王冬嬌 馬翔宇

摘要：隨著我國的科技的飛速發(fā)展，芯片、數(shù)字孿生技術(shù)、元宇宙以及5G 技術(shù)都在擴大應(yīng)用范圍。這些先進的技術(shù)中均存在傳感器技術(shù)設(shè)備。智能制造指的是在產(chǎn)品加工過程中，通過一定量的傳感技術(shù)來支撐基本無需人工干預(yù)的自主制造。這項技術(shù)以不同的傳感器作為精準(zhǔn)、敏感的感知器官，及時向制造系統(tǒng)傳遞不同的數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知產(chǎn)品加工過程中的狀態(tài)和環(huán)境變化，通過分析和判斷作出相應(yīng)的回應(yīng)，并施加相應(yīng)的對策來控制產(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)今信息時代中的一類基礎(chǔ)設(shè)備，同時其應(yīng)用也是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的有效途徑。在開展自動化生產(chǎn)時，需要使用各類傳感器來采集、管理和監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的不同信息和參數(shù)，以確保設(shè)備在生產(chǎn)過程中處于正?；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、新材料、儲能和網(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物形態(tài)認知及擴展的檢測設(shè)備。它們可以檢測溫度、位移、聲音、壓力、亮度等不同的數(shù)據(jù)，并將其通過某種規(guī)律轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號或其他形式的數(shù)據(jù)輸出，以進行信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等操作。任何設(shè)備都需要通過傳感器才能實現(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階段。從最初的簡單電阻式傳感器結(jié)構(gòu)參量轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^感知外部信息來適應(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、計算機和計算機接口等設(shè)備。傳感器檢測并收集設(shè)備數(shù)據(jù)，計算機通過預(yù)設(shè)的算法來處理信號，然后利用計算機接口與其他裝置進行傳輸。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)、計算機的感知能力以及通信和控制技術(shù)，創(chuàng)建了一個復(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、機器、方法、環(huán)境等因素，從而實現(xiàn)信息驅(qū)動、虛實映射和資源優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)是用于實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)中虛擬和實際映射的專業(yè)技術(shù)。智能系統(tǒng)通過智能傳感技術(shù)進行感知后進行建模、分析和推理，精確地映射實際生產(chǎn)系統(tǒng)，并對實際的生產(chǎn)系統(tǒng)進行動態(tài)感知和控制。只有通過數(shù)字孿生技術(shù)，才能真正實現(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)是涉及多個學(xué)科的一個高技術(shù)領(lǐng)域。如今，物理、生物、信息及材料等各類相關(guān)科學(xué)的迅速進步，會使得未來的智能傳感技術(shù)一定會實現(xiàn)全面的功能，包括結(jié)構(gòu)縮小、更加智能、集成整合等。未來的智能傳感技術(shù)將會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)進行檢測、處理和分析。

（一）機器視覺技術(shù)

機器視覺的發(fā)展過程是從黑白、分辨率低、靜態(tài)、2D 逐步發(fā)展為彩色、分辨率高、動態(tài)、3D 等的演變，這項技術(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)展使得機器視覺技術(shù)在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并已進入快速發(fā)展階段。制造工程師協(xié)會對機器視覺的定義是：通過非直接接觸的光學(xué)感測裝置，智能地采集和解讀真實環(huán)境中的圖像數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對機器的控制過程。

機器視覺技術(shù)包含了“視”和“覺”兩個方面。通過信號將外界信息成像并以數(shù)字形式傳輸給計算機，實現(xiàn)了“視”部分。這需要使用光源、相機、圖像采集卡和視覺傳感器等一系列硬件設(shè)備。而“覺”部分則通過計算機對數(shù)字信號進行處理和分析，主要依靠軟件

算法。

機器視覺技術(shù)主要用于工業(yè)領(lǐng)域中的檢驗、定位、計量、測量、瑕疵檢測和分揀等任務(wù)。例如，在汽車焊裝生產(chǎn)線中，機器視覺可以檢查車門和前后蓋內(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，機器視覺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)。與人工檢驗相比，機器視覺技術(shù)更快捷、更精準(zhǔn)。

（二）RFID 技術(shù)

RFID技術(shù)是一種智能識別技術(shù)，可以快速動態(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)用來實現(xiàn)批量的數(shù)據(jù)采集上傳、智能檢測和自動傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)需求。因此，要實現(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)機器人技術(shù)

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

三、傳感技術(shù)在智能制造中的具體實踐應(yīng)用

在組建智能制造系統(tǒng)時，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，涉及定位并夾緊毛坯、加工過程中毛坯的位移變化，以及半成品和成品的檢測等不同環(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，以上過程只能通過人工進行控制，而智能制造系統(tǒng)則通過不同類型的傳感器來監(jiān)管這些過程，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

智能制造單元在對某閥塊類零件進行加工之前，需要對毛坯進行預(yù)定位和裝夾。這些閥塊零件的毛坯已經(jīng)經(jīng)過預(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，需要將其放在料倉內(nèi)的夾具上進行定位，并確保夾具具備零點定位功能。然后，通過機械手將帶有毛坯的夾具抓取到設(shè)備加工工作臺上進行定位安裝，正式開始加工程序。

