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六維力傳感器介紹及其應(yīng)用

2023-05-23 10:31 作者:秒懂稱(chēng)重傳感器  | 我要投稿

多維力傳感器的背景技術(shù)分析:

目前打磨工作多以人工為主,人工打磨存在加工成本高、危害工人身體健康、安全隱患大等問(wèn)題。更為關(guān)鍵的問(wèn)題是因?yàn)楣ぜ螤顝?fù)雜,比如玻璃模具,鑄件,玉石工藝品等,人工打磨浪費(fèi)工時(shí),加工效率低,造成打磨產(chǎn)量低。采用機(jī)器人打磨具有靈活性高、安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量復(fù)雜幾何外形工件的打磨工作。打破傳統(tǒng)的輪轂打磨加工模式,將機(jī)器人技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)相融合,采用全新的技術(shù)理念研究既滿足生產(chǎn)需要又符合經(jīng)濟(jì)效益的自動(dòng)打磨技術(shù),是我國(guó)制造業(yè)快速發(fā)展的需求,更是增強(qiáng)國(guó)內(nèi)輪轂打磨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的需求。目前機(jī)器人打磨加工系統(tǒng)多為位置控制或速度控制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)恒定力的控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨加工工作中力的實(shí)時(shí)采集及處理,是機(jī)器人打磨加工系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。


寧波辰邦多維力傳感器能檢測(cè)力在空間作用的全部信息,即在空間坐標(biāo)系所形成的三個(gè)分力和三個(gè)力矩Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z,Mx,My,Mz,因此廣泛的應(yīng)用在機(jī)器人接觸操作中,是機(jī)器人打磨任務(wù)中不可或缺的重要傳感單元。利用傳感測(cè)量原理,多維力傳感器主要由電容式、壓阻式、應(yīng)變式、壓電式等,早期傳感器結(jié)構(gòu)為壓阻式傳感器,各分力耦合程度高且很難解耦、靈敏度較低,電容式、壓電式傳感器存在量程小的缺點(diǎn)。采用雙層十字梁的方式實(shí)現(xiàn)解耦,公開(kāi)了一種正交解耦多維力傳感器,存在z向尺寸大,z向承受載荷小及加工成本高的缺點(diǎn),公開(kāi)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的多維力傳感器,僅適用于小量程的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)雙軸彈性鉸鏈實(shí)現(xiàn)了力解耦,存在非對(duì)偶正交,力易施加不均,測(cè)量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。采用一體加工的方式設(shè)計(jì)了十字梁,并采用銷(xiāo)軸,設(shè)置多個(gè)相配件的配合精度實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù),存在各零件精度要求高,加工成本高的缺點(diǎn)。


針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,急需開(kāi)發(fā)出一種既能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求,又能具備良好靈敏度、高線性度、成本低等優(yōu)點(diǎn)的多維力傳感器。


六維力傳感器工作原理:

寧波辰邦六維力傳感器的每一個(gè)力對(duì)應(yīng)一個(gè)矢量,它們既有大小又有方向,它的標(biāo)定都是假設(shè)傳感器系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng),即傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型滿足 F=CV V是它的6路原始輸出信息(列信息,單位是V),F(xiàn)是經(jīng)過(guò)計(jì)算的6路力信息(列信息,力的單位是KN,力矩的單位是KNm)。

利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過(guò)數(shù)據(jù)采集上采樣得到的傳感器6個(gè)輸出信號(hào)矢量組V求出標(biāo)定矩陣C,傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)6路電壓信號(hào)組成的矢量。 在不考慮傳感器的非線性因素影響下,只要給傳感器施加6個(gè)線性無(wú)關(guān)的力矢量,并測(cè)得對(duì)應(yīng)6個(gè)力矢量的傳感器的輸出電壓信號(hào)矢量V,就可以得到一個(gè)唯一解C。

寧波辰邦六維力傳感器屬于力覺(jué)傳感器。力覺(jué)傳感器是一類(lèi)觸覺(jué)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(lái)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,力這一物理量無(wú)法被直接測(cè)量,可通過(guò)其他物理量間接測(cè)量得出。

廣義上,六維力傳感器可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)。

要應(yīng)用在力及力-位控制場(chǎng)合,如力控精密裝配、力控精密打磨、機(jī)器人拖動(dòng)示教、碰撞測(cè)試、康復(fù)機(jī)器人、人形機(jī)器人等。


六維力傳感器介紹及其應(yīng)用

上世紀(jì) 60 年代,傳感器開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)器人,并逐漸成為了機(jī)器人的重要組成部分,傳感器的應(yīng)用可謂是機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中一個(gè)重要的里程碑。其中,六維力傳感器是工業(yè)機(jī)器人最為常用的傳感器。


