扭矩傳感器在3C自動(dòng)化領(lǐng)域的‘精工細(xì)作’

我手心里托著的這個(gè)傳感器，比一枚硬幣大不了多少，重量不到15克。產(chǎn)線主管老周盯著它看了半天，又抬頭看看眼前那臺(tái)正在組裝手機(jī)主板的六軸機(jī)器人，終于忍不住問(wèn)：“陳工，這么個(gè)小東西，真能解決我們擰螺絲的‘玄學(xué)’問(wèn)題？”

我把它輕輕裝到機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，笑了：“周主管，在3C行業(yè)里，咱們比的不是力氣大，是手有多穩(wěn)、心有多細(xì)。”

“擰螺絲”里的大學(xué)問(wèn)

事情要從上個(gè)月說(shuō)起。老周這條產(chǎn)線負(fù)責(zé)高端手機(jī)的組裝，其中有個(gè)工序——用四顆0.8毫米的特制螺絲固定主板支架。工藝要求很明確：每顆螺絲擰緊扭矩0.15牛米，誤差不超過(guò)±5%。

“我們調(diào)了三個(gè)月，”老周當(dāng)時(shí)拿著不良品報(bào)告，眉頭皺成川字，“視覺(jué)引導(dǎo)沒(méi)問(wèn)題，機(jī)械臂重復(fù)定位精度達(dá)標(biāo)，但直通率就是卡在92%上不去。拆解返修發(fā)現(xiàn)，有的是螺絲滑牙，有的是支架微裂，還有的壓根沒(méi)擰到位。”

問(wèn)題就出在那個(gè)“0.15牛米”上。傳統(tǒng)的電動(dòng)螺絲刀靠電流反饋估算扭矩，但在微型螺絲領(lǐng)域，摩擦力、螺紋配合度、甚至螺絲表面涂層的細(xì)微差異，都會(huì)讓實(shí)際扭矩“失真”。0.15牛米有多大？大概相當(dāng)于用手指捏起一張A4紙的力道。測(cè)量這種微小扭矩，就像用臺(tái)秤稱一片羽毛。

指尖上的“觸覺(jué)神經(jīng)”

我們?cè)O(shè)計(jì)的微型扭矩傳感器，本質(zhì)上是在給機(jī)器人安裝“觸覺(jué)神經(jīng)”。它的核心是一片經(jīng)過(guò)特殊處理的應(yīng)變區(qū)域，厚度只有0.3毫米，當(dāng)螺絲刀受到扭矩時(shí)，這片區(qū)域會(huì)產(chǎn)生納米級(jí)的形變——變化量大概相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲拉長(zhǎng)千分之一。

“關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)響應(yīng)，”我給老周看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，“普通傳感器采樣率1000赫茲夠用了，但在擰這顆0.8毫米螺絲的過(guò)程中，扭矩會(huì)在0.1秒內(nèi)從0升到0.15牛米。我們需要每秒捕捉5000次數(shù)據(jù)，才能畫出完整的‘扭矩-轉(zhuǎn)角’曲線?！?/p>

屏幕上，每一次擰緊過(guò)程都呈現(xiàn)出一條光滑的拋物線：初始階段扭矩平穩(wěn)上升，到達(dá)預(yù)設(shè)值后急速截止。而當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)——比如螺絲歪斜或螺紋有瑕疵——曲線會(huì)瞬間“告警”：要么是初始摩擦力異常增大，要么是達(dá)到扭矩峰值后還在持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

從“擰緊”到“感知”

裝上傳感器的第三周，產(chǎn)線直通率升到了98.5%，但故事沒(méi)結(jié)束。一天深夜，老周突然打來(lái)電話：“陳工，系統(tǒng)報(bào)警說(shuō)B-17工位的螺絲平均扭矩在緩慢下降，但還在公差范圍內(nèi)?！?/p>

