探討傳感器技術(shù)在機(jī)械電子行業(yè)的應(yīng)用

蔡曦

摘 要：在各個(gè)學(xué)科高度發(fā)展的今天，交叉學(xué)科領(lǐng)域往往會(huì)因?yàn)閷W(xué)科間的相互交融、取長(zhǎng)補(bǔ)短迸發(fā)出強(qiáng)大的生命力，機(jī)械電子工程便是其中的典型。機(jī)械電子工程是機(jī)械裝置和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以機(jī)械制造為本，在制造生產(chǎn)的各個(gè)部分引入電子技術(shù)，將兩種技術(shù)結(jié)合以達(dá)到提高生產(chǎn)效率和精度，減少浪費(fèi)等目標(biāo)。目前，在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上已經(jīng)成功引入了電子技術(shù)。傳感器是電子技術(shù)中重要的部分，已經(jīng)大量使用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，甚至日常生活中也常常能看到傳感器的身影。同時(shí)，將傳感器入網(wǎng)形成的物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)下的熱點(diǎn)。因此，在機(jī)械電子行業(yè)，傳感器的使用和發(fā)展必然會(huì)帶來(lái)機(jī)電行業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械電子；傳感器

在各個(gè)學(xué)科高度發(fā)展的今天，交叉學(xué)科領(lǐng)域往往會(huì)因?yàn)閷W(xué)科間的相互交融、取長(zhǎng)補(bǔ)短迸發(fā)出強(qiáng)大的生命力，機(jī)械電子工程便是其中的典型。機(jī)械電子工程是機(jī)械裝置和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以機(jī)械制造為本，在制造生產(chǎn)的各個(gè)部分引入電子技術(shù)，將兩種技術(shù)結(jié)合以達(dá)到提高生產(chǎn)效率和精度，減少浪費(fèi)等目標(biāo)。目前，在機(jī)械的主功能，動(dòng)力功能，信息處理功能和控制功能上已經(jīng)成功引入了電子技術(shù)。傳感器是電子技術(shù)中重要的部分，已經(jīng)大量使用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，甚至日常生活中也常常能看到傳感器的身影。同時(shí)，將傳感器入網(wǎng)形成的物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)下的熱點(diǎn)。因此，在機(jī)械電子行業(yè)，傳感器的使用和發(fā)展必然會(huì)帶來(lái)機(jī)電行業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展。

1 機(jī)電行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀

機(jī)械電子源于日本的“Mechatronics”一詞，被解釋為“在機(jī)械的主動(dòng)功能、信息處理功能和控制功能上引入電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置和電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的產(chǎn)品或者系統(tǒng)”。歐洲IRDAC認(rèn)為機(jī)械電子工程是“機(jī)械工程、電氣控制工程以及系統(tǒng)總體技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的結(jié)合”。我國(guó)通常把機(jī)械電子稱(chēng)之為“機(jī)電一體化”。由此可見(jiàn)，機(jī)械電子工程確實(shí)源于機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的融合。

機(jī)械電子技術(shù)發(fā)展到今天有了大量成果，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品在效率、精度上都大大超越了傳統(tǒng)機(jī)械。數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人就是其中的典型代表。

數(shù)控機(jī)床作為廣泛使用的機(jī)械電子產(chǎn)品，具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低和可靠性高等特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床適用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，加速了各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

機(jī)器人作為一個(gè)蓬勃發(fā)展的機(jī)械電子產(chǎn)品，吸引了越來(lái)越多的眼球。它能自動(dòng)識(shí)別對(duì)象并采取相應(yīng)的動(dòng)作，具有一定程度上的人工智能。目前在汽車(chē)生產(chǎn)、電子產(chǎn)品生產(chǎn)等行業(yè)已經(jīng)能看到大量機(jī)器人的身影。在這些行業(yè)中，機(jī)器人的操作精度、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性以及工作效率上相比人力具有極大的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，機(jī)器人智能不斷提高，具有越來(lái)越多的功能，其發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。未來(lái)，我們?cè)卺t(yī)療衛(wèi)生、養(yǎng)老護(hù)理等服務(wù)業(yè)也會(huì)看到更多的機(jī)器人。

