傳感技術(shù)在智能制造中的實(shí)踐應(yīng)用

王冬嬌 馬翔宇

摘要：隨著我國(guó)的科技的飛速發(fā)展，芯片、數(shù)字孿生技術(shù)、元宇宙以及5G 技術(shù)都在擴(kuò)大應(yīng)用范圍。這些先進(jìn)的技術(shù)中均存在傳感器技術(shù)設(shè)備。智能制造指的是在產(chǎn)品加工過(guò)程中，通過(guò)一定量的傳感技術(shù)來(lái)支撐基本無(wú)需人工干預(yù)的自主制造。這項(xiàng)技術(shù)以不同的傳感器作為精準(zhǔn)、敏感的感知器官，及時(shí)向制造系統(tǒng)傳遞不同的數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知產(chǎn)品加工過(guò)程中的狀態(tài)和環(huán)境變化，通過(guò)分析和判斷作出相應(yīng)的回應(yīng)，并施加相應(yīng)的對(duì)策來(lái)控制產(chǎn)品的加工

質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：傳感技術(shù)；智能制造

在如今的生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)中，智能傳感技術(shù)的應(yīng)用越發(fā)普遍，尤其是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能傳感技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展。傳感器誕生后，就發(fā)揮著準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)的作用，如今已成為當(dāng)今信息時(shí)代中的一類基礎(chǔ)設(shè)備，同時(shí)其應(yīng)用也是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的有效途徑。在開(kāi)展自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)，需要使用各類傳感器來(lái)采集、管理和監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中的不同信息和參數(shù)，以確保設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中處于正?；驇p峰狀態(tài)，從而保障產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

一、傳感技術(shù)概述

如今，在先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展中，傳感器的作用越加凸顯。物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能、智能加工及元宇宙等技術(shù)都由傳感器支撐和運(yùn)行。

（一）傳感器概述

目前，傳感器及其相關(guān)的軟件技術(shù)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、新材料、儲(chǔ)能和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備等都在不斷發(fā)展，成本也隨之下降。這使得傳感器將會(huì)有更加廣泛的用途。傳感器可以視為一種人們感知世界的工具或手段，是在人類感官的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一類用于宇宙萬(wàn)物形態(tài)認(rèn)知及擴(kuò)展的檢測(cè)設(shè)備。它們可以檢測(cè)溫度、位移、聲音、壓力、亮度等不同的數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)某種規(guī)律轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號(hào)或其他形式的數(shù)據(jù)輸出，以進(jìn)行信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等操作。任何設(shè)備都需要通過(guò)傳感器才能實(shí)現(xiàn)真正的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)型、固體型和智能型傳感器這三個(gè)階段。從最初的簡(jiǎn)單電阻式傳感器結(jié)構(gòu)參量轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^(guò)感知外部信息來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境條件的智能傳感器。

（二）智能傳感器概述

智能傳感器是一種集成多元件的電路設(shè)備，其具備數(shù)據(jù)信息的采集和處理功能，綜合了傳感器、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)接口等設(shè)備。傳感器檢測(cè)并收集設(shè)備數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過(guò)預(yù)設(shè)的算法來(lái)處理信號(hào)，然后利用計(jì)算機(jī)接口與其他裝置進(jìn)行傳輸。智能傳感器的結(jié)構(gòu)有模塊式、集成式和混合式等不同形式。智能傳感器引領(lǐng)了第四次工業(yè)革命，推動(dòng)了智慧城市、智能交通、智能制造等領(lǐng)域的發(fā)展。在智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智能交通和人工智能等領(lǐng)域，智能傳感器發(fā)揮著重要的作用。

（三）智能傳感器技術(shù)概述

智能傳感技術(shù)在系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由相關(guān)的傳感器集成傳感器芯片的方式構(gòu)成硬件部分，以及相關(guān)的軟件組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要技術(shù)是傳感器技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)。與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造在本質(zhì)上是在人和物理系統(tǒng)之間加入了信息系統(tǒng)，將信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)合并形成信息物理系統(tǒng)（CPS）。信息物理系統(tǒng)利用現(xiàn)代智能傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)的感知能力以及通信和控制技術(shù)，創(chuàng)建了一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，用于在物理和信息空間中映射、交換和協(xié)同人、材料、機(jī)器、方法、環(huán)境等因素，從而實(shí)現(xiàn)信息驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)映射和資源優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)是用于實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)中虛擬和實(shí)際映射的專業(yè)技術(shù)。智能系統(tǒng)通過(guò)智能傳感技術(shù)進(jìn)行感知后進(jìn)行建模、分析和推理，精確地映射實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知和控制。只有通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，才能真正實(shí)現(xiàn)智能制造系統(tǒng)的智能控制。

