.智慧工廠案例分析 – 成本降低 20%、流程縮短 10%,希捷如何讓智慧製造從自動化邁向智慧化

Seagate HDD Manufacturing Process,

康橋科技 —— 白光攝影機專業廠商!

eiphone 作者:


案例分析丨成本降低 20%、流程缩短 10%,希捷如何让智能制造从自动化迈向智能化

內容綜述:
‧ 希捷打造了一個切實可行的、實用的人工智慧(AI)平台以提升生產線效率和產品品質。該平台可以將生產所需的,新型無塵室投資成本,降低達20%,而流程耗時則縮短10%。

‧ 該項目在希捷內部被擬定代號為雅典娜(Athena),系統每天處理數以百萬計的顯微鏡照片。

‧ 透過深度學習和自我訓練,Athena比人類專家更為迅速精準地辨識缺陷。

‧ 希捷能夠以更快的速度、更低的成本解決,不按規範問題和流程問題。透過提高效率和完善品質管理,希捷預計有望獲得高達300%的投資報酬率。

‧ Athena 項目技術,為製造業的所有客戶,提供了廣泛的應用。這是智慧製造邁出的最重要的第一步,也證明瞭工業 4.0 已經到來。
Athena 項目介紹
希捷已在其位於明尼蘇達州諾曼代爾(Normandale)的晶圓製造工廠,成功部署了有史以來,第一個深度學習製造項目。晶圓片(小片半導體材料)被用來生產硬碟上的讀寫頭。

希捷工廠中,記錄感應器的年生產量超過10億。為保障最高標準的品質水準,必須對這些感應器進行分析和測試,以檢測是否存在製造缺陷。

感應器是什麼?它們與晶片和驅動器有什麼關係?這得從原材料說起,其原材料實際上是一種薄的半導體基板。經過光刻工藝過程,基板變成薄的、扁平的、水晶般的晶圓片。晶圓切割並進行進一步處理後,就變成了感應器—— 一個能夠在旋轉的磁碟記錄表面,進行數據讀寫的部件。

測試過程漫長、複雜且需要大量人力。每張200毫米的晶圓上,有10萬個需要檢測的感應器。諾曼代爾工廠每天拍攝,數百萬張的顯微鏡照片,產生的數據量高達10TB,這些照片需要在晶圓組裝入硬碟前,得到篩選,以檢測潛在的產品缺陷。

由於需要分析的感應器數量龐大,工程師不可能對所有感應器進行檢測。即使製造過程漫長,也沒有足夠的時間,來檢查每一張圖像。這就意味著有缺陷的部件,有時候確實能夠躲過即時檢測,在隨後的過程中才被發現,而屆時付出的成本,則要高很多。
希捷需要一種能夠在更短時間內,檢測更多圖片的方式。但是僅僅靠雇用更多的圖像分析專家,還沒有辦法完全處理1700萬張圖片。

希捷團隊採用基於規則的圖像分析,實現了一定程度的自動化。採用這種方法,只要系統首先獲知,它要尋找什麼,就有可能辨識出異常。而規則是人工建立起來的,這是一個耗時,且必須經過不斷調整,和完善的過程。

基於規則的系統建立慢、完善慢並且可能會得出不同的結果。除了產生很多誤報之外,規則只能檢測出已知問題。這可能造成潛在風險—即有問題的晶圓在組裝進讀寫磁頭前,可能逃過檢測。

得益於人工智慧、機器學習,以及物聯網感應器的發展,一個新的,可以規避上述風險的解決方案應運而生,這就是希捷的Athena 項目。
解決方案
該方案需要解決兩大問題:每天需要處理的大量數據,以及當前基於規則的分析系統,所存在的缺陷。傳統的大數據程序,是進行批量處理的,但這完全不適用於24×7×365運行的生產線。

第一步是建立一個具備提高自動化,和感應器故障檢測洞察能力的深度神經網路(DNN)。神經網路的建構採用Nvidia V100和P4 GPUs*,以及希捷的高性能Nytro®X 2U24儲存,以支援Athena的深度學習,和人工智慧系統。

