使用智能传感器实现智慧工厂和高效制造

通胀高企、劳动力成本上升、用工荒、能源危机、混合办公等因素，2022年制造业经历了明显的动荡。虽然部分问题已经开始缓解，但预计2023年对制造业来说仍然是充满挑战的一年。行业。

福布斯最近发表了一篇文章《2023年5大商业趋势，每个人都必须做好准备》，列出了制造业的几个关键转变。制造业务中最有趣的转变之一是数字化转型的趋势。数字化转型和工业 4.0 多年来一直是一个流行词。然而，尽管名称很花哨，但数字化转型对于制造商来说往往是一个模糊的概念。我们为数字化制造可以解构为两大主题：安全的人机交互（HRI）以实现更高的生产力和提高材料和货物运输的自主移动水平。这些主题最终是由尖端传感器技术实现的。

传感器在实现智能工厂和高效制造方面扮演着关键角色。下面是一些主要的应用场景和功能：

（1）数据采集

质量监控：传感器可以实时监测产品质量，例如温度、压力、湿度等，以确保每一件产品都符合质量标准。

设备健康监测：通过振动、温度和声音传感器，可以实时了解机器的运行状态，从而预防故障。

（2）自动化与控制

工艺优化：传感器提供的数据可以用于优化制造流程，降低废品率和提高生产效率。

自动控制系统：在一个集成的环境中，传感器可以自动控制设备（例如：自动关闭/启动机器、调整生产速度等）。

（3）实时监控与决策

远程监控：传感器数据可以远程访问，方便管理人员随时了解工厂状态。

数据驱动的决策：基于收集的数据，公司可以做出更加明智的决策，如何分配资源，何时进行维护等。

（4）可持续性

能源效率：能源传感器可以监控能源使用情况，识别浪费的区域，并自动调整以节省能源。

废物减少：通过实时监控，传感器有助于识别和减少废物和排放。

（5）供应链与物流

实时追踪：在供应链中使用传感器可以提供关于物料位置和状态的实时信息。

库存管理：通过传感器，可以更准确地了解库存量和需求，从而优化库存。

（6）安全性

环境监控：例如，有毒气体或危险化学品的泄漏可以通过气体传感器实时检测。

人员定位：在紧急情况下，例如火灾或其他安全事故，传感器可以快速定位人员，以便于紧急救援。

通过这些应用，传感器不仅提高了生产效率和质量，还有助于实现更加可持续和安全的制造环境。这正是智能工厂和高效制造所追求的目标。

安全的人机交互可实现更高的生产力

在制造业中使用机器人/机器时，安全始终是首要任务。机器人可能会给工人带来多种危险。例如，虽然工业机器人被设计为在与人类保持安全距离的情况下运行，但这些设备传统上缺乏识别邻近人类所需的感官技能。近年来，随着协作机器人（cobots）的快速采用，人类操作员直接暴露在机器人的工作空间中，这可能会导致进一步的碰撞、风险和危险。为了减轻安全问题，IDTechEx 已经在机器人上安装了多种传感器，例如力和扭矩传感器、激光雷达和触觉传感器，以使其具有更好的环境感知和避碰能力。传感器在机器人中的关键应用之一是接近检测和碰撞检测。接近检测可以使用光电传感器（光电围栏）、激光雷达、电容式接近传感器来实现。光电传感器/光幕可以成为工业机器人的理想解决方案。安全光幕由发射器和接收器组成。发射器发射调制的红外光，接收器接收该红外光以产生光束阵列（也称为光幕）。当操作人员进入或被防护网阻挡时，光接收电路通过内部控制电路做出应答，向机器输出信号，使机器减慢或停止运行，从而防止潜在的潜在危险的发生。碰撞。

相比之下，在碰撞检测方面，协作机器人通常使用力和扭矩传感器。与工业机器人不同，协作机器人与人类在同一工作空间中工作，这意味着物理光幕/围栏是不够的。IDTechEx 注意到，大多数商业化协作机器人的关节处至少配备了一个力/扭矩 (F/T) 传感器。F/T 传感器有两个主要功能，包括力测量和碰撞检测。F/T 传感器通常安装在机器人末端执行器周围以测量力。根据不同的任务，需要预先设定力的范围，当碰撞发生时，传感器检测到的力或扭矩将超过预先设定的范围，从而通知机器人停止运行。随着HRI安全要求的不断提高，预计将安装更多的 F/T 传感器。大多数协作机器人在此阶段安装了一个 F/T 传感器，通常安装在末端执行器周围。然而，IDTechEx 注意到，一些协作机器人 OEM（例如 Franka Emika）开始在所有关节上采用更多扭矩传感器，以实现更好的力控制和碰撞检测。

提高自主移动水平

自主移动性是机器人自主性最重要的部分之一。自主移动要求机器人具有导航、定位和避障的能力。在制造业背景下，移动机器人，特别是自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）将用于物料运输。移动机器人的自主移动功能是通过激光雷达、摄像头、超声波传感器等传感器实现的。不同的传感器各有优点和缺点，在现实中，多个传感器通常相互组合使用，以达到最佳的整体性能。例如，激光雷达相对易于使用，并且不受恶劣天气的影响。然而，激光雷达通常成本较高。相比之下，摄像头或图像传感器是唯一可用于物体分类/识别的传感器，但在恶劣天气或能见度有限的情况下，它们的性能较差。在制造业方面，摄像头将被越来越多地采用，因为这些机器人往往在控制良好、光照稳定的室内环境中工作。现阶段，制造业中的许多室内AGV都可以实现3级自主，这意味着机器人车载系统可以实现大部分自动驾驶任务，并且一名操作员可以同时监控多台AGV。随着 4 级和更高级别自主化的趋势，将会采用更强大的传感器。