系統(tǒng)的需求變得越來(lái)越大。這也是工廠走向精細(xì)化管理的一個(gè)必然過(guò)程。

可視化技術(shù)在把帶有高速處理圖形圖像的硬件融合到商業(yè)產(chǎn)品上面有了巨大的跨越。這直接導(dǎo)致了提供高價(jià)值的可視化技術(shù)應(yīng)用成為一項(xiàng)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。

1　智能制造與傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1智能制造

智能制造是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等新型信息技術(shù)，整合能源、材料、工藝、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，而且具備信息自我感知、決策自主優(yōu)化、準(zhǔn)確控制執(zhí)行等一系列制造過(guò)程系統(tǒng)的集合[1]。信息網(wǎng)絡(luò)和實(shí)際生產(chǎn)相互有機(jī)結(jié)合是智能制造的特點(diǎn)，其一，信息系統(tǒng)將優(yōu)化制造業(yè)的生產(chǎn)方式，極大提高制造效率。其二，生產(chǎn)制造將成為信息網(wǎng)的重要延伸點(diǎn)，放大網(wǎng)絡(luò)的范圍和邊際效應(yīng)。依靠網(wǎng)絡(luò)支撐點(diǎn)，以生產(chǎn)線為載體，成為制造業(yè)的最近發(fā)展趨勢(shì)。這種新的模式具有很多優(yōu)勢(shì)，能夠縮短產(chǎn)品的研制周期，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高制造生產(chǎn)效率，并且降低資源耗能。從硬件和軟件結(jié)合的方面去看，智能制造是一個(gè)“虛擬信息網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際物理”的制造生態(tài)環(huán)境。美國(guó)提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”以及我國(guó)的“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略都體現(xiàn)了虛擬信息網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際物理高度融合。

近年來(lái)，智能制造出現(xiàn)了巨大增長(zhǎng)，而且智能化程度越來(lái)越高。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為制造智能化的動(dòng)力引擎。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及寬帶網(wǎng)絡(luò)等一系列技術(shù)組成了大概念的互聯(lián)網(wǎng)，借助這一強(qiáng)大的動(dòng)力引擎，越來(lái)越接近實(shí)現(xiàn)在制造業(yè)布局傳感器設(shè)備的信息感知能力，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)制造過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確邏輯控制和遠(yuǎn)程協(xié)作，加以保證實(shí)現(xiàn)智能制造的成果可能性?；ヂ?lián)網(wǎng)的邊際效應(yīng)也在不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)與服務(wù)業(yè)的深度融合。以美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)戰(zhàn)略為例，其下一代機(jī)器人便是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，Google公司向智能制造領(lǐng)域擴(kuò)展就是依托背后強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施[2]。

智能制造技術(shù)的發(fā)展將具備自適應(yīng)能力和人機(jī)交互功能。通過(guò)制造過(guò)程在線實(shí)時(shí)感知、智能決策過(guò)程和自動(dòng)優(yōu)化的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)減少人為干預(yù)的自適應(yīng)能力。在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、仿真技術(shù)高速發(fā)展的大背景下，智能制造系統(tǒng)也將可以自主判斷最優(yōu)的操作指令、故障解決方案和故障預(yù)警，人和智能系統(tǒng)會(huì)建立協(xié)同共事、相互合作的一體化融合關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)廣義上的人機(jī)交互以及系統(tǒng)多邊交互，然后勞動(dòng)力可以從簡(jiǎn)單重復(fù)的動(dòng)作中解脫出來(lái)，從事高附加值的創(chuàng)造性生產(chǎn)活動(dòng)。

中國(guó)的智能制造發(fā)展也比較迅速，目前已經(jīng)成為全球最大的智能制造市場(chǎng)。在過(guò)去5年中，機(jī)器人銷量年平均增長(zhǎng)率達(dá)到38%，同比高于其他國(guó)家增速。2013年我國(guó)機(jī)器人銷售量高達(dá)36 500萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)40%，2014年的增速更是達(dá)到50%?？傮w上，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的密度還比較低，是日本、德國(guó)等先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的十分之一，未來(lái)5年我國(guó)將成為全球最大智能裝備需求市場(chǎng)，這將直接帶動(dòng)智能制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀

