Mechatronika Modul 5: Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet (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: wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch
Minos 1 Induktív érzékelők 1.1 Fizikai alapok 1. Feladat Induktív érzékelők esetén mi hozza létre a változó mágneses teret? Az induktív szenzorok változó mágneses mezejének forrása egy induktív tekercs. Ha a tekercsen átfolyó áram időben változik, a tekercs mágneses fluxusa is változik. Hogyan változik az LC rezgőkörökben tárolt energia? Elektromos rezgőkörök esetén a teljes energiát az indukciós tekercs mágneses mezejének energiája és a töltött kondenzátor elektromos mezejének energiája tárolja. Ezen két energiatag összege tetszőleges időpillanatban állandó. Kezdetben a teljes energiát a töltött kondenzátor fegyverzetei tárolják. A kör zárása után a kondenzátor kisül, így áram folyik. Ekkor a kondenzátor teljes energiáját a tekercs tárolja. Hogyan keletkezik az oszcilláció az LC rezgőkörben? Az LC rezgőkör oszcillációjának oka az önindukció, 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. Hogyan tartható fenn az oszcilláció? A rezgést külső szinuszos jelgenerátor segítségével lehet fenntartani. Milyen feltételeknek kell teljesülniük ahhoz, hogy az LC-körben áram vagy feszültség rezonancia alakuljon ki? Rezonancia akkor alakul ki, ha a fenntartó külső forrás frekvenciája megegyezik a csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciájával. Milyen feltételeknek kell teljesülniük ahhoz, hogy az LC-körben rezgések alakuljanak ki? 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 3
Minos 1.2 Alapkonstrukció az összes, a rezgőkörben fellépő csillapítási veszteséget kompenzálnia kell. 2. 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 tárgy 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. 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 induktív érzékelő működési frekvenciatartományát! Az induktív szenzorok változó mágneses teret létrehozó LCgenerátora nagyfrekvenciás (HF) generátor, mely 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. 4
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 működésének helyén optimálisan installálható. Hogy definiáljuk az érzékelő névleges érzékelési távolságát? A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (S n ) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban. Az érzékelő névleges érzékelési távolsága mely tárgyra van definiálva? A névleges érzékelési távolság (S n ) értékét az EN 60947-5-2 szabvány szerint egy négyzet alakú acél lemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, vastagsága 1 mm. Mi a valós érzékelési távolság? A valós érzékelési távolságot (S r ) a gyártás során határozzák meg, és némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. Néveleges működési feszültség és nominális környezeti hőmérséklet esetén 0,9 S n S r 1,1 S n. 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 S a 0,8 S n. Milyen faktorok 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 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 szerepet játszik a redukciós tényező? A detektált tárgy az áramkör rezonanciáját anyagától függő mértékben csillapítja. Az arany, réz vagy alumínium, melyek elektromos vezetőképessége nagyobb az St37 es acélénál, a rezgést kisebb mértékben csillapítják. 5
Minos Ez az érzékelési tartomány csökkenését okozza. Ha például a detektált tárgy bronz, az St37 es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével módosítani kell: 0,5 S n. Az érzékelő kialakítása hogyan befolyásolja annak érzékenységét? Hengeres házban két alaptípus létezik: - Árnyékolt: a rezonáns áramkör induktív tekercse egy köpenyen belül helyezkedik el, mégpedig úgy, hogy a köpeny fémes frontfelülete a szenzor frontfelülete. - 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 árnyékolt érzékelők egymáshoz közeli 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 frontfelületétől számítva a szabad tartomány 3S n. Két, egymáshoz közel elhelyezkedő szenzor kölcsönös egymásra hatását elkerülendő a köztük levő távolság legalább az egyik szenzor átmérőjének kétszerese legyen. Milyen szabályokat érdemes betartani árnyékolatlan érzékelők egymáshoz közeli felszerelésekor? Az árnyékolatlan hengeres szenzor érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, tehát a szabad 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 specifikációja 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. 6
