MECCATRONICA Modulo 5: componenti meccatronici

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1 MEATRONIA Modulo 5: componenti meccatronici Manuale (concetto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Polonia oncetto europeo per la Formazione ontinua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/P-dV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della ommissione europea. autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la ommissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

2 Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti MINOS e MINOS**. - hemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke onsulting, Germany - orvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, zech Republic - Imargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, zech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., zech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt hemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - hristian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): onoscenze fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/ tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/ componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione, sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi Minos **: moduli 9 12 (manuale, soluzioni e esercizi): Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese, spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese Per ulteriori informazioni si prega di contattare Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität hemnitz Reichenhainer Straße 70, hemnitz Tel.: + 49(0) Fax.: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: oder

3 omponenti meccatronici: sensori - Manuale Minos ontenuto: ontenuto: Sensori ad induzione Nozioni di base Principio fisico Il circuito risonante Il circuito risonante elettronico Schema base Principio di funzionamento oefficienti di correzione Tecniche d istallazione Tipi speciali di sensori Sensori anulari ad induzione Sensori insensibili al campo magnetico Sensori per condizioni ambientali severe Rilevamento della direzione del moto Sensori NAMUR Sensori ad induzione analogici Alimentazione in corrente continua (D) Alimentazione in corrente alternata (A) Tecnica di collegamento dei sensori Protezione e sicurezza dei sensori ollegamento dei sensori ad una rete di comunicazione Applicazioni Sensori capacitivi Nozioni di base Principio fisico Funzionamento del sensore capacitivo Tipi di sensori capacitivi Influenza del materiale dell oggetto Soppressione dei disturbi Applicazioni Sensori ultrasonici Nozioni di base Principio fisico Propagazione delle onde acustiche nell aria Influsso dell'ambiente Trasduttori acustici Generazione delle onde ultrasoniche

4 Minos omponenti meccatronici: sensori - Manuale 3.3 Funzionamento dei sensori ultrasonici Modalità a diffusione Modalità a sbarramento Errori possibili Fattori fisici Fattori di installazione Sincronizzazione di sensori Sensori ultrasonici speciali Il sensore a riflessione Sensori con doppio trasduttore Sensori ultrasonici analogici Sensori ottici aratteristiche costruttive omponenti fotoelettrici Principio fisico Emettitori Fotorilevatori Tipologie di sensori Barriere ottiche unidirezionali Sensori a riflessione Sensori a diffusione Elaborazione di segnali Fonti d interferenza Soppressione delle interferenze Margine operativo Raggio d azione Tempo di reazione Tipi speciali di sensori ottici Barriera ottica a luce polarizzata Sensori a diffusione con eliminazione dello sfondo Barriera ottica autocollimante Sensori a fibre ottiche Tecnica di collegamento Tipi di collegamento ommutazione dell uscita del sensore Applicazioni Sensori magnetici Nozioni di base Principio fisico Il campo magnetico ontatto Reed Effetto Hall Effetto magnetoresistivo effetto Wiegand Sensori magnetici tipo contatto Reed

5 omponenti meccatronici: sensori - Manuale Minos 5.4 Sensori magnetici ad effetto Hall Sensori magnetici speciali Sensori magnetoresistivi Sensori magnetici Wiegand Sensori magnetici con magneti permanenti Principi d istallazione

6 Minos omponenti meccatronici: sensori - Manuale 1 Sensori ad induzione 1.1 Nozioni di base I sensori ad induzione rappresentano il gruppo di sensori più diffusamente impiegato nei sistemi di automazione per controllare la posizione, lo spostamento ed il moto di meccanismi di macchine ed attrezzature. I sensori ad induzione sono la scelta ideale per molte applicazioni in virtù della loro forma compatta, dell affidabilità di funzionamento e del montaggio semplice nell impianto. Quando un oggetto metallico compare nel raggio d azione del sensore, questo reagisce cambiando il suo stato o il livello del segnale di output. Gli elementi fondamentali del sensore ad induzione (Figura 1.1.) sono: la testa, che contiene la bobina d induzione con il nucleo di ferrite, un generatore di tensione sinusoidale, un circuito rilevatore (comparatore) e un amplificatore dell uscita. Il circuito d induzione consiste di una bobina e del nucleo di ferrite e genera intorno alla testa del sensore un campo elettromagnetico variabile ad alta frequenza. Il campo induce correnti parassite negli oggetti metallici che si trovano in prossimità del sensore. In conseguenza di queste viene sollecitato il circuito d induzione, e si riduce l ampiezza d oscillazione. a variazione dell ampiezza dipende dalla distanza tra l oggetto di metallo e la punta del sensore. Quando l oggetto raggiunge una distanza caratteristica, il segnale d uscita del sensore viene commutato. Nei sensori analogici il livello del segnale di uscita è inversamente proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore. OBJET oggetto SENSOR Sensore HEAD di testa OSIATOR ircuito IRUIT oscillatore DETETION ircuito IRUIT di detenzione OUTPUT IRUIT Uscita Figura 1-1 ostruzione di un sensore induttivo 6

