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工业4.0背景下工业机器人中传感器技术的应用及发展

2020-06-01 1328 上传者：管理员

摘要：工业4.0战略的提出对装备制造业提出了更高的要求,其中工业机器人的发展直接决定了智慧生产的程度,传感器技术的使用在工业机器人中非常重要,工业4.0革命进程的发展在一定程度上是由它所决定的。

关键词：
发展
工业4.0
工业传感器技术
工业机器人应用
智能传感器
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当今世界经济飞速发展,制造业水平不断提高,德国的工业4.0战略则提出了更高的要求。在该战略中提到的智慧生产则是基于工业机器人来完成,这就对工业机器人的需求和要求都有了更高的标准。而在工业机器人中传感器技术的应用则直接决定了工业机器人的先进程度,本文将对工业4.0背景下的工业机器人中传感器技术的应用进行探讨。

1、工业4.0的战略内涵

工业革命开始于18世纪60年代,经历了工业1.0(机械化时代)、工业2.0(电气化时代,人类开始进入电气时代,并在信息革命、资讯革命中达到顶峰)、工业3.0(20世纪后半期,电子计算机技术应用、空间技术快速发展和原子能的广泛应用,人类进入信息时代)的发展。随着经济的快速发展,新的产业革命又将来临,为了提升竞争力,德国政府于2013年在提出了工业4.0的发展战略。

工业4.0战略的提出实际上是开始了第四次工业革命,这次的工业革命区别于之前的3次,它的实质是以智能制造为主。这次的工业革命主要是采用通讯技术和空间虚拟系统相结合的方式,使制造业从信息化时代进入智能化时代。工业4.0项目包含了3个方面,分别是智能工厂、智能生产以及智能物流。

2、工业4.0中的重要环节之一是工业机器人的使用

2.1 工业4.0中工业机器人的重要作用

将信息化与自动化融合起来应用是“工业4.0”实施的关键。作为重要参与者,工业机器人在自动化制造过程中的作用毋庸置疑,机器人技术水平的高低直接影响着装备制造的水平高低。目前很多工业机器人逐渐代替人工操作,随着生产机器人采用数字化技术、物联网技术以及采用高精密电阻器生产智能电路,使得机器人操作越来越灵活。从目前来看,制造过程中工业机器人的作用不言而喻,机器人的身影遍布各个领域。

经济的发展要求制造企业转型升级,工业机器人的广泛应用则是转型升级的突破点。据统计,自2013年以来,中国的工业机器人应用已在世界的市场份额占比最大,制造领域的工业机器人使用数量大幅增加。近年来,工业机器人产业与工业4.0战略的深度结合已成为我国“十三五”战略的重要组成部分,这使我国的工业机器人得到了飞速的进展。面对要求更高的装备制造和不断升级的自动化工厂,工业机器人作为自动化设备在工业4.0中的地位不言而喻。

2.2 工业机器人的发展趋势

由于在工业生产过程中对加工的复杂性和精度有了越来越高的要求,所以对机器人和应用程序的要求也在逐渐提高。以前机器人的计算平台大多为传统的PC平台或嵌入式平台,现在已经逐渐发展到智能手机、平板电脑和其他移动设备。机器人所配备传感器也由原来的结构型、固态型发展到高端智能型。机器人技术采用现场总线通信做为主要的通信方式。

工业机器人未来如何发展,美国权威的机器人产业协会做了如下的预测。

1) 智能传感器可以在机器人生产的前沿利用工业物联网技术进行信息的采集,来获得以前生产商无法得到的数据。2) 工业网络安全尤为重要。由于机器人使用规模越来越大,它们都需要连接到内部系统,这样就增加了网络安全的风险。所以要求机器人生产商要对网络安全加大投入,这样才能够保证生产的安全。3) 大数据分析成为竞争优势。机器人会是工厂里的主要信息来源,生产厂家应该对采集的信息数据进行组织和分析,以采取有效的行动来增强他们的竞争优势。4) 将实现一个开放的自动化体系结构。开放式自动化体系结构的需求增加是由于机器人自动化的应用越来越广泛。大型企业与机器人行业机构开展合作,形成统一的标准,这样有助于机器人的集成,使机器人的兼容性更好。5) 为了更好地发挥工业机器人的作用,在未来会加入虚拟解决方案。6) 协作机器人会应用更广泛。协作机器人不但能安全地与人类一起工作,而且往往比工业机器人便宜,能力更强,所以制造商会采用更多的协作机器人。

3、传感器技术的应用及发展

3.1 传感器技术与工业机器人

互联网、物联网、智能化都需要大量的信息,这些信息的产生都来自仪器仪表或各种传感器。没有测量和测试,智能制造是不可能的。我国智能制造设备的发展方向主要包括以新型传感器技术为代表的九项智能基础通用技术,以及8项核心智能测控装置与部件中应用的新型传感器及其系统。因此可以看出,传感器技术非常重要,而其他技术领域也离不开相关数据的检测和测试,测试的准确度、可靠度、实时度是保证智能制造发展的关键。而得到准确的信息都要靠传感器来进行检测,因此传感器技术的进步必将成为工业4.0中的重中之重。

