傳感技術在智能制造中的應用

李曉波，支宇，才冬濤，崔遼

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046000

1 序言

自第一次工業革命以來，制造業發展至今，已逐步邁入智能制造的階段。智能制造成為今后工業發展的必然趨勢，以航空、航天、機械、車輛和電子等為代表的中國制造業也加快了向智能制造升級的步伐。

之所以稱為“智能制造”，就是因為該類制造系統不需要人的干預或者通過少量的人工干預，就能夠自主完成一系列工序加工操作，將毛坯加工成最終的成品。一個智能制造系統，除了用于加工的設備本體等基本硬件外，更重要的是必須具備信息數據采集（相當于人的眼、耳和手等感官）、數據處理（相當于人的大腦）和數據傳輸（相當于人的神經系統）等能夠賦予其智能的“器官”，使其變得聰明起來，在生產過程中實時收集各種數據，快速地進行分析處理，并及時調整自身的加工狀態，以生產出符合要求的產品[1-3]。

由于信息數據采集處于整個智能制造系統的最前端，所采集數據的精準與否，直接關系著數據處理結果的正確性，能否對設備傳達正確的操作指令也決定著所加工產品的最終質量，所以信息數據采集部分在整個智能制造系統中起著至關重要的作用，而數據采集所依賴的傳感技術，在智能制造中的地位也就顯得格外突出了。

2 傳感技術

傳感技術的基礎是各種類型的傳感器。傳感器是可以感知特定的物理量并按一定的規律將其轉化為輸出信號的器件或裝置。在智能制造系統中，可以把傳感器看作是人體感官的延伸，在制造過程中感受各種物理量的變化，將其轉化為輸出信號，傳輸到制造系統的大腦，即中央處理器，進行進一步的分析處理，根據處理結果，指揮整個系統的下一步行動。

傳感器的種類很多，能夠感知聲、光、力、溫度和濕度等人體所能感受到的物理量，并且這些傳感器的感知極限和精度都遠遠超出人的感知范圍；也能夠感知一些人無法直接感受到的物理量，比如位移、位置、磁力、電流、電壓、液壓流體的流量和流速等，利用相應的傳感器可以方便、準確地探知。在智能制造系統中，傳感器是感知、獲取加工環境狀態及變化的關鍵部件，傳感器的探知廣度和精度，決定著制造系統獲取信息的全面性和準確度。從某種意義上講，傳感器配置的高低，決定著一個制造系統智能化的程度。

3 智能制造系統中傳感技術的應用

在智能制造系統組建過程中，保證產品的各項精度和特性符合設計要求，始終是其應關注的目標，這也正是傳感技術應用的主要方向。在零件的加工制造過程中，毛坯的定位、夾緊，加工過程中毛坯的位置變化及位移，還有半成品及成品的檢測等環節，都與最終的產品質量息息相關。在非智能的制造系統中，這些環節只能由人來進行管控，而在智能制造系統中，這些環節交給各類相應的傳感器來監管，其準確率及效率將大幅提高。

3.1 毛坯定位感知

某閥塊類零件在智能制造單元加工前，其毛坯需進行預定位和裝夾。該閥塊零件毛坯已經進行過預加工，其外形尺寸和形狀精度保持在設計的公差范圍之內，在進入智能加工設備前，需將毛坯在料倉內安裝至具有零點定位的夾具上，再由機械手將安裝有毛坯的夾具抓取到加工設備工作臺上定位安裝，然后進行正式加工。

毛坯在預定位過程中，其中兩個維度的定位可以由夾具來保證，在剩余的一個維度，毛坯可以自由活動，為了保證其位置的正確性以及每個毛坯定位的一致性，需在該方向設置定位傳感器（見圖1）。

圖1 毛坯定位傳感器

同時，由于切屑、毛刺等多余物的存在，該毛坯在夾具中預定位過程中，有可能出現傾斜、轉位等現象。如果定位過程中出現此類現象而系統無法感知，致使定位不正確的毛坯進入加工設備，將會影響工件精度，嚴重時可能導致報廢。為了避免這種定位缺陷情況的發生，可以在設置基本定位傳感器的基礎上，增設1～2個傳感器，形成定位傳感器組，如圖2所示。各傳感器位置應符合六點定位原則。傳感器組工作原理如圖3所示。各傳感器輸出信號經過邏輯與處理后傳送至智能系統，若設置的幾個傳感器中，有任何一個沒有信號輸出，就說明毛坯定位存在問題，系統感知到定位缺陷（見圖4、圖5），控制機械手不再抓取該料倉工件，直至將錯誤糾正。當所有傳感器都輸出信號時，系統才能發出指令，控制機械手抓取該料倉工件。

