離散制造裝備傳感器應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

孫 克

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司,遼寧沈陽(yáng) 110043)

0 引言

離散制造業(yè)涵蓋航空、航天、兵器、船舶、電子、汽車(chē)、軌道交通、能源、石化等領(lǐng)域重大技術(shù)裝備制造行業(yè)。中國(guó)是全世界離散制造最集中的國(guó)家,離散制造業(yè)是我國(guó)制造業(yè)的重要組成部分,占我國(guó)工業(yè)增加值的50%以上[1]。

我國(guó)離散制造裝備自主創(chuàng)新能力薄弱、關(guān)鍵技術(shù)自給率低,尤其在高性能傳感器、精密測(cè)量裝置、智能控制系統(tǒng)、智能化嵌入式軟件等方面對(duì)外依賴(lài)度高,離散制造智能裝備所使用的儀器儀表與傳感器對(duì)外依存度達(dá)到40%,其中高端產(chǎn)品對(duì)外依存度高達(dá)70%,而機(jī)器人和高端自動(dòng)控制系統(tǒng)、高檔數(shù)控機(jī)床、高檔數(shù)控系統(tǒng)對(duì)外依存度超過(guò)90%[2]。

傳感器是離散制造裝備的關(guān)鍵核心基礎(chǔ)零部件,是實(shí)現(xiàn)離散制造裝備自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)的前置條件。本文面向以高端數(shù)控機(jī)床、模鍛壓機(jī)、沖壓成型機(jī)、焊接機(jī)器人等為代表的離散制造業(yè)典型裝備,針對(duì)滿(mǎn)足裝備自動(dòng)化控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的傳感器應(yīng)用需求,重點(diǎn)論述了應(yīng)用最廣的壓力、位移、振動(dòng)等關(guān)鍵傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,并探討了未來(lái)傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),以期對(duì)離散制造裝備傳感器自主化發(fā)展有所啟發(fā)。

1 離散制造裝備傳感器應(yīng)用

1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)離散制造裝備自動(dòng)化、智能化運(yùn)行的基礎(chǔ)功能系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)主缸壓力、冷卻水及液壓油溫度等參數(shù)的控制,通過(guò)精確地采集動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)位移、位置、角度、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度、主梁與橋臂位置、伺服閥動(dòng)作行程等動(dòng)作參數(shù)控制,采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備還需采集電壓、電流等電量參數(shù),此外,工業(yè)機(jī)器人還大量使用柔性觸覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)等[3]。

傳感器信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后通過(guò)總線參與設(shè)備的自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化作業(yè)。因此,自動(dòng)控制系統(tǒng)大量應(yīng)用壓力、位移、轉(zhuǎn)速等各類(lèi)傳感器,部分傳感器信號(hào)還參與到運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能中,高端數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等離散制造裝備要求傳感器速度響應(yīng)快、精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便。

1.2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)離散制造裝備故障診斷、壽命預(yù)測(cè)與遠(yuǎn)程運(yùn)維的輔助功能系統(tǒng)。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)部署智能傳感器終端,對(duì)制造設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和物理狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集,監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)識(shí)別異常數(shù)據(jù)來(lái)排查風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)、故障自動(dòng)預(yù)警和遠(yuǎn)程診斷分析[4]。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展歷程

離散制造裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè):伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),刀架、導(dǎo)軌、主軸等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),液壓系統(tǒng),氣動(dòng)系統(tǒng),潤(rùn)滑系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等故障高發(fā)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)裝備運(yùn)行狀態(tài)的健康管理。例如,通過(guò)壓力傳感器、流量傳感器監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)液壓油泄漏情況;通過(guò)黏度傳感器、顆粒物傳感器、微水傳感器監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)受污染情況;通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)氣動(dòng)系統(tǒng)密封情況;通過(guò)液位傳感器監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油和冷卻液的損耗情況等。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部分關(guān)鍵傳感器也參與到反饋控制系統(tǒng)中[5]。

從設(shè)備故障分析角度出發(fā),振動(dòng)是大部分設(shè)備運(yùn)行故障的原因和表征,振動(dòng)信號(hào)分析比其他物理參數(shù)提供更全面的設(shè)備狀態(tài)信息[6],越來(lái)越多的大型離散制造裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用位移、速度、加速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)信息,并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理,在狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中發(fā)揮重要的作用。