智能制造會(huì)直接推動(dòng)制造業(yè)生產(chǎn)方式的快速改變?；诨ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和傳感器的智能制造將可以進(jìn)行柔性化的產(chǎn)品生產(chǎn)，具備更快速準(zhǔn)確的感知反饋和分析決策能力，同時(shí)可以滿足具有個(gè)性化的市場(chǎng)需求。與傳統(tǒng)制造業(yè)采用的大批量生產(chǎn)方式不同，智能制造可以進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的特殊化定制[3]。

傳感器是智能制造之中非常重要的組成部分，傳感器的主要作用是用于智能制造的過(guò)程狀態(tài)，提供過(guò)程中的物理性能參數(shù)，如形狀和位置等特征信息，控制系統(tǒng)根據(jù)這些特征信息并對(duì)其進(jìn)行處理，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)的部件，從而進(jìn)行智能加工。傳感系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程模型化以及制造過(guò)程中自動(dòng)控制的關(guān)鍵部分，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)智能制造中的的實(shí)時(shí)在線跟蹤控制，首先需要獲得描述制造過(guò)程狀態(tài)中的準(zhǔn)確信息，所以，傳感器必然起著重要的作用。根據(jù)傳感方式的不同，智能制造中應(yīng)用的傳感器可以分為接觸式和非接觸式兩大類。制造中的跟蹤傳感器多數(shù)是非接觸式的，諸如聲學(xué)傳感器、視覺(jué)傳感器、溫度傳感器和振動(dòng)傳感器等，如圖1所示。

2　可視化技術(shù)

可視化技術(shù)是把復(fù)雜事件或者某個(gè)行業(yè)特定流程進(jìn)行圖像、圖形化，進(jìn)而使其能夠清楚且直觀地展示的一種技術(shù)過(guò)程。將任何抽象復(fù)雜的事務(wù)變成圖形、圖像的過(guò)程全部可以稱為可視化。最早在1987年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)召開的圖像專題討論會(huì)上，關(guān)于科學(xué)計(jì)算可視化的領(lǐng)域、需求目標(biāo)、應(yīng)用前景這些方面作了相應(yīng)的定義描述。這意味著科學(xué)計(jì)算可視化成為一個(gè)新學(xué)科[4]。

可視化技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像，具有實(shí)時(shí)交互能力，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)再現(xiàn)。信息可視化技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)整合起來(lái)可以稱之為可視化仿真，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，生成真實(shí)的聽覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)一體化的虛擬環(huán)境，用戶利用相關(guān)的的機(jī)器設(shè)備，在正常狀態(tài)下與虛擬環(huán)境中的視覺(jué)對(duì)象進(jìn)行信息傳遞，過(guò)程交流和觀察輸出結(jié)果，產(chǎn)生處于真實(shí)環(huán)境中的體驗(yàn)效果。

2.1可視化技術(shù)分類

在科學(xué)計(jì)算可視化提出來(lái)以后，逐漸衍生出數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)可視化一系列分支。四種可視化技術(shù)基本上是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)種類和不同的事物特征以及不同的應(yīng)用進(jìn)行區(qū)分。

科學(xué)計(jì)算可視化，是利用計(jì)算機(jī)信息圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳送為圖形或圖像的形式，在顯示屏上呈現(xiàn)出來(lái)，并進(jìn)行融合處理的一套理論技術(shù)[5]。

數(shù)據(jù)可視化，是指單純數(shù)據(jù)的可視化，主要包含了各類數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。它涵蓋了科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，也涵蓋了測(cè)量數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的可視化[6]。

信息可視化，是將信息和數(shù)據(jù)兩種不同的事物轉(zhuǎn)換為可以很好理解的圖形、圖像描述的技術(shù)，然后將其進(jìn)行交互融合處理的一套技術(shù)方法。在處理信息的可視化空間內(nèi)，可以顯示和觀察信息屬性。用戶和信息系統(tǒng)通過(guò)圖形化技術(shù)進(jìn)行交互非常方便。最主要的是，利用信息可視化技術(shù)可以為用戶提供更快捷有效的服務(wù)和發(fā)揮更大的價(jià)值[7]。

知識(shí)可視化，主要是一種知識(shí)的傳播方式，利用視覺(jué)表征技術(shù)，幫助知識(shí)的傳播和創(chuàng)新，視覺(jué)的表征更是可以提高群體之間各種交互行為的作用，主要目標(biāo)是幫助別人正確地重構(gòu)記憶并且應(yīng)用這些知識(shí)，另外，還可以傳輸價(jià)值觀和期望。

