可視化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

王石

摘 要智能制造系統(tǒng)集人工智能，物聯(lián)網(wǎng)等于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主決策，不斷優(yōu)化。但由于制造過(guò)程的復(fù)雜性，現(xiàn)階段的智能制造系統(tǒng)仍然離不開(kāi)人機(jī)交互與協(xié)同，可視化是人機(jī)交互的基礎(chǔ)，可視化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在智能制造中具有廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】可視化技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng) 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 智能制造

1 可視化技術(shù)

1.1 可視化技術(shù)的定義

可視化技術(shù)，是指可以將復(fù)雜或者特定流程簡(jiǎn)單化，以圖像化地方式表達(dá)和呈現(xiàn)，便于用戶(hù)能夠更直觀(guān)，更簡(jiǎn)單地理解的工作過(guò)程、洞察數(shù)據(jù)規(guī)律。能夠?qū)?fù)雜、難以理解的事務(wù)或者流程、數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的過(guò)程均可以稱(chēng)為可視化。

1.2 可視化技術(shù)的分類(lèi)

除了科學(xué)計(jì)算可視化外，還包括數(shù)據(jù)可視化，信息可視化以及知識(shí)可視化。科學(xué)計(jì)算可視化，是通過(guò)計(jì)算機(jī)的圖形圖像技術(shù)，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)圖形圖像形式呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)可視化，是將數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后通過(guò)圖像的形式呈現(xiàn)，以便更加直觀(guān)的洞察數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，數(shù)據(jù)的可視化通常也包含了科學(xué)計(jì)算的可視化。信息可視化，是通過(guò)更便于用戶(hù)理解的圖像形式，將信息和數(shù)據(jù)融合處理，一同呈現(xiàn)給用戶(hù)，通過(guò)信息可視化，用戶(hù)可以體驗(yàn)到更方便高效的服務(wù)。知識(shí)可視化，主要通過(guò)視覺(jué)圖像，幫助知識(shí)的傳播和創(chuàng)新，通過(guò)圖像幫助人們記憶并應(yīng)用較為復(fù)雜抽象的知識(shí)。

1.3 可視化設(shè)計(jì)與仿真

可視化設(shè)計(jì)與仿真大量應(yīng)用在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，可視化設(shè)計(jì)的流程一般為創(chuàng)建模型、可視化仿真、結(jié)果分析以及缺陷修改等。

1.3.1 創(chuàng)建模型

創(chuàng)建模型是可視化設(shè)計(jì)的首要步驟，通常是根據(jù)實(shí)際事物創(chuàng)建計(jì)算機(jī)三維圖形，并通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)模型的結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系，模型是可視化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，也是實(shí)施仿真的基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)象不同，模型具有差異性。比如要進(jìn)行裝配的可視化設(shè)計(jì)，第一步就是要?jiǎng)?chuàng)建裝配模型，確保裝配部件的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照要求的大小，形狀等。

1.3.2 可視化仿真

可視化仿真是指在創(chuàng)建模型之后，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬模型的運(yùn)作，即進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真操作。其操作內(nèi)容不外乎模型驗(yàn)證、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及變參數(shù)試驗(yàn)。模型驗(yàn)證在仿真中非常重要。如果模型存在問(wèn)題，那么后續(xù)研究必將存在誤差，所以模型驗(yàn)證必不可少。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是為了結(jié)果分析做準(zhǔn)備，需要詳細(xì)監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)。變參數(shù)試驗(yàn)，是通過(guò)變參數(shù)，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，找出產(chǎn)品性能最好的狀態(tài)。

1.3.3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)可視化仿真得到的結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、曲線(xiàn)繪制、仿真動(dòng)畫(huà)和最優(yōu)方案選擇，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)模型中存在的不足，并及時(shí)完善方案，增加方案的可行性和科學(xué)性，是可視化技術(shù)的核心內(nèi)容。

1.3.4 缺陷修改

在結(jié)束結(jié)果分析之后，一般都會(huì)出現(xiàn)部分顯而易見(jiàn)的不足之處，包括零件缺陷、工藝偏差、運(yùn)行漏洞和方案不合理等問(wèn)題，此時(shí)就要及時(shí)解決這些問(wèn)題。

