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工业 4.0与工业计量的未来
来源:广东斐克
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作者:gdphic
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发布时间: 2016-04-05
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1. 介绍：工业4.0与信息物理融合系统
工业4.0为德国政府对于工业生产未来发展所发起的倡议，该术语通常理解为制造产业、信息技术及所有与之相关活动的融合。
面向工业生产的“工业4.0”概念亦称为“信息物理融合概念”，依据VDI/VDE协会7.20及7.21（德国工程师协会“自动化应用领域”之技术部分）的定义，信息物理融合系统 (CPS) 通过开放实时的互联互通信息网络关联了信息处理(虚拟)对象过程与现实(物理)对象过程。
信息物理融合生产系统 (CPPS) 是一种特用于生产的信息物理系统CPS （图1）
图1 信息物理融合生产系统
工业4.0为德国政府对于工业生产未来发展所发起的倡议，该术语通常理解为制造产业、信息技术及所有与之相关活动的融合。
面向工业生产的“工业4.0”概念亦称为“信息物理融合概念”，依据VDI/VDE协会7.20及7.21（德国工程师协会“自动化应用领域”之技术部分）的定义，信息物理融合系统 (CPS) 通过开放实时的互联互通信息网络关联了信息处理(虚拟)对象过程与现实(物理)对象过程。
信息物理融合生产系统 (CPPS) 是一种特用于生产的信息物理系统CPS （图1）
图1 信息物理融合生产系统
2. 工业计量路线图
工业计量的趋势与挑战迎合了路线图中工业制造趋势关键词快速、精确、可靠（安全）与灵活。与此同时，全面的技术例如CT及三维光学法越趋重要，参见以下相关描述（图 2）。
图2 VDI工业计量2020路线图的要求及趋势 (2015年更新版)
2.1 快速
首先，测量速度指的是计量方案的应用及发展可实现产品质量信息的更快获取，例如对于某类应用领域，光学测量技术扮演着非常重要的角色。
其次，将测量紧凑地集成于生产过程，特别是通过自动化方式，将实现测量数据的更快传递及更高效的测量数据使用。该方法将缩减甚至于消除产品运输到测量设备的时间。再者，测量信息可直接用于生产及闭环控制, 实现信息的高效率自动传递，此类制造数字化的发展及收益亦是工业4.0的主题之一。
图3 展示了两种方案的融合：生产线集成融合多功能图像处理及多线激光三角光学传感器的机器人实现车身在线检测。
图3 于生产线集成基于机器人的光学多功能传感器实现快速测量
图4 基于某超高精度坐标测量机（PRISMO ultra/RT-AB）与常规形状测试仪器（Formtester）的形状量测比对
工业计量的趋势与挑战迎合了路线图中工业制造趋势关键词快速、精确、可靠（安全）与灵活。与此同时，全面的技术例如CT及三维光学法越趋重要，参见以下相关描述（图 2）。
图2 VDI工业计量2020路线图的要求及趋势 (2015年更新版)
以下结合相关例证阐述路线图所涉及的关键词:
2.1 快速
首先，测量速度指的是计量方案的应用及发展可实现产品质量信息的更快获取，例如对于某类应用领域，光学测量技术扮演着非常重要的角色。
其次，将测量紧凑地集成于生产过程，特别是通过自动化方式，将实现测量数据的更快传递及更高效的测量数据使用。该方法将缩减甚至于消除产品运输到测量设备的时间。再者，测量信息可直接用于生产及闭环控制, 实现信息的高效率自动传递，此类制造数字化的发展及收益亦是工业4.0的主题之一。
图3 展示了两种方案的融合：生产线集成融合多功能图像处理及多线激光三角光学传感器的机器人实现车身在线检测。
图3 于生产线集成基于机器人的光学多功能传感器实现快速测量
2.2 精确
