傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

肖天非

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，556000，貴州凱里）

我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)擁有一個(gè)較為成熟的應(yīng)用體系，尤其在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，應(yīng)用了大量傳感器，用于感知周?chē)闆r，收集環(huán)境和設(shè)備信息，為系統(tǒng)精準(zhǔn)運(yùn)行提供依據(jù)。由此可見(jiàn)，若機(jī)電一體化系統(tǒng)中缺少傳感器和傳感器技術(shù)，就無(wú)法準(zhǔn)確感知信息，維持系統(tǒng)運(yùn)行，必須不斷提升傳感器技術(shù)應(yīng)用效果和品質(zhì)，才能切實(shí)提升機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量。

1 傳感器技術(shù)概述

1980 年代左右，傳感器在世界各國(guó)開(kāi)始流行，許多先進(jìn)工業(yè)國(guó)家開(kāi)始引進(jìn)普及傳感器技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用。截至今日，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)與發(fā)展已經(jīng)成為熱門(mén)領(lǐng)域。傳感器是一種重要的測(cè)量裝置，能夠感知外界變化（物體或周?chē)h(huán)境受生物、化學(xué)、物理等影響產(chǎn)生的變化）并作出反應(yīng)，將信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為能夠遠(yuǎn)距離傳播的電信號(hào)，或者其他形式的信號(hào)[1]。傳感器技術(shù)是基于實(shí)際需求，對(duì)各類(lèi)傳感器，如力學(xué)傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等進(jìn)行綜合配置，以實(shí)時(shí)測(cè)量周?chē)h(huán)境和信息，并將信息傳輸至系統(tǒng)的技術(shù)。技術(shù)人員可按照實(shí)際工作環(huán)境，基于傳感器分類(lèi)，如能量轉(zhuǎn)換原則分類(lèi)、參量設(shè)計(jì)分類(lèi)、工作原理分類(lèi)等，對(duì)傳感器型號(hào)、配置、種類(lèi)等進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，以滿足配置需求。

2 我國(guó)機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用意義

傳感器技術(shù)，屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)中核心技術(shù)，隨著我國(guó)機(jī)械自動(dòng)化水平的進(jìn)一步發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用逐漸日常化。傳統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行效率和管控水平較為薄弱，管理人員無(wú)法準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況，一般系統(tǒng)故障運(yùn)行一段時(shí)間引發(fā)區(qū)域性故障問(wèn)題后，才會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障問(wèn)題的存在，才能分析和定位故障，分析故障產(chǎn)生原因并進(jìn)行有效維修。在機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，為確保系統(tǒng)運(yùn)行的持續(xù)性和穩(wěn)定性，通常會(huì)定期進(jìn)行檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)，如對(duì)于各類(lèi)儀表設(shè)備，詳細(xì)記錄設(shè)備運(yùn)行情況和參數(shù)，記錄故障原因及維修方法，但其中關(guān)于系統(tǒng)參數(shù)信息的時(shí)效性較弱。將傳感器技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，類(lèi)似于給系統(tǒng)安裝了一個(gè)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)及各類(lèi)儀表設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和測(cè)算，并及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)故障及發(fā)出預(yù)警，為系統(tǒng)管控工作開(kāi)展和方案制定提供依據(jù)，繼而提高自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行效率，這是機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)展不可忽視的關(guān)鍵因素[2-3]。