數(shù)據(jù)可視化與信息可視化的不同點(diǎn)在于，數(shù)據(jù)可視化所描述的對(duì)象通常是具備幾何屬性的物理數(shù)據(jù)，而信息可視化所描述的對(duì)象主要是自身不具備幾何屬性和空間特征的其他信息，這些相對(duì)抽象的信息可以進(jìn)行空間的可視化形式觀察。信息可視化所研究的對(duì)象除了繪制可視化屬性外，更主要的是尋找合適的可視化隱喻，把非空間抽象信息轉(zhuǎn)化為有效的可視化表達(dá)方式[8]。

數(shù)據(jù)可視化與科學(xué)計(jì)算可視化的主要區(qū)別在于，數(shù)據(jù)可視化的對(duì)象是被可視化的非物理空間數(shù)據(jù)，而科學(xué)計(jì)算可視化所描述的是物理空間數(shù)據(jù)。例如，工程建筑方面的空間數(shù)據(jù)，不管是否看的見，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)物理空間位置，以及多塊磁鐵相互靠近時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜磁場(chǎng)這些類型都屬于科學(xué)計(jì)算可視化。數(shù)據(jù)可視化的實(shí)例有經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、商業(yè)數(shù)據(jù)、金融數(shù)據(jù)。一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系是，可以認(rèn)為科學(xué)計(jì)算可視化只是數(shù)據(jù)可視化的一部分內(nèi)容。而數(shù)據(jù)可視化除了包含科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，也包含了可視化工程和測(cè)量數(shù)據(jù)。

這四種可視化技術(shù)主要是根據(jù)要解決的問(wèn)題，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，某些復(fù)雜的問(wèn)題會(huì)涉及到多種可視化類別的融合。這也是事物發(fā)展到一定復(fù)雜程度以后必然的結(jié)果。

2.2可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大體上需要包含以下部分(如圖2)。

創(chuàng)建模型。設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)的時(shí)候，第一步就要?jiǎng)?chuàng)建模型。模型在整個(gè)可視化研究中起著重要作用，它是可視化設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)。模型包含了裝配、加工、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及控制模型。這幾種可視化分析方法，由于分析的目標(biāo)不盡相同，模型有一些的差異性。以保證裝配為核心的可視化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建的是裝配模型，所有零件必須有嚴(yán)格的尺寸和確定的形狀。以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析為主的可視優(yōu)化設(shè)計(jì)，某些情況下對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸沒(méi)有像裝配模型那樣嚴(yán)格，但它們同屬可視優(yōu)化分析方法，模型之間有一定的聯(lián)系[9]。

可視化仿真。模型創(chuàng)建完后，可以在計(jì)算機(jī)中的操作環(huán)境下進(jìn)行仿真。因?yàn)檠芯康膬?nèi)容不同，所以在可視化方法當(dāng)中，可視化仿真的相關(guān)內(nèi)容也具有很大的差異性，但是基本上包括圖2中所描述的三方面內(nèi)容，即模型驗(yàn)證、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及變參數(shù)試驗(yàn)。模型驗(yàn)證是進(jìn)行仿真研究的重要步驟，只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型方可進(jìn)行可視化仿真試驗(yàn)研究。驗(yàn)證結(jié)論的可靠性一般是依照此領(lǐng)域的常識(shí)，比如，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)值來(lái)監(jiān)測(cè)仿真結(jié)果的正確性，也可以參照類似的實(shí)物結(jié)構(gòu)，依靠做實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型。數(shù)據(jù)檢測(cè)是下一步結(jié)果分析的基礎(chǔ)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)包含了運(yùn)動(dòng)軌跡、加速度、位移、速度、應(yīng)力、支反力、響應(yīng)時(shí)間等。變參數(shù)試驗(yàn)是方案對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)變參數(shù)，設(shè)計(jì)使產(chǎn)品性能最好的控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等。由于一些問(wèn)題的難易程度差別很大，故完成可視化仿真需要的時(shí)間也不盡相同，可能1天，也可能多達(dá)10天[10]。

結(jié)果分析。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析是可視化設(shè)計(jì)法的核心內(nèi)容，對(duì)結(jié)果詳細(xì)的分析，能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種缺陷，判斷所選方案的可行性以及優(yōu)越性，這也是可視化仿真的精髓所在。結(jié)果分析有數(shù)據(jù)讀取、曲線繪制、仿真動(dòng)畫和最優(yōu)方案選擇，通過(guò)以上的可視化仿真輸出，可以完成對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)。