接著,將晶圓圖像輸入深度神經網路,從而訓練人工智慧系統區分「合格」和「不合格」的晶圓。Athena的學習方式,和人類工程師完全一樣——查看成千上萬張圖片。但得益於深度神經網路的原始處理能力,Athena比人類學得更快、更精準。

一段時間後,Athena獲得了,分辨流程中潛在缺陷的能力。人工智慧助手標記異常圖像,以供主題專家進行手動評估。Athena還可以基於圖像分析操作過程中,檢測到的異常情況,進行規則的建立和細化。

最為重要的是,Athena 可以對電子顯微鏡生成的圖像,進行即時接收和分析。深度神經網路能夠在每張圖片,生成的同時進行處理。截至目前,希捷已實現了每天處理當天生成的300萬張圖像,並能夠辨識,可能被人類工程師遺漏的微小缺陷。

即時處理有助於團隊,盡早辨識和糾正製造中的問題。發現問題越即時,希捷就能越有效地降低,其對生產流程和成本的影響。

未來
Athena項目擅長缺陷辨識,但它不會也不能完全取代工廠專家。Athena項目的關鍵,在於其為希捷的晶圓專家,開拓了新的思路,糾正生產流程中的重大問題。
Athena為解決希捷工廠外的更多問題,起到了示範作用。它能夠以更迅捷、更高適應性,以及更有意義的方式檢測到異常,這種能力可以擴展,應用到智慧工廠之外的其他地方,並在公共安全、自動駕駛汽車和智慧城市等,各種領域證明其行之有效。

希捷執行副總裁兼營運、產品和技術主管Jeffrey Nygaard表示:「我們希望盡快將Athena ,部署到我們所有的生產設施中。隨著微型相機和物聯網感應器成本的下降,類似的技術也可以應用於其他領域。這是智慧製造領域重大革新的第一步,也可以擴展應用於我們其他工廠的基礎架構。」

希捷的每個製造工具都包含至少30個感應器,它們每秒鐘都會記錄機器的健康狀況,和其他測量數據。生成的資訊,能夠幫助更好地發現不合規操作。將數據輸入Athena 深度神經網路,有助於更早地辨識生產的問題。這為採取積極防禦措施,進行修復和故障預防提供了機會。

Athena項目的受益人不僅限於希捷。類似的智慧工廠技術,可以部署到整個製造業,幫助希捷的客戶享受到更多類似Athena 能夠提供的優勢。客戶用例或許有所差異,但其基本原理——深度神經網路、人工智慧和機器學習——是相同的。

客戶需要可靠的技術平台,部署人工智慧項目,而希捷的解決方案能夠滿足這些需求。

邊緣驅動
為了有效地開展工作,Athena項目需要進行大量的數據處理——為了快速檢測到異常,每天要及時處理高達10TB的晶圓圖像數據。


未來幾年,全球數據創造量將會飆升,而Athena 的存在,順應了該趨勢。根據希捷贊助、IDC發佈的報告預測,到2025年,全球數據圈將成長至175ZB。

在這個數據密集的新世界中,對速度的需求亟待新的解決方案。邊緣計算(Edge computing),作為Gartner 預測的2018年十大策略技術趨勢之一,是對延遲需求降低的回應,也是對即時處理的關鍵應用程序的回應。它讓計算更靠近數據源,更迅捷地向最終用戶交付服務。

如果數據能夠在數據源附近得到處理,那麼就可以在離最終用戶更近的地方,生成即時洞察,從而大大降低網路資源的負載,並為潛在的新應用打開全新的局面。

以這種模式,數據中心技術——計算和儲存模式——都將更加接近網路邊緣,為新一代應用程序開創機會。

對於Athena項目,在智慧工廠處理數據本身,就已經實現了生產異常的即時辨識。



.一文讀懂電壓電流的超前滯後

Lead Lag




來源:智能风向标


電壓電流的超前與滯後這個概念,是相對於電流和電壓之間的關係而說的。

比如是容性負載(電容器),那麼他會導致最終電流超前90度,如果是電感則產生最終電流超前-90度(即滯後90度) 反過來說,在平面直角坐標系中,假設電壓為X軸水平方向,則是否超前則為Y軸垂直方向,當為容性負載時為Y正半軸部分,感性負載為Y負半軸部分 無論是正超前還是負超前(滯後)都會導致功率因數下降,而純阻性負載其超前角是0度,這個時候功率因數為1,正因為容性和感性具有這種相反的性質,那麼當使用電動機等感性負載時,會導致嚴重的負超前,這個時候就應當使用足夠的電容器進行補償,使其無限逼近0度,保證功率因數無限的逼近1。

