利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)地腳螺栓生產(chǎn)中可靠的實(shí)時(shí)質(zhì)檢
在這個(gè)應(yīng)用中，一家專門(mén)從事緊固件生產(chǎn)跨國(guó)公司需要生產(chǎn)各種地腳螺栓。瑞士東部應(yīng)用科技大學(xué)（Ostschweizer Fachhochschule）的布克斯校區(qū)最近開(kāi)展了一個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，旨在從現(xiàn)有的設(shè)備數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)確定相關(guān)金屬套筒的密封質(zhì)量，并將其作為學(xué)士學(xué)位論文的一部分。實(shí)踐證明，通過(guò)倍福 TwinCAT Machine Learning 軟件實(shí)施的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）是一種合適的解決方案。
機(jī)械地腳螺栓一般由螺栓、墊圈、六角螺母和金屬套筒組成。套筒和鉆孔壁之間的摩擦力確保了在使用時(shí)有足夠的附著力。用金屬螺栓的錐形頭分開(kāi)套筒與鉆孔，以便給鉆孔施加附著力所需的正向力。
項(xiàng)目目標(biāo)
該項(xiàng)目由研發(fā)工程師 Robin Vetsch 負(fù)責(zé)，作為瑞士東部應(yīng)用科技大學(xué)系統(tǒng)科技學(xué)士學(xué)位課程的一部分，重點(diǎn)關(guān)注預(yù)成型沖孔套筒封閉連接地腳螺栓錐頸的密封過(guò)程。預(yù)成型的金屬套筒采用新開(kāi)發(fā)的制造方案，通過(guò)兩個(gè)伺服缸密封在螺栓頸部。兩個(gè)伺服缸由倍福的 AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器精確控制。
這個(gè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文項(xiàng)目的目標(biāo)是借助機(jī)器學(xué)習(xí)方法開(kāi)發(fā)一個(gè)全自動(dòng)質(zhì)檢程序。質(zhì)檢程序?qū)H使用現(xiàn)有的設(shè)備數(shù)據(jù)源，即無(wú)需安裝額外的傳感器。在開(kāi)展這個(gè)項(xiàng)目之前，操作人員基本都是使用量具手動(dòng)檢查螺栓套筒的密封質(zhì)量?，F(xiàn)在表明，根據(jù)質(zhì)量規(guī)范，所有外殼都可以分為三個(gè)不同的等級(jí)（閉合過(guò)松，正好，閉合過(guò)緊）。此外，需要使用回歸分析法預(yù)測(cè)包圍套筒關(guān)鍵的幾何數(shù)據(jù)（套筒寬度、高度和開(kāi)口）。對(duì)密封過(guò)程進(jìn)行 100% 檢驗(yàn)可以在早期階段檢測(cè)出異常趨勢(shì)或偏差。
一個(gè)圓柱形測(cè)試套筒用作質(zhì)量基準(zhǔn)。用套筒密封的螺栓必須完全適合這個(gè)規(guī)格，也就是說(shuō)，套筒不能把螺栓閉合得過(guò)緊或過(guò)松。根據(jù)對(duì)密封過(guò)程進(jìn)行的各種 FEM 仿真結(jié)果，定義會(huì)影響密封結(jié)果的參數(shù)。然后根據(jù)這些信息進(jìn)行調(diào)整，隨后進(jìn)行大量的密封測(cè)試，期間用 TwinCAT Scope 軟件示波器記錄來(lái)自兩個(gè)伺服缸的所有重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如功耗、扭矩和伺服電機(jī)的滯后誤差。
將 ML 集成到設(shè)備控制器中
在一個(gè)經(jīng)典的 ML 框架內(nèi)開(kāi)發(fā)了一個(gè)非常強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)回歸模型（這里是 Scikit Learn），并在所記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行訓(xùn)練。機(jī)器學(xué)習(xí)框架內(nèi)的工作包括準(zhǔn)備和選擇數(shù)據(jù)、建模和訓(xùn)練合適的 ML 算法及其評(píng)價(jià)。在這個(gè)開(kāi)發(fā)步驟中會(huì)生成一個(gè)訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，它表示輸入和目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。在 TwinCAT 3 中布署訓(xùn)練好的 ML 模型接口與數(shù)據(jù)接口一樣都是開(kāi)放式的，并支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換（ONNX）格式。
