Mechatronika Modul 5: Mechatronikus komponensek

Mechatronika Modul 5: Mechatronikus komponensek Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország

Cser Adrienn Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország

EU-Projekt: 2005-146319 „MINOS“, 2005-2007 Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.

www.minos-mechatronic.eu

A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt • • • • • • • • • • • •

Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország – Projektvezetés Corvinus Egyetem, Informatikai Intézet, Magyarország Stockholm-i Egyetem, Szociológiai Intézet, Svédország Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Henschke Consulting Drezda, Németország Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország Neugebauer und Partner OHG Drezda, Németország Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Lengyelország Euroregionális Ipari és Kereskedelmi Kamara Jelenia Gora, Lengyelország Dunaferr Dunaújváros, Magyarország Knorr-Bremse Kft. Kecskemét, Magyarország Nemzeti Szakképzési Intézet Budapest, Magyarország

Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz • Modul 1: Alapismeretek • Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment • Modul 3: Folyadékok • Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések • Modul 5: Mechatronikus komponensek • Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók • Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice • Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika

További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel.: +49(0)0371 531-23500 Fax: +49(0)0371 531-23509 Email: [email protected] Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos

Tartalom 1

Induktív érzékelők.............................................................................................. 5 1.1 Bevezetés.................................................................................................. 5 1.2 Fizikai alapok ............................................................................................. 6 1.2.1 LC rezonancia .................................................................................... 6 1.2.2 Elektronikus áramkör.......................................................................... 9 1.3 Alapkonstrukció........................................................................................ 10 1.3.1 Működési elv .................................................................................... 10 1.3.2 Redukciós tényezők ......................................................................... 13 1.3.3 Szerelés ........................................................................................... 14 1.4 Speciális szenzorok ................................................................................. 16 1.4.1 Gyűrű-érzékelő................................................................................. 16 1.4.2 Mágneses térre érzéketlen szenzorok.............................................. 17 1.4.3 Különleges körülményekre tervezett szenzorok................................ 18 1.5 Mozgás irányának felismerése................................................................. 19 1.6 NAMUR szenzorok .................................................................................. 20 1.7 Analóg induktív szenzorok ....................................................................... 21 1.8 Egyenáramú készülékek .......................................................................... 22 1.9 Váltóáramú készülékek............................................................................ 23 1.10 Érzékelők összekapcsolása ..................................................................... 24 1.11 Biztonság és védelem.............................................................................. 26 1.12 Busz kapcsolat......................................................................................... 27 1.13 Alkalmazások........................................................................................... 28 2 Kapacitív érzékelők.......................................................................................... 29 2.1 Bevezetés................................................................................................ 29 2.2 Fizikai alapok ........................................................................................... 30 2.3 Alapkonstrukció........................................................................................ 32 2.4 Szenzor típusok ....................................................................................... 35 2.5 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása...................................... 37 2.6 Interferencia kompenzáció ....................................................................... 39 2.7 Alkalmazások........................................................................................... 40 3 Ultrahangos érzékelők ..................................................................................... 42 3.1 Bevezetés................................................................................................ 42 3.2 Fizikai alapok ........................................................................................... 43 3.2.1 Hanghullámok terjedése levegőben ................................................. 43 3.2.2 Környezeti hatások........................................................................... 46 3.2.3 Ultrahang hullám átalakítók .............................................................. 47 3.2.4 Hanghullám létrehozása................................................................... 50 3.3 Az ultrahangos érzékelők működésének elve .......................................... 54 3.3.1 Diffúz sugaras működés................................................................... 56 3.3.2 Átmenő sugaras üzemmód............................................................... 59 3.4 Lehetséges hibák..................................................................................... 61 3.4.1 Fizikai eredetű hibák ........................................................................ 61 3.4.2 Szerelésből adódó hibák .................................................................. 61 3.4.3 Szenzorok szinkronizálása............................................................... 63 3.5 Speciális ultrahangos érzékelők............................................................... 64 3.5.1 Reflexiós érzékelők .......................................................................... 64 3.5.2 Két átalakítós érzékelők ................................................................... 67

