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        2021 IAS展
        工業連接

        機電光軟一身挑 配角之王從哪里突圍

          2020年12月11日  

          無論是飛馳的高鐵,還是四五百噸的變壓器,大國重器往往一直令人驚羨。首先從個頭上,它給人以驚艷的感覺。而且單價往往也不低,一臺100萬千瓦的大鍋爐,價值幾個億。與此相比,傳感器則是一個煩惱人的行業。作為一個被邊緣化的元器件行業,它是大國裝備的配件中的配件。盡管沒有了它,大國重器很難動彈,但它天生就是一個配角之王,永遠留在燈光之外。而要說到訂單的特點,制造工藝大師也會一臉無奈,全球傳感器有五萬多個品種,一個工廠可能就需要生產幾百個型號,而許多訂單又往往都是以數千個計算,或者是只有數百個、數十個,甚至幾個,典型的小批量、多品種。技術難度大,訂單很復雜,價值很渺小,領域多繁雜,無疑傳感器是一個苦差行業。

          然而,中國制造總是要迎難而上,傳感器公司需要選擇自己的突破路徑。

        蹺蹺板上的藝術

          以軸承行業為例,軸承潤滑系統的作用非常重要。一個軸承潤滑系統,會有很多的潤滑管路。在那些歧路的路口,油閥分配器就起到了十字路口的交警作用,它負責將潤滑油送往各自不同的旅途。但油閥分配器,只是隨動機構,而非執行機構。它手里的指揮棒,就是一個執行機構,推動分配器開合。而要保持油壓管路的暢通,就需要檢測分配器是否執行到位,然后通知執行機構是否繼續動作。這個“檢測”的任務,就交給了傳感器。從這個意義而言,傳感器幾乎是一切自動化的起點,更不要說智能了。態勢感知,是人類邁向智能的最重要一環。

        圖1  機械的精細之美

          在風電領域,面對大型風機的旋轉必備品,軸承必不可少,風電行業的潤滑系統也很重要。一家國際軸承企業目前主要使用的是德國品牌的傳感器產品,它采用了一種霍爾原理的開關技術。但這種傳感器在風電領域,有一個致命傷,那就是電磁兼容性問題解決不好。由于風電的電機扭矩很大,經常出現大電流現象,產生很強的電磁干擾。而霍爾原理屬于磁性開關,本身就是檢測外部電磁場變化,即使很小的磁場變化,都能感受到。但由于風電這種特殊性,這類霍爾原理開關就會經常出現偶發、誤觸發等現象,引發誤判斷。這對穩定度要求極高的風電行業造成困擾。

          電感開關是另外一種選擇?;魻栕陨聿话l生磁場,靠著檢測外部磁場,當外部產生疊加磁場的時候,就容易形成誤判;而電感是自我發生磁場,檢測自我磁場破壞的程度來判斷位置。這樣它就不會受外部電磁的影響,因此是不錯的選擇。

          然而相對于場景應用而言,任何一種技術的優勢都是相對的:一扇窗戶打開,就得關閉另外一扇窗戶。這次關閉窗戶的是壓力問題。風機潤滑系統過高的油壓,會使得電感容器的外部最常用的金屬封裝變形,不堪重任。所以,風機的潤滑系統不選用電感原理,自是有其綜合性考慮的原因。

          更耐壓的陶瓷封裝式的電感容器,可以登場了。然而陶瓷制作加工難度和調試更困難,而且硬度比金屬要高,宜科公司的團隊開始挑戰這種工藝。其實傳感器就是如此奇怪的一個行業,原理都公開,對誰都不保密,但工藝優化則是內功。傳感器研發對技術的選擇,本身永遠是一個蹺蹺板原則,左邊加半斤,右邊加八兩。

          宜科重新平衡了這種蹺蹺板,在內部電路上進行優化,在濾波和信號處理下足了功夫,使得電磁兼容性的抗干擾達標。而重新設計了新工藝,采用了高強度陶瓷感應面,提升耐油壓能力,外殼使用特殊工藝的消磁金屬,這樣的組合,終于實現了陶瓷封裝,而且更加耐壓。

          如此的工藝求新,實在是傳感器廠家必備的功夫之一,否則會一直落后于國外品牌。日本基恩士、日本橫河川儀的傳感器,電路板其實都并不先進,都是上世紀80年代的產品,但靠著精良的工藝,一直長銷不衰。而如果一旦他們感覺到了工藝有被超越的可能性,就會迅速推出儲備的第二代、第三代工藝,繼續對靠近的追趕者實現確保市場份額的火線壓制。這正是中國傳感器遲遲很難突進到核心用戶的核心場合的原因。鮮明的技術代差,猶如火力封鎖線,壓制著國產傳感器前進的路線。

          這種混合的工藝技術突破,使得宜科的陶瓷電感傳感器贏得了這家軸承企業的青睞。這在風電行業潤滑系統的應用,也是一個創新。這就是傳感器產業的特點。從追趕的角度來看,國外廠商已經占據了大部分陽光大道,只為中國廠商留下了很小的骨頭縫,讓小公司去啃食。在測試環節中,甚至連潤滑泵在加速極限測試下都被損壞,而這種電感傳感器依然沒有問題。這使得它終于可以突破德國品牌傳感器廠商的壟斷,走到前臺來。

