開發(fā)AI控制技術,對運行中的FA設備進行實時調整

　　三菱電機株式會社（以下簡稱三菱電機）和國立研究開發(fā)法人產業(yè)技術綜合研究所（以下簡稱產綜研）開發(fā)了能夠預測制造現(xiàn)場的環(huán)境變化和加工對象物的狀態(tài)變化，實時調整運行中的FA設備的加工速度等參數(shù)的AI控制技術。該技術使得FA設備的調整不再需要人手和耗費時間，同時將AI預測的加工誤差量等結果的可靠性形成指標，根據(jù)可靠性合理控制FA設備。這樣，即使在各種加工環(huán)境下也能實現(xiàn)高可靠性的穩(wěn)定動作，即使在品種多、數(shù)量不固定的生產制造工序中也能為提高生產效率做出貢獻。

　　實時調整的AI控制技術概念圖

　　開發(fā)背景

　　近年來，隨著用戶需求的多樣化，要求制造行業(yè)能夠適應品種多、數(shù)量不固定的生產，生產的產品常常頻繁變化。為了應對這種情況，在生產各種產品時，通過進行單獨調整以使FA設備的動作速度和工具的轉數(shù)等達到最佳條件。但是，這樣存在需要人手和耗時等生產效率低下的問題。此外，隨著低出生率和老齡化問題，還面臨著能夠將FA設備調整到最佳條件的熟練工人短缺的問題。

　　針對這些問題，三菱電機和產綜研開發(fā)了AI控制技術，這是三菱電機AI技術“Maisart?※”之一，該技術由AI預測加工過程中形狀變化等制造現(xiàn)場的環(huán)境變化及狀態(tài)變化，可實時對運行中的FA設備的加工速度等參數(shù)進行調整。省去了以往由操作員耗時進行的FA設備調整，將AI預測的加工誤差量等結果的可靠性形成指標，并根據(jù)可靠性對FA設備進行合理控制，從而確保了高可靠性，為生產效率的提高做出貢獻。

　　三菱電機和產綜研自2017年起開始在AI開發(fā)方面進行合作，這次的開發(fā)成果使得產綜研擁有的AI技術應用于三菱電機的FA設備成為可能。今后，隨著AI控制技術在三菱電機FA設備和系統(tǒng)中實裝工作的推進，將為提高工廠的生產效率做出巨大貢獻。

　　※　Mitsubishi Electric’s AI creates the State-of-the-ART in technology的縮寫，旨在使所有設備更加聰明的三菱電機的AI技術商標。

　　開發(fā)的特點

　　1．高速推算：開發(fā)能夠與FA設備控制同時進行的高速推算AI控制技術

　　●為實現(xiàn)FA設備要求的實時控制，開發(fā)可高速推算的使用AI的技術

　　●通過獲取代表FA設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)（狀態(tài)量），AI自動推算動作參數(shù)及修正量，從而提高加工精度和生產效率。

　　在品種多、數(shù)量不固定的生產制造現(xiàn)場，在使用CNC切削機床和工業(yè)機器人等FA設備的制造工序中，每個加工及夾持對象的FA設備的運行、動作速度及加速度等都各不相同。受此影響，實際FA設備的最佳運行參數(shù)每時每刻都在變化。在傳統(tǒng)的制造工序，是由熟練工人調整速度等動作參數(shù)以滿足精度要求等產品規(guī)格，這就需要人手和時間，存在生產效率低下的問題。

　　此次，產綜研開發(fā)了一種在能夠與FA設備控制同時進行高速推算的AI技術，以滿足FA設備所需的實時性。三菱電機作為一家FA設備制造商，利用迄今為止積累的知識，針對FA設備進行了AI推算精度及處理負載的調整。此外，三菱電機通過使處理負荷輕量化，開發(fā)了可以在維持動作參數(shù)推算精度的同時，與FA設備控制一同進行推算的輕量的AI控制技術。

　　2．環(huán)境適應：學習動作中的狀態(tài)量，適應總在變化的加工環(huán)境

　　●使AI在FA設備的動作過程中學習加工形狀等加工環(huán)境和品種多、數(shù)量不固定生產中的產品形狀的變化，實現(xiàn)適應制造現(xiàn)場環(huán)境變化和狀態(tài)變化的高精度FA設備控制

　　●將FA設備中的摩擦等物理現(xiàn)象形成公式并嵌入AI，減少學習用到的狀態(tài)量，實現(xiàn)快速學習

　　隨著加工的進行，F(xiàn)A設備加工對象的形狀發(fā)生變化，因此加工形狀等加工環(huán)境隨之發(fā)生變化，在一定的動作參數(shù)下加工存在時間變長，加工質量變差的情況。此外，這種加工環(huán)境的變化根據(jù)加工對象的不同而發(fā)生變化，而且在品種多、數(shù)量不固定的生產前預先學習比較困難。

