传感技术在智能制造中的实践应用

王冬娇 马翔宇

摘要：随着我国的科技的飞速发展，芯片、数字孪生技术、元宇宙以及5G 技术都在扩大应用范围。这些先进的技术中均存在传感器技术设备。智能制造指的是在产品加工过程中，通过一定量的传感技术来支撑基本无需人工干预的自主制造。这项技术以不同的传感器作为精准、敏感的感知器官，及时向制造系统传递不同的数据信息，使系统能够实时感知产品加工过程中的状态和环境变化，通过分析和判断作出相应的回应，并施加相应的对策来控制产品的加工

质量。

关键词：传感技术；智能制造

在如今的生产制造产业中，智能传感技术的应用越发普遍，尤其是在互联网时代，智能传感技术得到了飞跃式的发展。传感器诞生后，就发挥着准确获取数据的作用，如今已成为当今信息时代中的一类基础设备，同时其应用也是实现万物互联的有效途径。在开展自动化生产时，需要使用各类传感器来采集、管理和监控设备系统在生产过程中的不同信息和参数，以确保设备在生产过程中处于正常或巅峰状态，从而保障产品的生产质量。

一、传感技术概述

如今，在先进信息技术的发展中，传感器的作用越加凸显。物联网、数字孪生、人工智能、智能加工及元宇宙等技术都由传感器支撑和运行。

（一）传感器概述

目前，傳感器及其相关的软件技术包括数据存储、新材料、储能和网络基础设备等都在不断发展，成本也随之下降。这使得传感器将会有更加广泛的用途。传感器可以视为一种人们感知世界的工具或手段，是在人类感官的基础上创建的一类用于宇宙万物形态认知及扩展的检测设备。它们可以检测温度、位移、声音、压力、亮度等不同的数据，并将其通过某种规律转化为电流、电压信号或其他形式的数据输出，以进行信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等操作。任何设备都需要通过传感器才能实现真正的智能化、网络化和信息化。传感器的发展经历了结构型、固体型和智能型传感器这三个阶段。从最初的简单电阻式传感器结构参量转变为可通过感知外部信息来适应外界环境条件的智能传感器。

（二）智能传感器概述

智能传感器是一种集成多元件的电路设备，其具备数据信息的采集和处理功能，综合了传感器、计算机和计算机接口等设备。传感器检测并收集设备数据，计算机通过预设的算法来处理信号，然后利用计算机接口与其他装置进行传输。智能传感器的结构有模块式、集成式和混合式等不同形式。智能传感器引领了第四次工业革命，推动了智慧城市、智能交通、智能制造等领域的发展。在智能制造、智慧农业、智能交通和人工智能等领域，智能传感器发挥着重要的作用。

（三）智能传感器技术概述

智能传感技术在系统的基础上，由相关的传感器集成传感器芯片的方式构成硬件部分，以及相关的软件组成的系统。系统的主要技术是传感器技术结合其他技术。与传统的制造相比，智能制造在本质上是在人和物理系统之间加入了信息系统，将信息系统和物理系统合并形成信息物理系统（CPS）。信息物理系统利用现代智能传感技术、计算机的感知能力以及通信和控制技术，创建了一个复杂系统，用于在物理和信息空间中映射、交换和协同人、材料、机器、方法、环境等因素，从而实现信息驱动、虚实映射和资源优化。数字孪生技术是用于实现信息物理系统中虚拟和实际映射的专业技术。智能系统通过智能传感技术进行感知后进行建模、分析和推理，精确地映射实际生产系统，并对实际的生产系统进行动态感知和控制。只有通过数字孪生技术，才能真正实现智能制造系统的智能控制。

二、传感技术在智能制造中的应用

智能传感技术是涉及多个学科的一个高技术领域。如今，物理、生物、信息及材料等各类相关科学的迅速进步，会使得未来的智能传感技术一定会实现全面的功能，包括结构缩小、更加智能、集成整合等。未来的智能传感技术将会更形象地模仿人类的感知能力，能够对更加复杂的数据进行检测、处理和分析。

（一）机器视觉技术

机器视觉的发展过程是从黑白、分辨率低、静态、2D 逐步发展为彩色、分辨率高、动态、3D 等的演变，这项技术的更新与科技的发展相符合。如今，不同行业的不断发展使得机器视觉技术在各个领域广泛应用，并已进入快速发展阶段。制造工程师协会对机器视觉的定义是：通过非直接接触的光学感测装置，智能地采集和解读真实环境中的图像数据以实现对机器的控制过程。

