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MECCATRONICA

1. Dunque per mettere in trazione vengono utilizzati cilindri idraulici cilindri pneumatici elettromagneti Tutti e tre gli elementi di azionamento sono adatti per adempiere il compito di mettere in trazione vantaggi dell elettromagnete sono la semplicit d uso senza necessit di altri Impianti per mettere in trazione la puleggia A discapito pero di un prezzo relativamente alto e la necessit di un controllore a polarit invertibile vantaggi del cilindro pneumatico sono la velocit durante la messa in trazione e la possibilit nelle industrie di alimentazione ad aria compressa in modo da risparmiare i costi per la produzione di energia ComunTut tavia ci possibile soltanto se per la messa in trazione l aria messa a disposizione dalla rete sufficientemente compressa Un vantaggio del cilindro idraulico che adempie a tutte le specifiche Per una forza di trazione relativamente bassa invece di 1000 N invece viene preferito un cilindro pneumatico in quanto un cilindro idraulico troppo dispendioso in termini di fornitura e setup dell impianto Uno svantaggio del cilindro pneumatico come del cilindro idraulico la difficolt di progettazione e realizzazione di un sistema di ritenuta Il confronto mostra che per la messa in trazione ci sono diverse possibilit Ogni variante ha vantaggi e svantaggi Tuttavia diversi metodi soddisfano indifferentemente le specifiche Visto che nell esempio si part
2. 10 avvitare la flangia 11 la carrucola con l uso della vita a testa esa gonale 8 e la rosetta elastica 9 11 aggiungere i dischi 3 1 e 3 2 La scelta dei componenti adatti accade secondo le norme seguenti la descrizione pi precisa possibile del compito desiderato costi di investimento e produzione Specifiche tecniche specifiche cliente fogli di specifica affidabili e risposta in caso di disturbo della funzione obiettivo norme di sicurezza e attrezzature di sicurezza condizioni operative manutenibilita magazzinaggio condizioni di mercato analisi di competitivit con produttori attuali tendenze di sviluppo produttori preferiti del committente possibilit di manutenzione presso il produttore standardizzazione pezzi di ricambio forniture complete con cotrollo fornitore 99 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos Le condizioni di base per l interpretazione di sistemi complessi sono svolgimento delle funzioni analisi dil moto forze e momenti crichi e tensioni ammissibili condizioni per la scelta della pressione nominale utilizzata in idraulica o pneumatica frenata o velocit comandi e regolazioni accelerazione e legge oraria comportamento dinamico e rigidit circostanze d installazione specifiche del mezzo che trasporta l energia lavoro a turni uso stazionario o mobile condizioni di funzionamento durata dell inserzio
3. Circuito di Uscita detenzione Figura 5 12 Sensore ad effetto Hall Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 5 5 Sensori magnetici speciali 5 5 1 Sensori magnetoresistivi La costruzione di sensori magnetoresistivi simile a quella di sensori Hall L unica differenza consiste nell elemento sensibile ai cambiamenti del campo magnetico Nei sensori magnetoresistivi questo elemento consiste di quattro ma gnetoresistori RM1 RM4 che costituiscono un ponte di Wheatstone Figura 5 13 Ovviamente si deve rispettare la corretta polarizzazione degli elettrodi In questa configurazione vengono compensate le dila tazioni termiche e gli effetti della temperatura ed il segnale di output pari al doppio di quello di un singolo magnetoresistore Quando un magnete si trova nel raggio d azione del sensore cambia la resistenza del ponte di misura Tale variazione proporzionale alla po tenza del campo magnetico Ponte di Weatstone s Rini a a E S i i Circuito di detenzione Alimenta G zione Misurazione Misurazione del segnale del segnale Figura 5 13 Sensore magnetoresistivo a schema b ponte di Wheatstone con magnetoresistori 5 5 2 Sensori magnetici Wiegand Il funzionamento di sensori Wiegand si basa sul rilevamento dei cam biamenti della direzione della magnetizzazione polarizzazione del nucleo di un convogliatore d impulso Quando cambia la direzione del campo magnetico esterno pu camb
4. Per evitare cio le variazioni di tensione devono essere minori del 10 del valore medio della tensione di alimentazione U_ lt 0 1U La variazione momentanea di tensione Uss non deve superare questa limitazione Per evitare questo effetto andrebbero utilizzati uno stabiliz zatore o un condensatore appropriato Le uscite dei sensori con alimentazione continua possono avere una configurazione NPN o PNP Nel caso della configurazione NPN la re sistenza RL viene collegata fra l uscita del sensore e il polo positivo dell alimentazione con la corrente U Nel caso della configurazione PNP la resistenza viene collegata fra l uscita del sensore e il polo negativo Entrambi i tipi possono avere una funzione NO normalmente aperto o NC normalmente chiuso Alcuni sensori hanno una funzione comple mentare NP e due uscite indipendenti NO e NC sensori alimentati con corrente alternata non vanno collegati diretta mente con uno stabilizzatore per corrente alternata poich ci potrebbe distruggere i circuiti elettrici interni del sensore sensori alimentati con corrente alternata vengono collegati in serie con la resistenza RL L utilizzo di due sensori alternati richiede delle specifiche aggiuntive E necessario un transistore come amplificatore di potenza Visto che questi sensori vengono collegati in serie con la resistenza ci comporta una perdita di corrente anche se il sensore spento Ci comporta una perdita di tensione specia
5. Questi sensori vengono usati per oggetti costituiti da materiale che as sorbe bene il suono come cotone gomma tessuto ecc o se l angolo tra la superficie frontale dell oggetto e l asse del sensore non 90 reflecting Figura 3 22 Interruzione delle onde acustiche prodotta da oggetti che diffondono onde acustiche a o che le assorbono 68 sensori di riflessione possono anche sfruttare le onde ultrasoniche ri flesse da una superficie rigida per rilevare oggetti difficilmente da rag giungere Figura 3 23 Possono funzionare sia in virt dell interruzione di quest onda sia dell eco riflessa Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Elementi di riflesso Figura 3 23 Sfruttamento dell onda ultrasonica riflessa per riprendere un oggetto assorbente 3 5 2 Sensori con doppio trasduttore sensori con due trasduttori in un unico involucro possono lavorare sia come sensori a diffusione sia come sensori a riflessione mediante un riflettore Figura 3 24 Il primo trasduttore il trasmittente e il secondo il rilevatore dell onda ultrasonica Un sensore di questo tipo pu rilevare anche oggetti piccoli molto prossimi visto che il rilevatore pu lavorare simultaneamente al tra smettitore Ovviamente i due trasduttori vanno sincronizzati 69 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Figura 3 24 Sensore con due trasduttori a funzionamento a diffusione b funzionamento a ri
6. anche analogico e inversamente proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore Il circuito risonante del sensore contiene anche un comparatore con isteresi e un sistema di uscita Tramite l isteresi si evitano i disturbi del segnale d uscita se viene cambiato lo stato se instabile l oggetto di metallo o se variano la tensione e la temperatura L isteresi la differenza tra distanza alla quale reagisce il sensore quando si avvicina l oggetto di metallo e la distanza alla quale reagisce il sensore se l oggetto si allontana Poi cambia lo stato iniziale da SPENTO a ON figura 1 3 Il valore d isteresi dipende dal modo e dalla grandezza del sensore ed piu piccolo del 20 del campo di misurazione Se c iste resi viene percepito anche l oggetto che si trova alla frontiera del raggio d azione del sensore Questa situazione segnalata da molti sensori mediante un diodo luminoso La frequenza tipica dei generatori LC nei sensori induttivi di 100 Hz MHz Alta Frequenza HF Maggiore il diametro della bobina maggiore l assorbimento di corrente e minore la frequenza massima Il campo d azione dei induttori tipici d induzione pi piccolo che 60 mm Il supporto del sensore viene prodotto in forma cilindrica o quadratica di metallo o di plastica e permette un montaggio ottimo metallo ON OFF Figura 1 3 Isteresi del sensore d induzione LY CU minos 10 Sistemi meccatronici e funzioni
7. 128 Sistemi meccatronici e funzioni La terza possibilit per l alimentazione del trapano un motore elettrico Per la realizzazione di due frequenze pu essere utilizzato un motore a poli invertibili Questo motore per molto grande e costoso Perci pi sensato usare un motore a trasmissione asincrono a corrente trifase per la realizzazione dei casi applicativi proposti Nell esempio questa soluzione la pi adatta Avendo considerato le tre varianti separatamente adesso segue una valutazione del loro confronto Si visto che nel caso del trapano un motore elettrico asincrono il pi adatto Dovrebbe essere attrezzato con una trasmissione per la realizza zione delle due diverse frequenze di rotazione richieste nell esempio Visto che la spinta principale deve essere modulata ci pu essere possibile con un cambio a ingranaggi Una modulazione della velocit angolare dunque possibile mediante una trasmissione pre collegata Se devono essere realizzate solo due diverse velocit angolari possibile utilizzare un motore a poli invertibili Questo motore per pi grande ed ha un prezzo maggiore del motore asincrono con trasmissione In meccatronica i limiti imposti dai singole forme di energia vengono superati Per poter usare i vantaggi delle differenti forme di energia in modo ottimale spesso esse vengono anche combinazte tra loro Molte volte vengono utilizzati sistemi elettropneumatici o elettroi
8. 300 500 700 900 300 400 500 600 700 Wavelength nm Wavelength nm C O l fluorescent lamp 00 intensity relative units O 300 500 700 900 1100 Wavelength nm Figura 4 25 Fonti di luce artificiale e le loro caratteristiche di spettro a lampadina ad incandescenza b 102 lampada a vapori di sodio c lampada fluorescente Lo spettro di radiazione di una lampadina ad incandescenza molto ampio e l intensit massima si ha intorno ai 600 700 nm Le lampade a vapori di sodio emettono la maggior parte dell energia luminosa Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos nell intervallo di lunghezze d onda tra 500 e 640 nm simile all intervallo di emissione di un LED rosso Lo spettro di radiazione di una a lampada fluorescente consiste di alcune righe principali e di un ristretto intervallo da 570 fino a 700 nm I sensori a diffusione sono particolarmente sensibili ai disturbi creati dall interferenza ottica soprattutto quella della luce naturale con inten sit costante e quella della luce artificiale con uno spettro di radiazione simile a quello della luce naturale come pure alla luce lampeggiante 103 7 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale 4 4 2 Soppressione delle interferenze 4 4 2 1 Modulazione della luce S Q 5 U Sn D LL sensori ottici che impiegano luce modulata non sono sensibili per la luce ambientale
9. Le norme C hanno priorit davanti alle norme A e B Valgono anche se ci sono delle differenze fra le singole norme Ma soltanto se tutte le norme A Be C sono state considerate pu essere assegnato il marchio CE della direttiva della comunit Europea kaa CY Minos 1 2 Affidabilita Esempio Attivazione sicurezza teleservizio La sicurezza di una macchina o di un impianto dipende dai provvedimenti assunti per contrastare gli effetti nocivi che pu avere sulle persone o sull ambiente Con la parola affidabilit invece si descrive la capacit di una macchina o impianto di realizzare una data funzione Perci una funzione eseguita non necessariamente anche sicura Il livello di affidabilit richiesto determina la progettazione costruttiva del sistema Ad es bisogna prevedere la disponibilit di elementi di riserva la manutenzione deve essere programmata contatti dei relais sono progettati per una certa corrente elettrica e una data tensione Spesso hanno una durata di vita di diversi milioni di cicli di rottura Quando raggiunta tale durata di vita i relais vanno sostituiti La loro sostituzione indispensabile se si tratta di relais con funzioni rilevanti per la sicurezza Per potere valutare la affidabilit e quindi la sicurezza di sistemi si usano diversi parametri di affidabilit Si identificano per il sistema gli stati in grado di funzionare e non in grado di funzionare Per si
10. MECCATRONICA Moduli 5 8 componenti meccatronici sistemi meccatronici e funzioni attivazione sicurezza e teleservizio manutenzione remota e diagnosi Manuale concetto Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no 2005 146319 Minos durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no DE 08 LLP LdV TOI 147110 MINOS durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto finanziato con il sostegno della Commissione europea L autore il solo responsabile di questa pubblicazione comunicazione e la Commissione declina ogni responsabilit sull uso che potr essere fatto delle informazioni in essa contenute Ar Sg DG Istruzione e cultura Programma di apprendimento permanente www minos mechatronic eu 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 ClCmargune Spain University of Naples Federico Il Italy Unis a s company Czech Republic Blumenbecker Prag s r o Czech Republic Tower Automotive Sud S r l
11. Queste differenze possono essere compensate attraverso la riduzione del raggio d azione nominale Se il metallo da riprendere di questo ti po il raggio d azione nominale S ottenuto per l acciaio St37 va molti plicato per un coefficiente di correzione minore dell unit che ad e sempio pari a 0 5 per l ottone Figura 1 8 La sensibilit del sensore dipende dalla sua forma costruttiva Per sen sori cilindrici si hanno forme costruttive di base schermata la bobina del circuito risonante inserita in una bus sola che forma la testa del sensore ed a contatto con questa non schermata la bobina sporge all esterno dell alloggiamento coperta soltanto da un involucro protettivo di plastica I sensori con la bobina non schermata sono pi sensibili agli oggetti metallici nella loro vicinanza Steel St37 Ch i Acciaio St37 romium Stainless steel Cromo Acciaio inossidabile Ottone Alluminio Oro Figura 1 8 Coefficiente di correzione per diversi materiali dell oggetto da rilevare 1 3 3 Tecniche d istallazione Se si seguono le raccomandazioni per il montaggio non si hanno di sturbi di funzionamento del sensore causati da uno smorzamento am 14 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos bientale o dall influsso di altri sensori La grandezza e la forma della zona libera richiesta free zone in vicinanza del sensore dipendono da volume che influenza il sensore
12. stato raggi unto il cambiamento desiderato della grandezza desiserata mad Oo o gt 1 ww T Elemento di trasferimento XI Valore di entrata Xo Valore di uscita Z Valore di disturbo Figura 7 5 Struttura a catena di connessioni di trasmissione di una catena di controllo controllo 102 1 2 1 Regolazioni Esempio Sistemi meccatronici e funzioni W Minos Durante la regolazione la grandezza da regolare viene monitorata di continuo Questo valore viene confrontato con il valore teorico previsto Il valore misurato viene detto valore effettivo e il valore teorico valore di riferimento La regolazione della grandezza monitorata dipende dallo scostamen to tra valore effettivo e valore di riferimento Tale processo un ciclo chiuso Se si tratta di una regolazione perci si parla anche di ciclo di regolazione Il processo di regolazione del livello di fluido in un serbatoio consi ste nel rilevamento di un flusso in uscita dal serbatoio e nell aggiunta automatica di nuovo fluido Il volume del fluido in ingresso grazie alla regolazione compensa quello in uscita Problemi del ciclo di regolazione Una regolazione pu essere effettuata soltanto quando c una differenza tra la grandezza da regolare e il valore nominale Feedback Regolazione del Oggetto 2 gt O Valore di comando valore di referenza Valore di Set Valore di controllo Valore di disturbo Figura 7 6 Pianta del flusso del segna
13. DO dark operate il procedimento chiaro LO light operate L uscita di sensori che usano il procedimento scuro attiva ON se la luce emessa non raggiunge il ricevente L uscita di sensori che usano il pro cedimento chiaro attiva ON se la luce emessa raggiunge il ricevente 4 9 2 Commutazione dell uscita del sensore 12 Ogni sensore optoeletronico ha una zona caratteristica di commutazione del segnale d uscita La sua grandezza e la sua forma dipendono dal diametro del raggio di luce emesso e dalla distanza tra oggetto rilevato e sensore Se l oggetto rilevato si trova in tale zona il segnale d uscita viene commutato La zona di commutazione del segnale d uscita se un oggetto viene spo stato di fronte al sensore o il ricevente di fronte all emittente pu essere rappresentata nel cosidetto grafico di risposta la A es a CICCIO ee ee emittente 0 j ricevitore distanza X Figura 4 17 Diagramma di risposta dei sensori a sbarramento Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos Una caratteristica importante di tutti i senori la frequenza massima di commutazione il numero massimo possibile di commutazioni del segnale d uscita in un secondo in Hz Per i sensori optoeletronici la frequenza massima viene fissata sulla base del tempo di reazione tempo di rilascio che indicato nei dati tecnici di ogni sensore Nel calcolo della frequenza di commutazione massima fmax si pre
14. Il flusso del campo magnetico generato dalla bobina induttiva circonda un area limitata che determina il raggio d azione del sensore induttivo La distanza fra l oggetto e il sensore di cui cambia il circuito d uscita viene chiamato raggio d azione nominale Sn Questo valore viene indicato in accordo alle norme EN 60947 5 2 per una piastra quadrata di accaio ST37 con largezza pari al diametro del sensore e di spessore 1 mm Il raggio d azione reale Sr viene fissata durante il processo di produzione del sensore e pu essere leggermente diversa da Sn Per la tensione nominale e la temperatura nominale vale 9 S lt S lt 1 1 S S lt 0 85 Il raggio d azione operativo S lt 0 8S_ che indica la distanza fra l oggetto e il sensore assicura condizioni di lavoro indipendenti da cam biamenti di temperatura e tensioni e dal raggio d azione reale indicata dal produttore Il raggio d azione nominale Sn dipende dal diametro della bobina D fi gura 1 4 e le caratteristiche del nucleo Pi piccolo il sensore minore il raggio d azione nominale Ci sono anche produzioni speciali con un raggio d azione nominale aumentato minore la raggio d azione nominale Ci sono anche produzioni tipi speciali con zona nominale aumentata Figura 1 4 Legame tra diametro della bobina e raggio d azione nominale per sensori induttivi standard baw Sistemi meccatronici e funzioni j Minos 1 3 Coefficiente di correzione Lo smorzam
15. Il segnale di output inizialmente OFF Figura 3 15a viene commutato in ON se una superficie che riflette il suono entra nel rag gio d azione del sensore Figura 3 15b 58 Componenti meccatronici sensori Manuale Figura 3 15 Segnale di output del sensore a diffusione a prima del rilevamento dell oggetto 59 60 wpne 4 dead zone Componenti meccatronici sensori Manuale Il raggio d azione massimo del sensore pu essere regolato da un op portuno potenziometro cosicch oggetti oltre tale limite non vengono ri levati Figura 3 16 Questa funzione si chiama cancellazione dello sfondo blanking out the background Il raggio d azione minimo pu essere regolato soltanto per alcuni tipi di sensore In tal caso la zona bloccata nella quale gli oggetti non vengono rilevati e la zona attiva nella quale gli oggetti vengono rilevati possono essere stabilite con precisione La zona morta si trova in prossimit del sensore dove gli oggetti non vengono rilevati o dove l individuazione non affidabile L ampiezza della zona morta dipende dal raggio di azione del sensore Minore il raggio di azione del sensore pi piccola la zona morta La zona morta esiste perch il trasduttore ha due funzioni generare e ricevere l onda ultrasonica Il trasduttore perci pu ricevere un eco soltanto quando l impulso di suono stato inviato Undeveced jes Senso S BUIO ZOMG Urdelecied Figura 3 16 Definiz
16. Le oscillazioni del convertitore cautilizzate da cambiamenti della tensione vengono trasmessi alle molecole di un materiale o mezzo p es aria e viene generata un onda acustica Viceversa se vengono trasmesse le oscillazioni di molecole al convertitore le deformazioni del convertitore causano lo sviluppo di cariche elettriche sulla superficie dei convertitori Perci un convertitore piezoelettrico pu essere utilizzato come genera tore e ricevitore delle onde acustiche figura 3 3 quarzo elettrodo superiore elettrodo in basso quarzo elettrodo elettroco basso superioe generatore __ dell impulso i voltmetro generare onda ultrasonica ricevere onda ultra sonica Figura 3 3 Generatore e ricevitore dell onda acustica 35 Le J 36 Minos Sistemi meccatronici e funzioni L area di propagazione di un onda ultrasonica in alto grado diffusa figura 3 4a La maggiore energia del suono si trova vicino all asse del sensore Se l energia del suono nella zona grigia non basta per un lavoro giusto del sensore soltanto il cono del suono con l angolo a biso gna utillizzare durante la misurazione figura 3 4b L energia dell onda ultrasonica nell intervallo giallo maggiore del 50 dell energia vicino all asse del sensore Se si conosce la distanza X tra l oggetto e il sensore pu essere calcolato il diametro del cono del suono D vicino all oggetto come segue D 2 X tan a 2 X distanza tra l
17. 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 varia bile ad alta frequenza Il campo induce correnti parassite negli oggetti metallici che si trovano in prossimit del sensore In conseguenza di queste viene sollecitato il circuito d induzione e si riduce l ampiezza d oscillazione La 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 com mutato Nei sensori analogici il livello del segnale di uscita inversa mente proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore Sensore di testa Figura 1 1 Costruzione di un sensore induttivo Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 1 2 Principio fisico 1 2 1 Il circuito risonante Una bobina d induzione la fonte del campo magnetico variabile nei sensori induttivi Se la corrente che attraversa la bobina varia nel tem po anche il campo magnetico nella bobina variabile A questa varia zione legato il fenomeno dell autoinduzione ossia lo sviluppo di una tensione addizionale nella bobina tale tensione reagisce contro i cam biamenti della corrente L energia elettrica totale nel circuito risonante elettrico consiste dell energia Er del campo magnetico della bobina d induzione e
18. dalla sua costruzione e dalla grandez za dell oggetto da rilevare Il diametro del nucleo e della bobina dipendono dalla grandezza dal supporto cilindrico bussola metallica Perci c un legame stretto tra il diametro del supporto il raggio d azione dal sensore e la zona che deve rimanere libera nella quale deve venirsi a trovare nessun altro oggetto di metallo oltre quello da rilevare sensori con la bobina schermata hanno un raggio d azione pi grande conseguentemente anche la zona libera deve essere pi grande Un sensore cilindrico schermato sensibile soltanto agli oggetti di me tallo che si trovano di fronte al sensore Pertanto questi sensori posso no essere fissati ad elementi di metallo La zona libera 3xSn Figura 1 9b La distanza minima tra i sensori dovrebbe essere maggiore di 2xD per evitare che s influenzino a vicenda Un sensore cilindrico non coperto su tre lati sensibile per oggetti me tallici Perci il sensore va un po tirato fuori Cos la zona libera ripren de anche le parti del sensore In questo caso la distanza minima tra sensori dovrebbe essere pi grande di 3xD per evitare l influsso a vi cenda E E gt ab O al O 0 Distance X mm Detected object Figura 1 9 Sensori ad induzione con bobina schermata e non schermata a caratteri stica b raccomandazioni per il montaggio Nella documentazione tecnica di un sensore indicata la frequenza massima caratter