          當然傳感器就是這樣一個精細的行業,即使工藝、電路都突破了,芯片依然很難突破,而其中的磁芯材料,依然要靠日本TDK、美國TOMITA的錳鋅鐵氧體。傳感器的世界,細節全都要深挖精研。

        光電機軟,四大名捕

          傳感器種類如此之多,以至于各種測量原理,都會拿來被使用。光電式的激光測距,也是一種常見的傳感器原理。這種激光一般采用可見激光,能夠看得見光點。由于激光能量高,光斑小,因此可以看的遠,很適合高精度、遠距離的測量。

          光電式的激光測距,經常使用的是三角測距法和時間飛行(TOF,所謂的“飛秒”)兩種原理。前者適合短距離高精度的需求,例如3C部件的厚度檢測、機加工部件的正反方向檢測以防止誤加工等;而后者主要適合中大距離、而且相對精度低的需求。

          飛秒這種原理的設計精度,基本以米為單位。其往往用在防撞的場合上,在工廠自動化現場,許多跑來跑去的自動導軌小車AGV上往往有大量需要;還有一些特殊場景如港機,使用距離遠(30米,甚至100米)的大型天車;而鋼廠的溫度非常高,傳感器不能太近,因此也會使用這種飛秒原理的光電傳感器。它的測距原理是采用時間飛行(TOF)法。相位法屬于時間飛行(TOF)法的其中一種,一個波長周期,算一個完整的相位,根據發射時和接收時的相位差算出時間差,再乘以光速算出距離。聽上去很炫酷,但光電激光測距開關產品的驗證、測試,其實都比較復雜,國內跟國際存在很大的差距。

          如果從簡行事,那么就會購買全套模塊,再做集成。但這種集成,往往會犧牲很多效果,因為無法預知子部件之間的匹配關系。宜科選擇了一條艱難的道路,那就是將傳感器盡量測分成最小單元,然后自己盡量購買器件級而非模塊級產品,從掌握技術平臺入手,從而擺脫對集成模塊的依賴。像CMOS光學成像器件,以及光源,這是必須購買的。但激光光路,要達到精密測量的算法和光路設計,要比器件問題復雜得多。要想上臺階,企業不得不重新設計集成平臺,鏡架、軟件等自己來做,甚至透鏡,也自己開模具,提供光學參數,由透鏡廠家來定制生產。有了合適的鏡架,才能做出好的光學結構,而且還要有好的電路設計跟進。

          然而,光電傳感器是一個“四大名捕”匯聚的地方:光、電、機、軟,一個也不能少。激光測距的關鍵,一個是結構穩定性,另外一個就是光學回路,后者跟軟件算法密切相關,如補償、響應頻率等。

        圖2  傳感器深藏其中

          傳感器的原理并不復雜,但要達到產品一致性,就必須解決不同使用環境下的問題。如何讓CMOS處理信號能夠更穩定的輸出,而不產生抖動,這需要算法不斷調整。正如士兵對著靶子練槍,需要大量的時間積累。

          那么算法的數據來自何處?這種數據,只能出自實驗臺上。因此傳感器工廠,需要在一個測試臺上,需要多點采集、不同環境、不同被測物做產品化驗證。為了達到穩定的參數優化,往往需要一百多種不同材質、顏色、反光度的場景調優。例如深色橡膠,吸光度比較大;磨砂面的手機殼,散光比較大,而且顏色不一致。這些不同的場景都能適用,最后才能形成穩定的傳感器性能表現。

          而這一點,正是國內最欠缺的地方。國內和國際的傳感器,從樣本來看,樣本參數可以是一致的,但一到具體環境,就發現明顯的漂移現象,說到底,還是工程數據庫的積累不夠。在試驗臺,反復做實驗做出來的工程數據庫,才是軟件算法最需要的養料。否則,軟件優化其實是不存在的。有了光機電的結合,再加上軟件的優化,光電傳感器才能跨上一個臺階。

          在激光測距領域,兩大巨頭就是日本基恩士和德國Sick。中國傳感器的發展,就浸沒在這兩座大山的陰影之下。而尾隨其后的則是美國邦納(Banner)。目前國內的一些廠家,正在形成對邦納的對標,這是一個重要的標桿。這個地方站住了腳,才有可能向大山發起沖擊。

        沒有逆向工程

          編碼器是控制部件上最常用的一種反饋傳感器,將物理量轉化成電信號。用在運動控制、伺服電機、電主軸等部件上,實現對運動特性進行控制。應用市場非常廣泛:如機床、物流、紡織、印包、機器人等。由于在機械上的深入使用,幾乎獨立成為一種產品門類。

          以最常見的工業母機為例,機床最核心的大腦就是數控系統,它有三個基本單元:控制器、伺服系統和檢測單元。而檢測單元,正是要靠編碼器之類決定測量精度的器件,它就像哨兵的眼睛,指到哪里,執行電機就會走到哪里。編碼器,需要和伺服系統、控制器,都要有很好的參數配比要求。

