6 EKSENLİ KUVVET ve TORK SENSÖRLERİ

6D ve F6D sensörleri koordinat sistemi üzerinde üç yönde kuvvet ve tork ölçümü yapabilen sensörlerdir. İç yapısında 6 adet tam köprü strain gauge yapısı bulunmaktadır. Bu yapılardan çıkan sinyaller 24 pinlik bir konnektör vasıtasıyla işlenmek üzere ölçüm sistemine iletilirler.
Bu altı tam köprü yapısından gelen sinyallerden kuvvetleri ve momentleri hesaplamak için bir kalibrasyon matrisi gereklidir. Kalibrasyon matrisi, 6 ölçüm sinyali ile Fx, Fy, Fz kuvvetleri ile Mx, My ve Mz momentleri arasındaki ilişkiyi kurar

Bu özel kalibrasyon matrisleri kullanılarak, doğruluk ve çapraz etki (crosstalk) fenomanleri optimize edilebilmektedir. 

Örneğin GSV-8DS ölçüm birimi kullanıldığında, GSV8 içerisindeki tanımlı kalibrasyon matrisini kullanarak kuvvet ve torkları hesaplar ve bunları USB arabirimi ile veya analog çıkış olarak dışarı aktarır. (Channel 1: Fx, Channel 2: Fy, Channel 3: Fy, Channel 4: Mx, Channel 5: My, Channel 6: Mz).

6 birimlik kuvvet ve tork vektörünü hesaplayabilmek için sensörden gelen sinyal vektörü, 6*6 kalibrasyon matrisiyle çarpılıp, ölçüm vektörü oluşturulur.

3 EKSENLİ KUVVET SENSÖRLERİ

K3D, K3R ve K3A sensörleri, koordinat sisteminin 3 yönündeki kuvvetleri ölçmek için uygundur. Toplam 3 adet tam köprü strain gauge devresinden oluşurlar.  6 eksenli sensörün aksine, her kanalın sinyali zaten bir Fx, Fy, Fz kuvvetine karşılık gelir. Eksenlerin ayrılması, gerinim ölçerlerin yapısı ve düzenlenmesi ile yapılır. Çıkış sinyallerini yükseltmek veya sinyalleri sayısallaştırmak için sinyal kuvvetlendirici gereklidir. 

Kompakt ve Doğru

Çok bileşenli sensör, 6 adet tek eksenli sensörün birleşmiş hali gibi düşünülebilir. Üç eksenli kuvvet sensörü ise benzer şekilde  üç tek eksenli kuvvet sensörünü tek bir bileşende birleştirir. Üç eksenli kuvvet sensörü veya altı bileşenli sensör ile elde edilen doğruluk, 3 veya 6 tek eksenli sensör birleştirilerek gerçekleştirilemez: geleneksel kuvvet sensörleri, kuvvetlerin “eğimli/yanal” girişine duyarlıdır: bunun sonucunda bir ölçüm hatasıyla karşılaşılır. Bu hatayı oluşturan etken ölçüm yönü boyunca oluşan yanal yüktür.  Üç kuvvet sensörünü seri bağlantıda birleştirirken, bir kuvvet sensörü yükü üç boyutta emer, ancak sadece bir yük yönü için tasarlanmıştır. Ek olarak, sensörlerin seri bağlantısı aynı zamanda yay sertliklerinin azalması anlamına da gelir.
Öte yandan, tek tek eksenleri doğrusal kılavuzlarla ayırmaya çalışırsa, % 10 ve daha fazla büyüklük sırasındaki hatalar, kuvvet sensörlerinin kısa ölçüm yollarıyla bağlantılı statik sürtünmeden kaynaklanır. Üç eksenli kuvvet sensörleri ve çok bileşenli sensörler, basit ve kompak bir tasarımla en yüksek doğruluğu ve en yüksek sertliği sağlar.

Çapraz Etki (CROSSTALK)

Ölçüm yönünde başka açılarda tork veya kuvvetlerin etkimesi durumunda, bu etkilerin dik bileşenleri de eksenel kuvvete etkir. Yani x eksenindeki bir sensöre y ekseninden veya açılı bir kuvvet uygulandığında  bu etkiyi ölçmek istemeseniz de ölçümünüz içerisinde görürsünüz. Üç ve altı eksenli sensörlerde bu etki nominal yükün %1’i mertebesindedir. 

Çapraz etki stres ile doğru orantılıdır. Stres arttığında veya yüksek tork oluştuğunda diğer eksenlere olan etkisi de artacaktır. İşte bu noktada kalibrasyon matrisi devreye girmektedir.
Üç eksenli sensörlerin tersine, 6 eksenli sensörlerde bu %1’lik etki kalibrasyon matrisi ile minimize edilebilmektedir. Hatta ikinci bir kalibrasyon matrisi (matrix plus) kullanılarak bu çapraz etki %0.2 ila %0.5 arasına indirilebilir.

Ölçüm Aralıkları

Çok komponentli sensörlerde ölçüm aralıkları belirli katlar ile sınırlanmıştır, bunun sebebi kullanılan Hexapot framework ölçüm sistemi ve geometridir. Çok bileşenli sensördeki çubukların kesiti nominal kuvvetteki mekanik gerilimi, sensörün çapı nominal torku belirler. Fz için nominal kuvvet genellikle Fx ve Fy için nominal kuvvetin iki ila üç katıdır. Bunun nedeni Fz yük durumunda Hexapod çerçevesinin 6 çubuğunun tümü eşit olarak yüklenirken, Fx ve Fy’de sadece üç ila dört çubuk yüklenir. Birçok uygulama, kuvvet / moment sensörünün sadece bir ekseninin% 50 ila% 100 arasında kullanılmasını gerektirirken, sensörün diğer eksenleri ölçüm aralığının sadece% 10’una, hatta sadece% 1’ine kadar kullanılır. Şekil 1’de bir örnek gösterilmiştir.

Şekil1: Çok eksenli kuvvet ölçümü, özel uygulama nominal yükleri

Şekil1 de gösterilen örnekte, sürtünme kuvveti Fy, baskı kuvveti olan Fz’in %1’i kadardır. Uygulamanın amacı da bu sürtünme kuvvetini düşürmektir. Bunu daha doğru ölçebilmek Fy’nin maksimum değeri 1 N mertebesine çekilmelidir ve bu bölgede çalıştırılmalıdır. Bu değerdeki çalışma noktasında ek hata kompanzasyonu yapan “matrix plus” uygulaması kullanılarak bu bölge için ek kalibrasyon yapılarak bu mümkün kılınır.  

.