Manipulatoarele conforme sunt sisteme mecatronice de înaltă precizie care constau din mecanisme conforme, actuatoare și senzori de poziționare de înaltă rezoluție și bune scheme de control. Cu partea principală a acestui capitol concentrându-se pe rezistența, limitările, modelarea și metodologiile de proiectare ale mecanismelor conforme, această secțiune trece în revistă actuatoarele și senzorii de ultimă generație care pot fi utilizați pentru a realiza o manipulare de înaltă precizie, unde vor fi discutate avantajele, limitările și potențialele compromisuri de performanță pentru fiecare tip de actuator sau senzor.

Actuatoare de poziționare de înaltă rezoluție

Un actuator cu rezoluție mare de poziționare este un subsistem esențial al manipulatorului conform care ar putea decide în cele din urmă intervalul de deplasare, forța de ieșire, rigiditatea și chiar dimensiunea sau amprenta la sol a manipulatorului. Aceste actuatoare pot fi clasificate în două categorii, adică cele solid-state și cele bazate pe câmp. Actuatoarele solid-state sunt traductoare care convertesc energia electrică în energie mecanică prin deformarea materialelor. Actuatorul piezoelectric (PZT), aliajul cu memorie de formă (SMA) și actuatorul termic sunt actuatoare solid-state, care sunt utilizate în mod obișnuit de manipulatoarele conforme. Pe de altă parte, actuatoarele bazate pe câmp sunt traductoare care convertesc energia electrică în energie mecanică prin prezența câmpurilor.
Actuatoarele bazate pe câmp care se găsesc în mod obișnuit în manipulatoarele conforme includ actuatoarele electrostatice și electromagnetice.

Actuatoare piezoelectrice

Majoritatea manipulatoarelor convenționale conforme sunt acționate de actuatoare PZT, datorită rezoluției nanometrice și caracteristicilor forței de acționare mari (Mamin și colab. 1985; Fite și Goldfarb 1999; Dong și colab. 2000; Kimball și colab. 2000; Sun et al. 2002; Zhang și Zhu 1997; Tan și colab. 2001). Un astfel de actuator este alcătuit din ceramică care convertește o tensiune sau o sarcină aplicată într-o deplasare mecanică direct prin alungirea fizică a materialului. Această modificare dimensională mică duce la o deplasare extrem de mică de până la 1 x 10^-12 m. O astfel de rezoluție de poziționare poate fi ajustată deoarece modificările dimensionale sunt proporționale cu tensiunea aplicată (Ouyang et al. 2008). Actuatoarele PZT pot opera la o lățime de bandă extrem de mare de până la câteva sute de kilo-Hertzi (kHz). De asemenea, pot opera până la milioane de cicluri fără deteriorare. Datorită naturii producerii deplasărilor mecanice prin modificări dimensionale, actuatoarele PZT pot produce o forță mare de până la câțiva kilo-Newtoni (kN) și nicio problemă de uzură și pot funcționa în vid și în mediul de cameră curată. Figura 46a prezintă câteva actuatoare comerciale PZT stivuite dezvoltate de Physik Instrumente (PI).

Dezavantajele majore ale actuatoarelor PZT includ caracteristici de deplasare mică și neliniară. Neliniaritatea actuatorului PZT este contribuită de histerezisul și comportamentul la fluaj al materialelor ceramice în timpul modificării dimensionale. Ca rezultat, căile înainte și înapoi ale unui actuator PZT ciclic sunt diferite și necesită mijloace mecanice sau scheme de control avansate pentru a minimiza astfel de neliniarități. O abordare este de a preîncărca treapta în mișcare cu arcuri în direcția care se opune acționării PZT, așa cum se arată în Fig. 46b. Dar, preîncărcarea cu arcuri poate linializa doar o porțiune a cursei. Prin urmare, deplasarea maximă a etajului este limitată la 250 μm (Ho et al. 2004). O altă abordare este de a modela histerezisul și fluajul acționării PZT și de a lineariza deplasarea prin scheme avansate de control (Liu și colab. 2013). Cea mai mare limitare este deplasarea limitată a unui actuator PZT. Prin stivuirea discurilor ceramice PZT, cursa maximă realizabilă este de câteva sute de micrometri. În plus, această abordare de stivuire generează erori cumulative la capătul stivei și crește solicitarea în fiecare dintre discurile ceramice PZT. Cel mai important, această abordare crește rezistența internă care, la rândul său, crește cerințele de tensiune aplicate, de exemplu, >200 VDC.

