基于工業 4.0 背景下傳感器技術在工業機器人中的應用

當今世界經濟飛速發展，制造業水平不斷提高，德國的工業4.0戰略則提出了更高的要求。在該戰略中提到的智慧生產則是基于工業機器人來完成，這就對工業機器人的需求和要求都有了更高的標準。而在工業機器人中傳感器技術的應用則直接決定了工業機器人的先進程度.一、工業4.0的戰略內涵 工業革命開始于18世紀60年代，經歷了工業1.0（機械化時代）、工業2.0（電氣化時代，人類開始進入電氣時代，并在信息革命、資訊革命中達到頂峰）、工業3.0（20世紀后半期，電子計算機技術應用、空間技術快速發展和原子能的廣泛應用，人類進入信息時代）的發展。隨著經濟的快速發展，新的產業革命又將來臨，為了提升競爭力，德國政府于2013年在提出了工業 4.0 的發展戰略。 工業4.0 戰略的提出實際上是開始了第四次工業革命，這次的工業革命區別于之前的3次，它的實質是以智能制造為主。這次的工業革命主要是采用通訊技術和空間虛擬系統相結合的方式，使制造業從信息化時代進入智能化時代。工業4.0項目包含了3個方面，分別是智能工廠、智能生產以及智能物流。 二、工業4.0中的重要環節之一是工業機器人的使用1. 工業 4.0 中工業機器人的重要作用 將信息化與自動化融合起來應用是“工業4.0”實施的關鍵。作為重要參與者，工業機器人在自動化制造過程中的作用毋庸置疑，機器人技術水平的高低直接影響著裝備制造的水平高低。目前很多工業機器人逐漸代替人工操作，隨著生產機器人采用數字化技術、物聯網技術以及采用高精密電阻器生產智能電路，使得機器人操作越來越靈活。從目前來看，制造過程中工業機器人的作用不言而喻，機器人的身影遍布各個領域。經濟的發展要求制造企業轉型升級，工業機器人的廣泛應用則是轉型升級的突破點。據統計，自2013年以來，中國的工業機器人應用已在世界的市場份額占比最大，制造領域的工業機器人使用數量大幅增加。近年來，工業機器人產業與工業 4.0 戰略的深度結合已成為我國“十三五”戰略的重要組成部分，這使我國的工業機器人得到了飛速的進展。面對要求更高的裝備制造和不斷升級的自動化工廠，工業機器人作為自動化設備在工業 4.0 中的地位不言而喻。 2．工業機器人的發展趨勢 由于在工業生產過程中對加工的復雜性和精度有了越來越高的要求，所以對機器人和應用程序的要求也在逐漸提高。以前機器人的計算平臺大多為傳統的 PC 平臺或嵌入式平臺，現在已經逐漸發展到智能手機、平板電腦和其他移動設備。機器人所配備傳感器也由原來的結構型、固態型發展到高端智能型。機器人技術采用現場總線通信做為主要的通信方式。 工業機器人未來如何發展，美國權威的機器人產業協會做了如下的預測。 1）智能傳感器可以在機器人生產的前沿利用工業物聯網技術進行信息的采集，來獲得以前生產商無法得到的數據。 2）工業網絡安全尤為重要。由于機器人使用規模越來越大，它們都需要連接到內部系統，這樣就增加了網絡安全的風險。所以要求機器人生產商要對網絡安全加大投入，這樣才能夠保證生產的安全。 3）大數據分析成為競爭優勢。機器人會是工廠里的主要信息來源，生產廠家應該對采集的信息數據進行組織和分析，以采取有效的行動來增強他們的競爭優勢。 4）將實現一個開放的自動化體系結構。開放式自動化體系結構的需求增加是由于機器人自動化的應用越來越廣泛。大型企業與機器人行業機構開展合作，形成統一的標準，這樣有助于機器人的集成，使機器人的兼容性更好。 5）為了更好地發揮工業機器人的作用，在未來會加入虛擬解決方案。 6）協作機器人會應用更廣泛。協作機器人不但能安全地與人類一起工作，而且往往比工業機器人便宜，能力更強，所以制造商會采用更多的協作機器人。 