2 典型傳感器技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 MEMS硅基壓力傳感器

MEMS硅基壓力傳感器按感知原理和微結(jié)構(gòu)可分為壓阻式、電容式、諧振式。硅壓阻式傳感器因結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,易于電路集成和大規(guī)模生產(chǎn)[7],是目前流程工業(yè)和離散制造業(yè)中大量應(yīng)用的傳感器。

西安交通大學(xué)蔣莊德院士團(tuán)隊(duì)[8],基于自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的諧振壓力傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自動(dòng)增益控制電路,并完成產(chǎn)品級(jí)的封裝與測(cè)試,在溫度范圍-40～+85 ℃內(nèi),可使整表頻率穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±0.05 Hz@5 ms采樣周期,綜合精度優(yōu)于±0.02% F.S;中北大學(xué)[9]基于P型4H-SiC壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)并制備了一種電性能穩(wěn)定、靈敏度較高的SiC壓力傳感器,常溫環(huán)境下傳感器的輸出靈敏度高達(dá)10.9 μV·V-1·kPa-1,250 ℃時(shí)衰減至約6.7 μV·V-1·kPa-1,仍保持較高的靈敏度;合肥工業(yè)大學(xué)許高斌團(tuán)隊(duì)[10]設(shè)計(jì)了一種電磁激勵(lì)/電磁拾振的H型梁諧振式MEMS壓力傳感器,量程0～300 kPa、最大過(guò)載1.2 F.S時(shí),初始頻率為57.984 kHz,靈敏度66.98 Hz/kPa,非線性誤差小于0.15%F.S,同時(shí)具備體積小、寬量程且驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)方式引起驅(qū)動(dòng)力和檢測(cè)信號(hào)的非線性變化小的特點(diǎn),如圖2所示。

圖2 H型梁硅諧振式壓力傳感器總體結(jié)構(gòu)

依托傳感器國(guó)家工程研究中心前期基礎(chǔ),沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司基于自主化工藝設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的SOI硅壓阻芯片及壓力傳感器可覆蓋40 kPa～70 MPa,在-55～225 ℃寬溫區(qū)工作,典型量程綜合精度優(yōu)于±0.075%F.S,年穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.075%F.S/a,產(chǎn)品在航空儀表和飛機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、特種車(chē)輛中批量應(yīng)用,在大型離散制造裝備中也有推廣。

2.2 柔性壓力傳感器

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,基于壓力檢測(cè)的觸覺(jué)感知技術(shù)迅速興起,采用柔性電子材料開(kāi)發(fā)的壓力傳感器可覆蓋在載體表面,通過(guò)壓力作用下傳感器導(dǎo)電材料或結(jié)構(gòu)改變轉(zhuǎn)化為電學(xué)性能參數(shù)的變化,從而感知目標(biāo)對(duì)象的特征信息[11],廣泛應(yīng)用于智能機(jī)器人、機(jī)械手、可穿戴智能設(shè)備。

合肥工業(yè)大學(xué)[12]提出了一種采用柔性基板和倒凸形空腔結(jié)構(gòu)的柔性MEMS電容式壓力傳感器,其空間分辨率達(dá)亞毫米級(jí),通過(guò)仿真分析,在接觸壓力為0～15 kPa和15～120 kPa區(qū)間,靈敏度分別為4.17 fF/kPa和0.28 fF/kPa;江南大學(xué)[13]采用具有微觀結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性導(dǎo)電薄膜制備了柔性壓力傳感器,在0～1 kPa范圍內(nèi),高靈敏度達(dá)0.34 kPa-1,響應(yīng)時(shí)間<200 ms,可準(zhǔn)確檢測(cè)到手指觸摸時(shí)的微小壓力;Ma等[14]基于3D打印技術(shù),設(shè)計(jì)了一種采用導(dǎo)電油墨印刷的柔性多模態(tài)觸覺(jué)傳感器;杭州電子科技大學(xué)[15]發(fā)明了一種精準(zhǔn)定位受力、靈敏度可調(diào)的柔性觸覺(jué)傳感器;上海大學(xué)[16]發(fā)明了一種壓阻式與電容式相融合的三維柔性觸覺(jué)傳感器;中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所[17]發(fā)明了一種基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺(jué)傳感器。