Aliaj cu memorie de formă (SMA)

Materialul SMA are o memorie unică (cunoscută sub numele de „efectul de memorie a formei”) a formei sale pre-deformate. La temperatură scăzută, SMA revine la forma sa inițială atunci când temperatura crește. Acest comportament face ca SMA să fie o formă de acționare solid-state. La temperaturi ridicate, o forță aplicată poate provoca o deformație mare, care se poate recupera cu ușurință și prin eliberarea forței aplicate. Acest efect este denumit „superelasticitate”. Utilizarea SMA pe manipulatoare conforme este de asemenea unică. În loc să utilizeze materiale convenționale pentru a dezvolta articulații interspațiale, SMA este utilizat ca material flexibil, creând elemente flexibile interesante care se dublează atât ca membre, cât și ca dispozitive de acționare ale manipulatoarelor conforme (Reynaerts et al. 1995; Hesselbach et al. 1997; Bellouard și Clavel 2004). Acest lucru se datorează faptului că articulația interspațială SMA prezintă o flexibilitate mai mare în comparație cu articulațiile interspațiale convenționale. Utilizarea articulațiilor interspațiale SMA a redus cantitatea de aticulații interspațiale, reducând astfel rigiditatea manipulatorului conform în direcția de acționare. În plus, SMA poate fi considerat și ca un metal cu amortizare ridicată, care este o caracteristică favorabilă pentru sistemele dominate de arc, adică mecanismele conforme.

Principala limitare a SMA este rata sa lentă de răcire, care este de obicei limitată la câțiva herți. Ca rezultat, diferența dintre tranziția de încălzire și de răcire creează un efect de histerezis în timpul mișcărilor înainte și înapoi, așa cum se arată în Fig. 47. Rata lentă de răcire limitează, de asemenea, lățimea de bandă a oricărui manipulator conform bazat pe SMA. Prin urmare, aceste manipulatoare sunt potrivite doar pentru sarcini sau aplicații care necesită livrarea unei mișcări lente, dar precise.

Actuatoare termice

Acţionarea termică este una dintre schemele populare în acționarea manipulatoarelor conforme bazate pe MEMS (Chen şi Culpepper 2006; Comtois and Bright 1996, 1997; Qiu et al. 2003; Zhu et al. 2006). Acest lucru se datorează faptului că actuatoarele termice pot fi ușor fabricate și integrate în astfel de sisteme funcționale la microscală. Principiul de bază al acționării termice este de a genera o cantitate mică de dilatare termică într-un material prin încălzire joule. Simultan, această mică dilatare termică va fi amplificată pentru a produce o mișcare de deflecție. Astfel de amplificări sunt realizate prin modelul de actuator bimorf (asimetric) sau chevron (simetric), așa cum se arată în Fig. 48.

Modelul bimorf este o grindă în consolă formată din două segmente paralele de lungime egală unite între ele. În timpul operării, un segment va fi încălzit, în timp ce celălalt rămâne rece. Diferența de temperatură dintre două segmente face ca ambele segmente să se extindă diferit. Ca rezultat, apare o deflecție la îndoire, deoarece ambele segmente sunt fixate la un capăt. În plus, două sau mai multe actuatoare termice pot fi conectate împreună în paralel pentru a îmbunătăți puterea de ieșire sau pentru a genera o mișcare liniară (Comtois și Bright 1997). Modelul chevron poate fi articulat cu una sau mai multe perechi de grinzi în consolă în formă de „V”. Pentru fiecare pereche de grinzi, curentul aplicat trece de la o grindă la alta, determinând astfel extinderea, curbarea și crearea unei mișcări liniare. În general, actuatorul termic bimorf asigură o mișcare de îndoire, în timp ce actuatorul termic chevron asigură o mișcare de translație.