總之,功率因數下降,無論是正超前還是負超前都回導致下降,只有為0時才是最高的,而感性負載一應用就肯定是負的了。所以就要用電容補償讓他接近0。

如下圖,由於Sin[ωt]在求導或積分後會出現Sin[ωt±90°],所以對於接上了正弦波的電感、電容,橫坐標為ωt時可以觀察到波形超前滯後的現象,直接從靜態的函數圖上看不太容易理解,還是做成動畫比較好。

下圖是電感的,用紅色表示電壓,藍色表示電流。如果接上理想的直流電壓表、直流電流表,可以觀察到電壓的變化超前於電流,電流的變化滯後於電壓。時間增加時,縱坐標軸及時間原點會隨著波形一起往左移動。


如果把波形畫在矢量圖右方,就是下面這種動畫,但橫坐標右方是過去存在的波形,指向過去,是-ωt。雖然波形反過來了,但電壓的變化仍然超前於電流,電流的變化仍然滯後於電壓。時間原點一直隨著波形往右方移動,函數圖中的縱坐標軸並未與橫坐標交於原點,交點所代表的時間一直在增加。如果不注意,超前滯後的判斷很容易出錯。

一文读懂电压电流的超前滞后

理解超前滯後這一概念,用向量圖是最好的,從測量數據來觀察或者從靜態波形上觀察,都不太直觀而且容易出錯。下圖是電容的。電壓的變化滯後於電流,電流的變化超前於電壓。坐標系右方是未來,左方是過去。


橫坐標是-ωt時,電容的電壓的變化仍然滯後於電流,電流的變化仍然超前於電壓。因為此坐標系左方是未來,而右方是過去。

一文读懂电压电流的超前滞后

下圖是電阻的。電壓函數電流函數同相。


下圖是三者串聯的情況,沒畫相量圖和波形圖。但從指針的變化可以判斷:電流相同時,電感和電容的電壓函數反相。

沒畫總電壓,因為總電壓有可能超前於總電流,也有可能滯後於總電流,也有可能兩者同相,同相時為諧振狀態。

以前還做過這種,元件右邊標的是電壓電流的參考方向。用不同的顏色描述電壓的大小,藍色>黃色>紅色;用不同的粗細和箭頭,描述電流的大小和方向,而且把電感、電容充能的效果也做進去了,電流最大時電感磁場能最大,電容電場能最小。

但是,就解釋超前滯後這一概念的話,指針表的動畫更直觀。

.AR 導航帶來全新的安全駕駛體驗

AR NAVIGATION



來源:四维智联


導航已成為出行必不可少的工具,可以幫助人們順利達到陌生地點。即使是熟悉的路線,也會利用導航查詢當前路況,避免塞車。

但在日常使用傳統導航時,經常會遇到複雜的路口,儘管手機導航語音播報已很清楚,但由於對路徑不熟,目測到實際路口位置比較困難,或路標指示不明等情況,導致走錯路口時有發生。

如果是駕駛新手,在螢幕上顯示的地圖,需要車主快速用3D空間的思維轉換,甚至影響到駕駛安全。

面對這些不定的情況,更直接的「AR導航」解決方案應運而生。

AR導航可以透過將導航指引資訊,顯示在場景中疊加顯示,使人們可以以最直接的方式,理解導航資訊,大幅降低用戶對於傳統電子地圖的讀圖成本。

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與傳統地圖導航不同的是,AR導航利用攝影機,將前方道路的真實場景,即時捕捉下來,再結合汽車當前定位、地圖導航資訊,以及場景AI辨識,進行融合計算,然後生成虛擬的導航指引圖標,並疊加到真實道路上。

