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技術(shù)知識(shí)
六維力傳感器在工業(yè)打磨和裝配領(lǐng)域的應(yīng)用
時(shí)間: 2024-07-12 16:59:33 瀏覽次數(shù)：
隨著5G時(shí)代的到來，工業(yè)制造領(lǐng)域迎來一場(chǎng)全新的變革，這輪革新源于新一代信息技術(shù)的突破發(fā)展，以及市場(chǎng)需求變化和政策的大力推動(dòng)。因此，制造業(yè)必須要進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過融合新的技術(shù)將制造水平提升到一個(gè)新的高度。
機(jī)器人打磨市場(chǎng)
從國(guó)家政策方面來看，核心傳感器是作為工業(yè)4.0時(shí)代的一個(gè)很重要的基石，在《中國(guó)制造2025》、《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等多個(gè)規(guī)劃里面，都將傳感器的研發(fā)作為規(guī)劃重點(diǎn)之一。有相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到10.8萬億元，其中，傳感器作為數(shù)據(jù)采集的入口、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“心臟”，將迎來巨大的發(fā)展空間。
目前，傳感器系統(tǒng)也正朝著著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。由中國(guó)信通院前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)表明，2018年傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1472億元，同比增長(zhǎng)在10%以上，預(yù)計(jì)在2023年，我國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2703億元。就打磨工藝來講，大致分為四種，即磨削加工、粗磨、精磨、去毛刺（清除工件已加工部位周圍所形成的刺狀物或飛邊）。
傳統(tǒng)打磨行業(yè)痛點(diǎn)
目前來看，傳統(tǒng)工業(yè)打磨行業(yè)普遍都有以下痛點(diǎn)：第一，危險(xiǎn)系數(shù)大，傳統(tǒng)的打磨由于產(chǎn)生的粉塵排出不及時(shí)，容易引發(fā)爆炸事故危及人身安全；第二，工件一致性差，打磨質(zhì)量和工人的手法密切相關(guān)，工件品質(zhì)不一；第三，生產(chǎn)效率低，傳統(tǒng)人工打磨效率低，還存在廢品率高的問題；第四，人工成本高，招工留工難。
機(jī)器人打磨的優(yōu)點(diǎn)
由此來看，機(jī)器人打磨是屬市場(chǎng)剛需，而機(jī)器人打磨也正能很好地解決這些問題，與傳統(tǒng)的人工打磨相比，機(jī)器人打磨有以下優(yōu)點(diǎn)：密閉式的機(jī)器人工作站，將高噪音和粉塵與外部隔離，減少環(huán)境污染；操作工不直接接觸危險(xiǎn)的加工設(shè)備，避免工傷事故的發(fā)生；機(jī)器人能保證產(chǎn)品加工精度的一致性，不僅保證了質(zhì)量的可靠，而且降低了廢品率；
機(jī)器人替代熟練工，不但降低人力成本，而且也不會(huì)因?yàn)椴僮鞴さ牧魇Ф绊懡回浧?；機(jī)器人可以24小時(shí)連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)效率大幅提高；用戶可更具不同樣件進(jìn)行二次編程開發(fā)，縮短產(chǎn)品改型換代周期，減少相應(yīng)的投資設(shè)備。
六維力傳感器是什么？
我們今日的主題是《六維力傳感器在工業(yè)打磨和裝配領(lǐng)域的應(yīng)用》，那么什么是六維力傳感器？
我們先來認(rèn)識(shí)一下力覺傳感器，力覺傳感器是一類觸覺傳感器，它在機(jī)器人和機(jī)電一體化設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。力和力矩傳感器是用來檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部力或與外界環(huán)境相互作用力為目的，力不是直接可測(cè)量的物理量，力是通過其他物理量間接測(cè)量出的。
力傳感器可用作變換器，如應(yīng)變?cè)?，它可提供一個(gè)與變形、亦即作用于接觸點(diǎn)的力成正比的信號(hào)。力覺傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人有關(guān)部件（如手腕、手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩，可以控制手腕移動(dòng)，伺服控制，準(zhǔn)確完成作業(yè)。
六維力傳感器是力傳感器中一種新發(fā)展起來的傳感器，能同時(shí)轉(zhuǎn)換多維力/力矩信號(hào)為電信號(hào)，可用于監(jiān)測(cè)方向和大小不斷變化的力與力矩和測(cè)量加速度或慣性力以及檢測(cè)接觸力的大小和作用點(diǎn)。
廣義六維力傳感器能夠檢查空間任意力系中的三維正交力（fx、fy、fz）及三維正交力矩（mx、my、mz），由于其測(cè)力信息豐富、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在力及力-位控制場(chǎng)合，六維力/力矩傳感器為機(jī)器人控制提供力感信息，是智能機(jī)器人重要的傳感器。
六維力傳感器研究現(xiàn)狀