毛坯進行預(yù)定位時，其中兩個方向的定位由夾具確定，而另一個方向的定位允許毛坯自由活動。為了確保毛坯的正確定位，并使每個毛坯都在統(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個傳感器，形成定位傳感器組。傳感器組中的各個位置應(yīng)該滿足定點定位的原則。不同傳感器的輸出信號經(jīng)過邏輯處理后傳輸給智能系統(tǒng)。如果傳感器組中任何一個傳感器未輸出信號，說明毛坯定位不準(zhǔn)確，系統(tǒng)會及時感知到這個定位缺陷問題，并控制機械手停止抓取料倉中的工件，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時，系統(tǒng)才會下達指令，繼續(xù)控制機械手正常工作。

（二） 毛坯規(guī)格識別

閥塊有多個品種，具有各種尺寸規(guī)格和材質(zhì)。當(dāng)智能制造單元要開展不同品種及規(guī)格的閥塊加工時，需要智能制造單元能夠識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)的程序開展加工，以適應(yīng)同時生產(chǎn)多品種閥塊的模式。

在進行多品種零件加工的智能制造單元中，需要安裝能夠識別毛坯的傳感器，以識別不同規(guī)格和尺寸的毛坯。毛坯的規(guī)格辨識應(yīng)該在料倉進行預(yù)定位的過程中進行?？梢栽诹蟼}中安裝光電傳感器和定位傳感器，用于識別毛坯的尺寸。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行檢測，以確保準(zhǔn)確識別。而當(dāng)毛坯尺寸差異不大時，應(yīng)在料倉或加工區(qū)安裝高精度的位置和形狀傳感器。

有時還需要識別毛坯的材質(zhì)。毛坯材質(zhì)不同，加工時也具有很大的差異。即使對尺寸和精度有相同的要求，對于不同材質(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存在很大差異，因此應(yīng)正確地進行區(qū)分。如果在制造單元中對幾種不同材質(zhì)的工件進行穿插加工，就必須安裝能夠識別毛坯材質(zhì)的傳感器，讓系統(tǒng)能夠區(qū)分毛坯材質(zhì)，以便在加工時選擇不同的加工技術(shù)、參數(shù)和刀具。

（三）工件加工過程位移監(jiān)測

工件在加工期間要始終保持準(zhǔn)確的定位，并且夾緊設(shè)備需要具備足夠的力度來抵抗切削力，以確保毛坯的精確定位和加工零件的符合設(shè)計要求。然而，在加工過程中，刀具的磨損、崩裂，以及振動、顫動等情況會導(dǎo)致切削異常和力度增加，夾緊力難以抵抗而失效，導(dǎo)致毛坯偏離原來的位置產(chǎn)生位移，進而導(dǎo)致定位失敗。如果系統(tǒng)無法察覺工件在加工過程中的定位失效，并及時進行糾正而繼續(xù)加工，將導(dǎo)致生產(chǎn)的零件精度誤差，甚至造成工件報廢。因此，在加工過程中需要實時監(jiān)測毛坯的定位。

為了實現(xiàn)實時監(jiān)測，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)能夠感知加工過程中毛坯產(chǎn)生的位移，并及時發(fā)出警告信號，采取相應(yīng)措施進行糾正，以防止因工件報廢而造成材料浪費。

位移傳感器可以分為接觸式與非接觸式兩種，二者在測量原理方面存在差異。接觸式位移傳感器采用不同的測量方式，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現(xiàn)測量；非接觸式位移傳感器主要采用激光位移傳感器，通過三角測距原理實時監(jiān)測工件的位移。非接觸式位移傳感器使用具有超強抗干擾性和精度的激光光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過工件反射到光敏傳感器。光敏傳感器接收到被測工件反射的光點，如果工件發(fā)生位移，光敏傳感器接收到的反射光點也會發(fā)生位置變化，光敏傳感器將這一變化轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸至智能系統(tǒng)。如果變化超過設(shè)定的范圍，智能系統(tǒng)會發(fā)出指令，并將指令傳遞給驅(qū)動設(shè)備，使其做出響應(yīng)并進行糾正決策，以避免因位移而導(dǎo)致的工件損失。

四、結(jié)束語

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。軟件的運算處理能力也越來越強。當(dāng)前的技術(shù)水平使得傳感器的轉(zhuǎn)換、處理和運算能力日益提高。軟件的運算速度也更快，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。這些改進提升了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本，并且延遲時間逐漸減少，甚至可以達到標(biāo)準(zhǔn)時間。從這些趨勢可以看出，數(shù)字傳感器勢必會取代模擬傳感器。如今的數(shù)字化技術(shù)只是處于初始階段，未來將實現(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)今信息時代的基礎(chǔ)設(shè)備之一，同時也是萬物互聯(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。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，比如近年來剛剛開始應(yīng)用的視覺傳感技術(shù)，它集合了許多功能，包括在線觀測、工件定位、位移、形狀感知和刀具磨損檢測等。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，通過傳感技術(shù)的運用，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 中車青島四方車輛研究所有限公司

參? 考? 文? 獻

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