Mecatrónica

Mecatrónica
Módulo 5 - 8
Componentes mecatrónicos,
Sistemas y funciones de la mecatrónica,
La puesta en marcha, seguridad y teleservicio,
Mantenimiento y diagnóstico
Libro de Texto
(Concepto)
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:
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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
Mecatrónica
Módulo 5: Componentes
mecatrónicos
Libro de Texto
(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
Componentes mecatrónicos
Minos
Índice
1
Sensores inductivos
6
1.1
Fundamentos básicos
6
1.2
Fundamentos teóricos
7
1.2.1
1.2.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3.
7
9
10
10
13
14
Circuito de resonancia
El circuito electrónico
Fundamentos básicos de construcción
Funcionamiento
Coeficientes correctores
Método de montaje
1.4.
Sensores especiales
1.4.1 Sensor inductivo de anillo
1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad
1.4.3 Uso de sensores en condiciones adversas
16
16
17
18
1.5
Reconocimiento de la dirección del movimiento
19
1.6
Sensores NAMUR
20
1.7
Sensores inductivos analógicos
21
1.8
Corriente continua( CC)
22
1.9
Corriente alterna (AC)
23
1.10
Principios de conexión de los sensores
24
1.11
Medidas de protección y seguridad de sensores
26
1.12
Conexión de sensores a una red de comunicación
27
1.13
Aplicaciones
28
Componentes mecatrónicos
Minos
2
Sensores capacitivos
29
2.1
Introducción
29
2.2
Fundamentos teóricos
30
2.3
Funcionamiento de un sensor capacitivo
32
2.4
Tipos de sensores capacitivos
35
2.5
Influencia del material del objeto
37
2.6
Compensación de interferencias
39
2.7
Aplicaciones
40
3
Sensores de ultrasonido
42
3.1
Fundamentos básicos
42
3.2
Fundamentos teóricos
3.2.1 Propagación de las ondas sonoras en el aire
3.2.2 Influencia ambiental
3.2.3 El transformador de ondas sonoras
3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas
43
43
46
47
50
3.3
Funcionamiento de un sensor de ultrasonido
3.3.1 Proceso de difusión
3.3.2 Modo unidireccional (through beam)
54
56
59
3.4
Fallos en el funcionamiento de sensores
3.4.1 Factores físicos
3.4.2 Factores de montaje
3.4.3 Sincronización de sensores
61
61
61
63
3.5
Sensores de ultrasonido especiales
3.5.1 Sensores reflexivos
3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble
64
64
67
3.6.
Sensores de ultrasonido analógicos
69
3.7
Aplicaciones
70
Componentes mecatrónicos
4
Sensores fotoeléctricos
Minos
76
4.1
Características de diseño
76
4.2
Elementos fotoeléctricos
4.2.1 Fundamentos de física
4.2.1.1 Luz
4.2.1.2 Propiedades de la luz
4.2.2 Fotoemisores
4.2.2.1 Diodo luminoso (LED)
4.2.2.2 Diodo láser (LD)
4.2.3 Fotodetectores
4.2.3.1 Fotodiodos
4.2.3.2 Detectores de posición (PSD)
4.2.3.3 Detectores CCD (dispositivo de cargas eléctricas interconectadas)
4.2.3.4 Fototransistores
78
78
78
80
82
83
86
88
91
91
92
93
4.3
Clases de sensores
4.3.1 Barrera de luz unidireccional (Through Beam)
4.3.2 Sensores retroreflectivos
4.3.3 Filtro de luz
94
94
96
99
4.4
Procesamiento de señales
4.4.1 Fuentes de interferencias
4.4.2 Prevención de interferencias
4.4.2 1 Modulación de la luz
4.4.2.2 Polarización de la luz
4.4.3 Margen de operación
4.4.4 Distancia de trabajo
4.4.5 Tiempo de respuesta
101
101
103
103
104
106
109
111
4.5
Tipos especiales de sensores optoelectrónicos
4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados
4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo
4.5.3 Sensores retroreflectivos con auto colimación
4.5.4 Sensores de fibra óptica
4.5.4.1 Fibra óptica
4.5.4.2 Funcionamiento
112
112
113
117
118
118
121
4.6
Tecnología de conexión
4.6.1 Tipos de conexiones
4.6.2 Conmutación de la salida del sensor
123
123
124
4.7
Aplicaciones
126
Componentes mecatrónicos
Minos
5
Sensores de campo magnético
128
5.1
Fundamentos básicos
128
5.2
Fundamentos físicos
5.2.1 Campo magnético
5.2.2 Contacto Reed
5.2.3 El efecto Hall
5.2.4 Magnetorresistencia
5.2.5 El efecto Wiegand
129
129
132
134
135
136
5.3
Sensores de campo magnético con contacto Reed
137
5.4
Sensores Hall
140
5.5.
Sensores especiales de campo magnético
5.5.1 Sensores magnetoresistentes
5.5.2 Sensores Wiegand
5.5.3 Sensores de campo magnético con un imán
141
141
142
144
5.6
Reglas de montaje
145
5.7
Aplicaciones
146
Componentes mecatrónicos
Minos
1
Sensores inductivos
1.1
Información básica
Los sensores inductivos son los sensores que se utilizan más frecuentemente en sistemas automáticos para controlar la posición y el movimiento
de los mecanismos que dirigen las máquinas y equipamiento. Su estructura compacta, fiabilidad y fácil instalación hacen su uso muy popular.
Cuando un objeto metálico se encuentra en la zona de acción del sensor,
el estado o el valor de la señal de salida del sensor varía.
Un sensor inductivo está formado por los siguientes componentes básicos
(Fig. 1.1): la cabeza que incluye una bobina de inducción con un núcleo
de ferrita, un generador de corriente sinusoidal, un circuito de detección
(comparador) y un amplificador de salida.
Un circuito de inducción formado por la bobina y el núcleo de ferrita genera en torno al extremo del sensor un campo electromagnético variable
de elevada frecuencia. Este campo induce una corriente de Focaoult (o
corriente parásita) en el objeto metálico situado cerca del sensor. Esto
produce una carga del circuito de inducción, disminuyendo como consecuencia la amplitud de oscilación. El cambio en la amplitud depende
de la distancia entre el objeto de metal y el extremo del sensor. Si el
objeto alcanza una distancia característica, la señal de salida cambia.
En sensores analógicos el valor de la señal de salida es inversamente
proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor.
OBJETO
CABEZA DEL
SENSOR
GENERADOR
Figura 1.1: Esquema de un sensor inductivo
6
SISTEMA DE
DETECCIÓN
SISTEMA DE SALIDA
Componentes mecatrónicos
1.2
Fundamentos teóricos
1.2.1
Circuito de resonancia
Minos
La fuente de un campo magnético variable en sensores inductivos es
una bobina de inducción. Si la corriente que fluye a través de la bobina
varía en el tiempo, el campo magnético en la bobina es también variable.
Estos cambios están relacionados con el fenómeno de la autoinducción,
esto es, la creación de un voltaje adicional en la bobina que contrarresta
los cambios de la corriente.
La energía eléctrica acumulada en los circuitos de resonancia se debe
diferenciar entre la energía EL del campo magnético de la bobina de inducción y la energía Ec del campo eléctrico del condensador cargado.
La energía total se mantiene siempre constante: E = EL + Ec = const.
(Fig. 1.2).
En la etapa inicial el circuito LC, integrado por la Bobina L y el condensador C, está abierto y la energía se encuentra almacenada en los
electrodos del condensador cargado (1). Al cerrar el circuito eléctrico,
el condensador comienza a descargarse y la corriente I comienza a
fluir por el circuito. La intensidad de corriente pasa tener valor cero a la
intensidad máxima Imax. Toda la energía del condensador se almacena
en la bobina (2).
Aunque el condensador ya está descargado, la corriente fluye en el
circuito en la misma dirección. La corriente procedente de la autoinducción en la bobina, carga el condensador y la energía se transfiere de
nuevo a este. Cuando la carga en el condensador es máxima la energía
desaparece del circuito(3). El estado en la última fase es similar al de
la etapa inicial, solo que en esta fase el condesador está cargado de
manera inversa y la corriente fluye en sentido contrario. En todo circuito
LC se producen las oscilaciones del campo eléctrico del condensador y del campo magnético de la bobina.
Figura 1.2: Oscilaciones en un circuito LC
7
Minos
Componentes mecatrónicos
En la realidad se producen siempre pérdidas adicionales de energía
en todo circuito LC debidas a la propia resistencia de la bobina y el
condensador. Estas se representan con la letra R. Como resultado de
estas pérdidas las oscilaciones en un circuito con una resistencia RLC
desaparecen (Fig. 1.3). Las oscilaciones del circuito pueden mantenerse constantes cuando este sea alimentado por una fuente externa de
voltaje sinusoidal. Cuando la frecuencia de la fuente externa es igual a
la frecuencia propia del circuito LC la amplitud alcanza su valor máximo.
f – frecuencia de la fuente externa sinusoidal ,
f0 – frecuencia propia del circuito LC no amortiguado,
L – inductividad [Henry],
C – capacidad [Farad].
Bajo esta condición se produce la resonancia de las tensiones. Cuanto
mayor sea el factor de calidad del circuito, mayor será la amplitud de
las oscilaciones.
El factor de calidad Q es una medida de las pérdidas generadas por la
resistencia R en los elementos L y C. En un circuito sin pérdidas bajo
condiciones de resonancia la resistencia R sería infinitamente grande.
Cuanto mayor sean las pérdidas en el circuito, más pequeña será la
resistencia y el factor de calidad será menor.
Figura 1.3: Oscilaciones de circuitos LC y RLC : a) circuito LC no amortiguado; b) circuito RLC sin
fuente externa; c) circuito RLC alimentado por una fuente externa sinusoidal
8
Componentes mecatrónicos
1.2.2
El circuito eléctrico
Minos
En generadores que presentan un circuito de resonancia formado por
una bobina y un condensador se emplean también amplificadores operacionales o transistores para mantener las oscilaciones.
Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: de fases
y de amplitud. La condición de fases implica que la fase de la tensión
de entrada sea igual a la fase de la tensión de salida. La condición
de amplitud requiere que el amplificador compense en su totalidad el
amortiguamiento en el circuito de resonancia. En este caso el generador
mismo produce la señal que mantiene las oscilaciones. Las condiciones
de fases y de amplitudes se cumplen cuando el circuito LC está dividido
correctamente o se utiliza un transformador acoplado.
Las oscilaciones de tensión y corriente se generan en el circuito LC
formado por una bobina y un condensador. La corriente conectada
al circuito LC le transmite una parte de su energía mediante la carga
del condensador y mantiene las oscilaciones en el circuito. Cuando la
energía suministrada es igual a la energía que se pierde, se alcanza el
equilibrio y la amplitud en el circuito LC se mantiene constante así como
las oscilaciones no son amortiguadas ( Fig. 1.4a)
La señal de salida depende del factor de calidad Q del circuito de resonancia. Cuanto menor sea el factor de calidad, la señal de salida será
menor (Fig. 1.4b). Los generadores LC generan vibraciones cuya frecuencia es mayor que unas pocas decenas de miles de hercios. Cuando
la frecuencia es menor, se requiere una inductividad L del circuito de
resonancia demasiado grande. En este caso es difícil alcanzar un elevado
factor de calidad y las bobinas son de un tamaño relativamente grande.
Figura 1.4: El circuito electrónico: a) Generador LC con un amplificador que compensa el
amortiguamiento en el circuito, b) nivel de la señal de salida para diferentes valores de Q.
9
Componentes mecatrónicos
Minos
1.3
Fundamentos básicos de construcción
1.3.1
Funcionamiento
La parte activa de un sensor inductivo contiene una bobina enrollada en
torno a un núcleo de ferrita que crea un campo magnético. El núcleo de
ferrita con el circuito magnético abierto intensifica el campo de la bobina
y lo orienta hacia la zona de medida del sensor.
Al cambiar el campo magnético se genera un campo eléctrico. Cuando
un conductor se encuentra en este campo eléctrico variable, un campo
magnético aparece en torno a las líneas del campo eléctrico (Fig. 1.5),
que contrarresta al campo magnético de la bobina y sustrae una parte
de la energía del circuito de resonancia.
El valor del factor de calidad se reduce porque las pérdidas en el circuito
de resonancia se modifican. Mientras que el conductor se encuentre
en el campo magnético de la bobina, la amplitud de la oscilación sera
amortiguada. Si se elimina el conductor, se reduce la amortiguación hasta
que la amplitud alcanza el valor inicial.
conductor
Campo magnético de
corrientes eddy
Campo magnético
de la bobina
Bobina
Amplitud
Amplitud
Núcleo
ferromagnético
Tiempo
Tiempo
Figura 1.5: Objeto metálico en el campo magnético de una bobina con el núcleo de ferrita.
10
Componentes mecatrónicos
Minos
El circuito electrónico de un sensor determina la distancia entre el objeto
y la bobina en base al grado de amortiguamiento y genera la señal de
salida. En la mayoría de los casos la señal tiene dos estados: el objeto
se encuentra en el campo del sensor o fuera de este. En ocasiones la
señal es también análoga e inversamente proporcional a la distancia
entre el objeto y el sensor.
El circuito electrónico del sensor contiene también un comparador con
histéresis y un sistema de salida. La histéresis evita las interferencias
en la señal de salida que se producen al cambiar el estado, cuando el
metal es inestable o la tensión y la temperatura oscilan.
La histéresis es la diferencia entre la distancia a la cual el sensor reacciona cuando el objeto metálico se acerca y la distancia a la cual el sensor
reacciona cuando el objeto se aleja. El estado del sensor cambia de
apagado a encendido (Off-On) (Fig.1.6) El valor de la histéresis depende
de la clase de sensor y de su tamaño y es menor que el 20% del rango
de medida. Cuando hay histéresis, cualquier objeto situado en la límite
de la zona de influencia del sensor será también detectado. Algunos
sensores señalizan esto a través de un diodo luminoso.
Los generadores LC en sensores inductivos son normalmente de alta
frecuencia (HF-high frequency) entre 100 kHz-1MHz. Cuanto más grande
sea el diámetro de la bobina, mayor será la capacidad de carga y menor
será la máxima frecuencia.
El area de acción típica de los sensores inductivos es menor de 60 mm.
La carcasa del sensor es cilíncrica o cuadrática, de metal o plástico,
haciendo posible un montaje fácil.
Metal
Figura 1.6: Histéresis de un sensor inductivo
11
Minos
Componentes mecatrónicos
El campo magnético generado por la bobina abarca un área que determina la zona de acción de un sensor inductivo.
La distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual el estado de salida se ve modificado se denomina la zona nominal de trabajo Sn. Este
valor se proporciona en los catálogos y se determina de acuerdo a la
norma EN 60947-5-2 para una placa de acero (St37), de anchura igual
al diámetro del sensor y 1 mm de espesor.
La zona real de trabajo Sr se determina durante el proceso de fabricación
y puede diferenciarse ligeramente de la zona nominal de trabajo Sn.
Para tension nominal y temperature nominal el valor de Sr se encuentra
limitado dentro del rango 0.9Sn ≤ Sr ≤ 1.1Sn .
En la zona de trabajo Sa ≤ 0.8Sn, que determina la distancia más segura
entre el objeto y el sensor, ya que en esta zona se puede trabajar sin
problemas derivados de la temperatura y cambios de la tensión, independientemente de la zona real de trabajo proporcionada por el fabricante.
La zona nominal de trabajo Sn depende del diámetro D (Fig. 1.7) 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.
Figura 1.7: Relación entre el diámetero de la bobina y su zona nominal de trabajo en
sensores inductivos estándar.
12
Componentes mecatrónicos
1.3.2
Coeficientes correctores
Minos
La amortiguación del circuito de resonancia depende del material a partir
del cual fue fabricado el objeto detectado. 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 para acero St37 por un coeficiente
de corrección de 0,5 (Fig. 1.8).
La sensibilidad del sensor depende de su construcción. 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 sensible ante la presencia de objetos metálicos cercanos.
Acero St37
Cromo
acero inoxidable
Latón
Aluminio
Oro
Figur 1.8: Coeficientes de corrección para diferentes materiales del objeto detectado.
13
Componentes mecatrónicos
Minos
1.3.3
Método de montaje
Si se siguen las instrucciones de montaje descritas a continuación no se
deben producir disturbaciones en el funcionamiento del sensor a causa
del ambiente o de la influencia de otros sensores. El tamaño y forma de
la zona libre requerida cercana al sensor dependen de la zona de trabajo
del sensor, su construcción y el tamaño del objeto detectado (Fig. 1.9a).
El diámetro del núcleo y la bobina depende del tamaño de la carcasa
cilíndrica (funda metálica). Por ello existe una conexión tan fuerte entre
el diámetro de la carcasa, la zona de trabajo del sensor y la zona libre
requerida, donde tan solo puede encontrarse el objeto metálico a detectar.
Los sensores con bobina oculta presentan una zona de trabajo mayor y
por tanto la zona libre debe ser también mayor.
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 (Fig. 1.9b).). Para evitar evitar la interferencia mutua entre sensores, la distancia mínima entre estos debe ser
mayor de 2xD.
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.
En este caso para evitar interferencias mútuas la distancia mínima entre
sensores debe ser mayor de 3xD.
Objeto
detectado
Figura 1.9: Sensores de inducción con una bobina cubierta y no cubierta, a)
características; b) consejos de instalación
14
Componentes mecatrónicos
Minos
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 son aplican los requisitos
técnicos dados en la norma EN 50 010/IEC 60947-5-2 .
Estos requisitos se refieren al tamaño de los objetos detectados, la
distancia entre el objeto y el sensor y la relación entre la longitud del
objeto y la distancia entre los objetos. En materiales no conductores se
debe instalar una lámina cuadrada de acero St37 cuya anchura es igual
al diámetro del sensor y que tiene 1 mm de espesor. La distancia entre
esta lámina y el sensor debe ser la mitad de la zona nominal de trabajo
Sn (Fig. 1.10).
El método de medida de acuerdo a la norma EN 50010 se basa en a relación conocida 1:2 entre la longitud del objeto y la distancia entre objetos.
Esto garantiza que los objetos cercanos no ejerzan ninguna influencia
en las características del sensor del campo magnético. La frecuencia
máxima de la señal de salida se calcula a partir de la siguiente fórmula.
f = 1 /(t1 + t2)
t1 – tiempo necesario para recorrer la longitud de la lámina,
t2 – tiempo necesario para recorrer la distancia entre láminas
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 laminas, se
reduce la frecuencia máxima de la velocidad de salida.
Figura 1.10: Requisitos según la norma EN 50010 para la determinación de la frecuencia
maxima de la señal de salida de un sensro inductivo.
15
Componentes mecatrónicos
Minos
1.4
Sensores especiales
1.4.1
Sensor inductivo de anillo
La zona de trabajo de los sensores inductivos de anillo se encuentra
dentro de la carcasa del anillo. Estos sensores detectan objetos
de metal que pasan a través de una apertura en su carcasa. Se
utilizan normalmente para detectar y contar pequeños objetos
metálicos (tornillos, tuercas). Las carcasas de estos sensores de
anillo son de plástico.
La forma de actuación de un sensor de anillo se basa en un oscilador de alta frecuencia que crea un campo electromagnético en
la obertura 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 se conmuta la señal de salida. La zona de trabajo
del sensor depende del diámetro , de la apertura del sensor y del
tamaño y clase del objeto.
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. (Fig. 1.11b).
Una ventaja de los sensores de anillo es que los objetos atraídos
no deben realizar 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.
Diámetro
Diametro del
objeto
[mm]
longitud
Diametro del orificio del sensor [mm]
Figura 1.11: Sensor inductivo de anillo. a) construcción; b) relación entre el tamaño del
sensor y el tamaño mínimo del objeto detectado.
16
Componentes mecatrónicos
1.4.2
Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad
Minos
Los procesos de soldado requieren elevadas cantidades de corriente.
La corriente que fluye a través del equipo de soldado produce un fuerte
campo magnético variable a su alrededor.
Cuando un sensor inductivo se encuentra en la zona de soldado 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 producer un cambio del estado de la señal
de salida. Durante la soldadura se producen también numerosas chispas
que pueden dañar la carcasa del sensor.
Debido a esto los sensores que deben ser instalados cerca de equipos de
soldado se hacen de plomo y están recubiertos por una capa protectora
de teflón. Su lado frontal se haya reforzado con materiales termoplásticos
resistentes a altas temperaturas.
Los sensores tienen un núcleo con una permeabilidad magnética pequeña (Fig. 1.12) que permite un diseño especial del circuito eléctrico
para evitar un encendido erróneo. Estos núcleos están compuestos de
acero sinterizado y se saturan en un campo magnético que debe ser algo
más denso que en el caso de los núcleos de ferrita. El sensor no se ve
influenciado por el campo externo magnético debido a que el campo
magnético propio puede acumularse y regularse mejor. 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.
Bobinas de plástico
bobina
Baja permeabilidad
Figura 1.12: Sensores inductivos insensibles a campos magnéticos
17
Minos
1.4.3
Componentes mecatrónicos
Uso de sensores en condiciones adversas
Si se utilizan sensors estándar bajo condiciones adversas pueden producirse fallos en el funcionamiento o incluso puede dañarse el sensor.
Para hacer los sensores aptos a trabajar en condiciones adversas se
pueden aplicar diferentes medidas: se utilizan materiales especiales para
la carcasa, se aumentan las dimensiones de los sensores, se aplican
mecanismos especiales de montaje, se protegen los circuitos electrónicos
o se modifica su construcción.
Los fabricantes de sensores ofrecen entre otros los siguientes tipos de
sensores especiales para condiciones adversas:
– 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 mm y 5 mm
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 trabajo será más pequeña.
El oscilador se debe modificar para evitar este efecto. Bajo condiciones
normales un sensor modificado tendría de esta manera una zona de
trabajo considerablemente más grande que los sensores estándar.
El disco cerámico se une por conexion térmica a la carcasa metálica de
acero inoxidable. Al enfriarse la carcasa calentada está se queda sujeta
al disco estableciéndose una junta hermética.
18
Componentes mecatrónicos
1.5
Reconocimento de la dirección de movimiento
Minos
Un par de sensores inductores pueden reconocer los movimientos rotatorios o lineares. En el movimiento de rotación la rueda dentada cambia
la señal de salida (Fig. 1.13). Las señales del sensor son procesadas
por el discriminador y determinadas por el cambio de fase. Cuando la
rueda dentada gira hacia la izquierda, se recibe primero la señal 1 y la
señal de salida L es activada en el discriminador. Si la rueda gira hacia
la derecha, se recibe primero la señal 2 y después se activa la señal R.
El reconocimento del movimiento lineal se realiza de manera similar
con 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 de la izquierda se amortiguará
primero el circuito eléctrico de la primera bobina y a continuación el de
la segunda. Si el objeto viene de la parte derecha 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.
Figura 1.13: Reconocimiento de la dirección de movimiento con dos sensores estándar o
un sensor biestabil.
19
Componentes mecatrónicos
Minos
1.6
Sensores NAMUR
Los sensores inductivos NAMUR presentan dos líneas 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.
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
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.
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.
Si la corriente en el circuito eléctrico del sensor es menor de 0,15 mA,
esto significa para el amplificador que no hay señal. Si la intensidad es
mayor de 6 mA, esto significa “cortocircuito en el sensor”.
corriente
corriente máxima
no humedad
zona permitida
humedad
Desconexión
Figura 1.14: Sensor tipo NAMUR: a) característica; b) circuito eléctrico
20
Componentes mecatrónicos
1.7
Sensores inductivos analógicos
Minos
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.
El campo magnético variable producido por el circuito de resonancia
es amortiguado por el objeto metálico que se encuentra en la zona de
trabajo del sensor. Cuanto más cerca se encuentre el sensor del objeto,
mayor será la amortiguación.
Un oscilador con un diseño especial hace possible la amortiguación
del circuito de resonancia al cambiar la distancia y el factor de calidad.
Gracias al sistema de linealización la señal de salida es prácticamente
linear (Fig. 1.15). Los gráficos mostrados en la figura corresponden al
acero St37, ya que este acero presenta la mayor zona de trabajo. Si se
emplean metales de una permeabilidad magnética menor deben aplicarse
los coeficientes correctores adecuados.
La mayoría de los sensores presentan una característica casi linear en
la totalidad del rango de medida (zona marcada en el gráfico en gris).
Cabeza del sensor
Generador
Circuito de
linearización
Sistema
de salida
proud
Figura 1.15: Sensor análogo inductivo.
21
Componentes mecatrónicos
Minos
1.8
Corriente continua (CC)
Los sensores de corriente continua trabajan con una generador cuya
tensión de salida oscila. Si las oscilaciones de amplitud son demasiado
grandes no es possible predecir el comportamiento del sensor.
El sensor funciona correctamente si las oscilaciones de la tensión son
menores que el 10% de la tensión media ( Fig.1.16a). Esto es, se cumple
lo siguiente:
Uss ≤ 0.1UD
Una oscilación momentánea de tensión no debe superar dicho rango. Para evitar esto se debe instalar un generador estabilizado o un condensador mayor.
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 (Fig. 1.16b). Ambas configuraciones presentan
una función salida NO ( normal abierta) o NC (normal cerrada). Algunos
sensores tiene una función salida complementaria NP o dos salidas
independientes NO y NC.
Figura 1.16: Sensores inductivos de corriente continua: a) Voltaje de la fuente
de alimentación ; b) Conexión entre el sensor y la Resistencia RL
22
Componentes mecatrónicos
1.9
Corriente alterna
Minos
Los sensores de corriente alterna no pueden conectarse directamente
a un generador de corriente alterna (Fig. 1.17). Si se conecta un sensor
de corriente alterna a un generador de corriente alterna los circuitos
electrónicos internos del sensor podría resultar dañados.
Los sensores de corriente alterna se conectan en serie con la resistencia
RL. Los sensores con dos conexiones requieren que se cumplan requisitos adicionales para el circuito eléctrico. Estos presentan un transistor
que funciona como amplificador de la potencia.
Al estar estos sensores conectados en serie la corriente fluye en el
circuito aún estando el sensor apagado. Se produce una cierta pérdida
de voltaje. Estos fenómenos son especialmente importantes cuando se
conectan los sensores en serie o en paralelo.
Cuando se ajustan las condiciones de los sensores con la corriente
alterna se deben respetar los valores máximo y mínimo de la corriente
especificados por el fabricante.
Incorrecto
Correcto
Figura 1.17: Sensor de corriente alterna
23
Minos
1.10
Componentes mecatrónicos
Principios de conexión de los sensores
La conexión en serie o en paralelo de sensores posibilita la realización
de diferentes configuraciones del equipo que pueden ser conectadas
como una resistencia (Fig. 1.18). Así se puden obtener las funciones
lógicas AND( y), OR(o) o NOR (No-OR).
La función lógica AND garantiza que la señal de salida de un grupo de
sensores aparezca cuando el estado de salida de todos los sensores
es ON (encendido).
La function OR garantiza que la resistencia RL no tenga alimentación de
corriente cuando la señal de salida de todos los sensores de todos los
sensores sea OFF (apagado).
Los grupos de sensores pueden conectarse también en otro orden distinto
para conseguir otras funciones lógicas.
El número máximo de sensores conectados en serie dependen de la
tensión de la fuente de alimentación, de la caída de tensión a la salida
de los sensores y de la resistencia conectada. La tensión de la fuente de
alimentación menos la caída de tensión a la salida de los sensores debe
ser mayor que la tensión de trabajo mínima para la resistencia conectada.
Figura 1.18: Conexión de sensores en serie (Función lógica AND)
24
Componentes mecatrónicos
Minos
La función OR garantiza que la señal de salida de un grupo de sensores
aparezca cuando la señal de salida de al menos uno de los sensores
esté ON( encendida). Los sensores conectados en paralelo realizan esta
función (Fig. 1.19).
El número de sensores conectados en paralelo con tres lineas e igual
suministro eléctrico no está limitado de manera estricta. Se pueden
conectar hasta 10 sensores en paralelo independientemente de la función de salida.
Al conectar sensores de dos líneas en paralelo, se suman las corrientes
que fluyen en el circuito, aún cuando los sensores estén apagados (debido a la conexión común con la resistencia). Este efecto puede significar
un problema para la función.
Por ellos los sensores con dos líneas no deben conectarse en paralelo.
El número máximo de sensores que se pueden conectar depende de la
suma de estas corrientes y de la resistencia.
Figura 1.19: Conexión en paralelo de los sensores( función lógica OR)
25
Componentes mecatrónicos
Minos
1.11 Protección y seguridad de sensores Es necesario proporcionar medidas de seguridad frente a los fallos de
instalación o fallos que se pueden producir durante el funcionamiento
de los sensores. Los dispositivos de protección eléctricos protegen los
circuitos internos de los sensores de los siguientes fallos:
– conexión de la fuente de alimentación en sentido inverso
– cortocircuito en la salida
– impulses cortos de la línea de alimentación
– intensidad de corriente demasiado elevada
Un cortocircuito no causa daños en sensores con una intensidad constante, incluso si estos se presentan de forma repetida y por un tiempo
prolongado. En este caso son solo los diodos del sensor los que no funcionan. Después del cortocircuito el sensor funcionará de manera normal.
En el caso de que la tensión del circuito pueda ocasionar daños a las
personas los sensores con carcasa metálicas deben de ser provistos de
una toma de tierra adicional.
Cuando un sensor está conectado en serie con una resistencia, la corriente fluye en el circuito incluso cuando el sensor está apagado (Fig.
1.20). Esto puede bien dañar el sensor o producir una señal de salida
OFF permanente. Para evitar estas situaciones se conecta una resistencia adicional en paralelo Rp. El valor de la Resistencia RP y la potencia
de la resistencia P se pueden calcular mediante las siguientes fórmulas:
RP=U/Imin P=U2/RP
suministro de voltaje [V]
Figura 1.20: La corriente Ip en el circuito de corriente alterna, cuando el sensor inductivo
está apagado.
26
Componentes mecatrónicos
1.12
Conexión de sensores a una red de comunicación
Minos
Las redes de comunicación son la solución más moderna para la conexión entre sensores y aparatos de control. Las soluciones clásicas son
reemplazadas por las redes de comunicación para evitar la gran cantidad
de cables que estas requieren.
Este concepto se basa en estaciones intermedias que recogen las señales del sensor y las mandan a la unidad principal (Fig. 1.21). Gracias a
esta solución se pueden:
– reducer costes significativamente,
– aumentar la distancia entre el sensor y el aparato de control,
– transmitir datos referentes a calibración y datos del sensor.
Las redes más populares son las redes abiertas, ya que estas posibilitan
el intercambio de información entre equipos procedentes de diferentes
fabricantes. Las informaciones se intercambian de acuerdo a los procedimientos estándar (Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I).
Gracias a las redes una parte de las señales se procesa a niveles inferiores ( más cercanos al proceso).
Los aparatos básicos de la red son los módulos de entrada y salida
(I/O) con diferentes interfaces. Cada módulo tiene una dirección de red
y posibilita una transferencia rápida de datos. Esto es especialmente
importante a nivel de los sensores , en los que el tratamiento de datos
laborioso y las decisions se toman de manera muy rápida.
Figura 1.21: Sistemas de comunicación con y sin profibus
27
Minos
1.13
28
Aplicaciones
Componentes mecatrónicos
Componentes mecatrónicos
2
Sensores capacitivos
2.1
Introducción
Minos
Los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico para detectar objetos en su zona de acción. Estos pueden detectar tanto objetos metálicos
como objetos no conductores de la corriente (por ejemplo plásticos). Un sensor capacitivo puede detectar un objeto situado tras una capa
de material no conductor. Por este motivo los sensores capacitivos se
pueden emplear para detectar un líquido o granulado en el interior de un
contenedor. Los sensores capacitivos generan una señal proporcional a la
distancia entre el objeto y el sensor. La distancia de trabajo de un sensor
capacitivo comprende 30 mm ( 60 mm para construcciones especiales).
Cuando un objeto metálico o un dieléctrico aparece en el campo eléctrico
del sensor la señal de salida se cambia a ON ( encendido).
Un sensor capacitivo está compuesto de una cabeza con electrodos, un
potenciómetro, un oscilador, un detector y un sistema de salida (Fig. 2.1).
Los componentes activos del sensor capacitivo son dos electrodos metálicos que forman un condensador abierto. La capacidad del sensor varía
cuando un objeto se aproxima al sensor. La señal de salida depende de
la capacidad total, que es la suma de la capacidad básica del sensor y
la variación en la capacidad producida por el objeto detectado.
objeto
electrodos
potenciometro
Oscilador
Cabeza del sensor
Detector
sistema de salida
Figura 2.1: Diagrama de un sensor capacitivo
29
Componentes mecatrónicos
Minos
2.2
Teoretické základy
Un condensador básico presenta dos electrodos situados uno enfrente
del otro (Fig. 2.2a). Si los dos electrodos se encuentran en el mismo
plano se obtiene un condensador abierto (Fig. 2.2b).
Introduciendo un electrodo C cero entre los electrodos A y B, cuyo espesor se aproxima a cero, se obtienen dos condensadores conectados
en línea. En un condensador abierto el electrodo intermedio reparte el
campo eléctrico entre dos campos de dirección contraria. En este caso
las capacidades de ambos condensadores son iguales y se calculan
mediante la siguiente fórmula:
donde:
C – capacidad del condensador,
S – área de los electrodos,
εo – constante dieléctrica (para el vacío o aire),
εr – constante del dieléctrico presente en el condensador,
d – distancia entre los electrodos.
Figura 2.2: a) condensador con electrodos A y B , b) condensador abierto con
electrodos A y B en un mismo plano
30
Componentes mecatrónicos
Minos
Un objeto metálico que aparece en el campo electrostático del condensador abierto representará la función del electrodo intermedio C. La
capacidad del sistema es mayor que la capacidad del condensador sin el
electrodo intermedio (Fig. 2.3a). Los objetos no conductores (aislantes)
que aparecen en el campo electrostático del condensador abierto aumentan su capacidad de manera proporcional a la constante dieléctrica
del aislante (Fig. 2.3b). La capacidad del condensador aumentará debido
a que la constante dieléctrica de medios líquidos o sólidos es siempre
mayor que la constante dieléctrica del aire (εair =1)
Material Conductor
Material no coductor
Figura 2.3: Campo eléctrico de un condensador abierto para materiales conductores y no
conductores
31
Componentes mecatrónicos
Minos
2.3
Funcionamiento de un sensor capacitivo
Para generar un campo eléctrico simétrico el electrodo externo B tiene
que tener forma de anillo y el electrodo A forma cilíndrica (Fig. 2.4). El
objeto detectado actúa de electrodo intermedio C. La superficie externa
del anillo B se toma como la superficie activa del sensor. Cuanto más
lejos se encuentre el objeto del sensor, menor será la capacidad de éste.
Elemento que está
siendo detectado
àrea activa
del sensor
área de medición
carcasa
Campo del sensor
electrodo interno
electrodo externo
Figura 2.4: Campo eléctrico de un sensor capacitivo
32
Componentes mecatrónicos
Minos
La estructura de la capacidad del sensor depende siempre del tipo de
objeto a detectar y de su toma de tierra.
Los objetos no conductores tales como plásticos, papel o cristal aumentan
la capacidad propia del sensor debido a que sus constantes dieléctricas
son mayores que la constante dieléctrica del aire (Fig. 2.5a). El aumento
de capacidad depende de la constante dieléctrica del objeto, pero esta
presenta un valor pequeño. Por este motivo la zona de acción del sensor
es también pequeña.
Los objetos conductores sin toma de tierra forman dos condensadores
adicionales (entre el objeto y el electrodo interno y entre el objeto y el
electrodo externo) que se sitúan en serie (Fig. 2.5b). En este caso la
zona de acción del sensor es mayor.
Cuando el objeto a detectar es un conductor con toma de tierra la capcidad propia del sensor se conecta en paralelo con la capacidad adicional ( entre el objeto y el electrodo) (Fig. 2.5c). En este caso la zona de acción
del sensor es mayor que en cualquier otro caso.
objeto
electrodo del sensor
electrodo externo
objeto
electrodo del sensor
electrodo externo
objeto
electrodo del sensor
electrodo del sensor
electrodo del sensor
electrodo del sensor
electrodo del sensor
electrodo del sensor
electrodo externo
electrodo del sensor
Figura 2.5: Estructura de la capacidad del sensor para: a) objeto no conductor, b) objeto
conductor sin toma de tierra, c) objeto conductor con toma de tierra
33
Componentes mecatrónicos
Minos
Los electrodos A y B están conectados a un oscilador de alta frecuencia
(Fig. 2.1). El oscilador se encuentra operativo cuando no hay ningún
objeto en el campo eléctrico del sensor. Cuando un objeto entra en este
campo aumenta la capacidad entre los electrodos A y B y se conecta el
oscilador. El detector analiza la amplitud de las vibraciones del oscilador
y genera una señal para el conmutador. Entre el oscilador y el electrodo
se encuentra un potenciómetro para determinar el punto de activación
del oscilador.
La zona nominal de acción Sn de un sensor capacitivo viene determinada
por la distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual el estado de
salida cambia (Fig. 2.6). Este valor se calcula para una lámina cuadrada
de acero FE360 con toma de tierra. Su anchura debe ser igual al diámetro
del sensor o tres veces Sn ( cuando esta sea mayor que el diámetro) y
su grosor debe ser 1 mm.
distancia de
operación nominal
zona de operación real
para la operación nominal y la temperatuda constante (20°C)
área del sensor activa
dentro del diámetro d
distancia de operación asegurada
Objetivo estandarizado
použitelná zóna působení
Para 85 - 110% de la operación
nominal y la temperatuda de trabajo
Figura 2.6: Definiciones de las zonas de acción de un sensor capacitivo
34
Componentes mecatrónicos
2.4
Tipos de sensores capacitivos
Minos
Los sensores capacitivos tienen normalmente la forma de un cilindro o
de un paralelepípedo. Su zona activa se encuentra en el extremo del
sensor (Fig. 2.7). Hay dos tipos de sensores cilíndricos. Los sensores del
primer tipo presentan una pantalla y una zona de acción en el extremo
del sensor. Su extremo debe ser installado en la superficie de un metal
o plástico (Fig. 2.8). Los sensores del segundo tipo tienen una pantalla
y una zona de acción alrededor del mismo sensor. Estos sensores se
utilizan cuando estos tienen contacto con el medio a detectar (líquido o
granulado). Presentan una zona de acción 50% mayor debido a que su
campo eléctrico es mayor. Hay diseños especiales como los sensores
elásticos que pueden ser adheridos tanto a una superficie lisa como curva.
Figura 2.7: Tipos de sensores capacitivos
35
Minos
Componentes mecatrónicos
Al installar sensores capacitivos deben seguirse las reglas mostradas en
la Fig. 2.8 para evitar la influencia y perturbaciones del ambiente externo.
Los sistemas de salida y cables de los sensores capacitivos son similares
a los de los sensores inductivos. Los sensores capacitivos pueden tener
dos, tres o cuatro líneas de corriente continua o alterna.
Figura 2.8: Método de montaje de sensores capacitivos a) superficiales y b) no superficiales
36
Componentes mecatrónicos
2.5
Influencia del material del objeto
Minos
La zona de acción de un sensor capacitivo puede cambiar considerablemente. Esta depende del material y la toma de tierra del objeto a detectar.
Los materiales conductores presentan una zona de acción mayor.
En el caso de que el objeto esté hecho de un material conductor, esto
no tiene influencia alguna en la zona de acción del sensor. Cuando el
objeto sea de un material no conductor, su zona de acción depende
de la constante dieléctrica. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica,
mayor será la zona de acción (Fig. 2.9). En la tabla 2.1 se muestran las
constantes dieléctricas de diferentes materiales aislantes.
La distancia entre un objeto orgánico( por ejemplo madera) y el sensor
en el cual se modifica la señal de salida depende considerablemente del
contenido en agua del objeto, ya que la constante dieléctrica del agua
es muy elevada (εagua=80).
Figura 2.9: Relación entre la zona de acción de un sensor capacitivo y
la constante dieléctrica de un objeto no conductor
37
Componentes mecatrónicos
Minos
material
alcohol
baquelita
gasolina
celulosa
madera
caucho blando
goma de silicona
zvulkanizivaná guma
marmol
mica
aceite transformado
papel
papel duro
parafina
plexiglas
poliamido
polietileno
polypropylen
poliester
porcelana
vidrio
teflon
aire
agua
Tabla 2.1: Constante dieléctrica εr de diferentes materiales no
conductores
En los catálogos se proporciona la zona nominal de acción para un objeto metálico normalizado. Para determinar el valor de la zona real de
acción el valor de la zona nominal debe multiplicarse por el coeficiente
de corrección del material del objeto a detectar :
Zona de operación = Sn . coeficiente de correción
material
Acero
Agua
madera
Vidrio
Aceite
PVC
PE
Cerámica
Coeficiente de corrección
Tabla 2.2: Coeficientes de corrección para diferentes materiales
38
Componentes mecatrónicos
2.6
Compensación de interferencias
Minos
El detector contiene un filtro de interferencias que elimina la influencia
de campos eléctricos externos cuando estos no son muy grandes. Sin
embargo los filtros disminuyen notablemente la frecuencia máxima de
conmutación, es decir, empeoran la característica dinámica del sensor.
El sensor puede responder de manera errónea si la suciedad o el polvo
se acumulan en sus superficies activas. Un electrodo adicional de compensación conectado a la salida del sensor (Fig.2.10) se utiliza para
mantener constante la zona de acción. La contaminación aumenta la
capacidad entre el electrodo del sensor y la pantalla. La capacidad entre
el electrodo del sensor y el electrodo de compensación genera al mismo
tiempo un acoplamiento de compensación. Cuando un objeto de poco
espesor (como por ejemplo una hoja de papel) entra en contacto con
el sensor la señal del electrodo principal puede ser neutralizada por la
perturbación y el estado de salida no se verá modificado.
sensor de campo
Campo de
compensación
electrodo de compensación
objeto detectado
electrodo del sensor
elecrodo externo
contaminación de
interferencia
Figura 2.10: Sensor con un electrodo adicional de compensación
39
Minos
2.7 Componentes mecatrónicos
Aplicaciones
El uso de los sensores capacitivos esta muy extendido debido asus
características y a su sencillo montaje.
Estos sensores pueden:
- controlar el nivel de líquido o granulado en un tanque
- contar los objetos conductores y no conductores,
- detectar envases vacíos,
- detectar daños en los objetos,
Figura 2.11: Detección y eliminación de botellas vacías
Figura 2.12: Control del número de recipientes metálicos o de vidrio
40
Componentes mecatrónicos
Minos
Figura 2.13: Control del nivel de líquido en un tanque o en una
tuberia
Figura 2.14: Detección de envases vacíos en la línea de producción
41
Componentes mecatrónicos
Minos
3
Sensores de ultrasonido
3.1
Fundamentos básicos
Los sensores de ultrasonido se emplean tanto para detectar objetos
independientemente del color o material como para controlar el nivel de
un líquido transparente o de color. Se utilizan en ambientes donde la
presencia de polvo hace que no se pueden emplear sensores ópticos.
Los sensores ultrasónicos emiten una radicación ultrasónica y miden el
período de tiempo entre la emisión de la radiación y la recepción del eco
de la radiación de vuelta al sensor. Este período de tiempo es proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. La frecuencia posible de
muestreo es relativamente pequeña en comparación con otros sensores
(en algunos hasta 100 Hz) .
El transformador produce una onda sonora cuya frecuancia es notablemente mayor que 20 kHz, es decir que la onda no puede ser percibida
por el oido humano.
Gracias a la elevada frecuencia de trabajo del transformador los sensores
de ultrasonido no son sensibles al ruido externo.
Un sensor de ultrasonido se haya integrado por un generador de elevada tensión, un transformador piezoeléctrico en la cabeza del sensor, un
sistema de procesamiento de la señal y un sistema de salida (Fig. 3.1).
OBJETO
Obr. 3.1
42
CABEZA DEL
SENSOR
GENERADOR
Konstrukce ultrazvukového senzoru
CIRCUITO DE
DETECCIÓN
SISTEMA DE SALIDA
Componentes mecatrónicos
3.2
Fundamentos teóricos
3.2.1
Propagación de las ondas sonoras en el aire
Minos
Las ondas sonoras se pueden propagar en diferentes medios (gases,
líquidos, sólidos) debido a la reacción mútua que se produce entre las
partículas del medio dado. En el aire las ondas de ultrasonido son longitudinales y se propagan cuando las moléculas del aire chocan con las
moléculas de su alrededor suscitando las vibraciones. Por ello la onda
sonora se propaga sin desplazar a las moléculas excitadas.
La longitud de una onda sonora λ es la distancia que recorre la onda
en un período(Fig. 3.2). La frecuencia de vibración f es el número de
períodos por segundo. Su unidad de medida es el hercio.
La velocidad de propagación V de una onda de ultrasonido depende de
las propiedades del medio (densidad y elasticidad). Esta pude calcularse
de la siguiente manera:
V = λ∙f [m/s]
donde:
f – frecuencia de la onda (en Hz)
λ – longitud de onda (en m)
Figura 3.2:Onda sonora
43
Componentes mecatrónicos
Minos
La frecuencia de onda de los sensores de ultrasonido tiene normalmente
un valor entre 23 - 400 kHz (Fig. 3.3).
FRECUENCIA
ultrasonido
desde 20 kHz
Sensores: el rango de operación
23 kHz - 400 kHz
sonidos audibles
20 Hz - 20 kHz
infrasonidos
1Hz - 20Hz
Figura 3.3: Rangos de frecuencia de ondas sonoras
44
Componentes mecatrónicos
Minos
La propagación de las ondas sonras se rige por las mismas reglas que
las ondas luminosas. Estas pueden ser reflejadas parcial o totalmente
por un objeto.
Cuando se conoce la velocidad de propagación de la onda en el aire y
el período de tiempo entre la emisión de la señal y la recepción del eco
reflectado se puede determinar la distancia entre el objeto y el sensor a
partir de la fórmula:
S= V٠t / 2
donde:
V – velocidad de propagación de la onda en el aire (343 m/s a una
temperatura de 20 ºC)
t – período de tiempo entre la emisión y la recepción de la onda en [s],
S – distancia entre el objeto y el sensor en [m].
El producto V٠t debe dividirse ente dos ya que la onda de ultrasonido
recorre dos veces la distancia entre el objeto y el sensor ( del sensor al
objeto y después de vuelta al sensor) (Fig. 3.4).
obstáculo
Figura 3.4:La distancia entre el objeto y el sensor es S=(S1+S2)/2
45
Componentes mecatrónicos
Minos
3.2.2 Influencia ambiental
La velocidad, propagación y el alcance de la onda sonora dependen en
cierta manera del medio externo. Cuando cambian las condiciones físicas
del aire del entorno, varía también la exactitud de la medida realizada.
Las condiciones externas que tienen esta influencia son:
Temperatura: Las oscilaciones de la temperatura provocan el cambio
de la velocidad de la onda en una relación de 0,17%/ K (Fig. 3.5). La
mayoría de sensores presntan un compensador interno de la temperatura
que elimina en gran medida su influencia ( 2/ 3 de los casos).
Presión: Al variar la presión atmosférica en un rango de ±5 % se modifica
también la velocidad de la onda sonora en ±0, 6%.
Humedad: Un incremento de la humedad del aire causa un aumento de
la velocidad de la onda sonora en un máximo de un 2% en comparación
con el aire seco.
Corrientes de aire: La influencia de las corrientes de aire depende de
su dirección e intensidad. Los vientos fuertes con una velocidad mayor
de 50 km/h soplando en la dirección de la onda sonora pueden cambiar
su velocidad notablemente. Los vientos que soplan perpendicular a la
dirección de la onda sonora la desvían.
Contaminación: Una contaminación elevada del aire provoca la contaminación del emisor de ondas sonoras, disminuyendo la zona de trabajo
del sensor en un 30%.
Velocidad del
sonido
Presión 1013 hPa
Temperatura
Figura 3.5: Relación entre la velocidad de las ondas sonoras y la
temperatura ambiental
46
Componentes mecatrónicos
3.2.3 El transformador de ondas sonoras
Minos
La mayoría de ondas de ultrasonido son generadas por transformadores
piezoeléctricos. El efecto piezoeléctrico implica la generación de cargas
eléctricas como consecuencia de tensiones mecánicas.
Algunos cristales (Sulfato de litio, cuarzo) presentan propiedades piezoeléctricas debido a que su red cristalina es helicoidal. Este efecto es
reversible, es decir, un transformador puede ser deformado a causa de
la tensión. Se diferencian dos tipos de efecto piezoeléctrico:
- directo: una tensión mecánica (por ejemplo presión) es transformada en una señal eléctrica (Fig. 3.6.b).
- inverso: una señal eléctrica es transformada en un movimiento o vibración mecánica (Fig. 3.6b).
Figura 3.6: El efecto piezoeléctrico: a) directo; b) inverso
47
Componentes mecatrónicos
Minos
La deformación Δl es igual a la amplitud de la onda generada y proporcional a la tensión U. El coeficiente proporcional entre la deformación
y la tensión es la constante piezoeléctrica (dquartz=2.3*10-12 [m/V]). Δl = d · U [m]
Los materiales ferroeléctricos (un grupo de materiales cerámicos) presentan también propiedades piezoeléctricas. Los materiales dieléctricos
forman dipolos eléctricos permanentes debido a su estructura, incluso
cuando el campo eléctrico desaparece.
Los dipolos eléctricos orientados de manera irregular (Fig. 3.7) se alinean de manera permanente cuando está presente un campo eléctrico
elevado. Los dipolos y la superficie del transformador forman un ángulo de 45° (Fig. 3.7b). Cuando una tensión actúa sobre la superficie de una
lámina los dipolos giran independientemente del símbolo de la tensión.
Las cargas iguales (+ y + o – y -) se repelen y las cargas opuestas (+ y – o – y +) se atraen. La rotación de los dipolos causan el aumento
o la disminución del espesor del transformador (Fig. 3.7c).
Superficie metalica
disco de cerámica
Figura 3.7: Deformación del transformador cerámico debido al efecto piezoeléctrico
48
Componentes mecatrónicos
Minos
Los elementos piezométricos (especialmente los cerámicos) pueden
tener formas diferentes (Fig. 3.8).
Las superficies opuestas del transformador son metalizadas (por ejemplo
con una capa de plata de hasta 10 micras de espesor) para conducir la
tensión, ya que los materiales piezoeléctricos son dieléctricos.
Las propiedades piezoeléctricas desaparecen a elevadas temperaturas.
La temperatura máxima de trabajo del transformador de cuarzo es menor
de 200 ºC y para transformadores de cerámica menor de 100 ºC.
Figura 3.8: Formas típicas de elementos piezoeléctricos
49
Componentes mecatrónicos
Minos
3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas
Las vibraciones producidas por las oscilaciones de la tensión son transferidas a las moléculas del material o del medio ( por ejemplo aire) generándose una onda sonora. De manera inversa, cuando las vibraciones
de las moléculas de un medio son transferidas a un transformador, este
es deformado, creándose cargas eléctricas. Un transformador piezoeléctrico puede ser utilizado como generador y receptor de las ondas
sonoras (Fig. 3.9).
Cuarzo
electrodo superior
electrodo inferior
Cuarzo
electrodo superior
electrodo inferior
generador de impulso
voltmetr
emisión de onda ultrasonido
recepción de onda
de ultrasonido
Figura 3.9: Emisor y receptor de ondas de ultrasonido
50
Componentes mecatrónicos
Minos
El área de propagación de una onda de ultrasonido se encuentra dispersa
en gran parte (Fig. 3.10a). La zona de mayor energía sonora es la zona
cercana al eje del sensor. Cuando la energía de sonido presente en el
campo marcado en gris no es suficiente para asegurar un funcionamiento
correcto del sensor, durante el proceso de medida tan sólo será útil la
zona delimitada por el cono de detección de ángulo α (Fig. 3.10b). La
energía de la onda de ultrasonido en la zona amarilla es mayor que el
50% de la energía en la zona cercana al eje del sensor.
Si se conoce la distancia entre el objeto y el sensor se puede determinar el diámetro D del cono de detección en las proximidades del objeto
mediante la fórmula:
D = 2 · X · tan(α/2)
donde:
X – distancia entre el objeto y el sensor
α – ángulo de la esfera del cono de medición
Figura 3.10: Onda de ultrasonido: a) corte transversal a lo largo del sensor; b) zona útil
del sensor
51
Minos
Componentes mecatrónicos
El ángulo α puede ajustarse si se requiere y este presenta un valor de
hasta unas cuantas decenas de grados. Tanto el ángulo como la forma
del haz de sonido dependen del tamaño, forma y frecuencia de la superficie vibratoria del transformador. Por este motivo existen tantas formas
diferentes de haces de sonido (Fig. 3.11).