國(guó)際上對(duì)多維力傳感器的研究是從20世紀(jì)70年代初開始的，主要研究單位有美國(guó)的DRAPER實(shí)驗(yàn)室、SRI(Stanford Research Institute，斯坦福研究所)、JPL實(shí)驗(yàn)室、IBM公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。
國(guó)內(nèi)對(duì)六維力傳感器的研究是在上世紀(jì)80年代初期開始的，中科院合肥智能機(jī)械研究所于1987年研制出我國(guó)第一臺(tái)六維腕力傳感器，之后陸續(xù)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、東南大學(xué)等單位研制出多種規(guī)格的多維力/力矩傳感器，展現(xiàn)了我國(guó)多維力/力矩信息獲取研究領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前在六維力傳感器研究較多的院校有燕山大學(xué)、哈工大，大連理工等。
近年，研究熱點(diǎn)更多的關(guān)注在多維力/力矩傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，如現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人怎么樣充分利用多維力/力矩傳感器以及其它感知系統(tǒng)來完成各種環(huán)境下更多更復(fù)雜的機(jī)器人作業(yè)，使工作更加精確、生產(chǎn)效率更高、成本更低；如將多維力/力矩傳感器利用到工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，結(jié)合更實(shí)時(shí)更有效的算法，使智能工業(yè)機(jī)器人能夠更好的進(jìn)行精密柔性機(jī)械裝配、輪廓跟蹤等作業(yè)。
在六維力傳感器研究中，力敏元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是力傳感器的關(guān)鍵核心問題，因?yàn)榱γ粼慕Y(jié)構(gòu)決定力傳感器的性能優(yōu)劣。對(duì)此，國(guó)際和國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，提出了多種六維力傳感器結(jié)構(gòu)
工業(yè)打磨中的六維力傳感器
六維力傳感器在工業(yè)級(jí)的主要運(yùn)用領(lǐng)域是裝配和打磨，打磨是機(jī)器人運(yùn)用很廣泛的一個(gè)領(lǐng)域，就目前的市場(chǎng)情況來看，對(duì)于打磨精度要求較高的行業(yè)主要是3C行業(yè)，而且3C行業(yè)勞動(dòng)密集度高，迫切需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造。再加上3C行業(yè)的柔性化需求，需要更高智能的打磨機(jī)器人才能更好的滿足市場(chǎng)需求。
六維力傳感器通過傳感器固定座與機(jī)械臂的末端關(guān)節(jié)固定連接。靜態(tài)條件下，機(jī)械手腕部六維力傳感器測(cè)得的力和力矩?cái)?shù)據(jù)由三部分組成，即傳感器自身系統(tǒng)誤差、負(fù)載重力作用、負(fù)載所受外部接觸力。在加工、裝配等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，機(jī)器人末端工具或工件與外界環(huán)境的接觸力需要被精確的感知，控制系統(tǒng)據(jù)此修改機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，才能保證作業(yè)的柔順性。
傳感器的市場(chǎng)挑戰(zhàn)
雖然六維力傳感器在機(jī)器人自由度上可以達(dá)到六個(gè)維度的自由度，大大提升機(jī)器人的智能水平，但是目前工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)上的使用情況并不是很樂觀，特別是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)用到六維力傳感器的打磨機(jī)器人產(chǎn)品并不是很多。
目前用到浮動(dòng)主軸的方式比較多，單維力控。原因主要有兩個(gè)方面：1、在對(duì)精密打磨要求不高的行業(yè)，目前的力傳感器就能滿足打磨工序的需要，企業(yè)不愿意花更大的代價(jià)去購買配置了六維力傳感器的打磨設(shè)備；2、目前六維力傳感器的價(jià)格相對(duì)昂貴，更新改造成本較高。
傳感器的市場(chǎng)機(jī)遇
隨著工業(yè)加工、制造業(yè)的發(fā)展越來越精細(xì)化，精密裝配行業(yè)如3C行業(yè)對(duì)生產(chǎn)機(jī)器人的要求也會(huì)提高，具備更高性能的傳感器如六維力傳感器也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。目前超過90%的工業(yè)自動(dòng)化作業(yè)是傳統(tǒng)機(jī)器人無法完成的，包括精密打磨、精密裝配、機(jī)械管理、備料、裝貨卸貨、包裝等還未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人可以部分彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的不足，完成機(jī)械管理等工作。2015年全球機(jī)器人行業(yè)及相關(guān)服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模為710億元，預(yù)計(jì)2019年可達(dá)320億美元。六維力傳感器作為人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的重要部件，在人機(jī)協(xié)作應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
