Endüstri 4.0 ve Akıllı Seri Ürünler İçin Sensörler

On yıllar boyunca tork ve kuvvet ölçen sensörlerin uygulamaları oldukça az değişmiştir. Son yıllarda sensörler için  yenilikçi çözümler ve sensör üretiminde büyük hacimler gerektiren yeni zorluklar ortaya çıkmıştır. Gerinimölçerlerin temelindeki geleneksel tork sensörleri, örneğin test uygulamalarında çok hassas ölçümler için hala çok kullanışlıdır. Ancak, çok pahalı ve bakımları da çok maliyetlidir. Bu da çok sayıda kullanılmalarını engellemektedir ve bu nedenle yeni gereksinimler için uygun değildirler. Bunun yanı sıra geleneksel teknik çözümler endüstri 4.0, büyük veri ve seri akıllı ürünlerdeki uygulamalar için uygun değildir. Bu soruna seri üretime uygun bir çözüm sunan, yeni bir teknoloji ortaya çıkmıştır. “Manyetostriksiyon”a dayalı temassız tork sensörleri.

NCTE’nin sahip olduğu patentli bir mıknatıslama işleminde manyetik kodlama ile milin kendisi bir sensörün “Vericisi “ne dönüştürülür. “Alıcı”, vericiye dokunmadan, birkaç milimetrelik bir mesafede kir ve/veya yağ tabakasının içinden ve çok yüksek devir sayılarında bile manyetik alan değişikliklerini algılar ve bu değişiklikleri işler. Bu manyetik alan teknolojisi mili olduğu gibi kullanır. Tasarımını değiştirmeye de gerek yoktur. Alıcı ünitesi uygulamanın gerektirdiği şekilde tasarlanabilir ve böylece ölçüm noktalarının ve kullanım durumlarının tanımlanması için tamamen yeni fırsatlar sunar. Bu manyetik teknoloji halihazırda e-bisikletler, robotikte tork ölçümü veya endüstride tahrik milleri gibi birçok akıllı üründe kullanılmaktadır. Çözüm hem temassız hem de kompakttır ve diğer ölçüm teknolojilerine kıyasla 10 kata kadar daha ucuzdur.

Temassız Ölçümün Arkasındaki Teknoloji

Ölçüm prensibi ters manyetostriksiyon etkisine dayanmaktadır. Bu, bir nesnenin manyetik alanının mekanik güçlere maruz kaldığında değiştiği gerçeğine dayanır. Bir nesne mıknatıslanırsa, bu kristal yapısının bozulmasına ve dolayısıyla manyetostriktif deformasyona yol açar. Tersine bu etki, mıknatıslanmış malzemede mekanik yükler tarafından indüklenen mıknatıslanma değişimini ölçerek kullanılabilir. Aşağıdaki şekil, şematik alan çizgileri ile mıknatıslanmış bir mili göstermektedir.

Şafta harici bir kuvvet uygulandığında (görüntüdeki renk değişiklikleri ile gösterilmiştir) önceden var olan mıknatıslanmanın yönü değişir. Bu etki ters mıknatıslanma olarak adlandırılır ve ölçüm prensibinin temelini oluşturur. Manyetik alan daireseldir ve deformasyon veya titreşimlerden sonra her zaman orijinal şekline ve yönüne geri döner.

Metalin Akıllı Hale Getirilmesi (Temassız Sensör Tasarımı)

Temassız bir tork ve kuvvet sensörü, mıknatıslanmış mevcut şaft (birincil sensör) ve tasarımı uygulamaya bağlı olan bir okuma ünitesinden (ikincil sensör) oluşur. Aşağıdaki resimler, sensör tasarımını, üretim aşamalarına göre ayrıntılı olarak açıklamaktadır.

Birincil Sensör & Mil 

Temassız sensörün merkezi unsuru, torku veya kuvveti ileten bileşendir. Bu bir ekstrüderdeki bir şaft, bir direksiyon simidi veya bir otomobilin dişli kutusu olabilir. Şaftlar üretimde çeşitli aşamalardan geçtiğinden, indüksiyon sertleştirme veya manyetik sıkıştırma fikstürleri ile zaten mıknatıslanmış olabilirler. Bu nedenle, daha sonra mıknatıslama için düzgün bir temel durum elde etmek amacıyla şaft önce temizlenecek ve ardından mıknatıslanacaktır (1. Adım).