Úhel zvukového kužele může být přizpůsoben podle potřeby a to do
Figura 3.11: Diferentes formas del haz de sonido
52
Componentes mecatrónicos
Minos
La exactitud de la medida depende de la distancia entre el objeto y el
sensor (Fig. 3.12). Para mayor exactitud la zona de trabajo del sensor
puede determinarse en aquella zona en la que el objeto se puede detectar de manera segura.
distancia de medición óptima
Sensibilidad
Rango del sensor Sn
Figura 3.12: Relación entre la exactitud de medida y la distancia entre el objeto y el
sensor
53
Componentes mecatrónicos
Minos
3.3 Funcionamiento de un sensor de ultrasonido
Los sensores de ultrasonido típicos presentan dos modos de operación:
el de difusión (sensor difuso) y el unidireccional (through beam). El primer
modo de difusión es el que se utiliza más comúnmente. El sensor recibe
de un objeto la onda de sonido reflejada como eco. Dependiendo del
tipo de salida utilizada la distancia determinada a partir de la medida del
tiempo empleado será transformada en una corriente o tensión analógica
o en un estado de salida ON/OFF. Cuando el objeto se encuentra fuera
de la zona de trabajo del sensor, el sistema de salida vuelve a su estado
anterior. La medida de ultrasonido se presentan dos fases (Fig. 3.13):
– emisión de la onda de ultrasonido del transformador en dirección
al objeto,
– emisión de la onda de ultrasonido (del eco) por el objeto detectado hacia el transformador
En los sensores de difusión ambas funciones son realizadas por un
transformador piezoeléctrico.
objeto
transductor en estado
de emisión
objeto
transductor en estado
de recepción
Figura 3.13: Dos fases de la medida de ultrasonido
54
Componentes mecatrónicos
Minos
Cuanto mayor sea el espesor del objeto a detectar, mejor será la sensibilidad del sensor, ya que una gran parte de la onda de sonido es reflejada. Por esto objetos que presentan un elevado coeficiente de reflexión
acústica (sólidos, líquido, granulados) pueden detectarse más fácilmente
por los sensores de ultrasonido.
En los sensores de difusión se generan impulsos acústicos cíclicos. Su
frecuencia es del orden de unas cuantas decenas de hercios. El período
de tiempo entre la emisión del impulso y la recepción del eco reflejado
es proporcional a la distancia real entre el objeto y el sensor. Si tan sólo
hay un transformador que emite y recibe, la duración del impulso Ti debe
ser notablemente menor que el tiempo necesario para el regreso del eco
Te (Fig. 3.14). El sensor espera a que el eco retorne a él para emitir la
siguiente onda. Si se mide el tiempo Te se puede determinar la distancia entre el objeto y el sensor. La aparición del eco en los sensores de
detección significa que un objeto se encuentra en la zona de trabajo del
sensor. Y es entonces cuando cambia la señal de salida.
Tiempo de espera del
regreso de la señal
AMPLITUD
tiempo de
duración del
impulso Ti
doba trvání impulsu Ti
odražený signál
čas
tiempo de regreso del
eco Te
ciclo del tiempo
Figura 3.14: Ciclo de trabajo de un sensor de ultrasonido
55
Componentes mecatrónicos
Minos
3.3.1 Proceso de difusión
Los sensores ultrasónicos de difusión presentan un transformador
electrónico especial que genera y recibe un impulso de onda sonora. El
transformador emite en el transcurso de unos microsegundos hasta un
milisegundo una serie de impulsos ultrasónicos y espera su vuelta. La
señal de salida OFF (Fig. 3.15a) cambia a ON cuando hay una superficie
dentro de la zona de trabajo del sensor que refleja el sonido (Fig. 3.15b).
Figura 3.15 Señal de salida del sensor de difusión: a) antes de la detección del objeto ,
b) después de la detección del objeto
56
Componentes mecatrónicos
Minos
El rango máximo de operación de un sensor puede ser limitado por
un potenciómetro adecuado y los objetos que sobrepasen este límite,
no serán detectados (Fig. 3.16). Esta función se denomina eliminación
del fondo (blanking out). El rango mínimo de operación solo puede ser
configurado en algunos sensores. De esta manera se puede determinar exactamente la zona bloqueada (en la que el objeto no puede ser
detectada) y la zona activa (en la que el objeto puede ser detectado).
La zona muerta se encuentra próxima al sensor, donde los objetos no
pueden ser detectados o su detección no es muy fiable. El tamaño de la
zona muerta depende del rango de operación del sensor y del tamaño
de este. Cuanto menor sea el rango de operación, menor será la zona
muerta.
La zona muerta es causada debido a la existencia de dos funciones
en un transformador (generación y recepción de la onda sonora). El
transformador puede recibir el eco de la onda solo en el caso de que el
impulso ya haya sido emitido.
Distancia real
objeto no
detectado
objeto
detectado
zona activa
del sensor
Objeto no
detectado
zona muerta del
sensor
zona
muerta
zona
bloqueada
Zona de detección
rango máximo del sensor Sn
Figure 3.16: Definición de las zonas de trabajo para un sensor de ultrasonido
57
Minos
Componentes mecatrónicos
Dependiendo de su aplicación se fabrican sensores cuyo ángulo cónico varía de tres a algunas decenas de grados. El ángulo debe ser
correctamente seleccionado para que el objeto que se desea detectar
se encuentre dentro de la zona detectada. Otros campos de detección
carecen de interés.
Para determinar la zona de trabajo del sensor Sn se emplea una lámina
de metal cuadrada de 1 mm de espesor que refleja las ondas de ultrasonido. La lámina debe fijarse perpendicular al eje de la onda de ultrasonido.
Su tamaño depende del rango de operación del sensor:
- Anchura de la lámina = 10 mm para un rango de trabajo < 300 mm
- Anchura de la lámina= 100 mm para un rango de trabajo >800 mm
El uso de otros objetos no garantiza la zona de trabajo del sensor Sn
dada en los catálogos.
Las siguientes reglas deben tenerse en cuenta:
– cuanto menor sea la frecuencia de un sensor, mayor será la zona de trabajo de este
– cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo, mayor será la resolución
de la medida y menor seá la influencia del ruido de fondo.
58
Componentes mecatrónicos
3.3.2 Modo unidireccional ( Through Beam)
Minos
En los sensores unidoreccionales el transformador genera una onda
sonora en la dirección del receptor que se encuentra en una carcasa
separada. La señal de salida cambia cuando un objeto interrumpe la
onda sonora (Fig. 3.17).
Al contrario que los sensores de difusión y reflexión el transformador
genera en este tipo de sensores una onda sonora continua. No existe
tampoco ninguna zona muerta.
Receptor
Receptor
emisor
emisor
Figura 3.17 Señal de salida de un sensor unidireccional : a) antes de detectar el objeto,
b) después de detectar el objeto
59
Minos
Componentes mecatrónicos
Estos sensores se utilizan sobre todo para detectar objetos porosos que
dispersan o absorben las ondas sonoras, o objetos de formas complicadas que no pueden ser detectados por sensores de difusión.
Cuando un objeto refleja bien una onda sonora recibida en la posición
de la figura Fig. 3.18, este no puede ser detectado por un sensor de
difusión, ya que el ángulo entre la onda reflejada y el eje del sensor es
demasiado grande. Un objeto tal interrumpe la onda sonora y puede ser
fácilmente detectado por un sensor unidireccional.
La frecuencia de cambio de la señal de salida en los sensores unidireccional es mayor que la de los sensores de difusión y puede llegar hasta
los 200 Hz.
Dirección del rayo reflejado
OBJETO
Dirección del rayo reflejado
Figura 3.18: Objeto que no puede ser detectado por un sensor de difusión, pero sí por un
sensor unidireccional
60
Componentes mecatrónicos
3.4 Fallos en el funcionamiento de sensores
3.4.1 Factores físicos
Minos
Los siguientes factores pueden provocar fallos en el funcionamiento del
sensor:
– Corrientes de aire que modifican la velocidad o dirección de la onda
sonora de tal manera que el objeto no puede ser detectado o la
distancia medida entre el objeto y el sensor es errónea.
– Cambios en la presión atmosférica de un rango de ± 5 % pueden
modificar la zona de trabajo del sensor en un ± 0.6 %.
– Incrementos de la temperatura en la zona de trabajo del sensor
pueden modificar la velocidad del sonido y la duración del impulso causando una disminución de la exactitud de medida. Un aumento en la
temperatura o en la humedad provoca que la distancia medida entre el
objeto y el sensor sea menor que su valor real. Las superficies calientes
de un objeto reflejan peor las ondas sonoras que los objetos fríos. Si
la temperatura es mayor de 20 K, la zona de trabajo del sensor
aumenta en un 3,5-8%.
– Aislantes del sonido (algodón, goma, etc). Estos absorben las ondas
sonoras y disminuyen la sensibilidad del sensor. Los sensores de
difusión no pueden detectar estos objetos.
3.4.2 Factores de instalación
Los sensores de ultrasonido detectan especialmente los objetos con una
superficie dura que se encuentran perpedicular al eje del sensor. Si no se
cumple esta norma se producen fallos en el funcionamiento del sensor:
– Cuando el ángulo entre la superficie frontal del objeto y el eje
del sensor es diferente de 90° la onda sonora no vuelve siguiendo
la trayectoria del eje del sensor. Por esto la zona de trabajo del sensor
de difusión es menor. Aún cuando la zona de trabajo es relativamente
grande no puede ser detectado ni un objeto girado 3°. Cuando la zona
de trabajo es pequeña se puede girar incluso 10° un objeto.
–Cuando la forma del objeto provoca que la dirección de la onda reflejada sea completamente diferente de la onda generada el objeto no
puede ser detectado por un sensor unidireccional.
– Los coeficientes de reflexión de líquidos son iguales que los coeficientes para cuerpos sólidos. Los líquidos sin ondas pueden ser detectados
fácilmente.
– Si los sensores de ultrasonido se instalan próximos entre si, una de
las ondas sonoras generada por un sensor puede alcanzar el otro sensor
y cambiar su señal de salida. Para evitar la interferencia mútua deben
ser tenidas en cuentas la reglas representadas en la Fig. 3.19.
61
Minos
Componentes mecatrónicos
Figura 3.19: Espacio recomendado entre dos sensores de ultrasonido activos
62
Componentes mecatrónicos
3.4.3 Sincronización de sensores
Minos
Cuando las salidas de varios sensores son sincronizadas mediante una
conexión efectiva, estos pueden situarse uno al lado del otro sin que
haya influencia mutua entre ellos. La sincronización debe ser utilizada
cuando los sensores generen ondas sonoras en la misma dirección y
las ondas se solapen parcialmente. El sensor B representado en la Fig.
3.20 recibe dos ecos (B1 y Ax). Pero el eco A1 llega al sensor A más
rápidamente que el eco Ax al sensor B. Debido a la sincronización los
sensores reaccionan solo al primer eco A1 y se así se evita la influencia
mutua entre las ondas sonoras. Los sensores sincronizados envían las
señales a la vez y funcionan como un sensor con un cono de emisión
mayor que detecta el mismo objeto.
Figura 3.20: Sincronización de sensores situados uno junto a otro detectando el mismo
objeto
63
Componentes mecatrónicos
Minos
3.5 Sensores de ultrasonido especiales
3.5.1 Sensores reflexivos
Los sensores reflexivos (sensores retroreflectivos) miden la diferencia
entre el tiempo de retorno de la onda sonara reflejada por el objeto y el
tiempo de retorno de la onda reflejada por el reflector. Una superficie
cualquiera dura y lisa puede ser empleada como reflector. Cuando la
onda sonora reflejada por el objeto regresa antes que la onda reflejada
por el reflector, la señal de salida cambia (Fig. 3.21b).
REFLECTOR
REFLECTOR
Figura 3.21: La señal de salida del sensor de reflexión: a) antes de que el objeto sea
detectado, b) después de que el objeto sea detectado
64
Componentes mecatrónicos
Minos
Los sensores de reflexión detectan también la interrupción de ondas
sonoras a través de objetos que absorben o dispersan las ondas sonoras
(Fig. 3.22). En este caso la señal de salida se cambia a OFF.
Estos sensores se utilizan cuando un objeto está integrado por un aislante acústico (algodón,goma,etc) o cuando el ángulo entre la superficie
frontal del objeto y el eje del sensor es distinto de 90°.
REFLECTOR
Superficies de reflexión
REFLECTOR
superficie de
absorción
Figura 3.22: Interrupción la las ondas sonoras por objetos que a) dispersan las ondas o b)
las absorben
65
Minos
Componentes mecatrónicos
Los sensores reflexivos pueden aprovechar también las ondas de ultrasonido reflejadas por una superficie lisa y dura para detectar un objeto
difícilmente accesible. Estos reaccionan tanto a la interrupción de las
ondas sonoras como al eco reflejado.
Elemento de reflejo
Objeto
Reflector
Figura 3.23: Aprovechamiento de una onda de ultrasonido para detectar un objeto
absorbedor.
66
Componentes mecatrónicos
3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble Minos
Los sensores con dos transformadores en una carcasa pueden funcionar
con un reflector tanto como sensores de difusión como como sensores
de reflexión( Fig.3.24). Uno de los transformadores es el emisor y el otro
actúa de receptor de la onda sonora.
Estos sensores detectan incluso pequeños objetos cercanos, ya que el
receptor puede trabajar al mismo tiempo con el emisor. Sin embargo en
primer lugar deben sincronizarse los dos transformadores.
emisor
Objeto
Objeto
Receptor
emisor
reflector
Receptor
Figura 3.24: Sensor con dos transformadores: a) modo de difusión , b) modo de reflexión
67
Minos
Componentes mecatrónicos
Los objetos clíndricos pueden ser detectados mucho antes que los objetos planos. El eco reflejado por un objeto plano se escapa de la zona
de trabajo del sensor (Fig. 3.25).
Figura 3.25: Detección de objetos cilíndricos y planos
68
Componentes mecatrónicos
3.6 Sensores de ultrasonido analógicos
Minos
La mayoría de sensores de ultrasonidos presentan tanto salidas binarias
como analógicas. La salida de tensión o de corriente se utiliza cuando
se quiere medir una distancia. La distancia medida es proporcional a la
tensión o a la intensidad de corriente (Fig. 3.26).
Final
Inicio
rango de medición
Figura 3.26: Relación entre la señal de salida y la distancia entre el objeto y el sensor
69
Minos
3.7 Componentes mecatrónicos
Aplicaciones
Los sensores de ultrasonido se utilizan a menudo en la práctica debido a
que no son sensibles a perturbaciones en la zona de trabajo ni a la contaminación ambiental. Estos detectan objetos independientemente de su:
– material (metal, plástico, madera, cartón,etc.),
– estado físico (sólido, líquido, granulado etc.),
– color,
– transparencia. En la industria se utilizan para controlar
– la posición de una unidad de fabricación,
– objetos a lo largo de una cinta transportadora,
- el nivel de líquido o granulado en un depósito.
Figura 3.27: Control del nivel de líquido en recipientes de vidrio mediante un sensor de
difusión
70
Componentes mecatrónicos
Minos
Figura 3.28: Medida del nivel de líquido utilizando un sensor de ultrasonido analógico
Figura 3.29: Los objetos de la cinta transportadora son contados mediante un sensor
unidireccional
71
Minos
Componentes mecatrónicos
Figura 3.30: Control del llenado de las cajas usando sensores de difusión
Figura 3.31: Medida de las dimensiones de los objetos empleando un sensor de
ultrasonido analógico
72
Componentes mecatrónicos
Minos
Figura 3.32: Control de daños mediante un sensor de difusión
Figura .3.33: Control de la distancia para evitar choques empleando un sensor de difusión
73
Minos
Figura 3.34: Componentes mecatrónicos
Control de la tensión en la banda utilizando un sensor de difusión
Figure 3.35: Medida del diámetro de un rollo de papel mediante un sensor de ultrasonido analógico
74
Componentes mecatrónicos
Minos
Figura 3.36: Cuenta de objetos que dispersan las ondas sonoras o las absorben en una cinta
transportadora utilizando un sensor de reflexión
75
Minos
Componentes mecatrónicos
4
Sensores optoelectrónicos
4.1 Características de diseño
Los sensores optoelectrónicos emplean un haz de luz para detectar
objetos en su zona de trabajo. Pueden detector objetos de cualquier
material situados a una distancia del sensor que va desde unos pocos
milímetros hasta unas cuantas decenas de metros. Estos sensores reaccionan cuando el haz de luz que generan es interrumpido o reflejado
por un objeto. Los cambios en el haz de luz son transformados en una
señal eléctrica, que es la señal de salida del sensor.
Un sensor optoelectrónico está formado por una fuente luminosa 1, un
receptor de luz 2, circuitos electrónicos 3, un sistema de salida 4, uno o
dos diodos de emisión de luz 5 que muestran el estado de trabajo, un
potenciómetro 6 para regular la sensibilidad del sensor, una carcasa 7
y una cubierta transparente 8 (Fig. 4.1).
Figura 4.1: Esquema de un sensor fotoeléctrico cilíndrico
76
Componentes mecatrónicos
Minos
Los circuitos electrónicos presentan (Fig. 4.2):
- un oscilador 3 que permite la captación de una fuente luminosa modulada,
- un demodulador 4 para extraer la señal útil.
Otros elementos del sensor son: el emisor de luz 1, el receptor 2 y el
transistor 5 (Fig. 4.2).
Los elementos del sensor arriba mencionados se encuentran en una o
dos carcasas independientes, dependiendo de si el objeto 6 interrumpe
o refleja el haz luminoso.
Figura 4.2: Circuito electrónico de un sensor optolectrónico: A – sensor unidireccional (throughbeam), B – sensor retroreflectivo , C – sensor de difusión
77
Minos
4.2
Componentes mecatrónicos
Elementos fotoeléctricos
4.2.1 Fundamentos de física
4.2.1.1 Luz
Bajo el concepto de luz se engloban la luz visible, la luz ultravioleta ( sus longitudes de onda son más cortas que las de
la luz visible) y la luz infrarroja (con longitud de onda mayor
que la luz visible) (Fig. 4.3). La luz visible es la parte de la
radiación electromagnética que es captada por los ojos humanos. Su longitud de onda comprende entre 380-770 nm
ondas de radio
infrarojas
microondas
ondas visibles
ondas ultravioleta
rayos X
rayos gamma
rayos cósmicos
violeta
azúl
verde
rojo
amarillo
Amplitud de la onda
λ [nm]
Figura 4.3: Intervalos de la radiación electromagnética utilizados en los sensores optoelectrónicos
78
Componentes mecatrónicos
Minos
El ojo humano presenta una sensibilidad distinta para cada color de la
luz visible. El color al que el ojo humano es más sensible es el amarillo
(λ=550 nm) (Fig. 4.4). El intervalo infrarojo y ultravioleta no son apenas
percibidos por las personas.
La luz roja o infrarroja son las más utilizadas en los sensores optoelectrónicos.
Intesidad
relativa
Amplitud de la onda λ
Figura 4.4: Sensibilidad relativa del ojo humano respecto a diferentes colores de la luz visible
79
Componentes mecatrónicos
Minos
4.2.1.2 Propiedades de la luz
Reflexión – la luz es reflejada por una superficie. Por ello se pueden ver
los objetos del medio.
Absorción – parte de la luz es absorbida por una superficie. La energía de
radiación es transformada en otra forma de energía (por ejemplo energía
calorífica).
Transmisión – el resto de luz que no es reflejada ni absorbida es transmitida a través de la materia. Dependiendo del cuerpo material, la luz puede
además dispersarse en la materia.
Refracción – la luz puede ser interrumpida o reflejada cuando pasa de un
medio a otro de diferente densidad. Este fenómeno se utiliza en la fibra óptica.
La refracción depende del color. Por este motivo la luz blanca transmitida a
través de un prisma es dividida resultando un espectro que da lugar a los
colores del arcoiris
LUZ
Absorción
Reflexión
Reflexión
Reflexión
Tansmisión
Figure 4.5: Propiedades de la luz
80
Componentes mecatrónicos
Minos
La reflexión de la luz depende en gran medida de las propiedades
de reflexión de una superficie (rugosidad, estructura, color, brillo). Se
pueden distinguir tres tipos de reflexión (Fig. 4.6):
1.
reflexión direccional- el ángulo de incidencia de la luz es igual
al ángulo de reflexión (por ejemplo en el caso de un metal pulido o
de un espejo)
2.
retroreflexión- una parte de la luz tiene una reflexión en una
dirección y otra parte es dispersada (por ejemplo en el caso de una
superficie pintada)
3.
reflexión difusa- la luz es reflejada en todas las direcciones
(por ejemplo en el caso de una superdicie rugosa).
Figura 4.6: Modos en los que la luz es reflejada por una superficie
81
Minos
Componentes mecatrónicos
4.2.2 Fotoemisores
Los elementos fotoelectrónicos están compuestos por semiconductores y se dividen en dos grupos: fuentes de luz (emisores) y fotodetectores. Estos se basan en dos fenómenos ópticos fundamentales: la
emisión de fotones por los emisores y la absorción de estos fotones
por los fotodetectores que reciben la luz emitida.
Los fotoemisores se dividen en:
- diodos luminosos (LED) que emiten una luz visible de longitud de
onda menor de 780 nm,
- diodos luminosos que emiten radiación infrarroja (λ>780 nm)
- diodos láser (LD) que o bien emiten luz visible o luz infrarroja.
82
Componentes mecatrónicos
Minos
4.2.2.1 Diodo luminoso (LED)
El funcionamiento de los diodos luminosos se basa en la electroluminiscencia. Esta se produce cuando un material emite una radiación
electromagnética al aplicar una corriente eléctrica externa. Un LED
está formado por una capa semiconductora de tipo n, una capa semiconductora de tipo p, una zona activa (zona transitoria p-n) y dos
contactos metálicos (un ánodo z un cátodo)(Fig. 4.7).
Los diodos luminosos operan cuando la tensión recibida es mayor que
cero. La intensidad luminosa depende de la intensidad de la corriente.
La relación entre ambas intensidades es aproximadamente linear.
tubo catódico
carcasa
ánodo
intensidad relativa
de luz
corriente de mando
mA
Figura 4.7: Modelo, símbolo y línea característica de un fotoemisor.
83
Minos
Componentes mecatrónicos
Las valores de longitud de onda de las radiaciones emitidas por
los diodos luminosos se encuentran dentro de un estrecho intervalo. El color de la luz producida depende de la longitud de onda
predominante y de la composición del material semiconductor (Fig.
4.8). Los diodos luminosos se fabrican con elementos del tercer
y quinto grupo del sistema periodico:
• Arseniuro de Galio (GaAs) – emite desde radiación infrarroja
hasta luz roja (950 - 650 nm),
• Fosfuro de Galio y Arsénico (GaAsP) – emite desde luz roja hasta
luz amarilla (630 - 590 nm),
• Nitruro de Galio (GaN) – emite luz azul (430 nm).
La radiación emitida se dispersa. Por ello la carcasa del LED incluye una lente convergente.
corriente de
mando relativa
longitud de la onda λ
Figura 4.8: Espectro característico de los diodos luminosos LEDs
84
Componentes mecatrónicos
Minos
Los diodos luminosos LEDs que generan tanto luz visible como
radiación infrarroja se utilizan como emisores en los sensores
optoelectrónicos. La luz visible hace más fácil la instalación del
sensor. Los sensores que emiten radiación infrarroja consumen
menor potencia y presentan buena exactitud y una zona grande
de acción. La carcasa de los diodos luminosos se fabrica normalmente de un plástico transparente o mate, sin color o con igual
color que el diodo. En el extremo de la carcasa se encuentra una
lente convergente de plástico que forma la radiación luminosa y
garantiza un ángulo óptimo de radiación (Fig. 4.9).
ánodo
ánodo
intensidad
relativa
cátodo
cátodo
cátodo
ánodo
Ángulo de eje óptico
Figura 4.9: Formas típicas de los diodos luminosos LED y ángulo de la radiación del diodo
85
Componentes mecatrónicos
Minos
4.2.2.2 Diodo Láser (LD)
Los diodos láser, al contrario que los diodos luminosos, presentan un
resonador óptico que se encuentra situado en los bordes de los diodos
(Fig. 4.10). Hasta un valor determinado de la intensidad corriente, un
diodo láser funciona como un diodo luminoso LED típico. Cuando se
supera este valor de intensidad de corriente se fuerza una emisión de
fotones que dota a la luz de unas propiedades especiales (alta densidad
de potencia, coherencia y un campo espectral limitado).
corriente
límite de diodo
p-n- conexión
límite de diodo
Figura 4.10: Estructura laminar de un diodo láser
86
Luz
Componentes mecatrónicos
Minos
La parte activa de un semiconductor láser LD es la zona transitoria p-n
que emite una radiación fuerte y coherente. Por este motivo la zona de
acción de los LDs es mayor que la de los LEDs (Fig. 4.11).
Los sensores optoelectrónicos contienen en su mayor parte diodos láser
que emiten luz visible (635 – 690 nm).
Los sensores con emisores láser se utilizan cuando un objeto pequeño
debe ser detectado o localizado. Debido a que la luz láser es casi una
radiación paralela, el emisor puede ser ajustado cuando el objeto se
sitúa lejano a la luz.
Intensidad
luz de láser (roja)
LED ( luz roja)
Amplitud de onda λ [nm]
Figura 4.11: Espectro característico de un diodo luminoso LED y un diodo láser LD
87
Minos
Componentes mecatrónicos
4.2.3 Fotodetectores
4.2.3.1 Fotodiodos
Los fotodetectores fabricados a partir de semiconductores (normalmente
fotodiodos o fototransistores) convierten la energía luminosa generada
por el emisor en energía eléctrica.
Debido a la absorción de una radiación fotoeléctrica el fenómeno fotoeléctrico tiene lugar en un fotodetector y genera una corriente fotoeléctrica.
En un fotodetector no iluminado sólamente circula una pequeña corriente
negra. Los fotodetectores reaccionan rápidamente a un impulso de luz. El
tiempo de subida es el período de tiempo durante el que la intensidad de
la corriente fotoeléctrica cambia de 0,1 a 0,9 del valor máximo. El tiempo
de descenso es el período de tiempo durante el que la intensidad de la
corriente fotoeléctrica cambia de 0,9 a 0,1 del valor máximo (Fig. 4.12).
Salida de
corriente
Tiempo
Figura 4.12: El tiempo de subida tr y tiempo de descenso tf de un impulso de corriente en un
fotodetector
88
Componentes mecatrónicos
Minos
Los fotodiodos se fabrican de silicio o de arseniuro de galio. Estos operan
con una fuente de tensión externa de polarización negativa. Cuando la
zona de transición p-n se ilumina, aumenta la corriente de regreso del
fotodiodo. Esta corriente depende de la densidad de la luz que llega al
absorbedor. El concentrador aumenta la densidad de la luz (Fig. 4.13).
superficie óptica
radiación
contacto
Base
Contacto
superficie
eléctrica
Heterounión
Figura 4.13: Esquema de un fotodiodo
89
Minos
Componentes mecatrónicos
La ventaja más importante del fotodiodo es su elevada frecuencia
de trabajo. Este procesa la señal luminosa con una frecuencia de
hasta algunas decenas de MHz. El inconveniente del fotodiodo
es su fuerte dependencia de la corriente de retorno respecto de
la temperatura.
Si se inserta una capa del semiconductor independiente i entre
los semiconductores n y p, se modifica la estructura energética y
se consigue un diodo PIN (Fig. 4.14). El absorbedor de un fotodiodo típico es mucho más fino que la profundidad de penetración
alcanzada por los fotones. Por ello el grado de eficiencia de un
diodo es pequeño y la corriente de fotones generada está limitada. En un diodo PIN la intensidad de corriente es mayor debido
a que la zona donde se encuentra el campo eléctrico es mayor.
El tiempo de aumento del impulso de un diodo PIN es menor y
su eficiencia es mayor que la de un fotodiodo corriente.
Luz
Capa antireflectora
Contacto
aislante
Capa de
ambsorción
campo eléctrico
Contacto
Figura 4.14: Estructura de un fotodiodo PIN
90
Componentes mecatrónicos
Minos
4.2.3.2 Detectores de posición PSD
Un detector de posición (Position sensitive detector-PSD) es
básicamente un diodo PIN con una superficie extremadamente
fotosensible. Una capa alargada de semiconductor p es iluminada
por una fuente (Fig. 4.15). Debido al fenómeno interno fotoeléctrico aparecen cargas eléctricas en ambos lados del elemento
que hacen que las corrientes lA e lB comiencen a circular. Cuando
el semiconductor p se ilumina de forma homogénea (el número
de fotones a los lados derecho e izquierdo son casi iguales) , se
cumple que lA ≈ lB. Cuando el elemento es iluminado de manera
asimétrica, los valores de la corriente cambian. Midiendo la relación
entre las corrientes circulantes por el PSD se puede determinar la
posición x de la intensidad luminosa máxima, que se transforma
en el circuito de conmutación del sensor en una señal de salida
analógica (tensión).
Luz
Figura 4.15: Funcionamiento de un detector de posición
91
Componentes mecatrónicos
Minos
4.2.3.3 Detectores CCD
En los sensores de detección optoelectrónicos se sustituyen los
detectores de posición PSD por los detectores CCD (Charge
Coupled Device). Los detectores CCD no son sensibles a las
perturbaciones producidas por las reflexiones secundarias de
luz, ya que estos sólo reaccionan a la intensidad luminosa (y no
a la cantidad de luz como los detectores PSD). Una matriz CCD
típica digital es una estructura homogénea lineal que consta de
células sensibles a la luz (pixeln). Su salida consiste en tensiones
discretas que representan la intensidad de iluminación de cada
pixel (Fig. 4.16).
La posición x es el centro de gravedad del reparto de la intensidad
luminosa sobre la superficie del CCD. La matriz CCD es especialmente efectiva cuando la longitud de onda comprende entre
500-900 nm.
longitud
Pixel
Světelná skvrna
Intensidad
Pixel número serial
Figura 4.16: Funcionamiento de los detectores CCD
92
Componentes mecatrónicos
Minos
4.2.3.4 Fototransistores
Un fototransistor esta formado por un semiconductor que presenta
dos zonas de transición p-n. Estas hacen posible la modulación
homogénea de la corriente de salida partir de una radiación aplicada y señales eléctricas. La estructura de un fototransistor es
similar a la de un transistor amplificador, solo que en este caso la
carcasa posibilita la iluminación del semiconductor base. Los fototransistores presentan una sensibilidad mayor que un fotodiodo,
ya que en este caso la corriente de fotones es amplificada. Debido
a esto los fototransistores se utilizan como fotodetectores a pesar
de que presentan una frecuencia límite mucho más pequeña que
los fotodiodos.
La tensión característica de salida de un fototransistor es similar a
la de los transistores bipolares, aunque en este caso el parámetro
variable no es la corriente básica sino el área básica iluminada
(Fig. 4.17). En sensores se utilizan tanto transistores npn como
transistores pnp.
Intensidad de la luz
ongitud de la onda λ
Figura 4.17: Característica espectral y símbolo de los fototransistores
93
Minos
4.3 Componentes mecatrónicos
Clases de sensores
4.3.1 Sensores unidireccionales (Through Beam)
En los sensores unidireccionales (through beam) el rayo de luz
es enviado directamente del emisor al receptor. En emisor y el
receptor se encuentran en un mismo eje pero presentan carcasas
individuales. Estos sensores detectan los objetos que se encuentran entre el emisor y el receptor y que interrumpen el haz luminoso.
No son sensibles a condiciones ambientales adversas como la
contaminación, el vapor o la niebla. Su zona de acción es mucho
mayor en comparación con otros tipos de sensores (más de 50
m). Los sensores unidireccionales pueden presentar dos formas
básicas: sensores cilíndricos o cúbicos (Fig. 4.18).
Los sensores unidireccionales detectan objetos de cualquier material. Las superficies del objeto pueden estar a su vez también
pintadas, ser transparentes, rugosas o lisas. Esto no tiene influencia alguna en el funcionamiento del sensor.
Emisor
(E)
Emisor
(E)
Eje óptico
Eje óptico
Emisor(E)
Emisor
(R)
Figura 4.18: Formas básicas de sensores unidireccionales: a) cilíndrico, b) cúbico
94
Componentes mecatrónicos
Minos
El rayo efectivo de luz depende del diámetro de las lentes del
emisor y del receptor (Fig. 4.19). Un objeto es detectado cuando
esté eclipsa en al menos un 50% la radiación emitida.
Campo de emisión
Emisor (E)
Rayo efectivo
Receptor (R)
Campo de vista del receptor
Figura 4.19: Rayo efectivo de luz
95
Minos
4.3.2
Componentes mecatrónicos
Sensores retroreflectivos
En los sensores retroreflectivos el emisor y receptor se encuentran en la misma carcasa (Fig. 4.20). La luz es reflejada por un
reflector en la dirección del receptor. La presencia de un objeto
provoca la difusión de la luz emitida y la señal de salida se ve así
modificada. Un sensor retroreflectivo típico sin filtro de polarización
utiliza radiación infrarroja. Los sensores con filtro de polarización
emplean luz roja visible. Los sensores retroreflectivos tienen la
ventaja de contar con una gran zona de acción (hasta 12 m) y
son independientes de las propiedades de la superficie del objeto.
Reflector
Receptor(R)
Emisor (E)
Reflector
Receptor (R)
Emisor (E)
Figura 4.20: Formas básicas de sensores retroreflectivos: a) cilíndrico, b) cúbico
96
Componentes mecatrónicos
Minos
Los sensores retroreflectivos requieren formas especiales de reflectores
o cintas reflectoras (Fig. 4.21).
Figura 4.21: a) Reflectores, b) Bandas reflectoras
Al contrario que los espejos o las superficies lisas reflectantes, los reflectores no deben colocarse exactamente perpendiculares al sensor.
Un error de unos cuantos grados en la posición no perjudica el trabajo
del sensor (Fig. 4.22a).
Figura 4.22: Reflexión de la luz: a) en un sistema con dos espejos,
b) en un espejo de triple reflexión
97
Minos
Componentes mecatrónicos
DEl principio de reflexión bidimensional (retroreflectivo) es válido también
para un sistema de tres espejos colocados perpendicularmente unos de
otros (Fig. 4.22b). El rayo de luz emitido es reflejado por las tres superficies, siendo la radiación reflejada paralela al rayo. Un espejo de triple
reflexión se emplea como reflector para sensores de reflexión.
El rayo efectivo de luz depende del diámetro de las lentes del emisor y
receptor y de la superficie del reflector (Fig. 4.23).
Reflector
Receptor
(R)
Emisor
(E)
Rayo efectivo
Rayo emisor
Figura 4.23: Rayo de luz efectivo de un sensor de reflexión
98
Componentes mecatrónicos
4.3.3
Minos
Sensores de difusión
Los filtros de luz (sensores de difusión) presentan tan sólo una
carcasa dentro de la cual se encuentran el emisor y el receptor. Su
ventaja principal es que no requieren ningún reflector (Fig. 4.24).
La luz emitida por el emisor es reflejada por un objeto, volviendo
esta de nuevo al receptor, produciéndose un cambio en la señal
de salida.
Objeto
Receptor (R)
Emisor (E)
Receptor (R)
Objeto
Emisor (E)
Figura 4.24: Formas básicas de sensores de difusión: a) cilíndricos, b) cúbicos
99
Minos
Componentes mecatrónicos
Los filtros de luz tiene una distancia de operación bastante pequeña de aproximadamente 100-200 mm. Los objetos situados
más alla de esta distancia no son detectados. Las perturbaciones
producidas por estos objetos son automáticamente amortiguadas.
La distancia de operación depende del coeficiente de reflexión
de la luz que presenta el objeto a detectar. Dicho coeficiente
viene determinado por el color y tipo de la superficie del objeto.
Una superficie lisa puede reflejar la luz, incluso cuando esta se
encuentre lejos del sensor. Esto dificulta la detección del objeto
correcto. Una superficie oscura o mate absorbe parte de la luz de
tal manera que la luz restante no es suficiente para detectar el
objeto. En este caso se utilizan sensores de difusión especiales.
Para determinar el alcance máximo de un sensor de difusión se
emplea una superficie calibrada (una hoja de papel blanca o papel
Kodak) que refleja el 90% del rayo de luz.
100
Componentes mecatrónicos
Minos
4.4
Procesamiento de señales
4.4.1
Fuentes de interferencias
Los sensores optoelectrónicos son sensibles a las perturbaciones originadas por las interferencias ópticas causadas por las fuentes externas
de luz (naturales y artificiales). Los rayos de luz procedentes de estas
fuentes que alcancen un sensor optoelectrónico pueden influir la corriente emitida por el emisor y generar señales de salida falsas. Para
evitar falsas reaciones los sensores son dotados de sistemas que evitan
este tipo de perturbaciones y que regulan la sensibilidad del sensor. La
contaminación del ambiente (aceite o polvo en las superficies de objetos
detectados o lentes del sensor) puede ocasionar problemas adicionales.
Fuentes artificiales típicas y sus espectros característicos se muestran
en la Fig. 4.25.
a)
lámpara incandescente
b) lámpara de descarga de sodio
Amplitud de onda λ [nm]
Amplitud de onda λ [nm]
Intensidad
(unidades relativas)
Amplitud de onda λ [nm]
Figura 4.25: Fuentes de luz artificial y sus espectros característicos: a) bombilla , b) lámpara de vapor
de sodio, c) lámpara fluorescente
101
Minos
Componentes mecatrónicos
El espectro de radiación de una bombilla es amplio y la intensidad
máxima de radiación se encuentra entre 600-700 nm. La mayoría de
de las lámparas de vapor de sodio emite una longitud de onda entre
550-640 nm (intervalo similar al de los LEDs rojos). Las lámparas
fluorescentes presentan un espectro integrado por unas cuantas
líneas predominantes y un intervalo menor con longitud de onda
entre 570-700 nm.
Los filtros de luz son especialmente sensibles a las perturbaciones
producidas por una interferencia óptica, sobre todo si esta proviene
de una luz natural con intensidad constante, de una luz artificial con
espectro similar al de la luz natural, así como de una luz intermitente.
102
Componentes mecatrónicos
Minos
4.4.2 Eliminación de interferencias
4.4.2.1 Modulación de la luz
Los sensores optoelectrónicos no son sensibles a la luz ambiental
cuando utilizan luz modulada. La luz del emisor se conecta durante
un instante (más corto que la pausa entre los propios impulsos) (Fig.
4.26). La frecuencia de la señal modulada de luz comprende algunos
kHz. Pero si el emisor y la fuente de luz que causa la perturbación
tienen frecuencias de trabajo similares puede producirse una interferencia. La luz modulada presenta las siguientes ventajas:
- los sensores son apenas sensibles a la luz del ambiente,
- la distancia de operación máxima del sensor aumenta,
- la cantidad de calor generada disminuye
- la vida útil del LED es mayor
Emisores y receptores presentan lentes ópticas para recoger los
rayos de luz generados y disminuir el campo de vista del receptor.
Se limita así la zona de acción del sensor y disminuye la influencia de
la radiación reflejada por los objetos. Gracias a las lentes colectoras
aumentará la distancia máxima entre el emisor y el receptor o entre
el emisor y la superficie reflectante. En el caso de que se requiera
un menor alcance y un amplio campo de visión, se emplearán los
elementos fotoópticos sin lentes (con una ventana lisa transparente).
Suministro
del emisor
Emisor ON
Emisor OFF
Tiempo
Figura 4.26: Tensión del emisor modulada
103
Minos
Componentes mecatrónicos
4.4.2.2 Polarización de la luz
La señal de salida de un sensor de reflexión estándar puede ser
modificada involuntariamente si un objeto brillante se encuentra en
la zona de acción del sensor. Para reconocer la luz reflejada por el
objeto correcto a detectar se debe utilizar a menudo luz polarizada.
La polarización consiste en la ordenación total o parcial de las oscilaciones de la onda luminosa. Cuando una onda luminosa no está
polarizada las vibraciones del campo eléctrico y magnético ocurren
en todas las direcciones. Si la luz está polarizada dichas vibraciones
se producen en una sola dirección.
Tanto la luz natural como la luz emitida por los LEDs no está polarizada. Si la luz pasa a través de un fitro de polarización, permanece solo
la parte de la luz que presenta la dirección del filtro. Si un rayo de luz
que ha pasado a través de un filtro de polarización horizontal, pasa a
través de un filtro de polarización vertical (Fig. 4.27), este desaparece.
La reflexión difusa destruye la polarización (Fig. 4.27b). Una pequeña
parte de la luz que pasa a través de un polarizador vertical no tiene
suficiente energía para detectar por medio del sensor una superficie
reflectante. Cuando la luz polarizada es reflejada por un espejo (Fig.
4.27c) no se destruye la polarización. En este caso, tras pasar la luz
polarizada a continuación por un polarizador vertical, esta desaparecerá.
Estos dos fenómenos se utilizan en los sensores retroreflectivos.
Cuando se elige e instala el filtro adecuado, se pueden eliminar las
perturbaciones generadas por las superficies reflectantes. Además,
de esta forma se pueden detectar también objetos transparentes. Los
filtros de polarización se fabrican a menudo de láminas de polímeros.
104
Componentes mecatrónicos
Recurso
de luz
Minos
Luz normal
Filtros de
polarización
Luz polarizada
Recurso
de luz
Luz normal
Superficie difusa
Luz polarizada
Luz despolarizada
Recurso
de luz
Luz normal
Filtros de
polarización
Espejo
Luz polarizada
Figura 4.27: Polarización de la luz: a) eliminación de la luz depués de pasar por un filtro horizontal y
un filtro vertical , b) reflexión de la luz polarizada sobre una superficie difusora, c) reflexión de la luz
polarizada a través de un espejo
105
Componentes mecatrónicos
Minos
4.4.3 Margen de operación
Debido a la influencia del medio (por ejemplo lentes sucias, modificación del coeficiente de reflexión, envejecimiento del emisor) la
iluminación del elemento optoeléctrico y el nivel de su señal de salida
pueden verse disminuídos. El nivel de la señal puede ser demasiado
pequeño para cambiar la señal de salida, produciendo que el sensor
no funcione correctamente. Para evitar tales situaciones debe disponerse de una reserva de nivel de la señal determinada por el margen
de operación (Fig. 4.28).
El margen de operación es cero para el caso de que el receptor no
sea apenas iluminado. Si la cantidad de luz es suficiente para cambiar
la señal de salida, el margen de operación será 1. La cantidad real
de luz debe superar el nivel mínimo necesario para cambiar la señal
de salida (margen de operación>1) para garantizar una reserva.
Operating Margin=
Actual amount of light detected
Minimum amount required
to change output state
Fuerza de la
señal
Margen de
operación
Luz de
exceso
Exceso mínimo de luz
Accionando la salida
Desactivando la salida
Tiempo
Rango
Inestable
Rango de
operación
Rango
Protegido
Inestable
Figura 4.28: Relación entre el rango de operación protegido de un sensor optoelectrónico y el
margen de operación
106
Componentes mecatrónicos
Minos
Si las condiciones de trabajo del sensor son conocidas se puede
determinar el exceso de luz necesario que garantiza una protección
contra la dispersión de la energía luminosa. Cuanto mayor sea este
exceso, más fiable será el sensor. Para casos de alto riesgo de una
disminución casual de la iluminación del receptor, el margen de operación debe también ser mayor. Si el aire no está contaminado y la
probabilidad de contaminación de las lentes es pequeña, el margen
mínimo de operación debe ser mayor de 1,5. Cuando el ambiente está
muy contaminado y la operación de limpieza de lentes está limitada,
el margen mínimo de operación debe ser incluso mayor de 50.
Un diodo intermitente indica condiciones de trabajo no estables, esto
es, la iluminación del sensor es demasiado pequeña para producir
un cambio de la señal de salida.
La histéresis es también importante para los sensores de difusión(
diferencia del nivel de señal entre la conexión y desconexión) (Fig.
4.29). El campo de trabajo del sensor se determina para el nivel de
la conexión de la señal de salida (switch ON).
Nivel de la
señal
Nivel de la conexión de la señal de
salida.
Histeresis
Salida ON
Nivel de la desconexión de la señal
de salida.
Tiempo
Figura 4.29: Histéresis de un sensor de difusión
107
Componentes mecatrónicos
Minos
Cuanto mayor sea la distancia entre el sensor y el objeto, mayor será
la histéresis (Fig. 4.30).
Sensor de
difusión
Objeto
Histéresis H
Detección de distancia S
Figura .4.30: detectado
108
Relación entre la histéresis y la distancia entre el sensor de difusión y el objeto
Componentes mecatrónicos
Minos
4.4.4 Distancia de trabajo
Una propiedad importante de los sensores optoelectrónicos es el
alcance, determinado por la distancia máxima de trabajo. Para los
sensores unidireccionales esta representa la máxima distancia entre
entre el emisor y el receptor. Para los sensores retroreflectivos esta
distancia viene marcada por la máxima distancia entre el sensor y el
reflector. Para los sensores de difusión esta es la máxima distancia
entre el sensor y el objeto a detectar (Fig. 4.31).
Emisor (E)
Receptor (R)
Distancia
máx. de detección
Receptor (R)
Emisor (E)
Reflector
Distancia
máx. de detección
Objeto
Receptor (R)
Emisor (E)
Distancia
máx. de detección
Figura .4.31: detectado
Relación entre la histéresis y la distancia entre el sensor de difusión y el objeto
109
Minos
Componentes mecatrónicos
Debido al diseño de los sensores de difusión, donde el emisor y el
receptor están colocados en la misma carcasa, existe una distancia
de detección mínima bajo la que un objeto ya no es detectado.(Fig.
4.32).
Receptor (R)
Emisor (E)
zona
muerta
Distancia mínima del sensor
Figura 4.32: Distancia mínima de trabajo de sensores retroreflexivos y sensores de difusión
110
Componentes mecatrónicos
Minos
4.4.5 Tiempo de respuesta
Cuando un objeto muy pequeño o un objeto que se mueve a gran
velocidad debe ser detectado, el tiempo de respuesta del sensor
optoelectrónico utilizado es muy importante. El sensor debe conseguir cambiar la señal de salida en un tiempo reducido.
El tiempo de respuesta es el período de tiempo que transcurre
entre la aparición del rayo de luz del sensor y el cambio de la señal
de salida. El tiempo de descarga (release time) es el período de
tiempo que trascurre entre la eliminación del objeto detectado y
el cambio de la señal de salida. Ambos tiempos no son siempre
iguales.
Los valores máximos del tiempo de respuesta y del tiempo de
descarga son dados en las fichas técnicas de cada sensor. A menudo se producen desviaciones debido a que la frecuencia de la
tensión del impulso del emisor no puede ser sincronizada con el
movimiento del objeto.
Cuando el tiempo de respuesta es conocido se puede determinar
la velocidad máxima de un objeto o la distancia máxima entre
objetos para poder ser detectados.
Operating Margin=
Actual amount of light detected
Minimum amount required
to change output state
El tiempo así calculado debe ser mucho mayor que el tiempo de
respuesta del sensor dado en el catálogo. Si existen huecos entre los objetos a ser detectados de menor tamaño que uno de los
propios objetos, el tiempo durante el que dicho espacio permanece
en el campo del sensor se calcula a partir de la siguiente forma:
Operating Margin=
Actual amount of light detected
Minimum amount required
to change output state
Este tiempo debe ser también considerablemente mayor que el tiempo
de respuesta del sensor dado en el catálogo.
111
Minos
4.5 Componentes mecatrónicos
Tipos especiales de sensores optoelectrónicos
4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados
En los sensores retroreflectivos que utilizan luz polarizada, la luz
generada por el emisor se dirige a un reflector de espejo de triple
reflexión después de pasar a través de una lente colectora y un filtro
horizontal de polarización (Fig. 4.33). El espejo de triple reflexión
gira la luz polarizada 90°. Una parte de la luz reflejada pasa a través
de un filtro de polarización vertical alcanzando al receptor. Por este
motivo tan sólo la luz reflejada por el detector puede ser reconocida.
Los filtros de polarización provocan pérdidas de intensidad de la luz
emitida. El alcance de estos sensores es 30-40% menor que el alcance de los sensores retroreflectivos estándar. Los LEDs emisores
de luz roja visible son los más utilizados como fuentes luminosas.
Polisador
emisor
reflektor s
trojným zrcadlem
Lentes
Receptor
Filtros
polarizadores
Figura 4.33: Sensores retroreflectivos con polarización de la luz
112
Componentes mecatrónicos
Minos
4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo
En muchos de los tipos de sensores de difusión se pueden configurar las distancias máxima y mínima de trabajo (Fig. 4.34). Para ello
se modifica el ángulo del receptor o el ángulo de un espejo instalado
adicionalmente. Esto es importante si detrás del objeto a detectar
se encuentra una superficie reflectora, de tal manera que el objeto
no puede ser detectado correctamente. La superficie reflectora no
tiene influencia alguna cuando la distancia de trabajo del sensor
es menor que la distancia entre el sensor y la superficie (situada
en el fondo). En este caso sólo serán detectados los objetos que
se encuentren delante del fondo.
eje óptico del
emisor
Receptor (R)
eje óptico del
receptor
Emisor (E)
Ventana de
envio
Figura 4.34: Corte del eje óptico del emisor y del receptor para limitar la superficie activa
113
Minos
Componentes mecatrónicos
La supresión electrónica de la influencia de fondo es aún más efectiva que el método mecánico ya que el sensor reconoce el fondo
presente y puede así ignorarlo. Este método es aplicado en el caso
de sensores de difusión con dos receptores de luz o en sensores de
triangulación con una cámara CCD o un PSD. El primer grupo de
sensores compara las iluminaciones del receptor con tal de detectar
el objeto. El segundo grupo mide la distancia entre el objeto y el
sensor y la compara con una medida tomada en un estado anterior.
Para eliminar la influencia de fondo de manera electrónica se puede
proceder de las tres maneras siguientes (Fig. 4.35):
• no detección del objeto 3, que se encuentra fuera de la distancia
de trabajo
• no detección del objeto 2, que se encuentra dentro de la distancia
de trabajo
• detección del objeto 1, que se encuentra en un determinado campo
(campo de trabajo)
Si la distancia entre el objeto y el sensor:
• es menor que Lmin, se elimina la influencia del fondo situado en
un primer plano
• es mayor que Lmax, se elimina la influencia del fondo posterior
• es mayor que Lmin y menor que Lmax, la influencia del fondo en
primer plano y del fondo posterior son eliminadas
114
Componentes mecatrónicos
Minos
LD (Diodo laser)
čočka
Recibidor CCD o PSD
měřící
oblast
salida
área de eliminación
de la parte frontal
Objeto
2
àrea de
detección
área de eliminación
del fondo
objeto 3
Figura 4.35: Sensor de triangulación con eliminación electrónica de la influencia de fondo
115
Minos
Componentes mecatrónicos
Gracias al sistema óptico del sensor de triangulación la radiación luminosa emitida por el láser es orientado como un rayo paralelo (Fig.
4.35). Este es reflajado por el objeto 1 de manera difusa, alcanzando
parte de él el detector PSD o la cámara CCD, que se encuentran
dentro de una misma carcasa. El sistema a analizar compara la señal
ganada con la distancia de trabajo determinada en el estado anterior
ajustada a través del potenciómetro. Cuando el objeto se encuentra
dentro de la distancia de trabajo, la señal de salida cambia.
Al contrario que los sensores de difusión típicos la distancia de trabajo no depende del tamaño, color y propiedades de la superficie del
objeto a detectar. Por este motivo el objeto puede ser detectado aún
cuando el fondo sea brillante.
Cuando se quieren detectar objetos cercanos al fondo o cuando se
quiere determinar el nivel de un fluido transparente solo pueden ser
empleados este tipo de sensores.
Los sensores de difusión que eliminan la influencia del fondo pueden
detectar tanto objetos claros como oscuros. Esto se muestra en la
Fig. 4.36. La diferencia entre las distancias de trabajo para objetos
claros y oscuros es tan solo de un 5%.
Las fuentes luminosas LED y los receptores presentan lentes ópticas
para recoger la radiación luminosa generada y disminuir el campo
de vista del receptor. La zona de acción del sensor se ve limitada y
disminuye la influencia de la radiación reflejada por los objetos que
se encuentran fuera de la zona de acción. Gracias a las lentes la
distancia máxima entre el emisor y el receptor o entre el emisor y la
superficie reflectante será mayor. Si se requieren un alcance pequeño
y un campo visual amplio, se utilizan elementos fotoópticos sin lentes
(con una ventana lisa transparente).
