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)麥姆斯咨詢報道，對于許多制造商來說，最有效的解決方案是利用壓電傳感器對動態(tài)制造過程進(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，如汽車制造、醫(yī)療技術(shù)和電氣工程等領(lǐng)域成為現(xiàn)實。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，對于任何現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)，若想在未來市場上占有一席之地，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(即在完成制造過程之后)以后進(jìn)行檢測。相比之下，如今越來越多的產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，或者說“在線”狀態(tài)下就能夠被實際監(jiān)控，這也是節(jié)省成本的一種方式。對于連接、組裝和測試等制造工序而言，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)過程的根本要素。這種技術(shù)非常適合測量力、壓力、加速度和扭矩等物理變量。

　　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“pie-zein”：壓或擠壓)，壓電材料會產(chǎn)生電荷。1950年，Walter P. Kistler申請了壓電信號電荷放大器專利，邁出了應(yīng)用壓電效應(yīng)的重要一步。

　　壓電效應(yīng)對于石英晶體尤其顯著：當(dāng)經(jīng)過適當(dāng)處理的石英受到機(jī)械載荷時，會產(chǎn)生一個與作用力成正比的電荷信號(圖1)。因此，與其它技術(shù)相比，使用壓電效應(yīng)捕獲被測量的信號，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，它會產(chǎn)生一個與作用力成正比的電信號。

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

　　例如，瑞士奇石樂公司(Kistler)已經(jīng)開發(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，所以測量偏差很小，通常在數(shù)千牛頓/微米的范圍內(nèi)，使測量系統(tǒng)具有很高的固有頻率，這對于高動態(tài)過程的測量非常關(guān)鍵。另一個重要的因素是石英和晶體沒有零點偏移或線性變化等疲勞或長期影響。在某些情況下，壓電傳感器的使用可能會由于物理原因發(fā)生的電荷漂移而受到限制。根據(jù)被測變量的振幅和測量技術(shù)的設(shè)計，仍然可以進(jìn)行持續(xù)幾分鐘甚至幾小時的準(zhǔn)靜態(tài)測量。

　　應(yīng)用奇石樂開發(fā)的石英傳感器技術(shù)，可以直接或間接測量動態(tài)變化的力。在圖2中，對于直接測量，傳感器完全置于力通量(1)中，并測量整個過程動態(tài)變化的力。這種方法可以獲得很高的測量精度，而且?guī)缀跖c施力點無關(guān)。如果傳感器不能直接被定位在力通量中，則只能測量部分力(3)。其余部分的力則施加在它安裝的結(jié)構(gòu)上(被稱為力分流器)。通過間接力測量，應(yīng)變傳感器被用來通過結(jié)構(gòu)應(yīng)變(2)間接測量過程力。

　　圖2 壓電傳感器測量動態(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提供最佳的生產(chǎn)監(jiān)控：1、直接測量(測量通過傳感器的整個過程力)。2、間接測量(測量通過傳感器的一小部分力)。3、分流測量(通過C型壓力機(jī)的彎曲間接測量力)。

　　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、堅固、緊湊，它們通常可以安裝在其它技術(shù)根本無法使用的測量點上。

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

　　例如，對于汽車部件的老化和負(fù)載研究，如鎖、門、發(fā)動機(jī)罩、行李箱甲板、座椅和彈簧等的壓力、張力、碰撞和耐久性測試，需要具有長期穩(wěn)定的動態(tài)力測量。在這種情況下，因為石英沒有老化的跡象，所以石英力傳感器優(yōu)于其它傳感器。因此，校準(zhǔn)通?？梢员幌拗圃谌鏒IN EN ISO 9001：2015等質(zhì)量保證體系規(guī)定的周期內(nèi)。

　　這些優(yōu)勢可以節(jié)省時間和成本。對于某些應(yīng)用，石英力傳感器可以提供多種技術(shù)優(yōu)勢，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。

　　圖3 奇石樂公司(Kistler)的maXYmos XY顯示器

　　奇石樂公司的maXYmos XY顯示器能夠根據(jù)配置文件監(jiān)控和評估產(chǎn)品質(zhì)量或制造步驟。在評估對象(EOs)的幫助下，用戶可對特定的監(jiān)測任務(wù)進(jìn)行曲線評估。

　　壓電式力傳感器可用于動態(tài)力的測量(例如用于鈑金件的沖壓工藝)。此外，它們還可用于測量壓裝發(fā)動機(jī)缸體中的軸承等準(zhǔn)靜態(tài)過程。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)測量系統(tǒng)的峰值時，這種壓電測量技術(shù)也不會遭受損壞。

　　由奇石樂公司開發(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程變量，因為在制造鑄模部件的過程中，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，盡可能早地檢測出合格部件或廢品。

　　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)得到實際應(yīng)用，將數(shù)據(jù)在合適的監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行可視化、評估和記錄存檔。當(dāng)這些測量系統(tǒng)被集成到生產(chǎn)線中，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務(wù)損失風(fēng)險。

　　在裝配工藝上，奇石樂公司的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，實現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)目標(biāo)。該系統(tǒng)的特點包括靈活性和用戶友好的操作界面。它可以用于自動化連接和壓合工藝，以及像手工壓制過程一樣(如圖4)的手動操作。除了生產(chǎn)和組裝之外，奇石樂公司的傳感器和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)計的集成

　　專注增強(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)角度來看，這種高精度技術(shù)的目的首先在于：在世界各地競爭激烈的市場上，為經(jīng)濟(jì)成功創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。