智能检测与智能控制：新时代的任务

任务导入

在线检测就是通过直接安装在生产线上的设备，利用软测量技术实时检测、反馈产品信息，以便更好地指导生产，减少不必要的浪费。

工业生产过程常常伴随着物理反应、化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量的转移、传递，因此工业生产过程是一个十分复杂的工业大系统，其本身就存在大量的不确定性和非线性因素。在生产过程中，通常伴随着十分苛刻的生产条件，如高温、高压、低温、真空、高粉尘和高湿度，有时甚至存在易燃、易爆或有毒物质，生产的安全性要求较高。同时，强调生产过程的实时性、整体性，各生产装置间还存在复杂的耦合、制约关系，要求从全局协调，以求整个生产装置运行平稳、高效。这种复杂特性使得在工业生产过程中很难建立起准确的数学模型。

近年来，随着科学技术的迅猛发展和市场竞争的日益激烈，为了保证产品的质量和经济效益，先进的控制系统纷纷被应用于工业生产过程中。然而，不管是在先进控制策略的应用过程中还是在对产品质量的直接控制过程中，一个最棘手的问题就是难以对产品的质量变量进行在线实时测量。受工艺、技术或者经济的限制，一些重要的过程参数和质量指标甚至难以通过硬件传感器在线检测。目前，工业生产过程中通常采用定时离线分析方法，即每隔一段时间进行一次采样，并送化验室进行人工分析，然后根据分析值来指导生产。由于时间滞后大，该方法远远不能满足在线控制的要求。

在线检测技术正是为了解决实时测量和控制问题而逐渐发展起来的。在线检测技术，源于推理控制中的推理估计器，即采集某些容易测量的变量（也称二次变量或辅助变量），并构造一个以这些易测变量为输入的数学模型来估计难测的主要变量（也称主导变量），从而为过程控制、质量控制、过程管理与决策等提供支持，也为进一步实现质量控制和过程优化奠定基础。在线检测技术已是现代流程工业和过程控制领域关键技术之一，它的成功应用将极大地推动在线质量控制和各种先进控制策略的实施，使生产过程控制得更加理想，对推进智能制造，实现无人生产、精益生产、准时制生产具有重大意义。

知识链接

在智能制造生产过程中，零部件尺寸的稳定性对质量控制和生产效率至关重要。在线测量设备能及时发现和辅助分析生产过程中潜在或出现的问题，对质量管理和高效生产意义重大。目前，主流柔性生产工艺的稳定性监控对在线测量设备的要求具有足够高的测量速度、精度以及良好的可靠性、柔性和现场适应性。传统的测量设备在测量速度、测量环境等方面都难以满足需要。图2-2-1 中的在线三坐标自动测量系统以自动运行检测的方式运行，用于自动生产线中批量控制产品相应位置关键特征尺寸的设备。生产线采用搬运机器人上下料。

图2-2-1　在线三坐标自动测量系统

1.硬件组成

在线三坐标自动测量系统主要包括三坐标测量机、作为测量机控制器的计算机、自动化电控柜、用于上下料的通用搬运机器人及废料箱。

作为测量设备，三坐标测量机不仅具有高精度的长度基准，而且还具有空间坐标值的读出和控制系统。现在三坐标测量机应用最广泛的长度基准是光栅，其后续的空间坐标值的读出和控制系统包括光栅读数模块、光栅信号处理模块和接口控制模块，其光栅读数测头输出的信号经过后续电路的处理（如放大整形、细分、方向、计数等），通过接口电路输入计算机进行数据处理。三坐标测量机一般将放大整形、电阻链六细分等放在一个卡中处理；将辨向电路、四细分电路、计数电路和接口电路放在另外一个卡中处理，一般称为接口卡，并与计算机直接相连。

该搬运机器人是垂直串联6 轴的工业机器人，它是面向工业领域的多关节、多自由度的机器装置，能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器设备。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，配合多样化的夹具，可以完成不同种类的工件上下料搬运任务。

自动化电控柜是为了实现整个系统的自动化运行，并能够融合进智能加工单元而设立的，其主要元件包括PLC（可编程逻辑控制器）、电磁阀、串行通信接口等。

2.在线三坐标自动测量系统功能

在线三坐标自动测量系统的主要功能是实现工件的自动化测量及上下料，在检测生产质量并甄别正品、废品的同时将测量数据生成质检报告，反馈给制造执行系统（MES），这样就实现了智能制造的在线测量，并配合制造执行系统进行生产控制。

在整个生产单元中，在线三坐标自动测量系统作为一个组成部分，工作流程由生产单元总控进行控制，系统结构图如图2-2-2所示。

图2-2-2　系统结构图

整个在线三坐标自动测量系统的运行流程图如图2-2-3所示。

图2-2-3　在线三坐标自动测量系统的运行流程图

1）开始(www.xing528.com)

当成品从加工区经过传送料道运送至测量区后，成品到达取料位。工件阻挡了光电对射开关，对射开关发出触发信号。生产单元总控告知搬运机器人和自动化电控柜PLC 准备开始测量。搬运机器人开始取料，准备给三坐标测量机上料，而自动化电控柜PLC 则控制电磁阀将三坐标测量机的气动夹具打开，准备完成后允许搬运机器人上料。

2）上料完成

搬运机器人上料后，工件被放置在夹具上，夹具上的接近开关发出触发信号。自动化电控柜PLC 控制电磁阀换向，夹具夹紧工件。气动夹具上的气缸到位后，到位开关发出夹具夹紧的信号，则自动化电控柜PLC 认为上料完成。

3）检测

上料完成后，自动化电控柜PLC 通知三坐标测量机的控制器，即计算机开始测量。计算机根据生产单元总控告知的工件类型调用对应的测量程序。

4）检测合格

测量程序运行结束后，三坐标测量机得到检测结果。根据测量程序中设置的超差量对比，确认工件是否合格，同时生成质检报告。

5）下料至废料箱

若工件不合格，则自动化电控柜PLC 通知生产单元总控，控制搬运机器人将工件下料至废料箱。下料过程信号交互与上料过程相反，即自动化电控柜PLC 首先控制电磁阀打开夹具，夹具张开到位后通知搬运机器人允许下料。

6）下料至下一工序

若工件合格，则自动化电控柜PLC 通知生产单元总控，控制搬运机器人将工件下料并搬运至下一工序。

7）发送质检报告

本次生产任务结束后，生产单元总控向MES 报告。此时通知自动化电控柜PLC，请求发送质检报告。自动化电控柜PLC 则控制计算机，由计算机搭载的三坐标测量机程序向MES 发送质检报告。

3.软件组成

在线三坐标自动测量系统控制器为自动化电控柜PLC，程序为PLC 梯形图。它与生产单元总控之间的信号交互主要是高电平触发信号。而三坐标测量机本身的控制由搭载对应控制软件（PCC-Control）的计算机来负责。在线三坐标自动测量系统向MES 发送质检报告也是由计算机根据TCP（传输控制协议）/IP（网际互联协议）通过生产单元总控向MES 服务器发送数据。

任务实施

1.解释下列名词：

在线检测

2.讨论分析下列问题：

（1）在线检测的特点及意义是什么？

（2）在线三坐标自动测量系统是否可以不经过上层控制器（生产单元总控）而独立控制运行？

知识拓展

在线三坐标自动测量系统当中有许多传感器用于检测反馈信号，以实现自动控制。它们属于哪种传感器？试讨论它们是否可以用其他种类的传感器来替代？