Rango del sensor
Papel blanco
Papel negro
Sensor de difusión
Sensor de difusión con
eliminación de fondo
Figura 4.36: Relación entre la distancia de trabajo y el color de la superficie
reflectora
116
Componentes mecatrónicos
4.5.3
Minos
Sensores retroreflectivos con autocolimación
La autocolimación implica la conversión automática de un rayo de
luz divergente en un rayo paralelo. Aún cuando el diámetro del rayo
sea pequeño, bastará para iluminar al receptor.
Gracias a la autocolimación se pueden detectar objetos transparentes
y objetos que se encuentran en la zona muerta.
Los sensores reflexivos optoelectrónicos que emplean la autocolimación se basan en el hecho de que los ejes ópticos de los canales
del emisor y del receptor son iguales. Esto es posible debido a que
la luz en el canal de recepción es desviado 90° por un espejo semitransparente (Fig. 4.37). Tales sensores trabajan especialmente bien
con reflectores laminados.
reflector de tres espejos
rayo de emisión y
recepción
Lentes
rayo
reflejado
rayo de
emisión
receptor
emisor
Figura 4.37: Sensores de reflexión con autocolimación
117
Componentes mecatrónicos
Minos
4.5.4 Sensores de fibra óptica
4.5.4.1 Fibra óptica
La fibra óptica se emplea para transmitir ondas electromagnéticas
cuya frecuencia es similar a la de las ondas luminosas. El sensor de
difusión más sencillo es una varilla de cristal o plástico con extremos
planos. Esta se emplea actualmente como núcleo de fibra óptica. La
varilla está recubierta por una capa de otro cristal o plástico de menor
índice de refracción (Fig. 4.38).
El modo de funcionamiento de una fibra óptica se basa en la reflexión
total de la luz interna en el límite situado entre dos sustancias con
diferentes índices de refracción. Tras la reflexión el 100% de la energía
luminosa permanece en la fibra óptica.
Rayo de luz
núcleo
Figura 4.38: Reflexión total de la luz interna en una fibra óptica
118
Componentes mecatrónicos
Minos
El rayo de luz es reflejado por el extremo cuando este se encuentre en
un medio con un coeficiente de refracción mayor. Además solo serán
transmitidos los rayos cuyo ángulo de incidencia en la superficie frontal
de la fibra sea menor que el ángulo crítico. El ángulo crítico depende de
la relación entre los coeficientes de refracción de la capa y el núcleo.
La contaminación y las pequeñas impurezas materiales del núcleo
disminuyen la intensidad de la luz y disminuyen la longitud de la fibra
óptica hasta la que puede transmitirse la luz de manera efectiva. El
diámetro del núcleo tiene un valor desde 5 µm (para conductores de
cristal de cuarzo) hasta 1 mm (para conductores de plástico). Gracias
a su pequeño diámetro los conductores de cristal son muy elásticos
y pueden ser deformados en cualquier dirección.
Las conductores pueden tener una o varias fibras ópticas (Fig. 4.39).
Fibra
Capa de
protección
Relleno
Figura 4.39: Cables de fibra óptica con diferente número de fibras
119
Minos
Componentes mecatrónicos
Las fibras ópticas de vidrio pueden resistir temperaturas más elevadas (hasta 250°C) que las fibras ópticas de plástico (hasta 70°C). Si
embargo las fibras ópticas de plástico son más resistentes, baratas y
fáciles de recortar. Las fibras ópticas de vidrio transmiten tanto la luz
visible como la radiación infrarroja. Las fibras ópticas de plástico se
utilizan solamente para transmitir luz visible, ya que estas presentan
una eficacia menor cuando transmiten radiación infrarroja.
En el extremo de una fibra óptica se encuentra una cabeza cilíndrica
de metal o un conector para instalar este. Existen dos tipos de fibras
ópticas: unidireccionales o ramificadas (Fig. 4.40).
Los conductores unidireccionales presentan un núcleo (núcleo simple). Las fibras ópticas ramificadas tienen dos o más núcleos (núcleo
doble o multinúcleo).
Fibra óptica
Cabeza del receptor
Fibra óptica
Cabeza del sensor
Figura 4.40: Tipos de fibras ópticas: a) – unidireccional, b) – ramificada
120
Componentes mecatrónicos
Minos
4.5.4.2 Funcionamiento
Los sensores optoelectrónicos con fibra óptica funcionan de la
misma manera que otros sensores optoelectrónicos. Solamente
existe la diferencia de que en este caso la luz emitida y recibida es
transmitida por una fibra óptica. La cabeza de la fibra óptica es muy
pequeña ( algunos mm) y por ello el sensor puede ser colocado
fácilmente en lugares de difícil acceso. Los circuitos electrónicos
se encuentran en un amplificador separado (Fig. 4.41).
Dos fibras ópticas unidireccionales situadas una enfrente de la
otra funcionan como un sensor unidireccional. Cuando la radiación
es interrumpida, el objeto es detectado. Dos cables de una fibra
óptica ramificada están conectados a la cabeza de un sensor.
La luz emitida es transmitida a través del primer cable volviendo
la radiación al emisor a través del segundo cable. Cuando la luz
emitida es reflejada por un objeto, el objeto es detectado.
Fibra
óptica
salida
cabeza del emisor
cabeza del receptor
objeto
Amplificador de la
fibra óptica
salida
objeto
cabeza del sensor
Figura 4.41: Tipos de sensores con fibras ópticas: a) unidireccionales, b) difusos
121
Minos
Componentes mecatrónicos
Los sensores de fibra óptica pueden detectar objetos muy pequeños gracias a las pequeñas dimensiones de la cabeza de
la fibra óptica y además pueden ser instalados en lugares de
dimensiones reducidas. Pueden trabajar también en lugares con
riesgo de explosión o inmersos en líquidos. Estos sensores no
son sensibles a daños mecánicos y vibraciones. Por ello pueden
ser instalados en equipos en movimiento.
Un LED que emite luz visible roja o radiación infrarroja puede
ser utilizado como fuente luminosa. El diámetro exterior de una
fibra óptica estándar es de 2,2 mm y su longitud es normalmente
menor de 2 m.
122
Componentes mecatrónicos
Minos
4.6
Conexión de los sensores optoelectrónicos
4.6.1
Tipos de conexiones
Los sensores optoelectrónicos presentan dos modos de operación:
•
•
modo oscuro (DO, dark operate),
modo claro(LO, light operate).
En el modo oscuro la salida del sensor está activa (ON) cuando la
luz emitida no alcanza al receptor. En el modo claro la salida del
sensor está activa (ON) cuando la luz emitida alcanza al receptor.
La relación entre la señal de salida y la iluminación del receptor
para el modo oscuro se muestran en la fig. 4.42.
Para el modo de operación claro la señales de salida son opuestas
a las mostradas en la fig. 4.42.
Figura 4.42: Señal de salida de los sensores en modo de operación oscuro
123
Minos
Componentes mecatrónicos
4.6.2 Conmutación de la salida del sensor
Todos los sensores optoelectrónicos presentan una zona característica de conmutación de la señal de salida. Su dimensión y
forma dependen del diámetro de la radiación de luz emitida y de
la distancia entre el objeto detectado y el sensor (para sensores
unidireccionales entre el emisor y el receptor). Cuando el objeto
detectado (el receptor en el caso de los sensores unidireccionales)
se encuentre en dicha zona, la señal de salida cambia.
La zona de conmutación de la señal de salida puede ser representada en forma de un diagrama de respuesta (Fig. 4.43) cuando un objeto es desplazado respecto al receptor o el receptor es
desplazado respecto al emisor.
Receptor
Emisor
Emisor
Receptor
Distancia X
Figura 4.43: Diagrama de respuesta de un sesnor unidireccional
124
Componentes mecatrónicos
Minos
Una propiedad importante de todos los sensores de detección es
la frecuencia de conmutación máxima (número máximo de cambios de la señal de salida posible en un segundo, Hz). En el caso
de sensores optoelectrónicos esta será determinada en base al
tiempo de respuesta/ tiempo de descarga. En un principio se parte
de que ambos tiempos son iguales:
f max =10 3 / (Tiempo de reacción + Tiempo de producción)
f max [Hz]
tiempo de reacción/ producción [ms]
125
Minos
4.7
Componentes mecatrónicos
Aplicaciones
Figura 4.44: Control del despliegue de la cinta por medio de un sensor optoelectrónico unidireccional
Figura 4.45: Reconocimiento de elementos opacos por medio de un sensor optoelectrónico
retroreflectivo
126
Componentes mecatrónicos
Minos
Figura 4.46: Control del nivel de un líquido en un recipiente de cristal por medio de un sensor
optoelectrónico con un filtro de polarización.
Figura 4.47: Detección de la ruptura de una herramienta usando un sensor unidireccional con fibra
óptica
127
Minos
Componentes mecatrónicos
5
Sensores de campo magnético
5.1 Fundamentos básicos
Los sensores magnéticos detectan sobre todo objetos a los que se
pueden fijar imanes. Los sensores magnéticos se emplean a menudo en la industria de la automatización ya que estos tienen una
zona de acción muy amplia y sus carcasas herméticas de reducido
tamaño pueden tener diferentes formas.
Las formas básicas de los sensores magnéticos no requieren de un
suministro de corriente, pudiendo ser conectados directamente a
una unidad de control. Estos también pueden controlar de manera
independiente la operación de máquinas. Una ventaja adicional de
los sensores magnéticos es el amplio rango de tensiones y corrientes de conexión (más de 1000 V y algunos A).
Los sensores magnéticos responden a un campo magnético que
se genera normalmente por imanes permanentes adheridos y fluye
desde y hacia los objetos a detectar . Los objetos pueden ser de
diferentes materiales, aunque se prefieren los objetos no ferromagnéticos que aseguran una zona de acción mayor.
Un elemento situado en el campo magnético que reacciona ante
este puede ser un contacto eléctrico hermético (contacto reed), un
elemento semiconductor (sensor Hall), una resistencia magnética
o un material con propiedades magnéticas especiales.
Los campos magnéticos atraviesas la mayoría de los materiales
no magnéticos incluso cuando un diamagnético se encuentra entre el objeto y el sensor (por ejemplo una tubería de plástico o un
recipiente de plástico).
Cuando un imán se aproxima al sensor (en la dirección X o Y) la
señal de salida es modificada, siendo esto señalizado por un LED
(Fig. 5.1).
Iman
elemento que responde al campo magnético
DETECTOR
Figura 5.1: Elementos de un sensor magnético de proximidad
128
SISTEMA DE SALIDA
Componentes mecatrónicos
5.2 Minos
Fundamentos físicos
5.2.1 Campo magnético
Un campo magnético está determinado por el espacio donde las
fuerzas magnéticas están presentes. Se encuentra alrededor de
imanes, conductores activos y cargas eléctricas en movimiento.
Un imán presenta dos polos donde se concentra el magnetismo: el
polo norte (N) y el polo sur (S). Ambos polos pueden atraer objetos
no imantados. Cuando hay dos imanes presentes, el polo norte de
un imán atrae el polo sur del otro imán. Los polos de igual polaridad
se repelen.
Las línes de un campo magnético están cerradas y se dirigen
siempre del polo norte N al polo sur S. El campo magnético de un
imán es igual al generado por un solenoid a través del cual fluye la
corriente eléctrica (Fig. 5.2).
Existen tres magnitudes características de un campo magnético:
– la intensidad H ( A/m),
– la inducción B (Tesla, T),
– la permeabilidad relativa μr
Iman permanente
bobina
Conductor con corriente
Figura 5.2: Fuentes de un campo magnético
129
Minos
Componentes mecatrónicos
Toda materia presenta propiedades magnéticas, pero un campo
magnético influye de diferente manera en cada cuerpo. Los cuerpos
materiales se clasifican en función de su permebilidad relativa μr
en los siguientes grupos: diamagnéticos (μr <1, cuerpos que no son
atraídos por imanes, por ejemplo cristal o bismuto), paramagnéticos (μr >1, por ejemplo aluminio, platino, cinc), y ferromagnéticos(
el grupo más importante, con μr>>1). La permeabilidad de aceros
puros presenta un valor de unos varios miles).
Un campo magnético tiene una fuerte influencia en los materiales
ferromagnéticos. Su propiedad característica son pequeños campos
igualmente inmantados- dominios magnéticos (Fig. 5.3). Cuando
estos campos son ordenados por un campo magnético externo, el
material ferromagnético funciona como un imán. Las propiedades
ferromagnéticas de los aceros dependen de su composición química
y de su tratamiento térmico.
Figura 5.3: Dominios magnéticos de un ferromagnético a) no imantado, b) imantado
130
Componentes mecatrónicos
Minos
Los materiales ferromagnéticos que se encuentran en un campo
magnético exterior son imantados y desimantados dependiendo de
la dirección del campo magnético. Esta histéresis depende de las
propiedades del material ferromagnético (Fig. 5.4). Si la histéresis
es elevada, el material ferromagnético es difícil de imantar. Estos
materiales (Fe-Co, Ni-Co, ferritas duras) son denominados “duros”
y se emplean como imanes permanentes. Si la histéresis es pequeña el material ferromagnético puede ser imantado y desimantado fácilmente. Dichos materiales ( aceros, Fe-Si, Fe-Al, ferritas
blandas, aleaciones amorfas) se denominan blandas y se utilizan
como núcleos magnéticos.
Debido a la diversidad de propiedades magnéticas arriba mencionadas nos podemos encontrar con diferentes tipos de sensores
magnéticos.
El campo magnético se caracteriza en el vacío por un vector magnético de inducción Bo. En un material homogéneo cualquiera la
inducción magnética B se define mediante la siguiente expresión:
B=μ ∙B
Campo magnético
generado
Campo magnético
generado
Campo magnético
externo
Campo magnético
externo
Figura 5.4: Histéresis de un material ferromagnético: a)duro, b) blando
131
Componentes mecatrónicos
Minos
5.2.2 Contacto Reed
Un contacto Reed consta de un pequeño filamento de vidrio cerrado
herméticamente, en el que se encuentran dos láminas delgadas
de un material ferromagnético al vacío o en presencia de un gas
inerte. En el caso de que las láminas se encuentren en un campo
magnético exterior, estas inducirán su propio campo magnético.
En una de las superficies del contacto aparece el polo norte N,
y en la otra el polo sur S (Fig. 5.5). Cuanda la fuerza que atrae a
los polos sea mayor que la fuerza elástica de las láminas, estas
entrarán en contacto. Cuando desaparece el campo magnético, se
separan las láminas como consecuencia de su elasticidad. Por ello
un circuito Reed puede cerrar o abrir un circuito. Dependiendo de
su configuración y de sus condiciones de trabajo los contactos se
recubrirán con una capa de metal noble (rutenio, rodio, oro) para
proporcionar una mayor estabilidad.
Al desplazar un imán o un contacto Reed, su estado puede ser
controlado (las láminas se cierran o están separadas). Cuando se
cambia el estado, se puede producir una descarga de corriente
entre las láminas que dañe el contacto Reed o empeore su calidad.
Para evitar que ocurra esto se instalan normalemnte mecanismos
de protección.
La frecuencia máxima de conmutación de los contactos Reed
depende de su construcción y de las propiedades del material y
presenta un valor entre 200-250 Hz. La potencia permitida a través
del contacto Reed puede tener un valor máximo de 3 A. Receptor
Receptor
Receptor
Receptor
Figura 5.5: Contacto reed : a) diseño, b) en un campo magnético, c) mecanismos de protección (C
= condensador, R = resistencia, D = diodo, W = varistor)
132
Componentes mecatrónicos
Minos
Un contacto Reed presenta tres puntos A,B,C donde las láminas
pueden ser cerradas. Estas no se cierran siempre cuando un imán
se encuentra cercano al sensor. Esto depende de la posición del
eje magnético respecto del eje del contacto Reed.
Si un imán se mueve paralelo al eje del contacto Reed las láminas
se cerrarán en los tres puntos A,B,C (Fig. 5.6).
Si el eje del imán es perpendicular al eje del contacto Reed, las
láminas serán cerradas solo en dos puntos (A,C).
Si un imán se mueve en dirección perpendicular al eje del sensor
Reed, las láminas solo se cerrarán cuando el iman se encuentre en
los puntos A, B o C. Si un imán se mueve en dirección perpendicular
al eje del contacto Reed, las láminas solo se cerraran cuando el
imán se encuentre en los puntos A o C.
Figura 5.6: Posiciones en las cuales las láminas de un contacto Reed pueden cerrarse cuando un
imán se desplaza paralelo al eje del contacto Reed
133
Minos
Componentes mecatrónicos
5.2.3 El efecto Hall
El efecto Hall consiste en la creación de un campo eléctrico adicional
en una lámina conductora o semiconductora a través de la cual fluye
corriente eléctrica, que se encuentra en un campo magnético externo. Las cargas eléctricas se acumulan bajo la influencia del campo
magnético externo en uno de los lados de la lámina, creándose una
diferencia de potencial (conocida como tensión Hall VH). El campo
eléctrico adicional se genera perpendicular tanto a la dirección del
campo magnético B como a la corriente I¬c. El efecto Hall es más
fuerte cuando el campo magnético es perpendicular a la dirección
de la corriente (Fig. 5.7).
Para la lámina mostrada en la Fig. 5.7 se cumple que:
V = R ∙ B ∙ IC /d
RH – constante de Hall (determina la movilidad de los portadores
de energía)
d – espesor de la lámina
Para aplicaciones prácticas del efecto Hall debe emplearse un
valor de tensión VH tan alto como sea posible. Este valor puede
alcanzarse cuando se emplean láminas muy delgadas (0,1 mm)
de un material con elevada movilidad de electrones. Solamente los
semiconductores (InSb, InGaAs, Si, GaAs) presentan estas propiedades. La posibilidad de aumentar la tensión por medio del aumento
de la corriente que fluye a través de la lámina está limitada, ya que
la potencia permitida en la lámina no debe ser sobrepasada. Esta
potencia permitida depende en gran manera de la construcción y
forma de la lámina.
El efecto Hall se emplea a menudo por ejemplo en la construcción
de sensores magnéticos a partir de materiales semiconductores.
Hallův efekt se často používá, např. na stavbu senzorů magnetického pole z polovodičů.
134
Figura 5.7: El efecto Hall
Componentes mecatrónicos
5.2.4
Minos
Magnetorresistencia
Los magnetoresistores AMR son elementos anisótropos fabricados
a partir de semiconductores cuya resistencia depende fuertemente
de la intensidad del campo magnético. En sensores se emplean
cintas delgadas del material ferromagnético “permalloy” (20% Fe,
80% Ni).
La magnetoresistencia de un semiconductor aumenta ante la presencia de un campo magnético externo H, debido a que la dirección
de la corriente I a través del semiconductor varía en un ángulo α
y las cargas eléctricas deben recorrer una trayectoria mayor (Fig.
5.8). Cuanto mayor sea la intensidad del campo magnético, mayor
será el ángulo α
  Este fenómeno se denomina magnetorresistencia.
La magnetorresistencia se presenta raras veces en metales. Si que
se da en los semiconductores, pero de diferencte manera.
Cuando la corriente fluye a través de electrodos de oro o de aluminio se modifica su dirección. En este caso las cargas eléctricas
deben recorrer una distancia aún mayor y la resistencia alcanzará
el valor RM dependiente del ángulo α. Cuando el campo magnético desaparece, la resistencia del semiconductor vuelve a su valor
inicial RM0.
La relación entre el ángulo α dependiente de la intensidad del campo
magnético y la resistencia del semiconductor RM hace posible la
detección de objetos imantados.
permalloy
electrodos
Figura 5.8: Magnetorresistencia
135
Componentes mecatrónicos
Minos
5.2.5 El efecto Wiegand
El efecto Wiegand consiste en la generación de un impulso eléctrico,
al cambiar la dirección del campo magnético, en una bobina que
envuelve un conductor ferromagnético con propiedades magnéticas
especiales (“conductor de impulsos”). Un “conductor de impulsos” se
fabrica a partir de material ferromagnético. Su diámetro comprende
aproximadamente 0.3mm.
El conductor es una aleación de cobalto , acero y vanadio. Presenta dos zonas magnéticas diferentes: un núcleo y una envoltura.
El núcleo está formado por una material ferromagnético blando
(histéresis reducida) y la envoltura de un material ferromagnético
duro (histéresis mayor) (Fig. 5.9).
Cada zona reacciona de manera diferente ante los cambios de
dirección del campo magnético. La dirección de imantación del
núcleo magnético blando varía más rápido que la de la envoltura
magnética dura. Para cambiar la dirección de imantación de la
envoltura su campo magnético debe presentar un valor medio tres
veces mayor que el campo del núcleo. Cuando el campo magnético genere un cambio en la dirección de imantación del núcleo sin
cambiar la dirección de imantación de la envoltura, se produce un
pequeño impulso eléctrico (10 - 20μs) en la bobina. La amplitud
del impulso es casi independiente de la velocidad de cambio de
dirección del campo magnético.
El efecto Wiegand se aplica en sensores magnéticos para detectar
un movimiento de rotación o de traslación de un objeto.
núcleo magneticamente
suave
carcasa magnéticamente
dura
Tiempo
tiempo
núcleo
carcasa
Figura 5.9: Efecto Wiegand: a) “conductor de impulsos” con la bobina ; b) impulso eléctrico antes y
después del cambio de dirección del campo magnético
136
Componentes mecatrónicos
5.3 Minos
Sensores de campo magnético con contacto Reed
La operación de este tipo de sensores se basa en la función de un
contacto reed, que reacciona ante los imanes que se aproximan a él.
Cuando las láminas del contacto reed se encuentran en un campo
magnético generado por un imán, sus campos magnéticos propios
serán inducidos. Si la fuerza de atracción experimentada por las
láminas es mayor que su fuerza elástica, el estado del contacto reed
cambia y el circuito se cierra conectando una resistencia (Fig. 5.10).
Cuando el campo magnético desaparece, se separan las láminas
debido a su elasticidad y el circuito se abrirá.
Los sensores con un contacto reed no requieren suministro de corriente. Cuando el contacto reed no se encuentra en ningún campo
magnético, sus contactos (independientemente de su tipo) pueden
permanecer cerrados (señal NC) o separados(señal NO).
La intensidad del campo magnético depende de las características
del material y de las dimensiones del imán. Esta determina el alcance máximo del sensor Smax .
salida
iman
sensor de contacto
reed
Figura 5.10 :Sensor magnético con contaco reed a) contrucción y señal de salida, b) Smax –
alcance máximo, H – histéresis
137
Minos
Componentes mecatrónicos
entre los imanes y el sensor en la dirección X e Y (Fig. 5.11). Si un
imán paralelo al contacto es desplazado paralelamente al eje del
contacto reed, hay tres zonas donde cambia la señal de salida. Si
un imán perpendicular al contacto es desplazado paralelamente al
eje del contacto reed , la señal de salida cambia en dos zonas. Si
un imán paralelo o perpendicular al contacto es desplazado perpendicularmente al eje del contacto reed, la señal de salida cambia
solamente en una zona.
Figura 5.11: Zonas de cambio de la señal de salida en función de la posición y orientación del imán.
138
Componentes mecatrónicos
Minos
La carcasa de sensores de campo magnético con un contacto
reed pueden presentar diferentes formas (cilíndrica, cúbica o muy
compleja), lo que depende de las condiciones de instalación. La
forma de un sensor determina donde puede moverse un imán.
Para algunos sensores el imán debe moverse sólo enfrente de la
superficie frontal del sensor. En el caso de otros sensores el imán
puede moverse también respecto a otras superficies laterales.
Los sensores con un contacto reed presentan tres conductores o
solamente dos cuando estos no cuentan con un diodo señalizador
luminoso. La frecuencia máxima de conmutación de la señal de
salida es pequeña y presenta normalente un valor entre 200-250
Hz. La corriente permitida a través de un contacto reed puede ser
de hasta 3A. Para valores bajos de intensidad de corriente el sensor
puede incluso trabajar con una tensión mayor de 100V.
139
Componentes mecatrónicos
Minos
5.4 Sensores Hall
Los sensores Hall hacen uso del efecto Hall. Su señal de salida se
modifica cuando los cambios producidos por un campo magnético
producen una tensión adicional VH en el sensor.
Los sensores Hall necesitan un suministro de corriente continua.
Cuando un imán se encuentra fuera de la zona de acción del
sensor, la corriente fluye sin dificultad alguna a través de la lámina semiconductora, siendo nula la diferencia de potencial entre
los extremos de las láminas. Cuando un imán se encuentra en la
zona de acción del sensor, su campo eléctrico genera la tensión
de Hall en los extremos de las láminas. Esta tensioón controla la
salida del transistor del sensor (Fig. 5.12).
Los sensores Hall presentan normalmente tres líneas. Su tensión
de alimentación es constante y presenta un valor entre 5-30V. La
frecuencia máxima de conmutación de la señal de salida es elevada y mayor de 300 Hz. La corriente permitida que fluye a través
de la lámina semiconductora es normalmente menor de 1A.
Los sensores Hall pueden ser omnipolar (reaccionan ante cualquier
polarización del campo magnético), unipolar (reaccionan ante una
polarización determinada del campo magnético) o bipolar (son
activados por un polo y desactivados por el otro).
iman
Semiconductor
del dispositivo Hall
detector
Figura 5.12: Sensor Hall
140
sistema de salida
Componentes mecatrónicos
5.5 Minos
Sensores magnéticos especiales
5.5.1 Sensores magnetoresistentes
La estructura de los sensores magnetoresistentes es similar a la de
los sensores Hall. Solamente el elemento sensible a los cambios
del campo magnético es distinto.
En los sensores magnetoresistentes este elemento está compuesto
por cuatro magnetoresistores RM1 – RM4 que conforman un puente
de Wheatstone(Fig. 5.13). En este caso se debe prestar atención a
correcta colocación de los polos de los electrodos. En este elemento
se compensan las dilataciones térmicas, siendo la señal de salida
dos veces mayor que en un magnetoresistor.
Cuando un imán se encuentra en la zona de acción del sensor la
resistencia del puente varía. Este cambio es proporcional al cambio
en la intensidad del campo magnético.
iman
puente
wheatstone
detector sistema de
salida
suministro de
voltaje
señal de
medición (+)
GND
señal de
medición (-)
Figura 5.13: Sensor magnetoresistente : a) esquema, b) puente wheatstone
141
Minos
Componentes mecatrónicos
5.5.2 Sensores Wiegand
El funcionamiento de los sensores Wiegand se basa en el registro
de los cambios en la dirección de imantación (polarización) del núcleo de un conductor de impulsos. Cuando la dirección del campo
magnético cambia la polarización del núcleo puede también variar.
Un campo magnético de dirección variable puede ser generado por
pequeños imanes móviles o fijos (Fig. 5.14). En el primer caso el
conductor de impulsos es expuesto primero a un campo magnético
con polarización N/S y a continuación es expuesto al campo de un
imán de polaridad inversa S/N. Debido a este cambio del campo
magnético, se genera un impulso eléctrico en la bobina que rodea
el conductor de impulsos.
En el segundo caso el conductor de impulsos es desplazado primero por un campo magnético con polarización N/S y a continuación
por el campo de un imán de polaridad inversa S/N para modificar
la dirección de imantación del núcleo. En este proceso los imanes
y la bobina se encuentran en el sensor, siendo el conductor de
impulsos el elemento móvil.
circuito de
detección
circuito de
detección
sistema de salida
sistema de salida
Figura 5.14:Sensores Wiegand: a) con campo magnético móvil, b) con conductor de impulsos móvil
142
Componentes mecatrónicos
Minos
Además de los dos modos de funcionamiento expuestos hay un
tercer modo de operación. Este tiene lugar cuando tanto el imán
como un conductor de impulsos envuelto por la bobina se encuentran en la cabeza del sensor. En este caso la dirección del campo
magnético será modificada por un material ferromagnético que se
mueve en la zona de acción del sensor. Por ello se pueden utilizar
tales sensores para contar el número de objetos ferromagnéticos
que se mueven ante el sensor (por ejemplo los dientes de una rueda
dentada,y en base a estos el número de revoluciones). Cuando un
objeto se desplaza delante del sensor, la polarización magnética
del conductor de impulsos varia dos veces. Cada cambio produce
un impulso eléctrico en la bobina.
Los sensores Wiegand no requieren corriente de alimentación.
Presentan dos líneas y pueden trabajar bajo condiciones adversas.
La frecuencia y amplitud de los impulsos generados pueden ser
elevados (hasta 20 kHz y unos cuantos V).
143
Minos
Componentes mecatrónicos
5.5.3 Sensores magnéticos con imán
El sensor magnético más simple está compuesto por una bobina
enrollada en torno a un imán permanente (Fig. 5.15). Un objeto
ferromagnético que se mueve en la zona próxima al sensor, cambia
el campo magnético que fluye a través de la bobina y genera una
tensión.
Estos sensores no detectan objetos fijos debido a que la tensión
de salida depende de la velocidad del objeto. Cuanto más lento se
mueve un objeto, menor es la tensión de salida. Cuando el objeto
no se mueve, la tensión es 0V. Cuando la tensión de salida presenta
valores pequeños, estos deben ser amplificados para provocar un
cambio en la señal de salida.
Estos sensores no requieren de una corriente de alimentación. Su
resolución es elevada. Esta puede incluso alcanzar una centésima
de grado (1/100°) al medir la velocidad de rotación.
circuito de
detección
Figura 5.15 Sensores magnéticos con imán
144
sistema de salida
Componentes mecatrónicos
5.6 Minos
Reglas de montaje
Los sensores magnéticos pueden ser instalados o insertados en
elementos de cualquier material no ferromagnético. La sensibilidad
del sensor es independiente de la distancia entre las superficies
frontales y la superficie del elemento (Fig. 5.16).
En el caso de que un sensor magnético deba ser instalado en un
elemento compuesto por un material ferromagnético, la distancia
mencionada debe ser tan grande como sea posible. Además una
capa adicional aislante de un dieléctrico debe ser colocada entre
el sensor y el elemento.
Cuando un imán es instalado en la superficie de un elemento ferromagnético, su campo magnético se hace más fuerte. Cuando un
imán se inserta en un elemento ferromagnético su campo magnético
se debilita. A causa del cambio de la variación del campo magnético
la zona de acción del sensor es modificada.
Cuando un objeto no ferromagnético aparece entre el sensor y el
imán, la función del sensor no se verá perturbada. Cuando un objeto
ferromagnético aparece entre el sensor y el imán, la función del
sensor se verá perturbada y la señal de salida puede ser modificada
de manera involuntaria.
sensor
material no
ferromagnétio
sensor
materia
ferromagnético
sensor
sensor
Figura 5.16 Influencia de elementos ferromagnéticos y no-ferromagnéticos sobre las propiedades de
sensores magnéticos
145
Minos
5.7
Componentes mecatrónicos
Aplicaciones
Los sensores magnéticos se utilizan para:
- detectar objetos que se encuentran en una tubería o recipiente
de plástico
- detectar objetos que se encuentran en un medio agresivo y están
protegidos por capas protectoras
- detectar objetos bajo elevadas temperaturas (un elemento ferromagnético puede ser situado próximo al objeto)
- detectar objetos sometidos a movimientos de rotación o traslación
Figura 5.17 Detección de la posición del pistón en un cilindro no ferromagnético por medio de un
sensor magnético con un contacto reed.
Figura 5.18:Medida de la velocidd de rotación utilizando un sensor Wiegand
146
Componentes mecatrónicos
Minos
Figura 5.19: Detección de la posición angular de una mesa empleando un sensor Hall
Figura 5.20: Medida de la velocidad de rotación por medio de un sensor magnetoresistente
147
Mecatrónica
Módulo 6: Sistemas y funciones
de la mecatrónica
Libro de Texto
(Concepto)
Jerzy Jędrzejewski
Wojciech Kwaśny
Zbigniew Rodziewicz
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
1
1.1
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores inductivos
Información básica
Los sensores inductivos son el grupo de sensores más utilizado en
sistemas automáticos para el control de posición y movimiento de
mecanismos utilizados como parte de la maquinaria y del equipo.
Su diseño simple y compacto, además de su rentabilidad y su fácil
instalación lo hacen la elección perfecta para muchas aplicaciones.
Los sensores inductivos reaccionan a cualquier objeto metálico en su
zona de operación al activar de el estado de conexión de salida o al
momento de cambio en el nivel de señal de la conexión de salida.
Un sensor inductivo consiste de los siguientes componentes básicos
(Figura 1.1.): una cabeza que incluye una bobina inductora con un
núcleo de ferrita, un generador con un voltaje sinusoidal, un circuito
detector (comparador) y un amplificador de salida
Un circuito de inducción que consiste de una bobina y de un núcleo de
ferrita genera una variable , un campo magnético de alta frecuencia
alrededor de la cara del sensor. Este sensor induce corrientes de
Foucault en un objeto metálico que se acerca al sensor. Esto provoca
una carga al circuito de inducción y como resultado una disminución de
la amplitud de las oscilaciones. La magnitud de estos cambios depende
de la distancia entre el objeto metálico y la cara del sensor. La activación
de la salida del sensor sigue después de que el objeto metálico haya
llegado hasta cierta distancia del sensor; dicha distancia depende de
las características individuales de cada sensor. En los sensores de
salida análoga, el nivel de la señal de salida es en proporción inversa a
una distancia del objeto hacia el sensor.
Objeto
Cabeza del
sensor
Figura 1.1:
Generador
Sistema de
detección
Sistema de sálida
Esquema de un sensor inductivo
7
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
1.2
Construcción básica
La parte activa de un sensor inductivo tiene una bobina enrollada
en el núcleo Ferrita , generando así un campo magnético variable.
El propósito del núcleo Ferrita, con un campo magnético abierto, es
amplificar el campo magnético de la bobina y dirigirlo hacia la zona de
medición del sensor.
Los cambios en el campo magnético están siempre asociados con
la creación del campo magnético (corriente de Foucault). Cuando el
conductor aparece en éste campo eléctrico variable aparece entonces
un campo magnético de Foucault alrededor de las líneas del campo
eléctrico (Figura 1.2). Esta se opone al campo magnético de la bobina
consumiendo parte de la energía del circuito de resonancia.
Esto significa que hay cambios en las perdidas del circuito de
resonancia y como resultado, el factor de calidad se daña y la amplitud
de las oscilaciones se reduce. Esta reducción es efectiva siempre y
cuando que los elementos de conducción sean parte de la exposición
del campo magnético de la bobina. Cuando el objeto es retirado del
campo, la reducción del campo de resonancia desaparece y la amplitud
de las oscilaciones regresa a su valor de inicio.
Conductor
Campo magnético
variable
Campo magnético
de Foucault
Bobina
Amplitud
Amplitud
Tiempo
Núcleo de ferrita
Tiempo
Figura 1.2: Un objeto metálico en un campo magnético de la bobina con el núcleo
de Ferrita
8
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El circuito electrónico del sensor determina una distancia del objeto hacia
el sensor, basado en el índice de reducción de la amplitud y genera una
señal de salida. Es su mayoría es una señal de dos estados: el objeto
que se encuentra al alcance del sensor y el objeto que se encuentra
fuera del alcance del sensor. Rara vez la señal es una señal análoga;
en una proporción inversa a una distancia del objeto al sensor.
El circuito electrónico de un sensor, aparte de la sección de detención,
incluye también un comparador con histéresis y un sistema de salida.
Gracias a la histéresis se evitan las interrupciones de las señales
de salida cuando se cambia de estado o en el caso de una posición
inestable o vibraciones del objeto detectado, incluso en el caso de
eventos de interferencia debido a las fluctuaciones en el suministro de
voltaje o la temperatura del ambiente.
La histéresis es una diferencia en la distancia a la cual responde el
sensor cuando un objeto metálico incrementa y disminuye su distancia
de la cara del sensor. El estado del sensor cambia entonces de OFF a
ON o a la inversa (Figura 1.3). El valor de la histéresis depende sobre
el tipo y el tamaño de un sensor y normalmente no es más grande que
el 20 % de su rango de medición. Al presentarse, el sensor funcionará
apropiadamente, incluso cuando un objeto se encuentra en los límites
de su zona de operación. En los sensores que están proporcionados
con señalización de un estado de salida, esta situación está señalada
con un diodo luminiscente (LED).
La frecuencia típica de los generadores-LC en los sensores inductivos
es alta (HF) y asciende a 100 kHz – 1 MHz. Entre más grande sea
el diámetro de la bobina, más grande será la carga de corrientes del
sensor y más pequeña será la frecuencia máxima.
El rango de los sensores inducidos tipos no excede de 60 mm. Este
sensor están ofrecidos con diferentes tipos de cajas, ambas cilíndricas
(metálicas) y prismáticas (plásticas). Esto hace que sea posible una
instalación óptima del sensor en su lugar de operación.
Figura 1.3:
Histéresis de los sensores inductivos
9
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
El cambio continuo del campo magnético generado por una bobina
inductiva rodea una cierta área limitada que determina el alcance
máximo posible de un sensor inductivo.
Una distancia desde la cara del sensor hasta un objeto en donde el
circuito de salida se cambia se define como La zona de operación
clasificada S n. Este valor es dado en la información de catálogo. Está
determinada con acuerdo del EN 60947-5-2 como un estándar para
placa cuadrada de acero (st37) con lado del cuadrado equivalente al
diámetro del sensor y su ancho igual a 1 mm.
La zona de operación actual S r determinada en el curso de
manufacturación de un sensor puede ser ligeramente diferente que la
S n . Para el valor clasificado del voltaje suministrado y la temperatura
ambiente determinada, la zona actual se encuentra en el rango
0.9 S n ≤ S r ≤ 1.1S n
Para aumentar la fiabilidad del sensor de operación, el rango recomendado
es ampliamente reducido al rango de trabajo S a ≤ 0.8 S n .Esto define
una distancia segura de un objeto metálico hacia un sensor, asegurando
así una operación sin problemas en el rango completo de cambios en
la temperatura ambiente y el suministro de voltaje, independientemente
del rango de operación actual garantizado por el fabricante.
El rango de operación de un sensor S n depende de un diámetro de caja
D, en específico, del diámetro de la bobina y las propiedades de centro
(figura 1.4). Los sensores que se encuentran en una caja pequeña
tienen , por lo tanto, un rango de operación más pequeño que aquellos
con una caja más grande. También hay ejecuciones especiales de los
sensores con un rango de operación aumentado.
Figura 1.4: La relación entre el diámetro de un sensor y su rango de operación
nomial
10
1.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Coeficientes de corrección
La reducción del circuito de resonancia depende del material que fue
hecho el objeto que se sujeta. Los materiales como el oro, cobre o
aluminio que producen una conductividad eléctrica más alta que el
acero St37disminuye las oscilaciones a un menor grado.
Al cambiar la distancia del objeto hacia el sensor estas diferencias
pueden ser compensadas. Esto puede causar una reducción de la zona,
en donde es posible detectar el objeto. Por consecuencia, si el materia
detectado es latón, entonces el rango de operación S n determinado por
un objeto hecho de acero St37 debe de ser modificado multiplicando su
coeficiente correccional utilizado para latón igual a 0.5 x S n (Figura 1.5)
El diseño de un sensor influencia también su sensibilidad. Existen dos
formas básicas de sensores con una caja cilíndrica:
- Cubierto: La bobina inductiva del circuito de resonancia está
insertado en un estuche, el cual forma la frontera del sensor.
- No cubierto: El estuche se encuentra solo en una caja protectora
hecha de plástico.
Los sensores con una bobina prominente generan una sensibilidad más
alta hacia un objeto detectado, pero al mismo tiempo una sensibilidad
más alta a la presencia de otros objetos metálicos alrededor.
Acero St37
Cromo
Acero inoxidable
Latón
Aluminio
Oro
Figura 1.5: Coeficientes de corrección para diferentes materiales del objeto
detectado
11
Minos
1.4
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Método de instalación
El seguir las recomendaciones de instalación evita que se presente
algún problema en la función de los sensores, los cuales podrían ser
provocados por el humedecimiento del entorno o la interferencia de
otros sensores. El tamaño y la forma de la zona libre requerida en la
cercanía del sensor depende de un rango de operación, el diseño y el
tamaño del objeto detectado (Figura 1.6a).
El diámetro del centro y de la bobina depende del tamaño de la caja
cilíndrica (casquillo metálico) Por ello, hay una fuerte conexión entre el
diámetro de la caja, el rango de operación del sensor y la zona libre
requerida, donde no puede hacer ningún objeto metálico libre de ser
detectado. Los sensores con la bobina cubierta tienen un rango de
operación más grande, para ello también tiene que ser más grande la
zona libre requerida.
Un sensor con caja cilíndrica cubierta es sensible solo con los objetos
de metal que se encuentran frente al sensor, por ello se puede ajustar
este sensor a elementos de metal. La zona libre asciende a 3x S n
(Figura 1.6b). La distancia mínima entre sensores debe de ser más
grande que 2xD, para evitar cualquier posible interferencia entre sí.
Un sensor con caja cilíndrica no cubierta es sensible con los objetos de
metal que se encuentran en tres lados. Por ello, se tiene que sacar un
poco el sensor así la zona libre incluye también los lados del sensor. En
este caso para evitar cualquier tipo de interferencia, la distancia entre
sensores debe de ser más grande que 3xD.
Objeto
detectado
Figura 1.6:
12
Sensores inductivos con bobina cubierta y no cubierta
A) características B) consejos de construcción
Sistemas y funciones de la mecatrónica
1.5
Tipos especiales de sensores
1.5.1
Sensor inductivo en forma de anillo
Minos
En los sensores inductivos en forma de anillo, la zona activa se coloca
dentro de la caja del anillo del sensor (Figura 1.7a). Estos sensores
están diseñados para detectar objetos que pasan a través del orificio
de un sensor. Considerando su diseño, estos sensores son utilizados
para la detección y conteo de pequeños objetos de metal como tuercas
y tornillos, que pasan a través del orificio del sensor. La caja de estos
sensores están hechas de plástico.
El modo de acción de sensor de anillo se basa en una oscilación de alta
frecuencia que produce un campo magnético en el orificio del sensor.
En estos sensores se utilizan núcleos de polvo comprimido de forma
toroidal con un valor más alto del factor de calidad que los núcleos de
ferrita. La presencia de un objeto metálico activa el sensor causando
así una reducción de la amplitud de oscilaciones. Esto se reconoce por
medio de un comparador y después de que se ha excedido un umbral,
se pulsa entonces el estado de salida. La zona de operación de un
sensor depende del diámetro de su orificio y también del tamaño y del
tipo del metal detectado.
Para accionar el sensor se necesita de un nivel de reducción determinado
de los campos magnéticos. Si los elementos son muy pequeños el nivel
de reducción será entonces también muy pequeño. Por consecuencia,
para cada tamaño del sensor existe una longitud mínima o diámetro de
los objetos detectados que garantiza su operación adecuada (Figura
1.7b)
Una ventaja del sensor de anillo es que un objeto detectado no se tiene
que mover a través en la misma trayectoria . La forma de anillo activa la
superficie del sensor, lo que hace posible detectar objetos sin importar
su orientación en el espacio, por ejemplo, aquellos sometidos a la fuerza
de gravedad en un tubo de plástico.
Longitud mínina/
Diámetro
mínimo del
objeto [mm]
Diámetro
Longitud
Diámetro de la apertura del sensor [mm]
Figura 1.7:
Sensor inductivo en forma de anillo A) construcción B) relación entre el
tamaño del sensor y el tamaño mínimo del objeto detectado
13
Minos
1.5.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores que trabajan en un fuerte campo electromagnético
Los procesos de soldadura que necesitan de altas corrientes son
asociadas con campos magnéticos fuertes. La corriente fluye a través
de los conductores eléctricos y del equipo de soldadura, generando
alrededor de ellos un campo magnético variable de alta intensidad.
La instalación de un sensor inductivo en esta zona se asocia con un
riesgo de una activación no controlada del estado de salida. Esto puede
pasar debido a una influencia que tiene este fuerte campo magnético
en la intensidad de saturación del centro. Otro impacto negativo de la
presencia de estos fuertes campos magnéticos es la inducción de un
voltaje adicional en la bobina. Este voltaje adicional interfiere con la
operación del oscilador y puede causar una activación accidental del
estado de salida. Además, los procesos de soldadura están siempre
asociados con un gran número de chispas que pueden debilitar la caja
del sensor, especialmente su superficie activa.
Debido a las chispas, los sensores diseñados para operar cerca de un
equipo de soldadura están normalmente hechos de latón cubierto con
Teflónâ y su superficie frontal está protegida con Duraplast â resistente
a altas temperaturas.
Para proteger de una falsa activación, tales sensores deben de ser
suministrados con un diseño especial de un circuito electrónico y el
núcleo con una permeabilidad magnética (Figura 1.8). Dichos centros
, los cuales están hechos de hierro disperso especial y se saturan en
un flujo magnético que debe de ser mas denso que en el caso de los
núcleos ferrita. Un sensor con tales núcleos es más resistente a los
eventos de interferencia externa debido a su mejor concentración y
su direccionamiento de su propio campo magnético. Las resistencias
más altas a la acción de campos magnéticos externos tienen sensores
libres de núcleos. En los sensores tradicionales, el núcleo concentra
alrededor de si mismo el magnetismo externo. En estas soluciones, las
bobinas están enrolladas alrededor de bobinas hechas de plástico.
Bobina de
plástico
Bobina
Núcleo con una reducida permeabilidad magnética
Figura 1.8: 14
Sensores inductivos, insensibles a fuertes campos magnéticos
1.5.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores que trabajan en condiciones difíciles
El uso de sensores estándar en ambientes que no cubren los
parámetros estándar puede crear problemas operacionales o incluso
dañarlos permanentemente.
La adaptación de los sensores a la operación bajo condiciones difíciles
requiere usualmente la aplicación de materiales especiales para su
caja, un incremento de algunas dimensiones , la preparación de un
procedimiento de ensamblaje especial, proveer de buenas condiciones
operacionales para los circuitos electrónicos por medio de su protección
y/o cambios en el diseño.
Para la adaptación de los productos en cuanto las necesidades, los
fabricantes sugieren proponen los siguientes puntos:
- Sensores resistentes a temperaturas arriba de los 200 ºC
- Sensores resistentes a substancias químicas
- Sensores resistentes al aceite
- Sensores para la operación en un ambiente húmedo
- Sensores miniatura con una cabeza de 3mm a 5mm de diámetro
Los sensores que operan bajo condiciones de alta presión deben
de ser mas fuertes y ajustados para evitar daños a los componentes
electrónicos que están instalados por dentro. La bobina y el núcleo
están protegidos por la parte frontal por medio de un disco de cerámica
grueso y resistente. Debido a que dichas construcciones estimulan un
desplazamiento de las bobinas, la zona de acción del sensor se hará más
pequeña. Para evitar este efecto se necesitan hacer modificaciones en
el oscilador. Bajo normales circunstancias el oscilador modificado daría
un rango de operación mucho más grande que los sensores estándar.
El disco de cerámica estará unido por medio de una conexión térmica
con la caja de metal inoxidable. La caja es colocada dentro del disco
de cerámica exponiéndola primero a altas temperaturas, al momento
de enfriarse, la caja se sujeta alrededor del disco haciendo así, una
conexión fuerte y apretada.
15
Minos
1.6
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores NAMUR
Los sensores inductivos NAMUR son dos sensores principales, de los
cuales sus resistencias internas cambia como resultado de la detección
de un objeto metálico. Una baja resistencia corresponde a la situación
de un “objeto no metálico”, y una alta resistencia pertenece a un “objeto
metálico” detectado. Estos sensores cooperan con amplificadores
externos.
Los sensores inductivos NAMUR presentan un rango estrictamente
definido de valores de la corriente de salida permitida. De acuerdo
con el estándar EN 60947-5-6 (formalmente, EN 50227) este rango es
desde 1.2 mA hasta 2.1 mA (Figura 1.9). Todos los sensores NAMUR
alimentados con un amplificador DC tienen las mismas características
de corriente y presentan una histéresis de cambio estrictamente definida
que es igual a 0.2 mA.
Los sensores inductivos NAMUR consisten de una oscilación con
una bobina parcialmente humedecida, un brazo oscilante y un
desmodulador. Un cambio de distancia entre el objeto detectado y el
sensor se transforma en un cambio de la corriente suministrada que el
amplificador externo convierte en una señal de dos estados.
Estos sensores pueden operar en instalaciones anti-explosivas o
en zonas vulnerables a explosiones (zona I o II) solo junto con un
amplificador de activación a prueba de chispas. También es posible
combinar este sensor con un amplificador que no cumpla con los
estándares de seguridad (amplificadores de relé), pero en tales casos
el amplificador debe de ser colocado fuera de la zona vulnerable a
explosiones.
Una corriente en el circuito del sensor que sea menor a 0.15 mA es
tratada por el amplificador externo como una condición de “no señal”,
y una corriente más grande que 6 mA es tratada como un corto en el
sensor.
Amperaje máximo
Amperaje
[mA]
Sin
atenuación
Gama permisible
Atenuación
Desconexión
Figura 1.9: 16
Sensor-NAMUR, a) Características, b) Circuito eléctrico
1.7
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores inductivos análogos
A diferencia de los sensores convencionales que registran solo el estado
de detección y no detección, los sensores inductivos con una salida
análoga registran la posición de un objeto en su rango de medición
total. Con una posición cambiante de un objeto desde una distancia de
S n hasta cero, la señal de salida cambia de 0 a 20 mA.
Los sensores con una salida análoga similar funcionan de una
forma similar a los sensores de aproximación. Un campo magnético
variable emitido por el circuito de resonancia es humedecido por
un objeto metálico presente en el rango de operación del sensor. El
humedecimiento se vuelve más fuerte cuando el objeto se aproxima
más a la cara del sensor.
Un oscilador especialmente diseñado hace posible el humedecer el
circuito de resonancia con cambios de distancia , por ejemplo, con
cambio en el factor de calidad. Esto se transforma en una señal de
salida que, gracias a un sistema de linerización, es casi linear (Figura
1.15). La Figura presentada para el acero ST37, debido a que éste
acero crea la zona de acción más grande. Cuando se utilizan los metales
con una permeabilidad magnética más pequeña, se tiene que utilizar un
coeficiente de corrección pertinente.
Ahora en día la mayoría de los sensores tienen una característica casi
linear y toda su zona de medición (el área subrayada en Figura 1.10).
Cabeza del
sensor
Generador
Sistema de
lineación
Sistema de
sálida
Amperaje
[mA]
Figura 1.10: Sensor inductivo analógico
17
Minos
1.8
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Suministro de corriente
Los sensores que tienen un suministro de corriente similar, trabaja
normalmente junto con adaptadores, los sufren una fluctuación en su
tensión de salida. Cuando estas fluctuaciones son muy grandes se puede
generar un comportamiento impredecible en los sensores inductivos.
Para asegura una operación sin problemas, las fluctuaciones del voltaje
suministrado deben de ser mantenidas dentro de un rango del 10% del
promedio del valor del voltaje suministrado. Se tiene que cumplir con las
siguientes condiciones:
Uss £ 0.1 UD
Este rango no tiene que ser excedido, incluso por un voltaje momentáneo
surge Uss . Para evadir tales situaciones, se recomienda utilizar un
adaptador estabilizado o utilizar un condensador más grande para
tranquilizar el voltaje.
Las salidas de un sensor suministradas con una corriente similar
pueden tener una configuración-NPN o –PNP. Para una configuración
NPN significa que la carga RL está conectada entre la salida del sensor
y la mas del suministro de voltaje U, y para la configuración PNP, entre
la salida y el menos del suministro de voltaje U. Cada uno de estos dos
tipos de salidas se ofrece con la función abierta normalmente NO o
la normalmente cerrada NC. Parte de estos sensores están ofrecidos
con la función NP (complementaria) con dos salidas independientes,
por ejemplo NO o NC.
Los sensores con una potencia de corriente alterna no tienen que estar
directamente conectados a un adaptador de corriente alterna ya que
dicha conexión puede general un daño total al circuito interno del sensor.
Los sensores con una potencia de corriente alterna están conectados
en series con una carga RL. La aplicación de dos sensores principales
suministrados con una potencia de corriente alterna , requiere
requerimientos y limitaciones adicionales válidas para circuitos eléctricos
externos.
Aparte del oscilador, los sensores principales tienen un transistor como
un amplificador de poder. Estos sensores están conectados directamente
en series con la carga. El resultado es la fuga residual de corriente,
incluso si el sensor se encuentra en estado desactivado. Esto también
resulta también en una pérdida de suministro de voltaje, especialmente
cuando algunos sensores están conectados en series o paralelamente.
Al momento de seleccionar las condiciones de suministro para los
sensores con potencia de corriente alterna, los valores mínimos y
máximos que han sido especificados por los fabricantes se tienen que
tomar en cuenta incondicionalmente.