19. di plastica carta o vetro aumentano la ca pacit propria del sensore perch le loro costanti dielettriche sono maggiori della costante dielettrica dell aria Figura 2 5a L aumento di capacit dipende dalla costante dielettrica dell oggetto ma comun que ridotto Perci anche il raggio d azione del sensore ridotto Gli oggetti conduttori in assenza di collegamento di massa formano due ulteriori condensatori tra l oggetto e l elettrodo interno e tra 34 Componenti meccatronici sensori Manuale Lf Minos tf l oggetto e l elettrodo esterno connessi in serie Figura 2 5b Il raggio d azione del sensore in questo caso maggiore Se l oggetto da individuare un conduttore con collegamento a massa la capacit propria del sensore si collega in parallelo con la capacit extra tra l oggetto e gli elettrodi Figura 2 5c Il raggio d azione del sensore in questo caso ancora maggiore SENSORS OBIECT ELEKTRODE SENSORS Er o EXTERNAL ELEKTRODE SENSORS ELEKTRODE EE ee T EXTERNAL ELEKTRODE SENSORS OBIECT s ELEKTRODE ELEKTRODE EXTERNAL ELEKTRODE aa EXTERNAL ELEKTRODE SENSORS SENSORS OBIECT ELEKTRODE ELEKTRODE EXTERNAL ELEKTRODE EXTERNAL ELEKTRODE Figura 2 5 Struttura capacitiva del sensore a per un oggetto non conduttore b per un oggetto conduttore senza collegamento a massa c per un oggetto conduttore con collegamento a terra Gli elettrodi A e B
20. diagnosed parameters of machines have on the latter s work proc esses Typical malfunction percentages for a selected machining cen tre are shown in table 1 and typical quantities to be monitored are pre sented in Fig 1 Toram O O 68 NC system 09 Problems wii chi T 09 hais OO O 09 Table 1 Malfunction percentages for machining centres Nel Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook Minos Full diagnostics of such a complex object as an operating machine tool is very difficult and co stly Sensors for continuous or period ic monitor ing 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 pre cisely infor m about any changes in the monitored qua ntities and should not be subject to any interference during their tran smission to processing circuits Th e processed signal is then used in inference which in a simple case consists in evaluating the measured quantity against the value proper for the monitored para meter The result of in ference is the basis for the formulation of diag nostic conclusions For complex ph enomena and 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 edure
21. difficile da smagnetizzare Tali materiali Fe Co Ni Co ferriti duri vengono chiamati forti e utilizzati come magneti permanenti Se l isteresi stretta il materiale viene smagnetizzato e magnetizzato facilmente Tali materiali ferro Fe Si Fe Al ferrite morbida leghe amorfe vengono chiamati deboli e utilizzati come nucleo magnetico A seconda delle caratteristiche magnetiche descritte si possono costruire diversi tipi di sensori magnetici Un campo magnetico nel vuoto viene caratterizzato da un vettore indu zione magnetica BO Linduzione magnetica B in un materiale omogeneo qualsiasi viene fissata come segue b campo magnetico generato campo magnetico campo magnetico esterno esterno Figura 5 2 Isteresi di un ferromagnetico a duro b morbido baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 5 3 Effetto Hall L effetto Hall consiste nella generazione di un campo elettrico ag giuntivo in una piastra di un conduttore o semiconduttore che si trova in un campo magnetico esterno Sotto l influenza del campo magnetico esterno le cariche elettriche si addensano da un solo lato della piastra e nasce una differenza potenziale cosiddetta tensione Hall VH Il campo magnetico aggiuntivo per effetto Hall ha direzione ortogonale sia al campo magnetico B che alla cor rente IC massino se il campo magnetico esterno verticale alla direzione della corrente figura 5 7 Per la piastra rappresentata vale VH
22. livello di frequenza di rotazione n mino E PEPPI TECERCERE ELE pup Peeeeee lee rrebe pes i EEEL iad o ca da Lada CE di TESE CRCR E SO LEER TEL n pg T n SETT ee pop ome a mn i pe i n nona momo No Nu Nu vw gu nu di m be iia iad i rotaggio velocit media velocit alta lento Figura 7 13 Classificazione dil motori idraulici secondo la velocit angolare 123 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni In figura viene riportata la classificazione dil motori idraulici per velocita angolare v legenda Per la realizzazione del momento torcente di 10 e 20 Nm sono adatti soltanto il motore a ingranaggi e il motore a pompa Rimane da stabilire se questil motori soddisfano le specifiche nel caso dell esempio Per l esempio stato scelto un motore a ingranaggi con una prestazio ne di 2 kW Le curve caratteristiche del motore sono rappresentate in un Figura aggiuntiva Se ne possono dedurre i seguenti valori per i ognuna delle applicazioni velocit angolare 750U min momento torcente 20 Nm pressione 120 bar portata volumica 101 m velocit angolare 1450U min momento torcente 10 Nm pressione 60 bar portata volumica 20I m Momento torcente p4 ni Figura 7 14 Classificazione dil motori idraulici in base al momento torcente 124 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos Per la regolazione della pressione del motore necessaria una valvola di limitazion
23. oggetto rilevato Perci l oggetto pu essere individuato nonostante lo sfondo sia pi o meno riflettente 65 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni sensori a diffusione a soppressione di primo piano e di sfondo sono indispensabili quando si vuole rilevare oggetti che si spostano accanto allo sfondo o l altezza di un fluido _ n __ ___mm i _ diodo laser CCD camera o PSD L y x a LA 7 i F re i enti Interva o di toda misurazione Lmax intervallo attivo ee I _ intervallo dello sfondo rimossa Objekt 3 Figura 4 12 Sensore a triangolazione con rimozione elettronica dell influenza dello sfondo 66 sensori a diffusione che rimuovono l influenza dello sfondo rilevano og getti chiari e scuri quasi senza differenza come rappresentato anche in figura 4 36 La differenza delle distanze operative per oggetti scuri e chiari soltanto del 5 Fonti di luce LED e ricevitori possiedono lenti ottiche per ridurre sia il raggio di luce generato che il campo visivo del ricevitore Questo limita il raggio d azione del sensore e l influenza degli oggetti che si trovano al di fuori del raggio d azione Allo stesso tempo pero la differenza massima fra trasmettitore e ricevitore o fra il trasmettitore e la superficie riflettente diventa maggiore Se si ha bisogno di un brepiccolo raggio d azione e una ampio campo visivo vie
24. possibile regolare la distanza operativa minima e massima figura 4 11 Questo viene effettuato modificando fisicamente l angolo di ricezione o quello dello specchio ausiliario Que sta caratteristica importante soprattutto se dietro l oggetto da rilevare si trova una superficie lucida che pu indurre un errato rilevamento dell oggetto L influenza della superficie viene esclusa se la distanza operativa del sensore pi breve della la distanza tra il sensore e la su perficie sfondo In questo caso vengono riconosciuti solo quegli oggetti che si trovano ad una distanza minore di quella massima asse ottica ricevitore R ICE dall emittente Mb mail emittente E Mia 77 asse ottica del ricevitore a intervallo attivo Figura 4 11 Tagliare la asse ottica dall emittente e del ricevitore per limitare l intervallo attivo 64 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos Il procedimento elettronico della rimozione dell influenza dello sfondo ancora pi efficace In tal modo il sensore riconosce e filtra automatica mente il disturbo dello sfondo Questo procedimento viene utilizzato in sensori a diffusione con due ricevitori di luce o in un sensore a triango lazione fornito di una telecamere CCD o un convertitore PSD Il primo gruppo dei sensori confronta le quantit di luce che investono ognuno dei ricevitori Il secondo gruppo misura la distanza tra l oggetto e il sensore e lo confronta con una dista
25. superficie da Involucro misurare I I campo del sensore elettrodo esterno _ elettrodo interno Figura 2 2 Il campo elettrico del sensore capacitivo 26 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos Gli oggetti isolanti di plastica carta o vetro aumentano la capacit propria del sensore perch le loro costanti dielettriche sono pi grandi di quella dell aria L aumento di capacit dipende dalla costante dielettrica dell oggetto ma bassa Perci anche Il raggio d azione del sensore ridotta Gli oggetti conducenti senza collegamento a massa formano due con densatori aggiuntivi tra l oggetto e l elettrodo interno e tra l oggetto e elettrodo esterno in serie Il raggio d azione del sensore in questo caso maggiore Se l oggetto da individuare un conduttore con collegamento a terra la capacit propria del sensore si collega in parallelo con la capacit aggiuntiva tra l oggetto e l elettrodo Il raggio d azione del sensore in questo caso maggiore Le elettrodo A e B sono collegati con un oscillatore ad alta frequen za figura 2 1 In assenza di oggetti nel campo elettrico del sensore l oscillatore non lavora Se un oggetto entra in questo campo la capacit tra gli elettrodi A e B aumenta e viene acceso l oscillatore Il raddrizzatore analizza l ampiezza delle oscillazioni e genera un segnale per il sistema di commutazione Tra l oscillatore e l elettrodo si trov
26. utilizzate particolari procedure di montaggio protetti i circuiti elettrici modificandone il progetto iniziale Per adattare i sensori alle condizioni di lavoro i produttori offrono in particolare sensori resistenti alle alte temperature al di sopra dei 200 sensori resistenti a prodotti chimici sensori resistenti a sostanze oleose sensori resistenti all umidit sensori piccolissimi la cui testa ha un diametro di 3 5 mm sensori che lavorano ad alte pressioni devono avere un supporto fisso e compatto che protegga gli elementi elettrici interni La superficie frontale viene protetta con un disco di ceramica resistente all usura Perch una tale costruzione chiede uno spostamento della bobina dalla sua posi zione ottimale il raggio d azione del sensore ridotto Per contrastare questo effetto l oscillatore viene modificato In condizioni normali un tale sensore modificato avrebbe un raggio d azione molto maggiore di un sensore standard Il disco di ceramica viene riscaldato e collegato con il supporto di acciaio inox per raggiungere una buon accoppiamento Raffreddato il supporto ricaldato per migliorare l accoppiamento si fissa in modo stabile intorno al disco 15 LY CU minos 1 6 16 Sistemi meccatronici e funzioni Sensori NAMUR a intensita cor rente mA ii Lal pin sensori induttivi NAMUR contengono due sensori principali La loro resistenza cambia quando viene rile
27. Il raggio d azione del sensore capacitivo pi cambiare notevolmente e dipende dal materiale e dal collegamento a terra dell oggetto da rileva re materiali conduttori determinano il massimo raggio d azione 38 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Se l oggetto di un materiale conduttore il tipo di materiale non in fluenza il raggio d azione del sensore Se l oggetto di materiale non conduttore il raggio d azione del sensore dipende dalla sua costante dielettrica Pi grande la costante dielettrica pi grande il raggio d azione Figura 2 9 La tabella 2 1 contiene le constanti dielettrica di diversi materiali isolanti La distanza tra un oggetto di materiale organico ad es legno e il sen sore a cui cambia il segnale di output dipende notevolmente dalla quantit d acqua che l oggetto contiene perch la costante dielettrica dell acqua molto alta Ewater 80 40 50 Switching range Figura 2 8 Relazione tra il raggio d azione del sensore capacitivo e la costante dielettrica dell oggetto di materiale non conduttore 39 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Materiale E Alcool Bachelite Petrolio 2 2 Cellulosa Legno Gomma morbida Gomma siliconica PINI ON N N 00 Gomma vulcanizzata Marmo Bo Mica 6 Olio per trasformatore Carta Cartone 4 5 Paraffina 2 2 Plexiglas Poliammide Polietilene Polipropilene 2 3
28. Inoltre il raggio dell emettitore viene attivato soltanto per un breve arco di tempo molto pi breve della pausa fra due impul si successivi vedi Figura 4 26 La frequenza del segnale di luce mo dulato di alcuni kHz Tuttavia se l emettitore e la fonte di luce di di sturbo hanno frequenze prossime ancora possibile l interferenza L uso della luce modulata offre i seguenti vantaggi sensori sono insensibili alla luce ambientale il raggio d azione del sensore maggiore la quantit di calore prodotto minore e quindi la durata di vita dei LED aumenta Emettitore e rilevatore hanno lenti ottici per raccogliere il raggio di luce prodotto e riducono il campo del rilevatore pertanto possibile ridurre il raggio d azione del sensore ed in questo modo diminuire l influsso della radiazione riflessa da oggetti che si trovano al di fuori della raggio d azione Grazie a lenti convergenti aumenta anche la distanza mas sima tra il trasmettitore ed il rilevatore o fra il trasmettitore e la superfi cie riflettente Quando occorre un breve raggio d azione ed un ampio campo vengono usati elementi fotoelettronici senza lenti con una fine stra piana trasparente Emitter ON Emitter OFF Figura 4 26 Applicazione di una tensione modulata all emettitore 4 4 2 2 Polarizzazione della luce 104 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Il segnale di output di un comune sensore a riflessione pu essere
29. Italy Bildungs Werkstatt Chemnitz gGmbH Germany Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS Germany Euroregionala IHK Poland Korff Isomatic sp z 0 0 Wroclaw Polen Euroregionale Industrie und Handelskammer Jelenia Gora Poland Dunaferr Metallwerke Dunajvaros Hungary Knorr Bremse Kft Kecskemet Hungary Nationales Institut f r berufliche Bildung Budapest Hungary Christian St hr Unternehmensberatung Germany Universitat Stockholm Institut fur 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 Universit t Chemnitz Reichenhainer StraBe 70 09107 Chemnitz Tel 49 0 0371 531 23500 Fax 49 0 0371 531 23509 Email minos mb tu chemnitz de Internet www tu chemnitz de mb WerkzMasch oder www minos mechatronic eu MECCATRONICA Modulo 5 componenti
30. Lavorazione di singole parti MONAGGIO serio acilia 99 1 2 OU UT GECMIS 102 TN ROC OVA ZI Isili 104 722 2ISICMEGICONIFONO complessi isole er 105 7 2 3 Criteri comparativi per sistemi di controllo COMPlESSsi enee 106 7 3 Sistemi di controllo parte operativa e di segnale iii 107 TEE TONS OD SUA Caceres E EE resiot nein iii Aaa iii 109 ToL ANON lai 113 7 3 3 Componenti di segnale di controllo e attuattori 130 8 Sviluppo di un intero sistema meccatronico i 135 8 1 COMPONE nI SCOE ere a AEE E E E E lirieti 135 8 2 Strumenti ausiliari per lo sviluppo di un sistema di controllo complesso 136 Car DESNO CS aa a E A eseeecenawene ne 137 8 2 2 diagramma diU SSO ilaele 138 oeo SCRETZIONICO o E iaia oss 140 Se PIANONUNZIONA Eau 141 929 WAC ANU UNZION drei 143 O 2 b SCHEMA CRC E E E libido pronti 146 8 3 Sviluppo di schemi elettrici per sistemi COMPIESS 150 8 3 1 Schema funzionale pneumatico isa aria poso 151 832 SCHEMAAUNZIONA CORAL 153 8 3 3 Schema dei circuiti elettrici acciao ia 155 8 4 Costruzione di un sistema di controllo COMPIESSso 159 Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos 1 Sensori induttivi 1 1 Informazioni di base Nei sistemi automatici nella maggior parte dei casi si usano sensori in duttivi per controllare la posizione e il moto di sottomeccanismi sensori
31. Lf Nel Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook Minos 10 The criteria for designing diagnostics are diagnostic signal sensitivity to changes in machine process perform ance 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 follow ing assemblies and components 1 A measuring system sensors matching systems respo nsible for energy and information matching of signals diagnostic sock ets for retrieving information from the object Instrumentation amplifiers a d conve rters channel selectors I O ports and other A digital sig nal processor used for calculating diagnostic symp toms Adecision system incorporating logic converters voltage level translators digital comparators and other An informat ion display system whi ch decodes information and presents it in the form most convenient fort he user monitor printer analogue indicators digital indicators and other An informa tion storag e system memory RAM RAM DISK VDISK 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 Lf Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Text
32. Polistirolo Porcellana Vetro 5 Teflon Aria vuoto Acqua BO Tabella 2 1 La costante dielettriche er di differenti materiali non conduttori Il raggio d azione nominale S viene indicato nei cataloghi e misurato mediante un oggetto standard di metallo Va moltiplicata con il coeffi ciente del materiale dell oggetto da rilevare per calcolare l effettivo rag gio d azione Raggio d azione effettivo Sn x coefficiente di correzione I E I E Ceramica Tabella 2 2 Coefficiente di correzione per diversi materiali 40 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 2 6 Soppressione dei disturbi Il rilevatore contiene dei filtri d interferenza che escludono l influsso dei campi elettrici esterni quando non sono troppo intensi Tuttavia filtri cambiano significativamente la frequenza massima di commutazione quindi peggiorano la caratteristica dinamica del sensore Il sensore pu reagire in maniera errata se sporco o umidit si trovano sulle superficie attiva del sensore Un elettrodo aggiuntivo di compen sazione collegato con l uscita del sensore Figura 2 10 viene utilizza to per mantenere costante il raggio d azione Una contaminazione au menta la capacit tra l elettrodo del sensore e lo schermo La capacit tra l elettrodo del sensore e l elettrodo di compensazione crea allo stesso tempo un accoppiamento di compensazione Se un oggetto sot tile ad es un foglio di carta in contatto con il sensore
33. Quando un oggetto diffonde il raggio di luce il segnale d output viene commutato Le barriere ottiche a riflessione senza filtro di polarizzazione impiegano una radiazione infrarossa sensori con filtro di polarizzazione usano invece luce rossa visibile vantaggi delle barriere ottiche a riflessione sono un raggio d azione ampio fino a 12 m e l indipendenza dalle caratteristiche della superfi cie dell oggetto Riflettore Riflettore Recelver R Emitter E Figura 4 20 Tipologie costruttive di barriere ottiche a riflessione a con sensori in alloggiamenti cilindrici b 98 con sensori in alloggiamenti prismatici Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos L installazione di barriere ottiche a riflessione richiede speciali riflettori o nastri che riflettono la luce Figura 4 21 Figura 4 21 a comuni riflettori b nastri riflettenti Diversamente da un comune specchio o una superficie piana che riflet te questi riflettori non devono essere orientati precisamente in perpen dicolare rispetto al sensore Un errore di alcuni gradi non influenza il funzionamento del sensore Figura 4 22a Figura 4 22 Riflessione della luce a con un sistema a due specchi b con un sistema a tre specchi La legge di riflessione bidimensionale vale anche per un sistema a tre specchi perpendicolari l uno rispetto all altro Figura 4 22b Il raggio di luce che arriva viene riflesso da tutte e tre superfici e il rag
34. R B l d RH costante di Hall descrive la mobilit del portatore d energia d spessore della piastra Per un utilizzo dell effetto Hall necessario un valore molto alto della tensione VH Pu essere ottenuto usando lamine molto sottili 0 1 mm di un materiale con alta mobilit dei elettroni Caratteristiche possedute soltanto dai semiconduttori InSb InGaAs Si GaAs La possibilit di un aumento di tensione tramite l aumento di corrente circolante nella pia stra limitata perch vincolata al valore massimo di potenza permessa Questa potenza dipende in gran parte dalla costruzione e dalla forma della piastra L effetto Hall viene utilizzato spesso p es per la costruzione di Sensori magnetici di semiconduttori Figura 5 3 Effetto Hall 19 ee CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 5 4 Effetto magnetoresistivo magnetoresistori AMR sono elementi semiconduttori anisotropi la cul resistenza dipende fortemente dall intensit del campo magnetico Per la costruzione di tali sensori vengono utilizzati nastri sottili di materiale ferromagnetico permalloy 20 Fe 80 NI La magnetoresistenza di un semiconduttore aumenta a causa dell influenza di un campo magnetico esterno H poich questo modifica la direzione della corrente che attraversa il semiconduttore di un angolo a Ci comporta che le cariche elettriche devono coprire una distanza maggiore figura 5 4 Maggiore l intensit
35. a failure but also defect identification data CLASSICAL METHOD ere n arn MODEL REVERSAL METHOD etero pu SE ee Reversal of models by training adaptational systems dedicated algorithms artificial neural network Building object models Building adaptational models e Testing model s sensitivity Training adaptational systems to defect Building diagnostic relations Training data generation Fig 7 Simulation techniques of acquiring diagnostic relations classical and based on object model reversal methodology 15 Lf We Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook Minos 4 16 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 in crease product life span will translate into the development of diagnos tics 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 servicing in or der to signif icantly in crease 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 developed and an ever larger number of diagnostic functions will be carried out by intelligent sensor s This will naturally be accompanied by the miniaturization of measuring systems and their
36. alcuni momenti c un deflusso maggiore ed in altri minore durante il controllo viene aggiunta una quantit pi grande o piccola di fluido Perci necessaria una regolazione w elemento di attuazione y J oggetto di controllo x gt Comando di valore Valore referenziale Valore di set Valore di controllo Valore di disturbo Figura 7 4 Schema di flusso dei segnali di controllo 101 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos sistemi di controllo vengono utilizzati in casi in cui i cambiamenti della grandezza perturbatrice sono talmente piccoli da poter essere trascu rati Cos p e una porta azionando un interruttore pu essere aperta e dopo automaticamente chiusa Vantaggi della catena di distribuzione il comportamento del flusso aperto pi facile da dominare di quel lo chiuso nelcaso sia presente una grandezza perturbatrice z si pu inter venire subito sul processo non si deve aspettare l interazione sulla grandezza di destinazione come nei decorsi d azione chiusi e quindi la correzione si pu svolgere subito la grandezza di destinazione non deve essere misurata Problemi della catena di distribuzione se esistono grandezze perturbatrici queste devono essere misura te Il processo comportamento o modello deve essere riconosci uto per avere la possibilit di stabilire l algoritmo di controllo o per l attuazione non c conferma se mediante l intervento di controllo
37. che viene fissato dal margine operativo Figura 4 28 Se il rivelatore non viene affatto illuminato il margine operativo 0 Se l intensit della luce sufficiente per commutare il segnale d output il margine operativo 1 L effettiva intensit luminosa deve superare il li vello minimo che commuta il segnale d output margine operativo gt 1 per avere a disposizione una riserva Actual amount of light detected Minimum amount required to change output state Operating Margin Minimum excess of light Aa output OFF A_N Time Unstable P Protected Unstable range operating range range on fd O OD Cy Cc ak ft a BE o C O D N Figura 4 28 Relazione fra l intervallo di sicuro funzionamento del sensore ottico ed il margine operativo Se si conoscono le condizioni di lavoro del sensore si pu stabilire l esubero di intensit luminosa necessario a garantire contro lo smor zamento dell energia luminosa che raggiunge il sensore Pi grande l esubero pi affidabile il sensore Se il rischio di abbassamenti ca suali dell illuminazione del ricevitore elevato anche il margine opera 107 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos tivo deve essere grande Se l ambiente pulito e la probabilit d insudiciamento della lente bassa il margine operativo deve comun que essere maggiore di 1 5 Se l ambiente molto sporco e la possibi lit di pulire la lente rid
