在智能机械制造物联网架构中传感网络技术的应用策略.pdf

研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究121作者简介：裴兴林，男，甘肃酒泉人，副教授；研究方向：机械设计与制造智能制造、数字孪生。在智能机械制造物联网架构中传感网络技术的应用策略裴兴林（酒泉职业技术学院，甘肃酒泉 735000）摘要：当前我国制造业重点发展方向为智能制造和工业 4.0，智能制造是采用人工智能技术以及自动化控制技术促使工业生产过程不断简化，有利于提升生产质量和效率。物联网属于近几年我国互联网行业发展的重点之一，能够实现点对点通信，从而提升智能机械制造水平。以此为基础，本文针对传感网络技术在智能机械制造物联网架构中的应用策略进行分析，以供参考。关键词：智能机械制造；物联网架构；传感网络技术；应用策略当代信息技术高速发展，各行各业基本实现了全面信息化，所以社会生产方式持续发生变化，新一代信息技术带动物联网、智慧地球、云计算等新型技术的发展，并受到了越来越多的关注，使传统机械制造行业的发展同时面临着机遇和挑战。当前制造业的物联网集成制造系统具有集成化、敏捷化、网络化、智能化、虚拟化和绿色化等多方面特征，可以在产品的开发、设计、制造、检测等多方面进行应用，并构成一套完整的体系，有利于提升智能机械制造的质量和效率1，可见针对传感网络技术在智能机械制造物联网架构中的应用策略进行分析具有重要意义。一、传感网络技术传感网络技术属于新型的科学技术网络，其中包含大量无线传感器节点，且均具有特殊作用，可以采用自组织的方式传递信息，相互协作从而完成功能特定的智能型网络，其中主要包含传感器技术、微机电系统、嵌入式计算技术、无线通信网络和现代网络，采用集成微传感器组织不同的分布式信息处理技术以及软件编程技术进行实时协作，并实时监控环境变化，聚集采集到的数据，并将其传送至用户终端，从而实现物理、计算机以及人类世界社会三者之间的连接2。整体上来看，传感网络技术所具有的优势，主要为以下几个方面：（1）网络覆盖区域大，部署灵活；（2）节点分布密集，可高精度、多方位的获取信息；（3）成本较低，冗余网络设计，可以提升网络的可靠性；（4）分布式自组织网络结构，可以进行并发访问。二、智能物联网平台物联网的联结终端是“物”，需要应用农业产品或是工业产品，借助射频识别的方式或其他传感器，采集终端物体的 ID，再使用互联网通信链路，向数据库传输物体信息。其中的主要技术包括以下：（一）射频识别技术射频识别技术属于一类自动识别技术，可以采用无线射频的方式实现非接触式的双向数据通信，借助无线射频的形式读写记录媒体，从而实现目标识别和数据交换。在一套完整的射频识别技术之中，应该包含阅读器、应答器和应用软件三个部分，由阅读器首先发射频率特定的无线电波能量，促使电路送出内部数据，之后由应答器接收和解读数据，最后由应用程序进行相应的处理。根据使用结构以及其中技术的不同，可以将阅读器作为阅读装置或是读写装置，同时也是射频识别技术中的系统信息控制和处理中心，其中主要包含耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元。电子标签属于射频识别技术中的重要载体，其中主要包含目标相关的数据信息，阅读器和标签之间通常使用半双工通信的方式实现信息的交换，阅读器在同时采用耦合的形式针对无源标签提供能量。在物联网系统中，应用射频识别技术有利于提升针对目标物体的追踪能力和识别能力，也就可以更加快速和便捷地获取目标信息。（二）嵌入式技术嵌入式技术属于一类专门的计算机系统，可以将其设为设备或是装置的一个组成部分，主要应用于专用功能的执研 发 应 用产业创新研究 2023.6 第12 期122行，能够被内部计算机控制，但是不可应用通用型的计算机，且其中运行的软件为固化软件，也就是“固件”，终端用户一般不可能改变固件，即使可以实现，改变的难度也极大。并且从实际上来看，任何包含数字接口的设备，均需使用嵌入式系统，所以嵌入式系统的类型较多，且可拓展性良好，对于物联网自动化控制等多项功能的实现可以起到重要的支持作用，但将其应用于物联网时，必须结合相应的硬件以及软件程序。（三）传感器技术传感器属于获取信息的重要手段之一，同时也具有针对目标物体信号进行过滤等功能，相关标准对于传感器的定义为，可以感受被测量且可以按照一定规律转换成为可用输出信号的装置或是器件，将其应用于实际时，其可通过物理效应、化学效应以及生物效应等，将被测量的物理量、化学量或是生物量等，转化成为与需求相符合的电量，温度传感器、位置传感器、力传感器、速度传感器等均为如此，能够为物联网系统的功能发挥提供信息。