1.4 視覺(jué)傳感器技術(shù)

視覺(jué)傳感器可以幫助我們創(chuàng)建模型，以及快速實(shí)現(xiàn)可視化工程。視覺(jué)傳感器技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論的裙帶技術(shù)，主要應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備及日常生活等領(lǐng)域中。視覺(jué)傳感器的檢測(cè)技術(shù)不用直接接觸物體就可進(jìn)行檢測(cè)。除此之外，該技術(shù)自動(dòng)化程度高，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果更加精準(zhǔn)，并隨時(shí)可以使用。

2 可視化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

2.1 智能制造的定義

通互聯(lián)網(wǎng)等新型信息技術(shù)，統(tǒng)一協(xié)同制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，并具有自我檢測(cè)和優(yōu)化功能的制造系統(tǒng)，稱(chēng)為智能制造系統(tǒng)。智能制造的特點(diǎn)之一就是信息網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際生產(chǎn)相互結(jié)合，信息系統(tǒng)不僅能夠使制造業(yè)的生產(chǎn)方式更加科學(xué)化，使其制造效率大幅度提升，而且通過(guò)制造信息和設(shè)備聯(lián)網(wǎng)可向其他制造相關(guān)環(huán)節(jié)不斷延伸，提升制造效能以及實(shí)施協(xié)同制造。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)支撐點(diǎn)，依靠生產(chǎn)線(xiàn)不斷擴(kuò)散，是現(xiàn)在制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 智能工廠(chǎng)的可視化

三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理平臺(tái)對(duì)企業(yè)智能工廠(chǎng)地形地貌、建筑、車(chē)間結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備等進(jìn)行幾何建模，直觀(guān)、真實(shí)、精確地展示各種制造設(shè)施、設(shè)備形狀及生產(chǎn)工藝的組織關(guān)系，設(shè)施、設(shè)備的分布和拓?fù)淝闆r。使用戶(hù)在電腦上就可以瀏覽整個(gè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如同親臨現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)系統(tǒng)將裝置模型與實(shí)時(shí)、檔案等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綁定在一起，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在三維場(chǎng)景中的快速定位與基礎(chǔ)信息查詢(xún)。三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理平臺(tái)可以對(duì)企業(yè)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)信息采集、報(bào)警、控制等管理。系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的溫度、濕度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、開(kāi)關(guān)等實(shí)時(shí)信息進(jìn)行采集和分析，當(dāng)工作條件出現(xiàn)異常時(shí)，可及時(shí)顯示、報(bào)警。

2.3 自動(dòng)焊接中的可視化

通過(guò)可視化技術(shù)，可以將焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，及時(shí)處理可能發(fā)生的問(wèn)題，可以大大提高焊接質(zhì)量，并有效地控制焊接過(guò)程，避免因自身視覺(jué)受到強(qiáng)光的影響，導(dǎo)致焊接不夠準(zhǔn)確。可視化技術(shù)與制造執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)合為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化機(jī)器人焊接提供了技術(shù)基礎(chǔ)，除此之外，可視化技術(shù)還可以進(jìn)行焊后無(wú)損檢測(cè)，對(duì)焊縫進(jìn)行定量描述，及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫是否存在損失等，從而減少焊縫誤差，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

作為可視化與制造物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)之一，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在能源、交通、化工、食品、制藥等行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可視化。SCADA系統(tǒng)綜合利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成了對(duì)測(cè)控點(diǎn)分散的各種過(guò)程或設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，本地或遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制，以生產(chǎn)過(guò)程的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、優(yōu)化和故障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及手段。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，可視化技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正逐步應(yīng)用到制造業(yè)中，在實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程和制造設(shè)備的可視化方面為智能制造提供了基礎(chǔ)。可視化技術(shù)的應(yīng)用不僅降低了用戶(hù)的工作負(fù)擔(dān)，也改變了人們以往的思維習(xí)慣。用戶(hù)可以在可視化技術(shù)的幫助下，與其他機(jī)器進(jìn)行交流，共同完成生產(chǎn)工作，使得制造車(chē)間更加智能化。

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作者單位

1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系 廣東省東莞市 523808

2.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院 廣東省東莞市 523808