Sensori a 3 assi
Sensori a 3 assi
Sensori a 6 assi
Sensori a 6 assi
Tecnologia Optoforce
Tecnologia Optoforce

Celle di carico multiassiali

La nuova cella di carico prodotta da Optoforce è il primo rilevatore di sforzi e deformazioni multiassiale basato su principi ottici.
L’elevata precisione unita a dimensioni contenute, robustezza e flessibilità di utilizzo ne fanno uno strumento dalle grandi potenzialità, tanto in applicazioni di laboratorio e di ricerca quanto in ambito produttivo nell’automazione industriale e nella robotica.
Le più recenti evoluzioni delle tecnologie di assemblaggio mirano all’integrazione delle macchine persino nelle operazioni più delicate e precise, quei compiti che solo l’operatore umano, fino a qualche anno fa, poteva compiere. L’impiego sempre più diffuso della robotica nell’automazione industriale ha dettato l’esigenza di nuove funzionalità, quali ad esempio la possibilità di replicare artificialmente la destrezza e la sensibilità della mano umana.

 

La particolare cella di carico ottica prodotta
da Optoforce trova un naturale impiego nelle
applicazioni in cui è necessario rilevare
anche le più piccole variazioni di una
superficie, quando le lavorazioni impongono
l’applicazione sul componente di pressioni
opportunamente calibrate, e in generale
quando viene richiesta una valutazione
rapida, precisa ed economica delle forze e
dei momenti in gioco.

Celle di carico ottiche multiassiali principio di funzionamento

La nuova cella di carico prodotta da Optoforce è il primo rilevatore di sforzi e deformazioni multiassiale basato su principi ottici.
L’elevata precisione unita a dimensioni contenute, robustezza e flessibilità di utilizzo ne fanno uno strumento dalle grandi potenzialità, tanto in applicazioni di laboratorio e di ricerca quanto in ambito produttivo nell’automazione industriale e nella robotica.
Le più recenti evoluzioni delle tecnologie di assemblaggio mirano all’integrazione delle macchine persino nelle operazioni più delicate e precise, quei compiti che solo l’operatore umano, fino a qualche anno fa, poteva compiere. L’impiego sempre più diffuso della robotica nell’automazione industriale ha dettato l’esigenza di nuove funzionalità, quali ad esempio la possibilità di replicare artificialmente la destrezza e la sensibilità della mano umana.

 

La particolare cella di carico ottica prodotta
da Optoforce trova un naturale impiego nelle
applicazioni in cui è necessario rilevare
anche le più piccole variazioni di una
superficie, quando le lavorazioni impongono
l’applicazione sul componente di pressioni
opportunamente calibrate, e in generale
quando viene richiesta una valutazione
rapida, precisa ed economica delle forze e
dei momenti in gioco.

Celle di carico ottiche principio di funzionamento

Principio di funzionamento

La tecnologia delle celle di carico Optoforce si basa sull’impiego di fotodiodi, elementi ottici in grado di captare e misurare con grande accuratezza la più piccola variazione di radiazione luminosa.
La cella di carico è costituita da una calotta semisferica in materiale siliconico dalle elevate proprietà termomeccaniche rivestito internamente da uno strato riflettente, all’interno del quale sono collocati un LED a infrarossi e una opportuna combinazione di fotodiodi disposti secondo una geometria prestabilita. Questi ultimi rilevano la porzione di luce che viene riflessa dal guscio deformabile rispetto a quella riflessa in condizione di riposo. Combinando i risultati di queste misurazioni è possibile determinare con precisione lo stato deformativo del guscio siliconico rispetto agli assi principali X, Y e Z, e da questo ottenere intensità, direzione e verso della forza applicata sulla cella di carico.
Integrando un array di sensori triassiali otteniamo un sensore a 6 assi, in grado di misurare, oltre alle forze, anche i momenti sugli assi principali X, Y e Z.

Il guscio siliconico

La parola “silicone” induce comunemente a pensare ad un gel dalle scarse proprietà meccaniche e termiche, non certo a qualcosa di affine al concetto di “precisione”.
Tra i polimeri siliconici ne tuttavia 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, le celle di carico multiassiali Optoforce sono in grado di rilevare deformazioni da qualche centinaio di nanometri fino a circa 3 mm, corrispondenti a forze da dieci Newton a qualche migliaio di Newton.

