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扭矩傳感器助力工業機器人實現精準控制與高效運行

2025年04月27日 10:10:16人氣:25來源:深圳市鑫精誠傳感技術有限公司

在工業機器人領域,從機械臂關節驅動到末端執行器操作,從精密裝配到重型搬運,扭矩控制貫穿機器人運動的全流程,直接決定動作精度、負載能力與運行安全性。扭矩傳感器作為機器人動力系統的重要組件,與壓力傳感器形成功能互補,共同構建工業機器人的智能控制體系。
一、扭矩控制 工業機器人的精度與負載重要支撐
在工業機器人運行中,扭矩控制直接影響關鍵性能指標。例如,機械臂關節扭矩波動超過 ±3% 會導致定位精度下降,使精密裝配的誤差擴大;協作機器人的扭矩不均會造成力反饋偏差,導致人機交互時的安全響應延遲。傳統機械扭矩控制依賴齒輪箱 backlash 補償或經驗參數調節,而現代智能機器人通過扭矩傳感器構建的閉環系統,可將扭矩波動精準控制在較低水平,使定位精度與負載能力得到有效提升。
壓力控制在機器人液壓系統與氣動夾爪中同樣關鍵。液壓伺服系統的壓力波動會導致重型機器人的運動平滑度下降,氣動夾爪的壓力不穩會造成工件抓取可靠性降低。壓力傳感器通過實時監測系統壓力,確保液壓機器人的運動平穩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同價值體現在三個核心場景:
  • 關節驅動:扭矩傳感器監測電機輸出扭矩,壓力傳感器反饋液壓油缸壓力,共同保障多軸運動的協調性;

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

  • 安全保護:扭矩傳感器檢測異常扭矩突變,壓力傳感器監測制動系統壓力,構建雙重安全冗余機制。

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

  • 壓力傳感器:基于壓阻效應或壓電效應,測量氣體或液體的壓強。壓阻式傳感器在壓力作用下硅膜片形變導致電阻變化,經信號調理輸出標準信號,精度 ±0.2% FS,適用于 0.1MPa 至 200MPa 的寬壓力范圍。

(二)應用場景協同
扭矩傳感器是機器人旋轉動力的重要測量工具,直接決定關節運動的力矩輸出;壓力傳感器是流體動力的關鍵監測部件,保障液壓 / 氣動系統的壓力均衡。二者在重型搬運機器人中形成高效協同:扭矩傳感器監測減速機輸入扭矩以調整電機轉速,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 “扭矩 - 壓力” 的雙重精準控制,確保工件的平穩搬運與定位。
三、適配工業機器人的扭矩傳感器技術類型
1. 應變片式扭矩傳感器:通用場景的實用選擇
基于電阻應變原理,采用鋁合金或鈦合金彈性體,表面粘貼高精度應變片,通過全橋電路實現扭矩信號轉換。其優勢在于成本與性能平衡、響應速度快,適用于搬運機器人、碼垛機器人等中負載場景。在汽車生產線的搬運機器人中,該傳感器實時監測關節扭矩,通過控制系統動態調整伺服電機電流,使機械臂的重復定位精度得到提升,滿足精密搬運需求。
2. 磁彈性式扭矩傳感器:惡劣環境的可靠選擇
利用鐵基合金的磁致伸縮效應,扭矩作用下內部磁路變化通過感應線圈輸出信號。其抗振動、耐粉塵、耐高溫的特性,使其成為鑄造、焊接等惡劣環境的理想選擇。在重工企業的焊接機器人中,磁彈性式傳感器監測焊槍旋轉扭矩,配合抗電磁干擾設計,顯著提升焊接過程的穩定性與焊縫質量。
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,扭矩導致光纖光柵軸向應變,反射光波長漂移經解調儀實現測量。其抗電磁干擾、體積小、精度高的優勢,特別適合精密裝配、微電子操作等場景。在半導體晶圓搬運機器人中,分布式光纖傳感器以高頻采樣監測末端執行器扭矩,通過邊緣計算實時調整夾爪力度,滿足晶圓的無損傷搬運要求。
四、典型工業機器人場景深度解析
1. 精密裝配的扭矩 - 力位協同控制
在 3C 產品裝配機器人的腕部關節,扭矩傳感器與六維力傳感器協同工作,實時監測裝配過程的扭矩與力信號。當檢測到螺紋緊固扭矩超過設定值時,系統自動停止旋轉并反饋補償角度,有效提升螺紋裝配的良品率,同時避免因過扭矩導致的工件損壞。
2. 協作機器人的安全扭矩監測
在人機協作機器人的關節處,扭矩傳感器實時監測異常力矩突變。當外部沖擊力導致扭矩超過安全閾值時,系統快速觸發安全停機,降低人機碰撞的沖擊力,滿足協作安全標準,顯著提升人機共融場景的安全性。
3. 重型機器人的負載扭矩優化
在汽車主機廠的焊裝機器人中,扭矩傳感器與壓力傳感器聯動控制。傳感器實時監測機械臂負載扭矩,當檢測到工件重心偏移導致扭矩不均時,系統自動調整液壓平衡缸的壓力分布,提升負載引起的關節角度控制精度,使汽車白車身的焊接精度得到有效提升。
五、技術挑戰與創新方向
1. 高精度與微型化平衡
隨著機器人向輕量化、模塊化發展,需在有限空間內實現高精度扭矩測量。未來將聚焦:
  • 芯片級集成技術:開發微型扭矩傳感器,適配協作機器人的緊湊關節設計,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,消除傳統軸式傳感器的安裝同軸度要求,提升裝配便利性與測量穩定性。

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

  • 密封工藝優化:采用高防護等級灌封技術,適應高壓水洗與強粉塵環境,延長傳感器使用壽命。

3. 智能化與邊緣計算融合
隨著機器人向自主決策升級,扭矩傳感器正從 “數據采集” 向 “智能分析” 進化:
  • 嵌入式算法應用:在傳感器端集成異常扭矩識別模型,實時分析信號特征,提前預警齒輪磨損、軸承失效等故障,減少非計劃停機時間;

  • 數字孿生技術:通過傳感器數據驅動機械臂虛擬模型,實時模擬不同扭矩參數對運動軌跡的影響,輔助工程師快速完成控制參數優化。

六、行業趨勢與市場洞察
全球工業機器人扭矩傳感器市場呈現三大發展特征:
  • 制造需求增長:新能源汽車、半導體、精密電子等領域的自動化需求提升,推動高精度扭矩傳感器市場規模持續擴大;

  • 本地化技術發展:行業內企業在中低端市場的自主研發能力不斷增強,產品的技術水平逐步提升;

  • 綠色制造需求升級:低功耗傳感器與節能伺服系統的協同,幫助企業降低控制能耗,成為行業發展的重要方向。

 

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