Sensorik PRR 1997/98 I. Sensorik A. Taktile Sensoren Taktile Sensoren sollen an Robotergreifern den Tastsinn der menschlichen Hand nachvollziehen, um Objekte zu definieren, Positionen zu erkennen und Vibrationen festzustellen. Solche Sensoren werden als Matrizen von „Taxeln“ aufgebaut. Ein Taxel ist ein Element, welches sich bei Druck verändert. Heute kann man bis zu 100 [Taxeln/cm 2] unterbringen.Ein wichtiges Merkmal solcher Sensoren ist die HYSTERESE zwischen 2 meßbaren Punkten. Auch die Antwortzeit ist ein Auswahlkriterium (1 ms). Der Meßwert kann bei modernen taktilen Sensoren direkt on-board verarbeitet werden. Hysterese: Auch wenn kein Druck mehr da ist, gibt es noch eine Verformung. Ein Restbetrag der Spannung ist auch nach der Verformung da. 1. Leitende taktile Sensoren a) Leitendes Plastik wird aus isolierendem Grundstoff ( Silizium) mit leitenden Teilchen, Streifen oder Fasern aufgebaut. Bei Druck wird der Abstand der leitenden Komponenten geringer und der Widerstand sinkt. Der Zusammenhang zwischen Druck und Widerstand ist bei diesen Sensoren meist nicht linear (Material). Die große Hysterese ist durch kleinere längere anhaltende Verformungen bedingt. b) Leitender Schaumstoff ist mit Kohlenstoff imprägnierter Schaumstoff, diser liegt zwischen 2 Elektroden. Der Widerstand des Schaumstoffes nimmt bei Druck ab. Normal angeordnete Elektroden bilden eine Sensormatrix, bei der jeder Kreuzungspunkt einen Taxel bildet. Die Taxel müssen voneinander gut isoliert werden, damit nur durch die ausgewählten Taxeln Strom fließt. 2. kapazitiv taktile Sensoren Der Sensor besteht aus einem oberen und einem unteren flexiblen, nicht leitfähigen Substrat mit parallel unabhängigen Metallbändern (oben längs, unten quer) und einer elastischen Isolierschichte in der Mitte. Dadurch bilden sich lokale Kapazitäten, die sich bei Belastund ändern. Am Ausgang wird ein Operationsverstärker benötigt. Lokalisation und Erkennung der Druckeinrichtung. Der Vorteil ist die geringe Hysterese und zeitlich unveränderte Materialeigenschaften. Nachteilig sind die dielektrischen Verluste. Seite 1/13 PRR 1997/98 Sensorik 3. Optisch taktile Sensoren a) Optische Berührungssensoren Eine transparente Platte wird von 2 Seiten mit Licht bestrahlt. Die auf die Platte aufgebrachte Folie hat Konusse, die sich bei Druck verformen und so das Licht an best. Stellen reflektieren. Erkannt wird dies mittels über Glasfaser verbundene Halbleiterkameras. Vorteil: Hohe Dichte von Taxeln b) Faseroptische Berührungssensoren Das Licht wird über ein Spiegelsystem, eine Glasfaser und ein Polarisationsfilter in ein doppelbrechendes, durchsichtiges Plastiksensorelement eingeleitet. Der Druck wird auf das Plastiksensorelement weitergeleitet -> Die Frequenz des Lichtes wird abgeschwächt und das Licht wird vom Reflektorspiegel wieder zurückreflektiert. Ein Lichtsensor spricht auf das reflektierte Licht an. Die Analyse der abgeschwächten Frequenzen ergibt den Druck. Ein solches Element mißt ungefähr 5*5*5 mm und ist für Greiffinger von Roboterarmen besonders geeignet. Seite 2/13 PRR 1997/98 (1) Sensorik Auswerteelektronik Die Spannungswerte der Sensormatrix werden im Multiplexer zu einem Signal zusammengefaßt und beim Verstärker verstärkt. Das verstärkte Signal gelangt so zur A/D - Wandler Karte. Dort wird das Signal digitalisiert und zum Rechner weitergeleitet. Der Rechner steuert über das Taktsignal sowohl die A/D-Wandler Karte, als auch die Sensoradressn über den Multiplexer. Seite 3/13 Sensorik PRR 1997/98 B. Hallsensoren Wenn ein Strom einen plattenförmigen Leiter durchfließt, so entsteht quer zum Strom I die Lorentzkraft, vorausgesetzt, das Magnetfeld B durchstößt die Platte senkrecht. UH = 1 B*I * n*e d 1 = Hallkonstante RH n*e Steht die Richtung von B nicht senkrecht auf der Platte, sondern in einem Winkel (Alpha), so gilt: U H = RH B*I * cos d Es werden dafür Halbleiter verwendet. Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig.Die Temperatur wird durch das Material und durch die Dicke der Platte bestimmt. RH = f(T) Hallkonstante ist Funktion von Temperatur U = f (B) Spannung ist Funktion von Feldstärke 1. Anwendung als Abstandsensor Desto weiter ein Magnet entfernt ist, desto geringer ist die Flußdichte Nutzung dieser Technik in der Abstandsmessung.Mit steigendem Abstand verringert sich die Spannung (z.B.: Bei FTS). Aufgrund der Richtungsempfindlichkeit lassen sich auch Drehwinkelmessungen durchführen. Die Hallspannung UH ist vom Winkel des einfallenden B-Feldes abhängig. 2. Magnetoresistive Sensoren Magnetfeld abhängige Widerstände erfüllen dieselben Aufgaben wie Hallsensoren. Einsatz in Automatisierungstechnik als Näherungsschalter und Positioniersensoren. Z.B.: FTS: Wenn sich das Transportsystem von seiner Bahn wegbewegt, wird die Spannung kleiner und Transportsystem muß korrigieren. a) Verwendete Materialien Es werden Halbleiter verwendet. Die Grundsubstanz ist InSb.In InSb wird NiSb nadelförmig eingeschlossen, die quer zur Stromrichtung verlaufen. Ohne Magnetfeld nimmt der Strom den kürzesten Weg durch den Halbleiter. Mit einem Magnetfeld wird der Strom wie bei Hallsensoren seitlich abgelenkt --> Weg wird länger - Widerstand steigt. Dies war das Prinzip eines Magnetoresistiven Sensores. Seite 4/13 PRR 1997/98 Sensorik C. Ultraschallwandler mittlerer Reichweite als Sensoren Ultraschall ist eine für den Menschen nicht hörbare, sehr hohe Frequenz (größer als 20.000 Hz). 1. Abstandsmessung mit Ultraschallsensoren Sie beruht auf dem Prinzip der Echo-Laufzeit-Messung.Da die Auswertung des Echos am gleichen Ort stattfindet, von dem aus die Ultraschallwelle gesendet worden ist, spricht man von einem Tastbetrieb. Ein Ultraschallwandler sendet zu einem Zeitpunkt t0 eine Welle aus, die sich mit der Schallgeschwindigkeit c (330 m/s) ausbreitet. Trifft die Welle auf ein Objekt, wird ein Teil von ihr reflektiert und gelangt nach der Laufzeit 2t wieder zum Sensor zurück. Das zum Zeitpunkt t1 zurückkommende Echo wird entweder mit demselben oder mit einem zweiten Ultraschallwandler detektiert und in einem nachgeschaltetem Verstärker zu einem auswertbaren Signal verstärkt. Die Auswerteelektronik, die den Objektabstand ermittelt, mißt die Laufzeit des Echos, indem sie zum Zeitpunkt t0 eine Zeitmessung startet und zum Zeitpunkt t1 wieder stoppt. Es gibt das Einkopfsystem (ein Wandler dient zum Senden und empfangen) und das Zweikopfsystem (2 getrennte Wandler). 