38. con un interruttore a pressione si potrebbe verificare se il cilindro di fissaggio sviluppa una forza di trazione sufficiente Questo aspetto per semplicit viene tralasciato nello sviliuppo dell esempio 135 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 8 2 Strumenti ausiliari per lo sviluppo di un sistema di controllo complesso 136 L obiettivo ora quello di sviluppare lo schema elettrico per un sistema di controllo complesso E importante strutturare le procedure in passi elementari e metterli in pratica in modo sequenziale Sono necessarie alcuni considerazioni introduttive Possono essere utilizzati diversi mezzi di rappresentazione per assegnare un compito Per una maggiore comprensibilit nei diversi ambiti dovrebbero essere utilizzati simboli e rappresentazioni che abbiano validit generale Solo in seguito possibile tradurre il tutto nello schema elettrico di con trollo Dopo di aver realizzati gli schemi elettrici viene costruito l impianto Bi sogna fare attenzione che i singoli elementi dell impianto siano indicati con lo stesso nome utilizzato nello schema elettrico L ultimo passo l avviamento del sistema Eventuali cambiamenti neces sari devono essere riportati anche nella documentazione obiettivo di controllo 1 passo Considerazioni preliminari 2 passo implementazione teorica costruzione del dispositivo verifica e valutazione del dispositivo Figura 8 1 Metodo per lo sviluppo di
39. con uno strato d argento dello spessore di al 52 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos cuni dieci micrometri perch i materiali piezoelettrici sono dielet trici Le caratteristiche piezoelettriche scompaiono alle alte temperatu re La temperatura massima d impiego di un trasduttore di quar zo dovrebbe essere inferiore ai 200 C e quella di un trasduttore ceramico minore di 100 C Quando l energia elettrica viene trasformata in energia meccani ca il grado d efficienza del trasduttore ceramico molto maggiore di quello del trasduttore al quarzo Figura 3 8 Forme tipiche degli elementi piezoelettrici 3 2 4 Generazione delle onde ultrasoniche Le oscillazioni del trasduttore causate da variazioni di tensione vengono trasmesse alle molecole di un altro materiale o mezzo ad es aria e viene generata un onda acustica Al contrario 53 Componenti meccatronici sensori Manuale quando oscillazioni di molecole vengono trasmesse al trasduttore le deformazioni del trasduttore causano lo sviluppo di cariche e lettriche sulla superficie degli elettrodi Perci un trasduttore pie zoelettrico pu essere usato sia come generatore sia come rive latore di onde acustiche Figura 3 9 54 Figura 3 9 Generatore e rivelatore dell onda acustica La zona d influenza di un onda ultrasonica notevolmente diffusa Fi gura 3 10 La maggiore intensit del suono si trova intorno all asse del sen
40. cui viene alimentato il motore Va controllata la direzione di rotazione del motore Le interruzioni di protezione dei circuiti di comando vanno provate morsetti le spazzole ed i portaspazzole vanno controllati visivamente L allimeamento meccanico ed il collegamento del motore con le parti mosse dell impianto vanno controllati In generale da verificare che tutte le direttive applicabili siano osservate Attivazione sicurezza teleservizio T Minos 2 6 Avviamento di controllori a programma memorizzato Nel caso di controllori a programma memorizzato o PLC diversamente dal caso dei comandi programmati a collegamento con rel e valvole il programma vero e proprio detto software pu essere provato anche separatamente dalla parte hardware In tal caso necessario disporre di un software di simulazione Con un simolatore hardware possibile impostare il segnale degli in gressi input e verificare l attivazione delle uscite output valori degli input del PLC vengono comandati con interruttori a potenziale zero in maniera mirata Diodi luminosi o lampade segnalano come le uscite vengono commutate E anche possibile definire lo stato degli input dal lato software e provare cos i singoli elementi del programma Quando si prova il programma il PLC collegato al computer Con l aiuto del monitor del computer si pu osservare lo svolgimento del programma per il PLC In generale con la simulazione posson
41. dall energia E del campo elettrico del condensatore caricato L energia totale sempre costante E E E const Figura 1 2 Nello stato iniziale il circuito LC che consiste della bobina L e del con densatore C aperto e l energia totale 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 circo lare nel circuito L intensit di corrente varia da zero fino a Imax A que sto punto tutta l energia del condensatore viene accumulata nella bobi na istante 2 nella Figura 1 2 Anche se il condensatore ormai scari co nel circuito circola ancora corrente nella stessa direzione Questa corrente la cui fonte l autoinduzione della bobina carica il condensa tore e cos l energia viene trasferita al condensatore Quando la carica del condensatore massima la corrente si annulla nel circuito istante 3 nella Figura 1 2 Lo stato finale del tutto simile allo stato iniziale ma il condensatore caricato all inverso e la corrente circola nella di rezione opposta Nel circuito LC hanno dunque luogo le oscillazioni ac coppiate del campo elettrico del condensatore e del campo magnetico della bobina Componenti meccatronici sensori Manuale Figura 1 2 Oscillazioni nel circuito LC Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos In verita avvengono sempre perdite di energia nei circuiti
42. del campo magnetico mag giore l angolo a Questo effetto viene chiamato effetto magnetoresistivo L effetto magnetoresistivo quasi assente nei metalli E presente a livelli differenti nei semiconduttori Se la corrente attraversa un elettrodo di oro o alluminio ne viene modifica ta la direzione In questo caso le cariche elettriche devono attraversare una distanza ancora pi lunga e la resistenza aumenta fino al valore RM funzione di a Quando il campo magnetico viene spento la resistenza del semiconduttore torna al valore d uscita RMO La relazione che lega l angolo a funzione dall intensita del campo magne tico e la resistenza del semiconduttore RM rende possibile il rilevamento di oggetti magnetizzati Fe Fy 8R cosa permalloy elettrodi Figura 5 4 Effetto magnetoresistivo 80 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 5 5 Effetto Wiegand L effetto Wiegand la produzione di un impulso elettrico in una bobina che quando cambia la direzione del campo magnetico esterno stata avvolta intorno ad un conduttore ferromagnetico con caratteristiche ma gnetiche speciali conduttore dell impulso Un materiale ferromagnetico viene avvolto a freddo pi volte per ottenere un adeguata tensione mec canica Il suo diametro di circa 0 3 mm Un tale conduttore una lega di cobalto ferro e pentossido di vanadio ed composto da due differenti zone magnetiche un nucleo e un involucro Il nucleo viene pr
43. del condensatore senza l elettrodo C Figura 2 3a Gli oggetti non conduttori isolanti che entrano nel campo elettrostati co del condensatore aperto aumentano la sua capacit in maniera proporzionale alla costante dielettrica dell isolante Figura 2 3b La capacit del condensatore viene aumentata perch le constanti dielet triche dei fluidi o di corpi solidi sono sempre maggiori della costante elettrica dell aria Ear 1 122242 AC NONCONDUCTING MATERIAL Figura 2 3 Il campo elettrico del condensatore aperto per materiali conduttori e non conduttori 32 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 2 3 Funzionamento del sensore capacitivo L elettrodo esterno B ha la forma di un anello e l elettrodo A quella di un cilindro per creare un campo elettrico a simmetria centrale Figura 2 4 L oggetto da rilevare agisce come un elettrodo intermedio C Il piano che contiene la circonferenza esterna dell anello B viene consi derata la superficie attiva del sensore Pi l oggetto lontano dal sen sore pi bassa la capacit del sensore 33 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Elementi indivituati C Area attiva del sensore B 0 MEASUREMENT ed rage SENSOR FIELD a Figura 2 4 Il campo elettrico del sensore capacitivo La struttura capacitiva di un sensore dipende dal tipo di oggetto da rile vare e dal suo collegamento di massa Gli oggetti non conduttori
44. del sensore In questo caso la direzione del campo magnetico viene cambiata da un oggetto di materiale ferromagnetico che si trova nel raggio d azione del senso re Pertanto si possono usare tali tipo do sensori per contare oggetti ferromagnetici che si spostano davanti ad esso ad es i denti di una ruota dentata ed in base a questo pu essere calcolato anche il nume ro di giri Quando un oggetto di materiale ferromagnetico si sposta Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos davanti al sensore la polarizzazione magnetica del convogliatore d impulso viene cambiata due volte Ogni cambiamento all origine di un impulso elettrico nella bobina I sensori Wiegand non hanno bisogno di una alimentazione in corren te Hanno due conduttori e possono lavorare in condizioni ambientali severe La frequenza e l ampiezza degli impulsi creati possono essere anche molto elevate rispettivamente oltre 20 kHz e fino ad alcuni V 5 5 3 Sensori magnetici con magneti permanenti Il pi semplice sensori a campo magnetico consiste di una bobina av volta intorno ad un magnete permanete Figura 5 15 Un oggetto fer romagnetico che si muove vicino al sensore cambia il campo magneti co che attraversa la bobina e crea una tensione nella bobina Tali sensori non possono per rilevare oggetti immobili perch la ten sione d uscita dipende dalla velocit dell oggetto Pi lentamente si muove un oggetto pi bassa la tensione d uscita S
45. di acciaio St37 la cui larghezza uguale al diametro del sensore e dello spes sore di 1 mm Il raggio d azione effettivo S viene valutato durante il processo di produzione del sensore e pu leggermente differire dal valore Sn Alla tensione nominale di alimentazione ed alla temperatura nominale deve valere 0 9 Sn lt S lt 1 1 Sn Per ottenere un funzionamento affidabile non affetto da cambiamenti di temperatura e di tensione il raggio di lavoro operativo viene ridotto al valore Sa lt 0 8 Sn che indica la distanza tra l oggetto e il sensore a cui si pu lavorare senza problemi indipendentemente da valore del raggio d azione reale indicato dal produttore Il raggio d azione nominale Sn dipende dal diametro della bobina D Figura 1 7 e dalle caratteristiche del nucleo Pi piccolo il sensore pi piccola anche il raggio d azione nominale Esistono anche produ zioni speciali con un raggio d azione nominale esteso Figura 1 7 Relazione tra il diametro della bobina ed il raggio d azione nominale per i comuni sensori ad induzione 13 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 1 3 2 Coefficienti di correzione Lo smorzamento del circuito risonante dipende dal materiale di cui costituito l oggetto da rilevare materiali che hanno una resistenza e lettrica minore dell acciaio St37 quali oro rame o alluminio smorzano in minor misura l oscillazione del circuito risonante
46. dipendente dal una trasmissione no 1450 r min di flusso carico moto torcente 10Nme guarda il diagramma guarda il guarda il 20 Nm diagrammma diagramma aa 1 6 kW guarda calcolo guarda i calcolo guarda i calcolo Piccola incastonatura realizzabile conu di un pezzo al sito XX XX na trasmissione di operazione Sicurezza di Soltanto con l equipag sovraccarico XX XX giamento di protezione corrispondente Tabella 7 7 Specifiche per l alimentazione di un trapano Per selezionare la modalit di alimentazione pi adatta per il trapano necessario confrontarne le diverse caratteristiche di rotazione 122 Sistemi meccatronici e funzioni f Minos Il motori idraulici possono essere confrontati secondo criteri diversi In base alla velocit angolare si classificano in rotori piani rotori di me dia velocit e rotori ad alta velocut rotori piani sono adatti per fornire un numero basso di giri ed un grande momento torcente anche senza l introduzione di un rotismo aggiuntivo Quest ultimo aspetto nel nostro esempio non viene richiesto In figura sono rappresentati i seguentil motori idraulici 1 motore in linea 2 motore a V 3 motore radiale ad una manovella 4 motore radiale a pi manovelle 5 motore a ingranaggi 6 motore a palette 7 motore a pompa La velocit angolare richiesto medio alto Dunque sarebbero adatti il motori 1 2 3 5 e 6 Soltanto il motori 4 e 7 non sarebbero adatti
47. direttamente sulle macchine Lo stesso vale per schemi logici o diagrammi di flusso dei dati e dei programmi Nella ISO 1219 per l idraulica e la pneumatica vengono utilizzate le pa role simbolo grafico e simbolo Fanno parte dei diagrammi anche la planimetria lo schema funzionale e l elenco degli attrezzi 113 LY CU minos machining Sistemi meccatronici e funzioni E possibile distinguere fra planimetria piano di svolgimento del programma piano logico schema funzionale e diagramma di flusso diagramma funzionale schemi elettrici A seconda del tipo di sistema controllo dovrebbe essere scelto il mezzo di visualizzazione adatto Per trovare la soluzione tecnicamente pi adatta necessario prefi gurarsi il compito del controllo da risolvere mediante la planimetria e la lista delle specifiche Planimetria La planimetria deve mostrare la posizione degli elementi di azionamento di una macchina o di un impianto e segnalare le modalit di installazione La planimetria dovrebbe essere facilmente leggibile e contenere soltanto informazioni di rilievo drill feeding drill rotational moton fastening motion fastening motion Figura 7 9 Planimetria 114 Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos a Messa in trazione Per adempire le specifiche tecniche viene di seguito riportato un elenco di alternative per la risoluzione dei problemi Nella tabella riportata una sce
48. disco e crea un colle gamento molto stretto e resistente 1 5 Rilevamento della direzione del moto Una coppia di sensori d induzione pu rilevare la direzione di movimen ti di rotazione o rettilinei Nel caso del movimento rotatorio il segnale di output viene commutato dalla ruota dentata Figura 1 13 segnali dei due sensori vengono elaborati da un comparatore di fase discriminato re che valuta lo sfasamento Se la ruota dentata gira verso sinistra il segnale 1 viene registrato prima del segnale 2 e viene attivato il segna le di output L nel discriminatore Se la ruota dentata gira verso destra giunge prima il segnale 2 e quindi viene attivato il segnale di output R Il riconoscimento della direzione del moto rettilineo viene realizzato in maniera simile con un sensore anulare bistabile Il sensore contiene due bobine che si trovano una accanto all altra e che hanno un alimentazione di corrente separata Perci l intensit di corrente pu essere diversa in ogni bobina Se l oggetto viene dal lato sinistro il circuito elettrico viene smorzato prima nella prima e poi nella seconda bobina Se l oggetto viene dal la 19 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale to destro circuiti elettrici vengono smorzati in ordine inverso Il circuito di misura riconosce la direzione di moto dell oggetto mediante l intensit della corrente che circola nelle bobine Figura 1 13 Riconoscimento della direzione di moto con d
49. doppio effetto Distributore 4 3 Yalola di controllo di flusso Distributore 212 9 hlanometra Generatore idraulico Figura 8 10 Simboli degli elementi idraulici 148 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Come attuatore per il moto di lavoro del trapano viene utilizzato un motore elettrico con circuito Dahlander Soddisfa le seguenti specifiche movimento di rotazione velocit angolare regolabile rendimento di taglio di 1 6 kW Come regolatore viene utilizzato un contattore Soddisfa le seguenti specifiche regolazione della velocit angolare n1 e n2 Nello schema elettrico sono necessari anche elementi di sicurezza In questo caso viene utilizzato un rel termico di protezione Soddisfa le seguenti specifiche assicurazione contro una corrente troppo alta Inoltre si ha bisogno di una valvola fusibile automatica per le tre fasi dell energia elettrica La generazione dell energia si svolge esternamente alla macchina L energia elettrica perci viene prelevata dalla rete in corrente alternata Contatore 1 3 SL 97 SS Motore elettrico F1 2 di 6 al ao 3 N PE 50 Hz 400 230 V Fel termico di protezione Fusibili Rete corrente trifase Figura 8 11 Simboli di elementi elettrici 149 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 8 3 Sviluppo di schemi elettrici per sistemi complessi Per poter sviluppare sistemi di controllo complessi necessaria una suddivisi
50. e forza torcente che devono essere controllati dai sensori e monitoraggi condizioni permissive del sistema termicoper moduli particolario e i loro componenti relativi identificati attraverso la misurazione di temperatura per mezzo di sensori collocati all interno dei moduli abilit di movimenti integrati identificati per mezzo di percorsi integrati sensori di velocit e accelerazione propriet di energia dei sistemi e i loro rispettivi moduli misurati diretta mente o indirettamente dai sensori sistemi di operazione sopra descritti vengono eseguiti alla base dei dati raccolti dai sensori Oltre ai sistemi di misurazione i sensori devono sod disfare altre esigenze p es la magnitudine lo stato e la localizzazione della misurazione dei processi di segnale possibili e la trasmissione di interferenze e comunicazione dei circuiti 91 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 6 3 La complessita delle funzioni dei sistemi meccatronici e la localizzazione dei loro sensori Il compito svolto dai sistemi meccatronici varia da molto semplice tipico dei dispositivi che eseguono funzioni semplici e dispositivi semplici che svolgono molte funzioni fino a compiere operazioni molto complesse L esecuzione dei sistemi di funzione viene controllata automaticamente in rapporto all algoritmo assegnato alla funzione stessa svolgendo le seguenti operazioni Riconoscimento dell uscita per l esecuzione di una funzione per me
51. extensive up to date knowledge about the design and op eration of the machine its precision disturbances in the precision er ror correction and compensation methods and repair techniques and technologies Service diagnostics capabilities should be generally taken into account already at the machine design stage This applies particularly to the lo cation in the machine of intelligent sensors and components enabling their communication w ith the use rs or manufacturer s diagnostic servicing centre Also at this stage simulations of the dep endencies between diagnostic sign als and defects should be carried out which will facilitate forecasting service a ctivities and determining the needs relating to the structure of the measuring systems The application of knowledge in this kind of diagnostics involves mod elling machine behaviour in the ope rating conditions modelling errors in the form of simplified functions suitable for periodic supervision and compensation limited forecasting and modelling permissible deteriora tion 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 diag
52. finale d uscita B2 del cilindro di tensione e quando l interruttore di pressione B6 segnala una pressione di fissaggio sufficientemente grande il rele K14 e il rele K15 vengono attivati Il rel a tempo dopo tre secondi spegne il rele K2 e ricollega dunque il secondo salvamotore Il terzo passo pu essere svolto soltanto quando al secondo passo il rel K13 viene attivato K12 K13 Figura 8 22 Fissare e accendere il motore e l avanzamento 164 Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos Passo Nr 4 Disattivare l avanzamento rapido Il cilindro idraulico di avanzamento ruota con grande velocit Quando viene raggiunto l interruttore cilindrico B4 il distributore viene commu tato per bypassare la valvola di corrente Dunque il fluido idraulico pu raggiungere il cilindro soltanto tramite la valvola di corrente limitando la velocit di lavoro La variazione della velocit pu avvenire soltanto se prima stato attivato il motore e il rel K14 attivo Passo 5 Corsa di ritorno del cilindro di avanzamento Quando stata raggiunta la posizione finale d uscita del cilindro di avanzamento l interruttore cilindrico B5 viene azionato In tal modo viene invertita la valvola di controllo direzionale del cilindro idraulico Anche questo passo pu essere eseguito soltanto se prima stato attivato il rele K16 e se stato eseguito il passo precedente Figura 8 23 Disattivazione dell avanzamento rapido e corsa
53. funzioni J Minos 1 5 Sensori speciali 1 5 1 Sensori induttivi ad anello Il raggio d azione dei sensori induttivi ad anello si trova nel supporto ad anello Questi sensori rilevano oggetti di metallo che attraversono l apertura del loro supporto Spesso vengono utilizzati per riconoscere e contare piccoli oggetti di metallo supporti di tali sensori sono prodotti in plastica Il principio di funzionamento del sensore ad anello si basa su un oscil latore ad alta frequenza che genera un campo magnetico nella fessura del sensore Viene utilizzato un nucleo toroidale a polvere di ferro con ha un fattore di qualit pi alto di un normale nucleo di ferrite La pre senza dell oggetto di metallo causa un abbassamento dell ampiezza dell oscillazione Il comparatore riconosce questi cambiamenti e se superato il valore limite il segnale d uscita viene commutato Il raggio d azione del sensore dipende dal diametro dell apertura del sensore e da grandezza e tipo dell oggetto da rilevare Il sensore funziona se il campo magnetico viene sufficientemente smor zato Gli oggetti troppo piccoli possono causare uno smorzamento troppo piccolo Perci ad ogni grandezza di sensore corrisponde una lunghezza minima o un diametro minimo dell oggetto da riconoscere figura 1 7 Un vantaggio dei sensori ad anello che gli oggetti riconosciuti non devono avere la stessa traettoria Grazie alla zona di riconoscimento di forma circolare mediante
54. grado in tutti i semiconduttori Quando la corrente attraversa degli elettrodi d oro o di alluminio viene cambiata la sua direzione In questo caso le cariche elettriche devono attraversare una distanza ancora maggiore e la resistenza viene au mentata fino al valore Ry che dipende dal valore dell angolo a Quan do viene rimosso il campo magnetico la resistenza del semiconduttore torna al valore d origine Ryo La relazione tra l angolo a che dipende dall intensit del campo ma gnetico e la resistenza del semiconduttore Ry rende possibile rilevare oggetti magnetizzati con sensori basati sull effetto magnetoresistivo 133 Componenti meccatronici sensori Manuale Pi 2 Aye Phas AR cos Figura 5 8 L effetto magnetoresistivo 5 2 5 L effetto Wiegand 134 L effetto Wiegand consiste nella produzione di un impulso elettrico quando cambia la direzione del campo magnetico esterno in una bo bina costituita dall avvolgimento di conduttore elettrico con caratteristi che magnetiche speciali convogliatore d impulso Per ottenere un convogliatore d impulso un filo di materiale ferromagnetico del diame tro di circa 0 3 mm viene ripetutamente deformato a freddo per inne scare uno stato di stress Nel convogliatore che viene realizzato con una lega di cobalto ferro e pentossido di vanadio si trovano due diversi volumi magnetici un nu cleo e un guscio Il nucleo ha le propriet di un materiale ferromagneti co dolc
