датчики положения

ТЕМА С ОБЛОЖКИ: Датчики: Позиционирование

Как утверждает поговорка "если не знаешь, куда идти, то любой путь правильный". Для большинства задач требуется все же чуть большая точность и воспроизводимость, чем эта, поэтому мы предлагаем рекомендации по выбору и установке датчиков положения.

Правильный выбор датчика положения зависит, наряду с другими факторами, от требуемой точности, воспроизводимости результатов, скорости, наличия финансовых средств, возможностей связи, условий и местоположения. Вы можете быть уверены, что правильное измерение – первый шаг к завершению цикла любого успешного приложения.

Ультразвуковые датчики расстояния, расположенные в области бампера, распознают объекты с целью предотвращения столкновений. Датчик SensComp Mini-A имеет электростатический преобразователь и схему поддержки аналогового выхода в диапазоне регистрации от 15 см до 12 м.

Технологии датчиков положения так же разнообразны, как и приложения, обеспечивающие обратную связь для управления оборудованием и других целей. Положение может определяться по одной, двум, трем координатам и в плоскости вращения. В некоторых задачах варианты координат используются в сочетании. Чувствительные элементы датчиков также разнообразны.

Кен Брей, технический директор компании DMC Inc. (Чикаго), системного интегратора, охарактеризовал некоторые из следующих вариантов устройств определения положения.

 

Восприятие в цифровом виде

Для цифровой обратной связи по положению:

  • инкрементные кодовые датчики (энкодеры) поддерживаются всеми контроллерами перемещения, при этом можно выделить линейные и круговые датчики с различным разрешением. Такие датчики воспроизводятся многими другими устройствами и требуют выполнения процедуры начальной установки для привязки к физической отметке. Начальная установка необходима и после отключения питания.
  • абсолютные энкодеры поддерживаются меньшим числом контроллеров перемещения, имеющих достаточное количество цифровых входов. Они передают полную информацию о положении в пределах диапазона (обычно один оборот) и не требуют процедуры начальной установки;
  • датчики углового положения (resolvers) более устойчивы к высоким уровням электромагнитных помех и входят в стандартную комплектацию ряда больших двигателей. Имитируют инкрементные энкодеры и могут имитировать абсолютные энкодеры в случае применения вместе с соответствующими сервоусилителями;
  • обратная связь от дуального датчика положения, как правило, используется редко, поддерживается большинством контроллеров перемещения. Один энкодер устанавливается на двигателе, второй – на нагрузке. Такая связь полезна, когда механическое соединение между двигателем и нагрузкой гибкое или может проскальзывать;
  • системы технического зрения, широко используемые для обследования, также могут применяться для создания обратной связи по положению. Такие системы определяют положение объектов по нескольким координатам, как правило, это X, Y и плоскость вращения. Они часто устанавливаются для определения положения изделий на конвейере. Системы становятся проще, а их быстродействие увеличивается.

Примером обратной связи от дуального датчика положения является приложение, включающее прокат, штамповку и резку металла. Как поясняет Брей, «Для процесса штамповки требовалась быстрая и точная шаговая подача материала через вальцы. Однако растяжение материала после прокатного стана непредсказуемо, к тому же происходит проскальзывание валков.

Применение энкодера на выходящем материале для обратной связи по положению и датчика углового положения двигателя для обратной связи по скорости в двухконтурной структуре позволило добиться стабильной настройки системы, а единичная шаговая подача обеспечила точную длину шага. Это было гораздо быстрее и точнее, чем делать первоначальную подачу, определять ошибку и затем делать вторую корректировочную подачу».

 

Творческий подход, экономичность

World-Beam Expert QS18E

Оптоволоконные датчики близости World-Beam Expert QS18E от Banner Engineering оснащены кнопкой установки режима обучения и многофункциональным светодиодным индикатором с углом обзора 360 градусов.

Сэм Хэммонд, главный инженер компании Innoventor (Сент-Льюис, Монтана), системного интегратора, полагает, что цель приложения должна определять подбор датчиков положения, а измерения и обратная связь не должны быть сложными. «Творческий подход к разработке может обеспечить простые, экономичные решения», – говорит он. Так, например, для выполнения последовательности операций во многих случаях могут быть полезны датчики близости.

Новый способ применения датчика включает автоматически управляемое транспортное средство (AGV), показанное на первом изображении, а также следующее:

  • в автомате для герметизации упаковок с чаем датчики близости и датчики, работающие на просвет, определяют положение поступающих упаковок. Изображения системы технического зрения National Instruments обрабатываются с целью определения местонахождения штрих-кода на приклеенной этикетке, а затем даются соответствующие команды двигателю достичь нужного положения для наклейки этикетки одного из 125 видов. Датчик близости индуктивного типа осуществляет контроль состояния автомата, проверяя, находятся ли различные подвижные части автомата в нужном положении для осуществления движения. Камера также служила в качестве датчика положения, ее выбор обусловлен многофункциональностью, способностью находить объекты и считывать штрих-коды;
  • станок последовательной штамповки управляется с помощью замкнутого контура с линейным датчиком близости в цепи обратной связи. В фазе изгиба положение штампа корректируется серводвигателем. Линейный датчик близости был выбран для получения размерных показаний при выполнении операции штамповки;
  • лазерный дистанционный измеритель применяется для определения гладкости поверхности детали. Датчик измеряет отклонение в отраженных лучах, показывая различные неровности размером до 10 мкм. Энкодер здесь бы не сработал, так как расстояние было более 1 м. Лазерное измерение выбрано благодаря бесконтактности и очень высокому разрешению на поверхности и по дальности.