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從而創建出更貼近駕駛者,真實視野的導航畫面,大幅降低了用戶,對傳統2D或3D電子地圖的讀圖成本。

AR導航還能夠對過往車輛、行人、車道線、斑馬線、紅綠燈位置、限速牌等周邊環境,進行智能的圖像辨識。

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從而為駕駛員提供跟車距離預警、壓線預警、紅綠燈監測與提醒、前車啓動提醒、斑馬線提醒等一系列駕駛安全輔助,給用戶帶來比傳統地圖導航,更加精細、更加安全的服務體驗。

全像AR導航系統抬頭顯示產品,這種可以顯示導航引導,和安全警告等資訊,而這些資訊會出現在駕駛者眼前,覆蓋在汽車前方的道路。

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車窗視角

一般來說,AR導航的顯示方式有車機螢幕、智慧後視鏡、液晶儀錶盤、前風擋HUD等不同位置顯示。

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儀錶盤視角

而在實際使用體驗中,除了HUD,其他的展示形式,車主在查看時要將視線下移,離開路面,會有短暫的盲開,這是十分危險的,所以AR導航的未來將是AR-HUD產品的興起。

這款AR導航系統,可以圖像投射到道路上,並且能根據不同身高的駕駛員的視角進行調整,以確保圖像處於對齊的位置。

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這種虛擬投影的長度為1米,寬3米,距離駕駛員目光的距離20米,真正的做到了所見即所得的導航引導。

隨著全球居民消費水準,和汽車智慧化程度的提升,消費者對於安全性和智慧性的需求,正在不斷上漲。HUD不再是高端車型的標誌,越來越多中低端車型上,也開始出現了它的身影,AR-HUD即將作為標配,成為汽車產品的一個重要賣點。


.工業 4.0 趨勢下機器人將如何變革?

Production 4.0 – 
Secure Human- and Robot Interaction



源:OFweek机器人网

製造業的生產力已經歷了三次深刻的變革,第一次是以水和蒸汽動力為核心的變革,也稱為工業1.0時代。第二次工業革命是電力時代,發電機問世,並帶來了生產力的飛躍。第三次是電腦時代,電腦技術突破,促進了生產自動化的發展。而今天,我們正在迎來第四次工業革命,以資訊技術為核心的工業4.0時代。


工業4.0或工業物聯網指的是將所有設備、電腦、人和產品等,所有生產元素連接起來,並從中採集豐富的大數據,然後通對數據分析來指引導生產,最終使生產線達到最高的效率。實際上,工業4.0就是透過資訊技術,來提高工廠的靈活性和效益,幫助企業提供競爭力。

那麼,在工業4.0時代,機器人產業又將發生怎樣的變化?近年來,機器人已經發展成為製造業的主要角色,機器換人舒解了工廠招工難的壓力,提升了工廠的生產效率,在現代製造業充當不可或缺的角色。

工業機器人遇到工業4.0,將會產生微妙的變化,一些機器人廠商開始利用工業物聯網,實現在線上監測、預測性維護、流程優化等,將機器人的能力水平提升到了一個更高的級別。

零停機時間
匆忙的生產流水線上,機器在不停地運轉,工廠每一秒都在創造價值。生產管理者並不希望機器停歇,但機器磨損和故障難以避免,理想化的24小時不停機作業,是很難達到的。不過,工業4.0的技術提供了新的思路,透過工業物聯網連接和監控,可以進一步保障機器的正常運行。

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機器人廠商發那科和通用汽車開發了一個基於雲的軟件平台ZDT,這是一個零停機時間解決方案,用於分析從通用汽車工廠裡機器人收集來的數據。

該方案最初是用來消除停機時間,但隨著越來越多的數據被收集,ZDT系統能力增長並產生了巨大的回報。據悉,從2014年項目啓動到現在,通用汽車已經避免了超過100次重大的意外停機,對於汽車工廠來說,每一次停機可能很容易造成數百萬美元的損失,這是一等筆巨大的開支。


