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Sensori di prossimità applicati alla stampa 3D, quali sono le opzioni?

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Quest’oggi, come veri e propri pionieri, ci avventuriamo nell’esplorazione del mondo dei sensori di prossimità.
La stampante è un oggetto meccanico che ha propri movimenti. Tutti questi movimenti, ad oggi, non hanno un feedback nell’esecuzione del movimento.
Semplicemente da un punto di partenza stabilito si muovono di X distanza. Probabilmente muovendoci nel futuro alle stampanti verrà data la possibilità di avere un feedback sulla posizione. Non è nemmeno così difficile da implementare se ci si pensa.
Ma rimaniamo nel presente, che è il posto dove cambia il futuro.
In questo articolo vorrei analizzare diverse sonde presenti sul mercato, ormai molto economiche. Siamo abituati a vedere le nostre stampanti con endstop meccanici sugli assi e al massimo un sensorino induttivo, tipicamente l’SN04 su Z. Ma non deve essere per forza così.
Ovviamente questo sarà un volo d’uccello sui diversi tipi di sensori per la rilevazione di oggetti, i loro punti di forza e i punti deboli.

Sensori IR (infrarossi)

PRO:

  • Economici
  • Area di rilevamento ristretta e focalizzata
  • Può misurare anchela distanza da un oggetto

CONTRO:

  • I sensori riflettenti hanno una portata molto limitata. Circa  1 – 4 mm per la distanza e non più di un centimetro per la rilevazione
  • Si basano sulla luce a infrarossi e non funzionano bene alla luce solare diretta.
  • Il colore dell’oggetto rilevato influenzerà la misurazione della distanza.

Questo sensore può rilevare la presenza di oggetti a una distanza da 0 a 10 cm mediamente, indipendentemente dalle proprietà riflettenti dell’oggetto. Quando un oggetto entra nel campo di rilevamento, la tensione di uscita diventa zero e quando esce, torna a 5V. I sensori di ultima generazione funzionano bene sia  in ambienti bui sia ben illuminati, possono però presentare problemi quando l’irraggiamento solare è elevato. Per esempio all’aperto nelle ore centrali della giornata in estate. L’INFRAROSSO non può rilevare la presenza dell’oggetto se emette luce, ad esempio una lampadina.

Qui potete vedere la versione per arduino, venduto da Amazon a circa 10 euro.

 

Sensori RF (radiofrequenza)

PRO:

  • Può distinguere gli oggetti e capire che si tratta di oggetti diversi
  • Ampio intervallo se vengono utilizzati tag alimentati
  • I tag passivi possono essere molto piccoli, facili da aggiungere agli oggetti mdi uso comune (anche alle stampanti)

CONTRO:

  • Rilevano la distanza sommariamente restituendo un dato non utilizzabile
  • Quando si percepisce un oggetto non si riesce a stabilire la direzione in cui si trova
  • Può percepire solo gli oggetti se sono stati aggiunti manualmente

La tecnologia RF e la relativa sensoristica è oggetto di integrazione, da diversi anni, in antifurti veicolari, sistemi di identificazione a radiofrequenza, i sistemi di giuda automatica e anticollisione nell’automotive. Questi sono solo alcuni dei più noti esempi applicativi. Il segnale RF è un importante mezzo di innovazione in innumerevoli applicazioni, ma in particolare in quelle relative alla sensoristica. La stessa sensoristica si è molto evoluta negli ultimi anni, sia in termini dimensionali, sia in termini di integrazione. Un altro aspetto interessante della sensoristica è quello di utilizzare proprio il campo RF per implementare la funzionalità di sensing, in particolare quella che non implica il contatto tra il sensore e l’oggetto di misura.

Qui potete vedere la versione per arduino, venduto da Amazon a circa 7 euro.

 

Sensori ad ultrasuoni

PRO:

  • Capace di misurare la distanza dall’oggetto (fino a 6,5 ​​m)
  • Non sono compromessi dalla luce solare diretta

CONTRO:

  • Le letture possono essere compromesse dalla forma, dalla densità e dalla trama dell’oggetto. Ad esempio, la schiuma spesso causa letture inaccurate.
  • Impossibile identificare un oggetto
  • Può essere rumoroso in ambiente casalingo
  • Poco resistente agli agenti atmosferici, potrebbe non funzionare all’aperto.