55. il polo sud S Ambedue i poli possono attirare oggetti non magnetici Tra due magneti il polo N attira il polo S Gli stessi poli per si respingono Le linee di forza di un campo magnetico sono chiuse e sempre indiriz zati dal polo N verso il polo S campi magnetici generati da un ma gnete e da una bobina attraversata dalla corrente solenoide sono si mili Figura 5 2 Le grandezze caratteristiche di un campo magnetico sono tre l intensit del campo magnetico H A m induzione magnetica del campo magnetico B T la permeabilit magnetica relativa ur Permanent magnet ume e a a a a a a a a q Live conductor anne Figura 5 2 Sorgenti di un campo magnetico Tutte le sostanze hanno caratteristiche magnetiche ma un campo ma gnetico le influenza in maniera diversa In base alle caratteristica ma gnetica che viene espressa dalla permeabilit magnetica relativa pr si suddividono le sostanze in diamagnetiche ur lt 1 non sono attratte da magneti ad es vetro e bismuto paramagnetiche ur gt 1 ad es al 128 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos luminio platino stagno ferromagnetiche il gruppo pi importante ur gt gt 1 il valore pr per il ferro puro pu essere anche di alcune mi gliaia materiali ferromagnetici sono fortemente influenza dal campo ma gnetico materiali ferromagnetici sono caratterizzati da piccoli volumi magnetizzati nella
56. il segnale principale dell elettrodo pu essere neutralizzato dal disturbo e lo stato di output non viene commutato Campo di compensazione Campo del sensore Elettrodo di compensazione Oggetto individuato Sensore elettrodo Elettrodo esterno Interferenza di inquinamento Figura 2 9 Sensore con elettrodo aggiuntivo di compensazione 2 7 Applicazioni In virt delle loro caratteristiche e della loro semplice costruzione i sen sori capacitivi vengono ampiamente usati nell industria 41 T Componenti meccatronici sensori Manuale Con il loro impiego si possono controllare il livello del fluido o del granulato in un serbatoio contare oggetti conduttori e non conduttori individuare imballaggi vuoti scoprire danni all oggetto Figura 2 10 Sensore per individuare e rimuovere dalla linea bottiglie non completamente piene 42 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Figura 2 11 Sensore impiegato per contare contenitori di vetro o di metallo Figura 2 12 impiegati per controllare il livello del fluido in serbatoio o in un tubo 43 Componenti meccatronici sensori Manuale 44 Figura 2 13 Sensore usato per individuare vuoti imballaggi di carta su un nastro trasportatore Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 3 Sensori ultrasonici Nozioni di base 3 1 sensori ultrasonici vengono usati sia per individuare oggetti indipen dentemente dal loro colore
57. in questo caso le regola zioni vanno piombate Durante il funzionamento a vuoto sono da controllare la pressione il livello del olio le temperature della pompa del motore e dell olio idraulico Va controllato se si verificano cali di pressione Allorch la pompa idraulica stata avviata va cambiata l aria nell impianto L aria va cambiata un altra volta quando lolio per comandi idraulici ha raggiunto la sua temperatura di regime Anche il livello del fluido va nuovamente controllato Dopo il funzionamento a vuoto il sistema pu lavorare normalmen te La pressione deve essere continuamente sorvegliata Anche in questa fase va controllato se esistono perdite soprattutto in corris pondenza di raccordi filettati e chiusure La riparazione delle perdite dovrebbe essere svolta soltanto quando l impianto in uno stato senza pressione Quando sono state raggiunte condizioni di lavoro normali va esegui to un controllo delle velocit dei cilindri e della spinta valori vanno annotati in un registro Anche possibili problemi vanno da registrati Le temperature ammesse non vanno superate Dopo l avviamento vanno puliti i filtri Questo vale soprattutto se vengono usate valvole regolatrici e valvole proporzionali Durante l avviamento di pompe assiali deve essere sicuro che que ste non possano aspirare il fluido idraulico Perci vanno preventi vamente riempite con olio idraulico Durante la sostituzione delle pompe va
58. indicazioni del produttore Molte valvole oggi hanno un contenuto di lubrificante sigillato sufficiente per la loro durata di vita Valvole che sono state lubrificate gi una volta con un oliatore nebbiogeno sono da lubrificare anche in seguito con l oliatore Le condutture d aria compressa sono da istallare cos che non possano essere usate per scopi diversi da quello previsto ad es come scaletta Non devono essere possibili collegamenti erronei a causa dei quali pos sano nascere pericoli Le condutture d aria compressa non devono interferire con le linee di lavoro La raggiungibilit durante lavori riparazioni o sostituzioni di ele menti va assicurata Canali condutture e collegamenti di condutture devono essere liberi di corpi estranei Le estremit dei tubi vanno saldamente fissate Gli elementi per il fissaggio delle condutture non devono essere saldati alle condutture stesse In generale i tubi non devono essere danneggiati per il loro fissaggio tubi non devono mai essere usati per sostenere altri apparecchi Nella pneumatica le tubature possono essere anche di materie plastiche Le caratteristiche tecniche di questi tubi vanno sempre rispettate Per i serbatoi a pressione valgono le norme della DIN EN 286 1 DIN Norma tedesca per l industria Sono da disporre possibilmente in luoghi freschi e facilmente raggiungibili serbatoi di aria compressa sono da sottoporre ad un trattamento finale anti corrosione Q
59. induttivi vengono spesso preferiti per il design compatto l affidabilit e la facilit di installazione Un oggetto di metallo che si trova nel raggio d azione del sensore ne cambia lo stato o il valore del segnale originale Gli elementi fondamentali del sensore induttivo figura 1 1 sono la testa che contiene la bobina d induzione con un nucleo di ferrite un generatore di tensione sinusoidale un sistema di raddrizzatori compa ratore e un cirduito amplificatore Il circuito induttivo che consiste in bobina e nucleo di ferrite genera un campo elettromagnetico variabile ad alta frequenza intorno alla punta del sensore Il campo induce correnti parassite nell oggetto di metallo che si trova vicino al sensore Visto che ci genera un carico per il circuito induttivo di conseguenza si abbassa l ampiezza dell oscillazione Il cam biamento dell ampiezza dipende dalla distanza tra l oggetto di metallo e la punta del sensore Se l oggetto raggiunge una certa distanza caratteristica che dipende del sensore utilizzato cambia il segnale d uscita In sensori analogici il segnale d uscita inversamente proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore TESTA DEL GENERATORE SISTEMA DI SISTEMA DI OUTPUT SENSORE RILEVAMENTO Figura 1 1 Costruzione di un sensore induttivo LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 1 2 Elementi costruttivi di base La parte attiva di un sensore induttivo contiene una bobina messa
60. integration with the processes responsible for signal process ing and dia gnostic inference Also reliable tech nologies for remotely supplying t he systems with powe rand transmitting the information generated in them to a higher decision level to diagnost ic servicing centres will continue to be developed New more advanced commu nication standards and decision algorithms aided with Al to ols will be used for this purpose The development of remote diagnosing and servicing of machine sys tems tends towards full coverage of the latter and towards total super vision and servicing based on forecasts
61. intorno al nucleo di ferrite che genera un campo magnetico variabile Lo scopo del nucleo di ferrite quello di amplificare il campo magnetico della bobina e indirizzarlo verso la zona di misura del sensore Se il campo magnetico varia si genera un campo elettrico Se in questo campo variabile si trova un conduttore intorno alle linee del campo ma gnetico viene generato un campo magnetico variabile figura 1 2 Questo si oppone al campo magnetico della bobina e consuma parte dell energia del circuito risonante Il fattore di qualit risulta di conseguenza minore in quanto vengono modificate le perdite nel circuito risonante e viene smorzata l ampiezza delle oscillazioni Finch si trova il conduttore nel campo magnetico della bobina l ampiezza dell oscillazione viene ammortizzata Se l oggetto viene rimosso lo smorzamento diminuisce finch l ampiezza non raggiunge il suo valore iniziale conduttore campo magnetico campo magnetico bobina ampiezza nucleo di ferrite errore tempo Figura 1 2 Oggetto di metallo nel campo magnetico della bobina con il nucleo di ferrite baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos Sulla base del grado di smorzamento dell ampiezza il circuito risonante del sensore determina la distanza tra l oggetto e la bobina e genera il segnale d uscita Nel maggior numero dei casi il segnale ha due stati l oggetto PRESENTE ASSENTE nel raggio d azione del sensore Qual che volta il segnale
62. le onde acu stiche sono longitudinali e si propagano grazie al fatto che le molecole oscillanti dell aria collidono con le molecole vicine e le eccitano Perci un onda acustica si pu propagare senza che a spostarsi siano le mole cole oscillanti La lunghezza dell onda acustica la distanza che un onda percorre nell unit di tempo Figura 3 2 La frequenza di oscillazione f il nu mero dei periodi in un secondo Si misura in Hertz Hz La velocit di diffusione dell onda acustica V dipende dalle caratteristi che spessore e rigidezza del mezzo Pu essere calcolata come se gue V Af m s f frequenza acustica Hz A lunghezza dell onda acustica m Figura 3 2 Diagramma di un onda acustica Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos La frequenza acustica dei sensori ultrasonici normalmente compresa tre 23 ed i 400 kHz Figura 3 3 Frequency Hz 10000000 1000000 Figura 3 3 Gamma di frequenza delle onde acustiche 47 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Le onde acustiche si diffondono secondo le stesse leggi che regolano le onde luminose Possono essere riflesse parzialmente o completa mente da un oggetto Se si conosce la velocit del suono nell aria e l arco di tempo tra l invio del segnale e la ricezione dell eco rimandato la distanza tra l oggetto e il sensore pu essere calcolata come segue S V t 2 V velocit del s
63. le riserve degli elementi garantiscono la stessa funzione ma usano un diverso meccanismo di funzionamento Ad es per una pompa a propulsione elettrica la pompa di riserva pu essere azionata con un motore a scoppio kaaf R Minos Attivazione sicurezza teleservizio 1 3 La sicurezza di impianti pneumatici requisiti di sicurezza per gli impianti tecnici a fluido ed i loro elementi costruttivi sono specificamente descritti nella norma DIN EN 983 Questa norma contiene principi e regole di comportamento per la progetta zione la costruzione ed l assemblaggio di elementi costruttivi o sistemi pneumatici Inoltre contiene istruzioni per il montaggio la regolazione l uso e la manutenzione Le indicazioni fondamentali sono descritte nel seguito Le parti dell impianto devono essere attivate o utilizzate soltanto nelle condizioni indicate dal fornitore o produttore movimenti meccanici non devono creare rischi per le persone L aria di scarico non deve creare pericoli Inserire e disinserire la corrente una caduta la mancanza o il ritorno della corrente non devono portare a pericoli Una caduta della pressione sotto un livello critico non deve essere un pericolo per le persone L impianto deve essere progettato e costruito cos che tutte le parti siano raggiungibili in maniera da poterle regolare e manutenere in sicurezza Con l aiuto di sistemi di protezione deve essere garantito che parametri specifici dell impianto non vengo
64. o dal materiale di cui sono costituiti sia per controllare l altezza di un fluido anche se trasparente Vengono usati in ambienti polverosi dove i sensori ottici non possono essere usati sensori ultrasonici generano un ultrasuono e misurano l arco di tempo tra l invio del segnale e la ricezione dell eco rinviato Questo arco di tempo proporzionale alla distanza fra oggetto e sensore Per questo principio di funzionamento la frequenza di scansione del segnale d uscita deve essere minore rispetto a quella del rivelatore da alcuni Hertz anche fin oltre 100 Hz sensori ultrasonici generano un onda acustica la cui frequenza mol to pi alta dei 20 kHz che rappresenta il limite di quelle udibili A causa dell alta frequenza di lavoro del trasduttore i sensori ultrasonici non sono sensibili all influsso dei rumori nell ambiente Un sensore ultrasonico contiene un generatore di alta tensione un tra sduttore piezoelettrico nella testa del sensore un sistema per l elaborazione dei segnali e un sistema d uscita Figura 3 1 Sensore di Circuito Circuito di Uscita testa oscillatore detenzione Figura 3 1 Schema a blocchi di un sensore ultrasonico 45 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale 3 2 Principio fisico 3 2 1 Propagazione delle onde acustiche nell aria 46 Le onde acustiche si possono propagare in diversi mezzi gas fluidi e corpi solidi grazie all interazione tra le molecole Nell aria
65. oggetto e il sensore a angolo del cono sonoro Figura 3 4 Onda ultrasonica a diametro lungo il sensore b il cono sonoro da utilizzare L angolo del cono del suono pu essere adattato ai bisogni ed ha una ampiezza di alcuni gradi fino ad alcune decine di gradi Sia l angolo sia la forma dell onda sonora dipendono da grandezza forma e frequenza della superficie del convertitore vibrante baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos Principio di funzionamento dei sensori a ultrasuoni Ci sono due funzionamenti tipici di sensori ad ultrasuoni il procedimen to che si basa sulla diffusione diffuse sensor e il procedimento che si basa sul transito sensori a sbarramento La riflessione della diffusione viene utilizzata pi frequentemente Il sensore riceve londa sonora rif lessa dall oggetto come eco Secondo il tipo di uscita la distanza fissata sulla base della misurazione del tempo viene trasformata in un segnale analogico di corrente o di tensione ON OFF Se l oggetto si trova al di fuori del raggio d azione del sensore il sistema iniziale torna allo stato precedente La misurazione ultrasonica ha due fasi figura 3 5 invio dell onda ultrasonica del convertitore in direzione dell oggetto invio dell onda ultrasonica eco dall oggetto individuato in dire zione del convertitore Nei sensori a diffusione entrambe le funzioni vengono realizzate da un convertitore piezoelettrico oggetto convertitore
66. retroriflettenti con un riflettore figura 3 13 Il primo convertitore il trasmettitore e il secondo il ricevitore dell onda ultrasonica Un tale sensore rileva anche oggetti piccoli nelle strette vicinanze del sensore visto che il ricevente pu lavorare contemporaneamente con il trasmettitore due convertitori vanno per sincronizzati Oggetti cilindrici possono essere individuati molto prima di oggetti bassi il cui eco riflesso potrebbe superare il raggio d azione del sensore Objekt i trasmet prijimac vysilac Me zrcadlo p ij ma Figura 3 13 Individuare oggetti cilindrici e bassi 46 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 3 7 3 Sensori analogici ad ultrasuoni La maggior parte di sensori ad ultrasuoni hanno sia un uscita binaria che una analogica Se si vuole misurare una distanza viene utilizzata l uscita di tensione o l uscita di corrente La tensione o l intensit di corrente proporzionale alla distanza misurata figura 3 14 campo misur Figura 3 14 Rapporto dal segnale d uscita alla distanza tra l oggetto e il sensore 47 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3 8 Applicazioni Nella prassi i sensori ad ultrasuoni vengono utilizzati spesso perch in sensibili ai disturbi nel proprio raggio d azione e allo sporcamento Sono in grado di individuare oggetti distanti indipendentemente da materiale metallo plastica legno cartone ecc
67. si dividono in motori radiali motore in linea motore a lamelle Per risolvere il problema presentato nell esempio mediante motori pneu matici si sceglie l utilizzo dil motori a lamelle Questi ultimi vengono costruiti con potenze comprese fra 0 1 e 15kW La velocit angolare a vuoto oscilla tra 1000 e 50 000 giri min Per il nostro caso applicativo perci stato scelto un motore pneumatico a lamelle LL LL LA IN NZ LA 6000 U min 750 1450 Figura 7 16 Diagramma di prestazione con una sovrappressione di regime 6 3 bar 126 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Il motore pneumatico uno deil motori pi robusti e universale Si lascia regolare in un intervallo molto ampio La potenza pu essere facilmente modificata mediante una semplice regolazione dell apporto d aria con l aiuto di una valvola a farfalla o di una valvola a pressione Il motori pneumatici lavorano con grande sicurezza fino alla linea a trattini In figura Per la prima applicazione nell esempio sarebbe necessario collegare separatamente due valvole a farfalla o una valvola a pressione e una valvola a farfalla e per la seconda una valvola a farfalla anche questa in maniera separata Una soluzione migliore potrebbe essere quella di combinare un motore pneumatico a lamelle ad un meccanismo di trasmissione torsione 30 100 frequenza di rotazione Figura 7 17 Campo d Applicazioni dil motori pneumatici 127
68. sistemi di controllo Sistemi meccatronici e funzioni t Minos 8 2 1 Disegno d insieme Il disegno d insieme deve mostrare la precisa posizione degli attuatori della macchina e dell impianto e dare indicazioni precise su modo e po sizione di montaggio Dovrebbe essere comprensibile e contentere solo informazioni essenziali Le posizioni dell interruttore cilindrico non vengono rappresentate nel disegno d insieme sono Queste perci vengono stabilite in forma scritta B1 fondo corsa d ingresso del cilindro pneumatico 1 A B2 fondo corsa d uscita del cilindro pneumatico 1A B3 fondo corsa d ingresso del cilindro idraulico 2 A B4 posizione del commutatore avanzamento rapido avanzamento di lavoro B5 fondo corsa d uscita del cilindro idraulico 2 A Anche le denominazioni degli interruttori elettrici devono essere fissati SO interruttore d avviamento S2 interruttore per velocita angolare n S3 interruttore per velocita angolare n lavorazione drill fee ding con cilindro idrauli co 2A e B3 B4 e B5 lavorazione moto di rotazi one E motore velocit dil moto ci lindro pneumatico 1A con B1 e B2 Figura 8 2 Disegno d insieme per la lavorazione di una carrucola Seiltrommelscheibe 137 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 8 2 2 Diagramma di flusso 138 Il diagramma di flusso mostra i rapporti funzionali tra i sottoprocessi ele mentari necessari per portare a termine il programm
69. stato corpi solidi fluidi granulato ecc colore grado di trasparenza Nel industria sono in grado di controllare la posizione di un gruppo di elementi oggetti su un nastro trasportatore l altezza di un fluido o di un granulato in un magazzino Figura 3 15 Misurare la dimensione di oggetti con un sensore ultrasonico analogico 48 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Figura 3 16 Controllo di danni a conduttori o nastri con un sensore a diffusione Figura 3 17 Contare oggetti che diffondono o assorbono onde sonore su un nastro trasportatore con un sensore di passaggio 49 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 50 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 4 Sensori optoeletronici 4 1 Caratteristiche di costruzione sensori optoelettronici usano un raggio di luce per rilevare oggetti nel loro raggio d azione Possono rilevare oggetti di un materiale qualsiasi che si trovano da alcuni millimetri fino ad alcune decine di metri lontano dal sensore Questi sensori reagiscono se il raggio di luce da essi generato viene interrotto o riflesso cambiamenti di direzione del raggio di luce vengono trasformati in un segnale elettrico collegato all uscita del sensore Un sensore optoeletronico composto da una fonte di luce 1 un ricevi tore di luce 2 circuiti elettronici 3 un sistema d uscita 4 uno o due diodi che emettono luce e segnalano lo stato di lavoro 5 un potenziometro 6
70. sulle linee ausiliarie del reticolo La scala tempo rale pu essere inserita in parallelo alla suddivisione dei passi Dunque non lineare La segnalazione dello stato avviene sulle linee orizzontali del percorso Cos p es lo stato 0 per il cilindro 1A significa che l asta dello stantuffo rientrata L asta dello stantuffo in uscita viene segnata con lo stato 1 Nel diagramma percorso tempo le linee ausiliari vengono rappresentate con le stesse distanze temporali La rapidit dei cambiamenti di stato dunque rappresentano la velocit del cilindro O 2 4 6 8 10 12 14 Tempo HHHH s 1 1A Figura 8 6 Diagramma percorso passo e diagramma percorso tempo 143 faa Sistemi meccatronici e funzioni Minos Nel diagramma funzionale sono rappresentate le sequenze funzionali di una o pi unit di lavoro e il collegamento dal punto di vista del control lo degli elementi che ne fanno parte In una coordinata p es vengono rappresentati il percorso la pressione l angolo e la velocit angolare Pu essere indicato anche il tempo La rappresentazione non legata ad una scala Con la linea funzionale viene indicato lo stato di un unit o di elementi durante lo svolgimento delle funzioni La posizione di riposo viene indicata con una linea sottile Tutti gli stati che hanno una differente dalla posizione di riposo vengono rappresentati con una linea in neretto Le linee funzionali dei cilindri vengono rappresentate con
71. superfici riflettenti Inoltre si possono cos rilevare anche elementi trasparenti filtri di polarizzazione nella mag gior parte dei casi vengono prodotti con pellicole di polimero 105 T Componenti meccatronici sensori Manuale a Light source Normal light olarizing filters Polarized light b Light source ELE ERS PEPS PSPSPS PS ESP ELE ERS PSPS PSPSPS PS ESP ELE ERS PSPS PSPS PSPS ESP SPSPASPSPSPSPSPS PSPSPS TPERSSPSPSPSPSPS PSPS PSP TPSPSSPSPSPSPSPS PSPS PSP TPSPSPS PSPSPS PSPSPS PE Depolarized light C Light source Normal light Mirror surface Polarized light Figura 4 27 Polarizzazione della luce a spegnimento di un raggio di luce con due filtri b riflessione della luce polarizzata su di una superficie diffondente c riflessione della luce polarizzata su di uno specchio 106 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 4 4 3 Margine operativo A causa delle condizioni ambientale ad es sporco delle lenti riduzio ne del coefficiente di riflessione dell oggetto invecchiamento dell emettitore pu venire ridotta l intensit luminosa che raggiunge l elemento optoelettronico del sensore cos deteriorato il livello del suo segnale d output La potenza del segnale poi potrebbe essere insuffi ciente a commutare il segnale d output e il sensore funziona male Per evitare queste situazioni si deve poter disporre di un esubero di poten za del segnale
72. tali sensori possibile rilevare oggetti indipen dentemente dal loro orientamento p es oggetti in caduta in un imbuto di plastica a D lunghezza minima 7 diametro Sa diametro minimo T 1 i diametro 10 J Fal gi Al 00 diametro del apertura del sensore mm Figura 1 7 Sensore ad anello induttivo a costruzione b collegamento fra la grandezza del sensore e la grandezza minimale dell oggetto da riconoscere 13 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 1 5 2 Sensori che operano in un campo magnetico elettrico forte processi di saldatura richiedono grandi intensit di corrente La corrente che attraversa le saldatrici genera un campo magnetico variabile intorno ai cavi di elevata intensit forte All installazione di un sensore induttivo nella zona di saldatura asso ciato un rischio di commutazione non controllata del segnale d uscita come conseguenza del forte campo magnetico sul grado di saturazione del nucleo Inoltre viene indotta una tensione addizionale nella bobina che interferisce con il lavoro d oscillazione e che pu causare anche in questo caso una commutazione non controllata del segnale d uscita Durante il processo di saldatura viene inoltre generato anche un grande numero di scintille che pu danneggiare il supporto del sensore e la sua zona di rilevamento Per questo motivo sensori che progettati per essere posizionati nelle vicinanze dell impianto di salda
