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多维力传感器在机械领域的应用

时间:2022-11-09 21:36:24 作者:徽力智 点击:

在工业中,应用力传感器最多的首属机械制造行业,国际主流品牌的高端机械制造产业已全部采用了基于多维力传感器的力反馈控制系统。多维力传感器一般有压扭传感器、二维力传感器、三维力传感器和四维力传感器较多。目前,该技术已广泛应用在了打磨、铣削、焊接及装配的自动化机械臂中。

1)打磨

人工打磨有柔性但效率低,用机械臂打磨可有效提高效率。为了提高机械臂的打磨质量,需要建立力与机械臂末端轨迹的关系。基于示教过程中的多维力传感器数据,结合人工智能和机器学习的算法,可得到一个学习模型,最后将这个学习模型与机械臂的具体控制算法结合,就能在机械臂上快速实现高质量打磨的功能。打磨设备常采用变阻抗方式实现精确力控,其中多选用三维力传感器。

2)铣削

采用力反馈控制的铣削设备已被应用于大型碳纤维增强型塑料(CFRP)飞行器舱段的去材加工领域。由于飞行器舱段的体积较大且碳纤维舱体成型费用高昂,一旦后续工序加工质量不合格,将造成巨大的经济损失。因此,对窗孔铣削等工序的加工质量及成功率有严格要求。然而,众所周知的是,在碳纤维复合材料加工过程中易出现工件开裂和刀具剧烈磨损的现象,再加之大范围移动时刀具定位精度难以保证,要实现高质量高成品率的目标是一项难度极高的挑战。幸运的是,采用末端力反馈的铣削设备可以胜任此项任务。

将多维力传感器融入到用于铣削的机械臂中,可以保持高精度的移动来处理大型组件的操作,其对位置精度的保证能够使得末端刀具操作路径准确。通过自适应处理过程可确保机械臂能够面对不同的组件和位置需求,定位精度可达到0.01mm的量级。

通过力反馈控制更改机械臂的轨迹速度,可实现在加工过程中对材料的恒定速度切削。加工过程一旦出现过高的加工阻力,软件就会自动降低机械臂的进给速度并使加工力保持恒定,从而防止了碳基复合材料舱体因铣削载荷过大出现开裂现象,同时也减缓了刀具的磨损速度。

3)焊接

搅拌摩擦焊是大量应用的焊接技术。我国运载火箭的壳段就是由金属板材通过搅拌摩擦焊工艺加工而成。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上,焊头一边高速旋转,一边沿工件的接缝相对移动。焊头的突出段(焊针)伸进材料内部进行摩擦和搅拌,局部产生大量热量融化材料完成焊接。焊头的肩部与工件表面摩擦生热,用于防止塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接机械臂末端与焊机之间加入多维力传感器,可以在焊接过程中实时监测纵向力、摩擦力和扭矩,即使是在型面焊接中,自适应系统也可以根据多维力传感器的反馈信息实时调整焊头的运动参数,使纵向力、摩擦力和扭矩保持良好的一致性,以确保焊接质量。

4)装配

3C行业的零部件大多为易碎的电子产品,装配力过大时容易损坏;除此之外,汽车制造过程中存在较多的硬摩擦装配(如轴孔过盈装配等),但摩擦力过大容易造成零部件间的卡死现象并损伤表面质量。因此,即使3C及汽车行业的装配过程中存在大量的重复性因素,目前常规的自动化系统也很难实现装配功能。其原因在于,这些装配环节中需要不断的人工力觉感测并进行实时微调,而常规的自动化系统采用的是位置控制,其装配操作无法感知装配力并实时调整装配策略以避免零件的损伤破坏。

执行末端配有多维力传感器的机械臂可以完成上述装配任务。通过多维力传感器的低阈值保护确保组装过程中零部件的安全,并通过力与力矩反馈来进行编程,可以实现位置控制与力控制的叠加,从而提高机械臂执行或调整的柔性,即像人工操作一样,可以边感知边调整装配力度和用力方向。

可见,伴随着多维力传感器的引入,打磨、铣削、焊接及装配等机械加工技术的效率和质量,都得到了明显的提升。力反馈控制系统已被视为工业自动化的核心技术之一,是各大厂商技术实力和品牌竞争力的核心体现。