Mecatrónica
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Mecatrónica Módulo 5 - 8 Componentes mecatrónicos, Sistemas y funciones de la mecatrónica, La puesta en marcha, seguridad y teleservicio, Mantenimiento y diagnóstico Libro de Texto (Concepto) Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu Colaboradores en la elaboración y aprobación del concepto conjunto de eseñanza: Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland – Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn IMH, Spanien VUT Brno, Tschechische Republik CICmargune, Spanien University of Naples, Italien Unis, Tschechische Republik Blumenbecker, Tschechische Republik Tower Automotive, Italien Bildungs-Werkstatt gGmbH, Deutschland VEMAS, Deutschland Concepto conjunto de enseñanza: Libro de texto, libro de ejercicios y libro de soluciones Módulo 1-8: Fundamentos / Competencia intercultural y administración de proyectos / Técnica de fluidos / Accionamiento y mandos eléctricos / Componentes mecatrónicos / Sistemas y funciones de la mecatrónica / La puesta en marcha, seguridad y teleservicio / Mantenimiento y diagnóstico Módulo 9-12: Prototipado Rápido/ Robótica/ Migración Europea/ Interfaces Todos los módulos están disponibles en los siguientes idiomas: Alemán, Inglés, español, italiano, polaco, checo, húngaro Más Información Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel: + 49(0)371 531-23500 Fax: + 49(0)371 531-23509 Email: [email protected] Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch oder www.minos-mechatronic.eu Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos Libro de Texto (Concepto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Universidad Técnica de Wroclaw, Polonia Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu Componentes mecatrónicos Minos Índice 1 Sensores inductivos 6 1.1 Fundamentos básicos 6 1.2 Fundamentos teóricos 7 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3. 7 9 10 10 13 14 Circuito de resonancia El circuito electrónico Fundamentos básicos de construcción Funcionamiento Coeficientes correctores Método de montaje 1.4. Sensores especiales 1.4.1 Sensor inductivo de anillo 1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad 1.4.3 Uso de sensores en condiciones adversas 16 16 17 18 1.5 Reconocimiento de la dirección del movimiento 19 1.6 Sensores NAMUR 20 1.7 Sensores inductivos analógicos 21 1.8 Corriente continua( CC) 22 1.9 Corriente alterna (AC) 23 1.10 Principios de conexión de los sensores 24 1.11 Medidas de protección y seguridad de sensores 26 1.12 Conexión de sensores a una red de comunicación 27 1.13 Aplicaciones 28 Componentes mecatrónicos Minos 2 Sensores capacitivos 29 2.1 Introducción 29 2.2 Fundamentos teóricos 30 2.3 Funcionamiento de un sensor capacitivo 32 2.4 Tipos de sensores capacitivos 35 2.5 Influencia del material del objeto 37 2.6 Compensación de interferencias 39 2.7 Aplicaciones 40 3 Sensores de ultrasonido 42 3.1 Fundamentos básicos 42 3.2 Fundamentos teóricos 3.2.1 Propagación de las ondas sonoras en el aire 3.2.2 Influencia ambiental 3.2.3 El transformador de ondas sonoras 3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas 43 43 46 47 50 3.3 Funcionamiento de un sensor de ultrasonido 3.3.1 Proceso de difusión 3.3.2 Modo unidireccional (through beam) 54 56 59 3.4 Fallos en el funcionamiento de sensores 3.4.1 Factores físicos 3.4.2 Factores de montaje 3.4.3 Sincronización de sensores 61 61 61 63 3.5 Sensores de ultrasonido especiales 3.5.1 Sensores reflexivos 3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble 64 64 67 3.6. Sensores de ultrasonido analógicos 69 3.7 Aplicaciones 70 Componentes mecatrónicos 4 Sensores fotoeléctricos Minos 76 4.1 Características de diseño 76 4.2 Elementos fotoeléctricos 4.2.1 Fundamentos de física 4.2.1.1 Luz 4.2.1.2 Propiedades de la luz 4.2.2 Fotoemisores 4.2.2.1 Diodo luminoso (LED) 4.2.2.2 Diodo láser (LD) 4.2.3 Fotodetectores 4.2.3.1 Fotodiodos 4.2.3.2 Detectores de posición (PSD) 4.2.3.3 Detectores CCD (dispositivo de cargas eléctricas interconectadas) 4.2.3.4 Fototransistores 78 78 78 80 82 83 86 88 91 91 92 93 4.3 Clases de sensores 4.3.1 Barrera de luz unidireccional (Through Beam) 4.3.2 Sensores retroreflectivos 4.3.3 Filtro de luz 94 94 96 99 4.4 Procesamiento de señales 4.4.1 Fuentes de interferencias 4.4.2 Prevención de interferencias 4.4.2 1 Modulación de la luz 4.4.2.2 Polarización de la luz 4.4.3 Margen de operación 4.4.4 Distancia de trabajo 4.4.5 Tiempo de respuesta 101 101 103 103 104 106 109 111 4.5 Tipos especiales de sensores optoelectrónicos 4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados 4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo 4.5.3 Sensores retroreflectivos con auto colimación 4.5.4 Sensores de fibra óptica 4.5.4.1 Fibra óptica 4.5.4.2 Funcionamiento 112 112 113 117 118 118 121 4.6 Tecnología de conexión 4.6.1 Tipos de conexiones 4.6.2 Conmutación de la salida del sensor 123 123 124 4.7 Aplicaciones 126 Componentes mecatrónicos Minos 5 Sensores de campo magnético 128 5.1 Fundamentos básicos 128 5.2 Fundamentos físicos 5.2.1 Campo magnético 5.2.2 Contacto Reed 5.2.3 El efecto Hall 5.2.4 Magnetorresistencia 5.2.5 El efecto Wiegand 129 129 132 134 135 136 5.3 Sensores de campo magnético con contacto Reed 137 5.4 Sensores Hall 140 5.5. Sensores especiales de campo magnético 5.5.1 Sensores magnetoresistentes 5.5.2 Sensores Wiegand 5.5.3 Sensores de campo magnético con un imán 141 141 142 144 5.6 Reglas de montaje 145 5.7 Aplicaciones 146 Componentes mecatrónicos Minos 1 Sensores inductivos 1.1 Información básica Los sensores inductivos son los sensores que se utilizan más frecuentemente en sistemas automáticos para controlar la posición y el movimiento de los mecanismos que dirigen las máquinas y equipamiento. Su estructura compacta, fiabilidad y fácil instalación hacen su uso muy popular. Cuando un objeto metálico se encuentra en la zona de acción del sensor, el estado o el valor de la señal de salida del sensor varía. Un sensor inductivo está formado por los siguientes componentes básicos (Fig. 1.1): la cabeza que incluye una bobina de inducción con un núcleo de ferrita, un generador de corriente sinusoidal, un circuito de detección (comparador) y un amplificador de salida. Un circuito de inducción formado por la bobina y el núcleo de ferrita genera en torno al extremo del sensor un campo electromagnético variable de elevada frecuencia. Este campo induce una corriente de Focaoult (o corriente parásita) en el objeto metálico situado cerca del sensor. Esto produce una carga del circuito de inducción, disminuyendo como consecuencia la amplitud de oscilación. El cambio en la amplitud depende de la distancia entre el objeto de metal y el extremo del sensor. Si el objeto alcanza una distancia característica, la señal de salida cambia. En sensores analógicos el valor de la señal de salida es inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. OBJETO CABEZA DEL SENSOR GENERADOR Figura 1.1: Esquema de un sensor inductivo 6 SISTEMA DE DETECCIÓN SISTEMA DE SALIDA Componentes mecatrónicos 1.2 Fundamentos teóricos 1.2.1 Circuito de resonancia Minos La fuente de un campo magnético variable en sensores inductivos es una bobina de inducción. Si la corriente que fluye a través de la bobina varía en el tiempo, el campo magnético en la bobina es también variable. Estos cambios están relacionados con el fenómeno de la autoinducción, esto es, la creación de un voltaje adicional en la bobina que contrarresta los cambios de la corriente. La energía eléctrica acumulada en los circuitos de resonancia se debe diferenciar entre la energía EL del campo magnético de la bobina de inducción y la energía Ec del campo eléctrico del condensador cargado. La energía total se mantiene siempre constante: E = EL + Ec = const. (Fig. 1.2). En la etapa inicial el circuito LC, integrado por la Bobina L y el condensador C, está abierto y la energía se encuentra almacenada en los electrodos del condensador cargado (1). Al cerrar el circuito eléctrico, el condensador comienza a descargarse y la corriente I comienza a fluir por el circuito. La intensidad de corriente pasa tener valor cero a la intensidad máxima Imax. Toda la energía del condensador se almacena en la bobina (2). Aunque el condensador ya está descargado, la corriente fluye en el circuito en la misma dirección. La corriente procedente de la autoinducción en la bobina, carga el condensador y la energía se transfiere de nuevo a este. Cuando la carga en el condensador es máxima la energía desaparece del circuito(3). El estado en la última fase es similar al de la etapa inicial, solo que en esta fase el condesador está cargado de manera inversa y la corriente fluye en sentido contrario. En todo circuito LC se producen las oscilaciones del campo eléctrico del condensador y del campo magnético de la bobina. Figura 1.2: Oscilaciones en un circuito LC 7 Minos Componentes mecatrónicos En la realidad se producen siempre pérdidas adicionales de energía en todo circuito LC debidas a la propia resistencia de la bobina y el condensador. Estas se representan con la letra R. Como resultado de estas pérdidas las oscilaciones en un circuito con una resistencia RLC desaparecen (Fig. 1.3). Las oscilaciones del circuito pueden mantenerse constantes cuando este sea alimentado por una fuente externa de voltaje sinusoidal. Cuando la frecuencia de la fuente externa es igual a la frecuencia propia del circuito LC la amplitud alcanza su valor máximo. f – frecuencia de la fuente externa sinusoidal , f0 – frecuencia propia del circuito LC no amortiguado, L – inductividad [Henry], C – capacidad [Farad]. Bajo esta condición se produce la resonancia de las tensiones. Cuanto mayor sea el factor de calidad del circuito, mayor será la amplitud de las oscilaciones. El factor de calidad Q es una medida de las pérdidas generadas por la resistencia R en los elementos L y C. En un circuito sin pérdidas bajo condiciones de resonancia la resistencia R sería infinitamente grande. Cuanto mayor sean las pérdidas en el circuito, más pequeña será la resistencia y el factor de calidad será menor. Figura 1.3: Oscilaciones de circuitos LC y RLC : a) circuito LC no amortiguado; b) circuito RLC sin fuente externa; c) circuito RLC alimentado por una fuente externa sinusoidal 8 Componentes mecatrónicos 1.2.2 El circuito eléctrico Minos En generadores que presentan un circuito de resonancia formado por una bobina y un condensador se emplean también amplificadores operacionales o transistores para mantener las oscilaciones. Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: de fases y de amplitud. La condición de fases implica que la fase de la tensión de entrada sea igual a la fase de la tensión de salida. La condición de amplitud requiere que el amplificador compense en su totalidad el amortiguamiento en el circuito de resonancia. En este caso el generador mismo produce la señal que mantiene las oscilaciones. Las condiciones de fases y de amplitudes se cumplen cuando el circuito LC está dividido correctamente o se utiliza un transformador acoplado. Las oscilaciones de tensión y corriente se generan en el circuito LC formado por una bobina y un condensador. La corriente conectada al circuito LC le transmite una parte de su energía mediante la carga del condensador y mantiene las oscilaciones en el circuito. Cuando la energía suministrada es igual a la energía que se pierde, se alcanza el equilibrio y la amplitud en el circuito LC se mantiene constante así como las oscilaciones no son amortiguadas ( Fig. 1.4a) La señal de salida depende del factor de calidad Q del circuito de resonancia. Cuanto menor sea el factor de calidad, la señal de salida será menor (Fig. 1.4b). Los generadores LC generan vibraciones cuya frecuencia es mayor que unas pocas decenas de miles de hercios. Cuando la frecuencia es menor, se requiere una inductividad L del circuito de resonancia demasiado grande. En este caso es difícil alcanzar un elevado factor de calidad y las bobinas son de un tamaño relativamente grande. Figura 1.4: El circuito electrónico: a) Generador LC con un amplificador que compensa el amortiguamiento en el circuito, b) nivel de la señal de salida para diferentes valores de Q. 9 Componentes mecatrónicos Minos 1.3 Fundamentos básicos de construcción 1.3.1 Funcionamiento La parte activa de un sensor inductivo contiene una bobina enrollada en torno a un núcleo de ferrita que crea un campo magnético. El núcleo de ferrita con el circuito magnético abierto intensifica el campo de la bobina y lo orienta hacia la zona de medida del sensor. Al cambiar el campo magnético se genera un campo eléctrico. Cuando un conductor se encuentra en este campo eléctrico variable, un campo magnético aparece en torno a las líneas del campo eléctrico (Fig. 1.5), que contrarresta al campo magnético de la bobina y sustrae una parte de la energía del circuito de resonancia. El valor del factor de calidad se reduce porque las pérdidas en el circuito de resonancia se modifican. Mientras que el conductor se encuentre en el campo magnético de la bobina, la amplitud de la oscilación sera amortiguada. Si se elimina el conductor, se reduce la amortiguación hasta que la amplitud alcanza el valor inicial. conductor Campo magnético de corrientes eddy Campo magnético de la bobina Bobina Amplitud Amplitud Núcleo ferromagnético Tiempo Tiempo Figura 1.5: Objeto metálico en el campo magnético de una bobina con el núcleo de ferrita. 10 Componentes mecatrónicos Minos El circuito electrónico de un sensor determina la distancia entre el objeto y la bobina en base al grado de amortiguamiento y genera la señal de salida. En la mayoría de los casos la señal tiene dos estados: el objeto se encuentra en el campo del sensor o fuera de este. En ocasiones la señal es también análoga e inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. El circuito electrónico del sensor contiene también un comparador con histéresis y un sistema de salida. La histéresis evita las interferencias en la señal de salida que se producen al cambiar el estado, cuando el metal es inestable o la tensión y la temperatura oscilan. La histéresis es la diferencia entre la distancia a la cual el sensor reacciona cuando el objeto metálico se acerca y la distancia a la cual el sensor reacciona cuando el objeto se aleja. El estado del sensor cambia de apagado a encendido (Off-On) (Fig.1.6) El valor de la histéresis depende de la clase de sensor y de su tamaño y es menor que el 20% del rango de medida. Cuando hay histéresis, cualquier objeto situado en la límite de la zona de influencia del sensor será también detectado. Algunos sensores señalizan esto a través de un diodo luminoso. Los generadores LC en sensores inductivos son normalmente de alta frecuencia (HF-high frequency) entre 100 kHz-1MHz. Cuanto más grande sea el diámetro de la bobina, mayor será la capacidad de carga y menor será la máxima frecuencia. El area de acción típica de los sensores inductivos es menor de 60 mm. La carcasa del sensor es cilíncrica o cuadrática, de metal o plástico, haciendo posible un montaje fácil. Metal Figura 1.6: Histéresis de un sensor inductivo 11 Minos Componentes mecatrónicos El campo magnético generado por la bobina abarca un área que determina la zona de acción de un sensor inductivo. La distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual el estado de salida se ve modificado se denomina la zona nominal de trabajo Sn. Este valor se proporciona en los catálogos y se determina de acuerdo a la norma EN 60947-5-2 para una placa de acero (St37), de anchura igual al diámetro del sensor y 1 mm de espesor. La zona real de trabajo Sr se determina durante el proceso de fabricación y puede diferenciarse ligeramente de la zona nominal de trabajo Sn. Para tension nominal y temperature nominal el valor de Sr se encuentra limitado dentro del rango 0.9Sn ≤ Sr ≤ 1.1Sn . En la zona de trabajo Sa ≤ 0.8Sn, que determina la distancia más segura entre el objeto y el sensor, ya que en esta zona se puede trabajar sin problemas derivados de la temperatura y cambios de la tensión, independientemente de la zona real de trabajo proporcionada por el fabricante. La zona nominal de trabajo Sn depende del diámetro D (Fig. 1.7) y de las propiedades del núcleo. Cuanto más pequeño sea el sensor, menor será la zona nominal de acción. Existen también configuraciones especiales con una zona nominal de trabajo mayor. Figura 1.7: Relación entre el diámetero de la bobina y su zona nominal de trabajo en sensores inductivos estándar. 12 Componentes mecatrónicos 1.3.2 Coeficientes correctores Minos La amortiguación del circuito de resonancia depende del material a partir del cual fue fabricado el objeto detectado. Aquellos materiales que presentan una resistencia eléctrica menor que el acero St37 como el oro, cobre o aluminio amortiguan las oscilaciones del circuito de resonancia en menor grado. Estas diferencias se pueden compensar con la limitación de la zona nominal de trabajo. Si el metal detectado es latón se debe multiplicar la zona nominal de trabajo del sensor Sn para acero St37 por un coeficiente de corrección de 0,5 (Fig. 1.8). La sensibilidad del sensor depende de su construcción. Existen dos construcciones básicas de sensores cilíndricos: - cubierto: la bobina del circuito de resonancia está insertada en una funda que determina el límite del sensor. - no cubierto: la bobina se encuentra dentro de una caja protectora de plástico. Los sensores con una bobina no cubierta son más sensible ante la presencia de objetos metálicos cercanos. Acero St37 Cromo acero inoxidable Latón Aluminio Oro Figur 1.8: Coeficientes de corrección para diferentes materiales del objeto detectado. 13 Componentes mecatrónicos Minos 1.3.3 Método de montaje Si se siguen las instrucciones de montaje descritas a continuación no se deben producir disturbaciones en el funcionamiento del sensor a causa del ambiente o de la influencia de otros sensores. El tamaño y forma de la zona libre requerida cercana al sensor dependen de la zona de trabajo del sensor, su construcción y el tamaño del objeto detectado (Fig. 1.9a). El diámetro del núcleo y la bobina depende del tamaño de la carcasa cilíndrica (funda metálica). Por ello existe una conexión tan fuerte entre el diámetro de la carcasa, la zona de trabajo del sensor y la zona libre requerida, donde tan solo puede encontrarse el objeto metálico a detectar. Los sensores con bobina oculta presentan una zona de trabajo mayor y por tanto la zona libre debe ser también mayor. Un sensor cilíndrico cubierto es sensible sólamente a los objetos metálicos que se encuentren frente a él. Por ello estos sensores pueden instalarse en elementos metálicos. La zona libre queda determinada por la distancia equivalente a 3Sn (Fig. 1.9b).). Para evitar evitar la interferencia mutua entre sensores, la distancia mínima entre estos debe ser mayor de 2xD. Un sensor cilíndrico no cubierto es sensible a los objetos metálicos situados a su alrededor desde tres lados. Por ello el sensor debe sobresalir algo, de tal manera que la zona libre pueda detectar los lados del sensor. En este caso para evitar interferencias mútuas la distancia mínima entre sensores debe ser mayor de 3xD. Objeto detectado Figura 1.9: Sensores de inducción con una bobina cubierta y no cubierta, a) características; b) consejos de instalación 14 Componentes mecatrónicos Minos En la especificación técnica de cada sensor se describe la máxima frecuencia de cambio de la señal de salida. Esta especifica el número de cambios en la salida durante un segundo cuando objetos metálicos de acero St37 aparecen y desaparecen de forma cíclica en la zona de trabajo del sensor. Para determinar esta frecuencia son aplican los requisitos técnicos dados en la norma EN 50 010/IEC 60947-5-2 . Estos requisitos se refieren al tamaño de los objetos detectados, la distancia entre el objeto y el sensor y la relación entre la longitud del objeto y la distancia entre los objetos. En materiales no conductores se debe instalar una lámina cuadrada de acero St37 cuya anchura es igual al diámetro del sensor y que tiene 1 mm de espesor. La distancia entre esta lámina y el sensor debe ser la mitad de la zona nominal de trabajo Sn (Fig. 1.10). El método de medida de acuerdo a la norma EN 50010 se basa en a relación conocida 1:2 entre la longitud del objeto y la distancia entre objetos. Esto garantiza que los objetos cercanos no ejerzan ninguna influencia en las características del sensor del campo magnético. La frecuencia máxima de la señal de salida se calcula a partir de la siguiente fórmula. f = 1 /(t1 + t2) t1 – tiempo necesario para recorrer la longitud de la lámina, t2 – tiempo necesario para recorrer la distancia entre láminas El resultado de una medida depende siempre del tamaño del objeto, de la velocidad y de la distancia entre el objeto y el sensor. Al usar un objeto menor que la lámina estándar o una distancia menor entre laminas, se reduce la frecuencia máxima de la velocidad de salida. Figura 1.10: Requisitos según la norma EN 50010 para la determinación de la frecuencia maxima de la señal de salida de un sensro inductivo. 15 Componentes mecatrónicos Minos 1.4 Sensores especiales 1.4.1 Sensor inductivo de anillo La zona de trabajo de los sensores inductivos de anillo se encuentra dentro de la carcasa del anillo. Estos sensores detectan objetos de metal que pasan a través de una apertura en su carcasa. Se utilizan normalmente para detectar y contar pequeños objetos metálicos (tornillos, tuercas). Las carcasas de estos sensores de anillo son de plástico. La forma de actuación de un sensor de anillo se basa en un oscilador de alta frecuencia que crea un campo electromagnético en la obertura del sensor. Se utiliza un núcleo toroidal con un factor de calidad mayor que el de la ferrita. La presencia del objeto metálico produce una disminución en la amplitud de oscilación. El comparador reconoce estos cambios y cuando el valor límite es superado se conmuta la señal de salida. La zona de trabajo del sensor depende del diámetro , de la apertura del sensor y del tamaño y clase del objeto. El sensor funciona cuando el campo magnético está suficientemente amortiguado. Si los objetos son muy pequeños el amortiguamiento puede ser también muy pequeño. Por ello existe una longitud mínima o un diámetro mínimo de objeto para cada tamaño de sensor. (Fig. 1.11b). Una ventaja de los sensores de anillo es que los objetos atraídos no deben realizar la misma trayectoria. Gracias a la zona de acción del anillo los objetos pueden ser detectados independientemente de su orientación, por ejemplo objetos que caen a través de un tubo de plástico. Diámetro Diametro del objeto [mm] longitud Diametro del orificio del sensor [mm] Figura 1.11: Sensor inductivo de anillo. a) construcción; b) relación entre el tamaño del sensor y el tamaño mínimo del objeto detectado. 16 Componentes mecatrónicos 1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad Minos Los procesos de soldado requieren elevadas cantidades de corriente. La corriente que fluye a través del equipo de soldado produce un fuerte campo magnético variable a su alrededor. Cuando un sensor inductivo se encuentra en la zona de soldado puede ocurrir que la señal de salida sea modificada incontroladamente debido a la influencia del campo magnético sobre la intensidad de saturación. Además se induce una tensión adicional en la bobina que deteriora el trabajo del oscilador y puede producer un cambio del estado de la señal de salida. Durante la soldadura se producen también numerosas chispas que pueden dañar la carcasa del sensor. Debido a esto los sensores que deben ser instalados cerca de equipos de soldado se hacen de plomo y están recubiertos por una capa protectora de teflón. Su lado frontal se haya reforzado con materiales termoplásticos resistentes a altas temperaturas. Los sensores tienen un núcleo con una permeabilidad magnética pequeña (Fig. 1.12) que permite un diseño especial del circuito eléctrico para evitar un encendido erróneo. Estos núcleos están compuestos de acero sinterizado y se saturan en un campo magnético que debe ser algo más denso que en el caso de los núcleos de ferrita. El sensor no se ve influenciado por el campo externo magnético debido a que el campo magnético propio puede acumularse y regularse mejor. Los sensores sin núcleo son especialmente insensibles a la influencia del campo magnético externo, ya que el núcleo concentra el magnetismo externo en los sensores normales. Puesto que no hay núcleo la bobina se envuelve en un rollo de plástico. Bobinas de plástico bobina Baja permeabilidad Figura 1.12: Sensores inductivos insensibles a campos magnéticos 17 Minos 1.4.3 Componentes mecatrónicos Uso de sensores en condiciones adversas Si se utilizan sensors estándar bajo condiciones adversas pueden producirse fallos en el funcionamiento o incluso puede dañarse el sensor. Para hacer los sensores aptos a trabajar en condiciones adversas se pueden aplicar diferentes medidas: se utilizan materiales especiales para la carcasa, se aumentan las dimensiones de los sensores, se aplican mecanismos especiales de montaje, se protegen los circuitos electrónicos o se modifica su construcción. Los fabricantes de sensores ofrecen entre otros los siguientes tipos de sensores especiales para condiciones adversas: – sensores resistente a altas temperaturas ( hasta 200°C) – sensores resistentes a compuestos químicos – sensores resistentes a aceites – sensores resistentes a la humedad – sensores en miniatura con una cabeza de entre 3 mm y 5 mm Los sensores que operan bajo elevada presión deben disponer de una carcasa resistente y hermética para proteger los elementos internos electrónicos. La superficie frontal del sensor se protege con una superficie cerámica resistente al desgaste. Dicha construcción supone un desplazamiento de la bobina y por ello la zona de trabajo será más pequeña. El oscilador se debe modificar para evitar este efecto. Bajo condiciones normales un sensor modificado tendría de esta manera una zona de trabajo considerablemente más grande que los sensores estándar. El disco cerámico se une por conexion térmica a la carcasa metálica de acero inoxidable. Al enfriarse la carcasa calentada está se queda sujeta al disco estableciéndose una junta hermética. 18 Componentes mecatrónicos 1.5 Reconocimento de la dirección de movimiento Minos Un par de sensores inductores pueden reconocer los movimientos rotatorios o lineares. En el movimiento de rotación la rueda dentada cambia la señal de salida (Fig. 1.13). Las señales del sensor son procesadas por el discriminador y determinadas por el cambio de fase. Cuando la rueda dentada gira hacia la izquierda, se recibe primero la señal 1 y la señal de salida L es activada en el discriminador. Si la rueda gira hacia la derecha, se recibe primero la señal 2 y después se activa la señal R. El reconocimento del movimiento lineal se realiza de manera similar con un sensor de anillo biestable. El sensor presenta dos bobinas que se encuentran al lado una de otra y que presentan diferente suministro de corriente. La intensidad de corriente puede ser por tanto distinta en cada bobina. Si el objeto viene del lado de la izquierda se amortiguará primero el circuito eléctrico de la primera bobina y a continuación el de la segunda. Si el objeto viene de la parte derecha los circuitos eléctricos serán amortiguados en sentido contrario. El módulo de medida reconoce la dirección de movimiento del objeto según la intensidad de corriente en las bobinas. Figura 1.13: Reconocimiento de la dirección de movimiento con dos sensores estándar o un sensor biestabil. 19 Componentes mecatrónicos Minos 1.6 Sensores NAMUR Los sensores inductivos NAMUR presentan dos líneas y trabajan con un amplificador externo. La resistencia de los sensores NAMUR varía en función de la presencia de objetos metálicos. Una resistencia pequeña se produce cuando no hay ningún metal presente, y asimismo una resistencia grande implica la presencia de un metal. Una propiedad de los sensores NAMUR es el rango de salida que comprende 1,2 hasta 2,1 mA (norma EN 60947-5-6). Los sensores NAMUR con el mismo suministro de corriente tienen la misma característica de corriente y una histéresis de cambio exacta de 0,2 mA Los sensores NAMUR presentan un oscilador con bobina amortiguada y un demodulador. Cuando la distancia entre el objeto y el sensor cambia se modifica la corriente absorbida, lo que es conmutado por el amplificador en una señal biestable. Si los sensores NAMUR trabajan en una zona de peligro de explosión el amplificador no puede emitir ninguna chispa o este debe de situarse fuera de la zona de peligro de explosión. Si la corriente en el circuito eléctrico del sensor es menor de 0,15 mA, esto significa para el amplificador que no hay señal. Si la intensidad es mayor de 6 mA, esto significa “cortocircuito en el sensor”. corriente corriente máxima no humedad zona permitida humedad Desconexión Figura 1.14: Sensor tipo NAMUR: a) característica; b) circuito eléctrico 20 Componentes mecatrónicos 1.7 Sensores inductivos analógicos Minos Los sensores estándar solo detectan si un objeto metálico está presente o no. Los sensores inductivos analógicos registran la posición del objeto en la zona de trabajo del sensor. Cuando el objeto se mueve de 0 a Sn la señal de salida cambia de 0 a 20 mA. El campo magnético variable producido por el circuito de resonancia es amortiguado por el objeto metálico que se encuentra en la zona de trabajo del sensor. Cuanto más cerca se encuentre el sensor del objeto, mayor será la amortiguación. Un oscilador con un diseño especial hace possible la amortiguación del circuito de resonancia al cambiar la distancia y el factor de calidad. Gracias al sistema de linealización la señal de salida es prácticamente linear (Fig. 1.15). Los gráficos mostrados en la figura corresponden al acero St37, ya que este acero presenta la mayor zona de trabajo. Si se emplean metales de una permeabilidad magnética menor deben aplicarse los coeficientes correctores adecuados. La mayoría de los sensores presentan una característica casi linear en la totalidad del rango de medida (zona marcada en el gráfico en gris). Cabeza del sensor Generador Circuito de linearización Sistema de salida proud Figura 1.15: Sensor análogo inductivo. 21 Componentes mecatrónicos Minos 1.8 Corriente continua (CC) Los sensores de corriente continua trabajan con una generador cuya tensión de salida oscila. Si las oscilaciones de amplitud son demasiado grandes no es possible predecir el comportamiento del sensor. El sensor funciona correctamente si las oscilaciones de la tensión son menores que el 10% de la tensión media ( Fig.1.16a). Esto es, se cumple lo siguiente: Uss ≤ 0.1UD Una oscilación momentánea de tensión no debe superar dicho rango. Para evitar esto se debe instalar un generador estabilizado o un condensador mayor. Las salidas de los sensores de corriente continua pueden tener una configuración NPN o PNP. En la configuración NPN la resistencia RL se conecta a la salida del sensor y al polo positivo del generador de corriente. En la configuración PNP la resistencia se conecta a la salida del sensor y al polo negativo (Fig. 1.16b). Ambas configuraciones presentan una función salida NO ( normal abierta) o NC (normal cerrada). Algunos sensores tiene una función salida complementaria NP o dos salidas independientes NO y NC. Figura 1.16: Sensores inductivos de corriente continua: a) Voltaje de la fuente de alimentación ; b) Conexión entre el sensor y la Resistencia RL 22 Componentes mecatrónicos 1.9 Corriente alterna Minos Los sensores de corriente alterna no pueden conectarse directamente a un generador de corriente alterna (Fig. 1.17). Si se conecta un sensor de corriente alterna a un generador de corriente alterna los circuitos electrónicos internos del sensor podría resultar dañados. Los sensores de corriente alterna se conectan en serie con la resistencia RL. Los sensores con dos conexiones requieren que se cumplan requisitos adicionales para el circuito eléctrico. Estos presentan un transistor que funciona como amplificador de la potencia. Al estar estos sensores conectados en serie la corriente fluye en el circuito aún estando el sensor apagado. Se produce una cierta pérdida de voltaje. Estos fenómenos son especialmente importantes cuando se conectan los sensores en serie o en paralelo. Cuando se ajustan las condiciones de los sensores con la corriente alterna se deben respetar los valores máximo y mínimo de la corriente especificados por el fabricante. Incorrecto Correcto Figura 1.17: Sensor de corriente alterna 23 Minos 1.10 Componentes mecatrónicos Principios de conexión de los sensores La conexión en serie o en paralelo de sensores posibilita la realización de diferentes configuraciones del equipo que pueden ser conectadas como una resistencia (Fig. 1.18). Así se puden obtener las funciones lógicas AND( y), OR(o) o NOR (No-OR). La función lógica AND garantiza que la señal de salida de un grupo de sensores aparezca cuando el estado de salida de todos los sensores es ON (encendido). La function OR garantiza que la resistencia RL no tenga alimentación de corriente cuando la señal de salida de todos los sensores de todos los sensores sea OFF (apagado). Los grupos de sensores pueden conectarse también en otro orden distinto para conseguir otras funciones lógicas. El número máximo de sensores conectados en serie dependen de la tensión de la fuente de alimentación, de la caída de tensión a la salida de los sensores y de la resistencia conectada. La tensión de la fuente de alimentación menos la caída de tensión a la salida de los sensores debe ser mayor que la tensión de trabajo mínima para la resistencia conectada. Figura 1.18: Conexión de sensores en serie (Función lógica AND) 24 Componentes mecatrónicos Minos La función OR garantiza que la señal de salida de un grupo de sensores aparezca cuando la señal de salida de al menos uno de los sensores esté ON( encendida). Los sensores conectados en paralelo realizan esta función (Fig. 1.19). El número de sensores conectados en paralelo con tres lineas e igual suministro eléctrico no está limitado de manera estricta. Se pueden conectar hasta 10 sensores en paralelo independientemente de la función de salida. Al conectar sensores de dos líneas en paralelo, se suman las corrientes que fluyen en el circuito, aún cuando los sensores estén apagados (debido a la conexión común con la resistencia). Este efecto puede significar un problema para la función. Por ellos los sensores con dos líneas no deben conectarse en paralelo. El número máximo de sensores que se pueden conectar depende de la suma de estas corrientes y de la resistencia. Figura 1.19: Conexión en paralelo de los sensores( función lógica OR) 25 Componentes mecatrónicos Minos 1.11 Protección y seguridad de sensores Es necesario proporcionar medidas de seguridad frente a los fallos de instalación o fallos que se pueden producir durante el funcionamiento de los sensores. Los dispositivos de protección eléctricos protegen los circuitos internos de los sensores de los siguientes fallos: – conexión de la fuente de alimentación en sentido inverso – cortocircuito en la salida – impulses cortos de la línea de alimentación – intensidad de corriente demasiado elevada Un cortocircuito no causa daños en sensores con una intensidad constante, incluso si estos se presentan de forma repetida y por un tiempo prolongado. En este caso son solo los diodos del sensor los que no funcionan. Después del cortocircuito el sensor funcionará de manera normal. En el caso de que la tensión del circuito pueda ocasionar daños a las personas los sensores con carcasa metálicas deben de ser provistos de una toma de tierra adicional. Cuando un sensor está conectado en serie con una resistencia, la corriente fluye en el circuito incluso cuando el sensor está apagado (Fig. 1.20). Esto puede bien dañar el sensor o producir una señal de salida OFF permanente. Para evitar estas situaciones se conecta una resistencia adicional en paralelo Rp. El valor de la Resistencia RP y la potencia de la resistencia P se pueden calcular mediante las siguientes fórmulas: RP=U/Imin P=U2/RP suministro de voltaje [V] Figura 1.20: La corriente Ip en el circuito de corriente alterna, cuando el sensor inductivo está apagado. 26 Componentes mecatrónicos 1.12 Conexión de sensores a una red de comunicación Minos Las redes de comunicación son la solución más moderna para la conexión entre sensores y aparatos de control. Las soluciones clásicas son reemplazadas por las redes de comunicación para evitar la gran cantidad de cables que estas requieren. Este concepto se basa en estaciones intermedias que recogen las señales del sensor y las mandan a la unidad principal (Fig. 1.21). Gracias a esta solución se pueden: – reducer costes significativamente, – aumentar la distancia entre el sensor y el aparato de control, – transmitir datos referentes a calibración y datos del sensor. Las redes más populares son las redes abiertas, ya que estas posibilitan el intercambio de información entre equipos procedentes de diferentes fabricantes. Las informaciones se intercambian de acuerdo a los procedimientos estándar (Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I). Gracias a las redes una parte de las señales se procesa a niveles inferiores ( más cercanos al proceso). Los aparatos básicos de la red son los módulos de entrada y salida (I/O) con diferentes interfaces. Cada módulo tiene una dirección de red y posibilita una transferencia rápida de datos. Esto es especialmente importante a nivel de los sensores , en los que el tratamiento de datos laborioso y las decisions se toman de manera muy rápida. Figura 1.21: Sistemas de comunicación con y sin profibus 27 Minos 1.13 28 Aplicaciones Componentes mecatrónicos Componentes mecatrónicos 2 Sensores capacitivos 2.1 Introducción Minos Los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico para detectar objetos en su zona de acción. Estos pueden detectar tanto objetos metálicos como objetos no conductores de la corriente (por ejemplo plásticos). Un sensor capacitivo puede detectar un objeto situado tras una capa de material no conductor. Por este motivo los sensores capacitivos se pueden emplear para detectar un líquido o granulado en el interior de un contenedor. Los sensores capacitivos generan una señal proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. La distancia de trabajo de un sensor capacitivo comprende 30 mm ( 60 mm para construcciones especiales). Cuando un objeto metálico o un dieléctrico aparece en el campo eléctrico del sensor la señal de salida se cambia a ON ( encendido). Un sensor capacitivo está compuesto de una cabeza con electrodos, un potenciómetro, un oscilador, un detector y un sistema de salida (Fig. 2.1). Los componentes activos del sensor capacitivo son dos electrodos metálicos que forman un condensador abierto. La capacidad del sensor varía cuando un objeto se aproxima al sensor. La señal de salida depende de la capacidad total, que es la suma de la capacidad básica del sensor y la variación en la capacidad producida por el objeto detectado. objeto electrodos potenciometro Oscilador Cabeza del sensor Detector sistema de salida Figura 2.1: Diagrama de un sensor capacitivo 29 Componentes mecatrónicos Minos 2.2 Teoretické základy Un condensador básico presenta dos electrodos situados uno enfrente del otro (Fig. 2.2a). Si los dos electrodos se encuentran en el mismo plano se obtiene un condensador abierto (Fig. 2.2b). Introduciendo un electrodo C cero entre los electrodos A y B, cuyo espesor se aproxima a cero, se obtienen dos condensadores conectados en línea. En un condensador abierto el electrodo intermedio reparte el campo eléctrico entre dos campos de dirección contraria. En este caso las capacidades de ambos condensadores son iguales y se calculan mediante la siguiente fórmula: donde: C – capacidad del condensador, S – área de los electrodos, εo – constante dieléctrica (para el vacío o aire), εr – constante del dieléctrico presente en el condensador, d – distancia entre los electrodos. Figura 2.2: a) condensador con electrodos A y B , b) condensador abierto con electrodos A y B en un mismo plano 30 Componentes mecatrónicos Minos Un objeto metálico que aparece en el campo electrostático del condensador abierto representará la función del electrodo intermedio C. La capacidad del sistema es mayor que la capacidad del condensador sin el electrodo intermedio (Fig. 2.3a). Los objetos no conductores (aislantes) que aparecen en el campo electrostático del condensador abierto aumentan su capacidad de manera proporcional a la constante dieléctrica del aislante (Fig. 2.3b). La capacidad del condensador aumentará debido a que la constante dieléctrica de medios líquidos o sólidos es siempre mayor que la constante dieléctrica del aire (εair =1) Material Conductor Material no coductor Figura 2.3: Campo eléctrico de un condensador abierto para materiales conductores y no conductores 31 Componentes mecatrónicos Minos 2.3 Funcionamiento de un sensor capacitivo Para generar un campo eléctrico simétrico el electrodo externo B tiene que tener forma de anillo y el electrodo A forma cilíndrica (Fig. 2.4). El objeto detectado actúa de electrodo intermedio C. La superficie externa del anillo B se toma como la superficie activa del sensor. Cuanto más lejos se encuentre el objeto del sensor, menor será la capacidad de éste. Elemento que está siendo detectado àrea activa del sensor área de medición carcasa Campo del sensor electrodo interno electrodo externo Figura 2.4: Campo eléctrico de un sensor capacitivo 32 Componentes mecatrónicos Minos La estructura de la capacidad del sensor depende siempre del tipo de objeto a detectar y de su toma de tierra. Los objetos no conductores tales como plásticos, papel o cristal aumentan la capacidad propia del sensor debido a que sus constantes dieléctricas son mayores que la constante dieléctrica del aire (Fig. 2.5a). El aumento de capacidad depende de la constante dieléctrica del objeto, pero esta presenta un valor pequeño. Por este motivo la zona de acción del sensor es también pequeña. Los objetos conductores sin toma de tierra forman dos condensadores adicionales (entre el objeto y el electrodo interno y entre el objeto y el electrodo externo) que se sitúan en serie (Fig. 2.5b). En este caso la zona de acción del sensor es mayor. Cuando el objeto a detectar es un conductor con toma de tierra la capcidad propia del sensor se conecta en paralelo con la capacidad adicional ( entre el objeto y el electrodo) (Fig. 2.5c). En este caso la zona de acción del sensor es mayor que en cualquier otro caso. objeto electrodo del sensor electrodo externo objeto electrodo del sensor electrodo externo objeto electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo externo electrodo del sensor Figura 2.5: Estructura de la capacidad del sensor para: a) objeto no conductor, b) objeto conductor sin toma de tierra, c) objeto conductor con toma de tierra 33 Componentes mecatrónicos Minos Los electrodos A y B están conectados a un oscilador de alta frecuencia (Fig. 2.1). El oscilador se encuentra operativo cuando no hay ningún objeto en el campo eléctrico del sensor. Cuando un objeto entra en este campo aumenta la capacidad entre los electrodos A y B y se conecta el oscilador. El detector analiza la amplitud de las vibraciones del oscilador y genera una señal para el conmutador. Entre el oscilador y el electrodo se encuentra un potenciómetro para determinar el punto de activación del oscilador. La zona nominal de acción Sn de un sensor capacitivo viene determinada por la distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual el estado de salida cambia (Fig. 2.6). Este valor se calcula para una lámina cuadrada de acero FE360 con toma de tierra. Su anchura debe ser igual al diámetro del sensor o tres veces Sn ( cuando esta sea mayor que el diámetro) y su grosor debe ser 1 mm. distancia de operación nominal zona de operación real para la operación nominal y la temperatuda constante (20°C) área del sensor activa dentro del diámetro d distancia de operación asegurada Objetivo estandarizado použitelná zóna působení Para 85 - 110% de la operación nominal y la temperatuda de trabajo Figura 2.6: Definiciones de las zonas de acción de un sensor capacitivo 34 Componentes mecatrónicos 2.4 Tipos de sensores capacitivos Minos Los sensores capacitivos tienen normalmente la forma de un cilindro o de un paralelepípedo. Su zona activa se encuentra en el extremo del sensor (Fig. 2.7). Hay dos tipos de sensores cilíndricos. Los sensores del primer tipo presentan una pantalla y una zona de acción en el extremo del sensor. Su extremo debe ser installado en la superficie de un metal o plástico (Fig. 2.8). Los sensores del segundo tipo tienen una pantalla y una zona de acción alrededor del mismo sensor. Estos sensores se utilizan cuando estos tienen contacto con el medio a detectar (líquido o granulado). Presentan una zona de acción 50% mayor debido a que su campo eléctrico es mayor. Hay diseños especiales como los sensores elásticos que pueden ser adheridos tanto a una superficie lisa como curva. Figura 2.7: Tipos de sensores capacitivos 35 Minos Componentes mecatrónicos Al installar sensores capacitivos deben seguirse las reglas mostradas en la Fig. 2.8 para evitar la influencia y perturbaciones del ambiente externo. Los sistemas de salida y cables de los sensores capacitivos son similares a los de los sensores inductivos. Los sensores capacitivos pueden tener dos, tres o cuatro líneas de corriente continua o alterna. Figura 2.8: Método de montaje de sensores capacitivos a) superficiales y b) no superficiales 36 Componentes mecatrónicos 2.5 Influencia del material del objeto Minos La zona de acción de un sensor capacitivo puede cambiar considerablemente. Esta depende del material y la toma de tierra del objeto a detectar. Los materiales conductores presentan una zona de acción mayor. En el caso de que el objeto esté hecho de un material conductor, esto no tiene influencia alguna en la zona de acción del sensor. Cuando el objeto sea de un material no conductor, su zona de acción depende de la constante dieléctrica. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica, mayor será la zona de acción (Fig. 2.9). En la tabla 2.1 se muestran las constantes dieléctricas de diferentes materiales aislantes. La distancia entre un objeto orgánico( por ejemplo madera) y el sensor en el cual se modifica la señal de salida depende considerablemente del contenido en agua del objeto, ya que la constante dieléctrica del agua es muy elevada (εagua=80). Figura 2.9: Relación entre la zona de acción de un sensor capacitivo y la constante dieléctrica de un objeto no conductor 37 Componentes mecatrónicos Minos material alcohol baquelita gasolina celulosa madera caucho blando goma de silicona zvulkanizivaná guma marmol mica aceite transformado papel papel duro parafina plexiglas poliamido polietileno polypropylen poliester porcelana vidrio teflon aire agua Tabla 2.1: Constante dieléctrica εr de diferentes materiales no conductores En los catálogos se proporciona la zona nominal de acción para un objeto metálico normalizado. Para determinar el valor de la zona real de acción el valor de la zona nominal debe multiplicarse por el coeficiente de corrección del material del objeto a detectar : Zona de operación = Sn . coeficiente de correción material Acero Agua madera Vidrio Aceite PVC PE Cerámica Coeficiente de corrección Tabla 2.2: Coeficientes de corrección para diferentes materiales 38 Componentes mecatrónicos 2.6 Compensación de interferencias Minos El detector contiene un filtro de interferencias que elimina la influencia de campos eléctricos externos cuando estos no son muy grandes. Sin embargo los filtros disminuyen notablemente la frecuencia máxima de conmutación, es decir, empeoran la característica dinámica del sensor. El sensor puede responder de manera errónea si la suciedad o el polvo se acumulan en sus superficies activas. Un electrodo adicional de compensación conectado a la salida del sensor (Fig.2.10) se utiliza para mantener constante la zona de acción. La contaminación aumenta la capacidad entre el electrodo del sensor y la pantalla. La capacidad entre el electrodo del sensor y el electrodo de compensación genera al mismo tiempo un acoplamiento de compensación. Cuando un objeto de poco espesor (como por ejemplo una hoja de papel) entra en contacto con el sensor la señal del electrodo principal puede ser neutralizada por la perturbación y el estado de salida no se verá modificado. sensor de campo Campo de compensación electrodo de compensación objeto detectado electrodo del sensor elecrodo externo contaminación de interferencia Figura 2.10: Sensor con un electrodo adicional de compensación 39 Minos 2.7 Componentes mecatrónicos Aplicaciones El uso de los sensores capacitivos esta muy extendido debido asus características y a su sencillo montaje. Estos sensores pueden: - controlar el nivel de líquido o granulado en un tanque - contar los objetos conductores y no conductores, - detectar envases vacíos, - detectar daños en los objetos, Figura 2.11: Detección y eliminación de botellas vacías Figura 2.12: Control del número de recipientes metálicos o de vidrio 40 Componentes mecatrónicos Minos Figura 2.13: Control del nivel de líquido en un tanque o en una tuberia Figura 2.14: Detección de envases vacíos en la línea de producción 41 Componentes mecatrónicos Minos 3 Sensores de ultrasonido 3.1 Fundamentos básicos Los sensores de ultrasonido se emplean tanto para detectar objetos independientemente del color o material como para controlar el nivel de un líquido transparente o de color. Se utilizan en ambientes donde la presencia de polvo hace que no se pueden emplear sensores ópticos. Los sensores ultrasónicos emiten una radicación ultrasónica y miden el período de tiempo entre la emisión de la radiación y la recepción del eco de la radiación de vuelta al sensor. Este período de tiempo es proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. La frecuencia posible de muestreo es relativamente pequeña en comparación con otros sensores (en algunos hasta 100 Hz) . El transformador produce una onda sonora cuya frecuancia es notablemente mayor que 20 kHz, es decir que la onda no puede ser percibida por el oido humano. Gracias a la elevada frecuencia de trabajo del transformador los sensores de ultrasonido no son sensibles al ruido externo. Un sensor de ultrasonido se haya integrado por un generador de elevada tensión, un transformador piezoeléctrico en la cabeza del sensor, un sistema de procesamiento de la señal y un sistema de salida (Fig. 3.1). OBJETO Obr. 3.1 42 CABEZA DEL SENSOR GENERADOR Konstrukce ultrazvukového senzoru CIRCUITO DE DETECCIÓN SISTEMA DE SALIDA Componentes mecatrónicos 3.2 Fundamentos teóricos 3.2.1 Propagación de las ondas sonoras en el aire Minos Las ondas sonoras se pueden propagar en diferentes medios (gases, líquidos, sólidos) debido a la reacción mútua que se produce entre las partículas del medio dado. En el aire las ondas de ultrasonido son longitudinales y se propagan cuando las moléculas del aire chocan con las moléculas de su alrededor suscitando las vibraciones. Por ello la onda sonora se propaga sin desplazar a las moléculas excitadas. La longitud de una onda sonora λ es la distancia que recorre la onda en un período(Fig. 3.2). La frecuencia de vibración f es el número de períodos por segundo. Su unidad de medida es el hercio. La velocidad de propagación V de una onda de ultrasonido depende de las propiedades del medio (densidad y elasticidad). Esta pude calcularse de la siguiente manera: V = λ∙f [m/s] donde: f – frecuencia de la onda (en Hz) λ – longitud de onda (en m) Figura 3.2:Onda sonora 43 Componentes mecatrónicos Minos La frecuencia de onda de los sensores de ultrasonido tiene normalmente un valor entre 23 - 400 kHz (Fig. 3.3). FRECUENCIA ultrasonido desde 20 kHz Sensores: el rango de operación 23 kHz - 400 kHz sonidos audibles 20 Hz - 20 kHz infrasonidos 1Hz - 20Hz Figura 3.3: Rangos de frecuencia de ondas sonoras 44 Componentes mecatrónicos Minos La propagación de las ondas sonras se rige por las mismas reglas que las ondas luminosas. Estas pueden ser reflejadas parcial o totalmente por un objeto. Cuando se conoce la velocidad de propagación de la onda en el aire y el período de tiempo entre la emisión de la señal y la recepción del eco reflectado se puede determinar la distancia entre el objeto y el sensor a partir de la fórmula: S= V٠t / 2 donde: V – velocidad de propagación de la onda en el aire (343 m/s a una temperatura de 20 ºC) t – período de tiempo entre la emisión y la recepción de la onda en [s], S – distancia entre el objeto y el sensor en [m]. El producto V٠t debe dividirse ente dos ya que la onda de ultrasonido recorre dos veces la distancia entre el objeto y el sensor ( del sensor al objeto y después de vuelta al sensor) (Fig. 3.4). obstáculo Figura 3.4:La distancia entre el objeto y el sensor es S=(S1+S2)/2 45 Componentes mecatrónicos Minos 3.2.2 Influencia ambiental La velocidad, propagación y el alcance de la onda sonora dependen en cierta manera del medio externo. Cuando cambian las condiciones físicas del aire del entorno, varía también la exactitud de la medida realizada. Las condiciones externas que tienen esta influencia son: Temperatura: Las oscilaciones de la temperatura provocan el cambio de la velocidad de la onda en una relación de 0,17%/ K (Fig. 3.5). La mayoría de sensores presntan un compensador interno de la temperatura que elimina en gran medida su influencia ( 2/ 3 de los casos). Presión: Al variar la presión atmosférica en un rango de ±5 % se modifica también la velocidad de la onda sonora en ±0, 6%. Humedad: Un incremento de la humedad del aire causa un aumento de la velocidad de la onda sonora en un máximo de un 2% en comparación con el aire seco. Corrientes de aire: La influencia de las corrientes de aire depende de su dirección e intensidad. Los vientos fuertes con una velocidad mayor de 50 km/h soplando en la dirección de la onda sonora pueden cambiar su velocidad notablemente. Los vientos que soplan perpendicular a la dirección de la onda sonora la desvían. Contaminación: Una contaminación elevada del aire provoca la contaminación del emisor de ondas sonoras, disminuyendo la zona de trabajo del sensor en un 30%. Velocidad del sonido Presión 1013 hPa Temperatura Figura 3.5: Relación entre la velocidad de las ondas sonoras y la temperatura ambiental 46 Componentes mecatrónicos 3.2.3 El transformador de ondas sonoras Minos La mayoría de ondas de ultrasonido son generadas por transformadores piezoeléctricos. El efecto piezoeléctrico implica la generación de cargas eléctricas como consecuencia de tensiones mecánicas. Algunos cristales (Sulfato de litio, cuarzo) presentan propiedades piezoeléctricas debido a que su red cristalina es helicoidal. Este efecto es reversible, es decir, un transformador puede ser deformado a causa de la tensión. Se diferencian dos tipos de efecto piezoeléctrico: - directo: una tensión mecánica (por ejemplo presión) es transformada en una señal eléctrica (Fig. 3.6.b). - inverso: una señal eléctrica es transformada en un movimiento o vibración mecánica (Fig. 3.6b). Figura 3.6: El efecto piezoeléctrico: a) directo; b) inverso 47 Componentes mecatrónicos Minos La deformación Δl es igual a la amplitud de la onda generada y proporcional a la tensión U. El coeficiente proporcional entre la deformación y la tensión es la constante piezoeléctrica (dquartz=2.3*10-12 [m/V]). Δl = d · U [m] Los materiales ferroeléctricos (un grupo de materiales cerámicos) presentan también propiedades piezoeléctricas. Los materiales dieléctricos forman dipolos eléctricos permanentes debido a su estructura, incluso cuando el campo eléctrico desaparece. Los dipolos eléctricos orientados de manera irregular (Fig. 3.7) se alinean de manera permanente cuando está presente un campo eléctrico elevado. Los