18
1.9
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Reglas de las conexiones de sensores
Una serie de conexiones paralelas de pocos sensores abre la posibilidad
de realizar diferentes estrategias operacionales del equipo que puede
estar conectado con el circuito externo en forma de carga (Figura 1.11).
En una conexión de sensores hábil, tales funciones lógicas como AND,
OR y/o NOR se pueden obtener.
La función lógica AND garantiza que la señal de salida de una serie de
sensores aparezca solo si cada uno de los sensores ha cambiado su
estado de salida de OFF a ON.
La función NOR causa una interrupción del circuito que suministra la
carga Ri que es efectiva solo cuando los sensores en un grupo cambian
su estado de ON a OFF.
Un grupo se sensores con funciones de salida diferentes puede ser
programado en series para realizar las funciones lógicas.
Un número máximo de series conectadas a sensores dependen de
un suministro de voltaje, el voltaje cae en la salida del sensor y los
parámetros de la carga agregada. El suministro de voltaje debe de
ser siempre más grande el voltaje de operación mínimo con la carga
conectada.
Figura 1.11: Conexión en serie de los sensores (función lógica AND)
19
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
La función OR genera la señal de salida si solo uno de los sensores de
un grupo ha cambiado su estado de salida. La función es realizada por
una conexión paralela de algunos sensores (Figura 1.12).
El número de sensores conectados paralelamente con tres líneas y el
mismo suministro de energía no está tan limitado severamente. Uno puede
unir incluso hasta diez sensores paralelamente , independientemente
de la función de la salida.
Cuando los sensores están conectados de forma paralela con dos
líneas, la corrientes que fluyen en circulo se suman, incluso cuando los
sensores están apagados (debido a la conexión que tienen junto con la
resistencia). Este efecto puede generar problemas en la conexión.
Por ello no se debería de conectar los sensores con dos líneas de
forma paralela. El número máximo de sensores conectados depende
del número de estas corrientes y de las resistencias.
Figura 1.12: Conexión en paralelo de los sensores (función lógica OR)
20
1.10
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Protección y seguridad de los sensores
Una de las peculiaridades más importantes del sensor es la posibilidad
de protegerse en contra de los posibles errores que se puedan generar
al momento de la instalación y las fallas durante la operación. Esto
se hace utilizando los elementos eléctricos que protegen los circuitos
internos de un sensor. En los sensores mas constantes-actuales, las
salidas están protegidas en contra de los siguientes fenómenos y
acciones de desventaja:
-
-
-
-
La conexión inversa del voltaje de suministro
Un voltaje en exceso en la salida como resultado de una
desactivación
Impulsos cortos y no cíclicos de la línea de suministro
Corriente de salida excesiva o cortos circuitos
Los cortos circuitos que se encuentran en un circuito eléctrico con
sensores de corriente constante no causan daños al sensor, incluso si
son repetitivos y prolongados. Durante un corto circuito, los diodos en el
sensor están deshabilitados. Después de remover los cortos circuitos,
los sensores operan de forma apropiada.
Los sensores que se encuentran en una caja metálica, si se les
suministra un voltaje peligroso para un ser humano, necesitan tener
una toma de tierra extra.
Cuando un sensor está conectado en línea con una resistencia,
una corriente corre en circulo, incluso hasta cuando el sensor está
desactivado (Figura 1.13). Esto puede dañar al sensor u ocasionar una
señal de salida OFF permanente. Para evitar tal efecto se conecta una
resistencia adicional R p. El valor de la resistencia R p y el poder P
de esta resistencia puede ser calculado por medio de las siguientes
fórmulas:
R p = U / I
min
P=U2/Rp
Voltaje de la fuente de alimentación [V]
Figura 1.13: La corriente lp en el circuito eléctrico, cuando el sensor inductivo con
un suministro de corriente alterna está desconectoda
21
Minos
1.11
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Conexiones Bus
Las redes de comunicación son la solución más moderna para
suministrar comunicación entre sensores y dispositivos de control.
Estos reemplazan las soluciones clásicas utilizadas actualmente, las
cuales involucran el uso de gran número de cables que corren grandes
distancias hasta llegar a los sistemas de control.
La idea de utilizar soluciones de red consiste en una colección de
señales por medio de dispositivos intermediarios y su transmisión con
la ayuda de un bus a la unidad master (Figura 1.14). Esto hará posible:
-
-
-
reducir los costos de las señales
incrementar la distancia entre el sensor y el mando
transmitir información con respecto a la calibración y
características del sensor
Las redes más populares son las redes abiertas, por ejemplo, permitiendo
el intercambio de información entre equipo proporcionados por
diferentes fabricantes y de acuerdo a ciertos procedimientos estándar.
Los protocolos de comunicación utilizados más frecuentemente son:
Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN y AS-I.
Gracias a las redes se crean sistemas de control dispersado. Estos
sistemas hacen posible transferir parte del procesamiento de señales
en los niveles mas bajos (se encuentran más cercanos al proceso).
Los dispositivos fundamentales de la red son los módulos de entrada y
de salida (I/O), equipados con interfaces para un cierto tipo de red. El
modulo es observado por unidad master en una dirección de red y esto
hace posible transferir información con una alta velocidad. Esto tiene
una importancia especial para las redes que se encuentran al nivel del
equipo y del sensor, donde se saca con frecuencia un procesamiento
de señales complicado y el tiempo de toma de decisiones es muy corto.
Figura 1.14: Red de comunicación con y sin Profibus
22
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
1.12Aplicaciones
23
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
2
Sensores capacitivos
2.1
Información básica
Los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico para detectar
objetos que se encuentran dentro de su distancia de operación. A
diferencia de los sensores inductivos, estos sensores pueden detectar,
además de objetos de metal, objetos no conductores, como por ejemplo
plásticos. Un sensor capacitivo también es capaz de alcanzar objetos que
se encuentran detrás de una capa no conductora, lo que lo convierte un
sensor óptimo para detectar líquidos o granulado que se encuentren en
algún contenedor. Los sensores capacitivos son utilizados normalmente
como detectores de proximidad, pero también pueden generar una
señal que sea proporcional a la distancia de un objeto hacia la cara del
sensor. La distancia de operación de tales sensores es realmente corta
–hasta 30 mm., pero existen versiones especiales las cuales tienen una
distancia de operación de hasta 60 mm.
La señal de salida de un sensor capacitivo se activa cuando un objeto
de metal o un dieléctrico aparece en el capo eléctrico del sensor.
Los componentes activos de un sensor capacitivo son dos electrodos
de metal formando un condensador abierto. Cuando un objeto se va
acercando al sensor, la capacidad del sensor cambia. La señal de
salida depende de la capacidad total, la cual es la suma de capacidad
básica del sensor y el cambio de capacidad. El cambio de capacidad es
generado por la acción de detectar el objeto.
Objeto
Electrodos
Potenciómetro
Cabeza del
sensor
Figura 2.1: 24
Oscilador
Estructura del sensor capacitivo
Detector
Sistema de sálida
2.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Diseño del sensor
Con el fin de generar un campo eléctrico simétrico, el electrodo externo
B debe de estar en forma de anillo concéntrico con el electrodo cilíndrico
A (Figura 2.2). El objeto que está siendo detectado funciona como
un electrodo intermediario C, que activa el sensor. Se asume que el
diámetro externo del anillo B sea el plano activo del sensor. Entre más
lejano esté el objeto del sensor, más pequeña será la capacidad del
sensor.
La estructura de capacidad del sensor depende del tipo de objeto a
detectar y de su toma de tierra.
Objeto a detectar
Área del sensor
Área de medición
Carcasa
Campo del sensor
Electrodo externo
Electrodo interno
Figura 2.2: El campo eléctrico del sensor capacitivo
25
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los objetos no conductores tales como el papel o el vidrio incrementan
solo la autocapacidad del sensor influenciando su constante dieléctrica.
Pero el incremento, dependiente de la constante dieléctrica del objeto,
es baja al mismo tiempo que la distancia de operación también es
pequeña.
En el caso de objetos conductores sin toma de tierra se construyen dos
condensadores adicionales (entre el objeto y el electrodo interno y entre
el objeto y el electrodo externo) que se encuentran en línea. Así la zona
de operación del sensor es más grande.
La distancia de operación más grande se obtiene cuando el objeto que
es detectado es un conductor con toma de tierra. La capacidad adicional
entre el objeto y el electrodo forma una conexión paralela con la propia
capacidad del sensor.
Los electrodos A y B están conectados con un oscilador de alta frecuencia
(Figura 2.1). El oscilador no opera si no hay objetos en el campo
eléctrico. Cuando un objeto entra al campo generado por los electrodos,
el oscilador se activa debido al incremento de la capacidad entre los
electrodos A y B. La amplitud de vibración del oscilador es analizada por
un circuito de detección, el cual genera una señal para el accionamiento
del circuito. En el circuito de retroalimentación que se encuentra entre el
oscilador y el electrodo se encuentra un potenciómetro con el cual uno
puede colocar el punto de activación del circuito del oscilador.
Para los sensores capacitivos, la distancia de operación nominal S n
está definida como la distancia en donde ocurre el hacinamiento del
circuito de salida (Figura 2.3). La distancia de operación nominal de un
sensor capacitivo es valido para un objeto grueso de metal de 1 mm.
con toma de tierra FE360, cuyo lado es igual al diámetro de la cara del
sensor o los tres valores de S n, dependiendo de que valor sea más
grande.
Sn - Distancia de operación
nominal
Sr - Área de impacto real
Para un voltaje nonimal y una temperatura constante (20°C)
la superficie activa del
sensor con un diametro d
Sa - La zona de efecto seguro
Su - La zona ultizable de efecto seguro
Un objeto de dimensión normalizada 1 mm, FE360 , con toma
a tierra, dxd
Figura 2.3: 26
Para el 85-100% del voltaje nominal y
la temperatura de trabajo
Definición de las zonas de impacto para un sensor capacitivo
2.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Tipos de sensores
Los sensores capacitivos están disponibles en forma de detectores
de proximidad cilíndricos o en forma de cubo con su parte activa en
uno de los extremos. Los sensores cilíndricos están disponibles en
dos tipos. Los sensores del primer tipo tienen una pantalla y una zona
de operación solo al final. Dichos sensores son instalados de forma
superficial en metal o plástico. Los sensores de otro tipo tienen una
zona de operación adicional a una pequeña distancia de la superficie
cilíndrica del sensor. Están designados para ser utilizados en casos
donde el sensor está en contacto con el objeto que se está detectando,
cómo por ejemplo líquidos. La zona de operación de dichos sensores es
un 50% más grande ya que el campo eléctrico más grande del sensor
se cierra a los lados. También existen versiones especiales las cuales
pueden ser colocadas en superficies curvas u horizontales.
Al momento de armar varios sensores capacitivos, uno tiene que seguir
las reglas mostradas en la Figura 2.4, con el fin de evitar la interacción
entre los sensores y la interferencia de elementos externos.
El sistema de salida y las líneas de los sensores capacitivos son muy
parecidas a las de los sensores inductivos. Los sensores capacitivos
pueden tener dos, tres o hasta cuatro líneas de potencia de corriente
alterna.
Figura 2.4: Procedimiento de instalación del sensor capacitivo a) superficial y
b) no superficial
27
Minos
2.4
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Influencia del material de los objetos
La distancia de zona de efecto de los sensores capacitivos puede
variar ampliamente. La distancia mas larga se logra con materiales
conductores. Como fue mencionado previamente, la distancia también
depende de la toma de tierra del objeto que es detectado.
En el caso de los objetos hechos con materiales conductores, el tipo de
material no tiene efecto en la zona de operación. Para los materiales de
conducción, la distancia de la zona de efecto depende de la constante
dieléctrica, por ejemplo, entre más grande sea la constante dieléctrica,
más grande será la zona de efecto.
La distancia en la cual el sensor detecta materiales orgánicos tales
como madera o grano a un alto grado depende del contenido de agua
de los materiales. Esto está unido con una constante dieléctrica alta de
agua (e agua =80 ).
La zona de operación nominal S n es proporcionada en catálogos y para
objetos de metal estandarizados. Con el fin de determinar la zona de
operación real del sensor , S n se tiene que multiplicar por el coeficiente
de corrección propio para el tipo de material de objeto que está siendo
detectado.
Zona de operación = S n · Coeficiente de corrección
En la tabla 2.1 se muestran ejemplos de los valores de coeficiente.
28
Material
Coeficiente de corrección
Acero
1
Agua
1
Madera
0.7
Vidrio
0.6
Aceite
0.4
Polivinilcloruro (PVC)
0.4
PE
0.37
Cerámica
0.3
2.5
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Compensación de interferencia
El detector contiene un filtro de interferencias, el cual excluye la influencia de los campos eléctricos externos, cuando estos no son muy grades. Sin embargo, los fitros pueden minimizar la frecuencia de cambio
máxima y por consecuencia deteriorar las características de dinámica
del sensor.
El sensor puede reaccionar erróneamente cuando polvo o humedad
llegan a las superficies activas del sensor. Si el campo de interferencia
es homogéneo entonces se utiliza un electrodo de compensación adicional que está conectado a la salida del sensor, con el fin de mantener
de forma constate la zona de operación (Figura 2.5). La contaminación
eleva la capacidad entre el electrodo del sensor y la pantalla. Al mismo tiempo la capacidad entre el electrodo del sensor y el electrodo de
compensación genera una unión de compensación. Pero en el caso de
un contacto directo entre un objeto delgado (por ejemplo una hoja de
papel) y el sensor, existe el peligro de que la señal de interferencia neutralice el lectura principal del electrodo y por consecuencia no ocurra la
activación del sensor.
Campo de
compesación
Campo del sensor
Electrodo de
compesación
el objeto detectado
Sensor del electrodo
Electrodo exterior
Contaminación
Figura 2.5:
Sensor con electrodo de compensación adicional
29
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
2.6Aplicaciones
Debido a sus características y su diseño simple, los sensores capacitivos son utilizados con mucha frecuencia.
Los sensores pueden :
-
-
-
-
-
30
monitorear el nivel de liquido en el contenedor
monitorear el nivel de granulado en el contenedor
contar los objetos conductores y no conductores
encontrar envases vacíos
detectar daños el los objetos
Figura 2.6:
Registro y separación de las botellas sin llenar
Figura 2.7:
Control del nivel del fluido en un contenedor o en un ducto
Sistemas y funciones de la mecatrónica
3
Sensores ultrasónicos
3.1
Información básica
Minos
Los sensores ulstrasónicos son empleados para la detección de objetos
independientemente del tipo de material y del color que están hechos, e
incluso la detección de los niveles de transparencia y no transparencia
de los fluidos. Estos encuentran aplicaciones, principalmente en áreas
con alto presencia de polvo donde el uso de sensores ópticos no es
posible. Esto generan rayos ultrasónicos. La regla de operación consiste en la medición del tiempo entre la señal ultrasónica emitida y la
recibida, un obstáculo refleja un eco. Este tiempo es proporcional a una
distancia del objeto hacia el sensor. La frecuencia de exploración de la
señal de salida es muy pequeña ( desde unos pocos Hz hasta arriba de
100 Hz) en comparación a la de otros sensores.
Los sensores ultrasónicos generan ondas acústicas, cuya frecuencia
no es perceptible, por ejemplo mas de 20 kHz.
La alta frecuencia de operación de los sensores ultrasónicos los hace
prácticamente inmunes a la interferencia de los sonidos que se puedan
encontrar a su alrededor.
Los componentes principales de tales sensores son un generador de
alto voltaje, un convertidor piezoeléctrico localizado en la cabeza del
sensor, un sistema de procesamiento de señales y el sistema de salida
( Figura 3.1).
Objeto
Cabeza del
sensor
Generador
Detector
Sistema de sálida
Figura 3.1: C onstrución del sensor ultrasónico
31
Minos
3.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Influencia del entorno
La propagación del sonido, su rango, distribución y velocidad de una
ola de sonido depende en cierto grado de la propagación del entorno.
Los cambios inesperados de propiedades físicas de un ambiente de
propagación (aire) puede tener influencia en la precisión de la distancia
de medición.
Estos son:
Temperatura: Las fluctuaciones de la temperatura del aire cambian la
velocidad de la onda de sonido (Figura 3.2). Estos cambios están en un
rango de 17 % / ºK. La mayoría de los sensores están proporcionados
con una compensación de temperatura interna, la cual elimina, en un
alto grado (aproximadamente de 2/3), estos impactos desventajosos.
Presión: Las fluctuaciones de la presión atmosférica en un rango de 
5% de cambio de velocidad del la onda de sonido por aproximadamente
 6%.
Humedad: Un aumento en la humedad del aire causa un incremento
de la velocidad del sonido en un 2 % ( si se compara con el aire seco).
Corrientes de aire : La influencia de corrientes de aire depende de la
dirección y de su intensidad. Fuertes vientos con una velocidad de 50
km/h que soplan en la misma dirección que la dirección de la propagación de la onda de sonido puede cambiar su velocidad de una forma
significativa. Los vientos en una dirección perpendicular a la dirección
de propagación pueden desviarla, lo que también es una desventaja.
Contaminación: Un alto grado de contaminación en el aire causa un
ensuciamiento de la superficie del emisor de la onda de sonido, lo que
puede limitar el rango del rayo emitido hasta en un 30%.
Velocidad de la onda
acústica
[m/s]
Presión 1013 hPa
Temperatura [°C]
Figura 3.2: 32
Relación entre la velocidad de la onda acústica y la temperatura
3.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Produción de ondas ultrasónicas
La mayoría de las ondas ultrasónicas son generadas por transductores,
de los cuales aquellos que operan con la regla de piezoeléctrica han obtenido una gran importancia en su uso. El efecto piezoeléctrico consiste
en la creación de cargas eléctricas en el transductor como resultado de
una tensón mecánica.
Algunos cristales (tales como el sulfato de litio o el cuarzo) poseen
las propiedades piezoeléctricas, ya que su red de cristales tiene una
estructura helicoidal. Este efecto es irreversible, esto significa que un
transductor puede ser deformado con una carga eléctrica.
Cuando el transductor está en contacto con un material o con un medio,
por ejemplo aire, entonces las vibraciones causadas por cambios en el
voltaje son transferidas a las partículas de este medio y por consecuencia se genera una onda sonora. De forma invertida, si las vibraciones de
las partículas del medio son transferidas a un transductor, se generan
cargas eléctricas. El mismo transductor puede ser por lo tanto utilizado
para la generación y recepción de ondas sonoras (Figura 3.3).
Cuarzo
Electrodo
superior
Electrodo inferior
Cuarzo
Electrodo
superior
Generador de
impulsos
Generación de la onda
ultrasónica
Figura 3.3: Electrodo inferior
Voltímetro
Recepción de la
onda ultrasónica
Generador y receptor de la onda ultrasónica
33
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
El área de propagación de una onda ultrasónica está dispersada a un
alto grado (Figura 3.4 a). La energía de sonido más grande está situada
cerca del eje del sensor. Cuando la energía de sonido que se encuentra
en la zona gris no es la suficiente para el trabajo correcto del sensor,
entonces el cono de sonido con el ángulo  es el único que se puede
utilizar (Figura 3.4 b). La energía de la onda ultrasónica en el área amarilla es mas grande que el 50% de la energía que se encuentra cerca
del eje del sensor.
Cuando uno conoce la distancia X entre el objeto y el sensor, se puede
determinar el perímetro del cono de sonido D con la siguiente fórmula:
D = 2 • X • tan (α / 2)
X – distancia entre el objeto y el sensor
α – ángulo del cono de sonido
Dependiendo de las necesidades, se fabrican sensores que emiten una
onda con diferentes ángulos de cono. Estos ángulos varían desde unos
cuanto grados hasta una docena. Tanto como el ángulo como el cono
de sonido están determinados por el tamaño, la figura y la frecuencia de
la superficie vibratoria del sensor.
Figura 3.4: 34
Onda ultrasónica: a) corte transversal a lo largo del sensor,
b) cono sónico efectivo
3.4
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Principios de trabajo del sensor ultrasónico
Los sensores ultrasónicos comunes operan tienen uno de los siguientes dos procedimientos: la difusión- (sensores difusivos) y a través de
uno ( a través de sensores de rayo). La reflexión de difusión es el método más popular para los sensores ultrasónicos. Una onda de sonido
reflejada en un objeto regresa al sensor en forma de eco. Dependiendo
del tipo de salida, la distancia determinada en base a la medición del
tiempo se transforma en un voltaje o una corriente de señal análoga o
en un estado relevante de la salida de dos posiciones (ON/OFF). Cuando el objeto ha salido de la zona de medición del sensor, su sistema de
salida regresa a su estado previo. Por lo tanto, las mediciones ultrasónicas presentan dos fases (Figura 3.5) :
-
-
Emisión de un rayo ultrasónico desde un transductor hacia
un objeto
Emisión de un rayo ultrasónico del objeto detectado en dirección
del transductor, mientras que en este caso el rayo es un eco
de la señal emitida del transductor.
En los sensores de difusión las dos funciones están realizadas por el
mismo transductor piezoeléctrico.
Entre más alta sea la densidad del objeto detectado mejor será la sensibilidad del sensor. Mientras más alta sea la densidad, mayor será la
parte de la onda de sonido que es reflectada. Por ello, ciertos objetos
son detectados por el sensor ultrasónico con un coeficiente de reflexión
de rayo más alto ( cuerpos sólidos, líquidos y granulados).
Objeto
Transformador en
la fase de emisión
Objeto
Transformador en la
fase de recepción
Figura 3.5: Las dos fases de la medición ultrasónica
35
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
En los sensores de difusión se generan impulsos de sonidos periódicos.
Su frecuencia llega hasta unos diez Hz. El espacio de tiempo entre el
momento de generación de impulso y el registro del eco reflejado es
proporcional a la distancia real entre el objeto y el sensor. Para los
sensores con transductores de modo dual, por ejemplo con un transductor que actúa como un generador y recibidor de ondas ultrasónicas,
la duración de un impulso T i debe de ser claramente más corta que el
tiempo necesario para el regreso del eco T e (Figura 3.6). Estos impulsos son periódicamente repetidos con una frecuencia de unas cuantas
docenas de Hz. El tiempo de espera para el eco que regresa comienza
en cuanto el impulso ha sido enviado y continua hasta que la siguiente
señal haya sido enviada. Al medir el tiempo T e del eco que regresa al
sensor, es posible calcular la distancia hasta el objeto. En los sensores
de detección la presencia de un eco significa la detección de un objeto
en el rango de operación del sensor y causa el accionamiento del estado de salida del sensor.
Los sensores de difusión ultrasónicos hacen uso de un transductor especial eléctricamente controlado que genera y recibe una onda de impulso de sonido. Un transductor emite una serie de impulsos durante
unos cuantos microsegundos hasta 1 milisegundo y espera a su regreso después de la reflexión contra el objeto que es detectado. El estado
de salida OFF cambia al estado ON cuando hay una superficie que se
refleja en el rayo ultrasónico crónico.
Amplitud
Tiempo de espera
Transcurso
de tiempo del
impulso T1
Transcurso de tiempo del impulso T1
la Señal reflejada
Tiempo
Tiempo de retorno del eco Te
Duración del ciclo
Figura 3.6: 36
Ciclo de trabajo del sensor ultrasónico
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El rango de operación máximo de un sensor puede ser limitado por
medio de un potenciómetro. De esta forma, los objetos que se encuentran fuera de este limite no son detectados (Figura 3.7) Esta función se
llama “Extinguir el fondo” o en inglés “blanking out the background”.Una
opción para establecer un limite más bajo del rango está disponible en
algunos sensores. Se obtiene adicionalmente una zona bloqueada y la
zona activa, donde los objetos se detectarán , se podrá definir de una
forma precisa. La delimitación de la zona bloqueada previene la detección de objetos que se encuentran dentro de éste limite.
Cerca del sensor se encuentra una zona muerta, donde los objetos no
son detectados o su detección es dudosa. El tamaño de la zona muerta
depende del rango y del tamaño del sensor. Sensores pequeños con un
rango limitado tienen una zona muerta más corta a comparación de los
sensores con un rango más grande.
La zona muerta es un resultado de la función dual del transductor, principalmente del generador de sonido y recibidor. El transductor está listo
para la recepción del eco posteriormente a que se haya emitido un impulso de sonido.
Distancia actual
Objeto no
detectado
Objeto
detectado
Zona activa
del sensor
Objeto no
detectado
Zona muerta
del sensor
Zona de trabajo
Zona
muerta
Figura 3.7: Zona
bloqueada
El máximo alcanze del sensor
Definición de las zonas de impacto de un sensor ultrasónico
37
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Se utilizará una placa metálica para verificar el rango de operación de
un sensor S n. Dicha placa tiene 1 mm de ancho y refleja las ondas
ultrasónicas. La placa metálica deberá de ser posicionada de forma
vertical al eje de la onda de sonido. Su tamaño depende de un rango
de sensores; por consecuencia, para los sensores de alcance corto (de
hasta 300 mm) podrá utilizarse una placa de 10 mm, y para sensores
con un alcance mayor a 800 mm, se deberá de utilizar una placa metálica cuadrada de 100 mm. Los objetos que tengan diferentes dimensiones , formas y propiedades no podrán garantizar valores de rango de
detección S n .
Las siguientes reglas son generalmente válidas:
-
-
Entre más baja sea la frecuencia del sensor, mas
largo será en rango de detección.
Entre más altas sean las frecuencias de operación,
más baja será la sensibilidad del sonido de fondo y
más alta será la resolución de medición.
En los sensores de paso, un transductor ultrasónico genera una onda
de sonido en dirección al recibidor , el cual se encuentra en una caja
independiente. Cualquier objeto que esté interfiriendo con la onda de
sonido, interrumpirá esta onda y cambiara la salida del sensor (Figura
3.8).
En los sensores ultrasónicos, a diferencia de los sensores de difusión
y reflexión, el transductor genera una onda de sonido continua; aquí la
zona muerta está ausente.
Receptor
Receptor
Emisor
Emisor
Figura 3.8: 38
Señal de salida durante el paso del detector a) antes de detectar el
objeto y b) durante la detección del objeto
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Estos sensores encuentran una aplicación no solo para la detección de
objetos de sonido, sino además para la detección especial de objetos
porosos que se dispersan o absorben el sonido; también objetos con
sombra, los cuales son difíciles de detectar por los sensores de difusión.
Cuando un objeto, que refleja bien la onda de sonido, toma la posición
que se muestra en la Figura 3.9, no podrá ser detectado por un sensor
de difusión, ya que el ángulo entre la onda reflejada y el eje del sensor
es muy grande. En caso de que un objeto interrumpa a la onda de sonido, entonces esta puede ser fácilmente detectada por un sensor de
paso.
La frecuencia del interruptor de la señal de salida en los sensores de
paso es más grande a comparación de los sensores de difusión y puede llegar hasta los 200 Hz.
La onda sónica reflejada
Objeto
La onda sónica reflejada
Figura 3.9: Un objeto que no es detectado por un sensor de difusión, si será detectado
porun sensor de paso de manera simple
39
Minos
3.5 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Posibles irregularidades en el trabajo de los sensores
Los siguientes factores pueden interferir con la operación correcta del
sensor:
- Corrientes de aire: Las cuales pueden cambiar la velocidad y/o la
dirección de una onda de acústica, a tal grado de interferir con la detección de un objeto o dar una distancia equivocada entre el sensor y
el objeto.
- Las fluctuaciones de presión: Donde en una presión atmosférica normal las fluctuaciones entre ± 5 %, puedan resultar con un cambio de ±
0.6 % en el rango de operación del sensor.
- La temperatura incrementa los rangos de operación de un sensor,
debido a los impactos térmicos de un objeto que emite grandes cantidades de calor puede tener como resultado la creación de una zona
de temperatura variable que cambia el tiempo de propagación de una
onda y reduce la precisión del sensor. Un aumento de la temperatura
y de la humedad puede tener como resultado el hecho de que la distancia detectada es mas corta que la real. Las superficies calientes
reflejan una onda de sonido direccional de una forma menos eficiente
a comparación de las superficies frías. La temperatura del aire y su humedad afectan la duración de un impulso de sonido. Un incremento de
la temperatura de un 20 º C resulta con un bajo porcentaje (3.5% a 8%)
de incremento del rango del sensor y la lectura de la distancia es mas
baja de lo estimada.
- Aisladores de sonido: (algodón, goma) absorben el sonido y reducen
la sensibilidad del sensor. En el caso de los sensores de difusión ésta
sensibilidad puede que no sea suficiente para detectar un objeto.
Los sensores ultrasónicos son especialmente aptos para la detección
de objetos sólidos con una superficie plana perpendicular debido al eje
que se tiene que detectar. Cualquier tipo de desviaciones de estas recomendaciones puede tener como resultado la falla de operación de un
sensor. Estas son:
- Posición angular de la superficie frontal de un objeto con respecto al
eje de referencia del sensor. Cuando el ángulo alcanza los 90º, la onda
reflectada no regresa directamente hacia el eje del sensor, por ello la
zona de detección es más pequeña. Esto tiene una importancia especial con los grandes rangos de medición, ya que cuando la distorsión de
un objeto por aproximadamente 3º puede resultar en una no detección.
Para pequeños rangos de medición, los objetos pequeños y limpios, la
desviación puede ser de hasta 10 º.
- La figura de un objeto. Los objetos con superficies orientadas de tal
forma que su dirección de la onda reflejada difiere en una forma de grado significante, el eje de la onda emitida puede ser detectado con los
sensores de modo reflexivo o de paso.
40
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
- Superficie de líquidos. El coeficiente de reflexión de las ondas ultrasónicas de las superficies de líquidos es la misma que la de los sólidos.
Las superficies suaves, sin olas son fáciles de detectar.
- Sensores de detección mutua. Si los sensores están instalados muy
cerca del uno al otro, la onda de sonido de reflejo emitida por uno de
ellos puede regresar al otro sensor y producir una pulsación injustificada de la salida. Para evitar esta situación, es necesario cumplir con el
espacio necesario mínimo entre los sensores (Figura 3.10).
Figura 3.10: Distancias recomendadas entre sensores ultrasónicos activos
41
Minos
3.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sincronización de los sensores
Cuando varios sensores se sincronizan a través de una conexión real,
pueden ser instalados estando a lado de los otros si tener una influencia
entre sí. La sincronización debe de ser usada cuando los sensores emiten ondas en la misma dirección y los rayos ultrasónicos se juntan parcialmente. Cuando la sincronización está activada, el objeto detectado
puede estar frente a un sensor activado y al mismo tiempo en frente de
otro sensor que está sincronizado con el primero. Por ejemplo, la Figura
3.11 muestra dos sensores montados cerca el uno del otro y el sensor
B intercepta dos ecos B1 y Ax. El eco A1 llega al sensor A1 más rápido
que el Ax y el eco B1 llega al sensor B. La sincronización de sensores
los hace inmunes alas señales que no sean el primer eco, de tal forma
que la influencia de otros rayos ultrasónicos que interfieren pueda ser
evitada para la operación de los sensores.
Los sensores sincronizados emiten señales al mismo tiempo y operan
como un sensor con un cono acústico realzado detectando el mismo
objeto.
Figura 3.11: Sincronización de sensores colocados paralelamente y que detectan un mismo objeto
42
Sistemas y funciones de la mecatrónica
3.7 Sensores ultrasónicos especiales
3.7.1 Sensor de reflexión
Minos
Los sensores de reflexión ( retro refletive sensors) miden la diferencia
entre el tiempo de regreso de la onda de sonido reflejada por un objeto
detectado y el tiempo de regreso de una onda de sonido reflejada por
un reflector. Cada superficie plana y dura puede jugar el rol de reflector.
Una onda de sonido reflectada desde un objeto debe de regresar al
sensor antes que la onda de sonido reflejada por el reflector, de ser este
el caso el estado de la señal de salida de cambiará.
Los sensores reflexivos pueden ocupar una onda ultrasónica reflejada
por cualquier superficie para la detección de objetos. Esto beneficia
especialmente en lugares donde es difícil de acceder (Figura 3.12). Los
sensores pueden operar de esta forma basados ya sea en la interrupción completa del rayo y en la reflexión del eco.
Este tipo de sensores es apropiado especialmente para la detección
de materiales tales como el algodón, espuma y materiales textiles , los
cuales absorben a alto grado el sonido y también para la detección de
superficies no perpendiculares al eje del sensor.
Una área reflejada
Objeto
Reflector
Figura 3.12: Aprovechamiento de una onda ultrasónica reflejada para detectar a un
objeto absorvente
43
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
3.7.2
Sensores con dos transductores en una caja
Los sensores con dos transductores en una caja puede trabajar tanto
como sensores de difusión, al igual que sensores de reflexión con un
reflector (Figura 3.13). El primer transductor es el emisor y el segundo
es el receptor de las ondas ultrasónicas.
De tal forma un sensor detecta hasta objetos pequeños que están cercanos, ya que el receptor puede trabajar al mismo tiempo que con el
receptor. Ambos transductores deben de ser sincronizados.
Los objetos cilíndricos pueden ser detectados considerablemente antes que los objetos planos. El eco reflectado por un objeto plano atraviesa posteriormente la zona de efecto del sensor.
Objeto
Emisor
Objeto
Receptor
Emisor
Reflector
Receptor
Figura 3.13: Sensor con 2 transformadores: a) Método de difusión, b) Método de reflección
44
3.7.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores ultrasónicos análogos
La mayoría de los sensores ultrasónicos tienen salidas tanto como binarias, al igual que análogas. Cuando uno quiere medir una distancia,
se utilizará la salida de la corriente o del voltaje. La fuerza del voltaje o
de la corriente es proporcional a la distancia medida (Figura 3.14).
Final
Comienzo
Zona de medición
Figura 3.14: Relación entre la señal de salida y la distancia entre el objeto y el sensor
45
Minos
3.8 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Aplicaciones
Los sensores ultrasónicos se utilizan frecuentemente en la práctica, ya
que son insensibles a interrupciones en la zona de efecto y también
son resistentes a la contaminación. Estos detectan objetos que se encuentran lejanos independientemente de su:
-
Material (metal, plástico, madera, cartón, etc.)
-
Estado (cuerpo sólido, fluido, granulado, etc.)
-Color
-
Nivel de transparencia
En la industria estos sensores pueden ser utilizados para la observación de:
-
La posición de una unidad de máquinas.
-
Objetos en una cadena de fabricación
-
Controlar el nivel de fluidos o granulados en un contenedor.
Figura 3.15: Medición de las dimenciones del objeto con un sensor ultrasónico analógico
46
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Figura 3.16: Control de daños en laminas y ductos con un sensor de difussión
Figura 3.17: Conteo de objetos sobre una cinta transportadora con un sensor de reflexión,
las ondas sónicas se dispersan o se absorven
47
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
4. Sensores optoelectrónicos
4.1 Características de su diseño
Los sensores optoelectrónicos son dispositivos de control automático,
los cuales utilizan un rayo de luz para detectar objetos que se encuentran dentro de su distancia de operación. Pueden detectar objetos de
cualquier tipo de material que se encuentran a unos centímetros de distancia hasta objetos que se encuentran a varios metros de distancia. Un
sensor optoelectrónico reacciona cuando un objeto interrumpe el rayo
de luz que éste emite, o cuando el rayo de luz se refleja en la superficie
del objeto. Los cambios en la señal de la luz se convierten dentro del
sensor en señales eléctricas y son utilizadas para controlar el estado de
salida del sensor.
Los componentes principales de un sensor optoelectrónico son: (1) Recurso de luz y (2) Recibidor de luz, (3) circuitos electrónicos, (4) sistema
de salida, (5) uno o dos diodos emisores de luz que señalen las condiciones de operación del sensor, (6) un potenciómetro controlador de la
sensibilidad, (7) una caja y (8) una protección transparente.(Figura 4.1)
Figura 4.1: 48
Construcción de un sensor cilíndrico optoelectrónico
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los circuitos electrónicos incluyen (Figura 4.2):
-
(3) Oscilador, para obtener una fuente de luz modulada.
-
(4) Desmodulador, para separar la señal deseada
Los otros componentes del sensor son: (1) emisor de luz, (2) recibidor
y (5) transistor, un elemento de salida.
Los componentes del sensor mencionados previamente pueden ser colocados en una caja común o en dos cajas separadas, dependiendo en
que si el (6) objeto detectado interrumpe o refleja el rayo de luz.
Figura 4.2: Circuito electrónico de un sensor optoelectrónico: A-Sensor de paso,
B-Sensor de reflexión, C-Sensor de difusión
49
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
4.2 4.2.1 Clases básicas de sensores
Sensores de barrera de luz desechable
En los sensores de barrera de luz desechable (trhough beam sensor)
el rayo de luz es enviado directamente desde el emisor hacia el receptor. Esto se encuentran en un mismo eje pero en cajas separadas. Los
sensores detectan el objeto , el cual se encuentra entre el emisor y el
receptor, interrumpiendo así la señal. Estos sensores son inmunes a
condiciones difíciles del entorno como polvo, humedad, o neblina. Su
distancia de operación en la más grande (más de 50 m). Existen dos
construcciones principales de este tipo de sensores : cilíndrica y cubo.
Una característica importante de estos sensores es que trabajan para
cualquier tipo de material. Las superficies pueden estar pintadas, transparentes, ásperas, lisas, etc.
Un rayo de luz efectivo depende del diámetro de los lentes del emisor y
del receptor (Figura 4.3). Un objeto será detectado cuando éste cubra
por lo menos el 50% del rayo de luz.
Campo emitido
Emisor (E)
Receptor (R)
rayo efectivo
Campo visual del receptor
Figura 4.3: 50
Rayo de luz efectivo
4.2.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores de barrera de luz de reflejo
El emisor y receptor de un sesnor de barrera de luz de reflejo (retro
reflective sensors) se encuentran en una caja. La luz se reflejará en
dirección al receptor. Un objeto bloqueará el rayo de luz , activando así
la señal de salida. Los sensores de barrera de luz de reflejo sin un filtro
de polarización utilizan rayos infrarrojos. Los sensores con un filtro de
polarización utilizan luz roja visible. La ventaja de un sensor de barrera
de luz de reflejo es que tiene una zona de efecto (hasta 12 m.) y la independencia de las propiedades de la superficie y el color del objeto.
Tales sensores requieren de reflectores especiales o bandas de reflejo
especiales. (Figura 4.4).
A diferencia de un espejo ordinario o de otras superficies reflectoras,
los reflectores no necesitan estar colocados perfectamente en el ángulo
correcto hacia el sensor. Un error de posicionamiento de algunos grados no afecta la operación correcta del sensor.
El principio de doble dimensión de una reflexión también tiene efecto
en un sistema de espacio con tres espejos, que se encuentra de forma
perpendicular. Un rayo de luz que entra en este sistema es reflejado
completamente por las tres superficies y sale de forma paralela al rayo.
Los juegos de tres espejos forman la superficie del reflector de los sensores de barreara de luz de reflejo.
El rayo de luz efectivo depende del diámetro de los lentes del emisor y
del receptor.
Figura 4.4: a) Reflectores y b) Bandas reflectoras
51
Minos
4.2.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores de difusión
Los sensores de difusión, también son llamados sensores de reflejo o
de proximidad, son utilizados para los objetos de detección directa. Su
ventaja principal, además del hecho de que el emisor y el receptor están colocados en una caja, es que no se necesita un reflector. El emisor
emite luz , la cual es reflejada desde un objeto y regresa al receptor,
generando así una señal de detección de objeto.
Los sensores de difusión tienen una distancia de operación corta (hasta
100 mm., raramente 200 mm.). Los objetos o fondo que se encuentren
fuera de ésta distancia no serán detectados y las interferencias generadas por estos mismos serán atenuadas. El color y el tipo de superficie
pueden afectar a cierto grado la distancia de operación. Dependiendo
de las propiedades del objeto, el coeficiente de reflexión de la luz desde
un objeto puede ser muy extenso. Las superficies brillantes que están
incluso colocadas lejos del sensor pueden reflejar la mayor parte de la
luz , aunque aun así la detección del objeto en sí puede resultar muy
difícil.
Para poder determinar el alcance máximo de un sensor de difusión se
utiliza un objeto difuso calibrado (una hoja de papel blanca o un papel
KODAK), el cual refleja el 90% del rayo de luz.
4.3 Prevención de interferencia
Debido a su forma de operación , los sensores fotoeléctricos son sensibles a la interferencia óptica de luz externa tanto natural como la artificial. Los rayos de luz que provienen que provienen de tales medios
pueden afectar de una forma significativa la intensidad de la corriente
generada por el emisor y por lo tanto resultar en señales de salida del
sensor equivocadas. Con el fin de evitar reacciones falsas , los sensores serán equipados con sistemas, que descartan en cierta forma tales
interferencias y ajustan la sensibilidad de los sensores. La contaminación ambiental, por ejemplo aceite, polvo que se encuentran en las superficies de los objetos o en los lentes del emisor o del receptor pueden
agravar los problemas.
Los sensores de difusión pertenecen al grupo de sensores más sensibles a la interferencia óptica originada por la intensidad de luz natural y
constante o la luz artificial cerrada al especto de la luz natural, al igual
que a la intensidad de luz variable.
52
4.3.1 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Modulación de luz
Los sensores fotoeléctricos utilizan luz modulada, lo que significa que
los sensores son muy sensibles en la luz de ambiente. Esto quiere decir que la luz del emisor se activa solo por un corto tiempo, mucho mas
corto que la pausa entre los impulsor. (Figura 4.5). La frecuencia de
la señal de una luz modulada tiene unos cuantos kHz. Pero cuando el
emisor y la fuente de luz turbadora tienen frecuencias de trabajo similares, es posible que se origine una interferencia. La luz modulada tiene
los siguientes beneficios:
-
El sensor es menos sensible a la luz de ambiente.
-
La distancia de operación del sensor incrementa.
La cantidad de calor generada disminuye, lo cual extiende el
-
tiempo de vida de el diodo emisor de luz (LED).
Los emisores y receptores LED están equipados con lentes ópticos para
reducir el rayo de luz emitido y el campo de observación del receptor,
por lo cual uno puede limitar el rango de respuesta del sensor y así reducir el efecto de reflejo de radiación de los objetos que se encuentran
fuera del área delimitada. Al mismo tiempo, el enfocamiento de la luz
por medio de los lentes incrementa considerablemente la distancia máxima entre el emisor o el receptor y la superficie por medio de la cual es
reflejada. En algunas aplicaciones los elementos foto ópticos sin lentes
(una ventana plana y transparente) puede ser mas apropiada cuando
se necesita de un campo amplio y una distancia de operación corta.
Voltaje del
Emisor
Emisor activado
Emisor
desactivado
Tiempo
Figura 4.5: El voltaje modulado del emisor
53
Minos
4.3.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Luz polarizada
Un sensor retro-reflectivo estándar puede producir una respuesta incorrecta en el sistema de salida al momento de que aparezca un objeto
luminoso en el campo de observación. Con el fin diferenciar la reflexión
de luz del objeto detectado y las otras señales de luz recibidas , puede
que se genere la necesidad de utilizar una luz polarizada.
La polarización consiste en un ordenamiento total o parcial de las vibraciones de las ondas de luz. Si la luz no es polarizada, las vibraciones
eléctricas y magnéticas se generan en diferentes direcciones, mientras
que si se polariza, las vibraciones se generarán en una sola dirección.
La luz natural, incluyendo la que es emitida por los LED, no está polarizada. Pero cuando la luz pasa a través de un filtro polarizador solo
permanecen la parte de los rayos de luz que son consecuentes con la
polarización del filtro. La Figura 4.6a muestra un rayo de luz después
de haber pasado a través de un filtro de polarización horizontal. Cuando
se coloca un filtro de polarización vertical en el camino, la luz se extinguirá completamente.
La reflexión difusa o dispersa destruye la polarización (Figura 4.6b) y la
energía de la pequeña cantidad de luz que pasa a través de un polarizador vertical es muy baja, normalmente una cantidad insuficiente para
poder detectar una superficie reflectora de luz.
La reflexión de la luz polarizada de una superficie de espejo (Figura
4.6c) no destruye la polarización y un polarizador en forma vertical colocado en el camino del rayo de luz no le permite a la luz pasar.
Debido a ambos fenómenos, la luz polarizada puede ser utilizada en
sensores retroreflectivos con un reflector. Al seleccionar y colocar filtros
apropiados uno puede evitar las interferencias de las superficies del
espejo y poder detectar objetos transparentes. Los filtros polarizadores
están normalmente hechos de papel de polímero.
54
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Fuente de luz
Luz blanca
Filtros de polarización
Luz polarizada
Luz blanca
Fuente de luz
Filtros de polarización
Luz polarizada
Aniquilación de la polarización
Fuente de luz
Luz blanca
Filtros de polarización
Espejo
Luz
polarizada
Figura 4.6: Polarización de la luz: a) Extinción de la luz con dos flitros, b) Reflexión de la
luz polarizada sobre una superficie dispersiva y c) reflexión de la luz
polarizada a través de un espejo
55
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
4.4 Margen de operación
Como resultado de efectos externos , por ejemplo un cambio en el coeficiente de reflexión del objeto o que el emisor envejezca, que la cantidad de luz disminuya en un elemento del sensor fotoeléctrico y por lo
tanto que el nivel de señal en su conexión de salida pueda incrementar.
El nivel de señal puede que sea insuficientes para activar el estado de
salida, lo cual tiene como resultado la operación incorrecta del sensor.
Para evitar dichas situaciones debe de estar disponible un cierto nivel
excedente, por ejemplo un margen de operación. (Figura 4.7)
Cuando el recibidor no obtiene luz, el rango de operación es igual a
cero. Un rango de operación igual a 1 corresponde a una situación donde la cantidad de luz que cae al recibidor es suficiente para cambiar la
conexión de salida de OFF a ON o de ON a OFF. Con el fin de asegurar
una cierta cantidad de reserva, el margen debe de ser más grande que
1, por lo tanto la cantidad real de luz incidente va a exceder el nivel mínimo necesitado para activar el dispositivo de salida.
Cantidad real de luz detectada
Margen de operación =
Cantidad mínima requerida
para cambiar el estado de
salida
Nivel de la señal
Nivel del excendente mínimo de luz
Excedente
de luz
Zonas límite
de impacto
Nivel de la conexión de la señal de
salida
Nivel de la desconexión de la señal
de salida
Tiempo
zona
inestable
Figura 4.7: 56
zona de trabajo
estable
zona
inestable
Relación de la región segura de trabajo del sensor optoelectrónico y los
límites de las zonas de impacto
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Si se conocen las condiciones generales en las cuales opera el sensor
fotoeléctrico, el exceso ligero calculado por medio de la fórmula anterior
asegura protección en contra de una disminución excesiva de la caída
de luz en el recibidor. Entre más grande sea el exceso, más confiable
será la operación del sensor. En aplicaciones en donde existe el riesgo
de una disminución excesiva en la cantidad de luz que cae en el receptor, entonces se requiere de un margen de operación mas grande. Para
tener aire limpio y una probabilidad naja de que los lentes o el reflector
se vayan a ensuciar se necesita de un margen de operación mínimo no
más pequeño de 1.5. En un entorno realmente sucio y cuando la limpieza del lente está limitada , el margen de operación mínimo debe de ser
entonces más grande que 50.
Un diodo parpadeante señala las condiciones inestables, esto se refiere
a cuando la iluminación del sensor es muy pequeña para cambiar la
señal de salida.
Para el pulsador de luz es también importante la histéresis (la diferencia
del nivel de la señal entre el estado de encendido y el estado de apagado) (Figura 4.8). La distancia de operación del sensor desde el objeto
detectado siempre se refiere al nivel de señal del cambio en el punto
de encendido.
La histéresis incrementa junto con la distancia que hay entre el objeto
detectado y el sensor.
Nivel de la señal
Nivel de la conexión de la señal de
salida
Histéresis
Señal de salida
activada
Figura 4.8: Nivel de la desconexión de la señal
de salida
Tiempo
Histéresis de un pulsador de luz
57
Minos
4.5
Sistemas y funciones de la mecatrónica
La distancia de operación
Una característica importante de los sensores fotoeléctricos de proximidad es su rango de operación determinado por la distancia de operación
máxima. Para los sensores de barrera de luz desechable es la distancia
máxima entre el sensor y el receptor, para los sensores de barrera de
luz de reflejo la distancia entre el sensor y el reflector, para los sensores
de difusión la distancia entre el sensor y el objeto estándar. En todos los
casos, la distancia corresponde a la distancia máxima útil.
Debido al diseño del sensor de barrera de luz de reflejo, donde el emisor y el receptor son colocados en la misma caja, también hay una
distancia mínima bajo la cual un objeto ya no es detectable.(Figura 4.9)
Receptor (R)
Emisor (E)
Zona
muerta
Distancia mínima de trabajo
Figura 4.9: 58
Distancia mínima de trabajo de las caja de reflexión luz y pulsadores de luz
4.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Tiempo de reacción
En aplicaciones en donde se tienen que detectar objetos muy pequeños
u objetos en movimiento con una velocidad muy rápida el tiempo de reacción del sensor fotoeléctrico puede ser esencial. El sensor tiene que
lograr cambiar la señal de salida en un tiempo muy corto.
El tiempo de reacción se cuenta a partir del instante en el que un rayo
de luz aparece entre el emisor y el receptor hasta un cambio del estado
de salida. Se le llama “tiempo de liberación” al tiempo necesitado para
cambiar el estado de salida una después de que el objeto detectado se
haya retirado. Ambos tiempos no siempre son iguales.
Los tiempos máximos de reacción/liberación son dados en los instructivos de cada tipo de sensor. Algunas diferencias de los valores dados
son inevitables debido al suministro de pulso del emisor cuya frecuencia es muy difícil de sincronizar con el movimiento del objeto que es
detectado.
Al conocer el tiempo de respuesta uno puede determinar cuanto tiempo
tiene que permanecer en el campo de visión del sensor el objeto en
movimiento para poder ser detectado, es decir a que velocidad máxima
de puede mover el objeto o que tan grande tiene que ser el intervalo
entre los objetos. Esto puede ser revisado aplicando la formula para la
cantidad de tiempo que tiene que permanecer el objeto detectado dentro del campo de visión del sensor.
Tiempo en el que el
objeto pasa por el
sensor
Extensión del objeto
=
Velocidad del objeto
El tiempo calculado debe de ser claramente más largo que los tiempos
de respuesta del catálogo para el sensor. Si los intervalos entre los objetos que están siendo detectados son mas pequeños que la extensión
del objeto, el lapso de tiempo para los intervalos entre cada frente al
campo del sensor se calcula con la siguiente fórmula:
Duración de intervalos
frente al sensor
Extensión del objeto
=
Velocidad del objeto
El tiempo determinado bajo esta formula tiene que ser claramente más
largo que los tiempos de respuesta del catálogo para el sensor.
59
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
4.7
Tipos especiales de sensores
4.7.1 Sensores de barrera de luz de reflejo con polarización de luz
En sensores de barrera de luz de reflejo que utilizan polarización de luz
será enfocada por un lente y dirigida a través de un filtro de polarización
horizontal hacia un reflector con triple espejos (Figura 4.10). Una característica importante de los espejos triples utilizados en los reflectores es
que pueden cambiar la polarización de un rayo de luz aproximadamente 90º. Algunos de los rayos de luz reflejados por el reflector alcanzan al
receptor por medio de otro filtro de polarización vertical. Los filtros están
de tal forma conectados y posicionados para que solo la luz reflejada
que proviene del reflector, y no cualquier otra luz que sea reflejada por
otros objetos dentro del rango del sensor, alcance al recibidor.
En los sensores de luz polarizada uno debe esperar algunas perdidas
de la intensidad de la luz emitida, la cual es causada por los filtros de
polarización. Como resultado su rango es aproximadamente 30 – 40 %
más corto que los sensores de barrera de luz convencionales. Generalmente se utilizan LEDs que emiten luz roja visible como recurso de luz.
Polarizador
horizontal
Emisor
Reflector con triple
espejo
Lentes
Receptor
Polarizador
vertical
Figura 4.10: Caja de reflexión con luz de polarización
60
4.7.2 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores de difusión , que suprimen el primer plano y el fondo
En varios tipos de sensores de difusión uno puede asignar la distancia
de detección máxima y mínima (Figura 4.11). Esto no tiene nada que
ver con la sensibilidad del receptor y se efectúa a través de un cambio
mecánico en el ajuste de los lentes y un cambio en el ajuste de ángulo
del espejo del recibidor o espejo auxiliar. Esta característica es particularmente práctica cuando hay una superficie que se refleja bastante
detrás del objeto que está siendo detectado, lo que puede perturbar la
detección del objeto de una forma apropiada. Esta interferencia se elimina mediante el ajuste de la distancia máxima de respuesta del sensor
a una distancia más corta que la distancia en la que se encuentra la
superficie que está interfiriendo. Por lo tanto, solo se reconocen los objetos que se encuentran a una distancia dentro de la distancia máxima.