機(jī)器人打磨市場(chǎng)
從國(guó)家政策方面來看，核心傳感器是作為工業(yè)4.0時(shí)代的一個(gè)很重要的基石，在《中國(guó)制造2025》、《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等多個(gè)規(guī)劃里面，都將傳感器的研發(fā)作為規(guī)劃重點(diǎn)之一。有相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到10.8萬億元，其中，傳感器作為數(shù)據(jù)采集的入口、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“心臟”，將迎來巨大的發(fā)展空間。
目前，傳感器系統(tǒng)也正朝著著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。由中國(guó)信通院前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)表明，2018年傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1472億元，同比增長(zhǎng)在10%以上，預(yù)計(jì)在2023年，我國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2703億元。就打磨工藝來講，大致分為四種，即磨削加工、粗磨、精磨、去毛刺（清除工件已加工部位周圍所形成的刺狀物或飛邊）。
傳統(tǒng)打磨行業(yè)痛點(diǎn)
目前來看，傳統(tǒng)工業(yè)打磨行業(yè)普遍都有以下痛點(diǎn)：第一，危險(xiǎn)系數(shù)大，傳統(tǒng)的打磨由于產(chǎn)生的粉塵排出不及時(shí)，容易引發(fā)爆炸事故危及人身安全；第二，工件一致性差，打磨質(zhì)量和工人的手法密切相關(guān)，工件品質(zhì)不一；第三，生產(chǎn)效率低，傳統(tǒng)人工打磨效率低，還存在廢品率高的問題；第四，人工成本高，招工留工難。
機(jī)器人打磨的優(yōu)點(diǎn)
由此來看，機(jī)器人打磨是屬市場(chǎng)剛需，而機(jī)器人打磨也正能很好地解決這些問題，與傳統(tǒng)的人工打磨相比，機(jī)器人打磨有以下優(yōu)點(diǎn)：密閉式的機(jī)器人工作站，將高噪音和粉塵與外部隔離，減少環(huán)境污染；操作工不直接接觸危險(xiǎn)的加工設(shè)備，避免工傷事故的發(fā)生；機(jī)器人能保證產(chǎn)品加工精度的一致性，不僅保證了質(zhì)量的可靠，而且降低了廢品率；
機(jī)器人替代熟練工，不但降低人力成本，而且也不會(huì)因?yàn)椴僮鞴さ牧魇Ф绊懡回浧?；機(jī)器人可以24小時(shí)連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)效率大幅提高；用戶可更具不同樣件進(jìn)行二次編程開發(fā)，縮短產(chǎn)品改型換代周期，減少相應(yīng)的投資設(shè)備。
六維力傳感器是什么？
我們今日的主題是《六維力傳感器在工業(yè)打磨和裝配領(lǐng)域的應(yīng)用》，那么什么是六維力傳感器？
我們先來認(rèn)識(shí)一下力覺傳感器，力覺傳感器是一類觸覺傳感器，它在機(jī)器人和機(jī)電一體化設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。力和力矩傳感器是用來檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部力或與外界環(huán)境相互作用力為目的，力不是直接可測(cè)量的物理量，力是通過其他物理量間接測(cè)量出的。
力傳感器可用作變換器，如應(yīng)變?cè)?，它可提供一個(gè)與變形、亦即作用于接觸點(diǎn)的力成正比的信號(hào)。力覺傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人有關(guān)部件（如手腕、手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩，可以控制手腕移動(dòng)，伺服控制，準(zhǔn)確完成作業(yè)。
六維力傳感器是力傳感器中一種新發(fā)展起來的傳感器，能同時(shí)轉(zhuǎn)換多維力/力矩信號(hào)為電信號(hào)，可用于監(jiān)測(cè)方向和大小不斷變化的力與力矩和測(cè)量加速度或慣性力以及檢測(cè)接觸力的大小和作用點(diǎn)。
廣義六維力傳感器能夠檢查空間任意力系中的三維正交力（fx、fy、fz）及三維正交力矩（mx、my、mz），由于其測(cè)力信息豐富、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在力及力-位控制場(chǎng)合，六維力/力矩傳感器為機(jī)器人控制提供力感信息，是智能機(jī)器人重要的傳感器。
六維力傳感器研究現(xiàn)狀
國(guó)際上對(duì)多維力傳感器的研究是從20世紀(jì)70年代初開始的，主要研究單位有美國(guó)的DRAPER實(shí)驗(yàn)室、SRI(Stanford Research Institute，斯坦福研究所)、JPL實(shí)驗(yàn)室、IBM公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。
