Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007

Transkrypt

1 Mechatronika Moduł 5: Komponenty mechatroniczne Podręczniki (Koncepcja) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politechnika Wrocławska, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Wrocław, Polska Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007 Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemysłowej. Ten projekt został zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlają jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialności za umieszczoną w nich zawartość

2 Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS** project. - hemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke onsulting, Germany - orvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, zech Republic - Imargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, zech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., zech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt hemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - hristian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Zawartość Szkolenia Minos: moduły 1 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/ ogistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka Minos **: moduły 9 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach: Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, zeski, Węgierski i Niemiecki W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z hemnitz University of Technology Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, hemnitz phone: + 49(0) fax: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de or

3 Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Minos Spis treści: 1 zujniki indukcyjne Informacje podstawowe Podstawy teoretyczne Układ rezonansowy Układ elektroniczny Konstrukcja podstawowa Zasada pracy Współczynniki korekcyjne Sposób zabudowy zujniki specjalne zujniki indukcyjne pierścieniowe zujniki pracujące w silnym polu elektromagnetycznym zujniki pracujące w trudnych warunkach Rozpoznawanie kierunku ruchu zujniki NAMUR Analogowe czujniki indukcyjne Zasilanie prądem stałym Zasilanie prądem przemiennym (A) Zasady łączenia czujników Zabezpieczenia i bezpieczeństwo czujników Podłączanie czujników do sieci komunikacyjnych Aplikacje zujniki pojemnościowe Informacje podstawowe Podstawy teoretyczne Zasada działania czujnika pojemnościowego Typy czujników pojemnościowych Materiał obiektu Kompensacja zakłóceń

4 Minos Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 2.7 Aplikacje zujniki ultradźwiekowe Informacje podstawowe Podstawy teoretyczne Rozchodzenie się fal dźwiękowych w powietrzu Wpływ środowiska Przetworniki fali ultradźwiekowej Wytwarzanie fali ultradźwiękowej Zasada pracy czujnika ultradźwiekowego Tryb dyfuzyjny Tryb przelotowy Zakłócenia pracy czujników zynniki fizyczne zynniki montażowe Synchronizacja czujników Specjalne czujniki ultradźwiękowe zujnik refleksyjny zujniki z dwoma przetwornikami w jednej obudowie zujniki z wyjściem analogowym Aplikacje zujniki fotoelektryczne harakterystyka konstrukcji Elementy fotoelektryczne Podstawy fizyczne Światło Własności światła Fotoemitery Diody elektroluminescencyjne (ED) Diody laserowe (D) Fotodetektory Fotodiody Fotodetektory liniowe PSD Fotodetektory liniowe D Fototranzystory Podstawowe rodzaje czujników zujnik przelotowy zujniki refleksyjne

5 Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Minos zujniki dyfuzyjne Przetwarzanie sygnału Źródła zakłóceń interferencyjnych Zapobieganie interferencji Modulacja światła Polaryzacja światła Margines działania Odległość robocza zas reakcji Specjalne rodzaje czujników zujniki refleksyjne z polaryzacją światła zujniki dyfuzyjne z eliminacja wpływu tła i pierwszego planu zujniki refleksyjne z autokolimacją zujniki ze światłowodami Światłowody Zasada działania Technika połączeń Typy połączeń Przełączanie wyjścia czujnika Aplikacje zujniki magnetyczne Informacje podstawowe Podstawy teoretyczne Pole magnetyczne Kontaktron Efekt Halla Efekt magnetorezystancyjny Efekt Wieganda zujniki magnetyczne z kontaktronem zujniki magnetyczne z hallotronem zujniki magnetyczne specjalne zujniki magnetorezystancyjne zujniki magnetyczne Wieganda zujniki magnetyczne z magnesem Warunki zabudowy Aplikacje