73. valori elettrici viene esaminata anche la solidit meccanica Le seguenti caratteristiche vengono con trollate La temperatura che si sviluppa a causa del riscaldamento della macchina quando in funzione La capacit di sovraccarico a causa di brevi picchi elettrici o momenti torcenti maggiorati Il numero di giri di centrifugazione che pari al numero di giri nominale pi alto aumentato del 20 moltiplicato per un fattore 1 2 La durata della prova al numero di giri aumentato di due minuti La capacit di isolamento dell avvolgimento delle singole bobine della macchina II momento d inerzia di massa della macchina Per le diverse caratteristiche sono ammissibili differenze dai valori ideali Se le differenze non superano quelle previste la macchina pu essere consegnata e essere impiegata presso il cliente Prima dell avviamento restano da fare ancora diversi altri controlli dati pi importanti dovrebbero essere registrati Va tenuto conto delle proce dure di verifica gi svolte Nel caso di motori elettrici sono oggetto di verifica la corrente nominale e la corrente di picco la tensione il rendimento la frequenza ed il numero di giri Va prestata attenzione anche alla ventilazione del motore ed ai collegamenti di protezione Prima dell avviamento sono da considerare i seguenti punti va controllato se i fusibili hanno il giusto dimensionamento Dopo l avviamento va controllata la tensione con
74. viscosit eccessiva dell olio temperatura troppo bassa rotazione di frequenza della pompa trop po alta area di sezione della pompa troppo picco la elimina le contrazioni e restrizionio del tubo d ingresso Il tubo d ingresso o di ritorno in posizio ine finale non abbastanza profondo nella media del livello dell olio tubo d ingresso troppo chiuso per il ritorno sporcizia nel tubo olio di ritorno contiene bolle d aria difetto delle guarnizioni la pompa surris caldata La tanica estremamente piena d aria so istituire i filtri controllare la direzione di ro tazione della pompa Usa una pompa appropriata Equipaggiare la pompa di supporti id isolamento acustico ridurre le operazio ni di frequenza allacciare i tubi per ridurre la velocit d incremento della pressione Bild 2 Programma di localizzazione disturbi e guasti rumore elevato di una pompa idraulica 26 Attivazione sicurezza teleservizio T Minos 3 4 Guasti comuni durante l avviamento Di solito diversi guasti si verificano pi spessi che altri Questi guasti dovrebbero essere primariamente analizzati Tra questi a Componente elettropneumatica i cilindri non sono abbastanza riforniti di aria compressa la pressione di funzionamento non abbastanza alta le tubature del cilindro sono state scambiate gli interruttori di prossimit sono messi al posto sbagliato i collegamenti delle entrate e uscite de
75. 0 mm 60 mm per costruzioni speciali Il segnale d uscita dei sensori capacitivi diventa ON se viene rilevato un oggetto di metallo o un dielettrico nel campo elettrico del sensore Un sensore capacitivo contiene una testa con elettrodi un potenziometro un oscillatore un circuito di rilevamento e un sistema d uscita figura 2 1 Due elettrodo di metallo che formano un condensatore aperto sono gli elementi attivi del sensore capacitivo Se un oggetto si avvicina al sensore ne modifica la capacit Il segnale di uscita dipende dalla capacit totale che la somma della capacit ordinaria del sensore e della variazione di capacit generata dall oggetto rilevato oggetto elettrodo testa del sensore oscillatore circuito di sistema d uscita rilevamento Figura 2 1 Costruzione di un sensore capacitivo 25 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 2 2 Funzionamento del sensore capacitivo L elettrodo esterno B deve essere un anello e l elettrodo A deve essere un cilindro in modo da generare un campo elettrico simmetrico figura 2 4 L oggetto rilevato funziona come un elettrodo intermedio C La superficie esterna dell anello B la superficie attiva del sensore Pi lontano l oggetto rilevato dal sensore minore la capacit del sensore La struttura della capacit dipende dal tipo di oggetto da individuare e dal suo collegamento a terra oggetto da rilevare superficie del sensore G Liz EX TA SR
76. 2 dovrebbe avvenire mediante un distributore azionato elettricamente Visto che spesso non disponibile un distributore 2 2 al suo posto pu essere utilizzato anche un distributore 2 4 collegamenti non necessari possono essere isolati mediante tappi di sigillo Visto che le bobine magnetiche del distributore pneumatico sono gi state denominate Y1 e Y2 le bobine magnetiche del distributore 4 3 vengono denominate Y3 e Y4 La bobina magnetica per la commutazione delle velocit viene denominata Y5 Figura 8 20 Schema funzionale elettroidraulico 161 162 Sistemi meccatronici e funzioni Il collegamento dei singoli schemi elettrici fra di loro avviene con un con trollo a rel Lo schema elettrico utilizzato per il circuito di controllo pu essere preso come esempio per la programmazione del controllore Il programma per il controllore pu essere eseguito anche senza sviluppare preventivamente lo schema elettrico Per poter collegare le singole funzioni dei sottosistemi sono necessari e apparecchiature che assorbano segnali e che li trasmettono Queste apparecchiature sono sensori Per il rilevamaneto della posizione dei cilindri necessario nell esempio esistono diversi sensori Come interruttori di prossimit per il cilindro pneumatico sono stati scelti interruttori Reed azionati magneticamente Sono gli interuttori a cilindro pi diffusi e utilizzati Per la segnalazione della posizione dei cilindri sono adatti a
77. LC dovute al la resistenza elettrica della bobina e del condensatore A causa di tali perdite le oscillazioni del circuito risonante con resistenza RLC ven gono smorzate Figura 1 3 Le oscillazioni del circuito risonante pos sono essere mantenute costanti se il circuito viene alimentato da una fonte esterna con una tensione sinusoidale L ampiezza delle oscilla zioni massima quando la frequenza delle onde esterne pari alla frequenza propria del circuito LC 1 f fo n 2rJLC H2 dove f la frequenza della fonte esterna dalla tensione sinusoidale fo frequenza propria del circuito LC senza smorzamento L induttanza Henry C capacit Farad Questa condizione sulla tensione o sull intensit di corrente permette la risonanza nel circuito Maggiore l ampiezza d oscillazione massima pi alto il fattore di qualit Q del circuito Il fattore di qualit Q la misura delle perdite negli elementi L e C schematicamente rappresentato dalla resistenza R in parallelo Un cir cuito risonante senza perdite durante la risonanza dovrebbe avere una resistenza R infinitamente grande Maggiori sono le perdite nel circuito pi piccola la resistenza e minore il fattore di qualit R Q amfi Figura 1 3 Oscillazioni dei circuiti LC e RLC a circuito LC non smorzato b circuito RLC senza fonte esterna c circuito RLC con una fonte esterna di tensione sinusoidale T Componenti meccatronici s
78. N EN 61293 indicazioni di apparecchiature elettriche 155 CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Lo schema elettrico una rappresentazione dettagliata del circuito Ne illustra il funzionamento Il circuito viene suddiviso in percorsi di corrente Viene rappresentato me diante archi di collegamento e connettori Non si riferisce alla posizione de i collegamenti elettrici Nel caso di impianti pi grandi lo schema elettrico viene rappresentato diviso in circuito principale e circuito di controllo Nel caso di impianti piccoli il circuito principale e il circuito di controllo non vanno necessariamente separati Lo schema elettrico contiene linee di potenziale inserite in maniera oriz zontale e percorsi di corrente in verticale Quasi tutti gli elementi di com mutazione vengono rappresentati in uno stato non sottoposto a tensione Contattori automatici come p es interruttori di fine corsa vengono disegnati nella loro posizione iniziale in riferimento all impianto comple to Qualsiasi scostamento dalle norme di rappresentazione va indicato esplicitamente Tutti simboli vanno inseriti nella direzione della corrente in maniera verticale dall alto verso il basso La direzione di moto dei simboli deve essere sempre da sinistra a destra Le indicazioni dei morsetti dovrebbero essere posizionate sempre alla sinistra del simbolo 400 VAC 50 Hz 1 538 K1 por Figura 8 15 Schema elettrico generale e sch
79. OCIE NOMIC ro ri 51 4 1 Caratteristiche di COStruUZione 51 4 2 FIPOIOOIG drS oNS ON iii 53 4 2 1 Sensori a sbarramento cccccecececcccecececececscacaccecececececececacaucucececetscscacacaccuauaeserscscscaeas 53 4 2 2 Sensori retroriflettenti 54 4 2 3 Sensoriadiffusione ii 55 4 3 Rimozione dell interferenza 55 4 3 1 Modulazione della luce cccccccccccccecececececccececececececececececeacacacaeacacacececacsuetensceneacauauaeaeaeas 56 4 3 2 Polarizzazione della IUCE 57 4 4 Margine operativo urli 59 4 5 Distanza operativa fos amaiseveccpunaocndaconaingedam linens tadbinnabeanameunmiitannidenie canister admowsibauientlisedatesianaei ana 61 4 6 TEMPO GUY CA ZION CS elica 62 4 7 Tipi speciali di sensori optoelettronici ii 63 4 7 1 Sensori retroriflettenti a riflessione polarizzata 63 4 7 2 Sensoriadiffusione a soppressione di primo piano e di sfondo 64 4 7 3 Sensori retroriflettenti ad autocollimazione i 67 4 8 Sensori con cavi in fibra ottica nai 68 4 8 1 Cavi in fibra Ottica ceiresinsinicecsrrsneen ena EKE AEA oe cinco ead eee 68 4 8 2 FUNZIONAMENTO 70 4 9 4 9 1 4 9 2 4 10 5 1 5 2 9 3 5 4 5 5 5 6 dl 5 8 5 8 1 5 8 2 5 8 3 29 5 10 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 Sistemi meccatronici e funzioni M
80. ON La funzione viene realizzata da sensori collegati in parallelo figura 1 12 Il numero di sensori collegati in parallelo ad alimentazione di corrente continua non limitato Anzi si possono collegare decine di sensori in parallelo indipendentemente dalla funzione d uscita Se i sensori vengono collegati in parallelo si sommano le correnti che circolano nel circuito anche se tutti i sensori sono spenti a causa del collegamento comune con la resistenza Questo effetto pu disturbare la funzione Perci due sensori con due conduttori non dovrebbero essere collegati in parallelo La somma massima dei sensori collegati dipende dalla somma di questi correnti e la resistenza Figura 1 12 Collegamento in parallelo dei sensori funzione logica O 20 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 1 10 Protezione dei sensori sensori possono essere protetti da eventuali errori di installazione o di avaria durante l uso sistemi di protezione proteggono i circuiti interni dei sensori da un inversione del collegamento della tensione di alimentazione un cortocircuito in uscita impulsi brevi della tensione di alimentazione un superamento dell intensit di corrente permessa Un cortocircuito non distrugge i sensori alimentati con corrente continua anche se hanno luogo pi volte per un tempo prolungato durante il quale non funzionano soltanto i diodi del sensore Dopo il cortocircuito il sensore funziona norm
81. Riflessione la luce viene riflessa da una superficie Per questo moti vo riusciamo a vedere gli oggetti vicini Figura 4 5 Assorbimento Una parte della luce viene assorbita da una superfi cie L energia dei raggi viene trasformata in un altra forma d energia ad es energia termica Trasmissione la restante parte della radiazione luminosa viene tra smessa attraverso il materiale A seconda del materiale la luce pu an che essere diffusa al suo interno Rifrazione la luce pu essere rifratta o riflessa all interfaccia tra due mezzi con densit diverse In alcuni casi la luce viene totalmente rifles sa verso l interno della superficie di separazione tra due mezzi Que sto fenomeno viene sfruttato nelle fibre ottiche La rifrazione dipende dal colore della luce ossia dalla lunghezza d onda Perci la luce bian ca che attraversa un prisma viene separata nelle componenti di colore e si genera uno spettro come nell arcobaleno Figura 4 5 Propagazione della luce Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos La riflessione della luce dipende in massima parte dalle caratteristiche di riflettenza ruvidezza struttura colore e lucentezza della superficie Si hanno diversi tipi di riflessione Figura 4 6 1 direzionale l angolo di riflessione uguale all angolo d incidenza ad es da superficie di metallo lucidato o da uno specchio 2 direzionale diffusa una parte della luce ha
82. U INA IRR Base IONI e_ DZAAAAAARA YAN ANIAO UA AAAGAO i Contatto Giunzione Ici hetero Figura 4 13 Schema di un fotodiodo Se tra i semiconduttori n e p viene inserito un altro strato di semicon duttore i la struttura energetica viene trasformata e ne risulta un diodo PIN Figura 4 14 L assorbitore di un fotodiodo comune molto pi sottile della profondit che raggiungono i fotoni Perci il coefficiente di efficienza del diodo basso e la corrente prodotta piccola In un dio do PIN l amperaggio piu alto perch la zona in cui si genera il campo elettrico maggiore Il tempo di salita dell impulso in un diodo PIN pi breve e il suo coefficiente di efficienza pi alto che per un foto diodo comune 92 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Rivestimento antiriflesso NECA ttt tS Campo elettrico an Contatto Figura 4 14 Schema di un diodo PIN 93 7 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale 4 2 3 2 Rivelatore PSD Un rilevatore sensibile alla posizione Position Sensitive Detector PSD in buona sostanza non nient altro che un diodo PIN con un estesa superficie sensibile alla luce In esso un lungo strato di se miconduttore viene colpito dalla luce Figura 4 15 A causa del feno meno fotoelettrico che si attiva nell interno delle cariche elettriche ap paiono su ambedue lati dell elemento Queste fanno s che si
83. Uso GIUR Fl0re NeppIoge io iii 16 2 3 2 Realizzazione Gell AUIVAZIONCS scuri 17 Z 5 0 ISPEZIONE narnia 18 2 4 Attivazione di impianti eletrici sisrni 19 2 4 1 Riempire la macchina con fluido idraulico o onnonnonnnnnnnnonnsnnonnennsnrenrerrnnrennsnrenrerrenrerrene 19 2 4 2 Realizzare l attivazione iii 20 LA SOONE Luca 21 2 5 Attivazione di impianti elettrici ico 22 2 6 Attivazione di speicherprogrammierbaren Steuerungen 23 2 6 1 Tipici guasti durante la programmazione 23 3 FUCSI CASGUASHE goderne lago oats nde nna lend dia ariani giare dso agi siete ge 24 3 1 PS VN ci 24 3 2 Localizzare disturbi e guasti durante l attivazione 24 3 3 Come cercare guasti e disturbi min a eine 25 3 3 1 Ricerca guasti con un diagramma di fUnZONi cic seresderccscetdessedsetoncdacsnenrcescenncddsubsaincsdenseees 25 3 3 2 Ricerca guasti con un programma per la ricerca di disturbi eee eeee sete eeeeees 29 3 4 Problemi comuni durante l attivazione iii 27 3 4 1 Uso del controllore programambile durante la ricerca di disturbi 27 Attivazione sicurezza teleservizio T Minos 1 Sicurezza 1 1 Introduzione Da macchine o impianti possono derivare diversi pericoli Questi peri coli possono originarsi in modi diversi Sono esposte a rischio tutte le persone che hanno a che fare con
84. a Gli attuatori come cilindri e motori vengono inseriti nella parte superiore dello schema elettrico Le aste dello stantuffo dovrebbero uscire verso destra La numerazione procede progressivamente da sinistra a destra Sotto gli elementi di avanzamento vengono inseriti gli organi di controllo Gli organi segnalatori vengono inseriti nella parte pi bassa dello schema elettrico Ancora pi in basso e possibilmente sul lato sinistro si trova l alimentazione a corrente Per la denominazione degli elementi vanno utilizzati le seguenti lettere Attuatori cilindri motori valvole ricevitore tasti rulli a tasteggio altri elementi alimentazione a pressione NO lt gt cilindri vengono indicati progressivamente con 1A 2A ecc Tutte le val vole che impattano sul cilindro 1A vengono chiamati 1V seguito da un altro numero Questo numero viene assegnato iniziando dall alto verso il basso e da sinistra verso destra Le valvole che impattano sul cilindro 2A dunque vengono denominati con 2 V seguito da un numero progressivo Anche la prima cifra dei rulli a tasteggio si riferisce al cilindro a cui sono stati fissati E indifferente la valvola o il cilindro su cui impattano Gli organi alimentati a pressione spesso non possono essere collegati ad un cilindro o uno schema elettrico e vengono segnalati anteponendo uno zero La denominazione pu ma non deve essere incorniciata Schemi elettrici pneumatici nella posizion
85. a Il fenomeno della polarizzazione consiste nell ordinamento delle oscilla zioni delle onde luminose Se un onda di luce non polarizzata si veri ficano oscillazioni del campo elettrico e magnetico in diverse direzioni Se la luce polarizzata queste oscillazioni hanno soltanto una direzione Sia la luce naturale sia la luce emessa dai LED non polarizzata Se la luce attraversa un filtro di polarizzazione rimane soltanto la componente del raggio diretta lungo la direzione di polarizzazione Se un raggio di luce che gi ha attraversato un filtro con polarizzazione orizzontale figura 4 6a passa per un filtro con polarizzazione verticale viene totalmente filtrato La riflessione diffusa disturba la polarizzazione figura 4 6b Una bassa misura di luce che attraversa un polarizzatore verticale ha troppo poca energia per permettere al sensore di rilevare una superficie riflettente Se la luce polarizzata viene riflessa da uno specchio figura 4 6c la polarizzazione non viene eliminata Il polarizzatore verticale elimina totalmente la radiazione luminosa Grazie a questi due fenomeni vengono utilizzati la luce polarizzata pu essere sfruttata dai sensori retroriflettenti mediante un riflettore Scegli endo filtri adatti e regolati opportunamente possono essere evitati di sturbi generati da superfici riflettenti Inoltre si possono rilevare elementi trasparenti filtri di polarizzazione nella maggior parte dei casi vengono prodo
86. a free zone in vicinanza del sensore dipendono dal raggio d azione del sensore dalla sua costru zione e dalla grandezza dell oggetto individuato figura 1 6a Il diametro del nucleo e della bobina dipendono dalla grandezza del sup porto cilindrico bussola di metallo Perci c un forte collegamento fra il diametro del supporto la raggio d azione del sensore e la zona che deve rimanere libera nella quale si deve trovare soltanto l oggetto di metallo da rilevare sensori con la bobina ricoperta hanno una raggio d azione maggiore Di conseguenza anche la zona libera deve essere maggiore Un sensore cilindrico ricoperto sensibile soltanto agli oggetti di metallo che si trovano davanti al sensore Perci questi sensori possono essere fissati completamente in elementi di metallo La zona libera 3x S fi gura 1 6b La distanza minima tra i sensori dovrebbe essere maggiore di 2xD per evitare la mutua interferenza Un sensore cilindrico non ricoperto sensibile agli oggetti metallici sui tre lati Perci il sensore va posizionato leggermente all esterno in modo tale che la zona libera includa anche le superfici laterali del sensore In questo caso la distanza minima tra sensori dovrebbe essere maggiore di 3xD per evitare interferenze indesiderate oggetto rilevato i Figura 1 6 Sensori induttivi con bobina ricoperta e non ricoperta a caratteristica b raccomandazioni di montaggio baw Sistemi meccatronici e
87. a globale Nel diagramma di flusso viene rappresentato l insieme di tutti i percorsi possibili durante la realizzazione del programma Altre denominazioni del il diagramma di flusso sono organigramma o struttura del programma Nel diagramma di flusso dell esempio vengono rappresentati i seguenti passi 1 Passo Se stato scelta la velocit angolare n1 tasto S2 o n2 tasto S3 possibile l avviamento 2 Passo Se stata scelta la velocit angolare e si aziona il tasto d avvio s1 il cilindro di fissaggio pu partire 3 Passo Se il sensore B2 stato azionato il cilindro di avanzamento 2 A deve avanzare velocemente e va azionata l alimentazione del trapano M1 4 Passo Se il sensore B2 stato azionato va messo in moto il cilindro di avanzamento 2 A 5 Passo Se viene azionato il sensore B5 il cilindro attuatore deve portarsi a fondo corsa e deve essere spento il motore del trapano M1 6 Passo Se il cilindro di avanzamento 2 A stato messo in moto ci aziona il sensore B3 e il cilindro di fissaggio deve tornare nella posizione finale 7 Passo Nella sua posizione finale il cilindro cilindro di fissaggio 1 A aziona il sensore B1 e termina il programma Usando due interruttori separati per la scelta della velocit angolare c la possibilit di azionare entrambi i tasti contemporaneamente Questa eventualit nell esempio non stata considerata Se gli schemi elettrici vengono redatti successivamente perm
88. a notevole riduzione del segnale d uscita Figura 1 4b circuiti generatori LC producono oscillazioni con frequenze maggiori di una decina di kilohertz Se la frequenza ri chiesta minore si avrebbe bisogno di un induttanza L troppo grande nel circuito risonante In questo caso difficile raggiungere un elevato fattore di qualit e le bobine richieste sono di maggiori dimensioni Figura 1 4 Il circuito risonante elettrico a generatore LC con un amplificatore che compensa lo smorzamento b livello del segnale di uscita per due diversi valori di Q 10 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 1 3 Schema base 1 3 1 Principio di funzionamento La parte attiva di un sensore ad induzione contiene una bobina avvolta intorno ad un nucleo di ferrite che crea un campo magnetico alternati vo La forma a tazza del nucleo con circuito magnetico aperto intensi fica il campo magnetico della bobina e lo indirizza verso il campo d azione del sensore Quando il campo magnetico varia viene sempre creato un campo elet trico Se in questo campo si trova un conduttore in cui possono circola re correnti parassite intorno alle linee del campo magnetico viene cre ato un campo magnetico indotto Figura 1 5 che agisce contro il cam po magnetico della bobina ed assorbe parte dell energia del circuito ri sonante Il fattore di qualit si riduce perch le perdite nel circuito risonante va riano Fino a quando il condut
89. a posizione iniziale Perci il sensore della posizione iniziale non viene eccitato ed il corris pondente input del PLC non viene attivato Questo si vede nell attivit di test del controllore programmabile e anche dal LED per l input L avvio della programma di controllo non dunque possibile visto che una delle condizioni per l avvio non verificata A questo punto va chiarito perch il cilindro 1A non arrivato a fine corsa Una possibilit il posizionamento errato della valvola di apertura La valvola deve essere portata nella posizione iniziale manualmente Se il cilindro 1 A adesso raggiunge la sua posizione iniziale si attiva il sensore per la posizione e potrebbe seguire l avvio del controllore Il LED per il corrispondente output segnala il comando per il ritorno del cilindro Nonostante questo segnale il cilindro 1A non ritorna Adesso dovrebbe essere controllato quale bobina magnetica della valvola viene eeccitata Si osserva al controllo che le connessioni per le bobine magnetiche sono state scambiate Dopo la correzione il cilindro ritorna ed il programma di controllo pu correttamente partire Prima di riparare il guasto dovrebbe essere azioniato l interruttore ge nerale d emergenza per evitare che subito dopo la correzione parta il programma e nasca il pericolo di ferirsi Risultato della ricerca di guasti Le connessioni della valvola di comando durante il montaggio sono state scambiate A causa di ci
90. a temperatura pressione di viscosit _ dinamica di viscosit appropriata a seconda passa della temperatur non infiammabile duratura nel tempo e non esplosivo a bassa infiammabilit densit molto bassa distribuzione della pressione in tutte le direzioni buona compatibilit di materiali Tabella 7 4 Caratteristiche fisiche dei mezzi di trasmissione dell energia 111 LY CU minos 7 3 2 Attuatori 112 Esempio Sistemi meccatronici e funzioni In seguito vengono con l uso di un esempio vengono paragonati i van taggi e gli svantaggi delle propulsioni lineari e di rotazione nel campo della pneumatica idraulica ed elettrotecnica Inoltre vengono spiegati prevalenti campi d applicazione Esempio di una puleggia In una puleggia da fune devono essere apportati 4 fori filettati M12 Perci deve essere praticato un foro principale con un diametro di 10 2 mm Una perforazione con un diametro di 6 mm gia stato effettuato Per la lavorazione stata accertata una forza di taglio di 2500N e una forza di avanzamento di 500 N ad ogni perforazione La velocit ango lare della punta da trapano deve essere circa 750 giri min o 1450 giri min Con una velocit di taglio di 0 5 m s 750 giri min stato accerta to un rendimento di taglio di 1 6 kW Per mettere in trazione la puleggia in modo da poterla forare senza pericoli necessaria una forza di 1000 N In ambito industriale sono dispo