Система сборки ключа и замка автомобиля использует датчик близости для определения готовности корпуса для сборки. Лазерный датчик профиля, установленный на роботе, измеряет профиль ключа.

 

R-Series

Датчик R-Series от MTS Sensors имеет гибкий (радиочастотный) чувствительный элемент. Устройство подключено к сети и может заменить множество концевых переключателей или линейных датчиков на общей оси.

Что применять и где?

Производители датчиков сходятся в том, что преимущества согласования, присущие определенным технологиям регистрации положения, могут быть полезными для целого ряда различных задач.

Дэвид Идил, руководитель службы маркетинга продукции компании MTS Sensors Div., говорит, что для жестких условий автоматизированного производства «самыми важными факторами с точки зрения потребителей являются даже не скорость и точность, а долговечность и надежность устройства». Следовательно, устройства, использующие технологии бесконтактных измерений (индуктивную, магнитострикционную, лазерную и т.п.) имеют существенное преимущество перед аналогичными устройствами, опирающимися на технологии с физическим контактом (резистивную, удлинения провода и т.п.).

Другими важными факторами, по словам Идила, являются диапазон применения изделия и гибкость приложения. «Технологии, которые могут приспособиться к значительным изменениям в длине хода, условиям окружающей среды и обеспечить широкий выбор интерфейсных систем, очень высоко ценятся потребителями, которые предпочли бы не применять большое число датчиков самых различных типов. Все технологии имеют внутренние ограничения по отношению к этим требованиям, вот почему здесь так много вариантов».

Идил полагает, что более высокая стоимость применения некоторых технологий в определенном приложении создает ограничение, например, как в случае с линейными дифференциальными трансформаторами (LVDT). «Такие трансформаторы с длиной хода более 12 дюймов редки вследствие больших размеров устройства (почти в два раза больше длины хода) и более высоких затрат на материалы и изготовление. С другой стороны, технология магнитострикционного считывания всегда требовала электронных устройств кондиционирования. С приходом эры микроэлектроники и специализированных интегральных схем мы достигли точки, где сегодня в одном компактном устройстве имеется широкий набор программируемых выходов (таких, как аналоговый, кодовый и полевая шина). Ключевым для производителей датчиков является наращивание оболочки датчиков, чтобы расширить диапазон применения (преимущества), одновременно сводя к минимуму ограничения (недостатки) своих технологий».

 

Прислушайтесь к своему приложению

Различные типы датчиков обеспечивают конкретные преимущества для разных задач, соглашается Том Корбетт, менеджер по продукции компании Pepperl+Fuchs. «Иногда само приложение является решающим фактором для выбора требуемого режима регистрации. Например, поверхность станка или лента конвейера в пределах зоны регистрации датчика может определять разницу между применением стандартного датчика рассеянного излучения и применением датчика рассеянного излучения с подавлением фона. Хотя стандартные датчики рассеянного излучения не могут игнорировать такие фоновые объекты, модели датчиков с подавлением фона оценивают свет по-разному, отличая поверхность объекта от фоновых поверхностей».

«Аналогичным образом, – продолжает Корбетт, – блестящий объект в задачах с отражением излучения может потребовать применения датчика, работающего с поляризованным излучением. В то время как стандартный датчик может ложно сработать на блестящий объект, модель с поляризационным светофильтром отличит блестящий объект от отражателя».

Идил (MTS) говорит, «каждая технология имеет идеальные приложения, которые, как правило, увеличивают ее преимущества и сводят к минимуму недостатки. Например, в деревообрабатывающей отрасли, где важное значение имеют такие факторы, как высокая точность, самые различные интервалы длины хода, высокая ударная стойкость, невосприимчивость к вибрации, электромагнитным помехам и колебаниям температуры, магнитострикционные датчики положения являются основным вариантом линейной обратной связи. Аналогичным образом круговые оптические энкодеры являются идеальным решением для обратной связи двигателя благодаря их компактности, скорости отклика, точности, долговечности и устойчивости к воздействию шума. Линейные датчики положения в случае их правильного применения могут помочь разработчикам добиться в конечном итоге оптимальной производительности станка».