項(xiàng)目的下一步是將訓(xùn)練好的 ML 模型實(shí)時(shí)集成到設(shè)備控制器中。Robin Vetsch 介紹說(shuō)，他們?yōu)榇耸褂昧?TwinCAT 3 Neural Network Inference Engine（TF3810），有了這個(gè)軟件，只需幾行代碼，即可使用非常簡(jiǎn)單的方式在 TwinCAT 實(shí)時(shí)環(huán)境中實(shí)施轉(zhuǎn)換為 ONNX 格式的模型。在進(jìn)行此類(lèi)在 TwinCAT 3 中布署 ML 模型時(shí)，導(dǎo)出的 ML 模型被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式（.bml），然后存儲(chǔ)在目標(biāo)系統(tǒng)（嵌入式控制器或控制柜式 PC）中。在加載 .bml 文件后，Runtime 模型將自身配置為在工業(yè) PC 的 CPU 上有效地執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型的推理計(jì)算。這樣可以就確保所生成的模塊是一個(gè)實(shí)時(shí)推理引擎，能夠無(wú)縫集成到 TwinCAT 3 中，并支持 TwinCAT 3 中所有常見(jiàn)的編程方法：從 PLC、C/C++ 或直接通過(guò)循環(huán)任務(wù)調(diào)用該模塊。
項(xiàng)目取得重大成果
由于執(zhí)行了為檢測(cè)地腳螺栓而訓(xùn)練好的 ML模型，因此能夠以 +/-0.15 毫米的精度（相當(dāng)于相對(duì)誤差低于 2%）分析評(píng)估密封套筒的高度和寬度，并能夠以 10% 的相對(duì)誤差分析套筒開(kāi)口。它可以作為一個(gè)簡(jiǎn)化后的近似值，確定所使用的測(cè)試套筒是否滿足規(guī)定密封套筒的高度和寬度。我們?yōu)榇耸褂昧?MLP（多層感知機(jī)）類(lèi)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模型的輸出變量是套筒寬度、高度和開(kāi)口的估算值。通過(guò)在 PLC 中定義的簡(jiǎn)單極限值，還可以實(shí)現(xiàn)除回歸分析法之外的簡(jiǎn)單分類(lèi)法。
據(jù) Robin Vetsch 介紹，公司通過(guò)基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測(cè)獲得了很多優(yōu)勢(shì)。這樣，無(wú)需額外的傳感器或測(cè)試工位即可實(shí)現(xiàn) 100% 在線質(zhì)量檢測(cè)。此外，每個(gè)密封過(guò)程的現(xiàn)有質(zhì)量數(shù)據(jù)可用于進(jìn)行更詳細(xì)的分析。ML 解決方案的實(shí)時(shí)能力為盡早剔除檢測(cè)到的壞件提供了最佳基礎(chǔ)。最后，通過(guò) TwinCAT HMI 的詳細(xì)趨勢(shì)顯示，操作人員可以在需要時(shí)迅速做出響應(yīng)。
圖片注釋：
測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可視化顯示
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)（左起）：OST 計(jì)算工程研究所（ICE）科學(xué)助理 Christian Egger，ICE 講師 Christoph Würsch 教授博士，以及研發(fā)工程師 Robin Vetsch
將套筒寬度作為套筒密封質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之一來(lái)表示
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）公司總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和TwinCAT自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。倍福于1997年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，致力于幫助制造企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加速轉(zhuǎn)型升級(jí)。倍福在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)，公司所倡導(dǎo)的PC控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合，助力實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造。憑借領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和豐富的行業(yè)知識(shí)，倍福的創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、物流輸送以及樓宇自控等眾多領(lǐng)域。
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