Figura 49a prezintă un manipulator conform 6-DOF, μHexFlex, care este acționat de trei perechi de actuatoare termice bimorfe cu 2 axe pentru a obține un spațiu de lucru de 8,4 x 12,8 x 8,8 μm³ și 1,1^o x 1,0^o x 1,9^o (Chen și Culpepper 2006). Un alt etaj conform bazat pe MEMS prezentat în Fig. 49b este acționat de un actuator termic chevron cu o singură axă. Când actuatorul a fost testat fără eșantion, a fost generată o deplasare maximă de aproximativ 800 nm la un curent de 15 mA (Zhu et al. 2006). Principalul avantaj al acționării termice este acela de a genera o forță mai mare în comparație cu acționarea electrostatică. Însă, are o lățime de bandă mai mică și necesită o bună disipare a căldurii pentru operațiuni continue.

Actuatoare electrostatice

Acţionarea electrostatică este poate cea mai populară alegere pentru acționarea dispozitivelor MEMS (Toshiyoshi şi Fujita 1996; Rosa et al. 1998; Hung şi Senturia 1999; Tsou et al. 2005; Chiou şi Lin 2005; Borovic et al. 2006). Spre deosebire de acționarea termică, consumă o cantitate foarte mică de energie și poate opera în lățime de bandă mare. De asemenea, actuatorul electrostatic poate fi ușor de fabricat și integrat ca parte a dispozitivelor MEMS. Guvernată de legea lui Coulomb, acționarea electrostatică folosește forța de atracție dintre două sarcini punctuale pentru a genera deplasare sau pentru a exercita forță. Presupunând că două suprafețe sunt extrem de apropiate, forța de acționare, Fe, poate fi exprimată ca

unde V reprezintă tensiunea și Ɛair reprezintă permeabilitatea aerului, în timp ce E = A/d² unde A este aria, d este spațiul dintre două arii și E este câmpul electric.

Ecuația 87 sugerează că generarea forței este proporțională cu aria suprafeței; configurația „pieptene” este folosită în mod obișnuit pentru a spori generarea forței. O arhitectură pieptene constă din două seturi de baterii de condensatoare, în care fiecare baterie constă dintr-un șir paralel de condensatoare. Fiecare condensator are o pereche de suprafețe paralele. Însă, pot exista multe variații în geometria acestor acționări-pieptene, cum ar fi configurația paralelă tipică prezentată în Fig. 50b, spirala (Tang și colab. 1989) și configurațiile T-bar (Brennen și colab. 1990). Figura 50a prezintă un exemplu de etaj de micro/nanopoziționare X-Y-θz acţionată electrostatic, bazată pe MEMS, articulată printr-o arhitectură cinematică-paralelă. Fiecare electrostatic a realizat o cursă de 27 μm la 85 V, în timp ce spațiul total de lucru al efectorului final este de 18 μm² x 1,72^o când toate cele trei actuatoare sunt alimentate.

Actuatoare electromagnetice

Acționarea electromagnetică (EM) este o schemă de acționare care oferă caracteristici fără contact, fără frecare și de cursă lungă. În ultimele două decenii, manipulatoarele conforme acționate EM au atins milimetri de deplasare și rezoluții de poziționare subnanometrică cu răspunsuri mari la accelerații și la viteză. Pentru a realiza o acționare EM, pot fi utilizate două tipuri de tehnici, adică acționarea cu solenoid și acționarea cu forță Lorentz.

Acționare cu solenoid

Acţionarea cu solenoid este o tehnică EM bazată pe atragerea unei piese mobile feromagnetice. Pe baza Fig. 51a, statorul fix generează o forță de atracție pentru a propulsa partea feromagnetică în mișcare spre el. Această forță este exprimată de

unde μ este permeabilitatea magnetică a aerului, 4π x 10^-7 (N/A²), N reprezintă numărul de spire, I reprezintă curentul aplicat, A reprezintă aria și g reprezintă interstițiul de aer dintre stator și partea în mișcare. Principalul avantaj al acestei tehnici este că generează o forță mai mare în comparație cu acționarea cu forță-Lorentz. Însă, prezintă caracteristici neliniare datorită termenului pătrat în g. Prin urmare, forța crește semnificativ pe măsură ce interstițiul se reduce.

