傳感器在柔性自動化中的應用

閔 妍

（同濟大學浙江學院 浙江 嘉興 314051）

1 引言

傳感器作為測量系統中的前置測量轉換設備，是目前比較常用和先進的儀器設備，也是當前世界各國家特別關注的高新科技[1]。如今，由于科學技術飛快的發展，傳感器技術已經融合了許多先進的科學技術，又具有優越的性能，所以在許多領域中都能很好地處理問題，為相關的測試技術帶來了許多便捷。

2 柔性自動化技術的介紹

柔性自動化是機械和電子技術的結合，是新一代的綜合自動化控制系統。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。其創建于20世紀50年代，以硬件為基礎并且以軟件為支持，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，確保生產過程的靈活性和效率，適應多學科、中小型生產，包括數控機床與技術中心、加工中心、工業機器人、柔性制造模塊、柔性制造系統等等。以數控機床為例，數控機床是根據指定的工作程序、移動速度和軌跡自動加工刀具的機床。數控機床對零件的加工過程是在嚴格的參數和操作下進行的，它是一種高效的自動或半自動機床。與普通機床相比，當機器對象發生變化時，它通常只經過數字控制程序的調整，可以顯示良好的適應性，并有一個較短的生產準備周期。數控機床本身精度高，加工用量選擇方便，性能高，比普通機床大3～5倍。加工一些復雜零件，生產效率可提高十幾倍或幾十倍，為生產過程的自動化創造了條件。

3 傳感器在柔性自動化中的應用情況分析

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是光電效應，在現代測量與控制系統中應用非常廣泛。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送過來的信息，并且按照一定的規律轉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換元件組成。它可以在工程狀態下直接測量，根據特定模式轉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的工作、操作對象、操作環境等，為系統的有效控制提供了可靠的依據。

3.1 光電傳感器在機械加工過程中的應用

隨著科學技術的進步，光電傳感器技術的應用越來越廣泛，它們被用于生產過程的檢測。光電傳感器是利用光電器件把光信號轉換成電信號（電壓、電流、電阻等）的裝置，其基本工作原理是基于光電效應的，即因光照引起物體的電學特性而改變的現象。與傳統傳感器相比，光電傳感器具有一定的優勢，響應快、結構簡單、可靠性高等等。在生產線上，光電傳感器可以檢測更長的距離，擴大檢測范圍。另一方面，光電傳感器在生產線檢測過程中的應用不受外界因素的干擾，保證了有效的科學檢測，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控系統的運行情況，如控制機床系統數據，驅動控制系統數據、軸承系統數據和旋轉系統數據等。除此之外，還可以控制振動范圍和位置變化。最后，根據光電傳感器的檢測結果對生產零件進行優化調整，提高產品的加工精度。在加工各種產品后，科學的質量控制要求應用光電傳感器可以提高產品質量，確保產品質量符合國家標準并且充分發揮工作作用，提高工作效率。

3.2 電感式傳感器在汽車制造中的應用

電感式傳感器的工作原理是電磁感應原理，可以將被測非電量（如位移、壓力、加速度等）轉換成線圈自感量或互感量的變化，再通過電路轉換成電壓或電流的變化量輸出[4]。它結構簡單，測量精度高，零點穩定，普遍應用于控制系統。在汽車生產線中，從車身到總裝的所有生產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。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。只有當最終位置發出信號時，產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準，節省空間設計，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，因此不必與目標保持最小距離。標準金屬執行器的金屬零件或組件輔助結構可以用作目標，而不需要有任何改變和調整，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用于生產領域，很多傳感器都有著效率高、結構簡單、可靠性高等等的優點，但還有一些傳感器擁有響應慢、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生故障。

4.1 不夠精細

如果傳感器不夠精細，可能會導致后續加工造成一系列的元件加工不到位而導致產品質量下降或者發生故障，也可能會產生誤差甚至是粗大誤差，從而降低了生產效率[5]。引起不夠精細的原因可能是材料、零部件及工藝的缺陷，標準量值、儀器刻度不準確，環境溫度、壓力的變化等。

4.2 不夠虛擬

傳統傳感器技術在應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果。在加工過程中，一旦發生錯誤，會使產品數據發生改變，增加了成本，效率低下，大大的提升了安全風險。

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，嚴重影響散熱和正常電流流動，導致控制失效或失靈，加速老化，增加損耗，甚至燃燒。如果傳感器出現了老化或者損壞，會造成反饋數據的不準確，會使控制系統發生發動機起動困難，怠速不穩，油耗大，易熄火等問題，會導致對其他元件的操控性和穩定性下降。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，是標準量和被測量相比較的測量方式，其優點是測量誤差主要取決于參加比較的標準器具的誤差，而標準齊聚的誤差可以做到很小。零位式測量要求檢測系統有足夠的靈敏度，在自動化系統中廣泛應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 科學合理運用仿真技術

在傳感器技術的發展中，我們需要關注傳感器的虛擬化問題，提出創新的傳感器仿真技術，學會科學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系統，使產品設計和生產更加精確合理，及時發現和解決生產自動化中的實際問題，優化產品生產工藝和技術質量。因此，為了更有效地將虛擬仿真方法應用到相關的實際工作中，需要積累實踐經驗，將相關技術積極參與到實踐中來，不斷提高自身專業水平，確保虛擬仿真技術得到有效利用。

5.3 增強傳感器的清潔性

在傳感器技術的未來應用中，應特別注意傳感器的清潔性。例如，可以采用干式加工技術，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，節約了自動化生產資源。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，系統檢測到異常，就會提醒需要清潔。

6 結語

在柔性自動化控制的精益生產中，最前端的檢測元件直接關系著柔性自動化控制的靈敏度和精度。總而言之，傳感器技術可以說是現代柔性自動化生產企業中非常重要的一部分，通過傳感器技術的應用，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化為定量信息，向信息系統傳輸的技術傳感器具有傳輸速度快、精度高、生產速度快、效率高等特點，是高效、協調、統一的技術支撐，推動了機電一體化的進一步發展。未來，傳感器在柔性自動化生產中的應用條件需要不斷改善，值得相關人員深入研究，以創造更高的社會價值。