dipolos y la superficie del transformador forman un ángulo de 45° (Fig. 3.7b). Cuando una tensión actúa sobre la superficie de una lámina los dipolos giran independientemente del símbolo de la tensión. Las cargas iguales (+ y + o – y -) se repelen y las cargas opuestas (+ y – o – y +) se atraen. La rotación de los dipolos causan el aumento o la disminución del espesor del transformador (Fig. 3.7c). Superficie metalica disco de cerámica Figura 3.7: Deformación del transformador cerámico debido al efecto piezoeléctrico 48 Componentes mecatrónicos Minos Los elementos piezométricos (especialmente los cerámicos) pueden tener formas diferentes (Fig. 3.8). Las superficies opuestas del transformador son metalizadas (por ejemplo con una capa de plata de hasta 10 micras de espesor) para conducir la tensión, ya que los materiales piezoeléctricos son dieléctricos. Las propiedades piezoeléctricas desaparecen a elevadas temperaturas. La temperatura máxima de trabajo del transformador de cuarzo es menor de 200 ºC y para transformadores de cerámica menor de 100 ºC. Figura 3.8: Formas típicas de elementos piezoeléctricos 49 Componentes mecatrónicos Minos 3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas Las vibraciones producidas por las oscilaciones de la tensión son transferidas a las moléculas del material o del medio ( por ejemplo aire) generándose una onda sonora. De manera inversa, cuando las vibraciones de las moléculas de un medio son transferidas a un transformador, este es deformado, creándose cargas eléctricas. Un transformador piezoeléctrico puede ser utilizado como generador y receptor de las ondas sonoras (Fig. 3.9). Cuarzo electrodo superior electrodo inferior Cuarzo electrodo superior electrodo inferior generador de impulso voltmetr emisión de onda ultrasonido recepción de onda de ultrasonido Figura 3.9: Emisor y receptor de ondas de ultrasonido 50 Componentes mecatrónicos Minos El área de propagación de una onda de ultrasonido se encuentra dispersa en gran parte (Fig. 3.10a). La zona de mayor energía sonora es la zona cercana al eje del sensor. Cuando la energía de sonido presente en el campo marcado en gris no es suficiente para asegurar un funcionamiento correcto del sensor, durante el proceso de medida tan sólo será útil la zona delimitada por el cono de detección de ángulo α (Fig. 3.10b). La energía de la onda de ultrasonido en la zona amarilla es mayor que el 50% de la energía en la zona cercana al eje del sensor. Si se conoce la distancia entre el objeto y el sensor se puede determinar el diámetro D del cono de detección en las proximidades del objeto mediante la fórmula: D = 2 · X · tan(α/2) donde: X – distancia entre el objeto y el sensor α – ángulo de la esfera del cono de medición Figura 3.10: Onda de ultrasonido: a) corte transversal a lo largo del sensor; b) zona útil del sensor 51 Minos Componentes mecatrónicos El ángulo α puede ajustarse si se requiere y este presenta un valor de hasta unas cuantas decenas de grados. Tanto el ángulo como la forma del haz de sonido dependen del tamaño, forma y frecuencia de la superficie vibratoria del transformador. Por este motivo existen tantas formas diferentes de haces de sonido (Fig. 3.11). Úhel zvukového kužele může být přizpůsoben podle potřeby a to do Figura 3.11: Diferentes formas del haz de sonido 52 Componentes mecatrónicos Minos La exactitud de la medida depende de la distancia entre el objeto y el sensor (Fig. 3.12). Para mayor exactitud la zona de trabajo del sensor puede determinarse en aquella zona en la que el objeto se puede detectar de manera segura. distancia de medición óptima Sensibilidad Rango del sensor Sn Figura 3.12: Relación entre la exactitud de medida y la distancia entre el objeto y el sensor 53 Componentes mecatrónicos Minos 3.3 Funcionamiento de un sensor de ultrasonido Los sensores de ultrasonido típicos presentan dos modos de operación: el de difusión (sensor difuso) y el unidireccional (through beam). El primer modo de difusión es el que se utiliza más comúnmente. El sensor recibe de un objeto la onda de sonido reflejada como eco. Dependiendo del tipo de salida utilizada la distancia determinada a partir de la medida del tiempo empleado será transformada en una corriente o tensión analógica o en un estado de salida ON/OFF. Cuando el objeto se encuentra fuera de la zona de trabajo del sensor, el sistema de salida vuelve a su estado anterior. La medida de ultrasonido se presentan dos fases (Fig. 3.13): – emisión de la onda de ultrasonido del transformador en dirección al objeto, – emisión de la onda de ultrasonido (del eco) por el objeto detectado hacia el transformador En los sensores de difusión ambas funciones son realizadas por un transformador piezoeléctrico. objeto transductor en estado de emisión objeto transductor en estado de recepción Figura 3.13: Dos fases de la medida de ultrasonido 54 Componentes mecatrónicos Minos Cuanto mayor sea el espesor del objeto a detectar, mejor será la sensibilidad del sensor, ya que una gran parte de la onda de sonido es reflejada. Por esto objetos que presentan un elevado coeficiente de reflexión acústica (sólidos, líquido, granulados) pueden detectarse más fácilmente por los sensores de ultrasonido. En los sensores de difusión se generan impulsos acústicos cíclicos. Su frecuencia es del orden de unas cuantas decenas de hercios. El período de tiempo entre la emisión del impulso y la recepción del eco reflejado es proporcional a la distancia real entre el objeto y el sensor. Si tan sólo hay un transformador que emite y recibe, la duración del impulso Ti debe ser notablemente menor que el tiempo necesario para el regreso del eco Te (Fig. 3.14). El sensor espera a que el eco retorne a él para emitir la siguiente onda. Si se mide el tiempo Te se puede determinar la distancia entre el objeto y el sensor. La aparición del eco en los sensores de detección significa que un objeto se encuentra en la zona de trabajo del sensor. Y es entonces cuando cambia la señal de salida. Tiempo de espera del regreso de la señal AMPLITUD tiempo de duración del impulso Ti doba trvání impulsu Ti odražený signál čas tiempo de regreso del eco Te ciclo del tiempo Figura 3.14: Ciclo de trabajo de un sensor de ultrasonido 55 Componentes mecatrónicos Minos 3.3.1 Proceso de difusión Los sensores ultrasónicos de difusión presentan un transformador electrónico especial que genera y recibe un impulso de onda sonora. El transformador emite en el transcurso de unos microsegundos hasta un milisegundo una serie de impulsos ultrasónicos y espera su vuelta. La señal de salida OFF (Fig. 3.15a) cambia a ON cuando hay una superficie dentro de la zona de trabajo del sensor que refleja el sonido (Fig. 3.15b). Figura 3.15 Señal de salida del sensor de difusión: a) antes de la detección del objeto , b) después de la detección del objeto 56 Componentes mecatrónicos Minos El rango máximo de operación de un sensor puede ser limitado por un potenciómetro adecuado y los objetos que sobrepasen este límite, no serán detectados (Fig. 3.16). Esta función se denomina eliminación del fondo (blanking out). El rango mínimo de operación solo puede ser configurado en algunos sensores. De esta manera se puede determinar exactamente la zona bloqueada (en la que el objeto no puede ser detectada) y la zona activa (en la que el objeto puede ser detectado). La zona muerta se encuentra próxima al sensor, donde los objetos no pueden ser detectados o su detección no es muy fiable. El tamaño de la zona muerta depende del rango de operación del sensor y del tamaño de este. Cuanto menor sea el rango de operación, menor será la zona muerta. La zona muerta es causada debido a la existencia de dos funciones en un transformador (generación y recepción de la onda sonora). El transformador puede recibir el eco de la onda solo en el caso de que el impulso ya haya sido emitido. Distancia real objeto no detectado objeto detectado zona activa del sensor Objeto no detectado zona muerta del sensor zona muerta zona bloqueada Zona de detección rango máximo del sensor Sn Figure 3.16: Definición de las zonas de trabajo para un sensor de ultrasonido 57 Minos Componentes mecatrónicos Dependiendo de su aplicación se fabrican sensores cuyo ángulo cónico varía de tres a algunas decenas de grados. El ángulo debe ser correctamente seleccionado para que el objeto que se desea detectar se encuentre dentro de la zona detectada. Otros campos de detección carecen de interés. Para determinar la zona de trabajo del sensor Sn se emplea una lámina de metal cuadrada de 1 mm de espesor que refleja las ondas de ultrasonido. La lámina debe fijarse perpendicular al eje de la onda de ultrasonido. Su tamaño depende del rango de operación del sensor: - Anchura de la lámina = 10 mm para un rango de trabajo < 300 mm - Anchura de la lámina= 100 mm para un rango de trabajo >800 mm El uso de otros objetos no garantiza la zona de trabajo del sensor Sn dada en los catálogos. Las siguientes reglas deben tenerse en cuenta: – cuanto menor sea la frecuencia de un sensor, mayor será la zona de trabajo de este – cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo, mayor será la resolución de la medida y menor seá la influencia del ruido de fondo. 58 Componentes mecatrónicos 3.3.2 Modo unidireccional ( Through Beam) Minos En los sensores unidoreccionales el transformador genera una onda sonora en la dirección del receptor que se encuentra en una carcasa separada. La señal de salida cambia cuando un objeto interrumpe la onda sonora (Fig. 3.17). Al contrario que los sensores de difusión y reflexión el transformador genera en este tipo de sensores una onda sonora continua. No existe tampoco ninguna zona muerta. Receptor Receptor emisor emisor Figura 3.17 Señal de salida de un sensor unidireccional : a) antes de detectar el objeto, b) después de detectar el objeto 59 Minos Componentes mecatrónicos Estos sensores se utilizan sobre todo para detectar objetos porosos que dispersan o absorben las ondas sonoras, o objetos de formas complicadas que no pueden ser detectados por sensores de difusión. Cuando un objeto refleja bien una onda sonora recibida en la posición de la figura Fig. 3.18, este no puede ser detectado por un sensor de difusión, ya que el ángulo entre la onda reflejada y el eje del sensor es demasiado grande. Un objeto tal interrumpe la onda sonora y puede ser fácilmente detectado por un sensor unidireccional. La frecuencia de cambio de la señal de salida en los sensores unidireccional es mayor que la de los sensores de difusión y puede llegar hasta los 200 Hz. Dirección del rayo reflejado OBJETO Dirección del rayo reflejado Figura 3.18: Objeto que no puede ser detectado por un sensor de difusión, pero sí por un sensor unidireccional 60 Componentes mecatrónicos 3.4 Fallos en el funcionamiento de sensores 3.4.1 Factores físicos Minos Los siguientes factores pueden provocar fallos en el funcionamiento del sensor: – Corrientes de aire que modifican la velocidad o dirección de la onda sonora de tal manera que el objeto no puede ser detectado o la distancia medida entre el objeto y el sensor es errónea. – Cambios en la presión atmosférica de un rango de ± 5 % pueden modificar la zona de trabajo del sensor en un ± 0.6 %. – Incrementos de la temperatura en la zona de trabajo del sensor pueden modificar la velocidad del sonido y la duración del impulso causando una disminución de la exactitud de medida. Un aumento en la temperatura o en la humedad provoca que la distancia medida entre el objeto y el sensor sea menor que su valor real. Las superficies calientes de un objeto reflejan peor las ondas sonoras que los objetos fríos. Si la temperatura es mayor de 20 K, la zona de trabajo del sensor aumenta en un 3,5-8%. – Aislantes del sonido (algodón, goma, etc). Estos absorben las ondas sonoras y disminuyen la sensibilidad del sensor. Los sensores de difusión no pueden detectar estos objetos. 3.4.2 Factores de instalación Los sensores de ultrasonido detectan especialmente los objetos con una superficie dura que se encuentran perpedicular al eje del sensor. Si no se cumple esta norma se producen fallos en el funcionamiento del sensor: – Cuando el ángulo entre la superficie frontal del objeto y el eje del sensor es diferente de 90° la onda sonora no vuelve siguiendo la trayectoria del eje del sensor. Por esto la zona de trabajo del sensor de difusión es menor. Aún cuando la zona de trabajo es relativamente grande no puede ser detectado ni un objeto girado 3°. Cuando la zona de trabajo es pequeña se puede girar incluso 10° un objeto. –Cuando la forma del objeto provoca que la dirección de la onda reflejada sea completamente diferente de la onda generada el objeto no puede ser detectado por un sensor unidireccional. – Los coeficientes de reflexión de líquidos son iguales que los coeficientes para cuerpos sólidos. Los líquidos sin ondas pueden ser detectados fácilmente. – Si los sensores de ultrasonido se instalan próximos entre si, una de las ondas sonoras generada por un sensor puede alcanzar el otro sensor y cambiar su señal de salida. Para evitar la interferencia mútua deben ser tenidas en cuentas la reglas representadas en la Fig. 3.19. 61 Minos Componentes mecatrónicos Figura 3.19: Espacio recomendado entre dos sensores de ultrasonido activos 62 Componentes mecatrónicos 3.4.3 Sincronización de sensores Minos Cuando las salidas de varios sensores son sincronizadas mediante una conexión efectiva, estos pueden situarse uno al lado del otro sin que haya influencia mutua entre ellos. La sincronización debe ser utilizada cuando los sensores generen ondas sonoras en la misma dirección y las ondas se solapen parcialmente. El sensor B representado en la Fig. 3.20 recibe dos ecos (B1 y Ax). Pero el eco A1 llega al sensor A más rápidamente que el eco Ax al sensor B. Debido a la sincronización los sensores reaccionan solo al primer eco A1 y se así se evita la influencia mutua entre las ondas sonoras. Los sensores sincronizados envían las señales a la vez y funcionan como un sensor con un cono de emisión mayor que detecta el mismo objeto. Figura 3.20: Sincronización de sensores situados uno junto a otro detectando el mismo objeto 63 Componentes mecatrónicos Minos 3.5 Sensores de ultrasonido especiales 3.5.1 Sensores reflexivos Los sensores reflexivos (sensores retroreflectivos) miden la diferencia entre el tiempo de retorno de la onda sonara reflejada por el objeto y el tiempo de retorno de la onda reflejada por el reflector. Una superficie cualquiera dura y lisa puede ser empleada como reflector. Cuando la onda sonora reflejada por el objeto regresa antes que la onda reflejada por el reflector, la señal de salida cambia (Fig. 3.21b). REFLECTOR REFLECTOR Figura 3.21: La señal de salida del sensor de reflexión: a) antes de que el objeto sea detectado, b) después de que el objeto sea detectado 64 Componentes mecatrónicos Minos Los sensores de reflexión detectan también la interrupción de ondas sonoras a través de objetos que absorben o dispersan las ondas sonoras (Fig. 3.22). En este caso la señal de salida se cambia a OFF. Estos sensores se utilizan cuando un objeto está integrado por un aislante acústico (algodón,goma,etc) o cuando el ángulo entre la superficie frontal del objeto y el eje del sensor es distinto de 90°. REFLECTOR Superficies de reflexión REFLECTOR superficie de absorción Figura 3.22: Interrupción la las ondas sonoras por objetos que a) dispersan las ondas o b) las absorben 65 Minos Componentes mecatrónicos Los sensores reflexivos pueden aprovechar también las ondas de ultrasonido reflejadas por una superficie lisa y dura para detectar un objeto difícilmente accesible. Estos reaccionan tanto a la interrupción de las ondas sonoras como al eco reflejado. Elemento de reflejo Objeto Reflector Figura 3.23: Aprovechamiento de una onda de ultrasonido para detectar un objeto absorbedor. 66 Componentes mecatrónicos 3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble Minos Los sensores con dos transformadores en una carcasa pueden funcionar con un reflector tanto como sensores de difusión como como sensores de reflexión( Fig.3.24). Uno de los transformadores es el emisor y el otro actúa de receptor de la onda sonora. Estos sensores detectan incluso pequeños objetos cercanos, ya que el receptor puede trabajar al mismo tiempo con el emisor. Sin embargo en primer lugar deben sincronizarse los dos transformadores. emisor Objeto Objeto Receptor emisor reflector Receptor Figura 3.24: Sensor con dos transformadores: a) modo de difusión , b) modo de reflexión 67 Minos Componentes mecatrónicos Los objetos clíndricos pueden ser detectados mucho antes que los objetos planos. El eco reflejado por un objeto plano se escapa de la zona de trabajo del sensor (Fig. 3.25). Figura 3.25: Detección de objetos cilíndricos y planos 68 Componentes mecatrónicos 3.6 Sensores de ultrasonido analógicos Minos La mayoría de sensores de ultrasonidos presentan tanto salidas binarias como analógicas. La salida de tensión o de corriente se utiliza cuando se quiere medir una distancia. La distancia medida es proporcional a la tensión o a la intensidad de corriente (Fig. 3.26). Final Inicio rango de medición Figura 3.26: Relación entre la señal de salida y la distancia entre el objeto y el sensor 69 Minos 3.7 Componentes mecatrónicos Aplicaciones Los sensores de ultrasonido se utilizan a menudo en la práctica debido a que no son sensibles a perturbaciones en la zona de trabajo ni a la contaminación ambiental. Estos detectan objetos independientemente de su: – material (metal, plástico, madera, cartón,etc.), – estado físico (sólido, líquido, granulado etc.), – color, – transparencia. En la industria se utilizan para controlar – la posición de una unidad de fabricación, – objetos a lo largo de una cinta transportadora, - el nivel de líquido o granulado en un depósito. Figura 3.27: Control del nivel de líquido en recipientes de vidrio mediante un sensor de difusión 70 Componentes mecatrónicos Minos Figura 3.28: Medida del nivel de líquido utilizando un sensor de ultrasonido analógico Figura 3.29: Los objetos de la cinta transportadora son contados mediante un sensor unidireccional 71 Minos Componentes mecatrónicos Figura 3.30: Control del llenado de las cajas usando sensores de difusión Figura 3.31: Medida de las dimensiones de los objetos empleando un sensor de ultrasonido analógico 72 Componentes mecatrónicos Minos Figura 3.32: Control de daños mediante un sensor de difusión Figura .3.33: Control de la distancia para evitar choques empleando un sensor de difusión 73 Minos Figura 3.34: Componentes mecatrónicos Control de la tensión en la banda utilizando un sensor de difusión Figure 3.35: Medida del diámetro de un rollo de papel mediante un sensor de ultrasonido analógico 74 Componentes mecatrónicos Minos Figura 3.36: Cuenta de objetos que dispersan las ondas sonoras o las absorben en una cinta transportadora utilizando un sensor de reflexión 75 Minos Componentes mecatrónicos 4 Sensores optoelectrónicos 4.1 Características de diseño Los sensores optoelectrónicos emplean un haz de luz para detectar objetos en su zona de trabajo. Pueden detector objetos de cualquier material situados a una distancia del sensor que va desde unos pocos milímetros hasta unas cuantas decenas de metros. Estos sensores reaccionan cuando el haz de luz que generan es interrumpido o reflejado por un objeto. Los cambios en el haz de luz son transformados en una señal eléctrica, que es la señal de salida del sensor. Un sensor optoelectrónico está formado por una fuente luminosa 1, un receptor de luz 2, circuitos electrónicos 3, un sistema de salida 4, uno o dos diodos de emisión de luz 5 que muestran el estado de trabajo, un potenciómetro 6 para regular la sensibilidad del sensor, una carcasa 7 y una cubierta transparente 8 (Fig. 4.1). Figura 4.1: Esquema de un sensor fotoeléctrico cilíndrico 76 Componentes mecatrónicos Minos Los circuitos electrónicos presentan (Fig. 4.2): - un oscilador 3 que permite la captación de una fuente luminosa modulada, - un demodulador 4 para extraer la señal útil. Otros elementos del sensor son: el emisor de luz 1, el receptor 2 y el transistor 5 (Fig. 4.2). Los elementos del sensor arriba mencionados se encuentran en una o dos carcasas independientes, dependiendo de si el objeto 6 interrumpe o refleja el haz luminoso. Figura 4.2: Circuito electrónico de un sensor optolectrónico: A – sensor unidireccional (throughbeam), B – sensor retroreflectivo , C – sensor de difusión 77 Minos 4.2 Componentes mecatrónicos Elementos fotoeléctricos 4.2.1 Fundamentos de física 4.2.1.1 Luz Bajo el concepto de luz se engloban la luz visible, la luz ultravioleta ( sus longitudes de onda son más cortas que las de la luz visible) y la luz infrarroja (con longitud de onda mayor que la luz visible) (Fig. 4.3). La luz visible es la parte de la radiación electromagnética que es captada por los ojos humanos. Su longitud de onda comprende entre 380-770 nm ondas de radio infrarojas microondas ondas visibles ondas ultravioleta rayos X rayos gamma rayos cósmicos violeta azúl verde rojo amarillo Amplitud de la onda λ [nm] Figura 4.3: Intervalos de la radiación electromagnética utilizados en los sensores optoelectrónicos 78 Componentes mecatrónicos Minos El ojo humano presenta una sensibilidad distinta para cada color de la luz visible. El color al que el ojo humano es más sensible es el amarillo (λ=550 nm) (Fig. 4.4). El intervalo infrarojo y ultravioleta no son apenas percibidos por las personas. La luz roja o infrarroja son las más utilizadas en los sensores optoelectrónicos. Intesidad relativa Amplitud de la onda λ Figura 4.4: Sensibilidad relativa del ojo humano respecto a diferentes colores de la luz visible 79 Componentes mecatrónicos Minos 4.2.1.2 Propiedades de la luz Reflexión – la luz es reflejada por una superficie. Por ello se pueden ver los objetos del medio. Absorción – parte de la luz es absorbida por una superficie. La energía de radiación es transformada en otra forma de energía (por ejemplo energía calorífica). Transmisión – el resto de luz que no es reflejada ni absorbida es transmitida a través de la materia. Dependiendo del cuerpo material, la luz puede además dispersarse en la materia. Refracción – la luz puede ser interrumpida o reflejada cuando pasa de un medio a otro de diferente densidad. Este fenómeno se utiliza en la fibra óptica. La refracción depende del color. Por este motivo la luz blanca transmitida a través de un prisma es dividida resultando un espectro que da lugar a los colores del arcoiris LUZ Absorción Reflexión Reflexión Reflexión Tansmisión Figure 4.5: Propiedades de la luz 80 Componentes mecatrónicos Minos La reflexión de la luz depende en gran medida de las propiedades de reflexión de una superficie (rugosidad, estructura, color, brillo). Se pueden distinguir tres tipos de reflexión (Fig. 4.6): 1. reflexión direccional- el ángulo de incidencia de la luz es igual al ángulo de reflexión (por ejemplo en el caso de un metal pulido o de un espejo) 2. retroreflexión- una parte de la luz tiene una reflexión en una dirección y otra parte es dispersada (por ejemplo en el caso de una superficie pintada) 3. reflexión difusa- la luz es reflejada en todas las direcciones (por ejemplo en el caso de una superdicie rugosa). Figura 4.6: Modos en los que la luz es reflejada por una superficie 81 Minos Componentes mecatrónicos 4.2.2 Fotoemisores Los elementos fotoelectrónicos están compuestos por semiconductores y se dividen en dos grupos: fuentes de luz (emisores) y fotodetectores. Estos se basan en dos fenómenos ópticos fundamentales: la emisión de fotones por los emisores y la absorción de estos fotones por los fotodetectores que reciben la luz emitida. Los fotoemisores se dividen en: - diodos luminosos (LED) que emiten una luz visible de longitud de onda menor de 780 nm, - diodos luminosos que emiten radiación infrarroja (λ>780 nm) - diodos láser (LD) que o bien emiten luz visible o luz infrarroja. 82 Componentes mecatrónicos Minos 4.2.2.1 Diodo luminoso (LED) El funcionamiento de los diodos luminosos se basa en la electroluminiscencia. Esta se produce cuando un material emite una radiación electromagnética al aplicar una corriente eléctrica externa. Un LED está formado por una capa semiconductora de tipo n, una capa semiconductora de tipo p, una zona activa (zona transitoria p-n) y dos contactos metálicos (un ánodo z un cátodo)(Fig. 4.7). Los diodos luminosos operan cuando la tensión recibida es mayor que cero. La intensidad luminosa depende de la intensidad de la corriente. La relación entre ambas intensidades es aproximadamente linear. tubo catódico carcasa ánodo intensidad relativa de luz corriente de mando mA Figura 4.7: Modelo, símbolo y línea característica de un fotoemisor. 83 Minos Componentes mecatrónicos Las valores de longitud de onda de las radiaciones emitidas por los diodos luminosos se encuentran dentro de un estrecho intervalo. El color de la luz producida depende de la longitud de onda predominante y de la composición del material semiconductor (Fig. 4.8). Los diodos luminosos se fabrican con elementos del tercer y quinto grupo del sistema periodico: • Arseniuro de Galio (GaAs) – emite desde radiación infrarroja hasta luz roja (950 - 650 nm), • Fosfuro de Galio y Arsénico (GaAsP) – emite desde luz roja hasta luz amarilla (630 - 590 nm), • Nitruro de Galio (GaN) – emite luz azul (430 nm). La radiación emitida se dispersa. Por ello la carcasa del LED incluye una lente convergente. corriente de mando relativa longitud de la onda λ Figura 4.8: Espectro característico de los diodos luminosos LEDs 84 Componentes mecatrónicos Minos Los diodos luminosos LEDs que generan tanto luz visible como radiación infrarroja se utilizan como emisores en los sensores optoelectrónicos. La luz visible hace más fácil la instalación del sensor. Los sensores que emiten radiación infrarroja consumen menor potencia y presentan buena exactitud y una zona grande de acción. La carcasa de los diodos luminosos se fabrica normalmente de un plástico transparente o mate, sin color o con igual color que el diodo. En el extremo de la carcasa se encuentra una lente convergente de plástico que forma la radiación luminosa y garantiza un ángulo óptimo de radiación (Fig. 4.9). ánodo ánodo intensidad relativa cátodo cátodo cátodo ánodo Ángulo de eje óptico Figura 4.9: Formas típicas de los diodos luminosos LED y ángulo de la radiación del diodo 85 Componentes mecatrónicos Minos 4.2.2.2 Diodo Láser (LD) Los diodos láser, al contrario que los diodos luminosos, presentan un resonador óptico que se encuentra situado en los bordes de los diodos (Fig. 4.10). Hasta un valor determinado de la intensidad corriente, un diodo láser funciona como un diodo luminoso LED típico. Cuando se supera este valor de intensidad de corriente se fuerza una emisión de fotones que dota a la luz de unas propiedades especiales (alta densidad de potencia, coherencia y un campo espectral limitado). corriente límite de diodo p-n- conexión límite de diodo Figura 4.10: Estructura laminar de un diodo láser 86 Luz Componentes mecatrónicos Minos La parte activa de un semiconductor láser LD es la zona transitoria p-n que emite una radiación fuerte y coherente. Por este motivo la zona de acción de los LDs es mayor que la de los LEDs (Fig. 4.11). Los sensores optoelectrónicos contienen en su mayor parte diodos láser que emiten luz visible (635 – 690 nm). Los sensores con emisores láser se utilizan cuando un objeto pequeño debe ser detectado o localizado. Debido a que la luz láser es casi una radiación paralela, el emisor puede ser ajustado cuando el objeto se sitúa lejano a la luz. Intensidad luz de láser (roja) LED ( luz roja) Amplitud de onda λ [nm] Figura 4.11: Espectro característico de un diodo luminoso LED y un diodo láser LD 87 Minos Componentes mecatrónicos 4.2.3 Fotodetectores 4.2.3.1 Fotodiodos Los fotodetectores fabricados a partir de semiconductores (normalmente fotodiodos o fototransistores) convierten la energía luminosa generada por el emisor en energía eléctrica. Debido a la absorción de una radiación fotoeléctrica el fenómeno fotoeléctrico tiene lugar en un fotodetector y genera una corriente fotoeléctrica. En un fotodetector no iluminado sólamente circula una pequeña corriente negra. Los fotodetectores reaccionan rápidamente a un impulso de luz. El tiempo de subida es el período de tiempo durante el que la intensidad de la corriente fotoeléctrica cambia de 0,1 a 0,9 del valor máximo. El tiempo de descenso es el período de tiempo durante el que la intensidad de la corriente fotoeléctrica cambia de 0,9 a 0,1 del valor máximo (Fig. 4.12). Salida de corriente Tiempo Figura 4.12: El tiempo de subida tr y tiempo de descenso tf de un impulso de corriente en un fotodetector 88 Componentes mecatrónicos Minos Los fotodiodos se fabrican de silicio o de arseniuro de galio. Estos operan con una fuente de tensión externa de polarización negativa. Cuando la zona de transición p-n se ilumina, aumenta la corriente de regreso del fotodiodo. Esta corriente depende de la densidad de la luz que llega al absorbedor. El concentrador aumenta la densidad de la luz (Fig. 4.13). superficie óptica radiación contacto Base Contacto superficie eléctrica Heterounión Figura 4.13: Esquema de un fotodiodo 89 Minos Componentes mecatrónicos La ventaja más importante del fotodiodo es su elevada frecuencia de trabajo. Este procesa la señal luminosa con una frecuencia de hasta algunas decenas de MHz. El inconveniente del fotodiodo es su fuerte dependencia de la corriente de retorno respecto de la temperatura. Si se inserta una capa del semiconductor independiente i entre los semiconductores n y p, se modifica la estructura energética y se consigue un diodo PIN (Fig. 4.14). El absorbedor de un fotodiodo típico es mucho más fino que la profundidad de penetración alcanzada por los fotones. Por ello el grado de eficiencia de un diodo es pequeño y la corriente de fotones generada está limitada. En un diodo PIN la intensidad de corriente es mayor debido a que la zona donde se encuentra el campo eléctrico es mayor. El tiempo de aumento del impulso de un diodo PIN es menor y su eficiencia es mayor que la de un fotodiodo corriente. Luz Capa antireflectora Contacto aislante Capa de ambsorción campo eléctrico Contacto Figura 4.14: Estructura de un fotodiodo PIN 90 Componentes mecatrónicos Minos 4.2.3.2 Detectores de posición PSD Un detector de posición (Position sensitive detector-PSD) es básicamente un diodo PIN con una superficie extremadamente fotosensible. Una capa alargada de semiconductor p es iluminada por una fuente (Fig. 4.15). Debido al fenómeno interno fotoeléctrico aparecen cargas eléctricas en ambos lados del elemento que hacen que las corrientes lA e lB comiencen a circular. Cuando el semiconductor p se ilumina de forma homogénea (el número de fotones a los lados derecho e izquierdo son casi iguales) , se cumple que lA ≈ lB. Cuando el elemento es iluminado de manera asimétrica, los valores de la corriente cambian. Midiendo la relación entre las corrientes circulantes por el PSD se puede determinar la posición x de la intensidad luminosa máxima, que se transforma en el circuito de conmutación del sensor en una señal de salida analógica (tensión). Luz Figura 4.15: Funcionamiento de un detector de posición 91 Componentes mecatrónicos Minos 4.2.3.3 Detectores CCD En los sensores de detección optoelectrónicos se sustituyen los detectores de posición PSD por los detectores CCD (Charge Coupled Device). Los detectores CCD no son sensibles a las perturbaciones producidas por las reflexiones secundarias de luz, ya que estos sólo reaccionan a la intensidad luminosa (y no a la cantidad de luz como los detectores PSD). Una matriz CCD típica digital es una estructura homogénea lineal que consta de células sensibles a la luz (pixeln). Su salida consiste en tensiones discretas que representan la intensidad de iluminación de cada pixel (Fig. 4.16). La posición x es el centro de gravedad del reparto de la intensidad luminosa sobre la superficie del CCD. La matriz CCD es especialmente efectiva cuando la longitud de onda comprende entre 500-900 nm. longitud Pixel Světelná skvrna Intensidad Pixel número serial Figura 4.16: Funcionamiento de los detectores CCD 92 Componentes mecatrónicos Minos 4.2.3.4 Fototransistores Un fototransistor esta formado por un semiconductor que presenta dos zonas de transición p-n. Estas hacen posible la modulación homogénea de la corriente de salida partir de una radiación aplicada y señales eléctricas. La estructura de un fototransistor es similar a la de un transistor amplificador, solo que en este caso la carcasa posibilita la iluminación del semiconductor base. Los fototransistores presentan una sensibilidad mayor que un fotodiodo, ya que en este caso la corriente de fotones es amplificada. Debido a esto los fototransistores se utilizan como fotodetectores a pesar de que presentan una frecuencia límite mucho más pequeña que los fotodiodos. La tensión característica de salida de un fototransistor es similar a la de los transistores bipolares, aunque en este caso el parámetro variable no es la corriente básica sino el área básica iluminada (Fig. 4.17). En sensores se utilizan tanto transistores npn como transistores pnp. Intensidad de la luz ongitud de la onda λ Figura 4.17: Característica espectral y símbolo de los fototransistores 93 Minos 4.3 Componentes mecatrónicos Clases de sensores 4.3.1 Sensores unidireccionales (Through Beam) En los sensores unidireccionales (through beam) el rayo de luz es enviado directamente del emisor al receptor. En emisor y el receptor se encuentran en un mismo eje pero presentan carcasas individuales. Estos sensores detectan los objetos que se encuentran entre el emisor y el receptor y que interrumpen el haz luminoso. No son sensibles a condiciones ambientales adversas como la contaminación, el vapor o la niebla. Su zona de acción es mucho mayor en comparación con otros tipos de sensores (más de 50 m). Los sensores unidireccionales pueden presentar dos formas básicas: sensores cilíndricos o cúbicos (Fig. 4.18). Los sensores unidireccionales detectan objetos de cualquier material. Las superficies del objeto pueden estar a su vez también pintadas, ser transparentes, rugosas o lisas. Esto no tiene influencia alguna en el funcionamiento del sensor. Emisor (E) Emisor (E) Eje óptico Eje óptico Emisor(E) Emisor (R) Figura 4.18: Formas básicas de sensores unidireccionales: a) cilíndrico, b) cúbico 94 Componentes mecatrónicos Minos El rayo efectivo de luz depende del diámetro de las lentes del emisor y del receptor (Fig. 4.19). Un objeto es detectado cuando esté eclipsa en al menos un 50% la radiación emitida. Campo de emisión Emisor (E) Rayo efectivo Receptor (R) Campo de vista del receptor Figura 4.19: Rayo efectivo de luz 95 Minos 4.3.2 Componentes mecatrónicos Sensores retroreflectivos En los sensores retroreflectivos el emisor y receptor se encuentran en la misma carcasa (Fig. 4.20). La luz es reflejada por un reflector en la dirección del receptor. La presencia de un objeto provoca la difusión de la luz emitida y la señal de salida se ve así modificada. Un sensor retroreflectivo típico sin filtro de polarización utiliza radiación infrarroja. Los sensores con filtro de polarización emplean luz roja visible. Los sensores retroreflectivos tienen la ventaja de contar con una gran zona de acción (hasta 12 m) y son independientes de las propiedades de la superficie del objeto. Reflector Receptor(R) Emisor (E) Reflector Receptor (R) Emisor (E) Figura 4.20: Formas básicas de sensores retroreflectivos: a) cilíndrico, b) cúbico 96 Componentes mecatrónicos Minos Los sensores retroreflectivos requieren formas especiales de reflectores o cintas reflectoras (Fig. 4.21). Figura 4.21: a) Reflectores, b) Bandas reflectoras Al contrario que los espejos o las superficies lisas reflectantes, los reflectores no deben colocarse exactamente perpendiculares al sensor. Un error de unos cuantos grados en la posición no perjudica el trabajo del sensor (Fig. 4.22a). Figura 4.22: Reflexión de la luz: a) en un sistema con dos espejos, b) en un espejo de triple reflexión 97 Minos Componentes mecatrónicos DEl principio de reflexión bidimensional (retroreflectivo) es válido también para un sistema de tres espejos colocados perpendicularmente unos de otros (Fig. 4.22b). El rayo de luz emitido es reflejado por las tres superficies, siendo la radiación reflejada paralela al rayo. Un espejo de triple reflexión se emplea como reflector para sensores de reflexión. El rayo efectivo de luz depende del diámetro de las lentes del emisor y receptor y de la superficie del reflector (Fig. 4.23). Reflector Receptor (R) Emisor (E) Rayo efectivo Rayo emisor Figura 4.23: Rayo de luz efectivo de un sensor de reflexión 98 Componentes mecatrónicos 4.3.3 Minos Sensores de difusión Los filtros de luz (sensores de difusión) presentan tan sólo una carcasa dentro de la cual se encuentran el emisor y el receptor. Su ventaja principal es que no requieren ningún reflector (Fig. 4.24). La luz emitida por el emisor es reflejada por un objeto, volviendo esta de nuevo al receptor, produciéndose un cambio en la señal de salida. Objeto Receptor (R) Emisor (E) Receptor (R) Objeto Emisor (E) Figura 4.24: Formas básicas de sensores de difusión: a) cilíndricos, b) cúbicos 99 Minos Componentes mecatrónicos Los filtros de luz tiene una distancia de operación bastante pequeña de aproximadamente 100-200 mm. Los objetos situados más alla de esta distancia no son detectados. Las perturbaciones producidas por estos objetos son automáticamente amortiguadas. La distancia de operación depende del coeficiente de reflexión de la luz que presenta el objeto a detectar. Dicho coeficiente viene determinado por el color y tipo de la superficie del objeto. Una superficie lisa puede reflejar la luz, incluso cuando esta se encuentre lejos del sensor. Esto dificulta la detección del objeto correcto. Una superficie oscura o mate absorbe parte de la luz de tal manera que la luz restante no es suficiente para detectar el objeto. En este caso se utilizan sensores de difusión especiales. Para determinar el alcance máximo de un sensor de difusión se emplea una superficie calibrada (una hoja de papel blanca o papel Kodak) que refleja el 90% del rayo de luz. 100 Componentes mecatrónicos Minos 4.4 Procesamiento de señales 4.4.1 Fuentes de interferencias Los sensores optoelectrónicos son sensibles a las perturbaciones originadas por las interferencias ópticas causadas por las fuentes externas de luz (naturales y artificiales). Los rayos de luz procedentes de estas fuentes que alcancen un sensor optoelectrónico pueden influir la corriente emitida por el emisor y generar señales de salida falsas. Para evitar falsas reaciones los sensores son dotados de sistemas que evitan este tipo de perturbaciones y que regulan la sensibilidad del sensor. La contaminación del ambiente (aceite o polvo en las superficies de objetos detectados o lentes del sensor) puede ocasionar problemas adicionales. Fuentes artificiales típicas y sus espectros característicos se muestran en la Fig. 4.25. a) lámpara incandescente b) lámpara de descarga de sodio Amplitud de onda λ [nm] Amplitud de onda λ [nm] Intensidad (unidades relativas) Amplitud de onda λ [nm] Figura 4.25: Fuentes de luz artificial y sus espectros característicos: a) bombilla , b) lámpara de vapor de sodio, c) lámpara fluorescente 101 Minos Componentes mecatrónicos El espectro de radiación de una bombilla es amplio y la intensidad máxima de radiación se encuentra entre 600-700 nm. La mayoría de de las lámparas de vapor de sodio emite una longitud de onda entre 550-640 nm (intervalo similar al de los LEDs rojos). Las lámparas fluorescentes presentan un espectro integrado por unas cuantas líneas predominantes y un intervalo menor con longitud de onda entre 570-700 nm. Los filtros de luz son especialmente sensibles a las perturbaciones producidas por una interferencia óptica, sobre todo si esta proviene de una luz natural con intensidad constante, de una luz artificial con espectro similar al de la luz natural, así como de una luz intermitente. 102 Componentes mecatrónicos Minos 4.4.2 Eliminación de interferencias 4.4.2.1 Modulación de la luz Los sensores optoelectrónicos no son sensibles a la luz ambiental cuando utilizan luz modulada. La luz del emisor se conecta durante un instante (más corto que la pausa entre los propios impulsos) (Fig. 4.26). La frecuencia de la señal modulada de luz comprende algunos kHz. Pero si el emisor y la fuente de luz que causa la perturbación tienen frecuencias de trabajo similares puede producirse una interferencia. La luz modulada presenta las siguientes ventajas: - los sensores son apenas sensibles a la luz del ambiente, - la distancia de operación máxima del sensor aumenta, - la cantidad de calor generada disminuye - la vida útil del LED es mayor Emisores y receptores presentan lentes ópticas para recoger los rayos de luz generados y disminuir el campo de vista del receptor. Se limita así la zona de acción del sensor y disminuye la influencia de la radiación reflejada por los objetos. Gracias a las lentes colectoras aumentará la distancia máxima entre el emisor y el receptor o entre el emisor y la superficie reflectante. En el caso de que se requiera un menor alcance y un amplio campo de visión, se emplearán los elementos fotoópticos sin lentes (con una ventana lisa transparente). Suministro del emisor Emisor ON Emisor OFF Tiempo Figura 4.26: Tensión del emisor modulada 103 Minos Componentes mecatrónicos 4.4.2.2 Polarización de la luz La señal de salida de un sensor de reflexión estándar puede ser modificada involuntariamente si un objeto brillante se encuentra en la zona de acción del sensor. Para reconocer la luz reflejada por el objeto correcto a detectar se debe utilizar a menudo luz polarizada. La polarización consiste en la ordenación total o parcial de las oscilaciones de la onda luminosa. Cuando una onda luminosa no está polarizada las vibraciones del campo eléctrico y magnético ocurren en todas las direcciones. Si la luz está polarizada dichas vibraciones se producen en una sola dirección. Tanto la luz natural como la luz emitida por los LEDs no está polarizada. Si la luz pasa a través de un fitro de polarización, permanece solo la parte de la luz que presenta la dirección del filtro. Si un rayo de luz que ha pasado a través de un filtro de polarización horizontal, pasa a través de un filtro de polarización vertical (Fig. 4.27), este desaparece. La reflexión difusa destruye la polarización (Fig. 4.27b). Una pequeña parte de la luz que pasa a través de un polarizador vertical no tiene suficiente energía para detectar por medio del sensor una superficie reflectante. Cuando la luz polarizada es reflejada por un espejo (Fig. 4.27c) no se destruye la polarización. En este caso, tras pasar la luz polarizada a continuación por un polarizador vertical, esta desaparecerá. Estos dos fenómenos se utilizan en los sensores retroreflectivos. Cuando se elige e instala el filtro adecuado, se pueden eliminar las perturbaciones generadas por las superficies reflectantes. Además, de esta forma se pueden detectar también objetos transparentes. Los filtros de polarización se fabrican a menudo de láminas de polímeros. 104 Componentes mecatrónicos Recurso de luz Minos Luz normal Filtros de polarización Luz polarizada Recurso de luz Luz normal Superficie difusa Luz polarizada Luz despolarizada Recurso de luz Luz normal Filtros de polarización Espejo Luz polarizada Figura 4.27: Polarización de la luz: a) eliminación de la luz depués de pasar por un filtro horizontal y un filtro vertical , b) reflexión de la luz polarizada sobre una superficie difusora, c) reflexión de la luz polarizada a través de un espejo 105 Componentes mecatrónicos Minos 4.4.3 Margen de operación Debido a la influencia del medio (por ejemplo lentes sucias, modificación del coeficiente de reflexión, envejecimiento del emisor) la iluminación del elemento optoeléctrico y el nivel de su señal de salida pueden verse disminuídos. El nivel de la señal puede ser demasiado pequeño para cambiar la señal de salida, produciendo que el sensor no funcione correctamente. Para evitar tales situaciones debe disponerse de una reserva de nivel de la señal determinada por el margen de operación (Fig. 4.28). El margen de operación es cero para el caso de que el receptor no sea apenas iluminado. Si la cantidad de luz es suficiente para cambiar la señal de salida, el margen de operación será 1. La cantidad real de luz debe superar el nivel mínimo necesario para cambiar la señal de salida (margen de operación>1) para garantizar una reserva. Operating Margin= Actual amount of light detected Minimum amount required to change output state Fuerza de la señal Margen de operación Luz de exceso Exceso mínimo de luz Accionando la salida Desactivando la salida Tiempo Rango Inestable Rango de operación Rango Protegido Inestable Figura 4.28: Relación entre el rango de operación protegido de un sensor optoelectrónico y el margen de operación 106 Componentes mecatrónicos Minos Si las condiciones de trabajo del sensor son conocidas se puede determinar el exceso de luz necesario que garantiza una protección contra la dispersión de la energía luminosa. Cuanto mayor sea este exceso, más fiable será el sensor. Para casos de alto riesgo de una disminución casual de la iluminación del receptor, el margen de operación debe también ser mayor. Si el aire no está contaminado y la probabilidad de contaminación de las lentes es pequeña, el margen mínimo de operación debe ser mayor de 1,5. Cuando el ambiente está muy contaminado y la operación de limpieza de lentes está limitada, el margen mínimo de operación debe ser incluso mayor de 50. Un diodo intermitente indica condiciones de trabajo no estables, esto es, la iluminación del sensor es demasiado pequeña para producir un cambio de la señal de salida. La histéresis es también importante para los sensores de difusión( diferencia del nivel de señal entre la conexión y desconexión) (Fig. 4.29). El campo de trabajo del sensor se determina para el nivel de la conexión de la señal de salida (switch ON). Nivel de la señal Nivel de la conexión de la señal de salida. Histeresis Salida ON Nivel de la desconexión de la señal de salida. Tiempo Figura 4.29: Histéresis de un sensor de difusión 107 Componentes mecatrónicos Minos Cuanto mayor sea la distancia entre el sensor y el objeto, mayor será la histéresis (Fig. 4.30). Sensor de difusión Objeto Histéresis H Detección de distancia S Figura .4.30: detectado 108 Relación entre la histéresis y la distancia entre el sensor de difusión y el objeto Componentes mecatrónicos Minos 4.4.4 Distancia de trabajo Una propiedad importante de los sensores optoelectrónicos es el alcance, determinado por la distancia máxima de trabajo. Para los sensores unidireccionales esta representa la máxima distancia entre entre el emisor y el receptor. Para los sensores retroreflectivos esta distancia viene marcada por la máxima distancia entre el sensor y el reflector. Para los sensores de difusión esta es la máxima distancia entre el sensor y el objeto a detectar (Fig. 4.31). Emisor (E) Receptor (R) Distancia máx. de detección Receptor (R) Emisor (E) Reflector Distancia máx. de detección Objeto Receptor (R) Emisor (E) Distancia máx. de detección Figura .4.31: detectado Relación entre la histéresis y la distancia entre el sensor de difusión y el objeto 109 Minos Componentes mecatrónicos Debido al diseño de los sensores de difusión, donde el emisor y el receptor están colocados en la misma carcasa, existe una distancia de detección mínima bajo la que un objeto ya no es detectado.(Fig. 4.32). Receptor (R) Emisor (E) zona muerta Distancia mínima del sensor Figura 4.32: Distancia mínima de trabajo de sensores retroreflexivos y sensores de difusión 110 Componentes mecatrónicos Minos 4.4.5 Tiempo de respuesta Cuando un objeto muy pequeño o un objeto que se mueve a gran velocidad debe ser detectado, el tiempo de respuesta del sensor optoelectrónico utilizado es muy importante. El sensor debe conseguir cambiar la señal de salida en un tiempo reducido. El tiempo de respuesta es el período de tiempo que transcurre entre la aparición del rayo de luz del sensor y el cambio de la señal de salida. El tiempo de descarga (release time) es el período de tiempo que trascurre entre la eliminación del objeto detectado y el cambio de la señal de salida. Ambos tiempos no son siempre iguales. Los valores máximos del tiempo de respuesta y del tiempo de descarga son dados en las fichas técnicas de cada sensor. A menudo se producen desviaciones debido a que la frecuencia de la tensión del impulso del emisor no puede ser sincronizada con el movimiento del objeto. Cuando el tiempo de respuesta es conocido se puede determinar la velocidad máxima de un objeto o la distancia máxima entre objetos para poder ser detectados. Operating Margin= Actual amount of light detected Minimum amount required to change output state El tiempo así calculado debe ser mucho mayor que el tiempo de respuesta del sensor dado en el catálogo. Si existen huecos entre los objetos a ser detectados de menor tamaño que uno de los propios objetos, el tiempo durante el que dicho espacio permanece en el campo del sensor se calcula a partir de la siguiente forma: Operating Margin= Actual amount of light detected Minimum amount required to change output state Este tiempo debe ser también considerablemente mayor que el tiempo de respuesta del sensor dado en el catálogo. 