Eje óptico del
emisor
Receptor (R)
Eje óptico del
receptor
Emisor (E)
Región activa
Figura 4.11: Corte del eje óptico del emisor y del receptor para limitar la región activa
61
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Algo más efectivo es el método electrónico de la eliminación de fondo,
donde el sensor “ve” el fondo pero lo puede ignorar. Un ejemplo puede
ser un sensor de difusión con dos recibidores de luz o un sensor de
triangulación (Triangulation sensor) equipado con una cámara de transferencia de carga (CCD) con un transductor PSD. En un caso anterior,
el reconocimiento de objetos es a base en la comparación de la cantidad de luz que caen en cada uno de los recibidores ,mientras que en el
segundo caso se basa en la medición de la distancia del objeto hacia el
sensor y se compara con la distancia determinada previamente.
Los sensores con la eliminación del fondo de forma electrónica pueden
ser operados en una de las siguientes tres formas (Figura 4.12):
- Protección en contra de la detección del objeto 3 localizado fuera del
área de detección (eliminación de fondo).
- Protección en contra de la detección del objeto 2 localizado antes del
área de detección (eliminación del primer plano).
- Detección de solo el objeto 1 localizado dentro del área definida (función de ventana).
Para un objeto localizado a una distancia :
- más corta que L min – se elimina el efecto de los rayos de luz emitidos
antes del área de detección
- más larga que L max – se elimina el efecto de los rayos de luz emitidos fuera del área de detección.
- más larga que L min pero más corta que L max – se elimina el efecto
de los rayos de luz emitidos desde antes y fuera del área de detección.
Gracias al sistema óptico de los sensores de triangulación (Figura 4.12)
el pulso de luz emitido por el diodo láser es un rayo de luz enfocado casi
paralelo. Durante su trayectoria, el contacto con el objeto 1 se refleja
difusamente y alguna de la luz reflejada cae en un PSD (dispositivo
sensible de posición) o una cámara CCD (de transferencia de carga),
ambos colocados en el mismo sensor. Dependiendo de la distancia entre el objeto 1 y el dispositivo, la luz cae en un punto específico del PSD/
CCD. El circuito de análisis compara la señal recibida con la distancia
de operación ajustada previamente y si la distancia del objeto se encuentra dentro del área determinada, la salida del sensor se activa.
Al diferencia del sensor de difusión ordinario, las distancias de operación dependen poco del tamaño, color del objetivo o las propiedades de
su superficie, por lo tanto un objeto puede ser fácilmente distinguido,
incluso cuando hay un fondo brillante.
Tales sensores son irremplazables para detectar objetos que se mueven cerca del fondo o de la base, la cual no tienen que ser detectada
por el sensor y para detectar el nivel de un líquido opaco.
Los sensores difusivos con eliminación de fondo detectan bien ya sea
los objetos luminosos y los oscuros. En el caso de los sensores de barrera de luz de reflejo con eliminación de fondo este rango de sensación
para el papel negro es un poco más corto (aproximadamente 5%).
62
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los recursos y receptores de luz LED están equipados con lentes ópticos los cuales permiten a uno disminuir tanto el fluido luminoso emitido
y el campo de observación del receptor, por lo tanto uno puede limitar
la respuesta del sensor y así reducir el efecto de interferencia del reflejo
de radiación de objetos que se encuentran fuera de ésta área. Al mismo
tiempo el enfoque de la luz por los lentes incrementa considerablemente la distancia de la superficie del emisor-receptor o del emisor-reflector. En algunas aplicaciones los elementos foto-ópticos sin lentes ( una
ventana plana y transparente) pueden ser más ventajosos.
Camara CCD o PSD
Diodo laser
Lentes
área de
medición
Salida
Región de marginación en
primer plano
Objeto 2
Región activa
Objeto 1
Región de marginación en el
transfondo
Objeto 3
Figura 4.12: Sensor de triangulación con disminución electrónica de la influencia del
transfondo
63
Minos
4.7.3 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores de barrera de luz de reflejo con autocolimación
La autocolimación consiste en un cambio automático de un rayo de luz
divergente en un rayo paralelo, por lo tanto incluso con un diámetro de
rayo pequeño hay suficiente luz dirigida hacia el receptor.
La autocolimación hace posible detectar objetos transparentes (objetivos) y aquellos colocados muy cerca al sensor (en los sensores estándar zona muerta)
Los sensores de barrera de luz de reflejo basados en el principio de autocolimación se basan en el principio de que los ejes ópticos de los canales que emisores y receptores son idénticos. Esto es posible ya que
la luz en el canal receptor es desviada por un espejo semitransparente
para que este pegue con el receptor y lo cambie a 90º relativos hacia el
emisor (Figura 4.13). Tales sensores trabajan bien particularmente con
reflectores de lámina.
Reflector con triple espejo
Luz emitida/reflejada
Lente
Luz
reflejada
Luz
emitida
Receptor
Emisor
Figura 4.13: Caja de reflexión de luz con auto-colimación
64
Sistemas y funciones de la mecatrónica
4.8 Sensores con cables de fibra óptica
4.8.1 Cables de fibra óptica
Minos
Los cables de fibra óptica son utilizados para transmitir ondas electromagnéticas con ondas de luz o cerca de frecuencias de ondas de luz. El
cable de fibra óptica más simple consiste de una varilla (centro) de vidrio o de plástico con extremos planos, está rodeado por una capa hecha
de otro vidrio o plástico con un índice de reflejo más bajo (Figura 4.14).
Tales cables de fibra óptica se basan en el efecto de la reflexión total
interna la cual ocurre cuando la luz cae en la frontera entre dos medios
caracterizados por dos índices refractivos diferentes. Una reflexión interna normal significa que 100% de la energía del rayo de luz reflejada
por la frontera regresa al cable de fibra óptica.
Un rayo de luz está reflejado por la capa de la frontera solo cuado pasa
de un medio con un índice refractivo más alto. Además , son transmitidos solo los rayos que caen al final de la fibra y se posicionan de cara a
un ángulo más pequeño que el ángulo de la frontera (determinado por
los índices refractivos de la capa y del núcleo).
Rayo de luz
Cubierta
Coeficiente de
refracción - n2
Blindaje de luz
Núcleo
Coeficiente de refracción - n1
Figura 4.14: Reflexión total de la luz interna en un cable de fibra óptica
65
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
En teoría cuando la intensidad de la luz no es reducida por las reflexiones. Pero las impurezas y las pequeñas imperfecciones , las cuales
se encuentren en las capas de material y frontera del centro, causan
algunas perdidas reduciendo efectivamente la longitud del cable de fibra óptica por donde se transmite luz. El diámetro del centro del cable
de la fibra óptica ( la parte que transmite luz) mide desde 5 m, en
materiales de vidrio de cuarzo, hasta 1 mm , en plástico. Gracias al uso
de cables de fibra óptica de pequeño diámetro, particularmente las que
están hechas de vidrio, son altamente elásticas y pueden ser dobladas
libremente.
Los cables de fibras ópticas utilizados para transmitir luz pueden tener
uno, dos o un número más grande de fibras.
Los cables de fibra óptica tienen un tiempo de vida más largo que los
cables de plástica; en su versión estándar los cables de fibra óptica
soportan temperaturas de hasta 250 ºC (los cables de fibra óptica de
plástico solo soportan temperaturas de hasta 70 ºC). Pero los cables de
fibra óptica de plástico son más fuertes, más económicos y pueden ser
acortados fácilmente cortando sus extremos. Las fibras de vidrio ópticas transmiten efectivamente tanto la luz visible como la luz infrarroja,
mientras que la eficiencia de las fibras ópticas de plástico al trasmitir luz
infrarroja es muy baja. Por lo tanto las fibras ópticas de vidrio pueden
ser utilizadas para luz visible e infrarroja, mientras que las fibras ópticas
de plástico son mas apropiadas para la luz visible.
Los cables de fibra óptica están cubiertos por una cabeza de metal
cilíndrica. Existen dos tipos principales de cables de fibra óptica: monomodo y multimodo (Figura 4.15).
Fibra óptica
Cabeza del
receptor
Fibra óptica
Cabeza del
receptor
Figura 4.15: Tipos de cables de fibra óptica: a) conductor de paso y b) conductor por
desviación
66
4.8.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Modo de acción
El modo de acción de los sensores fotoeléctricos con fibras ópticas es
el mismo que aquel de otros sensores fotoeléctricos, excepto por el hecho de que tanto la luz emitida como la luz recibida son transportadas
por la fibra óptica. El fin de la fibra es muy pequeño (de tan solo unos
cuantos milímetros) por lo tanto esta puede ser colocada en lugares
inaccesibles muy lejos del los circuitos optoeléctricos del sensor que se
encuentran colocados en un amplificador separado (Figura 4.16).
Dos fibras ópticas posicionadas una en contra de la otra llevan a cabo la
función de un sensor de barrera de luz de reflejo. Un rayo de luz pasa
entre los dos cables de fibra óptica y cuando el rayo es interrumpido
entre el emisor y el receptor se lleva a cabo la detección del objeto.
Dos líneas del cruce de la fibra óptica están conectadas a la cabeza del
sensor. A través de la primera línea se transmite el rayo emitido, el cual
regresa al receptor a través de la segunda línea. Un objeto se detecta
cuando la luz emitida es reflejada a través de éste.
Amplificador de
Fibra óptica
Salida
Cabeza del
emisor
Cabeza del
receptor
Objeto
Amplificador de
Fibra óptica
Salida
Objeto
Cabeza del
sensor
Figura 4.16: Tipos de sensores con fibra óptica: a) de barrera de luz de reflejo y
b) pulsador de luz
67
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Las dimensiones reducidas del final de la fibra óptica permiten detectar
objetos muy pequeños y el final puede ser instalado en lugares donde
otros sensores no podrían caber. Los sensores con fibras ópticas pueden ser utilizados en áreas con peligro de explosiones y también en
líquidos. Son altamente resistentes al daño y a la vibración. Gracias a
su resistencia a la vibración, estos pueden ser instalados en equipos en
movimiento.
En los sensores con cables de fibra óptica un LED puede ser el recurso
de luz, el diámetro de la superficie estándar del cable es de 2.2 mm y
los cables de fibra óptica miden generalmente menos de 2 metros.
68
Sistemas y funciones de la mecatrónica
4.9
Sistema de conexión
4.9.1 Tipos de conexión
Minos
Los sensores fotoeléctricos pueden ser operados en uno de los dos
siguientes modos:
-
-
operado en oscuro (DO dark operated)
operado en luz (LO light operated)
En el modo de operado en oscuro, la salida del sensor se enciende
cuando la luz emitida no llega al receptor. Esto corresponde al estado
de salida de operación normal en los sensores inductivos y capacitivos.
En el modo de operado en luz la salida está activada cuando la luz del
emisor no llega al receptor. Esto corresponde al estado de salida de
cerrado normal en los sensores inductivos y capacitivos.
4.9.2
Conmutación de la salida del sensor
Cada sensor fotoeléctrico tiene su zona de conmutación de estado de
salida característica, cuyo tamaño y forma depende del diámetro del
rayo de luz enviada por el emisor y la distancia del objeto que es detectado por el sensor. En este caso un sensor de barrera de luz de reflejo , la distancia entre el emisor y el receptor es crítica. Con el fin de que
la salida sea cambiada, el objeto que está siendo detectado o el emisor
debe de estar dentro de la zona de cambio.
La zona de cambio de la salida puede ser presentada en el conocido
diagrama de respuesta; cuando un objeto a lado del sensor o del receptor sea deslizado a lado del emisor. (Figura 4.17)
Receptor
Emisor
Emisor
Receptor
Distancia X
Figura 4.17: Diagrama de respuesta de un sensor de barrera de luz de reflejo
69
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Una característica de los sensores detectores, es su máxima frecuencia
de cambio; el número máximo posible del cambio de la señal de salida durante un segundo, en Hz.). Para los sensores fotoeléctricos esta
será calculada en base del tiempo de reacción/producción, la cuales se
obtienen en los datos técnicos de cada sensor. Uno supone que estos
tiempos son iguales.
f max =10 3 / (Tiempo de reacción + Tiempo de producción)
f max [Hz]
tiempo de reacción/producción [ms]
70
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
4.10 Apliaciones
Figura 4.18: Control del elevador de banda con un sensor de barrera de luz de reflejo
optoelectrónico
Figura 4.19: Detección del objeto de acabado mate con un sensor de reflexión optoelectrónico
71
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Figura 4.20: Control del nivel de fluidos en envases de vidrio con un sensor de reflexión
optoelectrónico
Figura 4.21: Detección de fracturas en herramientas con un sensor de barrera de luz de reflejo
optoelectrónico con pulsador de luz
72
Sistemas y funciones de la mecatrónica
5
Sensores magnéticos
5.1 Información básica
Minos
Los sensores magnéticos pueden ser utilizados principalmente para la detección de objetos que
pueden ser ajustados a imanes. Estos son elementos típicos en el control industrial debido a su
diseño hermético, su variedad de formas de caja y sus altos rangos operacionales que vienen
en dimensiones pequeñas.
Las modificaciones base de estos sensores no requieren un suministro eléctrico y pueden ser
directamente conectados a entradas de mandos también pueden controlar la operación de
maquinaria de forma independiente. Una ventaja adicional es el margen amplio de voltaje de
accionamiento y niveles de corriente, incluso arriba de 1000 V y unos cuantos A.
Los sensores magnéticos responden a un campo magnético generado usualmente por imanes
sólidos que son ajustados a los objetos que tienen que ser detectados. Los objetos pueden estar
hechos de diferentes materiales , sin embargo los objetos que no son ferro magnéticos son mejores debido a un rango de operación más alto del sensor.
Un elemento que responde al campo magnético puede ser por ejemplo un contacto eléctrico
hermético ( un sensor reed), un elemento semiconductor (un sensor Hall), una resistencia magnética o un material con propiedades magnéticas especiales.
Los campos magnéticos penetran a casi todos los materiales no magnéticos, de ahí que la detección de elementos puede ser llevada a cabo incluso si hay obstáculos diamagnéticos hechos
de plástico entre el sensor y el objeto; por ejemplo una pared o una pared contenedora.
La activación de un sensor magnético de proximidad se lleva a cabo por medio de un imán que
se acerca hacia el sensor desde la dirección X o la dirección Y. (Figura 5.1).
Imán
Elemento reactivo a un campo magnético
Detector
Figura 5.1: Sistema de
salida
Estructura de un sensor magnético de proximidad
73
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
5.2 Histéresis
El ferromagnetismo que se coloca en un campo magnético externo está
sujeto a una magnetización o una desmagnetización dependiendo de
la dirección de su campo. Un fenómeno de la histéresis está asociado
con éste proceso, cuya figura depende de las propiedades del ferromagnetismo (Figura 5.2). Cuando la histéresis es amplia es muy difícil
desmagnetizar el ferromagnetismo. Este ferromagnetismo (Fe-Co, Ni-Co
y ferritas duras) van a ser determinadas como “duras” y son utilizadas
como imanes de permanentes. El ferromagnetismo suave (histéresis
reducida) puede ser utilizada para núcleos magnéticos que deberán magnetizar y desmagnetizar rápidamente (hierro, Fe-Si, Fe-Al aleaciones,
y aleaciones sin forma suaves.
Las propiedades magnéticas presentadas anteriormente de las propiedades de los materiales y su comportamiento en campos magnéticos
externos hace posible diseñar diferentes tipos de sensores magnéticos.
En el vacío, el campo magnético se caracteriza por un vector de la inducción magnética B o. La inducción magnética B en un material dado
de una estructura uniforme se encuentra a través de la formula:
B= r•Bo
Creación del
campo
magnético
Creación del
campo
magnético
Campo magnético
externo
Figura 5.2: 74
Histéresis de un ferromagnetismo a) fuerte y b) débil
Campo magnético
externo
5.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Efecto Hall
El efecto Hall consiste en la creación de un campo magnético adicional
en una corriente DC que carga un disco en forma de un conductor o un
semiconductor y está expuesto a un campo magnético externo. Este
campo magnético adicional es un resultado de las acumulaciones de las
cargas eléctricas solo en un borde del disco sujeto a una exposición del
campo magnético externo. Esto es su momento causa una diferencia en
el potencial de la lámina en sus bordes, un voltaje llamado “voltaje Hall”
VH . El campo magnético generado adicionalmente se encuentra perpendicularmente tanto en referencia a la dirección del campo magnético B
como a la dirección del flujo de corriente I C , mientras que esta es más
fuerte cuando el campo magnético se encuentra de forma perpendicular
en relación a la dirección de la corriente de flujo (Figura 5.3).
Para la lámina que se muestra, existe la siguiente relación entre el voltaje
VH , la corriente que corre a través de la lámina y en campo B:
VH = RH B• I C /d
Donde: RH – Constante Hall (determinando la movilidad de los portadores
de energía), d – el grosor de la lámina.
Para aplicaciones prácticas de éste fenómeno se necesita una posibilidad
de un alto valor de voltaje VH . Este puede ser obtenido utilizando láminas
muy delgadas hechas de materiales que presenten una alta movilidad
de electrones. Estas propiedades se presentan exclusivamente en los
semiconductores hechos con una tecnología de capa delgada, la cual
hace posible obtener una lámina delgada (aproximadamente 0.1 mm).
Los materiales, en su mayoría, son semiconductores de tipos InSb,
InGaAs y GaAs. El incrementar el voltaje VH al incrementar la corriente
que esta fluyendo a través de la lámina es una posibilidad muy limitada
debido al poder permitido que se ha disipado en la lámina. El valor de
éste poder depende, en un considerado grado, en el diseño y la forma
de la lámina semiconductora.
El efecto Hall ha encontrado un espectro muy amplio de aplicación práctica, entre otros, en el diseño de sensores magnéticos.
Figura 5.3: Efecto Hall
75
Minos
5.4
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Efecto de magnorresitencia
Las magnorresistencias AMR son elementos semiconductores anisotrópicos que se caracterizan por una alta dependencia de la resistencia hacia
el campo magnético. Se utilizan unas bandas muy delgadas hechas de
material ferro magnético permalloy (20% Fe, 80% N) para los sensores.
Un incremento de la magnetorresistencia de materiales semiconductores
es un resultado de una exposición a un campo magnético externo H.
Esta exposición causa un cambio en la dirección del flujo de corriente I
en un ángulo  (Figura 5.4). Esto hace que el camino de cargas eléctricas sea más largo, lo cual tiene como resultado un incremento de la
resistencia del semiconductor. Un valor de éste ángulo incrementa con
un incremento de la intensidad del campo magnético. Este fenómeno
tiene el término de “efecto de magnetorresistencia”.
Distintos materiales reaccionan de diferentes maneras a éste fenómeno: está prácticamente ausente en metales, en semiconductores está
presente pero en un alcance diferente.
Los electrodos de oro y aluminio generan un camino del flujo de la corriente cambiando su dirección y como resultado, el camino de cargas
eléctricas se convierte aun más largo causando un incremento adicional
en el ángulo  de la resistencia dependiente RM. Después de la eliminación del campo magnético, la resistencia del semiconductor regresa
a su valor inicial RM0.
Una relación entre el ángulo , resultando de la intensidad del campo
magnético H, y de la resistencia del semiconductor RM hace posible
detectar objetos magnéticos con sensores magnéticos.
permalloy
electrodo
Figura 5.4: 76
Efecto magnetoresistivo
5.5
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Effetto Wiegand
El efecto Wiegand consiste en la generación de un impulso eléctrico en
una bobina, la cual esta enrollada en un conducto ferro magnético que
tiene propiedades magnéticas únicas (conductor de impulso), como
resultado del cambio de dirección del campo magnético. Los “conductores de impulso” están fabricados con un material ferro magnético, de
aproximadamente 0.3 mm de diámetro, el cual se enrollarán varias veces
con una temperatura fría para producir un estado apropiado de tensión.
Este conductor, el cual es un compuesto de cobalto, hierro y vanadio,
tiene dos áreas magnéticas diferentes: un núcleo y una envoltura. El
núcleo tiene las propiedades de un material magnético suave (histéresis
estrecha) y la envoltura tiene las propiedades de un material magnético
duro (histéresis amplia)- (Figura 5.5).
Dos capas que difieren magnéticamente reaccionan diferentes a los
cambios de dirección del campo magnético externo. El núcleo magnéticamente suave cambiará la dirección de su magnetización más rápido que
la envoltura magnéticamente dura. Cuando el campo magnético externo
causa dicho cambio en el núcleo sin ningún cambio en la dirección de
magnetización de la envoltura, entonces aparecerá un impulso eléctrico
corto (10 -20 s) en la bobina alrededor del conductor de impulsos. La
amplitud de los impulsos de voltaje es casi independiente a la velocidad
de los cambios en dirección al campo magnético. Para reinvertir la dirección de la magnetización, el núcleo necesita, en promedio, un campo
magnético tres veces más débil que la envoltura.
Este fenómeno, conocido como el efecto Wiegand es utilizado en los
sensores magnéticos para la detección de objetos en translación o en
rotación.
Núcleo
magnético
suave
tempo
Cubierta
magnética
dura
Figura 5.5: bobina
tempo
nucleo
recubrimiento
Efecto Wiegand: a) “Linea de impulso” con la bobina, b) impulso eléctrico
previo y posterior al cambio de dirección del campo magnético externo
77
Minos
5.6 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores de campo magnético con un contacto Reed
El principio de operación subyacente de éste sensor es el de un sensor
de contacto reed que responde a un imán que se aproxima. En el campo
magnético generado por un imán, los contactos de un sensor de contacto
de reed se magnetizan. Si la fuerza de la atracción del contacto supera
la fuerza la fuerza de la elasticidad, entonces el sensor cambiará su
estado de abierto a estado cerrado. En virtud de este hecho, el circuito
eléctrico completo también estará cerrado junto con la carga conectada.
(Figura 5.6).
La eliminación del campo magnético de la zona de operación del sensor
anulará la fuerza de atracción de los contactos del sensor. Debido a la
fuerza de elasticidad, los contactos se separarán rompiendo al mismo
tiempo el circuito eléctrico con la carga conectada.
Los sensores (magnéticos) con un sensor de contacto reed no requieren
suministro de poder. Los contactos de los sensores reed, si no es en un
campo magnético, puede estar normalmente abierto (dependiendo de
su tipo) o en uno de sus dos estados posibles NA (normalmente abierto)
o NC (normalmente cerrado).
Cada imán es una fuente de campo magnético, la intensidad de la cual
depende de sus propiedades (magnéticas) de material y sus dimensiones.
Este campo magnético determina el rango de operación máximo SMAX
de un sensor reed magnético.
Salida
Imán
Contacto Reed
Figura 5.6: 78
Sensor del campo magnético con un contacto Reed: a) Construcción y señal de salida b) Smax - máximo alcanze, H - Histéresis.
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
La fuerza de atracción del campo magnético depende de la distancia
entre el sensor y el imán en la distancia tanto longitudinal como transversal (Figura 5.7). De acuerdo con la característica de operación de
un sensor de contacto reed, deben de haber tres zonas con el estado
de salida ON al momento de que el imán se mueve a lo largo del eje X
orientado paralelamente con respecto con el eje del contacto reed. Para
colocar apropiadamente el imán y el sensor con respecto del uno al otro,
se debe de obtener un sensor con una o dos zonas de cambio. En cada
caso, al acercar o retirar el imán en la dirección Y, solo habrá cambios
de ON a OFF ó de OFF a ON.
Los sensores de reed magnético tienen cajas de diversas formas,
comenzando con las simples (cilíndricas o prismáticas) hasta las más
complejas formas geométricas. Las formas de las cajas se determinan
dependiendo de su uso. La forma de un sensor define las áreas de movimiento del imán. Existen sensores en los cuales el único movimiento
del imán es a lo largo de la cara del sensor, y hay otro tipo de sensores
en donde el movimiento del imán es también posible de acuerdo a los
lados del sensor.
Figura 5.7: Zonas de conmutación de la señal de salidad dependientes de la posición y
orientación del imán
79
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
5.7
Sensores magnéticos con el efecto Hall
Los sensores magnéticos con el efecto Hall hacen uso del efecto Hall
que se encuentra en los semiconductores. El estado salida cambia dependiendo de los cambios del campo magnético externo. Este campo
genera un voltaje Hall adicional UH en el sensor.
Al sensor se le suministra una corriente DC que fluye a través de una
lámina semiconductora (un hallotron). Siempre y cuando el imán se encuentre fuera del rango de operación de un sensor, la corriente puede
fluir sin ningún impedimento a través del hallotron. Una diferencia de
potencias en los bordes del hallotron es por lo tanto igual a cero (V=0).
Cuando el imán aparece en el rango de operación del sensor , su campo
magnético genera el voltaje Hall (V=VH) en los bordes del hallotron. Este
voltaje es una señal de medición que controla el transistor de salida de
un sensor (Figura 5.8).
Estos sensores están normalmente fabricados con tres cables que tienen
un voltaje DC de 5V hasta 30 V. La frecuencia máxima del estado de
salida que cambia es alta para estos sensores, incluso más de 300Hz.
La corriente máxima que fluye a través de un hallotron es normalmente
debajo de 1 A.
Los sensores pueden estar fabricados en una versión omnipolar (responde a una polarización dada del campo magnético), unipolar (responde a
una sola polarización específica del campo magnético) o bipolar (desactivación es provocada por el polo opuesto al polo que causa la activación).
Imán
Círculo Hall
Detector
Figura 5.8: 80
Sensor Hall
Sistema de salida
5.8 Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sensores magnéticos especiales
5.8.1 Sensores de magnetorresistencia
La estructura de un sensor de magnetorresistencia es similar a la estructura de los sensores de efecto Hall. Estos difieren solo en el elemento
sensible a los cambios del campo magnético.
En los sensores de magnetorresistencia, este elemento es normalmente
hecho por cuatro magnetorresistencias RM1-RM4 que están colocadas
en el trazo del puente de Wheatstone (Figura 5.9). En este caso se debe
de mantener una inclinación direccional apropiada de los electrodos. En
un puente de medición que está colocado conforme a las recomendaciones anteriores , la compensación térmica de los cambios de temperatura
se logrará y la señal de salida se duplicará al momento de comparar las
mediciones con solo una magnetorresistencia.
Al momento de que el imán se aproxima al sensor, hay un cambio en
la resistencia del sensor. Este cambio es de acuerdo con el efecto de
magnetorresistencia y el puente de medición se convierte en un balance
de salida. El “fuera de balance” es una función linear de cambios en la
intensidad del campo magnético.
puente de
Wheatstone
Detector Sistema
de salida
Figura 5.9: Alimentación
Señal de
medición (+)
Señal de
medición (-)
Sensor magnetoresistivo: a) construcción, b) puente de Wheatstone
81
Minos
5.8.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores magnéticos Wiegand
La regla de operación del sensor magnético Wiegand consiste en el registro de cambios en una polarización del conductor de impulso del núcleo.
La polarización de la magnetización del núcleo puede estar reservada
si el campo magnético externo cambia su dirección.
Un campo magnético que cambia su dirección puede ser generado por
un imán pequeño móvil o estacionario (Figura 5.10) En el primer caso,
el “conductor de impulso” es expuesto a un campo magnético de una
N/S polarización ,y posteriormente a el campo de siguiente imán con
la polarización invertida (S/N). Este cambio de polarización del campo
magnético genera un impulso de voltaje en una bobina alrededor del
conductor de impulso. El impulso puede ser ,directamente o después
de un proceso, una señal de salida del sensor.
En el segundo caso, un cambio en la dirección de la magnetización del
núcleo se obtiene al momento de transmitir el conductor del impulso
primero frente de un imán con la polarización N/S y luego frente a un
imán con la polarización inversa (S/N). En esta idea , los imanes y la
bobina son colocados en el sensor, y este es el conductor de impulso
que cambia la posición de acuerdo al sensor.
Conductor de impulso con la
bobina
Detector
Sistema de salida
Conductor de impulso
Detector
Sistema de salida
Figura 5.10: Sensor Wiegand: a) con un campo magnetico móvil, b) con una línea
de impulso móvil
82
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Independientemente de las formas de operación discutidas, sin embargo
existe la posibilidad para la solución de imanes estacionarios que se encuentran en la cabeza del sensor junto con una bobina en el conductor de
impulsos. En este caso, un cambio en la dirección del campo magnético
puede ser ocasionado por un ferro magnético que se mueve frente a
la cara del sensor. Esta solución puede ser utilizada para el conteo de
objetos ferro magnéticos que se mueven frente al sensor. Un ejemplo de
uso es la medición de la velocidad de rotación de un engranaje por medio
del registro del número de dientes que se mueven frente al sensor. En
este caso, la reversión del flujo magnético en el “conductor de impulso”
sucede dos veces más frecuente que la frecuencia que de los dientes que
van pasando de un engranaje sobre los polos magnéticos del sensor.
Cada reversión del flujo magnético en el “conductor de impulso” está
asociada con un impulso de alto voltaje en la bobina.
Los sensores Wiegand no requieren de un suministro eléctrico y pueden
ser fabricados como simples sensores de dos cables que son perfectamente apropiados para la operación en condiciones de ambiente difíciles.
Estos sensores presentan una alta frecuencia de impulsos generados
(incluso arriba de 20 kHz) junto con un alto recurrente impulso del voltaje
de salida (unos cuantos Volteos).
83
Minos
5.8.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sensores magnéticos con un imán permanente
Los sensores magnéticos más simples consisten de un imán permanente
y una bobina que se encuentra enrollada a este (Figura 5.11). Un objeto
ferro magnético, que se aproxima al sensor , cambia el flujo magnético
penetrando la bobina y genera de manera simultánea un voltaje en los
extremos de la bobina.
Los sensores magnéticos con un imán no pueden , sin embargo, ser
utilizados para la detección de objetos estacionarios, ya que el voltaje
de salida depende de una velocidad con la que el objeto se aproxima
al sensor. Los valores de estos voltajes son pequeños y necesitan una
amplificación adicional para pulsar el estado del sistema de salida. Cuando la velocidad de un objeto disminuye , el voltaje de salida también
disminuye. Para un objeto estacionario el voltaje cae hasta cero.
Estos sensores no requieren de suministro eléctrico y presenta una resolución alta, considerablemente más alta que aquellos que utilizan el
efecto Hall. La resolución alcanza incluso un centenar de fracción de un
grado al momento de medir la velocidad rotacional.
Material
ferromagnético
Detector
Figura 5.11: Sensor magnético con imán permanente
84
Sistema de salida
5.9
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Requisitos de instalación
Los sensores magnéticos pueden ser montados o incrustados en elementos hechos de cualquier material que sea no-ferro magnético. La
magnitud de su elevación por encima de la superficie hacia la cual está
montada no tiene ninguna importancia. La cara del sensor puede ser
incluso llana con ésta superficie (Figura 5.12)
Si un sensor debe de ser montado en un material ferro magnético, es
preferible que se eleve más arriba de la superficie del material ferro
magnético. Se recomienda también, introducir una capa de aislamiento
adicional hecha de un material que no sea magnético (dieléctrico) que
separe el sensor y el material ferro magnético.
Al fijar un imán a una superficie ferro magnética, se debe de tomar en
cuenta que el campo magnético del imán puede ser más débil o más
fuerte. La amplificación del campo se generará cuando el imán sea montado dentro de una superficie externa del material ferro magnético, y su
reducción cuando el imán se incruste en el material ferro magnético. El
rango de operación de un sensor cambiará en consecuencia.
La introducción de un material no ferro magnético entre el sensor y el
imán no tiene influencia en el comportamiento del sensor magnético. Por
otra parte, su comportamiento cambiará si un elemento ferro magnético
aparece entre el sensor y el imán. Esto puede terminar con el cambio
de estado de la salida del sensor. Por ejemplo, con la interferencia en
su operación.
Material no
ferro-magnético
Material
ferromagnético
Figura 5.12: Influencia de los elementos ferromagnéticos y no ferromagnéticos sobre las
propiedades de los sensores magnéticos
85
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
5.10Aplicaciones
Los sensores magnéticos pueden ser utilizados , entre otras áreas, en:
-
La detección de objetos que se encuentran fuera de paredes
plásticas, por ejemplo, dentro de pipas o contenedores.
-
La detección de objetos en entornos agresivos a través de tabiques de protección.
La detección de objetos en áreas de temperatura elevada, gracias
-
a la posibilidad de supresión del campo magnético por medio del uso de
elementos ferro magnéticos.
-
La detección de objetos en movimientos de traslación o rotación.
Figura 5.13: Representación de la posición de un pistón en un cilindro no magnético con un sensor magnético con un contacto Reed
86
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Figura 5.14: Representación de una mesa de forma angular con un sensor Hall
87
Minos
88
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
6
Las funciones de los sensores en los sistemas mecatrónicos
6.1
Principales aplicaciones de sensores en sistemas mecatrónicos
Los sensores son utilizados en los sistemas mecatrónicos principalmente
para asegurar la operación apropiada (y de acuerdo con las deducciones del diseño) de las estructuras de sus componentes y el desempeño
de las funciones de control del proceso de trabajo. Los sensores son
utilizados para identificar:
- El desempeño de los sistemas en sus condiciones de operación, por
medio de la medición de los parámetros de la operación de sistemas.
- El estado correcto del control de proceso de parámetro, mediante el
rastreo continuo o periódico y el monitoreo de los valores del parámetro.
- Disturbios de operación, mediante diagnósticos.
- La degradación de propiedades de operación y sus defectos, a través
de diagnósticos de mantenimiento.
6.2
Complejidad de las estructuras de los sistemas mecatrónicos y la ubicaLos sistemas mecatrónicos modernos son híbridos en su diseño e incorporan módulos mecánicos, hidráulicos, neumáticos, eléctricos y electrónicos. Los módulos pueden ser simples o complejos y su operación debe
de coincidir con los requerimientos especificados por los diseñadores
para asegurarse que las tareas y funciones del sistema mecatrónico sean
realizadas de una forma apropiada. Los requerimientos tienen que ver
con los parámetros de operación de los elementos de construcción de
los módulos, tales como:
- Velocidades clasificadas y aceleraciones de movimiento en el ensamblaje de trabajo, evaluados por medio de sensores de contacto y de no
contacto.
- Posición, posicionamiento y orientación de los ensamblajes y objetos,
reconocidos por sensores de contacto y de no contacto apropiados.
- Caminos de movimiento (distancias) evaluadas por sensores de camino
simples o complejos dependiendo de la precisión de control de camino.
- Las velocidades de movimiento clasificadas de los auxiliares, medidos
por la velocidad de los sensores cuando las velocidades están sujetas
a control.
- Cargas (fuerza, presión corriente, poder eléctrico) transmitidas (clasificadas) y aplicadas, las cuales necesitan ser controladas por sensores
apropiados y monitoreadas.
- Condiciones de operación de sistemas térmicos permisibles para los
módulos particulares y sus componentes, que son identificados a través
de la medición de temperatura por medio de sensores colocados dentro
de los módulos.
- Habilidades de movimiento integradas que son identificadas por sensores de velocidad, aceleración y de camino integrado.
- Propiedades de energía (poder) de sistemas y sus módulos que son
medidos por sensores de forma directa o indirecta.
89
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Los sistemas de operación mencionados previamente son llevados a cabo
en a base de datos que es obtenida por los sensores. Además de llevar
a cabo las funciones de medición , los sensores deben de satisfacer los
requerimientos que conciernen, por ejemplo, la magnitud , forma y lugar
del procesamiento de señal permisible y la transmisión de interferencia
y los circuitos de comunicación apropiados.
6.3
Complejidad de las funciones de los sistemas mecatrónicos y la ubicación de sensores en éstas
Las tareas realizadas por los sistemas mecatrónicos pueden ser
desde muy simples (típico para dispositivos que llevan a cabo
funciones singulares y dispositivos simples que llevan a cabo
muchas funciones) hasta tareas llevadas a cabo por sistemas que
tienen operaciones complejas. El desempeño de las funciones de
los sistemas está controlado automáticamente de acuerdo a los
algoritmos asignados que cubren las siguientes acciones:
- Reconocimiento de la salida para el desempeño de una función
– por medio de un sensor apropiado o un sensor proporcionado
con una visualización de señal y/o una transmisión por medio de
un circuito de comunicación hasta el sistema de control.
- Evaluación de estado de disposición para la activación de la
función de desempeño.
- Activación de la función de desempeño – decisión humana o
de sistema de control y activación por medio de un circuito de
comunicación.
- Observación del desempeño de las funciones – observación
automática por un sensor singular o un grupo de sensores, integrados con el circuito de procesamiento de señal , el circuito de
lógica , el sistema de control y el programa , por medio del circuito
de comunicación.
- Decisión en finalizar la función – tomada por el sistema de control
con la base de un receptor de señal de un sensor y un algoritmo
de control de programa adecuado, a través del circuito de comunicación.
- Desactivación de la función – puede ser llevada a cabo por un
sensor o un grupo de sensores, por medio de un convertidor o un
grupo de convertidores de acuerdo con el algoritmo de control.
- Información, de que la función ha sido desactivada – es transmitida desde el circuito de comunicación hacia el sistema de control
con el fin de parar la operación de sistema o iniciar otra tarea.
Del algoritmo previamente mencionado se deduce que mientras
más complicada sea la función, más importante es la participación
de los sensores. Cuando un sistema mecatrónico lleva a cabo una
función singular compleja o varias funciones interdependientes de
manera simultánea, la complejidad de las tareas del sensor también depende de los requerimientos del sistema que controla al
sistema mecatrónico. Las tareas y requisitos del sistema pueden
necesitar , por ejemplo, la integración de sensores con procesami
90
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
ento de señales y circuitos amplificadores , disminución de dichas
unidades de medición y una mayor precisión en la operación.
6.4
Diagnósticos de los sistemas mecatrónicos de los sensores
Uno de los requisitos más importantes que los equipos y las
maquinas tienen que cumplir es la operación impecable de sus
módulos y sus sistemas mecatrónicos. Ambos deben de ser revisados tanto durante su ensamblaje (al aplicar diagnósticos de
aceptación) como en las condiciones de operación (aplicando
diagnósticos continuos o periódicos). El diagnóstico se necesita
para supervisar la operación correcta de los propios sistemas y
del proceso que se está llevando a cabo.
Es necesario revisar la degradación de las partes del dispositivo de
los sistemas con el fin de planear un mantenimiento restaurando
el sistema de operación correcto.
Los sensores de utilizan en el proceso de diagnóstico para medir
de una forma exacta y eficaz los parámetros dados, los cuales
determinan la función correcta de los sistemas mecatrónicos. En
el caso de sistemas mecatrónicos simples que llevan a cabo funciones singulares, normalmente es necesario medir: los caminos
y velocidades de dispositivo de ejecución y las fuerzas, presiones, entre otras. Las mediciones son hechas por un solo sensor
o un grupo de sensores conectados con convertidores y amplificadores. Las señales transformadas son transmitidas (a través
de un circuito de comunicación) a pantallas y/o a un proceso de
diagnóstico de un sistema de control y al controlador principal del
sistema mecatrónico.
Entre más grande sea la complejidad de los sistemas mecatrónicos y entre más alta sea la precisión requerida de su operación,
mas alta tiene que ser la precisión con la que son medidos los
parámetros relevantes. También la fiabilidad de la operación del
sensor y el procesamiento de señales del sensor tiene que ser
más alta. En los sistemas de fabricación los sensores pueden
proporcionar información acerca :
- Si un ciclo de trabajo es bien realizado
- El estado de las herramientas
- Condición de las virutas
- La continuidad de las herramientas de enfriamiento y piezas de
trabajo
- La condición de la capa superficial
- Las dimensiones
Los sensores pueden ser incorporados en módulos singulares de
medición, o aquellos integrados con un sistema de diagnóstico
altamente organizado. Muchas funciones de diagnóstico están
integradas con diferentes tipos de PLCs y CNCs.
91
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
SÍNTOMAS
DEFECTO
SENSOR
falla en el cojinete del
sistema de lubricación
- temperatura del cojinete
- cargas internas en el cojinete
- termoelemento, termistor
- extensómetro
falla en el sistema de
enfriamento
- temperatura de la pieza de
- termoelemento, termistor
trabajo
- cabeza de medida, sensor
- cambios en la forma de la pieza de
neumático
trabajo y sus dimensiones
falla en el sistema de
enfriamento
- presión
- sensor de presión
gripaje del cojinete
- temperatura del conjinete
- carga interna en el cojinete
- potencia absorbida
- termoelemento, termistor
- extensómetro, sensor
inductivo
- convertidor de poder
daño del cojinete
- nivel y espectro de vibración
- nivel y espectro de ruido
- aspereza en la superficie
trabajada
- sensor de vibración
- micrófono
- prueba de medición
excesiva falta de tensión en el
cojinete
- nivel y espectro de vibración
- aspereza en la superficie
trabajada
- sensor de vibración
- prueba de medición
avería en la caja de cambios
- intervalos entre impulsos
- vibración
- aspereza en la superficie
trabajada
- sensor de inducción
- sensor de vibración
- prueba de medición
demasiado espacio libre en la guía
- potencia absorbida
- aceleración durante el
comienzo
- convertidor de poder
- sensor de camino, láser
demasiado espacio libre en el sistema tornillo tuerca
- oscilaciones
- aspereza en la superficie
trabajada
- sensor de vibración
- prueba de medición
lubricación insuficiente de la guía
- potencia absorbida
- condición de la superficie
siendo cortada
- aceleración durante el comienzo
- convertidor de poder
- prueba de medición
- sensor de camino, láser
defecto en el sistema de compensación/corrección
- condición de la superficie
siendo cortada
- prueba de medición, sensor
neumático
vibración de auto-excitación
- vibración
- condición de la superficie
siendo cortada
- cambio en la amplitud de la
fuerza de cortado
- sensor de vibración
- prueba de medición
- sensor piezoeléctrico
Tab. 6.1: Típicas debilidades de función de máquinas herramientas, sus síntomas y sensores utilizados durante el diagnóstico
92
6.5
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Aplicación de sensores en la supervisión de sistemas mecatrónicos
La supervisión del sistema mecatrónico significa el control para
que los parámetros de uso no sobre pasen los límites establecidos. Dentro de esta basa los parámetros son corregidos por el
sistema de control y los dispositivos mecatrónicos apropiados o
los errores identificados son compensados (de ser posible) por
el sistema de control. La señales de medición que son recibidas
de los sensores son procesadas y comparadas con los valores
requeridos. Cualquier diferencia entre ambos grupos de valores
constituye una señal de ajuste del sistema de control o un error
instantáneo compensado en una forma correcta.
Entre más alta sea la precisión de la operación del sistema mecatrónico requerido, más alta debe de ser la precisión de la operación
del sensor y también la precisión de medición. Si la supervisión
está basada en un modelo de error, las lecturas del sensor son utilizadas para actualizar el modelo en tiempo real o periódicamente.
6.6
Aplicación de sensores en el diagnóstico de mantenimiento de los
sistemas mecatrónicos
Un tipo de diagnóstico de gran importancia es el diagnóstico de
mantenimiento de los sistemas mecatrónicos de forma continua
o periódica conducida durante su vida de servicio. El estado de
desgaste de un sistema mecatrónico es evaluado con el fin de
hacer reparaciones de rutina o corregir los parámetros de operación relevantes. La evaluación se hace a través de la medición
de los parámetros indicando el desgaste de los componentes del
sistema, por medio de sensores apropiados. Los sensores están
permanentemente instalados en la estructura de tales sistemas
o están incorporados en sistemas de medición especializados
de sensores múltiples o singulares que llevan a cabo mediciones
periódicas (incluyendo mediciones de aceptación de reparación
posterior).
Algunas veces el diagnóstico de mantenimiento es conducido
remotamente ( esto se discutirá de forma separada) o directamente dentro de un objeto mecatrónico, como auto-diagnóstico. Las
propiedades de medición de sensores en este tipo de diagnósticos
dependen de la precisión de los sistemas de operación requeridos
y la forma de las funciones de mantenimiento de los sistemas de
control.
93
Minos
94
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Sistemas y funciones de la mecatrónica
7
Minos
Desarrollo del Sistema Parcial Mecatrónico
7.1Introducción
El desarrollo técnico en la práctica industrial, en particular en el área
de construcción de máquinas y plantas, muestra que sistemas técnicos
complejos son usados para la realización de requisitos de productividad,
flexibilidad y calidad.
Esto se dirige a una ascendencia cada vez más fuerte del conocimiento
técnico y a una especialización dentro de diferentes áreas de conocimiento. De esta manera, se incrementa, inevitablemente la variedad y
las posibilidades para la solución de complejas distribuciones de tareas.
Los ingenieros mecatrónicos pueden ocuparse del montaje y mantenimiento de máquinas complejas, instalaciones y sistemas. Sus lugares
de acción son los talleres, talleres de montaje, o en el ámbito de servicio.
Es necesario también el trabajo en equipo.
Para poder solucionar una compleja distribución de tareas, un mecatrónico puede asumir la dirección del proyecto. Para poder superar esta
actividad , el ingeniero tiene que ser un especialista en problemas.
El debe saber todo lo relacionado a la solución del problema y debe
tener la capacidad de comprender el contexto general del mismo. Sólo
así puede coordinar el trabajo de cada especialista e integrar en el
sistema completo todo su conocimiento, de tal manera que se forme un
sistema ponderado óptimo, con capacidad funcional y barato en costes.
Para la planificación de técnicas de distribución se debe proceder de la
siguiente forma:
–
–
–
–
Definición del problema,
Planificación del sistema,
Realización del sistema,
Operación y mantenimiento del sistema.
El dominio de dichos sistemas complejos, fija un extenso conocimiento
de antemano sobre los elementos implantados de la información y el
flujo de energía , al igual que las posibilidades de conexión mediante la
compañía operadora.
Para el especialista, es por lo tanto necesario , que desde el principio
de la carrera se preocupe del pensamiento orientado a sistemas, estructuración y procedimiento.
95
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
7.1.1
El Concepto de Mecatrónica
El sistema de conceptos es observado como esquema de orden, para
estructurar resúmenes en máquinas y conexiones razonablemente. Como
sistema se considerará una distribución delimitada y funcional de figuras,
las cuales se encuentran para el cumplimiento de determinadas tareas
con relación entre ellas.
La delimitación mantiene el monitoreo del sistema y depende del objeto
observado. Un equipamiento de alimentación, una máquina de herramientas o una conexión de montajes, pueden ser considerados como
sistemas.
El nombre Mecatrónica es una combinación de mecánica y electrónica.
Además, las técnicas de cálculo pertenecen al ámbito de la mecatrónica.
Este componente será contemplado sobre el completo ciclo de la vida
de un sistema. Esto oscila desde la modelación y desarrollo hasta la
fabricación.
En la intersección de las tres partes surgen nuevas especialidades. La
electromecánica une la electrotecnia con neumática o hidráulica. Mecánica y software están presentes, por ejemplo, en sistemas de realidad virtual
con animación de movimientos. Software y electrónica se encuentran en
artículos de almacenamiento de memoria programable sólo de lectura o
almacenamiento de los controles numéricos.
Electromecánica
Mecánica
Electrónica
Mecatrónica
Software
de mecánica
Software de
electrónica
Computación
Figura 7.1: Subcampos de la Mecatronica
96
Sistemas y funciones de la mecatrónica
7.1.2
Minos
Elaboración de Componentes y Montaje
Un sistema complejo puede constituirse de varias partes, mejor dicho
de sub-sistemas. El próximo ejemplo aclara estas relaciones en la mecatrónica.
Ejemplo
En la imagen se muestra la polea de una cuadernal móvil. Algunos componentes estructurados de la polea deben ser maquinados. Después de
ello, las partes abajo listadas deberán ser montadas.
(1) Cubo
(2)Astil
(3) Disco (2x)
(4) Cojinete rígido (2x)
(5) Muelle en lámina de cubierta (2x)
(6) Falange (1x)
(7) Seiltrommelscheibe
(8 Tornillo de cabeza hexagonal (8x)
(9) Arandela de presión (8x)
(10)Espaciador
(11) Corona de rodadura (1x)
La elaboración de distintas partes de componentes será llevado a cabo
bajo ciertos pasos.
7
5
11
10
8, 9
4
3
2
1
6
Figura 7.2: Polea
97
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El trabajo de instalación deberá ser hecho con respecto a la siguiente
secuencia de instalación:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
Pre-instalación: ensamblado del Cubo (1) con Astil (2),
atornillar der Seiltrommelscheibe (7) y la Falange(6)
usando un tornillo de cabeza hexagonal (8) y una arandela de
presión (9),
Inserción del muelle en lámina de cubierta (5.1) en el disco de
tambor para estacha previamente ensamblado.
Presionar el cojinete rígido (4.1) en el disco de tambor para es
tacha previamente ensamblado,
Inserción del cubo previamente ensamblado (1) con el Astil (2)
en el tambor para estacha previamente ensamblado,
Presionar en el espaciador del anillo(10),
Presionar el cojinete rígido (4.2)
Inserción del muelle en lámina de cubierta (5.2) en el tambor para
estacha previamente ensamblado
Posicionamiento de la falange (11),
Atornillar la falange (11) con el tambor para estacha previamen
te ensamblado, un tornillo de cabeza hexagonal (8)y una aran
dela de presión (9), u
Unir ambos discos (3.1) y (3.2).
La selección de componentes de sistema apropiados es hecha conforme
a las siguientes pautas:
– Posible formulación exacta de objetivo deseado.
– Inversión y costes de operación,
– Requisitos técnicos , y exigencias técnicas del cliente, hoja de
especificaciones,
– Fiabilidad y reacción a la perturbación,
– Regulaciones de seguridad y arreglos,
– Condiciones operacionales,
– Mantenimiento de demandas,
– Tarjeta de fusión
– Condiciones del mercado, posible y actual competencia ,
– Tendencias de progreso,
– Proveedor preferido del cliente,,
– Posibilidades de mantenimiento del usuario,
– Demandas de estandarización (demanda de repuestos)
– Reparto completo con controles de una fuente
98
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los requerimientos fundamentales para la construcción de sistemas
complejos son:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Análisis de función
Análisis de movimiento
Fuerza y momento
Curso de la carga
Condiciones de la presión nominal seleccionada cuando se usa un
equipo hidráulico o neumático
Velocidad y trazo
Control y regulación
Aceleración y especificaciones de tiempo
Comportamiento dinámico y rigidez
Condiciones de instalación
Requisitos de medios de transferencia de energía
Empresa de trabajo continuo
Empleo estacionario o móvil
Condiciones operacionales (tiempo de encendido, variaciones de la
temperatura de aceite, el enfriamiento requerido, ex- orden protector, instalación al aire libre, condiciones de protección del medio
ambiente)
Los sub-sistemas representados en la imagen inferior también deberán
ser tomados en consideración.
Electroneumática
Electrohidráulica
Sistema
complejo
Tecnología de
sensores
Control
(SPS)
Electrotecnia
Figura 7.3: Subsistemas
99
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
7.2
Controles de construcción
Hay una diferencia entre control (secuencia de control) y regulación
(circuito de regulación).
El control es un proceso, donde una o más cantidades influencian otras
según el patrón y regularidades del sistema de control. Aquí, las cantidades influyentes son designadas como cantidades de entrada. Las
cantidades influenciadas son llamadas cantidades de salida.
Un camino de acción abierta es típico para un control. La cantidad de
entrada no influencia las cantidades de entrada. Por lo tanto una desviación de los deseados valores no puede ser detectada y corregida.
Se tomará continuamente un fluido de la reserva. Para que la reserva
no se vacíe, se usará una válvula para que se rellene de fluido continuamente para compensar lo que ha sido extraído previamente.
Ejemplo
En caso de aumento y disminución de la salida, el control no provee
una mayor o menor cantidad de fluido de relleno. Para esto se requiere
una regulación.
w
Actuador
y
z1
w
y
x
zn
Variable de entrada (referencia)
Variable de corrección
Variable de control
Variables de interferencia
Figura 7.4: La senal fluye en un control
100
Planta
z2
x
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los controles son usados cuando una alteración es muy pequeña y puede
ser ignorada. Por ejemplo una puerta puede ser abierta por medio de un
botón, y posteriormente cerrarse automáticamente después de un lapso
de determinado tiempo.
Ventajas de un control de secuencia:
– El comportamiento de una corriente de acción abierta es más fácil
de ser ignorada, que la corriente de acción cerrada.
– En caso de que una interrupción de cantidad z comience a actuar,
es posible intervenir inmediatamente en el proceso ( no es necesario esperar a que la cantidad finita sea afectada, como en la corriente de acción cerrada. Las correcciones pueden ser efectuadas
inmediatamente),
– No se tiene que medir la cantidad finita
Problemas de control de secuencia:
– Cuando las cantidades de alteración están presentes, éstas tienen
que ser medidas.