2. Ultraschallsensoren im Schrankenbetrieb a) Zweiwegbetrieb (Reflexionsbetrieb) Sender und Empfänger befinden sich am gleichen Ort und stehen einem Reflektor gegenüber. Im Reflexionsbetrieb wird der Abstand zwischen einem Ultraschalltaster und einem ortsfesten Reflektor ständig überwacht. Die Auswerteelektronik mißt die Laufzeit des Echos. Unterscheidet sich der gemessene Abstand vom Reflektorabstand, wird ein Schaltausgang umgeschaltet. Wegen unvermeidlicher Luftschwankungen kann man den Reflektorabstand nicht exakt auf Gleichheit testen, sondern muß einen Zeitbereich in dem das Reflektorecho erwartet wird, zulassen. Nachteile gegenüber dem Einwegbetrieb: Längere Reaktionszeit (Faktor 2) wegen der doppelten Weglänge. Kleinere Abstände zwischen Sensor und Reflektor (da doppelte Wellenlänge). b) Einwegbetrieb Sender und Empfänger stehen sich direkt gegenüber. Im Einwegbetrieb wird die Laufzeitmessung mit dem Absetzen des Sendeimpulses gestartet. Es werden nur ankommende Impulse ausgewertet, die innerhalb der Laufzeit liegen. DieLaufzeit entspricht dem Abstand zwischen Sender und Empfänger. Ist die Schranke unterbrochen registriert der Empfänger keine Impulse mehr und die Auswerteelekronik schaltet den Schaltausgang. Um Störungen zu vermeiden, wartet die Auswerteelektronik mehrere Unterbrechungen ab. Seite 5/13 PRR 1997/98 Sensorik 3. Anwendung dieser Ultraschallsensoren Beispiel Hochregallager: Die Kombination von Sensoren mit dem System bekannten x-/y- Bewegungsdaten der Greifeinrichtung ermöglicht eine Koordinatenauskunft der Objekte im Regal. Die Post und Telekom Austria (PTA) setzt dieses System für FTS ein, um ein Ausweichmanöver zu starten, falls vor dem FTS ein Hindernis auftritt. Seite 6/13 Sensorik PRR 1997/98 D. Wegmeßsysteme für NC-Maschinen Die Auswahl der Wegmeßsysteme erfolgt durch Kriterien wie z.B.: Geschwindigkeit, Meßschritte und Genauigkeit, einfache Anbaumöglichkeit und Kosten. Eine numerisch gesteuerte Maschine benötigt in jeder NC-Achse eine Wegmeßeinrichtung, die elektronisch auswertbare Meßsignale liefert. Inkrementale Wegmeßsysteme werden überwiegend an die heutigen CNC’s angeschlossen. Wegmeßsysteme für NC-Maschinen können sehr unterschiedliche Meßsignale liefern. Dafür muß es entsprechende Anschlüsse und Auswerteelektroniken geben. Die Weiterverarbeitung in der CNC erfolgt immer digital. 1. Arten von Wegmeßsystemen a) Längenmaßverkörperung Diese Systeme werden in der Praxis für Center Tool Points (CTP) eingesetzt, um damit das Werkzeug genau zu positionieren. Dies geschiet über Potentiometer oder Gabellichtschranken. Bei allen NC-Wegmeßsystemen wird eine Länge (die gefahren werden soll), periodisch unterteilt. Man ist bestrebt, möglichst viele Unterteilungen zu haben->hohe Auflösung u. hohe Genauigkeit (8-100 m). Für numerische Steuerungen ist ein Meßschritt von 1 m erforderlich. b) Direkte und Indirekte Wegmeßsysteme Diese liefern die genauesten Meßwerte! Wenn direkt bei der Bewegungsachse und ohne Zwischenstück gemessen wird, spricht man von direkter Wegmessung. Wenn die Bewegung erst über einen Drehwinkelaufnehmer in Meßsignale umgewandelt werden, spricht man von indirekter Wegmessung (z.B.: bei mechanischen Maßverkörperungen). 2. Inkrementale Wegmeßsysteme Inkrement = Zuwachs einer Größe; Die Wegstreke wird in gleich große Meßschritte (Inkremente) unterteilt. Ein elektrischer Zähler bildet die Summe der Zählimpulse, die den Weg bzw. der jeweiligen Position der Achse enstspricht.Durch Referenzmarken wird der Nullpunkt gefunden. Seite 7/13 PRR 1997/98 Sensorik 3. Nullpunktfindung a) Absolute Wegmeßsysteme Nach einem Stromausfall ist hier die Position der Maschinenachse als Absolutwert bekannt, ohne, das man einen Nullpunkt oder eine Referenzmarke anfahren muß. Jeder Position des Verfahrweges ist ein best. Meßwert zugeordnet. Man kann von der jeweiligen Position weiterarbeiten. Beispiel Industrieroboter: Wenn mehrere Roboter ein Werkstück (z.B.: Karosserie) bearbeiten und in der