111 Minos 4.5 Componentes mecatrónicos Tipos especiales de sensores optoelectrónicos 4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados En los sensores retroreflectivos que utilizan luz polarizada, la luz generada por el emisor se dirige a un reflector de espejo de triple reflexión después de pasar a través de una lente colectora y un filtro horizontal de polarización (Fig. 4.33). El espejo de triple reflexión gira la luz polarizada 90°. Una parte de la luz reflejada pasa a través de un filtro de polarización vertical alcanzando al receptor. Por este motivo tan sólo la luz reflejada por el detector puede ser reconocida. Los filtros de polarización provocan pérdidas de intensidad de la luz emitida. El alcance de estos sensores es 30-40% menor que el alcance de los sensores retroreflectivos estándar. Los LEDs emisores de luz roja visible son los más utilizados como fuentes luminosas. Polisador emisor reflektor s trojným zrcadlem Lentes Receptor Filtros polarizadores Figura 4.33: Sensores retroreflectivos con polarización de la luz 112 Componentes mecatrónicos Minos 4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo En muchos de los tipos de sensores de difusión se pueden configurar las distancias máxima y mínima de trabajo (Fig. 4.34). Para ello se modifica el ángulo del receptor o el ángulo de un espejo instalado adicionalmente. Esto es importante si detrás del objeto a detectar se encuentra una superficie reflectora, de tal manera que el objeto no puede ser detectado correctamente. La superficie reflectora no tiene influencia alguna cuando la distancia de trabajo del sensor es menor que la distancia entre el sensor y la superficie (situada en el fondo). En este caso sólo serán detectados los objetos que se encuentren delante del fondo. eje óptico del emisor Receptor (R) eje óptico del receptor Emisor (E) Ventana de envio Figura 4.34: Corte del eje óptico del emisor y del receptor para limitar la superficie activa 113 Minos Componentes mecatrónicos La supresión electrónica de la influencia de fondo es aún más efectiva que el método mecánico ya que el sensor reconoce el fondo presente y puede así ignorarlo. Este método es aplicado en el caso de sensores de difusión con dos receptores de luz o en sensores de triangulación con una cámara CCD o un PSD. El primer grupo de sensores compara las iluminaciones del receptor con tal de detectar el objeto. El segundo grupo mide la distancia entre el objeto y el sensor y la compara con una medida tomada en un estado anterior. Para eliminar la influencia de fondo de manera electrónica se puede proceder de las tres maneras siguientes (Fig. 4.35): • no detección del objeto 3, que se encuentra fuera de la distancia de trabajo • no detección del objeto 2, que se encuentra dentro de la distancia de trabajo • detección del objeto 1, que se encuentra en un determinado campo (campo de trabajo) Si la distancia entre el objeto y el sensor: • es menor que Lmin, se elimina la influencia del fondo situado en un primer plano • es mayor que Lmax, se elimina la influencia del fondo posterior • es mayor que Lmin y menor que Lmax, la influencia del fondo en primer plano y del fondo posterior son eliminadas 114 Componentes mecatrónicos Minos LD (Diodo laser) čočka Recibidor CCD o PSD měřící oblast salida área de eliminación de la parte frontal Objeto 2 àrea de detección área de eliminación del fondo objeto 3 Figura 4.35: Sensor de triangulación con eliminación electrónica de la influencia de fondo 115 Minos Componentes mecatrónicos Gracias al sistema óptico del sensor de triangulación la radiación luminosa emitida por el láser es orientado como un rayo paralelo (Fig. 4.35). Este es reflajado por el objeto 1 de manera difusa, alcanzando parte de él el detector PSD o la cámara CCD, que se encuentran dentro de una misma carcasa. El sistema a analizar compara la señal ganada con la distancia de trabajo determinada en el estado anterior ajustada a través del potenciómetro. Cuando el objeto se encuentra dentro de la distancia de trabajo, la señal de salida cambia. Al contrario que los sensores de difusión típicos la distancia de trabajo no depende del tamaño, color y propiedades de la superficie del objeto a detectar. Por este motivo el objeto puede ser detectado aún cuando el fondo sea brillante. Cuando se quieren detectar objetos cercanos al fondo o cuando se quiere determinar el nivel de un fluido transparente solo pueden ser empleados este tipo de sensores. Los sensores de difusión que eliminan la influencia del fondo pueden detectar tanto objetos claros como oscuros. Esto se muestra en la Fig. 4.36. La diferencia entre las distancias de trabajo para objetos claros y oscuros es tan solo de un 5%. Las fuentes luminosas LED y los receptores presentan lentes ópticas para recoger la radiación luminosa generada y disminuir el campo de vista del receptor. La zona de acción del sensor se ve limitada y disminuye la influencia de la radiación reflejada por los objetos que se encuentran fuera de la zona de acción. Gracias a las lentes la distancia máxima entre el emisor y el receptor o entre el emisor y la superficie reflectante será mayor. Si se requieren un alcance pequeño y un campo visual amplio, se utilizan elementos fotoópticos sin lentes (con una ventana lisa transparente). Rango del sensor Papel blanco Papel negro Sensor de difusión Sensor de difusión con eliminación de fondo Figura 4.36: Relación entre la distancia de trabajo y el color de la superficie reflectora 116 Componentes mecatrónicos 4.5.3 Minos Sensores retroreflectivos con autocolimación La autocolimación implica la conversión automática de un rayo de luz divergente en un rayo paralelo. Aún cuando el diámetro del rayo sea pequeño, bastará para iluminar al receptor. Gracias a la autocolimación se pueden detectar objetos transparentes y objetos que se encuentran en la zona muerta. Los sensores reflexivos optoelectrónicos que emplean la autocolimación se basan en el hecho de que los ejes ópticos de los canales del emisor y del receptor son iguales. Esto es posible debido a que la luz en el canal de recepción es desviado 90° por un espejo semitransparente (Fig. 4.37). Tales sensores trabajan especialmente bien con reflectores laminados. reflector de tres espejos rayo de emisión y recepción Lentes rayo reflejado rayo de emisión receptor emisor Figura 4.37: Sensores de reflexión con autocolimación 117 Componentes mecatrónicos Minos 4.5.4 Sensores de fibra óptica 4.5.4.1 Fibra óptica La fibra óptica se emplea para transmitir ondas electromagnéticas cuya frecuencia es similar a la de las ondas luminosas. El sensor de difusión más sencillo es una varilla de cristal o plástico con extremos planos. Esta se emplea actualmente como núcleo de fibra óptica. La varilla está recubierta por una capa de otro cristal o plástico de menor índice de refracción (Fig. 4.38). El modo de funcionamiento de una fibra óptica se basa en la reflexión total de la luz interna en el límite situado entre dos sustancias con diferentes índices de refracción. Tras la reflexión el 100% de la energía luminosa permanece en la fibra óptica. Rayo de luz núcleo Figura 4.38: Reflexión total de la luz interna en una fibra óptica 118 Componentes mecatrónicos Minos El rayo de luz es reflejado por el extremo cuando este se encuentre en un medio con un coeficiente de refracción mayor. Además solo serán transmitidos los rayos cuyo ángulo de incidencia en la superficie frontal de la fibra sea menor que el ángulo crítico. El ángulo crítico depende de la relación entre los coeficientes de refracción de la capa y el núcleo. La contaminación y las pequeñas impurezas materiales del núcleo disminuyen la intensidad de la luz y disminuyen la longitud de la fibra óptica hasta la que puede transmitirse la luz de manera efectiva. El diámetro del núcleo tiene un valor desde 5 µm (para conductores de cristal de cuarzo) hasta 1 mm (para conductores de plástico). Gracias a su pequeño diámetro los conductores de cristal son muy elásticos y pueden ser deformados en cualquier dirección. Las conductores pueden tener una o varias fibras ópticas (Fig. 4.39). Fibra Capa de protección Relleno Figura 4.39: Cables de fibra óptica con diferente número de fibras 119 Minos Componentes mecatrónicos Las fibras ópticas de vidrio pueden resistir temperaturas más elevadas (hasta 250°C) que las fibras ópticas de plástico (hasta 70°C). Si embargo las fibras ópticas de plástico son más resistentes, baratas y fáciles de recortar. Las fibras ópticas de vidrio transmiten tanto la luz visible como la radiación infrarroja. Las fibras ópticas de plástico se utilizan solamente para transmitir luz visible, ya que estas presentan una eficacia menor cuando transmiten radiación infrarroja. En el extremo de una fibra óptica se encuentra una cabeza cilíndrica de metal o un conector para instalar este. Existen dos tipos de fibras ópticas: unidireccionales o ramificadas (Fig. 4.40). Los conductores unidireccionales presentan un núcleo (núcleo simple). Las fibras ópticas ramificadas tienen dos o más núcleos (núcleo doble o multinúcleo). Fibra óptica Cabeza del receptor Fibra óptica Cabeza del sensor Figura 4.40: Tipos de fibras ópticas: a) – unidireccional, b) – ramificada 120 Componentes mecatrónicos Minos 4.5.4.2 Funcionamiento Los sensores optoelectrónicos con fibra óptica funcionan de la misma manera que otros sensores optoelectrónicos. Solamente existe la diferencia de que en este caso la luz emitida y recibida es transmitida por una fibra óptica. La cabeza de la fibra óptica es muy pequeña ( algunos mm) y por ello el sensor puede ser colocado fácilmente en lugares de difícil acceso. Los circuitos electrónicos se encuentran en un amplificador separado (Fig. 4.41). Dos fibras ópticas unidireccionales situadas una enfrente de la otra funcionan como un sensor unidireccional. Cuando la radiación es interrumpida, el objeto es detectado. Dos cables de una fibra óptica ramificada están conectados a la cabeza de un sensor. La luz emitida es transmitida a través del primer cable volviendo la radiación al emisor a través del segundo cable. Cuando la luz emitida es reflejada por un objeto, el objeto es detectado. Fibra óptica salida cabeza del emisor cabeza del receptor objeto Amplificador de la fibra óptica salida objeto cabeza del sensor Figura 4.41: Tipos de sensores con fibras ópticas: a) unidireccionales, b) difusos 121 Minos Componentes mecatrónicos Los sensores de fibra óptica pueden detectar objetos muy pequeños gracias a las pequeñas dimensiones de la cabeza de la fibra óptica y además pueden ser instalados en lugares de dimensiones reducidas. Pueden trabajar también en lugares con riesgo de explosión o inmersos en líquidos. Estos sensores no son sensibles a daños mecánicos y vibraciones. Por ello pueden ser instalados en equipos en movimiento. Un LED que emite luz visible roja o radiación infrarroja puede ser utilizado como fuente luminosa. El diámetro exterior de una fibra óptica estándar es de 2,2 mm y su longitud es normalmente menor de 2 m. 122 Componentes mecatrónicos Minos 4.6 Conexión de los sensores optoelectrónicos 4.6.1 Tipos de conexiones Los sensores optoelectrónicos presentan dos modos de operación: • • modo oscuro (DO, dark operate), modo claro(LO, light operate). En el modo oscuro la salida del sensor está activa (ON) cuando la luz emitida no alcanza al receptor. En el modo claro la salida del sensor está activa (ON) cuando la luz emitida alcanza al receptor. La relación entre la señal de salida y la iluminación del receptor para el modo oscuro se muestran en la fig. 4.42. Para el modo de operación claro la señales de salida son opuestas a las mostradas en la fig. 4.42. Figura 4.42: Señal de salida de los sensores en modo de operación oscuro 123 Minos Componentes mecatrónicos 4.6.2 Conmutación de la salida del sensor Todos los sensores optoelectrónicos presentan una zona característica de conmutación de la señal de salida. Su dimensión y forma dependen del diámetro de la radiación de luz emitida y de la distancia entre el objeto detectado y el sensor (para sensores unidireccionales entre el emisor y el receptor). Cuando el objeto detectado (el receptor en el caso de los sensores unidireccionales) se encuentre en dicha zona, la señal de salida cambia. La zona de conmutación de la señal de salida puede ser representada en forma de un diagrama de respuesta (Fig. 4.43) cuando un objeto es desplazado respecto al receptor o el receptor es desplazado respecto al emisor. Receptor Emisor Emisor Receptor Distancia X Figura 4.43: Diagrama de respuesta de un sesnor unidireccional 124 Componentes mecatrónicos Minos Una propiedad importante de todos los sensores de detección es la frecuencia de conmutación máxima (número máximo de cambios de la señal de salida posible en un segundo, Hz). En el caso de sensores optoelectrónicos esta será determinada en base al tiempo de respuesta/ tiempo de descarga. En un principio se parte de que ambos tiempos son iguales: f max =10 3 / (Tiempo de reacción + Tiempo de producción) f max [Hz] tiempo de reacción/ producción [ms] 125 Minos 4.7 Componentes mecatrónicos Aplicaciones Figura 4.44: Control del despliegue de la cinta por medio de un sensor optoelectrónico unidireccional Figura 4.45: Reconocimiento de elementos opacos por medio de un sensor optoelectrónico retroreflectivo 126 Componentes mecatrónicos Minos Figura 4.46: Control del nivel de un líquido en un recipiente de cristal por medio de un sensor optoelectrónico con un filtro de polarización. Figura 4.47: Detección de la ruptura de una herramienta usando un sensor unidireccional con fibra óptica 127 Minos Componentes mecatrónicos 5 Sensores de campo magnético 5.1 Fundamentos básicos Los sensores magnéticos detectan sobre todo objetos a los que se pueden fijar imanes. Los sensores magnéticos se emplean a menudo en la industria de la automatización ya que estos tienen una zona de acción muy amplia y sus carcasas herméticas de reducido tamaño pueden tener diferentes formas. Las formas básicas de los sensores magnéticos no requieren de un suministro de corriente, pudiendo ser conectados directamente a una unidad de control. Estos también pueden controlar de manera independiente la operación de máquinas. Una ventaja adicional de los sensores magnéticos es el amplio rango de tensiones y corrientes de conexión (más de 1000 V y algunos A). Los sensores magnéticos responden a un campo magnético que se genera normalmente por imanes permanentes adheridos y fluye desde y hacia los objetos a detectar . Los objetos pueden ser de diferentes materiales, aunque se prefieren los objetos no ferromagnéticos que aseguran una zona de acción mayor. Un elemento situado en el campo magnético que reacciona ante este puede ser un contacto eléctrico hermético (contacto reed), un elemento semiconductor (sensor Hall), una resistencia magnética o un material con propiedades magnéticas especiales. Los campos magnéticos atraviesas la mayoría de los materiales no magnéticos incluso cuando un diamagnético se encuentra entre el objeto y el sensor (por ejemplo una tubería de plástico o un recipiente de plástico). Cuando un imán se aproxima al sensor (en la dirección X o Y) la señal de salida es modificada, siendo esto señalizado por un LED (Fig. 5.1). Iman elemento que responde al campo magnético DETECTOR Figura 5.1: Elementos de un sensor magnético de proximidad 128 SISTEMA DE SALIDA Componentes mecatrónicos 5.2 Minos Fundamentos físicos 5.2.1 Campo magnético Un campo magnético está determinado por el espacio donde las fuerzas magnéticas están presentes. Se encuentra alrededor de imanes, conductores activos y cargas eléctricas en movimiento. Un imán presenta dos polos donde se concentra el magnetismo: el polo norte (N) y el polo sur (S). Ambos polos pueden atraer objetos no imantados. Cuando hay dos imanes presentes, el polo norte de un imán atrae el polo sur del otro imán. Los polos de igual polaridad se repelen. Las línes de un campo magnético están cerradas y se dirigen siempre del polo norte N al polo sur S. El campo magnético de un imán es igual al generado por un solenoid a través del cual fluye la corriente eléctrica (Fig. 5.2). Existen tres magnitudes características de un campo magnético: – la intensidad H ( A/m), – la inducción B (Tesla, T), – la permeabilidad relativa μr Iman permanente bobina Conductor con corriente Figura 5.2: Fuentes de un campo magnético 129 Minos Componentes mecatrónicos Toda materia presenta propiedades magnéticas, pero un campo magnético influye de diferente manera en cada cuerpo. Los cuerpos materiales se clasifican en función de su permebilidad relativa μr en los siguientes grupos: diamagnéticos (μr <1, cuerpos que no son atraídos por imanes, por ejemplo cristal o bismuto), paramagnéticos (μr >1, por ejemplo aluminio, platino, cinc), y ferromagnéticos( el grupo más importante, con μr>>1). La permeabilidad de aceros puros presenta un valor de unos varios miles). Un campo magnético tiene una fuerte influencia en los materiales ferromagnéticos. Su propiedad característica son pequeños campos igualmente inmantados- dominios magnéticos (Fig. 5.3). Cuando estos campos son ordenados por un campo magnético externo, el material ferromagnético funciona como un imán. Las propiedades ferromagnéticas de los aceros dependen de su composición química y de su tratamiento térmico. Figura 5.3: Dominios magnéticos de un ferromagnético a) no imantado, b) imantado 130 Componentes mecatrónicos Minos Los materiales ferromagnéticos que se encuentran en un campo magnético exterior son imantados y desimantados dependiendo de la dirección del campo magnético. Esta histéresis depende de las propiedades del material ferromagnético (Fig. 5.4). Si la histéresis es elevada, el material ferromagnético es difícil de imantar. Estos materiales (Fe-Co, Ni-Co, ferritas duras) son denominados “duros” y se emplean como imanes permanentes. Si la histéresis es pequeña el material ferromagnético puede ser imantado y desimantado fácilmente. Dichos materiales ( aceros, Fe-Si, Fe-Al, ferritas blandas, aleaciones amorfas) se denominan blandas y se utilizan como núcleos magnéticos. Debido a la diversidad de propiedades magnéticas arriba mencionadas nos podemos encontrar con diferentes tipos de sensores magnéticos. El campo magnético se caracteriza en el vacío por un vector magnético de inducción Bo. En un material homogéneo cualquiera la inducción magnética B se define mediante la siguiente expresión: B=μ ∙B Campo magnético generado Campo magnético generado Campo magnético externo Campo magnético externo Figura 5.4: Histéresis de un material ferromagnético: a)duro, b) blando 131 Componentes mecatrónicos Minos 5.2.2 Contacto Reed Un contacto Reed consta de un pequeño filamento de vidrio cerrado herméticamente, en el que se encuentran dos láminas delgadas de un material ferromagnético al vacío o en presencia de un gas inerte. En el caso de que las láminas se encuentren en un campo magnético exterior, estas inducirán su propio campo magnético. En una de las superficies del contacto aparece el polo norte N, y en la otra el polo sur S (Fig. 5.5). Cuanda la fuerza que atrae a los polos sea mayor que la fuerza elástica de las láminas, estas entrarán en contacto. Cuando desaparece el campo magnético, se separan las láminas como consecuencia de su elasticidad. Por ello un circuito Reed puede cerrar o abrir un circuito. Dependiendo de su configuración y de sus condiciones de trabajo los contactos se recubrirán con una capa de metal noble (rutenio, rodio, oro) para proporcionar una mayor estabilidad. Al desplazar un imán o un contacto Reed, su estado puede ser controlado (las láminas se cierran o están separadas). Cuando se cambia el estado, se puede producir una descarga de corriente entre las láminas que dañe el contacto Reed o empeore su calidad. Para evitar que ocurra esto se instalan normalemnte mecanismos de protección. La frecuencia máxima de conmutación de los contactos Reed depende de su construcción y de las propiedades del material y presenta un valor entre 200-250 Hz. La potencia permitida a través del contacto Reed puede tener un valor máximo de 3 A. Receptor Receptor Receptor Receptor Figura 5.5: Contacto reed : a) diseño, b) en un campo magnético, c) mecanismos de protección (C = condensador, R = resistencia, D = diodo, W = varistor) 132 Componentes mecatrónicos Minos Un contacto Reed presenta tres puntos A,B,C donde las láminas pueden ser cerradas. Estas no se cierran siempre cuando un imán se encuentra cercano al sensor. Esto depende de la posición del eje magnético respecto del eje del contacto Reed. Si un imán se mueve paralelo al eje del contacto Reed las láminas se cerrarán en los tres puntos A,B,C (Fig. 5.6). Si el eje del imán es perpendicular al eje del contacto Reed, las láminas serán cerradas solo en dos puntos (A,C). Si un imán se mueve en dirección perpendicular al eje del sensor Reed, las láminas solo se cerrarán cuando el iman se encuentre en los puntos A, B o C. Si un imán se mueve en dirección perpendicular al eje del contacto Reed, las láminas solo se cerraran cuando el imán se encuentre en los puntos A o C. Figura 5.6: Posiciones en las cuales las láminas de un contacto Reed pueden cerrarse cuando un imán se desplaza paralelo al eje del contacto Reed 133 Minos Componentes mecatrónicos 5.2.3 El efecto Hall El efecto Hall consiste en la creación de un campo eléctrico adicional en una lámina conductora o semiconductora a través de la cual fluye corriente eléctrica, que se encuentra en un campo magnético externo. Las cargas eléctricas se acumulan bajo la influencia del campo magnético externo en uno de los lados de la lámina, creándose una diferencia de potencial (conocida como tensión Hall VH). El campo eléctrico adicional se genera perpendicular tanto a la dirección del campo magnético B como a la corriente I¬c. El efecto Hall es más fuerte cuando el campo magnético es perpendicular a la dirección de la corriente (Fig. 5.7). Para la lámina mostrada en la Fig. 5.7 se cumple que: V = R ∙ B ∙ IC /d RH – constante de Hall (determina la movilidad de los portadores de energía) d – espesor de la lámina Para aplicaciones prácticas del efecto Hall debe emplearse un valor de tensión VH tan alto como sea posible. Este valor puede alcanzarse cuando se emplean láminas muy delgadas (0,1 mm) de un material con elevada movilidad de electrones. Solamente los semiconductores (InSb, InGaAs, Si, GaAs) presentan estas propiedades. La posibilidad de aumentar la tensión por medio del aumento de la corriente que fluye a través de la lámina está limitada, ya que la potencia permitida en la lámina no debe ser sobrepasada. Esta potencia permitida depende en gran manera de la construcción y forma de la lámina. El efecto Hall se emplea a menudo por ejemplo en la construcción de sensores magnéticos a partir de materiales semiconductores. Hallův efekt se často používá, např. na stavbu senzorů magnetického pole z polovodičů. 134 Figura 5.7: El efecto Hall Componentes mecatrónicos 5.2.4 Minos Magnetorresistencia Los magnetoresistores AMR son elementos anisótropos fabricados a partir de semiconductores cuya resistencia depende fuertemente de la intensidad del campo magnético. En sensores se emplean cintas delgadas del material ferromagnético “permalloy” (20% Fe, 80% Ni). La magnetoresistencia de un semiconductor aumenta ante la presencia de un campo magnético externo H, debido a que la dirección de la corriente I a través del semiconductor varía en un ángulo α y las cargas eléctricas deben recorrer una trayectoria mayor (Fig. 5.8). Cuanto mayor sea la intensidad del campo magnético, mayor será el ángulo α Este fenómeno se denomina magnetorresistencia. La magnetorresistencia se presenta raras veces en metales. Si que se da en los semiconductores, pero de diferencte manera. Cuando la corriente fluye a través de electrodos de oro o de aluminio se modifica su dirección. En este caso las cargas eléctricas deben recorrer una distancia aún mayor y la resistencia alcanzará el valor RM dependiente del ángulo α. Cuando el campo magnético desaparece, la resistencia del semiconductor vuelve a su valor inicial RM0. La relación entre el ángulo α dependiente de la intensidad del campo magnético y la resistencia del semiconductor RM hace posible la detección de objetos imantados. permalloy electrodos Figura 5.8: Magnetorresistencia 135 Componentes mecatrónicos Minos 5.2.5 El efecto Wiegand El efecto Wiegand consiste en la generación de un impulso eléctrico, al cambiar la dirección del campo magnético, en una bobina que envuelve un conductor ferromagnético con propiedades magnéticas especiales (“conductor de impulsos”). Un “conductor de impulsos” se fabrica a partir de material ferromagnético. Su diámetro comprende aproximadamente 0.3mm. El conductor es una aleación de cobalto , acero y vanadio. Presenta dos zonas magnéticas diferentes: un núcleo y una envoltura. El núcleo está formado por una material ferromagnético blando (histéresis reducida) y la envoltura de un material ferromagnético duro (histéresis mayor) (Fig. 5.9). Cada zona reacciona de manera diferente ante los cambios de dirección del campo magnético. La dirección de imantación del núcleo magnético blando varía más rápido que la de la envoltura magnética dura. Para cambiar la dirección de imantación de la envoltura su campo magnético debe presentar un valor medio tres veces mayor que el campo del núcleo. Cuando el campo magnético genere un cambio en la dirección de imantación del núcleo sin cambiar la dirección de imantación de la envoltura, se produce un pequeño impulso eléctrico (10 - 20μs) en la bobina. La amplitud del impulso es casi independiente de la velocidad de cambio de dirección del campo magnético. El efecto Wiegand se aplica en sensores magnéticos para detectar un movimiento de rotación o de traslación de un objeto. núcleo magneticamente suave carcasa magnéticamente dura Tiempo tiempo núcleo carcasa Figura 5.9: Efecto Wiegand: a) “conductor de impulsos” con la bobina ; b) impulso eléctrico antes y después del cambio de dirección del campo magnético 136 Componentes mecatrónicos 5.3 Minos Sensores de campo magnético con contacto Reed La operación de este tipo de sensores se basa en la función de un contacto reed, que reacciona ante los imanes que se aproximan a él. Cuando las láminas del contacto reed se encuentran en un campo magnético generado por un imán, sus campos magnéticos propios serán inducidos. Si la fuerza de atracción experimentada por las láminas es mayor que su fuerza elástica, el estado del contacto reed cambia y el circuito se cierra conectando una resistencia (Fig. 5.10). Cuando el campo magnético desaparece, se separan las láminas debido a su elasticidad y el circuito se abrirá. Los sensores con un contacto reed no requieren suministro de corriente. Cuando el contacto reed no se encuentra en ningún campo magnético, sus contactos (independientemente de su tipo) pueden permanecer cerrados (señal NC) o separados(señal NO). La intensidad del campo magnético depende de las características del material y de las dimensiones del imán. Esta determina el alcance máximo del sensor Smax . salida iman sensor de contacto reed Figura 5.10 :Sensor magnético con contaco reed a) contrucción y señal de salida, b) Smax – alcance máximo, H – histéresis 137 Minos Componentes mecatrónicos entre los imanes y el sensor en la dirección X e Y (Fig. 5.11). Si un imán paralelo al contacto es desplazado paralelamente al eje del contacto reed, hay tres zonas donde cambia la señal de salida. Si un imán perpendicular al contacto es desplazado paralelamente al eje del contacto reed , la señal de salida cambia en dos zonas. Si un imán paralelo o perpendicular al contacto es desplazado perpendicularmente al eje del contacto reed, la señal de salida cambia solamente en una zona. Figura 5.11: Zonas de cambio de la señal de salida en función de la posición y orientación del imán. 138 Componentes mecatrónicos Minos La carcasa de sensores de campo magnético con un contacto reed pueden presentar diferentes formas (cilíndrica, cúbica o muy compleja), lo que depende de las condiciones de instalación. La forma de un sensor determina donde puede moverse un imán. Para algunos sensores el imán debe moverse sólo enfrente de la superficie frontal del sensor. En el caso de otros sensores el imán puede moverse también respecto a otras superficies laterales. Los sensores con un contacto reed presentan tres conductores o solamente dos cuando estos no cuentan con un diodo señalizador luminoso. La frecuencia máxima de conmutación de la señal de salida es pequeña y presenta normalente un valor entre 200-250 Hz. La corriente permitida a través de un contacto reed puede ser de hasta 3A. Para valores bajos de intensidad de corriente el sensor puede incluso trabajar con una tensión mayor de 100V. 139 Componentes mecatrónicos Minos 5.4 Sensores Hall Los sensores Hall hacen uso del efecto Hall. Su señal de salida se modifica cuando los cambios producidos por un campo magnético producen una tensión adicional VH en el sensor. Los sensores Hall necesitan un suministro de corriente continua. Cuando un imán se encuentra fuera de la zona de acción del sensor, la corriente fluye sin dificultad alguna a través de la lámina semiconductora, siendo nula la diferencia de potencial entre los extremos de las láminas. Cuando un imán se encuentra en la zona de acción del sensor, su campo eléctrico genera la tensión de Hall en los extremos de las láminas. Esta tensioón controla la salida del transistor del sensor (Fig. 5.12). Los sensores Hall presentan normalmente tres líneas. Su tensión de alimentación es constante y presenta un valor entre 5-30V. La frecuencia máxima de conmutación de la señal de salida es elevada y mayor de 300 Hz. La corriente permitida que fluye a través de la lámina semiconductora es normalmente menor de 1A. Los sensores Hall pueden ser omnipolar (reaccionan ante cualquier polarización del campo magnético), unipolar (reaccionan ante una polarización determinada del campo magnético) o bipolar (son activados por un polo y desactivados por el otro). iman Semiconductor del dispositivo Hall detector Figura 5.12: Sensor Hall 140 sistema de salida Componentes mecatrónicos 5.5 Minos Sensores magnéticos especiales 5.5.1 Sensores magnetoresistentes La estructura de los sensores magnetoresistentes es similar a la de los sensores Hall. Solamente el elemento sensible a los cambios del campo magnético es distinto. En los sensores magnetoresistentes este elemento está compuesto por cuatro magnetoresistores RM1 – RM4 que conforman un puente de Wheatstone(Fig. 5.13). En este caso se debe prestar atención a correcta colocación de los polos de los electrodos. En este elemento se compensan las dilataciones térmicas, siendo la señal de salida dos veces mayor que en un magnetoresistor. Cuando un imán se encuentra en la zona de acción del sensor la resistencia del puente varía. Este cambio es proporcional al cambio en la intensidad del campo magnético. iman puente wheatstone detector sistema de salida suministro de voltaje señal de medición (+) GND señal de medición (-) Figura 5.13: Sensor magnetoresistente : a) esquema, b) puente wheatstone 141 Minos Componentes mecatrónicos 5.5.2 Sensores Wiegand El funcionamiento de los sensores Wiegand se basa en el registro de los cambios en la dirección de imantación (polarización) del núcleo de un conductor de impulsos. Cuando la dirección del campo magnético cambia la polarización del núcleo puede también variar. Un campo magnético de dirección variable puede ser generado por pequeños imanes móviles o fijos (Fig. 5.14). En el primer caso el conductor de impulsos es expuesto primero a un campo magnético con polarización N/S y a continuación es expuesto al campo de un imán de polaridad inversa S/N. Debido a este cambio del campo magnético, se genera un impulso eléctrico en la bobina que rodea el conductor de impulsos. En el segundo caso el conductor de impulsos es desplazado primero por un campo magnético con polarización N/S y a continuación por el campo de un imán de polaridad inversa S/N para modificar la dirección de imantación del núcleo. En este proceso los imanes y la bobina se encuentran en el sensor, siendo el conductor de impulsos el elemento móvil. circuito de detección circuito de detección sistema de salida sistema de salida Figura 5.14:Sensores Wiegand: a) con campo magnético móvil, b) con conductor de impulsos móvil 142 Componentes mecatrónicos Minos Además de los dos modos de funcionamiento expuestos hay un tercer modo de operación. Este tiene lugar cuando tanto el imán como un conductor de impulsos envuelto por la bobina se encuentran en la cabeza del sensor. En este caso la dirección del campo magnético será modificada por un material ferromagnético que se mueve en la zona de acción del sensor. Por ello se pueden utilizar tales sensores para contar el número de objetos ferromagnéticos que se mueven ante el sensor (por ejemplo los dientes de una rueda dentada,y en base a estos el número de revoluciones). Cuando un objeto se desplaza delante del sensor, la polarización magnética del conductor de impulsos varia dos veces. Cada cambio produce un impulso eléctrico en la bobina. Los sensores Wiegand no requieren corriente de alimentación. Presentan dos líneas y pueden trabajar bajo condiciones adversas. La frecuencia y amplitud de los impulsos generados pueden ser elevados (hasta 20 kHz y unos cuantos V). 143 Minos Componentes mecatrónicos 5.5.3 Sensores magnéticos con imán El sensor magnético más simple está compuesto por una bobina enrollada en torno a un imán permanente (Fig. 5.15). Un objeto ferromagnético que se mueve en la zona próxima al sensor, cambia el campo magnético que fluye a través de la bobina y genera una tensión. Estos sensores no detectan objetos fijos debido a que la tensión de salida depende de la velocidad del objeto. Cuanto más lento se mueve un objeto, menor es la tensión de salida. Cuando el objeto no se mueve, la tensión es 0V. Cuando la tensión de salida presenta valores pequeños, estos deben ser amplificados para provocar un cambio en la señal de salida. Estos sensores no requieren de una corriente de alimentación. Su resolución es elevada. Esta puede incluso alcanzar una centésima de grado (1/100°) al medir la velocidad de rotación. circuito de detección Figura 5.15 Sensores magnéticos con imán 144 sistema de salida Componentes mecatrónicos 5.6 Minos Reglas de montaje Los sensores magnéticos pueden ser instalados o insertados en elementos de cualquier material no ferromagnético. La sensibilidad del sensor es independiente de la distancia entre las superficies frontales y la superficie del elemento (Fig. 5.16). En el caso de que un sensor magnético deba ser instalado en un elemento compuesto por un material ferromagnético, la distancia mencionada debe ser tan grande como sea posible. Además una capa adicional aislante de un dieléctrico debe ser colocada entre el sensor y el elemento. Cuando un imán es instalado en la superficie de un elemento ferromagnético, su campo magnético se hace más fuerte. Cuando un imán se inserta en un elemento ferromagnético su campo magnético se debilita. A causa del cambio de la variación del campo magnético la zona de acción del sensor es modificada. Cuando un objeto no ferromagnético aparece entre el sensor y el imán, la función del sensor no se verá perturbada. Cuando un objeto ferromagnético aparece entre el sensor y el imán, la función del sensor se verá perturbada y la señal de salida puede ser modificada de manera involuntaria. sensor material no ferromagnétio sensor materia ferromagnético sensor sensor Figura 5.16 Influencia de elementos ferromagnéticos y no-ferromagnéticos sobre las propiedades de sensores magnéticos 145 Minos 5.7 Componentes mecatrónicos Aplicaciones Los sensores magnéticos se utilizan para: - detectar objetos que se encuentran en una tubería o recipiente de plástico - detectar objetos que se encuentran en un medio agresivo y están protegidos por capas protectoras - detectar objetos bajo elevadas temperaturas (un elemento ferromagnético puede ser situado próximo al objeto) - detectar objetos sometidos a movimientos de rotación o traslación Figura 5.17 Detección de la posición del pistón en un cilindro no ferromagnético por medio de un sensor magnético con un contacto reed. Figura 5.18:Medida de la velocidd de rotación utilizando un sensor Wiegand 146 Componentes mecatrónicos Minos Figura 5.19: Detección de la posición angular de una mesa empleando un sensor Hall Figura 5.20: Medida de la velocidad de rotación por medio de un sensor magnetoresistente 147 Mecatrónica Módulo 6: Sistemas y funciones de la mecatrónica Libro de Texto (Concepto) Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Universidad Técnica de Wroclaw, Polonia Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu 1 1.1 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores inductivos Información básica Los sensores inductivos son el grupo de sensores más utilizado en sistemas automáticos para el control de posición y movimiento de mecanismos utilizados como parte de la maquinaria y del equipo. Su diseño simple y compacto, además de su rentabilidad y su fácil instalación lo hacen la elección perfecta para muchas aplicaciones. Los sensores inductivos reaccionan a cualquier objeto metálico en su zona de operación al activar de el estado de conexión de salida o al momento de cambio en el nivel de señal de la conexión de salida. Un sensor inductivo consiste de los siguientes componentes básicos (Figura 1.1.): una cabeza que incluye una bobina inductora con un núcleo de ferrita, un generador con un voltaje sinusoidal, un circuito detector (comparador) y un amplificador de salida Un circuito de inducción que consiste de una bobina y de un núcleo de ferrita genera una variable , un campo magnético de alta frecuencia alrededor de la cara del sensor. Este sensor induce corrientes de Foucault en un objeto metálico que se acerca al sensor. Esto provoca una carga al circuito de inducción y como resultado una disminución de la amplitud de las oscilaciones. La magnitud de estos cambios depende de la distancia entre el objeto metálico y la cara del sensor. La activación de la salida del sensor sigue después de que el objeto metálico haya llegado hasta cierta distancia del sensor; dicha distancia depende de las características individuales de cada sensor. En los sensores de salida análoga, el nivel de la señal de salida es en proporción inversa a una distancia del objeto hacia el sensor. Objeto Cabeza del sensor Figura 1.1: Generador Sistema de detección Sistema de sálida Esquema de un sensor inductivo 7 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 1.2 Construcción básica La parte activa de un sensor inductivo tiene una bobina enrollada en el núcleo Ferrita , generando así un campo magnético variable. El propósito del núcleo Ferrita, con un campo magnético abierto, es amplificar el campo magnético de la bobina y dirigirlo hacia la zona de medición del sensor. Los cambios en el campo magnético están siempre asociados con la creación del campo magnético (corriente de Foucault). Cuando el conductor aparece en éste campo eléctrico variable aparece entonces un campo magnético de Foucault alrededor de las líneas del campo eléctrico (Figura 1.2). Esta se opone al campo magnético de la bobina consumiendo parte de la energía del circuito de resonancia. Esto significa que hay cambios en las perdidas del circuito de resonancia y como resultado, el factor de calidad se daña y la amplitud de las oscilaciones se reduce. Esta reducción es efectiva siempre y cuando que los elementos de conducción sean parte de la exposición del campo magnético de la bobina. Cuando el objeto es retirado del campo, la reducción del campo de resonancia desaparece y la amplitud de las oscilaciones regresa a su valor de inicio. Conductor Campo magnético variable Campo magnético de Foucault Bobina Amplitud Amplitud Tiempo Núcleo de ferrita Tiempo Figura 1.2: Un objeto metálico en un campo magnético de la bobina con el núcleo de Ferrita 8 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El circuito electrónico del sensor determina una distancia del objeto hacia el sensor, basado en el índice de reducción de la amplitud y genera una señal de salida. Es su mayoría es una señal de dos estados: el objeto que se encuentra al alcance del sensor y el objeto que se encuentra fuera del alcance del sensor. Rara vez la señal es una señal análoga; en una proporción inversa a una distancia del objeto al sensor. El circuito electrónico de un sensor, aparte de la sección de detención, incluye también un comparador con histéresis y un sistema de salida. Gracias a la histéresis se evitan las interrupciones de las señales de salida cuando se cambia de estado o en el caso de una posición inestable o vibraciones del objeto detectado, incluso en el caso de eventos de interferencia debido a las fluctuaciones en el suministro de voltaje o la temperatura del ambiente. La histéresis es una diferencia en la distancia a la cual responde el sensor cuando un objeto metálico incrementa y disminuye su distancia de la cara del sensor. El estado del sensor cambia entonces de OFF a ON o a la inversa (Figura 1.3). El valor de la histéresis depende sobre el tipo y el tamaño de un sensor y normalmente no es más grande que el 20 % de su rango de medición. Al presentarse, el sensor funcionará apropiadamente, incluso cuando un objeto se encuentra en los límites de su zona de operación. En los sensores que están proporcionados con señalización de un estado de salida, esta situación está señalada con un diodo luminiscente (LED). La frecuencia típica de los generadores-LC en los sensores inductivos es alta (HF) y asciende a 100 kHz – 1 MHz. Entre más grande sea el diámetro de la bobina, más grande será la carga de corrientes del sensor y más pequeña será la frecuencia máxima. El rango de los sensores inducidos tipos no excede de 60 mm. Este sensor están ofrecidos con diferentes tipos de cajas, ambas cilíndricas (metálicas) y prismáticas (plásticas). Esto hace que sea posible una instalación óptima del sensor en su lugar de operación. Figura 1.3: Histéresis de los sensores inductivos 9 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica El cambio continuo del campo magnético generado por una bobina inductiva rodea una cierta área limitada que determina el alcance máximo posible de un sensor inductivo. Una distancia desde la cara del sensor hasta un objeto en donde el circuito de salida se cambia se define como La zona de operación clasificada S n. Este valor es dado en la información de catálogo. Está determinada con acuerdo del EN 60947-5-2 como un estándar para placa cuadrada de acero (st37) con lado del cuadrado equivalente al diámetro del sensor y su ancho igual a 1 mm. La zona de operación actual S r determinada en el curso de manufacturación de un sensor puede ser ligeramente diferente que la S n . Para el valor clasificado del voltaje suministrado y la temperatura ambiente determinada, la zona actual se encuentra en el rango 0.9 S n ≤ S r ≤ 1.1S n Para aumentar la fiabilidad del sensor de operación, el rango recomendado es ampliamente reducido al rango de trabajo S a ≤ 0.8 S n .Esto define una distancia segura de un objeto metálico hacia un sensor, asegurando así una operación sin problemas en el rango completo de cambios en la temperatura ambiente y el suministro de voltaje, independientemente del rango de operación actual garantizado por el fabricante. El rango de operación de un sensor S n depende de un diámetro de caja D, en específico, del diámetro de la bobina y las propiedades de centro (figura 1.4). Los sensores que se encuentran en una caja pequeña tienen , por lo tanto, un rango de operación más pequeño que aquellos con una caja más grande. También hay ejecuciones especiales de los sensores con un rango de operación aumentado. Figura 1.4: La relación entre el diámetro de un sensor y su rango de operación nomial 10 1.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Coeficientes de corrección La reducción del circuito de resonancia depende del material que fue hecho el objeto que se sujeta. Los materiales como el oro, cobre o aluminio que producen una conductividad eléctrica más alta que el acero St37disminuye las oscilaciones a un menor grado. Al cambiar la distancia del objeto hacia el sensor estas diferencias pueden ser compensadas. Esto puede causar una reducción de la zona, en donde es posible detectar el objeto. Por consecuencia, si el materia detectado es latón, entonces el rango de operación S n determinado por un objeto hecho de acero St37 debe de ser modificado multiplicando su coeficiente correccional utilizado para latón igual a 0.5 x S n (Figura 1.5) El diseño de un sensor influencia también su sensibilidad. Existen dos formas básicas de sensores con una caja cilíndrica: - Cubierto: La bobina inductiva del circuito de resonancia está insertado en un estuche, el cual forma la frontera del sensor. - No cubierto: El estuche se encuentra solo en una caja protectora hecha de plástico. Los sensores con una bobina prominente generan una sensibilidad más alta hacia un objeto detectado, pero al mismo tiempo una sensibilidad más alta a la presencia de otros objetos metálicos alrededor. Acero St37 Cromo Acero inoxidable Latón Aluminio Oro Figura 1.5: Coeficientes de corrección para diferentes materiales del objeto detectado 11 Minos 1.4 Sistemas y funciones de la mecatrónica Método de instalación El seguir las recomendaciones de instalación evita que se presente algún problema en la función de los sensores, los cuales podrían ser provocados por el humedecimiento del entorno o la interferencia de otros sensores. El tamaño y la forma de la zona libre requerida en la cercanía del sensor depende de un rango de operación, el diseño y el tamaño del objeto detectado (Figura 1.6a). El diámetro del centro y de la bobina depende del tamaño de la caja cilíndrica (casquillo metálico) Por ello, hay una fuerte conexión entre el diámetro de la caja, el rango de operación del sensor y la zona libre requerida, donde no puede hacer ningún objeto metálico libre de ser detectado. Los sensores con la bobina cubierta tienen un rango de operación más grande, para ello también tiene que ser más grande la zona libre requerida. Un sensor con caja cilíndrica cubierta es sensible solo con los objetos de metal que se encuentran frente al sensor, por ello se puede ajustar este sensor a elementos de metal. La zona libre asciende a 3x S n (Figura 1.6b). La distancia mínima entre sensores debe de ser más grande que 2xD, para evitar cualquier posible interferencia entre sí. Un sensor con caja cilíndrica no cubierta es sensible con los objetos de metal que se encuentran en tres lados. Por ello, se tiene que sacar un poco el sensor así la zona libre incluye también los lados del sensor. En este caso para evitar cualquier tipo de interferencia, la distancia entre sensores debe de ser más grande que 3xD. Objeto detectado Figura 1.6: 12 Sensores inductivos con bobina cubierta y no cubierta A) características B) consejos de construcción Sistemas y funciones de la mecatrónica 1.5 Tipos especiales de sensores 1.5.1 Sensor inductivo en forma de anillo Minos En los sensores inductivos en forma de anillo, la zona activa se coloca dentro de la caja del anillo del sensor (Figura 1.7a). Estos sensores están diseñados para detectar objetos que pasan a través del orificio de un sensor. Considerando su diseño, estos sensores son utilizados para la detección y conteo de pequeños objetos de metal como tuercas y tornillos, que pasan a través del orificio del sensor. La caja de estos sensores están hechas de plástico. El modo de acción de sensor de anillo se basa en una oscilación de alta frecuencia que produce un campo magnético en el orificio del sensor. En estos sensores se utilizan núcleos de polvo comprimido de forma toroidal con un valor más alto del factor de calidad que los núcleos de ferrita. La presencia de un objeto metálico activa el sensor causando así una reducción de la amplitud de oscilaciones. Esto se reconoce por medio de un comparador y después de que se ha excedido un umbral, se pulsa entonces el estado de salida. La zona de operación de un sensor depende del diámetro de su orificio y también del tamaño y del tipo del metal detectado. Para accionar el sensor se necesita de un nivel de reducción determinado de los campos magnéticos. Si los elementos son muy pequeños el nivel de reducción será entonces también muy pequeño. Por consecuencia, para cada tamaño del sensor existe una longitud mínima o diámetro de los objetos detectados que garantiza su operación adecuada (Figura 1.7b) Una ventaja del sensor de anillo es que un objeto detectado no se tiene que mover a través en la misma trayectoria . La forma de anillo activa la superficie del sensor, lo que hace posible detectar objetos sin importar su orientación en el espacio, por ejemplo, aquellos sometidos a la fuerza de gravedad en un tubo de plástico. Longitud mínina/ Diámetro mínimo del objeto [mm] Diámetro Longitud Diámetro de la apertura del sensor [mm] Figura 1.7: Sensor inductivo en forma de anillo A) construcción B) relación entre el tamaño del sensor y el tamaño mínimo del objeto detectado 13 Minos 1.5.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores que trabajan en un fuerte campo electromagnético Los procesos de soldadura que necesitan de altas corrientes son asociadas con campos magnéticos fuertes. La corriente fluye a través de los conductores eléctricos y del equipo de soldadura, generando alrededor de ellos un campo magnético variable de alta intensidad. La instalación de un sensor inductivo en esta zona se asocia con un riesgo de una activación no controlada del estado de salida. Esto puede pasar debido a una influencia que tiene este fuerte campo magnético en la intensidad de saturación del centro. Otro impacto negativo de la presencia de estos fuertes campos magnéticos es la inducción de un voltaje adicional en la bobina. Este voltaje adicional interfiere con la operación del oscilador y puede causar una activación accidental del estado de salida. Además, los procesos de soldadura están siempre asociados con un gran número de chispas que pueden debilitar la caja del sensor, especialmente su superficie activa. Debido a las chispas, los sensores diseñados para operar cerca de un equipo de soldadura están normalmente hechos de latón cubierto con Teflónâ y su superficie frontal está protegida con Duraplast â resistente a altas temperaturas. Para proteger de una falsa activación, tales sensores deben de ser suministrados con un diseño especial de un circuito electrónico y el núcleo con una permeabilidad magnética (Figura 1.8). Dichos centros , los cuales están hechos de hierro disperso especial y se saturan en un flujo magnético que debe de ser mas denso que en el caso de los núcleos ferrita. Un sensor con tales núcleos es más resistente a los eventos de interferencia externa debido a su mejor concentración y su direccionamiento de su propio campo magnético. Las resistencias más altas a la acción de campos magnéticos externos tienen sensores libres de núcleos. En los sensores tradicionales, el núcleo concentra alrededor de si mismo el magnetismo externo. En estas soluciones, las bobinas están enrolladas alrededor de bobinas hechas de plástico. Bobina de plástico Bobina Núcleo con una reducida permeabilidad magnética Figura 1.8: 14 Sensores inductivos, insensibles a fuertes campos magnéticos 1.5.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores que trabajan en condiciones difíciles El uso de sensores estándar en ambientes que no cubren los parámetros estándar puede crear problemas operacionales o incluso dañarlos permanentemente. La adaptación de los sensores a la operación bajo condiciones difíciles requiere usualmente la aplicación de materiales especiales para su caja, un incremento de algunas dimensiones , la preparación de un procedimiento de ensamblaje especial, proveer de buenas condiciones operacionales para los circuitos electrónicos por medio de su protección y/o cambios en el diseño. Para la adaptación de los productos en cuanto las necesidades, los fabricantes sugieren proponen los siguientes puntos: - Sensores resistentes a temperaturas arriba de los 200 ºC - Sensores resistentes a substancias químicas - Sensores resistentes al aceite - Sensores para la operación en un ambiente húmedo - Sensores miniatura con una cabeza de 3mm a 5mm de diámetro Los sensores que operan bajo condiciones de alta presión deben de ser mas fuertes y ajustados para evitar daños a los componentes electrónicos que están instalados por dentro. La bobina y el núcleo están protegidos por la parte frontal por medio de un disco de cerámica grueso y resistente. Debido a que dichas construcciones estimulan un desplazamiento de las bobinas, la zona de acción del sensor se hará más pequeña. Para evitar este efecto se necesitan hacer modificaciones en el oscilador. Bajo normales circunstancias el oscilador modificado daría un rango de operación mucho más grande que los sensores estándar. El disco de cerámica estará unido por medio de una conexión térmica con la caja de metal inoxidable. La caja es colocada dentro del disco de cerámica exponiéndola primero a altas temperaturas, al momento de enfriarse, la caja se sujeta alrededor del disco haciendo así, una conexión fuerte y apretada. 15 Minos 1.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores NAMUR Los sensores inductivos NAMUR son dos sensores principales, de los cuales sus resistencias internas cambia como resultado de la detección de un objeto metálico. Una baja resistencia corresponde a la situación de un “objeto no metálico”, y una alta resistencia pertenece a un “objeto metálico” detectado. Estos sensores cooperan con amplificadores externos. Los sensores inductivos NAMUR presentan un rango estrictamente definido de valores de la corriente de salida permitida. De acuerdo con el estándar EN 60947-5-6 (formalmente, EN 50227) este rango es desde 1.2 mA hasta 2.1 mA (Figura 1.9). Todos los sensores NAMUR alimentados con un amplificador DC tienen las mismas características de corriente y presentan una histéresis de cambio estrictamente definida que es igual a 0.2 mA. Los sensores inductivos NAMUR consisten de una oscilación con una bobina parcialmente humedecida, un brazo oscilante y un desmodulador. Un cambio de distancia entre el objeto detectado y el sensor se transforma en un cambio de la corriente suministrada que el amplificador externo convierte en una señal de dos estados. Estos sensores pueden operar en instalaciones anti-explosivas o en zonas vulnerables a explosiones (zona I o II) solo junto con un amplificador de activación a prueba de chispas. También es posible combinar este sensor con un amplificador que no cumpla con los estándares de seguridad (amplificadores de relé), pero en tales casos el amplificador debe de ser colocado fuera de la zona vulnerable a explosiones. Una corriente en el circuito del sensor que sea menor a 0.15 mA es tratada por el amplificador externo como una condición de “no señal”, y una corriente más grande que 6 mA es tratada como un corto en el sensor. Amperaje máximo Amperaje [mA] Sin atenuación Gama permisible Atenuación Desconexión Figura 1.9: 16 Sensor-NAMUR, a) Características, b) Circuito eléctrico 1.7 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores inductivos análogos A diferencia de los sensores convencionales que registran solo el estado de detección y no detección, los sensores inductivos con una salida análoga registran la posición de un objeto en su rango de medición total. Con una posición cambiante de un objeto desde una distancia de S n hasta cero, la señal de salida cambia de 0 a 20 mA. Los sensores con una salida análoga similar funcionan de una forma similar a los sensores de aproximación. Un campo magnético variable emitido por el circuito de resonancia es humedecido por un objeto metálico presente en el rango de operación del sensor. El humedecimiento se vuelve más fuerte cuando el objeto se aproxima más a la cara del sensor. Un oscilador especialmente diseñado hace posible el humedecer el circuito de resonancia con cambios de distancia , por ejemplo, con cambio en el factor de calidad. Esto se transforma en una señal de salida que, gracias a un sistema de linerización, es casi linear (Figura 1.15). La Figura presentada para el acero ST37, debido a que éste acero crea la zona de acción más grande. Cuando se utilizan los metales con una permeabilidad magnética más pequeña, se tiene que utilizar un coeficiente de corrección pertinente. Ahora en día la mayoría de los sensores tienen una característica casi linear y toda su zona de medición (el área subrayada en Figura 1.10). Cabeza del sensor Generador Sistema de lineación Sistema de sálida Amperaje [mA] Figura 1.10: Sensor inductivo analógico 17 Minos 1.8 Sistemas y funciones de la mecatrónica Suministro de corriente Los sensores que tienen un suministro de corriente similar, trabaja normalmente junto con adaptadores, los sufren una fluctuación en su tensión de salida. Cuando estas fluctuaciones son muy grandes se puede generar un comportamiento impredecible en los sensores inductivos. Para asegura una operación sin problemas, las fluctuaciones del voltaje suministrado deben de ser mantenidas dentro de un rango del 10% del promedio del valor del voltaje suministrado. Se tiene que cumplir con las siguientes condiciones: Uss £ 0.1 UD Este rango no tiene que ser excedido, incluso por un voltaje momentáneo surge Uss . Para evadir tales situaciones, se recomienda utilizar un adaptador estabilizado o utilizar un condensador más grande para tranquilizar el voltaje. Las salidas de un sensor suministradas con una corriente similar pueden tener una configuración-NPN o –PNP. Para una configuración NPN significa que la carga RL está conectada entre la salida del sensor y la mas del suministro de voltaje U, y para la configuración PNP, entre la salida y el menos del suministro de voltaje U. Cada uno de estos dos tipos de salidas se ofrece con la función abierta normalmente NO o la normalmente cerrada NC. Parte de estos sensores están ofrecidos con la función NP (complementaria) con dos salidas independientes, por ejemplo NO o NC. Los sensores con una potencia de corriente alterna no tienen que estar directamente conectados a un adaptador de corriente alterna ya que dicha conexión puede general un daño total al circuito interno del sensor. Los sensores con una potencia de corriente alterna están conectados en series con una carga RL. La aplicación de dos sensores principales suministrados con una potencia de corriente alterna , requiere requerimientos y limitaciones adicionales válidas para circuitos eléctricos externos. Aparte del oscilador, los sensores principales tienen un transistor como un amplificador de poder. Estos sensores están conectados directamente en series con la carga. El resultado es la fuga residual de corriente, incluso si el sensor se encuentra en estado desactivado. Esto también resulta también en una pérdida de suministro de voltaje, especialmente cuando algunos sensores están conectados en series o paralelamente. Al momento de seleccionar las condiciones de suministro para los sensores con potencia de corriente alterna, los valores mínimos y máximos que han sido especificados por los fabricantes se tienen que tomar en cuenta incondicionalmente. 