（四）通信技术通信技术是物联网顺利传输数据的重要基础，当前常见的物联网通信技术包括蓝牙技术、WIFI 技术等，其中蓝牙技术的传输效率相对较低，WIFI 技术适合应用于 PDA 或是 PC终端，Zigbee 技术通信距离受到的限制较多，但是功耗也相对较小，所以在实际应用的过程中，应该根据不同需求合理选用通信技术3。三、以传感网络技术为基础的农业机械制造我国的农业机械化发展可以分为初级、中级和高级三个阶段，对不同阶段进行划分的指标包括两个方面，一方面是耕种收机械化的水平，另一方面是农业劳动力占社会总体劳动力的比例。农业机械化处于初级阶段时，耕种收综合机械化水平在 40%以下，农业劳动力占社会总体劳动力的 40%以上，2007 年，我国农业机械化发展状态进入中级阶段，机械化水平上升到 41%，超过 40%的标准，同时，农业劳动力占比则下降到约 38%。到 2021 年，我国耕种收综合机械化水平达到 72.03%，农业劳动力占比则在 30%左右，而发达国家的农业劳动力占比一般不超过 5%，所以我国的农业机械化仍有较大的发展空间，当前具体的应用情况和特点如下：（一）应用现状在农业智能机械制造过程当中，传感网络技术的应用已经十分广泛，并且现在现代技术高速发展的背景下，传感网络技术的功能更加丰富，将其应用于农业智能机械制造当中，可以针对外部信息进行采集、传输和分析，且可以采用非接触测量的方式，提升传感网络技术的工作效率。需要注意的是，因为传感器的内部结构较为复杂，并且传感器自身时常需要与外部接触，所以传感器应该具有较好的耐寒、耐热、耐撞击、防水等性能。同时，因为智能机械制造也就是使用计算机对传统形式的机械制造进行干预，加强机械加工、磨具设计和产品生产之间的关联性，以提升机械制造过程的集成效果和准确性，进而实现机械制造效率以及技术柔性的提升。由此，产生工艺的精准程度可以得到提升，其中集成效果的提升又可促使产品生产时间缩短，有利于保障生产效率4。（二）特点1.生产过程智能化程度高在进行机械制造的过程当中，智能生产可以针对生产过程中产生的各项信息，进行实时的采集和监控，且可及时感知周边环境的变化，系统中的各部分也可根据实际的工作需求，随时组建成为具有超柔性特点的不同结构，并在遭遇故障时进行自我诊断和自我修复5。智能制造还可以针对库存水平、需求变化以及不同的运行状态进行合理反应，从而提升智能分析推理和决策的效率。2.控制系统化通过应用传感网络技术构建起物联网架构，智能机械制造系统的运行效果更加稳定，且效率更高，在此过程中，可以应用专家系统、定性推理、模式识别、数据挖掘等多种方式，针对不同的研发方法进行合理组合，使其中的控制更加具有系统化特点，且能够有效拓展智能机械制造的范围。（三）基于传感网络技术的农业机械物联网信息平台在对农业机械制造物联网平台进行设计的过程中，重点在于物联网信息系统，其能针对机械结构构件、工艺以及供应链等信息进行集成处理，从而提升各方面工作的质量和效率。XMPP 技术属于一类应用松散客户端服务器的架构模式，与电子邮件网络服务具有一定的相似之处，不具有专门的为全部用户提供服务的服务器，而是采用诸多服务器分散的模式，每一台服务器仅针对一批用户提供服务，如果不同服务器之间的用户具有通信需求，可以借助连接模块实现服务器之间的连接，而若一台服务器发生故障，仅当地用户能够受到影响，其他服务器的正常运行不受影响6。XMPP 作为即时通信技术，其核心功能在于消息发送，这一功能的设计初衷即在于实现即时通信，所以针对消息数量较多而每一个消息中内容较少的情况，即需要进行合理的优化设计，例如用户 A 向用户 B 发送消息时，实际上，A 首先将消息发送至服务器，服务器获取 B 的地址之后，确认其不属于同一服务器，所以能够及时使用连接模块对两台服务器进行连接，之后将信息发送至 B 所在的服务器，B 所在的服务器获取消息之后，首先确认 B 的地址，之后发出消息，即为完成消息的发送。在此过程中，服务器不会对消息内容进行复杂的解析，所以消息传输速度可以得到保障。研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究123从总体上来看，XMPP 的优势在于，可以构建起客户端服务器架构，并能够使用寻址方案对网络上的设备进行准确识别，缺点在于仅能进行文本消息传递，不能实现端到端的加密，并且服务质量难以得到充分保障。