Daha sonra şaft, NCTE’nin patentini elinde bulundurduğu Darbe Akımı Manyetik Kodlama adı verilen bir işlem aracılığıyla manyetik kodlama alacaktır. Bu kodlama şaftı birincil sensöre dönüştürür. Kalıcı manyetik alanı oluşturmak için şaft boyunca tüm manyetik momentlerin yönelimini eşitleyen bir akım darbesi gönderilir. Bu işlem birkaç milisaniye sürer. İndüklenen manyetik alan uzun süreli kararlılığa sahiptir (2. Adım)

İkincil Sensör Ünitesi & Eşleştirme

Okuma ünitesi, birkaç milimetrelik bir mesafede temas olmadan manyetik alan değişikliklerini ölçen statik bir mini sensördür. Manyetik alanın tork kaynaklı değişiklikleri çok küçüktür (Yaklaşık 150 μT- 200 μT), bu nedenle çok hassas bir ölçüm ünitesi ile ölçülürler. Bu ünite manyetik alan sensörlerinin yanı sıra elektronik bileşenler ve manyetik olmayan bir kasadan oluşur (3. Adım). Son adım sensör kalibrasyonudur. Tüm sensör sisteminin kalibrasyonu sadece birkaç saniye sürer ve seri üretim için çok uygundur (4. Adım). Son adımda hem birincil hem de ikincil sensörler ürüne entegre edilmiştir. (5. Adım)

Tüm tasarım kullanım durumuna göre uyarlanabilir. OEM tasarımı, sistemin en küçük alanlarda bile kullanılmasına olanak tanır. Elektronik parçalar içi boş şaftların içine bile yerleştirilebilir.

Birincil Sensör İçin Malzeme Seçimi 

Bir çeliğin birincil sensör olarak kullanılıp kullanılamayacağı ne remanansına ne de geçirgenliğine bağlı değildir, “manyetostriktif” özelliklerine (örneğin, burulmaya maruz kaldığında manyetik alanının ne kadar değiştiğine) bağlıdır. Özetle bir çelik ne kadar sert olursa, birincil sensör olarak kullanılmaya o kadar uygundur. Bunun bir nedeni, daha sert çeliklerin “daha manyetik” olmasıdır. İkinci olarak, sertlik malzemenin bozulmasını azaltır. Bu, kuvvet uygulandıktan ve kaldırıldıktan sonra malzemede daha az gecikme olduğu anlamına gelir. Tüm çeliklerin manyetostriktif özelliklerini gösteren bir liste olmadığının altını çizmek gerekir. Sensör çeliği olarak en uygun olanlar şu şekilde sıralanabilir;
5NiCrMo16’dır (1.2767), 15NiCr13 (1.5752), X20Cr13 (1.5032) veya S155/300M.

Manyetik özellikler aynı zamanda temperleme ve üretim teknikleri gibi termal ve mekanik “geçmişe” de bağlıdır. Bu nedenlerden dolayı, her bir malzemeyi uygunluğu ve bu malzemeyi kullanarak elde edilebilecek ölçüm sonuçlarının potansiyel hassasiyeti açısından test edip değerlendirilir.

Uygulama Hassasiyeti

Temassız tork ve kuvvet sensörleri ile elde edilebilecek ölçüm sonuçlarının standart doğruluğu %0,1 ile %2 arasında değişmektedir. Bu doğruluk uygulamaya ve istenen karlılığa uyarlanabilir. Sensör sinyalinin potansiyel doğruluğu ve ayarlanabilirliği esas olarak birincil sensör için kullanılan malzemeye bağlıdır. Isıl işlem ne kadar homojen olursa o kadar iyidir.

Temassız Sensörlerin Avantajları

Manyetostriksiyon teknolojisi, test düzeneklerinde veya uygulamalarda tork, kuvvet, kesme veya bükülmenin (statik/dinamik) temassız ölçümüne olanak tanır. Manyetik alan teknolojisi, dönme hızı ölçümü veya aktif sıcaklık kompanzasyonu gibi geleneksel ölçüm teknikleriyle de birleştirilebilir.

Aşağıda temassız teknolojinin temel özelliklerini listelenmiştir:

• Mevcut şaft birincil sensör haline gelir, ikincil sensör ihtiyaçlar doğrultusunda tasarlanabilir.
• Ölçümler kablo veya aşınma olmadan temassız olarak gerçekleştirilir.
• Patentli manyetik kodlama uzun süreli stabiliteye sahiptir.

