智能制造中對智能傳感器技術(shù)的創(chuàng)新與運用

韓洋祺 鄭亞清 胡廣雪

摘要：在工業(yè)4.0時代，智能制造技術(shù)在人工智能、機械加工等領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景，智能傳感器技術(shù)作為信息獲取的重要手段，在智能制造中發(fā)揮不可或缺的作用。文章基于智能傳感器技術(shù)在智能制造中的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合傳感器技術(shù)在機械生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控、精確識別異常數(shù)據(jù)、自動化報警系統(tǒng)以及運行環(huán)境監(jiān)測及識別等方面的作用，提出智能傳感器技術(shù)在機械加工、內(nèi)燃機控制系統(tǒng)以及機器人研發(fā)中的創(chuàng)新與運用。

關(guān)鍵詞：智能制造;傳感器技術(shù);創(chuàng)新與運用

一、智能傳感器技術(shù)在智能制造中的發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器在智能制造中的應(yīng)用在不同行業(yè)有不同的應(yīng)用特點，例如傳統(tǒng)工業(yè)、制造業(yè)中，多采用較為傳統(tǒng)但是穩(wěn)定性高的傳感器，而高端制造業(yè)中，多采用世界頂尖技術(shù)的傳感器，總體表現(xiàn)為本土化較低，特別是一些特殊部件，我國傳感器制造技術(shù)與國外相比在技術(shù)和穩(wěn)定性上仍存在一定的差距，如高溫高壓傳感器等。隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國家對相關(guān)領(lǐng)域愈加重視，國內(nèi)企業(yè)目前傳感器技術(shù)進(jìn)步較大，特別是智能制造戰(zhàn)略的實施，MEMS技術(shù)等在工業(yè)物聯(lián)中發(fā)展迅速。我國工業(yè)體系中互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的應(yīng)用為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來了巨大的發(fā)展空間，國內(nèi)傳感器制造企業(yè)應(yīng)在技術(shù)發(fā)展的同時注重質(zhì)量發(fā)展。

就目前來看，傳感器在智能制造中的應(yīng)用仍存在較多的問題，在工業(yè)4.0時代，傳感器技術(shù)除了要有良好的穩(wěn)定性以外，傳感器的精度要求也越來越高。在國際技術(shù)壁壘愈加嚴(yán)重的當(dāng)下，國內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展面臨巨大壓力。一方面，我國傳感器技術(shù)目前仍存在一定的優(yōu)化空間，特別是在精細(xì)化、整體化方面亟需進(jìn)步;另一方面，隨著國家生態(tài)環(huán)境要求越來越高，傳感器技術(shù)中心清潔性要求也應(yīng)隨之發(fā)展，例如，切削液在傳感器技術(shù)中的過量消耗除了導(dǎo)致成本高昂以外，對環(huán)境生態(tài)也造成一定危害?；诖?，推動傳感器技術(shù)智能化、精細(xì)化發(fā)展是工業(yè)4.0時代的切實需求，機電系統(tǒng)自動化的發(fā)展與此有密切關(guān)系。結(jié)合我國傳感器技術(shù)在智能制造中的發(fā)展現(xiàn)狀，我國傳感器制造商應(yīng)布局未來，積極發(fā)展傳感器智能化技術(shù)，做好質(zhì)量管理與控制，例如，工業(yè)智能機器人力量傳感器雖然當(dāng)前并未大量普及，但是在智能制造時代，其在未來應(yīng)用中的作用不容忽視，傳感器技術(shù)應(yīng)積極布局未來，敢于向新技術(shù)、新領(lǐng)域進(jìn)軍才能在智能制造時代發(fā)揮更加重要的作用。

二、智能傳感器技術(shù)在智能制造中的作用

（一）機械生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機械設(shè)備發(fā)展愈加重視質(zhì)量和精度，這也是發(fā)展智能制造的基礎(chǔ)，傳感器技術(shù)可以為機械生產(chǎn)在不同環(huán)境下作業(yè)起到環(huán)境和狀態(tài)感知，保障作業(yè)安全的作用。傳感器技術(shù)可以在機械生產(chǎn)中起到現(xiàn)場監(jiān)控的作用，特別是在阻抗、機械震動等方面有良好的在線測量作用，可有效識別多項異常狀態(tài)并及時進(jìn)行反饋和調(diào)控，確保機械生產(chǎn)安全穩(wěn)定。例如，在機械生產(chǎn)中，工件表面以及尺寸精確性對車刀刀尖性狀有較高要求，將傳感器技術(shù)應(yīng)用到車床車刀相關(guān)位置，可對車刀刀尖性狀實施精確化測量，一旦車刀刀尖性狀發(fā)生改變傳感器可及時反饋，確保機械生產(chǎn)質(zhì)量保障。