18 1.9 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Reglas de las conexiones de sensores Una serie de conexiones paralelas de pocos sensores abre la posibilidad de realizar diferentes estrategias operacionales del equipo que puede estar conectado con el circuito externo en forma de carga (Figura 1.11). En una conexión de sensores hábil, tales funciones lógicas como AND, OR y/o NOR se pueden obtener. La función lógica AND garantiza que la señal de salida de una serie de sensores aparezca solo si cada uno de los sensores ha cambiado su estado de salida de OFF a ON. La función NOR causa una interrupción del circuito que suministra la carga Ri que es efectiva solo cuando los sensores en un grupo cambian su estado de ON a OFF. Un grupo se sensores con funciones de salida diferentes puede ser programado en series para realizar las funciones lógicas. Un número máximo de series conectadas a sensores dependen de un suministro de voltaje, el voltaje cae en la salida del sensor y los parámetros de la carga agregada. El suministro de voltaje debe de ser siempre más grande el voltaje de operación mínimo con la carga conectada. Figura 1.11: Conexión en serie de los sensores (función lógica AND) 19 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica La función OR genera la señal de salida si solo uno de los sensores de un grupo ha cambiado su estado de salida. La función es realizada por una conexión paralela de algunos sensores (Figura 1.12). El número de sensores conectados paralelamente con tres líneas y el mismo suministro de energía no está tan limitado severamente. Uno puede unir incluso hasta diez sensores paralelamente , independientemente de la función de la salida. Cuando los sensores están conectados de forma paralela con dos líneas, la corrientes que fluyen en circulo se suman, incluso cuando los sensores están apagados (debido a la conexión que tienen junto con la resistencia). Este efecto puede generar problemas en la conexión. Por ello no se debería de conectar los sensores con dos líneas de forma paralela. El número máximo de sensores conectados depende del número de estas corrientes y de las resistencias. Figura 1.12: Conexión en paralelo de los sensores (función lógica OR) 20 1.10 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Protección y seguridad de los sensores Una de las peculiaridades más importantes del sensor es la posibilidad de protegerse en contra de los posibles errores que se puedan generar al momento de la instalación y las fallas durante la operación. Esto se hace utilizando los elementos eléctricos que protegen los circuitos internos de un sensor. En los sensores mas constantes-actuales, las salidas están protegidas en contra de los siguientes fenómenos y acciones de desventaja: - - - - La conexión inversa del voltaje de suministro Un voltaje en exceso en la salida como resultado de una desactivación Impulsos cortos y no cíclicos de la línea de suministro Corriente de salida excesiva o cortos circuitos Los cortos circuitos que se encuentran en un circuito eléctrico con sensores de corriente constante no causan daños al sensor, incluso si son repetitivos y prolongados. Durante un corto circuito, los diodos en el sensor están deshabilitados. Después de remover los cortos circuitos, los sensores operan de forma apropiada. Los sensores que se encuentran en una caja metálica, si se les suministra un voltaje peligroso para un ser humano, necesitan tener una toma de tierra extra. Cuando un sensor está conectado en línea con una resistencia, una corriente corre en circulo, incluso hasta cuando el sensor está desactivado (Figura 1.13). Esto puede dañar al sensor u ocasionar una señal de salida OFF permanente. Para evitar tal efecto se conecta una resistencia adicional R p. El valor de la resistencia R p y el poder P de esta resistencia puede ser calculado por medio de las siguientes fórmulas: R p = U / I min P=U2/Rp Voltaje de la fuente de alimentación [V] Figura 1.13: La corriente lp en el circuito eléctrico, cuando el sensor inductivo con un suministro de corriente alterna está desconectoda 21 Minos 1.11 Sistemas y funciones de la mecatrónica Conexiones Bus Las redes de comunicación son la solución más moderna para suministrar comunicación entre sensores y dispositivos de control. Estos reemplazan las soluciones clásicas utilizadas actualmente, las cuales involucran el uso de gran número de cables que corren grandes distancias hasta llegar a los sistemas de control. La idea de utilizar soluciones de red consiste en una colección de señales por medio de dispositivos intermediarios y su transmisión con la ayuda de un bus a la unidad master (Figura 1.14). Esto hará posible: - - - reducir los costos de las señales incrementar la distancia entre el sensor y el mando transmitir información con respecto a la calibración y características del sensor Las redes más populares son las redes abiertas, por ejemplo, permitiendo el intercambio de información entre equipo proporcionados por diferentes fabricantes y de acuerdo a ciertos procedimientos estándar. Los protocolos de comunicación utilizados más frecuentemente son: Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN y AS-I. Gracias a las redes se crean sistemas de control dispersado. Estos sistemas hacen posible transferir parte del procesamiento de señales en los niveles mas bajos (se encuentran más cercanos al proceso). Los dispositivos fundamentales de la red son los módulos de entrada y de salida (I/O), equipados con interfaces para un cierto tipo de red. El modulo es observado por unidad master en una dirección de red y esto hace posible transferir información con una alta velocidad. Esto tiene una importancia especial para las redes que se encuentran al nivel del equipo y del sensor, donde se saca con frecuencia un procesamiento de señales complicado y el tiempo de toma de decisiones es muy corto. Figura 1.14: Red de comunicación con y sin Profibus 22 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 1.12Aplicaciones 23 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 2 Sensores capacitivos 2.1 Información básica Los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico para detectar objetos que se encuentran dentro de su distancia de operación. A diferencia de los sensores inductivos, estos sensores pueden detectar, además de objetos de metal, objetos no conductores, como por ejemplo plásticos. Un sensor capacitivo también es capaz de alcanzar objetos que se encuentran detrás de una capa no conductora, lo que lo convierte un sensor óptimo para detectar líquidos o granulado que se encuentren en algún contenedor. Los sensores capacitivos son utilizados normalmente como detectores de proximidad, pero también pueden generar una señal que sea proporcional a la distancia de un objeto hacia la cara del sensor. La distancia de operación de tales sensores es realmente corta –hasta 30 mm., pero existen versiones especiales las cuales tienen una distancia de operación de hasta 60 mm. La señal de salida de un sensor capacitivo se activa cuando un objeto de metal o un dieléctrico aparece en el capo eléctrico del sensor. Los componentes activos de un sensor capacitivo son dos electrodos de metal formando un condensador abierto. Cuando un objeto se va acercando al sensor, la capacidad del sensor cambia. La señal de salida depende de la capacidad total, la cual es la suma de capacidad básica del sensor y el cambio de capacidad. El cambio de capacidad es generado por la acción de detectar el objeto. Objeto Electrodos Potenciómetro Cabeza del sensor Figura 2.1: 24 Oscilador Estructura del sensor capacitivo Detector Sistema de sálida 2.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Diseño del sensor Con el fin de generar un campo eléctrico simétrico, el electrodo externo B debe de estar en forma de anillo concéntrico con el electrodo cilíndrico A (Figura 2.2). El objeto que está siendo detectado funciona como un electrodo intermediario C, que activa el sensor. Se asume que el diámetro externo del anillo B sea el plano activo del sensor. Entre más lejano esté el objeto del sensor, más pequeña será la capacidad del sensor. La estructura de capacidad del sensor depende del tipo de objeto a detectar y de su toma de tierra. Objeto a detectar Área del sensor Área de medición Carcasa Campo del sensor Electrodo externo Electrodo interno Figura 2.2: El campo eléctrico del sensor capacitivo 25 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los objetos no conductores tales como el papel o el vidrio incrementan solo la autocapacidad del sensor influenciando su constante dieléctrica. Pero el incremento, dependiente de la constante dieléctrica del objeto, es baja al mismo tiempo que la distancia de operación también es pequeña. En el caso de objetos conductores sin toma de tierra se construyen dos condensadores adicionales (entre el objeto y el electrodo interno y entre el objeto y el electrodo externo) que se encuentran en línea. Así la zona de operación del sensor es más grande. La distancia de operación más grande se obtiene cuando el objeto que es detectado es un conductor con toma de tierra. La capacidad adicional entre el objeto y el electrodo forma una conexión paralela con la propia capacidad del sensor. Los electrodos A y B están conectados con un oscilador de alta frecuencia (Figura 2.1). El oscilador no opera si no hay objetos en el campo eléctrico. Cuando un objeto entra al campo generado por los electrodos, el oscilador se activa debido al incremento de la capacidad entre los electrodos A y B. La amplitud de vibración del oscilador es analizada por un circuito de detección, el cual genera una señal para el accionamiento del circuito. En el circuito de retroalimentación que se encuentra entre el oscilador y el electrodo se encuentra un potenciómetro con el cual uno puede colocar el punto de activación del circuito del oscilador. Para los sensores capacitivos, la distancia de operación nominal S n está definida como la distancia en donde ocurre el hacinamiento del circuito de salida (Figura 2.3). La distancia de operación nominal de un sensor capacitivo es valido para un objeto grueso de metal de 1 mm. con toma de tierra FE360, cuyo lado es igual al diámetro de la cara del sensor o los tres valores de S n, dependiendo de que valor sea más grande. Sn - Distancia de operación nominal Sr - Área de impacto real Para un voltaje nonimal y una temperatura constante (20°C) la superficie activa del sensor con un diametro d Sa - La zona de efecto seguro Su - La zona ultizable de efecto seguro Un objeto de dimensión normalizada 1 mm, FE360 , con toma a tierra, dxd Figura 2.3: 26 Para el 85-100% del voltaje nominal y la temperatura de trabajo Definición de las zonas de impacto para un sensor capacitivo 2.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Tipos de sensores Los sensores capacitivos están disponibles en forma de detectores de proximidad cilíndricos o en forma de cubo con su parte activa en uno de los extremos. Los sensores cilíndricos están disponibles en dos tipos. Los sensores del primer tipo tienen una pantalla y una zona de operación solo al final. Dichos sensores son instalados de forma superficial en metal o plástico. Los sensores de otro tipo tienen una zona de operación adicional a una pequeña distancia de la superficie cilíndrica del sensor. Están designados para ser utilizados en casos donde el sensor está en contacto con el objeto que se está detectando, cómo por ejemplo líquidos. La zona de operación de dichos sensores es un 50% más grande ya que el campo eléctrico más grande del sensor se cierra a los lados. También existen versiones especiales las cuales pueden ser colocadas en superficies curvas u horizontales. Al momento de armar varios sensores capacitivos, uno tiene que seguir las reglas mostradas en la Figura 2.4, con el fin de evitar la interacción entre los sensores y la interferencia de elementos externos. El sistema de salida y las líneas de los sensores capacitivos son muy parecidas a las de los sensores inductivos. Los sensores capacitivos pueden tener dos, tres o hasta cuatro líneas de potencia de corriente alterna. Figura 2.4: Procedimiento de instalación del sensor capacitivo a) superficial y b) no superficial 27 Minos 2.4 Sistemas y funciones de la mecatrónica Influencia del material de los objetos La distancia de zona de efecto de los sensores capacitivos puede variar ampliamente. La distancia mas larga se logra con materiales conductores. Como fue mencionado previamente, la distancia también depende de la toma de tierra del objeto que es detectado. En el caso de los objetos hechos con materiales conductores, el tipo de material no tiene efecto en la zona de operación. Para los materiales de conducción, la distancia de la zona de efecto depende de la constante dieléctrica, por ejemplo, entre más grande sea la constante dieléctrica, más grande será la zona de efecto. La distancia en la cual el sensor detecta materiales orgánicos tales como madera o grano a un alto grado depende del contenido de agua de los materiales. Esto está unido con una constante dieléctrica alta de agua (e agua =80 ). La zona de operación nominal S n es proporcionada en catálogos y para objetos de metal estandarizados. Con el fin de determinar la zona de operación real del sensor , S n se tiene que multiplicar por el coeficiente de corrección propio para el tipo de material de objeto que está siendo detectado. Zona de operación = S n · Coeficiente de corrección En la tabla 2.1 se muestran ejemplos de los valores de coeficiente. 28 Material Coeficiente de corrección Acero 1 Agua 1 Madera 0.7 Vidrio 0.6 Aceite 0.4 Polivinilcloruro (PVC) 0.4 PE 0.37 Cerámica 0.3 2.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Compensación de interferencia El detector contiene un filtro de interferencias, el cual excluye la influencia de los campos eléctricos externos, cuando estos no son muy grades. Sin embargo, los fitros pueden minimizar la frecuencia de cambio máxima y por consecuencia deteriorar las características de dinámica del sensor. El sensor puede reaccionar erróneamente cuando polvo o humedad llegan a las superficies activas del sensor. Si el campo de interferencia es homogéneo entonces se utiliza un electrodo de compensación adicional que está conectado a la salida del sensor, con el fin de mantener de forma constate la zona de operación (Figura 2.5). La contaminación eleva la capacidad entre el electrodo del sensor y la pantalla. Al mismo tiempo la capacidad entre el electrodo del sensor y el electrodo de compensación genera una unión de compensación. Pero en el caso de un contacto directo entre un objeto delgado (por ejemplo una hoja de papel) y el sensor, existe el peligro de que la señal de interferencia neutralice el lectura principal del electrodo y por consecuencia no ocurra la activación del sensor. Campo de compesación Campo del sensor Electrodo de compesación el objeto detectado Sensor del electrodo Electrodo exterior Contaminación Figura 2.5: Sensor con electrodo de compensación adicional 29 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 2.6Aplicaciones Debido a sus características y su diseño simple, los sensores capacitivos son utilizados con mucha frecuencia. Los sensores pueden : - - - - - 30 monitorear el nivel de liquido en el contenedor monitorear el nivel de granulado en el contenedor contar los objetos conductores y no conductores encontrar envases vacíos detectar daños el los objetos Figura 2.6: Registro y separación de las botellas sin llenar Figura 2.7: Control del nivel del fluido en un contenedor o en un ducto Sistemas y funciones de la mecatrónica 3 Sensores ultrasónicos 3.1 Información básica Minos Los sensores ulstrasónicos son empleados para la detección de objetos independientemente del tipo de material y del color que están hechos, e incluso la detección de los niveles de transparencia y no transparencia de los fluidos. Estos encuentran aplicaciones, principalmente en áreas con alto presencia de polvo donde el uso de sensores ópticos no es posible. Esto generan rayos ultrasónicos. La regla de operación consiste en la medición del tiempo entre la señal ultrasónica emitida y la recibida, un obstáculo refleja un eco. Este tiempo es proporcional a una distancia del objeto hacia el sensor. La frecuencia de exploración de la señal de salida es muy pequeña ( desde unos pocos Hz hasta arriba de 100 Hz) en comparación a la de otros sensores. Los sensores ultrasónicos generan ondas acústicas, cuya frecuencia no es perceptible, por ejemplo mas de 20 kHz. La alta frecuencia de operación de los sensores ultrasónicos los hace prácticamente inmunes a la interferencia de los sonidos que se puedan encontrar a su alrededor. Los componentes principales de tales sensores son un generador de alto voltaje, un convertidor piezoeléctrico localizado en la cabeza del sensor, un sistema de procesamiento de señales y el sistema de salida ( Figura 3.1). Objeto Cabeza del sensor Generador Detector Sistema de sálida Figura 3.1: C onstrución del sensor ultrasónico 31 Minos 3.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Influencia del entorno La propagación del sonido, su rango, distribución y velocidad de una ola de sonido depende en cierto grado de la propagación del entorno. Los cambios inesperados de propiedades físicas de un ambiente de propagación (aire) puede tener influencia en la precisión de la distancia de medición. Estos son: Temperatura: Las fluctuaciones de la temperatura del aire cambian la velocidad de la onda de sonido (Figura 3.2). Estos cambios están en un rango de 17 % / ºK. La mayoría de los sensores están proporcionados con una compensación de temperatura interna, la cual elimina, en un alto grado (aproximadamente de 2/3), estos impactos desventajosos. Presión: Las fluctuaciones de la presión atmosférica en un rango de 5% de cambio de velocidad del la onda de sonido por aproximadamente 6%. Humedad: Un aumento en la humedad del aire causa un incremento de la velocidad del sonido en un 2 % ( si se compara con el aire seco). Corrientes de aire : La influencia de corrientes de aire depende de la dirección y de su intensidad. Fuertes vientos con una velocidad de 50 km/h que soplan en la misma dirección que la dirección de la propagación de la onda de sonido puede cambiar su velocidad de una forma significativa. Los vientos en una dirección perpendicular a la dirección de propagación pueden desviarla, lo que también es una desventaja. Contaminación: Un alto grado de contaminación en el aire causa un ensuciamiento de la superficie del emisor de la onda de sonido, lo que puede limitar el rango del rayo emitido hasta en un 30%. Velocidad de la onda acústica [m/s] Presión 1013 hPa Temperatura [°C] Figura 3.2: 32 Relación entre la velocidad de la onda acústica y la temperatura 3.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Produción de ondas ultrasónicas La mayoría de las ondas ultrasónicas son generadas por transductores, de los cuales aquellos que operan con la regla de piezoeléctrica han obtenido una gran importancia en su uso. El efecto piezoeléctrico consiste en la creación de cargas eléctricas en el transductor como resultado de una tensón mecánica. Algunos cristales (tales como el sulfato de litio o el cuarzo) poseen las propiedades piezoeléctricas, ya que su red de cristales tiene una estructura helicoidal. Este efecto es irreversible, esto significa que un transductor puede ser deformado con una carga eléctrica. Cuando el transductor está en contacto con un material o con un medio, por ejemplo aire, entonces las vibraciones causadas por cambios en el voltaje son transferidas a las partículas de este medio y por consecuencia se genera una onda sonora. De forma invertida, si las vibraciones de las partículas del medio son transferidas a un transductor, se generan cargas eléctricas. El mismo transductor puede ser por lo tanto utilizado para la generación y recepción de ondas sonoras (Figura 3.3). Cuarzo Electrodo superior Electrodo inferior Cuarzo Electrodo superior Generador de impulsos Generación de la onda ultrasónica Figura 3.3: Electrodo inferior Voltímetro Recepción de la onda ultrasónica Generador y receptor de la onda ultrasónica 33 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica El área de propagación de una onda ultrasónica está dispersada a un alto grado (Figura 3.4 a). La energía de sonido más grande está situada cerca del eje del sensor. Cuando la energía de sonido que se encuentra en la zona gris no es la suficiente para el trabajo correcto del sensor, entonces el cono de sonido con el ángulo es el único que se puede utilizar (Figura 3.4 b). La energía de la onda ultrasónica en el área amarilla es mas grande que el 50% de la energía que se encuentra cerca del eje del sensor. Cuando uno conoce la distancia X entre el objeto y el sensor, se puede determinar el perímetro del cono de sonido D con la siguiente fórmula: D = 2 • X • tan (α / 2) X – distancia entre el objeto y el sensor α – ángulo del cono de sonido Dependiendo de las necesidades, se fabrican sensores que emiten una onda con diferentes ángulos de cono. Estos ángulos varían desde unos cuanto grados hasta una docena. Tanto como el ángulo como el cono de sonido están determinados por el tamaño, la figura y la frecuencia de la superficie vibratoria del sensor. Figura 3.4: 34 Onda ultrasónica: a) corte transversal a lo largo del sensor, b) cono sónico efectivo 3.4 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Principios de trabajo del sensor ultrasónico Los sensores ultrasónicos comunes operan tienen uno de los siguientes dos procedimientos: la difusión- (sensores difusivos) y a través de uno ( a través de sensores de rayo). La reflexión de difusión es el método más popular para los sensores ultrasónicos. Una onda de sonido reflejada en un objeto regresa al sensor en forma de eco. Dependiendo del tipo de salida, la distancia determinada en base a la medición del tiempo se transforma en un voltaje o una corriente de señal análoga o en un estado relevante de la salida de dos posiciones (ON/OFF). Cuando el objeto ha salido de la zona de medición del sensor, su sistema de salida regresa a su estado previo. Por lo tanto, las mediciones ultrasónicas presentan dos fases (Figura 3.5) : - - Emisión de un rayo ultrasónico desde un transductor hacia un objeto Emisión de un rayo ultrasónico del objeto detectado en dirección del transductor, mientras que en este caso el rayo es un eco de la señal emitida del transductor. En los sensores de difusión las dos funciones están realizadas por el mismo transductor piezoeléctrico. Entre más alta sea la densidad del objeto detectado mejor será la sensibilidad del sensor. Mientras más alta sea la densidad, mayor será la parte de la onda de sonido que es reflectada. Por ello, ciertos objetos son detectados por el sensor ultrasónico con un coeficiente de reflexión de rayo más alto ( cuerpos sólidos, líquidos y granulados). Objeto Transformador en la fase de emisión Objeto Transformador en la fase de recepción Figura 3.5: Las dos fases de la medición ultrasónica 35 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos En los sensores de difusión se generan impulsos de sonidos periódicos. Su frecuencia llega hasta unos diez Hz. El espacio de tiempo entre el momento de generación de impulso y el registro del eco reflejado es proporcional a la distancia real entre el objeto y el sensor. Para los sensores con transductores de modo dual, por ejemplo con un transductor que actúa como un generador y recibidor de ondas ultrasónicas, la duración de un impulso T i debe de ser claramente más corta que el tiempo necesario para el regreso del eco T e (Figura 3.6). Estos impulsos son periódicamente repetidos con una frecuencia de unas cuantas docenas de Hz. El tiempo de espera para el eco que regresa comienza en cuanto el impulso ha sido enviado y continua hasta que la siguiente señal haya sido enviada. Al medir el tiempo T e del eco que regresa al sensor, es posible calcular la distancia hasta el objeto. En los sensores de detección la presencia de un eco significa la detección de un objeto en el rango de operación del sensor y causa el accionamiento del estado de salida del sensor. Los sensores de difusión ultrasónicos hacen uso de un transductor especial eléctricamente controlado que genera y recibe una onda de impulso de sonido. Un transductor emite una serie de impulsos durante unos cuantos microsegundos hasta 1 milisegundo y espera a su regreso después de la reflexión contra el objeto que es detectado. El estado de salida OFF cambia al estado ON cuando hay una superficie que se refleja en el rayo ultrasónico crónico. Amplitud Tiempo de espera Transcurso de tiempo del impulso T1 Transcurso de tiempo del impulso T1 la Señal reflejada Tiempo Tiempo de retorno del eco Te Duración del ciclo Figura 3.6: 36 Ciclo de trabajo del sensor ultrasónico Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El rango de operación máximo de un sensor puede ser limitado por medio de un potenciómetro. De esta forma, los objetos que se encuentran fuera de este limite no son detectados (Figura 3.7) Esta función se llama “Extinguir el fondo” o en inglés “blanking out the background”.Una opción para establecer un limite más bajo del rango está disponible en algunos sensores. Se obtiene adicionalmente una zona bloqueada y la zona activa, donde los objetos se detectarán , se podrá definir de una forma precisa. La delimitación de la zona bloqueada previene la detección de objetos que se encuentran dentro de éste limite. Cerca del sensor se encuentra una zona muerta, donde los objetos no son detectados o su detección es dudosa. El tamaño de la zona muerta depende del rango y del tamaño del sensor. Sensores pequeños con un rango limitado tienen una zona muerta más corta a comparación de los sensores con un rango más grande. La zona muerta es un resultado de la función dual del transductor, principalmente del generador de sonido y recibidor. El transductor está listo para la recepción del eco posteriormente a que se haya emitido un impulso de sonido. Distancia actual Objeto no detectado Objeto detectado Zona activa del sensor Objeto no detectado Zona muerta del sensor Zona de trabajo Zona muerta Figura 3.7: Zona bloqueada El máximo alcanze del sensor Definición de las zonas de impacto de un sensor ultrasónico 37 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Se utilizará una placa metálica para verificar el rango de operación de un sensor S n. Dicha placa tiene 1 mm de ancho y refleja las ondas ultrasónicas. La placa metálica deberá de ser posicionada de forma vertical al eje de la onda de sonido. Su tamaño depende de un rango de sensores; por consecuencia, para los sensores de alcance corto (de hasta 300 mm) podrá utilizarse una placa de 10 mm, y para sensores con un alcance mayor a 800 mm, se deberá de utilizar una placa metálica cuadrada de 100 mm. Los objetos que tengan diferentes dimensiones , formas y propiedades no podrán garantizar valores de rango de detección S n . Las siguientes reglas son generalmente válidas: - - Entre más baja sea la frecuencia del sensor, mas largo será en rango de detección. Entre más altas sean las frecuencias de operación, más baja será la sensibilidad del sonido de fondo y más alta será la resolución de medición. En los sensores de paso, un transductor ultrasónico genera una onda de sonido en dirección al recibidor , el cual se encuentra en una caja independiente. Cualquier objeto que esté interfiriendo con la onda de sonido, interrumpirá esta onda y cambiara la salida del sensor (Figura 3.8). En los sensores ultrasónicos, a diferencia de los sensores de difusión y reflexión, el transductor genera una onda de sonido continua; aquí la zona muerta está ausente. Receptor Receptor Emisor Emisor Figura 3.8: 38 Señal de salida durante el paso del detector a) antes de detectar el objeto y b) durante la detección del objeto Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Estos sensores encuentran una aplicación no solo para la detección de objetos de sonido, sino además para la detección especial de objetos porosos que se dispersan o absorben el sonido; también objetos con sombra, los cuales son difíciles de detectar por los sensores de difusión. Cuando un objeto, que refleja bien la onda de sonido, toma la posición que se muestra en la Figura 3.9, no podrá ser detectado por un sensor de difusión, ya que el ángulo entre la onda reflejada y el eje del sensor es muy grande. En caso de que un objeto interrumpa a la onda de sonido, entonces esta puede ser fácilmente detectada por un sensor de paso. La frecuencia del interruptor de la señal de salida en los sensores de paso es más grande a comparación de los sensores de difusión y puede llegar hasta los 200 Hz. La onda sónica reflejada Objeto La onda sónica reflejada Figura 3.9: Un objeto que no es detectado por un sensor de difusión, si será detectado porun sensor de paso de manera simple 39 Minos 3.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica Posibles irregularidades en el trabajo de los sensores Los siguientes factores pueden interferir con la operación correcta del sensor: - Corrientes de aire: Las cuales pueden cambiar la velocidad y/o la dirección de una onda de acústica, a tal grado de interferir con la detección de un objeto o dar una distancia equivocada entre el sensor y el objeto. - Las fluctuaciones de presión: Donde en una presión atmosférica normal las fluctuaciones entre ± 5 %, puedan resultar con un cambio de ± 0.6 % en el rango de operación del sensor. - La temperatura incrementa los rangos de operación de un sensor, debido a los impactos térmicos de un objeto que emite grandes cantidades de calor puede tener como resultado la creación de una zona de temperatura variable que cambia el tiempo de propagación de una onda y reduce la precisión del sensor. Un aumento de la temperatura y de la humedad puede tener como resultado el hecho de que la distancia detectada es mas corta que la real. Las superficies calientes reflejan una onda de sonido direccional de una forma menos eficiente a comparación de las superficies frías. La temperatura del aire y su humedad afectan la duración de un impulso de sonido. Un incremento de la temperatura de un 20 º C resulta con un bajo porcentaje (3.5% a 8%) de incremento del rango del sensor y la lectura de la distancia es mas baja de lo estimada. - Aisladores de sonido: (algodón, goma) absorben el sonido y reducen la sensibilidad del sensor. En el caso de los sensores de difusión ésta sensibilidad puede que no sea suficiente para detectar un objeto. Los sensores ultrasónicos son especialmente aptos para la detección de objetos sólidos con una superficie plana perpendicular debido al eje que se tiene que detectar. Cualquier tipo de desviaciones de estas recomendaciones puede tener como resultado la falla de operación de un sensor. Estas son: - Posición angular de la superficie frontal de un objeto con respecto al eje de referencia del sensor. Cuando el ángulo alcanza los 90º, la onda reflectada no regresa directamente hacia el eje del sensor, por ello la zona de detección es más pequeña. Esto tiene una importancia especial con los grandes rangos de medición, ya que cuando la distorsión de un objeto por aproximadamente 3º puede resultar en una no detección. Para pequeños rangos de medición, los objetos pequeños y limpios, la desviación puede ser de hasta 10 º. - La figura de un objeto. Los objetos con superficies orientadas de tal forma que su dirección de la onda reflejada difiere en una forma de grado significante, el eje de la onda emitida puede ser detectado con los sensores de modo reflexivo o de paso. 40 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos - Superficie de líquidos. El coeficiente de reflexión de las ondas ultrasónicas de las superficies de líquidos es la misma que la de los sólidos. Las superficies suaves, sin olas son fáciles de detectar. - Sensores de detección mutua. Si los sensores están instalados muy cerca del uno al otro, la onda de sonido de reflejo emitida por uno de ellos puede regresar al otro sensor y producir una pulsación injustificada de la salida. Para evitar esta situación, es necesario cumplir con el espacio necesario mínimo entre los sensores (Figura 3.10). Figura 3.10: Distancias recomendadas entre sensores ultrasónicos activos 41 Minos 3.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sincronización de los sensores Cuando varios sensores se sincronizan a través de una conexión real, pueden ser instalados estando a lado de los otros si tener una influencia entre sí. La sincronización debe de ser usada cuando los sensores emiten ondas en la misma dirección y los rayos ultrasónicos se juntan parcialmente. Cuando la sincronización está activada, el objeto detectado puede estar frente a un sensor activado y al mismo tiempo en frente de otro sensor que está sincronizado con el primero. Por ejemplo, la Figura 3.11 muestra dos sensores montados cerca el uno del otro y el sensor B intercepta dos ecos B1 y Ax. El eco A1 llega al sensor A1 más rápido que el Ax y el eco B1 llega al sensor B. La sincronización de sensores los hace inmunes alas señales que no sean el primer eco, de tal forma que la influencia de otros rayos ultrasónicos que interfieren pueda ser evitada para la operación de los sensores. Los sensores sincronizados emiten señales al mismo tiempo y operan como un sensor con un cono acústico realzado detectando el mismo objeto. Figura 3.11: Sincronización de sensores colocados paralelamente y que detectan un mismo objeto 42 Sistemas y funciones de la mecatrónica 3.7 Sensores ultrasónicos especiales 3.7.1 Sensor de reflexión Minos Los sensores de reflexión ( retro refletive sensors) miden la diferencia entre el tiempo de regreso de la onda de sonido reflejada por un objeto detectado y el tiempo de regreso de una onda de sonido reflejada por un reflector. Cada superficie plana y dura puede jugar el rol de reflector. Una onda de sonido reflectada desde un objeto debe de regresar al sensor antes que la onda de sonido reflejada por el reflector, de ser este el caso el estado de la señal de salida de cambiará. Los sensores reflexivos pueden ocupar una onda ultrasónica reflejada por cualquier superficie para la detección de objetos. Esto beneficia especialmente en lugares donde es difícil de acceder (Figura 3.12). Los sensores pueden operar de esta forma basados ya sea en la interrupción completa del rayo y en la reflexión del eco. Este tipo de sensores es apropiado especialmente para la detección de materiales tales como el algodón, espuma y materiales textiles , los cuales absorben a alto grado el sonido y también para la detección de superficies no perpendiculares al eje del sensor. Una área reflejada Objeto Reflector Figura 3.12: Aprovechamiento de una onda ultrasónica reflejada para detectar a un objeto absorvente 43 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 3.7.2 Sensores con dos transductores en una caja Los sensores con dos transductores en una caja puede trabajar tanto como sensores de difusión, al igual que sensores de reflexión con un reflector (Figura 3.13). El primer transductor es el emisor y el segundo es el receptor de las ondas ultrasónicas. De tal forma un sensor detecta hasta objetos pequeños que están cercanos, ya que el receptor puede trabajar al mismo tiempo que con el receptor. Ambos transductores deben de ser sincronizados. Los objetos cilíndricos pueden ser detectados considerablemente antes que los objetos planos. El eco reflectado por un objeto plano atraviesa posteriormente la zona de efecto del sensor. Objeto Emisor Objeto Receptor Emisor Reflector Receptor Figura 3.13: Sensor con 2 transformadores: a) Método de difusión, b) Método de reflección 44 3.7.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores ultrasónicos análogos La mayoría de los sensores ultrasónicos tienen salidas tanto como binarias, al igual que análogas. Cuando uno quiere medir una distancia, se utilizará la salida de la corriente o del voltaje. La fuerza del voltaje o de la corriente es proporcional a la distancia medida (Figura 3.14). Final Comienzo Zona de medición Figura 3.14: Relación entre la señal de salida y la distancia entre el objeto y el sensor 45 Minos 3.8 Sistemas y funciones de la mecatrónica Aplicaciones Los sensores ultrasónicos se utilizan frecuentemente en la práctica, ya que son insensibles a interrupciones en la zona de efecto y también son resistentes a la contaminación. Estos detectan objetos que se encuentran lejanos independientemente de su: - Material (metal, plástico, madera, cartón, etc.) - Estado (cuerpo sólido, fluido, granulado, etc.) -Color - Nivel de transparencia En la industria estos sensores pueden ser utilizados para la observación de: - La posición de una unidad de máquinas. - Objetos en una cadena de fabricación - Controlar el nivel de fluidos o granulados en un contenedor. Figura 3.15: Medición de las dimenciones del objeto con un sensor ultrasónico analógico 46 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Figura 3.16: Control de daños en laminas y ductos con un sensor de difussión Figura 3.17: Conteo de objetos sobre una cinta transportadora con un sensor de reflexión, las ondas sónicas se dispersan o se absorven 47 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 4. Sensores optoelectrónicos 4.1 Características de su diseño Los sensores optoelectrónicos son dispositivos de control automático, los cuales utilizan un rayo de luz para detectar objetos que se encuentran dentro de su distancia de operación. Pueden detectar objetos de cualquier tipo de material que se encuentran a unos centímetros de distancia hasta objetos que se encuentran a varios metros de distancia. Un sensor optoelectrónico reacciona cuando un objeto interrumpe el rayo de luz que éste emite, o cuando el rayo de luz se refleja en la superficie del objeto. Los cambios en la señal de la luz se convierten dentro del sensor en señales eléctricas y son utilizadas para controlar el estado de salida del sensor. Los componentes principales de un sensor optoelectrónico son: (1) Recurso de luz y (2) Recibidor de luz, (3) circuitos electrónicos, (4) sistema de salida, (5) uno o dos diodos emisores de luz que señalen las condiciones de operación del sensor, (6) un potenciómetro controlador de la sensibilidad, (7) una caja y (8) una protección transparente.(Figura 4.1) Figura 4.1: 48 Construcción de un sensor cilíndrico optoelectrónico Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los circuitos electrónicos incluyen (Figura 4.2): - (3) Oscilador, para obtener una fuente de luz modulada. - (4) Desmodulador, para separar la señal deseada Los otros componentes del sensor son: (1) emisor de luz, (2) recibidor y (5) transistor, un elemento de salida. Los componentes del sensor mencionados previamente pueden ser colocados en una caja común o en dos cajas separadas, dependiendo en que si el (6) objeto detectado interrumpe o refleja el rayo de luz. Figura 4.2: Circuito electrónico de un sensor optoelectrónico: A-Sensor de paso, B-Sensor de reflexión, C-Sensor de difusión 49 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 4.2 4.2.1 Clases básicas de sensores Sensores de barrera de luz desechable En los sensores de barrera de luz desechable (trhough beam sensor) el rayo de luz es enviado directamente desde el emisor hacia el receptor. Esto se encuentran en un mismo eje pero en cajas separadas. Los sensores detectan el objeto , el cual se encuentra entre el emisor y el receptor, interrumpiendo así la señal. Estos sensores son inmunes a condiciones difíciles del entorno como polvo, humedad, o neblina. Su distancia de operación en la más grande (más de 50 m). Existen dos construcciones principales de este tipo de sensores : cilíndrica y cubo. Una característica importante de estos sensores es que trabajan para cualquier tipo de material. Las superficies pueden estar pintadas, transparentes, ásperas, lisas, etc. Un rayo de luz efectivo depende del diámetro de los lentes del emisor y del receptor (Figura 4.3). Un objeto será detectado cuando éste cubra por lo menos el 50% del rayo de luz. Campo emitido Emisor (E) Receptor (R) rayo efectivo Campo visual del receptor Figura 4.3: 50 Rayo de luz efectivo 4.2.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores de barrera de luz de reflejo El emisor y receptor de un sesnor de barrera de luz de reflejo (retro reflective sensors) se encuentran en una caja. La luz se reflejará en dirección al receptor. Un objeto bloqueará el rayo de luz , activando así la señal de salida. Los sensores de barrera de luz de reflejo sin un filtro de polarización utilizan rayos infrarrojos. Los sensores con un filtro de polarización utilizan luz roja visible. La ventaja de un sensor de barrera de luz de reflejo es que tiene una zona de efecto (hasta 12 m.) y la independencia de las propiedades de la superficie y el color del objeto. Tales sensores requieren de reflectores especiales o bandas de reflejo especiales. (Figura 4.4). A diferencia de un espejo ordinario o de otras superficies reflectoras, los reflectores no necesitan estar colocados perfectamente en el ángulo correcto hacia el sensor. Un error de posicionamiento de algunos grados no afecta la operación correcta del sensor. El principio de doble dimensión de una reflexión también tiene efecto en un sistema de espacio con tres espejos, que se encuentra de forma perpendicular. Un rayo de luz que entra en este sistema es reflejado completamente por las tres superficies y sale de forma paralela al rayo. Los juegos de tres espejos forman la superficie del reflector de los sensores de barreara de luz de reflejo. El rayo de luz efectivo depende del diámetro de los lentes del emisor y del receptor. Figura 4.4: a) Reflectores y b) Bandas reflectoras 51 Minos 4.2.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores de difusión Los sensores de difusión, también son llamados sensores de reflejo o de proximidad, son utilizados para los objetos de detección directa. Su ventaja principal, además del hecho de que el emisor y el receptor están colocados en una caja, es que no se necesita un reflector. El emisor emite luz , la cual es reflejada desde un objeto y regresa al receptor, generando así una señal de detección de objeto. Los sensores de difusión tienen una distancia de operación corta (hasta 100 mm., raramente 200 mm.). Los objetos o fondo que se encuentren fuera de ésta distancia no serán detectados y las interferencias generadas por estos mismos serán atenuadas. El color y el tipo de superficie pueden afectar a cierto grado la distancia de operación. Dependiendo de las propiedades del objeto, el coeficiente de reflexión de la luz desde un objeto puede ser muy extenso. Las superficies brillantes que están incluso colocadas lejos del sensor pueden reflejar la mayor parte de la luz , aunque aun así la detección del objeto en sí puede resultar muy difícil. Para poder determinar el alcance máximo de un sensor de difusión se utiliza un objeto difuso calibrado (una hoja de papel blanca o un papel KODAK), el cual refleja el 90% del rayo de luz. 4.3 Prevención de interferencia Debido a su forma de operación , los sensores fotoeléctricos son sensibles a la interferencia óptica de luz externa tanto natural como la artificial. Los rayos de luz que provienen que provienen de tales medios pueden afectar de una forma significativa la intensidad de la corriente generada por el emisor y por lo tanto resultar en señales de salida del sensor equivocadas. Con el fin de evitar reacciones falsas , los sensores serán equipados con sistemas, que descartan en cierta forma tales interferencias y ajustan la sensibilidad de los sensores. La contaminación ambiental, por ejemplo aceite, polvo que se encuentran en las superficies de los objetos o en los lentes del emisor o del receptor pueden agravar los problemas. Los sensores de difusión pertenecen al grupo de sensores más sensibles a la interferencia óptica originada por la intensidad de luz natural y constante o la luz artificial cerrada al especto de la luz natural, al igual que a la intensidad de luz variable. 52 4.3.1 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Modulación de luz Los sensores fotoeléctricos utilizan luz modulada, lo que significa que los sensores son muy sensibles en la luz de ambiente. Esto quiere decir que la luz del emisor se activa solo por un corto tiempo, mucho mas corto que la pausa entre los impulsor. (Figura 4.5). La frecuencia de la señal de una luz modulada tiene unos cuantos kHz. Pero cuando el emisor y la fuente de luz turbadora tienen frecuencias de trabajo similares, es posible que se origine una interferencia. La luz modulada tiene los siguientes beneficios: - El sensor es menos sensible a la luz de ambiente. - La distancia de operación del sensor incrementa. La cantidad de calor generada disminuye, lo cual extiende el - tiempo de vida de el diodo emisor de luz (LED). Los emisores y receptores LED están equipados con lentes ópticos para reducir el rayo de luz emitido y el campo de observación del receptor, por lo cual uno puede limitar el rango de respuesta del sensor y así reducir el efecto de reflejo de radiación de los objetos que se encuentran fuera del área delimitada. Al mismo tiempo, el enfocamiento de la luz por medio de los lentes incrementa considerablemente la distancia máxima entre el emisor o el receptor y la superficie por medio de la cual es reflejada. En algunas aplicaciones los elementos foto ópticos sin lentes (una ventana plana y transparente) puede ser mas apropiada cuando se necesita de un campo amplio y una distancia de operación corta. Voltaje del Emisor Emisor activado Emisor desactivado Tiempo Figura 4.5: El voltaje modulado del emisor 53 Minos 4.3.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Luz polarizada Un sensor retro-reflectivo estándar puede producir una respuesta incorrecta en el sistema de salida al momento de que aparezca un objeto luminoso en el campo de observación. Con el fin diferenciar la reflexión de luz del objeto detectado y las otras señales de luz recibidas , puede que se genere la necesidad de utilizar una luz polarizada. La polarización consiste en un ordenamiento total o parcial de las vibraciones de las ondas de luz. Si la luz no es polarizada, las vibraciones eléctricas y magnéticas se generan en diferentes direcciones, mientras que si se polariza, las vibraciones se generarán en una sola dirección. La luz natural, incluyendo la que es emitida por los LED, no está polarizada. Pero cuando la luz pasa a través de un filtro polarizador solo permanecen la parte de los rayos de luz que son consecuentes con la polarización del filtro. La Figura 4.6a muestra un rayo de luz después de haber pasado a través de un filtro de polarización horizontal. Cuando se coloca un filtro de polarización vertical en el camino, la luz se extinguirá completamente. La reflexión difusa o dispersa destruye la polarización (Figura 4.6b) y la energía de la pequeña cantidad de luz que pasa a través de un polarizador vertical es muy baja, normalmente una cantidad insuficiente para poder detectar una superficie reflectora de luz. La reflexión de la luz polarizada de una superficie de espejo (Figura 4.6c) no destruye la polarización y un polarizador en forma vertical colocado en el camino del rayo de luz no le permite a la luz pasar. Debido a ambos fenómenos, la luz polarizada puede ser utilizada en sensores retroreflectivos con un reflector. Al seleccionar y colocar filtros apropiados uno puede evitar las interferencias de las superficies del espejo y poder detectar objetos transparentes. Los filtros polarizadores están normalmente hechos de papel de polímero. 54 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Fuente de luz Luz blanca Filtros de polarización Luz polarizada Luz blanca Fuente de luz Filtros de polarización Luz polarizada Aniquilación de la polarización Fuente de luz Luz blanca Filtros de polarización Espejo Luz polarizada Figura 4.6: Polarización de la luz: a) Extinción de la luz con dos flitros, b) Reflexión de la luz polarizada sobre una superficie dispersiva y c) reflexión de la luz polarizada a través de un espejo 55 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 4.4 Margen de operación Como resultado de efectos externos , por ejemplo un cambio en el coeficiente de reflexión del objeto o que el emisor envejezca, que la cantidad de luz disminuya en un elemento del sensor fotoeléctrico y por lo tanto que el nivel de señal en su conexión de salida pueda incrementar. El nivel de señal puede que sea insuficientes para activar el estado de salida, lo cual tiene como resultado la operación incorrecta del sensor. Para evitar dichas situaciones debe de estar disponible un cierto nivel excedente, por ejemplo un margen de operación. (Figura 4.7) Cuando el recibidor no obtiene luz, el rango de operación es igual a cero. Un rango de operación igual a 1 corresponde a una situación donde la cantidad de luz que cae al recibidor es suficiente para cambiar la conexión de salida de OFF a ON o de ON a OFF. Con el fin de asegurar una cierta cantidad de reserva, el margen debe de ser más grande que 1, por lo tanto la cantidad real de luz incidente va a exceder el nivel mínimo necesitado para activar el dispositivo de salida. Cantidad real de luz detectada Margen de operación = Cantidad mínima requerida para cambiar el estado de salida Nivel de la señal Nivel del excendente mínimo de luz Excedente de luz Zonas límite de impacto Nivel de la conexión de la señal de salida Nivel de la desconexión de la señal de salida Tiempo zona inestable Figura 4.7: 56 zona de trabajo estable zona inestable Relación de la región segura de trabajo del sensor optoelectrónico y los límites de las zonas de impacto Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Si se conocen las condiciones generales en las cuales opera el sensor fotoeléctrico, el exceso ligero calculado por medio de la fórmula anterior asegura protección en contra de una disminución excesiva de la caída de luz en el recibidor. Entre más grande sea el exceso, más confiable será la operación del sensor. En aplicaciones en donde existe el riesgo de una disminución excesiva en la cantidad de luz que cae en el receptor, entonces se requiere de un margen de operación mas grande. Para tener aire limpio y una probabilidad naja de que los lentes o el reflector se vayan a ensuciar se necesita de un margen de operación mínimo no más pequeño de 1.5. En un entorno realmente sucio y cuando la limpieza del lente está limitada , el margen de operación mínimo debe de ser entonces más grande que 50. Un diodo parpadeante señala las condiciones inestables, esto se refiere a cuando la iluminación del sensor es muy pequeña para cambiar la señal de salida. Para el pulsador de luz es también importante la histéresis (la diferencia del nivel de la señal entre el estado de encendido y el estado de apagado) (Figura 4.8). La distancia de operación del sensor desde el objeto detectado siempre se refiere al nivel de señal del cambio en el punto de encendido. La histéresis incrementa junto con la distancia que hay entre el objeto detectado y el sensor. Nivel de la señal Nivel de la conexión de la señal de salida Histéresis Señal de salida activada Figura 4.8: Nivel de la desconexión de la señal de salida Tiempo Histéresis de un pulsador de luz 57 Minos 4.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica La distancia de operación Una característica importante de los sensores fotoeléctricos de proximidad es su rango de operación determinado por la distancia de operación máxima. Para los sensores de barrera de luz desechable es la distancia máxima entre el sensor y el receptor, para los sensores de barrera de luz de reflejo la distancia entre el sensor y el reflector, para los sensores de difusión la distancia entre el sensor y el objeto estándar. En todos los casos, la distancia corresponde a la distancia máxima útil. Debido al diseño del sensor de barrera de luz de reflejo, donde el emisor y el receptor son colocados en la misma caja, también hay una distancia mínima bajo la cual un objeto ya no es detectable.(Figura 4.9) Receptor (R) Emisor (E) Zona muerta Distancia mínima de trabajo Figura 4.9: 58 Distancia mínima de trabajo de las caja de reflexión luz y pulsadores de luz 4.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Tiempo de reacción En aplicaciones en donde se tienen que detectar objetos muy pequeños u objetos en movimiento con una velocidad muy rápida el tiempo de reacción del sensor fotoeléctrico puede ser esencial. El sensor tiene que lograr cambiar la señal de salida en un tiempo muy corto. El tiempo de reacción se cuenta a partir del instante en el que un rayo de luz aparece entre el emisor y el receptor hasta un cambio del estado de salida. Se le llama “tiempo de liberación” al tiempo necesitado para cambiar el estado de salida una después de que el objeto detectado se haya retirado. Ambos tiempos no siempre son iguales. Los tiempos máximos de reacción/liberación son dados en los instructivos de cada tipo de sensor. Algunas diferencias de los valores dados son inevitables debido al suministro de pulso del emisor cuya frecuencia es muy difícil de sincronizar con el movimiento del objeto que es detectado. Al conocer el tiempo de respuesta uno puede determinar cuanto tiempo tiene que permanecer en el campo de visión del sensor el objeto en movimiento para poder ser detectado, es decir a que velocidad máxima de puede mover el objeto o que tan grande tiene que ser el intervalo entre los objetos. Esto puede ser revisado aplicando la formula para la cantidad de tiempo que tiene que permanecer el objeto detectado dentro del campo de visión del sensor. Tiempo en el que el objeto pasa por el sensor Extensión del objeto = Velocidad del objeto El tiempo calculado debe de ser claramente más largo que los tiempos de respuesta del catálogo para el sensor. Si los intervalos entre los objetos que están siendo detectados son mas pequeños que la extensión del objeto, el lapso de tiempo para los intervalos entre cada frente al campo del sensor se calcula con la siguiente fórmula: Duración de intervalos frente al sensor Extensión del objeto = Velocidad del objeto El tiempo determinado bajo esta formula tiene que ser claramente más largo que los tiempos de respuesta del catálogo para el sensor. 59 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica 4.7 Tipos especiales de sensores 4.7.1 Sensores de barrera de luz de reflejo con polarización de luz En sensores de barrera de luz de reflejo que utilizan polarización de luz será enfocada por un lente y dirigida a través de un filtro de polarización horizontal hacia un reflector con triple espejos (Figura 4.10). Una característica importante de los espejos triples utilizados en los reflectores es que pueden cambiar la polarización de un rayo de luz aproximadamente 90º. Algunos de los rayos de luz reflejados por el reflector alcanzan al receptor por medio de otro filtro de polarización vertical. Los filtros están de tal forma conectados y posicionados para que solo la luz reflejada que proviene del reflector, y no cualquier otra luz que sea reflejada por otros objetos dentro del rango del sensor, alcance al recibidor. En los sensores de luz polarizada uno debe esperar algunas perdidas de la intensidad de la luz emitida, la cual es causada por los filtros de polarización. Como resultado su rango es aproximadamente 30 – 40 % más corto que los sensores de barrera de luz convencionales. Generalmente se utilizan LEDs que emiten luz roja visible como recurso de luz. Polarizador horizontal Emisor Reflector con triple espejo Lentes Receptor Polarizador vertical Figura 4.10: Caja de reflexión con luz de polarización 60 4.7.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores de difusión , que suprimen el primer plano y el fondo En varios tipos de sensores de difusión uno puede asignar la distancia de detección máxima y mínima (Figura 4.11). Esto no tiene nada que ver con la sensibilidad del receptor y se efectúa a través de un cambio mecánico en el ajuste de los lentes y un cambio en el ajuste de ángulo del espejo del recibidor o espejo auxiliar. Esta característica es particularmente práctica cuando hay una superficie que se refleja bastante detrás del objeto que está siendo detectado, lo que puede perturbar la detección del objeto de una forma apropiada. Esta interferencia se elimina mediante el ajuste de la distancia máxima de respuesta del sensor a una distancia más corta que la distancia en la que se encuentra la superficie que está interfiriendo. Por lo tanto, solo se reconocen los objetos que se encuentran a una distancia dentro de la distancia máxima. Eje óptico del emisor Receptor (R) Eje óptico del receptor Emisor (E) Región activa Figura 4.11: Corte del eje óptico del emisor y del receptor para limitar la región activa 61 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Algo más efectivo es el método electrónico de la eliminación de fondo, donde el sensor “ve” el fondo pero lo puede ignorar. Un ejemplo puede ser un sensor de difusión con dos recibidores de luz o un sensor de triangulación (Triangulation sensor) equipado con una cámara de transferencia de carga (CCD) con un transductor PSD. En un caso anterior, el reconocimiento de objetos es a base en la comparación de la cantidad de luz que caen en cada uno de los recibidores ,mientras que en el segundo caso se basa en la medición de la distancia del objeto hacia el sensor y se compara con la distancia determinada previamente. Los sensores con la eliminación del fondo de forma electrónica pueden ser operados en una de las siguientes tres formas (Figura 4.12): - Protección en contra de la detección del objeto 3 localizado fuera del área de detección (eliminación de fondo). - Protección en contra de la detección del objeto 2 localizado antes del área de detección (eliminación del primer plano). - Detección de solo el objeto 1 localizado dentro del área definida (función de ventana). Para un objeto localizado a una distancia : - más corta que L min – se elimina el efecto de los rayos de luz emitidos antes del área de detección - más larga que L max – se elimina el efecto de los rayos de luz emitidos fuera del área de detección. - más larga que L min pero más corta que L max – se elimina el efecto de los rayos de luz emitidos desde antes y fuera del área de detección. Gracias al sistema óptico de los sensores de triangulación (Figura 4.12) el pulso de luz emitido por el diodo láser es un rayo de luz enfocado casi paralelo. Durante su trayectoria, el contacto con el objeto 1 se refleja difusamente y alguna de la luz reflejada cae en un PSD (dispositivo sensible de posición) o una cámara CCD (de transferencia de carga), ambos colocados en el mismo sensor. Dependiendo de la distancia entre el objeto 1 y el dispositivo, la luz cae en un punto específico del PSD/ CCD. El circuito de análisis compara la señal recibida con la distancia de operación ajustada previamente y si la distancia del objeto se encuentra dentro del área determinada, la salida del sensor se activa. Al diferencia del sensor de difusión ordinario, las distancias de operación dependen poco del tamaño, color del objetivo o las propiedades de su superficie, por lo tanto un objeto puede ser fácilmente distinguido, incluso cuando hay un fondo brillante. Tales sensores son irremplazables para detectar objetos que se mueven cerca del fondo o de la base, la cual no tienen que ser detectada por el sensor y para detectar el nivel de un líquido opaco. Los sensores difusivos con eliminación de fondo detectan bien ya sea los objetos luminosos y los oscuros. En el caso de los sensores de barrera de luz de reflejo con eliminación de fondo este rango de sensación para el papel negro es un poco más corto (aproximadamente 5%). 