3 傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械生產(chǎn)加工的重要技術(shù)設(shè)備，在自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程中，數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域發(fā)展受到高度關(guān)注，這也是目前機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用的重要發(fā)展方向。從數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)原理看，數(shù)控機(jī)床在工作中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，導(dǎo)致周?chē)h(huán)境發(fā)生變化，繼而影響加工制造精度和準(zhǔn)確度。采用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)鷾囟?，了解溫度變化區(qū)間，采用相關(guān)措施有效把控溫度變化，避免出現(xiàn)溫度大幅變化情況，以保障整體加工質(zhì)量[4]。從加工過(guò)程看，數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中需要將零部件夾緊，倘若夾緊力控制不恰當(dāng)，施加力度過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致零部件損壞；施加力度不足，會(huì)導(dǎo)致零部件位移，最終報(bào)廢，還會(huì)過(guò)度磨損數(shù)控機(jī)床，縮短機(jī)床使用壽命。在這一環(huán)節(jié)使用傳感器技術(shù)時(shí)刻分析零部件受力情況，并結(jié)合使用智能系統(tǒng)調(diào)控施加力度，充分保障機(jī)床加工穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)失誤。例如，可以根據(jù)零部件受力情況，時(shí)刻調(diào)整切削扭矩，以獲得高的切削效率和質(zhì)量。

3.2 機(jī)械加工領(lǐng)域

在傳統(tǒng)機(jī)械加工領(lǐng)域中，切削、磨削、機(jī)床運(yùn)行、刀具和砂輪運(yùn)行等作業(yè)環(huán)節(jié)，均會(huì)受多種因素影響，導(dǎo)致實(shí)際機(jī)械加工質(zhì)量不佳、生產(chǎn)效率不高，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。例如，在長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的切削工件作業(yè)中，刀具會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量熱量，必要時(shí)必須中斷作業(yè)或者定時(shí)添加冷卻液，才能確保刀具處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提升工件切削精度和準(zhǔn)確度。但在實(shí)際作業(yè)中，這一環(huán)節(jié)容易受多方因素干擾，難以準(zhǔn)確把控刀具溫度，出現(xiàn)燒傷或者崩刃等損壞情況。根據(jù)現(xiàn)有刀具失效情況統(tǒng)計(jì)，刀具失效導(dǎo)致的機(jī)床停機(jī)時(shí)間占整體停機(jī)時(shí)間的20%，繼而引發(fā)各種機(jī)械加工質(zhì)量、人身和設(shè)備安全等問(wèn)題。在這一作業(yè)環(huán)境中，應(yīng)用溫度感應(yīng)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具加工溫度和環(huán)境溫度，檢測(cè)到溫度超過(guò)設(shè)計(jì)閾值后，立即向機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，管理人員根據(jù)報(bào)警信號(hào)確定故障位置和類(lèi)型，采取適當(dāng)控制措施。

總的來(lái)說(shuō)，在機(jī)械加工領(lǐng)域傳感器技術(shù)主要應(yīng)用在準(zhǔn)備工作檢查和加工過(guò)程監(jiān)測(cè)兩方面。從準(zhǔn)備工作檢查方面看，依據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)生產(chǎn)加工設(shè)備，如設(shè)備類(lèi)型和材質(zhì)、刀具、夾具等擺放位置和固定程度，配置組合各種傳感器裝置，對(duì)作業(yè)環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)電一體化系統(tǒng)中，確定各種測(cè)量數(shù)值與設(shè)計(jì)加工作業(yè)參數(shù)保持一致后，下達(dá)控制指令，開(kāi)展作業(yè)[5]。從加工過(guò)程監(jiān)測(cè)方面看，傳感器的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為切削工件的位移、轉(zhuǎn)速、偏移及設(shè)備的溫度、速率等物理參數(shù)，目的是替代人工檢查、監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題并預(yù)警，由系統(tǒng)下達(dá)指令，并采取有效預(yù)防措施和處理方法，提升機(jī)械加工準(zhǔn)確性和有效性。例如，安裝傳感器裝置對(duì)工件平滑度、加工溫度、刀具切削角度和速度、尺寸加工精度等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)不符合預(yù)期參數(shù)時(shí)，及時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行原則對(duì)加工精度不足的問(wèn)題設(shè)備下發(fā)控制指令，立即中斷作業(yè)，檢查問(wèn)題和分析產(chǎn)生的原因，最終基于問(wèn)題成因調(diào)整設(shè)備運(yùn)行模式和參數(shù)。這種將傳感器技術(shù)與遙控設(shè)備相互結(jié)合的措施，不僅能提高機(jī)械加工整體效率和質(zhì)量，還能提升機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行水平。

3.3 工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)器人是我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化、信息化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵，現(xiàn)如今，越來(lái)越多工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始替代從事傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中一些繁瑣、重復(fù)性高、危險(xiǎn)性高的作業(yè)，尤其是煤礦企業(yè)，有助于降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，提升加工準(zhǔn)確率和精確度。在工業(yè)機(jī)器人研發(fā)和使用領(lǐng)域，應(yīng)用傳感器技術(shù)，就是給機(jī)器人添加了眼睛和觸覺(jué)，能夠使機(jī)器人更精準(zhǔn)地控制作業(yè)步驟和工藝要點(diǎn)，根據(jù)作業(yè)環(huán)境對(duì)設(shè)備進(jìn)行微調(diào)，并獲取實(shí)時(shí)反饋控制信息。相關(guān)技術(shù)人員在得到機(jī)器人傳輸過(guò)來(lái)的信息后，結(jié)合實(shí)際工作情況制定相應(yīng)工作計(jì)劃[6]。

3.4 安全監(jiān)管領(lǐng)域

在安全監(jiān)管領(lǐng)域應(yīng)用傳感器技術(shù)對(duì)工業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。以煤炭企業(yè)安全監(jiān)管為例，主要應(yīng)用在瓦斯爆炸預(yù)防和粉塵含量檢測(cè)兩個(gè)方面，具體來(lái)看：①瓦斯爆炸預(yù)防。瓦斯爆炸是目前煤炭企業(yè)面臨的最為普遍和嚴(yán)重的問(wèn)題，瓦斯爆炸的成因主要為井下甲烷含量超標(biāo)，如井下氧氣濃度超過(guò)12%、瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%～16%這一臨界點(diǎn)時(shí)，一旦出現(xiàn)熱-鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，很有可能發(fā)生爆炸。應(yīng)用光纖傳感器能夠?qū)录淄楹繉?shí)施監(jiān)測(cè)，工作原理為光纖傳感器監(jiān)測(cè)甲烷氣體時(shí)，會(huì)利用其吸收光譜的作用，分析吸收峰值，依據(jù)峰值數(shù)據(jù)測(cè)算甲烷含量，并設(shè)定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，若甲烷含量達(dá)到一定濃度，立即向系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，由管理人員上報(bào)處理。②粉塵含量檢測(cè)。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，大量機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煤塵，若空氣中的煤塵含量達(dá)到一定濃度，很可能引發(fā)安全事故。采用傳感器技術(shù)對(duì)煤塵含量進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，采取相關(guān)措施進(jìn)行預(yù)防和控制，確保煤塵含量在正常范圍內(nèi)。例如，可以設(shè)置光纖傳感器，使用光向后散色法，檢測(cè)作業(yè)環(huán)境，并將測(cè)算數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)設(shè)備，由技術(shù)人員確定處理措施，為煤炭開(kāi)采順利進(jìn)行提供幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

傳感器技術(shù)作為我國(guó)科技研發(fā)的重要內(nèi)容，未來(lái)將朝更高精度、更高敏感性、更寬溫度范圍和更可靠應(yīng)用的方向發(fā)展，而隨著傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的深入融合，將同時(shí)推動(dòng)傳感器技術(shù)與機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)化與創(chuàng)新，大幅提升我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)效率和品質(zhì)。目前，傳感器技術(shù)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)械加工、工業(yè)機(jī)器人、安全監(jiān)管等領(lǐng)域均有大范圍普及和推廣，極大地促進(jìn)了機(jī)電一體化系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)中的成長(zhǎng)，從而推動(dòng)我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化水平的提升。