智能制造領域中的傳感器應用

智能制造技術無疑是世界制造業未來發展的重要方向之一，它是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化。目前全球智能制造發展的典型應用包括：以3D打印為代表的“數字化”制造技術嶄露頭角、智能制造技術創新及應用貫穿制造業全過程、世界范圍內智能制造國家戰略空前高漲。那么對于傳感器領域來說，智能制造到底帶來了哪些機遇呢？本文主要從以下幾個方面進行介紹。

用視覺傳感器實現零件二維、三維尺寸的高精度測量

高精度測量一般分為二維尺寸測量與三維尺寸測量，前者一般采用線陣CCD掃描測量系統，它主要由線陣CCD相機、運動工作臺、控制電路及線光源等組成，其掃描測量原理如圖1所示。當被測零件放置于運動工作臺上，隨工作臺一起以向下方行進，零件未進入相機視場時，線光源所發射光線直接通過光學成像系統成為一幀灰度值較高的背景圖像；當零件進入相機視場時，零件遮擋光線使得采集圖像含有零件輪廓信息，將所有輸出圖像按采集的先后關系進行拼接，即可得到完整的高分辨率零件圖像，通過圖像處理得到零件的二維幾何尺寸。

圖1 線陣CCD掃描測量原理

對于三維測量，一般會采用激光掃描儀原理，它是一種十分準確、快速且操作簡單的儀器，且可裝置于生產在線，形成邊生產邊檢驗的儀器（圖2）。激光掃描儀的基本結構包含有激光光源及掃描器、受光感 ( 檢 ) 測器、控制單元等部分。激光光源為密閉式，較不易受環境的影響，且容易形成光束，目前常采用低功率的可見光激光，如氦氖激光、半導體激光等，而掃描器為旋轉多面棱或雙面鏡，當光束射入掃描器后，即快速轉動使激光光反射成一個掃描光束。光束掃描全程中，若有工件即擋住光線，因此可以測知直徑大小。測量前，必須先用兩支已知尺寸的量規作校正，然后所有測量尺寸若介于此兩量規間，可以經電子信號處理后，即可得到待測尺寸。

圖2 三維激光掃描

各類機器人傳感器層出不窮

為了檢測作業對象及環境或機器人與它們的關系，在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復雜的工作。由于外部傳感器為集多種學科于一身的產品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進一步完善，機器人的功能越來越強大，將在智能制造領域做出更大的貢獻。

觸覺傳感器

一般觸覺傳感器只用于感受有無接觸，實際上是對正壓力敏感的傳感器。觸覺傳感器應具有以下特征：

空間分辨率為1-2mm；

陣列尺寸為每個指尖有 個接觸敏感點（人的指尖有 個接觸敏感點）；

每個力敏元件的閥值靈敏度為 ；

穩定性、線性度和重復性好；

采取樣率 ；

價廉、結實、類似皮膚。

常見的機器人觸覺傳感器為導電合成橡膠，即在硅橡膠中加導電顆粒或半導體材料（如銀或碳）構成的導電材料。這種導電橡膠，加壓時其體電阻的變化很小，但接觸面積和接觸電阻都隨外力大小而變化。

圖3 碳氈傳感器

其他觸覺傳感器如碳氈傳感器，則是在兩個極板間加入碳氈或碳纖維，從而構成壓阻傳感器（如圖3所示）。當負載增加，碳纖維被擠壓，導致更多的電接觸，使電阻減小。

腕力傳感器

腕力傳感器安裝在機器人末端和末端執行器之間，用于測量三維力和力矩。它通常比較小，兩面為連接法蘭，為整體鋁材制造。典型的腕力傳感器為直徑 100mm，厚30mm，重340g。四個變形桿的四面都貼上應變片，變形桿對面上的應變片以差動方式與電位計電路相連。

超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實現自動檢測的測量元件。聲波是一種機械波。聲的發生是由于發聲體的機械振動，引起周圍彈性介質中質點的振動由近及遠的傳播，這就是聲波。人耳所能聽聞的聲波其頻率在20-20 000Hz之間，頻率在20-20000 Hz以外的聲波不能引起聲音的感覺。頻率超過20000 Hz的叫做超聲波，頻率低于20 Hz的叫做次聲波。超聲波的頻率可以高達1011 Hz，而次聲波的頻率可以低達10-8 Hz。

由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。

為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）?？梢岳贸暡▊鞲衅鹘Y合單片機來設計三方向（前、左、右）的超聲波測距電路，為機器人了解其前方、左側和右側的環境提供一個運動距離信息。在機器人控制系統中，可用時間差測距法進行距離的測量，具體原理是：超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離。

機械制造領域需要更高精度的角度或角位移傳感器

角度編碼器是一種高精度的角位移傳感器，因其具有直接輸出數字量、響應快、精度高、抗干擾能力強、分辨率高、輸出穩定等特點。角度編碼器一般有兩種基本類型：絕對式編碼器和增量式編碼器。前者是按照角度直接進行編碼的傳感器,可直接把被測轉角用數字代碼表示出來，根據內部結構和檢測方式有接觸式、光電式等形式。后者一般為光電碼盤,結構形式如圖4所示。光電碼盤與轉軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成, 表面鍍上一層不透光的金屬鉻,然后在邊緣制成向心透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分,數量從幾百條到幾千條不等。這樣,整個碼盤圓周上就等分成n個透光的槽。除此之外,增量式光電碼盤也可用不銹鋼薄板制成,然后在圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽,其余部分均不透光。

圖4 光電碼盤結構

在今天的智能制造領域里，其處理的信息包括信息采集、傳輸、處理三部分，即傳感技術、通信技術、計算機技術。現代的計算機技術和通信技術由于超大規模集成電路的飛速發展，而已經充分發達后，不僅對傳感器的精度、可靠性、響應速度、獲取的信息量要求越來越高，還要求其成本低廉且使用方便，這也是當前制造領域傳感器的一大變化。