Часто наилучшим способом определения положения датчиков в системе будет осмысление общей проблемы и последующий переход к частным задачам. Идил утверждает: «Спецификацию на датчик следует разрабатывать, начиная с требований на уровне станка или системы, переходя на уровень подсистемы и заканчивая уровнем компонентов. Это, как правило, выполняется, но часто случается, что некоторые требования на уровне системы преобразуются в требования на уровне компонентов недостоверно или не полностью (вряд ли это тривиальный случай). Например, воздействие работы станка на окружающую среду (температура, вибрация и т.п.) может быть неясно без глубокого анализа или предшествующей практики. Результатом такой ситуации в худшем случае может быть датчик с недостаточным уровнем характеристик или же, наоборот, датчик с большим запасом в характеристиках при слишком осторожных оценках».

 

V18 Series

Фотоэлектрические датчики V18 Series от Pepperl+Fuchs снабжены источниками лазерного излучения красного цвета и цвета Class 1 с регулируемым фокусом и установкой чувствительности и размещены в цилиндрическом металлическом корпусе диаметром 18 мм. Автоматическая защита от перекрестной наводки/взаимной интерференции помогает усилить защиту от влияния внешних источников излучения

Открытая или закрытая

На самых ранних стадиях проектирования заинтересованные стороны должны решить: в какой контур управления, открытый или закрытый, будет входить датчик. Пол Рулэнд, менеджер по продуктам AutomationDirect, говорит: «Себестоимость и производительность – вот два основных критерия, принимаемых во внимание при выборе открытой или замкнутой архитектуры контура управления в электромеханических системах позиционирования. Устройства управления с разомкнутым контуром, например шаговые системы, часто могут быть очень надежными и точными, если они согласованы с системой по размерам. Здесь не приходится тщательно настраивать систему с замкнутым контуром перед эксплуатацией, что делает ее чрезвычайно простой в применении. Датчики обоих типов обычно могут управляться одним и тем же контроллером перемещения. Шаговый двигатель NEMA 23 с микрошаговым приводом продается по цене до $188 в сравнении с эквивалентной сервосистемой по цене около $700».

Идил полагает, что «системы управления создаются с целью автоматизации технологических процессов, и есть много хороших примеров высокопроизводительных систем, которые практически или вообще не требуют обратной связи. Однако в случае изменения структуры системы (установки) или входных условий (требование или помеха) обратная связь необходима для того, чтобы справиться с непредвиденными изменениями. С точки зрения технологического процесса точность – как статическая, так и динамическая – важна для качества конечного изделия, а стабильность и повторяемость (устойчивость) важны для производительности механизма».

Например, в задачах машинной обработки или литья под давлением обратная связь по положению инструмента, пресс-формы или ползуна очень важна для окончательных размеров изготовленной детали. За редким исключением точность изготовления детали никогда не будет выше точности датчика положения. Аналогичным образом полоса пропускания (скорость отклика) датчика может наряду с ограниченным быстродействием исполнительных устройств ограничить скорость производства продукции.

Наконец, датчик, который точен только в узком диапазоне условий эксплуатации, не будет эффективно работать в условиях, где обычным явлением являются значительные удары, вибрация и сильные колебания температуры».

 

Turck.s R10

В линейном преобразователе Turck.s R10 (в виде стержня), представляющем один из вариантов программируемых бесконтактных преобразователей линейного перемещения (LDTs) линии EZ-track, для контроля за положением магнита по ходу стержня используется магнитострикционная технология, это не вызывает износа элементов датчика.

В заключение

Каковы же новые технологии регистрации положения и почему их следует применить в процессе производства и машинной обработки?

Рулэнд говорит: «Некоторые из последних разработок в технологиях определения положения для применения в производстве можно найти даже в самых простых устройствах, таких как новые недорогие бесконтактные выключатели. Многие из этих устройств теперь имеются в продаже по цене всего $20 и с гораздо меньшими размерами, до 3 мм в диаметре. Также имеются некоторые модели специального назначения с повышенной частотой отклика до 20 кГц. В случаях, когда остро встают проблемы монтажа и стоимости кодового датчика, бесконтактные выключатели предлагают привлекательную альтернативу. Многие задачи управления положением могут выиграть при их применении вследствие повышенной производительности, меньших размеров и цены, а также стоимости монтажа».

Корбетт соглашается, «фотоэлектрические датчики становятся все меньше, долговечнее, гибче и получают все больше стандартных возможностей. Некоторые новые фотоэлектрические датчики почти в два раза меньше датчиков с традиционными цилиндрическими корпусами и имеют сварные корпуса вместо стандартных клееных. Такие качества очень желательны для производства и для задач машинной обработки, где свободное пространство ограничено и необходима долговечность. А более гибкая связь и варианты монтажа, когда производитель предлагает одно и то же изделие с вариантами монтажа на боковой поверхности или на торце, позволяют пользователям адаптировать стандартный датчик к своему механизму, а не наоборот».

Еще одна простая новинка, как говорит Корбетт, это применение 360? светодиодов, которые хорошо отображают информацию о состоянии и прекрасно видны со всех сторон. «Такие усовершенствованные светодиоды помимо индикации питания и выхода сообщают о перегрузке и предельном увеличении усиления. Такие датчики предлагают в качестве стандарта функцию регулировки чувствительности, но можно выбрать модель с корпусом, защищенным от вмешательства, для предотвращения несанкционированных изменений».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *