Was ist ein Kraft-Sensoren?
Ein Kraftsensor ist ein Sensor, der die Größe einer Kraft oder eines Moments misst.
Sie werden verwendet, um die Größe und Richtung von physikalischen Kräften zu erkennen und den menschlichen Tastsinn zu reproduzieren. Die Hauptanwendung liegt in der Robotik.
Ein 6-achsiger Kraft-Sensor ist der Grundtyp, da er Kräfte in drei Richtungen (X, Y und Z) und auch Momente um die X-, Y- und Z-Achse erfasst.
Verwendungszwecke von Kraft-Sensoren
Kraft-Sensoren werden z. B. in Industrierobotern eingesetzt, um Aufgaben zu automatisieren, die bisher manuell ausgeführt werden mussten.
1. Erfassung von äußeren Kräften und Reaktionskräften
Kraft-Sensoren können Kräfte und Momente gleichzeitig messen. Sie können am Arbeitsende des Roboters installiert werden und messen äußere Kräfte und Reaktionskräfte, so dass der Roboter mit der entsprechenden Kraft arbeiten kann.
2. Automatisierung von Präzisionsarbeiten
Kraft-Sensoren können präzise Kräfte und Momente messen, so dass der Roboter mit der richtigen Kraft arbeiten kann. Dadurch kann der Roboter Präzisionsarbeiten automatisieren.
Zu den spezifischen Aufgaben gehören das Einsetzen von elektronischen Bauteilen und Steckverbindern mit weichen Anschlüssen, das Zusammenstecken mit geringem Spiel, das präzise Anziehen von Schrauben, das Entgraten, das Schleifen mit feiner Kraft, Picking-Arbeiten und die unabhängige Steuerung von zweibeinigen Robotern.
3. Taktile Diagnose und medizinische Fernbehandlung
Ein mit einem Kraft-Sensor ausgestattetes Terminal wird an der Seite des Patienten angebracht, und die vom Kraft-Sensor erfassten Kräfte und Momente werden vom Arzt abgelesen, was eine taktile Ferndiagnose ermöglicht.
Das Prinzip der Kraft-Sensoren
Kraft-Sensoren erfassen die durch eine Kraft verursachte Verformung und wandeln sie in eine Kraft oder ein Moment um.
Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische, optische und kapazitive Kraftsensoren sind typische Erkennungsmethoden für Kraftsensoren.
1. Dehnungsmessstreifen-Kraftsensoren
Dehnungsmessstreifen (DMS) sind eine Methode zur Umwandlung von Kräften oder Drehmomenten, bei der die Eigenschaften von metallischen Widerstandsmaterialien genutzt werden, deren elektrischer Widerstand sich je nach der auf das Sensorteil ausgeübten Zug- oder Druckkraft ändert. Diese Methode wird häufig als Kraftsensor verwendet, da sie kompakt, sehr genau und reaktionsschnell ist.
2. Piezoelektrische Kraft-Sensoren
Piezoelektrische Kraftsensoren verwenden Materialien mit piezoelektrischem Effekt, wie z. B. Quarz oder PZT (Bleizirkonattitanat), für das Sensorteil zur Kraftmessung. Sie sind kompakt, sehr reaktionsschnell und relativ kostengünstig. Ihre Genauigkeit ist jedoch nicht so hoch wie die von Dehnungsmessstreifen oder Kapazitätssensoren.
3. Kapazitive Kraft-Sensoren
Beim kapazitiven Typ ist der Sensorteil als Kondensator aufgebaut, wobei die Elektroden aus metallischem Material einander gegenüberliegend angeordnet sind. Bei diesem Verfahren werden Kapazitätsänderungen aufgrund von Abstandsänderungen, die durch eine kraftbedingte Dehnung zwischen Leitern verursacht werden, erfasst.
Der kapazitive Typ zeichnet sich durch einen relativ einfachen Aufbau und niedrige Kosten aus. Wenn die Elektroden aus Folie bestehen, können sie kleiner und dünner gemacht werden. Genauigkeit und Ansprechverhalten sind ebenfalls ausgezeichnet.
4. Optische Kraft-Sensoren
Bei der optischen Methode wird in regelmäßigen Abständen ein Muster auf dem zu messenden Objekt markiert, und die Veränderung des Musters, die bei einer Krafteinwirkung auftritt, wird von einem optischen Sensor, z. B. einer Kamera oder einem Laser, erfasst, und die Größe der Kraft wird berechnet und ermittelt.
Der größte Vorteil der optischen Methode ist, dass sie eine berührungslose Messung ermöglicht. Andererseits sind Genauigkeit, Ansprechverhalten, Miniaturisierung und Kosten anderen Methoden unterlegen. Sie ist auf spezielle Anwendungen beschränkt, bei denen eine berührungslose Messung erforderlich ist.
5. HDR-Kraft-Sensoren
Es gibt sogenannte HDR-Kraftsensoren (High Dynamic Range), die sich durch einen großen Dynamikbereich auszeichnen, z. B. von 10 g bis 20 kg.
Durch die Kombination von KI- und Robotertechnologie mit HDR-Kraftsensoren können feine Montageaufgaben unter Anpassung an kleinste Kräfte durchgeführt werden. Roboter automatisieren und verbessern zunehmend die Montageaufgaben in der Produktion.
6. Kapazitive Kraft-Sensoren
Kapazitive Kraftsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie sechsachsige Komponenten messen können, indem sie Änderungen des Abstands zwischen zwei parallelen Platten erkennen. Ein einfacher Aufbau ist realisierbar und der Preis kann niedrig gehalten werden.
Es gibt auch Kraft-Sensoren mit einem Überlastungsschutzmechanismus im Inneren des Sensors. In letzter Zeit werden sie häufig im Bereich der Industrierobotik eingesetzt. Es wird erwartet, dass die Nachfrage aufgrund der zunehmenden Automatisierung in der Fertigungsindustrie immer mehr zunimmt.
Weitere Informationen über Kraft-Sensoren
Einsatz von Kraft-Sensoren
Durch die Bedienung von Robotern mit Kraft-Sensoren durch den Menschen kann eine kooperative Arbeit zwischen Mensch und Roboter erreicht werden. Auch Detailarbeiten, die kleinste Krafteinstellungen erfordern, können durchgeführt werden.
Vor allem in der Fertigung ermöglicht der Einsatz von Kraft-Sensoren die Automatisierung von Aufgaben, die nur von Facharbeitern ausgeführt werden können, und steigert so die Produktivität. In der Medizin sollen Kraft-Sensoren in der medizinischen Fernbehandlung eingesetzt werden, wo der Zustand der betroffenen Stelle durch taktile Diagnose beurteilt werden kann.