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智能傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵

發(fā)布時間:2022-12-15 責任編輯:lina

【導讀】未來中國最需要發(fā)展的科技是什么?是芯片、數(shù)字孿生、元宇宙還是 5G 技術(shù)?這些重要的技術(shù)都離不開的設(shè)備是傳感器?,F(xiàn)代生產(chǎn)制造中,智能傳感技術(shù)的作用越來越重要,尤其在萬物互聯(lián)的趨勢下,智能傳感技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。


1 引言


未來中國最需要發(fā)展的科技是什么?是芯片、數(shù)字孿生、元宇宙還是 5G 技術(shù)?這些重要的技術(shù)都離不開的設(shè)備是傳感器?,F(xiàn)代生產(chǎn)制造中,智能傳感技術(shù)的作用越來越重要,尤其在萬物互聯(lián)的趨勢下,智能傳感技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。


如果說互聯(lián)網(wǎng)連接的是計算機,那么物聯(lián)網(wǎng)連接的就是世間萬物,物聯(lián)網(wǎng)利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),把傳感器、控制器、機器、人和物等通過新的方式連接在一起,形成人與物、物與物相連,實現(xiàn)信息化、智能化和遠程管理控制的網(wǎng)絡(luò),從而對物品進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理,物聯(lián)網(wǎng)將我們帶到一個新的數(shù)據(jù)時代,讓我們的計算能力、云能力、人工智能都成為可能,萬物互聯(lián)世界將超乎我們的想象。


自傳感器誕生以來,它幫助人們獲取精準信息,已成為萬物互聯(lián)時代最為基礎(chǔ)的設(shè)備,傳感器已成為萬物互聯(lián)的紐帶。


在自動化生產(chǎn)過程中,要用不同的傳感器來采集、控制和監(jiān)視生產(chǎn)過程中的設(shè)備的生產(chǎn)信息和參數(shù),保證生產(chǎn)過程在設(shè)備工作正常狀態(tài)或最佳狀態(tài),從而使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品達到最佳質(zhì)量。


2 智能傳感技術(shù)概要


現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到今天,傳感器的重要性越來越高,物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生、智能制造以及元宇宙等,都離不開傳感器。人們在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中憑借自身的感覺器官從外界獲取信息是遠遠不夠的,為適應(yīng)瞬息萬變的環(huán)境需求,就必須借助外部設(shè)備:傳感器。從智能手機到智能語音設(shè)備,從能源平臺到工業(yè)設(shè)備,傳感器自然而然地“化身”為人類連接機器、人類自身,以及自然環(huán)境的外延器官,它幫助人類將曾經(jīng)不可知、難判斷的信息變成易獲取、更精準的數(shù)據(jù),傳感器已經(jīng)成為數(shù)字化社會最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。


隨著傳感器,以及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲、儲能、新材料、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備等軟硬件技術(shù)的發(fā)展,還有成本的持續(xù)下降,傳感器的應(yīng)用場景將變得越來越豐富。 


(1)傳感器介紹 


傳感器是一種檢測設(shè)備,是人們認知世界的一種工具,或者一種手段,是在我們?nèi)祟惖难鄱巧嗌淼幕A(chǔ)上建立的一種對宇宙認知和延伸擴展,能將檢測到的信息,按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求,它可以檢測到溫度、聲音、壓力、位移、亮度等信息,然后將他們轉(zhuǎn)換為電流或電壓等電信號,傳感器工作原理圖如圖 1 所示,有了傳感器,制造出來的設(shè)備才能實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。傳感器經(jīng)歷了從結(jié)構(gòu)性傳感器、固體型傳感器到智能型傳感器三個階段的發(fā)展,實現(xiàn)了從電阻式傳感器的簡單結(jié)構(gòu)參量變化到可以感知外界信息從而適應(yīng)環(huán)境的能力的智能傳感器。


