MECCATRONICA Moduli 5-8

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1 MECCATRONICA Moduli 5-8 componenti meccatronici sistemi meccatronici e funzioni manutenzione remota e diagnosi Esercizi Soluzioni (concetto) Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione 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**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz 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 - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze 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 Chemnitz Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: + 49(0) Fax.: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: oder

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

4 Componenti meccatronici Minos

5 Minos Componenti meccatronici Indice: 1 Sensore ad induzione Nozioni di base Elementi costruttivi fondamentali Sensori speciali Alimentazione con corrente e principi di collegamento di sensori Mezzi protettivi e sicurezza di sensori 12 2 Sensori capacitivi Nozioni di base Principio fisico Funzionamento del sensore Tipi di sensori capacitivi Soppressione dei disturbi 17 3 Sensori ultrasonici Principio fisico Funzionamento dei sensori ultrasonici Disturbi durante il funzionamento dei sensori Sensori ultrasonici speciali 24 4 Sensori ottici Elementi fotoelettrici Principio fisico Emettitori e rilevatori ottici Tipi di sensori Elaborazione dei segnali Tipi speciali di sensori ottici Tecnica di collegamento 35 5 Sensori magnetici Nozioni di base Il campo magnetico Il contatto Reed Effetti magnetici usati in sensori Tipi di sensori magnetici Sensori magnetici speciali Principi di montaggio e applicazioni 44

6 Minos Componenti meccatronici 1 Sensore ad induzione 1.1 Nozioni di base Compito 1 Quale è la fonte del campo magnetico alternato in un sensore ad induzione? Come cambia l energia accumulata nel circuito risonante? Come vengono generate le oscillazioni nel circuito LC? Come si possono mantenere costanti le oscillazioni del circuito oscillante? In quali condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante? 4

7 Componenti meccatronici Minos Quali condizioni vanno soddisfatte per generare oscillazioni nel circuito LC? 1.2 Elementi costruttivi fondamentali Compito 2 Com è costituita la parte attiva del sensore? Come avviene la misura della distanza fra l oggetto e la bobina in un sensore ad induzione? Perché un sensore ad induzione dovrebbe avere un isteresi? Che cos è l isteresi? Quanto vale la frequenza di lavoro di un sensore ad induzione? 5

8 Minos Componenti meccatronici Quanto è ampio il raggio d azione di un sensore ad induzione e quali involucri si utilizzano? Qual è il raggio d azione nominale del sensore? Con quale campione si valuta il raggio d azione nominale? Qual è il raggio d azione reale del sensore? Qual è il raggio d azione garantito del sensore? Da cosa dipende il raggio d azione nominale del sensore? Perché si usa un coefficiente di correzione per i sensori ad induzione? 6

9 Componenti meccatronici Minos In quale maniera la sensibilità del sensore dipende dalla sua forma costruttiva? Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori schermati vengono installati vicini? Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori non schermati vengono installati vicini? Qual è la frequenza massima di commutazione del segnale di output? Quale frequenza massima di commutazione ci si deve aspettare quando viene usato un oggetto diverso dalla piastra standard? 7

10 Minos Componenti meccatronici 1.3 Sensori speciali Compito 3 Come funziona un sensore induttivo ad anello? Quali limiti ci sono per la grandezza degli oggetti da individuare mediante un sensore induttivo ad anello? Ci sono delle prescrizioni per la traiettoria degli oggetti da rilevare con un sensore ad anello? Quali conseguenze negative può avere l influsso di forti campi magnetici sui sensori ad induzione? Come vengono protetti dai disturbi i sensori che lavorano in vicinanza di attrezzature per la saldatura? 8

11 Componenti meccatronici Minos Quali sensori non sono sensibili all influsso di campi magnetici esterni? Faccia degli esempi di sensori che lavorano in condizioni difficili. Quale caratteristiche devono avere i sensori che lavorano sotto un alta pressione? Come si riconosce la direzione di un movimento lineare con un bistabile sensore ad anello? Come funzionano i sensori ad induzione NAMUR? 9

12 Minos Componenti meccatronici Qual è la caratteristica tipica dei sensori NAMUR? Quali condizioni devono essere rispettate se i sensori NAMUR sono impiegati in una zona soggetta al pericolo di esplosione? Qual è la differenza fra sensori standard e sensori analogici ad induzione? Di quali elementi consiste un sensore analogico induttivo? 10

13 Componenti meccatronici Minos 1.4 Alimentazione elettrica e principi di collegamento dei sensori Compito 4 Di quale entità possono essere le variazioni della tensione per i sensori con alimentazione in corrente continua? Come si possono evitare picchi istantanei di tensione? Quali configurazioni possono avere le uscite dei sensori che vengono alimentati in corrente continua? I sensori con alimentazione in corrente alternata possono essere collegati direttamente con la rete a corrente alternata? Ci può essere una corrente nel circuito di sensore con alimentazione in corrente alternata quando il sensore è spento? 11

14 Minos Componenti meccatronici Perché si collegano più sensori in gruppi? Quali funzioni logiche si possono implementare con sensori collegati in serie? Da cosa dipende il numero massimo di sensori che si possono collegare in serie? Quali funzioni logiche si possono implementare con sensori collegati in parallelo? Da cosa dipende il numero massimo dei sensori che si possono collegare in parallelo? Si possono collegare in parallelo sensori a due conduttori? 12