Figura 51b prezintă un exemplu de manipulator conform X-Y-θz acţionat de solenoid. Trei perechi de actuatoare cu solenoid sunt utilizate pentru a produce mișcare plană decuplată 3-DOF cu o rezoluție de poziționare minimă de 50 nm pe un spațiu de lucru de 80 μm² x 3,52 mrad. Fiecare actuator cu solenoid generează o forță de antrenare de 50 N cu un curent de intrare de 0,5 Amp la un interstițiu de aer de 250 μm. Acest exemplu a demonstrat, de asemenea, că acționarea cu solenoid nu este potrivită pentru o rază mare de deplasare și are o relație neliniară forță-deplasare și curent-forță.

Acționare cu forță-Lorentz

Acționarea cu forță Lorentz are o caracteristică în contrast cu acționarea cu solenoid. Această tehnică EM oferă o relație liniară curent-forță și poate fi configurată pentru a oferi o rază mare de deplasare cu relație liniară forță-deplasare. Guvernată de legea lui Lorentz, generarea forței este exprimată de

unde B reprezintă densitatea fluxului magnetic de la magnetul permanent (PM), I reprezintă curentul aplicat, N reprezintă numărul de spire ale bobinei în aer efectiv și L reprezintă lungimea bobinei pe spiră.

Dispozitivul de acţionare cu forţă Lorentz, disponibil comercial, prezentat în Fig. 52a, este cunoscut şi sub denumirea de actuator cu bobină audio (VC). Cu actuatorul VC, interstițiul de aer efectiv reprezintă regiunea cu prezența densității fluxului magnetic emanat de la o sursă magnetică permanentă, adică PM. În acest interstițiu de aer, densitatea fluxului magnetic ar trebui să fie bine distribuită. Datorită permeabilității scăzute a aerului, mărimea densității fluxului magnetic este de obicei mai mică decât densitatea fluxului magnetic de remanență a unui PM. Cea mai bună abordare pentru a depăși această limitare este de a crește dimensiunea unui PM, menținând în același timp un interstițiu efectiv mic de aer. Exemple pot fi găsite în actuatoarele VC de la H2W Technologies (Stroman 2006) prezentate în Fig. 52b și BEI Technologies (Speich și Goldfarb 2000) prezentate în Fig. 52c. Aceste circuite magnetice cresc densitatea fluxului magnetic prin PM-uri mai mari. Dar, ele necesită încă interstiții efective de aer foarte mici, deoarece mărimea și uniformitatea densității fluxului magnetic scade în raport cu creșterea distanței față de suprafața polarizată de magnet.

Datorită liniarității sale și caracteristicilor de deplasare mari, există o tendință tot mai mare de utilizare a acționării cu forța-Lorentz pentru a acționa manipulatoarele conforme (Teo et al. 2010a; Yang et al. 2008; Teo et al. 2013; Fukada și Nishimura 2007; Bacher). 2003; Helmer 2006; Culpepper și Anderson 2004). Aceste manipulatoare conforme multi-DOF au demonstrat capacitatea de rezoluție a poziționării nanometrice pe un spațiu de lucru de câțiva milimetri și grade. Figura 53a prezintă un exemplu de manipulator conform paralel cu 3 DOF, acționat de trei actuatoare VC de la BEI Technologies. Folosind actuatoare VC, a atins o rezoluție de poziționare de 50 nm pe un spațiu de lucru de 5 mm² x 5^o. Actuatoarele cu forță-Lorentz personalizate pentru generarea de forțe mari au fost bine demonstrate și de manipulatorul conform cu mișcarea în afara planului 3-DOF prezentat în fig. 53b. Folosind actuatoare personalizate cu forță Lorentz, el a atins o rezoluție de poziționare de 20 nm și o rezoluție unghiulară de 0,05 arcsec pe un spațiu de lucru de 5 mm x 5^o x 5^o. Cu actuatoarele personalizate, manipulatorul produce 150 N/Amp ca forță de ieșire.