三、傳感器技術的應用及發展 1. 傳感器技術與工業機器人 互聯網、物聯網、智能化都需要大量的信息，這些信息的產生都來自儀器儀表或各種傳感器。沒有測量和測試，智能制造是不可能的。我國智能制造設備的發展方向主要包括以新型傳感器技術為代表的九項智能基礎通用技術，以及 8 項核心智能測控裝置與部件中應用的新型傳感器及其系統。因此可以看出，傳感器技術非常重要，而其他技術領域也離不開相關數據的檢測和測試，測試的準確度、可靠度、實時度是保證智能制造發展的關鍵。而得到準確的信息都要靠傳感器來進行檢測，因此傳感器技術的進步必將成為工業 4.0 中的重中之重。 工業機器人需要傳感器提供機器人自身狀態、操作對象和工作環境的準確認知，來執行正確地操作。機器人通過內部傳感器（位置、位移、速度、加速度）來獲取自身狀態的信息，然后為機器人控制單元反饋信息，進行下一步的操作。對于外部情況和多操作目標的信息獲取要靠外部傳感器來完成。 2. 工業機器人中的傳感器技術 1）二維視覺傳感器。 二維視覺傳感器是一個攝像頭，完成檢測移動物體、定位傳送帶上的部件等各種任務。機器人根據檢測到的零件位置來調整自身的動作進行生產操作。 2）三維視覺傳感器。 三維視覺系統一般有兩個攝像頭或不同角度的激光掃描儀來探測物體的三維空間。 3）力/力矩傳感器。 機器人的觸覺依靠力/力矩傳感器來完成檢測。主要是用來感知末端執行器的力度的大小，從而來調整操作的位置、力度等相關內容，實現生產線的操作。在大部分情況下，由于力/力矩傳感器是處于機器人和夾具之間，所以機器人可以檢測監控到反饋到夾具上面的力。 4）碰撞測量傳感器。 碰撞測量傳感器在機器人應用中起到保護安全的作用，它的形式比較多樣。通過檢測相關的環境信號，可以保證為操作員提供一個安全的工作環境，在此基礎上，機器人才能開展工作，而可靠性是協作機器人所必備的。 3. 傳感器技術的發展趨勢 傳感器技術從產生到廣泛應用基本歷經了三個時段。第一個時期為結構傳感器發展和使用，結構傳感器利用傳感器自身結構參數在測量時發生改變來感知和轉換信號。第二個時期是固態傳感器的發展和使用，這個時期的傳感器采用特殊材料制成，通過測量時材料的特性發生變化來代表獲取的信息不同。第三個時期就是現在，智能傳感器正在得到大力的發展。 傳感器技術的一個重要發展方向是發展智能化傳感器。智能傳感器的核心部件是微處理器，與傳統傳感器相比，可以實現信息采集、處理和交換的功能。 1）自補償與自診斷功能。 傳統傳感器存在溫度漂移和輸出非線性的缺點，還需要定期檢查和定期校準，這些都對測量的準確性有一定的影響。而智能傳感器通過軟件計算，自動補償由溫漂和非線性以及環境因素引起的信號失真，提高傳感器的測試精度，達到最好的測量結果。更加先進的是，智能傳感器還具有自我診斷的功能。 2）信息存儲與記憶功能。 與傳統的傳感器相比，智能傳感器具備一定的存儲空間，用來存儲相關的參數、信號和程序。這樣的話自動控制系統控制器就不需存儲上述內容，剩余的存儲空間可以存儲其他信息，這樣就提高了控制器自身的性能。 3）數字輸出功能。 傳統的傳感器大多是模擬輸入和輸出，輸出的信號必須經過 A/D 轉換才能進行數字處理。目前，在工業控制系統中大多采用數字控制。智能傳感器則正好符合了控制系統的要求，它采用模擬－數字轉換電路，直接輸出數字信號，不需再進行轉換，控制器的信號處理壓力得到了緩解。 4、隨著技術的進步，智能傳感器的發展呈現出以下幾個趨勢：1）微型化。 智能傳感器的一個最主要的發展走向是微型化。微傳感器的主要特點是體積小、所占的空間不大，生產制造的成本較低，能夠節省開支，但使用時的可靠性還比較高。