机器视觉技术包含了“视”和“觉”两个方面。通过信号将外界信息成像并以数字形式传输给计算机，实现了“视”部分。这需要使用光源、相机、图像采集卡和视觉传感器等一系列硬件设备。而“觉”部分则通过计算机对数字信号进行处理和分析，主要依靠软件

算法。

机器视觉技术主要用于工业领域中的检验、定位、计量、测量、瑕疵检测和分拣等任务。例如，在汽车焊装生产线中，机器视觉可以检查车门和前后盖内板边框的反震和折边胶条是否连续，以及高度是否符合技术要求的标准。在啤酒罐装生产线上，机器视觉可以检查啤酒瓶盖的密封性以及装罐啤酒的液位是否正确等质量标准。与人工检验相比，机器视觉技术更快捷、更精准。

（二）RFID 技术

RFID技术是一种智能识别技术，可以快速动态、精准高效地采集和处理数据信息，而且不需要直接接触。作为智能信息采集技术，RFID需要结合相应的软件系统，比如WMS、LES、MES等，共同应用来实现批量的数据采集上传、智能检测和自动传输等业务需求。因此，要实现智能制造，RFID技术是必不可少的。在智能制造中，RFID技术可以有效采集产品数据，并完成智能控制。

（三）工业机器人技术

在智能制造的生产线中，工业机器人具有非常重要的作用。工业机器人是能够智能完成工作的机器，它可以根据人类的指令启动预先设定的程序，或者根据人工智能技术的基本原则开展工作。它的出现是为了辅助或代替人类进行一些生产、建筑及危险工作等任务。在控制伺服系统中，伺服电机是驱动机械部件的重要组成部分。它的作用是辅助电机的运行。伺服电机可以精准地控制自动制造生产线的运行速度和准确的产品位置，并且可以将电压信号转化为扭矩和速度，以驱动调节对象。

三、传感技术在智能制造中的具体实践应用

在组建智能制造系统时，要始終重视保障产品的精度，并确保不同特性满足设计标准。这也是传感技术的关键应用方向。在加工制作零件时，涉及定位并夹紧毛坯、加工过程中毛坯的位移变化，以及半成品和成品的检测等不同环节，这些都关乎产品最终的质量。在传统的制造系统中，以上过程只能通过人工进行控制，而智能制造系统则通过不同类型的传感器来监管这些过程，从而极大地提高了系统的精准率及生产效率。

（一）毛坯定位感知

智能制造单元在对某阀块类零件进行加工之前，需要对毛坯进行预定位和装夹。这些阀块零件的毛坯已经经过预加工处理，其外形和尺寸精度都在预设的公差范围内。在将毛坯放入智能加工系统之前，需要将其放在料仓内的夹具上进行定位，并确保夹具具备零点定位功能。然后，通过机械手将带有毛坯的夹具抓取到设备加工工作台上进行定位安装，正式开始加工程序。

毛坯进行预定位时，其中两个方向的定位由夹具确定，而另一个方向的定位允许毛坯自由活动。为了确保毛坯的正确定位，并使每个毛坯都在统一的位置上，需要在这一方向上安装定位传感器。另外，由于可能存在切屑、毛刺等杂物，会导致毛坯在夹具内的预定位置倾斜或转位。如果系统不能感知到这种情况，会导致安装在加工设备中的毛坯定位不准确，从而降低工件的精度甚至报废。为了防止此类定位缺陷的发生，可以在基本的定位传感器之外，增加1—2个传感器，形成定位传感器组。传感器组中的各个位置应该满足定点定位的原则。不同传感器的输出信号经过逻辑处理后传输给智能系统。如果传感器组中任何一个传感器未输出信号，说明毛坯定位不准确，系统会及时感知到这个定位缺陷问题，并控制机械手停止抓取料仓中的工件，以便纠正定位。只有当传感器组中的所有传感器都有输出信号时，系统才会下达指令，继续控制机械手正常工作。

（二） 毛坯规格识别

阀块有多个品种，具有各种尺寸规格和材质。当智能制造单元要开展不同品种及规格的阀块加工时，需要智能制造单元能够识别不同品种的阀块毛坯，使其能够按照毛坯规格选择加工工序，并使用相应的程序开展加工，以适应同时生产多品种阀块的模式。