Folge angespannt haben, so ist es nach einem Spannungsausfall nicht möglich Referenzmarken oder Nullpunkte anzufahren, da sonst das Werkstück zerstört (z.B.: verbogen) würde. b) Zyklisch absolute Wegmeßsysteme Von früheren Steuerungen häufig verwendet. Die Position wird innerhalb einer Geberumdrehung absolut erfaßt. Bei großen Strecken zählt ein zusätzlicher elektrischer Zähler. Dadurch läßt sich die absolute Position eindeutig feststellen. Nullpunkt kann nur mittels Referenzmarke gefunden werden. c) Pseudo absolute Wegmeßsysteme Die Maßstabseinteilung besteht hier aus den inkrementalen Strichgitter und einer dazu parallel verlaufenden Referenzmarkenspur. Durch Auszählung der Meßschritte von einer Referenzmarke wird die absolute Position bestimmt. Bei Spannungsausfall hält eine Pufferbatterie Impulsgeber und Zähler funktionsfähig. Wenn wieder Strom vorhanden ist, überträgt der Zähler den gespeicherten Wert zur CNC. 4. Funktion von induktiven Wegmeßsystemen a) Resolver Hier gibt es einen Stator und einen Rotor. Der Rotor bewegt sich im Stator und erzeugt in den Statorwicklungen durch Induktion Spannung. Der Effektivwert und die Phasenlage ändern sich mit dem Drehimpuls des Rotors. b) Inkrementale Maßstäbe Hier wird ein Strichgitter mittels eine photoelektrischen Sensors auf lichtdurchlässige und undurchlässige Striche gleicher Breite abgetastet. Strichgitter ist entweder auf einem Glasband oder einem Stahlband (Reflektion) angebracht.Das durch die Strichgitter fallenden Licht wird von 4 Photoelemeten agebenommen. Die Photoelemente machen aus den periodisch ändernden Lichtstrom elektrische Signale.Am Ausgang stehen 2 sinusförmige Signale zur Verfügung, die um 90° phasenverschoben sind.Diese Systeme werden durch Gehäuse vor Schmutz gesichert. Seite 8/13 Sensorik PRR 1997/98 E. Koordinatenmeßgeräte (KMG) Die Einführung von NC-Maschinen in den Betrieben erfordert auch eine Umstellung im Bereich der Qualitätskontrolle. Es müssen laufend Werkstücke mit größtmöglicher Genauigkeit geprüft werden können. Forderungen an den Meßablauf: Universelle Meßtaster für mehrere Anwendungen Hohe Meßgeschwindigkeit und Feinpositionierung Geringe Meßunsicherheiten und hohe Meßgenauigkeit Geringe Anzahl von Antastpunkten Rasche Umrüstung auf andere Werkstück-Typen Genauigkeitsreserven für die Zukunft Automatisch erstellte und ausgedruckte Meßprotokolle Koordinatenmeßgeräte (KMG) sind Geräte, die diese Forderungen erfüllen und heute sehr große Anwendung in der Qualitätskontrolle finden. KMGs sind Geräte, die Koordinaten von bestimmten Punkten ermitteln können (z.B. ist der Kreis wirklich rund?). 1. Meßprinzip KMGs sind Meßsysteme, die während der Messung einen fixen Bezugspunkt brauchen. Es muß min. drei Meßachsen geben. Diese Achsen müssen Linear- und Winkelbewegungen ausführen können (eine der drei Meßachsen muß linear sein). Geometrische Bauteile werden durch Form, Lage, Durchmesser, Länge, Rundheit, Geradheit und Ebenheit seiner Formelemente beschrieben. Die Koordinatenmeßtechnik tastet punktweise ein Meßobjekt ab und fertigt aus den Antastpunkten ein „numerisches Bild“ des Meßobjektes an. Ein Ersatzelement wird mathematisch berechnet und ist geometrisch ideal (Sollgestalt). Anhand des Ersatzelementes werden Abweichungen und Fehler des Meßobjektes erkannt. Ist die Fläche des Meßobjektes ideal, genügt es, sie mit der Mindestanzahl der Antastpunkte abzutasten. Da dies aber nicht immer der Fall ist (Fehler), reicht die Mindestanzahl