91. a un potenziometro con cui pu essere indicato il livello d attivazione dell oscillatore La distanza tra l oggetto e il sensore di cui cambia lo stato di uscita viene chiamato raggio d azione nominale del sensore Sn figura 2 3 Questo valore viene misurato per una piastra quadrata di acciaio FE360 con collegamento a terra La sua larghezza deve essere uguale al diametro del sensore o tre volte Sn se maggiore e il suo spessore deve essere paria 1mm 5 faggio d azione nominale amp raggio d azione reale bis 25 5 1 155 per la tensione nominale e la tempe ratura costante 20 C superficie attiva del senso __rescondiametro d se Ga faggio d azione sicura dae 2 0 725 Sy raggio d azione da utilizzare 0 251 Se 1 325 per 85 100 della tensione nominale e la temperatura di lavoro un oggetto secondo la norma 1 mm FE 360 collegamento a terra dxd Figura 2 3 Definizioni dei raggi d azione di un sensore capacitivo 27 La a a fi Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2 3 Tipologie di sensori capacitivi sensori capacitivi normalmente hanno la forma di un cilindro o di par allelepipedo La loro parte attiva del sensore si trova alla sua estremit Ci sono due tipi di sensori cilindrici sensori del primo tipo sono scher mati ed hanno la zona attiva all estremit Sono ricoperti in superficie da metallo o plastica sensori del secondo tipo non sono schermati ed ha
92. a very wide spectrum of analyses and the use of Al tools DIAGNOSTIC TASK real objects MECHANICAL MODELS structure and condition characteristics PHYSICAL MODEL MATHEMATICAL MODEL IDENTIFICATION OF MODELS Qualitative description gt Explanatory description gt Quantitative description STRUCTURAL ina MODE MODEL Wear a Types of models wear dynamics deterministic evolution probabilistic HOLISTIC fuzzy SYMPTOM MODEL MODEL DIAGNOSTIC MODEL HOLISTIC INFERENCE MODELS SPOR DIAGNOSTICS e deterministic DIAGNOSTICS e probabilistic e fuzzy e neural e ekxpert e other ELECTRICAL CRITERIA PINON ANGS DIAGNOSIS division of models A current future accuracy limit states effectiveness other Fig 6 Object diagnostic modelling capabilities 14 Lf Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook a 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 com plicated testing of mode Is sensitivity to defects training data genera tion creating adaptational models and building diagnostic relations Thanks to t he use of such simulation techniqu es of acquir ing symp tom 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
93. agnetico viene collocato fra sensore e magnete la funzione del sensore viene disturbata e il segnale di output pu essere involontariamente commutato SENSOR Ferromagnetic material Non ferromagnetic material SENSOR SENSOR Figura 5 15 Influsso di elementi ferromagnetici e non ferromagnetici sul funzionamento di sensori a campo magnetico sensori a campo magnetico vengono tra l altro impiegati per rilevare oggetti che si trovano in un tubo di plastica o un serbatoio di plastica rilevare oggetti che si trovano in un ambiente aggressivo attraverso uno strato protettivo rilevare oggetti in aree ad alta temperatura un elemento ferromagnetico si pu trovare vici no all oggetto rilevare il movimento di traslazione o rotazione degli oggetti 142 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Figura 5 16 Rilevamento della posizione del pistone in un cilindro non ferromagnetico con un sensori a campo magnetico con contatto Reed Figura 5 17 Misurazione del numero di giri con un sensore Wiegand 143 P Componenti meccatronici sensori Manuale Figura 5 18 Rilevamento della posizione angolare di un tavola rotante con un sensore Hall Figura 5 19 Misurazione del numero di giri con un sensore magnetoresistiv 144 MECCATRONICA Modulo 6 sistemi meccatronici e funzioni Manuale concetto Jerzy Jedrzejewski Wojciech Kwasny Zbigniew Rodziewicz Andrzej B a e
94. agnetico viene sufficientemente smorzato Oggetti troppo piccoli possono determinare uno smorzamen to insufficiente Perci per un sensore di data dimensione esiste una lunghezza minima o un diametro minimo dell oggetto da rilevare Figu ra 1 11b Gli oggetti da rilevare non devono avere tutti la stessa traiettoria e questo e il principale vantaggio dei sensori anulari Grazie al volume di azione anulare possono essere rilevati gli oggetti indipendente dal loro orientamento ad es oggetti che cadono in un tubo di plastica Diameter Length Minimum object diameter length ratio mm 40 60 80 Sensor hole diameter mm Figura 1 11 Sensore anulare ad induzione a installaione b relazione tra la grandezza del sensore e la grandezza minima dell oggetto da rilevare 17 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale 1 4 2 Sensori insensibili al campo magnetico processi di saldatura richiedono forti intensita di corrente e la corrente che raggiunge l utensile di saldatura crea un forte campo magnetico variabile intorno ai cavi Se un sensore ad induzione si trova nella zona di saldatura il segnale d uscita in conseguenza dell influsso del campo magnetico pu esse re commutato in maniera incontrollata Infatti viene indotta una tensio ne addizionale nella bobina che disturba il funzionamento dell oscillatore che pu causare un commutare casuale del segnale d uscita Durante i
95. almente Se la tensione pu danneggiare i sensori con supporti di metallo ne cessaria una messa a terra aggiuntiva Se un sensore collegato in serie con il carico circola ancora una cor rente nel circuito anche quando il sensore spento figura 1 13 Ci pu danneggiare il sensore o causare un segnale OFF permanente Per evitare questo effetto deve essere collegata una resistenza aggiuntiva Rp in parallelo Il valore di Rp e la potenza corrispondente P possono essere calcolate come segue Rp U l n P U Rp UO Tensione di alimentazione Figura 1 13 Perdita di corrente Ip in un circuito con sensore induttivo alimentato con corrente alternata 21 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 1 11 Collegamento dei sensori ad una rete di comunicazione Le reti di comunicazione sono la soluzione pi moderna per il collegamen to fra sensori e gli elementi di controllo tipi classici vengono sostituiti da reti di comunicazione per evitare le distanze di connessione Questo concetto si basa su due elementi che raccolgono segnali di sensori e gli mandano all unit centrale hubs Grazie a questa soluzione si pu abbassare i costi in maniera significativa aumentare la distanza tra sensore e la base di controllo spedire i dati della taratura del sensore Le reti aperte vengono utilizzate nella maggiornaza dei casi perch ren dono possibile lo scambio di informazioni tra elementi di diversi produtt
96. amping 2 1MA T E 3 5 O NO Allowable zone 1 2MA Damping Disconnection Figura 1 14 Sensore NAMUR a caratteristica b schema elettrico del circuito 21 7 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale 1 7 Sensori ad induzione analogici Sensore di Circuito testa Oscillatore 22 comuni sensori registrano soltanto se nel loro raggio d azione c un oggetto di metallo o no sensori analogici ad induzione registrano la posizione dell oggetto all interno de raggio d azione del sensore Quando l oggetto si sposta da una distanza da 0 fino a Sn concorde mente cambia il segnale di uscita del sensore nell intervallo 0 20 mA Il campo magnetico oscillante generato dal circuito risonante viene smorzato dall oggetto metallico che entra nel raggio d azione Pi vici no al sensore l oggetto maggiore lo smorzamento Uno speciale oscillatore rende possibile lo smorzamento del circuito ri sonante in funzione della distanza vale a dire cambiando il fattore di qualit Grazie al sistema di linearizzazione il segnale di uscita quasi lineare La Figura rappresenta la caratteristica per un oggetto di acciaio St37 perch questo materiale determina il raggio d azione massimo Se vengono usati metalli con una minore permeabilit magnetica va adottato un opportuno coefficiente di correzione Oggigiorno la maggior parte dei sensori ha una caratteristica quasi li neare in tutto l interva
97. appresentata una puleggia di una bottiglia a becco Alcuni parti di questa puleggia devono essere lavorate Successivamente i seguenti componenti devono essere assemblati borchia scatola motore disco 2x cuscinetto a gole e sfere lamiera elastica di copertura 2x flangia 1x rullo avvolgitore disco vite a testa esagonale 8x rosetta elastica spaccata 8x anello distanziatore flangia 1x gt O ONDQUIDSIWNN e n e i n e Se ee La lavorazione dei singoli pezzi viene realizzata poi in diversi passi m o ui x 7 7 A rad VADA a OR Cu S NISI KIKY I SSS ome OMA MF Ii o A TNR an a SS Figura 7 2 Carrucola 98 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos lavori di montaggio dovrebbero proseguire secondo il seguente pro cedimento di montaggio Ablauf 1 preassemblaggio inserimento della borchia 1 con la scatola dell onda 2 2 fissare la carrucola 7 e la flangia 6 con la vite esagonale 8 e la rosetta elastica spaccata 9 3 introdurre la lamiera elastica di copertura 5 1 nella carrucola pre montato vedi punto 2 4 inezione del cuscinetto a sferae 4 1 nella carrucola premontata 5 inserimento hub premontato 1 con la scatola dell onda 2 nel av volgitore disco premontato 6 inezione dell anello distanziale 10 7 inezione del cuscinetto a gole e sfere 8 mettere la scatola a onde 5 2 nella carrucola premontata 9 posizionare la flangia 11
98. ar partire il controllo nella rete 4 e il funzionamento pu iniziare Esempio Attivazione sicurezza teleservizio f Minos 3 Guasti durante l attivazione Conseguenza Il controllo in funzione senza problemi Il cilindro 2A ritorna nella sua posizione iniziale ma il cilindro idraulico 3A che dovrebbe partire dopo non si muove Ricerca degli guasti Viene proposto il seguente metodo In accordo al diagramma funzionale il segnale per la partenza del cilindro 3A viene dato con un interruttore di posizione finale montati sul cilindro 2A Questo stesso interruttore fa ritornare anche il cilindro 2A Giunge il segnale d input da parte dell interruttore di posizione finale Si altrimenti il cilindro 2A non partirebbe Adesso si esegue il test del controllore programambile E stato attivato il flag necessario per i passi nel programma ed stato attivato il passo per l uscita del cilindro idraulico 3A Si la catena dei passi fa come previsto il passo per l uscita del cilindro idraulico E stata eccitata nel programma la corrispondente bobina magnetica responsabile dell uscita del cilindro Si il programma ha attivato al punto giusto l output per la bobina ma gnetica Questo visibile sul LED di output del controlllore programmabile Si I LED acceso La corrispondente bobina magnetica si attivata S il controllo avviene togliendo il cappellotto ed istallandolo nuovamente Si pu sentire chiaramente i
99. assa Quando si sceglie gli apparecchi per la protezione del motore bisogna prestare attenzione sia al collegamento del motore sia al carico Questi variano in fase di avviamento marcia continua o quando il motore si ferma Per quanto riguarda la protezione del motore si distinguono i seguenti tipi Con le valvole fusibili si protegge il motore dal cortocircuito Interruttori automatici bimetallici riaffiliati servono per proteggere l impianto dalla sovracorrente Negli interruttori salvamotore sono raggruppati apparecchi con dispositivi elettromagnetici di protezione dai cortocircuiti e dispositivi di interruzione bimetallici per la protezione dalla sovracorrente Possono essere usati anche fusibili con filamenti che fondono fusibili per la protezione contro cortocircuiti possono essere combinati con sensori di calore Questi sono realizzati con lamine bimetalliche e si trovano direttamente alla bobina del motore In tal modo pu essere sorvegliata la temperatura nel motore una modalit che viene chiamata protezione completa del motore Invece degli interruttori bimetallici si impiegano anche conduttori a fred do La loro resistenza aumenta quando si alza la temperatura questa condizione si nota con un apparecchio di misura Per i motori asincroni per corrente trifase c da sorvegliare se una delle tre fasi si staccata Nel circuito a stella in questo caso la tensione che circola nelle altre due bobine aum
100. ato 1 visto che il flag M 0 5 non attivato Dopo segue un collegamento OR In questo caso basta che venga im postato ad 1 uno dei segnali d entrata che il flag M O 2 all uscita si attivi Si nota che l ingresso h_pressure 1 7 nello stato 1 Questo segnale dovrebbe segnalare che la pressione idraulica ha superato il limite Questo guasto si nota subito se la pressione idraulica non ancora ap plicata Dunque non ci pu essere pressione Anche il manometro sulla linea di alimentazione non segnala pressione Sul LED per l ingresso 1 7 del controllore programambile viene tuttavia rappresentato l input adiacente Dopo va controllato perch l interruttore di pressione dia gia un segna le nonostante non ci sia pressione Pu essere un segno di un difetto dell interruttore di pressione o anche di un problema di collegamento hardware Perci va controllato se l interruttore di pressione come descritto nella documentazione collegato come contatto di chiusura Risultato della ricerca di guasti Si nota che l interuttore a pressione stato collegato in maniera errata Invece del contatto di chiusura stato cablato il contatto di apertura Perci l interuttore di pressione da un segnale se anche se non stato attivato Dopo il ricablaggio sul contatto di chiusura nella rete 9 non c un segnale dell interuttore di pressione e il flag non viene attivato Con ci sono soddisfatte le premesse per f
101. atronici e funzioni W Minos Una volta disattivato il rel K13 anche i successivi passi vengono ripri stinati Il circuito dunque pronto per un nuovo avvio L uscita dei segnali dei rel avviene nella componentedi potenza del cir cuito Due led segnalano la scelta di una determinata velocit angolare tra le due possibili Con il rel K1 viene acceso il motore elettrico Il rel K2 che serve per collegare il salvamotore durante l avviamento viene attivato con leggero ritardo Visto che le valvole di controllo dei due cilindri hanno due bobine magne tiche nel momento in cui viene accesa la seconda bobina magnetica la prima va spenta Questo avviene mediante i contatti di apertura nei rami del circuito in corrispondenza delle bobine magnetiche Y1 e Y3 Anche la bobina magnetica Y5 della valvola di controllo per la commu tazione della velocit viene spenta mediante un contatto di apertura se il cilindro uscito del tutto Lo schema elettrico complero dell organo di controllo riportato alla pagina seguente KT15 Y3 Y4 Y5 FA Si X H1 H2 K1 K2 Y1 Y2 3 CI G Z ae Figura 8 25 Circuito principale 167 Sistemi meccatronici e funzioni S2 K11 S3 K12 K11 K12 K13 B2 K14 B4 K16 B5 K17 B3 K18 B1 K19 o gt 0 0 Mo Mo K12 K11 S1 B6 fa P K19 K19 K19 K13 K14 K16 K17 K18 K11 K12 K13 K14 K16 K17 K18 K19 oo e DL I LL a i osi Figura 8 26 Circuit
102. avorazione di una carrucola viene utilizzato un cilindro di lavoro idraulico a doppio effetto Soddisfa le seguenti specifiche movimento traslatorio forza di propulsione di 2000 N protezione dai sovvracarichi velocit di propulsione massima di 0 5 m s Per poter utilizzare il cilindro come regolatore viene utilizzato un distri butore 4 3 azionato a mano che soddisfa le seguenti specifiche moto velocemente regolabile Cilindro a doppio effetto Distributore 513 Valvola di controllo Distributore 312 Fonte di aria compressa Manometro valvola di pressione con unit di manutenzione Figura 8 9 Simboli di elementi pneumatici 147 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos Come organo di controllo viene utilizzata una valvola di flusso Con questa viene fissata la velocita del moto di lavoro Soddisfa le seguenti specifiche velocit regolare e indipendente dal peso durante la lavorazione per asportazione di truciolo Per modulare la velocit del cilindro come elemento di segnale neces sario un distributore 2 2 Questa valvola viene azionata con un rullo a tasteggio dal cilindro La generazione di energia e la preparazione avviene mediante un aggre gato idraulico Nell aggregato idraulico si trova una valvola che limita la pressione e un filtro Per l avanazamento necessario un motore elettrico Inoltre come strumento di monitoraggio vengono utilizzati dei manometri H Cilindro a
103. book ea Minos A block diagram of the diagnostic unit is shown in Fig 3 Diagnostic signal sensors Diagnostic system p Multichannel rocessor diagnostic signal converter System bus Fig 3 Block diagram of microprocessor diagnostic unit 11 Lf Ne Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook Minos 3 12 Idea components and operation of service diagnosing system As opposed to the general diagnosing of the operation of an object and the work processes the latter carries out which informs the user if the disturbances are within permissible limits and if sufficient product accu racy is bein g achieved the purpose of service diagnostics is period ic error correction and planned recovery of the correct operating parame ters Service diagnostics consists in tracking the degree of object ma chine degradation in order to apply error correction and compensation or carry out a planned and well prepared repairs during a short stand still at a t ime convenient for the use r Thus the purpose of service di agnostics is to restore the machine s operating parameters guarantee ing 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
104. ca alcuni elementi costruttivi vanno sostituiti Come regolatore viene utilizzato un distributore 5 3 con azion amento elettromagnetico Il centraggio a molla resta immutato Si raggiunge la posizione di controllo quando viene accesa l una o l altra bobina magnetica Se non attiva una bobina magnetica la valvola si porta nella sua posizione media Inoltre deve essere sostituito anche un altro elemento costruttivo Per monitorare la forza di fissaggio al posto della valvola di pressione viene inserito un trasformatore pneumatico elettrico con la denominazione B6 Un interruttore a pressione ha la forza di una molla regolabile mediante cui viene regolata la pressione che necessaria per ottenere un segnale dall interruttore Mediante il controllo elettrico del distributore 5 3 non sono necessari i due elementi di segnale i distributori 3 2 due distributori sono utilizzati come valvole di controllo pilota nel distributore 5 3 ANE 2M Figura 8 19 Schema funzionale elettropneumatico 160 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos Come gi fatto per pneumatica ed I elettrotecnica che danno vita all elettropneumatica possono essere utilizzati attuatori idraulici con dispositivi di controllo elettrici e creare delle apparecchiature ibride elettroidrauliche Il distributore 4 3 deve essere attivabile per via elettrica cos come la commutazione da avanzamento rapido ad avanzamento di servizio con il distributore 2
105. cambiare la loro velocit venti che si muovono perpendicolar mente alla direzione delle onde acustiche le inducono a cambia re direzione un effetto non desiderabile Inquinamento Un forte inquinamento dell aria pu causare la contaminazione della superficie emittente le onde ultrasoniche e pu abbassare cos il raggio d azione del sensore anche del 30 49 50 Componenti meccatronici sensori Manuale E Er i i o uy di E i H Temperature C Figura 3 5 Rapporto tra velocita di onde acustiche e temperatura Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 3 2 3 Trasduttori acustici La maggior parte delle onde acustiche viene generato da trasduttori piezoelettrici L effetto piezoelettrico consiste nel manifestarsi di cari che elettriche per effetto di una tensione meccanica Alcuni cristalli solfato di litio quarzo hanno caratteristiche piezoelettri che perch il loro reticolo cristallino ha una forma elicoidale Questo ef fetto reversibile vale a dire che un trasduttore pu essere deformato con una tensione elettrica Ci sono due effetti piezoelettrici diretto una tensione meccanica ad es pressione viene trasforma ta In un segnale elettrico Figura 3 6a Inverso un segnale elettrico viene trasformato in un movimento o in un oscillazione meccanica Figura 3 6b Figura 3 6 L effetto piezoelettrico a diretto b inverso SI Componenti me
106. cano gruppi di elementi o parti singole Durante l istallazione si sono verificati problemi Spesso ne re sponsabile il cablaggio nel quadro di comando Collegamenti di tubi dei sottosistemi pneumatico ed idraulico sono stati scambiati fra loro Il costruttore responsabile per un impianto funzionante ed un avviamerto senza problemi Configurando le singole parti bisogna anche verificare che i lavori all impianto durante l avviamento siano semplificati o even tualmente che non sono necessari Una struttura del progetto del sistema orientata all avviamento pu per mettere che si possano eseguire prove o avviamenti parziali in anticipo Per una prova anticipata o un avviamento anticipato i gruppi di elementi devono essere assemblabili prima Questi elementi devono poter funzio nare in gruppo e avere interfacce con altri gruppi di elementi costruttivi Durante l esame anticipato di gruppi di elementi costruttivi va ad es con trollato il montaggio sistematico delle singoli parti il oro comportamento termico o il livello di rumore Anche il regolare funzionoamento del gruppo pu essere controllato Inoltre durante l avviamento anticipato possono essere svolte le seguenti attivit la regolazione di interruttori di arresto la regolazione di valvole pneumatiche o idrauliche il recupero di pezzi difettosi il bilanciamento di azionamenti L avviamento anticipato un vantaggio se un gruppo di elementi costrut tiv
107. ccatronici sensori Manuale Minos La deformazione del trasduttore Al uguale all ampiezza dell onda generata e proporzionale alla tensione U Il coefficiente di proporziona lit la costante piezoelettrica d dquanz 2 3 10 m V Al d U m materiali ferroelettrici un gruppo dei materiali ceramici hanno anche caratteristiche piezoelettriche A causa della struttura spe cifica dei materiali ferroelettrici i dipoli elettrici si allineano in ma niera permanente anche se viene rimosso il campo elettrico I dipoli inizialmente orientati irregolarmente in maniera casuale Figura 3 7a formano un allineamento permanente se viene ap plicato un intenso campo elettrico L angolo tra i dipoli e la super ficie del trasduttore di 45 Figura 3 7b Se si applica una ten sione sulla superficie della piastra i dipoli ruotano in dipendenza dal segno della tensione Le cariche dello stesso segno e e si respingono quelle opposte e e si attraggono Queste rotazioni causano l allungamento o la contrazione dello spessore del trasduttore in dipendenza della tensione applicata su di una delle piastre Figura 3 c d Superficie metallizzata Figura 3 7 Deformazione di un trasduttore ceramico a causa dell effetto piezoelettrico Gli elementi piezoelettrici soprattutto ceramici possono avere forme diverse Figura 3 8 Per condurre la tensione le superfici frontali del trasduttore ven gono metallizzate
108. ci Anche quanto riguarda connessioni di controllo e di regolazione I idraulica e la pneumatica hanno punti in comune In tali ambiti si usano valvole per influenzare il mezzo di trasmissione dell energia In elettrotecnica invece si usano contattori e rel In idraulica l energia viene messa a disposizione direttamente nella macchina mediante un aggregato idraulico In pneumatica invece l aria compressa viene prodotta nell impianto pneumatico a livello centrale L energia elettrica invece viene da centrali elettriche pi lontane E Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica Cilindri idraulici motore idraulico 1 Sezione di azionamento 2 Controllo di energia elementi di attuazione Valvole a controllo di direzione idrauliche elementi di controllo pressione idraulica elementi del segnale flusso e valvole di blocco 3 Sezione alimentazione generatore di energia Sistemi idraulici preparazione damento filtro Riscaldamento raffred Essiccatore filtro Azionamento elettrico lineare motore elettrico motore DC motore AC Cilindri pneumatici motore pneumatico Valvole a controllo di Contattori direzione pneumatiche Pressione pneumatica Diodi varistore valvole di flusso e blocco valvole a con trollo di direzione Compressore completo Rete accumulatori o stazione di compres sione batterie Trasformatori Tabella 7 1 Confronto della struttura dl sistem