缺陷修改。經(jīng)過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些明顯的錯(cuò)誤和缺陷，這些誤差包括零件結(jié)構(gòu)缺陷、運(yùn)行參數(shù)缺陷和方案缺陷等。實(shí)際工作中，可能還要更復(fù)雜一些，此時(shí)可對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行修改。

2.3視覺(jué)傳感器技術(shù)的應(yīng)用

視覺(jué)傳感器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論發(fā)展起來(lái)的，在工業(yè)檢測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。視覺(jué)傳感器的檢測(cè)技術(shù)具有非接觸性、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)在線性等顯著特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，視覺(jué)傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐步彰顯?，F(xiàn)如今已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。

視覺(jué)傳感器技術(shù)是基于PC的視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的。PC的視覺(jué)系統(tǒng)如圖3所示，主要由攝像機(jī)、采集系統(tǒng)和PC構(gòu)成。主要的原理為，采集系統(tǒng)接收由攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)，把模擬視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理。這套視覺(jué)系統(tǒng)已然比較成熟，可以執(zhí)行可靠的自動(dòng)檢驗(yàn)。但這套視覺(jué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是較為復(fù)雜，而且成本較高，使其廣泛應(yīng)用受到了阻礙。另外，這套系統(tǒng)一般需要一臺(tái)PC機(jī)和多個(gè)攝像頭，以及進(jìn)行定制軟件，其設(shè)計(jì)、集成和安裝也較為復(fù)雜，需要專業(yè)人員來(lái)完成。

通常說(shuō)的視覺(jué)傳感器是有別于PC的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的，它是將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他外設(shè)集成到單一的相機(jī)內(nèi)，達(dá)到了一體化設(shè)計(jì)的目的，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，如4圖所示。其具有較高的效率與穩(wěn)定性，主要是通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)來(lái)獲得的。視覺(jué)傳感器采用了高速處理技術(shù)，如FPGA 和DSP，同時(shí)，將成熟的機(jī)器視覺(jué)算法模式化，使得使用者不需經(jīng)過(guò)編程，就可以實(shí)現(xiàn)尺寸測(cè)量、表面缺陷檢測(cè)、條碼閱讀等功能，這樣的一些優(yōu)點(diǎn)提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)速度。

視覺(jué)傳感器系列產(chǎn)品針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)圖形處理，可針對(duì)對(duì)象的形狀、位置、顏色或輪廓進(jìn)行檢查。 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口可靈活接入自動(dòng)化系統(tǒng)。西門子的視覺(jué)傳感器系列完全適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，如SIMATIC VS120型號(hào)，如圖5所示，其不受污染、振動(dòng)或溫度的影響，可根據(jù)顏色或形狀進(jìn)行自動(dòng)檢查，并對(duì)公用硬設(shè)備的準(zhǔn)確性、完好性或位置進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)數(shù)字輸出端或通過(guò)PROFIBUS或 PROFINET和Ethernet 輸出檢查結(jié)果，具有較小的尺寸和可以牽引的連接電纜，也可在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)安裝傳感器頭和照明單元。根據(jù)零件大小，每秒最多可做20個(gè)評(píng)估。

在工業(yè)檢測(cè)的領(lǐng)域中，視覺(jué)傳感器技術(shù)的推廣大幅地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。其可以應(yīng)用在零件位置的檢查、卷鋼質(zhì)量檢測(cè)、飲料行業(yè)的容器質(zhì)量檢測(cè)、人民幣印刷檢測(cè)、印制電路板的檢測(cè)、飲料填充檢測(cè)、飲料瓶封口檢測(cè)等。在藥品的生產(chǎn)線上，通過(guò)視覺(jué)傳感器對(duì)藥品包裝進(jìn)行檢測(cè)，可以確定藥品包裝內(nèi)的數(shù)量是否滿足要求。應(yīng)用X射線和基于視覺(jué)傳感器的檢測(cè)技術(shù)也可應(yīng)用于海關(guān)，這項(xiàng)技術(shù)的使用提高了通關(guān)的速度，節(jié)約了寶貴的時(shí)間和人工成本。

在金屬加工領(lǐng)域之中，視覺(jué)傳感器也有著廣泛的應(yīng)用，由于金屬加工的特殊環(huán)境，要求視覺(jué)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)具備非接觸、耐高溫等特征。目前的主要應(yīng)用有鋼板缺陷的檢查、精確加工中工件尺寸的測(cè)量、焊縫的檢查、沖壓成型的幾何尺寸的測(cè)量、鑄件形狀的檢測(cè)等。視覺(jué)傳感器檢測(cè)技術(shù)就是智能制造的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。

