OPTOFORCE. Introduzione alla tecnologia. Sistema ottico per la misura di forza e coppia

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1 OPTOFORCE Introduzione alla tecnologia Sistema ottico per la misura di forza e coppia

2 Misura ottica della forza La misura di una forza si ottiene rilevando una deformazione e deducendone il carico che la provoca. Il metodo più conosciuto si basa sulla tecnologia estensimetrica, impiegata fin dal 1938 e giunta ai giorni praticamente immutata. In particolare ne risultano irrisolti i principali limiti, quali la fragilità dei componenti, i lunghi tempi di esecuzione e i costi levati, che ne hanno sensibilmente ridotto la diffusione nel mondo della produzione. I nuovi sensori di forza ottici prodotti da Optoforce, grazie alle caratteristiche di precisione, robustezza e semplicità di utilizzo, aprono la strada a interessanti sviluppi nel capo dell automazione industriale. In questo documento vi parleremo di: - principi di funzionamento, - caratteristiche del silicone - tipologie e forme di sensori disponibili - campi di misura, - precisione e accuratezza, - applicazioni Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 2

3 Sensori di forza 3D A differenza di altre tecnologie in commercio, i sensori OptoForce consentono la misura delle tre componenti di forza (x, y, z) con un unico elemento. Il sensore è costituito da una calotta semisferica in materiale siliconico rivestita internamente da uno strato riflettente, all interno del quale sono collocati un LED a infrarossi e una opportuna combinazione di fotodiodi. Questi ultimi rilevano la porzione di luce riflessa dal guscio, e quindi le sue variazioni dovute a una deformazione. Combinando queste misurazioni si determina con precisione lo stato deformativo del guscio siliconico e da questo si ottengono intensità, direzione e verso della forza applicata sul sensore. Sensori di forza e coppia Un array di sensori a 3 assi può essere utilizzato per costruire un sensore di forza e coppia a 6 assi, in grado di misurare, oltre alle componenti triassiali di forza, anche i momenti lungo le tre direzioni ortogonali x, y, z. Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 3

4 Il guscio in silicone Cedevolezza La parola silicone induce comunemente a pensare ad un gel dalle scarse proprietà meccaniche e termiche. Tra i polimeri siliconici tuttavia ne esistono alcuni di eccezionale durezza, in grado di sopportare in campo elastico sforzi di notevole entità. Grazie al particolare elastomero con cui è realizzato il guscio esterno e alla notevole sensibilità dei fotodiodi, i sensori Optoforce sono grado di rilevare deformazioni da qualche centinaio di nanometri fino a circa 3 mm. Abrasione Con durezza Shore A tra 50 e 87, la cupola siliconica dei nostri trasduttori di forza possiede una grande resistenza all abrasione (paragonabile a quella del tacco di una scarpa). Temperatura e invecchiamento Il silicone utilizzato per i nostri sensori assicura prestazioni ottimali in un range di temperatura compreso tra -40 e 200 C. Grazie all elevata qualità del materiale, risultano sostanzialmente assenti i fenomeni di invecchiamento con scadimento delle proprietà meccaniche tipici di plastiche e gomme. Isteresi e deformazione plastica I valori di deformazione permanente a compressione hanno guidato la scelta del nostro silicone: fenomeni di isteresi e deformazione plastica risultano del tutto trascurabili. Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 4

5 Intervalli di misura Fz Fx, Fy Le capacità di misura nominali dei nostri sensori di forza vanno da 10N a qualche migliaia di newton. Il guscio in silicone protegge l elettronica del sensore rispetto a compressione Fz, rendendolo quasi indistruttibile Rispetto alle componenti tangenziali Fx e Fy che agiscono di taglio sulla base del guscio, per evitare la possibilità di tranciamento della calotta è consentito un sovraccarico risultante massimo del 200%, comunque superiore rispetto alle possibilità offerte dagli estensimetri a resistenza. In ogni caso, la costruzione di un finecorsa meccanico è semplice ed economica. Forme e superfici sensibili Mentre la struttura interna è sempre emisferica, la conformazione dell'esterno può essere personalizzata. E importante osservare che indipendentemente dalla forma esterna, i sensori ottici di forza Optoforce possono rilevare sollecitazioni sull interna superficie. Possiamo chiarire questo concetto con un esempio: abbiamo realizzato un joystick 3D con 4 diversi pulsanti utilizzando un solo sensore ottico! Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 5