109. ciente di riflessione del suono corpi solidi fluidi granulati sensori di diffusione generano impulsi ultrasonici periodici La loro frequenza di alcune decine di Hz L arco di tempo tra l emissione dell impulso ultrasonico e la ricezione dell eco riflesso proporzionale all effettiva distanza tra l oggetto e il sensore Quando uno stesso trasduttore genera le onde ultrasoniche e le riceve la durata T dell impulso deve essere molto pi breve del tempo di ritorno Te Figura 3 14 Il sensore attende l eco tra l impulso inviato ed il successivo Se si misura il tempo Te pu essere calcolata la distanza tra l oggetto e il sensore Il manife starsi dell eco nel circuito rivelatore del sensori significa che un oggetto si trova nel raggio d azione del sensore Il segnale di output viene quindi commutato 57 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Segnale di ritorno Amplitudine tempo di attesa Durata Durata dell impulso dell impulso Ti i me LL Nn Echo return time Te 7 Cycle time Figura 3 14 Ciclo di funzionamento di un sensore ultrasonico 3 3 1 Modalit a diffusione I sensori ultrasonici a diffusione contengono un trasduttore elettronico speciale che genera un onda ultrasonica d impulso e che la pu anche ricevere In un periodo da alcuni microsecondi fino a un millisecondo il trasduttore genera un certo numero d impulsi ultrasonici e attende il loro ritorno
110. cilindrica e quella a forma di parallelepipedo Tali sensori rilevano oggetti di un materiale qualsiasi e la superficie dell oggetto pu senza problemi essere colorata trasparente ruvida scivolosa Il raggio di luce effettivo dipende dal diametro delle lenti del trasmettitore e del ricevitore figura 4 3 Un oggetto viene rilevato se copre almeno il 50 di tale raggio Campo emesso amm campo visivo del ricevitore Figura 4 3 Raggio di luce effettivo 53 Sistemi meccatronici e funzioni 4 2 2 Sensori retroriflettenti 54 Trasmettitore e ricevitore dei sensori retroriflettenti si trovano in un sup porto La luce viene riflessa da un riflettore in direzione del ricevitore l oggetto diffonde il raggio di luce e il segnale d uscita viene commutato Sensori retroriflettenti senza un filtro di polarizzazione usano radiazione infrarossa sensori con un filtro di polarizzazione usano luce rossa vi sibile Tali sensori hanno il vantaggio di avere un ampio raggio d azione fino a 12 m ed essere robusti alla tipologia e alle caratteristiche della superficie dell oggetto sensori retroriflettenti richiedono costruzioni di riflettori o nastri riflettori speciali figura 4 4 Figura 4 4 a riflettori b nastri riflettori A differenza di uno specchio usuale o una qualsiasi superficie piana in grado di riflettere questi riflettori non devono essere posizionati precisa mente in modo perpendicolare al senso
111. cleo delle fibre otti che Viene avvolto da un rivestimento di un altro tipo di vetro o di pla stica con coefficiente di rifrazione della luce minore Figura 4 38 Il principio di funzionamento delle fibre ottiche si basa sulla riflessione totale della luce interna all interfaccia tra due sostanze con diversi co efficienti di rifrazione della luce Grazie alla riflessione il 100 dell energia della luce resta nella fibra ottica 117 P Componenti meccatronici sensori Manuale SA Cladding Refractive index No Raggio di luce i Cable jacket Core Refractive index N Figura 4 38 Propagazione della luce all interno di una fibra ottica Il raggio di luce viene riflesso soltanto dal lato dell interfaccia in cui si trova il mezzo con il coefficiente di rifrazione della luce pi alto Inoltre vengono trasmessi soltanto i raggi i cui angolo di incidenza sulla su perficie d ingresso del nucleo minore dell angolo limite L angolo limi te dipende dal rapporto fra il coefficiente di rifrazione della luce del ri vestimento e quello del nucleo Lo sporco e piccole imperfezioni del materiale del nucleo riducono l intensit della luce e limitano la lunghezza della fibra entro la quale la luce pu essere trasmessa con efficienza Il diametro del nucleo del conduttore della luce di 5 um per fibre ottiche di vetro di silice fino a 1 mm per fibre ottiche di plastica Grazie al loro ridotto diametro le fi bre di vetro
112. dal magnete vengono indotti i campi magnetici propri Se la forza che attira le lamelle pi forte della forza elastica lo stato del contatto Reed viene commutato e il circuito viene chiuso con l utilizzatore ad esso collegato Figura 5 10 Quando il campo magnetico svanisce le lamelle si separano a causa della loro elasticit e il circuito viene aperto sensori con un contatto Reed non hanno bisogno di nessuna alimen tazione di corrente Quando sul contatto Reed non agisce alcun cam po magnetico i suoi contatti in dipendenza dal tipo del contatto pos sono essere chiusi contatti normalmente chiusi NC o aperti contatti normalmente aperti NO La forza del campo magnetico dipende dalle caratteristiche del mate riale e dalla dimensione del magnete questa determina il raggio d azione massimo del sensore Smax 135 P Componenti meccatronici sensori Manuale net e Reed contact pide Sensor i III LAILLA ILPIN SILA OI DESIL AEE LEE DIARI ADIBI LIAIR LILLA Figura 5 10 sensori a campo magnetico con contatto Reed a schema e segnale di output b Smax massimo raggio d azione H isteresi La forza di attrazione del campo magnetico dipende dalla distanza tra il magnete ed il sensore in direzione X e Y Figura 5 11 Se un ma gnete orientato parallelamente viene spostato nella direzione dell asse del contatto Reed ci sono tre posizioni in cui viene commutato il se gnale di output Se un magnete orien
113. di ritorno 165 CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Passo Nr 6 Spegnimento del motore e corsa di ritorno del cilindro di fissaggio Quando il cilindro di avanzamento ha raggiunto nuovamente la sua po sizione finale d entrata viene azionato l interruttore B3 Visto che questo interruttore cilindrico nella posizione iniziale di controllo gi stato azio nato viene rappresentato come elemento attivo nel diagramma Questo viene indicato con una freccia alla sinistra del simbolo Anche il contatto di chiusura viene rappresentato a seconda del proprio stato di attivazione Con il rel K 18 da un lato viene spento il motore elettrico dall altro viene commutato il distributore del cilindro di fissaggio in modo da tornare nella propria posizione iniziale Passo Nr 7 Segnalazione di fine del operazione Il rel K19 viene attivato quando il cilindro di fissaggio pneumatico ha raggiunto la sua posizione finale d entrata Anche l interruttore cilindrico B1 attivato in posizione iniziale a come tale viene rappresentato Con il rele K19 viene eliminato l autobloccaggio dei rel K11 o K12 pre posti alla selezione della velocit angolare Contemporaneamente viene nuovamente spento il rele K13 che stato attivato mediante il tasto di avvio L indicazione dei contatti coinvolti va effettuatae nei primi due passi Figura 8 24 Spegnimento del motore sblocco del fissaggio e preparazione di un nuovo avvio 166 Sistemi mecc
114. dispositivi di programmazione Sistemi meccatronici e funzioni t Minos La scelta degli elementi di controllo avviene con lo sviluppo finale della documentazione dello schema elettrico Si possono evidenziare le seguenti funzioni elementi di controllo per bloccare alcune direzioni elementi di controllo per influenzare il flusso di volume valvole di mandata e variatori fusibili elettrici Con l aiuto di elementi di segnale viene identificato il moto degli at tuatori e trasformato in segnali che possono essere elaborati dal controllore Spesso azionamenti meccanici vengono trasformati in segnali elettrici Gli elementi di segnale hanno le seguenti caratteristiche Interruttore meccanico di posizionamento precisione del punto di rallenamento fino a 0 0001 mm durata 10 milioni di cicli di commutazione lavoro a contatto con altri elementi perci sottoposto a usura Interruttore reed precisione dell interruttore 0 1 mm durata 5 millioni cicli di commutazione tipico utilizzo di interruttori cilindrici magnete permanente aziona un interruttore in caso di avvicinamen to Interruttore di prossimit induttivo soltanto materiali capaci di condurre la corrente possono essere rilevati distanza di commutazione tipica 0 8 10mm max 250 mm prezzo pi basso degli per interruttori capacitivi Interruttore capacitivo adatto a tutti i materiali con costante dielettrica gt 1 dista
115. draulici Un modulo di avanzamento della perforazione p es pu essere collegata ad un asse di avanzamento idraulico con un motore pneumatico a lamelle con rotismo epicicloidale In questo caso si tratta di una combinazione di idraulica e pneumatica con meccanica e elettrotecnica per il controllo Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos 7 3 3 Componenti di segnale di controllo e attuattori Un controllo si divide in una componente di potenza e una di controllo di dei segnali Fanno parte della componente di potenza la trasmissione la sezione di potenza elettrica gli organi di regolazione e di controllo e la parte respon sabile del trasporto e della distribuzione di energia elettrica La componente di controllo segnali include i blocchi funzionali per l introduzione del segnale il processamento del segnale con conseguente trasporto e distribuzione di energia e l uscita del segnale Nel processa mento del segnale o delle informazioni viene svolta la funzione propria di un controllo Il compito di un controllo di ricevere uno o pi segnali d entrata di valutare queste informazioni secondo il programma e generare poi il segnale d uscita La scelta degli attuatori gi stata completata Per la messa in trazio ne viene utilizzato un cilindro pneumatico mentre per l avanzamento stato scelto un cilindro idraulico Le rotazioni vengono generate da un motore elettrico Il tipo di energia scelto deve essere regolato in ma
116. e Sensore di testa 30 Circuito Circuito di oscillatore detenzione Figura 2 1 Schema di un sensore capacitivo Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 2 2 Principio fisico Un condensatore nella sua forma basilare consiste di due elettrodi A e B che sono affacciati uno sopra l altro Figura 2 2a Se gli elettrodi si trovano su uno stesso piano si ottiene un condensatore aperto Figura 2 2b Se un elettrodo C il cui spessore prossimo a zero viene inserito fra gli elettrodi A e B si ottiene due condensatori collegati in serie Un effetto simile si ha nel condensatore aperto l elettrodo intermedio divide il campo elettrico in due campi orientati in versi opposti Le capacit dei due condensatori sono uguali e sono pari a dove C la capacit del condensatore S la superficie degli elettrodi la costante elettrica per il vuoto o l aria la costante del dielettrico che riempie il condensatore d la distanza tra gli elettrodi Figura 2 2 a il condensatore con elettrodi A e B affacciati b il condensatore aperto con elettrodi A e B disposti sullo stesso piano 31 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Un oggetto di metallo conduttore che entra nel campo elettrostatico del condensatore aperto diventa l elettrodo intermedio C La capacit di un tale sistema pi grande della capacit
117. e Per fissare il volume del flusso vengono introdotte valvole di controllo Con ci il controllore risulta molto impegnativo anche possibile di introdurre invece delle valvole limitatrici pressione una valvola premente di pressione e invece delle valvole di controllo della corrente una valvola proporzionale di controllo Questa una soluzione molto adatta ma a causa del dispositivo di controllo appartenente pi cara che la prima variante Un altra variante e il motore a palette Questo tipo dil motore pu essere utilizzato come motore idraulico regolabile o non regolabile Principalmente questil motori per vengono prodotti per portate costanti e soltanto in piccola misura come motore a portata variabile Sono adatti soprattutto per grandi momenti torcenti Questil motori possono essere utilizzati nell esempio considerato ma ad un costo molto elevato dm min 20 25 30 35 40 AHH ALLL LI ALL 7 TUL THA ILE Hi MEH SS za IN Se a OO No eee a ae ae i ee O N Ooo lo i O Oo L ___ D a ___ O a eee a Ge oo O A ee e o oO O O O O O ee ____ eee O N O S e leo l O S uA oe rase in a a EL CE e OC CN ENE 500 1000 1500 Figura 7 15 Caratteristica di funzionamento per motore a ingranaggi 125 CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Con motori pneumatici possono essere generati anche moto di tornitura Il motori pneumatici
118. e isteresi stretta e la guaina di un materiale ferromagnetico duro isteresi larga Figura 5 9 Ciascun volume magnetico reagisce diversamente al cambiamento di direzione del campo magnetico esterno La direzione della magnetiz zazione nel nucleo dolce varia pi velocemente di quella nella guaina magneticamente dura Per cambiare la direzione di magnetizzazione della guaina il campo magnetico esterno dovrebbe avere un intensit tripla di quella richiesta per il nucleo Se la direzione di magnetizzazio ne del nucleo gi variata mentre quella della guaina non ancora cambiata nella bobina si genera un breve impulso elettrico 10 20 us L ampiezza dell impulso quasi indipendente dalla velocit del cam biamento di direzione del campo magnetico L effetto Wiegand viene usato nei sensori a campo magnetico per rile vare un movimento lineare o di rotazione degli oggetti Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos U Magneticall i 1 ih 0 soft core Magnetically hard shell Figura 5 9 L effetto Wiegand a convogliatore dell impulso con la bobina b impulso elettrico prima e 5 3 dopo il cambiamento di direzione del campo magnetico esterno Sensori magnetici tipo contatto Reed Il funzionamento di un sensore di questo tipo si basa sul funzionamen to di un contatto Reed che reagisce ad un magnete che si avvicina Quando le lamelle del contatto Reed si trovano nel campo magnetico creato
119. e altre caratteristiche richieste Quando si riempie l impianto vanno aperte le valvole a farfalla e le valvole di mandata 19 Attivazione sicurezza teleservizio Si deve prestare attenzione alla pulizia soprattutto quando si rabbocca il fluido idraulico Il fluido nei serbatoi di trasporto potrebbe gi contenere acqua o essere contaminato Perci va filtrato il fluido da rabboccare Non deve assolutamente essere introdotta acqua nell impianto Particolare attenzione necessaria quando si riempiono i serbatoi idrau lici Quelli riempiti di gas per la spinta devono essere collegati esclusi vamente con mandate d azoto Le relative prescrizioni del produttore vanno rispettate Prima dell avviamento va controllato il verso di rotazione della pompa idraulica accendendola brevemente Durante questo processo l impianto dovrebbe essere sgravato di pressione per evitare che si crei sovrapres sione La conduttura di aspirazione verso la pompa deve essere aperta 2 4 2 Procedura di avviamento 20 Prima dell avviamento vanno rispettati i seguenti passaggi Prima di usare l impianto idraulico consigliabile un funzionamento a vuoto per 4 ore La valvola di sicurezza va regolata secondo le indicazioni del pro duttore In seguito la regolazione va piombata cos che non posso no verificarsi cambiamenti di pressione Le valvole a farfalla le valvole di flusso e le valvole di mandata vanno regolate In caso di necessit anche
120. e con disturbi in diversi impianti e sistemi questi programmi possono essere perfezionati e aggiornati Ma questo presup pone che il personale responsabile per la manutenzione compili con cura i registri d ispezione e raccolga l informazione sui problemi ricorrenti Esempio La pompa idraulica in funzione produce un forte rumore Sulla base di questa descrizione il disturbo gi diagnosticato A questo punto sarebbe opportuno seguire un programma per la ricerca di guasti Le domande vengono esaminate una dopo l altra nel corretto ordine Se viene trovata una possibile causa per il problema la rimozione del guasto deve essere condotta nella maniera prescritta Successivamente va controllato se la rimozione del guasto ha avuto successo A questo scopo si esegue nuovamente il programma per la ricerca di guasti per trovare altri possibili guasti 25 kaaf R Minos rumore elevato isi Le pompe ed i motori elettrici sono allineate LAAS un Il livello dell olio all interno del serbatoio corretto Il fluido in entrata strozzato ru un La pompa in grado di im mettere l olio i Il modello della pompa utiliz zata quello corretto te Il livello del rumore si dimi nuito Attivazione sicurezza teleservizio Allinea le pompe e verifica e verifica le cop ipie dei sigilli coupling sealing Riempire la tanica Pulire i filtri ii tubi le morse delle valvole
121. e da un alimentazione con aria compressa gi disponibile per la messa in trazione viene scelto il cilindro pneumatico Per poter praticare un foro filettatto M12 bisogna scegliere una modalit diavanzamento Nella seguente tabella si riporta una selezione di opportuni meccanismi di alimentazione 119 f l Sistemi meccatronici e funzioni Minos b Azionamento dell avanzamento Vorschubantrieb Per poter trivellare Kernlocher per il filetto M12 bisogna scegliere un attuatore dell avanzamento Nella tabella si trova una scelta di apparecchiature adatti per l avanzamento Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica Pi I I Conve elia anal di alimentazione F 2000 N Forza massima di alimentazione XX X X v 0 5 m s Realizzazione di moti XX N cay difficile rapidi e funzionanti facile Tabella 7 6 Specifiche per le modalit di avanzamento Il confronto mostra che il motore lineare idraulico il pi adatto apparec chio di alimentazione Visto il loro continuo sviluppo i sistemi di alimentazione lineari verranno sicuramente utilizzati in futuro come alberi di avanzamento Alimentazioni elettriche lineari possono essere utilizzate comunque come alberi di avanzamento lineari durante le lavorazioni ad alta velocit di metalli leggeri in concorrenza all alimentazione idraulica che non possono raggiungere velocit fino a 4 m s Nell esempio precedente viene utilizzato un cilindro idraulic
122. e dell onda sonora cosicch un oggetto non viene rilevato o a causa dei quali 63 7 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale la distanza tra oggetto e il sensore viene misurata in maniera erra ta Cambiamenti della pressione d aria in un intervallo 5 possono cambiare il raggio d azione del sensore di 0 6 L aumento della temperatura nel raggio d azione del sensore pu diminuire la velocit del suono e la durata dell impulso come anche l affidabilit della misurazione Un aumento della temperatura o dell umidit fa s che la distanza rilevata tra l oggetto ed il sensore minore che nella realt Le superfici calde di un oggetto riflettono meno le onde sonore che gli oggetti freddi Se la temperatura au menta di 20 K il raggio d azione del sensore cresce del 3 5 Isolanti del suono cotone gomma ecc assorbono le onde sono re e diminuiscono la sensibilit del sensore sensori di diffusione non possono individuare affatto tali oggetti 3 4 2 Fattori di installazione 64 sensori ultrasonici rivelano agevolmente gli oggetti solidi anche di pic colo spessore che si mostrano una superficie piana perpendicolarmen te all asse del sensore Tutte le condizioni che si allontanano da questa ideale producono disturbi nel funzionamento del sensore Se langolo tra la superficie anteriore dell oggetto e l asse del sensore non di 90 l onda sonora riflessa non torna lungo l asse del sensore P
123. e ed apparecchiatura di comando Inviare dati relativi a calibrazione e caratteristica del sensore Le reti aperte vengono pi comunemente impiegate perch rendono possibile lo scambio di informazioni tra elementi di diversi produttori Le informazioni vengono scambiate secondo gli standard dell industria in 27 T Componenti meccatronici sensori Manuale accordo ai protocolli tre i quali i pi comuni sono Ethernet Profibus DeviceNet Modbus CAN AS I Grazie alle reti parte dei segnali pu essere elaborata ai livelli bassi pi vicini alle linee di processo creando sistemi di controllo distribuiti Gli elementi base di una rete sono i moduli d input output I O con di verse interfacce Un modulo ha un indirizzo di rete unico e permette una trasmissione di dati molto rapida Questo molto importante al li vello di attrezzature e sensori laddove richiesta una complessa ela borazione dei dati e sono necessari tempi di decisione rapidi Analogue ASI card amp digital I O modules i Multi core cables 2 core wire 3 core cable power signal GND Figura 1 20 Schema di un sistema di comunicazione senza e con bus 1 13 Applicazioni 28 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Figura 1 21 della rottura di un utensile e di oggetti su di una linea di produzione Figura 1 22 Controllo della continuit di un cavo 29 7 tf Minos Componenti meccatronici sensor
124. e finale devono essere rappre sentati con un ingresso di pressione 151 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Per la pneumatica e l idraulica sono definite inoltre le seguenti posizio ni delle apparecchiature posizione di riposo dell impianto L impianto senza energia Lo stato degli elementi viene fissato dal produttore o facilmente deducibile posizione di riposo degli elementi Questa la posizione nella quale le parti non azionate si trovano in una posizione determinata posizione di base L energia collegata Gli elementi assumono uno stato ben determina to posizione di partenza iniziale Tutti gli elementi si trovano nello stato necessario per l avvio del per corso di lavoro Tale posizione deve soddisfare le condizioni di avviamento Condizioni di avviamento Contiene tutti i passi necessari per giungere dalla posizione di riposo a quella di partenza Figura 8 13 Schema elettrico per il sottosistema pneumatico 152 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 8 3 2 Schema funzionale idraulico Lo schema funzionale idraulico viene redatto secondo la DIN ISO 1219 Lo schema elettrico spiega la costruzione di un impianto idraulico Per ren dere chiaro lo schema non viene considerata la posizione dei componenti Gli elementi costruttivi dell impianto sono da inserire nello schema nella direzione del flusso di energia come segue in basso simbolo per l alimentazione di co
125. e l oggetto non si muove la tensione 0 V Valori bassi della tensione d uscita vanno amplificati per commutare il segnale di output sensori non richiedono alimentazione in corrente Permettono un alta risoluzione nel rilevamento Questa pu arrivare ad 1 100 quando viene misurata la velocit di rotazione Materiale ferromagnetico Circuito di Uscita detenzione Figura 5 14 Sensore magnetico con magnete permanente 5 6 Principi d istallazione sensori a campo magnetico possono essere montati a inclusi in ele menti di un qualsiasi materiale non ferromagnetico La sensibilit del sensore non dipende dalla distanza fra la superficie anteriore del sen sore e la superficie dell alloggiamento Figura 5 16 141 T Componenti meccatronici sensori Manuale Se un sensori di campo magnetico va montato in un elemento di mate riale ferromagnetico la distanza sopra citata dovrebbe essere la pi grande possibile Inoltre dovrebbe essere usata uno strato aggiuntivo di dielettrico fra il sensore e l elemento Se un magnete viene fissato alla superficie di un elemento ferroma gnetico il suo campo magnetico pu essere rafforzato o indebolito Questo va portato in conto perch a causa della variazione del campo magnetico cambia anche il raggio d azione del sensore Se un oggetto non ferromagnetico viene collocato tra il sensore ed un magnete il comportamento del sensore non viene alterato Se invece un oggetto ferrom