6 Minos Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1 zujniki indukcyjne 1.1 Informacje podstawowe zujniki indukcyjne stanowią najpopularniejszą grupę czujników stosowanych w układach automatyki. Wykorzystywane są one do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Ich prosta i zwarta konstrukcja, duża pewność i niezawodność działania oraz łatwy montaż sprawia, że są chętnie stosowane. zujniki te reagują, na pojawienie się przedmiotów metalowych w strefie ich działania, przełączeniem stanu wyjścia czujnika lub zmianą wartości sygnału wyjściowego. Podstawowymi składnikami czujnika indukcyjnego są (rys.1.1): głowica zawierająca cewkę indukcyjną z rdzeniem ferrytowym, generator napięcia sinusoidalnego, układ detekcji (komparator) i wzmacniacz wyjściowy. Obwód indukcyjny składający się z cewki i rdzenia ferrytowego wytwarza wokół czoła czujnika zmienne pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości. Pole to indukuje prądy wirowe w metalu zbliżanym do czujnika, co z kolei powoduje obciążenie obwodu indukcyjnego i w efekcie spadek amplitudy oscylacji. Wielkość tych zmian zależy od odległości przedmiotu metalowego od czoła czujnika. Przełączenie wyjścia następuje po zbliżeniu metalu na określoną odległość, wynikającą z charakterystyki czujnika. W czujnikach z wyjściem analogowym poziom sygnału wyjściowego jest odwrotnie proporcjonalny do odległości obiektu od czujnika. OBIEKT GŁOWIA ZUJNIKA UKŁAD GENERATORA UKŁAD DETEKJI UKŁAD WYJŚIOWY Rys. 1.1: Budowa czujnika indukcyjnego 6

7 Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Minos 1.2 Podstawy teoretyczne Układ rezonansowy Źródłem zmiennego pola magnetycznego w czujnikach indukcyjnych jest cewka indukcyjna. Jeżeli prąd przepływający przez cewkę zmienia się w czasie, to strumień magnetyczny w cewce też jest zmienny. Zmianom tym towarzyszy zawsze zjawisko samoindukcji tzn. powstawanie dodatkowego napięcia w zwojach cewki, przeciwdziałającego zmianom prądu. W elektrycznych układach rezonansowych całkowita energia jest zgromadzona w postaci energii pola magnetycznego E cewki indukcyjnej i energii pola elektrycznego naładowanego kondensatora E c. W każdej chwili suma tych energii jest taka sama tzn. E = E + E c = const. (rys. 1.2). W początkowej fazie obwód, składający się z cewki i kondensatora jest otwarty, a cała energia zmagazynowana jest na okładkach naładowanego kondensatora (1). Po zamknięciu obwodu kondensator zaczyna się rozładowywać i w obwodzie rozpocznie płynąć prąd I zmieniając swoją wartość od zera do I max. ała energia kondensatora zostanie zmagazynowana w cewce (2). Pomimo, że kondensator jest już całkowicie rozładowany prąd dalej płynie w obwodzie, w tym samym kierunku. Jego źródłem jest zjawisko samoindukcji w cewce, które podtrzymuje słabnący prąd. Ten prąd ładuje kondensator, więc energia jest ponownie przekazywana do kondensatora. Gdy ładunek na kondensatorze osiąga maksimum prąd w obwodzie całkowicie zanika (3). Stan końcowy jest więc taki jak początkowy tylko kondensator jest naładowany odwrotnie i prąd w obwodzie popłynie w przeciwnym kierunku. W obwodzie występują zatem oscylacje pola elektrycznego w kondensatorze i oscylacje pola magnetycznego w cewce. I I + - I - + t E- E- E- E E=0 E=E E=E E=0 E=0 E=E Rys. 1.2: Oscylacje w obwodzie 7

8 Minos Komponenty mechatroniczne - Podręcznik W rzeczywistych obwodach występują zawsze dodatkowe straty energii, związane z własną rezystancją cewki i kondensatora. Z powodu tych strat oscylacje obwodu z rezystancją R będą tłumione (zanikające) (rys. 1.3). Oscylacje obwodu można podtrzymać, zasilając go z zewnętrznego źródła napięciem sinusoidalnym. Maksymalna amplituda oscylacji wystąpi, gdy częstotliwość źródła podtrzymującego będzie równa częstotliwości własnej nietłumionego obwodu. f = f = 1 0 2π [Hz], gdzie: f częstotliwość zewnętrznego źródła sinusoidalnego, f 0 - częstotliwość własna nietłumionego obwodu, indukcyjność [Henr], pojemność [Farad]. Jest to warunkiem wystąpienia rezonansu napięć lub prądów w obwodzie. Maksimum amplitudy oscylacji w obwodzie jest tym wyższe im większa jest wartość współczynnika dobroci obwodu. Współczynnik dobroci Q jest miarą strat powstających w elementach i, reprezentowanych przez rezystancję równoległą R. Bezstratny obwód miałby w warunkach rezonansu, nieskończenie dużą rezystancję równoległą R. Im większe są straty w obwodzie tym rezystancja równoległa jest mniejsza, a tym samym współczynnik dobroci też jest mniejszy. Q = R 2πf a) b) c) R R R G R Rys. 1.3: Oscylacje obwodów i R: a) obwód nietłumiony, b)obwód R bez źródła zewnętrznego, c) obwód R zasilany sinusoidalnym źródłem zewnętrznym 8

