傳感技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

李曉波，支宇，才冬濤，崔遼

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 046000

1 序言

自第一次工業(yè)革命以來，制造業(yè)發(fā)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(yè)發(fā)展的必然趨勢，以航空、航天、機(jī)械、車輛和電子等為代表的中國制造業(yè)也加快了向智能制造升級(jí)的步伐。

之所以稱為“智能制造”，就是因?yàn)樵擃愔圃煜到y(tǒng)不需要人的干預(yù)或者通過少量的人工干預(yù)，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(gè)智能制造系統(tǒng)，除了用于加工的設(shè)備本體等基本硬件外，更重要的是必須具備信息數(shù)據(jù)采集（相當(dāng)于人的眼、耳和手等感官）、數(shù)據(jù)處理（相當(dāng)于人的大腦）和數(shù)據(jù)傳輸（相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)）等能夠賦予其智能的“器官”，使其變得聰明起來，在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)收集各種數(shù)據(jù)，快速地進(jìn)行分析處理，并及時(shí)調(diào)整自身的加工狀態(tài)，以生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品[1-3]。

由于信息數(shù)據(jù)采集處于整個(gè)智能制造系統(tǒng)的最前端，所采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)與否，直接關(guān)系著數(shù)據(jù)處理結(jié)果的正確性，能否對(duì)設(shè)備傳達(dá)正確的操作指令也決定著所加工產(chǎn)品的最終質(zhì)量，所以信息數(shù)據(jù)采集部分在整個(gè)智能制造系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，而數(shù)據(jù)采集所依賴的傳感技術(shù)，在智能制造中的地位也就顯得格外突出了。

2 傳感技術(shù)

傳感技術(shù)的基礎(chǔ)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(guī)律將其轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)的器件或裝置。在智能制造系統(tǒng)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(zhuǎn)化為輸出信號(hào)，傳輸?shù)街圃煜到y(tǒng)的大腦，即中央處理器，進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，根據(jù)處理結(jié)果，指揮整個(gè)系統(tǒng)的下一步行動(dòng)。

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)的傳感器可以方便、準(zhǔn)確地探知。在智能制造系統(tǒng)中，傳感器是感知、獲取加工環(huán)境狀態(tài)及變化的關(guān)鍵部件，傳感器的探知廣度和精度，決定著制造系統(tǒng)獲取信息的全面性和準(zhǔn)確度。從某種意義上講，傳感器配置的高低，決定著一個(gè)制造系統(tǒng)智能化的程度。

3 智能制造系統(tǒng)中傳感技術(shù)的應(yīng)用

在智能制造系統(tǒng)組建過程中，保證產(chǎn)品的各項(xiàng)精度和特性符合設(shè)計(jì)要求，始終是其應(yīng)關(guān)注的目標(biāo)，這也正是傳感技術(shù)應(yīng)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(huán)節(jié)，都與最終的產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)。在非智能的制造系統(tǒng)中，這些環(huán)節(jié)只能由人來進(jìn)行管控，而在智能制造系統(tǒng)中，這些環(huán)節(jié)交給各類相應(yīng)的傳感器來監(jiān)管，其準(zhǔn)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(jìn)行預(yù)定位和裝夾。該閥塊零件毛坯已經(jīng)進(jìn)行過預(yù)加工，其外形尺寸和形狀精度保持在設(shè)計(jì)的公差范圍之內(nèi)，在進(jìn)入智能加工設(shè)備前，需將毛坯在料倉內(nèi)安裝至具有零點(diǎn)定位的夾具上，再由機(jī)械手將安裝有毛坯的夾具抓取到加工設(shè)備工作臺(tái)上定位安裝，然后進(jìn)行正式加工。

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

圖1 毛坯定位傳感器

同時(shí)，由于切屑、毛刺等多余物的存在，該毛坯在夾具中預(yù)定位過程中，有可能出現(xiàn)傾斜、轉(zhuǎn)位等現(xiàn)象。如果定位過程中出現(xiàn)此類現(xiàn)象而系統(tǒng)無法感知，致使定位不正確的毛坯進(jìn)入加工設(shè)備，將會(huì)影響工件精度，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致報(bào)廢。為了避免這種定位缺陷情況的發(fā)生，可以在設(shè)置基本定位傳感器的基礎(chǔ)上，增設(shè)1～2個(gè)傳感器，形成定位傳感器組，如圖2所示。各傳感器位置應(yīng)符合六點(diǎn)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(hào)經(jīng)過邏輯與處理后傳送至智能系統(tǒng)，若設(shè)置的幾個(gè)傳感器中，有任何一個(gè)沒有信號(hào)輸出，就說明毛坯定位存在問題，系統(tǒng)感知到定位缺陷（見圖4、圖5），控制機(jī)械手不再抓取該料倉工件，直至將錯(cuò)誤糾正。當(dāng)所有傳感器都輸出信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)才能發(fā)出指令，控制機(jī)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(zhuǎn)位缺陷

