壓電傳感助力“工業(yè)4.0”

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什么是工業(yè)制造中最有效的優(yōu)化和控制生產(chǎn)鏈的方法？據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，對(duì)于許多制造商來(lái)說(shuō)，最有效的解決方案是利用壓電傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)制造過(guò)程進(jìn)行集成監(jiān)控。

“工業(yè)4.0”的愿景已經(jīng)在當(dāng)今眾多的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車(chē)制造、醫(yī)療技術(shù)和電氣工程等領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在，由于數(shù)字化、機(jī)器和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，所有生產(chǎn)過(guò)程的空前優(yōu)化成為可能。

以零缺陷生產(chǎn)為目標(biāo)的生產(chǎn)鏈持續(xù)控制，對(duì)于任何現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)，若想在未來(lái)市場(chǎng)上占有一席之地，都是必不可少的。

就在前幾年，幾乎所有的產(chǎn)品都是在下線(xiàn)（即在完成制造過(guò)程之后）以后進(jìn)行檢測(cè)。相比之下，如今越來(lái)越多的產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，或者說(shuō)“在線(xiàn)”狀態(tài)下就能夠被實(shí)際監(jiān)控，這也是節(jié)省成本的一種方式。對(duì)于連接、組裝和測(cè)試等制造工序而言，基于壓電原理的傳感器技術(shù)是以零缺陷生產(chǎn)為目標(biāo)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程的根本要素。這種技術(shù)非常適合測(cè)量力、壓力、加速度和扭矩等物理變量。

1 壓電傳感器基本工作原理

壓電傳感器的物理原理是由Pierre和Jacques Curie在1880年發(fā)現(xiàn)的“壓電效應(yīng)”。在機(jī)械載荷作用下（希臘語(yǔ)“pie-zein”：壓或擠壓），壓電材料會(huì)產(chǎn)生電荷。1950年，Walter P. Kistler申請(qǐng)了壓電信號(hào)電荷放大器專(zhuān)利，邁出了應(yīng)用壓電效應(yīng)的重要一步。

壓電效應(yīng)對(duì)于石英晶體尤其顯著：當(dāng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理的石英受到機(jī)械載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與作用力成正比的電荷信號(hào)（圖1）。因此，與其它技術(shù)相比，使用壓電效應(yīng)捕獲被測(cè)量的信號(hào)，并不取決于應(yīng)變和位移。

圖1 壓電效應(yīng)的原理圖

很好的利用石英晶體的壓電效應(yīng)，當(dāng)受到機(jī)械載荷時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與作用力成正比的電信號(hào)。

在這種情況下，石英元件的尺寸僅僅決定最大允許測(cè)量振幅。因而，大型傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與具有相同結(jié)構(gòu)的小型傳感器相當(dāng)。然后使用下游放大器來(lái)設(shè)置所需的測(cè)量范圍，只需一個(gè)傳感器即可在幾十年內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量，而無(wú)需改變機(jī)械結(jié)構(gòu)。

例如，瑞士奇石樂(lè)公司（Kistler）已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有ICP輸出的壓電式力傳感器。在這種情況下，原始信號(hào)已經(jīng)在傳感器中轉(zhuǎn)換成5或10 V的輸出電壓。

由于石英晶體的剛性非常高，所以測(cè)量偏差很小，通常在數(shù)千牛頓/微米的范圍內(nèi)，使測(cè)量系統(tǒng)具有很高的固有頻率，這對(duì)于高動(dòng)態(tài)過(guò)程的測(cè)量非常關(guān)鍵。另一個(gè)重要的因素是石英和晶體沒(méi)有零點(diǎn)偏移或線(xiàn)性變化等疲勞或長(zhǎng)期影響。在某些情況下，壓電傳感器的使用可能會(huì)由于物理原因發(fā)生的電荷漂移而受到限制。根據(jù)被測(cè)變量的振幅和測(cè)量技術(shù)的設(shè)計(jì)，仍然可以進(jìn)行持續(xù)幾分鐘甚至幾小時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量。

應(yīng)用奇石樂(lè)開(kāi)發(fā)的石英傳感器技術(shù)，可以直接或間接測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的力。在圖2中，對(duì)于直接測(cè)量，傳感器完全置于力通量（1）中，并測(cè)量整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的力。這種方法可以獲得很高的測(cè)量精度，而且?guī)缀跖c施力點(diǎn)無(wú)關(guān)。如果傳感器不能直接被定位在力通量中，則只能測(cè)量部分力（3）。其余部分的力則施加在它安裝的結(jié)構(gòu)上（被稱(chēng)為力分流器）。通過(guò)間接力測(cè)量，應(yīng)變傳感器被用來(lái)通過(guò)結(jié)構(gòu)應(yīng)變（2）間接測(cè)量過(guò)程力。