Il suono è un fenomeno naturale che comunica informazioni ad ogni essere umano sul suo ambiente, senza contatto e da diverse distanze. I sensori ad ultrasuoni  si servono delle caratteristiche del suono. Oggetti e distanze vengono rilevati con precisione e questo con eccezionale soppressione del suono di fondo e immunità a molti tipi di sostanze estranee nell’ambiente.

Qui potete vedere la versione per arduino, venduto da Amazon a circa 10 euro.

 

Sensori capacitivi

PRO:

  • Può rilevare qualsiasi materiale (con sensibilità variabile)
  • Può rilevare oggetti attraverso altre sostanze come vetro o plastica
  • Non è necessario il contatto diretto

CONTRO:

  • Rilevamento  binario con il metodo “on / off”
  • Non misura la distanza da un oggetto
  • L’acqua attorno al sensore può interferire con le letture poiché l’acqua ha un’elevata costante dielettrica
  • Portata limitata (~ 1 cm)

Il sensore di prossimità capacitivo viene utilizzato per il rilevamento senza contatto di oggetti metallici e non metallici come liquidi, polvere e materiali granulari; può anche rilevare materiali attraverso pareti di vetro o plastica.
Si noti che la distanza di rilevamento standard si basa su una forma standard che si avvicina al sensore in modo standard. La distanza di rilevamento reale varierà in base alla forma, allo spessore e al tipo di materiale rilevato. È possibile regolare la distanza operativa ruotando una vite posta all’estremità inferiore del sensore.

Ecco il sensore capacitivo ad interruttore, venduto da Amazon a circa 8 euro.

 

Sensori induttivi

PRO:

  • Può rilevare oggetti metallici attraverso altre sostanze non metalliche
  • Può rilevare qualsiasi metallo
  • Non è necessario il contatto diretto

CONTRO:

  • Rileva solo oggetti metallici
  • Rilevamento  binario con il metodo “on / off”
  • Non misura la distanza
  • Portata limitata (~ 1 cm)

I sensori induttivi sono il genere che siamo abituarti a vedere. Si tratta dei sensori più utilizzati per determinare la distanza da piatto ad ugello.

Il sensore che siamo abituati a vedere è il sensore sensore di prossimità SN04-N. Induttivo significa che rileva la presenza di un oggetto metallico entro 5 mm dalla superficie del sensore. La distanza di rilevamento può variare leggermente in base alla forma, alle dimensioni e al tipo di metallo di cui è fatto l’oggetto. Può rilevare attraverso materiali sottili e non metallici e dispone di un indicatore LED che si accende quando il dispositivo è alimentato e aumenta la luminosità quando viene rilevato un oggetto.
Esistono anche altri sensori induttivi, leggermente più dispendiosi che aumentano di poco la distanza di rilevamento.
Il sensore induttivo SN04-N è acquistabile per circa 6 euro, ecco il perchè di così tanto successo.

 

Sensori visivi

PRO:

  • Potenziale per identificare gli oggetti e differenziarli per colore, forma, consistenza.
  • La differenziazione degli oggetti non richiede il tagging come per RFID

CONTRO:

  • Impegnativo da parte software
  • Non è possibile trovare la distanza senza una conoscenza preliminare dell’oggetto (ad esempio la dimensione).

I sensori visivi sono sostanzialmente delle telecamere. Possono trarre moltissime informazioni dalla gamma della luce visibile. Qui possiamo spaziare dal riconoscimento facciale, degli oggetti e via dicendo. Questa mole di informazione può non essere di facile interpretazione e richiedere una programmazione iper complessa per arrivare ad un risultato.

Per Arduino possiamo implementare un  sensore di immagine apposito, Pixy Cam. Di dimensioni circa 50 x 50 mm è un dispositivo di visione che può rapidamente essere programmato come “cerca oggetti” o “identifica oggetti”, collegandosi direttamente ad Arduino e altri controller. Un ottimo impiego è quello della robotica per l’implementazione intelligente del riconoscimento oggetti, con conseguente azione del raccogliere un oggetto, inseguire una palla, localizzare una stazione di ricarica. PixyCam elabora un intero frame immagine 640×400 ogni 1/50° di secondo (20 millisecondi), ottenendo così un aggiornamento completo delle posizioni di tutti gli oggetti rilevati ogni 20ms.

Pixy Cam è acquistabile su Amazon, ecco come trovarla!