智能傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵

圖1 傳感器工作原理圖


(2)智能傳感器介紹


智能傳感器指具有數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)信息處理等功能的多元件集成電路,是集傳感器、計算機和計算機接口于一體的設(shè)備。智能傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。


智能傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵

圖2 智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖


傳感器負責設(shè)備信息檢測和采集,計算機根據(jù)設(shè)定對輸入信號進行處理,通過計算機接口與其他裝置進行通信。智能傳感器的實現(xiàn)可以采用模塊式、集成式或混合式等結(jié)構(gòu)。沒有智能傳感器,就不會有所謂的第四次工業(yè)革命,也就不會有智能城市應(yīng)用,不會有智能交通,不會有智能制造。智能傳感器在智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。


(3)智能傳感器技術(shù)介紹


智能傳感技術(shù)是以系統(tǒng)為背景,包括相應(yīng)傳感器集成傳感器芯片組成硬件部分和相關(guān)軟件組成的,系統(tǒng)以傳感器技術(shù)為主,其他技術(shù)為輔。智能傳感技術(shù)架構(gòu)如圖 3 所示。


智能傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵

圖3 智能傳感技術(shù)架構(gòu)圖


智能制造與傳統(tǒng)制造本質(zhì)的區(qū)別在于智能制造是在人與物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng),信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)組成了信息物理系統(tǒng) CPS,信息物理系統(tǒng)通過先進的智能傳感技術(shù)的感知功能,再加上計算機的通信和控制技術(shù),構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機、料、法、環(huán)等要素相互映射、相互交換、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實映射、資源優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)就是信息物理系統(tǒng)的虛實映射實現(xiàn)技術(shù)。智能系統(tǒng)的智能首先要有智能傳感技術(shù)的感知,然后建模,進行分析推理,對現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)準確描述,實時感知和控制現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng),如果沒有數(shù)字孿生技術(shù),那么智能制造系統(tǒng)就是無源之水,無法實現(xiàn)。


3 智能傳感技術(shù)功能


智能傳感器技術(shù)把“感知”與“認知”結(jié)合起來,起到人體的“五感”功能的作用,可以感知各種現(xiàn)象,實現(xiàn)判斷、推理、鑒別功能,最終完成各種動作與任務(wù),全程實現(xiàn)自動化和智能化。


大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)品故障診斷與預測、產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)計劃等,大數(shù)據(jù)是人工智能快速發(fā)展的基礎(chǔ),而大數(shù)據(jù)來源于智能傳感技術(shù),沒有智能傳感器采集和處理數(shù)據(jù),就無從談起大數(shù)據(jù),那么生產(chǎn)就會成為孤島,也就沒有智能制造、人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)等的產(chǎn)生。智能傳感技術(shù)的主要功能:自動標定和校正;采集數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行預處理;檢測檢驗、自尋故障;數(shù)據(jù)存儲、記憶和信息處理;標準化數(shù)字輸出或符號輸出;判斷和決策處理。 


4 智能傳感技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用


當我們提到智能制造,首先了解智能制造實施的關(guān)鍵步驟:狀態(tài)感知(通過智能傳感器準確感知設(shè)備或系統(tǒng)的實時運行狀態(tài))→實時分析(對獲取設(shè)備或系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行快速準確的加工和處理)→自動決策(根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,按照設(shè)定的規(guī)則自動做出判斷和決策)→精準執(zhí)行(執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)自動決策的執(zhí)行)。


智能制造技術(shù)是先進傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程化的技術(shù)和實際組合,他們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起,體現(xiàn)了制造業(yè)的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,智能制造是中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級必經(jīng)之路。


智能制造系統(tǒng)主要包括:設(shè)備層、控制層、運營層和企業(yè)層。智能制造與智能傳感技術(shù)緊密聯(lián)系,各式各樣的有嵌入的、絕對的、相對的、靜止的和運動的傳感器應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)中,它是幫助人們采集獲取信息的重要手段。智能制造中傳感器屬于基礎(chǔ)零部件,它是工業(yè)的基石、性能的關(guān)鍵和發(fā)展的瓶頸。傳感器的智能化、無線化、微型化和集成化是未來智能制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能制造中應(yīng)用常見的智能傳感技術(shù)主要有機器視覺技術(shù)、RFID 技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)等應(yīng)用。


