Mechatronika Modul 6:
Mechatronikus Rendszerek és funkciók
Oktatói segédlet (Elképzelés) Készítették: Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország
Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország
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 rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet _____________________________________________________________Minos
1 Induktív érzékelők 1.1 Alapkonstrukció 1. Feladat
Hogyan épül fel az induktív érzékelő aktív része? 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. Az induktív érzékelő hogyan határozza meg a tekercs és a detektált tárgy távolságát? A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján határozza meg a tárgytól való távolságot, majd létrehozza a kimeneti jelet. A kimeneti jel általában kétállapotú: a tárgy a szenzor munkaterületén belül vagy kívül helyezkedik el. Előfordulhat azonban analóg jel is, mely fordítottan arányos a tárgynak a szenzortól mért távolságával. Mi a hiszterézis? A hiszterézis az a távolság különbség, mely esetén a szenzor közeledő és távolodó tárgyak esetén reagál. A szenzor állapota ekkor KI-ről BE-re változik, vagy fordítva (l. ábra). A hiszterézis mértéke a szenzor típusától és méretétől függ, de általában nem haladja meg a mérési tartomány 20%-át. Miért előnyös, ha az induktív szenzor hiszterézises? A detekciós rendszer mellett az érzékelő elektromos rendszere egy hiszterézises komparátorból és a kimeneti rendszerből áll. A hiszterézisnek köszönhetően a szenzor kimenetén esetlegesen fellépő interferencia elkerülhető. Interferencia legnagyobb valószínűséggel kapcsoláskor lép fel, mégpedig a detektálandó tárgy instabil helyzete, vibrálása, illetve a tápfeszültség és/vagy a környezeti hőmérséklet változása esetén Adja meg az tartományát!
induktív
érzékelő
működési
frekvencia-
Az induktív szenzorok változó mágneses teret létrehozó LCgenerátora nagyfrekvenciás (HF) generátorok, melyek tipikus tartománya 100 kHz és 1 MHz között van. A tekercs átmérőjének növelésével nő a szenzor maximális terhelési áram kapacitása, azonban csökken a működési frekvencia.
3
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet Minos_________________________________________________________ Mekkora az induktív érzékelő működési távolsága, és milyen házakba épül be? Az átlagos induktív szenzorok mérési területe nem haladja meg a 60 mm-t. A szenzorok háza eltérő lehet, léteznek hengeres (fém) és prizmás (műanyag) házak, így a szenzor a működési helyén optimálisan installálható. Hogy definiáljuk az érzékelő névleges érzékelési távolságát? A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (Sn) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban. Az érzékelő névleges érzékelési távolsága mely tárgyra van meghatározva? A névleges érzékelési távolság (Sn) értékét az EN 60947-5-2 szabvány szerint egy négyzet alakú acél lemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, és vastagsága 1 mm. Mi a valós érzékelési távolság? A valós érzékelési távolságot (Sr) a gyártás során határozzák meg, és némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. A A névleges érzékelési feszültség és a nominális környezeti hőmérséklet esetén ez 0,9 Sn ≤ Sr ≤ 1,1 Sn. Mi szenzor működési távolsága? A működési távolság a fémes tárgytól való azon biztonságos távolságnak felel meg, mely esetén a hibátlan működés garantálható. Az ajánlott működési távolság Sa≤ 0,8 Sn. Milyen elemek befolyásolják az induktív érzékelő működési tartományát? A szenzor névleges érzékelési távolsága függ a ház átmérőjétől, pontosabban a tekercs átmérőjétől és a mag tulajdonságaitól. Így tehát a kisebb házba beépített szenzorok működési tartománya kisebb, mint a nagyobb méretű szenzoroké. Léteznek azonban speciális szenzor kivitelezési típusok, melyek növelik a működési tartományt. Induktív érzékelők esetén milyen szerepe van a redukciós tényezőnek? A detektált tárgy az áramkör rezonanciáját anyagától függő mértékben csillapítja. Az arany, réz vagy alumínium, melyek elektromos vezetőképessége nagyobb az St37–es acélé, a rezgést kisebb mértékben csillapítják.