Compromisuri de performanță

Actuatoarele electrostatice și termice sunt utilizate în mod obișnuit în manipulatoarele conforme bazate pe MEMS. Compromisul utilizării actuatoarelor electrostatice este generarea forței slabe. Trecerea la actuatorul termic poate oferi o generare de forță mai mare, dar în detrimentul răspunsurilor de frecvență mai joasă. Pentru manipulatoarele conforme la scală micro până la macro, actuatoarele PZT și materialele SMA sunt soluțiile potențiale pentru a le acționa. Ambele oferă o gamă de deplasare limitată, dar actuatoarele PZT pot oferi forță motrice și lățime de bandă foarte mari. Pe de altă parte, materialele SMA pot fi transformate într-un manipulator conform monolitic. Este o soluție atractivă pentru minimizarea maselor în mișcare și a rigidității în direcția de acționare. De la scară macro încoace, acționarea EM poate fi o soluție alternativă la actuatoarele PZT. Actuatoarele cu solenoid pot avea avantajul unui raport mare forță-dimensiune, dar actuatorul cu forță-Lorentz are o caracteristică liniară și o gamă mare de deplasare. Deși actuatoarele PZT au cursă limitată, generarea de forță mare și lățimea de bandă sunt caracteristice de dorit pentru acționarea manipulatoarelor conforme. Fiind un actuator solid-state, PZT poate oferi în continuare rigiditate suplimentară fără acționare (chiar și atunci când este oprit) manipulatoarelor conforme. Acest beneficiu nu poate fi furnizat niciodată de acționarea EM. Pentru a rezuma revederea actuatoarelor de poziționare de înaltă rezoluție, performanța și compromisurile fiecărui actuator sunt enumerate în Tabelul 8.

Senzori de înaltă rezoluție

Un senzor este un traductor care convertește o formă de energie într-o altă formă, de exemplu, un dispozitiv care răspunde la sau detectează o cantitate fizică și transmite semnalul rezultat către un controler (Slocum 1992). Prin urmare, senzorii sunt considerați și „ochii” sau „urechile” unui sistem de control care controlează un manipulator. Prin urmare, definește rezoluția de poziționare realizabilă a unui manipulator conform chiar dacă actuatoarele au o rezoluție de poziționare infinită. Între diferitele tehnologii de detectare, există anumite specificații de performanță care sunt cruciale și sunt enunțate după cum urmează (Slocum 1992):

În general, un senzor poate fi clasificat în două categorii: senzori neoptici și senzori optici. Senzorii optici furnizează semnale analogice sau digitale care corespund modificării cantității fizice prin mijloace optice, în timp ce senzorii neoptici folosesc alte mijloace de măsurare. Astfel de senzori includ senzor capacitiv, senzor cu efect hall, senzor inductiv de deplasare, senzor diferențial variabil, inclinometre, cântare magnetice, senzor magnetostrictiv și senzor bazat pe PZT. Printre acești senzori neoptici, senzorul capacitiv este utilizat în mod obișnuit în manipulatoarele conforme datorită naturii sale de înaltă rezoluție. Din același motiv, senzorii optici, care includ codificatoare optice și senzori interferometrici, sunt alegerile populare pentru manipulatoarele conforme.

Senzori capacitivi

Un senzor capacitiv determină distanța dintre o sondă și o țintă prin măsurarea cantității de capacitate formată între cele două suprafețe paralele, adică fața sondei și ținta, așa cum se arată în Fig. 54a. Prin aplicarea tensiunii pe o suprafață, va exista un câmp electric între cele două suprafețe. Câmpul electric este rezultatul diferenței dintre sarcinile electrice care sunt stocate pe suprafețe. Prin urmare, capacitanța este „capacitatea”, care se formează între cele două suprafețe, de a menține sarcinile. Efectul interstițiului, g, și al suprafeței, A, asupra capacității, C, dintre două suprafețe paralele este exprimat de

unde Ɛ este constanta dielectrică a materialului din interstițiu.