（二）精確識別異常數(shù)據(jù)

在智能制造時代，傳感器在機械裝置中的作用愈加重要，例如職能機器人技術(shù)，通過對多項數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將其轉(zhuǎn)換為固定格式，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息高效化傳輸。智能機器人的數(shù)據(jù)傳輸量是隨著動作和功能的增多而幾何倍數(shù)增加，傳感器技術(shù)的應(yīng)用可對收取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測，一旦識別到異常數(shù)據(jù)會及時反饋并進(jìn)行調(diào)整，從而確保機器人系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。傳感器在智能化設(shè)備中的應(yīng)用可以更加全面的掌握機器運行狀態(tài)，形成全方位的數(shù)據(jù)信息調(diào)度集中化處理，形成技術(shù)感知的優(yōu)化從而在各項活動中穩(wěn)定運行。

（三）自動化報警系統(tǒng)

在智能制造中，機械元件與智能控制系統(tǒng)共同作用以完成各項既定任務(wù)，在機械運行的過程中，可能受制于技術(shù)或者環(huán)境等多項因素影響而產(chǎn)生各項故障，如果不能準(zhǔn)確掌握故障產(chǎn)生的部位及原因則無法及時有效進(jìn)行處理。傳感器技術(shù)的應(yīng)用可對異常部件進(jìn)行及時信號采集，并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以參數(shù)代碼的形式展現(xiàn)給技術(shù)人員，便于技術(shù)人員精準(zhǔn)識別并進(jìn)行故障排除和處理，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行避免發(fā)生異常事故，從而產(chǎn)生安全隱患。

（四）運行環(huán)境監(jiān)測及識別

在智能制造精細(xì)化部件的運行過程中，環(huán)境因素對智能制造運行綜合效率有密切關(guān)聯(lián)，運行環(huán)境惡劣則可能會導(dǎo)致運行效率降低甚至發(fā)生故障。傳感器在智能制造中的應(yīng)用可精準(zhǔn)分析系統(tǒng)的運行情況，對于可能影響部件運行的各項不穩(wěn)定因素進(jìn)行監(jiān)測和識別，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息整合后通過系統(tǒng)自動發(fā)送給技術(shù)調(diào)度人員，從而實現(xiàn)對智能制造運行規(guī)范化調(diào)控。當(dāng)前，傳感器技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)相對成熟，且整體消耗成本較低，監(jiān)測及識別效率有效提升，提高了智能制造的操作便捷性。技術(shù)人員對復(fù)雜環(huán)境的掌控可利用傳感器技術(shù)遠(yuǎn)程實施，同時對復(fù)雜環(huán)境的構(gòu)成要素進(jìn)行精準(zhǔn)把握，便于及時調(diào)整部件，降低因環(huán)境因素導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，確保自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

三、智能制造中對智能傳感器技術(shù)的創(chuàng)新與運用

（一）傳感器技術(shù)在機械加工中的創(chuàng)新運用

在智能制造機械加工中，傳感器技術(shù)的使用可以確保制造效率，有效提升質(zhì)量水平，并使部件的工作更加可靠和安全。利用傳感器可以及時將機械加工中的異常情況傳輸?shù)娇刂浦行?，以確保相關(guān)通信和安全監(jiān)督的順利進(jìn)行。由于智能制造的機械加工并非一成不變的，可以適當(dāng)調(diào)整傳感器的控制方式，在不同的機械加工作業(yè)中均可以發(fā)揮其效用，起到安全檢測的作用。同時，技術(shù)調(diào)控人員也應(yīng)該對機械中傳感器部件進(jìn)行定期的檢測和維護(hù)，確保傳感器保持正常的工作狀態(tài)。傳感器技術(shù)在機械加工中的創(chuàng)新運用主要體現(xiàn)在以下幾個層面：首先，智能制造機械加工中，精度控制是十分重要的，可利用掃描傳感器技術(shù)，以高頻率動態(tài)化的對機械部件進(jìn)行連續(xù)測量，獲取部件加工的實時準(zhǔn)確信息，并有效識別部件狀態(tài);其次，要及時掌握和辨別加工現(xiàn)場的現(xiàn)狀，利用傳感器技術(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測加工過程中的相關(guān)參數(shù)，包括機器的速度和位置，掌握和了解各種加工過程中的相關(guān)影響因素，并采用更精確的加工工藝，這將有助于降低勞動強度。

