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      扭矩傳感器助力工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)精準(zhǔn)控制與高效運(yùn)行

      2025年04月27日 10:10:16人氣:50來源:深圳市鑫精誠傳感技術(shù)有限公司

      在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域,從機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動到末端執(zhí)行器操作,從精密裝配到重型搬運(yùn),扭矩控制貫穿機(jī)器人運(yùn)動的全流程,直接決定動作精度、負(fù)載能力與運(yùn)行安全性。扭矩傳感器作為機(jī)器人動力系統(tǒng)的重要組件,與壓力傳感器形成功能互補(bǔ),共同構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人的智能控制體系。
      一、扭矩控制 工業(yè)機(jī)器人的精度與負(fù)載重要支撐
      在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行中,扭矩控制直接影響關(guān)鍵性能指標(biāo)。例如,機(jī)械臂關(guān)節(jié)扭矩波動超過 ±3% 會導(dǎo)致定位精度下降,使精密裝配的誤差擴(kuò)大;協(xié)作機(jī)器人的扭矩不均會造成力反饋偏差,導(dǎo)致人機(jī)交互時的安全響應(yīng)延遲。傳統(tǒng)機(jī)械扭矩控制依賴齒輪箱 backlash 補(bǔ)償或經(jīng)驗參數(shù)調(diào)節(jié),而現(xiàn)代智能機(jī)器人通過扭矩傳感器構(gòu)建的閉環(huán)系統(tǒng),可將扭矩波動精準(zhǔn)控制在較低水平,使定位精度與負(fù)載能力得到有效提升。
      壓力控制在機(jī)器人液壓系統(tǒng)與氣動夾爪中同樣關(guān)鍵。液壓伺服系統(tǒng)的壓力波動會導(dǎo)致重型機(jī)器人的運(yùn)動平滑度下降,氣動夾爪的壓力不穩(wěn)會造成工件抓取可靠性降低。壓力傳感器通過實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力,確保液壓機(jī)器人的運(yùn)動平穩(wěn)性與氣動夾爪的抓取可靠性得到提升。
      扭矩與壓力控制的協(xié)同價值體現(xiàn)在三個核心場景:
      • 關(guān)節(jié)驅(qū)動:扭矩傳感器監(jiān)測電機(jī)輸出扭矩,壓力傳感器反饋液壓油缸壓力,共同保障多軸運(yùn)動的協(xié)調(diào)性;

      • 力控操作:扭矩傳感器實現(xiàn)末端執(zhí)行器的力矩反饋,壓力傳感器控制氣動壓力,確保精密裝配的力位協(xié)同;

      • 安全保護(hù):扭矩傳感器檢測異常扭矩突變,壓力傳感器監(jiān)測制動系統(tǒng)壓力,構(gòu)建雙重安全冗余機(jī)制。

      二、扭矩傳感器與壓力傳感器的技術(shù)差異及協(xié)同應(yīng)用
      (一)技術(shù)原理與測量對象
      • 扭矩傳感器:基于應(yīng)變片、磁致伸縮或光纖布拉格光柵原理,通過彈性體形變感應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩變化。例如應(yīng)變片式傳感器,在扭矩作用下彈性體產(chǎn)生微形變,應(yīng)變片電阻值變化經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號,精度可達(dá) ±0.05% FS,適用于 0.1N?m 至 10kN?m 的寬扭矩范圍。

      • 壓力傳感器:基于壓阻效應(yīng)或壓電效應(yīng),測量氣體或液體的壓強(qiáng)。壓阻式傳感器在壓力作用下硅膜片形變導(dǎo)致電阻變化,經(jīng)信號調(diào)理輸出標(biāo)準(zhǔn)信號,精度 ±0.2% FS,適用于 0.1MPa 至 200MPa 的寬壓力范圍。