3　可視化技術(shù)在各領(lǐng)域及智能制造中的重要作用

智能制造中復(fù)雜的過(guò)程以及它們之間的相互依賴關(guān)系，都會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)可視化的需求。它綜合了人機(jī)的交互、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)可視化、圖形技術(shù)和認(rèn)知科學(xué)等一些學(xué)科的成果。

醫(yī)療行業(yè)的可視化，已經(jīng)變成數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域中最受關(guān)注的一個(gè)研究領(lǐng)域。由于現(xiàn)代體外診斷技術(shù)CT和MRI以及正電子放射掃描PET的發(fā)展，醫(yī)生能夠比較容易地獲取病人相關(guān)部位的二維截?cái)鄨D象。CT技術(shù)改變了傳統(tǒng)的膠片成像模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)重新構(gòu)建人體各部位的器官圖像，幫助醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)從二維升級(jí)到三維，使人們直觀地通過(guò)計(jì)算機(jī)看到人體內(nèi)部。PET結(jié)合了核技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)[11]。經(jīng)過(guò)核素示蹤劑注入人體后，核素衰變過(guò)程中產(chǎn)生了正電子湮滅，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，使我們看到人體代謝的功能圖像。在這個(gè)基礎(chǔ)上，利用可視化相關(guān)軟件，對(duì)上述多種圖像進(jìn)行融合，可以準(zhǔn)確地確定病變體的位置、大小、幾何形狀以及和周圍生物組織之間的空間關(guān)系，從而及時(shí)有效地進(jìn)行疾病治療。德國(guó)柏林大學(xué)，美國(guó)ADAC實(shí)驗(yàn)室，The Johns Hopkins University和集成醫(yī)學(xué)圖象處理系統(tǒng)公司都采用可視化軟件系統(tǒng)，將獲得的二維圖像，重構(gòu)為人體組織結(jié)構(gòu)的三維圖像[12]。大部分軟件已經(jīng)在很多醫(yī)院得到廣泛應(yīng)用。此外，美國(guó)華盛頓大學(xué)使用心臟超聲診斷技術(shù)和可視化軟件系統(tǒng)，可以獲得心臟的三維圖像，并用于實(shí)時(shí)觀察心臟的形狀、大小和運(yùn)動(dòng)等相關(guān)狀態(tài)，為醫(yī)生診斷提供有力的依據(jù)。電子束CT則使用電子束掃描替代以前X線管與檢測(cè)器的機(jī)械掃描，在效率方面，掃描速度提高約一百倍。檢查運(yùn)動(dòng)的器官也能得到清晰的圖像，是CT技術(shù)的一次重大飛躍。中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)心血管病醫(yī)院已將電子束CT三維圖像重建用于主動(dòng)脈病變的臨床診斷和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)后的血管顯示[13]。

可視化裝車站實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，以及視頻的實(shí)時(shí)抓拍，再配合機(jī)車的實(shí)時(shí)定位幾種技術(shù)同時(shí)使用，可以準(zhǔn)確地定位到機(jī)車的位置，司機(jī)也可以通過(guò)監(jiān)控信號(hào)自行調(diào)節(jié)吊車，調(diào)車員也可以準(zhǔn)確識(shí)別車尾車號(hào)信息。實(shí)現(xiàn)了整個(gè)自動(dòng)化閉環(huán)的監(jiān)控與調(diào)車站的高效運(yùn)作[14]。

利用可視化技術(shù)，可以整體呈現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與特征，并且對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行深入分析，比如GIS就是一種空間信息技術(shù)獲取方法。良好的可視化環(huán)境為地質(zhì)勘查人員提供了便利，對(duì)要勘查的地質(zhì)情況有了總體把握，也改變了過(guò)去進(jìn)行手繪的工作模式，解決了過(guò)去手繪地質(zhì)特征信息的局限性，有一些鉆井?dāng)?shù)據(jù)也可以通過(guò)傳感裝置返回到地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，大大加快了工作進(jìn)度。 解決了過(guò)去很多地質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)法有效結(jié)合使用的巨大難題。同時(shí)可視化系統(tǒng)對(duì)相關(guān)巖層的厚度、剖面、連同性都有了極大的改善。使地層結(jié)構(gòu)空間化的表達(dá)更為形象。也可以和地球上其他地區(qū)的地質(zhì)特征進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋从称涮赜械牡乩斫Y(jié)構(gòu)。常用的可視化算法包含了防碰撞算法、測(cè)斜計(jì)算、中靶分析法等。在定向鉆井過(guò)程中比較各種靶向的差異性，使用科學(xué)儀器進(jìn)行相應(yīng)的追蹤。全部利用可視化追蹤系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)測(cè)，進(jìn)行最優(yōu)化策略調(diào)整[15]。