圖2 定位傳感器組

圖3 傳感器組工作原理

圖4 毛坯定位轉位缺陷

圖5 毛坯定位傾斜缺陷

3.2 毛坯規格識別

閥塊的品種較多，尺寸規格及材質各不相同，當這些不同規格的閥塊需要在同一個智能制造單元中加工時，就要求智能制造單元具有辨識不同品種閥塊毛坯的能力，使其能夠根據毛坯的規格確定加工工序，調用相應的加工程序進行加工，以適應多品種閥塊的生產模式。用于多品種零件的智能制造單元應配置毛坯識別傳感器，以對不同的毛坯規格進行辨識。

毛坯的規格識別，可以在料倉中對其進行預定位時進行。在料倉中配置專門的光電傳感器，并配合定位傳感器，對毛坯的尺寸大小進行辨識。如圖6、圖7所示。對于尺寸規格相差較大的毛坯，可以采用圖6、圖7所示的檢測方法，具有較好的識別效果。對于尺寸相差較小的毛坯，可以在料倉或加工區域配置精度較高的位置和形狀傳感器。

圖6 尺寸較大毛坯傳感器無輸出信號

圖7 尺寸較小毛坯傳感器有輸出信號

某些情況下，還需要對毛坯的材質進行識別。不同的材質，其機械加工特性也有較大的差別，即使是加工尺寸和精度要求完全相同，在材質不同的情況下，比如金屬材料和非金屬材料、黑色金屬和有色金屬等，其加工工藝和參數，包括刀具的選擇也會有很大的差異，應區別對待。如果不同材質的幾種工件在同一制造單元中進行穿插加工，就有必要配置毛坯材質識別傳感器，使系統能夠辨別毛坯材質，以調用相應的加工工藝、參數和刀具進行加工。

3.3 工件加工過程位移監測

工件在加工過程中，應始終保持正確的定位，夾緊裝置應提供足夠的夾緊力，以抵抗加工過程中切削力對毛坯的作用，保持毛坯的位置精準，保證最終的零件符合設計要求。但是在某些情況下，比如加工過程中刀具磨損或崩裂、產生振動和顫動等，會致使切削力異常增大，夾緊疲勞失效，進而導致毛坯發生位移，偏離正確的位置，使定位失效。如果系統不能及時感知工件的定位失效，不能及時執行糾正而繼續進行加工的話，將會使最終的工件產生較大的精度誤差，嚴重時可能使工件報廢。

在加工過程中，需要對毛坯的位置情況進行監測。在智能制造單元的加工設備中配置高精度的位移傳感器，使系統能夠及時感知毛坯在加工過程中的位移（見圖8），并及時進行決策，發出警告，采取相應措施，避免工件報廢等情況的發生。

圖8 工件加工過程的位移監測

位移傳感器分為接觸式和非接觸式，二者的測量原理不同。接觸式位移傳感器有電阻、電感和光柵等不同的測量形式，常用的是基于電磁耦合原理的高精度位移傳感器；非接觸式位移傳感器常用的是激光位移傳感器，采用三角測距原理來對工件的位移進行監測，如圖9所示。圖9中的光源采用抗干擾性強、精度較高的激光光源，激光光源發出的光經工件被測表面反射至光敏傳感器。光敏傳感器用來接受從被測工件表面反射的光點，當工件被測表面發生位移，光敏傳感器上接收到的反射光點位置也會隨之變化，光敏傳感器會將這種變化轉變為電信號傳輸到智能系統，如果其變化量超過一定的范圍，智能系統就會作出相應的決策，輸出信號至驅動裝置，使其做出相應行動，以避免損失。

圖9 三角測距原理

4 結束語

隨著科技的不斷進步，傳感技術的發展也是日新月異，各種高精度、高性能的傳感器將持續不斷地被應用在智能制造中。單一性能的傳感器也逐步被具有多種功能的綜合傳感技術所替代，比如近年興起的視覺傳感技術，就綜合了在線檢測、工件位置、位移、形狀感知以及刀具磨損監測等多項功能。正是這些高性能、寬范圍的傳感器，賦予了制造系統感知的能力，有了傳感技術的支撐，制造系統才能向擬人的智能化邁出堅實的一步。