二、傳感技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

智能傳感技術(shù)是涉及多個(gè)學(xué)科的一個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域。如今，物理、生物、信息及材料等各類相關(guān)科學(xué)的迅速進(jìn)步，會(huì)使得未來(lái)的智能傳感技術(shù)一定會(huì)實(shí)現(xiàn)全面的功能，包括結(jié)構(gòu)縮小、更加智能、集成整合等。未來(lái)的智能傳感技術(shù)將會(huì)更形象地模仿人類的感知能力，能夠?qū)Ω訌?fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、處理和分析。

（一）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展過(guò)程是從黑白、分辨率低、靜態(tài)、2D 逐步發(fā)展為彩色、分辨率高、動(dòng)態(tài)、3D 等的演變，這項(xiàng)技術(shù)的更新與科技的發(fā)展相符合。如今，不同行業(yè)的不斷發(fā)展使得機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并已進(jìn)入快速發(fā)展階段。制造工程師協(xié)會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)的定義是：通過(guò)非直接接觸的光學(xué)感測(cè)裝置，智能地采集和解讀真實(shí)環(huán)境中的圖像數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的控制過(guò)程。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)包含了“視”和“覺(jué)”兩個(gè)方面。通過(guò)信號(hào)將外界信息成像并以數(shù)字形式傳輸給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了“視”部分。這需要使用光源、相機(jī)、圖像采集卡和視覺(jué)傳感器等一系列硬件設(shè)備。而“覺(jué)”部分則通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和分析，主要依靠軟件

算法。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)主要用于工業(yè)領(lǐng)域中的檢驗(yàn)、定位、計(jì)量、測(cè)量、瑕疵檢測(cè)和分揀等任務(wù)。例如，在汽車(chē)焊裝生產(chǎn)線中，機(jī)器視覺(jué)可以檢查車(chē)門(mén)和前后蓋內(nèi)板邊框的反震和折邊膠條是否連續(xù)，以及高度是否符合技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)。在啤酒罐裝生產(chǎn)線上，機(jī)器視覺(jué)可以檢查啤酒瓶蓋的密封性以及裝罐啤酒的液位是否正確等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。與人工檢驗(yàn)相比，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)更快捷、更精準(zhǔn)。

（二）RFID 技術(shù)

RFID技術(shù)是一種智能識(shí)別技術(shù)，可以快速動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)高效地采集和處理數(shù)據(jù)信息，而且不需要直接接觸。作為智能信息采集技術(shù)，RFID需要結(jié)合相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，比如WMS、LES、MES等，共同應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)批量的數(shù)據(jù)采集上傳、智能檢測(cè)和自動(dòng)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)需求。因此，要實(shí)現(xiàn)智能制造，RFID技術(shù)是必不可少的。在智能制造中，RFID技術(shù)可以有效采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并完成智能控制。

（三）工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

在智能制造的生產(chǎn)線中，工業(yè)機(jī)器人具有非常重要的作用。工業(yè)機(jī)器人是能夠智能完成工作的機(jī)器，它可以根據(jù)人類的指令啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定的程序，或者根據(jù)人工智能技術(shù)的基本原則開(kāi)展工作。它的出現(xiàn)是為了輔助或代替人類進(jìn)行一些生產(chǎn)、建筑及危險(xiǎn)工作等任務(wù)。在控制伺服系統(tǒng)中，伺服電機(jī)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件的重要組成部分。它的作用是輔助電機(jī)的運(yùn)行。伺服電機(jī)可以精準(zhǔn)地控制自動(dòng)制造生產(chǎn)線的運(yùn)行速度和準(zhǔn)確的產(chǎn)品位置，并且可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為扭矩和速度，以驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)象。

三、傳感技術(shù)在智能制造中的具體實(shí)踐應(yīng)用

在組建智能制造系統(tǒng)時(shí)，要始終重視保障產(chǎn)品的精度，并確保不同特性滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這也是傳感技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用方向。在加工制作零件時(shí)，涉及定位并夾緊毛坯、加工過(guò)程中毛坯的位移變化，以及半成品和成品的檢測(cè)等不同環(huán)節(jié)，這些都關(guān)乎產(chǎn)品最終的質(zhì)量。在傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)中，以上過(guò)程只能通過(guò)人工進(jìn)行控制，而智能制造系統(tǒng)則通過(guò)不同類型的傳感器來(lái)監(jiān)管這些過(guò)程，從而極大地提高了系統(tǒng)的精準(zhǔn)率及生產(chǎn)效率。