在變電站中，一些需要三維虛擬仿真、實(shí)體模型展示的場(chǎng)景用到了可視化技術(shù)，依靠重要數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)界面顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與系統(tǒng)數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)功能，并且靈活地定制不同工作場(chǎng)合，全局展示全景數(shù)據(jù)，而且通過(guò)任務(wù)為導(dǎo)向進(jìn)行流程整理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控可視化一站式服務(wù)，方便用戶使用[16]。

制造業(yè)數(shù)字智能化是新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心要素。它是體現(xiàn)機(jī)械電子產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)，可以使機(jī)械電子產(chǎn)品向數(shù)控智能的方向發(fā)展，從而提高產(chǎn)品的功能、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外，它是制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的一項(xiàng)技術(shù)，能使制造向數(shù)字化和智能一體化整體制造的方向前進(jìn)，全面提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、管理和服務(wù)的能力，很深刻地改變制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)形態(tài)和生產(chǎn)模式，并有效地減少能源的消耗、提高環(huán)境持續(xù)性與安全性[17]。

可視化技術(shù)逐漸應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域，而且越來(lái)越重要?？梢暬夹g(shù)以直觀清楚的圖像圖形表達(dá)信息，使用戶快速地獲取信息，可以使企業(yè)發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中隱藏的信息，提高生產(chǎn)線的執(zhí)行效率。將可視化技術(shù)引入到智能制造，可以使比較分散的各種信息整合起來(lái)，形成直觀的圖形圖像進(jìn)行顯示，可以將系統(tǒng)中要表達(dá)的信息以簡(jiǎn)潔可視化的方式顯示，可以將系統(tǒng)中異常的和與計(jì)劃有差距的警惕信息醒目地顯示出來(lái)，能夠?qū)⒈容^抽象的數(shù)據(jù)表示成為可見的動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)的圖像，顯示數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)聯(lián)、走勢(shì)關(guān)系，有效標(biāo)識(shí)出數(shù)據(jù)的變化和趨勢(shì)，從而為企業(yè)理解那些大量繁雜的抽象數(shù)據(jù)信息以及做出決策提供幫助?？梢暬藱C(jī)交互還可以減小實(shí)施系統(tǒng)的難度，方便用戶的接受[18]。

3.1可視化技術(shù)在自動(dòng)焊接中的作用

焊接是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，而且周圍具有較大的熱能和應(yīng)力，也存在大的電磁場(chǎng)。通過(guò)熔池連接工件，過(guò)程伴隨持續(xù)熱應(yīng)力作用，熔池會(huì)發(fā)生組織遷移和性能改變，也會(huì)帶有一定的結(jié)構(gòu)變形。

焊接可視化技術(shù)利用一定的信息技術(shù)手段，把焊接過(guò)程實(shí)時(shí)地模擬出來(lái)，這樣可以直接反映焊接過(guò)程機(jī)理，對(duì)于焊接過(guò)程發(fā)生的問(wèn)題，實(shí)時(shí)地進(jìn)行反饋，避免了后期維護(hù)難的問(wèn)題。可以保證焊接質(zhì)量，和過(guò)程有效的控制。它包含了如下幾方面內(nèi)容。

焊接建模仿真，利用材料的物理特性、測(cè)試數(shù)據(jù)、以及相應(yīng)的化學(xué)特征擬合數(shù)學(xué)模型。在模型基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步優(yōu)化焊接用的材料和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，包括焊接結(jié)構(gòu)的調(diào)整。在高磁場(chǎng)的作用下，需要進(jìn)行相應(yīng)的耦合分析和大梯度處理，然后對(duì)其材料行為做進(jìn)一步非線性函數(shù)的擬合，需要追蹤熔池流體走向及其成型過(guò)程。

焊接過(guò)程智能控制以及視覺(jué)傳感。在焊接的時(shí)候， 視覺(jué)傳感需要采用特殊方法避免弧光、熔池光、飛濺的影響，以及金屬的干擾，否則回傳到的視覺(jué)取樣是模糊的，會(huì)大大降低準(zhǔn)確度。國(guó)外很多專家在這方面都做了很多研究，其中，Y.Tsujimura的等離子溫度分布，S. Wuet al焊接駝峰機(jī)理，J. Schein焊接氣體脈沖波熔池流動(dòng)的影響和Y. Kawahito激光束X射線成像法都為了消除焊接過(guò)程中視覺(jué)采樣困難發(fā)明了針對(duì)性技術(shù)[19]。焊接過(guò)程的智能控制也是一項(xiàng)比較大的難題，面對(duì)各種干擾因素，必須要解決抗磁場(chǎng)干擾和非理想環(huán)境。 在整個(gè)智能控制過(guò)程中，借鑒了人體視覺(jué)結(jié)構(gòu)，基于顏色紋理綜合判斷，融合動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)，去除常規(guī)已知干擾因素，利用焊道坡口特征，做二次顏色提取，然后對(duì)其紋理進(jìn)行灰度算法調(diào)整。利用共生矩陣方法建立焊接整體圖像特征，包括整個(gè)熱加工和氧化反應(yīng)都有效地系統(tǒng)呈現(xiàn)。對(duì)焊縫的擬合度也會(huì)進(jìn)行分析，判斷整體焊接質(zhì)量。

焊縫無(wú)損檢測(cè)與焊縫成像。 可視化焊接一個(gè)組成部分就是用X射線和超聲波做焊后無(wú)損檢測(cè)，可以分析缺陷引起超聲信號(hào)改變，對(duì)焊縫進(jìn)行定量描述。目前人工目視檢測(cè)的方式中，人為因素比較大，導(dǎo)致焊縫誤差很大?；诙鄮琗射線實(shí)時(shí)圖像，多幀圖像的重心坐標(biāo)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)軌跡減小了誤差率，焊縫連續(xù)性灰度范圍的變化也在無(wú)損檢查里面得到了檢驗(yàn)。低閾值和高閾值的剔除誤檢，有效適應(yīng)了不同灰度范圍及不同噪聲水平的焊縫X射線實(shí)時(shí)圖像。速度直方圖和分類算法也是無(wú)損檢查另外一個(gè)比較好的辦法，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行焊縫成像?？傮w來(lái)說(shuō)，焊接可視化作為智能制造可視化一個(gè)案例現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平[20]。

3.2可視化技術(shù)應(yīng)用于啤酒包裝生產(chǎn)線

可視化技術(shù)在啤酒灌裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用也日趨成熟，啤酒包裝車間中，由于灌裝機(jī)器的可靠性問(wèn)題，往往由于灌裝壓力的不足、灌裝嘴的堵塞等原因，造成灌裝啤酒的液位不足現(xiàn)象，通常一條啤酒包裝生產(chǎn)線的效率為每小時(shí)24 000瓶，同時(shí)由于啤酒瓶在驗(yàn)瓶過(guò)程中是單排通過(guò)，運(yùn)行速度非?？欤缓细衿康某霈F(xiàn)給后續(xù)的檢測(cè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此設(shè)計(jì)一套高效、可靠性高的檢驗(yàn)灌裝液位系統(tǒng)對(duì)于整條啤酒灌裝生產(chǎn)線的效率提升就顯得尤為重要。如今，采用視覺(jué)傳感器對(duì)啤酒液位進(jìn)行檢測(cè)的方法及設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，其具有高可靠性、非接觸、高效率的特點(diǎn)。

啤酒灌裝生產(chǎn)線液位檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖6所示，其主要是由啤酒液位檢測(cè)機(jī)、管理單元和PLC操作站3部分組成，啤酒液位檢測(cè)機(jī)由視覺(jué)傳感器、光源、光電傳感器等組成[21]，管理單元包含有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計(jì)、打印、分析和顯示等功能，PLC操作站的主要功能是對(duì)檢測(cè)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

