傳感技術在智能制造中的實踐應用

王冬嬌 馬翔宇

摘要：隨著我國的科技的飛速發展，芯片、數字孿生技術、元宇宙以及5G 技術都在擴大應用范圍。這些先進的技術中均存在傳感器技術設備。智能制造指的是在產品加工過程中，通過一定量的傳感技術來支撐基本無需人工干預的自主制造。這項技術以不同的傳感器作為精準、敏感的感知器官，及時向制造系統傳遞不同的數據信息，使系統能夠實時感知產品加工過程中的狀態和環境變化，通過分析和判斷作出相應的回應，并施加相應的對策來控制產品的加工

質量。

關鍵詞：傳感技術；智能制造

在如今的生產制造產業中，智能傳感技術的應用越發普遍，尤其是在互聯網時代，智能傳感技術得到了飛躍式的發展。傳感器誕生后，就發揮著準確獲取數據的作用，如今已成為當今信息時代中的一類基礎設備，同時其應用也是實現萬物互聯的有效途徑。在開展自動化生產時，需要使用各類傳感器來采集、管理和監控設備系統在生產過程中的不同信息和參數，以確保設備在生產過程中處于正常或巔峰狀態，從而保障產品的生產質量。

一、傳感技術概述

如今，在先進信息技術的發展中，傳感器的作用越加凸顯。物聯網、數字孿生、人工智能、智能加工及元宇宙等技術都由傳感器支撐和運行。

（一）傳感器概述

目前，傳感器及其相關的軟件技術包括數據存儲、新材料、儲能和網絡基礎設備等都在不斷發展，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上創建的一類用于宇宙萬物形態認知及擴展的檢測設備。它們可以檢測溫度、位移、聲音、壓力、亮度等不同的數據，并將其通過某種規律轉化為電流、電壓信號或其他形式的數據輸出，以進行信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等操作。任何設備都需要通過傳感器才能實現真正的智能化、網絡化和信息化。傳感器的發展經歷了結構型、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構參量轉變為可通過感知外部信息來適應外界環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備，其具備數據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備。傳感器檢測并收集設備數據，計算機通過預設的算法來處理信號，然后利用計算機接口與其他裝置進行傳輸。智能傳感器的結構有模塊式、集成式和混合式等不同形式。智能傳感器引領了第四次工業革命，推動了智慧城市、智能交通、智能制造等領域的發展。在智能制造、智慧農業、智能交通和人工智能等領域，智能傳感器發揮著重要的作用。

（三）智能傳感器技術概述

智能傳感技術在系統的基礎上，由相關的傳感器集成傳感器芯片的方式構成硬件部分，以及相關的軟件組成的系統。系統的主要技術是傳感器技術結合其他技術。與傳統的制造相比，智能制造在本質上是在人和物理系統之間加入了信息系統，將信息系統和物理系統合并形成信息物理系統（CPS）。信息物理系統利用現代智能傳感技術、計算機的感知能力以及通信和控制技術，創建了一個復雜系統，用于在物理和信息空間中映射、交換和協同人、材料、機器、方法、環境等因素，從而實現信息驅動、虛實映射和資源優化。數字孿生技術是用于實現信息物理系統中虛擬和實際映射的專業技術。智能系統通過智能傳感技術進行感知后進行建模、分析和推理，精確地映射實際生產系統，并對實際的生產系統進行動態感知和控制。只有通過數字孿生技術，才能真正實現智能制造系統的智能控制。

二、傳感技術在智能制造中的應用

智能傳感技術是涉及多個學科的一個高技術領域。如今，物理、生物、信息及材料等各類相關科學的迅速進步，會使得未來的智能傳感技術一定會實現全面的功能，包括結構縮小、更加智能、集成整合等。未來的智能傳感技術將會更形象地模仿人類的感知能力，能夠對更加復雜的數據進行檢測、處理和分析。

（一）機器視覺技術

機器視覺的發展過程是從黑白、分辨率低、靜態、2D 逐步發展為彩色、分辨率高、動態、3D 等的演變，這項技術的更新與科技的發展相符合。如今，不同行業的不斷發展使得機器視覺技術在各個領域廣泛應用，并已進入快速發展階段。制造工程師協會對機器視覺的定義是：通過非直接接觸的光學感測裝置，智能地采集和解讀真實環境中的圖像數據以實現對機器的控制過程。

機器視覺技術包含了“視”和“覺”兩個方面。通過信號將外界信息成像并以數字形式傳輸給計算機，實現了“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備。而“覺”部分則通過計算機對數字信號進行處理和分析，主要依靠軟件

算法。

機器視覺技術主要用于工業領域中的檢驗、定位、計量、測量、瑕疵檢測和分揀等任務。例如，在汽車焊裝生產線中，機器視覺可以檢查車門和前后蓋內板邊框的反震和折邊膠條是否連續，以及高度是否符合技術要求的標準。在啤酒罐裝生產線上，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量標準。與人工檢驗相比，機器視覺技術更快捷、更精準。