15 Componenti meccatronici Minos 1.5 Dispositivi di protezione e sicurezza dei sensori Compito 5 Da cosa vanno protette le uscite dei sensori con alimentazione in corrente continua? Un cortocircuito può essere dannoso per sensori alimentati in corrente continua? Quando l involucro di un sensore deve avere un collegamento a terra? Come si può evitare la corrente che circola nel circuito quando il sensore è spento? 13

16 Minos Componenti meccatronici 2 Sensori capacitivi 2.1 Nozioni di base Compito 1 Quali oggetti possono rilevare i sensori capacitivi? Quali materiali tra questi vengono rilevati dai sensori capacitivi? 1. Acciaio 2. Rame 3. Gomma 4. Ebanite 5. Acqua 6. Ferro 7. Idrogeno Come è costituito un sensore capacitivo? Qual è l elemento attivo del sensore capacitivo? Quanto è grande il raggio d azione del sensore capacitivo? 14

17 Componenti meccatronici Minos 2.2 Principio fisico Compito 2 La capacità di un condensatore è proporzionale alla distanza fra gli elettrodi? Come si può ottenere un condensatore aperto? Qual è la funzione dell elettrodo intermedio? Qual è la differenza quando nel campo elettrostatico del condensatore aperto entra un oggetto di metallo e uno non conduttore? 15

18 Minos Componenti meccatronici 2.3 Funzionamento del sensore capacitivo Compito 3 Per quali oggetti (di materiale conduttore o non) il raggio d azione del sensore capacitivo è più grande? Quando il raggio d azione del sensore capacitivo è massimo? Qual è il ruolo del potenziometro nel sensore capacitivo? Con quale oggetto standard viene misurato il raggio d azione nominale del sensore capacitivo? Quanto è grande il raggio d azione affidabile? Da cosa dipende la struttura capacitiva del sensore? 16

19 Componenti meccatronici Minos 2.4 Tipi di sensori capacitivi Compito 4 Quale forma hanno i sensori capacitivi? Quali tipi di sensori cilindrici esistono? Da che cosa dipende la distanza tra un oggetto di materiale organico ed il sensore a cui cambia il segnale di output? Come si può calcolare il raggio d azione reale di un sensore capacitivo? 17

20 Minos Componenti meccatronici 2.5 Soppressione dei disturbi Compito 5 Come reagisce un sensore capacitivo all insudiciamento? Con quale accorgimento costruttiva si può ridurre l influsso dell insudiciamento? 18

21 Componenti meccatronici Minos 3 Sensori ultrasonici 3.1 Principio fisico Compito 1 Come si propaga un onda acustica nell aria? Cos è la lunghezza dell onda acustica? Come si può misurare la distanza fra un oggetto ed il sensore? Che cos è l effetto piezoelettrico? Cosa succede alle caratteristiche piezoelettriche alle temperature alte? 19

22 Minos Componenti meccatronici Come viene generata un onda ultrasonica? A quale frequenza funzionano i sensori ultrasonici? In quale zona è più grande l energia acustica? Come si può calcolare il diametro del cono del suono? Da cosa dipendono l angolo e la forma del raggio acustico? 20

23 Componenti meccatronici Minos 3.2 Funzionamento dei sensori ultrasonici Compito 2 Quali modi di funzionamento esistono per i sensori ultrasonici? Quale fasi ha la misurazione dell eco ultrasonico? Quando vengono impiegati i sensori ultrasonici? I sensori ultrasonici non sono sensibili all influsso del suono nell ambiente? Di quali parti costruttive consiste un sensore ultrasonico? 21

24 Minos Componenti meccatronici Quali oggetti vengono rilevati particolarmente bene dai sensori ultrasonici? Come funziona un sensore ultrasonico con trasduttore piezoelettrico? Come può essere eliminato l eco di fondo? Si può regolare il raggio d azione minimo del sensore nei sensori ultrasonici? Perché esiste la zona morta? 22

25 Componenti meccatronici Minos Quanti gradi può avere l angolo del cono sonico? Quale oggetto standard viene usato per misurare il raggio d azione dei sensori ultrasonici? Come funzionano sensori a sbarramento? Che tipo di onda acustica viene creata da sensori a sbarramento? Quando vengono usati sensori a sbarramento? Quali fra i sensori a sbarramento e quelli a diffusione hanno la maggiore frequenza di commutazione del segnale di output? 23

26 Minos Componenti meccatronici 3.3 Disturbi durante il funzionamento dei sensori 3.4 Sensori ultrasonici speciali Compito 3 Quali fattori fisici possono disturbare il funzionamento dei sensori ultrasonici? A che cosa porta un aumento di temperatura nei sensori ultrasonici? Quali fattori di montaggio possono disturbare il lavoro dei sensori ultrasonici? Quando si verifica l interferenza dei sensori ultrasonici? Come si può evitare l interferenza dei sensori ultrasonici? 24

27 Componenti meccatronici Minos 3.5 Sensori ultrasonici speciali Compito 4 Come funzionano i sensori a riflessione? Quando vengono usati i sensori a riflessione? Come funzionano i sensori con due trasduttori in un unico alloggiamento? Come viene misurata la distanza mediante i sensore ultrasonici? 25

28 Minos Componenti meccatronici 4 Sensori ottici 4.1 Componenti fotoelettrici Principio fisico Compito 1 Quali parti della radiazione elettromagnetica vengono usati nei sensori ottici? Che cosa è la rifrazione? Che tipi di riflessione ci sono? 26