der Antastpunkte nicht aus, um die Meßobjekte bestimmen zu können. Es gilt, mindestens die dreifache Anzahl der Mindestanzahl an Antastpunkten zu verwenden. Je mehr Antastpunkte man nimmt, um so genauer wird die Messung. Die Antastpunkte sind gleichmäßig über das Meßobjekt zu verteilen. Dieses Prinzip ist auf fast alle beliebigen Gestalten anwendbar. Seite 9/13 PRR 1997/98 Sensorik 2. Koordinatentransformation Die Koordinatentransformation muß vor Beginn einer Messung durchgeführt werden. Hierbei müssen die Koordinaten der Lage des Werkstückes auf dem Tisch des KMGs mit den Koordinaten des KMGs angeglichen werden. Dies geschieht rechnerisch, da eine manuelle Ausrichtung zeitraubend und kaum möglich wäre. Die Berechnung der Werkstücklage ist Aufgabe des Prozeßrechners. Jetzt beginnt das KMG die Oberfläche des Meßobjektes abzutasten. Als Tastelement fungiert häufig eine Kugel. Das Tastelement ist auch der wichtigste Teil eines KMGs. Er dient als Stellglied. Die Abtastung kann mechanisch, berührend oder berührungslos erfolgen (z.B. bei empfindlichen Oberflächen; Gummi, Kunststoff,...). 3. KMG-Komponenten Meßgerät: Grundgestell, Meßschlitten, Tastsystem, Antriebe/Steuerungen Scanningeinrichtung, Bedienungskonsole, Werkstückaufnahme Rechner: Prozeßrechner, Peripherie Anwenderprogramm: Standardprogramm, Statistik, Schnittstellen, Dateiverwaltung 4. Aufbau eines KMGs Zur Positionierung des Tastsystemes gibt es verschiedene Aufbauarten: a) Portalbauart Ist sehr weit verbreitet, da es eine billige Variante ist, die eine gute Zugänglichkeit, ein großes Meßvolumen und eine geringe Meßunsicherheit hat. Meßabweichungen: ca. 8 m b) Brückenbauart Für sehr große Meßbereiche (Karosserien, Flugzeugbau). Diese Bauart ist sehr teuer, weil nur geringe Stückzahlen gefertigt werden. Meßunsicherheit: ca. 35 m Seite 10/13 PRR 1997/98 Sensorik c) Ständerbauart Einfacher Aufbau; Sehr billig. Die Meßunsicherheit hängt von allen Systemkomponenten ab: Meßschlitten, Führungen, Antriebe, Steuerungen/Regelungen, Tastsystem, Rechner; Die Meßachsen werden mittels inkrementalen Meßsystemen positioniert. 5. Tastsysteme Dieses besteht aus Tastelement, Taststift, Signalgeber und einem Element, mit welchem die Meßkraft erzeugt wird. Das Tastelement ist meist eine Kugel aus Stahl oder Rubin. Je nach Tastrichtung wird die Meßkraft geändert. Die Antastkraft ist jene Kraft, mit der das Tastelement gegen die Oberfläche des Meßobjektes gedrückt wird. Tastelement und Taststift sind je nach Meßaufgabe auswechselbar. Es gibt 2 Arten der Meßwerterfassung: a) schaltendes Tastsystem Beim Öffnen/Schließen eines elektrischen Kontaktes werden die Positionen der Meßachse abgefragt. Die Koordinaten werden dynamisch übernommen. Bewegt sich nun der Tastkopf über eine Unebenheit der Meßobjektoberfläche, wird ein Kontakt geöffnet oder geschlossen und die Koordinatenpositionen werden vom Tisch abgelesen. Dies wird auch Ausschlagverfahren genannt. b) messendes Tastsystem Dieses System kann als Nulltaster in einem Regelkreis arbeiten. Die Meßachsen werden so gesteuert, daß diese in allen Achsen die 0-Lage einnehmen. Damit läßt sich der Antastpunkt für die Meßkraft 0 berechnen und eine mögliche Taststiftverbiegung kann erkannt werden. Es kann aber auch nach dem Ausschlagverfahren gearbeitet werden. Seite 11/13 PRR 1997/98 Sensorik Taststifte mit verschiedenen Tastelementen: 6. Steuerung von KMGs Die ersten KMGs waren handbedient. Der Prüfer führte einen starren Taster (z.B. Kugel) mit seiner Hand über die Meßoberfläche. Die Meßkraft wurde von seinem Fingerspitzengefühl beeinflußt. 