 

 

La notevole durezza della cupola siliconica conferisce alle nostre celle di carico multiassiali una grande resistenza all’abrasione (paragonabile a quella del tacco di una scarpa).
Per applicazioni in contesti particolarmente difficili forniamo inoltre trasduttori protetti da piastre metalliche, che ne migliorano ulteriormente la risposta all’usura abrasiva da contatto.
Un'altra importante caratteristica dell’elastomero utilizzato nelle celle di carico Optoforce è la capacità di presentare fenomeni di isteresi e plasticizzazione del tutto trascurabili, anche in condizioni di impiego particolarmente stressanti.
Dal punto di vista termico, il silicone impiegato garantisce prestazioni ottimali in un range di temperatura compreso tra -40 e 80°C.
Grazie all’elevata qualità del materiale, risultano sostanzialmente assenti i fenomeni di invecchiamento con scadimento delle proprietà meccaniche tipici di plastiche e gomme.

Celle di carico ottiche multiassiali test guscio siliconico

Il guscio siliconico

La parola “silicone” induce comunemente a pensare ad un gel dalle scarse proprietà meccaniche e termiche, non certo a qualcosa di affine al concetto di “precisione”.
Tra i polimeri siliconici ne tuttavia 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, le celle di carico multiassiali Optoforce sono in grado di rilevare deformazioni da qualche centinaio di nanometri fino a circa 3 mm, corrispondenti a forze da dieci Newton a qualche migliaio di Newton.

 

 

La notevole durezza della cupola siliconica conferisce alle nostre celle di carico multiassiali una grande resistenza all’abrasione (paragonabile a quella del tacco di una scarpa).
Per applicazioni in contesti particolarmente difficili forniamo inoltre trasduttori protetti da piastre metalliche, che ne migliorano ulteriormente la risposta all’usura abrasiva da contatto.
Un'altra importante caratteristica dell’elastomero utilizzato nelle celle di carico Optoforce è la capacità di presentare fenomeni di isteresi e plasticizzazione del tutto trascurabili, anche in condizioni di impiego particolarmente stressanti.
Dal punto di vista termico, il silicone impiegato garantisce prestazioni ottimali in un range di temperatura compreso tra -40 e 80°C.
Grazie all’elevata qualità del materiale, risultano sostanzialmente assenti i fenomeni di invecchiamento con scadimento delle proprietà meccaniche tipici di plastiche e gomme.

Celle di carico ottiche multiassiali

Forme e configurazioni

Mentre la struttura interna della cella di carico ha sempre forma semisferica, la conformazione dell’esterno può essere personalizzata per adattarsi alle più diverse applicazioni.
Indipendentemente dalla forma esterna, le celle di carico ottiche di Optoforce possono rilevare sollecitazioni sull’intera superficie.
Possiamo chiarire questo concetto con un esempio: abbiamo realizzato un joystick 3D con 4 diversi pulsanti utilizzando una sola cella di carico multiassiale!

Celle di carico multiassiali

Prestazioni

L’intervallo di misura nominale delle nostre celle di carico è compreso tra 10 N e alcune migliaia di N.
Il guscio in silicone protegge l’elettronica della cella di carico rendendola quasi indistruttibile rispetto a compressione Fz lungo l’asse centrale del sensore.
Rispetto alle componenti tangenziali Fx e Fy che agiscono di taglio sulla base del guscio, è consentito un sovraccarico risultante massimo del 200%, comunque superiore rispetto al caso degli estensimetri a resistenza.
In ogni caso è possibile superare questa condizione in modo semplice ed economico interponendo un finecorsa di
tipo meccanico (es. uno spallamento).

Celle di carico multiassiali

Scarto di non linearità e diafonia

Per scarto di non linearità si intende lo scostamento rispetto a una relazione lineare tra la grandezza misurata dalla cella di carico e il corrispondente valore di output.
L’errore di non linearità delle celle di carico Optoforce è compreso tra 1% e 5% a seconda dello specifico modello. Mediante il software di compensazione fornito su richiesta, in fase di acquisizione dati, tale scarto può essere ridotto a 0,1% - 1,5%.