29 Componenti meccatronici Minos Emettitori e rilevatori ottici Compito 2 Quali fotoemettitori vengono usati nei sensori ottici? Su che cosa si basa il funzionamento del diodo LED? Da che cosa dipende l intensità del diodo LED? Da che cosa dipende il colore della luce creata nel diodo LED? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell uso della luce visibile e della radiazione infrarossa nei sensori? Perché si trova una lente nell involucro del LED? 27

30 Minos Componenti meccatronici Quale è la differenza fra i LED e diodi laser? Quali sono i vantaggi dei diodi laser? Quale ruolo hanno i fotorilevatori nei sensori ottici? Cosa sono il tempo di salita e il tempo di discesa? Qual è la differenza fra un comune foto diodo e un diodo PIN? Come si può calcolare la posizione della sorgente luminosa con un PSD? 28

31 Componenti meccatronici Minos Perché nei sensori ottici si sostituiscono i sensori PSD con elementi CCD? Qual è differenza nella costruzione di un fototransistore e un comune transistore? 29

32 Minos Componenti meccatronici 4.2 Tipi di sensori Come funzionano le barriere luminose unidirezionali? Che caratteristiche hanno le barriere luminose? Quali oggetti possono essere rilevati da barriere luminose unidirezionali? Come funzionano le barriere ottiche a riflessione? Come funziona il sistema a tre specchi? Da che cosa dipende il raggio d azione dei sensori a riflessione? Come funzionano i sensori a diffusione? 30

33 Componenti meccatronici Minos Quale caratteristiche hanno i sensori a diffusione? Come si misura il raggio d azione massimo di un sensore a diffusione? 31

34 Minos Componenti meccatronici 4.3 Elaborazione dei segnali Compito 4 Che cosa può disturbare il funzionamento dei sensori ottici? Quali sensori sono particolarmente sensibili all interferenza? Quali vantaggi ha la luce modulata? Che cosa è la polarizzazione della luce? Come funzionano i filtri di polarizzazione? 32

35 Componenti meccatronici Minos La polarizzazione viene distrutta tramite la riflessione? Perché si usa la luce polarizzata in sensori ottici? Che cosa è il margine operativo? Che valore deve avere il margine operativo? Che cosa è il tempo di reazione del sensore ottico? 33

36 Minos Componenti meccatronici 4.4 Tipi speciali di sensori ottici Compito 5 Qual é la differenza fra sensori a riflessione con e senza polarizzazione? Come si può eliminare l influsso dello sfondo e del primo piano? Quali modalità di soppressione elettronica dello sfondo ci sono? Che cosa è l autocollimazione? Quali vantaggi ha l autocollimazione? Come sono costituite le fibre ottiche? 34

37 Componenti meccatronici Minos Che cosa è la riflessione totale in una fibra ottica? Perché le fibre ottiche devono avere lunghezza limitata? Qual è la differenza fra le fibre ottiche di vetro e di plastica? Come funzionano i sensori ottici con fibra ottica? 35

38 Minos Componenti meccatronici 4.5 Tecnica di collegamento Compito 6 Quali modi di funzionamento hanno i sensori ottici? Da che cosa dipendono la grandezza e la forma della zona di commutazione del segnale di output? 36

39 Componenti meccatronici Minos 5 Sensori magnetici 5.1 Nozioni di base Il campo magnetico Compito 1 Che cosa può essere la fonte di un campo magnetico e come sono indirizzate le sue linee di forza? Quali grandezze fisiche sono tipiche per un campo magnetico? Come si distinguono le sostanze per caratteristiche magnetiche? Che cosa sono le bolle magnetiche? Quali materiali ferromagnetici sono duri e quali sono dolci? 37

40 Minos Componenti meccatronici Il contatto Reed Compito 2 In cosa consiste un contatto Reed? Perché si usano materiali protettivi del contatto Reed? Qual è la massima frequenza di commutazione dei contatti Reed? Quante volte può essere commutato il segnale di output del contatto Reed? 38

41 Componenti meccatronici Minos Effetti magnetici usati in sensori Compito 3 Che cosa è l effetto Hall? Come si può raggiungere un valore più alto della tensione Hall? Perché un campo magnetico cambia la magnetoresistenza del semiconduttore? Cosa succede quando la corrente attraversa elettrodi di oro o di alluminio? Che cosa è l effetto Wiegand? 39

42 Minos Componenti meccatronici Quali caratteristiche ha un convogliatore d impulso? Come reagiscono gli ambiti magnetici di un convogliatore d impulso al cambiamento di direzione del campo magnetico esterno? Quando si verifica un impulso elettrico nella bobina con una convogliatore d impulso? 40

43 Componenti meccatronici Minos 5.2 Tipi di sensori magnetici Compito 4 Quali vantaggi hanno i sensori sensori basati sul campo magnetico? Quali oggetti possono essere rilevati da sensori magnetici? Quale può essere l elemento che reagisce ad un campo magnetico? Un oggetto in un tubo di plastica può essere rilevato da un sensore magnetico? Come funziona un sensore con contatto Reed? 41