 

Sensore  fotoelettrico

PRO:

  • Funziona con qualsiasi oggetto in grado di impedire al raggio laser di raggiungere il rilevatore
  • Ampia gamma di rilevamento (fino a 10 m)

CONTRO:

  • Il rilevamento è binario
  • Non offre capacità di rilevamento della distanza
  • Impossibile identificare gli oggetti
  • Progettato per l’uso in una posizione fissa (ad esempio sistema di allarme)

Un sensore fotoelettrico, anche noto come fotocellula, è un dispositivo utilizzato per rilevare e/o misurare la distanza, assenza o presenza di un oggetto utilizzando una sorgente ottica, solitamente infrarossa o laser, e un ricevitore fotoelettrico. Sono molto impiegati nell’automazione industriale e in applicazioni civili. Ci sono sostanzialmente tre principi di funzionamento: a barriera, a catarifrangente, e a riflessione diretta.

Gli emettitori sono quasi sempre dei LED grazie alla loro economicità, affidabilità e durata. Nella maggioranza dei casi viene utilizzata la luce infrarossa perché rispetto ai LED a luce visibile, sono più potenti, meno influenzabile dalla luce ambiente, meno sensibile al colore dell’oggetto (nel caso di sensori a tasteggio diretto). Nelle versioni a catarifrangente vengono spesso utilizzati LED a luce rossa visibile per facilitare il puntamento. È in aumento l’utilizzo del LED Laser, soprattutto nelle versioni a tasteggio diretto e catarifrangente. I LED a luce verde, blu, bianca e ultravioletta sono utilizzati quasi esclusivamente in versioni dedicate ad impieghi di nicchia.

Sono molto economici, qui possiamo vedere quello in foto, acquistabile da Amazon a meno di 9 euro!

 

Sensori di contatto

PRO:

  • Molto semplice e affidabile
  • Funziona per qualsiasi oggetto fisicamente capace di toccare contro l’interruttorino
  • Sono disponibili anche interruttori di contatto magnetici

CONTRO:

  • Ha un campo di rilevamento molto limitato che richiede che l’oggetto rilevato prema contro lo switch
  • Non offre capacità di rilevamento della distanza, anche perchè quando scatta la distanza è 0
  • Impossibile identificare gli oggetti

Questo sistema a contatto è in assoluto il più utilizzato per la stampa 3d, perchè è facile da installare, estremamente economico e pratico. Questo Finecorsa meccanico è perfetto per qualsiasi stampante 3D ma è anche molto utilizzato su macchine CNC e altre applicazioni elettroniche.
I 3 cavi sono per per segnale, + 5V e terra.

Esiste anche la versione magnetica di questi interruttori, che invece di utilizzare un pulsante fisico usano un metallo come stop. In sostanza però non cambia molto tra le 2 versioni. Questo interruttore gestisce spazi fino a 12 mm  tra il magnete e l’interruttore. L’interruttore attiva l’ingresso digitale quando il magnete si trova entro 12 mm dall’interruttore e si spegne quando si rompe il contatto spostando il magnete a più di 13 mm.

Potete trovare gli Endstop di ricambio per la vostra stampante ad un prezzo irrisorio, meno di 2 euro cadauno!

Ci sono poi un’altra serie di sensori di contatto, nati per essere usati con la stampa 3D. Questi sono il BLTouch e tutte le imitazioni che sonon state prodotte.
Abbiamo recensito il BLTouch in questo articolo molto approfonditamente. Si tratta di un sensore a contatto per il piano Z della nostra stampante. Se non l’avete mai sentito nominare vi consiglio la lettura dell’articolo.

Conclusioni

Questa non è affatto una tabella completa dei sensori disponibili ne dei pro e dei contro di ciascun sensore. Abbiamo solo evidenziato le principali differenze e speriamo che possa essere di aiuto a tutti i maker per il prossimo progetto. Molti di questi sensori hanno applicazioni consolidate e comuni. I sensori ad ultrasuoni spesso trovano impiego nei sistemi di prevenzione degli ostacoli su robot autonomi di piccole dimensioni e la tecnologia RFID ha numerose applicazioni dall’identificazione dell’utente alla gestione di magazzino. Queste applicazioni sono l’uso comune, ma non abbiate paura di far viaggiare la fantasia e di applicare questi sensori in modo creativo. Potreste creare la prossima grande innovazione tecnologica!


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