利用機器學習實現地腳螺栓生產中可靠的實時質檢  
  在這個應用中，一家專門從事緊固件生產跨國公司需要生產各種地腳螺栓。瑞士東部應用科技大學（Ostschweizer Fachhochschule）的de布bu克ke斯si校xiao區qu最zui近jin開kai展zhan了le一yi個ge開kai發fa項xiang目mu
，旨zhi在zai從cong現xian有you的de設she備bei數shu據ju中zhong實shi時shi確que定ding相xiang關guan金jin屬shu套tao筒tong的de密mi封feng質zhi量liang，並bing將jiang其qi作zuo為wei學xue士shi學xue位wei論lun文wen的de一yi部bu分fen。實shi踐jian證zheng明ming，通tong過guo倍bei福fu TwinCAT Machine Learning 軟件實施的機器學習（ML）是一種合適的解決方案。  
  機械地腳螺栓一般由螺栓、墊圈、六liu角jiao螺luo母mu和he金jin屬shu套tao筒tong組zu成cheng。套tao筒tong和he鑽zuan孔kong壁bi之zhi間jian的de摩mo擦ca力li確que保bao了le在zai使shi用yong時shi有you足zu夠gou的de附fu著zhe力li。用yong金jin屬shu螺luo栓shuan的de錐zhui形xing頭tou分fen開kai套tao筒tong與yu鑽zuan孔kong，以yi便bian給gei鑽zuan孔kong施shi加jia附fu著zhe力li所suo需xu的de正zheng向xiang力li。  
  項目目標  
  該項目由研發工程師 Robin Vetsch 負(fu)責(ze)
，作(zuo)為(wei)瑞(rui)士(shi)東(dong)部(bu)應(ying)用(yong)科(ke)技(ji)大(da)學(xue)係(xi)統(tong)科(ke)技(ji)學(xue)士(shi)學(xue)位(wei)課(ke)程(cheng)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)
，重(zhong)點(dian)關(guan)注(zhu)預(yu)成(cheng)型(xing)衝(chong)孔(kong)套(tao)筒(tong)封(feng)閉(bi)連(lian)接(jie)地(di)腳(jiao)螺(luo)栓(shuan)錐(zhui)頸(jing)的(de)密(mi)封(feng)過(guo)程(cheng)。預(yu)成(cheng)型(xing)的(de)金(jin)屬(shu)套(tao)筒(tong)采(cai)用(yong)新(xin)開(kai)發(fa)的(de)製(zhi)造(zao)方(fang)案(an)，通(tong)過(guo)兩(liang)個(ge)伺(si)服(fu)缸(gang)密(mi)封(feng)在(zai)螺(luo)栓(shuan)頸(jing)部(bu)。兩(liang)個(ge)伺(si)服(fu)缸(gang)由(you)倍(bei)福(fu)的(de) AX5206 伺服驅動器精確控製。  
  zhegexueshixueweibiyelunwenxiangmudemubiaoshijiezhujiqixuexifangfakaifayigequanzidongzhijianchengxu。zhijianchengxujiangjinshiyongxianyoudeshebeishujuyuan，jiwuxuanzhuangewaidechuanganqi。zaikaizhanzhegexiangmuzhiqian，caozuorenyuanjibendoushishiyongliangjushoudongjianzhaluoshuantaotongdemifengzhiliang。xianzaibiaoming，genjuzhiliangguifan
，suoyouwaikedoukeyifenweisangebutongdedengji（閉合過鬆，正好，閉合過緊）。此外
，需要使用回歸分析法預測包圍套筒關鍵的幾何數據（套筒寬度

、高度和開口）。對密封過程進行 100% 檢驗可以在早期階段檢測出異常趨勢或偏差。  
  一(yi)個(ge)圓(yuan)柱(zhu)形(xing)測(ce)試(shi)套(tao)筒(tong)用(yong)作(zuo)質(zhi)量(liang)基(ji)準(zhun)。用(yong)套(tao)筒(tong)密(mi)封(feng)的(de)螺(luo)栓(shuan)必(bi)須(xu)完(wan)全(quan)適(shi)合(he)這(zhe)個(ge)規(gui)格(ge)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，套(tao)筒(tong)不(bu)能(neng)把(ba)螺(luo)栓(shuan)閉(bi)合(he)得(de)過(guo)緊(jin)或(huo)過(guo)鬆(song)。根(gen)據(ju)對(dui)密(mi)封(feng)過(guo)程(cheng)進(jin)行(xing)的(de)各(ge)種(zhong) FEM 仿真結果