圖2 壓電傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)變化力的幾種方法

根據(jù)安裝條件，可使用各種傳感器來(lái)提供最佳的生產(chǎn)監(jiān)控：（1）直接測(cè)量（測(cè)量通過(guò)傳感器的整個(gè)過(guò)程力）。（2）間接測(cè)量（測(cè)量通過(guò)傳感器的一小部分力）。（3）分流測(cè)量（通過(guò)C型壓力機(jī)的彎曲間接測(cè)量力）。

2 壓電傳感器在科研和工業(yè)中的應(yīng)用

除考慮總體經(jīng)濟(jì)性外，安裝條件變得越來(lái)越重要。尺寸往往是選擇力傳感器的關(guān)鍵因素。石英傳感器非常穩(wěn)定、堅(jiān)固、緊湊，它們通常可以安裝在其它技術(shù)根本無(wú)法使用的測(cè)量點(diǎn)上。

這些特性不僅在研發(fā)方面有著廣泛的用途，還越來(lái)越多地應(yīng)用于生產(chǎn)線(xiàn)和工業(yè)測(cè)試技術(shù)。

例如，對(duì)于汽車(chē)部件的老化和負(fù)載研究，如鎖、門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱甲板、座椅和彈簧等的壓力、張力、碰撞和耐久性測(cè)試，需要具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)力測(cè)量。在這種情況下，因?yàn)槭](méi)有老化的跡象，所以石英力傳感器優(yōu)于其它傳感器。因此，校準(zhǔn)通常可以被限制在如DIN EN ISO 9001：2015等質(zhì)量保證體系規(guī)定的周期內(nèi)。

這些優(yōu)勢(shì)可以節(jié)省時(shí)間和成本。對(duì)于某些應(yīng)用，石英力傳感器可以提供多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且由于其較低的生命周期成本，因而具有大幅降低成本的優(yōu)勢(shì)。

圖3 奇石樂(lè)公司（Kistler）的maXYmos XY顯示器

奇石樂(lè)公司的maXYmos XY顯示器能夠根據(jù)配置文件監(jiān)控和評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量或制造步驟。在評(píng)估對(duì)象（EOs）的幫助下，用戶(hù)可對(duì)特定的監(jiān)測(cè)任務(wù)進(jìn)行曲線(xiàn)評(píng)估。

壓電式力傳感器可用于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量（例如用于鈑金件的沖壓工藝）。此外，它們還可用于測(cè)量壓裝發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中的軸承等準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。在這種情況下，設(shè)備可以更安全的施力。即使機(jī)械施力出現(xiàn)可能永久破壞傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的峰值時(shí)，這種壓電測(cè)量技術(shù)也不會(huì)遭受損壞。

由奇石樂(lè)公司開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，具有分析和存檔注塑工藝，確保產(chǎn)品質(zhì)量的能力。模腔壓力是最具信息量的過(guò)程變量，因?yàn)樵谥圃扈T模部件的過(guò)程中，它能立即反應(yīng)工藝條件。因此，傳感器和系統(tǒng)可以根據(jù)模腔壓力，盡可能早地檢測(cè)出合格部件或廢品。

3 工藝集成質(zhì)量保證系統(tǒng)解決方案

為了使高靈敏度壓電傳感器捕獲的數(shù)據(jù)得到實(shí)際應(yīng)用，將數(shù)據(jù)在合適的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行可視化、評(píng)估和記錄存檔。當(dāng)這些測(cè)量系統(tǒng)被集成到生產(chǎn)線(xiàn)中，可以及早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)缺陷，從而減少由于零件故障而造成的財(cái)務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)。

在裝配工藝上，奇石樂(lè)公司的maXYmos系統(tǒng)能夠可靠地監(jiān)控生產(chǎn)流程（圖3），因此可以最大限度地提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)目標(biāo)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)包括靈活性和用戶(hù)友好的操作界面。它可以用于自動(dòng)化連接和壓合工藝，以及像手工壓制過(guò)程一樣（如圖4）的手動(dòng)操作。除了生產(chǎn)和組裝之外，奇石樂(lè)公司的傳感器和XY顯示器的應(yīng)用還包括最終產(chǎn)品功能的驗(yàn)證。

圖4 小型力傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，可以節(jié)省空間，優(yōu)化與機(jī)器設(shè)計(jì)的集成

4 專(zhuān)注增強(qiáng)的成本效益

基于壓電原理的傳感器技術(shù)顯著提高了公司生產(chǎn)鏈中的工藝可靠性，加上生產(chǎn)力的持續(xù)改進(jìn)，開(kāi)辟了零缺陷生產(chǎn)和最大程度提高工藝效率的途徑。從商業(yè)角度來(lái)看，這種高精度技術(shù)的目的首先在于：在世界各地競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上，為經(jīng)濟(jì)成功創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。