Senzorul capacitiv oferă o măsurătoare fără contact cu o rezoluție extrem de ridicată de ~25 Ǻ (2,5 x 10^-9) și o acuratețe tipică de ~0,10–0,20 % pe întreaga scară. Dar, poate oferi doar un domeniu de măsurare de până la 0,13 mm sau o rezoluție subnanometrică, iar răspunsul în frecvență este de până la 20–40 Hz. Intervalul de măsurare poate fi mărit, dar în detrimentul pierderii rezoluției nanometrice. O caracteristică unică a senzorului capacitiv este capacitatea de a detecta o gamă largă de materiale, de exemplu, metale, dielectrice și semiconductoare. Ieșirea senzorului este afectată doar de diferite tipuri de suprafețe de material, dar nu va fi afectată de conținut diferit cu același material. De exemplu, un senzor capacitiv calibrat pe o țintă din oțel inoxidabil poate fi folosit și pentru a măsura ținta din alamă sau aluminiu. În afară de mijloacele optice, detectarea capacitivă a câmpului este singurul mijloc neoptic de a oferi capacitatea de măsurare a rezoluției subnanometrice. Prin urmare, este utilizat pe scară largă în manipulatoarele conforme de înaltă precizie.

Există câteva cerințe stricte atunci când se utilizează senzori capacitivi. În primul rând, va exista o capacitate parazită care afectează acuratețea măsurării. Însă, capacitatea parazită poate fi redusă cu ușurință prin adăugarea unui dispozitiv de protecție în jurul electrodului de detectare și colimarea liniilor de câmp electric dintre senzor și țintă, așa cum se arată în Fig. 54c. Compromisul este că dimensiunea sondei va crește datorită prezenței gărzii. În al doilea rând, este important să mențineți paralele suprafețele senzorului și ale țintei. Nealinierea în paralelism a două suprafețe va afecta acuratețea măsurării, deoarece capacitatea este proporțională cu aria de detectare și distanța dintre sondă și țintă.

Din același motiv, a treia cerință este de a asigura raportul ridicat dintre aria de detectare și interstițiu. Având un raport ridicat, adică o ariede detectare uriașă cu un interstițiu foarte mic, înseamnă o acuratețe și rezoluție mai mari. Alte beneficii includ minimizarea efectului undelor electromagnetice asupra acurateței și furnizarea unui efect de medie la ieșire. A patra cerință este de a minimiza perturbările de mediu, deoarece constanta dielectrică poate fi afectată de temperatură, presiune barometrică, umiditate și tipul de mediu. În afară de menținerea mediului, o a doua sondă poate fi utilizată pentru a măsura un obiect fix pentru a înregistra un semnal de referință care captează zgomotul sau deriva cauzate de modificarea presiunii barometrice, umidității și temperaturii. Scăderea semnalului de măsurare cu acest semnal de referință va produce concomitent semnalul de deplasare real.

Codificatoare (encodere) optice

Codificatorul optic operează pe baza principiului numărării fantelor sau ferestrelor dintr-o scală ce trece printre o sursă de lumină și o fotodiodă, așa cum se arată în Fig. 55a. Pur și simplu imaginați-vă un LED care luminează pe o scală, care are o serie de ferestre la distanță egală. În spatele scalei și direct opus LED-ului este o fotodiodă. Dacă lumina LED se transmite prin aceste ferestre, fotodioda va primi lumina transmisă și va genera semnale sau impulsuri. Pe de altă parte, nici un semnal nu va fi generat de fotodiodă dacă lumina este blocată de materialul dintre două ferestre. Această schemă de măsurare poate fi configurată la un codificator optic liniar sau unghiular care este imun la zgomot electric. Majoritatea codificatoarelor optice produc în principal ieșire digitală, datorită principiului de funcționare.