44 Minos Componenti meccatronici In che stato rimangono i contatti di un contatto Reed se questo non si trova in un campo magnetico? Da cosa dipende il raggio d azione massimo di un sensore magnetico? Che forme può avere il contenitore di un sensore magnetico con un contatto Reed e che cosa determinano? Quanti conduttori hanno i sensori con contatto Reed? Come funzionano i sensori Hall? I sensori Hall reagiscono soltanto ad una particolare polarizzazione del campo magnetico? 42

45 Componenti meccatronici Minos 5.3 Sensori magnetici speciali Compito 5 Come funzionano i sensori Wiegand? Come vengono rilevati magneti mobili da un sensore Wiegand? Come vengono rilevati convogliatori d impulso mobili da un sensore Wiegand? Quale alimentazione di corrente richiedono i sensori Wiegand? In cosa consiste il sensore magnetico più semplice? Quali oggetti possono essere rilevati da un sensore con un magnete permanente? 43

46 Minos Componenti meccatronici Un sensore con magnete permanente richiede un alimentazione con corrente? 44

47 Componenti meccatronici Minos 5.4 Principi di montaggio e applicazioni Quali collegamenti ci devono essere se un sensore magnetico viene fissato ad un elemento di materiale ferromagnetico? Cosa succede se un oggetto non ferromagnetico viene a trovarsi tra il sensore ed il magnete? Come vengono impiegati nell industria i sensori magnetici?

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49 MECCATRONICA Modulo 6: sistemi meccatronici e funzioni Esercizi (concetto) Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Polonia Matthias Römer Università Tecnica di Chemnitz, Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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51 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 1 Sensori induttivi 1.1 Elementi costruttivi di base Esercizio 1 Qual è la parte attiva del sensore induttivo? Come un sensore induttivo misura la distanza tra l oggetto e la bobina? Che cos è Isteresi? Qual è la frequenza tipica dei sensori induttivi? Perché il sensore induttivo ha un isteresi? 3

52 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Qual è il campo d azione dei sensori induttivi e qual è il supporto? Che cos è d azione nominale Sn? Su quale oggetto è impostato? Che cos è d azione reale Sr? Che cos è d azione operativo Sa? Da cosa dipende il campo d azione nominale? Perché viene utilizzato un coefficiente di correzione per i sensori induttivi? 4

53 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Come dipende la sensibilità del sensore dalla sua modalità construttiva? Cosa si deve considera, quando un sensore coperto è montato nei pressi di un altro?... Que cos è la frequenza massima di commutazione del segnale di uscita? Quali frequenze massimali di commutazione ci si aspetta, quando un altro oggetto viene utilizzato come piastra? 5

54 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 1.2 Sensori speciali Esercizio 2 Qual è la modalità d azione dei sensori induttivi ad anello? La dimensione di un sensore ad anello è limitata dagli oggetti rilevati?.. Ci sono dei requisiti sulla traiettoria di volo?. Quali conseguenze negative possono avere i forti campi magnetici sui sensori induttivi?. Come si pussono proteggere i sensori, posizionati nelle vicinanze dell impianto di saldatura? 6

55 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Quali sensori sono poco sensibili all influenza di campi magnetici esterni? Si forniscano esempi di sensori funzionanti in condizioni diffi cile? Quali caratteristiche dovrebbe avere sensori, che lavorano ad alte pressioni?. Come sensori induttivi NAMUR? Qual è la loro caratteristica tipica? Quali condizioni devono essere soddisfatte, per i sensori NAMUR che lavorano in una zona sottoposta al pericolo di esplosione? Qual è la differenza tra sensori standard e sensori induttivi analogici? Che cosa è un sensore induttivo analogico? 7

56 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 1.3 Alimentazione con corrente continua e Principi di collegamento tra sensori Esercizio 3 Quanto ampio devono essere variazioni di tensione dei sensori, alimentati con corrente continua? Quali confi gurazioni possono avere le uscite dei sensori con alimentazione continua? Qual è la differenza tra il NO e NC per l esecuzione dei sensori? Quale fattore determina il numero massimo di sensori collegati in serie? I sensori alimentati con corrente alternata possono essere collegati direttamente all alimentazione in CA? Prechè si raggruppamento i sensori? 8

57 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 1.4 Protezione dei sensori Esercizio 4 Caso assicurano le uscite dei sensori in corrente continua? Un corto circuito è pericoloso per i sensori alimentati con corrente continua? Quando un alloggiamento di sensore ha una messa a terra aggiuntiva? Quali precauzioni devono essere prese contro la presenza di dispersione di corrente nei circuiti elettrici di un sensore? 9

58 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2 Sensori capacitivi 2.1 Funzionamento di un sensore capacitivo Esercizio 1 Quali oggetti possono riconescere sensori capacitivi? Com è fatto un sensore capacitivo? Qual è la parte attiva del sensore capacitivo? Quali sono gli oggetti per i quali il campo d azione del sensore capacitivo è più ampio: oggetti isolanti o oggetti conducenti? Quando il campo d azione del sensore capacitivo è più grande? 10

59 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 2.2 Tipologie di sensori capacitivi Esercizio 2 Quali forme hanno i sensori capacitivi? Quali tipi di sensori cilindrici ci sono? Come valutare la distanza reale di funzionamento di un sensore? De cosa dipende che la distanza per il rilevamento di materiali organici?... A che distanza gli uni dagli altri devono essere installati sensori capacitivi? 11

60 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2.3 Compensazione dei disturbi Esercizio 3 Qual è l infl uenza dell inquinamento sul funzionamento di un sensore? Com è possibile limitare costruttivamente l infl uenza di inquinamento?