零停機時間方案使得生產設施有了預測性維護的能力,從機器人捕獲的數據,然後在故障發生之前處理,從而避免了意外停機。只要從機器人中收集到充足的數據,就能根據自身的微小變化來診斷,然後對其進行調整進以提高整體效率。

透過數據分析掌握機器的情況,管理者可以安排合理的維護計劃,而不用進行非必要性的定期維護。

自主機器人
工業4.0模式的意義不只是在於防止停機,包括工業物聯網、虛擬實體系統、雲計算、機器人、大數據、邊緣計算等技術,將資訊技術(IT)和營運技術(OT)融合起來,進一步提升機器的水準,使得工廠設備更加靈活和智慧。

在未來製造業中,機器人將連接到伺服器,透過大數據的分析,以實現更合理的調度控制。在資訊技術的助力下,機器人的工作可以比以往,更協調和智慧化,例如工廠的行動機器人,在調度系統的監控下,可以識別出周邊環境,順利避開障礙物,以及與其它機器人進行有效的協作等。

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機器人的自主決策,來自於周邊環境分析,和更多資訊支持,收到來自即時生產系統,和製造執行系統的工作信號,然後根據信號進行自主性的工作,例如生產線上原材料的補給,機器人只有知道了產線的生產狀況,才能判斷何時送出物料。

此外,機器人可以透過大數據分析,規劃出最佳的路線,以縮短機器運行的時間。機器人連接雲計算平台,透過豐富的數據洞察,能最大限度提高設備能力和生產效率,保證更高的產品品質。



. 史丹佛大學研發出能夠模擬人手感知能力的電子皮膚

Zhenan Bao, Stanford University, Skin-Inspired Electronic Materials

科寶電子官網 www.cop-security.com

源:微迷网

據麥姆斯咨詢介紹,開發與人手媲美的的機器手,所面臨的多方面挑戰,仍然是需要大量研究的課題。毋庸置疑,研究人員在複製人手諸多功能和特徵,如某項或幾項性能(抓取和操縱等)已經取得了一些進展。

然而,人手是多功能的結合,如骨骼結構、肌肉力量、完全控制的關節、壓力/剪切力/運動/加速度/溫度感知,等等,並在很寬泛的動態範圍內擁有這些屬性。

史丹佛大學(Stanford University)研究人員正在展開的工作,展示了在嘗試提供,與人體皮膚相同感知能力,所面臨的挑戰和進步。由化學工程師鮑哲南(Zhenan Bao)領導的團隊,開發目標是在手套的指尖,嵌入「連續」感測器

感測器能夠同時測量力的強度和方向,兩個反饋因子,對實現完全控制的靈活性非常重要,這是不需要經過有意識思考的人手,所提供的壯舉。

在觀察這款手套之前,應該先瞭解皮膚結構,它不僅僅是一個靈活、充滿神經的保護層。外皮層布滿感測器,以檢測壓力、熱量和其他刺激物;當然,手指和手掌上都是密集的觸摸感測器。但是這可謂只是表層。表層之下是被稱為棘層的皮膚內層,看起來像丘陵和山谷的凹凸不平的微觀地帶。這些突起(bump)是感測「機制」的重要組成部分。

兩層皮膚緊密結合,以整合感官信號。當手指接觸皮膚表面時,皮膚外層會移動到更接近底層的棘層。輕微的觸感,主要來自棘層的「山頂」,當施加更大的壓力時,將外皮層推入棘層的「山谷」,以引發更強烈的觸感。

雖然看起來相當簡單,但是只是其中的一部分。皮膚的凹凸層能夠感知更多,它揭示了壓力的方向(剪切力)。當手指朝一個方向按壓時,在微觀山丘的另一側,會產生強烈的感知信號。感知和評估剪切力大小的能力,對實現溫和有力的動作(例如在拇指和食指之間保持易碎物體)而言非常重要。