一個微傳感器通常會包括中央處理器、微傳感器敏感元件、數字信號接口以及儲存部件，可以實現自動的補償和校準。大小已進入毫米到微米級。半導體加工技術的引入為傳感器的生產制造帶來了變化，在這基礎之上實現了傳感器的規?；a，是實現智能傳感器的微型化發展的重要技術支持。 2）多傳感器數據融合。 使用多個傳感器同時進行數據信息的采集，再利用處理器對采集到的信息進行分析、判斷，得到檢測對象的真實數據。與僅僅用單傳感器來進行數據檢測相比，可以看到非常明顯的優勢。 3）無線傳感器網絡技術。 單獨的微智能傳感器存在覆蓋的范圍小的局限性，所以在實際的應用中常常用數千萬個微傳感器一起來共同工作，形成網絡化，構成智能傳感器的網絡，這樣在生產制造中發揮最大的效用。 四、結語 現代化智能生產和智能制造，沒有傳感技術便無從談起。大數據時代的智聯網、互聯網、物聯網和終端設備都需要大量的數據信息，這些數據信息都來自服務器和傳感器。根據我國智能裝備發展規劃，重點是新型傳感技術、嵌入式控制系統設計等。核心智能測控裝置與部件是新型傳感器及其系統、智能控制系統等。國家智能制造的戰略布局上需要傳感器和傳感技術的快速發展，這也將成為我國工業 4.0 發展進程中的關鍵內容，在一定程度上決定著工業 4.0 革命的進程。

工業物聯網傳感器對制造業有什么影響

一、改變工業制造公司生產和運輸產品的方式2018年第四季度，制造業為美國經濟貢獻了2.38萬億美元，雇傭了1200多萬工人，占當年美國國內生產總值的11.4%。盡管所有媒體都對制造業地位的下降感到擔憂，但由于關鍵技術的進步，該行業近年來蓬勃發展。而工業物聯網(IoT)傳感器就是制造業中最有前途的技術。這些傳感器正在徹底改變工業制造公司生產和運輸產品的方式。隨著物聯網技術的不斷發展和邊緣計算框架的普及，它們將幫助工業制造商在全球舞臺上變得更具競爭力。 二、運營可見性改善 物聯網傳感器的最大好處之一是其連接性和收集數據的能力?，F代制造工廠的車間里堆滿了各種先進機器。與20世紀初那些骯臟、危險的工廠相比，如今的制造工廠已經在操作技術上投入了大量資金，以創造清潔、安全、甚至舒適的工作場所，同時還能提高效率和生產力。 工業物聯網傳感器通過提供對制造運營各個方面的前所未有可見性，幫助使這些環境成為可能。它們可以監控環境條件，評估生產線的狀態，發現問題和潛在的安全威脅，甚至允許技術人員遠程控制關鍵操作。然后，所有這些數據都可以傳輸到本地微型數據中心或附近的邊緣數據中心，并由強大的分析程序進行處理，從而使制造工廠能夠識別趨勢并優化操作，以獲得更好的性能。 三、預測性維護 使用預測分析的主要好處之一是維護。隨著工業機械變得越來越復雜，監測其狀態的必要性也變得越來越重要。發生故障或組件磨損可能會使生產線停止運轉。此外，如果沒有備用零件，或者沒有人準備進行必要的維修，則故障可能會導致供應鏈嚴重中斷。 隨著工業物聯網傳感器不斷收集設備數據以監控其性能，預測分析可以識別出可能發生故障的位置，并估計特定組件在最高效率下的運行時間。有了這些數據，工廠經理可以確?，F場有替換零件，并安排專門維修，以最大限度地減少中斷。 四、自主設備 人為錯誤仍然是導致系統停機的主要原因之一。在當今復雜的工業環境中，即使是熟練工人也常常要考慮太多的變量，以不犧牲性能或安全性。自動化對制造業來說當然不是什么新鮮事，但經過專門設計的工業物聯網傳感器使設備能夠在很大程度上實現自動化，而不是盲目地執行重復性任務。 自主系統的特點在于它能夠根據各種變化因素做出決策。