测量精度要求伴随着产业苛刻的质量要求不断提升，其精度量化的相关术语依据于ISO标准中“测量不确定度”部分。工业计量不确定度技术发展体现于EURAMET（欧洲国家计量研究院协会）所发布的计量科学技术路线图，整体计量应用领域呈现了往更低测量不确定度发展的趋势。
图4 阐述了形状计量的最新进展，当前坐标测量机（CMM）已可达到专用形状测量仪器的性能水平，使得坐标测量机实现更高效应用成为可能。
测量精度要求伴随着产业苛刻的质量要求不断提升，其精度量化的相关术语依据于ISO标准中“测量不确定度”部分。工业计量不确定度技术发展体现于EURAMET（欧洲国家计量研究院协会）所发布的计量科学技术路线图，整体计量应用领域呈现了往更低测量不确定度发展的趋势。
图4 阐述了形状计量的最新进展，当前坐标测量机（CMM）已可达到专用形状测量仪器的性能水平，使得坐标测量机实现更高效应用成为可能。
图4 基于某超高精度坐标测量机（PRISMO ultra/RT-AB）与常规形状测试仪器（Formtester）的形状量测比对
2.3 可靠
当考虑工业产品合格评定时测量不确定度正变得更趋重要，最新发布的ISO 9001关于监控与测量方法独立章节主要部分即涉及量测可追溯性，而这仅是说明此主题日趋重要的例证之一。
确定测量不确定度的标准化流程正变得越发具有建设性，亦可实现基于任务的快捷修改及定制化，标准器的校准要求更专注于确定测量不确定度而非产品特性检测。对于生产而言，简化的流程将成产业标准，而对于产业中涉及安全因素的产品，测量不确定度的记录更尤为重要，例如医疗器械、航空航天等着重于安全改善的实践。另外基于蒙特卡洛法的测量不确定度评定的测量过程辅助仿真变得越发重要。与此同时，市场上已具备面向标准器校准的形状检测仪器、坐标测量机及不同的测量方法，以用户为导向的方案对于更广泛推广具有其必要性。
然而，特别对于此类复合型的检测装备例如坐标测量机，计量设备使用者的技术能力是获取可靠测量值的关键要素，自德国开始启动一项独立于工业制造的资质培训课程，现已在不同的国家得以采用。（图5）
图 5 AUKOM （面向工业测量技术的全球培训标准）
当考虑工业产品合格评定时测量不确定度正变得更趋重要，最新发布的ISO 9001关于监控与测量方法独立章节主要部分即涉及量测可追溯性，而这仅是说明此主题日趋重要的例证之一。
确定测量不确定度的标准化流程正变得越发具有建设性，亦可实现基于任务的快捷修改及定制化，标准器的校准要求更专注于确定测量不确定度而非产品特性检测。对于生产而言，简化的流程将成产业标准，而对于产业中涉及安全因素的产品，测量不确定度的记录更尤为重要，例如医疗器械、航空航天等着重于安全改善的实践。另外基于蒙特卡洛法的测量不确定度评定的测量过程辅助仿真变得越发重要。与此同时，市场上已具备面向标准器校准的形状检测仪器、坐标测量机及不同的测量方法，以用户为导向的方案对于更广泛推广具有其必要性。
然而，特别对于此类复合型的检测装备例如坐标测量机，计量设备使用者的技术能力是获取可靠测量值的关键要素，自德国开始启动一项独立于工业制造的资质培训课程，现已在不同的国家得以采用。（图5）
图 5 AUKOM （面向工业测量技术的全球培训标准）
2.4 灵活
面向生产领域的测量方案已更趋灵活及多样化。
现常见具有不同测量方法的多传感器（复合式）测量机，通过结合不同测头传感器的测量数值实现数据融合，有效提升了系统灵活性的同时，其多功能复合性要求 对于人员培训不可忽视。
图6 为信息融合的应用案例
图 6 结合多测头传感器的坐标测量机实现模具检测的信息融合
面向生产领域的测量方案已更趋灵活及多样化。
现常见具有不同测量方法的多传感器（复合式）测量机，通过结合不同测头传感器的测量数值实现数据融合，有效提升了系统灵活性的同时，其多功能复合性要求 对于人员培训不可忽视。
图6 为信息融合的应用案例
图 6 结合多测头传感器的坐标测量机实现模具检测的信息融合
2.5 全面