四、实际应用从实际上来看，当前物联网技术尚未在我国智能机械制造中进行大规模的应用，而是主要集中于产品生产批量较大、自动化程度较高的制造产业中，例如汽车制造行业、农业机械制造行业等，并主要在零件制造、外漆涂装以及装配等环节发挥作用，从而提升机械的生产制造效率、柔性自动化生产水平，并保障装配环节的正确性，以能够全面提升机械制造的自动化水平，并能在一定程度上提高生产能力和效率。例如，将其应用于农业机械的零件生产制造环节，在沈阳市的某农业机械生产工作中，同一生产线上同时开展 4 个类型的零件生产工作，在此过程中应用传感网络技术，可以及时发现零件中存在的不足之处，同时应用射频识别技术，针对各零件配置相应的条形码，可以更加快速地明确零件的位置和所在的生产环节，也可及时针对相应的生产参数进行控制，并提升零件生产制造的效果。（一）零件位置检测例如在进行零件高速加工的过程中，为了在保障加工速度的同时保障加工精度，需要针对加工中心或是机床配备速度反馈系统以及位置反馈系统，其中速度反馈系统可以针对零件的移动速度进行检测和控制，并对由机械刚性、惯性、摩擦力变化等导致的机械常数变化进行补偿，位置反馈系统的主要作用则在于对刀架或是工作台的数控装置移动量进行检测和控制，且位置检测装置在零件生产数控机床中属于重点部位之一，不同类型的数控机床对于测量系统及元件的速度和精度要求也各不相同，通常要求元件分辨率处于0.0010.01mm 的范围内，以满足数控机床的 110m/min 的移动速度，但是在进行高速加工时，最大速度可以达到 10100m/min，且对于精度的要求也越来越高，甚至要求精度达到 0.01m，所以需要提升其中传感器的响应速度和精度。当前日本 FANUC 公司研发的绝对位置检测脉冲编码器，即能够在 10000r/min 的速度下针对零件的位置进行检测，即使位移量仅为 0.01m 也可确认其位置，并通过 XMPP 对其位移情况进行传输，从而纠正其位置，并保障加工精度7。（二）刀具速度检测在进行零件高速加工的过程中，可能出现刀片崩裂的情况，一旦此类情况发生，极易导致相关人员受伤以及相关机械受损的情况出现，并且刀具的磨损能够导致零件加工质量受到影响，所以应该针对刀具状态进行传感检测，以能够及时明确刀具的使用情况，并加以控制8。早在 20 世纪 70 年代，即有学者针对加工刀具的在线检测相关技术进行了大量研究，认为可以采用直接法和间接法两种方式对刀具的磨损情况进行判断，其中直接法为采用直接测量的方式明确刀具材料的体积或是重量变化，间接法是对刀具磨损相关参数进行测量，并根据参数变化判断刀具的磨损情况，一般来说方法包括接触电阻法、光学图像法等，但是从实际上来看，多数监控方法不具有较好的实用性，例如声发射监控法的工艺系统兼容性较差、光学图像法成本过高等，并且零件高速加工的过程较为复杂，如果仅用单一形式的传感技术，可能出现误测和误报的情况，所以在实际开展加工工作的过程中，应该使用振动监控法及切削力监控法、声发射监控法等多传感器融合技术，以对刀具速度进行检测和控制。五、结语根据上文可以了解到，在智能机械制造物联网架构中应用传感网络技术，其有利于提升智能机械制造的质量和效率，例如在进行农业机械零件的生产加工过程中，即可使用传感网络技术进行零件位置以及刀具速度的检测工作，针对零件位置和刀具速度进行实时的检测和高效的控制，有利于提升智能机械制造的质量和效率。参考文献：1 张新华.传感网络技术在智能机械制造物联网架构中的应用 J.舰船科学技术，2019（12）：202-204.2 黄艳，黄蓉.基于物联网技术的工业机械臂抓取位姿快速检测研究 J.制造业自动化，2022，44（9）：189-192+197.3 郑秋元，王世浩，蔡仁源，等.基于物联网传感技术的二次回路出口压板智能在线监测系统 J.电气应用，2022，41（06）：74-80.4 马南峰，姚锡凡，王柯赛.面向未来互联网的智慧制造研究现状与展望J.中国科学（技术科学），2022，52（01）：55-75.5 石佳.5G+工业互联网下的机械制造与自动化专业产教融合人才培养模式评 高职机械制造与自动化专业人才培养模式研究 J.中国科技论文，2021，16（11）：后插 15.6 段莹，李文锋.工业物联网推动智能制造解读 工业无线传感器网络抗毁性关键技术研究 J.中国机械工程，2019，30（18）：2263-2267.7 张嘉伟，姚鸿博，张远征，等.通过机器学习实现基于摩擦纳米发电机的自驱动智能传感及其应用J.物理学报，2022，71（07）：378-402.8 张绚艳，盛青山.基于物联网的油田注汽站能耗智能监测系统设计 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