圖5 毛坯定位傾斜缺陷

3.2 毛坯規(guī)格識(shí)別

閥塊的品種較多，尺寸規(guī)格及材質(zhì)各不相同，當(dāng)這些不同規(guī)格的閥塊需要在同一個(gè)智能制造單元中加工時(shí)，就要求智能制造單元具有辨識(shí)不同品種閥塊毛坯的能力，使其能夠根據(jù)毛坯的規(guī)格確定加工工序，調(diào)用相應(yīng)的加工程序進(jìn)行加工，以適應(yīng)多品種閥塊的生產(chǎn)模式。用于多品種零件的智能制造單元應(yīng)配置毛坯識(shí)別傳感器，以對(duì)不同的毛坯規(guī)格進(jìn)行辨識(shí)。

毛坯的規(guī)格識(shí)別，可以在料倉中對(duì)其進(jìn)行預(yù)定位時(shí)進(jìn)行。在料倉中配置專門的光電傳感器，并配合定位傳感器，對(duì)毛坯的尺寸大小進(jìn)行辨識(shí)。如圖6、圖7所示。對(duì)于尺寸規(guī)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(shí)別效果。對(duì)于尺寸相差較小的毛坯，可以在料倉或加工區(qū)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(hào)

圖7 尺寸較小毛坯傳感器有輸出信號(hào)

某些情況下，還需要對(duì)毛坯的材質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。不同的材質(zhì)，其機(jī)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(zhì)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(shù)，包括刀具的選擇也會(huì)有很大的差異，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。如果不同材質(zhì)的幾種工件在同一制造單元中進(jìn)行穿插加工，就有必要配置毛坯材質(zhì)識(shí)別傳感器，使系統(tǒng)能夠辨別毛坯材質(zhì)，以調(diào)用相應(yīng)的加工工藝、參數(shù)和刀具進(jìn)行加工。

3.3 工件加工過程位移監(jiān)測

工件在加工過程中，應(yīng)始終保持正確的定位，夾緊裝置應(yīng)提供足夠的夾緊力，以抵抗加工過程中切削力對(duì)毛坯的作用，保持毛坯的位置精準(zhǔn)，保證最終的零件符合設(shè)計(jì)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(chǎn)生振動(dòng)和顫動(dòng)等，會(huì)致使切削力異常增大，夾緊疲勞失效，進(jìn)而導(dǎo)致毛坯發(fā)生位移，偏離正確的位置，使定位失效。如果系統(tǒng)不能及時(shí)感知工件的定位失效，不能及時(shí)執(zhí)行糾正而繼續(xù)進(jìn)行加工的話，將會(huì)使最終的工件產(chǎn)生較大的精度誤差，嚴(yán)重時(shí)可能使工件報(bào)廢。

在加工過程中，需要對(duì)毛坯的位置情況進(jìn)行監(jiān)測。在智能制造單元的加工設(shè)備中配置高精度的位移傳感器，使系統(tǒng)能夠及時(shí)感知毛坯在加工過程中的位移（見圖8），并及時(shí)進(jìn)行決策，發(fā)出警告，采取相應(yīng)措施，避免工件報(bào)廢等情況的發(fā)生。

圖8 工件加工過程的位移監(jiān)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(duì)工件的位移進(jìn)行監(jiān)測，如圖9所示。圖9中的光源采用抗干擾性強(qiáng)、精度較高的激光光源，激光光源發(fā)出的光經(jīng)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(diǎn)，當(dāng)工件被測表面發(fā)生位移，光敏傳感器上接收到的反射光點(diǎn)位置也會(huì)隨之變化，光敏傳感器會(huì)將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳輸?shù)街悄芟到y(tǒng)，如果其變化量超過一定的范圍，智能系統(tǒng)就會(huì)作出相應(yīng)的決策，輸出信號(hào)至驅(qū)動(dòng)裝置，使其做出相應(yīng)行動(dòng)，以避免損失。

圖9 三角測距原理

4 結(jié)束語

隨著科技的不斷進(jìn)步，傳感技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，各種高精度、高性能的傳感器將持續(xù)不斷地被應(yīng)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(shù)所替代，比如近年興起的視覺傳感技術(shù)，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(jiān)測等多項(xiàng)功能。正是這些高性能、寬范圍的傳感器，賦予了制造系統(tǒng)感知的能力，有了傳感技術(shù)的支撐，制造系統(tǒng)才能向擬人的智能化邁出堅(jiān)實(shí)的一步。