4
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet _____________________________________________________________Minos Ez az érzékelési tartomány csökkenését okozza. Ha például a detektált tárgy bronz, az St37–es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével kell módosítani: 0,5 × Sn. Az érzékelő kialakítása érzékenységét?
hogyan
befolyásolja
annak
Hengeres házban két alaptípus létezik: - Árnyékolt: a rezonáns áramkör induktív tekercse egy köpenyen belül helyezkedik el, mégpedig úgy, hogy a köpeny fémes felülete a szenzor frontális része. - Árnyékolatlan: A tekercs kinyúlik a házból, és egy kiegészítő műanyag sapka árnyékolja. A kinyúló tekercses szenzorok érzékenysége a detektálandó tárgy irányába nagyobb, azonban ezáltal a környező más tárgyakat is jobban érzékeli. Milyen szabályokat érdemes betartani az egymáshoz közel levő árnyékolt érzékelők felszerelésekor? Az árnyékolt hengeres szenzor nem érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, csak a közvetlenül előtte elhelyezett tárgyakat észleli. Ennek eredményeként ezeket a szenzorokat fémes elemek közé is beszerelhetjük. A szenzor frontális felületétől számítva a szabad tartomány 3Sn.kell legyen Két, egymáshoz közel elhelyezkedő szenzor kölcsönös egymásra hatásának elkerülésére a köztük levő távolság legyen legalább az egyik szenzor átmérőjének kétszerese. Milyen szabályokat érdemes betartani az egymáshoz közel levő árnyékolatlan érzékelők felszerelésekor? Az árnyékolatlan hengeres szenzor érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, tehát a szabd terület oldalirányba is kiterjed, itt sem helyezkedhet el más tárgy. Az interferencia elkerülése végett a két szenzor távolsága itt legalább az átmérő háromszorosa legyen. Mit értünk az érzékelő kimenetének maximális átváltási frekvenciáján ? Minden szenzor műszaki dokumentációja nyújt információt a kimenet maximális átváltási frekvenciáját illetően, mivel ez az adott szenzor jellemzője. A szenzor kimeneti állapotának átváltását jellemzi, ha egy St37-es acélból készült tárgy ciklikusan be- majd kilép az érzékelési távolságból. A frekvencia meghatározása az EN 50 010/IEC 60947-5-2 szabvány alapján történik.
5
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet Minos_________________________________________________________ A szabványos laptól eltérő tárgyak esetén milyen maximális átváltási frekvencia értékekre számíthatunk? A mérés eredménye mindig függ a tekercset csillapító tárgy méretétől, annak a szenzortól való távolságától és a tárgy sebességétől. A standard lemeznél kisebb tárgy vagy kisebb tárgyak közötti távolság esetén a maximális átváltási frekvencia csökkenése várható.
1.2 Speciális szenzorok 2. Feladat
Ismertesse a gyűrű érzékelők működésének elvét! Az induktív gyűrű-érzékelők működése egy nagy frekvenciás generátoron alapszik, mely a furaton belül mágneses teret hoz létre. A tekercs toroid nagy teljesítményű maggal rendelkezik, mely minőségi faktora jobb, mint a vasmagos tekercseké. Tetszőleges fémes tárgy jelenléte a rezgések amplitúdójának csökkentésén keresztül aktiválja a szenzort. Az amplitúdócsökkenést egy komparátor ismeri fel, ami a küszöb érték átlépésekor átváltja a kimeneti állapotot. Léteznek korlátozások a gyűrűs érzékelők által észlelhető tárgyak méretére vonatkozólag? A szenzor aktiválásához a csillapítás egy adott szintje szükséges. Ha a detektálandó tárgyak túl kicsik, elképzelhető, hogy a csillapítás mértéke is túl csekély lesz. Érthető tehát, hogy minden szenzorméret esetén létezik egy minimális hossz vagy átmérő, ami felett a detektálandó tárgy biztos felismerése garantálható. Léteznek korlátozások a gyűrűs érzékelők által észlelhető tárgyak pályájára vonatkozólag? A gyűrű-érzékelő előnye, hogy a detektálandó tárgyak mozgása pályájának nem kell szükségszerűen azonosnak lenniük. A gyűrű kialakítás lehetővé teszi a térbeli orientációtól független érzékelést. Milyen negatív hatással lehetnek az erős mágneses terek az induktív érzékelők működésére? Az érzékelők erős mágneses mezőben (például hegesztő berendezések közelében) való felszerelése a kimenti állapot ellenőrizhetetlen viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatás a következménye. A keletkező plusz áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet.