9 Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Minos Układ elektroniczny W generatorach zawierających układ rezonansowy, składający się z cewki i kondensatora, dla podtrzymania oscylacji stosuje się wzmacniacze operacyjne lub tranzystory. Dla wystąpienia oscylacji wymagane jest spełnienie niezależnie dwóch warunków: fazy i amplitudy. Warunek fazy wymaga, aby napięcie wyjściowe było w fazie z napięciem wejściowym. Warunek amplitudy wymaga, aby wzmacniacz całkowicie kompensował tłumienie wprowadzane przez obwód rezonansowy. W takim przypadku generator sam dostarcza na wejście sygnał podtrzymujący oscylacje. Spełnienie warunku fazy i amplitudy osiąga się przez odpowiedni podział obwodu lub poprzez sprzężenie transformatorowe. Oscylacje napięcia i prądu wytwarzane są w układzie rezonansowym zawierającym cewkę i kondensator. Prąd doprowadzany do obwodu przekazuje mu część swej energii - doładowując kondensator, a tym samym podtrzymując wzbudzane w tym obwodzie oscylacje. Po ustaleniu się równowagi energii dostarczanej i traconej, amplituda prądu płynącego w obwodzie nie zmienia się i jego drgania stają się niegasnącymi. Przykład takiego układu generatora przedstawia Rys. 1.4a. Poziom sygnału wyjściowego zależy od współczynnika dobroci Q układu rezonansowego. Mała dobroć istotnie zmniejsza sygnał wyjściowy z układu elektronicznego (rys. 1.4.b). Generatory są stosowane do generowania przebiegów o częstości większej od kilkudziesięciu kiloherców. Przy mniejszych częstotliwościach wymagana jest zbyt duża wartość indukcyjności obwodu rezonansowego. Trudno wówczas uzyskać dużą dobroć obwodu, a cewki osiągają duże wymiary. a) b) +U U D U D Q= Q= ω 0 Rys. 1.4: Układ elektroniczny: a)generator ze wzmacniaczem kompensującym tłumienie w obwodzie, b) poziom sygnału wyjściowego dla różnych wartości Q 9

10 Minos Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.3 Konstrukcja podstawowa Zasada pracy zęść aktywna czujnika indukcyjnego zawiera cewkę nawiniętą na ferrytowym rdzeniu kubkowym, wytwarzającą zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika. Zmianom pola magnetycznego towarzyszy zawsze powstanie pola elektrycznego (wirowego), gdy w tym zmiennym polu znajdzie się przewodnik. Wokół linii pola elektrycznego pojawi się pole magnetyczne wirowe (rys. 1.5). Przeciwdziała ono polu magnetycznemu cewki, odbierając część energii z obwodu rezonansowego. Jest to równoznaczne ze zmianą strat w obwodzie rezonansowym, co powoduje pogorszenie jego dobroci. Skutkuje to tłumieniem amplitudy oscylacji. Tłumienie amplitudy utrzymuje się przez cały czas przebywania obiektu przewodzącego w strefie działania pola magnetycznego cewki. Po usunięciu przedmiotu tłumienie obwodu rezonansowego zanika i amplituda oscylacji powraca do wartości początkowej. Obiekt przewodzący Pole magnetyczne prądów wirowych Pole magnetyczne cewki Uzwojenia cewki Amplituda Amplituda Rdzeń ferromagnetyczny zas zas Rys. 1.5: 10 Obiekt metalowy w polu magnetycznym cewki z rdzeniem ferrytowym Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki, na podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy. Najczęściej jest to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasięgu czujnika