3

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ 3.6 Analóg kimenetű érzékelők ...................................................................... 69 3.7 Alkalmazások........................................................................................... 70 4 Fotoelektromos érzékelők................................................................................ 76 4.1 Működési elv............................................................................................ 76 4.2 Fotoelektromos komponensek ................................................................. 78 4.2.1 Fizikai alapok ................................................................................... 78 4.2.2 Fényemittáló elemek ........................................................................ 82 4.2.3 Fénydetektáló elemek ...................................................................... 88 4.3 Alapvető érzékelő típusok ........................................................................ 94 4.3.1 Átmenő sugaras érzékelők............................................................... 94 4.3.2 Retro-reflexiós érzékelők.................................................................. 96 4.3.3 Diffúz sugaras érzékelők .................................................................. 99 4.4 Jelfeldolgozás ........................................................................................ 101 4.4.1 Zavaró hatások .............................................................................. 101 4.4.2 Zavaró hatások kiküszöbölése ....................................................... 103 4.4.3 Működési többlet ............................................................................ 106 4.4.4 Működési távolság ......................................................................... 109 4.4.1 Válaszadási idő .............................................................................. 111 4.5 Speciális érzékelők ................................................................................ 112 4.5.1 Retro-reflexiós polarizált érzékelő .................................................. 112 4.5.2 Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással ...................... 113 4.5.3 Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők ..................................... 117 4.5.4 Optikai szálas érzékelők................................................................. 118 4.6 Csatlakozástechnika .............................................................................. 123 4.6.1 Csatlakozási típusok ...................................................................... 123 4.6.2 Kimenet átváltása........................................................................... 124 4.7 Alkalmazások......................................................................................... 126 5 Mágneses érzékelők...................................................................................... 128 5.1 Alapok.................................................................................................... 128 5.2 Fizikai alapok ......................................................................................... 129 5.2.1 Mágneses mező............................................................................. 129 5.2.2 Reed kapcsoló ............................................................................... 132 5.2.3 Hall effektus ................................................................................... 134 5.2.4 Magnetorezisztív hatás .................................................................. 135 5.2.5 Wiegand effektus ........................................................................... 136 5.3 Reed kapcsolós mágneses érzékelők .................................................... 137 5.4 Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők ......................................... 140 5.5 Speciális mágneses érzékelők ............................................................... 141 5.5.1 Magnetorezisztív érzékelők ............................................................ 141 5.5.2 Wiegand mágneses érzékelők ....................................................... 142 5.5.3 Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel .............................. 144 5.6 Szerelési követelmények ....................................................................... 145 5.7 Alkalmazások......................................................................................... 146

4

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos

1 Induktív érzékelők 1.1 Bevezetés Az induktív érzékelők (szenzorok) az automatizálásban a helyzet és a transzlációs mozgás ellenőrzésére és vezérlésére leginkább elterjedt érzékelők. Sok alkalmazás esetén ez a szenzor a legjobb választás, hiszen egyszerű és kompakt felépítése mellett nagy megbízhatóság és egyszerű beszerelhetőség jellemzi. Az induktív érzékelők olyan jelátalakítók, melyek kimenetük állapotváltozásával jelzik fémes tárgyak jelenlétét érzékelési területükön belül, anélkül hogy direkt kontaktus alakulna ki. Egy induktív szenzor az alábbi alapvető építőelemekből áll: vasmagos indukciós tekercset tartalmazó fej, szinuszos feszültséget kibocsátó jelgenerátor, érzékelő rendszer (komparátor) és egy kimeneti erősítő. A tekercsből és vasmagból álló indukciós rezgőkör egy változó, nagy frekvenciás mágneses teret indukál a szenzor körül. Ez a mező minden, a szenzor közelében található fémes tárgyban örvényáramokat hoz létre. Ezek az örvényáramok az induktív áramkör terheléséhez vezetnek, melynek eredménye a rezgési amplitúdó csökkenése. A változás mértéke a fémes tárgy és a szenzor távolságának függvénye. A szenzor kimenetének megváltozása annak karakterisztikájától függően a fémes tárgy egy adott távolságon belül történő elhelyezkedése esetén következik be. Analóg szenzorok esetén a kimeneti jel szintje fordítottan arányos a tárgy szenzortól való távolságával.

1. ábra: Induktív szenzor működési elve

5

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________

1.2 Fizikai alapok 1.2.1 LC rezonancia Az induktív szenzorok változó mágneses mezejének forrása egy tekercs. Ha a tekercsen átfolyó áram időben változik, a tekercs mágneses fluxusa is változik. Ezek a változások mindig az önindukió jelenségével kapcsolatosak, azaz a tekercs meneteiben keletkező feszültség ellentétesen ható áramot indukál. Párhuzamos rezgőkörök esetén a teljes energiát az indukciós tekercs mágneses mezejének energiája (EL) és a töltött kondenzátor Ec elektromos mezejének energiája (Ec) tárolja. Ezen két energiatag összege tetszőleges időpillanatban állandó, azaz E = EL + Ec = állandó (lásd ábra). Kezdetben az LC kör az L tekercsből és C kondenzátorból álló kör nyitott, és a teljes energiát a töltött kondenzátor fegyverzetei tárolják. A kör zárása után a kondenzátor kisül, tehát áram folyik, melynek értéke nulláról Imax-ig emelkedik. Ekkor a kondenzátor teljes energiáját a tekercs tárolja. Még ha a kondenzátor teljesen ki is sül, a körben az áram továbbra is azonos irányba folyik. Ennek oka a tekercs öninduktanciája, mely fenntartja a csökkenő áramot. Ez az áram feltölti a kondenzátort, tehát az energia ismét itt tárolódik. Amint a kondenzátor töltése eléri annak maximális értékét, az áramkörben megszűnik az áram. A végállapot tehát megegyezik a kiindulási állapottal, eltekintve a kondenzátor ellentétes irányú töltésétől, mely hatására az áram az áramkörben ellentétes irányban folyik majd. Összefoglalva tehát, minden LC körben a kondenzátorban elektromos, a tekercsben pedig mágneses rezgés keletkezik. Valós LC-körökben a tekercs és a kondenzátor saját ellenállása következtében mindig fellép energiaveszteség. Ennek következtében egy RLC ellenállású áramkör rezgései csillapítottak (azaz csökkennek). A rezgést külső szinuszos jelgenerátor segítségével lehet fenntartani. A rezgés amplitúdója ekkor maximális, ha a fenntartó külső forrás frekvenciája megegyezik a csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciájával.