　　此次，產綜研開發(fā)了一種AI技術，能夠讓AI當場學習在FA設備動作中獲取的狀態(tài)量，即使加工環(huán)境發(fā)生變化，也可以當場調整。此外，三菱電機通過將FA設備中的摩擦等物理現(xiàn)象形成公式，將公式嵌入AI，可在FA設備運行過程中進行學習，從而適應總在變化的加工環(huán)境。

　　3．高可靠性：將推算結果的可靠性形成指標，實現(xiàn)高可靠性的AI控制技術

　　●構建將AI推算結果的可靠性數(shù)值化的算法

　　●為確保實時控制所需的高可靠性，根據(jù)推算結果的可靠性合理控制FA設備，即使在各種各樣的加工環(huán)境下也能實現(xiàn)高可靠性的穩(wěn)定動作

　　用戶對FA設備的要求是穩(wěn)定的產品質量和制造所需時間的減少，要進行實時的AI控制，AI推算結果的可靠性必須要高。

　　此次，產綜研結合推算對象裝置的機械特性，通過學習各個產品機械特性的偏差，構建了能夠計算推算結果可靠性的算法。此外，三菱電機將該算法嵌入AI控制技術，根據(jù)推算結果的可靠性合理控制FA設備，從而開發(fā)出能夠確保高可靠性的AI控制技術。　

　　AI控制技術的的應用示例

　　1．高速推算

　　作為可高速推算的AI控制技術的應用示例，三菱電機和產綜研開發(fā)了推算機器臂指尖負載的技術。

　　要計算機器人工作時合理的加減速，就要有機器人指尖負載信息，如果不知道這個信息，則難以保證機器人高速且安全地工作。

　　對此，本開發(fā)技術根據(jù)馬達電流等信息，通過AI高速推算指尖負載，并算出推算結果的可靠性，再根據(jù)可靠性調整加減速（圖1-1）。在驗證動作的例子（圖1-2）中，比較了使用推算的指尖負載和不使用的機器人的關節(jié)軸角速度從開始移動到停止的時間，使用了推算的指尖負載的機器人的動作時間縮短了20%。此外，使用推算的可靠性，僅在可靠性較高時進行調整，確保了動作的穩(wěn)定性。

　　圖1-1　使用了AI推算負載和可靠性的高速動作

　　圖1-2　使用了負載推算的高速化示例

　　2．環(huán)境適應

　　作為適應環(huán)境的AI控制技術的應用示例，三菱電機和和產綜研開發(fā)了AI調整功能，用于自動調整放電加工機之一的電火花放電加工機的加工條件。電火花放電加工機通過加工形狀的電極靠近加工對象物并使之放電，從而將電極形狀轉移到加工對象物上，但由于加工過程中電極和加工對象物之間會產生加工屑，因此需要排出加工屑的電極動作（圖2-1）。隨著加工的進行，加工屑會增加，這就需要根據(jù)加工屑的排出狀態(tài)調整加工屑排出動作的頻率。

　　AI調整功能是在加工過程中由AI學習加工屑的排出狀態(tài)，自動調整加工屑排出動作的頻率。根據(jù)三菱電機電火花放電加工機的加工評估，與未應用AI調整功能的情況相比，使用了AI調整功能的加工時間最多縮短了23%（圖2-2）。

　?。╝）加工過程中（產生加工屑） （b）排出加工屑的動作

　　圖2-1　電火花放電加工機的加工狀態(tài)

　　圖2-2　加工時間的比較

　　3．高可靠性

　　作為保證了高可靠性的AI控制技術的應用示例，三菱電機和產綜研開發(fā)了CNC切削機床的AI誤差修正功能（圖3-1）。該功能由AI推算加工誤差量，該加工誤差量表示加工時隨加工位置的變化下達給切削機床的指令值和當前位置間的差值，這樣，即使機械可動部的特性發(fā)生了動態(tài)變化也能進行合理的修正。此外，還可以將AI推算的加工誤差量的可靠性形成指標，僅使用可靠的誤差修正量的推算結果進行誤差修正。根據(jù)三菱電機CNC切削機床的加工評估，與未應用AI誤差修正功能的情況相比，加工精度提高了51%，同時還實現(xiàn)了穩(wěn)定加工（圖3-2）。此外、可靠性較低時可以通過二次學習提高加工精度。

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　　圖3-1　CNC切削機床的AI誤差修正功能

　　（a） 加工形狀 （b） 加工精度的色圖

　　圖3-2　CNC切削機床的評估結果