2013 年,德國(guó)提出了“工業(yè) 4.0”的概念,隨后中國(guó)也于 2015 年制定了“中國(guó)制造 2025”計(jì)劃,“智能制造”成為了熱門(mén)詞匯,工業(yè)制造開(kāi)始向著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。在此過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用正在變得越來(lái)越廣泛,因此人們對(duì)于機(jī)器人傳感器也提出了越來(lái)越高的要求。六維力傳感器正是這樣一種主要用在機(jī)器人手臂上的傳感器,它能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)軸向力和三個(gè)軸向力矩,即(Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z,Mx,My,Mz),六維力傳感器是保證機(jī)器人能夠快速而又高精度完成工作任務(wù)的重要構(gòu)件之一。人們也常稱(chēng)之為多維力傳感器、六軸力傳感器或者六維力/力矩傳感器等,以下為了方便將其稱(chēng)為六維力傳感器,此處的“力”是指廣義的力,它同時(shí)涵蓋力和力矩的范疇。實(shí)際應(yīng)用中,力傳感器包括單維、二維、三維、四維、五維、六維,它們用途各有不同,但又有相通之處,我們可以將它們統(tǒng)稱(chēng)為多維力傳感器,此處的“多”是指廣義的多。其中六維力的測(cè)量,無(wú)疑是難度最大的,但六維力傳感器功能最全面,應(yīng)用也最為廣泛,因此對(duì)六維力傳感器的研制與應(yīng)用在工程中有著重要的意義。


隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展,六維力傳感器得到了非常廣泛的應(yīng)用。它最常見(jiàn)的用途是應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)精密打磨、精密裝配、示教學(xué)習(xí)等功能,還適用于協(xié)作機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、空間機(jī)器人等。其應(yīng)用場(chǎng)景包括拖動(dòng)示教、力控打磨和拋光、力控碼垛、力矩反饋控制、輪廓跟蹤,還有風(fēng)洞測(cè)試,以及航天領(lǐng)域中空間站的對(duì)接仿真模擬,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)驗(yàn)等。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高,工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,六維力傳感器的市場(chǎng)需求量也必將水漲船高。


六維力傳感器在使用過(guò)程中如何避免過(guò)載?

寧波辰邦傳感器在使用時(shí)發(fā)生了過(guò)載。在售后溝通的過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn):

大部分過(guò)載主要出現(xiàn)在以下幾種情況:

傳感器在調(diào)試過(guò)程中發(fā)生撞擊;

機(jī)械臂與工件剛接觸時(shí);

傳感器受到的瞬時(shí)載荷過(guò)大;

傳感器規(guī)格與實(shí)際工況下的力矩不匹配;

綜合分析后,我們發(fā)現(xiàn)傳感器過(guò)載主要原因是傳感器受到的彎矩超出傳感器的量程范圍。

所以,我們需要對(duì)傳感器的受力情況根據(jù)實(shí)際進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算傳感器在整體工況下受到的最大彎矩,從而來(lái)判斷該傳感器是否能夠正常工作,符合工作要求。


我們就一起探討寧波辰邦六軸力傳感器在使用過(guò)程中如何避免過(guò)載。

那么,如何計(jì)算傳感器實(shí)際受到的力矩值呢?

接下來(lái),我們以寧波辰邦KWR75B六軸力傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。

首先,寧波辰邦傳感器的載荷參考平面,也就是安裝面上加裝示教桿,以此為例進(jìn)行力矩分析,示教桿末端相對(duì)于傳感器的載荷參考平面距離為100毫米,假設(shè)我們?cè)谑窘虠U末端側(cè)向施加一個(gè)100N的力,此時(shí)傳感器的載荷參考平面除了受到100N的力,也會(huì)受到力矩,其大小為100N X 100mm,也就是10Nm,10Nm已經(jīng)超過(guò)了此型號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)量程8Nm,傳感器會(huì)發(fā)生過(guò)載。在這種情況下,我們可以通過(guò)調(diào)整示教桿長(zhǎng)度,減小傳感器受力值,或者重新更換大量程傳感器來(lái)避免過(guò)載。


另外,末端執(zhí)行器或工裝的自重也會(huì)引起彎矩,所以在核算彎矩時(shí),要同時(shí)考慮外力和自重的影響。雖然寧波辰邦六軸力傳感器有一定的過(guò)載能力,但還是需要防止傳感器的過(guò)載,超量程使用傳感器會(huì)影響傳感器的使用精準(zhǔn)度及壽命。如果超過(guò)了傳感器的過(guò)載極限,甚至?xí)?duì)傳感器造成不可逆的損傷。即便是短時(shí)間的超載,也會(huì)造成傳感器的損壞。

六維力傳感器介紹及其應(yīng)用的評(píng)論 (共 條)

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