          編碼器主要有兩條技術路線,一個是德國,一個是日本。編碼器最早在德國機床上使用,海德漢正是代表性品牌。日本也有一套技術方案,以多摩川為代表。一個高端、一個中端,二者牢牢地把控著市場。歐美其他廠家和中國廠家則采用了介于這兩者之間的技術路線和體系架構。而海德漢、多摩川,則是中國編碼器市場上的兩座山。

          宜科和中國出貨量最大的數控系統廠商廣州數控,有著十多年的密切合作,從而可以使得產品工藝不斷優化。隨著廣州數控的不斷升級,編碼器也在升級,從增量型,走向絕對值。增量型編碼器容易有累積誤差,而且有上限精度的限制。而絕對值多圈編碼器,則可以達到精確到達位置。這就需要對客戶需求進行解析,尋找差異化方案的驗證。

          編碼器的制作,主要體現在制造工藝的復雜性。如信號生成和處理的芯片,碼盤都需要進口;而制造商則需要自己設計電路,將芯片的應用方案,解析成產品,然后通過合適的工藝來完成制造。編碼器的組成部分,主要包括發光管,碼盤和接收器等。這三者的距離,都是有緊密的耦合關系。這之間的距離控制,并沒有一個明確的標準。全靠反復的測試,對數據分析,才能找到距離的最優值。

          這是一個機電光的緊密結合,機械部分要適應高速、高溫度的條件下,仍然保持機械精度、材質的選擇、部件加工的加工控制。而光學設計則都需要做試驗,這一塊必須正向做試驗。因為國外進口的光學碼盤,都是加密的,就像一個密碼,外部看不出來眉目,無法逆向研發。而電氣部分,尤其是總線式編碼器,需要各種總線協議的接口。而最后,則需要將這三個部分,裝配起來,并且保證精度。

          這是一個連鎖性的突圍,高端機床會帶動高檔數控系統的需求;然后到編碼器的升級,進一步帶動蝕刻機裝備的發展。而要真正看一個國產化示范的項目,要從國產設備,下沉到國產數控,再到國產編碼器,至少三層皮,才算是切到了國產化的全部脈動。這是一個漫長的過程。

        四處去突圍

          傳感器無處不在,每個領域每個行業,都需要廠商去拼刺刀,硬核突破,而很難做到全面突圍。這需要每個傳感器廠家,都能找到自己的絕活。

          在環衛車上能夠抵抗瞬時大電流和腐蝕的傳感器,也都是痛點所在。由于市場太小,國外傳感器有時候并不愿意定制,這也給國產品牌商留下了巴掌大的機會。而每一個機會,都需要全力而為。

          傳感器的許多使用環境都非常惡劣。例如用于機器人的防火花噴濺的傳感器,既是易損耗品,又處于環境惡劣之地。電流焊接過程中,電火花屬于強電強磁,產生交變磁場,在點焊時候能達到1.2萬安培以上,要求傳感器的抗干擾能力很強。而用于汽車焊接領域的夾緊氣缸的一家德國生產廠家,正在將德國傳感器品牌,切換成國產品牌。這是一個良好的開端。

          機床加工,會產生大量熱量,對普通的電感傳感器有很大的干擾。這種執行限位傳感器,一般采用焊接和組件封裝的方式,前塞、金屬外殼的膨脹系數不同,往往會導致傳感器發生性能失效。值得一提的是機床用的潤滑油。跟水的性質不同,潤滑油的滲透率很強,往往會滲入電路板,造成傳感器故障。而今,傳感器經過一體化的設計,不再采用焊接方式就解決了高密封性和膨脹系數的問題??梢钥吹?,這些都不是技術難度,而是工藝悟性。而最重要的就是電路優化處理和制造工藝,保證一致性。傳感器雖小,但它卻是制造能力的一把標尺。

        小記:從集成創新走向器件創新

          中國的大裝備取得了令人矚目的發展,例如振華港機、二重集團的1000MW核承壓設備等。然而,如果缺乏對零部件的關注,許多集成商很容易淪為核心器件商的打工者。這種現象也發生在歐洲,德國。很多系統集成商的市場份額正在下滑,而零部件廠商的市場份額則在上升。

          中國需要從集成創新,走向器件創新的時代。而國內鼓勵國產貨的大氣候也在變好。汽車行業最為明顯,以前合資工廠的電控系統,設計方案都是國外定制,幾乎無法改動。而現在中國決策的自主權變大,國內產品也有了更大的余度。無論是產線上的改進,還是零部件的選配,都有了新的機會。

          這是一個國運時刻,正值中國制造順著價值鏈條向上爬升的階段,正好可以從上到下、從大到小,逐一審視價值鏈的各個產品。而傳感器首當其沖作為一個裝備的配角之王,它的價值被嚴重低估。此一刻,正是讓傳感器大放異彩的關鍵節點。

        標簽:宜科  我要反饋
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