（一）毛坯定位感知

智能制造單元在對(duì)某閥塊類零件進(jìn)行加工之前，需要對(duì)毛坯進(jìn)行預(yù)定位和裝夾。這些閥塊零件的毛坯已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)加工處理，其外形和尺寸精度都在預(yù)設(shè)的公差范圍內(nèi)。在將毛坯放入智能加工系統(tǒng)之前，需要將其放在料倉(cāng)內(nèi)的夾具上進(jìn)行定位，并確保夾具具備零點(diǎn)定位功能。然后，通過(guò)機(jī)械手將帶有毛坯的夾具抓取到設(shè)備加工工作臺(tái)上進(jìn)行定位安裝，正式開(kāi)始加工程序。

毛坯進(jìn)行預(yù)定位時(shí)，其中兩個(gè)方向的定位由夾具確定，而另一個(gè)方向的定位允許毛坯自由活動(dòng)。為了確保毛坯的正確定位，并使每個(gè)毛坯都在統(tǒng)一的位置上，需要在這一方向上安裝定位傳感器。另外，由于可能存在切屑、毛刺等雜物，會(huì)導(dǎo)致毛坯在夾具內(nèi)的預(yù)定位置傾斜或轉(zhuǎn)位。如果系統(tǒng)不能感知到這種情況，會(huì)導(dǎo)致安裝在加工設(shè)備中的毛坯定位不準(zhǔn)確，從而降低工件的精度甚至報(bào)廢。為了防止此類定位缺陷的發(fā)生，可以在基本的定位傳感器之外，增加1—2個(gè)傳感器，形成定位傳感器組。傳感器組中的各個(gè)位置應(yīng)該滿足定點(diǎn)定位的原則。不同傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯處理后傳輸給智能系統(tǒng)。如果傳感器組中任何一個(gè)傳感器未輸出信號(hào)，說(shuō)明毛坯定位不準(zhǔn)確，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)感知到這個(gè)定位缺陷問(wèn)題，并控制機(jī)械手停止抓取料倉(cāng)中的工件，以便糾正定位。只有當(dāng)傳感器組中的所有傳感器都有輸出信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)下達(dá)指令，繼續(xù)控制機(jī)械手正常工作。

（二） 毛坯規(guī)格識(shí)別

閥塊有多個(gè)品種，具有各種尺寸規(guī)格和材質(zhì)。當(dāng)智能制造單元要開(kāi)展不同品種及規(guī)格的閥塊加工時(shí)，需要智能制造單元能夠識(shí)別不同品種的閥塊毛坯，使其能夠按照毛坯規(guī)格選擇加工工序，并使用相應(yīng)的程序開(kāi)展加工，以適應(yīng)同時(shí)生產(chǎn)多品種閥塊的模式。

在進(jìn)行多品種零件加工的智能制造單元中，需要安裝能夠識(shí)別毛坯的傳感器，以識(shí)別不同規(guī)格和尺寸的毛坯。毛坯的規(guī)格辨識(shí)應(yīng)該在料倉(cāng)進(jìn)行預(yù)定位的過(guò)程中進(jìn)行?？梢栽诹蟼}(cāng)中安裝光電傳感器和定位傳感器，用于識(shí)別毛坯的尺寸。如果毛坯之間的尺寸差異較大，可以選擇安裝普通的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，以確保準(zhǔn)確識(shí)別。而當(dāng)毛坯尺寸差異不大時(shí)，應(yīng)在料倉(cāng)或加工區(qū)安裝高精度的位置和形狀傳感器。

有時(shí)還需要識(shí)別毛坯的材質(zhì)。毛坯材質(zhì)不同，加工時(shí)也具有很大的差異。即使對(duì)尺寸和精度有相同的要求，對(duì)于不同材質(zhì)包括金屬材料、非金屬材料、黑色金屬、有色金屬等的加工，技術(shù)、參數(shù)和刀具的選擇等方面也會(huì)存在很大差異，因此應(yīng)正確地進(jìn)行區(qū)分。如果在制造單元中對(duì)幾種不同材質(zhì)的工件進(jìn)行穿插加工，就必須安裝能夠識(shí)別毛坯材質(zhì)的傳感器，讓系統(tǒng)能夠區(qū)分毛坯材質(zhì)，以便在加工時(shí)選擇不同的加工技術(shù)、參數(shù)和刀具。