– Los procesos ( modo de comportamiento) deben ser conocidos para
poder hacer posible la determinación y actualización del control de
los algoritmos.
– No se recibe ninguna información sobre si el control de intervención
permitió lograr la cantidad finita o no.
Xe,1
†1
Xa,1
Xe,2
Z1
†
Xe
Xa
Z
†2
Z2
Xa,2
Xe,3
†3
Xa,3
Z3
Elemento de transferencia
Variable de entrada
Variable de salida
Variable de interferencia
Figura 7.5: Estructura secuencia de elemntos transferidos en una secuancia control
101
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
7.2.1Regulaciones
En sistemas de regulación, la cantidad regulada es continuamente
medida. El valor de medida es también designado como valor actual
o instantáneo, mientras que el valor deseado es llamado referencia o
valor comando.
La cantidad regulada es cambiada dependiendo de su desviación de la
cantidad deseada. Como resultado tenemos un círculo cerrado de acción
fluido. Por lo tanto, la regulación es también designada como círculo de
regulación.
Ejemplo
Un sistema de regulación es usado para medir continuamente los niveles
de fluido en la reserva. La regulación detecta todo derrame de fluido y
permite la alimentación de nuevo fluido. La cantidad de fluido que llega
es ajustada regulando y para compensar la pérdida.
Problemas del círculo de regulación:
– Una regulación puede ser ejecutada sólo en caso de desviación de
la cantidad regulada de la cantidad deseada.
Retroalimentación
Control del equipo
y
Control de proceso
w
z1
w
y
x
zn
Variable de referencia (valor prefijado)
Variable de correción
Factor de control
Variable de interrupción
Figura 7.6: Plan de corriente señal en una regulación
102
z2
x
x
Sistemas y funciones de la mecatrónica
7.2.2
Minos
Controles Complejos
Los controles complejos son subdivididos en „Hardware“ y „software“.
El „Hardware“ incluye bloques de dispositivos y funciones que pertenecen
a la electrotecnia, la electrónica y también a la fluidica (neumática/hidráulica) y a equipamiento con microprocesadores (PLC) y opto electrónica.
Los bloques de dispositivos y funciones (equipo) son utilizados para:
– Colección de información,
incluyendo interferencia para acoplamiento con el equipo de control
– Entrada de información,
como potenciómetro, teclados, cinta magnética
– Transmisión de información,
tales como conductores eléctricos, ópticos o fluídicos, que transfieren señales analógicas o discretas, incluyendo interferencia relacionada.
– Procesamiento de información,
tales como el accionador, PLC
– Salida de información (comunicación con humanos),
dispositivos de monitoreo y registro, monitores, dispositivos de
almacenamiento para archivar
– Acciones reguladoras
se realizaran mediante ventilas , contectadores,etc.
Control de alimentación de energía
Programa de control
Sistema
de control
Sistema
técnico
Procesamiento
de señal
Actuadores
Sensores
Flujo de
material
Sistema de
mecanizado
Figura 7.7: La estructura de un sistema de controles
103
Minos
7.2.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Criterios de comparación para controles complejos
Los controles complejos pueden ser comparados según diferentes
puntos de vista.
Una comparación puede ser hecha según:
– Control (secuencia de control)
– Regulación (círculo de regulación)
– Según la función (control del valor constante, control piloto, control de programa de tiempo, control de diagrama de pasos, control
secuencial)
– Según la información (señal)
– Indicación de control según al procesamiento (controles discretos,
digital, control multi punto, binario
– Indicación de control según la secuencia de tiempo (tomando el
tiempo o no tomando el tiempo)
– Indicación de control según la programación (programa de almacenamiento, sistema cableado)
– El arte de transmisión de fuerzas y movimientos
Además, es posible comparar los controles según el tipo de fuerza y
movimiento de transmisión.
La transmisión de fuerzas y movimientos puede ser hecha usando diferentes métodos, por ejemplo:
– Mecánica (mediante el engranaje),
– Eléctrica (mediante lineas de fuerza electrodinámicas o electromagnéticas ),
– Neumática (mediante aire comprimido, compresor requerido),
– Hidráulica (mediante fluidos, por ejemplo, agua, aceite, glicerina)
– Combinados (Sistemas neomecánicos, hidroneumáticos, electrohidráulicos, electroneumáticos, hidroeléctricos y hidroelectrónicos ).
104
Sistemas y funciones de la mecatrónica
7.3
Minos
Partes del poder y señal en controles complejos
Los sistemas de control son generalmente subdivididos en parte señal
y parte de poder.
La parte de poder puede ser operada neumática, hidráulica o eléctricamente. Las función de la parte poder neumática es convertir la energía
eléctrica en neumática y luego en energía mecánica.
En las partes de poder hidráulicas, la energía eléctrica es convertida en
hidráulica y posteriormente en energía mecánica. Por otra parte , las
partes de poder usadas para operar engranajes eléctricos , convierten
la energía eléctrica en energía mecánica.
La parte señal incluye dispositivos para la entrada de señales, tales
como botones, para procesar la señal (PLC, relevo) y para el control de
suministro de energía.
La generación y procesamiento de señales eléctricas y su transferencia
por medio de interfaces, es la función del la parte señal control original.
Elemento
de mando
Señal de
entrada
Elemento de
de mando
energético
Procesamiento
de la señal
Flujo energético
Abastecimiento
de energía
Transformación
de energía
Control del suministro de energía
Acondicionamiento
del medio de
presurización
Señal del elemento de mando
Elemento de energía
Figura 7.8: La construcción de un control complejo
105
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los cilindros en la hidráulica y neumática son usados como elementos
de manejo. Por otra parte, los motores eléctricos son los elementos más
importantes de manejo en la electrotecnia.
Los elementos de control y de acción son también similares en la hidráulica y en la neumática. Las válvulas son usadas para influenciar el medio
de transferencia de energía. Esto es normalmente desempeñado en la
electrotecnia mediante relevos y contactos.
La preparación y el suministro de energía en la hidráulica es desempleado directamente en la máquina mediante un generador de energía
hidráulica. Por otra parte, el aire comprimido usado en la neumática es
centralmente generado usando un compresor. La energía eléctrica es
generada en una planta de poder distinta.
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Electrotecnia
cilindro hidráulico,
Motor hidráulico
cilindro neumático,
motor neumático
mando linear
eléctrico (motor
DC, motor AC)
- elementos de
actuación
válvulas de control
direccional
hidráulicas
válvulas de control
direccional neumáticas
contractores
- elementos de control,
elementos de señal
presión hidráulica,
válvulas de flujo,
válvula de bloqueo
presión neumática,
válvulas de flujo,
válvulas de bloqueo,
válvulas de control
direccional
diodos,
variadores, relés
- generación de poder
sistemas de mandos
hidráulicos
compresores
completos o estación
de compresión
alimentación,
acumuladores
(baterías)
- preparación de poder
calentamiento,
enfriador, filtro
secador, filtro
transformadores
1. Sección del mando
2. Sección de control
de poder
3. Sección de
suministro de poder
Tabla 7.1:
106
Comparación de controles de construcción complejos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
7.3.1
Minos
Parte poder
Los controles electroneumáticos y electrohidráulicos son prácticamente
usados en la industria, con el fín de, por un lado, unir las ventajas de
la electrotecnia, y por el otro, las de la hidráulica y la neumática. Por lo
tanto, sólo estos tipos serán discutidos a partir de este punto.
Definiciones:
Electrohidráulica:
La hidráulica en la industria significa la teoría de todos los procesos
mecánicos, donde el movimiento y las fuerzas son transferidas mediante
fluidos (dispositivos de accionamiento, dispositivos de control y sistemas de mando, donde el movimiento y la fuerza son generadas usando
presión de fluidos.
La combinación de componentes eléctricos (imanes, entre otros elementos) conduce a la electrohidráulica.
Electroneumática:
La neumática representa todos los usos de dispositivos neumáticos. Los
dispositivos neumáticos incluyen máquinas y aparatos, los cuales operan
usando aire comprimido o aire de succión.
La unión de aparatos neumáticos con electrotécnicos (imanes) conduce
a la electroneumática.
Electrotecnia:
La electrotecnia incluye todas las aplicaciones técnicas , las cuales usan
propiedades de corriente eléctrica y campos eléctricos y magnéticos.
La electrotecnia se puede subdividir dentro de las siguientes subsecciones:
– Tecnología energética eléctrica,
– Tecnología de comunicación,
– Ingeniería eléctrica general,
– Tecnología semiconductora y microelectrónica
Los componentes de los controles de la neumática y la hidráulica son
predominantemente operados usando energía eléctrica ( electromecánicamente o electrónicamente).
Dentro del ámbito de la mecatrónica, los mandos eléctricos son importantes conectando elementos entre el equipo mecánico y eléctrico en
máquinas de trabajo.
La máquina eléctrica, como elemento de mando, juega un rol dominante en todos los campos económicos. Sus campos de uso incrementan
permanentemente. La eficiencia del sistema es de una alta importancia
para el usuario, al escoger un mando eléctrico.
107
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
La siguiente tabla representa una comparación fundamental de los
sistemas :
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Conceptos
en griego “hydor”
significa agua
en griego “pneuma”
significa aliento
Construcción
del sistema
consiste en
componentes
hidráulicos y
eléctricos
consiste en
componentes
neumáticos y
eléctricos
consiste en
componentes
eléctricos y
electrónicos
Movimientos y
fuerzas
de la forma
hidráulica a la forma
mecánica
de la forma
neumática a la
forma mecánica
de la forma eléctrica
a la forma mecánica
Señal de
entrada y
procesamiento
utilizando
componentes
eléctricos y
electrónicos
utilizando
componentes
eléctricos y
electrónicos
utilizando
componentes
eléctricos y
electrónicos
Tabla 7.2:
Electrotecnia
Sistemas de comparación
Diferentes medios de transferencia de energía son usados en la parte
poder del control, dependiendo del tipo de sistema usado.
Los requisitos de los medios de transferencia de energía en la hidráulica
y neumática:
En la hidráulica y neumática, los medios de transferencia de energía
son medios de transferencia a presión. Todos los materiales que permitan tan siquiera una distribución de presión en todas las direcciones,
debido a la habilidad de desplazamiento de las partículas del material y
la deformación bajo la influencia de fuerzas externas, puede ser usado
para transferir presión.
La resistencia en contra del desplazamiento de las partículas del material
es nombrada viscosidad. Un medio de transferencia de presión, el cual
es capaz de guardar y transferir energía, es designado fuente de energía.
Funciones de un medio de transferencia de energía:
–
–
–
–
–
108
Transferencia de fuerzas (energía de presión),
Lubricación de componentes en movimiento ,
Disipación del calor,
Atenuación de ruidos y vibraciones,
Transmisión de señales.
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
En la siguiente tabla se representan los medios de transferencia de
energía en la electrohidráulica, electroneumática y electrotecnia.
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Electrotecnia
Medio de
transferencia de
energía
mezcla de aceite y
fluidos de a base de
agua, aceites
minerales, aceites
sintéticos (libres de
agua, baja
inflamabilidad
gases ( el aire
comprimido es la
mezcla de gas más
económica y de
disponibilidad
ilimitada)
electrones
Disponibilidad
disponible
el aire está disponible
de forma ilimitada
disponible
Velocidades
alcanzables
alta, más baja que las
velocidades en la
neumática
muy alta
muy alta
Disponibilidad
de almacenaje
posible de almacenar
con perdidas
puede ser muy bien
almacenado
es posible de
almacenar pero con
altas perdidas
Disponibilidad
de transporte
posible en distancias
cortas
posible a través de
distancias más
grandes
posible a través de
distancias muy
grandes
Seguridad de
sobrecarga
seguro en sobrecarga
seguro en sobrecarga
no es seguro en
sobrecarga
Daño a la salud
ninguna, cuando se
consideran las
instrucciones de
seguridad
ninguno
ninguno, al considerar
la instrucciones de
seguridad que tienen
que ver con el manejo
de los dispositivos
eléctricos
Otros
requerimientos
separación de aire,
cavitación, resistencia
a bajas temperaturas,
resistencia a la
corrosión y a la
erosión
resistente a la
corrosión y erosión
Tabla 7.3:
Las propiedades y requisitos de los medios de transferencia de energía
109
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
La tabla muestra las propiedades físicas de la electrohidráulica, electroneumática y electrotecnia:
Propiedades
del material
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Electrotecnia
- posibilidad de baja
densidad
- comprensible (no
cohesión)
- muy limpio
- baja compresibilidad
- habilidad de
almacenaje
(energía potencial)
- la viscosidad no
debe de ser muy
baja
- dependencia de la
temperatura
apropiada de la
viscosidad
- buena resistencia al
envejecimiento
- baja inflamabilidad
- buena
compatibilidad de
materiales
- el volumen es
dependiente de la
temperatura
- disoluble en agua
(depende de su
temperatura)
- posible el
transporte a
largas distancias
pero con grandes
perdidas
- disponibilidad de
almacenaje
costoso
- viscosidad baja en
dinámica
- no inflamable y a
prueba de
explosiones
- densidad muy baja
- sano para el
medioambiente,
casi ningún daño a
la salud
- distribución
equitativa de la
presión en todas
las direcciones
Tabla 7.4:
110
Propiedades del material de los medios de transferencia de energía
Sistemas y funciones de la mecatrónica
7.3.2
Minos
Sección de empuje
El siguiente ejemplo incluye una comparación de ventajas y desventajas
de los elementos del motor primario lineal o rotativo en la neumática,
hidráulica y en la electrotecnia, y representa sus principales campos
de uso.
Ejemplo
Elaboración de un disco tambor cuerda
Se deben taladrar 4 agujeros roscados en el disco tambor cuerda. Para
ello se tiene que taladrar también un agujero liso para enroscar con un
diámetro de 10.2 mm. Un agujero de prueba de 6 mm debe ser hecho
previamente.
De acuerdo con los cálculos, la elaboración requiere una fuerza cortadora
de 2500 N y una fuerza de avance de 500 N por perforación. La frecuencia
rotativa del taladro deberá ser de 750 r/min y 1450 r/min respectivamente.
La ejecución máxima de cortado calculada a una velocidad de cortar de
0.5 m/s (750 r/min) promedia en 1.6 kW.
Con el objetivo de apretar con seguridad el disco tambor cuerda mientras
se taladra, se necesita de una fuerza de 1000 N.
Las redes de aire comprimido con 7 bar y 11 bar están disponibles en
la industria.
El siguiente proceso se deberá llevar a cabo:
1. Apretando el disco tambor cuerda
2. Avanzando con taladro en una marcha rápida
3. Taladrando y trabajando el movimiento del taladro ( movimiento
rotativo)
111
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los siguientes requisitos deberán ser cumplidos:
Apretamiento:
– La fuerza de apretamiento de 1000 N deberá ser aplicada con seguridad.
– El posible monitoreo de la fuerza de apretamiento
– Un seguro apretamiento debe ser garantizado en caso de una falla
energética.
– Debe ser posible un rápido apretamiento y una rápida liberación.
Mando de avance:
–
–
–
–
–
–
Movimiento de translación
Fiabilidad de sobrecarga
Habilidad del control de energía
Uniforme y velocidad de carga independiente para el talonamiento.
Fuerza de avance de 2000 N debe ser realizable.
Es requerido el rápido cambio de movimiento rápido a movimiento
de trabajo
– Una velocidad de alimentación máxima de 0.5 m/s debe ser realizable.
Trabajo de movimiento del taladro.
– Movimiento rotatorio
– Frecuencias rotatorias n = 750/1450 U/min
– Pequeños y robustos diseños (a falta de espacio) en el lugar de
elaboración.
– Potencia de corte 1,6 kW
Métodos de representación, símbolos gráficos y planos.
Los símbolos gráficos son frecuentemente utilizados para una representación gráfica, parcialmente simplificada, de un dispositivo o una función
en circuitos y esquemas de funciones, diagramas, tablas , dibujos o
también en secciones operadoras de máquinas. Lo mismo puede ser
aplicado a los diagramas información de flujo y diagramas funcional ,
como también para diagramas lógicos.
En el DIN ISO 1219 los conceptos de símbolos gráficos o símbolos son
usados para la hidráulica y neumática. Los diagramas también incluyen
el plan de localización de unidad, el diagrama de función y una lista de
dispositivos.
112
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Se puede diferenciar entre :
–
–
–
–
–
–
Plan de emplazamiento,
Diagrama funcional,
Plan lógico,
Plan de funciones o secuencias,
Organigrama (diagrama de pasos sencillos) y
Diseño de circuitos.
Un método apropiado deberá ser elegido de acuerdo a la etapa de desarrollo de los sistemas de control.
Con el fin de encontrar la solución más viable, un dibujo control con las
funciones deseadas deberá ser implantado usando primeramente el plan
de emplazamiento y la lista de requisitos.
Plan de emplazamiento
El plan de emplazamiento debe mostrar la posición de los elementos
motor primarios en una máquina o en un dispositivo, y debe contener
información concreta con respecto al tipo y localización de la instalación.
El plan de emplazamiento debe ser claro y tener sólo la información más
importante.
Maquinado
en el avance del taladro
Maquinado
durante el
movimiento
giratorio del
taladro
Movimiento de tensión
Movimiento de tensión
Figura 7.9: Plan de emplazamiento
113
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
a) Apretamiento
Con el fin de alcanzar los objetivos de requerimientos técnicos, se deberá
preparar una lista de las posibles soluciones a los problemas.
La siguiente tabla representa la selección de dispositivos apropiados
para el apretamiento del disco tambor cuerda.
Requerimientos
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Electrotecnia
Se tiene que
suministrar de forma
garantizada una
fuerza de sujeción de
1000 N
XX
XX
XX
Monitoreo garantizado
de la fuerza de
sujeción
XX
XX
XX
X
XX
XX
XX
XX
X
más baja el electro
magneto e hidráulica,
ya que el suministro de
energía neumática ya
está presente
altos costos,
re quiere de un
control de reversión
de polos
Sujeción y liberación
rápida
Sujeción garantizada
en caso de un fallo de
energía
Costos
Tabla 7.5:
más baja al usar un
electro magneto
Requisitos para el apretamiento del disco tambor cuerda
Apretamiento usando la hidráulica o la neumática
En la hidráulica y en la neumática el apretamiento puede ser fácilmente
realizado por medio de cilindros. La figura representa una posibilidad
de apretamiento usando un cilindro hidráulico o neumático. Aquí se
deberían tomar en consideración los diferentes valores de las fuerzas
de apretamiento.
Los cilindros manejan dos sujetadores de apriete por medio de un dispositivo de palanca. Los sujetadores aprietan la pieza de trabajo de ambos
lados. Una posible fuerza de transmisión en el dispositivo de palanca no
debe ser observada aquí.
Los cálculos del diseño del cilindro son similares en la hidráulica y en
la neumática.
La fuerza de apretamiento generada Fs debe equivaler a 1000 N. En
este caso, la presión esperada en la hidráulica equivale 70 bar, mientras
que en la neumática sólo 6 bar.
114
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Cilindro hidráulico:
p = Fs / A
A = Fs / p
A = 1000 N / 70 bar
A = 1,43 cm2
El diámetro de pistón resultante equivale a d = 13.5 mm. Los cilindros
hidráulicos típicamente pequeños tienen un diámetro de pisto de 25 mm,
con un diámetro de biela de 12 mm. Este diseño puede ser usado aquí.
Cilindro neumático
A = Fs / p
A = 1000 N / 6 bar
A = 16,7 cm2
El diámetro de pisto de un cilindro equivale a 46.1 mm. Un cilindro
con un pistón de diámetro de 50 mm puede ser usado en este caso.
En el caso de que posiblemente la presión se disminuya o se espere
la reducción del factor de eficiencia, las siguientes series más grandes
deberán ser utilizadas.
Disco del carrete
Figura 7.10:
Dispositivo de tensión autocentrada para la neumática o la hidráulica
115
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Fijar con electroimanes
Debido a que el disco tambor cuerda está compuesto de acero moldeado
es posible hacer una fijación por medio de un imán.
Los sistemas de fijación con magnetos tienen las siguientes características:
– Alta precisión,
– Mínimo tiempo de preparación,
– Una fuerza de fijación uniforme en toda la superficie, la cual previene el movimiento de las piezas.
– Los imanes conectados permanecen fríos,
– La fuerza adhesiva permanece presente, incluso en caso de fallo
en la energía
– Conciencia energética, el consumo de corriente dura durante un
corto impulso y el valor de la conexión es realmente bajo.
Por otra parte, los imanes deberán ser provistos con dispositivos de
control con una polaridad reversible, la cual ajusta la fuerza de fijación
requerida. Estos también se aseguran de que el magnetismo restante
sea reducido lo máximo posible al invirtiendo la polaridad del campo
magnético después de que la fijación del sistema se apague.
Figura 7.11:
116
Electroimán usado para la fijación de piezas de trabajo
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Existen diferentes diseños de los sistemas de fijación con imán. En
diseños redondos la superficie puede ser provista con ranuras centradoras, las cuales hacen el alineamiento de la pieza de trabajo mucho más
sencilla. También pueden ser utilizadas las perforaciones centradoras.
Las características de diseño de un sistema de fijación con imán :
– La fuerza típica de retención de un sistema de fijación con imán
equivale aproximadamente 100 N/cm2,
– Protección del tipo IP 65,
– Tiempo de trabajo (a tiempo) 100 %.
El sistema está conectado a un dispositivo de control con una polaridad
reversible con los siguientes datos:
– Voltaje de la línea 230 o 380 V dependiendo del tamaño del imán,
– Frecuencia de la red 50 Hz, la cual puede ser cambiada a 60 Hz,
– La posibilidad de SPS conectable usando 24 V de tensión de señal,
– La magnetización o des magnetización es llevada a cabo por medio
de la presión de un botón o un interruptor,
– Posibilidad de regulación de la retención de fuerza
Disco del tambor
Electroimán
Figura 7.12:
Dispositivo tensor con electroimanes
117
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Después de la representación de diferentes características de dispositivos
de tensión, es ahora posible evaluar la comparación.
La fijación puede ser representada por medio de :
– Cilindros hidráulicos,
– Cilindros neumáticos y
–Electroimanes
Los elementos de motor primario mencionados anteriormente, cumplen
con los requisitos técnicos de las funciones de fijación.
La ventaja de los electroimanes consiste en la simple manejabilidad sin
la necesidad de dispositivos adicionales para la fijación del disco tambor
cuerda. Por el contrario, los costes son relativamente altos, incluyendo
el dispositivo de control requerido con polaridad reversible.
Las ventajas para un cilindro neumático consisten en que el movimiento
es rápido de fijar y la disponibilidad de suministrar el aire comprimido en
la industria. Por lo tanto, los costes del suministro de energía pueden ser
omitidos. Sin embargo, esto es sólo posible si la red provee suficiente
aire comprimido para la fijación.
La ventaja de un cilindro hidráulico es su conformidad para los requisitos
completos. Sin embargo, para una relativamente baja fuerza de fijación de
aproximadamente 1000 N es bastante usado un cilindro neumático, debido a los altos costes de compra y operación de un dispositivo hidráulico.
El diseño y construcción de un dispositivo de sujeción puede exponer en
contra del uso de los cilindros neumáticos e hidráulicos.
La comparación muestra que hay muchas posibilidades de realizar la
función de fijación. Cada una tiene ventajas y desventajas. Algunas veces,
diferentes métodos pueden cumplir igualmente los requisitos.
En el previo ejemplo, la disponibilidad del suministro de aire comprimido ha sido mencionada. Por lo tanto, un cilindro neumático debería ser
elegido para el procedimiento de fijación.
118
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
b) Mando de avance
Un mando de avance debe ser elegido para taladrar los agujeros lisos
para la rosca M 12.
El procedimiento de selección de dispositivos apropiados para el mando
de avance esta representado en la siguiente tabla:
Requerimientos
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Electrotecnia
Movimiento de
traslación
XX
XX
XX
Seguridad de
sobrecarga
XX
XX
-
Se puede controlar
eléctricamente
XX
XX
XX
Fuerza de
alimentación
F= 2000 N
XX
X
-
Velocidad de
alimentación máxima
XX
X
X
Realización de
movimientos rápidos y
de trabajo
XX
(fácil de lograr)
difícil
-
XX
X
X
Operación libre de
jerk
Tabla 7.6:
Requisitos del mando de avance
La evaluación de esta comparación muestra que los mandos lineales
hidráulicos son los más apropiados para usar en los mandos de avance.
La continua mejora de los mandos lineales eléctricos les permitirá en el
futuro ser usados como ejes de alimentación.
Los mandos lineales eléctricos pueden ser perfectamente usados como
ejes lineales en la elaboración de metales a gran velocidad. En este campo compiten con motores hidráulicos, los cuales no logran velocidades
tan altas como 4 m/s.
Sin embargo, en el ejemplo previo, un cilindro hidráulico debe ser usado,
porque corresponde a todos los requisitos.
119
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
El cálculo de los parámetros de construcción de un cilindro hidráulico es
similar al cálculo de un cilindro usado para ajustar las piezas de trabajo.
Aquí, el eficiente factor del empuje no será considerado.
Se requieren 2000 N para la fuerza de tensión Fv . La presión esperada
en la hidráulica equivale a 70 bar, igual que al tensar. Debe ser también
probado si la presión de 160 bar puede ser preferentemente usada o no.
Un cilindro hidráulico a una presión de 70 bar:
p = Fv / A
A = Fv / p
A = 2000 N / 70 bar
A = 2,86 cm2
El diámetro resultado del pistón es de d = 19,1 mm. Los pequeños, típicos
cilindros hidráulicos tienen un diámetro de 25 mm y una biela de 12 mm.
Este tipo de cilindro puede ser usado. No hay necesidad de incrementar
la presión a 160 bar.
120
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
c) Propulsión de taladro
Para las perforaciones se deberá usar una propulsión de taladro adecuada. Los siguientes motores pueden ser adecuados para producir el
trabajo en movimiento rotatorio.
– Motores de aire comprimido,
– Motores hidráulicos y
– Motores eléctricos.
En la siguiente tabla se presenta un procedimiento de selección de
transmisiones apropiadas para el taladro:
Requerimientos
Electro-hidráulica
Electro-neumática
Electrotecnia
Movimientos de
rotación
XX
XX
XX
realizable con una
válvula de control de
flujo
realizable pero
dependiente de la
carga
realizable con una
transmisión
mostrar diagrama
mostrar diagrama
mostrar diagrama
X
mostrar cálculo
X
mostrar cálculo
X
mostrar cálculo
XX
XX
realizable con una
transmisión
XX
XX
solo con el equipo
de protección
correspondiente
Frecuencia de
rotación del taladro
ajustables a
n 1 =750 r/min y
n 2 = 1450 r/min
Par
M 1 = 10 Nm y
M 2 = 20 Nm
Actuación de corte
P= 1.6 kW
Marco de montaje
pequeño en el lado de
operación
Seguridad de
sobrecarga
Tabla 7.7:
Requisitos de la transmisión de taladro
Con el objetivo de seleccionar el tipo de transmisión de taladro más
adecuado, las características de diferentes elementos de transmisión
rotatoria se deberán comparar entre sí.
121
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los motores hidráulicos pueden ser examinados de acuerdo a diferentes
criterios.
Al clasificar los motores hidráulicos de acuerdo a la frecuencia rotativa,
traen como consecuencia tres categorías importantes: rotores lentos,
rotores de velocidad media y rotores de alta velocidad. Los rotores lentos
están diseñados para generar altos valores de torque , incluso en frecuencias racionalmente bajas sin la necesidad de conectar transmisores
extras. Esto no es requerido en nuestro ejemplo.
Los siguientes motores hidráulicos están representados en la figura de
abajo:
1
2
3
4
5
6
7
motor de pistón axial con eje principal derecho,
motor de pistón axial con eje principal horcado,
motor de pistón radial con desplazamiento interno,
motor de pistón radial con desplazamiento externo,
motor de ruedas dentadas,
motor de paletas
motor gerotor.
El rango de frecuencia rotativa requerida se encuentra entre frecuencias
medianas y altas. Para esto son apropiados los motores 1, 2, 3, 5 y 6.
Los motores de pistón radial con desplazamiento interno y los gerotores
no son apropiados.
Número de revoluciones n
min-1
0
750
10 50 100
500
1450
1000
2000
3000
4000
1
2
3
4
5
6
7
Rotor lento
Figura 7.13:
122
Motores de rotación
media
Motores de rotación
rápida
Clasificación de motores hidráulicos de acuerdo a la frecuencia rotacional
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
En la siguiente imagen se representará la clasificación de los motores
hidráulicos, de acuerdo con los valores de giro. Las cifras indican los
mismos tipos de motores que en la imagen con la clasificación de la
frecuencia rotativa.
Para los momentos de torsión de 10 y 20 Nm son apropiados los motores
de paletas y los motores de ruedas dentadas. La aplicabilidad de estos
motores para nuestro ejemplo tiene que ser evaluada.
Para este uso es seleccionado un motor de celdas de ala de 2 kW. Las
curvas características para este motor, son representadas mas adelante
en una figura.
Los siguientes valores resultan para cada caso de operación:
Frecuencia rotativa:
Momento de giro:
Presión:
Caudal volumétrico:
750 U/min
20 Nm
120 bar
10 l/min
Frecuencia rotativa:
Momento de giro:
Presión:
Caudal volumétrico:
1450 U/min
10 Nm
60 bar
20 l/min
Velocidad de torque Mn
Nm
0 100 500 1000
5 000
10 000 20 000
30 000 40 000 50 000
1
2
3
4
5
6
7
10 - 20 Nm
Figura 7.14:
Clasificación de motores hidráulicos de acuerdo a los valores del momento de giro
123
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Para el cambio del motor de ruedas dentadas es requerida una válvula
de control de presión, para el ajuste cada valor de presión. Las válvulas
de control de flujo son utilizadas para ajustar los volúmenes de valores
de flujo. Los gastos del circuito resultante son muy altos.
También es posible usar una válvula de control proporcional de presión,
en lugar de las válvulas de control de presión, y una válvula control de
dirección proporcional en lugar de una válvula de control de flujo. Esta
es una solución muy buena, pero debido a la electrónica de control relacionado, ésta es incluso más cara que la anterior.
Una posibilidad adicional es el usar un motor de paletas. Este tipo de
motor puede ser usado como un motor hidráulico regulable o no regulable.
Sin embargo, este tipo de motores son usualmente manufacturados
con un constante avance de vuelta, y muy raras veces con avances
por vuelta variables. Estos son apropiados principalmente para altos
momentos de giro.
Para nuestro ejemplo estas propulsiones pueden ser utilizadas, pero los
costos de implementación serán muy altos.
Mab
Nm
6,5
35
10
15
20
25
dm3/min
35
30
40
20
20
18
16
25
14
20
12
10
15
8
10
6
5
4
2
0
500
1 000
1 500
2 000
nab
Figura 7.15:
124
2 500
3 000
min-1
Curvas de característica operacional de un motor de ruedas dentadas
p = const.
MPa
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los motores neumáticos pueden también generar movimientos rotatorios.
Los motores neumáticos incluyen los siguientes tipos:
– Motores de pistón radial,
– Motores de pitón axial,
– Motores de lámina.
Junto con los motores de aire comprimido, los motores de lámina, en su
mayoría, cumplen con los requerimientos objetivos del ejemplo. Estos
motores tiene un campo de poder desde 0,1 hasta 15 kW. Estos motores
tienen un número de revoluciones en régimen de marcha sin carga entre
1000 y 50 000 U/min.
Para nuestro caso, seleccionamos un motor de aire comprimido del
diseño de lámina.
kW
Nm
l/s
3.5
28
140
3.0
24
120
2.5
20
100
2.0
16
80
1.5
60
1.0
12
10
8
0.5
4
20
40
0
Figura 7.16:
2000
750 1450
4000
6000 U/min
Diagrama de potencia en una sobre presión de servicio de 6,3 bar
125
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El motor de aire comprimido es una de las más robustas y polifacéticas
propulsiones. Éste puede ser regulado dentro de un amplio rango de
ajuste.
El poder puede ser fácilmente modificado por medio de una simple
regulación de la provisión de aire , con ayuda de una válvula de estrangulación, o una válvula controladora de presión.
Los motores de aire comprimido trabajan de una forma muy segura hasta
la linea punteada que se encuentra en la imagen de abajo.
Para el ejemplo, es posible usar dos válvulas de estrangulación conectadas, o una válvula de control de presión y una válvula de estrangulación; y para la segunda frecuencia rotativo, debe de ser conectada por
separado, una válvula de estrangulación.
Una mejor solución consiste en la pre conexión y la combinación de un
motor de lámina- aire comprimido y una transmisión.
%
100
Torque ni
50
20
10
Figura 7.17:
126
30
100
Número de revoluciones ni
Rango operacional de un motor de aire comprimido
%
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Una tercera posibilidad para la propulsión de taladro es un electromotor .
Con el fin de realizar dos frecuencias rotativas, se puede utilizar un motor
reversible de polos con un claqueado sinuoso. Sin embargo, este motor
es muy caro y tiene un gran tamaño.
Por lo tanto, es más razonable usar un motor trifásico asincrónico con
una transmisión para implementar el objetivo y realizar las dos frecuencias rotatorias. Esta es la solución más apropiada para nuestro ejemplo.
Después de observar las tres diferentes propulsiones por separado, se
tiene que hacer una comparación.
La propulsión más apropiada del taladro es el motor eléctrico asincrónico.
Éste tiene que estar equipado con una transmisión con el fin de poder
realizar ambas frecuencias rotatorias. La propulsión principal tiene que ser
operada a frecuencias rotativas severamente ajustadas definitivamente,
y para ello, será mejor usar una variación discontinua de velocidades.
La realización de frecuencias de rotaciones múltiples es también posible
usando una transmisión pre conectada. Si sólo se requieren dos frecuencias, puede ser utilizado con motor de polos reversible. El tamaño
de este motor es considerablemente mas grande y costoso que un motor
asincrónico con una transmisión.
En el campo de la mecatrónica no existen los límites entre formas de
energía simple.
Para poder lograr el uso óptimo de diferentes formas de energía, se utilizan diferentes combinaciones de estas formas. Por ejemplo, los sistemas
electrohidráulicos y la electroneumáticos son frecuentemente utilizados.
En una unidad de alimentación de taladro, por ejemplo, un eje de alimentación hidráulico puede ser unido con un motor neumático de paletas
de aire comprimido, por medio de un engranaje planetario. En este caso
tenemos una combinación de hidráulica y mecánica con mecánica, al
igual que electrotecnia para propósitos de control.
127
Minos
7.3.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Elementos de señal, control y acción
Un sistema de control está subdividido en parte poder y parte señal
control.
La parte poder incluye la sección de propulsión, la sección del control
de energía (elementos de acción y control) y la sección de suministro
de energía.
La parte señal incluye los bloques de función de la entrada de señal,
procesamiento de señal con el suministro de control poder, y la salida
de señal. La función actual de un control es hecha en la señal o el procesamiento de información.
El objetivo de un sistema de control es recibir una o mas señales, con
el fin de evaluar la información de acuerdo a los programas dados, y
generar la salida de señales después de todo.
La selección de elementos de motor primario para la sección de propulsión ya está completada. Un cilindro neumático es usado para fijar,
mientras un cilindro hidráulico es seleccionado para alimentar. La propulsión de rotación es implementada usando un electromotor. Cada forma
de energía deberá ser formalmente controlada. Esto será hecho en la
sección de control de energía, por medio de los elementos de control y
acción.
Los elementos de acción son requeridos para la operación de los elementos de propulsión. Los objetivos de estos elementos en la fluídica
son el influenciar la dirección del medio de transferencia de la energía
hidráulica o neumática.
Ambos cilindros de doble acción deben ser accionados por medio de
válvulas distribuidoras de posiciones prefijadas. En la neumática 5/2válvulas distribuidoras de posiciones prefijadas son usadas cuando no
se requiere la posición media de bloqueo.
La propulsión hidráulica debe ser usada para implementar el mando
de avance. Una válvula distribuidora de 4/3 es usada para accionar el
cilindro hidráulico de doble acción.
El control del electromotor es realizado por medio de un relé o un puntero.
La correcta elección y designación de válvulas y relés puede ser hecha
sólo después del desarrollo del diseño de circuitos.
128
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
La sección de control de señal contiene dispositivos para la entrada y
transmisión de señales, tales como:
– Dispositivos de comando (contactos de trabajo eléctricos, contactos
ruptores y contos inversores, 3/2- válvula distribuidora de posiciones prefijadas operada neumáticamente como elementos de señal),
– Sensores (sensores de proximidad),
– Convertidor de entradas (interruptores hidráulicos y neumáticos),
– Avisadores (ópticos, acústicos).
El procesamiento de señal representa el control del sistema actual. Éste
incluye el programa o el software, el cual determina las funciones del
control complejo.
Todos los sistemas de control son programables. Esto incluye los controles de lógica y conexiones programables.
Un control de la conexión programada / UN SISTEMA DE CONTROL
CABLEADO (WPS) tiene las siguientes ventajas :
–
–
–
–
–
–
Robusto,
Alta invulnerabilidad de perturbación,
Extendido y bien conocido,
Eficacia conocida,
El más económico de todos los sistemas pequeños,
Hasta 8 relés de mismo costo-efectividad que el SPS.
Por otra parte el VPS tiene las siguientes desventajas:
– Necesita mucho espacio,
– Sólo se pueden procesar funciones binarias,
– El programa esta fijo. Cambios son sólo posibles al usar nuevos
cableados o cambiando los anteriores,
– Desarrollo y producción muy costosos,
– Se requiere un mantenimiento intensivo debido a la abrasión,
– Altos costes a grandes capacidades de programa.
La lógica del controlador (SPS) tiene las siguientes ventajas:
–
–
–
–
–
–
–
–
Puede ser fácilmente reemplazado con la técnica de inserción,
Gran fiabilidad debido a los elementos construcción sin contacto,
Los controles del objetivo pueden ser fácilmente modificados,
Baja demanda de espacio,
Es posible la documentación,
Es posible la prueba del programa,
Posibilidad de monitorear la secuencia de control,
El estado del proceso de elaboración es observable.
Sin embargo, el SPS también tiene desventajas:
– Altos costes de inicio,
– Altos costes de los dispositivos de programación requeridos.
129
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
La selección de los elementos de control también se lleva a cabo después
de la finalización del diagrama de conexiones y la documentación relacionada.
Se pueden indicar las siguientes funciones:
- los elementos de control utilizados para bloquear ciertas direcciones.
- los elementos de control que influencian el volumen de corriente
- válvulas de control de presión y variadores (elementos de seguridad
eléctrica)
Lo elementos de señal identifican el movimiento mecánico de los elementos de mando y lo transforman en señales , las cuales pueden ser
procesadas por el sistema de control. La actuación mecánica se transforma frecuentemente en señales eléctricas.
Hay diferentes elementos de señal que tienen las siguientes características:
Interruptores de locación mecánica:
- precisión del punto de cambio de hasta 0.001 mm
- tiempo de vida: 10 millones de ciclos de cambio
- trabajo con contracción, lo cual causa erosión
Interruptores de proximidad reed:
- precisión de cambio: ± 0.1 mmar
- tiempo de vida: 5 millones de ciclos de cambio
- trabajo con contracción, lo cual causa erosión
Interruptores de proximidad inductiva:
- Solo se pueden detectar materiales conductores
- Distancia de cambio: típica 0.8…10 mm, máxima hasta 250 mm
- más económicos que los interruptores de proximidad capacitiva
- operación si contacto
Interruptores de proximidad capacitiva:
- apropiado para todos los materiales con una constante dieléctrica > 1
- distancia de cambio: típica 5…20 mm, máxima hasta 60 mm
- operación sin contacto
130
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Antes que nada, cada uno de los tres conductores en el ejemplo debe
de ser considerado individualmente. El cilindro neumático de sujeción
es accionado por medio de una válvula de control direccional accionada
manualmente. No hay necesidad de utilizar un interruptor de posición
final, ya que el operador comenzará la alimentación solo después de que
el proceso de sujeción se haya completado.
El control de la presión de sujeción se realiza por medio de una válvula
de secuencia, la cual se activa solo después de que la presión sea lo
suficientemente alta.
El cilindro hidráulico también es accionado para la alimentación utilizando
una válvula de control direccional manual. Como en el cilindro de sujeción,
no hay necesidad de interruptores en la posición final.
En accionamiento de la entrada hacia la alimentación de trabajo, se lleva
a cabo por medio de la válvula de control direccional, la cual está proporcionada con un rollo seguidor que es accionado por el cilindro que sale.
El mando eléctrico para el taladro se activa y desactiva por medio de
botones o interruptores.
Finalmente, el proceso completo debe de ser combinado en un sistema
de control complejo. Por lo tanto, la parte de la señal debe de ser suministrada con un control utilizando a PLC ( Controlador Lógico Programable).
Las señales de entrada del PLC deben ser hechas por medio de interruptores de proximidad e interruptores eléctricos. Una de las señales de
entrada se genera por medio de una válvula de presión, la cual controla
la presión de sujeción.
Las señales de salida del PLC son utilizadas para operar los electro
magnetos de las válvulas y para cambiar los relés de mando eléctrico
del taladro.
131
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Los siguientes sensores son seleccionados para el ejemplo:
Los interruptores de proximidad reed son utilizados para el cilindro
neumático. A continuación se enlistan argumentos a favor de los interruptores de proximidad reed:
- Uso típico para la señalización de las posiciones finales del cilindro
- Es el interruptor que se utiliza con más frecuencia para indizar la
posición final del cilindro.
- Fiable y seguro
- Puede ser bien integrado en el sistema
- Cumple con todos los requerimientos del sistema
El cilindro hidráulico requiere además de los interruptores de la posición
final un tercer interruptor para cambiar la entrada a la alimentación de
trabajo. Los interruptores de proximidad inductiva son utilizados por cada
uno de los tres sensores.
Los interruptores de proximidad inductiva corresponden a los siguientes
requerimientos:
- El uso de interruptores reed es imposible debido al tubo de acero
de cilindro, el cual debilita altamente el campo magnético.
- Apropiado para el escaneo de la posición final del cilindro
- Fiable y seguro
- Más económico que los interruptores de proximidad capacitiva.
132
Sistemas y funciones de la mecatrónica
8
Desarrollo de un sistema completo mecatrónico
8.1
Componentes selectivos
Minos
Los elementos apropiados de la transmisión deben de ser seleccionados
de acuerdo a los requerimientos del objetivo antes de crear la documentación del acoplador para un control complejo. Esto se hace comparando
el subsistema neumático, el hidráulico y el eléctrico.
Es muy difícil encontrar una solución optima para una cierta aplicación,
ya que lo campos de uso y los parámetros técnicos coinciden en muchos
casos. También se sabe , que en la práctica se requieren de muchos
compromisos para lograr cierta función.
Para el ejemplo se eligieron las siguientes transmisiones
Un cilindro neumático de trabajo fue elegido como un elemento de transmisión apropiado para la función de sujeción.
Un cilindro hidráulico de trabajo fue elegido como la transmisión de alimentación más apropiada.
Un electromotor con una transmisión fue elegido como el más apropiado
para la transmisión del taladro, ya que este debe de realizar dos frecuencias diferentes de acuerdo con la lista de requerimientos.
Un control lógico programable se eligió para la realización del sistema
de control complejo.
Los interruptores de cilindro si contacto con contactos reed fueron seleccionados para la detección de la posición final en el cilindro neumático,
mientras que para el cilindro hidráulico se eligieron interruptores inductivos de proximidad.
También es posible utilizar interruptores de posición mecánica para
ambos cilindros, sin embargo es mejor que no sean utilizados debido al
método de operación de contacto.
Además, un interruptor de presión puede ser utilizado para detectar si
los cilindros de sujeción aplican suficiente fuerza de sujeción.
133
Minos
8.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Recursos para el desarrollo de controles complejos
El objetivo ahora es desarrollar el diagrama de acoplador para el control
complejo. Aquí es importante clasificar el procedimiento en pasos de
operación e implementarlos uno tras el otro.
Ante todo se deben atender algunas consideraciones iniciales. Se pueden utilizar diferentes métodos de representaciones suplementarias con
el fin de mantener el mismo objetivo en general. Para logra un mejor
entendimiento entre expertos, administradores e ingenieros de los diferentes sectores que trabajan en un proyecto, se deben de utilizar graficas
de símbolos comunes y planes como una representación de métodos
suplementaria.
Después, el objetivo se puede convertir en diagramas de acoplador del
sistema de control.
Luego de que se hayan creado los diagramas de acoplador, el dispositivo
puede ser creado. Los componentes de construcción independientes de
un dispositivo deben de ser indicados con los mismo símbolos utilizados
en el diagrama.
El último paso es la puesta de servicio de los sistemas de control. Cualquier cambio hecho al control durante este estado debe de ser registrado
en la documentación.
Tareas de control
1. Paso
Consideraciones preliminares
2. Paso
Traslado teórico
3. Paso
Construcción del dispositivo
4. Paso
Prueba del dispositivo y
evaluación de resultados
Conclusiones
Figura 8.1: Método para el desarrollo de los controles
134
8.2.1
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Plan de emplazamiento
El plan de emplazamiento muestra la posición de los elementos de la
transmisión en una máquina o un dispositivo, y suministra información
definitiva acerca del tipo de ensamblaje. El plan de emplazamiento debe
de ser claro y contener solo la información más importante.
Las posiciones de los interruptores de los cilindros singulares no están
representadas en el plan de emplazamiento. Esta información es proporcionada en forma escrita:
B1
transportado hacia adentro en posición final del cilindro neumático
1A
transportado hacia fuera en posición final del cilindro neumático
B2
1A
B3
transportado hacia adentro en la posición final del cilindro
hidráulico 2A
B4
cambio de posición de movimiento rápido a movimiento
operacional
B5
transportado hacia fuera en la posición final del cilindro hidráulico
2ª
Las indicaciones de interruptores eléctricos deben de ser previamente
acordadas:
S0
S2 S3
interruptor de inicio
botón para la frecuencia n1
Botón para la frecuencia n2
Maquinado:
Avance de taladro con
cilindro hidraúlico 2A
y B3, B4 y B5
Maquinado:
Movimiento
giratorio del
taladro
Motor E M1
Movimiento de tensión:
Cilindro neumático 1A
con B1 y B2
Figura 8.2: Plan de emplazamiento para el tratamiento de la arandela del tambor
135
Minos
8.2.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Diagrama de flujo
El diagrama de flujo muestra la relación funcional entre los procedimientos
parciales, los cuales forman la realización consiguiente del programa.
Todos los caminos posibles de una secuencia de programa están representados en el diagrama de flujo. Los símbolos gráficos utilizados en los
diagramas de flujo están determinados en el DIN 66 001. El diagrama
de flujo también se conoce como secuencia de programa.
El diagrama de flujo para el ejemplo previo consiste de los siguientes
pasos:
Si la frecuencia n1 (botón S2) o n2 (botón S3) es selec1.Paso:
cionado, las condiciones del inicio que han completado.
2.Paso:
Si la frecuencia de selección previa es hecha y el interruptor de inicio S1 está activado , entonces el cilindro de sujeción 1A
puede moverse hacia fuera.
3.Paso:
Si el sensor B2 está activado , el cilindro de alimentación
2A debe de moverse en el modo de velocidad rápida y la transmisión de
taladro M1 debe de ser activada.
4.Paso:
Si el sensor B4 es activado, el cilindro de alimentación 2A
debe de ser cambiado a la posición de trabajo.
5.Paso:
Si el sensor B5 es activado, el cilindro de alimentación
2A debe de regresar a su posición final y el motor de taladro M1 debe
de ser desactivado.
6.Paso:
Después de que el cilindro de alimentación 2A se ha llevado hacia adentro, este activa el sensor B3. El cilindro de sujeción 1A
debe de regresar a su posición de inicio.
7.Paso:
Cuando el cilindro de sujeción 1A Alcanza su posición
final, este actívale sensor B1, el cual termina el programa.
Al usar dos botones separados para la selección de frecuencia puede
pasar que ambos botones se activen al mismo tiempo; este caso no fue
considerado en el ejemplo. Más adelante , durante la creación de diagramas de conexión, la selección de una sola frecuencia se debe de permitir.
136
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Comienzo
S2 + S3 = 1
Preselección número de
revoluciones
Minos
1
No
2A +
Movimiento de trabajo
Si
No
B5 = 1
No
S1 = 1
Si
Si
2A Ð, M1 Ð
Reversa de elevador, Motor apagado
1A +
Sujetar
No
B3 = 1
No
B2 = 1
Si
Si
1A Ð
Ajustar elevador de reversa
2A +, M1 +
Elevador, Motor activado
No
B1 = 1
No
B4 = 1
Si
si
1
Final
Figura 8.3: Diagrama de flujo
137
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
La descripción del transcurso también puede ser descrito también de
forma algebraica. Aquí, se utilizan los símbolos normales para las combinaciones lógicas. El punto indica las combinaciones de conjunción,
mientras que el símbolo de más indica las combinaciones de disyunción.
Al final de la fila se muestra qué sensor indica la operación hecha.
8.2.3
1.Paso:
S2 + S3 = x
2.Paso:
x • S1 = A1 +
→ B2
3.Paso:
B2 = 2A marcha rápida • M1 +
→ B4
4.Paso:
B4 = 2A movimiento de trabajo
→ B5
5.Paso:
B5 = 2A – • M1 –
→ B3
6.Paso:
B3 = 1A –
→ B1
7.Paso:
B1 = programa finaliza
Diagrama lógico
El diagrama lógico provee información clara con respecto las combinaciones, relaciones y flujos de señales en un control , independientemente del
diseño del control o de las técnicas utilizadas. Sin embargo, el diagrama
lógico no describe el diseño técnico de un control.
Las conectivas lógicas conjunción, disyunción y negación son utilizadas.
Las señales son almacenadas por medio de biestables. Las reglas del
álgebra booleana se aplican aquí.
Por ello, el diagrama lógico es un diagrama de flujo con símbolos de
gráfica para las combinaciones y memorias, donde las líneas de acción
están representadas con flechas. Los símbolos gráficos para las funciones lógicas y elementos binarios están determinados en el EN 6617-12.
Muchos desarrolladores no utilizan las tablas de combinación con controles simples. Ellos prefieren el diagrama lógico con los símbolos de
combinación respectivos . Por ello, el diagrama provee un mejor entendimiento entre electricistas , expertos y trabajadores en el campo de la
neumática y la hidráulica .
138
Sistemas y funciones de la mecatrónica
S2
>=1
Minos
&
S3
S
S1
Comienzo
B2
1A
B3
R
B2
S
B5
R
2A
Marcha rápida
&
S
B4
B5
R
B2
S
2A
Proceso de trabajo
M1
B5
R
Figura 8.4: Diagrama lógico
8.2.4. Plan de funciones
El plan de funciones es muy similar al secuencial función plan, el lenguaje de programación PLC. Este consiste en una secuencia de pasos de
varios pasos. Una o más acciones pueden ser asignadas a cada paso.
El primer paso es indicado de forma específica.
Siempre hay solo un paso con su acción activa durante la operación.
Las acciones, que deben ser activadas por varios pasos, deben de ser
iniciadas y posteriormente nuevamente reiniciadas. El cambio al siguiente paso es hecho de acuerdo a las condiciones de transición entre
ambos pasos.
El plan de funciones permite representar los procedimientos de control
de una forma muy compacta. Ambas representaciones, aproximadas y
exactas, de la estructura de control son posibles.
En Alemania ,el plan de funciones determinado por el DIN 40 719 fue
reemplazado en el año 2005 con el estándar Grafcet de acuerdo con el
EN 60848.
139
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
1
Preselección del número de revoluciones
S2 + S3
2
S1
B2
B4
M1 : = 1
B5
Elevación de trabajo
Posición final de la elevación de trabajo
Y2 : = 0
6
B3
M1 : = 0
B1
Reversa del elevador y motor apagado
Cilindro de alimentación replegado
Y1 : = 0
7
Acelerador de elevador y motor activado
Elevación a tope
Y3
5
140
Tensar
Pieza tensada
Y2 : = 1
4
Figura 8.5: Grafcet
Perilla de activación
Y1 : = 1
3
8
Indicador del número de revoluciones
activado
H1 : = 1
Reversa del cilindro de sujección
Cilindro de sujección replegado
H1 : = 0
Re-inicializacion de la preselección del
número de revoluciones.
8.2.5
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Diagrama de función
El diagrama de función representa usualmente un diagrama de estado.
Los diagramas de pasos de camino o diagramas de paso de tiempo
también son clasificados como diagramas de función.
Los diagramas de pasos de camino utilizan líneas para representar el
movimiento del elemento de transmisión. Estos diagramas son apropiados solo para funciones simples, tales como la secuencia de movimiento
de uno o más cilindros.