由于工業物聯網傳感器通常具有顯著的機載處理能力，因此它們能夠評估環境條件并相應地調整操作。這些決策是由大量數據提供的，并遠遠超出了人們期望能夠快速準確地進行分析的范圍。這不僅消除了許多與人為錯誤相關的風險，而且還有望在最小監督情況下提高效率和生產力。 五、物流透明度 了解關鍵資產在供應鏈中的位置是制造業的關鍵方面。如果制造的產品在工廠車間和目標客戶之間丟失，那么經過精心優化的工業機械也就沒那么有價值了。借助物聯網傳感器的連接功能(如智能RFID標簽)，工業制造企業可以獲得其供應鏈和物流運營的空前可見性。(來源物聯之家網)這種可見性不僅有助于確保一切順利進行，而且也有助于工業制造企業簡化供應鏈，從而更有效地將產品推向市場。 六、邊緣功能 智能物聯網傳感器可以提供機器在傳統云計算網絡邊緣運行所需的處理能力。它們還可以讓機器完全獨立運行，收集數據并執行關鍵的處理任務，直到機器可以重新連接回集中式網絡。借助物聯網傳感器，工業設備永遠不會遠離公司的主服務器。 工業物聯網傳感器通過提供對工廠運營的更大可見性，以及增強的數據收集和分析能力來提高生產效率，同時最大限度地減少中斷，從而改善制造業。在未來幾年，這些智能物聯網設備將變得更加普遍，從而使它們能夠在幾乎任何地方運行。此外，再加上供應鏈透明度的提高，這些創新將有助于工業制造企業在增長業務的同時提高生產力，并更好地為客戶服務。

傳感器產業鏈日益完善克服壁壘將厚積薄發

人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。 一、傳感器行業的產業鏈 隨著我國工業領域的不斷發展，物聯網也被大規模運用于傳感器領域。根據傳感器類型不同，大致可以分為溫度和濕度傳感器、壓力傳感器、圖像傳感器、光傳感器、位置傳感器、重力傳感器等。其中，流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器占據最大的市場份額。 國內智能傳感器市場中，本土企業競爭力較弱，跨國公司占據了87%的市場份額。不過，中國智能傳感器產業生態也趨于完備，設計制造，封測等重點環節均有骨干企業布局。我國傳感器的生產企業主要集中在長三角地區，并逐漸形成以北京、上海、南京、深圳、沈陽和西安等中心城市為主的區域空間布局。我國已有1700多家從事傳感器的生產和研發的企業，其中從事微系統研制、生產的有50多家。同時，傳感器越來越多地被應用到社會發展及人類生活的各個領域。如工業自動化、農業現代化、航天技術、軍事工程、機器人技術、資源開發、海洋探測、環境監測、安全保衛、醫療診斷、交通運輸、家用電器等。 二、我國傳感器的發展壁壘 傳感器是物聯網技術的底層和前沿，對物聯網產業發展有著十分重要的意義。物聯網是新一代信息技術的高度集成和綜合運用，對新一輪產業變革和經濟社會綠色、智能、可持續發展具有重要意義。 1.專業化程度欠缺 傳感器的設計涉及的專業領域繁多，技術囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識。所以好的傳感器的研發需要全方面的專業型人才。而我國目前正面臨著人才匱乏、研發成本不足、企業惡性競爭激烈的情況，導致我國還沒有突破傳感器一些共性關鍵技術。并且由于我國企業技術實力的落后，行業發展規范尚未形成，導致我國傳感器產品不配套且不成系列，重復生產、惡性競爭的現象的多發，使得產品可靠性較差、低端偏移較為嚴重，產業化程度與品種和系列不成正比，只能長期依賴國外進口。 企業也可以采用高效率的專用設備和專用工藝裝備，生產過程的機械化、自動化水平比較高，工人易于掌握操作技術；可以按對象專業化組織生產，有條件的可以組織流水生產線，編制標準作業計劃，實行嚴格的生產控制。 