6

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos

f = f0 =

1 2π LC

[Hz]

ahol: f f0 L C

külső szinuszos forrás frekvenciája, csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciája induktivitás [Henry] kapacitás [Farad]

A fenti egyenlet az áramkör feszültség vagy áram rezonancia feltétele. A rezgés amplitúdója annál nagyobb, minél nagyobb az adott áramkör jósági tényezőa.

I

L

I EL-

++

L

--C

EL=0 EC=E

C

+

-

L

I

+

EC-

EL-

EC-

L

C

L

EL=E EC=0

t

-C

-++

C

EL=0 EC=E

2. ábra: LC-kör rezgése

a)

b)

c)

LC L

RLC L C

R

RLC C

G

R

L C

3. ábra: LC- és RLC-körök rezgése: a) csillapítatlan LC-kör; b) RLC-kör külső forrás nélkül; c) RLC-kör külső szinuszos forrással

7

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A Q jósági tényező az L és C elemek által létrehozott veszteségek mértéke, melyeket a párhuzamos R ellenállás jelképez. Veszteségmentes áramkörben rezonancia esetén az R ellenállás végtelen lenne. Minél nagyobb az áramkör ellenállása, annál nagyobb a párhuzamos ellenállás, tehát annál nagyobb a jósági tényező is.

Q=

8

R 2πfL

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos

1.2.2 Elektronikus áramkör Egy tekercsből és egy kondenzátorból álló rezonancia körrel rendelkező generátor rezgésének fenntartására műveleti erősítőket vagy tranzisztorokat használunk. A rezgés beindulásához két független feltételnek kell teljesülnie: a fázis és az amplitúdó feltételnek. A fázis feltétel szerint a kimeneti feszültség fázisának meg kell egyeznie a bementi feszültség fázisával. Az amplitúdó feltétel szerint az erősítőnek az összes, a rezgőkörben fellépő csillapítási veszteséget kompenzálnia kell. Ebben az esetben egyedül a generátor közli a kimenet rezgését fenntartó jelet. Egy tekercset és kondenzátort tartalmazó rezgőkörben feszültség és áram rezgések is keletkeznek. A rezgőkörbe bevezetett áram energiájának egy része a kondenzátor töltésére és így a rezgés fenntartására szolgál. A rendelkezésre bocsátott és a veszteségi energia egyensúlyának beállta után az LC-körben folyó áram amplitúdója nem változik, így a rezgés csillapítatlanná válik. Ilyen generátort ábrázol az alábbi ábra a) része. A kimenő jel szintje a rezgőkör Q jósági tényezőának függvénye. A jósági tényező alacsony értéke számottevően csökkenti az elektronikus áramkör kimeneti jelét. LC-generátorokat a néhány tíz kHz-et meghaladó frekvenciájú rezgések keltésére használjuk. Kisebb frekvenciák esetén a szükséges önindukciós tényező (L) értéke túl nagy, mely a tekercs túlzottan nagy méretét vonná maga után. a)

+U

b)

UD

UD C1 C2

L

Q=10

Q=1 1

2

3

ω ω0

4. ábra: a) LC-generátor a csillapítást kompenzációs erősítővel; b) kimeneti jel szintje különböző Q értékek esetén

9

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________

1.3 Alapkonstrukció 1.3.1 Működési elv Az induktív szenzor aktív része egy vasmagra tekert, változó mágneses terű tekercs. A mag szerepe nyitott mágneses kör esetén a tekercs mágneses mezejének felerősítése, és annak a mérési terület felé irányítása. A mágneses mező változása mindig elektromos mező keletkezését vonja maga után (örvényáram). Ha a változó mágneses mezőben egy vezető jelenik meg, az elektromos mező erővonalai mentén örvény mágneses mező keletkezik (l. ábra). Ez a mező ellentétes a tekercs mágneses mezejével, és elveszi a rezonancia-kör energiájának egy részét. Ez azt jelenti, hogy a rezonancia-kör veszteségeiben változás lép fel, ami befolyásolja a jósági tényezőt és a rezgés amplitúdója csillapodik. A csillapítás addig lép fel, amíg a vezető tárgy ki van téve a tekercs mágneses mezejének. Ha a tárgyat eltávolítjuk a mezőből, a rezonancia csillapítása megszűnik, és a rezgés amplitúdója visszatér kiindulási értékére.

5. ábra: Fémes tárgy a vasmagos tekercs mágneses mezejében

10