1970 kamen KMGs auf den Markt, die motorische Antriebsachsen hatten. Der Bediener mußte nur das Tastsystem zum Werkstück bewegen und konnte mittels Steuerknüppel das Tastsystem über die Oberfläche führen. Heute ist jedes KMG mit einer CNC-Steuerung erhältlich. Es werden nur noch Programme abgearbeitet und so das Tastsystem über das Meßobjekt geführt. a) Programmierung (1) manuelle Programmierung Das Programm wird vom Meßtechniker am Schreibtisch eingegeben. Die Positionen müssen manuell vorgegeben werden. (2) Lernprogrammierung Die Positionen werden mittels Steuerknüppel angefahren und abgespeichert. (3) maschinelle Programmierung Dies geschieht am CAD-Arbeitsplatz. Dafür wird eine höhere Programmiersprache benötigt (DMIS). Die Gestalt des Objektes ist im CAD-System bekannt. Der Meßablauf wird am PC erstellt und simuliert. Es werden alle Antastpunkte und Taststiftkonfigurationen festgelegt. Die Geometriedaten werden von CAD übernommen. 7. Scanning Hier wird die Meßobjektoberfläche kontinuierlich abgetastet. Man kann eine hohe Punktedichte in kurzer Zeit erfassen (200 Punkte / Sekunde). Dazu wird das Tastsystem kontinuierlich und zeilenweise über die Oberfläche des Werkstückes geführt. Das Tastsystem tastet nun die Oberfläche ab. Als Tastsystem fungiert meist ein messendes Tastsystem, um Vertiefungen feststellen zu können. Es gibt auch die Möglichkeit einer berührungslosen Abtastung mittels Laserstrahl. Mit einer CCDKamera werden dann die reflektierten Strahlen ausgewertet. Diese Methode wird häufig dafür verwendet, um herauszufinden, ob ein Objekt Fehler aufweist oder nicht (Wenn es Abweichungen von der Nullage gibt auch Abweichung von der Bahnkurve). Wie groß die Abweichungen sind, läßt sich schwer (nur rechnerisch) ermitteln. Dazu muß man die Differenz zwischen einem reflektierten Strahl Seite 12/13 PRR 1997/98 Sensorik mit Fehler und einem ohne Fehler bilden und damit weiterrechnen. Aus diesen Gründen verwendet man hier messende Tastsysteme. Die Scanning-Methode eignet sich vor allem für Meßobjekte mit unbekannter Geometrie. 8. KMG-Standardprogramme Jedes KMG benötigt einen Rechner (meist Prozeßrechner mit UNIX) und Software. Die Standardsoftware erlaubt folgende Punkte: a) Kalibrierung des Tastsystems Da sich der Taststift mit dem Tastelement bei Druck deformiert, muß vor der Messung das Tastsystem mit einer Normale kalibriert werden. b) Bestimmung der Werkstücklage gegenüber dem KMG Koordinatentransformation c) Berechnung von Antastpunkten Anzahl und Verteilung von Antastpunkten d) Protokollierung der Meßergebnisse Meßergebnisse sollen die Messung protokollieren; Es sollen aber auch Angaben über Prüfauftrag, Werkstück und Prüfablauf erkennbar sein. 9. Zusatzprogramme Es gibt für spezielle Meßaufgaben noch entsprechende Zusatzprogramme: Freiformflächen Zahnradmessung Gewindemessung usw. 10. KMG in der automatisierten Fertigung Um die Prüfzeiten zu verkürzen, wurden KMG mit erhöhter Verfahrgeschwindigkeit (bis 1000 mm/s) um mit kurzer Antastzeit entwickelt. In der automatisierten Fertigung werden diese Meßroboter genannt. Die Verkürzung der Prüfzeit bringt allerdings auch eine Erhöhung der Meßunsicherheit mit sich. Meßroboter-KMG lassen sich besonders leicht mit Fertigungsmaschinen verketten. Innerhalb eines flexiblen Fertigungssystems werden KMGs als Meßzentren eingesetzt. Seite 13/13