傳感器在柔性自動化中的應(yīng)用

閔 妍

（同濟大學(xué)浙江學(xué)院 浙江 嘉興 314051）

1 引言

傳感器作為測量系統(tǒng)中的前置測量轉(zhuǎn)換設(shè)備，是目前比較常用和先進的儀器設(shè)備，也是當(dāng)前世界各國家特別關(guān)注的高新科技[1]。如今，由于科學(xué)技術(shù)飛快的發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)融合了許多先進的科學(xué)技術(shù)，又具有優(yōu)越的性能，所以在許多領(lǐng)域中都能很好地處理問題，為相關(guān)的測試技術(shù)帶來了許多便捷。

2 柔性自動化技術(shù)的介紹

柔性自動化是機械和電子技術(shù)的結(jié)合，是新一代的綜合自動化控制系統(tǒng)。在機電一體化機器中，它是一個靈活多變的程序，也可稱為可變編程自動化。其創(chuàng)建于20世紀(jì)50年代，以硬件為基礎(chǔ)并且以軟件為支持，它允許通過修改程序來實施必要的控制措施，以便靈活且易于更改，確保生產(chǎn)過程的靈活性和效率，適應(yīng)多學(xué)科、中小型生產(chǎn)，包括數(shù)控機床與技術(shù)中心、加工中心、工業(yè)機器人、柔性制造模塊、柔性制造系統(tǒng)等等。以數(shù)控機床為例，數(shù)控機床是根據(jù)指定的工作程序、移動速度和軌跡自動加工刀具的機床。數(shù)控機床對零件的加工過程是在嚴(yán)格的參數(shù)和操作下進行的，它是一種高效的自動或半自動機床。與普通機床相比，當(dāng)機器對象發(fā)生變化時，它通常只經(jīng)過數(shù)字控制程序的調(diào)整，可以顯示良好的適應(yīng)性，并有一個較短的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。數(shù)控機床本身精度高，加工用量選擇方便，性能高，比普通機床大3～5倍。加工一些復(fù)雜零件，生產(chǎn)效率可提高十幾倍或幾十倍，為生產(chǎn)過程的自動化創(chuàng)造了條件。

3 傳感器在柔性自動化中的應(yīng)用情況分析

一方面，傳感器是一種物理裝置，能夠檢測和接收外界的物理信號，像光、熱、濕度和電等等，還能接收化學(xué)信號比如煙霧，并將探測到的信息傳送給其他的元件或者控制裝置[2]。例如光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。另一方面，傳感器也是一種檢測裝置，能檢測到被測量的所發(fā)送過來的信息，并且按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)變成為電信號或其他形式的信號輸出，為了滿足信號的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，一般是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。它可以在工程狀態(tài)下直接測量，根據(jù)特定模式轉(zhuǎn)換為相同值或不同值輸出的裝置。傳感器的功能類似于人類的感官。在某種程度上，它們代表了人類感官的擴展。該傳感器可以控制自動化系統(tǒng)的工作、操作對象、操作環(huán)境等，為系統(tǒng)的有效控制提供了可靠的依據(jù)。

3.1 光電傳感器在機械加工過程中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，光電傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，它們被用于生產(chǎn)過程的檢測。光電傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓、電流、電阻等）的裝置，其基本工作原理是基于光電效應(yīng)的，即因光照引起物體的電學(xué)特性而改變的現(xiàn)象。與傳統(tǒng)傳感器相比，光電傳感器具有一定的優(yōu)勢，響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等等。在生產(chǎn)線上，光電傳感器可以檢測更長的距離，擴大檢測范圍。另一方面，光電傳感器在生產(chǎn)線檢測過程中的應(yīng)用不受外界因素的干擾，保證了有效的科學(xué)檢測，更好的控制功能，不會受到太大的限制[3]。在加工過程中，利用光電傳感器可以實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，如控制機床系統(tǒng)數(shù)據(jù)，驅(qū)動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。除此之外，還可以控制振動范圍和位置變化。最后，根據(jù)光電傳感器的檢測結(jié)果對生產(chǎn)零件進行優(yōu)化調(diào)整，提高產(chǎn)品的加工精度。在加工各種產(chǎn)品后，科學(xué)的質(zhì)量控制要求應(yīng)用光電傳感器可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)并且充分發(fā)揮工作作用，提高工作效率。

3.2 電感式傳感器在汽車制造中的應(yīng)用

電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)原理，可以將被測非電量（如位移、壓力、加速度等）轉(zhuǎn)換成線圈自感量或互感量的變化，再通過電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出[4]。它結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，零點穩(wěn)定，普遍應(yīng)用于控制系統(tǒng)。在汽車生產(chǎn)線中，從車身到總裝的所有生產(chǎn)階段都需要使用剪式升降機。將車身移動到所需的加工位置，以便工人能夠正常完成任務(wù)。為了確保工人不危險，只有在剪式升降機被鎖定后，才能進行切割和加工。只有當(dāng)最終位置發(fā)出信號時，產(chǎn)品才能放在工作臺上進行加工處理。電感式安全傳感器則是可靠確定剪式升降機末端位置的理想選擇。使用兩個電感式安全傳感器可用于確定收縮和伸長的最終位置。電感式安全傳感器符合標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省空間設(shè)計，安裝靈活，易于集成到剪式升降機中。電感式傳感器沒有盲區(qū)，因此不必與目標(biāo)保持最小距離。標(biāo)準(zhǔn)金屬執(zhí)行器的金屬零件或組件輔助結(jié)構(gòu)可以用作目標(biāo)，而不需要有任何改變和調(diào)整，傳感器可以直接集成到安全回路中。