同時(shí)在德國(guó)的工業(yè)4.0等計(jì)劃中，信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)的融合可以使資源得到最有效的調(diào)配，大幅度提高了傳統(tǒng)工業(yè)的效率。機(jī)械電子是其中較為成熟并持續(xù)快速發(fā)展的典型技術(shù)。

發(fā)展機(jī)械電子工程是大勢(shì)所趨，掌握其核心技術(shù)是發(fā)展的關(guān)鍵。這些技術(shù)包括機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)。我們可以發(fā)現(xiàn)在這些技術(shù)中檢測(cè)傳感技術(shù)起到了類(lèi)似橋梁的溝通作用，它從機(jī)械部分或外界檢測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂撇糠肿鬟M(jìn)一步分析和決策。如果沒(méi)有傳感器，數(shù)控機(jī)床中控制精度的測(cè)距部分會(huì)失效，機(jī)器人也無(wú)法識(shí)別對(duì)象，后面的機(jī)電融合就無(wú)從談起，因此傳感器在現(xiàn)有的機(jī)械電子技術(shù)中具有重要的作用。同時(shí)在新一代的工業(yè)化中，傳感器還充當(dāng)著采集大數(shù)據(jù)的角色。這些生產(chǎn)上實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在每一個(gè)層面都有巨大的作用，生產(chǎn)設(shè)備可以根據(jù)數(shù)據(jù)反饋調(diào)整操作，政府和企業(yè)可以通過(guò)分析數(shù)據(jù)，得到目前的生產(chǎn)狀況、生產(chǎn)需求和生產(chǎn)效率，以便及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)策略。

2 傳感器在機(jī)電工程未來(lái)發(fā)展中的重要性

接下來(lái)我們來(lái)探討傳感器技術(shù)在機(jī)械電子行業(yè)的應(yīng)用。智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、模塊化、綠色化和人性化是機(jī)械電子產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[1]，可以從這六個(gè)方面來(lái)感受傳感器在機(jī)械電子工程未來(lái)發(fā)展中的重要性。

2.1 智能化

在機(jī)器人領(lǐng)域，智能化的體現(xiàn)在能根據(jù)觀察到的對(duì)象，做出更加符合智能定義的行為，從而對(duì)各種情況都有良好的適應(yīng)性。傳感器在早期可以提供最基本的對(duì)象信息，然后通過(guò)模式識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)初步的智能化。在后期進(jìn)一步發(fā)展的過(guò)程中，傳感器要提供更多的對(duì)象信息，包括圖像、聲音、溫度以及距離等，同時(shí)也要提高對(duì)象數(shù)據(jù)的精確性。通過(guò)對(duì)大量、多維度、高精度數(shù)據(jù)的特征提取，機(jī)器人不但可以進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，也可以提高識(shí)別精度。在智能化這一趨勢(shì)中，傳感器能起到信息采集和傳輸?shù)淖饔谩?/p>

2.2 網(wǎng)絡(luò)化

傳感器設(shè)備一般會(huì)集成網(wǎng)絡(luò)接口，以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的形式出現(xiàn)。通過(guò)4G、5G、WIFI、RFID、ZIGBEE以及藍(lán)牙等多種傳輸方式，傳感器能接入互聯(lián)網(wǎng)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供接口，操作者和監(jiān)控者可以突破空間限制，遠(yuǎn)距離調(diào)控機(jī)電設(shè)備；也能在各個(gè)傳感器之間連成網(wǎng)絡(luò)，使各機(jī)電設(shè)備可以共享數(shù)據(jù)、協(xié)同工作。傳感器為網(wǎng)絡(luò)化提供了必要的接口，使機(jī)電設(shè)備成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

2.3 數(shù)字化

現(xiàn)實(shí)世界中不同維度的信息，通過(guò)傳感器的采集，會(huì)形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式：視頻流、溫度、距離、壓強(qiáng)等。這些數(shù)據(jù)將不可度量的感受轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字，并進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在這一基礎(chǔ)上，機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備可以利用模型大幅度提高生產(chǎn)效率及精度。傳感器的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)推動(dòng)數(shù)字化精度和維度的提高，構(gòu)建更加切合實(shí)際的模型。