Kullanıcı için aşağıdaki avantajları sağlar:

• Orijinal şaft tasarımının uyarlanmasına gerek yoktur; müşteri mekanik kontrolün tamamını elinde tutar, özellikleri ve adaptasyon için maliyet tasarrufu sağlar.
• İkincil sensörler çok az yer kaplar; kullanım durumuna göre uyarlanabilir ve içi boş şaftlarda bile bulunabilir.
• Maliyet yapısı ve ölçeklenebilirliği ile teknoloji hem test standında hem de seri üretimde kullanılabilir.
• Sensörler, güçlü titreşimlere maruz kaldıklarında bile hassas ölçümler sağlar, 125°C’ye kadar sıcaklıklarda ve harici olarak monte edilmiş sürekli sıcaklık yükü altında elektronik ve 40.000 rpm’den fazla dönüş hızlarına olanak sağlar. Yağ veya su varlığı bile sensörlerin çalışmasını tehlikeye atmayacaktır.
• Manyetik alan ölçümü bakım gerektirmez ve aşırı yükler bile sensörlere zarar vermez.

Manyetik Alan Ölçüm Uygulamaları

Manyetik alan sensörlerinin güçlü yönleri özellikle otomotiv endüstrisi, endüstri 4.0 veya makine mühendisliği, e-bisikletler, motor sporları, tıp mühendisliği ve arazi aracı mühendisliği uygulamalarında en belirgin hale gelmektedir.

Endüstri 4.0’da Hassas Robotlar

Robotlar geleceğin fabrikalarının ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. İnsanlarla birlikte çalışırken yeni yeteneklere ihtiyaç duyarlar. Yeni süreçleri “öğrenmek” ve dokunuşlara muazzam bir hassasiyetle yanıt vermek zorundadırlar. İşbirlikçi robotlar bu yetenekleri akıllı sensörler aracılığıyla kazanıyor. Tork ve kuvvet sensörleri onlara dokunma hissi verir.

Bunu başarmak için, tork ileten miller eklemlerinin her birinde mıknatıslanmıştır. Oluşan kuvvetler içi boş şaftlarda ölçüldüğünde, bu şaftlar kontrollü pnömatik kanallara bile yerleştirilebilir. Orijinal tasarımı değiştirmeye gerek yoktur. İkincil sensörler (robotikte gerektiği gibi çok kompakt) herhangi bir kuvvet değişimini çok hassas bir şekilde yakalar, örnekleme hızları 10 kHz’den fazladır.

Sensörler gerçek zamanlı veri sağlar, böylece robotların çok dinamik hareketlerine izin verir. Kuvvetlerle ilgili sürekli geri bildirim robotun öğrenmesini sağlar. İş döngüsünün çerçeve parametreleri her pozisyonda kaydedilir.

Ayrıca, manyetik alan sensörleri tork ölçümünü ve iki eksende eşzamanlı bükülme ölçümünü tek sensörlü bir dizide birleştirebilir. Bu amaçla, birkaç ikincil minyatür sensör birleştirilir. Bu çözüm özellikle karmaşık hareketlerin gerçekleştiği uygulamalar için kullanılır.

Dinamik Sürüş İçin Aktif Direksiyon Sistemi

Aktif direksiyon, direksiyon oranını aracın hızına uyarlayan özel bir direksiyon yöntemidir. Böylece akıllı direksiyon, araç düşük veya orta hızda hareket ederken direksiyon tekerleğinin çok az döndürülmesiyle geniş bir direksiyon açısı sağlar. Orta hızda giderken bu, direksiyonu sportif ve doğrudan hale getirirken park ederken direksiyon simidinin daha az döndürülmesini gerektirir. Yüksek hızda giderken tekerleğin açı değişimi direksiyon simidinin dönüşüne kıyasla küçüktür, bu da direksiyonu dolaylı ve konforlu hale getirir.

Sensör sistemi için mevcut direksiyon mili manyetize edilir. Sensör daha sonra (temas olmadan) sürücü tarafından direksiyon simidine uygulanan torku ölçer. Bu temelde elektronik kontrol ünitesi, servomotor tarafından sağlanacak direksiyon desteğini hesaplar.

Mevcut şaft mıknatıslı olduğundan, tasarımının değiştirilmesi gerekmez. Ayrıca, direksiyon sistemine ek bir ağırlık yüklenmez. Temassız ölçüm, genellikle araçlarda meydana gelen titreşimlere maruz kalmasına rağmen direksiyon sisteminin kullanım ömrü boyunca hassas sonuçlar verir.