62 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los recursos y receptores de luz LED están equipados con lentes ópticos los cuales permiten a uno disminuir tanto el fluido luminoso emitido y el campo de observación del receptor, por lo tanto uno puede limitar la respuesta del sensor y así reducir el efecto de interferencia del reflejo de radiación de objetos que se encuentran fuera de ésta área. Al mismo tiempo el enfoque de la luz por los lentes incrementa considerablemente la distancia de la superficie del emisor-receptor o del emisor-reflector. En algunas aplicaciones los elementos foto-ópticos sin lentes ( una ventana plana y transparente) pueden ser más ventajosos. Camara CCD o PSD Diodo laser Lentes área de medición Salida Región de marginación en primer plano Objeto 2 Región activa Objeto 1 Región de marginación en el transfondo Objeto 3 Figura 4.12: Sensor de triangulación con disminución electrónica de la influencia del transfondo 63 Minos 4.7.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores de barrera de luz de reflejo con autocolimación La autocolimación consiste en un cambio automático de un rayo de luz divergente en un rayo paralelo, por lo tanto incluso con un diámetro de rayo pequeño hay suficiente luz dirigida hacia el receptor. La autocolimación hace posible detectar objetos transparentes (objetivos) y aquellos colocados muy cerca al sensor (en los sensores estándar zona muerta) Los sensores de barrera de luz de reflejo basados en el principio de autocolimación se basan en el principio de que los ejes ópticos de los canales que emisores y receptores son idénticos. Esto es posible ya que la luz en el canal receptor es desviada por un espejo semitransparente para que este pegue con el receptor y lo cambie a 90º relativos hacia el emisor (Figura 4.13). Tales sensores trabajan bien particularmente con reflectores de lámina. Reflector con triple espejo Luz emitida/reflejada Lente Luz reflejada Luz emitida Receptor Emisor Figura 4.13: Caja de reflexión de luz con auto-colimación 64 Sistemas y funciones de la mecatrónica 4.8 Sensores con cables de fibra óptica 4.8.1 Cables de fibra óptica Minos Los cables de fibra óptica son utilizados para transmitir ondas electromagnéticas con ondas de luz o cerca de frecuencias de ondas de luz. El cable de fibra óptica más simple consiste de una varilla (centro) de vidrio o de plástico con extremos planos, está rodeado por una capa hecha de otro vidrio o plástico con un índice de reflejo más bajo (Figura 4.14). Tales cables de fibra óptica se basan en el efecto de la reflexión total interna la cual ocurre cuando la luz cae en la frontera entre dos medios caracterizados por dos índices refractivos diferentes. Una reflexión interna normal significa que 100% de la energía del rayo de luz reflejada por la frontera regresa al cable de fibra óptica. Un rayo de luz está reflejado por la capa de la frontera solo cuado pasa de un medio con un índice refractivo más alto. Además , son transmitidos solo los rayos que caen al final de la fibra y se posicionan de cara a un ángulo más pequeño que el ángulo de la frontera (determinado por los índices refractivos de la capa y del núcleo). Rayo de luz Cubierta Coeficiente de refracción - n2 Blindaje de luz Núcleo Coeficiente de refracción - n1 Figura 4.14: Reflexión total de la luz interna en un cable de fibra óptica 65 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica En teoría cuando la intensidad de la luz no es reducida por las reflexiones. Pero las impurezas y las pequeñas imperfecciones , las cuales se encuentren en las capas de material y frontera del centro, causan algunas perdidas reduciendo efectivamente la longitud del cable de fibra óptica por donde se transmite luz. El diámetro del centro del cable de la fibra óptica ( la parte que transmite luz) mide desde 5 m, en materiales de vidrio de cuarzo, hasta 1 mm , en plástico. Gracias al uso de cables de fibra óptica de pequeño diámetro, particularmente las que están hechas de vidrio, son altamente elásticas y pueden ser dobladas libremente. Los cables de fibras ópticas utilizados para transmitir luz pueden tener uno, dos o un número más grande de fibras. Los cables de fibra óptica tienen un tiempo de vida más largo que los cables de plástica; en su versión estándar los cables de fibra óptica soportan temperaturas de hasta 250 ºC (los cables de fibra óptica de plástico solo soportan temperaturas de hasta 70 ºC). Pero los cables de fibra óptica de plástico son más fuertes, más económicos y pueden ser acortados fácilmente cortando sus extremos. Las fibras de vidrio ópticas transmiten efectivamente tanto la luz visible como la luz infrarroja, mientras que la eficiencia de las fibras ópticas de plástico al trasmitir luz infrarroja es muy baja. Por lo tanto las fibras ópticas de vidrio pueden ser utilizadas para luz visible e infrarroja, mientras que las fibras ópticas de plástico son mas apropiadas para la luz visible. Los cables de fibra óptica están cubiertos por una cabeza de metal cilíndrica. Existen dos tipos principales de cables de fibra óptica: monomodo y multimodo (Figura 4.15). Fibra óptica Cabeza del receptor Fibra óptica Cabeza del receptor Figura 4.15: Tipos de cables de fibra óptica: a) conductor de paso y b) conductor por desviación 66 4.8.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Modo de acción El modo de acción de los sensores fotoeléctricos con fibras ópticas es el mismo que aquel de otros sensores fotoeléctricos, excepto por el hecho de que tanto la luz emitida como la luz recibida son transportadas por la fibra óptica. El fin de la fibra es muy pequeño (de tan solo unos cuantos milímetros) por lo tanto esta puede ser colocada en lugares inaccesibles muy lejos del los circuitos optoeléctricos del sensor que se encuentran colocados en un amplificador separado (Figura 4.16). Dos fibras ópticas posicionadas una en contra de la otra llevan a cabo la función de un sensor de barrera de luz de reflejo. Un rayo de luz pasa entre los dos cables de fibra óptica y cuando el rayo es interrumpido entre el emisor y el receptor se lleva a cabo la detección del objeto. Dos líneas del cruce de la fibra óptica están conectadas a la cabeza del sensor. A través de la primera línea se transmite el rayo emitido, el cual regresa al receptor a través de la segunda línea. Un objeto se detecta cuando la luz emitida es reflejada a través de éste. Amplificador de Fibra óptica Salida Cabeza del emisor Cabeza del receptor Objeto Amplificador de Fibra óptica Salida Objeto Cabeza del sensor Figura 4.16: Tipos de sensores con fibra óptica: a) de barrera de luz de reflejo y b) pulsador de luz 67 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Las dimensiones reducidas del final de la fibra óptica permiten detectar objetos muy pequeños y el final puede ser instalado en lugares donde otros sensores no podrían caber. Los sensores con fibras ópticas pueden ser utilizados en áreas con peligro de explosiones y también en líquidos. Son altamente resistentes al daño y a la vibración. Gracias a su resistencia a la vibración, estos pueden ser instalados en equipos en movimiento. En los sensores con cables de fibra óptica un LED puede ser el recurso de luz, el diámetro de la superficie estándar del cable es de 2.2 mm y los cables de fibra óptica miden generalmente menos de 2 metros. 68 Sistemas y funciones de la mecatrónica 4.9 Sistema de conexión 4.9.1 Tipos de conexión Minos Los sensores fotoeléctricos pueden ser operados en uno de los dos siguientes modos: - - operado en oscuro (DO dark operated) operado en luz (LO light operated) En el modo de operado en oscuro, la salida del sensor se enciende cuando la luz emitida no llega al receptor. Esto corresponde al estado de salida de operación normal en los sensores inductivos y capacitivos. En el modo de operado en luz la salida está activada cuando la luz del emisor no llega al receptor. Esto corresponde al estado de salida de cerrado normal en los sensores inductivos y capacitivos. 4.9.2 Conmutación de la salida del sensor Cada sensor fotoeléctrico tiene su zona de conmutación de estado de salida característica, cuyo tamaño y forma depende del diámetro del rayo de luz enviada por el emisor y la distancia del objeto que es detectado por el sensor. En este caso un sensor de barrera de luz de reflejo , la distancia entre el emisor y el receptor es crítica. Con el fin de que la salida sea cambiada, el objeto que está siendo detectado o el emisor debe de estar dentro de la zona de cambio. La zona de cambio de la salida puede ser presentada en el conocido diagrama de respuesta; cuando un objeto a lado del sensor o del receptor sea deslizado a lado del emisor. (Figura 4.17) Receptor Emisor Emisor Receptor Distancia X Figura 4.17: Diagrama de respuesta de un sensor de barrera de luz de reflejo 69 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Una característica de los sensores detectores, es su máxima frecuencia de cambio; el número máximo posible del cambio de la señal de salida durante un segundo, en Hz.). Para los sensores fotoeléctricos esta será calculada en base del tiempo de reacción/producción, la cuales se obtienen en los datos técnicos de cada sensor. Uno supone que estos tiempos son iguales. f max =10 3 / (Tiempo de reacción + Tiempo de producción) f max [Hz] tiempo de reacción/producción [ms] 70 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 4.10 Apliaciones Figura 4.18: Control del elevador de banda con un sensor de barrera de luz de reflejo optoelectrónico Figura 4.19: Detección del objeto de acabado mate con un sensor de reflexión optoelectrónico 71 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Figura 4.20: Control del nivel de fluidos en envases de vidrio con un sensor de reflexión optoelectrónico Figura 4.21: Detección de fracturas en herramientas con un sensor de barrera de luz de reflejo optoelectrónico con pulsador de luz 72 Sistemas y funciones de la mecatrónica 5 Sensores magnéticos 5.1 Información básica Minos Los sensores magnéticos pueden ser utilizados principalmente para la detección de objetos que pueden ser ajustados a imanes. Estos son elementos típicos en el control industrial debido a su diseño hermético, su variedad de formas de caja y sus altos rangos operacionales que vienen en dimensiones pequeñas. Las modificaciones base de estos sensores no requieren un suministro eléctrico y pueden ser directamente conectados a entradas de mandos también pueden controlar la operación de maquinaria de forma independiente. Una ventaja adicional es el margen amplio de voltaje de accionamiento y niveles de corriente, incluso arriba de 1000 V y unos cuantos A. Los sensores magnéticos responden a un campo magnético generado usualmente por imanes sólidos que son ajustados a los objetos que tienen que ser detectados. Los objetos pueden estar hechos de diferentes materiales , sin embargo los objetos que no son ferro magnéticos son mejores debido a un rango de operación más alto del sensor. Un elemento que responde al campo magnético puede ser por ejemplo un contacto eléctrico hermético ( un sensor reed), un elemento semiconductor (un sensor Hall), una resistencia magnética o un material con propiedades magnéticas especiales. Los campos magnéticos penetran a casi todos los materiales no magnéticos, de ahí que la detección de elementos puede ser llevada a cabo incluso si hay obstáculos diamagnéticos hechos de plástico entre el sensor y el objeto; por ejemplo una pared o una pared contenedora. La activación de un sensor magnético de proximidad se lleva a cabo por medio de un imán que se acerca hacia el sensor desde la dirección X o la dirección Y. (Figura 5.1). Imán Elemento reactivo a un campo magnético Detector Figura 5.1: Sistema de salida Estructura de un sensor magnético de proximidad 73 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 5.2 Histéresis El ferromagnetismo que se coloca en un campo magnético externo está sujeto a una magnetización o una desmagnetización dependiendo de la dirección de su campo. Un fenómeno de la histéresis está asociado con éste proceso, cuya figura depende de las propiedades del ferromagnetismo (Figura 5.2). Cuando la histéresis es amplia es muy difícil desmagnetizar el ferromagnetismo. Este ferromagnetismo (Fe-Co, Ni-Co y ferritas duras) van a ser determinadas como “duras” y son utilizadas como imanes de permanentes. El ferromagnetismo suave (histéresis reducida) puede ser utilizada para núcleos magnéticos que deberán magnetizar y desmagnetizar rápidamente (hierro, Fe-Si, Fe-Al aleaciones, y aleaciones sin forma suaves. Las propiedades magnéticas presentadas anteriormente de las propiedades de los materiales y su comportamiento en campos magnéticos externos hace posible diseñar diferentes tipos de sensores magnéticos. En el vacío, el campo magnético se caracteriza por un vector de la inducción magnética B o. La inducción magnética B en un material dado de una estructura uniforme se encuentra a través de la formula: B= r•Bo Creación del campo magnético Creación del campo magnético Campo magnético externo Figura 5.2: 74 Histéresis de un ferromagnetismo a) fuerte y b) débil Campo magnético externo 5.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Efecto Hall El efecto Hall consiste en la creación de un campo magnético adicional en una corriente DC que carga un disco en forma de un conductor o un semiconductor y está expuesto a un campo magnético externo. Este campo magnético adicional es un resultado de las acumulaciones de las cargas eléctricas solo en un borde del disco sujeto a una exposición del campo magnético externo. Esto es su momento causa una diferencia en el potencial de la lámina en sus bordes, un voltaje llamado “voltaje Hall” VH . El campo magnético generado adicionalmente se encuentra perpendicularmente tanto en referencia a la dirección del campo magnético B como a la dirección del flujo de corriente I C , mientras que esta es más fuerte cuando el campo magnético se encuentra de forma perpendicular en relación a la dirección de la corriente de flujo (Figura 5.3). Para la lámina que se muestra, existe la siguiente relación entre el voltaje VH , la corriente que corre a través de la lámina y en campo B: VH = RH B• I C /d Donde: RH – Constante Hall (determinando la movilidad de los portadores de energía), d – el grosor de la lámina. Para aplicaciones prácticas de éste fenómeno se necesita una posibilidad de un alto valor de voltaje VH . Este puede ser obtenido utilizando láminas muy delgadas hechas de materiales que presenten una alta movilidad de electrones. Estas propiedades se presentan exclusivamente en los semiconductores hechos con una tecnología de capa delgada, la cual hace posible obtener una lámina delgada (aproximadamente 0.1 mm). Los materiales, en su mayoría, son semiconductores de tipos InSb, InGaAs y GaAs. El incrementar el voltaje VH al incrementar la corriente que esta fluyendo a través de la lámina es una posibilidad muy limitada debido al poder permitido que se ha disipado en la lámina. El valor de éste poder depende, en un considerado grado, en el diseño y la forma de la lámina semiconductora. El efecto Hall ha encontrado un espectro muy amplio de aplicación práctica, entre otros, en el diseño de sensores magnéticos. Figura 5.3: Efecto Hall 75 Minos 5.4 Sistemas y funciones de la mecatrónica Efecto de magnorresitencia Las magnorresistencias AMR son elementos semiconductores anisotrópicos que se caracterizan por una alta dependencia de la resistencia hacia el campo magnético. Se utilizan unas bandas muy delgadas hechas de material ferro magnético permalloy (20% Fe, 80% N) para los sensores. Un incremento de la magnetorresistencia de materiales semiconductores es un resultado de una exposición a un campo magnético externo H. Esta exposición causa un cambio en la dirección del flujo de corriente I en un ángulo (Figura 5.4). Esto hace que el camino de cargas eléctricas sea más largo, lo cual tiene como resultado un incremento de la resistencia del semiconductor. Un valor de éste ángulo incrementa con un incremento de la intensidad del campo magnético. Este fenómeno tiene el término de “efecto de magnetorresistencia”. Distintos materiales reaccionan de diferentes maneras a éste fenómeno: está prácticamente ausente en metales, en semiconductores está presente pero en un alcance diferente. Los electrodos de oro y aluminio generan un camino del flujo de la corriente cambiando su dirección y como resultado, el camino de cargas eléctricas se convierte aun más largo causando un incremento adicional en el ángulo de la resistencia dependiente RM. Después de la eliminación del campo magnético, la resistencia del semiconductor regresa a su valor inicial RM0. Una relación entre el ángulo , resultando de la intensidad del campo magnético H, y de la resistencia del semiconductor RM hace posible detectar objetos magnéticos con sensores magnéticos. permalloy electrodo Figura 5.4: 76 Efecto magnetoresistivo 5.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Effetto Wiegand El efecto Wiegand consiste en la generación de un impulso eléctrico en una bobina, la cual esta enrollada en un conducto ferro magnético que tiene propiedades magnéticas únicas (conductor de impulso), como resultado del cambio de dirección del campo magnético. Los “conductores de impulso” están fabricados con un material ferro magnético, de aproximadamente 0.3 mm de diámetro, el cual se enrollarán varias veces con una temperatura fría para producir un estado apropiado de tensión. Este conductor, el cual es un compuesto de cobalto, hierro y vanadio, tiene dos áreas magnéticas diferentes: un núcleo y una envoltura. El núcleo tiene las propiedades de un material magnético suave (histéresis estrecha) y la envoltura tiene las propiedades de un material magnético duro (histéresis amplia)- (Figura 5.5). Dos capas que difieren magnéticamente reaccionan diferentes a los cambios de dirección del campo magnético externo. El núcleo magnéticamente suave cambiará la dirección de su magnetización más rápido que la envoltura magnéticamente dura. Cuando el campo magnético externo causa dicho cambio en el núcleo sin ningún cambio en la dirección de magnetización de la envoltura, entonces aparecerá un impulso eléctrico corto (10 -20 s) en la bobina alrededor del conductor de impulsos. La amplitud de los impulsos de voltaje es casi independiente a la velocidad de los cambios en dirección al campo magnético. Para reinvertir la dirección de la magnetización, el núcleo necesita, en promedio, un campo magnético tres veces más débil que la envoltura. Este fenómeno, conocido como el efecto Wiegand es utilizado en los sensores magnéticos para la detección de objetos en translación o en rotación. Núcleo magnético suave tempo Cubierta magnética dura Figura 5.5: bobina tempo nucleo recubrimiento Efecto Wiegand: a) “Linea de impulso” con la bobina, b) impulso eléctrico previo y posterior al cambio de dirección del campo magnético externo 77 Minos 5.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores de campo magnético con un contacto Reed El principio de operación subyacente de éste sensor es el de un sensor de contacto reed que responde a un imán que se aproxima. En el campo magnético generado por un imán, los contactos de un sensor de contacto de reed se magnetizan. Si la fuerza de la atracción del contacto supera la fuerza la fuerza de la elasticidad, entonces el sensor cambiará su estado de abierto a estado cerrado. En virtud de este hecho, el circuito eléctrico completo también estará cerrado junto con la carga conectada. (Figura 5.6). La eliminación del campo magnético de la zona de operación del sensor anulará la fuerza de atracción de los contactos del sensor. Debido a la fuerza de elasticidad, los contactos se separarán rompiendo al mismo tiempo el circuito eléctrico con la carga conectada. Los sensores (magnéticos) con un sensor de contacto reed no requieren suministro de poder. Los contactos de los sensores reed, si no es en un campo magnético, puede estar normalmente abierto (dependiendo de su tipo) o en uno de sus dos estados posibles NA (normalmente abierto) o NC (normalmente cerrado). Cada imán es una fuente de campo magnético, la intensidad de la cual depende de sus propiedades (magnéticas) de material y sus dimensiones. Este campo magnético determina el rango de operación máximo SMAX de un sensor reed magnético. Salida Imán Contacto Reed Figura 5.6: 78 Sensor del campo magnético con un contacto Reed: a) Construcción y señal de salida b) Smax - máximo alcanze, H - Histéresis. Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos La fuerza de atracción del campo magnético depende de la distancia entre el sensor y el imán en la distancia tanto longitudinal como transversal (Figura 5.7). De acuerdo con la característica de operación de un sensor de contacto reed, deben de haber tres zonas con el estado de salida ON al momento de que el imán se mueve a lo largo del eje X orientado paralelamente con respecto con el eje del contacto reed. Para colocar apropiadamente el imán y el sensor con respecto del uno al otro, se debe de obtener un sensor con una o dos zonas de cambio. En cada caso, al acercar o retirar el imán en la dirección Y, solo habrá cambios de ON a OFF ó de OFF a ON. Los sensores de reed magnético tienen cajas de diversas formas, comenzando con las simples (cilíndricas o prismáticas) hasta las más complejas formas geométricas. Las formas de las cajas se determinan dependiendo de su uso. La forma de un sensor define las áreas de movimiento del imán. Existen sensores en los cuales el único movimiento del imán es a lo largo de la cara del sensor, y hay otro tipo de sensores en donde el movimiento del imán es también posible de acuerdo a los lados del sensor. Figura 5.7: Zonas de conmutación de la señal de salidad dependientes de la posición y orientación del imán 79 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 5.7 Sensores magnéticos con el efecto Hall Los sensores magnéticos con el efecto Hall hacen uso del efecto Hall que se encuentra en los semiconductores. El estado salida cambia dependiendo de los cambios del campo magnético externo. Este campo genera un voltaje Hall adicional UH en el sensor. Al sensor se le suministra una corriente DC que fluye a través de una lámina semiconductora (un hallotron). Siempre y cuando el imán se encuentre fuera del rango de operación de un sensor, la corriente puede fluir sin ningún impedimento a través del hallotron. Una diferencia de potencias en los bordes del hallotron es por lo tanto igual a cero (V=0). Cuando el imán aparece en el rango de operación del sensor , su campo magnético genera el voltaje Hall (V=VH) en los bordes del hallotron. Este voltaje es una señal de medición que controla el transistor de salida de un sensor (Figura 5.8). Estos sensores están normalmente fabricados con tres cables que tienen un voltaje DC de 5V hasta 30 V. La frecuencia máxima del estado de salida que cambia es alta para estos sensores, incluso más de 300Hz. La corriente máxima que fluye a través de un hallotron es normalmente debajo de 1 A. Los sensores pueden estar fabricados en una versión omnipolar (responde a una polarización dada del campo magnético), unipolar (responde a una sola polarización específica del campo magnético) o bipolar (desactivación es provocada por el polo opuesto al polo que causa la activación). Imán Círculo Hall Detector Figura 5.8: 80 Sensor Hall Sistema de salida 5.8 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sensores magnéticos especiales 5.8.1 Sensores de magnetorresistencia La estructura de un sensor de magnetorresistencia es similar a la estructura de los sensores de efecto Hall. Estos difieren solo en el elemento sensible a los cambios del campo magnético. En los sensores de magnetorresistencia, este elemento es normalmente hecho por cuatro magnetorresistencias RM1-RM4 que están colocadas en el trazo del puente de Wheatstone (Figura 5.9). En este caso se debe de mantener una inclinación direccional apropiada de los electrodos. En un puente de medición que está colocado conforme a las recomendaciones anteriores , la compensación térmica de los cambios de temperatura se logrará y la señal de salida se duplicará al momento de comparar las mediciones con solo una magnetorresistencia. Al momento de que el imán se aproxima al sensor, hay un cambio en la resistencia del sensor. Este cambio es de acuerdo con el efecto de magnetorresistencia y el puente de medición se convierte en un balance de salida. El “fuera de balance” es una función linear de cambios en la intensidad del campo magnético. puente de Wheatstone Detector Sistema de salida Figura 5.9: Alimentación Señal de medición (+) Señal de medición (-) Sensor magnetoresistivo: a) construcción, b) puente de Wheatstone 81 Minos 5.8.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores magnéticos Wiegand La regla de operación del sensor magnético Wiegand consiste en el registro de cambios en una polarización del conductor de impulso del núcleo. La polarización de la magnetización del núcleo puede estar reservada si el campo magnético externo cambia su dirección. Un campo magnético que cambia su dirección puede ser generado por un imán pequeño móvil o estacionario (Figura 5.10) En el primer caso, el “conductor de impulso” es expuesto a un campo magnético de una N/S polarización ,y posteriormente a el campo de siguiente imán con la polarización invertida (S/N). Este cambio de polarización del campo magnético genera un impulso de voltaje en una bobina alrededor del conductor de impulso. El impulso puede ser ,directamente o después de un proceso, una señal de salida del sensor. En el segundo caso, un cambio en la dirección de la magnetización del núcleo se obtiene al momento de transmitir el conductor del impulso primero frente de un imán con la polarización N/S y luego frente a un imán con la polarización inversa (S/N). En esta idea , los imanes y la bobina son colocados en el sensor, y este es el conductor de impulso que cambia la posición de acuerdo al sensor. Conductor de impulso con la bobina Detector Sistema de salida Conductor de impulso Detector Sistema de salida Figura 5.10: Sensor Wiegand: a) con un campo magnetico móvil, b) con una línea de impulso móvil 82 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Independientemente de las formas de operación discutidas, sin embargo existe la posibilidad para la solución de imanes estacionarios que se encuentran en la cabeza del sensor junto con una bobina en el conductor de impulsos. En este caso, un cambio en la dirección del campo magnético puede ser ocasionado por un ferro magnético que se mueve frente a la cara del sensor. Esta solución puede ser utilizada para el conteo de objetos ferro magnéticos que se mueven frente al sensor. Un ejemplo de uso es la medición de la velocidad de rotación de un engranaje por medio del registro del número de dientes que se mueven frente al sensor. En este caso, la reversión del flujo magnético en el “conductor de impulso” sucede dos veces más frecuente que la frecuencia que de los dientes que van pasando de un engranaje sobre los polos magnéticos del sensor. Cada reversión del flujo magnético en el “conductor de impulso” está asociada con un impulso de alto voltaje en la bobina. Los sensores Wiegand no requieren de un suministro eléctrico y pueden ser fabricados como simples sensores de dos cables que son perfectamente apropiados para la operación en condiciones de ambiente difíciles. Estos sensores presentan una alta frecuencia de impulsos generados (incluso arriba de 20 kHz) junto con un alto recurrente impulso del voltaje de salida (unos cuantos Volteos). 83 Minos 5.8.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sensores magnéticos con un imán permanente Los sensores magnéticos más simples consisten de un imán permanente y una bobina que se encuentra enrollada a este (Figura 5.11). Un objeto ferro magnético, que se aproxima al sensor , cambia el flujo magnético penetrando la bobina y genera de manera simultánea un voltaje en los extremos de la bobina. Los sensores magnéticos con un imán no pueden , sin embargo, ser utilizados para la detección de objetos estacionarios, ya que el voltaje de salida depende de una velocidad con la que el objeto se aproxima al sensor. Los valores de estos voltajes son pequeños y necesitan una amplificación adicional para pulsar el estado del sistema de salida. Cuando la velocidad de un objeto disminuye , el voltaje de salida también disminuye. Para un objeto estacionario el voltaje cae hasta cero. Estos sensores no requieren de suministro eléctrico y presenta una resolución alta, considerablemente más alta que aquellos que utilizan el efecto Hall. La resolución alcanza incluso un centenar de fracción de un grado al momento de medir la velocidad rotacional. Material ferromagnético Detector Figura 5.11: Sensor magnético con imán permanente 84 Sistema de salida 5.9 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Requisitos de instalación Los sensores magnéticos pueden ser montados o incrustados en elementos hechos de cualquier material que sea no-ferro magnético. La magnitud de su elevación por encima de la superficie hacia la cual está montada no tiene ninguna importancia. La cara del sensor puede ser incluso llana con ésta superficie (Figura 5.12) Si un sensor debe de ser montado en un material ferro magnético, es preferible que se eleve más arriba de la superficie del material ferro magnético. Se recomienda también, introducir una capa de aislamiento adicional hecha de un material que no sea magnético (dieléctrico) que separe el sensor y el material ferro magnético. Al fijar un imán a una superficie ferro magnética, se debe de tomar en cuenta que el campo magnético del imán puede ser más débil o más fuerte. La amplificación del campo se generará cuando el imán sea montado dentro de una superficie externa del material ferro magnético, y su reducción cuando el imán se incruste en el material ferro magnético. El rango de operación de un sensor cambiará en consecuencia. La introducción de un material no ferro magnético entre el sensor y el imán no tiene influencia en el comportamiento del sensor magnético. Por otra parte, su comportamiento cambiará si un elemento ferro magnético aparece entre el sensor y el imán. Esto puede terminar con el cambio de estado de la salida del sensor. Por ejemplo, con la interferencia en su operación. Material no ferro-magnético Material ferromagnético Figura 5.12: Influencia de los elementos ferromagnéticos y no ferromagnéticos sobre las propiedades de los sensores magnéticos 85 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica 5.10Aplicaciones Los sensores magnéticos pueden ser utilizados , entre otras áreas, en: - La detección de objetos que se encuentran fuera de paredes plásticas, por ejemplo, dentro de pipas o contenedores. - La detección de objetos en entornos agresivos a través de tabiques de protección. La detección de objetos en áreas de temperatura elevada, gracias - a la posibilidad de supresión del campo magnético por medio del uso de elementos ferro magnéticos. - La detección de objetos en movimientos de traslación o rotación. Figura 5.13: Representación de la posición de un pistón en un cilindro no magnético con un sensor magnético con un contacto Reed 86 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Figura 5.14: Representación de una mesa de forma angular con un sensor Hall 87 Minos 88 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 6 Las funciones de los sensores en los sistemas mecatrónicos 6.1 Principales aplicaciones de sensores en sistemas mecatrónicos Los sensores son utilizados en los sistemas mecatrónicos principalmente para asegurar la operación apropiada (y de acuerdo con las deducciones del diseño) de las estructuras de sus componentes y el desempeño de las funciones de control del proceso de trabajo. Los sensores son utilizados para identificar: - El desempeño de los sistemas en sus condiciones de operación, por medio de la medición de los parámetros de la operación de sistemas. - El estado correcto del control de proceso de parámetro, mediante el rastreo continuo o periódico y el monitoreo de los valores del parámetro. - Disturbios de operación, mediante diagnósticos. - La degradación de propiedades de operación y sus defectos, a través de diagnósticos de mantenimiento. 6.2 Complejidad de las estructuras de los sistemas mecatrónicos y la ubicaLos sistemas mecatrónicos modernos son híbridos en su diseño e incorporan módulos mecánicos, hidráulicos, neumáticos, eléctricos y electrónicos. Los módulos pueden ser simples o complejos y su operación debe de coincidir con los requerimientos especificados por los diseñadores para asegurarse que las tareas y funciones del sistema mecatrónico sean realizadas de una forma apropiada. Los requerimientos tienen que ver con los parámetros de operación de los elementos de construcción de los módulos, tales como: - Velocidades clasificadas y aceleraciones de movimiento en el ensamblaje de trabajo, evaluados por medio de sensores de contacto y de no contacto. - Posición, posicionamiento y orientación de los ensamblajes y objetos, reconocidos por sensores de contacto y de no contacto apropiados. - Caminos de movimiento (distancias) evaluadas por sensores de camino simples o complejos dependiendo de la precisión de control de camino. - Las velocidades de movimiento clasificadas de los auxiliares, medidos por la velocidad de los sensores cuando las velocidades están sujetas a control. - Cargas (fuerza, presión corriente, poder eléctrico) transmitidas (clasificadas) y aplicadas, las cuales necesitan ser controladas por sensores apropiados y monitoreadas. - Condiciones de operación de sistemas térmicos permisibles para los módulos particulares y sus componentes, que son identificados a través de la medición de temperatura por medio de sensores colocados dentro de los módulos. - Habilidades de movimiento integradas que son identificadas por sensores de velocidad, aceleración y de camino integrado. - Propiedades de energía (poder) de sistemas y sus módulos que son medidos por sensores de forma directa o indirecta. 89 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Los sistemas de operación mencionados previamente son llevados a cabo en a base de datos que es obtenida por los sensores. Además de llevar a cabo las funciones de medición , los sensores deben de satisfacer los requerimientos que conciernen, por ejemplo, la magnitud , forma y lugar del procesamiento de señal permisible y la transmisión de interferencia y los circuitos de comunicación apropiados. 6.3 Complejidad de las funciones de los sistemas mecatrónicos y la ubicación de sensores en éstas Las tareas realizadas por los sistemas mecatrónicos pueden ser desde muy simples (típico para dispositivos que llevan a cabo funciones singulares y dispositivos simples que llevan a cabo muchas funciones) hasta tareas llevadas a cabo por sistemas que tienen operaciones complejas. El desempeño de las funciones de los sistemas está controlado automáticamente de acuerdo a los algoritmos asignados que cubren las siguientes acciones: - Reconocimiento de la salida para el desempeño de una función – por medio de un sensor apropiado o un sensor proporcionado con una visualización de señal y/o una transmisión por medio de un circuito de comunicación hasta el sistema de control. - Evaluación de estado de disposición para la activación de la función de desempeño. - Activación de la función de desempeño – decisión humana o de sistema de control y activación por medio de un circuito de comunicación. - Observación del desempeño de las funciones – observación automática por un sensor singular o un grupo de sensores, integrados con el circuito de procesamiento de señal , el circuito de lógica , el sistema de control y el programa , por medio del circuito de comunicación. - Decisión en finalizar la función – tomada por el sistema de control con la base de un receptor de señal de un sensor y un algoritmo de control de programa adecuado, a través del circuito de comunicación. - Desactivación de la función – puede ser llevada a cabo por un sensor o un grupo de sensores, por medio de un convertidor o un grupo de convertidores de acuerdo con el algoritmo de control. - Información, de que la función ha sido desactivada – es transmitida desde el circuito de comunicación hacia el sistema de control con el fin de parar la operación de sistema o iniciar otra tarea. Del algoritmo previamente mencionado se deduce que mientras más complicada sea la función, más importante es la participación de los sensores. Cuando un sistema mecatrónico lleva a cabo una función singular compleja o varias funciones interdependientes de manera simultánea, la complejidad de las tareas del sensor también depende de los requerimientos del sistema que controla al sistema mecatrónico. Las tareas y requisitos del sistema pueden necesitar , por ejemplo, la integración de sensores con procesami 90 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos ento de señales y circuitos amplificadores , disminución de dichas unidades de medición y una mayor precisión en la operación. 6.4 Diagnósticos de los sistemas mecatrónicos de los sensores Uno de los requisitos más importantes que los equipos y las maquinas tienen que cumplir es la operación impecable de sus módulos y sus sistemas mecatrónicos. Ambos deben de ser revisados tanto durante su ensamblaje (al aplicar diagnósticos de aceptación) como en las condiciones de operación (aplicando diagnósticos continuos o periódicos). El diagnóstico se necesita para supervisar la operación correcta de los propios sistemas y del proceso que se está llevando a cabo. Es necesario revisar la degradación de las partes del dispositivo de los sistemas con el fin de planear un mantenimiento restaurando el sistema de operación correcto. Los sensores de utilizan en el proceso de diagnóstico para medir de una forma exacta y eficaz los parámetros dados, los cuales determinan la función correcta de los sistemas mecatrónicos. En el caso de sistemas mecatrónicos simples que llevan a cabo funciones singulares, normalmente es necesario medir: los caminos y velocidades de dispositivo de ejecución y las fuerzas, presiones, entre otras. Las mediciones son hechas por un solo sensor o un grupo de sensores conectados con convertidores y amplificadores. Las señales transformadas son transmitidas (a través de un circuito de comunicación) a pantallas y/o a un proceso de diagnóstico de un sistema de control y al controlador principal del sistema mecatrónico. Entre más grande sea la complejidad de los sistemas mecatrónicos y entre más alta sea la precisión requerida de su operación, mas alta tiene que ser la precisión con la que son medidos los parámetros relevantes. También la fiabilidad de la operación del sensor y el procesamiento de señales del sensor tiene que ser más alta. En los sistemas de fabricación los sensores pueden proporcionar información acerca : - Si un ciclo de trabajo es bien realizado - El estado de las herramientas - Condición de las virutas - La continuidad de las herramientas de enfriamiento y piezas de trabajo - La condición de la capa superficial - Las dimensiones Los sensores pueden ser incorporados en módulos singulares de medición, o aquellos integrados con un sistema de diagnóstico altamente organizado. Muchas funciones de diagnóstico están integradas con diferentes tipos de PLCs y CNCs. 91 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos SÍNTOMAS DEFECTO SENSOR falla en el cojinete del sistema de lubricación - temperatura del cojinete - cargas internas en el cojinete - termoelemento, termistor - extensómetro falla en el sistema de enfriamento - temperatura de la pieza de - termoelemento, termistor trabajo - cabeza de medida, sensor - cambios en la forma de la pieza de neumático trabajo y sus dimensiones falla en el sistema de enfriamento - presión - sensor de presión gripaje del cojinete - temperatura del conjinete - carga interna en el cojinete - potencia absorbida - termoelemento, termistor - extensómetro, sensor inductivo - convertidor de poder daño del cojinete - nivel y espectro de vibración - nivel y espectro de ruido - aspereza en la superficie trabajada - sensor de vibración - micrófono - prueba de medición excesiva falta de tensión en el cojinete - nivel y espectro de vibración - aspereza en la superficie trabajada - sensor de vibración - prueba de medición avería en la caja de cambios - intervalos entre impulsos - vibración - aspereza en la superficie trabajada - sensor de inducción - sensor de vibración - prueba de medición demasiado espacio libre en la guía - potencia absorbida - aceleración durante el comienzo - convertidor de poder - sensor de camino, láser demasiado espacio libre en el sistema tornillo tuerca - oscilaciones - aspereza en la superficie trabajada - sensor de vibración - prueba de medición lubricación insuficiente de la guía - potencia absorbida - condición de la superficie siendo cortada - aceleración durante el comienzo - convertidor de poder - prueba de medición - sensor de camino, láser defecto en el sistema de compensación/corrección - condición de la superficie siendo cortada - prueba de medición, sensor neumático vibración de auto-excitación - vibración - condición de la superficie siendo cortada - cambio en la amplitud de la fuerza de cortado - sensor de vibración - prueba de medición - sensor piezoeléctrico Tab. 6.1: Típicas debilidades de función de máquinas herramientas, sus síntomas y sensores utilizados durante el diagnóstico 92 6.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Aplicación de sensores en la supervisión de sistemas mecatrónicos La supervisión del sistema mecatrónico significa el control para que los parámetros de uso no sobre pasen los límites establecidos. Dentro de esta basa los parámetros son corregidos por el sistema de control y los dispositivos mecatrónicos apropiados o los errores identificados son compensados (de ser posible) por el sistema de control. La señales de medición que son recibidas de los sensores son procesadas y comparadas con los valores requeridos. Cualquier diferencia entre ambos grupos de valores constituye una señal de ajuste del sistema de control o un error instantáneo compensado en una forma correcta. Entre más alta sea la precisión de la operación del sistema mecatrónico requerido, más alta debe de ser la precisión de la operación del sensor y también la precisión de medición. Si la supervisión está basada en un modelo de error, las lecturas del sensor son utilizadas para actualizar el modelo en tiempo real o periódicamente. 6.6 Aplicación de sensores en el diagnóstico de mantenimiento de los sistemas mecatrónicos Un tipo de diagnóstico de gran importancia es el diagnóstico de mantenimiento de los sistemas mecatrónicos de forma continua o periódica conducida durante su vida de servicio. El estado de desgaste de un sistema mecatrónico es evaluado con el fin de hacer reparaciones de rutina o corregir los parámetros de operación relevantes. La evaluación se hace a través de la medición de los parámetros indicando el desgaste de los componentes del sistema, por medio de sensores apropiados. Los sensores están permanentemente instalados en la estructura de tales sistemas o están incorporados en sistemas de medición especializados de sensores múltiples o singulares que llevan a cabo mediciones periódicas (incluyendo mediciones de aceptación de reparación posterior). Algunas veces el diagnóstico de mantenimiento es conducido remotamente ( esto se discutirá de forma separada) o directamente dentro de un objeto mecatrónico, como auto-diagnóstico. Las propiedades de medición de sensores en este tipo de diagnósticos dependen de la precisión de los sistemas de operación requeridos y la forma de las funciones de mantenimiento de los sistemas de control. 93 Minos 94 Sistemas y funciones de la mecatrónica Sistemas y funciones de la mecatrónica 7 Minos Desarrollo del Sistema Parcial Mecatrónico 7.1Introducción El desarrollo técnico en la práctica industrial, en particular en el área de construcción de máquinas y plantas, muestra que sistemas técnicos complejos son usados para la realización de requisitos de productividad, flexibilidad y calidad. Esto se dirige a una ascendencia cada vez más fuerte del conocimiento técnico y a una especialización dentro de diferentes áreas de conocimiento. De esta manera, se incrementa, inevitablemente la variedad y las posibilidades para la solución de complejas distribuciones de tareas. Los ingenieros mecatrónicos pueden ocuparse del montaje y mantenimiento de máquinas complejas, instalaciones y sistemas. Sus lugares de acción son los talleres, talleres de montaje, o en el ámbito de servicio. Es necesario también el trabajo en equipo. Para poder solucionar una compleja distribución de tareas, un mecatrónico puede asumir la dirección del proyecto. Para poder superar esta actividad , el ingeniero tiene que ser un especialista en problemas. El debe saber todo lo relacionado a la solución del problema y debe tener la capacidad de comprender el contexto general del mismo. Sólo así puede coordinar el trabajo de cada especialista e integrar en el sistema completo todo su conocimiento, de tal manera que se forme un sistema ponderado óptimo, con capacidad funcional y barato en costes. Para la planificación de técnicas de distribución se debe proceder de la siguiente forma: – – – – Definición del problema, Planificación del sistema, Realización del sistema, Operación y mantenimiento del sistema. El dominio de dichos sistemas complejos, fija un extenso conocimiento de antemano sobre los elementos implantados de la información y el flujo de energía , al igual que las posibilidades de conexión mediante la compañía operadora. Para el especialista, es por lo tanto necesario , que desde el principio de la carrera se preocupe del pensamiento orientado a sistemas, estructuración y procedimiento. 95 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 7.1.1 El Concepto de Mecatrónica El sistema de conceptos es observado como esquema de orden, para estructurar resúmenes en máquinas y conexiones razonablemente. Como sistema se considerará una distribución delimitada y funcional de figuras, las cuales se encuentran para el cumplimiento de determinadas tareas con relación entre ellas. La delimitación mantiene el monitoreo del sistema y depende del objeto observado. Un equipamiento de alimentación, una máquina de herramientas o una conexión de montajes, pueden ser considerados como sistemas. El nombre Mecatrónica es una combinación de mecánica y electrónica. Además, las técnicas de cálculo pertenecen al ámbito de la mecatrónica. Este componente será contemplado sobre el completo ciclo de la vida de un sistema. Esto oscila desde la modelación y desarrollo hasta la fabricación. En la intersección de las tres partes surgen nuevas especialidades. La electromecánica une la electrotecnia con neumática o hidráulica. Mecánica y software están presentes, por ejemplo, en sistemas de realidad virtual con animación de movimientos. Software y electrónica se encuentran en artículos de almacenamiento de memoria programable sólo de lectura o almacenamiento de los controles numéricos. Electromecánica Mecánica Electrónica Mecatrónica Software de mecánica Software de electrónica Computación Figura 7.1: Subcampos de la Mecatronica 96 Sistemas y funciones de la mecatrónica 7.1.2 Minos Elaboración de Componentes y Montaje Un sistema complejo puede constituirse de varias partes, mejor dicho de sub-sistemas. El próximo ejemplo aclara estas relaciones en la mecatrónica. Ejemplo En la imagen se muestra la polea de una cuadernal móvil. Algunos componentes estructurados de la polea deben ser maquinados. Después de ello, las partes abajo listadas deberán ser montadas. (1) Cubo (2)Astil (3) Disco (2x) (4) Cojinete rígido (2x) (5) Muelle en lámina de cubierta (2x) (6) Falange (1x) (7) Seiltrommelscheibe (8 Tornillo de cabeza hexagonal (8x) (9) Arandela de presión (8x) (10)Espaciador (11) Corona de rodadura (1x) La elaboración de distintas partes de componentes será llevado a cabo bajo ciertos pasos. 7 5 11 10 8, 9 4 3 2 1 6 Figura 7.2: Polea 97 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El trabajo de instalación deberá ser hecho con respecto a la siguiente secuencia de instalación: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) Pre-instalación: ensamblado del Cubo (1) con Astil (2), atornillar der Seiltrommelscheibe (7) y la Falange(6) usando un tornillo de cabeza hexagonal (8) y una arandela de presión (9), Inserción del muelle en lámina de cubierta (5.1) en el disco de tambor para estacha previamente ensamblado. Presionar el cojinete rígido (4.1) en el disco de tambor para es tacha previamente ensamblado, Inserción del cubo previamente ensamblado (1) con el Astil (2) en el tambor para estacha previamente ensamblado, Presionar en el espaciador del anillo(10), Presionar el cojinete rígido (4.2) Inserción del muelle en lámina de cubierta (5.2) en el tambor para estacha previamente ensamblado Posicionamiento de la falange (11), Atornillar la falange (11) con el tambor para estacha previamen te ensamblado, un tornillo de cabeza hexagonal (8)y una aran dela de presión (9), u Unir ambos discos (3.1) y (3.2). La selección de componentes de sistema apropiados es hecha conforme a las siguientes pautas: – Posible formulación exacta de objetivo deseado. – Inversión y costes de operación, – Requisitos técnicos , y exigencias técnicas del cliente, hoja de especificaciones, – Fiabilidad y reacción a la perturbación, – Regulaciones de seguridad y arreglos, – Condiciones operacionales, – Mantenimiento de demandas, – Tarjeta de fusión – Condiciones del mercado, posible y actual competencia , – Tendencias de progreso, – Proveedor preferido del cliente,, – Posibilidades de mantenimiento del usuario, – Demandas de estandarización (demanda de repuestos) – Reparto completo con controles de una fuente 98 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los requerimientos fundamentales para la construcción de sistemas complejos son: – – – – – – – – – – – – – – Análisis de función Análisis de movimiento Fuerza y momento Curso de la carga Condiciones de la presión nominal seleccionada cuando se usa un equipo hidráulico o neumático Velocidad y trazo Control y regulación Aceleración y especificaciones de tiempo Comportamiento dinámico y rigidez Condiciones de instalación Requisitos de medios de transferencia de energía Empresa de trabajo continuo Empleo estacionario o móvil Condiciones operacionales (tiempo de encendido, variaciones de la temperatura de aceite, el enfriamiento requerido, ex- orden protector, instalación al aire libre, condiciones de protección del medio ambiente) Los sub-sistemas representados en la imagen inferior también deberán ser tomados en consideración. Electroneumática Electrohidráulica Sistema complejo Tecnología de sensores Control (SPS) Electrotecnia Figura 7.3: Subsistemas 99 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 7.2 Controles de construcción Hay una diferencia entre control (secuencia de control) y regulación (circuito de regulación). El control es un proceso, donde una o más cantidades influencian otras según el patrón y regularidades del sistema de control. Aquí, las cantidades influyentes son designadas como cantidades de entrada. Las cantidades influenciadas son llamadas cantidades de salida. Un camino de acción abierta es típico para un control. La cantidad de entrada no influencia las cantidades de entrada. Por lo tanto una desviación de los deseados valores no puede ser detectada y corregida. Se tomará continuamente un fluido de la reserva. Para que la reserva no se vacíe, se usará una válvula para que se rellene de fluido continuamente para compensar lo que ha sido extraído previamente. Ejemplo En caso de aumento y disminución de la salida, el control no provee una mayor o menor cantidad de fluido de relleno. Para esto se requiere una regulación. w Actuador y z1 w y x zn Variable de entrada (referencia) Variable de corrección Variable de control Variables de interferencia Figura 7.4: La senal fluye en un control 100 Planta z2 x Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los controles son usados cuando una alteración es muy pequeña y puede ser ignorada. Por ejemplo una puerta puede ser abierta por medio de un botón, y posteriormente cerrarse automáticamente después de un lapso de determinado tiempo. Ventajas de un control de secuencia: – El comportamiento de una corriente de acción abierta es más fácil de ser ignorada, que la corriente de acción cerrada. – En caso de que una interrupción de cantidad z comience a actuar, es posible intervenir inmediatamente en el proceso ( no es necesario esperar a que la cantidad finita sea afectada, como en la corriente de acción cerrada. Las correcciones pueden ser efectuadas inmediatamente), – No se tiene que medir la cantidad finita Problemas de control de secuencia: – Cuando las cantidades de alteración están presentes, éstas tienen que ser medidas. – Los procesos ( modo de comportamiento) deben ser conocidos para poder hacer posible la determinación y actualización del control de los algoritmos. – No se recibe ninguna información sobre si el control de intervención permitió lograr la cantidad finita o no. Xe,1 †1 Xa,1 Xe,2 Z1 † Xe Xa Z †2 Z2 Xa,2 Xe,3 †3 Xa,3 Z3 Elemento de transferencia Variable de entrada Variable de salida Variable de interferencia Figura 7.5: Estructura secuencia de elemntos transferidos en una secuancia control 101 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 7.2.1Regulaciones En sistemas de regulación, la cantidad regulada es continuamente medida. El valor de medida es también designado como valor actual o instantáneo, mientras que el valor deseado es llamado referencia o valor comando. La cantidad regulada es cambiada dependiendo de su desviación de la cantidad deseada. Como resultado tenemos un círculo cerrado de acción fluido. Por lo tanto, la regulación es también designada como círculo de regulación. Ejemplo Un sistema de regulación es usado para medir continuamente los niveles de fluido en la reserva. La regulación detecta todo derrame de fluido y permite la alimentación de nuevo fluido. La cantidad de fluido que llega es ajustada regulando y para compensar la pérdida. Problemas del círculo de regulación: – Una regulación puede ser ejecutada sólo en caso de desviación de la cantidad regulada de la cantidad deseada. Retroalimentación Control del equipo y Control de proceso w z1 w y x zn Variable de referencia (valor prefijado) Variable de correción Factor de control Variable de interrupción Figura 7.6: Plan de corriente señal en una regulación 102 z2 x x Sistemas y funciones de la mecatrónica 7.2.2 Minos Controles Complejos Los controles complejos son subdivididos en „Hardware“ y „software“. El „Hardware“ incluye bloques de dispositivos y funciones que pertenecen a la electrotecnia, la electrónica y también a la fluidica (neumática/hidráulica) y a equipamiento con microprocesadores (PLC) y opto electrónica. Los bloques de dispositivos y funciones (equipo) son utilizados para: – Colección de información, incluyendo interferencia para acoplamiento con el equipo de control – Entrada de información, como potenciómetro, teclados, cinta magnética – Transmisión de información, tales como conductores eléctricos, ópticos o fluídicos, que transfieren señales analógicas o discretas, incluyendo interferencia relacionada. – Procesamiento de información, tales como el accionador, PLC – Salida de información (comunicación con humanos), dispositivos de monitoreo y registro, monitores, dispositivos de almacenamiento para archivar – Acciones reguladoras se realizaran mediante ventilas , contectadores,etc. Control de alimentación de energía Programa de control Sistema de control Sistema técnico Procesamiento de señal Actuadores Sensores Flujo de material Sistema de mecanizado Figura 7.7: La estructura de un sistema de controles 103 Minos 7.2.