2.4 模塊化

在機(jī)電設(shè)備模塊化的發(fā)展中，傳感器也扮演了重要的角色。傳感器能既嵌入其他模塊中以強(qiáng)化該模塊的功能，提供測(cè)距、溫控等功能；也能將多種傳感器集成為一個(gè)模塊，如機(jī)器人的感知模塊，通過(guò)攝像頭、溫度傳感器、紅外線傳感器等為機(jī)器人提供全方位探測(cè)周?chē)h(huán)境的功能。傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為機(jī)電設(shè)備的模塊化提供了助力。

2.5 人性化

機(jī)電設(shè)備在人性化上也持續(xù)發(fā)展。使用設(shè)備的方式可以采用手勢(shì)、語(yǔ)音等途徑，采集這些信息并傳輸給控制設(shè)備的功能由傳感器實(shí)現(xiàn)，采用這些新的交互方式可以使設(shè)備使用突破多種限制，讓人在不同的環(huán)境下都能使用。同時(shí)，設(shè)備運(yùn)作的方式也有賴(lài)于傳感器的數(shù)據(jù)反饋，通過(guò)傳感器采集周?chē)鷶?shù)據(jù)并分析，機(jī)器人能做出更加人性化的反應(yīng)。

2.6 綠色化

在機(jī)電設(shè)備使用過(guò)程中，通過(guò)傳感器可以獲取機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)狀況，包括污染物排放情況、設(shè)備的磨損情況以及原料的使用情況。根據(jù)傳感器反饋的設(shè)備狀況，控制模塊或操作者可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，優(yōu)化資源配置。進(jìn)一步的，老化嚴(yán)重或出錯(cuò)的設(shè)備可能會(huì)增加污染物排放，降低原料使用率，根據(jù)數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃或停用相應(yīng)設(shè)備，有利于機(jī)電設(shè)備的綠色化。

3 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)電設(shè)備的發(fā)展過(guò)程中，機(jī)械與電子兩個(gè)學(xué)科始終相互交融，取長(zhǎng)補(bǔ)短。以電子技術(shù)作為輔助，能在傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)中取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。而傳感器作為電子技術(shù)之一，在此發(fā)揮了比較大的作用。傳感器的種類(lèi)較多，能采集到外界各種信息。通過(guò)集成的各種網(wǎng)絡(luò)接口，傳感器能自組網(wǎng)絡(luò)，也能連入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈踊蚱渌嚓P(guān)設(shè)備。上層通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理可以形成數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行。相關(guān)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，則可以采取協(xié)調(diào)措施。總之，通過(guò)發(fā)展并使用傳感器，可以在機(jī)械電子的發(fā)展中達(dá)到如下成果：

首先，傳感器的發(fā)展使機(jī)電設(shè)備的“眼睛”、“耳朵”更靈敏，更加精確的數(shù)據(jù)可以使工業(yè)生產(chǎn)更精細(xì)化。同時(shí)，機(jī)器人等工作環(huán)境更加復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，通過(guò)多種傳感器采集數(shù)據(jù)可以對(duì)周?chē)h(huán)境建立復(fù)合模型，通過(guò)分析更切合真實(shí)環(huán)境的模型，做出更合理的反應(yīng)。

其次，傳感器的廣泛使用可以將機(jī)電設(shè)備連入物聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控會(huì)節(jié)約大量的人力物力，同時(shí)，可以將發(fā)生故障或者問(wèn)題的設(shè)備及時(shí)報(bào)告。將機(jī)電設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)，可以在多個(gè)設(shè)備之間相互共享數(shù)據(jù)，協(xié)作生產(chǎn)，在全局上獲得更大的收益。傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)處理和分析，可以在生產(chǎn)的各個(gè)層面優(yōu)化資源配置，最大程度上發(fā)揮資源作用。

最后，傳感器發(fā)揮的是現(xiàn)實(shí)世界到機(jī)電設(shè)備的橋梁作用，不管是探測(cè)周?chē)h(huán)境，還是反饋操作效果，傳感器搜集的數(shù)據(jù)都會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響。在信息化時(shí)代，信息的獲取、積累以及挖掘會(huì)帶來(lái)極大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]方金源，萬(wàn)浩，李浩.淺析傳感器技術(shù)在機(jī)電自動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械，2015，（20）：2-3.