工业机器人需要传感器提供机器人自身状态、操作对象和工作环境的准确认知,来执行正确地操作。机器人通过内部传感器(位置、位移、速度、加速度)来获取自身状态的信息,然后为机器人控制单元反馈信息,进行下一步的操作。对于外部情况和多操作目标的信息获取要靠外部传感器来完成。

3.2 工业机器人中的传感器技术

1) 二维视觉传感器

二维视觉传感器是一个摄像头,完成检测移动物体、定位传送带上的部件等各种任务。机器人根据检测到的零件位置来调整自身的动作进行生产操作。

2) 三维视觉传感器

三维视觉系统一般有两个摄像头或不同角度的激光扫描仪来探测物体的三维空间。

3) 力/力矩传感器

机器人的触觉依靠力/力矩传感器来完成检测。主要是用来感知末端执行器的力度的大小,从而来调整操作的位置、力度等相关内容,实现生产线的操作。在大部分情况下,由于力/力矩传感器是处于机器人和夹具之间,所以机器人可以检测监控到反馈到夹具上面的力。

4) 碰撞测量传感器

碰撞测量传感器在机器人应用中起到保护安全的作用,它的形式比较多样。通过检测相关的环境信号,可以保证为操作员提供一个安全的工作环境,在此基础上,机器人才能开展工作,而可靠性是协作机器人所必备的。

3.3 传感器技术的发展趋势

传感器技术从产生到广泛应用基本历经了三个时段。第一个时期为结构传感器发展和使用,结构传感器利用传感器自身结构参数在测量时发生改变来感知和转换信号。第二个时期是固态传感器的发展和使用,这个时期的传感器采用特殊材料制成,通过测量时材料的特性发生变化来代表获取的信息不同。第三个时期就是现在,智能传感器正在得到大力的发展。

传感器技术的一个重要发展方向是发展智能化传感器。智能传感器的核心部件是微处理器,与传统传感器相比,可以实现信息采集、处理和交换的功能。

1) 自补偿与自诊断功能。传统传感器存在温度漂移和输出非线性的缺点,还需要定期检查和定期校准,这些都对测量的准确性有一定的影响。而智能传感器通过软件计算,自动补偿由温漂和非线性以及环境因素引起的信号失真,提高传感器的测试精度,达到最好的测量结果。更加先进的是,智能传感器还具有自我诊断的功能。

2) 信息存储与记忆功能。与传统的传感器相比,智能传感器具备一定的存储空间,用来存储相关的参数、信号和程序。这样的话自动控制系统控制器就不需存储上述内容,剩余的存储空间可以存储其他信息,这样就提高了控制器自身的性能。

3) 数字输出功能。传统的传感器大多是模拟输入和输出,输出的信号必须经过A/D转换才能进行数字处理。目前,在工业控制系统中大多采用数字控制。智能传感器则正好符合了控制系统的要求,它采用模拟-数字转换电路,直接输出数字信号,不需再进行转换,控制器的信号处理压力得到了缓解。

随着技术的进步,智能传感器的发展呈现出以下几个趋势。

1) 微型化。智能传感器的一个最主要的发展走向是微型化。微传感器的主要特点是体积小、所占的空间不大,生产制造的成本较低,能够节省开支,但使用时的可靠性还比较高。一个微传感器通常会包括中央处理器、微传感器敏感元件、数字信号接口以及储存部件,可以实现自动的补偿和校准。大小已进入毫米到微米级。半导体加工技术的引入为传感器的生产制造带来了变化,在这基础之上实现了传感器的规模化生产,是实现智能传感器的微型化发展的重要技术支持。

2) 多传感器数据融合。使用多个传感器同时进行数据信息的采集,再利用处理器对采集到的信息进行分析、判断,得到检测对象的真实数据。与仅仅用单传感器来进行数据检测相比,可以看到非常明显的优势。

3) 无线传感器网络技术。单独的微智能传感器存在覆盖的范围小的局限性,所以在实际的应用中常常用数千万个微传感器一起来共同工作,形成网络化,构成智能传感器的网络,这样在生产制造中发挥最大的效用。

4、结语

现代化智能生产和智能制造,没有传感技术便无从谈起。大数据时代的智联网、互联网、物联网和终端设备都需要大量的数据信息,这些数据信息都来自服务器和传感器。根据我国智能装备发展规划,重点是新型传感技术、嵌入式控制系统设计等。核心智能测控装置与部件是新型传感器及其系统、智能控制系统等。国家智能制造的战略布局上需要传感器和传感技术的快速发展,这也将成为我国工业4.0发展进程中的关键内容,在一定程度上决定着工业4.0革命的进程。

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