Rezoluția codificatorului optic depinde de tipurile de rețele de scală. De exemplu, o scală care poate împacheta mai multe fante distanțate egal (grătare) va avea o rezoluție mai mare. Pe baza codificatoarelor optice disponibile comercial de la HEIDENHAIN Corporation, o scală cu rețea absolută poate oferi o rezoluție de poziționare de aproximativ 10 până la 12 biți, o scală cu rețea incrementală poate oferi o rezoluție de poziționare de 10 până la 16 biți și o rețea de difracție poate oferi o rezoluție de poziționare de până la 21 de biți. Ca o riglă cu marcaje numerotate egal distanțate, grătarul absolut are o rezoluție fixă ​​și scăzută. Pentru rețeaua incrementală, sunt utilizate metode de cuadratură și interpolare pentru a îmbunătăți rezoluția encoderului. De exemplu, o rețea incrementală cu pas de 20 μm poate oferi o rezoluție de 5 nm per codificator bazată pe 4, 000 de pași de interpolare. Cu o astfel de abordare a interpolării, rețeaua de difracție oferă o rezoluție de poziționare și mai mare datorită dimensiunii sale mai mici de pas. Scala vine, de asemenea, în diferite materiale, adică bandă din oțel inoxidabil, scală din sticlă și scală zerodur. Scala din sticlă are un coeficient de dilatare termică de 5,9 10^-6/K, în timp ce materialul zerodur are un coeficient de dilatare termică de 0 ± 0,007 10^-6/K de la 0^oC la 50^oC. Alegerea materialului depinde de aplicații și specificațiile dorite. Pentru sarcinile de poziționare de înaltă precizie, scala zerodur poate fi cea mai bună opțiune, dar este cea mai scumpă dintre celelalte.

Senzori cu interferometru laser

Senzorul cu interferometru laser este cel mai exact sistem de măsurare care poate fi aplicat sistemelor mecatronice și robotice de astăzi. Prin urmare, poate fi folosit ca standarde de lucru pentru calibrarea mașinii, măsurare și control cu feedback. Pe baza dimensiunii tipice a unui foton, rezoluția unui senzor cu interferometru laser este de până la 0,15 nm. De asemenea, are un domeniu de măsurare care depășește 10 m și o viteză de măsurare de până la 4,2 m/s. Majoritatea senzorilor cu interferometru laser folosesc Helium-Neon ca sursă laser (lungime de undă, λ = 633 nm). Precizia senzorului cu interferometru laser depinde de condiții metrologice foarte stricte:

1. Stabilitatea temperaturii de ± 1^o C
2. Variația umidității mai mică de 10 %
3. Variația presiunii mai mică de 0,25 mmHg
4. Planeitatea oglinzii țintă de λ/10 PV

Temperatura și umiditatea pot fi controlate activ într-un mediu închis, de exemplu, o cameră curată, în timp ce planeitatea oglinzii poate fi obținută prin tehnologia de lustruire de înaltă precizie. Deoarece presiunea barometrică (de mediu) este mai dificil de controlat, abordarea obișnuită este configurarea unui tracker de lungime de undă sau a unei stații de metrologie pentru a monitoriza variațiile laserului.

Un senzor cu interferometru laser este un senzor de deplasare relativă și fără contact. Prin urmare, nu va da o valoare absolută a deplasării, ci mai degrabă o valoare relativă la valoarea anterioară. În plus, poate măsura doar schimbarea relativă a deplasării dincolo de o zonă moartă, care reprezintă cerința minimă de lungime între senzorul cu interferometru laser și țintă. Configurarea senzorului cu interferometru laser necesită componente optice, cum ar fi divizoare de fascicul (BS) și retroreflectoare pentru a orienta fasciculul laser de la sursa laser la ținta (stage) în mișcare. Figura 56a ilustrează o configurație pentru măsurarea unei ținte în mișcare 1-DOF prin intermediul senzorului cu interferometru laser. Un BS este utilizat pentru a împărți fasciculul în două căi, unde o cale ține cont de poziția de referință fixă ​​prin retroreflectorul fix, în timp ce cealaltă cale ține cont de poziția țintei în mișcare. Deplasarea este dată de poziția treptei în mișcare față de poziția fixă ​​de referință. Figura 56b ilustrează o altă configurație care măsoară o țintă în mișcare de 3 DOF. După primul BS de la sursa laser, 50% din fascicul merge către un alt BS care îl împarte în două fascicule (25% fiecare), unde unul merge la un tracker de lungime de undă, iar celălalt măsoară poziția de-a lungul axei x. Celelalte 50 % din fascicul sunt, de asemenea, împărțite în două fascicule (25 % fiecare) care măsoară poziția de-a lungul axei y. Toate cele trei fascicule de 25 % măsoară și modificarea unghiulară în jurul axei z. Dispozitivul de urmărire a lungimii de undă este utilizat pentru a monitoriza acuratețea fasciculului, care ar putea fi ușor afectată de condițiile meteorologice în schimbare, cum ar fi temperatura, umiditatea și presiunea.