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Criterios de comparación para controles complejos Los controles complejos pueden ser comparados según diferentes puntos de vista. Una comparación puede ser hecha según: – Control (secuencia de control) – Regulación (círculo de regulación) – Según la función (control del valor constante, control piloto, control de programa de tiempo, control de diagrama de pasos, control secuencial) – Según la información (señal) – Indicación de control según al procesamiento (controles discretos, digital, control multi punto, binario – Indicación de control según la secuencia de tiempo (tomando el tiempo o no tomando el tiempo) – Indicación de control según la programación (programa de almacenamiento, sistema cableado) – El arte de transmisión de fuerzas y movimientos Además, es posible comparar los controles según el tipo de fuerza y movimiento de transmisión. La transmisión de fuerzas y movimientos puede ser hecha usando diferentes métodos, por ejemplo: – Mecánica (mediante el engranaje), – Eléctrica (mediante lineas de fuerza electrodinámicas o electromagnéticas ), – Neumática (mediante aire comprimido, compresor requerido), – Hidráulica (mediante fluidos, por ejemplo, agua, aceite, glicerina) – Combinados (Sistemas neomecánicos, hidroneumáticos, electrohidráulicos, electroneumáticos, hidroeléctricos y hidroelectrónicos ). 104 Sistemas y funciones de la mecatrónica 7.3 Minos Partes del poder y señal en controles complejos Los sistemas de control son generalmente subdivididos en parte señal y parte de poder. La parte de poder puede ser operada neumática, hidráulica o eléctricamente. Las función de la parte poder neumática es convertir la energía eléctrica en neumática y luego en energía mecánica. En las partes de poder hidráulicas, la energía eléctrica es convertida en hidráulica y posteriormente en energía mecánica. Por otra parte , las partes de poder usadas para operar engranajes eléctricos , convierten la energía eléctrica en energía mecánica. La parte señal incluye dispositivos para la entrada de señales, tales como botones, para procesar la señal (PLC, relevo) y para el control de suministro de energía. La generación y procesamiento de señales eléctricas y su transferencia por medio de interfaces, es la función del la parte señal control original. Elemento de mando Señal de entrada Elemento de de mando energético Procesamiento de la señal Flujo energético Abastecimiento de energía Transformación de energía Control del suministro de energía Acondicionamiento del medio de presurización Señal del elemento de mando Elemento de energía Figura 7.8: La construcción de un control complejo 105 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los cilindros en la hidráulica y neumática son usados como elementos de manejo. Por otra parte, los motores eléctricos son los elementos más importantes de manejo en la electrotecnia. Los elementos de control y de acción son también similares en la hidráulica y en la neumática. Las válvulas son usadas para influenciar el medio de transferencia de energía. Esto es normalmente desempeñado en la electrotecnia mediante relevos y contactos. La preparación y el suministro de energía en la hidráulica es desempleado directamente en la máquina mediante un generador de energía hidráulica. Por otra parte, el aire comprimido usado en la neumática es centralmente generado usando un compresor. La energía eléctrica es generada en una planta de poder distinta. Electro-hidráulica Electro-neumática Electrotecnia cilindro hidráulico, Motor hidráulico cilindro neumático, motor neumático mando linear eléctrico (motor DC, motor AC) - elementos de actuación válvulas de control direccional hidráulicas válvulas de control direccional neumáticas contractores - elementos de control, elementos de señal presión hidráulica, válvulas de flujo, válvula de bloqueo presión neumática, válvulas de flujo, válvulas de bloqueo, válvulas de control direccional diodos, variadores, relés - generación de poder sistemas de mandos hidráulicos compresores completos o estación de compresión alimentación, acumuladores (baterías) - preparación de poder calentamiento, enfriador, filtro secador, filtro transformadores 1. Sección del mando 2. Sección de control de poder 3. Sección de suministro de poder Tabla 7.1: 106 Comparación de controles de construcción complejos Sistemas y funciones de la mecatrónica 7.3.1 Minos Parte poder Los controles electroneumáticos y electrohidráulicos son prácticamente usados en la industria, con el fín de, por un lado, unir las ventajas de la electrotecnia, y por el otro, las de la hidráulica y la neumática. Por lo tanto, sólo estos tipos serán discutidos a partir de este punto. Definiciones: Electrohidráulica: La hidráulica en la industria significa la teoría de todos los procesos mecánicos, donde el movimiento y las fuerzas son transferidas mediante fluidos (dispositivos de accionamiento, dispositivos de control y sistemas de mando, donde el movimiento y la fuerza son generadas usando presión de fluidos. La combinación de componentes eléctricos (imanes, entre otros elementos) conduce a la electrohidráulica. Electroneumática: La neumática representa todos los usos de dispositivos neumáticos. Los dispositivos neumáticos incluyen máquinas y aparatos, los cuales operan usando aire comprimido o aire de succión. La unión de aparatos neumáticos con electrotécnicos (imanes) conduce a la electroneumática. Electrotecnia: La electrotecnia incluye todas las aplicaciones técnicas , las cuales usan propiedades de corriente eléctrica y campos eléctricos y magnéticos. La electrotecnia se puede subdividir dentro de las siguientes subsecciones: – Tecnología energética eléctrica, – Tecnología de comunicación, – Ingeniería eléctrica general, – Tecnología semiconductora y microelectrónica Los componentes de los controles de la neumática y la hidráulica son predominantemente operados usando energía eléctrica ( electromecánicamente o electrónicamente). Dentro del ámbito de la mecatrónica, los mandos eléctricos son importantes conectando elementos entre el equipo mecánico y eléctrico en máquinas de trabajo. La máquina eléctrica, como elemento de mando, juega un rol dominante en todos los campos económicos. Sus campos de uso incrementan permanentemente. La eficiencia del sistema es de una alta importancia para el usuario, al escoger un mando eléctrico. 107 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos La siguiente tabla representa una comparación fundamental de los sistemas : Electro-hidráulica Electro-neumática Conceptos en griego “hydor” significa agua en griego “pneuma” significa aliento Construcción del sistema consiste en componentes hidráulicos y eléctricos consiste en componentes neumáticos y eléctricos consiste en componentes eléctricos y electrónicos Movimientos y fuerzas de la forma hidráulica a la forma mecánica de la forma neumática a la forma mecánica de la forma eléctrica a la forma mecánica Señal de entrada y procesamiento utilizando componentes eléctricos y electrónicos utilizando componentes eléctricos y electrónicos utilizando componentes eléctricos y electrónicos Tabla 7.2: Electrotecnia Sistemas de comparación Diferentes medios de transferencia de energía son usados en la parte poder del control, dependiendo del tipo de sistema usado. Los requisitos de los medios de transferencia de energía en la hidráulica y neumática: En la hidráulica y neumática, los medios de transferencia de energía son medios de transferencia a presión. Todos los materiales que permitan tan siquiera una distribución de presión en todas las direcciones, debido a la habilidad de desplazamiento de las partículas del material y la deformación bajo la influencia de fuerzas externas, puede ser usado para transferir presión. La resistencia en contra del desplazamiento de las partículas del material es nombrada viscosidad. Un medio de transferencia de presión, el cual es capaz de guardar y transferir energía, es designado fuente de energía. Funciones de un medio de transferencia de energía: – – – – – 108 Transferencia de fuerzas (energía de presión), Lubricación de componentes en movimiento , Disipación del calor, Atenuación de ruidos y vibraciones, Transmisión de señales. Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos En la siguiente tabla se representan los medios de transferencia de energía en la electrohidráulica, electroneumática y electrotecnia. Electro-hidráulica Electro-neumática Electrotecnia Medio de transferencia de energía mezcla de aceite y fluidos de a base de agua, aceites minerales, aceites sintéticos (libres de agua, baja inflamabilidad gases ( el aire comprimido es la mezcla de gas más económica y de disponibilidad ilimitada) electrones Disponibilidad disponible el aire está disponible de forma ilimitada disponible Velocidades alcanzables alta, más baja que las velocidades en la neumática muy alta muy alta Disponibilidad de almacenaje posible de almacenar con perdidas puede ser muy bien almacenado es posible de almacenar pero con altas perdidas Disponibilidad de transporte posible en distancias cortas posible a través de distancias más grandes posible a través de distancias muy grandes Seguridad de sobrecarga seguro en sobrecarga seguro en sobrecarga no es seguro en sobrecarga Daño a la salud ninguna, cuando se consideran las instrucciones de seguridad ninguno ninguno, al considerar la instrucciones de seguridad que tienen que ver con el manejo de los dispositivos eléctricos Otros requerimientos separación de aire, cavitación, resistencia a bajas temperaturas, resistencia a la corrosión y a la erosión resistente a la corrosión y erosión Tabla 7.3: Las propiedades y requisitos de los medios de transferencia de energía 109 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos La tabla muestra las propiedades físicas de la electrohidráulica, electroneumática y electrotecnia: Propiedades del material Electro-hidráulica Electro-neumática Electrotecnia - posibilidad de baja densidad - comprensible (no cohesión) - muy limpio - baja compresibilidad - habilidad de almacenaje (energía potencial) - la viscosidad no debe de ser muy baja - dependencia de la temperatura apropiada de la viscosidad - buena resistencia al envejecimiento - baja inflamabilidad - buena compatibilidad de materiales - el volumen es dependiente de la temperatura - disoluble en agua (depende de su temperatura) - posible el transporte a largas distancias pero con grandes perdidas - disponibilidad de almacenaje costoso - viscosidad baja en dinámica - no inflamable y a prueba de explosiones - densidad muy baja - sano para el medioambiente, casi ningún daño a la salud - distribución equitativa de la presión en todas las direcciones Tabla 7.4: 110 Propiedades del material de los medios de transferencia de energía Sistemas y funciones de la mecatrónica 7.3.2 Minos Sección de empuje El siguiente ejemplo incluye una comparación de ventajas y desventajas de los elementos del motor primario lineal o rotativo en la neumática, hidráulica y en la electrotecnia, y representa sus principales campos de uso. Ejemplo Elaboración de un disco tambor cuerda Se deben taladrar 4 agujeros roscados en el disco tambor cuerda. Para ello se tiene que taladrar también un agujero liso para enroscar con un diámetro de 10.2 mm. Un agujero de prueba de 6 mm debe ser hecho previamente. De acuerdo con los cálculos, la elaboración requiere una fuerza cortadora de 2500 N y una fuerza de avance de 500 N por perforación. La frecuencia rotativa del taladro deberá ser de 750 r/min y 1450 r/min respectivamente. La ejecución máxima de cortado calculada a una velocidad de cortar de 0.5 m/s (750 r/min) promedia en 1.6 kW. Con el objetivo de apretar con seguridad el disco tambor cuerda mientras se taladra, se necesita de una fuerza de 1000 N. Las redes de aire comprimido con 7 bar y 11 bar están disponibles en la industria. El siguiente proceso se deberá llevar a cabo: 1. Apretando el disco tambor cuerda 2. Avanzando con taladro en una marcha rápida 3. Taladrando y trabajando el movimiento del taladro ( movimiento rotativo) 111 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los siguientes requisitos deberán ser cumplidos: Apretamiento: – La fuerza de apretamiento de 1000 N deberá ser aplicada con seguridad. – El posible monitoreo de la fuerza de apretamiento – Un seguro apretamiento debe ser garantizado en caso de una falla energética. – Debe ser posible un rápido apretamiento y una rápida liberación. Mando de avance: – – – – – – Movimiento de translación Fiabilidad de sobrecarga Habilidad del control de energía Uniforme y velocidad de carga independiente para el talonamiento. Fuerza de avance de 2000 N debe ser realizable. Es requerido el rápido cambio de movimiento rápido a movimiento de trabajo – Una velocidad de alimentación máxima de 0.5 m/s debe ser realizable. Trabajo de movimiento del taladro. – Movimiento rotatorio – Frecuencias rotatorias n = 750/1450 U/min – Pequeños y robustos diseños (a falta de espacio) en el lugar de elaboración. – Potencia de corte 1,6 kW Métodos de representación, símbolos gráficos y planos. Los símbolos gráficos son frecuentemente utilizados para una representación gráfica, parcialmente simplificada, de un dispositivo o una función en circuitos y esquemas de funciones, diagramas, tablas , dibujos o también en secciones operadoras de máquinas. Lo mismo puede ser aplicado a los diagramas información de flujo y diagramas funcional , como también para diagramas lógicos. En el DIN ISO 1219 los conceptos de símbolos gráficos o símbolos son usados para la hidráulica y neumática. Los diagramas también incluyen el plan de localización de unidad, el diagrama de función y una lista de dispositivos. 112 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Se puede diferenciar entre : – – – – – – Plan de emplazamiento, Diagrama funcional, Plan lógico, Plan de funciones o secuencias, Organigrama (diagrama de pasos sencillos) y Diseño de circuitos. Un método apropiado deberá ser elegido de acuerdo a la etapa de desarrollo de los sistemas de control. Con el fin de encontrar la solución más viable, un dibujo control con las funciones deseadas deberá ser implantado usando primeramente el plan de emplazamiento y la lista de requisitos. Plan de emplazamiento El plan de emplazamiento debe mostrar la posición de los elementos motor primarios en una máquina o en un dispositivo, y debe contener información concreta con respecto al tipo y localización de la instalación. El plan de emplazamiento debe ser claro y tener sólo la información más importante. Maquinado en el avance del taladro Maquinado durante el movimiento giratorio del taladro Movimiento de tensión Movimiento de tensión Figura 7.9: Plan de emplazamiento 113 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos a) Apretamiento Con el fin de alcanzar los objetivos de requerimientos técnicos, se deberá preparar una lista de las posibles soluciones a los problemas. La siguiente tabla representa la selección de dispositivos apropiados para el apretamiento del disco tambor cuerda. Requerimientos Electro-hidráulica Electro-neumática Electrotecnia Se tiene que suministrar de forma garantizada una fuerza de sujeción de 1000 N XX XX XX Monitoreo garantizado de la fuerza de sujeción XX XX XX X XX XX XX XX X más baja el electro magneto e hidráulica, ya que el suministro de energía neumática ya está presente altos costos, re quiere de un control de reversión de polos Sujeción y liberación rápida Sujeción garantizada en caso de un fallo de energía Costos Tabla 7.5: más baja al usar un electro magneto Requisitos para el apretamiento del disco tambor cuerda Apretamiento usando la hidráulica o la neumática En la hidráulica y en la neumática el apretamiento puede ser fácilmente realizado por medio de cilindros. La figura representa una posibilidad de apretamiento usando un cilindro hidráulico o neumático. Aquí se deberían tomar en consideración los diferentes valores de las fuerzas de apretamiento. Los cilindros manejan dos sujetadores de apriete por medio de un dispositivo de palanca. Los sujetadores aprietan la pieza de trabajo de ambos lados. Una posible fuerza de transmisión en el dispositivo de palanca no debe ser observada aquí. Los cálculos del diseño del cilindro son similares en la hidráulica y en la neumática. La fuerza de apretamiento generada Fs debe equivaler a 1000 N. En este caso, la presión esperada en la hidráulica equivale 70 bar, mientras que en la neumática sólo 6 bar. 114 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Cilindro hidráulico: p = Fs / A A = Fs / p A = 1000 N / 70 bar A = 1,43 cm2 El diámetro de pistón resultante equivale a d = 13.5 mm. Los cilindros hidráulicos típicamente pequeños tienen un diámetro de pisto de 25 mm, con un diámetro de biela de 12 mm. Este diseño puede ser usado aquí. Cilindro neumático A = Fs / p A = 1000 N / 6 bar A = 16,7 cm2 El diámetro de pisto de un cilindro equivale a 46.1 mm. Un cilindro con un pistón de diámetro de 50 mm puede ser usado en este caso. En el caso de que posiblemente la presión se disminuya o se espere la reducción del factor de eficiencia, las siguientes series más grandes deberán ser utilizadas. Disco del carrete Figura 7.10: Dispositivo de tensión autocentrada para la neumática o la hidráulica 115 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Fijar con electroimanes Debido a que el disco tambor cuerda está compuesto de acero moldeado es posible hacer una fijación por medio de un imán. Los sistemas de fijación con magnetos tienen las siguientes características: – Alta precisión, – Mínimo tiempo de preparación, – Una fuerza de fijación uniforme en toda la superficie, la cual previene el movimiento de las piezas. – Los imanes conectados permanecen fríos, – La fuerza adhesiva permanece presente, incluso en caso de fallo en la energía – Conciencia energética, el consumo de corriente dura durante un corto impulso y el valor de la conexión es realmente bajo. Por otra parte, los imanes deberán ser provistos con dispositivos de control con una polaridad reversible, la cual ajusta la fuerza de fijación requerida. Estos también se aseguran de que el magnetismo restante sea reducido lo máximo posible al invirtiendo la polaridad del campo magnético después de que la fijación del sistema se apague. Figura 7.11: 116 Electroimán usado para la fijación de piezas de trabajo Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Existen diferentes diseños de los sistemas de fijación con imán. En diseños redondos la superficie puede ser provista con ranuras centradoras, las cuales hacen el alineamiento de la pieza de trabajo mucho más sencilla. También pueden ser utilizadas las perforaciones centradoras. Las características de diseño de un sistema de fijación con imán : – La fuerza típica de retención de un sistema de fijación con imán equivale aproximadamente 100 N/cm2, – Protección del tipo IP 65, – Tiempo de trabajo (a tiempo) 100 %. El sistema está conectado a un dispositivo de control con una polaridad reversible con los siguientes datos: – Voltaje de la línea 230 o 380 V dependiendo del tamaño del imán, – Frecuencia de la red 50 Hz, la cual puede ser cambiada a 60 Hz, – La posibilidad de SPS conectable usando 24 V de tensión de señal, – La magnetización o des magnetización es llevada a cabo por medio de la presión de un botón o un interruptor, – Posibilidad de regulación de la retención de fuerza Disco del tambor Electroimán Figura 7.12: Dispositivo tensor con electroimanes 117 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Después de la representación de diferentes características de dispositivos de tensión, es ahora posible evaluar la comparación. La fijación puede ser representada por medio de : – Cilindros hidráulicos, – Cilindros neumáticos y –Electroimanes Los elementos de motor primario mencionados anteriormente, cumplen con los requisitos técnicos de las funciones de fijación. La ventaja de los electroimanes consiste en la simple manejabilidad sin la necesidad de dispositivos adicionales para la fijación del disco tambor cuerda. Por el contrario, los costes son relativamente altos, incluyendo el dispositivo de control requerido con polaridad reversible. Las ventajas para un cilindro neumático consisten en que el movimiento es rápido de fijar y la disponibilidad de suministrar el aire comprimido en la industria. Por lo tanto, los costes del suministro de energía pueden ser omitidos. Sin embargo, esto es sólo posible si la red provee suficiente aire comprimido para la fijación. La ventaja de un cilindro hidráulico es su conformidad para los requisitos completos. Sin embargo, para una relativamente baja fuerza de fijación de aproximadamente 1000 N es bastante usado un cilindro neumático, debido a los altos costes de compra y operación de un dispositivo hidráulico. El diseño y construcción de un dispositivo de sujeción puede exponer en contra del uso de los cilindros neumáticos e hidráulicos. La comparación muestra que hay muchas posibilidades de realizar la función de fijación. Cada una tiene ventajas y desventajas. Algunas veces, diferentes métodos pueden cumplir igualmente los requisitos. En el previo ejemplo, la disponibilidad del suministro de aire comprimido ha sido mencionada. Por lo tanto, un cilindro neumático debería ser elegido para el procedimiento de fijación. 118 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos b) Mando de avance Un mando de avance debe ser elegido para taladrar los agujeros lisos para la rosca M 12. El procedimiento de selección de dispositivos apropiados para el mando de avance esta representado en la siguiente tabla: Requerimientos Electro-hidráulica Electro-neumática Electrotecnia Movimiento de traslación XX XX XX Seguridad de sobrecarga XX XX - Se puede controlar eléctricamente XX XX XX Fuerza de alimentación F= 2000 N XX X - Velocidad de alimentación máxima XX X X Realización de movimientos rápidos y de trabajo XX (fácil de lograr) difícil - XX X X Operación libre de jerk Tabla 7.6: Requisitos del mando de avance La evaluación de esta comparación muestra que los mandos lineales hidráulicos son los más apropiados para usar en los mandos de avance. La continua mejora de los mandos lineales eléctricos les permitirá en el futuro ser usados como ejes de alimentación. Los mandos lineales eléctricos pueden ser perfectamente usados como ejes lineales en la elaboración de metales a gran velocidad. En este campo compiten con motores hidráulicos, los cuales no logran velocidades tan altas como 4 m/s. Sin embargo, en el ejemplo previo, un cilindro hidráulico debe ser usado, porque corresponde a todos los requisitos. 119 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica El cálculo de los parámetros de construcción de un cilindro hidráulico es similar al cálculo de un cilindro usado para ajustar las piezas de trabajo. Aquí, el eficiente factor del empuje no será considerado. Se requieren 2000 N para la fuerza de tensión Fv . La presión esperada en la hidráulica equivale a 70 bar, igual que al tensar. Debe ser también probado si la presión de 160 bar puede ser preferentemente usada o no. Un cilindro hidráulico a una presión de 70 bar: p = Fv / A A = Fv / p A = 2000 N / 70 bar A = 2,86 cm2 El diámetro resultado del pistón es de d = 19,1 mm. Los pequeños, típicos cilindros hidráulicos tienen un diámetro de 25 mm y una biela de 12 mm. Este tipo de cilindro puede ser usado. No hay necesidad de incrementar la presión a 160 bar. 120 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos c) Propulsión de taladro Para las perforaciones se deberá usar una propulsión de taladro adecuada. Los siguientes motores pueden ser adecuados para producir el trabajo en movimiento rotatorio. – Motores de aire comprimido, – Motores hidráulicos y – Motores eléctricos. En la siguiente tabla se presenta un procedimiento de selección de transmisiones apropiadas para el taladro: Requerimientos Electro-hidráulica Electro-neumática Electrotecnia Movimientos de rotación XX XX XX realizable con una válvula de control de flujo realizable pero dependiente de la carga realizable con una transmisión mostrar diagrama mostrar diagrama mostrar diagrama X mostrar cálculo X mostrar cálculo X mostrar cálculo XX XX realizable con una transmisión XX XX solo con el equipo de protección correspondiente Frecuencia de rotación del taladro ajustables a n 1 =750 r/min y n 2 = 1450 r/min Par M 1 = 10 Nm y M 2 = 20 Nm Actuación de corte P= 1.6 kW Marco de montaje pequeño en el lado de operación Seguridad de sobrecarga Tabla 7.7: Requisitos de la transmisión de taladro Con el objetivo de seleccionar el tipo de transmisión de taladro más adecuado, las características de diferentes elementos de transmisión rotatoria se deberán comparar entre sí. 121 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los motores hidráulicos pueden ser examinados de acuerdo a diferentes criterios. Al clasificar los motores hidráulicos de acuerdo a la frecuencia rotativa, traen como consecuencia tres categorías importantes: rotores lentos, rotores de velocidad media y rotores de alta velocidad. Los rotores lentos están diseñados para generar altos valores de torque , incluso en frecuencias racionalmente bajas sin la necesidad de conectar transmisores extras. Esto no es requerido en nuestro ejemplo. Los siguientes motores hidráulicos están representados en la figura de abajo: 1 2 3 4 5 6 7 motor de pistón axial con eje principal derecho, motor de pistón axial con eje principal horcado, motor de pistón radial con desplazamiento interno, motor de pistón radial con desplazamiento externo, motor de ruedas dentadas, motor de paletas motor gerotor. El rango de frecuencia rotativa requerida se encuentra entre frecuencias medianas y altas. Para esto son apropiados los motores 1, 2, 3, 5 y 6. Los motores de pistón radial con desplazamiento interno y los gerotores no son apropiados. Número de revoluciones n min-1 0 750 10 50 100 500 1450 1000 2000 3000 4000 1 2 3 4 5 6 7 Rotor lento Figura 7.13: 122 Motores de rotación media Motores de rotación rápida Clasificación de motores hidráulicos de acuerdo a la frecuencia rotacional Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos En la siguiente imagen se representará la clasificación de los motores hidráulicos, de acuerdo con los valores de giro. Las cifras indican los mismos tipos de motores que en la imagen con la clasificación de la frecuencia rotativa. Para los momentos de torsión de 10 y 20 Nm son apropiados los motores de paletas y los motores de ruedas dentadas. La aplicabilidad de estos motores para nuestro ejemplo tiene que ser evaluada. Para este uso es seleccionado un motor de celdas de ala de 2 kW. Las curvas características para este motor, son representadas mas adelante en una figura. Los siguientes valores resultan para cada caso de operación: Frecuencia rotativa: Momento de giro: Presión: Caudal volumétrico: 750 U/min 20 Nm 120 bar 10 l/min Frecuencia rotativa: Momento de giro: Presión: Caudal volumétrico: 1450 U/min 10 Nm 60 bar 20 l/min Velocidad de torque Mn Nm 0 100 500 1000 5 000 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 1 2 3 4 5 6 7 10 - 20 Nm Figura 7.14: Clasificación de motores hidráulicos de acuerdo a los valores del momento de giro 123 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Para el cambio del motor de ruedas dentadas es requerida una válvula de control de presión, para el ajuste cada valor de presión. Las válvulas de control de flujo son utilizadas para ajustar los volúmenes de valores de flujo. Los gastos del circuito resultante son muy altos. También es posible usar una válvula de control proporcional de presión, en lugar de las válvulas de control de presión, y una válvula control de dirección proporcional en lugar de una válvula de control de flujo. Esta es una solución muy buena, pero debido a la electrónica de control relacionado, ésta es incluso más cara que la anterior. Una posibilidad adicional es el usar un motor de paletas. Este tipo de motor puede ser usado como un motor hidráulico regulable o no regulable. Sin embargo, este tipo de motores son usualmente manufacturados con un constante avance de vuelta, y muy raras veces con avances por vuelta variables. Estos son apropiados principalmente para altos momentos de giro. Para nuestro ejemplo estas propulsiones pueden ser utilizadas, pero los costos de implementación serán muy altos. Mab Nm 6,5 35 10 15 20 25 dm3/min 35 30 40 20 20 18 16 25 14 20 12 10 15 8 10 6 5 4 2 0 500 1 000 1 500 2 000 nab Figura 7.15: 124 2 500 3 000 min-1 Curvas de característica operacional de un motor de ruedas dentadas p = const. MPa Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los motores neumáticos pueden también generar movimientos rotatorios. Los motores neumáticos incluyen los siguientes tipos: – Motores de pistón radial, – Motores de pitón axial, – Motores de lámina. Junto con los motores de aire comprimido, los motores de lámina, en su mayoría, cumplen con los requerimientos objetivos del ejemplo. Estos motores tiene un campo de poder desde 0,1 hasta 15 kW. Estos motores tienen un número de revoluciones en régimen de marcha sin carga entre 1000 y 50 000 U/min. Para nuestro caso, seleccionamos un motor de aire comprimido del diseño de lámina. kW Nm l/s 3.5 28 140 3.0 24 120 2.5 20 100 2.0 16 80 1.5 60 1.0 12 10 8 0.5 4 20 40 0 Figura 7.16: 2000 750 1450 4000 6000 U/min Diagrama de potencia en una sobre presión de servicio de 6,3 bar 125 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El motor de aire comprimido es una de las más robustas y polifacéticas propulsiones. Éste puede ser regulado dentro de un amplio rango de ajuste. El poder puede ser fácilmente modificado por medio de una simple regulación de la provisión de aire , con ayuda de una válvula de estrangulación, o una válvula controladora de presión. Los motores de aire comprimido trabajan de una forma muy segura hasta la linea punteada que se encuentra en la imagen de abajo. Para el ejemplo, es posible usar dos válvulas de estrangulación conectadas, o una válvula de control de presión y una válvula de estrangulación; y para la segunda frecuencia rotativo, debe de ser conectada por separado, una válvula de estrangulación. Una mejor solución consiste en la pre conexión y la combinación de un motor de lámina- aire comprimido y una transmisión. % 100 Torque ni 50 20 10 Figura 7.17: 126 30 100 Número de revoluciones ni Rango operacional de un motor de aire comprimido % Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Una tercera posibilidad para la propulsión de taladro es un electromotor . Con el fin de realizar dos frecuencias rotativas, se puede utilizar un motor reversible de polos con un claqueado sinuoso. Sin embargo, este motor es muy caro y tiene un gran tamaño. Por lo tanto, es más razonable usar un motor trifásico asincrónico con una transmisión para implementar el objetivo y realizar las dos frecuencias rotatorias. Esta es la solución más apropiada para nuestro ejemplo. Después de observar las tres diferentes propulsiones por separado, se tiene que hacer una comparación. La propulsión más apropiada del taladro es el motor eléctrico asincrónico. Éste tiene que estar equipado con una transmisión con el fin de poder realizar ambas frecuencias rotatorias. La propulsión principal tiene que ser operada a frecuencias rotativas severamente ajustadas definitivamente, y para ello, será mejor usar una variación discontinua de velocidades. La realización de frecuencias de rotaciones múltiples es también posible usando una transmisión pre conectada. Si sólo se requieren dos frecuencias, puede ser utilizado con motor de polos reversible. El tamaño de este motor es considerablemente mas grande y costoso que un motor asincrónico con una transmisión. En el campo de la mecatrónica no existen los límites entre formas de energía simple. Para poder lograr el uso óptimo de diferentes formas de energía, se utilizan diferentes combinaciones de estas formas. Por ejemplo, los sistemas electrohidráulicos y la electroneumáticos son frecuentemente utilizados. En una unidad de alimentación de taladro, por ejemplo, un eje de alimentación hidráulico puede ser unido con un motor neumático de paletas de aire comprimido, por medio de un engranaje planetario. En este caso tenemos una combinación de hidráulica y mecánica con mecánica, al igual que electrotecnia para propósitos de control. 127 Minos 7.3.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Elementos de señal, control y acción Un sistema de control está subdividido en parte poder y parte señal control. La parte poder incluye la sección de propulsión, la sección del control de energía (elementos de acción y control) y la sección de suministro de energía. La parte señal incluye los bloques de función de la entrada de señal, procesamiento de señal con el suministro de control poder, y la salida de señal. La función actual de un control es hecha en la señal o el procesamiento de información. El objetivo de un sistema de control es recibir una o mas señales, con el fin de evaluar la información de acuerdo a los programas dados, y generar la salida de señales después de todo. La selección de elementos de motor primario para la sección de propulsión ya está completada. Un cilindro neumático es usado para fijar, mientras un cilindro hidráulico es seleccionado para alimentar. La propulsión de rotación es implementada usando un electromotor. Cada forma de energía deberá ser formalmente controlada. Esto será hecho en la sección de control de energía, por medio de los elementos de control y acción. Los elementos de acción son requeridos para la operación de los elementos de propulsión. Los objetivos de estos elementos en la fluídica son el influenciar la dirección del medio de transferencia de la energía hidráulica o neumática. Ambos cilindros de doble acción deben ser accionados por medio de válvulas distribuidoras de posiciones prefijadas. En la neumática 5/2válvulas distribuidoras de posiciones prefijadas son usadas cuando no se requiere la posición media de bloqueo. La propulsión hidráulica debe ser usada para implementar el mando de avance. Una válvula distribuidora de 4/3 es usada para accionar el cilindro hidráulico de doble acción. El control del electromotor es realizado por medio de un relé o un puntero. La correcta elección y designación de válvulas y relés puede ser hecha sólo después del desarrollo del diseño de circuitos. 128 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos La sección de control de señal contiene dispositivos para la entrada y transmisión de señales, tales como: – Dispositivos de comando (contactos de trabajo eléctricos, contactos ruptores y contos inversores, 3/2- válvula distribuidora de posiciones prefijadas operada neumáticamente como elementos de señal), – Sensores (sensores de proximidad), – Convertidor de entradas (interruptores hidráulicos y neumáticos), – Avisadores (ópticos, acústicos). El procesamiento de señal representa el control del sistema actual. Éste incluye el programa o el software, el cual determina las funciones del control complejo. Todos los sistemas de control son programables. Esto incluye los controles de lógica y conexiones programables. Un control de la conexión programada / UN SISTEMA DE CONTROL CABLEADO (WPS) tiene las siguientes ventajas : – – – – – – Robusto, Alta invulnerabilidad de perturbación, Extendido y bien conocido, Eficacia conocida, El más económico de todos los sistemas pequeños, Hasta 8 relés de mismo costo-efectividad que el SPS. Por otra parte el VPS tiene las siguientes desventajas: – Necesita mucho espacio, – Sólo se pueden procesar funciones binarias, – El programa esta fijo. Cambios son sólo posibles al usar nuevos cableados o cambiando los anteriores, – Desarrollo y producción muy costosos, – Se requiere un mantenimiento intensivo debido a la abrasión, – Altos costes a grandes capacidades de programa. La lógica del controlador (SPS) tiene las siguientes ventajas: – – – – – – – – Puede ser fácilmente reemplazado con la técnica de inserción, Gran fiabilidad debido a los elementos construcción sin contacto, Los controles del objetivo pueden ser fácilmente modificados, Baja demanda de espacio, Es posible la documentación, Es posible la prueba del programa, Posibilidad de monitorear la secuencia de control, El estado del proceso de elaboración es observable. Sin embargo, el SPS también tiene desventajas: – Altos costes de inicio, – Altos costes de los dispositivos de programación requeridos. 129 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica La selección de los elementos de control también se lleva a cabo después de la finalización del diagrama de conexiones y la documentación relacionada. Se pueden indicar las siguientes funciones: - los elementos de control utilizados para bloquear ciertas direcciones. - los elementos de control que influencian el volumen de corriente - válvulas de control de presión y variadores (elementos de seguridad eléctrica) Lo elementos de señal identifican el movimiento mecánico de los elementos de mando y lo transforman en señales , las cuales pueden ser procesadas por el sistema de control. La actuación mecánica se transforma frecuentemente en señales eléctricas. Hay diferentes elementos de señal que tienen las siguientes características: Interruptores de locación mecánica: - precisión del punto de cambio de hasta 0.001 mm - tiempo de vida: 10 millones de ciclos de cambio - trabajo con contracción, lo cual causa erosión Interruptores de proximidad reed: - precisión de cambio: ± 0.1 mmar - tiempo de vida: 5 millones de ciclos de cambio - trabajo con contracción, lo cual causa erosión Interruptores de proximidad inductiva: - Solo se pueden detectar materiales conductores - Distancia de cambio: típica 0.8…10 mm, máxima hasta 250 mm - más económicos que los interruptores de proximidad capacitiva - operación si contacto Interruptores de proximidad capacitiva: - apropiado para todos los materiales con una constante dieléctrica > 1 - distancia de cambio: típica 5…20 mm, máxima hasta 60 mm - operación sin contacto 130 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Antes que nada, cada uno de los tres conductores en el ejemplo debe de ser considerado individualmente. El cilindro neumático de sujeción es accionado por medio de una válvula de control direccional accionada manualmente. No hay necesidad de utilizar un interruptor de posición final, ya que el operador comenzará la alimentación solo después de que el proceso de sujeción se haya completado. El control de la presión de sujeción se realiza por medio de una válvula de secuencia, la cual se activa solo después de que la presión sea lo suficientemente alta. El cilindro hidráulico también es accionado para la alimentación utilizando una válvula de control direccional manual. Como en el cilindro de sujeción, no hay necesidad de interruptores en la posición final. En accionamiento de la entrada hacia la alimentación de trabajo, se lleva a cabo por medio de la válvula de control direccional, la cual está proporcionada con un rollo seguidor que es accionado por el cilindro que sale. El mando eléctrico para el taladro se activa y desactiva por medio de botones o interruptores. Finalmente, el proceso completo debe de ser combinado en un sistema de control complejo. Por lo tanto, la parte de la señal debe de ser suministrada con un control utilizando a PLC ( Controlador Lógico Programable). Las señales de entrada del PLC deben ser hechas por medio de interruptores de proximidad e interruptores eléctricos. Una de las señales de entrada se genera por medio de una válvula de presión, la cual controla la presión de sujeción. Las señales de salida del PLC son utilizadas para operar los electro magnetos de las válvulas y para cambiar los relés de mando eléctrico del taladro. 131 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Los siguientes sensores son seleccionados para el ejemplo: Los interruptores de proximidad reed son utilizados para el cilindro neumático. A continuación se enlistan argumentos a favor de los interruptores de proximidad reed: - Uso típico para la señalización de las posiciones finales del cilindro - Es el interruptor que se utiliza con más frecuencia para indizar la posición final del cilindro. - Fiable y seguro - Puede ser bien integrado en el sistema - Cumple con todos los requerimientos del sistema El cilindro hidráulico requiere además de los interruptores de la posición final un tercer interruptor para cambiar la entrada a la alimentación de trabajo. Los interruptores de proximidad inductiva son utilizados por cada uno de los tres sensores. Los interruptores de proximidad inductiva corresponden a los siguientes requerimientos: - El uso de interruptores reed es imposible debido al tubo de acero de cilindro, el cual debilita altamente el campo magnético. - Apropiado para el escaneo de la posición final del cilindro - Fiable y seguro - Más económico que los interruptores de proximidad capacitiva. 132 Sistemas y funciones de la mecatrónica 8 Desarrollo de un sistema completo mecatrónico 8.1 Componentes selectivos Minos Los elementos apropiados de la transmisión deben de ser seleccionados de acuerdo a los requerimientos del objetivo antes de crear la documentación del acoplador para un control complejo. Esto se hace comparando el subsistema neumático, el hidráulico y el eléctrico. Es muy difícil encontrar una solución optima para una cierta aplicación, ya que lo campos de uso y los parámetros técnicos coinciden en muchos casos. También se sabe , que en la práctica se requieren de muchos compromisos para lograr cierta función. Para el ejemplo se eligieron las siguientes transmisiones Un cilindro neumático de trabajo fue elegido como un elemento de transmisión apropiado para la función de sujeción. Un cilindro hidráulico de trabajo fue elegido como la transmisión de alimentación más apropiada. Un electromotor con una transmisión fue elegido como el más apropiado para la transmisión del taladro, ya que este debe de realizar dos frecuencias diferentes de acuerdo con la lista de requerimientos. Un control lógico programable se eligió para la realización del sistema de control complejo. Los interruptores de cilindro si contacto con contactos reed fueron seleccionados para la detección de la posición final en el cilindro neumático, mientras que para el cilindro hidráulico se eligieron interruptores inductivos de proximidad. También es posible utilizar interruptores de posición mecánica para ambos cilindros, sin embargo es mejor que no sean utilizados debido al método de operación de contacto. Además, un interruptor de presión puede ser utilizado para detectar si los cilindros de sujeción aplican suficiente fuerza de sujeción. 133 Minos 8.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Recursos para el desarrollo de controles complejos El objetivo ahora es desarrollar el diagrama de acoplador para el control complejo. Aquí es importante clasificar el procedimiento en pasos de operación e implementarlos uno tras el otro. Ante todo se deben atender algunas consideraciones iniciales. Se pueden utilizar diferentes métodos de representaciones suplementarias con el fin de mantener el mismo objetivo en general. Para logra un mejor entendimiento entre expertos, administradores e ingenieros de los diferentes sectores que trabajan en un proyecto, se deben de utilizar graficas de símbolos comunes y planes como una representación de métodos suplementaria. Después, el objetivo se puede convertir en diagramas de acoplador del sistema de control. Luego de que se hayan creado los diagramas de acoplador, el dispositivo puede ser creado. Los componentes de construcción independientes de un dispositivo deben de ser indicados con los mismo símbolos utilizados en el diagrama. El último paso es la puesta de servicio de los sistemas de control. Cualquier cambio hecho al control durante este estado debe de ser registrado en la documentación. Tareas de control 1. Paso Consideraciones preliminares 2. Paso Traslado teórico 3. Paso Construcción del dispositivo 4. Paso Prueba del dispositivo y evaluación de resultados Conclusiones Figura 8.1: Método para el desarrollo de los controles 134 8.2.1 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Plan de emplazamiento El plan de emplazamiento muestra la posición de los elementos de la transmisión en una máquina o un dispositivo, y suministra información definitiva acerca del tipo de ensamblaje. El plan de emplazamiento debe de ser claro y contener solo la información más importante. Las posiciones de los interruptores de los cilindros singulares no están representadas en el plan de emplazamiento. Esta información es proporcionada en forma escrita: B1 transportado hacia adentro en posición final del cilindro neumático 1A transportado hacia fuera en posición final del cilindro neumático B2 1A B3 transportado hacia adentro en la posición final del cilindro hidráulico 2A B4 cambio de posición de movimiento rápido a movimiento operacional B5 transportado hacia fuera en la posición final del cilindro hidráulico 2ª Las indicaciones de interruptores eléctricos deben de ser previamente acordadas: S0 S2 S3 interruptor de inicio botón para la frecuencia n1 Botón para la frecuencia n2 Maquinado: Avance de taladro con cilindro hidraúlico 2A y B3, B4 y B5 Maquinado: Movimiento giratorio del taladro Motor E M1 Movimiento de tensión: Cilindro neumático 1A con B1 y B2 Figura 8.2: Plan de emplazamiento para el tratamiento de la arandela del tambor 135 Minos 8.2.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Diagrama de flujo El diagrama de flujo muestra la relación funcional entre los procedimientos parciales, los cuales forman la realización consiguiente del programa. Todos los caminos posibles de una secuencia de programa están representados en el diagrama de flujo. Los símbolos gráficos utilizados en los diagramas de flujo están determinados en el DIN 66 001. El diagrama de flujo también se conoce como secuencia de programa. El diagrama de flujo para el ejemplo previo consiste de los siguientes pasos: Si la frecuencia n1 (botón S2) o n2 (botón S3) es selec1.Paso: cionado, las condiciones del inicio que han completado. 2.Paso: Si la frecuencia de selección previa es hecha y el interruptor de inicio S1 está activado , entonces el cilindro de sujeción 1A puede moverse hacia fuera. 3.Paso: Si el sensor B2 está activado , el cilindro de alimentación 2A debe de moverse en el modo de velocidad rápida y la transmisión de taladro M1 debe de ser activada. 4.Paso: Si el sensor B4 es activado, el cilindro de alimentación 2A debe de ser cambiado a la posición de trabajo. 5.Paso: Si el sensor B5 es activado, el cilindro de alimentación 2A debe de regresar a su posición final y el motor de taladro M1 debe de ser desactivado. 6.Paso: Después de que el cilindro de alimentación 2A se ha llevado hacia adentro, este activa el sensor B3. El cilindro de sujeción 1A debe de regresar a su posición de inicio. 7.Paso: Cuando el cilindro de sujeción 1A Alcanza su posición final, este actívale sensor B1, el cual termina el programa. Al usar dos botones separados para la selección de frecuencia puede pasar que ambos botones se activen al mismo tiempo; este caso no fue considerado en el ejemplo. Más adelante , durante la creación de diagramas de conexión, la selección de una sola frecuencia se debe de permitir. 136 Sistemas y funciones de la mecatrónica Comienzo S2 + S3 = 1 Preselección número de revoluciones Minos 1 No 2A + Movimiento de trabajo Si No B5 = 1 No S1 = 1 Si Si 2A Ð, M1 Ð Reversa de elevador, Motor apagado 1A + Sujetar No B3 = 1 No B2 = 1 Si Si 1A Ð Ajustar elevador de reversa 2A +, M1 + Elevador, Motor activado No B1 = 1 No B4 = 1 Si si 1 Final Figura 8.3: Diagrama de flujo 137 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica La descripción del transcurso también puede ser descrito también de forma algebraica. Aquí, se utilizan los símbolos normales para las combinaciones lógicas. El punto indica las combinaciones de conjunción, mientras que el símbolo de más indica las combinaciones de disyunción. Al final de la fila se muestra qué sensor indica la operación hecha. 8.2.3 1.Paso: S2 + S3 = x 2.Paso: x • S1 = A1 + → B2 3.Paso: B2 = 2A marcha rápida • M1 + → B4 4.Paso: B4 = 2A movimiento de trabajo → B5 5.Paso: B5 = 2A – • M1 – → B3 6.Paso: B3 = 1A – → B1 7.Paso: B1 = programa finaliza Diagrama lógico El diagrama lógico provee información clara con respecto las combinaciones, relaciones y flujos de señales en un control , independientemente del diseño del control o de las técnicas utilizadas. Sin embargo, el diagrama lógico no describe el diseño técnico de un control. Las conectivas lógicas conjunción, disyunción y negación son utilizadas. Las señales son almacenadas por medio de biestables. Las reglas del álgebra booleana se aplican aquí. Por ello, el diagrama lógico es un diagrama de flujo con símbolos de gráfica para las combinaciones y memorias, donde las líneas de acción están representadas con flechas. Los símbolos gráficos para las funciones lógicas y elementos binarios están determinados en el EN 6617-12. Muchos desarrolladores no utilizan las tablas de combinación con controles simples. Ellos prefieren el diagrama lógico con los símbolos de combinación respectivos . Por ello, el diagrama provee un mejor entendimiento entre electricistas , expertos y trabajadores en el campo de la neumática y la hidráulica . 138 Sistemas y funciones de la mecatrónica S2 >=1 Minos & S3 S S1 Comienzo B2 1A B3 R B2 S B5 R 2A Marcha rápida & S B4 B5 R B2 S 2A Proceso de trabajo M1 B5 R Figura 8.4: Diagrama lógico 8.2.4. Plan de funciones El plan de funciones es muy similar al secuencial función plan, el lenguaje de programación PLC. Este consiste en una secuencia de pasos de varios pasos. Una o más acciones pueden ser asignadas a cada paso. El primer paso es indicado de forma específica. Siempre hay solo un paso con su acción activa durante la operación. Las acciones, que deben ser activadas por varios pasos, deben de ser iniciadas y posteriormente nuevamente reiniciadas. El cambio al siguiente paso es hecho de acuerdo a las condiciones de transición entre ambos pasos. El plan de funciones permite representar los procedimientos de control de una forma muy compacta. Ambas representaciones, aproximadas y exactas, de la estructura de control son posibles. En Alemania ,el plan de funciones determinado por el DIN 40 719 fue reemplazado en el año 2005 con el estándar Grafcet de acuerdo con el EN 60848. 139 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 1 Preselección del número de revoluciones S2 + S3 2 S1 B2 B4 M1 : = 1 B5 Elevación de trabajo Posición final de la elevación de trabajo Y2 : = 0 6 B3 M1 : = 0 B1 Reversa del elevador y motor apagado Cilindro de alimentación replegado Y1 : = 0 7 Acelerador de elevador y motor activado Elevación a tope Y3 5 140 Tensar Pieza tensada Y2 : = 1 4 Figura 8.5: Grafcet Perilla de activación Y1 : = 1 3 8 Indicador del número de revoluciones activado H1 : = 1 Reversa del cilindro de sujección Cilindro de sujección replegado H1 : = 0 Re-inicializacion de la preselección del número de revoluciones. 8.2.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Diagrama de función El diagrama de función representa usualmente un diagrama de estado. Los diagramas de pasos de camino o diagramas de paso de tiempo también son clasificados como diagramas de función. Los diagramas de pasos de camino utilizan líneas para representar el movimiento del elemento de transmisión. Estos diagramas son apropiados solo para funciones simples, tales como la secuencia de movimiento de uno o más cilindros. La secuencia funcional de la función es subdividida en pasos simples en el diagrama de pasos de camino. El estado cambia de un comienzo de componente construccional y termina en las líneas auxiliares del trama. Esta escala de tiempo puede ser fijada de forma paralela a la división de paso. Por consecuencia, esta escala no es lineal. El estado de indicación se coloca en las líneas horizontales del trama. Por ejemplo, es estado 0 del cilindro 1A significa que la biela está retractada. El la biela extendida está indicada con el estado 1. Por otro lado, el los diagramas de camino de tiempo las líneas auxiliares están representadas en intervalos similares. Por ello, la velocidad del cilindro está claramente representada con brusquedad de los estados de cambio. 1 2 3 4 5 Paso 1 1A 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Tiempo (s) 1 1A 0 Figura 8.6: Diagrama de paso de camino o diagrama de paso de tiempo 141 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Los diagramas de función representan las secuencias funcionales de un o más unidades operativas y las combinaciones de control-técnicas de los componentes construccionales relacionados. Una coordinación representa el estado, por ejemplo el camino, la presión, el ángulo o la frecuencia. Los pasos están representados en la otra coordinada. Aquí, el tiempo puede ser representado. En este caso, la representación no está unida algún caso. Las líneas de función indican el estado de una línea estructural o un elemento durante la secuencia de operación. La posición de reposo está indicada con una línea delgada. Todos los estados que difieren del estado de reposo están representados con una línea ancha. Las líneas de función de un cilindro están representadas con líneas biseladas entre dos pasos. Esto representa la duración de la operación del cilindro. El cambio de las válvulas de control direccional y los electromotores se representa con líneas de función verticales. Las relaciones entre diferentes unidades de operación o elementos de construcción están señaladas utilizando líneas de señal. Las líneas de señal juntan las líneas de función . Las flechas muestran la dirección de la acción de las señales. Línea de Señal Encendido Apagado Ramificación de señal Encendido Apagado Teclear Condición “O” Encendido automático Desconexión por peligro 3 E Condición “Y” A 2 4 1 5 Interruptor selector Figura 8.7: Líneas de señal y la selección de símbolos gráficos en los diagramas de funcionamiento 142 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Los puntos de las líneas de función simbolizan los botones de límite. No deben de ser necesariamente colocados al final de la línea de función. También pueden ser activados a través de un camino más largo. La combinación de disyunción puede también ser indicadas utilizando puntos, mientras que las combinaciones de conjunción están simbolizadas con barras. En la figura los elementos de señal S2 y S3 están combinados con un control de disyunción. El control se inicia por medio del botón S0. La selección previa de la frecuencia está combinada con la señal de inicio utilizando un control de conjunción. Si se cumple con las condiciones de inicio el cilindro de sujeción saldrá. Después de llegar a su posición final, este activa el interruptor B2 del cilindro, el cual activa el movimiento rápido del cilindro de alimentación y el motor de taladro. El cambio de la velocidad de movimiento rápido a la velocidad de movimiento de trabajo se puede reconocer se puede reconocer en la acodadura de la línea de función. Después de que el cilindro de alimentación llega a su posición final, el motor de taladro se desactivará y la carrera de retorno del cilindro de alimentación se accionará. Cuando el cilindro de alimentación regresa a su posición final de entrada, el cilindro de sujeción también entrará. Por lo tanto, la posición de entrada se alcanza nuevamente. Figura 8.8: Diagrama de función 143 Minos 8.2.