61 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3 Sensori ad ultrasuono 3.1 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni Esercizio 1 Quali sono i processi tipiche di sensori ad ultrasuoni? Quali fasi ha la misurazione ad ultrasuoni? I sensori ad ultrasuoni sono insensibili l influenza del rumore ambientale? Com è un sensore ad ultrasuoni? 13

62 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 3.2 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni Esercizio 2 Quando vengono utilizzati i sensori ad ultrasuoni? Quali sono gli oggetti ccptati pricolarmente bene dai sensori ad ultrasuoni? Come funziona un sensore ad ultrasuoni con un convertitore piezoelettrico? Come si può cancellare lo sfondo dalla misura? È possibile impostare l ampiezza minima del sensore nei sensori ad ultrasuoni? Perché esiste la zona morta? 14

63 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Quanti gradi può coprire l angolo del sono sonoro? Quale oggetto è utilizzato per determinare, la zona è efficace del sensore? Come funzionano i sensori d arraversamento? Che genere di onda sonora producono i sensori di attraversamento? Quando vengono usati i sensori di attraversimento? Quale sensore ha la maggiore frequenza di commutazione del segnale di uscita i sensori a attraversomento o i sensori di diffusione? 15

64 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 3.3 Fattori di disturbo Esercizio 3 Quali fattori possono interferire con la funzionalità del sensore?. Quale effetto l aumento della temperatura? Quali tipolgi di assemblaggio possono disturbare il lavoro dei sensori ad ultrasuoni? A quali condizioni infl uenzano i sensori ad ultrasuoni contro l altro? Come posso evitare questo? 16

65 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3.4 Speciali sensori ad ultrasuoni Esercizio 4 Come funzionao i sensori retrorifl ettenti? Quando sono usati i sensori retrorifl ettenti? Come funzionano i sensori a due convertitori in un alloggiamento? Come si misura la distanza? 17

66 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 4 Sensori optoelettronici 4.1. Tipologie di sensori Esercizio 1 Come funzionano sensori fotoelettrici? Che propietà hanno i sensori fotoeletricci? Quali oggetti vengono captati? Come funzionano i sensori fotoelettrici retrorifl ettenti? Come funziona il sistema a tre di specchi (triple mirrors)? Da quale raggio di luce effettivo dipendono? 18

67 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Come funzionano i sensori di luci? Che qualità proprietà hanno i sensori di luce? Qual viene stabilito il massimo raggio d azione? 4.2 Elaborazione del signale Esercizio 2 Cosa può interferire con il funzionamento sensori fotoelettrici?. Quali sensori sono particolarmente sensibili nei confronti dall interferenza ottica? Quelle sono i vantaggi del luce modulata? 19

68 Minos Sistemi meccatronici e funzioni. Che cos è la polarizzazione della luce? Che cosa sono i fi ltri di polarizzazione? La polarizzazione elimina la rifl essione? Perché usare la luce polarizzata in sensori opto-elettronici? Chè cos è il margine operativo? Quanto grande deve essere il margine operativo? 20

69 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Che cos è il tempo di reazione (response time)? 4.3 Tipi speciali di sensori optoelettronici Esercizio 1 Qual è la differenza tra sensori retrorifl ettenti fotoelettrici con a zenza polarizzazione? Come è possible nascondere l effetto delle cose in primo piano e di sfondo? Quali sono tre modi in cui tali sensori rimuovono elettronicamente l infl uenza dello sfondo? Che cos è l autocollimazione? 21

70 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Quali sono i vantaggi dell autocollimazione? Come sono realizzati cavi in fi bra ottica? Che cosa è la rifl essione totale nelle fi bre ottiche? Qual è la differenca tra cavi di vetro e cavi di plastica? Come funzionano sensori optoelettronici con cavi in fi bra ottica? 22

71 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4.4. Tecniche di collegamento Esercizio 1 Quali moda di lavorare hanno i sensori ottico - elettronici? Come dipendono dalla grandezza e dalla forma della zona di scambio del segnale d uscita? 23

72 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 5 Sensori magnetici 5.1 Informazioni di base Esercizio 1 Quali materiale ferromagnetico sono forti e quali deboli? Che cos è l effetto Hall? Perché un campo magnetico varia la magnetoresistenza di un semiconduttore? Cosa succede se corrente attraversa un elettrodo di oro o alluminio? Che cos è l effetto Wiegand? 24

73 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5.2 Tipi di sensori magnetici Esercizio 2 Quali sono i vantaggi dei sensori magnetici? Quali oggetti possono essere rilevati dai sensori magnetici? A quale tipo di elementi reagiscono i sensori magnetici? Può essere rilevato un oggetto che si trova in un tubo di plastica? Qual è il principio di un sensore che si basa sulla funzione di un contatto Reed? 25

74 Minos Sistemi meccatronici e funzioni In quale stato rimarranno i contatti di un contatto Reed, quando non è in un campo magnetico? Che cosa determina il raggio d azione massimo,smax, di un sensore di campo magnetico? Quali forme può avere l alloggiamento dei sensori magnetici con un contatto Reed? Che cosa si defi nisce la forma? Come funzionano i sensori a effetto Hall? 26

75 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5.3 Sensori magnetoresistivi Esercizio 3 Come funzionao i sensori ad effetto Wiegand? Come vengono rintracciati magneti mobili di sensori Wiegand? Come vengono rintracciati i conduttore impulsivi dei sensori Wiegand? Di che tipo di alimentazione hanno bisogno i sensori Wiegand? Com è fatto il sensore magnetico più semplice? Qualli ogetti possone esseri rintraccati da un sensore magnetico? 27

76 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Il sensori magnetico richiedere un alimentazione? Principi di montaggio e Applicazioni Esercizio 1 Quali requisiti occorre soddisfare se un sensore magnetico viene montato vicino ad un elemento ferromagnetico? Cosa succede se un oggetto non ferromagnetico si trova fra sensore e magnete? Quando sono utilizzati i sensori magnetici?