，定義會影響密封結果的參數。然後根據這些信息進行調整，隨後進行大量的密封測試，期間用 TwinCAT Scope 軟件示波器記錄來自兩個伺服缸的所有重要實時數據，如功耗、扭矩和伺服電機的滯後誤差。  
  將 ML 集成到設備控製器中  
  在一個經典的 ML 框架內開發了一個非常強大的機器學習回歸模型（這裏是 Scikit Learn），並在所記錄的測試數據基礎上進行訓練。機器學習框架內的工作包括準備和選擇數據、建模和訓練合適的 ML 算法及其評價。在這個開發步驟中會生成一個訓練好的機器學習模型，它表示輸入和目標數據之間的關係。在 TwinCAT 3 中布署訓練好的 ML 模型接口與數據接口一樣都是開放式的，並支持行業標準的開放式神經網絡交換（ONNX）格式。  
  項目的下一步是將訓練好的 ML 模型實時集成到設備控製器中。Robin Vetsch 介紹說，他們為此使用了 TwinCAT 3 Neural Network Inference Engine（TF3810），有了這個軟件，隻需幾行代碼
，即可使用非常簡單的方式在 TwinCAT 實時環境中實施轉換為 ONNX 格式的模型。在進行此類在 TwinCAT 3 中布署 ML 模型時，導出的 ML 模型被轉換為二進製格式（.bml），然後存儲在目標係統（嵌入式控製器或控製櫃式 PC）中。在加載 .bml 文件後，Runtime 模型將自身配置為在工業 PC 的 CPU 上有效地執行機器學習模型的推理計算。這樣可以就確保所生成的模塊是一個實時推理引擎，能夠無縫集成到 TwinCAT 3 中，並支持 TwinCAT 3 中所有常見的編程方法：從 PLC、C/C++ 或直接通過循環任務調用該模塊。  
  項目取得重大成果  
  由於執行了為檢測地腳螺栓而訓練好的 ML模型
，因此能夠以 +/-0.15 毫米的精度（相當於相對誤差低於 2%）分析評估密封套筒的高度和寬度
，並能夠以 10% 的(de)相(xiang)對(dui)誤(wu)差(cha)分(fen)析(xi)套(tao)筒(tong)開(kai)口(kou)。它(ta)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)簡(jian)化(hua)後(hou)的(de)近(jin)似(si)值(zhi)，確(que)定(ding)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)測(ce)試(shi)套(tao)筒(tong)是(shi)否(fou)滿(man)足(zu)規(gui)定(ding)密(mi)封(feng)套(tao)筒(tong)的(de)高(gao)度(du)和(he)寬(kuan)度(du)。我(wo)們(men)為(wei)此(ci)使(shi)用(yong)了(le) MLP（多層感知機）類型的神經網絡。模型的輸出變量是套筒寬度
、高度和開口的估算值。通過在 PLC 中定義的簡單極限值

，還可以實現除回歸分析法之外的簡單分類法。   
  據 Robin Vetsch 介紹
，公司通過基於數據的質量檢測獲得了很多優勢。這樣，無需額外的傳感器或測試工位即可實現 100% 在線質量檢測。此外
，每個密封過程的現有質量數據可用於進行更詳細的分析。ML 解決方案的實時能力為盡早剔除檢測到的壞件提供了最佳基礎。最後
，通過 TwinCAT HMI 的詳細趨勢顯示，操作人員可以在需要時迅速做出響應。
  圖片注釋：  

  測試統計數據的可視化顯示  

  項目團隊（左起）：OST 計算工程研究所（ICE）科學助理 Christian Egger


，ICE 講師 Christoph Würsch 教授博士，以及研發工程師 Robin Vetsch  

 
  將套筒寬度作為套筒密封質量標準之一來表示  

  關於德國倍福（BECKHOFF）              
  德國倍福自動化有限公司的總部位於德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構，加上全球的合作夥伴，目前公司業務已遍及70多個國家和地區。              
  倍福始終以基於PC的自動化新技術作為公司的發展理念，所生產的工業PC
、 現場總線模塊
、驅動產品和 TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。30多年來
，倍福公司的元件和係統解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。2001年3月德國倍福在北京設立中國區第一個代表處，2007年5月德國倍福在上海成立獨資公司，並將中國區總部遷至上海。此後公司業務進入了一個快速發展時期，目前已在北京、廣州
、成都、武漢、南京等全國26個大中城市設立了辦 事處。隨著倍福各種具有良好性價比的新產品、新技術不斷進入中國市場，其勇於打破傳統控製模式，傾力推廣PC控製技術的理念已被越來越多的中國用戶所接受。             
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