6 Non-linearità e crosstalk Non-linearità La non linearità è definita come lo scostamento rispetto a una relazione lineare tra la grandezza misurata dal trasduttore e il corrispondente valore di output. L errore di non linearità dei sensori OptoForce varia dal 1% al 5% in relazione al modello. Mediante il software di compensazione fornito su richiesta, in fase di acquisizione dati tale scarto può essere ridotto a 0,1% - 1,5%. Crosstalk La diafonia, o crosstalk, è il disturbo sulla misura della forza lungo un asse, indotto dalla misura lungo gli altri assi. Questa distorsione è quantificata nell ordine del 1-5% in funzione della tipologia di sensore. L errore di crosstalk può essere contenuto sotto il 1% grazie al software di compensazione. Applicazioni Alcuni esempi di applicazioni tipiche sono: - rettifica, lucidatura, finitura con controllo della forza - assemblaggio robotizzato - guida di robot - robot collaborativi - sicurezza: rilevamento delle collisioni da varie angolazioni Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 6

7 Gamma prodotti SENSORI A 3 ASSSI CON CALOTTA SFERICA OMD-10-SE-10N OMD-20-SE-40N Dim. [mm] Ø10 x 7 Ø22 x 16 Fz -10 N -40 N Fx,Fy ±5 N ±20 N ԑ_z -1,1 mm -2 mm ԑ_x,y ±1 mm ±1,5 mm Resol_Fz 2,5 mn 2,5 mn Resol_Fx,y ±2,5 mn 2 mn SENSORI A 3 ASSI CON FLANGIA SUPERIORE OMD-20-FG-100N OMD-20-FE-200N OMD-30-FE-450N OMD-45-FE-1000N OMD-45-FH-2000N Dim. [mm] 25 x 25 x x 25 x x 32 x 25 Ø45 x 17 Ø45 x 17 Fz -100 N +50N -200 N +100 N -450 N +150 N N +150 N N +300 N Fx,Fy ±10 N ±20 N ±60 N ±150 N ±300 N ԑ_z ±1,2 mm -1,2 mm +1 mm -2 mm +1 mm -1 mm +0,3 mm -1 mm +0,5 mm ԑ_x,y ±1,5 mm ±1,5 mm ±3 mm ±2 mm ±1,4 mm Resol_Fz ±6,25 mn ±12,5 mn ±28 mn ±166 mn ±333,33 mn Resol_Fx,y 1,25 mn 2,1 mn 6,66 mn 15 mn 30 mn SENSORI A 6 ASSI HEX-70-XE-200N HEX-70-XE-450N HEX-70-XE-1000N HEX-70-CE-2000N HEX-70-CH-4000N Dim. [mm] Ø70 x 35 Ø70 x 35 Ø70 x 20 Ø70 x 20 Ø70 x 20 Fz ±200 N ±450 N N +450 N N +800 N N 1000 N Fx,Fy ±200 N ±200 N ±200 N ±300 N ±800 N Tz ±6,5 Nm ±6,5 Nm ±6,5 Nm ±10 Nm ±30 Nm Tx,y ±10 Nm ±10 Nm ±10 Nm ±15 Nm ±35 Nm ԑ_z ±0,3 mm ±0,5 mm -1 mm +0,7 mm ±1,2 mm -1,3 mm +1 mm ԑ_x,y ±1,7 mm ±1,7 mm ±1,7 mm ±1,8 mm ±2 mm θ_z ±5 ±5 ±5 ±5 ±5 θ_x,y ±2 ±2 ±2 ±2 ±2 Resol_Fz ±133,33 mn ±125 mn ±125 mn ±250 mn ±500 mn Resol_Fx,y ±22,22 mn ±22,22 mn ±22,22 mn ±28,5 mn ±59 mn Resol_Tz ±0,65 mnm ±0,65 mnm ±0,65 mnm ±1,11 mnm ±2,3 mnm Resol_Tx,y ±1 mnm ±1 mnm ±1 mnm ±1,8 mnm ±3 mnm Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 7

8 Maggiori informazioni? Per qualsiasi altra informazione sull integrazione dei sensori OptoForce sui vostri sistemi, non esitate a contattarci: Resp. prodotto: Valerio Farolfi tel.: valerio@schlu.com web: e Tel.: ; Fax: ; valerio@schlu.com 8