La secuencia funcional de la función es subdividida en pasos simples en
el diagrama de pasos de camino. El estado cambia de un comienzo de
componente construccional y termina en las líneas auxiliares del trama.
Esta escala de tiempo puede ser fijada de forma paralela a la división
de paso. Por consecuencia, esta escala no es lineal.
El estado de indicación se coloca en las líneas horizontales del trama. Por
ejemplo, es estado 0 del cilindro 1A significa que la biela está retractada.
El la biela extendida está indicada con el estado 1.
Por otro lado, el los diagramas de camino de tiempo las líneas auxiliares
están representadas en intervalos similares. Por ello, la velocidad del
cilindro está claramente representada con brusquedad de los estados
de cambio.
1
2
3
4
5
Paso
1
1A
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Tiempo (s)
1
1A
0
Figura 8.6: Diagrama de paso de camino o diagrama de paso de tiempo
141
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Los diagramas de función representan las secuencias funcionales de
un o más unidades operativas y las combinaciones de control-técnicas
de los componentes construccionales relacionados. Una coordinación
representa el estado, por ejemplo el camino, la presión, el ángulo o la
frecuencia. Los pasos están representados en la otra coordinada. Aquí,
el tiempo puede ser representado. En este caso, la representación no
está unida algún caso.
Las líneas de función indican el estado de una línea estructural o un
elemento durante la secuencia de operación. La posición de reposo
está indicada con una línea delgada. Todos los estados que difieren del
estado de reposo están representados con una línea ancha.
Las líneas de función de un cilindro están representadas con líneas
biseladas entre dos pasos. Esto representa la duración de la operación
del cilindro. El cambio de las válvulas de control direccional y los electromotores se representa con líneas de función verticales.
Las relaciones entre diferentes unidades de operación o elementos de
construcción están señaladas utilizando líneas de señal. Las líneas de
señal juntan las líneas de función . Las flechas muestran la dirección de
la acción de las señales.
Línea de Señal
Encendido
Apagado
Ramificación
de señal
Encendido Apagado
Teclear
Condición “O”
Encendido
automático
Desconexión
por peligro
3
E
Condición “Y”
A
2
4
1
5
Interruptor
selector
Figura 8.7: Líneas de señal y la selección de símbolos gráficos en los diagramas de funcionamiento
142
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Los puntos de las líneas de función simbolizan los botones de límite. No
deben de ser necesariamente colocados al final de la línea de función.
También pueden ser activados a través de un camino más largo.
La combinación de disyunción puede también ser indicadas utilizando
puntos, mientras que las combinaciones de conjunción están simbolizadas con barras.
En la figura los elementos de señal S2 y S3 están combinados con un
control de disyunción. El control se inicia por medio del botón S0. La
selección previa de la frecuencia está combinada con la señal de inicio
utilizando un control de conjunción.
Si se cumple con las condiciones de inicio el cilindro de sujeción saldrá.
Después de llegar a su posición final, este activa el interruptor B2 del
cilindro, el cual activa el movimiento rápido del cilindro de alimentación
y el motor de taladro. El cambio de la velocidad de movimiento rápido
a la velocidad de movimiento de trabajo se puede reconocer se puede
reconocer en la acodadura de la línea de función.
Después de que el cilindro de alimentación llega a su posición final, el
motor de taladro se desactivará y la carrera de retorno del cilindro de
alimentación se accionará.
Cuando el cilindro de alimentación regresa a su posición final de entrada, el cilindro de sujeción también entrará. Por lo tanto, la posición de
entrada se alcanza nuevamente.
Figura 8.8: Diagrama de función
143
Minos
8.2.6
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Diagrama de conexión
El diagrama de conexión (esquema básico) o de combinación es utilizado para representar a todos los dispositivos, líneas de conexión y las
conexiones de sistemas de control. Es uno de los medios de comprensión
entre técnicos.
El DIN ISO 1219 contiene los símbolos gráficos más utilizados para los
dispositivos hidráulicos y neumáticos o elementos de construcción. Listas
de dispositivos son utilizadas adicionalmente para circuitos extensos.
Partes diferentes del EN 610282 contienen los estándares más importantes y símbolos para la electrotecnia.
La interconexión y los diagramas de cableado también son de alta importancia para la electrotecnia, la hidráulica y la neumática. La información
contenida sobre el cableado dentro de un dispositivo, entre dispositivos
y partes de equipo, y entre elementos de entrada y de salida, los cuales
están montados en diferentes lugares en una máquina o un dispositivo.
Antes de la creación de los diagramas de conexiones simples para el
ejemplo, los componentes seleccionados deben de ser determinados.
Un cilindro de trabajo neumático de doble acción se utiliza como un
elemento de acción para la sujeción del tambor de cable disco. Este
corresponde a los siguientes requerimientos:
-
-
Movimiento traslación
La fuerza de sujeción se aplica de una forma segura
Una 5/3-válvula de control direccional es utilizada como elemento de
actuación. Este corresponde a los siguientes requerimientos:
-
Sujeción y liberación segura
-
Sujeción segura en caso de una falla de energía por medio del
bloqueo de la posición media
Una válvula de no retorno de estrangulación (La entidad de presión del
acelerador Cla GM)se utiliza como un elemento de control. Este corresponde a los siguientes requerimientos:
-
movimiento de sujeción uniforme
Dos 3/2- válvulas de control direccional son requeridos como elementos
de señal para operar las 5/3- válvulas de control direccional. Estas válvulas operan manualmente y regresan por medio de muelles.
144
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Un recurso de aire comprimido con una unidad de mantenimiento se
utiliza para preparar y generar energía.
Además, se requiere de equipo de monitoreo y de indicación . Esto
incluye y una válvula de secuencia de presión y un manómetro. Este
corresponde a los siguientes requerimientos:
- El monitoreo de la fuerza de sujeción
Un cilindro de trabajo hidráulico de doble acción se utiliza como elemento
de accionamiento para el mando de alimentación del tambor de cable
de disco. Este corresponde a los siguientes requerimientos:
-
-
-
-
Movimiento de traslación
Fuerza de alimentación de 2000 N
Seguridad de sobrecarga
Velocidad máxima de alimentación de 0,5 m/s
Una 4/3 válvula de control direccional operada manualmente se utiliza
como elemento de actuación para operar el cilindro. Este corresponde
a los siguientes requerimiento:
- Habilidad para ajustarse al moviendo rápido
Cilindro de doble acción
5/3-Válvula direccional
válvula de retención
con paso calibrado
3/2-Válvula direccional
Fuente de presión
con unidad de
mantenimiento
Manómetro
válvula de conexión
por presión
Figura 8.9: Símbolos de componentes neumáticos
145
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Una válvula de control de doble dirección se utiliza como un elemento
de control. Se utiliza para ajustar la velocidad del movimiento en trabajo.
Este corresponde al siguiente requerimiento:
- Velocidad uniforme y dependiente de la carga durante el proceso de
recorte
Una 2/2 válvula de control direccional se requiere como un elemento de
señal para activar la velocidad del cilindro de un movimiento rápido a el
movimiento de trabajo. Esta válvula de control direccional se activa por
medio del cilindro utilizando un rollo seguidor.
Un agregado hidráulico se utiliza para la preparación y generación de
energía. Este contiene por dentro una válvula de control de presión y
un filtro. La bomba hidráulica se opera por medio de un electromotor.
Además, una gran cantidad de manómetros son utilizados como dispositivos de monitoreo y de indicación.
Cilindro de doble acción
Válvula reguladora de corriente
4/3-Válvula direccional
2/2-Válvula direccional
M
Manómetro
Figura 8.10:
146
Símbolos de los componentes hidráulicos
Unidad de poder hidráulica
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Para el movimiento de trabajo del taladro se utiliza un electromotor
como elemento de propulsión. A éste le corresponden los siguientes
requerimientos:
- movimiento rotacional
- frecuencia ajustable
- función de corte de 1.6 kW.
Un elemento final de control se utiliza como un elemento de actuación.
A éste le corresponden los siguientes requerimientos:
- Ajuste de ambas frecuencias n1 y n2
El equipo de seguridad también es requerido en el circuito electrónico.
Un relé con protección térmica se utiliza en este caso. A este le corresponden los siguientes requerimientos:
- Protección en contra de corrientes muy altas
Además, se necesita una protección automática para las tres fases del
poder eléctrico.
El poder eléctrico, en sí, es generado fuera de la máquina. Este es tomado de la red de suministro de poder de tres fases.
1
3
5
2
4
6
K1
PE
1U
1V
1W
Contactor
1
3
5
97
95
2
4
6
98
96
M
3÷
2U
2V
2W
Motor eléctrico
F1
3/N/PE ~ 50 Hz 400/230 V
Relevador protector de temperatura
L1
L2
L1 L2 L3
L3
N
F0
Dispositivos de
seguridad
Figura 8.11:
PE
Corriente trifásica
Símbolos de los componentes eléctricos
147
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
8.3
Desarrollo de un esquema básico para sistemas de control complejos
Con el fin del crear un sistema de control complejo, primero es necesario subdividirlo en subsistemas. Los subsistemas que son operados
utilizando el mismo suministro de energía, debe de ser considerado de
forma colectiva al crear los diagramas de conexión.
La sujeción en el ejemplo es llevada a cabo utilizando componentes
neumáticos. El mando de avance se lleva a cabo de forma hidráulica. Un
tercer subsistema para taladrar es proporcionado con un mando eléctrico.
La creación de diagramas de acción neumáticos, hidráulicos y eléctricos
para el ejemplo, pueden ser hechos de forma independiente.
Se deben de tener en consideración diferentes instrucciones para cada
subsistema.
Sistema para mecanizado
de un disco carrete
- Sistema complejo -
Apretar
Impulsor de alimentación
Impulsor de la broca
Susbsistema neumático
Subsistema hidráulico
Subsistema eléctrico
Subsistema
Figura 8.12:
148
Sistema complejo y sus subsistemas
8.3.1
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Diagrama de acción neumática
El DIN 1219 se tiene que tomar en cuenta al momento de crear diagramas de acción neumática. La creación de diagramas de conexión y la
indicación de los símbolos simples es descrita en la segunda parte.
La representación en el diagrama de conexión debe de ser clara. Las
posiciones y los arreglos de los dispositivos deben de ser tomados en
consideración.
El flujo de energía en los diagramas de conexión neumáticos debe de ser
representado de abajo hacia arriba. Los controles de circuito separados
deben de ser indicados sucesivamente de izquierda a derecha.
Los elementos de mando, tales como los cilindros y motores son colocados en la parte superior de diagrama de conexión. Las bielas deben
de salir hacia la derecha. La numeración se hace de izquierda a derecha
sucesivamente.
Los elementos de actuación están posicionados bajo el elemento de
mando. Los elementos de señal están colocados en la parte inferior del
diagrama. El suministro de poder debe de ser representado en la parte
inferior, de ser posible del lado izquierdo.
Las siguientes símbolos son utilizados para indicar los componentes de
construcción :
A
propulsiones, cilindros y motores
Vválvulas
S
sensores de señal, botones y rollos seguidores
Z
otros componentes, suministro de presión
Se tienen que indicar los cilindros con los símbolos 1A, 2A, etc.. Todas
las válvulas , que afectan el cilindro 1A están indicadas con 1V seguido
por un número. Este número es asignado de abajo hacia arriba y de
izquierda a derecha.
Las válvulas , que afectan el cilindro 2A se indican con 2V seguidas por
un número.
El primer número de la indicación del rollo seguidor también señala al
cilindro, donde está instalado el rollo. No importa , qué válvulas o cilindros
son afectadas con este rollo.
En muchos casos, los componentes de suministro de presión no están
arreglados en un cilindro o un circuito separado. Están indicados con el
prefijo cero.
La indicación puede estar rodeada con un marco.
Los diagramas neumáticos de conexión deben de ser representados en
la posición inicial con presión aplicada.
149
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Además, las siguientes posiciones de dispositivos están definidas en
la neumática y en la hidráulica:
- Posición de reposo de un dispositivo:
No se aplica energía al dispositivo. El estado de los componentes de
construcción está determinado ya sea de forma inevitablemente o por
el fabricante.
- Posición de reposo de los componentes de construcción:
Aquí las partes de movimiento toman un posición exacta en el estado
no activado.
- Posición inicial:
Se activa el poder. Los componentes de construcción toman estados
definidos.
- Posición de comienzo:
Los componentes de construcción se encuentran en el estado requerido
para el inicio de la operación. Las condiciones de inicio son requeridas
para ésta posición.
- Condiciones de inicio:
Estas condiciones incluyen los pasos requeridos para cambiar de la
posición de reposo a la posición de comienzo.
1A
1Z1
1V3
1V2
1V1
1S1
0Z
Figura 8.13:
150
Diagrama de conexión para el subsistema de neumáticos
1S2
8.3.2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Diagrama hidráulico de acción
El diagrama hidráulico de acción también es creado conforme el DIN ISO
1219. El diagrama de acción representa la construcción de un dispositivo
hidráulico. Las posiciones reales y los arreglos de los componentes no se
toman en consideración, con el fin de crear un diagrama de conexión libre.
Los componentes de construcción del dispositivo deben de ser arreglados conforme la dirección de la corriente de energía en el diagrama de
conexión, así como se indica a continuación:
-
-
-
parte inferior: símbolo de suministro de poder
centro: parte de control de poder
parte superior: parte de mando
Las válvulas de control direccional deben de ser dibujadas de ser posible
en posición horizontal, mientras que las tuberías derecho y sin cruzar.
Todos los dispositivos deben de ser representados en la posición de inicio.
En el caso de un sistema de control grande con muchos elementos
trabajando, este debe de ser subdividido en cadenas de control separadas, donde una cada de control puede ser realizada por cada elemento
de trabajo. Estas cadenas de control deberán de ser dibujadas de ser
posible, en la dirección de secuencia de movimiento paralelas las unas
a las otras.
El elemento de mando con la parte de control de poder relacionada forma
en conjunto una cadena de control. Los controles hidráulicos complejos
consisten de muchas cadenas de control. Estas deben de ser ordenadas
de forma paralela y debe de ser indicadas con un número de referencia.
La parte de suministro de poder no puede ser asignada a una cadena
de control, ya que a ésta le conciernen una gran cantidad de cadenas
de control en grandes sistemas de control hidráulicos. Este es indicado
con el número de referencia 0.
Ejemplo:
La indicación de componentes de construcción puede ser extendida por
el número del dispositivo. Este se presenta como un prefijo junto con la
parte de indicación y están separados por un guión.
La indicación con un componente de construcción es 2 – 3V5. Esto tiene
el siguiente significado:
2
3
V
5
número de dispositivo
número de circuito
indicación de componente
número de componente
Este indica una válvula con el número de componente 5, el número de
dispositivo 2 y el número de circuito 3.
151
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Los diagramas de conexión pueden contener adicionalmente información
acerca de las bombas, los hidromotores, válvulas de presión, dispositivos
de medición de presión, tuberías y conductos de tubo flexible.
Las tuberías y los conductos de tubo flexible deben de ser asignados de
acuerdo con sus diámetros y grosor. El valor de presión con el cual la
válvula de presión cambia debe de ser indicado en las válvulas. La temperatura de cambio de los interruptores térmicos debe de estar también
indicada en el diagrama de conexión.
El rango de medición del dispositivo de monitoreo de presión y la extensión de los filtros también debe de ser indicada.
Además, el índice de flujo de las bombas, los índices de mando, los
valores de presión máxima o la capacidad de aspiración de aire de los
motores puede ser también mencionado en el diagrama de conexión.
Los grandes sistemas de suministro de presión pueden ser representados
en un diagrama de conexión diferente.
1A
1S1
1S1
1V2
1V1
0Z1
M
Figura 8.14:
152
Diagrama de conexión para el subsistema de Hidráulica
8.3.3
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Diagramas de circuito eléctrico
Los estándares para los símbolos gráficos de la electrotecnia y los diagramas de circuito en el conjunto de especificaciones estándares alemanes
han sido clasificados dentro del DIN 40700 hasta el DIN 40772. Desde
comienzos del año 1997 se ha utilizado un nuevo sistema de clasificación, el cual comienza con el número 60000. La vieja indicación IEC
617, por ejemplo fue cambiada a IEC 60617, de acuerdo con las nuevas
ediciones o revisiones.
En Alemania, los símbolos gráficos de la electrotecnia están clasificados
de acuerdo al DIN EN 60617 “Símbolos gráficos para diagramas de
circuito”. Éste estándar ha reemplazado el DIN 404700.
La directriz de la VDE ( la Asociación alemana para tecnologías eléctricas, electrónicas y de información) determina la documentación del
diagrama de circuito, que debe de ser proporcionadas con componentes
y dispositivos de construcción eléctricos. Esto incluye toda la información
requerida para el usuario, a la que se refiere sobre la instalación, el encargo, el mantenimiento y el servicio de los sistemas de control eléctricos.
De acuerdo con los estándares, la documentación del diagrama de circuito está dividida de acuerdo al propósito y el tipo de representación:
- Diagramas, que representan el método de función del control, tales
como el diagrama layout, diagrama de flujo de corriente, diagramas de
configuración y listas de dispositivos.
- Diagramas, que muestran las conexiones ,estados y posiciones actuales
tales como el esquema eléctrico y listas de dispositivos.
El diagrama layout es una representación simplificada de un circuito. Esta
representa solo los dispositivos más importantes en un circuito eléctrico
y muestra el método de función y la estructura del circuito.
Los siguientes estándares son importantes para la documentación del
circuito:
DIN EN 60617símbolos gráficos para diagramas de circuito
DIN EN 60848Grafcet, el idioma de especificación para los planes de
función de los controles de secuencia.
DIN EN 61082Documentación electrotécnica
DIN EN 61293Indicación del equipo eléctrico
153
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El diagrama de corriente de flujo es una representación detallada de un
circuito. Este explica el funcionamiento.
El circuito está dividido en caminos de corriente. Está representado con
todas las líneas y conexiones. La posición actual de los dispositivos
eléctricos no se toma en consideración. Para dispositivos grandes el
diagrama de flujo de corriente está dividido en circuito principal y circuito
control. Esto puede ser unido en un diagrama para pequeños dispositivos.
El diagrama de corriente de flujo contiene líneas de potencia horizontales
y caminos verticales de corriente. Todos los elementos de cambio están
representados sin ningún voltaje aplicado.
Los interruptores de contacto automáticos, tales como los interruptores de
final, están representados en su estado inicial con respecto al dispositivo
completo. Cualquier desviación de la representación usual debe de ser
mencionada en el diagrama de flujo de corriente.
Todos los símbolos gráficos deben de estar presentados de forma vertical
en la dirección de corriente de arriba hacia abajo. La dirección de movimiento de un símbolo de una gráfica es siempre de izquierda a derecha.
La designación final debe siempre debe de ser colocada al lado izquierdo
del símbolo.
400 VAC 50 Hz
L1
L2
L3
PE
3
3
-F1...F3
-F1...F3
3
-K1
-K1
3
-F4
-F4
3
-M1
Figura 8.15:
154
M
3 AC
-M1
Plan general y diagrama de conexión para el motor trifásico
M
3 AC
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Uno de los requisitos del mando de taladro es la posibilidad de un simple
ajuste de las frecuencias. Esto se puede implementar por medio de un
motor asincrónico de tres fases con una transmisión.
El motor asincrónico tiene un diseño de conexión delta. El motor debe
de empezar bajo la carga de la transmisión. Por lo tanto, se requieren
algunas consideraciones adicionales que se refieren al diseño técnico
del acoplador.
Durante el comienzo del motor cargado, un tiempo de comienzo muy largo
puede activar el relé de protección del motor, el cual están conectado
a la línea de corriente nominal del motor, desactivando el motor en la
fase de inicio.
Con el fin de proporcionar protección suficiente para el motor, el cual
comienza bajo carga, un segundo relé de protección de motor se conecta
en serie. Sin embargo, este relé es ajustado de tal forma para que no
pueda ser activado durante la fase de inicio, pero en el caso de un fallo
funcional, como por ejemplo el bloqueo del rotor, este cortará el poder
inmediatamente.
Durante el tiempo de comienzo, el relé que está conectado a la corriente
nominal del motor es bypass por medio de un conjunto K2. Después de
que el tiempo de comienzo ha transcurrido, el conjunto será desactivado
por un relé de tiempo.
400 VAC 50 Hz
L1
L2
L3
PE
-F1...F3
-K1
-K2
-F4
-F5
-M1
Figura 8.16:
M
3 AC
Puenteado un de relé de protección de motor (durante la fase de inicio)
155
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Otro diagrama de circuito se requiere para la operación de conyuntor.
Los conyuntores trabajan con 24 V DC. El interruptor S1 es utilizado
para desactivar la corriente en todos los caminos de corriente en caso
de emergencia.
El motor es activado al momento de activar el botón S3. Este botón activa primero el conyuntor K2 y el relé regulado K3T. El conyuntor K2 es
activado y el contacto normalmente abierto K2 activa el conyuntor K1.
El conyuntor K1 es activado y permanece activado con el contacto K1.
Después de que el botón S3 haya sido soltado, K2 y K3T permanecen
activados, ya que el voltaje sigue siendo aplicado a ellos a través del
contacto normalmente abierto K1, el contacto normalmente abierto K2
y el contacto normalmente cerrado K3T.
El conyuntor K1 activa el motor. El relé regulado y K2 se desactivan
después de 3 segundos por el contacto normalmente cerrado K3T. Estos
desactivan el puente de tiempo de inicio del interruptor de protección
del motor.
Una vez que el botón S2 es activado, el circuito de control se rompe. El
conyuntor K1 es desactivado y el motor de apaga.
Paro de Emergencia
-S1
24V
-S2
APAGADO
-K1
-S3
ENCENDIDO
-K2
-K1
-K3T
-K2
0V
Figura 8.17:
156
Diagrama para el arranque del motor bajo carga
-K3T
8.4
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
La creación del control complejo
Antes de crear el control complejo, tenemos varios diagramas de conexión para separar las funciones parciales:
-
-
-
Diagrama de acción neumático para la sujeción
Diagrama de acción hidráulico para la alimentación del taladro
Circuito principal y de control para el control del motor y la realiza
ción de diferentes frecuencias de taladro.
Esto tiene las siguientes desventajas:
-
-
-
No puede ser controlado con un PLC
No puede ser combinado, ya que se utilizan diferentes recursos de energía para el procesamiento de señales.
No es posible la operación automática, solo la operación manual.
Por lo tanto, con el fin de crear un control complejo, se deben de seguir
los siguientes objetivos:
- Las desventajas previamente mencionadas se tienen que quitar
- Se tienen que combinar las ventajas de la hidráulica, neumática y la electrónica.
Sistema
neumático
Sistema
eléctrico
5/3-Válvula direccional
Electromagneto
Sistema complejo
Electroneumático
5/3-Valvula direccional, centrada por
resorte, accionamiento electromagnético por
ambos lados, balanceada, con accionamiento
de sobrepaso manual
Figura 8.18:
Principio del sistema complejo electroneumático
157
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Con el fin de eliminar las desventajas de la sujeción utilizando la neumática, se requiere una combinación de la neumática y los sistemas eléctricos
para formar un sistema complejo básico electro-neumático.
Se tienen que reemplazar varios componentes para asegurar el control
eléctrico. Por lo tanto, una 5/3 válvula de control direccional operada
electromagnéticamente debe de ser utilizada como un elemento de
actuación. El centro del muelle se mantiene.
Cada una de las posiciones de cambio puede ser seleccionada al activar
la bobina magnética. Cuando ninguna de las bobinas magnéticas es
activada, la válvula toma la posición media.
Otros componentes deben de ser también reemplazados. Un convertidor neumático-eléctrico con la indicación B6 debe de ser utilizado para
la fuerza de sujeción monitoreando en su lugar la presión de la válvula
de secuencia. Este interruptor de presión tiene una fuerza de muelle
ajustable. El interruptor genera una señal cuando el valor de la presión
ajustada se ha alcanzado.
Con el control eléctrico de la 5/3 válvula de control direccional ya no son
necesarios los dos elementos de señal operados manualmente, la 3/2
válvula de control direccional. Son embargo, ambas válvulas de control
direccional son utilizadas como válvulas de control piloto para la 5/3
válvula de control direccional.
B1
B2
1A
1Z1
1V2
B6
1V1
Y1
0Z
Figura 8.19:
158
Diagrama de operación electroneumático
Y2
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Como la combinación de la neumática y la electrónica, la cual resulta
en electroneumática, los componentes hidráulicos para el proceso de
alimentación están combinados con el equipo de control eléctrico que
resulta como componentes electrohidráulicos.
La 4/3 válvula de control direccional debe de ser operada eléctricamente.
El cambio de movimiento rápido a movimiento de trabajo utilizado la 2/2
válvula de control direccional debe de ser realizado por medio de una
válvula de control direccional operada eléctricamente.
Las 2/2 válvulas de control direccional son difícil de conseguir en el
mercado , por lo tanto se puede utilizar en su lugar una 4/2 válvula de
control direccional. Los puerto que no se requieran pueden ser cerrados
con tapones.
Ya que las bobinas magnéticas de las válvulas de control direccional
magnéticas ya están indicadas con Y1 y Y2, las bobinas magnéticas
de la 4/3 válvula de control direccional deben de ser indicadas con Y3
y Y4. La bobina magnética responsable por el cambio de velocidad es
indicada con el Y5.
B3 B4 B5
1A
1V2
1V3
Y5
1V1
Y3
Y4
0Z1
M
Figura 8.20:
Diagrama de operación electrohidráulico
159
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Los circuitos separados están combinados por medio de un control de
relé. El diagrama del flujo de corriente, creado para el circuito de control
del sistema complejo, puede ser utilizado como línea guía para la programación PLC. Sin embargo, el programa PLC puede ser creado sin
ninguna preparación previa del diagrama de flujo de corriente.
Con el fin de combinar las operaciones y funciones separadas de los
subsistemas, se requieren de dispositivos que sean capaces de recibir
y enviar adecuadamente señales. Estos dispositivos son sensores.
Diferentes tipos de sensores son apropiados y pueden ser utilizados para
detectarla posición del cilindro, como es requerido en nuestro ejemplo.
Los interruptores de proximidad reed fueron seleccionados para el cilindro neumático como interruptores operados magnéticamente. Estos
pertenecen a los interruptores de cilindro más utilizados y más conocidos.
Los interruptores de proximidad inductiva también son apropiados para
la señalización de las posiciones del cilindro. Se utilizan con el cilindro
hidráulico . Las levas de la biela deben de estar hechas de metal, ya que
los interruptores de proximidad inductiva pueden solo detectar materiales
conductores de metal.
La presión de sujeción es monitoreada por medio de un interruptor de
presión. Las siguientes indicaciones son utilizadas para los sensores:
B1
Posición final interna, sujeción por medio de un cilindro neumático
B2
Posición final externa, sujeción por medio de un cilindro neumático
Posición final interna, alimentación por medio de un cilindro
B3
hidráulico
B4
Posición de cambio de movimiento rápido a movimiento de trabajo
B5
Posición final externa, alimentación por medio de un cilindro
hidráulico
B6
Cambio de presión, monitoreo de fuerza de sujeción
La combinación de los elementos estructurales por medio de sensores
puede ser también representada en el diagrama de funciones.
160
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El proceso que ha sido descrito en el ejemplo consiste de varios pasos,
los cuales se llevan a cabo sucesivamente. De acuerdo con esto, la
creación de los sistemas de control es realizada en varios pasos.
Paso 1: Preselección de frecuencia
El control es operado con 24 V DC. El botón S0 es utilizado como interruptor de parada de emergencia. Al activar este botón se desconecta la
corriente de todo el sistema de control.
La frecuencia de trabajo del taladro es seleccionada por medio de los
botones S2 y S3 antes de que la operación se comience. La frecuencia
seleccionada se muestra en la parte poder utilizando dos lámparas:
H 1
H 2
frecuencia n1 = 750 min -1
frecuencia n2 = 1450 min -1
Frecuencia baja
Frecuencia alta
Cada uno de los botones activa un relé. Un contacto hace que el relé
permanezca activado después de haber soltado el botón. Un contacto
normalmente cerrado es conectado en el camino de corriente del relé,
el cual previene ambos que ambos relés se activen al mismo tiempo.
Se utiliza un contacto normalmente cerrado para borrar el auto bloqueo.
Todavía no se determina el relé utilizado.
24V
S0
-S2
-K12
-K11
-K11
-S3
-K12
-K11
-K12
0V
Figura 8.21:
Selección de velocidad
161
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Paso 2: Comienzo y sujeción del tambor para estacha
Después de seleccionar la frecuencia al activar uno de los relés K11 o
K12, la operación puede ser comenzada por el botón S1.
El relé K13 permanece accionado debido al auto bloqueo de su contacto
después de activar el botón de inicio. Al mismo tiempo, otro contacto
de éste relé activa la bobina magnética del cilindro neumático para la
función de sujeción.
El auto bloqueo puede ser borrado por medio de un contacto cerrado
normal. Es imposible definir que relé a un contacto en este punto de
desarrollo.
Paso 3: Alimentación con movimiento rápido y accionamiento del motor
Después de que el cilindro de sujeción alcanza su posición final de salida
B2 y el interruptor del presión B6 muestra presión de sujeción, el relé K14
y el relé regulado K15 están accionados. El relé regulado desactiva el relé
K2 después de 3 segundos y consecutivamente la segunda protección
del motor se activa nuevamente.
El tercer paso puede ser realizado solo después de que el relé K13 es
activado en el segundo paso.
-K11
-K12
-K13
-S1
-B2
-K14
-B6
P
-K13
-K13
Figura 8.22:
162
Tensionado y encendido del motor y del avance
-K14
-KT15
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Paso 4: Desactivar el movimiento de alimentación rápida
El cilindro de alimentación rápida sale con una alta velocidad. Después
de llegar al interruptor del cilindro B4 la válvula de control direccional
utilizada para desviar, la válvula de control de flujo se activará. Esto hace
que el fluido hidráulico fluya solo hacia el cilindro a través de la válvula
de control de flujo, limitando así la velocidad de trabajo al valor ajustado.
La velocidad solo se puede cambiar después de que la alimentación y
el motor sean activados y el relé K14 sea activado.
Paso 5: La carrera de retorno del cilindro de alimentación
Después de que el cilindro de alimentación alcanza su posición final de
salida, el interruptor del cilindro B5 será activado y la válvula de control
direccional del cilindro hidráulico se invertirá.
Este paso también solo puede ser realizado después de que el relé K16
es activado y el paso previo se haya completado.
-B4
-K16
-K14
-K16
Figura 8.23:
-B5
-K17
-K16
-K17
Desconexión de marcha rápida e introducción del movimiento de vuelta
163
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Paso 6: Apagar el motor y retracción del cilindro de sujeción
Después de que el cilindro de alimentación alcanza su posición final
de entrada nuevamente, el cilindro B3 se activará. Este interruptor de
cilindro debe de ser representado como activo en el diagrama, ya que
se encuentra activado en la posición de comienzo del circuito. Esto se
muestra por medio de una flecha a la izquierda del símbolo. El contacto
normalmente abierto también se representa de acuerdo a su estado de
activación.
Por otra parte, el relé K18 desactiva el electromotor. Por otro lado, este
acciona la válvula de control direccional del cilindro de sujeción neumático, haciendo que se regrese nuevamente a su posición de inicio.
Paso 7: Señalamiento del final de operación
El relé K19 se activa , cuando el cilindro de sujeción neumático alcanza
la posición final de entrada. El interruptor del cilindro B1 se activa también en la posición de comienzo, y tiene que tiene que ser representado
correspondientemente en el diagrama.
El relé K19 borra primero el auto bloqueo del relé de la secuencia de
bloqueo K11 o K12. Al mismo tiempo desactiva el relé K13, el cual ha
sido activado por el botón de comienzo. Esta indicación de los contactos
correspondientes debe de ser compensado por los dos primeros pasos.
-B3
-K17
-K18
Figura 8.24: 164
-K18
-B1
-K19
-K18
-K19
Apagado del motor, elevado de la tensión y preparación para el reinicio
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
El apagar el relé K13 reiniciará los siguientes pasos uno después del
otro. Por ello, el circuito estará listo para un nuevo inicio.
La parte de poder del circuito incluye la salida de señal de los relés. Aquí,
dos luces detectan que frecuencia es seleccionada.
El relé K1 activa al electromotor. El relé K2 utilizado para derivar el interruptor de protección del motor se activa después de un retraso.
Ya que cada una de las válvulas de control direccional tiene don bobinas
magnéticas, una bobina magnética tiene que ser accionada con el fin
de activar la otra. Esto se hace por medio de un contacto normalmente
cerrado en los caminos de corriente de las bobinas magnéticas Y1 y Y3.
La bobina magnética Y5 de la válvula de control direccional utilizada
para cambiar la velocidad, también se apaga por medio de un contacto
normalmente cerrado, cuando el cilindro está completamente extraído.
El diagrama de circuito completo para la parte de control se representa
en la siguiente página.
24V
-K11
-H1
-K12
-H2
-K14
-K14
-K13
-K18
-KT15
-K18
-K1
-K2
-Y1
-K18
-K14
-K17
-K17
-Y2
-Y3
-K16
-K17
-Y4
-Y5
0V
Figura 8.25:
Circuito principal
165
24V
0V
S0
-K11
-S1
-K12
-K11
-K19
-S3
-K12
-K19
-K13
-K11
-K19
-K12
-S2
-K11
-K12
-K13
-B2
-B6
P
-K13
-K14
-K14
-KT15
-B5
-K16
-K16
-K14
-K17
-B4
-K16
-K17
-B1
-K18
-K18
-K17
-K19
-B3
-K18
-K19
166
Circuito de control
Figura 8.26:
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Sistemas y funciones de la mecatrónica
Minos
Un PLC puede ser seleccionado para el proceso de control con el fin de
combinar los sistemas parciales separados. Se pueden utilizar diferentes
programas de idioma para la programación del PLC. Debido a que el
sistema de control ya está representado como un diagrama de flujo de
corriente, la elección apropiada es el diagrama de escalera.
Para la programación es necesario crear una tabla que contenga todas
las entradas y todas las salidas. La tabla también es conocida como lista
de asignaciones. Las siguientes entradas y salidas pueden ser declaradas
como seguimiento:
Parámetro
SímboloComentario
l0.0
l0.1
l0.2
l0.3
l0.4
l0.5
l0.6
l0.7
S0
Parada de emergencia
S1comienzo
S2
baja frecuencia
S3
alta frecuencia
l1.0
B1
posición final interna, cilindro de sujeción
l1.1
B2
posición final externa, cilindro de suje
ción
l1.2
B3
posición final interna, cilindro de alimentación
B4
movimiento rápido/movimiento de trabajo,
l1.3
cilindro de alimentación
l1.4
B5
posición final externa, cilindro de alimentación
l1.5
l1.6
B6
cambio de presión
l1.7
Q0.0
Q0.1
Y1
salida del cilindro de sujeción
Q0.2
Y2
entrada de cilindro de sujeción
Q0.3
Y3
salida de cilindro de alimentación
Q0.4
Y4
entrada de cilindro de alimentación
Y5
alimentación lenta
Q0.5
Q0.6
Q0.7
Q1.0
Q1.1
K1
protección de motor
Q1.2
K2
protección de derivación del motor
Q1.3
Q1.4
H1
pantalla de baja frecuencia
Q1.5
H2
pantalla de alta frecuencia
Q1.6
Q1.7
La programación puede ser realizada ahora de acuerdo al tipo de PLC
disponible.
167
Mecatrónica
Módulo 7: La puesta en marcha,
seguridad y teleservicio
Libro de Texto
(Concepto)
Matthias Römer
Universidad Técnica de Chemnitz,
Alemania
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
Índice de contenidos:
1 Seguridad
3
1.1 Introducción
3
1.2 Fiabilidad
4
1.2.1 Principios técnicos de solución
5
1.3 Seguridad en equipos neumáticos
6
1.4 Seguridad en equipos hidráulicos
8
1.5 Seguridad en equipos eléctricos
10
2 Puesta en marcha
12
2.1 Introducción
12
2.2 Instrucciones para la puesta en marcha 13
2.3 Puesta en marcha de equipos neumáticos
2.3.1 El uso de engrasadores
2.3.2 Realización de la puesta en marcha
2.3.3 Inspección
14
14
15
16
2.4 Puesta en marcha de equipos hidráulicos
2.4.1 Llenado del equipo con fluido hidráulico
2.4.2 Realización de la puesta en marcha
2.4.3 Inspección
17
17
18
19
2.5 Puesta en marcha de aparatos eléctricos
20
2.6 Puesta en marcha de controladores lógicos programables
2.6.1 Fallos típicos de programación
21
21
3. Búsqueda de errores
22
3.1 Definición
22
3.2 Localización y resolución de problemas y errores durante la puesta en marcha
22
3.3 Procedimiento para la búsqueda de problemas y fallos
3.3.1 Búsqueda de problemas y errores mediante diagramas de función
3.3.2 Búsqueda de problemas y errores mediante programas de depuración
23
23
23
3.4 Fallos comunes durante la puesta en marcha
25
3.4.1 Aplicación de controladores programables de memoria (PLC) para la búsqueda de errores 25
3.5 Búsqueda de fallos durante la puesta en marcha
26
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
1 Seguridad
1.1 Introducción
Las máquina o aparatos pueden causar peligros de índole muy diversa.
Estos pueden producirse de diferentes maneras como por ejemplo
- por defectos de construcción de los componentes
- por falta de mecanismos de bloqueo o a causa de tropiezos
- por falta de conocimiento de los peligros
- por presión para cumplir los plazos establecidos o por falta de experiencia
Todas las personas que trabajan con máquinas están expuestas a peligros. Dentro de este grupo de personas se encuentran desde el montador
que realiza el montaje de la máquina hasta el operario que la pone en
marcha. El usuario que maneja la máquina cuando esta opera normalmente o el operario de mantenimiento tampoco están exentos de peligro.
Debido a la necesidad de garantizar condiciones de trabajo seguras se
han desarrollado multitud de medidas de protección. Para comunicar
estas medidas se elaboran instrucciones de seguridad y se realizan
cursos de actualización de manera regular.
La normativa aplicada en Europa tiene carácter de ley. De esta manera
la directiva europea de maquinaria ha dado lugar en Alemania al decreto
para la seguridad de los aparatos.
Las directivas son apoyadas por las normas de seguridad. En dichas
normas se describen las diferentes soluciones para la construcción de
máquinas recogiendo diferentes puntos de seguridad.
Las normas de seguridad europeas se clasifican en tres niveles:
-Normas-A: Son las normas estándar de seguridad. Determinan los
conceptos fundamentales y principios de organización en el trabajo con
máquinas.
Estas incluyen también la evaluación del riesgo en el trabajo.
-Normas-B1: Estas normas determinan por ejemplo distancias de seguridad, mecanismos de protección, velocidades de garfio.
-Normas-B2: Estas normas contienen las instrucciones que se deben
aplicar a los mecanismos de seguridad. Dentro de las normas B2 se encuentran los mecanismos de bloqueo y también los mandos bimanuales
e interruptores de emergencia.
- Normas C: Estas normas son típicas de las máquinas. En este grupo
se incluyen las normas que se aplican a presas mecánicas o hidráulicas,
rebordeadoras o robots industriales.
Las normas C tienen mayor prioridad que las normas A y B. Los normas
C prevalecen también en el caso de que exista incompatibilidad entre
la aplicación de varias normas individuales. Sin embargo el símbolo de
la CE correspondiente a la normativa sobre maquinaria de la CE sólo
puede ser aplicado cuando todas las normas A, B y C se cumplen.
3
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
1.2 Fiabilidad
La seguridad de una máquina o de un aparato viene determinada por la
existencia de medidas de seguridad para evitar o minimizar el impacto
que estos pueden tener sobre las personas y el medio ambiente a su
alrededor.
La fiabilidad se define como la propiedad de llevar a cabo una función.
Por ello una función fiable no tiene porque ser una función segura.
La fiabilidad necesaria determina el diseño constructivo del sistema. Por
ello se debe disponer siempre por ejemplo de elementos de reserva. El
mantenimiento y el servicio deben de ser consecuentemente planeados.
Ejemplo
Los contactos de un relé estan diseñados para una corriente y una
tensión determinada. Estos presentan a menudo una vida útil de varios
millones de ciclos. Los relés deben ser cambiados al alcanzar el final de
su vida útil. Dicho cambio es absolutamente necesario cuando los relés
desempeñan funciones importantes de seguridad.
Para determinar la fiabilidad de sistemas y con ella también la seguridad
se emplean diferentes parámetros de fiabilidad. De esta manera se pueden diferenciar los dos estados „operativo“ e „inoperativo“.
Los siguientes parámetros de fiabilidad se aplican a sistemas que no
pueden ser reparados:
-ratio de averías
-distribución de la vida útil
-probabilidad de fallo
-probabilidad de supervivencia
-densidad de la probabilidad de fallo
Para sistemas que por el contrario sí pueden ser reparados se pueden
aplicar los siguientes parámetros de fiabilidad:
- duración del tiempo de funcionamiento hasta el primer fallo
- intervalo medio entre fallos
-tiempo de funcionamiento medio entre dos fallos
- duración media del tiempo de avería
-disponibilidad momentánea y estacionaria
-mantenimiento
Algunos valores son calculados por separado utilizando cálculos matemáticos de probabilidad.
4
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
1.2.1 Principios técnicos de solución
En las técnicas de seguridad se aplican diferentes soluciones. Los principios descritos a continuación aclararán este concepto.
El principio del reparto de funciones asigna las diferentes funciones a
cumplir por un determinado elemento constructivo a diferentes elementos. De este modo un recipiente a presión puede estar cubierto en su
interior por acero afinado. Con esta capa interna se evita la corrosión del
recipiente. Las fuerzas que se producen a causa de la presión que tiene
lugar en el recipiente son asimiladas por acero corriente.
El principio de una existencia segura implica que cada parte individual
de un grupo de construcción, así como el grupo como tal pueden resistir el tiempo previsto de operación sin producirse ningún fallo. Por este
motivo cada grupo se diseña con un factor determinado de sobredimensionamiento.
El principio del fallo limitado permite que ocurra una avería, no debiendo
implicar esta ninguna consecuencia fatal. En este caso se cumplen las
siguientes condiciones:
- La perturbación debe limitar la función sin implicar peligro alguno para
las personas, objetos o medio ambiente.
- Tras producirse el fallo, el elemento debe funcionar tanto tiempo como
sea necesario invertir para pararlo y reemplazarlo.
-La función de fallo del elemento defectuoso debe ser reconocida claramente.
-Al fallar un elemento debe poder realizarse una valoración de la seguridad del conjunto.
En el principio de disposición múltiple varios elementos son dispuestos
de tal manera que los elementos adicionales realizan la función del
elemento defectuoso. Este principio se conoce también con el nombre
de redundancia.
Hay dos clases de redundancia: redundancia pasiva y redundancia activa.
En el caso de la redundancia activa todos los grupos de construcción están en funcionamiento, pero la función a reemplazar puede ser realizada por tan solo uno de los grupos de construcción. Como consecuencia
la vida útil se ve reducida a pesar de que no se producen problemas
durante su funcionamiento.
En el caso de la redundancia pasiva los grupos de construcción que
realizan las funciones en caso de avería se mantienen en reserva.
Para ser activados deben ser conectados.
El principio de disposición múltiple realizado de diferentes maneras es
similar a la redundancia. Sin embargo en los grupos de construcción con
la misma función se aplican principios de activación diferentes. Por ejemplo una bomba puede presentar un motor eléctrico y su correspondiente
bomba de reserva puede ser activada por un motor de combustión interna.
5
Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
1.3 Seguridad en equipos neumáticos.
La norma DIN EN 983 recoge los requisitos técnicos de seguridad que se aplican a equipos de fluidos y sus componentes.
Esta norma contiene principios y reglas para realizar el diseño, construcción y acoplamiento de los elementos o sistemas. Además contiene
manuales de instrucciones para el montaje, ajuste, operación y mantenimiento. Los puntos más importantes se exponen a continuación.
Los elementos empleados en el equipo deben ser utilizados bajo las
condiciones de operación proporcionadas por el fabricante y el proveedor. El movimiento mecánico no deben suponer peligro alguno para las
personas .
El aire emitido no debe causar ningún daño.
Conectar y desconectar la fuente de energía, así como la reducción y
la pérdida de energía o la presencia de energía tras la caída no deben
causar ningún peligro. No debe dañarse ninguna persona a causa de la
pérdida o caída de presión producida al superar un valor crítico.
Los aparatos deben ser diseñados y construidos de tal manera que
todos los elementos sean accesibles y puedan ser instalados de manera
segura. Su mantenimiento y cambio también debe de poder realizarse
de manera segura.
Con ayuda de los mecanismos de protección se debe asegurar que no
se exceden los parámetros de los aparatos. Por ejemplo en equipos
neumáticos se debe mantener la presión de trabajo máxima a través de
válvulas de sobrepresión (válvulas de seguridad).
Los accionadores neumáticos como los cilindros o los motores están
diseñados para diferentes usos en función de su construcción. Los
valores de presión, momento de giro o revoluciones así como la fijación
y conexiones fijados por el fabricante deben ser respetados.
Se debe considerar que los accionadores son instalados de tal manera que estos pueden soportar todas las fuerzas previsibles. Más
datos adicionales pueden ser tomados de catálogos o de manuales de
instrucciones.
6
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
En el caso de las válvulas neumáticas, para su montaje deben tenerse
en cuenta algunas consideraciones: el tipo de válvula, el lugar de montaje y su modo de fijación. Además debe tenerse en cuenta el tipo de
operación así como la operación auxiliar manual en el caso de válvulas
de accionamiento eléctrico.
Las válvulas deben ser marcadas de acuerdo a las reglas de identificación del equipo.
Los lubricantes utilizados deben ser compatibles con todos los elementos
del equipo, plásticos, juntas , tubos y tuberías.En este caso se deben
seguir las recomendaciones del fabricante.
Hoy en día para muchas válvulas se realiza un único engrasado que pone
a punto la válvula para toda su vida útil. En este caso no es necesario
enriquecer el aire comprimido con lubricante, ya que incluso se pueden
producir daños. Las válvulas que han sido alguna vez engrasadas con
un engrasador deben seguir engrasándose así.
Los tubos de aire comprimido deben ser colocados de tal manera que
estos no puedan ser empleados para usos no especificados por el fabricante como por ejemplo como escaleras. No se permiten conexiones
incorrectas que puedan causar daños.
Los tubos o las conexiones de los tubos no deben dañar el proceso. La
accesibilidad en el montaje, reparaciones e intercambio de los grupos
de construcción no deben ser perjudicados.
Los canales, los tubos y las conexiones no deben contener cuerpos extraños. Las tuberías deben ser sujetadas firmemente en sus extremos. Los
elementos de fijación no deben ser soldados a las tuberías. Las tuberías
no deben ser dañadas por los elementos de sujección de las mismas.
Las tuberías no deben emplearse para sujetar aparatos. En la tecnología
neumática las tuberías pueden ser también de plástico. En este caso se
deben considerar también las propiedades técnicas que requiere dicha
tubería.
Los principios contenidos en la norma DIN EN 286-1 son aplicados a
recipientes a presión. Estos deben situarse en la medida de lo posible
en zonas frescas y deben ser accesibles para su operación.
A los recipientes a presión se les aplica un tratamiento final para la
protección contra la corrosión. Este es válido sobre todo en ambientes
agresivos, pero por otra parte debe considerarse también que el aire
comprimido puede contener agua.
Se deben prever los elementos necesarios para poder llevar a cabo la
operación de filtrado y de drenaje. Los recipientes no metálicos deben
contar con una protección extra para evitar explosiones.
7
Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
1.4 Seguridad en equipos hidráulicos
La norma DIN EN 982 recoge los requisitos técnicos de seguridad que se aplican a los equipos hidráulicos y a sus componentes.
Esta norma contiene principios y reglas para realizar el diseño, construcción y acoplamiento de los elementos o sistemas. Además contiene
manuales de instrucciones para el montaje, ajuste, operación y mantenimiento. Los puntos más importantes se exponen a continuación.
Los elementos empleados en el equipo deben ser utilizados bajo las
condiciones de operación dadas por el fabricante y el proveedor. El movimiento mecánico no debe suponer peligro alguno para las personas .
Todos los elementos deben estar protegidos frente a los valores de
presión por encima de la presión máxima de trabajo. Esto se lleva a
cabo normalmente a través de la instalación de válvulas de control de
la presión.
En el diseño, construcción y montaje del equipo se debe tener en cuenta
que los golpes de presión deben reducirse al mínimo. Los golpes de
presión no deben representar peligro alguno.
La conexión y desconexión de la fuente de energía, así como la reducción y la pérdida de energía o la presencia de energía tras la caída no
deben causar ningún peligro. No debe dañarse ninguna persona a causa
de la pérdida o caída de presión producida al superar un valor crítico.
Una fuga interna en los elementos de construcción no debe implicar
ningún riesgo.
Los aparatos deben ser diseñados y construidos de tal manera que
todos los elementos sean accesibles y puedan ser instalados de manera
segura. Su mantenimiento y cambio también debe de poder realizarse
de manera segura.
Durante el diseño y la construcción de aparatos se deben de tener especialmente en cuenta las condiciones que tienen lugar ante oscilaciones,
altas o bajas temperaturas, suciedad en el medio, fuego o peligro de
explosión.
Además debe evitarse cualquier generación de calor innecesaria. Se
debe proporcionar el rango total de medida de la temperatura en el
aparato. No debe superarse la máxima temperatura de trabajo del medio
a presión.
Tuberías y tubos no deben dificultar las tareas de montaje y mantenimiento. El desmontaje del aparato dentro de operaciones de mantenimiento
no debe provocar elevadas pérdidas de líquido. Asimismo en este caso no es necesario vaciar el recipiente.
8
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
Los accionadores neumáticos como los cilindros o los motores están
diseñados para determinados usos en función de su construcción. Los valores de presión, momento de giro o revoluciones, la fijación, las
conexiones así como las líneas de fuga y purga de aire fijados por el
fabricante deben ser respetados.
Se debe considerar que los accionadores se montan de tal manera que estos puedean soportar todas las fuerzas previsibles. Más datos
adicionales pueden ser extraídos de los catálogos o de manuales de
instrucciones.
En el caso de los cilindros hidráulicos debe prestarse atención especial
a la seguridad de pandeo, el impacto de rotura, la alineación, la fijación
así como a la purga de aire o agujeros para la salida de aire. La biela
debe también de protegerse de manera adecuada.
En el caso del montaje de válvulas hidráulicas se deben considerar algunos puntos: el tipo de válvula y tipo de montaje, la posición de montaje,
su fijación así como la posible combinación o asociación de las válvulas.
Además debe tenerse en cuenta el tipo de operación, así como la operación auxiliar manual en el caso de válvulas de accionamiento eléctrico.
Las válvulas deben ser marcadas de acuerdo a las reglas de identificación del equipo.
El tipo y las propiedades del fluido a presión presente en el sistema
deben ser definidas. Aquí no basta con incluir el nombre de la marca
del fabricante. El fluido debe ser compatible con todos los elementos de
construcción.
Considerar el uso de fluidos inflamables en caso de que exista peligro
de incendio.
Durante el funcionamiento del aparato es necesario llevar a cabo operaciones de mantenimiento de manera regular y controlar la suciedad acumulada en los elementos. Por este motivo deben de controlarse los
filtros de manera regular.
En general al trabajar con el fluido a presión deben implementarse las
medidas de seguridad. La higiene también debe de mantenerse y no
debe desecharse más fluido que el imprescindible. Los canales, los tubos y las conexiones no deben contener cuerpos
extraños. Los tubos deben de disponerse de tal manera que no puedan ser utilizados para usos extraños.
Para tubos de goma existen determinadas reglas de montaje. Los tubos
no deben presentar radios de flexión demasiado pequeños y estos no
deben de estar comprimidos, estirados o retorcidos.
Los recipientes que contienen el fluido deben ser capaces de contener la
cantidad total de fluido así como de disipar el exceso de calor generado.
9
Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
1.5 Seguridad en equipos eléctricos
La prevención de accidentes eléctricos es de extrema importancia. El
número de accidentes eléctricos con consecuencias mortales en relación al número total de accidentes es muy elevado. Esto se basa en el
hecho de que la energía eléctrica no puede ser percibida directamente
por las personas.
La medida de seguridad establecida para proteger a las personas del
efecto de la energía consiste en la protección contra el contacto directo.
Esto se puede lograr aplicando las siguientes medidas:
-utilizando materiales aislantes
-haciendo imposible el acceso a los conductores de la tensión
-mediante mecanismos de protección que evitan el contacto
En casos especiales se puede aislar la localidad por completo.
