Trzeci wymiar czujników siły

Przemysłowe czujniki siły, oprócz precyzyjnego wykrywania zmian jej wartości, muszą być także odporne na trudne warunki pracy występujące przez długi czas, kiedy mogą być narażone na znaczne wahania temperatur, wibracje czy kontakt z pyłami i płynami. W celu opracowania rozwiązań pozwalających na automatyzację produkcji i pracę w maszynach, konieczne było stworzenie nowej generacji czujników siły.

OPTYCZNE WYKRYWANIE SIŁY A TECHNOLOGIA TENSOMETRYCZNA

Fot. 1. Czujnik OptoForce OMD 10 mm to zupełnie nowe rozwiązanie w pomiarach sił i technologii chwytania

Wykrywanie siły polega na pomiarze odkształcenia i wnioskowaniu na tej podstawie o przyłożonym obciążeniu. Od 1938 roku technologia tensometryczna była dominującą w tego typu zastosowaniach. W najpopularniejszym typie tensometru wykorzystuje się izolowane i elastyczne podłoże, na którym znajduje się wzór z folii metalowej. Element jest mocowany do obiektu, następnie do pomiaru odkształcenia wykorzystywany jest pomiar zmian rezystancji czujnika.

Omawiana technologia ma praktyczne ograniczenia wynikające z kruchej i delikatnej struktury czujników, ich wrażliwości na warunki środowiskowe takie jak wilgoć i wyładowania elektrostatyczne ESD oraz wysokich kosztów ich produkcji. Ponadto w niektórych zastosowaniach tensometry zwiększają obciążenie i wytłumiają wibracje, które mają mierzyć. Z tych powodów ich użycie jest ograniczone do zastosowań, w których potencjalna czułość i wysoki koszt zostaną zniwelowane lub zaakceptowane.

W przemyśle pojawiła się potrzeba dostępności czujników zdolnych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych i mogących wykrywać niewielkie zmiany sił. W technologii trzyosiowego optycznego wykrywania siły wykorzystuje się zamiast foliowych obwodów fotodiody - mierzona jest ilość odbijanego światła w porównaniu z początkową emisją z diody LED w osiach X, Y i Z.

Przez porównanie zmierzonych wartości możliwe jest precyzyjne odtworzenie oddziałujących sił w modelu 3D, co pozwala na pomiar nie tylko wielkości, ale też kierunku oddziaływania siły. Jeśli takie czujniki zostaną połączone, będą pozwalały na pomiar nie tylko oddziałujących na nie sił poprzecznych, ale także momentów siły w osiach X, Y i Z, dzięki temu utworzą "czujnik sześciokierunkowy".

CZUJNIKI INTELIGENTNE

Fot. 2. Conrad Business Supplies oferuje klientom całą gamę czujników siły, włącznie z zestawami rozwojowymi czujników 3D firmy OptoForce

W Internecie nie brakuje filmów przedstawiających dłonie i chwytaki robotów, które są w stanie trzymać delikatne przedmioty, takie jak jajka i żarówki. W praktyce jednak tylko niewielka część produktów ma takie możliwości.

Aby chwytak z czujnikiem mógł reagować na najdelikatniejsze siły i nacisk, sam czujnik musi cechować się bardziej zaawansowaną metodą pomiarów. Konieczny jest tutaj nie tylko inteligentny czujnik, ale też odpowiedni materiał, z którego jest on wykonany.

Silikon, który pozwala na uzyskanie zróżnicowanych kształtów i faktur powierzchni, jest materiałem, który daje się przystosowywać do najbardziej dokładnych pomiarów odkształceń i wygięć. Taki "optyczny" silikon nie tylko pozwala na wykrywanie sił odkształcających go o kilkaset nanometrów, ale też wytrzymuje temperatury z zakresu od -40°C do +100°C.

AUTOMATYZACJA I AUTONOMIA

Fot. 3. Ramiona robotów OptoForce są w stanie bezpiecznie chwytać jajka i żarówki, automatycznie dostosowując się do ich masy, faktury powierzchni i delikatnych ścianek

Automatyzacja nie jest niczym nowym w przemyśle wytwórczym, jednak ciągle istnieją technologie i zastosowania, w których ludzie - a nie maszyny - są niezbędnymi elementami procesów. Czujniki 3D zapewniają możliwości sprostania ich wymogom, jednak często związane jest to z wysokimi kosztami lub ograniczeniem zakresu zadań.

Do typowych zastosowań takich czujników należą zadania związane z obróbką elementów oraz montażem przy zastosowaniu robotów. Ponadto ich możliwości wykrywania pozwalają na łatwe wykorzystanie w zaawansowanych systemach bezpieczeństwa, na przykład do wykrywania kolizji z obiektami pod różnymi kątami.

WIELOWYMIAROWE CZUJNIKI SIŁY

Rys. 1. Wyjątkowa konstrukcja czujników OptoForce zapewnia nie tylko dużą precyzję, ale także wytrzymałą strukturę odporną na ekstremalne warunki i siły zewnętrzne

Czujniki dostępne od wiodącego węgierskiego producenta OptoForce są w stanie skutecznie reagować z dużą dokładnością na nacisk o nawet najmniejszej wielkości. Mogą one wykryć siłę nacisku pióra na ich powierzchni, a nawet ruch powietrza!

Inni producenci z powodzeniem opracowywali i sprzedawali wielowymiarowe czujniki siły, jednak to firma OptoForce opracowała wersje o dużej wytrzymałości, które pozwalają na spełnienie wymagań w zastosowaniach dotyczących automatyki, produkcji i rozwoju produktów. Dzięki oferowaniu ekonomicznych zestawów rozwojowych, możliwe jest znalezienie dla tych czujników rynków i zastosowań do tej pory niedostępnych.

Większa wytrzymałość czujnika oznacza jednocześnie szerszy zakres zadań, w których może się on sprawdzić. Obejmują one polerowanie, szlifowanie, wygładzanie i zadania montażowe. Ogólnie można mówić o wszelkich zadaniach, w których urządzenia produkcyjne muszą reagować na krzywiznę obrabianego obiektu (wywierając zawsze na niego taką samą siłę) oraz o zastosowaniach, w których potrzebne jest wykrywanie zmiany położenia obiektu w czasie i reakcja na nią.

Korzystając z omawianych czujników, można nawet tworzyć bardziej zaawansowane roboty kroczące o większych możliwościach. Przed opracowaniem tej technologii czujniki siły nie były w stanie zaoferować odpowiedniej wytrzymałości na wstrząsy, które pojawiają się podczas wykonywania ruchów. Dzięki większej dokładności i wytrzymałości omawiane elementy zapewniają możliwości rozwoju technologii robotycznych w kierunku bardziej intuicyjnego wyczuwania sił występujących w ruchu i zachowywania równowagi przez robota.

Zapraszamy do zapoznania się z ofertą czujników 3D marki OptoForce oraz zestawów rozwojowych, które oferowane są przez Conrad Business Supplies.

Holger Morgenstern
Product Manager
Conrad Business Supplies
www.conrad.pl