Minos 1.3 Speciális szenzorok A szabványos laptól elérő 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. 3. Feladat Ismertesse a gyűrű-érzékelők működésének elvét! Az induktív gyűrű-érzékelők működése egy nagy frekvenciás generátoron alapszik, mely a lyukon 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, majd egy küszöb érték átlépésekor átvált a kimeneti állapot. Léteznek korlátozások a gyűrű-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 gyűrű-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 kontrollálatlan viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatása következménye. A keletkező plusz áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet. 7
Minos Hogyan védhetjük az induktív érzékelőket az erős mágneses terekkel szemben? A hibás működés elkerülése végett 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 érzékenyek a legkevésbé. Itt a tekercs nem-mágneses, műanyag orsóra van feltekerve. Hogyan védjük az ívhegesztő berendezések közelében működő 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 agreszszív 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 lenniük. A tekercset és a magot a front oldal felől egy vastag, kopásálló kerámia korong védi. A tekercs védelmére az egy kicsit hátrébb elhelyezkedő tekercs ezáltal a működési tartomány csökkenését okozza. Ennek kiküszöbölésére módosított, nagyobb működési tartományt biztosító áramkörre van szükség. A bistabil gyűrű-érzékelők hogyan határozzák meg a mozgás pályáját? Az induktív bistabil érzékelő két szenzorral rendelkezik, melyeket független generátorok látnak el. Minden adott időpillanatban egyszerre csak egy generátor működhet. Ha egy tárgy balról jobbra érkezik, az első tekercs rezgése csillapul először, majd csak ezután a második. Ellentétes irányú mozgás esetén a helyzet fordított. A tekercseken folyó áramok elemzésével egy mérőrendszer megállapítja a mozgás irányát. 8
Minos 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 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 definiált tartományban mozoghatnak. AZ EN 60947-5-6 (korábban EN 50227) szabvány szerint ez a tartomány 1,2 ma-től 2,1 ma-ig terjed. Minden DC erősítőről táplált NAMUR érzékelő áramkarakterisztikája megegyezik, a szigorúan definiált 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. 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. Egy tárgy távolságának S n -ről nullára változása a kimeneti jel 0-ról 20 ma-re való változásának felel meg. 1.4 Érzékelők kapcsolása és tápellátása 4. Feladat Az egyenfeszültség mekkora ingadozása engedhető meg 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. 9
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. Az egyenfeszültségű szenzorok milyen típusait ismeri? A DC tápfeszültségű szenzorok NPN vagy PNP elrendezésben léteznek. Ez az NPN konfiguráció esetén azt jelenti, hogy az R L terhelő ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség pozitív pólusa közé, PNP konfiguráció esetén pedig ugyanez az ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség negatív pólusa közé kerül. Mi a különbség az NO és NC típusú érzékelők között? Mindkét fenti típusú kimenet esetén rendelkezésre áll az NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. NO típus esetén a szenzor az áramot bekapcsolja, az NC típus pedig ki. Lehetséges a váltófeszültségű érzékelők közvetlenül a hálózati feszültségre történő csatlakoztatása? A váltóáramú érzékelőket nem szabad közvetlenül rákapcsolni az AC adapterre, ez ugyanis a szenzor belső áramköreit károsítaná. A váltóáramú érzékelőket az R L terhelő ellenállással sorba kell kapcsolni. Váltófeszültségű érzékelők esetén lehetséges, hogy kikapcsolt állapotban is folyik áram? Igen. Az oszcillátor mellett, a két vezetékes AC érzékelők egy tranzisztorral is rendelkeznek, mely teljesítmény-erősítőként működik. Ennek eredményeként folyamatos az áramszivárgás, még a szenzor kikapcsolt állapotában is. Ez egy bizonyos feszültség veszteséget eredményez. Milyen célt követünk az érzékelők csoportokban történő használatával? Több szenzor soros vagy párhuzamos kapcsolása a berendezés különleges alkalmazásait teszi lehetővé. A szenzorok megfelelő kapcsolása esetén ÉS, VAGY és/vagy NOR logikai kapcsolatok is létrehozhatók. A sorba kapcsolt érzékelők milyen logikai függvényt realizálnak? A sorba kapcsolt érzékelők ÉS és NEM-VAGY (NOR) függvényeket realizálhatnak. Az ÉS logikai funkció garantálja, hogy több összekapcsolt szenzor esetén a kimeneten csak akkor je- 10