4.1 機器視覺技術(shù)


機器視覺的發(fā)展主要經(jīng)歷了從黑白到彩色、從低分辨率到高分辨率、從靜態(tài)到動態(tài)、從 2D 走向 3D 演變過程,其技術(shù)的迭代也是遵循相應(yīng)的發(fā)展。


隨著行業(yè)發(fā)展,機器視覺技術(shù)在各大領(lǐng)域都得到了各行各業(yè)的認可,在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛,進入了高速發(fā)展的階段。


根據(jù)制造工程師協(xié)會的定義:機器視覺就是使用光學非接觸式感應(yīng)設(shè)備自動接收并解釋真實場景的圖像以獲得信息控制機器或流程。


機器視覺系統(tǒng)主要有照明電源、鏡頭、相機、圖像采集 / 處理卡、圖像處理系統(tǒng)、其他外部設(shè)備等組成,如圖 4 所示。


智能傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵

圖4 機器視覺系統(tǒng)基本架構(gòu)


機器視覺可分為“視”和“覺”兩部分?!耙暋笔菍⑼饨缧畔⑼ㄟ^成像來顯示成數(shù)字信號反饋給計算機,需要依靠一整套的硬件解決方案,包括光源、相機、圖像采集卡、視覺傳感器等?!坝X”則是計算機對數(shù)字信號進行處理和分析,主要是軟件算法。


機器視覺技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用包括檢驗、計量、測量、定位、瑕疵檢測和分揀,比如:汽車焊裝生產(chǎn)線,檢查四個車門和前后蓋的內(nèi)板邊框所涂的反震和折邊的膠條是否連續(xù),是否有滿足技術(shù)要求的高度;啤酒罐裝生產(chǎn)線,檢查啤酒瓶蓋是否正確密封、裝灌啤酒液位是否正確等質(zhì)量檢測,機器視覺參與的質(zhì)量檢驗比人工檢驗要快準。 


如果能讓機器像人一樣具有自我意識,可以根據(jù)產(chǎn)品的位置、亮度、顏色、表面特征等信息進行對應(yīng)的操作,進一步解放生產(chǎn)力,完成柔性化的制造,而實現(xiàn)這一切的前提就是為機器人裝上“眼睛”,也就是“機器視覺”。機器視覺應(yīng)用賦予工業(yè)機器人智慧化,并助力整個工業(yè)從 3.0 時代步入 4.0 時代的關(guān)鍵一環(huán),為智能制造的落地打開了“新窗口”,為智能制造實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。


4.2 RFID 技術(shù)


RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)是一種非接觸的、實時快速、高效準確地采集和處理對象信息的自動識別技術(shù)。RFID 是傳統(tǒng)條碼技術(shù)的繼承者,又稱為“電子標簽”。RFID 主要由電子標簽、天線、讀寫器和控制軟件組成,簡單理解為讀寫器通過無線電波技術(shù),無接觸式快速批量讀寫標簽內(nèi)的信息,RFID 技術(shù)原理及組成如圖 5 所示。


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圖5 RFID 技術(shù)原理及組成


在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用 RFID 技術(shù),將產(chǎn)品放置于托盤 / 工裝,安裝于生產(chǎn)線的 RFID 閱讀器自動識別托盤 /工裝的 RFID 標簽,并與 MES 實時對接,完成信息綁定跟蹤管理,零配件識別、加工工序自動識別,檢測設(shè)備自動對接等功能。


在工業(yè)生產(chǎn)線使用 RFID 的優(yōu)點:


1)實現(xiàn)物料防錯,確保裝配準確性,提高效率和質(zhì)量;


2)實現(xiàn)對在制品的自動識別與跟蹤;