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 dell’1-5% in funzione della tipologia di cella di carico. L’errore di crosstalk può essere contenuto sotto l’1% grazie al software di compensazione.

Sensore di forza vs estensimetro

Lo stato tensionale di un corpo, e quindi le forze applicate, viene ricavato dalla misura delle deformazioni che in esso si originano.
Il metodo più diffuso si basa sull’impiego di “estensimetri elettrici a resistenza” (strain gauges), piccole griglie di sottilissimo filo metallico fissate su di un supporto in materiale plastico, che vengono applicate rigidamente sull’elemento da testare (tipicamente mediante incollaggio).
La deformazione in una determinata direzione viene solidalmente trasmessa dal corpo all’estensimetro, con conseguente variazione della sua resistenza elettrica, dalla quale è possibile risalire all’entità della deformazione. Da quest’ultima, note le caratteristiche meccaniche del materiale, si determinano infine le tensioni presenti.
Un singolo estensimetro consente la misura della deformazione in una direzione, o al più, nel caso di estensimetri biassiali, in due direzioni ortogonali.
Appare chiaro come questo processo risulti assai delicato e complesso, con lunghi tempi di realizzazione e necessità di personale specializzato (pulizia accurata, incollaggio, cablaggio del circuito, fragilità, costi elevati…).
Per queste ragioni l’estensimetria trova applicazione quasi esclusivamente nei laboratori di ricerca.
La tecnologia del nuovo sensore di forza Optoforce consente una rilevazione triassiale delle forze notevolmente più semplice ed economica, rendendone possibile l’impiego in svariati contesti industriali.

Non necessita di una preparazione specifica dell’operatore, è di immediata applicazione e ripetibile senza alcuna limitazione.
Le celle di carico Optoforce sono robuste e affidabili, perfettamente in grado di sopportare condizioni ambientali gravose e sollecitazioni prolungate nel tempo senza alterare la precisione delle misure.

Celle di carico ottiche vs estensimetri

Sensore di forza vs estensimetro

Lo stato tensionale di un corpo, e quindi le forze applicate, viene ricavato dalla misura delle deformazioni che in esso si originano.
Il metodo più diffuso si basa sull’impiego di “estensimetri elettrici a resistenza” (strain gauges), piccole griglie di sottilissimo filo metallico fissate su di un supporto in materiale plastico, che vengono applicate rigidamente sull’elemento da testare (tipicamente mediante incollaggio).
La deformazione in una determinata direzione viene solidalmente trasmessa dal corpo all’estensimetro, con conseguente variazione della sua resistenza elettrica, dalla quale è possibile risalire all’entità della deformazione. Da quest’ultima, note le caratteristiche meccaniche del materiale, si determinano infine le tensioni presenti.
Un singolo estensimetro consente la misura della deformazione in una direzione, o al più, nel caso di estensimetri biassiali, in due direzioni ortogonali.
Appare chiaro come questo processo risulti assai delicato e complesso, con lunghi tempi di realizzazione e necessità di personale specializzato (pulizia accurata, incollaggio, cablaggio del circuito, fragilità, costi elevati…).
Per queste ragioni l’estensimetria trova applicazione quasi esclusivamente nei laboratori di ricerca.
La tecnologia del nuovo sensore di forza Optoforce consente una rilevazione triassiale delle forze notevolmente più semplice ed economica, rendendone possibile l’impiego in svariati contesti industriali.

Non necessita di una preparazione specifica dell’operatore, è di immediata applicazione e ripetibile senza alcuna limitazione.
Le celle di carico Optoforce sono robuste e affidabili, perfettamente in grado di sopportare condizioni ambientali gravose e sollecitazioni prolungate nel tempo senza alterare la precisione delle misure.

Celle di carico ottiche multiassiali applicazioni

Applicazioni

Le applicazioni più tipiche delle celle di carico multiassiali Optoforce comprendono ad esempio:

  • rettifica, lucidatura, finitura con controllo della forza
  • assemblaggio con tecnologie robotiche
  • guida e apprendimento di robot
  • robot collaborativi
  • applicazioni nella sicurezza: rilevamento delle collisioni da varie angolazioni

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