6
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet _____________________________________________________________Minos Hogyan védhetjük az induktív érzékelőket az erős mágneses terekkel szemben? A hibás működés elkerülése érdekében ezek az érzékelők különleges elektronikus áramkörrel és kis mágneses permeabilitású maggal rendelkeznek. Az ilyen, speciális szinterelt vasból készült magokat csak a tipikus vasmagokénál sokszorosan sűrűbb mágneses mező szaturál. Tehát az ilyen maggal rendelkező szenzorok sokkal kevésbé érzékenyek a külső interferenciára, mivel saját mágneses terük koncentrált és irányított. A külső mágneses mezőkkel szemben a mag nélküli szenzorok a legkevésbé érzékenyek. Itt a tekercs nem-mágneses, műanyag orsóra van feltekerve. Hogyan védjük az ívhegesztő berendezések közelében működő az induktív érzékelőket? A hegesztési folyamat alapvetően sok szikrával jár, mely károsíthatja az érzékelő házát, valamint az aktív felületet. A szikrák miatt az ilyen alkalmazásokra tervezett szenzorok Teflon® bronz bevonatúak, első felületük pedig hőálló műanyaggal (Duraplast® ) védett. Nevezzen meg néhány különleges működési körülményre tervezett érzékelő típust! Léteznek nagy nyomás, magas hőmérséklet, kémiailag agresszív környezet, olaj, nagy páratartalom esetére tervezett, vagy miniatűr érzékelők is. Milyen jellemzőkkel kell rendelkezniük a magas nyomáson működő induktív érzékelőknek? Nagy nyomású környezetben működő szenzorok felépítésének a belső elektronika védelme érdekében robusztusnak és jól tömítettnek kell lennie. A tekercset és a magot a frontális oldalát egy vastag, kopásálló kerámia korong védi. A tekercs védelmére egy kicsit hátrébb helyezkedik el ezáltal a lecsökken a működési tartomány. Ennek kiküszöbölésére egy módosított, nagyobb működési tartományt biztosító áramkörre van szükség. Mutassa be a NAMUR induktív érzékelők működésének elvét! A NAMUR induktív szenzorok olyan két vezetékes érzékelők, melyek belső ellenállása fémes tárgy érzékelésekor megváltozik: a „nincs fémes tárgy” helyzethez kicsi, a „fémes tárgy detektálva” helyzethez pedig nagy ellenállás tartozik. Ezek az érzékelők külső erősítőkkel működnek. A NAMUR induktív érzékelők egy részlegesen csillapított tekerccsel rendelkező oszcillátorból és egy demodulátorból állnak. A detektált tárgy és a szenzor távolságának változása a
7
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet Minos_________________________________________________________ kiadott áram változásává alakul, melyet a külső erősítő kétállapotú jellé alakít. Sorolja fel a NAMUR induktív érzékelők fő jellemzőit! A NAMUR induktív érzékelők kimeneti jelei szigorúan meghatározott tartományban mozoghatnak. AZ EN 60947-5-6 (korábban EN 50227) szabvány szerint ez a tartomány 1,2 mAtől 2,1 mA-ig terjed. Minden DC erősítőről táplált NAMUR érzékelő áramkarakterisztikája megegyezik, és a szigorúan meghatározott átváltási hiszterézis 0,2 mA. A NAMUR induktív érzékelők milyen működési körülmények között használhatóak? A NAMUR szenzorok robbanásveszélyes környezetben csak szikraálló jelváltó erősítővel használhatók. Lehetséges a szenzor biztonsági előírásoknak nem megfelelő erősítővel való használata is, ám ekkor az erősítőnek a veszélyes tartományon kívül kell elhelyezkednie. Mi a különbség az analóg kimenetű és a kétállapotú érzékelők között? A kétállapotú érzékelők csak a céltárgy jelenlétét vagy hiányát érzékelik. Ezzel szemben az analóg szenzorok a céltárgy elhelyezkedését is érzékelik. Egy tárgy távolságának Sn-ről nullára változása a kimeneti jel 0-ról 20 mA-re való változásának felel meg. Mutassa be az induktív analóg érzékelők felépítését! Az induktív analóg érzékelők egy tekercset tartalmazó fejből, egy generátorból, egy linearizációs rendszerből és egy kimeneti rendszerből állnak.