3)節(jié)省人力投入,自動防錯,提升對環(huán)境適用性;


4)數(shù)據(jù)信息采集,實現(xiàn) MES 信息收集。


在智能制造工位上安裝工位定置格、智能引導器、安燈、工位一體機等,定置格下面安裝 RFID 閱讀器,為定置格中的每種工具都綁定 RFID 標簽,MES 集成所有的設(shè)備,并在每個工步下配置了使用的工具類型。工位自動執(zhí)行時,將在工位一體機顯示需要執(zhí)行的任務(wù),引導器指引應(yīng)拿取的工具,RFID 讀寫器校驗是否拿取了正確的工具,安燈系統(tǒng)通過不同顏色的燈光顯示每個環(huán)節(jié)的執(zhí)行的正確性。


在智能制造工作臺上使用 RFID 的優(yōu)點:


1)人工依據(jù)各項指引操作,無需記憶復雜操作流程;


2)智能引導、智能校驗、智能提醒、智能數(shù)據(jù)采集,減少失誤,提高效率和準確性。


RFID 作為一種自動化的數(shù)據(jù)采集技術(shù),必須要與相關(guān)的軟件系統(tǒng),如 WMS、LES、MES 等結(jié)合應(yīng)用,滿足數(shù)據(jù)自動批量采集上傳、自動校驗、自動反饋等業(yè)務(wù)需求。智能制造實施缺少了 RFID 技術(shù),就無法獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù),也就無法實現(xiàn)自動化控制,RFID 技術(shù)是智能制造實現(xiàn)的必備技術(shù)。


4.3?工業(yè)機器人技術(shù)


智能制造生產(chǎn)線上的工業(yè)機器人起著非常關(guān)鍵的作用,工業(yè)機器人是一種自動執(zhí)行工作的機器,它可以接受人類命令運行預先編程的程序或根據(jù)基于人工智能技術(shù)的原則行事,它的使命是協(xié)助或替代人類的工作,例如生產(chǎn)、建筑或危險工作,伺服電機在控制伺服系統(tǒng)中,作為機械部件運行的發(fā)動機組件,其輔助電機間接傳動,伺服電機能夠準確地控制智能制造生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度和產(chǎn)品位置精度,且還能將電壓信號轉(zhuǎn)換成扭矩和速度來驅(qū)動調(diào)節(jié)目標。


工業(yè)機器人是一個在三維空間具有較多自由度的,并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器,動作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,有很高的自由度,幾乎適合任何范圍工作。它的特點是:可編程、擬人化、通用性、機電一體化。工業(yè)機器人主要技術(shù)參數(shù)指標:運動范圍、自由度、有效負載、重復定位精度、運動速度、分辨率等,工業(yè)機器人技術(shù)參數(shù)反映了工業(yè)機器人可勝任的工作、具有的可操作性能等情況,是設(shè)計、應(yīng)用工業(yè)機器人必須要考慮的問題。


工業(yè)機器人主要由五個子系統(tǒng)組成:


1)驅(qū)動系統(tǒng),工業(yè)機器人運行起來的傳動裝置,有液壓、氣動和電動三種驅(qū)動形式;


2)感知系統(tǒng),工業(yè)機器人感知內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)的信息;


3)交互系統(tǒng),可以參與機器人控制與聯(lián)系的裝置;


4)機械系統(tǒng),由工業(yè)機器人本體和末端執(zhí)行機構(gòu)等組成的多自由度的機械系統(tǒng);


5)控制系統(tǒng),工業(yè)機器人大腦,支配工業(yè)機器人完成預定的運動和功能。工業(yè)機器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合如圖 6 所示。


智能傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵

圖6 工業(yè)機器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合


延伸閱讀:《機器人傳感器技術(shù)及市場-2022版》


工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器和人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)的自動化裝備。


