Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos Solución (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
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: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu
Componentes mecatrónicos - Soluciones Minos Índice 1 Sensores inductivos 1.1 Fundamentos teóricos 1.2 Fundamentos básicos 1.3 Sensores especiales 1.4 Suministro de corriente y principios de conexión de sensores 1.5 Mecanismos de protección y seguridad de sensores 4 5 8 11 13 2 Sensores capacitivos 2.1 Principios básicos 2.2 Fundamentos teóricos 2.3 Funcionamiento de los sensores capacitivos 2.4 Tipos de sensores capacitivos 2.5 Compensación de interferencias 14 15 16 17 18 3 Sensores de ultrasonido 3.1 Fundamentos teóricos 3.2 Funcionamiento 3.3 Fallos en el funcionamiento de sensores 3.4 Sensores de ultrasonido especiales 19 21 24 25 4 Sensores optoelectrónicos 4.1 Elementos fotoeléctricos 4.1.1 Fundamentos físicos 4.1.2 Fotoemisores y fotodetectores 4.2 Tipos de sensores 4.3 Procesamiento de señales 4.4 Tipos de sensores optoelectrónicos especiales 4.5 Conexión de los sensores optoelectrónicos 26 26 27 29 31 33 35 5 Sensores de campo magnético 5.1 Fundamentos teóricos 5.1.1 Campo magnético 5.1.2 Contactos Reed 5.1.3 Propiedades magnéticas utilizadas en sensores 5.2 Tipos de sensores magnéticos 5.3 Sensores magnéticos especiales 5.4 Montaje y aplicaciones 36 36 37 38 40 42 43 3
Minos Componentes mecatrónicos - Soluciones 1 Sensores inductivos 1.1 Fundamentos teóricos Ejercicio 1 Cuál es la fuente del campo magnético variable en los sensores inductivos? La fuente del campo magnético variable en los sensores inductivos es una bobina de inducción. Cuando la corriente fluye a través de la bobina y cambia su dirección, la polaridad del campo magnético en la bobina será invertida. Cómo varía la energía almacenada en los circuitos eléctricos LC de resonancia? La energía total almacenada en un circuito de resonancia se divide en la energía del campo magnético de la bobina de inducción EL y la energía EC del campo eléctrico procedente del condensador cargado. La energía total permanece siempre constante: E = EL + EC = constante. Al principio el circuito LC, compuesto por la bobina L y el condensador C, está abierto y la energía total está almacenada en los electrodos del condensador cargado. Cuando se cierra el circuito, el condensador comienza a cargarse y la corriente I fluye en el circuito. La intensidad de corriente varía desde cero hasta Imax. La energía total del condensador se almacena así en la bobina. Cómo se generan oscilaciones en un circuito LC? Aunque el condensador ya esté cargado, la corriente circula en el circuito en la misma dirección. La corriente, cuya fuente es la autoinducción en la bobina, carga el condensador y de esta manera se recarga el condensador. Cuando la carga del condensador alcanza su valor máximo desaparece la corriente en el circuito. El estado final es similar al inicial, con la diferencia de que la polaridad del condensador en la etapa final es inversa respecto a la que presentaba en el estado inicial y la corriente fluye en sentido contrario. En el circuito LC tienen lugar por tanto oscilaciones del campo eléctrico del condensador y oscilaciones del campo magnético de la bobina. Cómo pueden mantenerse constantes las oscilaciones en un circuito de resonancia? Las oscilaciones de un circuito de resonancia se pueden mantener constantes cuando este es alimentado por una fuente externa de tensión sinusoidal. 4
Componentes mecatrónicos - Soluciones Minos 1.2 Fundamentos básicos Bajo que condiciones tiene lugar la resonancia de la tensión o de la intensidad de corriente en un circuito? La amplitud de las oscilaciones es máxima cuando la frecuencia de la fuente externa y la frecuencia propia del circuito LC son iguales. Bajo estas condiciones tiene lugar la resonancia de la tensión o de la intensidad de corriente en un circuito. Qué condiciones deben cumplirse para generar oscilaciones en un circuito de resonancia? Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: la condición de fases y de amplitudes. La condición de fases implica que la fase de la tensión de entrada es igual a la fase de la tensión de salida. La condición de amplitudes implica que el amplificador debe compensar la amortiguación del circuito de resonancia. Ejercicio 2 Cuál es la parte activa del sensor inductivo? La parte activa del sensor inductivo está compuesta por una bobina que envuelve el núcleo de ferrita. Esta genera una campo magnético variable. El núcleo amplifica el campo magnético bajo circuito magnético abierto y lo dirige a la zona de medida del sensor. Cómo determina un sensor inductivo la distancia entre el objeto detectado y la bobina? El circuito electrónico de resonancia determina la distancia entre el objeto detectado y la bobina en base al grado de amortiguamiento, y genera así la señal de salida. La señal presenta principalmente dos estados: el objeto se encuentra en el campo del sensor o no. A veces la señal es analógica. En estos casos la señal es inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. Por qué presentan histéresis los sensores inductivos? El circuito electrónico del sensor contiene también un comparador con histéresis y un sistema de salida. Gracias a la histéresis se pueden evitar las interferencias de la señal de salida al cambiar su estado, en el caso de que el objeto metálico no sea estable o la tensión y temperatura presenten oscilaciones. 5
Minos Componentes mecatrónicos - Soluciones Qué es la histéresis? La histéresis es la diferencia entre la distancia a partir de la cual el sensor reacciona al aproximarse un objeto metálico y la distancia a la que reacciona al alejarse el objeto. La señal de salida cambia entonces de OFF (apagado) a ON (encendido). El valor de la histéresis depende del tipo y tamaño del sensor y es menor que el 20% del rango de medida. Cuál es la frecuencia máxima de trabajo de los sensores inductivos? Los generadores LC que generan un campo magnético variable en los sensores inductivos son de elevada frecuencia (HF) y presentan valores entre 100 khz-1mhz. Cuanto mayor sea el diámetro de la bobina, mayor será la toma de corriente eléctrica y menor la frecuencia máxima. Qué magnitud presenta la zona de trabajo de los sensores inductivos y que tipo de carcasas presentan estos? La zona de trabajo de los sensores inductivos típicos es menor de 60 mm. La carcasa del sensor es cilíndrica o cuadrada. El material de la carcasa puede ser metal o plástico, lo cual facilita el montaje del sensor. Qué es la zona nominal de acción del sensor? Es la distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual la señal de salida cambia. Se denomina zona nominal de acción Sn. Este valor es dado en los catálogos. Para qué objeto se da el valor de la zona nominal de trabajo en los catálogos? Según la norma EN 60947-5-2 la zona nominal de trabajo se proporciona para una lámina cuadrada de acero (ST37) de igual anchura que el diámetro del sensor y espesor de 1 mm. Qué es la zona de acción real del sensor? La zona de trabajo real del sensor es determinada durante el proceso de fabricación del sensor y puede diferir ligeramente de la zona de acción nominal Sn. Para la tensión y la temperatura nominales se cumple que 0.9Sn Sr 1.1Sn. Qué es la zona de trabajo del sensor? La zona de trabajo del sensor viene definida como Sa 0.8Sn, donde se incluye la distancia entre el objeto y el sensor a la que se puede trabajar sin problemas derivados de los cambios de tensión y temperatura. La zona de trabajo del sensor es independiente de la zona de acción real proporcionada por el fabricante. 6
Componentes mecatrónicos - Soluciones Minos De qué depende la zona nominal de acción de un sensor inductivo? La zona nominal de acción Sn depende del diámetro de la bobina D 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. Por qué se emplean coeficientes de corrección para los sensores inductivos? 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 correspondiente al acero St37 por un coeficiente de corrección de 0,5. Cómo influye la construcción de un sensor en su sensibilidad? 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 sensibles ante la presencia de objetos metálicos cercanos. Qué debe tenerse en cuenta al instalar sensores cubiertos cercanos entre ellos? 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. Para evitar la interferencia mutua entre sensores, la distancia mínima entre estos debe ser mayor de 2xD. Qué debe tenerse en cuenta al instalar sensores no cubiertos cercanos entre ellos? 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. Para evitar la interferencia mutua entre sensores, la distancia mínima entre estos debe ser mayor de 3xD. 7