包括边界投影及摄像测量等获取产品整体外形轮廓数据的方法已得到广泛的应用，借助于计算机断层扫描（CT）技术更可获取内部结构数据。现今CT技术已用于注塑或压铸制品的缺陷分析及尺寸量测，更重要的是，CT数据可应用于面向注塑模具领域的高效修模。（图 7）
此类技术要求需基于计算机系统的数学算法评定，海量的数据对于计算机的处理能力提出新的挑战，而工业4.0则有效推动了工业制造及工业计量数字化的发展。
图 7 基于CT测量技术的注塑模具修正
包括边界投影及摄像测量等获取产品整体外形轮廓数据的方法已得到广泛的应用，借助于计算机断层扫描（CT）技术更可获取内部结构数据。现今CT技术已用于注塑或压铸制品的缺陷分析及尺寸量测，更重要的是，CT数据可应用于面向注塑模具领域的高效修模。（图 7）
此类技术要求需基于计算机系统的数学算法评定，海量的数据对于计算机的处理能力提出新的挑战，而工业4.0则有效推动了工业制造及工业计量数字化的发展。
图 7 基于CT测量技术的注塑模具修正
3. 信息技术环境下的计量：通讯与标准化
不同计量层级的接口与环境及测量技术相关联，此类层级通过下图配备视像传感器的坐标测量机以说明。（图8）
首先通过以太网图像传输接口联接视像传感器与坐标测量机, 并通过软件接口DME I++ 与上层级交互作用，继而实现测量系统交互层软件与用户的人机对话，与此同时，通过信息技术连接输入数据特性信息，例如携带产品特性信息的产品制造信息PMI与产品外形数据（例如多种格式的CAD标准格式）、连接输出测量结果信息（例如标准的DMIS输出或其它的基于ASCII的格式）。
图 8 配备视像传感器的坐标测量机信息技术连接层（接口）
（PMI=产品与制造信息，DME I++=尺寸测量设备接口）
不同计量层级的接口与环境及测量技术相关联，此类层级通过下图配备视像传感器的坐标测量机以说明。（图8）
首先通过以太网图像传输接口联接视像传感器与坐标测量机, 并通过软件接口DME I++ 与上层级交互作用，继而实现测量系统交互层软件与用户的人机对话，与此同时，通过信息技术连接输入数据特性信息，例如携带产品特性信息的产品制造信息PMI与产品外形数据（例如多种格式的CAD标准格式）、连接输出测量结果信息（例如标准的DMIS输出或其它的基于ASCII的格式）。
图 8 配备视像传感器的坐标测量机信息技术连接层（接口）
（PMI=产品与制造信息，DME I++=尺寸测量设备接口）
3. 结论
现代测量技术广泛集中采用信息技术部件, 离开信息技术包括CT等涉及坐标测量的众多应用将无法实现。自80年代至今，网络化及测量数据的更深入应用是科学研究主题之一，制造流程的测量数据自动反馈得以发展及实现。这些方案给出了工业4.0的答案，测量技术做为数据提供者亦可理解为工业4.0概念的接口。
更重要的是，测量技术及信息获取将成为工业4.0的驱动者，在信息物理融合生产系统（CPPS）中关联“虚拟世界”与“现实世界”，同时，借助于有效的数据库系统将更利于信息世界的流程虚拟化。
因此，数据的有效性与处理将是工业4.0时代工业测量的中心主题，测量技术于此时代的发展必须扮演着引领角色。
图 9 通过理论（CAD模型）与实际产品外形的量测比对阐述关联虚拟与现实世界的计量
现代测量技术广泛集中采用信息技术部件, 离开信息技术包括CT等涉及坐标测量的众多应用将无法实现。自80年代至今，网络化及测量数据的更深入应用是科学研究主题之一，制造流程的测量数据自动反馈得以发展及实现。这些方案给出了工业4.0的答案，测量技术做为数据提供者亦可理解为工业4.0概念的接口。
更重要的是，测量技术及信息获取将成为工业4.0的驱动者，在信息物理融合生产系统（CPPS）中关联“虚拟世界”与“现实世界”，同时，借助于有效的数据库系统将更利于信息世界的流程虚拟化。
因此，数据的有效性与处理将是工业4.0时代工业测量的中心主题，测量技术于此时代的发展必须扮演着引领角色。
图 9 通过理论（CAD模型）与实际产品外形的量测比对阐述关联虚拟与现实世界的计量
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