2.資金制約產業發展 我國對傳感器產業的政策扶持力度不夠，導致傳感器企業稅費負擔過重。傳感器產業技術含量較高，人才、技術密集，開發成本大于其他行業，企業負擔過重，在同等高科技中享有稅收等政策較少，企業規模小，各項產業政策扶持條件適應性不夠，難于獲得項目資金持。 且傳感器企業長期受到進口產品沖擊，市場公平性秩序混亂和壁壘太高。成熟領域配套市場長期被國外壟斷和擠壓，導致國內企業在生產規模、品種、質量、價格上缺乏競爭優勢，市場反應速度、個性化服務能力不足，缺少規模效應和拉動作用。 三、總結 傳感器產業化發展不能單單從發達國家獲取核心技術和關鍵工藝，需要制定出國家層面的統籌規劃和戰略性政策予以扶持。通過制定相關政策來激勵中小企業發展專業性強、有特色、有特長技術的產品，鼓勵并推動中小企業朝著產業化方向發展。打造良好的傳感器產業生態環境，創建中國國際傳感器產業園。優化產業發展環境，形成行業資源優勢互補，促進產學研結合，創造上下游整合契機，必將是傳感器發展的必經之路。

測量小百科：電阻應變片測試原理

關鍵詞：應變測試，應變片、Strain Gauge導讀： 機械測試和測量中，我們需要了解一個物體對于力的作用所產生的形變。應變效應，即為材料由于受力所產生的變形，貼于其上的應變片的電阻值也會隨著發生變化。此文將介紹應變片的基本結構，分類及其原理。應變片的基本結構 上圖為電阻絲應變片的結構示意圖。電阻絲由直徑為0.01～0.05mm的金屬絲制成的，為了獲得最大相對應方向的應變力，將其繞成柵狀，稱為敏感柵，并黏貼于絕緣的基底上。銅線與電阻絲的兩端連接作為應變片引線，用來連接測量導線。敏感柵上面黏貼有保護作用的覆蓋層。柵長乘以珊寬即為應變片的使用面積。應變片的規格一般以使用面積和電阻值表示，如3mm×20mm，120Ω。應變片的分類 應變片可分為金屬式應變片和半導體式應變片兩大類。金屬式應變片中，按照敏感柵的材料不同，分為絲式，箔式和金屬膜式。絲式應變片：金屬絲式應變片式用0.01-0.05mm的金屬絲做敏感柵，有回線式和短接式兩種。金屬絲應變片蠕變較大，金屬絲易脫落，但價格便宜。箔式應變片：金屬箔式應變片是利用照相制版或光刻技術，將厚約為0.003-0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。箔式應變片于片基的接觸面積大，散熱好，蠕變較小，目前廣泛使用。薄膜應變片：金屬薄膜應變片式采用真空蒸發或真空沉積等方法，再薄的絕緣基底上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵。優點式靈敏度大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達-197 ~ 317℃。半導體式應變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。是一種利用半導體單晶硅的壓阻效應制成的一種敏感元件。半導體應變片與電阻應變片相比，具有靈敏系數高（約高 50～100倍）、機械滯后小、體積小、耗電少等優點。它的缺點是電阻和靈敏系數的溫度系數大、非線性大和分散性大等。應變片的原理 當應變片受到外力而產生形變時（拉伸或壓縮），其電阻值R會隨之增加或降低，借由此特性可以用來測量應力ε，應力ε與應變片電阻值R的變化量?R的關系如下： 應變系數GF（Gauge factor)是表示應變片靈敏度的系數。用于一般應變片的銅鎳合金和鎳鉻合金的應變系數GF大約為2。