工程上的挑戰是從電學角度,複製皮膚功能,並開發出多層手套。為了實現上述目標,研究團隊採用了三層佈局,由絕緣橡膠層分隔電活性頂層和底層。

底層也有金字塔結構的小突起,類似於皮膚;它們共同形成具有密集感測點陣列的二維網格。奈米電容器的佈局,包括嵌入聚氨酯(polyurethane, PU)的碳奈米管(carbon-nanotube, CNT)頂部和底部電極;它們可以測量和區分正向力(垂直於表面)和切向(剪切)力(圖1)。

斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖1 電子皮膚的製造和組裝(A)—該裝置由三層組成,透過層壓組裝:底部是厚度為1mm,帶有山丘陣列的聚氨酯層(山丘直徑1 mm,高度20 μm)(i);中間是厚度為10 μm的介電層,作為頂部和頂部電極之間的間隔層(ii);頂部是厚度為60 μm,帶有金字塔陣列的聚氨酯層(iii)。

電極由噴塗和光刻,實現圖案化的導電碳奈米管製成,嵌入聚氨酯基質中(電極寬度300 μm,兩個電極之間的間距50 μm)。製作電子皮膚的光學圖像和山丘、電極上的特寫視圖(插圖)(B)。

光學成像顯示了碳奈米管-聚氨酯互連,用於LCR測試儀進行信號記錄,以及頂部具有模制金字塔的電子皮膚層SEM圖,顯示了碳奈米管-聚氨酯和聚氨酯區域(插圖)(C)。

但是這些感測點,並非簡單的電容器。電子皮膚的頂層包括模制的方形金字塔網格,當施加外力時,金字塔會發生彈性變形。電子皮膚的底部,使用二維陣列模制山丘,以模仿人體皮膚中的棘層;這些對於測量和區分施加力的方向,是必不可少的。每個山丘對應25個電容器,每個電容器大小為90,000 μm2,山頂有1個電容器,斜坡有4個電容器,四個角落各有1個電容器,山丘周圍有16個電容器(圖2)。

斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖2 圍繞山丘的不同電容器(像素)位置示意圖,其中1個位於山頂,4個位於斜坡,4個位於角落,16個位於山丘周圍。

位於山丘一側,並承受較大壓力的電容器,電容成長幅度大於,與施加力方向相反的一側(分別為正向力、剪切力和傾斜力)(圖3)。圍繞山丘的電容圖,提供了區分幾種不同類型的施加力的能力,單獨的單個像素則無法提供上述資訊。


斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖3 測量仿生電子皮膚的響應特性;以一個山丘為中心的5 × 5電容器感測器陣列的特點,在於透過施加正向力(a)、施加剪切力(b)和施加傾斜力(c)來測量壓力響應曲線。每個色帶對應5%的ΔC/Cmin變化,與沒有施加和施加過壓力的電容相一致。

該團隊透過模擬研究了電子皮膚參數,以最大限度提高其靈敏度、信噪比(SNR)和時間響應權衡。他們使用了多種金字塔尺寸(寬度為10、20、30、40、50 μm)和分隔距離(比例b/a=0.4、0.8、1.2、1.6、2和4,其中a + b是兩個金字塔中心之間的距離)。

將手套放置在實體模型柔性手上,將它連到安裝在KUKA IIWA機器人臂的雄克(Schunk)WSG 50夾具上,以提供驅動。算法利用反饋迴路中的感測讀數,來指導戴手套的機器手,輕柔觸摸漿果,或像人手一樣,舉起並移動一個乒乓球。這是透過使用感測器來指示剪切力,並控制戴手套的手,以根據人體功能需求,去調整其動作而實現的(圖4)。

斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖4 感測器足夠靈活,可以在不壓碎一顆藍莓的情況下,讓手指拾起並抓住。

人體皮膚的基礎知識,以及電子皮膚的設計、材料、製作和應用的全部細節都發表在《Science Robotics》期刊上,一篇非常易讀且內容豐富的論文中,論文題目為「A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics」,包括其補充資訊。

此項研究工作中的一部分,得到了瑞士國家科學基金會(Swiss National Science Foundation)、歐洲委員會(the European Commission)、美國國家科學基金會(National Science Foundation)和史丹佛奈米共享設施(Stanford Nano Shared Facilities)的支持。