La protección para evitar el contacto directo puede deteriorarse con el
paso del tiempo o con la degradación del aislante y producirse así el
contacto con partes conductoras de la tensión.
Es necesario contar con medidas de protección contra tensiones demasiado elevadas cuando la tensión entre el conductor y la toma de tierra
en las redes que durante su funcionamiento normal están conectadas
a tierra o la tensión en redes sin conexión a tierra supera una tensión
nominal de 65 V.
Las medidas de protección que evitan la presencia frecuente de una
tensión de contacto demasiado elevada son las siguientes:
-conexión de protección a tierra
-conexión a neutro
-tensión de defecto-protección a tierra
-corriente de defecto- conexión de protección
-corriente separada de defecto -conexión de protección
Las medidas de protección que evitan el contacto con una tensión demasiado elevada son las siguientes:
-aislante protector
-protección de baja tensión
-conexión de protección a tierra
-sistema de conexión a tierra
La protección de baja tensión se aplica especialmente en casos de peligro elevado, por ejemplo en juguetes para niños.
10
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
Los electromotores deben protegerse contra sobrecarga, cortocircuito
y contra conexión a tierra o conexión de las masas.
En la elección del elemento de protección del motor se debe tener en
cuenta la conexión del motor. Por otro lado se debe tener en cuenta
la sobrecarga. Estos factores son diferentes dependiendo de la fase
del proceso: arranque, frenado o funcionamiento continuo.
Para la protección del motor se diferencian las siguientes medidas:
- El motor es protegido contra un cortocirtuito por medio de fusibles.
Disipadores bimetálicos actúan como protección contra la sobreintensidad de corriente.
- En los interruptores del motor se encuentran aparatos con disipadores electromagnéticos de cortocircuitos y disipadores bimetálicos.
Se pueden utilizar también fusibles.
- Los fusibles se pueden combinar también con sensores térmicos.
Estos están compuestos de un bimetal y se unen directamente al
bobinado del motor. De esta manera se puede controlar directamente la temperatura en el motor, lo que se considera una protección
completa del motor.
- Conductores frios se utilizan también en lugar de interruptores bimetálicos. Su resistencia aumenta con el aumento de la temperatura,
lo cual es detectado por un dispositivo de medida.
En los motores asincrónicos de corriente alterna debe controlarse si
se produce un fallo de una de las tres fases.
En la conexión en Y la corriente aumenta debido a los otros bobinados activando el interruptor protector del motor.
En la conexión en triángulo por el contrario aumenta la corriente en
un bobinado mientras que disminuye ligeramente en los otros dos.
El interruptor protector del motor no puede ser activado cuando la
carga del motor es pequeña y este puede quemarse. En este caso
la medida de protección más segura es un conductor frio en cada
bobinado del motor.
En los circuitos eléctricos de control se implementan muchas medidas para mejorar la seguridad. Una posibilidad es el montaje de
elementos de conmutación lógicos redundantes.
En caso de peligro es importante desconectar una máquina con ayuda de un dispositivo de desconexión de emergencia para llevar a la
máquina a un estado donde no existe tensión eléctrica en el sistema.
11
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
2 Puesta en marcha
2.1 Introducción
La puesta en marcha es la última fase en la fabricación de un producto.
Esta fase incluye todos los tareas necesarias para poner en marcha los
elementos de construcción, máquinas o aparatos complejos asegurando
una correcta función de estos.
Durante la puesta en marcha de los aparatos y máquinas no se comprueba si estos presentan un estado adecuado para un funcionamiento
normal, sino que esta tarea se realiza durante el control de calidad. En el proceso de puesta en marcha se debe diferenciar principalmente entre la primera puesta en marcha y las posteriores. Durante la primera
puesta en marcha la máquina se pone en funcionamiento por primera
vez. En este caso puede ocurrir que se pongan primero en funcionamiento algunas partes individuales antes de que la máquina entre en
funcionamiento en su conjunto.
Las puestas en marcha posteriores se realizan debido a los fallos producidos en la máquina y que no permiten que esta siga funcionando.
Antes de poner la máquina de nuevo en funcionamiento deben realizarse
Planificación
Montaje
Puesta en marcha
Operación continua
Puesta fuera de servicio
Desmontaje, eliminación Obrázek 1: Životní
cyklus přístrojů nebo zařízení
de chatarra
Figura 1: Ciclo de vida útil de aparatos o máquinas
12
Vuelta a poner en
marcha
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
2.2 Instrucciones para la puesta en marcha
Los problemas que ocurren durante la puesta en marcha son debidos
normalmente a dificultades o problemas en otras fases. La búsqueda
de un fallo que implique un gran esfuerzo e inversión de tiempo puede
ser provocada por ejemplo por un fallo causado durante el proceso de
construcción. Aunque por otra parte puede deberse a que la puesta
en marcha no se haya preparado de manera eficiente.
Según la experiencia los fallos que ocurren más frecuentemente
durante la puesta en marcha son los siguientes:
- Los errores presentes en los programas del PLC (PowerLine
Comunications)
- Los módulos del programa no están suficientemente estructurados
- Los grupos de construcción o partes adicionales no están montadas
correctamente o no están bien acopladas
-Faltan grupos de construcción o partes de la máquina
- Fallos en la instalación eléctrica. A menudo estos son provocados
por el montaje de cables en la caja de contactos
- Las conexiones de los tubos de goma y tuberías están mezclados
El constructor es la persona responsable de diseñar la máquina para
garantizar que esta pueda ser puesta en marcha de manera correcta.
Este debe prestar atención también al diseño de los elementos individuales con tal de hacer más fáciles las tareas necesarias durante
la puesta en marcha o incluso para eliminar dichas tareas.
Un diseño del producto adecuado para la puesta en marcha puede
conducir a que se puedan realizar pruebas con anterioridad o a que
sea posible la puesta en marcha parcial.
Para realizar una prueba de ensayo o una puesta en marcha preliminar
los grupos de construcción deben poder montarse previamente, poder
funcionar correctamente y disponer de las interfaces de conexión
necesarias con otros grupos de construcción.
En el ensayo preliminar de los grupos de construcción se puede
comprobar por ejemplo si los componentes están correctamente
montados o su comportamiento frente a la temperatura y la emisión
de ruidos. Durante el ensayo preliminar también se comprueba la
función correcta del grupo de construcción.
La puesta en marcha puede incluir además las siguientes tareas:
- La configuración de los interruptores de fin de carrera.
- La configuración de válvulas neumáticas o hidraúlicas.
- El acabado de las partes defectuosas.
- El ajuste de los accionadores.
Un ensayo preliminar se realiza preferentemente en unidades que
presentan una función independiente determinada. Esto ocurre a
menudo en el montaje de plantas, pero no en el campo de la ingeniería
mecánica donde varias partes llevan a cabo diferentes funciones de
la máquina .
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Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
2.3 Puesta en marcha de equipos neumáticos
Para asegurar un funcionamiento sin fallos de los equipos debe prestarse atención a las normas de montaje y funcionamiento dadas por el
fabricante o por el proveedor. Contar conuna documentación técnica
completa y el reglamento de puesta en marcha es de gran importancia.
Para aparatos electroneumáticos además de las normas proporcionadas
por el fabricante deben tenerse en cuenta una serie de normas generales.
Para el montaje o instalación de aparatos electroneúmaticos se debe
comprobar si los datos técnicos prescritos de tensión y tipo de corriente
son compatibles con las conexiones y los datos técnicos del fabricante.
En aparatos neumáticos el aire comprimido es conducido a través
de tubos flexibles de plástico o goma. Estos deben ser instalados de
acuerdo a las instrucciones proporcionadas por el fabricante. Se deben
evitar pliegues provocados por radios de flexión cortos, compresión y
rozamiento. Además se deben fijar los tubos de tal manera que no se
produzcan movimientos no deseados debido a variaciones de la presión en la red de aire. Los puntos de fuga no pueden evitarse siempre al
100%, pero debe procurarse que el número de estos sea tan pequeño
como sea posible.
Las partes en movimiento como bielas o cilindros deben ser protegidas adecuadamente para evitar cualquier peligro para el usuario debido al
movimiento de estas piezas.
2.3.1 El uso de engrasadores
Los engrasadores enriquecen el aire comprimido con aceite para que
así las partes móviles sean engrasadas. Para muchos componentes
neumáticos basta con un único engrasado que pone a punto el componente durante toda su vida útil. Por este motivo y también debido a que
el uso de engrasadores conlleva a menudo problemas, debería evitarse
el uso de aire comprimido enriquecido con aceite.
Sin embargo el enriquecimiento del aire comprimido con aceite es necesario en los siguientes casos:
-Los elementos de construcción han funcionado anteriormente con aire
comprimido enriquecido con aceite.
-Los cilindros se mueven muy rápidamente.
-En actuadores rotativos como por ejemplo en los motores de láminas
Para un uso correcto del engrasador se deben añadir un par de gotas por
metro cúbico de aire comprimido. Para volúmenes conocidos se pueden
dar valores del número de gotas por minuto a añadir.
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Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
Para comprobar si la configuración del engrasador es correcta debe
elegirse para el test el cilindro que se encuentre más alejado. Para ello
se coloca una hoja blanca de papel delante de la ventilación de la válvula distribuidora que controla dicho cilindro. La distancia debe ser de
unos 10 cm.
Durante el funcionamiento del cilindro debe depositarse en el papel una
capa delgada de aceite. Así se asegura que el aceite llegue hasta ese
cilindro. Un exceso de gotas de aceite restantes sobre el papel indica
un exceso de engrasado del aire comprimido.
Sólo debe emplearse el aceite indicado por el fabricante. En ningún caso
debe rebajarse el aceite con petróleo, ya que este disuelve las grasas.
A continuación se citan algunas de las propiedades importantes de un
buen aceite:
- Elevada resistencia al envejecimiento
2.3.2 Realización de la puesta en marcha
En cada nueva máquina, máquina reconstruida o reparada existe el
peligro de que un cilindro se mueva incontroladamente. Esto puede
producir daños en el personal o daños en la máquina. Por este motivo
deben elaborarse instrucciones para la puesta en marcha.
Durante la puesta en funcionamiento se deben de considerar los siguientes puntos:
- Antes de poner la máquina en marcha debe controlarse que no exista
presión interna.
- Todos los elementos deben encontrarse en la posición inicial.
- Se deben comprobar las posiciones de las válvulas de impulso. Estos
pueden cambiarse manualmente o utilizar un impulso de ajuste.
-Las válvulas de estrangulación que determinan la velocidad de la biela
deben estar cerradas.
- La presión debe ser aumentada lentamente. Esto puede realizarse
mediante un regulador de presión manual o de forma automática.
- Las válvulas de estrangulación deben abrirse despacio.
- Debe realizarse un test de prueba sin piezas. Después el proceso
puede dividirse y realizarse en diferentes fases. La posterior activación
de las diferentes partes puede realizarse como un servicio por pulsador.
- Se deben controlar las posiciones de los interruptores de los cilindros.
Estos deben de poder accionarse de manera segura y no deben estar sobrecargados.
- Se debe realizar un nuevo test con una pieza.
- Se debe comprobar si las fuerzas y la velocidad definidas son alcanzadas.
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Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
2.3.3. Inspección
Durante el funcionamiento de un máquina debe considerarse lo siguiente:
- Se debe realizar un control continuado de la función, rendimiento y
el estado del sistema neumático.
- La temperatura ambiente debe estar comprendida en los intervalos
de temperatura permitidos para cada elemento.
- Se debe comprobar regularmente el nivel del fluido en el engrasador.
En caso necesario este se debe rellenar con aceite.
- Se debe comprobar regularmente el nivel de líquido en el decantador
de agua. En caso necesario debe vaciarse el recipiente.
-Los filtros deben de cambiarse de manera regular o en caso necesario
- La presión del sistema debe controlarse regularmente.
-Las cubiertas protectoras y mecanismos de seguridad deben estar
presentes y funcionar correctamente.
-Los aparatos o elementos de construcción deben de estar sujetos
correctamente.
- Los aparatos neumáticos deben someterse a un test de fugas. Deben
eliminarse las fugas detectadas.
Adicionalmente se deben controlar los elementos siguientes de un
sistema neumático:
- El estado del engrasador.
- El estado del filtro y del decantador de agua.
- La función del indicador.
- El estado general de la red de tuberías.
- La accesibilidad a los diferentes aparatos.
Al trabajar en la máquina se debe considerar siempre la carrera del
cilindro. ¡Los cilindros pequeños también pueden causar daños!
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2.4 Puesta en marcha de equipos hidráulicos
Antes de llevar a cabo el montaje o la instalación debe comprobarse si
las conexiones de los elementos electrohidráulicos son compatibles con
los datos técnicos indicados de tensión y tipo de corriente.
Durante el montaje o la instalación deben seguirse las instrucciones y
esquemas proporcionados por el fabricante. Las tuberías deben montarse
de acuerdo al diagrama de tuberías suministrado junto con el equipo.
Los tubos no deben estar bajo tensiones mecánicas después de ser
montados. No deben producirse oscilaciones y otros movimientos que
puedan provocar daños.
Si se emplean tubos de goma debe prestarse especial atención a que
estos sean suficientemente largos y no presenten ningún radio de flexión demasiado pequeño. Las tuberías y tubos de goma no deben tener
puntos de rozamiento ni estar doblados o apretados.
Se debe comprobar la limpieza de las tuberías antes de montarlas y
limpiarlas en caso necesario. Deben comprobarse las partes internas de
tuberías que han sido soldadas o dobladas por aplicación de calor para
constatar la ausencia de cascarillas. La limpieza de tuberías y tubos de
goma sin válvulas y cilindros elimina las impurezas presentes.
En las tuberías de fuga no debe producirse ningún atasco. El fluido hidráulico debe poder fluir libremente de regreso al tanque .
En caso necesario se deben proteger las partes abiertas del cilindro
como por ejemplo la biela. Las partes móviles no deben suponer tampoco
peligro alguno para el personal.
2.4.1 Llenado del equipo con fluido hidráulico
El recipiente, las tuberías, los tubos de goma y los filtros deben de estar
limpios y libres de impurezas antes de proceder al llenado del equipo
hidráulico.
En el proceso se debe tener en cuenta si las válvulas presentes deben
estar abiertas o cerradas para cumplir sus funciones correspondientes.
En los recipientes hidráulicos no debe permitirse el acceso de aire no
filtrado. El filtro para la entrada y la salida de aire debe funcionar correctamente.
Sólo puede utilizarse el aceite hidráulico indicado por el fabricante. Se
debe prestar especial atención al tipo, viscosidad y demás propiedades
del aceite.
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Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Durante el llenado del fluido hidráulico debe prestarse especial atención
a la limpieza. El fluido puede contener agua o suciedad incluso en los
tanques de almacenamiento. Por este motivo el aceite a añadir debe
también ser filtrado. No se permite la presencia de agua en el equipo.
Los hidroacumuladores deben ser llenados con especial cuidado. Los
hidroacumuladores con gas solo debe ser pretensados con nitrógeno.
Las directrices dadas por el fabricante deben ser tenidas en cuenta.
Antes de la puesta en marcha debe comprobarse la dirección de giro de
la bomba hidráulica. Esto se comprueba encendiendo la bomba durante
unbreve período de tiempo. El equipo no debe estar presurizado en ese
momento con tal de que no se establezca presión al comienzo. La línea
de succión de la bomba debe estar abierta.
2.4.2 Realización de la puesta en marcha
Durante la puesta en marcha deben de considerarse los siguientes
puntos:
-Antes de cargar el equipo hidráulico debe realizarse un test de una hasta
cuatro horas con el equipo vacío.
- Se debe instalar una válvula de seguridad siguiendo los requisitos
especificados por el fabricante. Finalmente se debe precintar la válvula
de tal manera que la presión no pueda ser modificada.
-Deben colocarse las válvulas de estrangulamiento, reguladores de caudal y válvulas de presión . Estas válvulas deben ser también precintadas.
- Durante el funcionamiento del equipo en vacío deben controlarse la
presión, el nivel de aceite, las temperaturas de la bomba y del motor de
propulsión del aceite hidráulico. Se debe realizar un control para evitar
la aparición de fugas.
-El equipo debe ser aireado después de arrancar la bomba hidráulica.
Esta acción debe repetirse cuando el aceite hidráulico ha alcanzado su temperatura de trabajo. También se debe comprobar nuevamente
el nivel del fluido.
- Después de la marcha en vacío se debe cargar el sistema. Durante la
carga la presión debe ser controlada de forma continuada. En esta fase
debe también prestarse atención a las fugas, ante todo en las uniones
roscadas y cierres. Las fugas solo pueden ser selladas cuando no hay
presión en el sistema.
- Después de que las condiciones normales de trabajo sean alcanzadas
se realiza un control de las velocidades del cilindro y del accionador. Los
valores medidos deben escribirse en el protocolo. Los posibles defectos
deben ser anotados también en el protocolo. No deben sobrepasarse
las temperaturas permitidas.
- Se deben limpiar los filtros presentes después de su puesta en marcha,
especialmente cuando se usan válvulas proporcionales y de control.
- Durante la puesta en marcha de bombas de émbolos axiales debe tenerse en cuenta que estas no pueden aspirar el fluido por ellas mismas.
Estas deben llenarse primero con aceite hidráulico. - En el cambio de bombas debe tenerse en cuenta que en las bombas
frías no debe ser utilizado aceite caliente.
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Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
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2.4.3. Inspección
Durante el funcionamiento de un máquina debe considerarse lo siguiente:
-La función, el rendimiento y el estado del equipo hidráulico deben
ser controlados de manera continua.
- Se debe prestar especial antención a la temperatura del fluido hidráulico y su enfriamiento
- El nivel de fluido debe ser controlado de manera regular En caso
necesario debe rellenarse más cantidad fluido. Un aumento del nivel
de fluido indica la presencia de agua.
- La presión del sistema debe ser controlada de forma continua. Cualquier desviación de la presión provoca un funcionamiento incorrecto
del sistema.
- Las bombas y motores deben funcionar de modo relativamente
silencioso.
- Las cubiertas protectoras y mecanismos de seguridad deben estar
presentes y funcionar correctamente. Los aparatos o elementos de
construcción deben de estar también correctamente sujetos.
- En el equipo hidráulico también es importante la ausencia de fugas.
Las fugas deben ser cerradas cuando el equipo esté apagado.
Los equipos hidráulicos deben controlarse regularmente. Para estos
controles deben considerarse los siguientes puntos:
- Debe controlarse el estado del fluido hidráulico
- También debe controlarse la suciedad en tamices o filtros y proceder
a su cambio cuando sea necesario. El correcto funcionamiento de los
separadores magnéticos también debe ser controlado y en caso de
producirse la acumulación de suciedad se debe proceder limpiarlos.
- El funcionamiento de la pantalla del aparato debe también ser
controlado
- Debe comprobarse la accesibilidad a todos los elementos de construcción.
- El estado general de la red de tuberías debe ser evaluado.
- Los acumuladores de presión requieren una atención especial. En
los acumuladores de presión con gas debe comprobarse la presión
de tensión y corregirla en caso necesario.
Los equipos hidráulicos con válvulas de control también requieren
una atención especial. Debido a su sensibilidad a la suciedad deben
considerarse los siguientes puntos durante el proceso de limpieza:
- Desmontar las válvulas de control antes de la limpieza y colocar en
su lugr elementos de drenaje. De este modo la línea de presión y la
línea de reflujo están conectadas entre si. Las tuberías en dirección
al cilindro quedan bloqueadas.
- Antes de comenzar con la limpieza el elemento filtrante del filtro de
presión debe ser eliminado .
- Después de acabar la limpieza del equipo el elemento filtrante puede ser montado de nuevo y el filtro del reflujo puede ser cambiado.
- Limpiar de nuevo el equipo y montar de nuevo la válvula de control.
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Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
2.5 Puesta en marcha de aparatos eléctricos
Antes de poner en marcha un accionador eléctrico, este debe ser
sometido en primer lugar a un test. En este test se debe probar que el
accionador cumple las características técnicas de la máquina.
En el primer ensayo en el campo de pruebas el accionador es conectado
a la tensión eléctrica. Además de los valores de electricidad, determina
también la consistencia mecánica. En este proceso se investigan las
siguientes propiedades:
- La temperatura que resulta del calentamiento de la máquina en funcionamiento.
- La capacidad de sobrecarga producida por corrientes eléctricas elevadas o momentos de giro de gran magnitud.
- El número de revoluciones es igual al número nominal de revoluciones
multiplicado por un factor de 1,2. La duración del número de revoluciones
elevado es de dos minutos.
- La resistencia del aislante de las bobinas del equipo.
- El momento de inercia de la masa del equipo.
Es posible que las propiedades individuales presenten desviaciones
respecto de los valores ideales. En la medida en que los valores estén
dentro del rango definido por las tolerancias, la máquina puede ser entregada y puesta en marcha por los clientes.
Antes de ponerla en funcionamiento deben realizarse otras pruebas
adicionales. Los datos resultantes más importantes deben ser recogidos.
Para las pruebas se deben seguir los protocolos existentes.
Algunos de estos valores en el caso de los electromotores son la intensidad de corriente nominal, la intensidad de corriente máxima, la frecuencia y el número de revoluciones. También se debe tener en cuenta la
ventilación del motor y los interruptores de protección.
Durante la puesta en marcha se deben considerar los siguientes puntos:
- Se debe comprobar la correcta instalación de los fusibles.
-Después de encender el equipo se debe medir la tensión presente en
ese momento.
- Se debe controlar la dirección de rotación del motor.
- Se deben comprobar los interruptores de protección del circuito de
mando.
Los bornes, escobillas y los elementos de sujeción de las escobillas
deben ser controlados de manera visual.
- El ajuste mecánico y conexión del motor con las partes operativas del
equipo deben ser controlados.
De manera general se puede concluir que se debe controlar si las normas y directivas dadas se cumplen
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Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
2.6 Puesta en marcha de controladores lógicos programables
Al contrario que en los controladores lógicos con relé y contactores ,
en los controladores lógicos programables es posible hacer un test por
separado del programa o software y del hardware. Para esto se requiere
de un programa de simulación.
El ajuste de las entradas y el control del encendido de las salidas puede
ser realizado con un simulador de hardware. Las entradas del controlador PLC son activadas de manera selectiva mediante interruptores sin
tensión. La activación de las salidas se indica normalmente a través de
diodos luminosos o lámparas.
Sin embargo también es posible ajustar las entradas individuales con el
software y así controlar los módulos individuales del programa.
El programa se prueba en el aparato de programación con el que está
conectado el controlador PLC.
El monitor del aparato programador permite observar el desarrollo del
programa del programador PLC.
2.6.1 Fallos típicos de programación
Antes de realizar el test se deben comprobar los siguientes errores
típicos en el programa del controlador PLC:
-Indicadores, salidas, elementos de tiempo, contadores u otras variables
no son arrancados por el programa.
-Las direcciones de indicadores u otras variables son asignados más
de una vez. Esto conduce a diferentes resultados en distintas partes
del programa.
El software de programación actual reconoce estos errores y alerta a
los programadores.
Después de corregir los fallos en el programa, este puede ser cargado
en el controlador PLC. Se debe guardar el programa creado ya que al
controlador PLC solo se transfiere el código de programación. Sólo de
esta manera puede ser más tarde modificado el programa del controlador PLC.
Antes de montar el controlador PLC debe comprobarse que la tensión
de trabajo del controlador PLC y las tensiones de entrada y de salida
son compatibles con los valores de tensión del equipo
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Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
3. Búsqueda de errores
3.1 Definición
Un error se define de acuerdo a la norma DIN 31051 de la siguiente
manera: Un error implica el no cumplimiento de un requisito referente a
un rasgo esencial de una unidad observada.
La función se define a través de la operación, acción, propósito u objetivo
del objeto observado.
Una función de error se define como una función que no se puede llevar
a cabo como se desea o no tiene lugar.
Al contrario que una función de fallo, una perturbación es la interrupción
de una función específica de un objeto observado.
En el caso de una avería se produce la interrupción de una función específica debido a motivos relacionados con el objeto mismo cuando este
está operando dentro del rango de operación permitido.
La causa de una perturbación o de una avería es por tanto el fallo.
3.2 Localización y resolución de problemas y errores durante la puesta en marcha
La búsqueda de perturbaciones y errores durante la puesta en marcha de
controles hidráulicos, neumáticos y eléctricos requiere un orden. Cuanto
más complicada sea la estructura de los controles, más importante es el método de búsqueda de errores.
Una completa documentación que refleje el estado técnico real es de
gran ayuda para el personal encargado de la puesta en marcha. Dentro
de esta documentación podemos encontrar:
- documentos técnicos como los diagramas de operación hidráulicos,
neumáticos y eléctricos, diagramas de circuitos, planos de localización
con valores para la instalación, listas de aparatos y de piezas,
- documentación técnica con instrucciones de uso para determinados grupos de construcción, descripciones técnicas y diagramas de
funciones,directivas para la puesta en marcha,
- manual de puesta en marcha,
- instrucciones de mantenimiento,
- manual de instrucciones para el análisis de fallos.
22
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
3.3 Procedimiento para la búsqueda de problemas y fallos
Cuando una perturbación o un fallo aparecen en un sistema complejo esto
se ve indicado por una función de fallo. Se produce una suspensión de
la función del equipo. Para que la causa del error o perturbación pueda
ser localizada y eliminada rápidamente la secuencia de la búsqueda
debe realizarse en el orden adecuado.
1. Diagnóstico de la perturbación (determinación de la perturbación,
acústicamente, ópticamente)
2. Limitación del campo de error por medio de herramientas auxiliares (por ejemplo mediante un diagrama de funciones o un diagrama de
operación)
3. Eliminación del error o perturbación.
3.3.1 Búsqueda de problemas y errores mediante diagramas de función
El diagrama de funciones ofrece un modelo apropiado para limitar para
limitar tanto perturbaciones como fallos técnicos. Los diagramas lógicos,
los diagramas de rutinas funcionales o diagramas de marcha del programa son también muy válidos para esto. El diagrama de funciones
junto con el diagrama de operación representan una combinación muy
buena a usar en la búsqueda de fallos.
3.3.2 Búsqueda de problemas y errores mediante programas de depuración
Ejemplo
El trabajo continuo con programas de búsqueda de errores y la experiencia adquirida durante la búsqueda de errores en equipos especiales y
sistemas hacen que los programas de búsqueda de errores sean cada
vez mejores y más completos. Sin embargo el personal de mantenimiento
debe llevar debidamente los cuadernos de inspección y registrar todas
las perturbaciones.
La bomba hidráulica instalada produce un „ruido elevado“.
Esta descripción es un diagnóstico de la perturbación.
Después de realizar un diagnóstico lo más adecuado es emplear a continuación un programa de búsqueda de fallos ya existente.
Las preguntas se responden de manera secuencial. En el momento en
que se encuentra una posible causa del fallo, el procedimiento indicado
para la reparación deberá de ser ejecutado. A continuación debe comprobarse si el fallo fue resuelto en su totalidad. Para ello el programa de búsqueda de fallos se inicia desde el principio con tal de comprobar
la existencia de fallos
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Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
Ruido elevado
Sí
¿Están alineados la bom- No
ba y el electromotor?
Alinear la bomba, controlar el desgaste del acoplamiento
Sí
No
Rellenar el tanque con aceite
No
Limpiar el filtro en al línea de succión,
la línea de succión está doblada, la
viscosidad del aceite es demasiado
elevada, el número de revoluciones
de la bomba es demasiado elevado,
fallo de la bomba de alimentación, la
sección transversal de al tubería es
demasiado pequeña, eliminar la contracción o la zona oprimida en la línea
de succión
No
Sí
El final de la línea de succión no se haya
suficientemente profundo por debajo del
nivel medio de aceite, el final está muy
cercano a la línea de reflujo, fugas en
las conexiones de al línea de succión, el
aceite del reflujo contiene aire, el sello de
la bomba es defectuoso.
¿Puede succionar aceite No
al bomba?
Tanque demasiado hermético, cambiar el
filtro de aire. Comprobar la dirección de giro
de bomba
¿Es el nivel de aceite en
el tanque adecuado?
Sí
La corriente de entrada a la
bomba, ¿está sin estrangular?
Sí
El aceite succionado,
¿está libre de aire?
Sí
¿Se está utilizando el tipo No
de bomba adecuado?
Colocar el tipo de bomba adecuado
Sí
¿Ha disminuido el ruido? No
Figura 2:
24
Aislar acústicamente la bomba, tanque
y tuberías, disminuir el número de revoluciones, fijar las tuberías para disminuir
la velocidad del aumento de la presión,
modificar al retroalimentación en función de
la longitud de la tubería y la frecuencia de
la válvula de presión. Realizar una amortiguación pasiva del ruido.
Programa de búsqueda de fallos „ Ruido elevado de una bomba hidráulica“
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
3.4 Fallos comunes durante la puesta en marcha
De acuerdo a la experiencia existen una serie de fallos que tienen lugar
de manera más frecuente. Estos fallos deben de tenerse siempre en
cuenta. Entre estos fallos encontramos:
a)Fallos electroneumáticos:
- suministro insuficiente de aire comprimido al cilindro,
-presión de trabajo demasiado baja,
-líneas de conexión del cilindro cambiadas,
- los interruptores de proximidad no están colocados correctamente,
- conexión errónea de la entrada y salida al controlador PLC.
b) Fallos electrohidráulicos:
- las líneas de operación de presión y del tanque están mezcladas entre sí,
-ajuste incorrecto de la válvula de control de la presión,
- los interruptores de proximidad no están colocados correctamente,
- conexión errónea de la entrada y salida al controlador PLC.
c) Fallos eléctricos:
-los cables y líneas de conexión están mezclados,
- fallos en el cableado.
d)Fallos del controlador PLC:
- fallos en el software,
-fallos en el hardware.
3.4.1 Aplicación de controladores programables de memoria (PLC) para la búsqueda de errores
Si se usa un controlador PLC para controlar un sistema complejo es
recomendable realizar un test previo del control del sistema sin los
componentes hidráulicos, neumáticos y eléctricos del componente
de potencia (elementos actuadores, elementos accionadores, etc).
En función del fabricante del controlador PLC las funciones se llaman
de manera diferente pero presentan la misma funcionalidad. De cualquier manera se debe aprovechar la posibilidad de hacer un test del
programa del controlador PLC.
25
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Minos
3.5 Búsqueda de fallos durante la puesta en marcha
Ejemplo
1. Errores durante el encendido
Consecuencias:
El control no puede ser encendido. Todos los cilindros neumáticos con
una excepción están en posición final.
Búsqueda de error:
En primer lugar, debemos determinar si todos los cilindros están en
posición de inicio. El chequeo detecta que el cilindro 1A no está en
posición de inicio.
Por consiguiente, la posición del sensor del “drive in” no está activada
y el correspondiente aportación del controlador PLC no está establecido.
Esto también puede ser detectado mientras se ejecuta el test de la función
PLC o a través de la entrada LED. El control no puede ser empezado
porque una de las condiciones de comienzo no está en su sitio.
La pregunta “¿por qué el cilindro 1A no está introducido? deberá ser
respondida a continuación.
Una causa posible es que la válvula de impulso esté en posición incorrecta. La válvula debe ser devuelta a su posición inicial a través del
apoyo de operación manual. Si el cilindro 1A se mueve a su posición
inicial ahora, la posición del sensor “drive in” será activado y en control
podrá ser empezado.
El LED de la correspondiente salida de la retracción del cilindro nos
muestra la orden de la retracción. A pesar de la presencia de la señal,
el cilindro 1A no funcionará.
Ahora, debemos chequear cuál de las espirales de imanes en la válvula
están activadas. El test detecta que los conectores de las espirales de
imán están desordenados. Esto también puede ser detectado a través
del LED de los conectores. Después de la corrección, el cilindro funciona
y el control puede trabajar adecuadamente.
Antes de ejecutar las correcciones de los errores, el interruptor de apagado de emergencia debe ser activado para prevenir un accionamiento
inmediato después de que los errores hayan sido eliminados, lo que
puede causar lesiones.
El resultado de la búsqueda de errores:
Los conectores de las válvulas estaban desordenados durante el montaje.
Por eso, el cilindro 1A no estaba en su posición de inicio.
26
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
2. Ejemplo
Minos
Errores durante la puesta en marcha
Consecuencias:
Todos los cilindros están en su posición inicial pero la operación no
puede empezar.
Búsqueda de errores:
La función del test del PLC deberá ser usado primeramente para la
búsqueda de errores. Por lo tanto, el mando relativo deberá ser usado
para cambiar a la red, la cual dará la señal de inicio. Esta es la red 4 en
el ejemplo.
Está detectado que en esta red la señal de reajuste (reset) tiene el estado de señal 1 de acuerdo con la bandera M 2.0. La señal de reajuste
o puesta a cero es por consiguiente activa aunque no debería estar
encendida al principio.
Ahora debemos cambiar de red con la ya activada bandera M 2.0. Ésta
puede ser, por ejemplo, la red 9. Ahora es posible revisar por qué la
bandera M 2.0. está aun lista.
tacto ON
pre ON
Red 9
Reajustar la secuencia de tacto
&
presión H
tacto ON
pre ON
presión H
Figura 3: ;B3 cilindro de tacto retractado
;B5 cilindro de presión retractado
;B8 presión hidráulica cambiada
Ejemplo de una red de programa PLC.
27
Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Después de revisar la red detectamos que las dos posiciones finales
“drive in” del cilindro de tacto y el cilindro de apretar están activos. A pesar
de que las dos posiciones finales están activadas, la puerta de salida
AND no coge el estado 1 y la bandera M 0.5 no está lista.
Después viene una puerta OR. Ésta es suficiente para que señal de
entrada esté activa para colocar la bandera M 2.0 en la salida.
Detectamos que la salida “h_presión” (I 1.7) toma el estado 1. Esta señal
debe mostrar que la presión hidráulica ha excedido los límites permitidos.
Este error es ya presente aunque el suministro de la presión hidráulica
no esté aun encendido. Por consiguiente, tampoco hay presión aplicada.
La línea de presión en el manómetro tampoco indica ninguna presión.
Ahora deberíamos controlar por qué el interruptor de presión da una señal
a pesar de que no hay ninguna presión. Esto puede ser causado por un
defecto en el interruptor de la presión o por un error de conexión en el
hardware. El interruptor de presión debe ser conectado como contacto
obturados como está descrito en al documentación.
El resultado de la búsqueda de errores:
Está determinado, que el interruptor de presión no está correctamente
conectado. El contacto de apertura estaba conectado en vez del contacto
obturador. Por eso la presión “apagada” produce una señal.
Después de reconectar el contacto obturador, la señal del enchufe de
la presión no se vuelve a aplicar a la red 9 y la bandera M 2.0 no será
puesta en marcha. Ahora, todas las condiciones requeridas para la puesta
en marcha del control en la red 4 están en orden y la operación puede
ser empezada.
28
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
Ejemplo
3. Errores durante la puesta en marcha
Consecuencias:
Minos
El control funciona sin ningún problema. El cilindro 2A vuelve a su posición
de inicio pero el cilindro de presión hidráulica 3A no se mueve.
Búsqueda del error:
Se propone el siguiente procedimiento:
La señal “run out” para el cilindro 3A es generada por el interruptor de
posición final en el cilindro 2A de acuerdo al diagrama de función. El
mismo interruptor hace que el cilindro 2A ruede.
¿Es la señal de entrada del interruptor de posición final presente?
Sí, de lo contrario el cilindro 2A no rodaría.
Ahora empezamos con el test de función PLC.
¿ Está la correspondiente bandera de la secuencia de paso colocado
en el programa? ¿Y respectivamente, está el paso responsable del movimiento hacia fuera del cilindro hidráulico 3A activado?
Sí, el programa ha colocado la espiral magnética de salida en la posición
correcta.
¿Está esto indicado a través de la salida LED del PLC?
Sí, el LED brilla.
¿Está la correspondiente espiral activada?
Sí, esto puede ser examinado sacando el conector y metiéndolo de nuevo.
Se pueden escuchar sonidos de encendido. El LED de la espiral magnética brilla cuando el conector está adjunto.
29
Minos
Seguridad, puesta en marcha y teleservicio
La búsqueda debe seguir usando el diagrama de conexión hidráulica.
¿Está la presión puesta en el puerto de la válvula 4/2 de control direccional?
Sí, la presión está aplicada a la válvula de control direccional.
¿Están las líneas de conexión operacional del cilindro revueltas?
No, las líneas de conexión operacional del cilindro están conectadas
correctamente.
¿Está la presión puesta en la salida B de la válvula de control direccional?
Sí, la salida B de la válvula direccional está presurizado.
Esto significa que error debe estar entre el puerto B de la válvula de
control direccional y la conexión del cilindro en el lado del pistón o el
fluido hidráulico es incapaz de circular hacia la otra conexión del cilindro.
Antes de todo, tenemos que revisar la correcta instalación y funcionamiento de los componentes interyacentes. Estos componentes son:
-
-
Control de la válvula de retención
Interruptor de presión
El resultado de la búsqueda:
Es determinado que el control de al válvula de retención no ha sido
instalado correctamente. Ha sido instalado inversamente y por eso funciona como elemento bloqueador. Esto evita que el cilindro hidráulico
3A se agote.
Reinstalar la válvula de manera correcta hace que el control funcione
adecuadamente.
30
Mecatrónica
Módulo 8: Mantenimiento y
diagnóstico
Libro de Texto
(Concepto)
Jerzy Jędrzejewski
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
Mantenimiento y diagnóstico
Minos
Índice
1
Objectivos y tareas para el diagnóstico y la asistencia remota
5
2Sistema de diagnóstico7
3
Mantenimiento y reparación del sistema de diagnóstico
12
4Tendencias de desarrollo16
3
Minos
4
Mantenimiento y diagnóstico
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
1
Minos
Aims and tasks of remote diagnostics and servicing
Modern ma chine syste ms are highly automate d. The contr ol systems
used in the automation perform their tasks on the basis of instructions
(control decisions) gene rated in microprocessor s, processor s or computers. Cont rol decision s are take n on the basis of signals from sensors lo cated in executin g mechatronic system components, supplyin g
information about the condition of the latter and about the performance
of the tasks. The inform ation is use d to infer a bout system operation
and task (process) performance correctness and to evaluate the intensity of distur bances resulting in error s which need to be actively minimized and compensated. The contro l is condu cted according to an algorithm whi ch takes int o account a ll the factor s having a bearing on
the functioning of the mechatronic system and on the perfo rmance of
the processes. In many cases cont rol functions are carried out intelligently using appropriate AI tools. T he diagnosing of a sin gle mechatronic syste m, whole machines an d processe s, the supervising of the
operation of mechatronic systems a nd machines and their diagnosing
for service purposes can be made intelligent.
Malfunctions of and damage to ma chines during their operation result
in high costs of production delays, standstills an d repairs for the users.
Therefore it has become necessary to continuou sly monitor machines
and processes, forecast disturbances, take measures preventing process quality deterioration and take necessary remedial actio ns based
on the fore casts. Such monitoring is more and more often remote and
decisions are taken remotely. Eve n service functions are performed
remotely. In man y cases it is nece ssary to monitor and service remotely since only the manufacturers of mecha tronic modules and systems have the require d knowledg e to ident ify nonstandard disturbances and their effects and to take service decisions.
The task of remote diagnostics is to wirelessly t ransmit (for a short o r
considerable distance) diagnostic signals with the require d informational conte nt from the diagnosed object to a near or far receiver, a
monitoring station or a monitoring centre. A proper inference system,
an intelligent advisory system or an expert will assess the disturbances
and will take appropriate service decision s, re motely gene rating forecasts, evaluating the deviations and identifying the degradation of the
operating parameters with a required accuracy and probability. The diagnosing system’s response are diagnostic inf erences which are th e
basis for taking service decisions.
The tasks of a remote servicing system include:
- preventing excessive deterioration of mechatronic system (machine
and equipment) operating parameters by reducing disturb ances and
compensating errors;
- predicting excessive errors and defects befor e they occur, whereby
remedial action can be t aken in a planned and prepared way to keep
adverse economic consequences to minimum (intelligent action);
- optimum planning of service tasks for operating periods most convenient to the user.
5
Minos
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
A revolution in remote diagnostics was the de velopment of wireless
supply of sensors and wireless reception of their diagnostic signa ls,
whereby the measuring systems could be miniaturized, measurements
could be improved and the structur e of objects could be penetrated by
means of sensors to satisfy diagnostic needs.
The connection of senso rs to communication networks has r esulted in
almost limitless possibilities of co ntrolling the d iagnosis process using
not only single sensors but also groups of sensors. As a re sult, information from sensors ca n be used by control, diagnostic and forecasting systems. This is of great signif icance for th e diagnosis of mechatronic system components and modules.
6
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
2
Minos
Idea, structure and operation of diagnostic system
Diagnostics of machines ensures th eir precise and reliable operation.
The more complex a machine, its mechatronic system an d the con ducted tech nological pr ocesses are , the larger the number of various
disturbances which nee d to be periodi cally or continuously monitored
and the err ors they ca use reduced. The high er the precision require d
of machines (diagnosed objects), the greater the precision an d reliability of identif ication ( i.e. the greater the precisio n of the se nsors, the
processing of diagnostic signals and transmitting them to a monitor, a
control system and a diagnostic or service centre) must be. Thus the
design or choice of a proper diagnostic system, software and hardware
requires extensive knowledge of machine building, the processes involved, the theory and practice o f diagnosis and all d iagnostic system
components.
Diagnostic complexity a nd precision depends on the effect which the
diagnosed parameters of machines have on the latter’s work processes. Typical malfunct ion percentages for a selected machining centre are shown in table 1 and typical quantities to be monitored are presented in Fig. 1.
Malfunction location
Conveying and feeding objects
DNC system
Retooling mechanism
Tool length setting
Machine tool mechanical assemblies
Tool damage
Workpiece clamping
Fine-tuning control
Feeding coolant
Clamping palettes
NC system
Problems with chips
Hydraulics
Other malfunctions
Table 1:
Share [%]
20.1
18.2
14.6
14.1
12.1
6.8
2.6
1.7
1.7
1.1
0.9
0.9
0.9
4.3
Malfunction percentages for machining centres
7
Minos
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Full diagnostics of such a complex object as an operating machine tool
is very difficult and co stly. Sensors f or continuous or period ic monitoring must be permanently installed within the machine tool structure,
which is hig hly expensive. The sensors are co nnected by wires and
sometimes wirelessly (using proper communication standard) to signal
processing circuits. The signals must be explicit, i.e. they should precisely infor m about any changes in the monitored qua
ntities and
should not be subject t o any interference during their tran smission t o
processing circuits. Th e processe d signal is then used in inference
which, in a simple case, consists in evaluating t he measured quantity
against the value proper for the monitored para meter. The result of inference is t he basis for the formulation of diag nostic conclusions. For
complex ph enomena a nd object b ehaviours many diagn ostic signals
must be simultaneously evaluated. Such an inf erence process can be
highly comp lex and req uire very complex proc edures and algorithms
and sometimes artificia l intelligence tools: fu zzy logic, artificial neural
networks and expert systems.
Also the efficiency of the communic ation system, especially when the
diagnosed quantities are critical for system operation reliability (require
a quick response), is important. T he further away fro m the signal
source the sensor is, the greater the danger that the monitoring system
sensitivity may be not high enough and the response time t oo long. In
such cases it may become necessary to e mploy measurement amplifiers integrat ed with the sensors, d igital filter s a nd proper signal processing. In this way one can greatly increase the measurement resolution.
Tool wear
Tool
temperature
Vibrations
Geometry
deformation
Main
drive load
Tool chipping
Machine force
Air temperature
and humidity
Machine tool temperature
Workpiece temperature
and geometry
Palette clamping force
Presence
of unmachined
workpiece
Geometry
Guard closing
of unmachined
workpiece
Fig.1:
8
Feed
drive load
Supply voltage
Rotation speed
Ball screw forces
Spindle torgue
Oil feed
Oil pressure
Oil temperature
Air pressure
Acoustic emission
Clamping pressure
Feed force
Positioning accuracy
Axies and connectors
Palette clamping force
Typical machining centre quantities requiring monitoring
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Minos
The input data for object diagnostics are:
- diagnostic signal properties and a cquisition points (sensor locations,
the rate of changes and availability for service),
- the boundary values of controlled quantities,
- dependencies between the gener ated signal and the dist urbances in
the performance of an object or a process,
- sensors a nd measuring instruments (sensit ivity, complexity, adaptability, numerousness, cost, the degree of automation),
- the form of acquired information,
- the methods of processing signals,
- verification methods,
- the method of communicating with receivers,
- the strategy of diagnosis,
- inference methods.
In order to reduce the number of sensors an d the complexity of the
signal processing system one should use such sensor s which ca n
supply much information about the behaviour of an object.
Measurement paths can be much si mplified and diagnostic information
more easily acquired if intelligent converters are used. The structure of
an intelligen t force converter is shown in Fig. 2. These are usually
small-sized units made as MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
microstructures, which include a sensor with a matching digital amplifier and a microprocessor with sto red knowledge for intelligent signal
processing.
DIN 66348
RS 485
RS 232
Pressure
sensor
Temp.
sensor
Fig. 2:
Microprocessor
Force
sensor
2
PC
Sampling-storing system
a/d converter
Force
sensor
1
Inputs
Outputs,
Alarm
a/c
5|2|6|9|3
Structure of intelligent force converter
9
Minos
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
The criteria for designing diagnostics are:
- diagnostic signal sensitivity to changes in machine/process performance and information capacity,
- the degree of machine/process degradation,
- the level of service personnel qualifications,
- reliability,
- operating costs.
A typical unit for diagno sing mechanical objects consists of the following assemblies and components:
1. A measuring system (sensors, mat ching systems – respo nsible
for energy a nd information matching of signals, diagnostic sockets for retrieving information from the object).
2. Instrumentation amplifiers, a/d conve rters, channel selectors, I/O
ports and other.
3. A digital sig nal processor (used for calculating diagnostic symptoms).
4. A decision system (incorporating logic converters, voltage level
translators, digital comparators and other).
5. An informat ion display system whi ch decodes information and
presents it in the form most convenient for t he user (monitor,
printer, analogue indicators, digital indicators and other).
6. An informa tion storag e system (memory:
RAM, RAM-DISK,
VDISK).
7. Software (operating system, signal processing and analysis, state
diagnosis a nd predictio n, functions performed by the diag nostic
unit, communication b etween system layers, system ope ration
management).
10
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Minos
A block diagram of the diagnostic unit is shown in Fig. 3.
DIAGNOSTIC UNIT
Diagnostic
signal
sensors
Components
Diagnostic
sockets
Diagnostic
system
Processor
Multichannel
diagnostic signal
converter
RAM, RAM-DISK,
VDISK
System bus
Keyboard
Fig. 3:
Monitor
Printer
Software
Block diagram of microprocessor diagnostic unit
11
Minos
3
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Idea, components and operation of service diagnosing system
As opposed to the general diagnosing of the operation of an object and
the work pr ocesses the latter carries out, which informs the user if the
disturbances are within permissible limits and if sufficient product accuracy is bein g achieved, the purpose of service diagnostics is period ic
error correction and planned recovery of the correct operatin g parameters. Service diagnostics consists in tracking the degree of object (machine) degradation in order to apply error correction and compensatio n
or carry out a planned and well prep ared repairs during a short standstill at a t ime convenient for the use r. Thus the purpose of service diagnostics is to restore the machine’s operating parameters guaranteeing the desired process (product) accuracy.
In order to forecast the degradation of machine components one must
probe deeper into the wear processes and the mechanism of change
of operatin g parameter values (sympto ms of progressin g damage)
than in general diagnostics. This means that in service diagnostics one
must apply extensive up-to-date knowledge about the design and operation of th e machine, its precision, disturbances in the precision, error correctio n and compensation methods and repair techn iques and
technologies.
Service diagnostics capabilities should be generally taken into account
already at the machine design stage. This applies particularly to the location in the machine of (intelligent) sensors and components enabling
their communication w ith the use r’s or manufacturer’s diagnosticservicing ce ntre. Also at this stage simulations of the dep endencies
between diagnostic sign als and defects should be carried out, which
will facilitate forecast ing service a ctivities and determining the needs
relating to the structure of the measuring systems.
The application of knowledge in th is kind of diagnostics involves modelling machine behaviour in the ope rating conditions, modelling error s
in the form of simplified functions suitable for periodic supervision and
compensation, limited forecasting and modelling permissible deterioration in machine performance and possible types of damage.
These are highly complex activitie s and require adequate computer
hardware and software and highly qualified designers. In many cases
one can use dedicated commercial software and diagnostic modules.
A typical graph of mac hine/technological device operating parameter
degradation, with the ad missible value and the boundary value of th e
measured signal (diagnostic symptom) marked (indicating whether the
machine is or is not functional), is shown in Fig. 4. If the symptom exceeds admissible value Ud, this means that the diagnosed device is no
longer fully functional bu t it can be o perated for a certain time, i.e. it is
still capab le of performing its functions. If t
he sympto m e xceeds
boundary value U g (which marks t he ultimate date for do ing repairs),
this means that it is no longer fit for use. Serviceability and unserviceability areas can overlap to some extent. In th e overlapped area the
device is not fully functional but still serviceable (Fig.5).
12
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Minos
Signal/symptom
Uniserviceable
Ug - Boundary value
Ug
Ud
Not fully functional
but serviceable
Ud - Admissible value
Serviceable
Structure parameter/technical condition
Serviceable
Functional
Fig.4:
Not fully functional
Unserviceable
Classification of technical condition of machines and devices
Functional
Serviceability
area
Not fully functional
but serviceable
Unserviceable
Nonfunctionality
area
Fig. 5: Areas of technical condition of machines and devices
13
Minos
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
The range in which in t echnical object operatio n is aided with knowledge processing and d iagnostics is show n in Fig. 6. The rang e covers
a very wide spectrum of analyses and the use of AI tools.
DIAGNOSTIC TASK
(real objects)
MECHANICAL MODELS
(structure and condition characteristics)
PHYSICAL MODEL
MATHEMATICAL MODEL
Qualitative description
Explanatory description
STRUCTURAL
MODEL
- wear
dynamics
HOLISTIC
MODEL
IDENTIFICATION OF MODELS
Quantitative description
STRUCTURAL
MODEL
Types of models:
deterministic
probabilistic
fuzzy
- wear
evolution
SYMPTOM
MODEL
DIAGNOSTIC MODEL
HOLISTIC
DIAGNOSTICS
ELECTRICAL
DIAGNOSTICS
Fig. 6:
14
INFERENCE MODELS
deterministic
probabilistic
fuzzy
neural
ekxpert
other
SYMPTOM
DIAGNOSTICS
CRITERIA
DIAGNOSIS
(current/future)
Object diagnostic modelling capabilities
division of models
accuracy
limit states
effectiveness
other
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Minos
The way in which relationships bet ween a symptom and a defect are
sought (which is the aim of service diagnostics) is shown in Fig. 7. This
requires highly complex operations on models: model reversing, complicated testing of mode ls’ sensitivity to defects, training data generation, creating adaptational models and building diagnostic relations.
Thanks to t he use of such simulation techniqu es of acquir ing symptom-defect relations the operators of the device being diagnosed are
able to view on the mon itor not only information about the o ccurrence
of a failure but also defect identification data.
CLASSICAL METHOD
DEFECT
MODEL
SYMPTOM
MODEL REVERSAL METHOD
SYMPTOM
REVERSED
MODEL
DEFECT
Reversal of models by training adaptational systems
(dedicated algorithms, artificial neural network)
Building object models
Testing model’s sensitivity
to defect
Training data generation
Fig.7:
Building adaptational models
Training adaptational systems
Building diagnostic relations
Simulation techniques of acquiring diagnostic relations: classical and based on
object model reversal methodology
15
Minos
4
Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Textbook
Developmental trends
Remote diagnostics an d servicing have stro ng economic reason s
since they contribute to longer prod uct life. The refore attempts to increase product life span will translate into the de velopment of diagnostics and supervision. In addition, as the globalization of manufacturing
increases so does its dispersion whereby it becomes n ecessary to
employ remote diagnostics an d ser vicing in or der to signif icantly increase the reliability of mechatroni c systems, te chnological processes
and the manufactured products. T his means t hat diagnostic system
modularity will continue to be devel oped and an ever larger number of
diagnostic functions will be carried out by intelligent sensor s. This will
naturally be accompanied by the min iaturization of measuring systems
and their integration with the processes responsible for signal processing and dia gnostic inference. Also reliable tech nologies for remotely
supplying t he systems with powe r and transmitting the information
generated in them to a higher decision level – to diagnost ic-servicing
centres – will continue to be developed. New, more advan ced communication standards and decision alg orithms aide d with AI to ols will be
used for this purpose.
The development of remote diagnosing and servicing of machine systems tends towards full coverage of the latter a nd towards total supervision and servicing based on forecasts.
16