2.3 電渦流位移傳感器

電渦流傳感器是基于渦流互感效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象內(nèi)部缺陷與微量位移的高精度檢測(cè)的傳感設(shè)備,因具有非接觸測(cè)量、頻響寬、抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)[18],廣泛應(yīng)用于裝備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,在離散制造領(lǐng)域用于鏡面平整度測(cè)量、主軸脹差測(cè)量、高精儀器設(shè)備裝配等重要場(chǎng)景。

大連理工大學(xué)崔得位等[19]以低溫共燒陶瓷為基底,Ag為線圈材料制作的多層感應(yīng)探頭結(jié)構(gòu)能夠耐高溫,具有較大的電感和較小的電阻,空載品質(zhì)因數(shù)大于30,線性測(cè)量范圍和靈敏度較高;中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所[20]提出一種基于高溫共燒陶瓷(HTCC)技術(shù)制備耐高溫LVDT位移傳感器敏感芯體的方法;大連理工大學(xué)宋冠儒[21]基于MEMS工藝采用濺射后電鑄的方法,設(shè)計(jì)了雙層螺旋線圈互聯(lián)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器探頭的微型化,提高傳感器性能;沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司[22]發(fā)明了一種可測(cè)自振電渦流傳感器探頭及其測(cè)量方法,可用于大型離散制造裝備振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè);科瑞工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)(蘇州)有限公司[23]發(fā)明了一種高精度電渦流位移傳感器,能夠檢測(cè)微小的機(jī)械位移變化量,實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)位移變化量的高速度、高精度、高精密、高線性度的模擬信號(hào)處理。

2.4 光學(xué)位移傳感器

光學(xué)位移傳感器主要包括激光干涉式和光柵式。光柵式位移傳感技術(shù)以其分辨力高、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于機(jī)械精密加工領(lǐng)域。

文獻(xiàn)[24]利用激光束陣列照射物體表面不同點(diǎn)的反射光干涉效應(yīng),基于數(shù)字線陣CMOS相機(jī)和FPGA實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù),開(kāi)發(fā)了一種新型的激光多光束差分干涉?zhèn)鞲衅?可測(cè)量具有干涉靈敏度的振動(dòng)場(chǎng),同時(shí)對(duì)傳感器本身的運(yùn)動(dòng)具有較低的靈敏度;Z.Y. Yang等[25]基于光學(xué)微光柵塔爾博特效應(yīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種超緊湊的角位移傳感器,實(shí)驗(yàn)室靈敏度0.19 mV/arcsec,在2 μm周期光柵±396 arcsec的線性范圍內(nèi),相對(duì)靈敏度為0.27%/arcsec;文獻(xiàn)[26]基于單目視覺(jué)系統(tǒng)圖像開(kāi)發(fā)了一種新型位移傳感器,可同時(shí)測(cè)量6DOF,在幾cm的距離上精確測(cè)量物體大約0.25 mm的位移和0.1°的傾斜變化;中北大學(xué)[27]基于光柵自成像效應(yīng),結(jié)合精密四象限光電探測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種雙層光柵面內(nèi)位移傳感器,實(shí)現(xiàn)了0.65 nm的高分辨力位移測(cè)量。

3 國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)差距與存在問(wèn)題

(1)國(guó)內(nèi)傳感器應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅猛,但敏感元器件的自主化發(fā)展起步較晚,且受基礎(chǔ)材料性能和基礎(chǔ)機(jī)械加工精度的限制,國(guó)內(nèi)傳感器未能有效突破敏感材料、敏感元器件、封裝工藝的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,在應(yīng)對(duì)高低溫使用環(huán)境的特殊封裝工藝方面,與KULITE、BENTLY等國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品仍有差距,在芯片批產(chǎn)工藝一致性方面,與FIRST SENSOR、KEYENCE、KELLER、DRUCK等進(jìn)口高端產(chǎn)品仍有差距。