（二）傳感器技術(shù)在內(nèi)燃機控制系統(tǒng)的創(chuàng)新運用

在內(nèi)燃機控制系統(tǒng)是汽車的重要構(gòu)成部件，傳感器技術(shù)在內(nèi)燃機控制系統(tǒng)中的運用主要是通過電子控制單元將相關(guān)控制信號傳輸給內(nèi)燃機各個部件，智能傳感器技術(shù)在其中起到在壓力、轉(zhuǎn)速表、車速、氣體濃度和流量等方面進(jìn)行檢測和識別的作用。例如，壓力傳感器可以對儲壓器的壓力、輸出油泵的閉合、斷開信號或者油壓等異常信號進(jìn)行有效識別，一旦發(fā)現(xiàn)異常將快速將信息傳輸?shù)狡囍锌仫@示屏，以便駕駛員及時發(fā)現(xiàn)并排除故障。壓力傳感器目前在汽車中應(yīng)用較為廣泛，主要分為電容式傳感器、壓阻式傳感器、差動變壓器傳感器等，不同的傳感器的機制均存在差異，例如電容式傳感器主要以電容器作為傳感元件，將測量量轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砹炕蛘邫C械量轉(zhuǎn)化為電容量，廣泛應(yīng)用于汽車速度、角度、壓力等方面的測量;壓阻式傳感器主要是依據(jù)力的作用在電阻，通過電阻的變化形成不同的信號，主要應(yīng)用于拉力、壓力差等?？蓪⒉煌膫鞲衅鬟M(jìn)行功能集合或者互補，形成更加穩(wěn)定、可靠的傳感器作用，未來可應(yīng)用于自動駕駛等領(lǐng)域。

（三）傳感器技術(shù)在機器人研發(fā)中的創(chuàng)新運用

利用傳感器技術(shù)，通過對復(fù)雜數(shù)據(jù)的分析，獲取機器人的運動控制參數(shù)，形成相應(yīng)的動作指令。由于機器人當(dāng)前的發(fā)展逐漸向更加自主化、智能化方向側(cè)重，傳感器在機器人研發(fā)中的作用也應(yīng)更加集成和完善，因谷底機器人不同位置的電機數(shù)據(jù)進(jìn)行有效搜集從而形成獨特的動作指令。目前，機器人傳感器主要分為內(nèi)外兩個部分，外部傳感器主要負(fù)責(zé)機器人周邊環(huán)境的檢測和識別，確保機器人周邊環(huán)境的安全，內(nèi)部傳感器主要負(fù)責(zé)分散執(zhí)行機器人的各個部分的指令和自己的協(xié)調(diào)指令，確保機器人自動化運行，內(nèi)外傳感器相互配合使機器人更加智能。

四、智能制造中智能傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展為智能制造夯實了基礎(chǔ)，在工業(yè)4.0時代，隨著國家智能制造戰(zhàn)略的推進(jìn)與落實，傳感器技術(shù)在其中發(fā)揮的作用將愈加顯著。機械的集成化、自動化、智能化要求傳感器技術(shù)趨于小型化、一體化和數(shù)字化，通過對傳感器的有效調(diào)整，可以改善生產(chǎn)活動的狀態(tài)，有助于降低能耗，促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)功率的有效轉(zhuǎn)換。根據(jù)當(dāng)前國家對智能制造的規(guī)劃結(jié)合當(dāng)前傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，實現(xiàn)傳感器技術(shù)的節(jié)能、穩(wěn)定，對傳感器技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，從而有效提升我國智能制造的核心競爭能力，助推我國工業(yè)生產(chǎn)能力的有效提升。

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