在进行多品种零件加工的智能制造单元中，需要安装能够识别毛坯的传感器，以识别不同规格和尺寸的毛坯。毛坯的规格辨识应该在料仓进行预定位的过程中进行。可以在料仓中安装光电传感器和定位传感器，用于识别毛坯的尺寸。如果毛坯之间的尺寸差异较大，可以选择安装普通的传感器进行检测，以确保准确识别。而当毛坯尺寸差异不大时，应在料仓或加工区安装高精度的位置和形状传感器。

有时还需要识别毛坯的材质。毛坯材质不同，加工时也具有很大的差异。即使对尺寸和精度有相同的要求，对于不同材质包括金属材料、非金属材料、黑色金属、有色金属等的加工，技术、参数和刀具的选择等方面也会存在很大差异，因此应正确地进行区分。如果在制造单元中对几种不同材质的工件进行穿插加工，就必须安装能够识别毛坯材质的传感器，让系统能够区分毛坯材质，以便在加工时选择不同的加工技术、参数和刀具。

（三）工件加工过程位移监测

工件在加工期间要始终保持准确的定位，并且夹紧设备需要具备足够的力度来抵抗切削力，以确保毛坯的精确定位和加工零件的符合设计要求。然而，在加工过程中，刀具的磨损、崩裂，以及振动、颤动等情况会导致切削异常和力度增加，夹紧力难以抵抗而失效，导致毛坯偏离原来的位置产生位移，进而导致定位失败。如果系统无法察觉工件在加工过程中的定位失效，并及时进行纠正而继续加工，将导致生产的零件精度误差，甚至造成工件报废。因此，在加工过程中需要实时监测毛坯的定位。

为了实现实时监测，在加工设备的智能制造单元内安装了精度较高的位移传感器，使系统能够感知加工过程中毛坯产生的位移，并及时发出警告信号，采取相应措施进行纠正，以防止因工件报废而造成材料浪费。

位移传感器可以分为接触式与非接触式两种，二者在测量原理方面存在差异。接触式位移传感器采用不同的测量方式，如电阻、电感及光栅等，而高精度位移传感器通常利用电磁耦合原理实现测量；非接触式位移传感器主要采用激光位移传感器，通过三角测距原理实时监测工件的位移。非接触式位移传感器使用具有超强抗干扰性和精度的激光光源，光源发出的光经过工件反射到光敏传感器。光敏传感器接收到被测工件反射的光点，如果工件发生位移，光敏传感器接收到的反射光点也会发生位置变化，光敏传感器将这一变化转化为电信号并传输至智能系统。如果变化超过设定的范围，智能系统会发出指令，并将指令传递给驱动设备，使其做出响应并进行纠正决策，以避免因位移而导致的工件损失。

四、结束语

智能传感技术是依靠硬件及软件技术而发展的。如今的硬件电子设备，尤其是大规模集成电路的制造水平不断提高。软件的运算处理能力也越来越强。当前的技术水平使得传感器的转换、处理和运算能力日益提高。软件的运算速度也更快，特别是在数据通信方面的速率提高，几乎杜绝了误码情况，或者误码率非常低。这些改进提升了生产效率，节约了成本，并且延迟时间逐渐减少，甚至可以达到标准时间。从这些趋势可以看出，数字传感器势必会取代模拟传感器。如今的数字化技术只是处于初始阶段，未来将实现智能化和网络化的全面发展。传感器的出现使得精确获取数据成为可能，已经成为当今信息时代的基础设备之一，同时也是万物互联的有效途径。

随着科技的飞速发展，传感技术也朝着全面功能化的方向迈进。在智能制造系统中，将逐步采用更高精度和性能的传感器。性能单一的传感器正在逐步被多功能的集成传感技术所替代，比如近年来刚刚开始应用的视觉传感技术，它集合了许多功能，包括在线观测、工件定位、位移、形状感知和刀具磨损检测等。这种性能优良、应用范围广的传感器为制造系统提供了感知能力，通过传感技术的运用，制造系统才能逐步朝着智能化的方向发展。

作者单位：王冬娇 马翔宇 中车青岛四方车辆研究所有限公司

参  考  文  献

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王冬娇（1985.11-），女，汉族，山东青岛，硕士，开发工程师，高级工程师，研究方向：企业信息化。