圖中1～8的編號(hào)表示信號(hào)流程；序號(hào)1表示視覺(jué)傳感器被光電開關(guān)觸發(fā)，進(jìn)行圖像采集的工作，并加以處理；序號(hào)2表示經(jīng)圖像處理后比對(duì)，發(fā)現(xiàn)啤酒液位不合格，那么由視覺(jué)傳感器把信號(hào)發(fā)送給 PLC；序號(hào)3表示根據(jù)視覺(jué)傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的觸發(fā)信號(hào)，PLC首先運(yùn)用其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，來(lái)定位不合格瓶所處的位置，然后向驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，將不合格品在傳送帶上快速地彈出；序號(hào)4表示檢測(cè)啤酒包裝生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，并且實(shí)時(shí)反饋給PLC；序號(hào)5表示根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)狀態(tài)，利用變頻電動(dòng)機(jī)控制檢測(cè)機(jī)內(nèi)的傳送帶速度，以此合理地控制酒瓶的間距；序號(hào)6表示視覺(jué)傳感器將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC以及管理PC，通過(guò)PC進(jìn)行分析和管理；序號(hào)7表示管理PC再通過(guò)以太網(wǎng)向檢測(cè)機(jī)傳輸指令，用于檢測(cè)和接收數(shù)據(jù)；序號(hào)8表示遠(yuǎn)程PC對(duì)生產(chǎn)線上的檢測(cè)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，也是通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)傳輸指令。

啤酒液位檢測(cè)系統(tǒng)的平面示意圖如圖7所示，啤酒包裝生產(chǎn)線上的啤酒瓶在經(jīng)過(guò)光電傳感器時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)為一開關(guān)信號(hào)，向視覺(jué)傳感器發(fā)送指令，來(lái)啟動(dòng)視覺(jué)傳感器采集圖像，并進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不符合要求時(shí)，PLC會(huì)接收到來(lái)自視覺(jué)傳感器的觸發(fā)信號(hào)，PLC向剔除閥發(fā)送指令，快速地彈出不合格的產(chǎn)品。同時(shí)，視覺(jué)傳感器也會(huì)產(chǎn)生報(bào)錯(cuò)信息，信息通過(guò)前面所述的以太網(wǎng)上傳到管理PC中，管理PC用于對(duì)報(bào)錯(cuò)的信息進(jìn)行記錄與分析，也把信息同時(shí)傳送給遠(yuǎn)程PC，遠(yuǎn)程PC會(huì)做出最終的分析，緊急時(shí)可對(duì)啤酒包裝生產(chǎn)線下達(dá)停機(jī)的指令。

4　展望

在智能制造中，人機(jī)交互方式的改變，可視化技術(shù)的提升，將為工控機(jī)核心技術(shù)帶來(lái)巨大的推力[22]。

生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，利用射頻識(shí)別，其控制模式和工人工作方式有很大的變化，寬帶和近距離通信網(wǎng)絡(luò)性能的增加，平板電腦、手機(jī)和可穿戴設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)控制方式會(huì)極大的普及[23]。另外，觸摸屏和多點(diǎn)觸控的圖形化也將使人機(jī)界面慢慢取代開關(guān)按鈕這些東西。特別是人們已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費(fèi)產(chǎn)品的操作方式，它能夠快速地做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機(jī)交互的內(nèi)容，同時(shí)也明顯降低誤操作率[24]。

可以設(shè)想在一家智能工廠，以Bite為單位的信息比實(shí)體機(jī)械組成的物質(zhì)更重要。機(jī)器既是生產(chǎn)工具和設(shè)備，也是工廠信息網(wǎng)絡(luò)的延伸。機(jī)器不僅減輕了人的體力，也改變了人的腦力使用習(xí)慣，它可以識(shí)別工件、與人交互，按照預(yù)先設(shè)置好的控制程序去工作。機(jī)器之間能夠相互進(jìn)行通信，在各種傳感設(shè)備的幫助下，可以共同完成加工任務(wù)，形成物聯(lián)網(wǎng)化的可視化智能制造車間。

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(編輯汪藝)

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Role of visualization technology in intelligent manufacturing

FENG Xiaobing①, LIU Wenlong②, DU Dong①

(①Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, CHN; ②Shanghai TsingPei Smart Science & Technology Corporation, Shanghai 201210, CHN)

Nowadays, manufacturing industry are faced with the need to reduce cost and be more competitive with the fewest of resources. Connectivity to different devices or machines for data gathering and the need to analyze and visualize data in real time is ever more important, especially in internal and external environment. Recently, visualization systems have taken a significant step forward incorporating advanced hardware with processing 3D graphics into the commercial product. Result is that providing more compelling visualization applications to plant data is the key milestone to having a competitive advantage. This paper presents how visualization technology is playing the important role in a whole intelligent manufacturing.

visualization; intelligent manufacturing; industry 4.0; graphics; visual sensor

T-TN

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.004

馮消冰，男，1981年生，博士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方面為機(jī)械設(shè)計(jì)。

2015-11-27)

160620