1.3 Érzékelők kapcsolása és tápellátása 3. Feladat
Az egyenfeszültség mekkora ingadozása megengedhető induktív érzékelők esetén? Az egyenáramú érzékelők általában adapterek segítségével működnek, melyek kimeneti feszültsége fluktuál. A feszültség értékének túl nagy fluktuációja az induktív szenzorok váratlan viselkedéséhez vezethet. A hibátlan működés biztosítása érdekében a tápfeszültség változása nem haladhatja meg az átlagérték 10%-át.
8
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet _____________________________________________________________Minos Hogyan védjük a szenzort a tápfeszültség hirtelen csúcsai ellen? Az ilyen csúcsok elkerülése végett a stabilizált adapterek, vagy egy nagyobb jelsimító kondenzátor használata javasolt. Mi a különbség az NO és NC típusú érzékelők között? Mindkét típusú kimenet esetén rendelkezésre áll a NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. Az NO típus esetén a szenzor az áramot bekapcsolja, az NC típus pedig ki. Mi határozza meg a maximálisan sorba kapcsolható érzékelők számát? A sorba kapcsolt szenzorok maximális száma a tápfeszültség nagyságától, az érzékelők kimenetén lévő feszültségeséstől és a kapcsolódó terhelés paramétereitől függ. A szenzorok kimenetén lévő feszültségeséssel csökkentett tápfeszültség értékének mindig meg kell haladnia a kapcsolódó terhelés minimális működési feszültségét. Lehetséges a váltófeszültségű érzékelők közvetlenül a hálózati feszültségre történő csatlakoztatása? A váltóáramú érzékelőket nem szabad közvetlenül rákapcsolni az AC adapterre sem, ez ugyanis a szenzor belső áramköreit károsítaná. A váltóáramú érzékelőket az RL terhelő ellenállással sorba kell kapcsolni.
1.4 Biztonság és védelem 4. Feladat
Az egyenfeszültségű érzékelők kimenetei mely nem-kívánatos hatásoktól védettek? A legtöbb egyenáramú érzékelő esetén a kimenetek az alábbi negatív következményekkel járó események ellen védettek: - a tápfeszültségre történő téves irányú csatlakoztatás - a kikapcsolást követő túlfeszültség a kimeneten - rövid és nem-ciklikus impulzusok a tápvezetéken keresztül - túlzott kimeneti áram és rövidzárlat A DC érzékelők kimenetének veszélyezteti a szenzor működését?
esetleges
rövidzárlata
Az egyenáramú szenzorok elektromos áramköreinek rövidzárlata magát a szenzort nem károsítja, még ismételt és tartós esetben sem, mivel a rövidzárlat alatt a szenzor diódái kikapcsolt állapotban vannak. A rövidzár kiküszöbölése után az érzékelő hibátlanul működik.
9
Mechatronikus rendszerek és funkciók – Oktatói segédlet Minos_________________________________________________________ Mikor szükséges az érzékelő árnyékolásának földelése? Fém házban található érzékelők esetén, amennyiben azok tápfeszültsége az emberre veszélyes, földelésre van szükség. Milyen óvintézkedéseket kell tennünk az érzékelő elektromos áramköreiben fellépő szivárgási áramok kiküszöbölésére? Ha egy közelítéskapcsoló KI állapotban van, az áramkörben szivárgási áram jelenik meg, mely az érzékelő hibás működését eredményezheti. Ennek elkerülése végett egy további Rp ellenállást kapcsolunk párhuzamosan magával a terheléssel. Ez az ellenállás ekkor felveszi a szivárgási áramot, mivel ennek értéke kisebb, mint az ellenállás működéséhez szükséges áram.
10