我們調(diào)出過(guò)去七天的歷史數(shù)據(jù)。果然，雖然每個(gè)螺絲的扭矩都在0.142-0.158牛米之間，但平均值從0.150逐漸降到了0.146。“這是批效應(yīng)，”我指著材料批次變更記錄，“新批次的螺絲表面潤(rùn)滑涂層薄了0.5微米，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變化?！?/p>

傳統(tǒng)觀念里，扭矩控制是個(gè)“閾值游戲”——達(dá)標(biāo)就停。但在3C的精工領(lǐng)域，扭矩?cái)?shù)據(jù)成了工藝健康的“脈搏”。我們據(jù)此調(diào)整了參數(shù)，不僅補(bǔ)償了批次差異，還建立起了每把電批的“指紋庫(kù)”：3號(hào)電批在高溫下會(huì)偏大0.003牛米，7號(hào)電批在連續(xù)工作四小時(shí)后響應(yīng)會(huì)延遲0.5毫秒……

裝配之外的“隱形戰(zhàn)場(chǎng)”

扭矩傳感器的舞臺(tái)不止在擰螺絲。上個(gè)月，我們幫一家耳機(jī)廠解決了膠水點(diǎn)膠的難題。

“TWS耳機(jī)的密封膠，每只耳朵點(diǎn)0.02克，”他們的工藝工程師小吳比劃著，“多了溢膠影響美觀，少了氣密性不達(dá)標(biāo)。我們?cè)囘^(guò)壓力控制、時(shí)間控制，都不穩(wěn)定。”

我們?cè)邳c(diǎn)膠閥的旋轉(zhuǎn)軸上裝了扭矩傳感器。原理很巧妙：膠水黏度會(huì)隨溫度和老化變化，當(dāng)膠水通過(guò)精密齒輪泵時(shí)，黏度變化會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)扭矩變化。傳感器捕捉到這個(gè)微小變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，從而保證出膠量恒定。

“以前我們像在用固定水龍頭接水，現(xiàn)在是用帶流量計(jì)的水龍頭，”小吳后來(lái)總結(jié)，“看似在測(cè)扭矩，實(shí)際在控流量?！?/p>

精度演進(jìn)的“螺旋階梯”

昨天，老周給我看了新需求：他們即將量產(chǎn)的可折疊手機(jī)，鉸鏈組裝需要測(cè)量0.05牛米以下的微扭矩，還要同步監(jiān)測(cè)正反轉(zhuǎn)的扭矩差異，公差要求±2%。

“能做到嗎？”他問(wèn)。

我打開(kāi)新一代傳感器的設(shè)計(jì)圖，應(yīng)變區(qū)域采用了網(wǎng)格化分布，能同時(shí)測(cè)量扭矩和彎矩?！熬拖駨膯吸c(diǎn)觸控升級(jí)到了多點(diǎn)觸控，”我解釋道，“我們不僅能知道總力矩，還能感知力矩的分布——這對(duì)于確保鉸鏈開(kāi)合的絲滑手感至關(guān)重要?！?/p>

離開(kāi)車間時(shí)，夕陽(yáng)透過(guò)玻璃窗，在自動(dòng)化產(chǎn)線上投下長(zhǎng)長(zhǎng)的影子。機(jī)器人們不知疲倦地重復(fù)著精密的舞蹈，而藏在它們“指尖”的傳感器，正以每秒數(shù)千次的頻率，捕捉著制造過(guò)程中最細(xì)微的力覺(jué)語(yǔ)言。

在3C這個(gè)追求極致輕薄的行業(yè)里，我們這些工程師的工作，就是把“力”的感知做到極致——從牛頓米到毫牛米，從靜態(tài)測(cè)量到動(dòng)態(tài)捕捉，從單一閾值到全流程感知。這不是力量的比拼，而是感知的進(jìn)化。

而這些比指甲蓋還小的傳感器，正安靜地躺在機(jī)器人的指尖，完成著這個(gè)時(shí)代最精密的“手藝活”。每一次微扭矩的準(zhǔn)確測(cè)量，都是對(duì)“中國(guó)智造”最細(xì)膩的注腳。