（三）工件加工過(guò)程位移監(jiān)測(cè)

工件在加工期間要始終保持準(zhǔn)確的定位，并且?jiàn)A緊設(shè)備需要具備足夠的力度來(lái)抵抗切削力，以確保毛坯的精確定位和加工零件的符合設(shè)計(jì)要求。然而，在加工過(guò)程中，刀具的磨損、崩裂，以及振動(dòng)、顫動(dòng)等情況會(huì)導(dǎo)致切削異常和力度增加，夾緊力難以抵抗而失效，導(dǎo)致毛坯偏離原來(lái)的位置產(chǎn)生位移，進(jìn)而導(dǎo)致定位失敗。如果系統(tǒng)無(wú)法察覺(jué)工件在加工過(guò)程中的定位失效，并及時(shí)進(jìn)行糾正而繼續(xù)加工，將導(dǎo)致生產(chǎn)的零件精度誤差，甚至造成工件報(bào)廢。因此，在加工過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)毛坯的定位。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在加工設(shè)備的智能制造單元內(nèi)安裝了精度較高的位移傳感器，使系統(tǒng)能夠感知加工過(guò)程中毛坯產(chǎn)生的位移，并及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，采取相應(yīng)措施進(jìn)行糾正，以防止因工件報(bào)廢而造成材料浪費(fèi)。

位移傳感器可以分為接觸式與非接觸式兩種，二者在測(cè)量原理方面存在差異。接觸式位移傳感器采用不同的測(cè)量方式，如電阻、電感及光柵等，而高精度位移傳感器通常利用電磁耦合原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量；非接觸式位移傳感器主要采用激光位移傳感器，通過(guò)三角測(cè)距原理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工件的位移。非接觸式位移傳感器使用具有超強(qiáng)抗干擾性和精度的激光光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)工件反射到光敏傳感器。光敏傳感器接收到被測(cè)工件反射的光點(diǎn)，如果工件發(fā)生位移，光敏傳感器接收到的反射光點(diǎn)也會(huì)發(fā)生位置變化，光敏傳感器將這一變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸至智能系統(tǒng)。如果變化超過(guò)設(shè)定的范圍，智能系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令，并將指令傳遞給驅(qū)動(dòng)設(shè)備，使其做出響應(yīng)并進(jìn)行糾正決策，以避免因位移而導(dǎo)致的工件損失。

四、結(jié)束語(yǔ)

智能傳感技術(shù)是依靠硬件及軟件技術(shù)而發(fā)展的。如今的硬件電子設(shè)備，尤其是大規(guī)模集成電路的制造水平不斷提高。軟件的運(yùn)算處理能力也越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)前的技術(shù)水平使得傳感器的轉(zhuǎn)換、處理和運(yùn)算能力日益提高。軟件的運(yùn)算速度也更快，特別是在數(shù)據(jù)通信方面的速率提高，幾乎杜絕了誤碼情況，或者誤碼率非常低。這些改進(jìn)提升了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本，并且延遲時(shí)間逐漸減少，甚至可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。從這些趨勢(shì)可以看出，數(shù)字傳感器勢(shì)必會(huì)取代模擬傳感器。如今的數(shù)字化技術(shù)只是處于初始階段，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的全面發(fā)展。傳感器的出現(xiàn)使得精確獲取數(shù)據(jù)成為可能，已經(jīng)成為當(dāng)今信息時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)備之一，同時(shí)也是萬(wàn)物互聯(lián)的有效途徑。

隨著科技的飛速發(fā)展，傳感技術(shù)也朝著全面功能化的方向邁進(jìn)。在智能制造系統(tǒng)中，將逐步采用更高精度和性能的傳感器。性能單一的傳感器正在逐步被多功能的集成傳感技術(shù)所替代，比如近年來(lái)剛剛開(kāi)始應(yīng)用的視覺(jué)傳感技術(shù)，它集合了許多功能，包括在線觀測(cè)、工件定位、位移、形狀感知和刀具磨損檢測(cè)等。這種性能優(yōu)良、應(yīng)用范圍廣的傳感器為制造系統(tǒng)提供了感知能力，通過(guò)傳感技術(shù)的運(yùn)用，制造系統(tǒng)才能逐步朝著智能化的方向發(fā)展。

作者單位：王冬嬌 馬翔宇 中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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王冬嬌（1985.11-），女，漢族，山東青島，碩士，開(kāi)發(fā)工程師，高級(jí)工程師，研究方向：企業(yè)信息化。