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica Diagrama de conexión El diagrama de conexión (esquema básico) o de combinación es utilizado para representar a todos los dispositivos, líneas de conexión y las conexiones de sistemas de control. Es uno de los medios de comprensión entre técnicos. El DIN ISO 1219 contiene los símbolos gráficos más utilizados para los dispositivos hidráulicos y neumáticos o elementos de construcción. Listas de dispositivos son utilizadas adicionalmente para circuitos extensos. Partes diferentes del EN 610282 contienen los estándares más importantes y símbolos para la electrotecnia. La interconexión y los diagramas de cableado también son de alta importancia para la electrotecnia, la hidráulica y la neumática. La información contenida sobre el cableado dentro de un dispositivo, entre dispositivos y partes de equipo, y entre elementos de entrada y de salida, los cuales están montados en diferentes lugares en una máquina o un dispositivo. Antes de la creación de los diagramas de conexiones simples para el ejemplo, los componentes seleccionados deben de ser determinados. Un cilindro de trabajo neumático de doble acción se utiliza como un elemento de acción para la sujeción del tambor de cable disco. Este corresponde a los siguientes requerimientos: - - Movimiento traslación La fuerza de sujeción se aplica de una forma segura Una 5/3-válvula de control direccional es utilizada como elemento de actuación. Este corresponde a los siguientes requerimientos: - Sujeción y liberación segura - Sujeción segura en caso de una falla de energía por medio del bloqueo de la posición media Una válvula de no retorno de estrangulación (La entidad de presión del acelerador Cla GM)se utiliza como un elemento de control. Este corresponde a los siguientes requerimientos: - movimiento de sujeción uniforme Dos 3/2- válvulas de control direccional son requeridos como elementos de señal para operar las 5/3- válvulas de control direccional. Estas válvulas operan manualmente y regresan por medio de muelles. 144 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Un recurso de aire comprimido con una unidad de mantenimiento se utiliza para preparar y generar energía. Además, se requiere de equipo de monitoreo y de indicación . Esto incluye y una válvula de secuencia de presión y un manómetro. Este corresponde a los siguientes requerimientos: - El monitoreo de la fuerza de sujeción Un cilindro de trabajo hidráulico de doble acción se utiliza como elemento de accionamiento para el mando de alimentación del tambor de cable de disco. Este corresponde a los siguientes requerimientos: - - - - Movimiento de traslación Fuerza de alimentación de 2000 N Seguridad de sobrecarga Velocidad máxima de alimentación de 0,5 m/s Una 4/3 válvula de control direccional operada manualmente se utiliza como elemento de actuación para operar el cilindro. Este corresponde a los siguientes requerimiento: - Habilidad para ajustarse al moviendo rápido Cilindro de doble acción 5/3-Válvula direccional válvula de retención con paso calibrado 3/2-Válvula direccional Fuente de presión con unidad de mantenimiento Manómetro válvula de conexión por presión Figura 8.9: Símbolos de componentes neumáticos 145 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Una válvula de control de doble dirección se utiliza como un elemento de control. Se utiliza para ajustar la velocidad del movimiento en trabajo. Este corresponde al siguiente requerimiento: - Velocidad uniforme y dependiente de la carga durante el proceso de recorte Una 2/2 válvula de control direccional se requiere como un elemento de señal para activar la velocidad del cilindro de un movimiento rápido a el movimiento de trabajo. Esta válvula de control direccional se activa por medio del cilindro utilizando un rollo seguidor. Un agregado hidráulico se utiliza para la preparación y generación de energía. Este contiene por dentro una válvula de control de presión y un filtro. La bomba hidráulica se opera por medio de un electromotor. Además, una gran cantidad de manómetros son utilizados como dispositivos de monitoreo y de indicación. Cilindro de doble acción Válvula reguladora de corriente 4/3-Válvula direccional 2/2-Válvula direccional M Manómetro Figura 8.10: 146 Símbolos de los componentes hidráulicos Unidad de poder hidráulica Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Para el movimiento de trabajo del taladro se utiliza un electromotor como elemento de propulsión. A éste le corresponden los siguientes requerimientos: - movimiento rotacional - frecuencia ajustable - función de corte de 1.6 kW. Un elemento final de control se utiliza como un elemento de actuación. A éste le corresponden los siguientes requerimientos: - Ajuste de ambas frecuencias n1 y n2 El equipo de seguridad también es requerido en el circuito electrónico. Un relé con protección térmica se utiliza en este caso. A este le corresponden los siguientes requerimientos: - Protección en contra de corrientes muy altas Además, se necesita una protección automática para las tres fases del poder eléctrico. El poder eléctrico, en sí, es generado fuera de la máquina. Este es tomado de la red de suministro de poder de tres fases. 1 3 5 2 4 6 K1 PE 1U 1V 1W Contactor 1 3 5 97 95 2 4 6 98 96 M 3÷ 2U 2V 2W Motor eléctrico F1 3/N/PE ~ 50 Hz 400/230 V Relevador protector de temperatura L1 L2 L1 L2 L3 L3 N F0 Dispositivos de seguridad Figura 8.11: PE Corriente trifásica Símbolos de los componentes eléctricos 147 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos 8.3 Desarrollo de un esquema básico para sistemas de control complejos Con el fin del crear un sistema de control complejo, primero es necesario subdividirlo en subsistemas. Los subsistemas que son operados utilizando el mismo suministro de energía, debe de ser considerado de forma colectiva al crear los diagramas de conexión. La sujeción en el ejemplo es llevada a cabo utilizando componentes neumáticos. El mando de avance se lleva a cabo de forma hidráulica. Un tercer subsistema para taladrar es proporcionado con un mando eléctrico. La creación de diagramas de acción neumáticos, hidráulicos y eléctricos para el ejemplo, pueden ser hechos de forma independiente. Se deben de tener en consideración diferentes instrucciones para cada subsistema. Sistema para mecanizado de un disco carrete - Sistema complejo - Apretar Impulsor de alimentación Impulsor de la broca Susbsistema neumático Subsistema hidráulico Subsistema eléctrico Subsistema Figura 8.12: 148 Sistema complejo y sus subsistemas 8.3.1 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Diagrama de acción neumática El DIN 1219 se tiene que tomar en cuenta al momento de crear diagramas de acción neumática. La creación de diagramas de conexión y la indicación de los símbolos simples es descrita en la segunda parte. La representación en el diagrama de conexión debe de ser clara. Las posiciones y los arreglos de los dispositivos deben de ser tomados en consideración. El flujo de energía en los diagramas de conexión neumáticos debe de ser representado de abajo hacia arriba. Los controles de circuito separados deben de ser indicados sucesivamente de izquierda a derecha. Los elementos de mando, tales como los cilindros y motores son colocados en la parte superior de diagrama de conexión. Las bielas deben de salir hacia la derecha. La numeración se hace de izquierda a derecha sucesivamente. Los elementos de actuación están posicionados bajo el elemento de mando. Los elementos de señal están colocados en la parte inferior del diagrama. El suministro de poder debe de ser representado en la parte inferior, de ser posible del lado izquierdo. Las siguientes símbolos son utilizados para indicar los componentes de construcción : A propulsiones, cilindros y motores Vválvulas S sensores de señal, botones y rollos seguidores Z otros componentes, suministro de presión Se tienen que indicar los cilindros con los símbolos 1A, 2A, etc.. Todas las válvulas , que afectan el cilindro 1A están indicadas con 1V seguido por un número. Este número es asignado de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha. Las válvulas , que afectan el cilindro 2A se indican con 2V seguidas por un número. El primer número de la indicación del rollo seguidor también señala al cilindro, donde está instalado el rollo. No importa , qué válvulas o cilindros son afectadas con este rollo. En muchos casos, los componentes de suministro de presión no están arreglados en un cilindro o un circuito separado. Están indicados con el prefijo cero. La indicación puede estar rodeada con un marco. Los diagramas neumáticos de conexión deben de ser representados en la posición inicial con presión aplicada. 149 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Además, las siguientes posiciones de dispositivos están definidas en la neumática y en la hidráulica: - Posición de reposo de un dispositivo: No se aplica energía al dispositivo. El estado de los componentes de construcción está determinado ya sea de forma inevitablemente o por el fabricante. - Posición de reposo de los componentes de construcción: Aquí las partes de movimiento toman un posición exacta en el estado no activado. - Posición inicial: Se activa el poder. Los componentes de construcción toman estados definidos. - Posición de comienzo: Los componentes de construcción se encuentran en el estado requerido para el inicio de la operación. Las condiciones de inicio son requeridas para ésta posición. - Condiciones de inicio: Estas condiciones incluyen los pasos requeridos para cambiar de la posición de reposo a la posición de comienzo. 1A 1Z1 1V3 1V2 1V1 1S1 0Z Figura 8.13: 150 Diagrama de conexión para el subsistema de neumáticos 1S2 8.3.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Diagrama hidráulico de acción El diagrama hidráulico de acción también es creado conforme el DIN ISO 1219. El diagrama de acción representa la construcción de un dispositivo hidráulico. Las posiciones reales y los arreglos de los componentes no se toman en consideración, con el fin de crear un diagrama de conexión libre. Los componentes de construcción del dispositivo deben de ser arreglados conforme la dirección de la corriente de energía en el diagrama de conexión, así como se indica a continuación: - - - parte inferior: símbolo de suministro de poder centro: parte de control de poder parte superior: parte de mando Las válvulas de control direccional deben de ser dibujadas de ser posible en posición horizontal, mientras que las tuberías derecho y sin cruzar. Todos los dispositivos deben de ser representados en la posición de inicio. En el caso de un sistema de control grande con muchos elementos trabajando, este debe de ser subdividido en cadenas de control separadas, donde una cada de control puede ser realizada por cada elemento de trabajo. Estas cadenas de control deberán de ser dibujadas de ser posible, en la dirección de secuencia de movimiento paralelas las unas a las otras. El elemento de mando con la parte de control de poder relacionada forma en conjunto una cadena de control. Los controles hidráulicos complejos consisten de muchas cadenas de control. Estas deben de ser ordenadas de forma paralela y debe de ser indicadas con un número de referencia. La parte de suministro de poder no puede ser asignada a una cadena de control, ya que a ésta le conciernen una gran cantidad de cadenas de control en grandes sistemas de control hidráulicos. Este es indicado con el número de referencia 0. Ejemplo: La indicación de componentes de construcción puede ser extendida por el número del dispositivo. Este se presenta como un prefijo junto con la parte de indicación y están separados por un guión. La indicación con un componente de construcción es 2 – 3V5. Esto tiene el siguiente significado: 2 3 V 5 número de dispositivo número de circuito indicación de componente número de componente Este indica una válvula con el número de componente 5, el número de dispositivo 2 y el número de circuito 3. 151 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Los diagramas de conexión pueden contener adicionalmente información acerca de las bombas, los hidromotores, válvulas de presión, dispositivos de medición de presión, tuberías y conductos de tubo flexible. Las tuberías y los conductos de tubo flexible deben de ser asignados de acuerdo con sus diámetros y grosor. El valor de presión con el cual la válvula de presión cambia debe de ser indicado en las válvulas. La temperatura de cambio de los interruptores térmicos debe de estar también indicada en el diagrama de conexión. El rango de medición del dispositivo de monitoreo de presión y la extensión de los filtros también debe de ser indicada. Además, el índice de flujo de las bombas, los índices de mando, los valores de presión máxima o la capacidad de aspiración de aire de los motores puede ser también mencionado en el diagrama de conexión. Los grandes sistemas de suministro de presión pueden ser representados en un diagrama de conexión diferente. 1A 1S1 1S1 1V2 1V1 0Z1 M Figura 8.14: 152 Diagrama de conexión para el subsistema de Hidráulica 8.3.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Diagramas de circuito eléctrico Los estándares para los símbolos gráficos de la electrotecnia y los diagramas de circuito en el conjunto de especificaciones estándares alemanes han sido clasificados dentro del DIN 40700 hasta el DIN 40772. Desde comienzos del año 1997 se ha utilizado un nuevo sistema de clasificación, el cual comienza con el número 60000. La vieja indicación IEC 617, por ejemplo fue cambiada a IEC 60617, de acuerdo con las nuevas ediciones o revisiones. En Alemania, los símbolos gráficos de la electrotecnia están clasificados de acuerdo al DIN EN 60617 “Símbolos gráficos para diagramas de circuito”. Éste estándar ha reemplazado el DIN 404700. La directriz de la VDE ( la Asociación alemana para tecnologías eléctricas, electrónicas y de información) determina la documentación del diagrama de circuito, que debe de ser proporcionadas con componentes y dispositivos de construcción eléctricos. Esto incluye toda la información requerida para el usuario, a la que se refiere sobre la instalación, el encargo, el mantenimiento y el servicio de los sistemas de control eléctricos. De acuerdo con los estándares, la documentación del diagrama de circuito está dividida de acuerdo al propósito y el tipo de representación: - Diagramas, que representan el método de función del control, tales como el diagrama layout, diagrama de flujo de corriente, diagramas de configuración y listas de dispositivos. - Diagramas, que muestran las conexiones ,estados y posiciones actuales tales como el esquema eléctrico y listas de dispositivos. El diagrama layout es una representación simplificada de un circuito. Esta representa solo los dispositivos más importantes en un circuito eléctrico y muestra el método de función y la estructura del circuito. Los siguientes estándares son importantes para la documentación del circuito: DIN EN 60617símbolos gráficos para diagramas de circuito DIN EN 60848Grafcet, el idioma de especificación para los planes de función de los controles de secuencia. DIN EN 61082Documentación electrotécnica DIN EN 61293Indicación del equipo eléctrico 153 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El diagrama de corriente de flujo es una representación detallada de un circuito. Este explica el funcionamiento. El circuito está dividido en caminos de corriente. Está representado con todas las líneas y conexiones. La posición actual de los dispositivos eléctricos no se toma en consideración. Para dispositivos grandes el diagrama de flujo de corriente está dividido en circuito principal y circuito control. Esto puede ser unido en un diagrama para pequeños dispositivos. El diagrama de corriente de flujo contiene líneas de potencia horizontales y caminos verticales de corriente. Todos los elementos de cambio están representados sin ningún voltaje aplicado. Los interruptores de contacto automáticos, tales como los interruptores de final, están representados en su estado inicial con respecto al dispositivo completo. Cualquier desviación de la representación usual debe de ser mencionada en el diagrama de flujo de corriente. Todos los símbolos gráficos deben de estar presentados de forma vertical en la dirección de corriente de arriba hacia abajo. La dirección de movimiento de un símbolo de una gráfica es siempre de izquierda a derecha. La designación final debe siempre debe de ser colocada al lado izquierdo del símbolo. 400 VAC 50 Hz L1 L2 L3 PE 3 3 -F1...F3 -F1...F3 3 -K1 -K1 3 -F4 -F4 3 -M1 Figura 8.15: 154 M 3 AC -M1 Plan general y diagrama de conexión para el motor trifásico M 3 AC Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Uno de los requisitos del mando de taladro es la posibilidad de un simple ajuste de las frecuencias. Esto se puede implementar por medio de un motor asincrónico de tres fases con una transmisión. El motor asincrónico tiene un diseño de conexión delta. El motor debe de empezar bajo la carga de la transmisión. Por lo tanto, se requieren algunas consideraciones adicionales que se refieren al diseño técnico del acoplador. Durante el comienzo del motor cargado, un tiempo de comienzo muy largo puede activar el relé de protección del motor, el cual están conectado a la línea de corriente nominal del motor, desactivando el motor en la fase de inicio. Con el fin de proporcionar protección suficiente para el motor, el cual comienza bajo carga, un segundo relé de protección de motor se conecta en serie. Sin embargo, este relé es ajustado de tal forma para que no pueda ser activado durante la fase de inicio, pero en el caso de un fallo funcional, como por ejemplo el bloqueo del rotor, este cortará el poder inmediatamente. Durante el tiempo de comienzo, el relé que está conectado a la corriente nominal del motor es bypass por medio de un conjunto K2. Después de que el tiempo de comienzo ha transcurrido, el conjunto será desactivado por un relé de tiempo. 400 VAC 50 Hz L1 L2 L3 PE -F1...F3 -K1 -K2 -F4 -F5 -M1 Figura 8.16: M 3 AC Puenteado un de relé de protección de motor (durante la fase de inicio) 155 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Otro diagrama de circuito se requiere para la operación de conyuntor. Los conyuntores trabajan con 24 V DC. El interruptor S1 es utilizado para desactivar la corriente en todos los caminos de corriente en caso de emergencia. El motor es activado al momento de activar el botón S3. Este botón activa primero el conyuntor K2 y el relé regulado K3T. El conyuntor K2 es activado y el contacto normalmente abierto K2 activa el conyuntor K1. El conyuntor K1 es activado y permanece activado con el contacto K1. Después de que el botón S3 haya sido soltado, K2 y K3T permanecen activados, ya que el voltaje sigue siendo aplicado a ellos a través del contacto normalmente abierto K1, el contacto normalmente abierto K2 y el contacto normalmente cerrado K3T. El conyuntor K1 activa el motor. El relé regulado y K2 se desactivan después de 3 segundos por el contacto normalmente cerrado K3T. Estos desactivan el puente de tiempo de inicio del interruptor de protección del motor. Una vez que el botón S2 es activado, el circuito de control se rompe. El conyuntor K1 es desactivado y el motor de apaga. Paro de Emergencia -S1 24V -S2 APAGADO -K1 -S3 ENCENDIDO -K2 -K1 -K3T -K2 0V Figura 8.17: 156 Diagrama para el arranque del motor bajo carga -K3T 8.4 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos La creación del control complejo Antes de crear el control complejo, tenemos varios diagramas de conexión para separar las funciones parciales: - - - Diagrama de acción neumático para la sujeción Diagrama de acción hidráulico para la alimentación del taladro Circuito principal y de control para el control del motor y la realiza ción de diferentes frecuencias de taladro. Esto tiene las siguientes desventajas: - - - No puede ser controlado con un PLC No puede ser combinado, ya que se utilizan diferentes recursos de energía para el procesamiento de señales. No es posible la operación automática, solo la operación manual. Por lo tanto, con el fin de crear un control complejo, se deben de seguir los siguientes objetivos: - Las desventajas previamente mencionadas se tienen que quitar - Se tienen que combinar las ventajas de la hidráulica, neumática y la electrónica. Sistema neumático Sistema eléctrico 5/3-Válvula direccional Electromagneto Sistema complejo Electroneumático 5/3-Valvula direccional, centrada por resorte, accionamiento electromagnético por ambos lados, balanceada, con accionamiento de sobrepaso manual Figura 8.18: Principio del sistema complejo electroneumático 157 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Con el fin de eliminar las desventajas de la sujeción utilizando la neumática, se requiere una combinación de la neumática y los sistemas eléctricos para formar un sistema complejo básico electro-neumático. Se tienen que reemplazar varios componentes para asegurar el control eléctrico. Por lo tanto, una 5/3 válvula de control direccional operada electromagnéticamente debe de ser utilizada como un elemento de actuación. El centro del muelle se mantiene. Cada una de las posiciones de cambio puede ser seleccionada al activar la bobina magnética. Cuando ninguna de las bobinas magnéticas es activada, la válvula toma la posición media. Otros componentes deben de ser también reemplazados. Un convertidor neumático-eléctrico con la indicación B6 debe de ser utilizado para la fuerza de sujeción monitoreando en su lugar la presión de la válvula de secuencia. Este interruptor de presión tiene una fuerza de muelle ajustable. El interruptor genera una señal cuando el valor de la presión ajustada se ha alcanzado. Con el control eléctrico de la 5/3 válvula de control direccional ya no son necesarios los dos elementos de señal operados manualmente, la 3/2 válvula de control direccional. Son embargo, ambas válvulas de control direccional son utilizadas como válvulas de control piloto para la 5/3 válvula de control direccional. B1 B2 1A 1Z1 1V2 B6 1V1 Y1 0Z Figura 8.19: 158 Diagrama de operación electroneumático Y2 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Como la combinación de la neumática y la electrónica, la cual resulta en electroneumática, los componentes hidráulicos para el proceso de alimentación están combinados con el equipo de control eléctrico que resulta como componentes electrohidráulicos. La 4/3 válvula de control direccional debe de ser operada eléctricamente. El cambio de movimiento rápido a movimiento de trabajo utilizado la 2/2 válvula de control direccional debe de ser realizado por medio de una válvula de control direccional operada eléctricamente. Las 2/2 válvulas de control direccional son difícil de conseguir en el mercado , por lo tanto se puede utilizar en su lugar una 4/2 válvula de control direccional. Los puerto que no se requieran pueden ser cerrados con tapones. Ya que las bobinas magnéticas de las válvulas de control direccional magnéticas ya están indicadas con Y1 y Y2, las bobinas magnéticas de la 4/3 válvula de control direccional deben de ser indicadas con Y3 y Y4. La bobina magnética responsable por el cambio de velocidad es indicada con el Y5. B3 B4 B5 1A 1V2 1V3 Y5 1V1 Y3 Y4 0Z1 M Figura 8.20: Diagrama de operación electrohidráulico 159 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Los circuitos separados están combinados por medio de un control de relé. El diagrama del flujo de corriente, creado para el circuito de control del sistema complejo, puede ser utilizado como línea guía para la programación PLC. Sin embargo, el programa PLC puede ser creado sin ninguna preparación previa del diagrama de flujo de corriente. Con el fin de combinar las operaciones y funciones separadas de los subsistemas, se requieren de dispositivos que sean capaces de recibir y enviar adecuadamente señales. Estos dispositivos son sensores. Diferentes tipos de sensores son apropiados y pueden ser utilizados para detectarla posición del cilindro, como es requerido en nuestro ejemplo. Los interruptores de proximidad reed fueron seleccionados para el cilindro neumático como interruptores operados magnéticamente. Estos pertenecen a los interruptores de cilindro más utilizados y más conocidos. Los interruptores de proximidad inductiva también son apropiados para la señalización de las posiciones del cilindro. Se utilizan con el cilindro hidráulico . Las levas de la biela deben de estar hechas de metal, ya que los interruptores de proximidad inductiva pueden solo detectar materiales conductores de metal. La presión de sujeción es monitoreada por medio de un interruptor de presión. Las siguientes indicaciones son utilizadas para los sensores: B1 Posición final interna, sujeción por medio de un cilindro neumático B2 Posición final externa, sujeción por medio de un cilindro neumático Posición final interna, alimentación por medio de un cilindro B3 hidráulico B4 Posición de cambio de movimiento rápido a movimiento de trabajo B5 Posición final externa, alimentación por medio de un cilindro hidráulico B6 Cambio de presión, monitoreo de fuerza de sujeción La combinación de los elementos estructurales por medio de sensores puede ser también representada en el diagrama de funciones. 160 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El proceso que ha sido descrito en el ejemplo consiste de varios pasos, los cuales se llevan a cabo sucesivamente. De acuerdo con esto, la creación de los sistemas de control es realizada en varios pasos. Paso 1: Preselección de frecuencia El control es operado con 24 V DC. El botón S0 es utilizado como interruptor de parada de emergencia. Al activar este botón se desconecta la corriente de todo el sistema de control. La frecuencia de trabajo del taladro es seleccionada por medio de los botones S2 y S3 antes de que la operación se comience. La frecuencia seleccionada se muestra en la parte poder utilizando dos lámparas: H 1 H 2 frecuencia n1 = 750 min -1 frecuencia n2 = 1450 min -1 Frecuencia baja Frecuencia alta Cada uno de los botones activa un relé. Un contacto hace que el relé permanezca activado después de haber soltado el botón. Un contacto normalmente cerrado es conectado en el camino de corriente del relé, el cual previene ambos que ambos relés se activen al mismo tiempo. Se utiliza un contacto normalmente cerrado para borrar el auto bloqueo. Todavía no se determina el relé utilizado. 24V S0 -S2 -K12 -K11 -K11 -S3 -K12 -K11 -K12 0V Figura 8.21: Selección de velocidad 161 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Paso 2: Comienzo y sujeción del tambor para estacha Después de seleccionar la frecuencia al activar uno de los relés K11 o K12, la operación puede ser comenzada por el botón S1. El relé K13 permanece accionado debido al auto bloqueo de su contacto después de activar el botón de inicio. Al mismo tiempo, otro contacto de éste relé activa la bobina magnética del cilindro neumático para la función de sujeción. El auto bloqueo puede ser borrado por medio de un contacto cerrado normal. Es imposible definir que relé a un contacto en este punto de desarrollo. Paso 3: Alimentación con movimiento rápido y accionamiento del motor Después de que el cilindro de sujeción alcanza su posición final de salida B2 y el interruptor del presión B6 muestra presión de sujeción, el relé K14 y el relé regulado K15 están accionados. El relé regulado desactiva el relé K2 después de 3 segundos y consecutivamente la segunda protección del motor se activa nuevamente. El tercer paso puede ser realizado solo después de que el relé K13 es activado en el segundo paso. -K11 -K12 -K13 -S1 -B2 -K14 -B6 P -K13 -K13 Figura 8.22: 162 Tensionado y encendido del motor y del avance -K14 -KT15 Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Paso 4: Desactivar el movimiento de alimentación rápida El cilindro de alimentación rápida sale con una alta velocidad. Después de llegar al interruptor del cilindro B4 la válvula de control direccional utilizada para desviar, la válvula de control de flujo se activará. Esto hace que el fluido hidráulico fluya solo hacia el cilindro a través de la válvula de control de flujo, limitando así la velocidad de trabajo al valor ajustado. La velocidad solo se puede cambiar después de que la alimentación y el motor sean activados y el relé K14 sea activado. Paso 5: La carrera de retorno del cilindro de alimentación Después de que el cilindro de alimentación alcanza su posición final de salida, el interruptor del cilindro B5 será activado y la válvula de control direccional del cilindro hidráulico se invertirá. Este paso también solo puede ser realizado después de que el relé K16 es activado y el paso previo se haya completado. -B4 -K16 -K14 -K16 Figura 8.23: -B5 -K17 -K16 -K17 Desconexión de marcha rápida e introducción del movimiento de vuelta 163 Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Paso 6: Apagar el motor y retracción del cilindro de sujeción Después de que el cilindro de alimentación alcanza su posición final de entrada nuevamente, el cilindro B3 se activará. Este interruptor de cilindro debe de ser representado como activo en el diagrama, ya que se encuentra activado en la posición de comienzo del circuito. Esto se muestra por medio de una flecha a la izquierda del símbolo. El contacto normalmente abierto también se representa de acuerdo a su estado de activación. Por otra parte, el relé K18 desactiva el electromotor. Por otro lado, este acciona la válvula de control direccional del cilindro de sujeción neumático, haciendo que se regrese nuevamente a su posición de inicio. Paso 7: Señalamiento del final de operación El relé K19 se activa , cuando el cilindro de sujeción neumático alcanza la posición final de entrada. El interruptor del cilindro B1 se activa también en la posición de comienzo, y tiene que tiene que ser representado correspondientemente en el diagrama. El relé K19 borra primero el auto bloqueo del relé de la secuencia de bloqueo K11 o K12. Al mismo tiempo desactiva el relé K13, el cual ha sido activado por el botón de comienzo. Esta indicación de los contactos correspondientes debe de ser compensado por los dos primeros pasos. -B3 -K17 -K18 Figura 8.24: 164 -K18 -B1 -K19 -K18 -K19 Apagado del motor, elevado de la tensión y preparación para el reinicio Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos El apagar el relé K13 reiniciará los siguientes pasos uno después del otro. Por ello, el circuito estará listo para un nuevo inicio. La parte de poder del circuito incluye la salida de señal de los relés. Aquí, dos luces detectan que frecuencia es seleccionada. El relé K1 activa al electromotor. El relé K2 utilizado para derivar el interruptor de protección del motor se activa después de un retraso. Ya que cada una de las válvulas de control direccional tiene don bobinas magnéticas, una bobina magnética tiene que ser accionada con el fin de activar la otra. Esto se hace por medio de un contacto normalmente cerrado en los caminos de corriente de las bobinas magnéticas Y1 y Y3. La bobina magnética Y5 de la válvula de control direccional utilizada para cambiar la velocidad, también se apaga por medio de un contacto normalmente cerrado, cuando el cilindro está completamente extraído. El diagrama de circuito completo para la parte de control se representa en la siguiente página. 24V -K11 -H1 -K12 -H2 -K14 -K14 -K13 -K18 -KT15 -K18 -K1 -K2 -Y1 -K18 -K14 -K17 -K17 -Y2 -Y3 -K16 -K17 -Y4 -Y5 0V Figura 8.25: Circuito principal 165 24V 0V S0 -K11 -S1 -K12 -K11 -K19 -S3 -K12 -K19 -K13 -K11 -K19 -K12 -S2 -K11 -K12 -K13 -B2 -B6 P -K13 -K14 -K14 -KT15 -B5 -K16 -K16 -K14 -K17 -B4 -K16 -K17 -B1 -K18 -K18 -K17 -K19 -B3 -K18 -K19 166 Circuito de control Figura 8.26: Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Sistemas y funciones de la mecatrónica Minos Un PLC puede ser seleccionado para el proceso de control con el fin de combinar los sistemas parciales separados. Se pueden utilizar diferentes programas de idioma para la programación del PLC. Debido a que el sistema de control ya está representado como un diagrama de flujo de corriente, la elección apropiada es el diagrama de escalera. Para la programación es necesario crear una tabla que contenga todas las entradas y todas las salidas. La tabla también es conocida como lista de asignaciones. Las siguientes entradas y salidas pueden ser declaradas como seguimiento: Parámetro SímboloComentario l0.0 l0.1 l0.2 l0.3 l0.4 l0.5 l0.6 l0.7 S0 Parada de emergencia S1comienzo S2 baja frecuencia S3 alta frecuencia l1.0 B1 posición final interna, cilindro de sujeción l1.1 B2 posición final externa, cilindro de suje ción l1.2 B3 posición final interna, cilindro de alimentación B4 movimiento rápido/movimiento de trabajo, l1.3 cilindro de alimentación l1.4 B5 posición final externa, cilindro de alimentación l1.5 l1.6 B6 cambio de presión l1.7 Q0.0 Q0.1 Y1 salida del cilindro de sujeción Q0.2 Y2 entrada de cilindro de sujeción Q0.3 Y3 salida de cilindro de alimentación Q0.4 Y4 entrada de cilindro de alimentación Y5 alimentación lenta Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 K1 protección de motor Q1.2 K2 protección de derivación del motor Q1.3 Q1.4 H1 pantalla de baja frecuencia Q1.5 H2 pantalla de alta frecuencia Q1.6 Q1.7 La programación puede ser realizada ahora de acuerdo al tipo de PLC disponible. 167 Mecatrónica Módulo 7: La puesta en marcha, seguridad y teleservicio Libro de Texto (Concepto) Matthias Römer Universidad Técnica de Chemnitz, Alemania Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu Índice de contenidos: 1 Seguridad 3 1.1 Introducción 3 1.2 Fiabilidad 4 1.2.1 Principios técnicos de solución 5 1.3 Seguridad en equipos neumáticos 6 1.4 Seguridad en equipos hidráulicos 8 1.5 Seguridad en equipos eléctricos 10 2 Puesta en marcha 12 2.1 Introducción 12 2.2 Instrucciones para la puesta en marcha 13 2.3 Puesta en marcha de equipos neumáticos 2.3.1 El uso de engrasadores 2.3.2 Realización de la puesta en marcha 2.3.3 Inspección 14 14 15 16 2.4 Puesta en marcha de equipos hidráulicos 2.4.1 Llenado del equipo con fluido hidráulico 2.4.2 Realización de la puesta en marcha 2.4.3 Inspección 17 17 18 19 2.5 Puesta en marcha de aparatos eléctricos 20 2.6 Puesta en marcha de controladores lógicos programables 2.6.1 Fallos típicos de programación 21 21 3. Búsqueda de errores 22 3.1 Definición 22 3.2 Localización y resolución de problemas y errores durante la puesta en marcha 22 3.3 Procedimiento para la búsqueda de problemas y fallos 3.3.1 Búsqueda de problemas y errores mediante diagramas de función 3.3.2 Búsqueda de problemas y errores mediante programas de depuración 23 23 23 3.4 Fallos comunes durante la puesta en marcha 25 3.4.1 Aplicación de controladores programables de memoria (PLC) para la búsqueda de errores 25 3.5 Búsqueda de fallos durante la puesta en marcha 26 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 1 Seguridad 1.1 Introducción Las máquina o aparatos pueden causar peligros de índole muy diversa. Estos pueden producirse de diferentes maneras como por ejemplo - por defectos de construcción de los componentes - por falta de mecanismos de bloqueo o a causa de tropiezos - por falta de conocimiento de los peligros - por presión para cumplir los plazos establecidos o por falta de experiencia Todas las personas que trabajan con máquinas están expuestas a peligros. Dentro de este grupo de personas se encuentran desde el montador que realiza el montaje de la máquina hasta el operario que la pone en marcha. El usuario que maneja la máquina cuando esta opera normalmente o el operario de mantenimiento tampoco están exentos de peligro. Debido a la necesidad de garantizar condiciones de trabajo seguras se han desarrollado multitud de medidas de protección. Para comunicar estas medidas se elaboran instrucciones de seguridad y se realizan cursos de actualización de manera regular. La normativa aplicada en Europa tiene carácter de ley. De esta manera la directiva europea de maquinaria ha dado lugar en Alemania al decreto para la seguridad de los aparatos. Las directivas son apoyadas por las normas de seguridad. En dichas normas se describen las diferentes soluciones para la construcción de máquinas recogiendo diferentes puntos de seguridad. Las normas de seguridad europeas se clasifican en tres niveles: -Normas-A: Son las normas estándar de seguridad. Determinan los conceptos fundamentales y principios de organización en el trabajo con máquinas. Estas incluyen también la evaluación del riesgo en el trabajo. -Normas-B1: Estas normas determinan por ejemplo distancias de seguridad, mecanismos de protección, velocidades de garfio. -Normas-B2: Estas normas contienen las instrucciones que se deben aplicar a los mecanismos de seguridad. Dentro de las normas B2 se encuentran los mecanismos de bloqueo y también los mandos bimanuales e interruptores de emergencia. - Normas C: Estas normas son típicas de las máquinas. En este grupo se incluyen las normas que se aplican a presas mecánicas o hidráulicas, rebordeadoras o robots industriales. Las normas C tienen mayor prioridad que las normas A y B. Los normas C prevalecen también en el caso de que exista incompatibilidad entre la aplicación de varias normas individuales. Sin embargo el símbolo de la CE correspondiente a la normativa sobre maquinaria de la CE sólo puede ser aplicado cuando todas las normas A, B y C se cumplen. 3 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 1.2 Fiabilidad La seguridad de una máquina o de un aparato viene determinada por la existencia de medidas de seguridad para evitar o minimizar el impacto que estos pueden tener sobre las personas y el medio ambiente a su alrededor. La fiabilidad se define como la propiedad de llevar a cabo una función. Por ello una función fiable no tiene porque ser una función segura. La fiabilidad necesaria determina el diseño constructivo del sistema. Por ello se debe disponer siempre por ejemplo de elementos de reserva. El mantenimiento y el servicio deben de ser consecuentemente planeados. Ejemplo Los contactos de un relé estan diseñados para una corriente y una tensión determinada. Estos presentan a menudo una vida útil de varios millones de ciclos. Los relés deben ser cambiados al alcanzar el final de su vida útil. Dicho cambio es absolutamente necesario cuando los relés desempeñan funciones importantes de seguridad. Para determinar la fiabilidad de sistemas y con ella también la seguridad se emplean diferentes parámetros de fiabilidad. De esta manera se pueden diferenciar los dos estados „operativo“ e „inoperativo“. Los siguientes parámetros de fiabilidad se aplican a sistemas que no pueden ser reparados: -ratio de averías -distribución de la vida útil -probabilidad de fallo -probabilidad de supervivencia -densidad de la probabilidad de fallo Para sistemas que por el contrario sí pueden ser reparados se pueden aplicar los siguientes parámetros de fiabilidad: - duración del tiempo de funcionamiento hasta el primer fallo - intervalo medio entre fallos -tiempo de funcionamiento medio entre dos fallos - duración media del tiempo de avería -disponibilidad momentánea y estacionaria -mantenimiento Algunos valores son calculados por separado utilizando cálculos matemáticos de probabilidad. 4 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 1.2.1 Principios técnicos de solución En las técnicas de seguridad se aplican diferentes soluciones. Los principios descritos a continuación aclararán este concepto. El principio del reparto de funciones asigna las diferentes funciones a cumplir por un determinado elemento constructivo a diferentes elementos. De este modo un recipiente a presión puede estar cubierto en su interior por acero afinado. Con esta capa interna se evita la corrosión del recipiente. Las fuerzas que se producen a causa de la presión que tiene lugar en el recipiente son asimiladas por acero corriente. El principio de una existencia segura implica que cada parte individual de un grupo de construcción, así como el grupo como tal pueden resistir el tiempo previsto de operación sin producirse ningún fallo. Por este motivo cada grupo se diseña con un factor determinado de sobredimensionamiento. El principio del fallo limitado permite que ocurra una avería, no debiendo implicar esta ninguna consecuencia fatal. En este caso se cumplen las siguientes condiciones: - La perturbación debe limitar la función sin implicar peligro alguno para las personas, objetos o medio ambiente. - Tras producirse el fallo, el elemento debe funcionar tanto tiempo como sea necesario invertir para pararlo y reemplazarlo. -La función de fallo del elemento defectuoso debe ser reconocida claramente. -Al fallar un elemento debe poder realizarse una valoración de la seguridad del conjunto. En el principio de disposición múltiple varios elementos son dispuestos de tal manera que los elementos adicionales realizan la función del elemento defectuoso. Este principio se conoce también con el nombre de redundancia. Hay dos clases de redundancia: redundancia pasiva y redundancia activa. En el caso de la redundancia activa todos los grupos de construcción están en funcionamiento, pero la función a reemplazar puede ser realizada por tan solo uno de los grupos de construcción. Como consecuencia la vida útil se ve reducida a pesar de que no se producen problemas durante su funcionamiento. En el caso de la redundancia pasiva los grupos de construcción que realizan las funciones en caso de avería se mantienen en reserva. Para ser activados deben ser conectados. El principio de disposición múltiple realizado de diferentes maneras es similar a la redundancia. Sin embargo en los grupos de construcción con la misma función se aplican principios de activación diferentes. Por ejemplo una bomba puede presentar un motor eléctrico y su correspondiente bomba de reserva puede ser activada por un motor de combustión interna. 5 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 1.3 Seguridad en equipos neumáticos. La norma DIN EN 983 recoge los requisitos técnicos de seguridad que se aplican a equipos de fluidos y sus componentes. Esta norma contiene principios y reglas para realizar el diseño, construcción y acoplamiento de los elementos o sistemas. Además contiene manuales de instrucciones para el montaje, ajuste, operación y mantenimiento. Los puntos más importantes se exponen a continuación. Los elementos empleados en el equipo deben ser utilizados bajo las condiciones de operación proporcionadas por el fabricante y el proveedor. El movimiento mecánico no deben suponer peligro alguno para las personas . El aire emitido no debe causar ningún daño. Conectar y desconectar la fuente de energía, así como la reducción y la pérdida de energía o la presencia de energía tras la caída no deben causar ningún peligro. No debe dañarse ninguna persona a causa de la pérdida o caída de presión producida al superar un valor crítico. Los aparatos deben ser diseñados y construidos de tal manera que todos los elementos sean accesibles y puedan ser instalados de manera segura. Su mantenimiento y cambio también debe de poder realizarse de manera segura. Con ayuda de los mecanismos de protección se debe asegurar que no se exceden los parámetros de los aparatos. Por ejemplo en equipos neumáticos se debe mantener la presión de trabajo máxima a través de válvulas de sobrepresión (válvulas de seguridad). Los accionadores neumáticos como los cilindros o los motores están diseñados para diferentes usos en función de su construcción. Los valores de presión, momento de giro o revoluciones así como la fijación y conexiones fijados por el fabricante deben ser respetados. Se debe considerar que los accionadores son instalados de tal manera que estos pueden soportar todas las fuerzas previsibles. Más datos adicionales pueden ser tomados de catálogos o de manuales de instrucciones. 6 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos En el caso de las válvulas neumáticas, para su montaje deben tenerse en cuenta algunas consideraciones: el tipo de válvula, el lugar de montaje y su modo de fijación. Además debe tenerse en cuenta el tipo de operación así como la operación auxiliar manual en el caso de válvulas de accionamiento eléctrico. Las válvulas deben ser marcadas de acuerdo a las reglas de identificación del equipo. Los lubricantes utilizados deben ser compatibles con todos los elementos del equipo, plásticos, juntas , tubos y tuberías.En este caso se deben seguir las recomendaciones del fabricante. Hoy en día para muchas válvulas se realiza un único engrasado que pone a punto la válvula para toda su vida útil. En este caso no es necesario enriquecer el aire comprimido con lubricante, ya que incluso se pueden producir daños. Las válvulas que han sido alguna vez engrasadas con un engrasador deben seguir engrasándose así. Los tubos de aire comprimido deben ser colocados de tal manera que estos no puedan ser empleados para usos no especificados por el fabricante como por ejemplo como escaleras. No se permiten conexiones incorrectas que puedan causar daños. Los tubos o las conexiones de los tubos no deben dañar el proceso. La accesibilidad en el montaje, reparaciones e intercambio de los grupos de construcción no deben ser perjudicados. Los canales, los tubos y las conexiones no deben contener cuerpos extraños. Las tuberías deben ser sujetadas firmemente en sus extremos. Los elementos de fijación no deben ser soldados a las tuberías. Las tuberías no deben ser dañadas por los elementos de sujección de las mismas. Las tuberías no deben emplearse para sujetar aparatos. En la tecnología neumática las tuberías pueden ser también de plástico. En este caso se deben considerar también las propiedades técnicas que requiere dicha tubería. Los principios contenidos en la norma DIN EN 286-1 son aplicados a recipientes a presión. Estos deben situarse en la medida de lo posible en zonas frescas y deben ser accesibles para su operación. A los recipientes a presión se les aplica un tratamiento final para la protección contra la corrosión. Este es válido sobre todo en ambientes agresivos, pero por otra parte debe considerarse también que el aire comprimido puede contener agua. Se deben prever los elementos necesarios para poder llevar a cabo la operación de filtrado y de drenaje. Los recipientes no metálicos deben contar con una protección extra para evitar explosiones. 7 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 1.4 Seguridad en equipos hidráulicos La norma DIN EN 982 recoge los requisitos técnicos de seguridad que se aplican a los equipos hidráulicos y a sus componentes. Esta norma contiene principios y reglas para realizar el diseño, construcción y acoplamiento de los elementos o sistemas. Además contiene manuales de instrucciones para el montaje, ajuste, operación y mantenimiento. Los puntos más importantes se exponen a continuación. Los elementos empleados en el equipo deben ser utilizados bajo las condiciones de operación dadas por el fabricante y el proveedor. El movimiento mecánico no debe suponer peligro alguno para las personas . Todos los elementos deben estar protegidos frente a los valores de presión por encima de la presión máxima de trabajo. Esto se lleva a cabo normalmente a través de la instalación de válvulas de control de la presión. En el diseño, construcción y montaje del equipo se debe tener en cuenta que los golpes de presión deben reducirse al mínimo. Los golpes de presión no deben representar peligro alguno. La conexión y desconexión de la fuente de energía, así como la reducción y la pérdida de energía o la presencia de energía tras la caída no deben causar ningún peligro. No debe dañarse ninguna persona a causa de la pérdida o caída de presión producida al superar un valor crítico. Una fuga interna en los elementos de construcción no debe implicar ningún riesgo. Los aparatos deben ser diseñados y construidos de tal manera que todos los elementos sean accesibles y puedan ser instalados de manera segura. Su mantenimiento y cambio también debe de poder realizarse de manera segura. Durante el diseño y la construcción de aparatos se deben de tener especialmente en cuenta las condiciones que tienen lugar ante oscilaciones, altas o bajas temperaturas, suciedad en el medio, fuego o peligro de explosión. Además debe evitarse cualquier generación de calor innecesaria. Se debe proporcionar el rango total de medida de la temperatura en el aparato. No debe superarse la máxima temperatura de trabajo del medio a presión. Tuberías y tubos no deben dificultar las tareas de montaje y mantenimiento. El desmontaje del aparato dentro de operaciones de mantenimiento no debe provocar elevadas pérdidas de líquido. Asimismo en este caso no es necesario vaciar el recipiente. 8 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos Los accionadores neumáticos como los cilindros o los motores están diseñados para determinados usos en función de su construcción. Los valores de presión, momento de giro o revoluciones, la fijación, las conexiones así como las líneas de fuga y purga de aire fijados por el fabricante deben ser respetados. Se debe considerar que los accionadores se montan de tal manera que estos puedean soportar todas las fuerzas previsibles. Más datos adicionales pueden ser extraídos de los catálogos o de manuales de instrucciones. En el caso de los cilindros hidráulicos debe prestarse atención especial a la seguridad de pandeo, el impacto de rotura, la alineación, la fijación así como a la purga de aire o agujeros para la salida de aire. La biela debe también de protegerse de manera adecuada. En el caso del montaje de válvulas hidráulicas se deben considerar algunos puntos: el tipo de válvula y tipo de montaje, la posición de montaje, su fijación así como la posible combinación o asociación de las válvulas. Además debe tenerse en cuenta el tipo de operación, así como la operación auxiliar manual en el caso de válvulas de accionamiento eléctrico. Las válvulas deben ser marcadas de acuerdo a las reglas de identificación del equipo. El tipo y las propiedades del fluido a presión presente en el sistema deben ser definidas. Aquí no basta con incluir el nombre de la marca del fabricante. El fluido debe ser compatible con todos los elementos de construcción. Considerar el uso de fluidos inflamables en caso de que exista peligro de incendio. Durante el funcionamiento del aparato es necesario llevar a cabo operaciones de mantenimiento de manera regular y controlar la suciedad acumulada en los elementos. Por este motivo deben de controlarse los filtros de manera regular. En general al trabajar con el fluido a presión deben implementarse las medidas de seguridad. La higiene también debe de mantenerse y no debe desecharse más fluido que el imprescindible. Los canales, los tubos y las conexiones no deben contener cuerpos extraños. Los tubos deben de disponerse de tal manera que no puedan ser utilizados para usos extraños. Para tubos de goma existen determinadas reglas de montaje. Los tubos no deben presentar radios de flexión demasiado pequeños y estos no deben de estar comprimidos, estirados o retorcidos. Los recipientes que contienen el fluido deben ser capaces de contener la cantidad total de fluido así como de disipar el exceso de calor generado. 9 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 1.5 Seguridad en equipos eléctricos La prevención de accidentes eléctricos es de extrema importancia. El número de accidentes eléctricos con consecuencias mortales en relación al número total de accidentes es muy elevado. Esto se basa en el hecho de que la energía eléctrica no puede ser percibida directamente por las personas. La medida de seguridad establecida para proteger a las personas del efecto de la energía consiste en la protección contra el contacto directo. Esto se puede lograr aplicando las siguientes medidas: -utilizando materiales aislantes -haciendo imposible el acceso a los conductores de la tensión -mediante mecanismos de protección que evitan el contacto En casos especiales se puede aislar la localidad por completo. La protección para evitar el contacto directo puede deteriorarse con el paso del tiempo o con la degradación del aislante y producirse así el contacto con partes conductoras de la tensión. Es necesario contar con medidas de protección contra tensiones demasiado elevadas cuando la tensión entre el conductor y la toma de tierra en las redes que durante su funcionamiento normal están conectadas a tierra o la tensión en redes sin conexión a tierra supera una tensión nominal de 65 V. Las medidas de protección que evitan la presencia frecuente de una tensión de contacto demasiado elevada son las siguientes: -conexión de protección a tierra -conexión a neutro -tensión de defecto-protección a tierra -corriente de defecto- conexión de protección -corriente separada de defecto -conexión de protección Las medidas de protección que evitan el contacto con una tensión demasiado elevada son las siguientes: -aislante protector -protección de baja tensión -conexión de protección a tierra -sistema de conexión a tierra La protección de baja tensión se aplica especialmente en casos de peligro elevado, por ejemplo en juguetes para niños. 10 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos Los electromotores deben protegerse contra sobrecarga, cortocircuito y contra conexión a tierra o conexión de las masas. En la elección del elemento de protección del motor se debe tener en cuenta la conexión del motor. Por otro lado se debe tener en cuenta la sobrecarga. Estos factores son diferentes dependiendo de la fase del proceso: arranque, frenado o funcionamiento continuo. Para la protección del motor se diferencian las siguientes medidas: - El motor es protegido contra un cortocirtuito por medio de fusibles. Disipadores bimetálicos actúan como protección contra la sobreintensidad de corriente. - En los interruptores del motor se encuentran aparatos con disipadores electromagnéticos de cortocircuitos y disipadores bimetálicos. Se pueden utilizar también fusibles. - Los fusibles se pueden combinar también con sensores térmicos. Estos están compuestos de un bimetal y se unen directamente al bobinado del motor. De esta manera se puede controlar directamente la temperatura en el motor, lo que se considera una protección completa del motor. - Conductores frios se utilizan también en lugar de interruptores bimetálicos. Su resistencia aumenta con el aumento de la temperatura, lo cual es detectado por un dispositivo de medida. En los motores asincrónicos de corriente alterna debe controlarse si se produce un fallo de una de las tres fases. En la conexión en Y la corriente aumenta debido a los otros bobinados activando el interruptor protector del motor. En la conexión en triángulo por el contrario aumenta la corriente en un bobinado mientras que disminuye ligeramente en los otros dos. El interruptor protector del motor no puede ser activado cuando la carga del motor es pequeña y este puede quemarse. En este caso la medida de protección más segura es un conductor frio en cada bobinado del motor. En los circuitos eléctricos de control se implementan muchas medidas para mejorar la seguridad. Una posibilidad es el montaje de elementos de conmutación lógicos redundantes. En caso de peligro es importante desconectar una máquina con ayuda de un dispositivo de desconexión de emergencia para llevar a la máquina a un estado donde no existe tensión eléctrica en el sistema. 