4 存在的問題

目前，雖然傳感器已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，很多傳感器都有著效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等等的優(yōu)點，但還有一些傳感器擁有響應(yīng)慢、精度低的缺點。除了這些缺點，元件老化、不夠虛擬也都能造成傳感器工作效率低下以及發(fā)生故障。

4.1 不夠精細(xì)

如果傳感器不夠精細(xì)，可能會導(dǎo)致后續(xù)加工造成一系列的元件加工不到位而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降或者發(fā)生故障，也可能會產(chǎn)生誤差甚至是粗大誤差，從而降低了生產(chǎn)效率[5]。引起不夠精細(xì)的原因可能是材料、零部件及工藝的缺陷，標(biāo)準(zhǔn)量值、儀器刻度不準(zhǔn)確，環(huán)境溫度、壓力的變化等。

4.2 不夠虛擬

傳統(tǒng)傳感器技術(shù)在應(yīng)用中普遍存在傳感器虛擬化不足的問題，會使傳感器對接收的信號進行錯誤地傳輸、處理、儲存等，也許還會造成電路短路或斷路的結(jié)果。在加工過程中，一旦發(fā)生錯誤，會使產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)生改變，增加了成本，效率低下，大大的提升了安全風(fēng)險。

4.3 不夠清潔

傳感器不夠清潔，空氣中的纖維、油、水分和灰塵被長時間吸附，在表面形成厚厚的涂層，嚴(yán)重影響散熱和正常電流流動，導(dǎo)致控制失效或失靈，加速老化，增加損耗，甚至燃燒。如果傳感器出現(xiàn)了老化或者損壞，會造成反饋數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，會使控制系統(tǒng)發(fā)生發(fā)動機起動困難，怠速不穩(wěn)，油耗大，易熄火等問題，會導(dǎo)致對其他元件的操控性和穩(wěn)定性下降。同時，也會引起變送器密封材料的劣變，水蒸氣會通過外殼進入，造成傳感器校準(zhǔn)值漂移。

5 解決對策

5.1 提高精度以及誤差的削弱和消除

首先，誤差的削弱和消除可以使用零位式測量法，是標(biāo)準(zhǔn)量和被測量相比較的測量方式，其優(yōu)點是測量誤差主要取決于參加比較的標(biāo)準(zhǔn)器具的誤差，而標(biāo)準(zhǔn)齊聚的誤差可以做到很小。零位式測量要求檢測系統(tǒng)有足夠的靈敏度，在自動化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的自動平衡顯示儀表就屬零位式測量。其次，使用微傳感器可以一定程度上提高精度，它體積小重量輕，功耗低，性能好，便于集成化和多功能化，提高傳感器智能化水平。

5.2 科學(xué)合理運用仿真技術(shù)

在傳感器技術(shù)的發(fā)展中，我們需要關(guān)注傳感器的虛擬化問題，提出創(chuàng)新的傳感器仿真技術(shù)，學(xué)會科學(xué)合理地使用計算機仿真軟件，從而模擬出更真實的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，使產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)更加精確合理，及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)自動化中的實際問題，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和技術(shù)質(zhì)量。因此，為了更有效地將虛擬仿真方法應(yīng)用到相關(guān)的實際工作中，需要積累實踐經(jīng)驗，將相關(guān)技術(shù)積極參與到實踐中來，不斷提高自身專業(yè)水平，確保虛擬仿真技術(shù)得到有效利用。

5.3 增強傳感器的清潔性

在傳感器技術(shù)的未來應(yīng)用中，應(yīng)特別注意傳感器的清潔性。例如，可以采用干式加工技術(shù)，它有效地彌補了以往切割和磨削方法的缺點，提高了工作效率，節(jié)約了自動化生產(chǎn)資源。干式加工工藝用于高速切削，無需冷卻或少量潤滑油和潤滑劑。另外，也可以使用雷達傳感器，如果有臟物，會影響雷達探頭的探知，而且長時間處在一個探頭上，系統(tǒng)檢測到異常，就會提醒需要清潔。

6 結(jié)語

在柔性自動化控制的精益生產(chǎn)中，最前端的檢測元件直接關(guān)系著柔性自動化控制的靈敏度和精度。總而言之，傳感器技術(shù)可以說是現(xiàn)代柔性自動化生產(chǎn)企業(yè)中非常重要的一部分，通過傳感器技術(shù)的應(yīng)用，我們可以收集到更多有用的信息，有效地將外部物理信息轉(zhuǎn)化為定量信息，向信息系統(tǒng)傳輸?shù)募夹g(shù)傳感器具有傳輸速度快、精度高、生產(chǎn)速度快、效率高等特點，是高效、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的技術(shù)支撐，推動了機電一體化的進一步發(fā)展。未來，傳感器在柔性自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用條件需要不斷改善，值得相關(guān)人員深入研究，以創(chuàng)造更高的社會價值。