77 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 6 Funzioni dei sensori in sistemi meccatronici Esercizio 1 Che cosa in grado di rilevare i sensori nei sistemi meccatronici? Cosa parametri di utilizzo dei sistemi meccatronici moderni possono essere controllati da sensori?

78 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Esercizio 2 Quale algoritmo utilizzano le funzione dei sistemi meccatroni? Perché i sensori sono utilizzati nei processi diagnostici? Che cosa può essere determinato con questi sensori? Che cosa significa la supervisione dei sistemi meccatronici? Come sono utilizzati i sensori nel servizio diagnostico?

79 MECCATRONICA Modulo 8: manutenzione remota, diagnosi Esercizi (concetto) Jerzy Jędrzejewski Politecnico di Wroclaw, Istituto di ingegneria di fabbricazione e di automazione, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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81 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos 1 Aims and tasks of remote diagnostics and servicing Problem 1 What are the reasons for taking diagnostic measures? What is the task of remote diagnostics? What is the task of a remote servicing system?.. What are the advantages of remote connection of sensors to communication networks? 3

82 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos 2 Idea, components and operation of diagnostic system Problem 2 What are the input data for object diagnostics? What are the criteria for designing diagnostics? What do typical units for diagnosing mechatronic objects consist of? 4

83 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos 3 Idea, components and operation of service diagnosing system Problem 3 What is the purpose of and what does service diagnostics consists in? Describe the course of degradation of an operating parameter of a machine and the classification of the latter s technical condition... What are the main trends in the development of service diagnostics?.. 5

84 6 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos

85 MECCATRONICA Modulo 5: componenti meccatronici Soluzioni (concetto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Istituto di ingegneria di fabbricazione e di automazione, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

86 Componenti meccatronici Minos

87 Minos Componenti meccatronici Indice: 1 Sensore ad induzione Nozioni di base Elementi costruttivi fondamentali Sensori speciali Alimentazione con corrente e principi di collegamento di sensori Mezzi protettivi e sicurezza di sensori 12 2 Sensori capacitivi Nozioni di base Principio fisico Funzionamento del sensore Tipi di sensori capacitivi Soppressione dei disturbi 17 3 Sensori ultrasonici Principio fisico Funzionamento dei sensori ultrasonici Disturbi durante il funzionamento dei sensori Sensori ultrasonici speciali 24 4 Sensori ottici Elementi fotoelettrici Principio fisico Emettitori e rilevatori ottici Tipi di sensori Elaborazione dei segnali Tipi speciali di sensori ottici Tecnica di collegamento 35 5 Sensori magnetici Nozioni di base Il campo magnetico Il contatto Reed Effetti magnetici usati in sensori Tipi di sensori magnetici Sensori magnetici speciali Principi di montaggio e applicazioni 44

88 Minos Componenti meccatronici 1 Sensore ad induzione 1.1 Nozioni di base Compito 1 Quale è la fonte del campo magnetico alternato in un sensore ad induzione? Una bobina d induzione è la fonte del campo magnetico alternativo in un sensore ad induzione. Quando la corrente attraverso la bobina cambia direzione il campo magnetico viene invertito. Come cambia l energia accumulata nel circuito risonante? L energia complessiva accumulata nel circuito risonante si compone dell energia del campo magnetico della bobina d induzione E L e l energia del campo elettrico del condensatore caricato E C. L energia complessiva è sempre costante: E = E L + E C = const. All inizio il circuito LC, che consiste della bobina L e del condensatore, è aperto e l energia totale è immagazzinata sugli elettrodi del condensatore caricato. Quando si chiude il circuito il condensatore inizia a scaricarsi e la corrente l inizia a circolare nel circuito. L ampiezza cambia da zero fino a l max. Tutta l energia del condensatore viene immagazzinata nella bobina. Come vengono generate le oscillazioni nel circuito LC? Anche se il condensatore è già scaricato la corrente continua a circolare nel circuito. La corrente la cui fonte è l autoinduzione nella bobina, carica il condensatore e così l energia viene ritrasmessa al condensatore. Quando la carica del condensatore è massima la corrente si azzera nel circuito. Lo stato finale è simile allo stato iniziale ma il condensatore è caricato con polarità inversa e la corrente circola nella direzione opposta. Nel circuito LC hanno quindi luogo le oscillazioni accoppiate del campo elettrico del condensatore e del campo magnetico della bobina. Come si possono mantenere costanti le oscillazioni del circuito oscillante? Le oscillazioni del circuito oscillante possono essere mantenute costanti quando viene alimentato da una fonte esterna con una tensione sinusoidale. In quali condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante? Quando la frequenza delle onde esterne è pari alla frequenza propria del circuito LC, l ampiezza delle oscillazioni è massima. In queste condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante. 4