      (二)應(yīng)用場景協(xié)同
      扭矩傳感器是機(jī)器人旋轉(zhuǎn)動力的重要測量工具,直接決定關(guān)節(jié)運(yùn)動的力矩輸出;壓力傳感器是流體動力的關(guān)鍵監(jiān)測部件,保障液壓 / 氣動系統(tǒng)的壓力均衡。二者在重型搬運(yùn)機(jī)器人中形成高效協(xié)同:扭矩傳感器監(jiān)測減速機(jī)輸入扭矩以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,壓力傳感器檢測液壓泵輸出壓力以控制油缸推力,共同實現(xiàn) “扭矩 - 壓力” 的雙重精準(zhǔn)控制,確保工件的平穩(wěn)搬運(yùn)與定位。
      三、適配工業(yè)機(jī)器人的扭矩傳感器技術(shù)類型
      1. 應(yīng)變片式扭矩傳感器:通用場景的實用選擇
      基于電阻應(yīng)變原理,采用鋁合金或鈦合金彈性體,表面粘貼高精度應(yīng)變片,通過全橋電路實現(xiàn)扭矩信號轉(zhuǎn)換。其優(yōu)勢在于成本與性能平衡、響應(yīng)速度快,適用于搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人等中負(fù)載場景。在汽車生產(chǎn)線的搬運(yùn)機(jī)器人中,該傳感器實時監(jiān)測關(guān)節(jié)扭矩,通過控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整伺服電機(jī)電流,使機(jī)械臂的重復(fù)定位精度得到提升,滿足精密搬運(yùn)需求。
      2. 磁彈性式扭矩傳感器:惡劣環(huán)境的可靠選擇
      利用鐵基合金的磁致伸縮效應(yīng),扭矩作用下內(nèi)部磁路變化通過感應(yīng)線圈輸出信號。其抗振動、耐粉塵、耐高溫的特性,使其成為鑄造、焊接等惡劣環(huán)境的理想選擇。在重工企業(yè)的焊接機(jī)器人中,磁彈性式傳感器監(jiān)測焊槍旋轉(zhuǎn)扭矩,配合抗電磁干擾設(shè)計,顯著提升焊接過程的穩(wěn)定性與焊縫質(zhì)量。
      3. 光纖式扭矩傳感器:精密場景的高精度方案
      基于光纖布拉格光柵技術(shù),扭矩導(dǎo)致光纖光柵軸向應(yīng)變,反射光波長漂移經(jīng)解調(diào)儀實現(xiàn)測量。其抗電磁干擾、體積小、精度高的優(yōu)勢,特別適合精密裝配、微電子操作等場景。在半導(dǎo)體晶圓搬運(yùn)機(jī)器人中,分布式光纖傳感器以高頻采樣監(jiān)測末端執(zhí)行器扭矩,通過邊緣計算實時調(diào)整夾爪力度,滿足晶圓的無損傷搬運(yùn)要求。
      四、典型工業(yè)機(jī)器人場景深度解析
      1. 精密裝配的扭矩 - 力位協(xié)同控制
      在 3C 產(chǎn)品裝配機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié),扭矩傳感器與六維力傳感器協(xié)同工作,實時監(jiān)測裝配過程的扭矩與力信號。當(dāng)檢測到螺紋緊固扭矩超過設(shè)定值時,系統(tǒng)自動停止旋轉(zhuǎn)并反饋補(bǔ)償角度,有效提升螺紋裝配的良品率,同時避免因過扭矩導(dǎo)致的工件損壞。
      2. 協(xié)作機(jī)器人的安全扭矩監(jiān)測
      在人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)處,扭矩傳感器實時監(jiān)測異常力矩突變。當(dāng)外部沖擊力導(dǎo)致扭矩超過安全閾值時,系統(tǒng)快速觸發(fā)安全停機(jī),降低人機(jī)碰撞的沖擊力,滿足協(xié)作安全標(biāo)準(zhǔn),顯著提升人機(jī)共融場景的安全性。
      3. 重型機(jī)器人的負(fù)載扭矩優(yōu)化
      在汽車主機(jī)廠的焊裝機(jī)器人中,扭矩傳感器與壓力傳感器聯(lián)動控制。傳感器實時監(jiān)測機(jī)械臂負(fù)載扭矩,當(dāng)檢測到工件重心偏移導(dǎo)致扭矩不均時,系統(tǒng)自動調(diào)整液壓平衡缸的壓力分布,提升負(fù)載引起的關(guān)節(jié)角度控制精度,使汽車白車身的焊接精度得到有效提升。
      五、技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新方向
      1. 高精度與微型化平衡
      隨著機(jī)器人向輕量化、模塊化發(fā)展,需在有限空間內(nèi)實現(xiàn)高精度扭矩測量。未來將聚焦:
      • 芯片級集成技術(shù):開發(fā)微型扭矩傳感器,適配協(xié)作機(jī)器人的緊湊關(guān)節(jié)設(shè)計,同時保持高精度測量性能;

      • 無軸式測量方案:采用非接觸式原理,消除傳統(tǒng)軸式傳感器的安裝同軸度要求,提升裝配便利性與測量穩(wěn)定性。

      2. 惡劣環(huán)境適應(yīng)性突破
      針對焊接飛濺、鑄造高溫、粉塵污染等場景,需提升傳感器的環(huán)境耐受性:
      • 表面防護(hù)技術(shù):應(yīng)用耐磨涂層,增強(qiáng)傳感器抗焊渣粘附與耐磨損能力;

      • 密封工藝優(yōu)化:采用高防護(hù)等級灌封技術(shù),適應(yīng)高壓水洗與強(qiáng)粉塵環(huán)境,延長傳感器使用壽命。

      3. 智能化與邊緣計算融合
      隨著機(jī)器人向自主決策升級,扭矩傳感器正從 “數(shù)據(jù)采集” 向 “智能分析” 進(jìn)化:
      • 嵌入式算法應(yīng)用:在傳感器端集成異常扭矩識別模型,實時分析信號特征,提前預(yù)警齒輪磨損、軸承失效等故障,減少非計劃停機(jī)時間;

      • 數(shù)字孿生技術(shù):通過傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動機(jī)械臂虛擬模型,實時模擬不同扭矩參數(shù)對運(yùn)動軌跡的影響,輔助工程師快速完成控制參數(shù)優(yōu)化。

      六、行業(yè)趨勢與市場洞察
      全球工業(yè)機(jī)器人扭矩傳感器市場呈現(xiàn)三大發(fā)展特征:
      • 制造需求增長:新能源汽車、半導(dǎo)體、精密電子等領(lǐng)域的自動化需求提升,推動高精度扭矩傳感器市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大;

      • 本地化技術(shù)發(fā)展:行業(yè)內(nèi)企業(yè)在中低端市場的自主研發(fā)能力不斷增強(qiáng),產(chǎn)品的技術(shù)水平逐步提升;

      • 綠色制造需求升級:低功耗傳感器與節(jié)能伺服系統(tǒng)的協(xié)同,幫助企業(yè)降低控制能耗,成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。

       

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