(2)傳感技術(shù)是融合技術(shù),傳感器是多領(lǐng)域交叉學(xué)科。國(guó)內(nèi)在物理、化學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域,以及力學(xué)、光學(xué)、傳熱學(xué)、電子學(xué)等應(yīng)用基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新能力不足,且各學(xué)科融合偏弱,導(dǎo)致新的感知機(jī)理、新型敏感材料、新的制造工藝研發(fā)能力不足,在力傳感器、光傳感器、磁傳感器、生物傳感器等領(lǐng)域,與國(guó)外高校和科研機(jī)構(gòu)相比進(jìn)展仍顯緩慢。

(3)國(guó)內(nèi)對(duì)于傳感器新原理、新技術(shù)、新工藝的探索大部分仍集中在部分高等院校和科研院所,在離散制造行業(yè)的工程應(yīng)用尚不足,在抗振動(dòng)、抗沖擊、抗干擾、耐高溫、長(zhǎng)壽命等環(huán)境適應(yīng)性和可靠性技術(shù)方面,與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比仍有較大差距;而企業(yè)端的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),由于缺少基礎(chǔ)研究投入,導(dǎo)致原創(chuàng)技術(shù)支撐不足,與SIEMENS、GE等國(guó)外公司相比,在技術(shù)先進(jìn)性方面國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力偏弱。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

4.1 單片集成封裝工藝技術(shù)與微智能傳感器

隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,MEMS微傳感器與CMOS工藝的兼容將逐步取代原有的混合集成封裝,研究單片集成封裝工藝技術(shù),在傳感器敏感芯片中集成微處理器、微存儲(chǔ)器,將使得傳感器具有 自動(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能;而隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步,在智能微傳感器芯片中集成微執(zhí)行器,將真正使傳感器實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。而傳感器的集成度更高,將促進(jìn)器件小型化、微型化發(fā)展,對(duì)傳感器在狹小空間安裝,甚至植入工件帶來(lái)了可能,如圖3所示。

圖3 MEMS微智能傳感器功能示意圖

4.2 多傳感器協(xié)同感知與無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)

設(shè)備的故障往往是多種因素耦合疊加導(dǎo)致,故障狀態(tài)的多樣性、復(fù)雜性以及狀態(tài)之間的復(fù)雜關(guān)系是離散制造裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和精準(zhǔn)控制難點(diǎn)[28]。多傳感器協(xié)同感知在汽車(chē)智能駕駛領(lǐng)域已有應(yīng)用,未來(lái)通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)離散制造裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制的多傳感器協(xié)同感知,通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合處理,將能夠全面監(jiān)測(cè)單臺(tái)套制造設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)套和整線生產(chǎn)設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)。

4.3 高分辨率視覺(jué)傳感器與圖像處理技術(shù)

傳統(tǒng)的圖像傳感器采集數(shù)據(jù)量極大,需要較好的算法以及硬件支持。但隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展,大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云計(jì)算、高速通信技術(shù)的出現(xiàn),網(wǎng)云將具有更高傳輸速率與更低延時(shí),同時(shí)具備更強(qiáng)大的算力,這使得直接利用高分辨率視覺(jué)傳感器對(duì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的作業(yè)裝備進(jìn)行實(shí)施動(dòng)態(tài)掃描,然后通過(guò)對(duì)圖像逐幀進(jìn)行特征提取比對(duì)來(lái)判斷制造設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀態(tài)。因此,發(fā)展高分辨率的視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)離散制造裝備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)也具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以高端數(shù)控機(jī)床、模鍛壓機(jī)、沖壓成型機(jī)、焊接機(jī)器人等離散制造業(yè)典型裝備應(yīng)用的傳感器為研究對(duì)象,列舉了裝備自動(dòng)控制系統(tǒng)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器應(yīng)用情況,分類(lèi)論述了MEMS壓力傳感器、柔性壓力傳感器、電渦流位移傳感器、光學(xué)位移傳感器等4種應(yīng)用最廣的關(guān)鍵傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,分析了目前國(guó)內(nèi)傳感器研發(fā)與生產(chǎn)制造領(lǐng)域存在的問(wèn)題,并探討了未來(lái)離散制造業(yè)傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),希望對(duì)從事離散制造裝備領(lǐng)域和傳感器領(lǐng)域的科研人員有所啟發(fā)。