89 Componenti meccatronici Minos 1.2 Elementi costruttivi fondamentali Quali condizioni vanno soddisfatte per generare oscillazioni nel circuito LC? Per generare oscillazioni si devono soddisfare due condizioni: la condizione sulla fase e la condizione sull ampiezza. La condizione sulla fase implica che la fase della tensione d entrata deve essere uguale alla fase della tensione d uscita. La condizione sull ampiezza implica che l amplificatore deve compensare completamente lo smorzamento del circuito oscillante. Compito 2 Com è costituita la parte attiva del sensore? La parte attiva del sensore induttivo contiene una bobina avvolta su un nucleo di ferrite che crea un campo magnetico alternativo. Il nucleo col circuito magnetico aperto rafforza il campo magnetico della bobina e lo indirizza nella zona d azione del sensore. Come avviene la misura della distanza fra l oggetto e la bobina in un sensore ad induzione? In base al grado di smorzamento dell ampiezza nel circuito oscillante, l elettronica del sensore determina la distanza fra l oggetto e la bobina e genera il segnale d uscita. Normalmente il segnale ha due stati: l oggetto si trova nel campo del sensore o no. In alcuni casi il segnale è anche analogico ed inversamente proporzionale alla distanza fra l oggetto e il sensore. Perché un sensore ad induzione dovrebbe avere un isteresi? Il circuito oscillante elettronico del sensore contiene anche un comparatore con isteresi e un sistema di output. Grazie all isteresi si evitano disturbi del segnale d uscita quando l oggetto di metallo è mobile oppure variano la temperatura e la tensione. Che cos è l isteresi? L isteresi è la differenza tra la distanza alla quale il sensore reagisce quando si avvicina l oggetto di metallo e la distanza alla quale il sensore reagisce quando l oggetto si allontana. In questo caso il segnale d origine cambia da OFF(spento) ad ON (acceso). Il valore dell isteresi dipende dal tipo e dalla grandezza del sensore ed è minore del 20 % del raggio di azione. Quanto vale la frequenza di lavoro di un sensore ad induzione? La frequenza tipica di generatori LC nei sensore ad induzione è alta (HF) ed è compresa tra 100 khz ed 1 MHz. Più grande è il 5

90 Minos Componenti meccatronici diametro della bobina maggiore è l assorbimento di corrente e più bassa è la frequenza massima. Quanto è ampio il raggio d azione di un sensore ad induzione e quali involucri si utilizzano? Il raggio d azione di un comune sensore ad induzione è compreso nei 60 mm. L involucro del sensore, di forma cilindrica o prismatica, è di metallo o plastica il che per un facile montaggio. Qual è il raggio d azione nominale del sensore? La distanza fra oggetto e sensore a cui cambia il segnale di output viene chiamata raggio d azione nominale S n. Questo valore viene indicato nei cataloghi. Con quale campione si valuta il raggio d azione nominale? Il raggio d azione nominale viene determinato in accordo alla norma EN mediante una piastra quadrata di acciaio (St37) di larghezza pari al diametro del sensore spessa 1 mm. Qual è il raggio d azione reale del sensore? Il raggio d azione reale S r viene calcolato durante il processo di produzione del sensore e può leggermente differire da S n. Per la tensione nominale alla temperatura nominale vale la condizione: 0.9 S n S r 1.1S n. Qual è il raggio d azione garantito del sensore? Nel raggio d azione S a 0.8 S n, che rappresenta la distanza di rilevamento garantita tra l oggetto e il sensore, questo può funzionare senza problemi, anche al variare di temperatura e tensione, quale che sia raggio d azione indicato a catalogo dal produttore. Da cosa dipende il raggio d azione nominale del sensore? Il raggio d azione nominale S n dipende dal diametro della bobina D e dalle caratteristiche del nucleo. Più piccolo è il sensore minore è il raggio d azione nominale. Ci sono anche tipi speciali di sensore con un raggio d azione nominale maggiorato. Perché si usa un coefficiente di correzione per i sensori ad induzione? I materiali che hanno una resistenza elettrica minore dell acciaio St37 quali oro, rame o alluminio, smorzano in misura minore le oscillazioni del circuito risonante. Queste differenze possono essere compensate limitando il raggio d azione nominale. Se 6

91 Componenti meccatronici Minos l oggetto da rilevare è di ottone, si deve moltiplicare la zona nominale S n indicata per l acciaio con un coefficiente pari a 0,5. In quale maniera la sensibilità del sensore dipende dalla sua forma costruttiva? Ci sono due forme costruttive di base per i sensori cilindrici: - schermata, la bobina del circuito risonante è in involucro metallico che ricopre l estremità del sensore - non schermata, la bobina si trova chiusa soltanto in un cappuccio di plastica. I sensori non schermati sono più sensibili agli oggetti di metallo. Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori schermati vengono installati vicini? Un sensore cilindrico schermato è sensibile soltanto agli oggetti di metallo che si trovano davanti al sensore. Perciò questi sensori possono essere istallati in elementi di metallo. La zona libera è 3xS n. La distanza minima fra sensori deve essere maggiore di 2xD per evitare interazioni. Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori non schermati vengono installati vicini? Un sensore cilindrico non schermato è sensibile agli oggetti metallici su tre lati. Perciò il sensore va portato parzialmente fuori dalla superficie di montaggio. Il raggio d azione riprende anche i lati del sensore. In questo caso la distanza minima fra i sensori deve essere maggiore 3xD per evitare l interferenza. Qual è la frequenza massima di commutazione del segnale di output? Nella descrizione tecnica di ogni sensore viene dichiarata la frequenza massima caratteristica di commutazione del segnale di output. Questa indica il numero di cambiamenti dell uscita in un secondo, allorché oggetti di acciaio St37 appaiono ciclicamente nel raggio d azione del sensore, in accordo alla norma EN /IEC Quale frequenza massima di commutazione ci si deve aspettare quando viene usato un oggetto diverso dalla piastra standard? Il risultato della misurazione dipende sempre dalla grandezza dell oggetto, dalla sua velocità e dalla distanza tra l oggetto e il sensore. Se viene usato un oggetto più piccolo della piastra standard o una distanza inferiore fra le piastre viene ridotta anche la frequenza massima del segnale di output. 7