11 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 2 Puesta en marcha 2.1 Introducción La puesta en marcha es la última fase en la fabricación de un producto. Esta fase incluye todos los tareas necesarias para poner en marcha los elementos de construcción, máquinas o aparatos complejos asegurando una correcta función de estos. Durante la puesta en marcha de los aparatos y máquinas no se comprueba si estos presentan un estado adecuado para un funcionamiento normal, sino que esta tarea se realiza durante el control de calidad. En el proceso de puesta en marcha se debe diferenciar principalmente entre la primera puesta en marcha y las posteriores. Durante la primera puesta en marcha la máquina se pone en funcionamiento por primera vez. En este caso puede ocurrir que se pongan primero en funcionamiento algunas partes individuales antes de que la máquina entre en funcionamiento en su conjunto. Las puestas en marcha posteriores se realizan debido a los fallos producidos en la máquina y que no permiten que esta siga funcionando. Antes de poner la máquina de nuevo en funcionamiento deben realizarse Planificación Montaje Puesta en marcha Operación continua Puesta fuera de servicio Desmontaje, eliminación Obrázek 1: Životní cyklus přístrojů nebo zařízení de chatarra Figura 1: Ciclo de vida útil de aparatos o máquinas 12 Vuelta a poner en marcha Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 2.2 Instrucciones para la puesta en marcha Los problemas que ocurren durante la puesta en marcha son debidos normalmente a dificultades o problemas en otras fases. La búsqueda de un fallo que implique un gran esfuerzo e inversión de tiempo puede ser provocada por ejemplo por un fallo causado durante el proceso de construcción. Aunque por otra parte puede deberse a que la puesta en marcha no se haya preparado de manera eficiente. Según la experiencia los fallos que ocurren más frecuentemente durante la puesta en marcha son los siguientes: - Los errores presentes en los programas del PLC (PowerLine Comunications) - Los módulos del programa no están suficientemente estructurados - Los grupos de construcción o partes adicionales no están montadas correctamente o no están bien acopladas -Faltan grupos de construcción o partes de la máquina - Fallos en la instalación eléctrica. A menudo estos son provocados por el montaje de cables en la caja de contactos - Las conexiones de los tubos de goma y tuberías están mezclados El constructor es la persona responsable de diseñar la máquina para garantizar que esta pueda ser puesta en marcha de manera correcta. Este debe prestar atención también al diseño de los elementos individuales con tal de hacer más fáciles las tareas necesarias durante la puesta en marcha o incluso para eliminar dichas tareas. Un diseño del producto adecuado para la puesta en marcha puede conducir a que se puedan realizar pruebas con anterioridad o a que sea posible la puesta en marcha parcial. Para realizar una prueba de ensayo o una puesta en marcha preliminar los grupos de construcción deben poder montarse previamente, poder funcionar correctamente y disponer de las interfaces de conexión necesarias con otros grupos de construcción. En el ensayo preliminar de los grupos de construcción se puede comprobar por ejemplo si los componentes están correctamente montados o su comportamiento frente a la temperatura y la emisión de ruidos. Durante el ensayo preliminar también se comprueba la función correcta del grupo de construcción. La puesta en marcha puede incluir además las siguientes tareas: - La configuración de los interruptores de fin de carrera. - La configuración de válvulas neumáticas o hidraúlicas. - El acabado de las partes defectuosas. - El ajuste de los accionadores. Un ensayo preliminar se realiza preferentemente en unidades que presentan una función independiente determinada. Esto ocurre a menudo en el montaje de plantas, pero no en el campo de la ingeniería mecánica donde varias partes llevan a cabo diferentes funciones de la máquina . 13 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 2.3 Puesta en marcha de equipos neumáticos Para asegurar un funcionamiento sin fallos de los equipos debe prestarse atención a las normas de montaje y funcionamiento dadas por el fabricante o por el proveedor. Contar conuna documentación técnica completa y el reglamento de puesta en marcha es de gran importancia. Para aparatos electroneumáticos además de las normas proporcionadas por el fabricante deben tenerse en cuenta una serie de normas generales. Para el montaje o instalación de aparatos electroneúmaticos se debe comprobar si los datos técnicos prescritos de tensión y tipo de corriente son compatibles con las conexiones y los datos técnicos del fabricante. En aparatos neumáticos el aire comprimido es conducido a través de tubos flexibles de plástico o goma. Estos deben ser instalados de acuerdo a las instrucciones proporcionadas por el fabricante. Se deben evitar pliegues provocados por radios de flexión cortos, compresión y rozamiento. Además se deben fijar los tubos de tal manera que no se produzcan movimientos no deseados debido a variaciones de la presión en la red de aire. Los puntos de fuga no pueden evitarse siempre al 100%, pero debe procurarse que el número de estos sea tan pequeño como sea posible. Las partes en movimiento como bielas o cilindros deben ser protegidas adecuadamente para evitar cualquier peligro para el usuario debido al movimiento de estas piezas. 2.3.1 El uso de engrasadores Los engrasadores enriquecen el aire comprimido con aceite para que así las partes móviles sean engrasadas. Para muchos componentes neumáticos basta con un único engrasado que pone a punto el componente durante toda su vida útil. Por este motivo y también debido a que el uso de engrasadores conlleva a menudo problemas, debería evitarse el uso de aire comprimido enriquecido con aceite. Sin embargo el enriquecimiento del aire comprimido con aceite es necesario en los siguientes casos: -Los elementos de construcción han funcionado anteriormente con aire comprimido enriquecido con aceite. -Los cilindros se mueven muy rápidamente. -En actuadores rotativos como por ejemplo en los motores de láminas Para un uso correcto del engrasador se deben añadir un par de gotas por metro cúbico de aire comprimido. Para volúmenes conocidos se pueden dar valores del número de gotas por minuto a añadir. 14 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos Para comprobar si la configuración del engrasador es correcta debe elegirse para el test el cilindro que se encuentre más alejado. Para ello se coloca una hoja blanca de papel delante de la ventilación de la válvula distribuidora que controla dicho cilindro. La distancia debe ser de unos 10 cm. Durante el funcionamiento del cilindro debe depositarse en el papel una capa delgada de aceite. Así se asegura que el aceite llegue hasta ese cilindro. Un exceso de gotas de aceite restantes sobre el papel indica un exceso de engrasado del aire comprimido. Sólo debe emplearse el aceite indicado por el fabricante. En ningún caso debe rebajarse el aceite con petróleo, ya que este disuelve las grasas. A continuación se citan algunas de las propiedades importantes de un buen aceite: - Elevada resistencia al envejecimiento 2.3.2 Realización de la puesta en marcha En cada nueva máquina, máquina reconstruida o reparada existe el peligro de que un cilindro se mueva incontroladamente. Esto puede producir daños en el personal o daños en la máquina. Por este motivo deben elaborarse instrucciones para la puesta en marcha. Durante la puesta en funcionamiento se deben de considerar los siguientes puntos: - Antes de poner la máquina en marcha debe controlarse que no exista presión interna. - Todos los elementos deben encontrarse en la posición inicial. - Se deben comprobar las posiciones de las válvulas de impulso. Estos pueden cambiarse manualmente o utilizar un impulso de ajuste. -Las válvulas de estrangulación que determinan la velocidad de la biela deben estar cerradas. - La presión debe ser aumentada lentamente. Esto puede realizarse mediante un regulador de presión manual o de forma automática. - Las válvulas de estrangulación deben abrirse despacio. - Debe realizarse un test de prueba sin piezas. Después el proceso puede dividirse y realizarse en diferentes fases. La posterior activación de las diferentes partes puede realizarse como un servicio por pulsador. - Se deben controlar las posiciones de los interruptores de los cilindros. Estos deben de poder accionarse de manera segura y no deben estar sobrecargados. - Se debe realizar un nuevo test con una pieza. - Se debe comprobar si las fuerzas y la velocidad definidas son alcanzadas. 15 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 2.3.3. Inspección Durante el funcionamiento de un máquina debe considerarse lo siguiente: - Se debe realizar un control continuado de la función, rendimiento y el estado del sistema neumático. - La temperatura ambiente debe estar comprendida en los intervalos de temperatura permitidos para cada elemento. - Se debe comprobar regularmente el nivel del fluido en el engrasador. En caso necesario este se debe rellenar con aceite. - Se debe comprobar regularmente el nivel de líquido en el decantador de agua. En caso necesario debe vaciarse el recipiente. -Los filtros deben de cambiarse de manera regular o en caso necesario - La presión del sistema debe controlarse regularmente. -Las cubiertas protectoras y mecanismos de seguridad deben estar presentes y funcionar correctamente. -Los aparatos o elementos de construcción deben de estar sujetos correctamente. - Los aparatos neumáticos deben someterse a un test de fugas. Deben eliminarse las fugas detectadas. Adicionalmente se deben controlar los elementos siguientes de un sistema neumático: - El estado del engrasador. - El estado del filtro y del decantador de agua. - La función del indicador. - El estado general de la red de tuberías. - La accesibilidad a los diferentes aparatos. Al trabajar en la máquina se debe considerar siempre la carrera del cilindro. ¡Los cilindros pequeños también pueden causar daños! 16 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 2.4 Puesta en marcha de equipos hidráulicos Antes de llevar a cabo el montaje o la instalación debe comprobarse si las conexiones de los elementos electrohidráulicos son compatibles con los datos técnicos indicados de tensión y tipo de corriente. Durante el montaje o la instalación deben seguirse las instrucciones y esquemas proporcionados por el fabricante. Las tuberías deben montarse de acuerdo al diagrama de tuberías suministrado junto con el equipo. Los tubos no deben estar bajo tensiones mecánicas después de ser montados. No deben producirse oscilaciones y otros movimientos que puedan provocar daños. Si se emplean tubos de goma debe prestarse especial atención a que estos sean suficientemente largos y no presenten ningún radio de flexión demasiado pequeño. Las tuberías y tubos de goma no deben tener puntos de rozamiento ni estar doblados o apretados. Se debe comprobar la limpieza de las tuberías antes de montarlas y limpiarlas en caso necesario. Deben comprobarse las partes internas de tuberías que han sido soldadas o dobladas por aplicación de calor para constatar la ausencia de cascarillas. La limpieza de tuberías y tubos de goma sin válvulas y cilindros elimina las impurezas presentes. En las tuberías de fuga no debe producirse ningún atasco. El fluido hidráulico debe poder fluir libremente de regreso al tanque . En caso necesario se deben proteger las partes abiertas del cilindro como por ejemplo la biela. Las partes móviles no deben suponer tampoco peligro alguno para el personal. 2.4.1 Llenado del equipo con fluido hidráulico El recipiente, las tuberías, los tubos de goma y los filtros deben de estar limpios y libres de impurezas antes de proceder al llenado del equipo hidráulico. En el proceso se debe tener en cuenta si las válvulas presentes deben estar abiertas o cerradas para cumplir sus funciones correspondientes. En los recipientes hidráulicos no debe permitirse el acceso de aire no filtrado. El filtro para la entrada y la salida de aire debe funcionar correctamente. Sólo puede utilizarse el aceite hidráulico indicado por el fabricante. Se debe prestar especial atención al tipo, viscosidad y demás propiedades del aceite. 17 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Durante el llenado del fluido hidráulico debe prestarse especial atención a la limpieza. El fluido puede contener agua o suciedad incluso en los tanques de almacenamiento. Por este motivo el aceite a añadir debe también ser filtrado. No se permite la presencia de agua en el equipo. Los hidroacumuladores deben ser llenados con especial cuidado. Los hidroacumuladores con gas solo debe ser pretensados con nitrógeno. Las directrices dadas por el fabricante deben ser tenidas en cuenta. Antes de la puesta en marcha debe comprobarse la dirección de giro de la bomba hidráulica. Esto se comprueba encendiendo la bomba durante unbreve período de tiempo. El equipo no debe estar presurizado en ese momento con tal de que no se establezca presión al comienzo. La línea de succión de la bomba debe estar abierta. 2.4.2 Realización de la puesta en marcha Durante la puesta en marcha deben de considerarse los siguientes puntos: -Antes de cargar el equipo hidráulico debe realizarse un test de una hasta cuatro horas con el equipo vacío. - Se debe instalar una válvula de seguridad siguiendo los requisitos especificados por el fabricante. Finalmente se debe precintar la válvula de tal manera que la presión no pueda ser modificada. -Deben colocarse las válvulas de estrangulamiento, reguladores de caudal y válvulas de presión . Estas válvulas deben ser también precintadas. - Durante el funcionamiento del equipo en vacío deben controlarse la presión, el nivel de aceite, las temperaturas de la bomba y del motor de propulsión del aceite hidráulico. Se debe realizar un control para evitar la aparición de fugas. -El equipo debe ser aireado después de arrancar la bomba hidráulica. Esta acción debe repetirse cuando el aceite hidráulico ha alcanzado su temperatura de trabajo. También se debe comprobar nuevamente el nivel del fluido. - Después de la marcha en vacío se debe cargar el sistema. Durante la carga la presión debe ser controlada de forma continuada. En esta fase debe también prestarse atención a las fugas, ante todo en las uniones roscadas y cierres. Las fugas solo pueden ser selladas cuando no hay presión en el sistema. - Después de que las condiciones normales de trabajo sean alcanzadas se realiza un control de las velocidades del cilindro y del accionador. Los valores medidos deben escribirse en el protocolo. Los posibles defectos deben ser anotados también en el protocolo. No deben sobrepasarse las temperaturas permitidas. - Se deben limpiar los filtros presentes después de su puesta en marcha, especialmente cuando se usan válvulas proporcionales y de control. - Durante la puesta en marcha de bombas de émbolos axiales debe tenerse en cuenta que estas no pueden aspirar el fluido por ellas mismas. Estas deben llenarse primero con aceite hidráulico. - En el cambio de bombas debe tenerse en cuenta que en las bombas frías no debe ser utilizado aceite caliente. 18 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 2.4.3. Inspección Durante el funcionamiento de un máquina debe considerarse lo siguiente: -La función, el rendimiento y el estado del equipo hidráulico deben ser controlados de manera continua. - Se debe prestar especial antención a la temperatura del fluido hidráulico y su enfriamiento - El nivel de fluido debe ser controlado de manera regular En caso necesario debe rellenarse más cantidad fluido. Un aumento del nivel de fluido indica la presencia de agua. - La presión del sistema debe ser controlada de forma continua. Cualquier desviación de la presión provoca un funcionamiento incorrecto del sistema. - Las bombas y motores deben funcionar de modo relativamente silencioso. - Las cubiertas protectoras y mecanismos de seguridad deben estar presentes y funcionar correctamente. Los aparatos o elementos de construcción deben de estar también correctamente sujetos. - En el equipo hidráulico también es importante la ausencia de fugas. Las fugas deben ser cerradas cuando el equipo esté apagado. Los equipos hidráulicos deben controlarse regularmente. Para estos controles deben considerarse los siguientes puntos: - Debe controlarse el estado del fluido hidráulico - También debe controlarse la suciedad en tamices o filtros y proceder a su cambio cuando sea necesario. El correcto funcionamiento de los separadores magnéticos también debe ser controlado y en caso de producirse la acumulación de suciedad se debe proceder limpiarlos. - El funcionamiento de la pantalla del aparato debe también ser controlado - Debe comprobarse la accesibilidad a todos los elementos de construcción. - El estado general de la red de tuberías debe ser evaluado. - Los acumuladores de presión requieren una atención especial. En los acumuladores de presión con gas debe comprobarse la presión de tensión y corregirla en caso necesario. Los equipos hidráulicos con válvulas de control también requieren una atención especial. Debido a su sensibilidad a la suciedad deben considerarse los siguientes puntos durante el proceso de limpieza: - Desmontar las válvulas de control antes de la limpieza y colocar en su lugr elementos de drenaje. De este modo la línea de presión y la línea de reflujo están conectadas entre si. Las tuberías en dirección al cilindro quedan bloqueadas. - Antes de comenzar con la limpieza el elemento filtrante del filtro de presión debe ser eliminado . - Después de acabar la limpieza del equipo el elemento filtrante puede ser montado de nuevo y el filtro del reflujo puede ser cambiado. - Limpiar de nuevo el equipo y montar de nuevo la válvula de control. 19 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 2.5 Puesta en marcha de aparatos eléctricos Antes de poner en marcha un accionador eléctrico, este debe ser sometido en primer lugar a un test. En este test se debe probar que el accionador cumple las características técnicas de la máquina. En el primer ensayo en el campo de pruebas el accionador es conectado a la tensión eléctrica. Además de los valores de electricidad, determina también la consistencia mecánica. En este proceso se investigan las siguientes propiedades: - La temperatura que resulta del calentamiento de la máquina en funcionamiento. - La capacidad de sobrecarga producida por corrientes eléctricas elevadas o momentos de giro de gran magnitud. - El número de revoluciones es igual al número nominal de revoluciones multiplicado por un factor de 1,2. La duración del número de revoluciones elevado es de dos minutos. - La resistencia del aislante de las bobinas del equipo. - El momento de inercia de la masa del equipo. Es posible que las propiedades individuales presenten desviaciones respecto de los valores ideales. En la medida en que los valores estén dentro del rango definido por las tolerancias, la máquina puede ser entregada y puesta en marcha por los clientes. Antes de ponerla en funcionamiento deben realizarse otras pruebas adicionales. Los datos resultantes más importantes deben ser recogidos. Para las pruebas se deben seguir los protocolos existentes. Algunos de estos valores en el caso de los electromotores son la intensidad de corriente nominal, la intensidad de corriente máxima, la frecuencia y el número de revoluciones. También se debe tener en cuenta la ventilación del motor y los interruptores de protección. Durante la puesta en marcha se deben considerar los siguientes puntos: - Se debe comprobar la correcta instalación de los fusibles. -Después de encender el equipo se debe medir la tensión presente en ese momento. - Se debe controlar la dirección de rotación del motor. - Se deben comprobar los interruptores de protección del circuito de mando. Los bornes, escobillas y los elementos de sujeción de las escobillas deben ser controlados de manera visual. - El ajuste mecánico y conexión del motor con las partes operativas del equipo deben ser controlados. De manera general se puede concluir que se debe controlar si las normas y directivas dadas se cumplen 20 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 2.6 Puesta en marcha de controladores lógicos programables Al contrario que en los controladores lógicos con relé y contactores , en los controladores lógicos programables es posible hacer un test por separado del programa o software y del hardware. Para esto se requiere de un programa de simulación. El ajuste de las entradas y el control del encendido de las salidas puede ser realizado con un simulador de hardware. Las entradas del controlador PLC son activadas de manera selectiva mediante interruptores sin tensión. La activación de las salidas se indica normalmente a través de diodos luminosos o lámparas. Sin embargo también es posible ajustar las entradas individuales con el software y así controlar los módulos individuales del programa. El programa se prueba en el aparato de programación con el que está conectado el controlador PLC. El monitor del aparato programador permite observar el desarrollo del programa del programador PLC. 2.6.1 Fallos típicos de programación Antes de realizar el test se deben comprobar los siguientes errores típicos en el programa del controlador PLC: -Indicadores, salidas, elementos de tiempo, contadores u otras variables no son arrancados por el programa. -Las direcciones de indicadores u otras variables son asignados más de una vez. Esto conduce a diferentes resultados en distintas partes del programa. El software de programación actual reconoce estos errores y alerta a los programadores. Después de corregir los fallos en el programa, este puede ser cargado en el controlador PLC. Se debe guardar el programa creado ya que al controlador PLC solo se transfiere el código de programación. Sólo de esta manera puede ser más tarde modificado el programa del controlador PLC. Antes de montar el controlador PLC debe comprobarse que la tensión de trabajo del controlador PLC y las tensiones de entrada y de salida son compatibles con los valores de tensión del equipo 21 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 3. Búsqueda de errores 3.1 Definición Un error se define de acuerdo a la norma DIN 31051 de la siguiente manera: Un error implica el no cumplimiento de un requisito referente a un rasgo esencial de una unidad observada. La función se define a través de la operación, acción, propósito u objetivo del objeto observado. Una función de error se define como una función que no se puede llevar a cabo como se desea o no tiene lugar. Al contrario que una función de fallo, una perturbación es la interrupción de una función específica de un objeto observado. En el caso de una avería se produce la interrupción de una función específica debido a motivos relacionados con el objeto mismo cuando este está operando dentro del rango de operación permitido. La causa de una perturbación o de una avería es por tanto el fallo. 3.2 Localización y resolución de problemas y errores durante la puesta en marcha La búsqueda de perturbaciones y errores durante la puesta en marcha de controles hidráulicos, neumáticos y eléctricos requiere un orden. Cuanto más complicada sea la estructura de los controles, más importante es el método de búsqueda de errores. Una completa documentación que refleje el estado técnico real es de gran ayuda para el personal encargado de la puesta en marcha. Dentro de esta documentación podemos encontrar: - documentos técnicos como los diagramas de operación hidráulicos, neumáticos y eléctricos, diagramas de circuitos, planos de localización con valores para la instalación, listas de aparatos y de piezas, - documentación técnica con instrucciones de uso para determinados grupos de construcción, descripciones técnicas y diagramas de funciones,directivas para la puesta en marcha, - manual de puesta en marcha, - instrucciones de mantenimiento, - manual de instrucciones para el análisis de fallos. 22 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 3.3 Procedimiento para la búsqueda de problemas y fallos Cuando una perturbación o un fallo aparecen en un sistema complejo esto se ve indicado por una función de fallo. Se produce una suspensión de la función del equipo. Para que la causa del error o perturbación pueda ser localizada y eliminada rápidamente la secuencia de la búsqueda debe realizarse en el orden adecuado. 1. Diagnóstico de la perturbación (determinación de la perturbación, acústicamente, ópticamente) 2. Limitación del campo de error por medio de herramientas auxiliares (por ejemplo mediante un diagrama de funciones o un diagrama de operación) 3. Eliminación del error o perturbación. 3.3.1 Búsqueda de problemas y errores mediante diagramas de función El diagrama de funciones ofrece un modelo apropiado para limitar para limitar tanto perturbaciones como fallos técnicos. Los diagramas lógicos, los diagramas de rutinas funcionales o diagramas de marcha del programa son también muy válidos para esto. El diagrama de funciones junto con el diagrama de operación representan una combinación muy buena a usar en la búsqueda de fallos. 3.3.2 Búsqueda de problemas y errores mediante programas de depuración Ejemplo El trabajo continuo con programas de búsqueda de errores y la experiencia adquirida durante la búsqueda de errores en equipos especiales y sistemas hacen que los programas de búsqueda de errores sean cada vez mejores y más completos. Sin embargo el personal de mantenimiento debe llevar debidamente los cuadernos de inspección y registrar todas las perturbaciones. La bomba hidráulica instalada produce un „ruido elevado“. Esta descripción es un diagnóstico de la perturbación. Después de realizar un diagnóstico lo más adecuado es emplear a continuación un programa de búsqueda de fallos ya existente. Las preguntas se responden de manera secuencial. En el momento en que se encuentra una posible causa del fallo, el procedimiento indicado para la reparación deberá de ser ejecutado. A continuación debe comprobarse si el fallo fue resuelto en su totalidad. Para ello el programa de búsqueda de fallos se inicia desde el principio con tal de comprobar la existencia de fallos 23 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos Ruido elevado Sí ¿Están alineados la bom- No ba y el electromotor? Alinear la bomba, controlar el desgaste del acoplamiento Sí No Rellenar el tanque con aceite No Limpiar el filtro en al línea de succión, la línea de succión está doblada, la viscosidad del aceite es demasiado elevada, el número de revoluciones de la bomba es demasiado elevado, fallo de la bomba de alimentación, la sección transversal de al tubería es demasiado pequeña, eliminar la contracción o la zona oprimida en la línea de succión No Sí El final de la línea de succión no se haya suficientemente profundo por debajo del nivel medio de aceite, el final está muy cercano a la línea de reflujo, fugas en las conexiones de al línea de succión, el aceite del reflujo contiene aire, el sello de la bomba es defectuoso. ¿Puede succionar aceite No al bomba? Tanque demasiado hermético, cambiar el filtro de aire. Comprobar la dirección de giro de bomba ¿Es el nivel de aceite en el tanque adecuado? Sí La corriente de entrada a la bomba, ¿está sin estrangular? Sí El aceite succionado, ¿está libre de aire? Sí ¿Se está utilizando el tipo No de bomba adecuado? Colocar el tipo de bomba adecuado Sí ¿Ha disminuido el ruido? No Figura 2: 24 Aislar acústicamente la bomba, tanque y tuberías, disminuir el número de revoluciones, fijar las tuberías para disminuir la velocidad del aumento de la presión, modificar al retroalimentación en función de la longitud de la tubería y la frecuencia de la válvula de presión. Realizar una amortiguación pasiva del ruido. Programa de búsqueda de fallos „ Ruido elevado de una bomba hidráulica“ Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 3.4 Fallos comunes durante la puesta en marcha De acuerdo a la experiencia existen una serie de fallos que tienen lugar de manera más frecuente. Estos fallos deben de tenerse siempre en cuenta. Entre estos fallos encontramos: a)Fallos electroneumáticos: - suministro insuficiente de aire comprimido al cilindro, -presión de trabajo demasiado baja, -líneas de conexión del cilindro cambiadas, - los interruptores de proximidad no están colocados correctamente, - conexión errónea de la entrada y salida al controlador PLC. b) Fallos electrohidráulicos: - las líneas de operación de presión y del tanque están mezcladas entre sí, -ajuste incorrecto de la válvula de control de la presión, - los interruptores de proximidad no están colocados correctamente, - conexión errónea de la entrada y salida al controlador PLC. c) Fallos eléctricos: -los cables y líneas de conexión están mezclados, - fallos en el cableado. d)Fallos del controlador PLC: - fallos en el software, -fallos en el hardware. 3.4.1 Aplicación de controladores programables de memoria (PLC) para la búsqueda de errores Si se usa un controlador PLC para controlar un sistema complejo es recomendable realizar un test previo del control del sistema sin los componentes hidráulicos, neumáticos y eléctricos del componente de potencia (elementos actuadores, elementos accionadores, etc). En función del fabricante del controlador PLC las funciones se llaman de manera diferente pero presentan la misma funcionalidad. De cualquier manera se debe aprovechar la posibilidad de hacer un test del programa del controlador PLC. 25 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Minos 3.5 Búsqueda de fallos durante la puesta en marcha Ejemplo 1. Errores durante el encendido Consecuencias: El control no puede ser encendido. Todos los cilindros neumáticos con una excepción están en posición final. Búsqueda de error: En primer lugar, debemos determinar si todos los cilindros están en posición de inicio. El chequeo detecta que el cilindro 1A no está en posición de inicio. Por consiguiente, la posición del sensor del “drive in” no está activada y el correspondiente aportación del controlador PLC no está establecido. Esto también puede ser detectado mientras se ejecuta el test de la función PLC o a través de la entrada LED. El control no puede ser empezado porque una de las condiciones de comienzo no está en su sitio. La pregunta “¿por qué el cilindro 1A no está introducido? deberá ser respondida a continuación. Una causa posible es que la válvula de impulso esté en posición incorrecta. La válvula debe ser devuelta a su posición inicial a través del apoyo de operación manual. Si el cilindro 1A se mueve a su posición inicial ahora, la posición del sensor “drive in” será activado y en control podrá ser empezado. El LED de la correspondiente salida de la retracción del cilindro nos muestra la orden de la retracción. A pesar de la presencia de la señal, el cilindro 1A no funcionará. Ahora, debemos chequear cuál de las espirales de imanes en la válvula están activadas. El test detecta que los conectores de las espirales de imán están desordenados. Esto también puede ser detectado a través del LED de los conectores. Después de la corrección, el cilindro funciona y el control puede trabajar adecuadamente. Antes de ejecutar las correcciones de los errores, el interruptor de apagado de emergencia debe ser activado para prevenir un accionamiento inmediato después de que los errores hayan sido eliminados, lo que puede causar lesiones. El resultado de la búsqueda de errores: Los conectores de las válvulas estaban desordenados durante el montaje. Por eso, el cilindro 1A no estaba en su posición de inicio. 26 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio 2. Ejemplo Minos Errores durante la puesta en marcha Consecuencias: Todos los cilindros están en su posición inicial pero la operación no puede empezar. Búsqueda de errores: La función del test del PLC deberá ser usado primeramente para la búsqueda de errores. Por lo tanto, el mando relativo deberá ser usado para cambiar a la red, la cual dará la señal de inicio. Esta es la red 4 en el ejemplo. Está detectado que en esta red la señal de reajuste (reset) tiene el estado de señal 1 de acuerdo con la bandera M 2.0. La señal de reajuste o puesta a cero es por consiguiente activa aunque no debería estar encendida al principio. Ahora debemos cambiar de red con la ya activada bandera M 2.0. Ésta puede ser, por ejemplo, la red 9. Ahora es posible revisar por qué la bandera M 2.0. está aun lista. tacto ON pre ON Red 9 Reajustar la secuencia de tacto & presión H tacto ON pre ON presión H Figura 3: ;B3 cilindro de tacto retractado ;B5 cilindro de presión retractado ;B8 presión hidráulica cambiada Ejemplo de una red de programa PLC. 27 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Después de revisar la red detectamos que las dos posiciones finales “drive in” del cilindro de tacto y el cilindro de apretar están activos. A pesar de que las dos posiciones finales están activadas, la puerta de salida AND no coge el estado 1 y la bandera M 0.5 no está lista. Después viene una puerta OR. Ésta es suficiente para que señal de entrada esté activa para colocar la bandera M 2.0 en la salida. Detectamos que la salida “h_presión” (I 1.7) toma el estado 1. Esta señal debe mostrar que la presión hidráulica ha excedido los límites permitidos. Este error es ya presente aunque el suministro de la presión hidráulica no esté aun encendido. Por consiguiente, tampoco hay presión aplicada. La línea de presión en el manómetro tampoco indica ninguna presión. Ahora deberíamos controlar por qué el interruptor de presión da una señal a pesar de que no hay ninguna presión. Esto puede ser causado por un defecto en el interruptor de la presión o por un error de conexión en el hardware. El interruptor de presión debe ser conectado como contacto obturados como está descrito en al documentación. El resultado de la búsqueda de errores: Está determinado, que el interruptor de presión no está correctamente conectado. El contacto de apertura estaba conectado en vez del contacto obturador. Por eso la presión “apagada” produce una señal. Después de reconectar el contacto obturador, la señal del enchufe de la presión no se vuelve a aplicar a la red 9 y la bandera M 2.0 no será puesta en marcha. Ahora, todas las condiciones requeridas para la puesta en marcha del control en la red 4 están en orden y la operación puede ser empezada. 28 Seguridad, puesta en marcha y teleservicio Ejemplo 3. Errores durante la puesta en marcha Consecuencias: Minos El control funciona sin ningún problema. El cilindro 2A vuelve a su posición de inicio pero el cilindro de presión hidráulica 3A no se mueve. Búsqueda del error: Se propone el siguiente procedimiento: La señal “run out” para el cilindro 3A es generada por el interruptor de posición final en el cilindro 2A de acuerdo al diagrama de función. El mismo interruptor hace que el cilindro 2A ruede. ¿Es la señal de entrada del interruptor de posición final presente? Sí, de lo contrario el cilindro 2A no rodaría. Ahora empezamos con el test de función PLC. ¿ Está la correspondiente bandera de la secuencia de paso colocado en el programa? ¿Y respectivamente, está el paso responsable del movimiento hacia fuera del cilindro hidráulico 3A activado? Sí, el programa ha colocado la espiral magnética de salida en la posición correcta. ¿Está esto indicado a través de la salida LED del PLC? Sí, el LED brilla. ¿Está la correspondiente espiral activada? Sí, esto puede ser examinado sacando el conector y metiéndolo de nuevo. Se pueden escuchar sonidos de encendido. El LED de la espiral magnética brilla cuando el conector está adjunto. 29 Minos Seguridad, puesta en marcha y teleservicio La búsqueda debe seguir usando el diagrama de conexión hidráulica. ¿Está la presión puesta en el puerto de la válvula 4/2 de control direccional? Sí, la presión está aplicada a la válvula de control direccional. ¿Están las líneas de conexión operacional del cilindro revueltas? No, las líneas de conexión operacional del cilindro están conectadas correctamente. ¿Está la presión puesta en la salida B de la válvula de control direccional? Sí, la salida B de la válvula direccional está presurizado. Esto significa que error debe estar entre el puerto B de la válvula de control direccional y la conexión del cilindro en el lado del pistón o el fluido hidráulico es incapaz de circular hacia la otra conexión del cilindro. Antes de todo, tenemos que revisar la correcta instalación y funcionamiento de los componentes interyacentes. Estos componentes son: - - Control de la válvula de retención Interruptor de presión El resultado de la búsqueda: Es determinado que el control de al válvula de retención no ha sido instalado correctamente. Ha sido instalado inversamente y por eso funciona como elemento bloqueador. Esto evita que el cilindro hidráulico 3A se agote. Reinstalar la válvula de manera correcta hace que el control funcione adecuadamente. 30 Mecatrónica Módulo 8: Mantenimiento y diagnóstico Libro de Texto (Concepto) Jerzy Jędrzejewski Universidad Técnica de Wroclaw, Polonia Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu Mantenimiento y diagnóstico Minos Índice 1 Objectivos y tareas para el diagnóstico y la asistencia remota 5 2Sistema de diagnóstico7 3 Mantenimiento y reparación del sistema de diagnóstico 12 4Tendencias de desarrollo16 3 Minos 4 Mantenimiento y diagnóstico Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook 1 Minos Aims and tasks of remote diagnostics and servicing Modern ma chine syste ms are highly automate d. The contr ol systems used in the automation perform their tasks on the basis of instructions (control decisions) gene rated in microprocessor s, processor s or computers. Cont rol decision s are take n on the basis of signals from sensors lo cated in executin g mechatronic system components, supplyin g information about the condition of the latter and about the performance of the tasks. The inform ation is use d to infer a bout system operation and task (process) performance correctness and to evaluate the intensity of distur bances resulting in error s which need to be actively minimized and compensated. The contro l is condu cted according to an algorithm whi ch takes int o account a ll the factor s having a bearing on the functioning of the mechatronic system and on the perfo rmance of the processes. In many cases cont rol functions are carried out intelligently using appropriate AI tools. T he diagnosing of a sin gle mechatronic syste m, whole machines an d processe s, the supervising of the operation of mechatronic systems a nd machines and their diagnosing for service purposes can be made intelligent. Malfunctions of and damage to ma chines during their operation result in high costs of production delays, standstills an d repairs for the users. Therefore it has become necessary to continuou sly monitor machines and processes, forecast disturbances, take measures preventing process quality deterioration and take necessary remedial actio ns based on the fore casts. Such monitoring is more and more often remote and decisions are taken remotely. Eve n service functions are performed remotely. In man y cases it is nece ssary to monitor and service remotely since only the manufacturers of mecha tronic modules and systems have the require d knowledg e to ident ify nonstandard disturbances and their effects and to take service decisions. The task of remote diagnostics is to wirelessly t ransmit (for a short o r considerable distance) diagnostic signals with the require d informational conte nt from the diagnosed object to a near or far receiver, a monitoring station or a monitoring centre. A proper inference system, an intelligent advisory system or an expert will assess the disturbances and will take appropriate service decision s, re motely gene rating forecasts, evaluating the deviations and identifying the degradation of the operating parameters with a required accuracy and probability. The diagnosing system’s response are diagnostic inf erences which are th e basis for taking service decisions. The tasks of a remote servicing system include: - preventing excessive deterioration of mechatronic system (machine and equipment) operating parameters by reducing disturb ances and compensating errors; - predicting excessive errors and defects befor e they occur, whereby remedial action can be t aken in a planned and prepared way to keep adverse economic consequences to minimum (intelligent action); - optimum planning of service tasks for operating periods most convenient to the user. 5 Minos Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook A revolution in remote diagnostics was the de velopment of wireless supply of sensors and wireless reception of their diagnostic signa ls, whereby the measuring systems could be miniaturized, measurements could be improved and the structur e of objects could be penetrated by means of sensors to satisfy diagnostic needs. The connection of senso rs to communication networks has r esulted in almost limitless possibilities of co ntrolling the d iagnosis process using not only single sensors but also groups of sensors. As a re sult, information from sensors ca n be used by control, diagnostic and forecasting systems. This is of great signif icance for th e diagnosis of mechatronic system components and modules. 6 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook 2 Minos Idea, structure and operation of diagnostic system Diagnostics of machines ensures th eir precise and reliable operation. The more complex a machine, its mechatronic system an d the con ducted tech nological pr ocesses are , the larger the number of various disturbances which nee d to be periodi cally or continuously monitored and the err ors they ca use reduced. The high er the precision require d of machines (diagnosed objects), the greater the precision an d reliability of identif ication ( i.e. the greater the precisio n of the se nsors, the processing of diagnostic signals and transmitting them to a monitor, a control system and a diagnostic or service centre) must be. Thus the design or choice of a proper diagnostic system, software and hardware requires extensive knowledge of machine building, the processes involved, the theory and practice o f diagnosis and all d iagnostic system components. Diagnostic complexity a nd precision depends on the effect which the diagnosed parameters of machines have on the latter’s work processes. Typical malfunct ion percentages for a selected machining centre are shown in table 1 and typical quantities to be monitored are presented in Fig. 1. Malfunction location Conveying and feeding objects DNC system Retooling mechanism Tool length setting Machine tool mechanical assemblies Tool damage Workpiece clamping Fine-tuning control Feeding coolant Clamping palettes NC system Problems with chips Hydraulics Other malfunctions Table 1: Share [%] 20.1 18.2 14.6 14.1 12.1 6.8 2.6 1.7 1.7 1.1 0.9 0.9 0.9 4.3 Malfunction percentages for machining centres 7 Minos Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Full diagnostics of such a complex object as an operating machine tool is very difficult and co stly. Sensors f or continuous or period ic monitoring must be permanently installed within the machine tool structure, which is hig hly expensive. The sensors are co nnected by wires and sometimes wirelessly (using proper communication standard) to signal processing circuits. The signals must be explicit, i.e. they should precisely infor m about any changes in the monitored qua ntities and should not be subject t o any interference during their tran smission t o processing circuits. Th e processe d signal is then used in inference which, in a simple case, consists in evaluating t he measured quantity against the value proper for the monitored para meter. The result of inference is t he basis for the formulation of diag nostic conclusions. For complex ph enomena a nd object b ehaviours many diagn ostic signals must be simultaneously evaluated. Such an inf erence process can be highly comp lex and req uire very complex proc edures and algorithms and sometimes artificia l intelligence tools: fu zzy logic, artificial neural networks and expert systems. Also the efficiency of the communic ation system, especially when the diagnosed quantities are critical for system operation reliability (require a quick response), is important. T he further away fro m the signal source the sensor is, the greater the danger that the monitoring system sensitivity may be not high enough and the response time t oo long. In such cases it may become necessary to e mploy measurement amplifiers integrat ed with the sensors, d igital filter s a nd proper signal processing. In this way one can greatly increase the measurement resolution. Tool wear Tool temperature Vibrations Geometry deformation Main drive load Tool chipping Machine force Air temperature and humidity Machine tool temperature Workpiece temperature and geometry Palette clamping force Presence of unmachined workpiece Geometry Guard closing of unmachined workpiece Fig.1: 8 Feed drive load Supply voltage Rotation speed Ball screw forces Spindle torgue Oil feed Oil pressure Oil temperature Air pressure Acoustic emission Clamping pressure Feed force Positioning accuracy Axies and connectors Palette clamping force Typical machining centre quantities requiring monitoring Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Minos The input data for object diagnostics are: - diagnostic signal properties and a cquisition points (sensor locations, the rate of changes and availability for service), - the boundary values of controlled quantities, - dependencies between the gener ated signal and the dist urbances in the performance of an object or a process, - sensors a nd measuring instruments (sensit ivity, complexity, adaptability, numerousness, cost, the degree of automation), - the form of acquired information, - the methods of processing signals, - verification methods, - the method of communicating with receivers, - the strategy of diagnosis, - inference methods. In order to reduce the number of sensors an d the complexity of the signal processing system one should use such sensor s which ca n supply much information about the behaviour of an object. Measurement paths can be much si mplified and diagnostic information more easily acquired if intelligent converters are used. The structure of an intelligen t force converter is shown in Fig. 2. These are usually small-sized units made as MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) microstructures, which include a sensor with a matching digital amplifier and a microprocessor with sto red knowledge for intelligent signal processing. DIN 66348 RS 485 RS 232 Pressure sensor Temp. sensor Fig. 2: Microprocessor Force sensor 2 PC Sampling-storing system a/d converter Force sensor 1 Inputs Outputs, Alarm a/c 5|2|6|9|3 Structure of intelligent force converter 9 Minos Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook The criteria for designing diagnostics are: - diagnostic signal sensitivity to changes in machine/process performance and information capacity, - the degree of machine/process degradation, - the level of service personnel qualifications, - reliability, - operating costs. A typical unit for diagno sing mechanical objects consists of the following assemblies and components: 1. A measuring system (sensors, mat ching systems – respo nsible for energy a nd information matching of signals, diagnostic sockets for retrieving information from the object). 2. Instrumentation amplifiers, a/d conve rters, channel selectors, I/O ports and other. 3. A digital sig nal processor (used for calculating diagnostic symptoms). 4. A decision system (incorporating logic converters, voltage level translators, digital comparators and other). 5. An informat ion display system whi ch decodes information and presents it in the form most convenient for t he user (monitor, printer, analogue indicators, digital indicators and other). 6. An informa tion storag e system (memory: RAM, RAM-DISK, VDISK). 7. Software (operating system, signal processing and analysis, state diagnosis a nd predictio n, functions performed by the diag nostic unit, communication b etween system layers, system ope ration management). 10 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Minos A block diagram of the diagnostic unit is shown in Fig. 3. DIAGNOSTIC UNIT Diagnostic signal sensors Components Diagnostic sockets Diagnostic system Processor Multichannel diagnostic signal converter RAM, RAM-DISK, VDISK System bus Keyboard Fig. 3: Monitor Printer Software Block diagram of microprocessor diagnostic unit 11 Minos 3 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Idea, components and operation of service diagnosing system As opposed to the general diagnosing of the operation of an object and the work pr ocesses the latter carries out, which informs the user if the disturbances are within permissible limits and if sufficient product accuracy is bein g achieved, the purpose of service diagnostics is period ic error correction and planned recovery of the correct operatin g parameters. Service diagnostics consists in tracking the degree of object (machine) degradation in order to apply error correction and compensatio n or carry out a planned and well prep ared repairs during a short standstill at a t ime convenient for the use r. Thus the purpose of service diagnostics is to restore the machine’s operating parameters guaranteeing the desired process (product) accuracy. In order to forecast the degradation of machine components one must probe deeper into the wear processes and the mechanism of change of operatin g parameter values (sympto ms of progressin g damage) than in general diagnostics. This means that in service diagnostics one must apply extensive up-to-date knowledge about the design and operation of th e machine, its precision, disturbances in the precision, error correctio n and compensation methods and repair techn iques and technologies. Service diagnostics capabilities should be generally taken into account already at the machine design stage. This applies particularly to the location in the machine of (intelligent) sensors and components enabling their communication w ith the use r’s or manufacturer’s diagnosticservicing ce ntre. Also at this stage simulations of the dep endencies between diagnostic sign als and defects should be carried out, which will facilitate forecast ing service a ctivities and determining the needs relating to the structure of the measuring systems. The application of knowledge in th is kind of diagnostics involves modelling machine behaviour in the ope rating conditions, modelling error s in the form of simplified functions suitable for periodic supervision and compensation, limited forecasting and modelling permissible deterioration in machine performance and possible types of damage. These are highly complex activitie s and require adequate computer hardware and software and highly qualified designers. In many cases one can use dedicated commercial software and diagnostic modules. A typical graph of mac hine/technological device operating parameter degradation, with the ad missible value and the boundary value of th e measured signal (diagnostic symptom) marked (indicating whether the machine is or is not functional), is shown in Fig. 4. If the symptom exceeds admissible value Ud, this means that the diagnosed device is no longer fully functional bu t it can be o perated for a certain time, i.e. it is still capab le of performing its functions. If t he sympto m e xceeds boundary value U g (which marks t he ultimate date for do ing repairs), this means that it is no longer fit for use. Serviceability and unserviceability areas can overlap to some extent. In th e overlapped area the device is not fully functional but still serviceable (Fig.5). 12 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Minos Signal/symptom Uniserviceable Ug - Boundary value Ug Ud Not fully functional but serviceable Ud - Admissible value Serviceable Structure parameter/technical condition Serviceable Functional Fig.4: Not fully functional Unserviceable Classification of technical condition of machines and devices Functional Serviceability area Not fully functional but serviceable Unserviceable Nonfunctionality area Fig. 5: Areas of technical condition of machines and devices 13 Minos Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook The range in which in t echnical object operatio n is aided with knowledge processing and d iagnostics is show n in Fig. 6. The rang e covers a very wide spectrum of analyses and the use of AI tools. DIAGNOSTIC TASK (real objects) MECHANICAL MODELS (structure and condition characteristics) PHYSICAL MODEL MATHEMATICAL MODEL Qualitative description Explanatory description STRUCTURAL MODEL - wear dynamics HOLISTIC MODEL IDENTIFICATION OF MODELS Quantitative description STRUCTURAL MODEL Types of models: deterministic probabilistic fuzzy - wear evolution SYMPTOM MODEL DIAGNOSTIC MODEL HOLISTIC DIAGNOSTICS ELECTRICAL DIAGNOSTICS Fig. 6: 14 INFERENCE MODELS deterministic probabilistic fuzzy neural ekxpert other SYMPTOM DIAGNOSTICS CRITERIA DIAGNOSIS (current/future) Object diagnostic modelling capabilities division of models accuracy limit states effectiveness other Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Minos The way in which relationships bet ween a symptom and a defect are sought (which is the aim of service diagnostics) is shown in Fig. 7. This requires highly complex operations on models: model reversing, complicated testing of mode ls’ sensitivity to defects, training data generation, creating adaptational models and building diagnostic relations. Thanks to t he use of such simulation techniqu es of acquir ing symptom-defect relations the operators of the device being diagnosed are able to view on the mon itor not only information about the o ccurrence of a failure but also defect identification data. CLASSICAL METHOD DEFECT MODEL SYMPTOM MODEL REVERSAL METHOD SYMPTOM REVERSED MODEL DEFECT Reversal of models by training adaptational systems (dedicated algorithms, artificial neural network) Building object models Testing model’s sensitivity to defect Training data generation Fig.7: Building adaptational models Training adaptational systems Building diagnostic relations Simulation techniques of acquiring diagnostic relations: classical and based on object model reversal methodology 15 Minos 4 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook Developmental trends Remote diagnostics an d servicing have stro ng economic reason s since they contribute to longer prod uct life. The refore attempts to increase product life span will translate into the de velopment of diagnostics and supervision. In addition, as the globalization of manufacturing increases so does its dispersion whereby it becomes n ecessary to employ remote diagnostics an d ser vicing in or der to signif icantly increase the reliability of mechatroni c systems, te chnological processes and the manufactured products. T his means t hat diagnostic system modularity will continue to be devel oped and an ever larger number of diagnostic functions will be carried out by intelligent sensor s. This will naturally be accompanied by the min iaturization of measuring systems and their integration with the processes responsible for signal processing and dia gnostic inference. Also reliable tech nologies for remotely supplying t he systems with powe r and transmitting the information generated in them to a higher decision level – to diagnost ic-servicing centres – will continue to be developed. New, more advan ced communication standards and decision alg orithms aide d with AI to ols will be used for this purpose. The development of remote diagnosing and servicing of machine systems tends towards full coverage of the latter a nd towards total supervision and servicing based on forecasts. 16
