Çok Eksenli Kuvvet ve Tork Sensörleri

· Glossary, Uygulama Notlari

Ayakkabı sürtünme testinde 6 eksenli K6D80 sensörüne etkiyen kuvvet ve moment şeması

6 EKSENLİ KUVVET ve TORK SENSÖRLERİ

K6D ve F6D serisi sensörler, uzayda 3 yönde kuvvet (Fx, Fy, Fz) ve 3 yönde tork (Mx, My, Mz) ölçebilen 6 bileşenli sensörlerdir. Sensör içerisinde, her biri tam köprü yapısında olan 6 adet strain gauge devresi bulunur. Bu devrelerden gelen sinyaller, 24 pinli bir konnektör aracılığıyla veri toplama cihazına iletilir.

Bu 6 ham sinyalden fiziksel kuvvet ve tork değerlerini elde etmek için bir kalibrasyon matrisi kullanılması zorunludur. Bu matris, 6 çıkış sinyali ile Fx, Fy, Fz kuvvetleri ve Mx, My, Mz momentleri arasındaki matematiksel ilindaki matematiksel ili\u015kiyi tanımlar. Sensör doğruluğu ve eksenler arası karışma (crosstalk) bu sayede optimize edilir.

Kalibrasyon matrisi, GSV-8DS gibi ölçüm cihazlarında tanımlanabilir. Bu cihazlar, sensörden gelen sinyalleri kalibrasyon matrisiyle işleyerek kuvvet ve tork değerlerini hesaplar ve bunları USB ya da analog çıkış olarak sunar (Channel 1: Fx, Channel 2: Fy, Channel 3: Fz, Channel 4: Mx, Channel 5: My, Channel 6: Mz).

Fx, Fy, Fz ve Mx, My, Mz vektörlerini elde etmek için sensörden gelen sinyal vektörü 6×6 boyutunda bir kalibrasyon matrisiyle çarpılır. Daha yüksek hassasiyet ihtiyacı duyulan uygulamalar için, doğrusal olmayan etkileri de düzenleyen ikinci dereceden bir matris olan Matrix Plus (B matrisi) de uygulanabilir. Bu durumda ölçüm hatası %0.2 ile %0.5 arasına kadar düşebilir.

3 EKSENLİ KUVVET SENSÖRLERİ

K3D, K3R ve K3A modelleri, x, y ve z eksenlerindeki kuvvetleri ölçer. Bu sensörlerde her çıkış sinyali bir kuvvet eksenine (Fx, Fy, Fz) doğrudan karşılık gelir. Ölçüm ayrıştırması strain gauge’lerin yapısal düzeniyle sağlanır. Sinyallerin kullanılabilmesi için bir sinyal kuvvetlendirici kullanılması gerekir.

Avantajlar:

  • Kompakt yapı ve yüksek doğruluk
  • Tek eksenli sensörlerin yerine daha etkin ve stabil çözümler
  • Geleneksel sensörlere göre eğimli kuvvet uygulamasına daha az duyarlılık

Örneğin, üst üste yerleştirilmiş 3 tek eksenli sensör kullanımında, her sensör aslında ölçmemesi gereken eksenlerden de yüke maruz kalır. Bu, yapısal rijitlik kaybı ve ölçüm hatasına yol açar; hata oranları %10’a kadar çıkabilir.

Çapraz Etki (Crosstalk)

Bir eksene gelen kuvvetin, diğer eksenlerde yanlış değerlere yol açmasına crosstalk denir. Bu etki, özellikle eğimli veya açılı yük uygulamalarında ortaya çıkar.

  • 3 ve 6 eksenli sensörlerde bu etki nominal yükün %1’i civarındadır.
  • 6 eksenli sensörlerde kalibrasyon matrisiyle bu etki azaltılabilir.
  • Matrix Plus uygulamasıyla bu etki %0.2 ila %0.5 seviyelerine düşebilir.

Ölçüm Aralıkları ve Uygulama Örnekleri

Hexapod tipi çok eksenli sensörlerde, mekanik yapı nedeniyle ölçüm aralıkları belirli oranlarla sınırlanır. Fz eksenindeki nominal kuvvet, Fx ve Fy eksenlerine göre genellikle 2 ila 3 kat daha fazladır.

Birçok uygulamada sadece bir eksen %50–100 aralığında aktif olarak kullanılırken, diğer eksenler %10 ya da %1 oranında kullanılabilir.

Örneğin, triboloji uygulamasında Fz kuvveti 100 N iken, Fy (sürtünme kuvveti) yalnızca 1 N olabilir. Bu durumda Fy ekseni için daha hassas kalibrasyon gerekir. Matrix Plus ile çalışma noktasına özel kalibrasyon yapılarak bu hassasiyet sağlanabilir.

Kuvvet ve tork bileşenlerini ölçen çok eksenli sensörün ürün görseli

Çapraz eksen etkisi ve kalibrasyon matrisi

Çok eksenli bir sensörde tek yönde uygulanan kuvvet, yalnızca o eksenin çıkışını değil diğer eksenlerin çıkışlarını da bir miktar etkiler. Buna çapraz eksen etkisi (crosstalk) denir ve mekanik yapının kaçınılmaz bir sonucudur.

Kalibrasyon matrisi tam olarak bu etkiyi düzeltmek içindir: altı ham sinyal ile altı fiziksel bileşen arasındaki ilişkiyi tanımlar. Matris uygulanmadan okunan ham değerler, tek eksenli yüklemede bile diğer eksenlerde sıfırdan farklı sonuç gösterir; bu nedenle matrisin veri toplama yazılımına doğru girilmesi zorunludur.

Nerelerde kullanılır?

  • Robotik: uç işlevci kuvvet geri beslemesi, montaj ve temas kontrollü işlemler.
  • Biyomekanik: yürüyüş ve denge analizinde yer tepki kuvvetlerinin bileşenlerine ayrılması.
  • Otomotiv: pedal, direksiyon ve süspansiyon bağlantılarında çok bileşenli yük ölçümü.
  • Havacılık: rüzgâr tüneli modellerinde aerodinamik kuvvet ve moment ölçümü.
  • Üretim: rayba, pres ve vidalama işlemlerinde süreç kontrolü.

Seçerken nelere bakılmalı?

Her eksenin ölçüm aralığı ayrı değerlendirilmelidir; uygulamada genellikle bir eksen baskın yük taşır ve diğerleri çok daha küçük değerler görür. Aşırı yük dayanımı da eksen bazında kontrol edilmelidir.

Mekanik arayüz ikinci belirleyicidir: bağlantı deliklerinin konumu, sensörün yüksekliği ve kablo çıkış yönü, montaj hacmine uymak zorundadır. Son olarak sensörün rijitliği ölçüm bandını etkiler; çok esnek bir sensör, hızlı değişen kuvvetlerde sistemin dinamiğine karışır.