92 Minos Componenti meccatronici 1.3 Sensori speciali Compito 3 Come funziona un sensore induttivo ad anello? Il funzionamento del sensore ad anello si basa su un oscillatore ad alta frequenza che genera un campo magnetico elettrico nella cavità del sensore. Viene usato un nucleo toroidale sinterizzato con un fattore di qualità maggiore di un comune nucleo di ferrite. La presenza di un oggetto di metallo causa una riduzione dell ampiezza delle oscillazioni. Il comparatore riconosce questi cambiamenti e quando viene superato il valore limite il segnale di output viene commutato. Quali limiti ci sono per la grandezza degli oggetti da individuare mediante un sensore induttivo ad anello? Il sensore si attiva quando il campo magnetico viene sufficientemente smorzato. Gli oggetti molto piccoli possono creare uno smorzamento troppo limitato. Perciò per ogni grandezza dei sensori c è una lunghezza o un diametro minimo dell oggetto. Ci sono delle prescrizioni per la traiettoria degli oggetti da rilevare con un sensore ad anello? Non è indispensabile per i sensore ad anello che gli oggetti da rilevare abbiano tutti la stessa traiettoria. Grazie al volume d azione dell anello si possono individuare oggetti indipendentemente dall orientamento, ad es. oggetti che cadono in un tubo. Quali conseguenze negative può avere l influsso di forti campi magnetici sui sensori ad induzione? Se un sensore ad induzione si trova nell area di saldatura, il segnale di output come conseguenza dell influsso dei campi esterni sul magnete può venire commutato in maniera incontrollata. Infatti viene indotta una tensione addizionale nella bobina che disturba il funzionamento dell oscillatore e che può creare una commutazione casuale del segnale di output. Come vengono protetti dai disturbi i sensori che lavorano in vicinanza di attrezzature per la saldatura? Durante il processo di saldatura viene prodotta una gran quantità di scintille che possono danneggiare l alloggiamento del sensore. Per questo motivo sensori che lavorano vicini a impianti di saldatura vengono prodotti in ottone protetto con uno strato di teflon. La superficie anteriore viene protetta con plastiche dure che non sono sensibili al calore in caso di impiego a temperature alte. 8

93 Componenti meccatronici Minos Quali sensori non sono sensibili all influsso di campi magnetici esterni? I sensori hanno un nucleo con una permeabilità magnetica piccola e richiedono una costruzione speciale del circuito elettrico per evitare errati segnali. I sensori senza nucleo sono maggiormente resistenti all influsso dei campi magnetici esterni. Dato che manca il nucleo la bobina è avvolta a una rullo di plastica. Faccia degli esempi di sensori che lavorano in condizioni difficili. I produttori di sensori offrono, fra l altro: sensori insensibili a temperature alte (fino a 200 C), sensori insensibili a prodotti chimici, sensori insensibili all olio, sensori insensibili all umidità, sensori miniaturizzati con testa di 3-5 mm. Quale caratteristiche devono avere i sensori che lavorano sotto un alta pressione? I sensori che lavorano sotto una pressione alta devono avere un alloggiamento stabile e chiuso per proteggere gli elementi elettronici interni. La superficie anteriore del sensore è protetta con un disco di ceramica resistente all usura. Dato che tale costruzione richiede uno spostamento delle bobine il raggio d azione del sensore è più piccolo. L oscillatore va quindi modificato. Come si riconosce la direzione di un movimento lineare con un bistabile sensore ad anello? Il sensore contiene due bobine che si trovano accanto e che hanno un alimentazione di corrente separata. Perciò l ampiezza in ogni bobina può essere diversa. Se l oggetto viene dalla parte di sinistra prima viene smorzato il circuito elettrico della prima bobina e poi quello della seconda bobina. Se l oggetto viene dalla parte destra i due circuiti elettrici vengono smorzati all incontrario. L attrezzo di misurazione riconosce la direzione del movimento sulla base delle amplitudini nelle bobine. Come funzionano i sensori ad induzione NAMUR? I sensori ad induzione NAMUR prevedono due conduttori e funzionano con un amplificatore esterno. La loro resistenza cambia quando viene rilevato un oggetto di metallo. Una bassa resistenza significa nessun oggetto di metallo nel raggio d azione, una elevata resistenza significa presenza di un oggetto di metallo. Consistono di un oscillatore smorzato a bobina e un demodulatore. Quando cambia la distanza fra l oggetto ed il sensore cambia anche la corrente assorbita e mediante l amplificatore questa variazione viene trasformata in un segnale bistabile. 9