Minos Componentes mecatrónicos - Soluciones Qué significado tiene la frecuencia máxima de conmutación de la señal de salida? 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 se aplican las regulaciones técnicas dadas en la norma EN 50 010/IEC 60947-5-2 Qué frecuencia máxima de conmutación debe esperarse si se utilizan otros objetos diferentes de la lámina estándar? 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 láminas, se reduce la frecuencia máxima de la velocidad de salida. 1.3 Sensores especiales Ejercicio 3 Cómo opera un sensor inductivo de anillo? La forma de actuación de un sensor de anillo se basa en un oscilador de alta frecuencia que crea un campo electromagnético en la apertura 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, cambia la señal de salida. Existen límites respecto al tamaño de los objetos detectados por un sensor inductivo de anillo? 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. Debe cumplir alguna condición especial la trayectoria recorrida por un objeto a ser detectado por un sensor de anillo? Los objetos atraídos no deben seguir 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. 8
Componentes mecatrónicos - Soluciones Minos Cuáles pueden ser las consecuencias negativas de campos magnéticos de elevada intensidad sobre sensores inductivos? Cuando un sensor inductivo se encuentra en la zona de soldadura 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 producir un cambio del estado de la señal de salida. Durante el proceso de soldado se producen también numerosas chispas que pueden dañar la carcasa del sensor. De qué manera se protegen los sensores instalados cerca de instalaciones de soldado? Los sensores que deben ser instalados cerca de equipos de soldado se fabrican de plomo y están recubiertos por una capa protectora de teflón. Su lado frontal se haya reforzado con materiales termoplásticos resistentes a altas temperaturas. Qué sensores son insensibles a la influencia del campo magnético externo? 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. Menciona algunos ejemplos de sensores que trabajan bajo condiciones adversas Los fabricantes de sensores ofrecen entre otros los siguientes tipos de sensores: 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 y 5 mm Qué propiedades deben tener los sensores que trabajan bajo una presión elevada? 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 acción será más pequeña. El oscilador se debe modificar para evitar este efecto. 9
Minos Componentes mecatrónicos - Soluciones Cómo se pueden reconocer movimientos de traslación por medio de 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 izquierdo se amortiguará primero el circuito eléctrico de la primera bobina y a continuación el de la segunda. Si el objeto viene del lado derecho 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. Cómo funcionan los sensores inductivos NAMUR? Los sensores inductivos NAMUR presentan dos conductores 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. 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. Cuál es la propiedad típica de los sensores NAMUR? 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. Qué condiciones deben cumplirse cuando los sensores NAMUR trabajan en zonas con peligro de explosión? 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. Qué diferencia hay entre los sensores estándar y los sensores inductivos análogos? 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. De qué elementos consta un sensor inductivo analógico? Un sensor inductivo analógico consta de una cabeza con la bobina, un generador, un sistema de linealización y un sistema de salida. 10
Componentes mecatrónicos - Soluciones Minos 1.4 Suministro de corriente y principios de conexión de sensores Ejercicio 4 Qué valor máximo pueden presentar las oscilaciones de tensión en sensores de corriente continua? Los sensores de corriente continua trabajan con una generador cuya tensión de salida oscila. Si las oscilaciones de amplitud son demasiado grandes no es posible predecir el comportamiento del sensor. El sensor funciona correctamente si las oscilaciones de la tensión son menores que el 10% de la tensión media. Cómo pueden evitarse las oscilaciones ocasionales de tensión? Una oscilación momentánea de tensión Uss no debe superar el 10% de la tensión media. Para evitar esto se debe instalar un generador estabilizado o un condensador mayor. Qué configuraciones pueden presentar las salidas de los sensores de corriente continua? 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. Pueden ser conectados los sensores de corriente alterna AC directamente a la corriente? Los sensores de corriente alterna no pueden conectarse directamente a un generador de corriente alterna. Si se conecta un sensor de corriente alterna a un generador de corriente alterna los circuitos electrónicos internos del sensor podrían resultar dañados. Los sensores de corriente alterna se conectan en serie con una resistencia RL. Puede fluir la corriente en el circuito de un sensor AC cuando este no está en funcionamiento? Al estar estos sensores conectados en serie con la resistencia, la corriente fluye en el circuito aún estando el sensor apagado. Se produce una cierta pérdida de voltaje. 11