（二）RFID 技術

RFID技術是一種智能識別技術，可以快速動態、精準高效地采集和處理數據信息，而且不需要直接接觸。作為智能信息采集技術，RFID需要結合相應的軟件系統，比如WMS、LES、MES等，共同應用來實現批量的數據采集上傳、智能檢測和自動傳輸等業務需求。因此，要實現智能制造，RFID技術是必不可少的。在智能制造中，RFID技術可以有效采集產品數據，并完成智能控制。

（三）工業機器人技術

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

三、傳感技術在智能制造中的具體實踐應用

在組建智能制造系統時，要始終重視保障產品的精度，并確保不同特性滿足設計標準。這也是傳感技術的關鍵應用方向。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節，這些都關乎產品最終的質量。在傳統的制造系統中，以上過程只能通過人工進行控制，而智能制造系統則通過不同類型的傳感器來監管這些過程，從而極大地提高了系統的精準率及生產效率。

（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，需要對毛坯進行預定位和裝夾。這些閥塊零件的毛坯已經經過預加工處理，其外形和尺寸精度都在預設的公差范圍內。在將毛坯放入智能加工系統之前，需要將其放在料倉內的夾具上進行定位，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，會導致毛坯在夾具內的預定位置傾斜或轉位。如果系統不能感知到這種情況，會導致安裝在加工設備中的毛坯定位不準確，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該滿足定點定位的原則。不同傳感器的輸出信號經過邏輯處理后傳輸給智能系統。如果傳感器組中任何一個傳感器未輸出信號，說明毛坯定位不準確，系統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。只有當傳感器組中的所有傳感器都有輸出信號時，系統才會下達指令，繼續控制機械手正常工作。

（二） 毛坯規格識別

閥塊有多個品種，具有各種尺寸規格和材質。當智能制造單元要開展不同品種及規格的閥塊加工時，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格選擇加工工序，并使用相應的程序開展加工，以適應同時生產多品種閥塊的模式。

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，以識別不同規格和尺寸的毛坯。毛坯的規格辨識應該在料倉進行預定位的過程中進行。可以在料倉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，以確保準確識別。而當毛坯尺寸差異不大時，應在料倉或加工區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。毛坯材質不同，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、參數和刀具的選擇等方面也會存在很大差異，因此應正確地進行區分。如果在制造單元中對幾種不同材質的工件進行穿插加工，就必須安裝能夠識別毛坯材質的傳感器，讓系統能夠區分毛坯材質，以便在加工時選擇不同的加工技術、參數和刀具。

（三）工件加工過程位移監測

工件在加工期間要始終保持準確的定位，并且夾緊設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、顫動等情況會導致切削異常和力度增加，夾緊力難以抵抗而失效，導致毛坯偏離原來的位置產生位移，進而導致定位失敗。如果系統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加工，將導致生產的零件精度誤差，甚至造成工件報廢。因此，在加工過程中需要實時監測毛坯的定位。

為了實現實時監測，在加工設備的智能制造單元內安裝了精度較高的位移傳感器，使系統能夠感知加工過程中毛坯產生的位移，并及時發出警告信號，采取相應措施進行糾正，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，光源發出的光經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，如果工件發生位移，光敏傳感器接收到的反射光點也會發生位置變化，光敏傳感器將這一變化轉化為電信號并傳輸至智能系統。如果變化超過設定的范圍，智能系統會發出指令，并將指令傳遞給驅動設備，使其做出響應并進行糾正決策，以避免因位移而導致的工件損失。

四、結束語

智能傳感技術是依靠硬件及軟件技術而發展的。如今的硬件電子設備，尤其是大規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。當前的技術水平使得傳感器的轉換、處理和運算能力日益提高。軟件的運算速度也更快，特別是在數據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效率，節約了成本，并且延遲時間逐漸減少，甚至可以達到標準時間。從這些趨勢可以看出，數字傳感器勢必會取代模擬傳感器。如今的數字化技術只是處于初始階段，未來將實現智能化和網絡化的全面發展。傳感器的出現使得精確獲取數據成為可能，已經成為當今信息時代的基礎設備之一，同時也是萬物互聯的有效途徑。

隨著科技的飛速發展，傳感技術也朝著全面功能化的方向邁進。在智能制造系統中，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所替代，比如近年來剛剛開始應用的視覺傳感技術，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。這種性能優良、應用范圍廣的傳感器為制造系統提供了感知能力，通過傳感技術的運用，制造系統才能逐步朝著智能化的方向發展。

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

[1]李曉波，支宇，才冬濤等.傳感技術在智能制造中的應用[J].金屬加工（冷加工），2023（03）：78-81.

[2]戴熙禮.工業機器人及視覺傳感技術在堆焊再制造中的應用[J].焊接技術，2022，51（09）：92-96.

[3]徐平.智能傳感技術是實現智能制造的關鍵[J].智能制造，2022（02）：120-124.

[4]高云茜.智能制造背景下傳感系統在智能農業發展中的應用[J].農機使用與維修，2021（07）：39-40.

[5]周祖德，姚碧濤，譚躍剛等.光纖傳感在制造領域應用的分析與思考[J].機械工程學報，2022，58（08）：3-26.

[6]顧碩.智能傳感：智能制造的強大基石[J].自動化博覽，2016（10）：7.

[1]高云茜.智能制造背景下傳感系統在智能農業發展中的應用[J].農機使用與維修，2021（07）：39-40.

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