工業(yè)機器人適合用于大批量多品種高質(zhì)量自動化生產(chǎn)線,廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)的沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間及發(fā)動機制造中,尤其在汽車白車身焊裝生產(chǎn)中應(yīng)用。運用工業(yè)機器人,不僅提高生產(chǎn)效率,而且在很大程度上提高了焊接的外觀和質(zhì)量,保證了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了勞動強度,改善了勞動環(huán)境。工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能制造生產(chǎn)線中,是智能制造生產(chǎn)線中的關(guān)鍵技術(shù)。


5 智能傳感技術(shù)展望


智能傳感技術(shù)發(fā)展趨勢依賴于硬件和軟件的技術(shù),現(xiàn)在硬件電器尤其是大規(guī)模集成電路的制作水平越來越高,軟件的運算處理功能越來越強,優(yōu)化的越來越好,而且現(xiàn)在技術(shù)水平已經(jīng)可以使傳感器硬件的轉(zhuǎn)換、處理、運算能力更快,軟件的運算速度也會更快,特別是在數(shù)據(jù)通信中,提高通信速率,幾乎沒有誤碼率或者說誤碼率極低,會提高生產(chǎn)效率,降低使用成本,特別是延遲時間會越來越少,甚至趨近于零,所以從這個趨勢來看,數(shù)字化傳感器必將替代模擬傳感器,現(xiàn)在數(shù)字化技術(shù)只是開始和起步階段,未來趨勢是向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化和功能化方向發(fā)展。


智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件發(fā)展趨勢,新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。


不管是德國“工業(yè) 4.0”、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),還是中國制造 2025,具體到物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車、智能交通、智能制造,這些的前端核心技術(shù)都用到智能傳感技術(shù)。智能傳感技術(shù)發(fā)展趨勢主要在以下幾方面:


1)關(guān)注傳感技術(shù)的系統(tǒng)性以及傳感器、數(shù)據(jù)處理與識別技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展;


2)研究開發(fā)新型傳感器和傳感器技術(shù),涉及新理論、新材料、新工藝等諸多因素;


3)研究與開發(fā)特殊環(huán)境下的傳感器與傳感器技術(shù)系統(tǒng);


4)研究各種行業(yè)使用的傳感技術(shù)系統(tǒng),主要是可靠性、可利用性和降低成本;


5)與人工智能等技術(shù)有機結(jié)合應(yīng)用,主要高可靠性、自適應(yīng)性、抗干擾性智能傳感技術(shù)。


智能傳感技術(shù)是一門多學科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域,伴隨著物理學、生物科學、信息科學和材料科學等相關(guān)學科的高速發(fā)展,未來智能傳感技術(shù)功能全面化、結(jié)構(gòu)微型化、智能化程度高、集成一體化等。未來智能傳感技術(shù)將更有效模仿人類的感官,來檢測、處理和分析復雜的信息。


6 結(jié)束語


在信息技術(shù)時代,數(shù)字化技術(shù)起著巨大的作用,推動科學高速發(fā)展,不僅體現(xiàn)在計算機、網(wǎng)絡(luò)通信,還體現(xiàn)在傳感器上,數(shù)字化傳感器是未來高端設(shè)備、高端制造的核心。在數(shù)字技術(shù)化時代,互聯(lián)網(wǎng)助力現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,從企業(yè)到行業(yè),從農(nóng)村到城鎮(zhèn),智能傳感技術(shù)早已滲透到社會的各個行業(yè)。


現(xiàn)在的無人工廠、智慧工廠、“工業(yè) 4.0”、兩化融合等,其核心都離不開智能制造,智能制造技術(shù)是在智能傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過智能化的感知、人機交互、自動決策和執(zhí)行,實現(xiàn)制造過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化,借助計算機模擬人的活動,從而替代生產(chǎn)制造中人的腦力勞動。現(xiàn)在生活中,無處不在的分布各種各樣的傳感器。傳感器的未來已來。

(文章來源:MEMS,原文刊載于《智能制造》2022年第2期作者:上海景格科技股份有限公司 徐平)


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