Fibra optică poate fi utilizată pentru a livra fasciculul laser direct către unitățile de la distanță cu optică și detector încorporate. Această tehnologie minimizează nevoile de utilizare a componentelor optice și timpul de configurare pentru a orienta fasciculul de la sursa laser și poate canaliza fasciculul de la o sursă laser către mai multe unități la distanță. Aceste unități, denumite encodere interferometrice, pot fi plasate lângă efectorul final pentru măsurători directe. Figura 57a prezintă o pereche de encodere interferometrice cu o singură axă de la Renishaw care au fost utilizate pentru a măsura deplasarea efectorului final al unui manipulator conform. Folosind tehnologia fibrei optice, fasciculul laser de la o sursă laser a fost canalizat în două encodere interferometrice separate fără nicio pierdere în rezoluție, adică 10 nm pe număr. Transmițătorul, optica, și detectorul sunt toate construite în interiorul fiecărui encoder pentru a simplifica configurarea, în timp ce efectorul final a transportat oglinzile metrologice pentru a reflecta fasciculele laser transmise înapoi la encoderul individual. Un alt exemplu este encoderul interferometric cu trei fascicule de la SIOS prezentat în Fig. 57b. Cablul de fibră optică canalizează fasciculul de la o sursă laser către un cap senzor care oferă trei fascicule individuale de măsurare. Aceste fascicule sunt distanțate egal într-un aranjament predefinit care este capabil să măsoare mișcarea în afara planului (out-of-plan) pe 3 axe și oferă o rezoluție de 1 nm pe număr de la fiecare fascicul. Acest sistem de encoder oferă, de asemenea, o stație de metrologie care are o funcție similară cu cea a unui tracker de lungime de undă.

Compromisuri de performanță

Senzorul cu interferometru laser oferă cea mai exactă măsurătoare din lumea modernă și are capacitatea de a oferi o rezoluție de poziționare de până la 0,15 nm. Este un senzor de deplasare relativă și fără contact, care este utilizat în mod obișnuit pentru a reacționa la poziția efectorului final, mai degrabă decât la articulațiile unui manipulator. Principala limitare a senzorului cu interferometru laser este că acuratețea acestuia poate fi ușor afectată de condițiile meteorologice în schimbare. Pe de altă parte, aceste condiții meteorologice în schimbare au efecte mai puține asupra unui encoder optic, deoarece scala și capul encoderului sunt plasate în imediata apropiere. Totuși, acest aranjament limitează utilizarea encoderelor optice la măsurarea mișcării plane cu o singură axă sau două axe a articulațiilor, mai degrabă decât la efectorul final al unui manipulator (cu excepția etajelor de mișcare translațională 1-DOF și 2-DOF). Domeniul de măsurare este limitat de lungimea scalei, care variază de obicei între 10 cm și 3 m. Deși interpolarea oferă o rezoluție înaltă, acuratețea este întotdeauna limitată la 1 % din dimensiunea pasului rețelei. O metodă de a depăși această limitare este de a lega direct modificarea în semnalul analogic cu modificarea deplasării. Astfel de calibrări sunt, de asemenea, efectuate în mod obișnuit în sistemele de mișcare care utilizează senzori analogici de capacitate. La fel ca senzorul cu interferometru laser, un senzor de capacitate are, de asemenea, o rezoluție de poziționare foarte mare. Însă, rezoluția înaltă vine în detrimentul unui interval mic de măsurare. De asemenea, un senzor de capacitate poate fi calibrat pentru un domeniu de măsurare mai mare, dar se sacrifică rezoluția din cauza efectelor capacității parazite și a instabilității constantei dielectrice într-un interstițiu mare de aer. Însă, toate aceste tehnologii sunt mijloace de măsurare eficiente dacă sunt configurate corespunzător prin condiții metodologice și de mediu controlate.