國(guó)內(nèi)對(duì)六維力傳感器的研究是在上世紀(jì)80年代初期開始的，中科院合肥智能機(jī)械研究所于1987年研制出我國(guó)第一臺(tái)六維腕力傳感器，之后陸續(xù)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、東南大學(xué)等單位研制出多種規(guī)格的多維力/力矩傳感器，展現(xiàn)了我國(guó)多維力/力矩信息獲取研究領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前在六維力傳感器研究較多的院校有燕山大學(xué)、哈工大，大連理工等。
近年，研究熱點(diǎn)更多的關(guān)注在多維力/力矩傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，如現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人怎么樣充分利用多維力/力矩傳感器以及其它感知系統(tǒng)來完成各種環(huán)境下更多更復(fù)雜的機(jī)器人作業(yè)，使工作更加精確、生產(chǎn)效率更高、成本更低；如將多維力/力矩傳感器利用到工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，結(jié)合更實(shí)時(shí)更有效的算法，使智能工業(yè)機(jī)器人能夠更好的進(jìn)行精密柔性機(jī)械裝配、輪廓跟蹤等作業(yè)。
在六維力傳感器研究中，力敏元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是力傳感器的關(guān)鍵核心問題，因?yàn)榱γ粼慕Y(jié)構(gòu)決定力傳感器的性能優(yōu)劣。對(duì)此，國(guó)際和國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，提出了多種六維力傳感器結(jié)構(gòu)
工業(yè)打磨中的六維力傳感器
六維力傳感器在工業(yè)級(jí)的主要運(yùn)用領(lǐng)域是裝配和打磨，打磨是機(jī)器人運(yùn)用很廣泛的一個(gè)領(lǐng)域，就目前的市場(chǎng)情況來看，對(duì)于打磨精度要求較高的行業(yè)主要是3C行業(yè)，而且3C行業(yè)勞動(dòng)密集度高，迫切需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造。再加上3C行業(yè)的柔性化需求，需要更高智能的打磨機(jī)器人才能更好的滿足市場(chǎng)需求。
六維力傳感器通過傳感器固定座與機(jī)械臂的末端關(guān)節(jié)固定連接。靜態(tài)條件下，機(jī)械手腕部六維力傳感器測(cè)得的力和力矩?cái)?shù)據(jù)由三部分組成，即傳感器自身系統(tǒng)誤差、負(fù)載重力作用、負(fù)載所受外部接觸力。在加工、裝配等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，機(jī)器人末端工具或工件與外界環(huán)境的接觸力需要被精確的感知，控制系統(tǒng)據(jù)此修改機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，才能保證作業(yè)的柔順性。
傳感器的市場(chǎng)挑戰(zhàn)
雖然六維力傳感器在機(jī)器人自由度上可以達(dá)到六個(gè)維度的自由度，大大提升機(jī)器人的智能水平，但是目前工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)上的使用情況并不是很樂觀，特別是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)用到六維力傳感器的打磨機(jī)器人產(chǎn)品并不是很多。
目前用到浮動(dòng)主軸的方式比較多，單維力控。原因主要有兩個(gè)方面：1、在對(duì)精密打磨要求不高的行業(yè)，目前的力傳感器就能滿足打磨工序的需要，企業(yè)不愿意花更大的代價(jià)去購買配置了六維力傳感器的打磨設(shè)備；2、目前六維力傳感器的價(jià)格相對(duì)昂貴，更新改造成本較高。
傳感器的市場(chǎng)機(jī)遇
隨著工業(yè)加工、制造業(yè)的發(fā)展越來越精細(xì)化，精密裝配行業(yè)如3C行業(yè)對(duì)生產(chǎn)機(jī)器人的要求也會(huì)提高，具備更高性能的傳感器如六維力傳感器也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。目前超過90%的工業(yè)自動(dòng)化作業(yè)是傳統(tǒng)機(jī)器人無法完成的，包括精密打磨、精密裝配、機(jī)械管理、備料、裝貨卸貨、包裝等還未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人可以部分彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的不足，完成機(jī)械管理等工作。2015年全球機(jī)器人行業(yè)及相關(guān)服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模為710億元，預(yù)計(jì)2019年可達(dá)320億美元。六維力傳感器作為人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的重要部件，在人機(jī)協(xié)作應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
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