7 omponenti meccatronici: sensori - Manuale Minos 1.2 Principio fisico Il circuito risonante Una bobina d induzione è la fonte del campo magnetico variabile nei sensori induttivi. Se la corrente, che attraversa la bobina varia nel tempo, anche il campo magnetico nella bobina è variabile. A questa variazione è legato il fenomeno dell autoinduzione, ossia lo sviluppo di una tensione addizionale nella bobina; tale tensione reagisce contro i cambiamenti della corrente. energia elettrica totale nel circuito risonante elettrico consiste dell energia E del campo magnetico della bobina d induzione e dall energia E c del campo elettrico del condensatore caricato. energia totale è sempre costante: E = E + E c = const. (Figura 1.2). Nello stato iniziale il circuito che consiste della bobina e del condensatore è aperto e l energia totale è accumulata negli elettrodi del condensatore caricato (istante 1 nella Figura 1.2). Quando si chiude il circuito, il condensatore inizia a scaricarsi e la corrente I inizia a circolare nel circuito. intensità di corrente varia da zero fino a I max. A questo punto tutta l energia del condensatore viene accumulata nella bobina (istante 2 nella Figura 1.2). Anche se il condensatore è ormai scarico, nel circuito circola ancora corrente nella stessa direzione. Questa corrente, la cui fonte è l autoinduzione della bobina, carica il condensatore e così l energia viene trasferita al condensatore. Quando la carica del condensatore è massima, la corrente si annulla nel circuito (istante 3 nella Figura 1.2). o stato finale è del tutto simile allo stato iniziale, ma il condensatore è caricato all inverso e la corrente circola nella direzione opposta. Nel circuito hanno dunque luogo le oscillazioni accoppiate del campo elettrico del condensatore e del campo magnetico della bobina. 7

8 Minos omponenti meccatronici: sensori - Manuale I I + - I - + t E- E- E- E E=0 E=E E=E E=0 E=0 E=E Figura 1-2 Oscillazioni nel circuito 8

9 omponenti meccatronici: sensori - Manuale Minos In verità avvengono sempre perdite di energia nei circuiti, dovute alla resistenza elettrica della bobina e del condensatore. A causa di tali perdite, le oscillazioni del circuito risonante con resistenza (R) vengono smorzate (Figura 1.3). e oscillazioni del circuito risonante possono essere mantenute costanti se il circuito viene alimentato da una fonte esterna con una tensione sinusoidale. ampiezza delle oscillazioni è massima quando la frequenza delle onde esterne è pari alla frequenza propria del circuito. f f [Hz], dove: f la frequenza della fonte esterna dalla tensione sinusoidale, f 0 frequenza propria del circuito senza smorzamento, induttanza [Henry], capacità [Farad]. Questa condizione sulla tensione o sull intensità di corrente permette la risonanza nel circuito. Maggiore è l ampiezza d oscillazione massima, più alto è il fattore di qualità Q del circuito. Il fattore di qualità Q è la misura delle perdite negli elementi e, schematicamente rappresentato dalla resistenza R in parallelo. Un circuito risonante senza perdite durante la risonanza dovrebbe avere una resistenza R infinitamente grande. Maggiori sono le perdite nel circuito più piccola è la resistenza e minore il fattore di qualità. R Q 2 f a) b) c) R R R G R Figura 1-3 Oscillazioni dei circuiti e R: a) circuito non smorzato, b) circuito R senza fonte esterna, c) circuito R con una fonte esterna di tensione sinusoidale 9

10 Minos omponenti meccatronici: sensori - Manuale Il circuito risonante elettronico Nei generatori che contengono un circuito risonante con una bobina e un condensatore sono impiegati anche amplificatori operazionali o transistor per mantenere costanti le oscillazioni. Per innescare le oscillazioni devono essere rispettate due condizioni: la condizione di fase e la condizione di ampiezza. a condizione di fase implica che la fase della tensione d entrata deve essere uguale alla fase di tensione d uscita. a condizione di ampiezza implica che l amplificatore deve compensare totalmente lo smorzamento del circuito risonante. In questo caso il generatore stesso crea il segnale che mantiene le oscillazioni. e condizioni coerenza della fase e dell ampiezza vengono rispettate se il circuito viene correttamente disaccoppiato o se si usa un accoppiamento a trasformatore. e oscillazioni della tensione o dell intensità di corrente vengono generate nel circuito che contiene una bobina e un condensatore. a corrente fornita al circuito trasmette al circuito risonante una parte della sua energia tramite la carica del condensatore, e così sostiene le oscillazioni indotte nel circuito. Quando l energia fornita è uguale all energia persa, l ampiezza nel circuito non varia più e le oscillazioni non vengono smorzate (Figura 1.4a). Il segnale d uscita dipende dal fattore di qualità Q del circuito risonante. Un basso il fattore di qualità implica una notevole riduzione del segnale d uscita (Figura 1.4b). I circuiti generatori producono oscillazioni con frequenze maggiori di una decina di kilohertz. Se la frequenza richiesta è minore, si avrebbe bisogno di un induttanza troppo grande nel circuito risonante. In questo caso è difficile raggiungere un elevato fattore di qualità e le bobine richieste sono di maggiori dimensioni. a) b) +U U D U D Q= Q= ω 0 Figura 1-4 Il circuito risonante elettrico: a) generatore con un amplificatore, che compensa lo smorzamento, b) livello del segnale di uscita per due diversi valori di Q 10