Feinfühlige 3D-Kraftsensoren mit Infrarottechnik

Der Automatisierungsgrad bei der Endmontage steigt weiter, dennoch lassen sich einige Tätigkeiten nur per Hand ausführen. Bei sensiblen Abläufen ist die Geschicklichkeit menschlicher Finger gefordert, die selbst fortschrittlichste Roboter oder Maschinen momentan nicht leisten können. Auch das Feststellen von Unregelmäßigkeiten oder das Testen ergonomischer Produkte mit den Greif- und Fühlfähigkeiten der menschlichen Hand lässt sich nicht ersetzen.

Der 10 mm große OMD-Sensor von Opto Force bietet eine neue Methode zur Kraftmessung.Conrad

In diese letzte Bastion der manuellen Fertigung stoßen nun Infrarotsensoren vor, die geringste Verformung der aktiven Fläche aus Elastomere erkennen und selbst geringe Einwirkungen auf die Sensorfläche melden. Die Messumformer müssen robust sein, da sie in rauen Betriebsumgebungen über lange Zeiträume zuverlässig arbeiten sollen. Sie können unter anderem hohen Temperaturschwankungen, Vibrationen und Flüssigkeiten oder Staub ausgesetzt sein. Um eine solche Ausrüstung für die industrielle Automatisierungstechnik und Produktentwicklung bereitzustellen, kommt es auf eine spezielle Sensortechnik an.

Optische Kraftsensoren versus Dehnungsmessstreifen

Einfach ausgedrückt wird bei der Kraftmessung die Verformung und Herausrechnung einer angelegten Kraft am Sensor ermittelt. Seit 1938 kommen dabei Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Einsatz. Die häufigste DMS-Form basiert auf einer isolierten und flexiblen Unterlage, die ein Muster aus Metallfolie aufweist. Über den elektrischen Widerstand des Sensors lässt sich mit dem Messstreifen am Objekt die Verformung messen.

Diese lange bestehende Technik ist in der Praxis nur eingeschränkt nutzbar, da der Aufbau des Sensors spröde und empfindlich ist. Zudem ist er anfällig für Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit und elektrostatische Entladung (ESD), fügt zusätzliches Gewicht hinzu und ist teuer in der Herstellung. In einigen Anwendungen fügen DMS eine Masse und Dämpfung zum Vibrationsprofil der Produkte oder Einrichtungen hinzu, die überprüft werden sollen. Ihr Einsatz ist daher auf Anwendungen beschränkt, in denen ihre hohen Kosten und Empfindlichkeit amortisiert oder akzeptiert werden. Gefordert sind Sensoren, die in rauen Umgebungen und somit in zahlreichen industriellen Bereichen einsetzbar sind.

Optische Drei-Achsen-Kraftsensoren nutzen Fotodioden anstelle folienbasierter Schaltkreise und messen die reflektierte Lichtmenge, die eine LED auf den X-, Y- und Z-Achsen aussendet. Durch den Vergleich der gemessenen Werte und deren Auswirkung auf die Fotodioden lassen sich die einwirkenden Kräfte in einem 3D-Modell exakt reproduzieren. Dabei misst das Sensorsystem nicht nur den Betrag der Kraft, sondern auch die Einwirkrichtung. Bei einer gemeinsamen Anordnung mehrerer Drei-Achsen-Sensoren kann das System neben den Seitenkräften auch das Drehmoment auf die X-, Y- und Z-Achsen ermitteln. Damit entsteht ein Sechs-Achsen-Sensor.

Intelligenz und Autonomie

Im Internet finden sich zahlreiche Videos über Roboterhände und Greifvorrichtungen, die zerbrechliche Objekte wie Eier und Glühbirnen handhaben, um deren Fähigkeiten zu demonstrieren. In Wirklichkeit bieten nur wenige Produkte diese Funktionen – und dann auch nur nach sorgfältiger Vorbereitung.

Neben dem Aufbau und der hohen Genauigkeit können Opto Forces Sensoren zudem extremen Arbeitsbedingungen und Kräften standhalten.Conrad

Damit ein Sensorknoten kleinste Kräfte und Drücke erfasst, muss er eine fortschrittliche Messmethode und Reaktion auf Kräfte bieten. Um diese ohne große Vorbereitungen zu erreichen, sind intelligente Sensoren und Materialien erforderlich. Mit seinen verschieden herstellbaren Texturen und Formen ist Silikon ein Material, das kundenspezifisch angepasst werden kann, um Verformungen und Ablenkungen genau messen zu können. Optisch reines Silikon erkennt Verformungen von wenigen 100 nm und hält Temperaturen von -40 bis +100 °C stand.

Die Automatisierungstechnik ist nichts Neues für die Fertigungsindustrie. Es gibt aber immer noch Techniken und Anwendungen, bei denen der Mensch eine höhere Qualität garantiert als Maschinen. 3D-Sensoren bieten die Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen – ihre Empfindlichkeit und die hohen Kosten schränken den Einsatz jedoch ein.

Zu den gängigen Anwendungen für 3D-Sensoren zählen: Schleifen, Polieren, Veredelung über Kraftregelung, robotergesteuerte Montage und Maschinenführung. Hinzu kommt, dass sich die Sensorfunktionen einfach in fortschrittliche Sicherheitsfunktionen umwandeln lassen, wie für eine Kollisionserkennung aus verschiedenen Winkeln.

Mehrachsen-Kraftsensoren

Sensoren des ungarischen Herstellers Opto Force reagieren auf kleinsten Druck effizient und genau. Sie erkennen die Kraft einer Feder, die über eine Oberfläche bewegt wird, oder selbst Luftbewegungen. Durch das Angebot eines kostengünstigen Entwicklungskits erschließen sich für diese Sensoren neue Märkte.

Das Spektrum der Opto-Force-Sensoren bei Conrad gibt Kunden mehr Flexibilität zur Durchführung verschiedener Krafterfassungsaufgaben. Conrad

Je widerstandsfähiger der Sensor, desto größer ist sein potenzieller Einsatzbereich. Dies trifft vor allem auf Anwendungen in der Industrie zu, wie beim Polieren, Schleifen, Entgraten und bei Montageaufgaben, sowie bei jeder Aufgabe, bei der eine Fertigungseinrichtung einem gekrümmten Objekt folgen und eine gleichbleibende Kraft ausüben muss. Auch bei der Erkennung, ob sich das Objekt am richtigen Platz befindet, sind diese Sensoren hilfreich.

Damit lassen sich nun fortschrittlichere und beweglichere Roboter entwickeln. Vor der Einführung dieser Sensortechnik waren Kraftsensoren nicht imstande, die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen Stöße zu bieten, die entstehen, wenn die Beine solcher Roboter mit dem Boden in Berührung kommen. Durch die höhere Genauigkeit und Haltbarkeit dieser Sensoren steigt die Innovationsvielfalt in der Robotertechnik, die nun von einer intuitiveren Sensorik für die Bewegung und das Gleichgewicht profitieren kann.

(jck )