126. e la misurazione della distanza tra oggetto e sensore Cambiamenti della pressione dell aria di 5 possono far variare il raggio d azione del sensore di 0 6 L aumento della temperatura nel raggio d azione del sensore pu dimi nuire la velocit del suono e la durata dell impulso come anche l affidabilit della misurazione Un aumento della temperatura o dell umidit sotto stima la distanza tra l oggetto e il sensore Le superfici di un oggetto a temperature maggiore riflettono meno le onde sonore Se la temperatura aumenta di 20 K Il raggio d azione del sensore aumenta del 3 5 Isolatori di suono cotone gomma ecc che assorbono le onde sonore e diminuiscono la sensibilit del sensore sensori a diffusione non sono in grado di individuare tali oggetti sensori ad ultrasuoni rilevano molto bene specialmente gli oggetti duri e bassi che si trovano perpendicolarmente all asse del sensore In tutti gli altri casi potrebbero verificarsi delle difficolt di rilevamento da parte del sensore Se l angolo tra la superficie frontale dell oggetto e l asse del sensore non di 90 l onda sonora riflessa non torna lungo l asse del sensore Perci il raggio d azione del sensore a diffusione minore Se il raggio d azione grande anche un oggetto ruotato di soli 3 non pu essere rilevato Se Il raggio d azione piccolo un oggetto piccolo pu essere ruotato addirittura di 10 Se la forma dell ogge
127. e reagisce all avvicinamento di un magnete Un sensore Reed immerso in un campo magnetico viene magnetizzato Se la forza che attira i contatti maggiore della forza elastica lo stato del contatto Reed viene commutato e il circuito viene chiuso e collegato ad un carico fi gura 5 6 Quando il campo magnetico viene spento i contatti si separano a causa della forza elastica e il circuito resta aperto sensori con un sensore Reed non hanno bisogno di corrente Se il sensore Reed non si trova in nessun campo magnetico i suoi contatti a seconda delle diverse tipologie possono restare chiusi segnale NC o aperti segnale NO L intensit del campo magnetico dipende dalle caratteristiche del mate riale e dalla dimensione del magnete Ci determina il raggio d azione massimo del sensore Smax E NONO LE i pm TA AT d Psr prezzo Figura 5 6 Sensori Reed a schema e stato d uscita b Smax raggio d azione Histeresi baw Sistemi meccatronici e funzioni y Minos L intensit del campo magnetico dipende dalla distanza tra il magnete e il sensore lungo gli assi X e Y figura 5 7 Se un magnete viene spostato parallelalmente all asse del contatto Reed ci sono tre zone di commu tazione dove viene commutato su ON il segnale d uscita Disponendo opportunamente il magnete e il sensore si pu ottenere un sensore con due o tre zone di commutazione Ad ogni modo sempre possibile otte nere un magnete che sp
128. e si muove un oggetto minore sar la tensione d uscita Se l oggetto non si muove la tensione pari 0 V Valori bassi della tensione d uscita devono essere amplificati per commutare il segnale d uscita Tali sensori non richiedono alimentazione La loro risoluzione alta Pu essere addirittura di 1 100 quando viene misurata una velocit di rotazione ferromagnetikum detettore sistema d uscita Figura 5 11 Sensore magnetico con un magnete 88 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 5 9 Principi di montaggio sensori magnetici possono essere montati in elementi di un qualsiasi materiale non ferromagnetico La sensibilit del sensore non dipende dalla distanza fra la superficie frontale del sensore e la superficie dell elemento figura 5 12 Se un sensore magnetico va montato in un elemento ferromagnetico tale distanza dovrebbe essere la maggiore possibile Inoltre dovrebbe essere utilizzato uno strato aggiuntivo di dielettrico fra sensore e l elemento Se un magnete viene fissato alla superficie di un elemento ferromagnetico il suo campo magnetico viene rafforzato Se un magnete viene montato in un elemento ferromagnetico il suo campo magnetico viene indebolito A causa del cambiamento del campo magnetico cambia anche il raggio d azione del sensore Se si trova un oggetto non ferromagnetico fra sensore e magnete il comportamento del sensore non viene disturbato Viceversa se si inte
129. e vanno dal montaggio alla manutenzione di macchine impianti e sistemi complessi Possono trovare spazio in gruppi che lavorano presso industrie siti di installazione e di montaggio o nell area dei servizi Per implementare un sistema di controllo complesso un ingegnere specia lizzato pu anche fare le veci del project manager Per essere in grado di ricoprire tale mansione l ingegnere specializzato deve necessariamente essere un esperto con competenze specializzate Deve avere visione d insieme del problema e conoscere tutto ci che ad esso connesso Soltanto in questo caso pu coordinare il lavoro dei singoli specialisti e integrare cos le loro conoscenze nel sistema comp lessivo dando vita cos ad un sistema complesso ottimo funzionale ed economico Durante l analisi di problemi di tecniche di controllo si dovrebbe agire come segue definire del problema programmare il sistema realizzare il sistema azionare e manutenere il sistema Il controllo di tali sistemi complessi da parte del gestore chiede una va sta conoscenza degli elementi utilizzati per il flusso di informazioni e di risorse e su tutte le possibili connessionu l ingegnere specializzato deve perci riflettere gi dalla formazione pri maria a procedimenti e processi di strutturare in un ordine sistematico Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 7 1 1 Definizione di meccatronica La parola sistema sta per schema riass
130. ecchie come p es la IEC 617 in nuove edizioni vengono ribattezzate in IEC 60617 In Germania i simboli elettrici seguono la norma DIN EN 60617 Sim boli grafici per schemi elettrici Questa norma sostituisce la DIN 40700 Le disposizioni del VDE indicano quali documentazioni produrre insie me agli schemi elettrici agli elementi costruttivi elettrici e alle apparec chiature Contengono tutte le informazioni necessarie per l utente su montaggio avviamento e manutenzione dei sistemi elettrici di control lo Secondo la norma le documentazioni degli schemi elettrici vengono suddivise in base a scopo e modalit di rappresentazione Vengono distinti schemi che rappresentano il funzionamento del sistema di controllo come lo schema generale schema circuitale o diagramma funzionale schemi che illustrano collegamenti e posizioni come lo schema elettrico delle connessioni elenco degli apparecchiature e diagramma di configurazione generale Lo schema del layout la rappresentazione semplificata di un circui to Vengono presi in considerazione soltanto gli elementi salienti del circuito Mostra il modo di funzionamento e la struttura del circuito elettrico Le norme pi importanti per le documentazione dei circuiti sono DIN EN 60617 peri simboli utilizzati negli schemi elettrici DIN EN 60848 grafcet linguaggio specificata per schemi funzionali del delle sequenze di controllo DIN EN 61082 documenti elettrotecnici DI
131. el cavo in fibra ottica avvolto da un rivestimento di un altro tipo di vetro o una plastica con un coefficiente di rifrazione della luce pi piccolo figura 4 14 Il principio di funzionamento dei cavi in fibra ottica si basa sulla riflessione totale della luce interna alla frontiera fra due sostanze con coefficiente di rifrazione della luce diverso Dopo la riflessione il 100 dell energia della luce resta nel cavo in fibra ottica raggio di luce rivestimento coefficiente di rifrazione della luce n i strato di protezi one Ny gt M nucleo coefficiente rifrazione luce n Figura 4 14 Riflessione totale della luce interna in un cavo in fibra ottica 68 Il raggio di luce viene riflesso soltanto dalla barriera limite se si trova nel mezzo con il coefficiente di rifrazione della luce pi alto Inoltre vengono trasmessi soltanto i raggi il cui angolo di incidenza sulla superficie frontale del bastone minore dell angolo limite L angolo limite dipende dal rap porto fra coefficiente di rifrazione della luce del rivestimento e del nucleo baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos Il diametro del nucleo del cavo in fibra ottica di 5 micron per cavi in vetro di silice fino a 1 mm per cavi in plastica Grazie al modesto dia metro i conduttori di vetro sono molto elastici e possono essere piegati quasi senza limitazioni cavi in fibra ottica possono avere una o pi fibre I cav
132. element TKI X IMAGED spot gt V Z LU Z PIXEL serial number Figura 4 16 Funzionamento del rilevatore CCD 4 2 3 4 Fototransistore Un fototransistore un componente a semiconduttore con due giun zioni p n Queste rendono possibile la contemporanea modulazione della corrente di output mediante una radiazione luminosa ed un se gnale elettrico La costruzione di un fototransistore simile a quello di un comune transistor amplificatore ma l involucro permette l illuminazione di una specifica area del semiconduttore detta base La sensibilit del fototransistore molto pi alta di quella di un fotodiodo perch la corrente viene ulteriormente amplificata In virt di questo vantaggio i fototransistori vengono usati come fotorilevatori anche se hanno una frequenza di taglio molto pi bassa di quella dei fotodiodi La caratteristica di output dei fototransistori analoga a quella dei co muni transistor bipolari se non per il fatto che il parametro l intensit dell illuminazione Figura 4 17 Nei sensori vengono impiegati sia foto transistori n p n sia p n p 95 400 600 800 1000 nm Wawelength A Figura 4 17 Caratteristica spettrale e simbolo dei fototransistori 4 3 Tipologie di sensori 4 3 1 Barriere ottiche unidirezionali Nelle barriere ottiche unidirezionali un raggio di luce viene inviato dall emittente direttamente al rilevatore Questi si trovano su uno stes so asse ma montat
133. elettronico speciale che genera e riceve un onda acustica d impulso in un intervallo di tempo che va da alcuni microsecondi fino a un milisecondo Il convertitore genera un certo numero d impulsi ad ultrasuoni e aspetta il loro ritorno Il segnale originale OFF viene trasformato in ON se si trova una superficie che riflette il suono nel raggio d azione del sensore baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos Il raggio d azione massimo del sensore pu essere limitato da un poten ziometro adatto e cos oggetti che superano questo limite non vengono pi individuati figura 3 7 Questa funzione si chiama eliminazione del rumore di fondo blanking out the backround Il raggio d azione minimo pu essere regolato soltanto in alcuni tipi di sensore Se cos la zona morta nella quale gli oggetti non vengono individuati e la zona attiva nella quale gli oggetti vengono individuati possono essere stabilite con precisione La zona morta si trova vicino al sensore dove gli oggetti non vengono individuati o dove l individuazione non credibile La misura della zona morta dipende dal raggio d azione del sensore Pi piccolo il raggio di azione del sensore minore la zona morta La zona morta esiste perch un convertitore ha due funzioni generare e ricevere un onda sonora Il convertitore pu ricevere un eco soltanto quando il impulso di suono gia stato mandato distanza attiva 3 oggetto non rile oggetto ri
134. ella corrente non devono portare a pericoli Una caduta della pressione sotto un livello critico non deve essere un pericolo per le persone Inoltre un degrado interno degli elementi costruttivi non deve causare pericoli L impianto deve essere progettato e costruito in maniera che gruppi di elementi costruttivi siano facilemente raggiungibili durante la regolazione riparazioni o quando devono essere sostituite parti Durante la progettazione e la costruzione particolare attenzione dovuta ad alcune condizioni come ad es vibrazioni temperature alte o basse pericoli di esplosioni e fuoco Inoltre da evitare ogni inutile sviluppo di calore Deve essere assegnato l intervallo completo delle temperature massime dell impianto Il valor medio della pressione di esercizio deve essere garantito senza superare la temperatura massima permessa Le tubazioni non devono rendere difficili lavori di regolazione e la ma nutenzione Il loro smontaggio durante la manutenzione non dovrebbe condurre ad una perdita significativa di fluido Inoltre in questo caso non dovrebbe essere necessario procedere allo svuotamento del serbatoio Attivazione sicurezza teleservizio f Minos Azionamenti elettrici come cilindri o motori sono previsti per specifici casi nei quali vengono usati in accordo alle caratteristiche costruttive valori per la tensione il momento torcente il numero dei giri il fissaggio i collegamenti le fessure per il raffreddamen
135. ello stesso istante e funzionano come un sensore con un cono sonoro pi grande orientato sullo stesso oggetto Figura 3 11 Sincronizzazione di sensori che sono adiacenti e catturare lo stesso oggetto 44 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos 3 7 Speciali sensori ad ultrasuoni 3 7 1 Sensori retroriflettenti sensori retroriflettenti misurano la differenza tra il tempo di ritorno dell onda sonora riflessa dall oggetto e il tempo di ritorno dell onda rif lessa dal riflettore Pu essere utilizzata come riflettore una superficie qualsiasi Se l onda sonora riflessa dall oggetto torna prima dell onda riflessa il segnale d uscita viene commutato sensori retroriflettenti possono anche sfruttare le onde ultrasoniche riflesse da un superficie dura per rilevare un oggetto difficile da raggiun gere figura 3 12 Reagiscono sia su un interruzione di quest onda ma anche sull eco di ritorno Questi sensori vengono utilizzati se un oggetto prodotto da un isolatore di suono cotone gomma ecc o se la superficie frontale dell oggetto e l asse del sensore non sono ortogonali superficie riflettente Objekt si Reflektor Figura 3 12 Sfruttare un onda ultrasonica riflessa per rilevare un oggetto assorbente 45 t Sistemi meccatronici e funzioni kK Minos 3 7 2 Sensori a due convertitori sensori a due convertitori in un involucro possono lavorare sia con sensori a diffusione sia con sensori
136. ema elettrico per il motore a corrente alternata 156 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Una specifica richiesta per il trapano la possibilit di una semplice regolazione della velocit angolare La soluzione usare un motore a corrente alternata asincrono con trasmissione Il motore asincrono viene realizzato in un collegamento triangolare In questo caso il motore deve avviarsi sotto il carico della trasmissione Sono quindi necessarie considerazioni aggiuntive sulla realizzazione tecnica degli accoppiamenti Durante l avviamento del motore sotto carico potrebbero verificarsi tempi di avviamento tanto lungo da azioneare il rele a protezione del motore settato sulla corrente nominale e spegnere il motore durante il processo di avviamento Per offrire comunque una sufficiente protezione per tali motori viene collegato in serie un secondo rel regolato in modo tale da non entrare in azione durante il processo di avviamento del motore ma in grado di fermare il flusso della corrente in caso di errato funzionamento p es quando si blocca il rotore Il rele regolato su corrente nominale durante il tempo di avviamento vi ene superato con un contattore K2 Questo contattore dopo il tempo di avviamento viene spento con un rel temporizzatore 400 VAC 50 Hz 1 538 K1 M Ta F4jo o o 2 SS a E sH Figura 8 16 Superamento di un interruttore del motore durante l avviamento 157 LY CU min
137. energia in un dato sistema Le specifiche di trasmissione dell energia nell idraulica e pneumatica impongono che Tali mezzi nell idraulica e la pneumatica siano mezzi per la trasmissione di pressione Per trasmettere pressione sono adatte tutti i materiali che permettono grazie alla propriet di deformazione sotto l influenza di opportune forze esterne una trasmissione omogenea di pressione in tutte le direzioni La resistenza contro lo spostamento delle particelle del materiale viene chiamata viscosit La capacit di trasmettere energia e di accumularla caratteristica di un mezzo che trasmette la pressione e che funge da vettore di energia Compiti del mezzo che trasmette l energia sono trasmissione di forze energia di pressione lubrificazione di elementi costruttivi in movimento dissipazione di calore attenuazione di rumori e oscillazioni trasmissione di segnali 109 f l Sistemi meccatronici e funzioni Minos Nella tabella seguente sono descritti mezzi per la trasmissione di energia nell elettroidraulica elettropneumatica ed elettrotecnica Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica rasferimento di miscela d lio e fluidi gas l aria compressa Elettroni energia oli minerali olii la soluzione pi eco sintetici nomica isponibilit disponibile disponibile disponibile velocit alta pi bassa rispetto molto veloce molto veloce raggiungibile la pneumatica IE p
138. ensit luminosa coerenza del raggio e un intervallo di lunghezze d onda d emissione molto stretto corrente Margine del diode Giunzione p n Figura 4 10 La costruzione a strati del diodo laser La zona di materiale attiva in un laser a semiconduttore LD la giun zione p n che emette una radiazione intensa e coerente Perci il suo raggio d azione maggiore di quello dei LED Figura 4 11 sensori ottici nella maggior parte dei casi contengono diodi laser che emettono luce visibile A 635690 nm I sensori con emettitore laser vengono usati quando va rilevato o loca lizzato nello spazio un oggetto piccolo Dato che la luce del laser un raggio di luce quasi rettilineo l emettitore pu essere pi facilmente col limato quando l oggetto si trova lontano 89 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Laser light red lt gt V Cc QD fn c LED red light II 642 644 646 648 650 652 654 656 WavelengthA nm Figura 4 11 Caratteristiche speciali di un diodo emettitore di luce e un diodo laser 90 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 4 2 3 Fotorilevatori 4 2 3 1 Fotodiodo rilevatori sono costituiti da semiconduttori spesso fotodiodi o foto transistor e trasformano l energia di luce prodotta da un emettitore in energia elettrica Il fenomeno fotoelettrico pu avere luogo in un fo
139. ensori Manuale Minos 1 2 2 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 La condizione di fase implica che la fase della tensione d entrata deve essere uguale alla fa se di tensione d uscita La condizione di ampiezza implica che l amplificatore deve compensare totalmente lo smorzamento del circui to risonante In questo caso il generatore stesso crea il segnale che mantiene le oscillazioni Le condizioni coerenza della fase e dell ampiezza vengono rispettate se il circuito LC viene correttamente disaccoppiato o se si usa un accoppiamento a trasformatore Le oscillazioni della tensione o dell intensit di corrente vengono gene rate nel circuito LC che contiene una bobina e un condensatore La corrente fornita al circuito LC trasmette al circuito risonante una parte della sua energia tramite la carica del condensatore e cos sostiene le oscillazioni indotte nel circuito Quando l energia fornita uguale all energia persa l ampiezza nel circuito LC non varia pi e le oscilla zioni non vengono smorzate Figura 1 4a Il segnale d uscita dipende dal fattore di qualit Q del circuito risonante Un basso il fattore di qualit implica un
140. enta e l interruttore per la protezione del motore viene attivato Nel circuito triangolare invece la tensione aumenta in una bobina mente cade leggermente nelle altre due Se il motore soltanto leggermente carcao probabile che l interuttore per la protezione del motore non venga attivato e si pu bruciare il motore Una protezione sicura in questo caso si raggiunge soltanto con un conduttore a freddo in ognuna delle tre bobine Nei circuiti di comando vengono integrate diverse misure per migliorare la sicurezza di funzionamento Una possibilit consiste nell integrazione di elementi di interruzione ridondanti In caso di pericolo importante poter mettere la macchina in stato d assenza di tensione mediante un dispositivo per l arresto di emergenza Altre norme importanti sono la direttiva per la bassa tensione che regola la circolazione di apparecchiature elettriche nell UE e la direttiva EVM EVM Compatibilit elettromagnetica che vale per apparecchiature che possono creare disturbi elettromagnetici 13 Wi Attivazione sicurezza teleservizio Minos 2 Avviamento 2 1 Introduzione L avviamento di solito l ultima fase del montaggio di un prodotto Ne fanno parte tutte quelle operazioni che portano gli elementi costruttivi le macchine o impianti complessi a lavorare ed a funzionare Il controllo del corretto stato della macchina e della sua efficienza fanno parte dell assicurazione di qualit e non dell avv
141. ente Le coperture protettive ed i dispositivi di sicurezza devono essere istallati e dovrebbero funzionare perfettamente Attrezzature o altri elementi devono essere istallati in maniera sicura L impianto elettrico da controllare con riguardo alla impermea bilit Parti non impermeabili vanno riparate Inoltre le seguenti componenti del sistema pneumatico vanno regolar mente controllate Lo stato del olio nell oliatore nebbiogeno Lo stato del filtro e del separatore d acqua Il funzionamento dei dispositivi di visualizzazione da controllare Lo stato generale della rete di tubature da controllare L innesto dolce dei attrezzi da controllare in quanto possibile Durante l esecuzione di lavori all impianto occorre prestare attenzione all area di corsa dei cilindri Anche piccoli cilindri possono provocare danni alle persone Attivazione sicurezza teleservizio f Minos 2 4 Attivazione degli impianti elettrici Prima del istallazione o del montaggio esterno sono da controllare gli elementi elettroidraulici da verificare se le loro caratteristiche tecniche come la tensione e il tipo di corrente corrispondono con quelle del punto di collegamento Durante l istallazione o il montaggio occorre prestare attenzione a tutte le indicazioni ed agli schemi del produttore Le condutture di tubi devono essere posate esattamente secondo la pianta del produttore Dopo la posa i tubi non devono essere sot
142. ento Se la distanza tra l oggetto ed il sensore minore di Lmin viene trascurata l influenza dei raggi luminosi e messi al di qua della finestra di rilevamento maggiore di Lmax viene trascurata l influenza dei raggi luminosi emessi oltre la finestra di rilevamento maggiore di Lmin e minore di Lmax l influenza dei raggi luminosi non viene eliminata n con la soppressione del primo piano n con quel la dello sfondo Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos LD Laser Diode CCD or PSD receiver II lz of Optics D O A HA 4 f r oreground suppresion area Detection area Background suppresion area Object 3 Figura 4 35 Sensore di posizione con soppressione dell influsso dello sfondo Grazie al sistema ottico di triangolazione del sensore di posizione Fi gura 4 35 il fascio di luce emesso da un diodo laser collimato e composto di raggi quasi paralleli Quando colpisce un oggetto 1 viene riflesso in maniera diffusa e una parte di ritorno raggiunge il trasduttore PSD o la foto camera CCD che si trova nello stesso alloggiamento Il sistema di elaborazione paragona il segnale ricevuto con la distanza di funzionamenti precedentemente impostata che viene regolata median te un potenziometro Se l oggetto si trova ad una distanza compresa nell intervallo di funzionamento il segnale d output viene commutato Diversamente dai comuni sensori a diffusione la distanza di funziona m
143. ento del circuito risonante dipende dal materiale col quale stato prodotto l oggetto da individuare Il materiali che hanno una re sistenza elettrica minore dell acciaio St 37 come oro rame o alluminio smorzano meno l oscillazione del circuito risonante Queste differenze possono essere compensate modificando il raggio d azione nominale Se per esempio l oggetto da rilevare di ottone va mol tiplicata il raggio d azione nominale Sn che stata ottenuta per l acciaio St37 va moltiplicata per il coefficiente di correzione di 0 5 figura 1 5 La sensibilit del sensore dipende dalla sua costruzione Ci sono due costruzioni di base per sensori cilindrici ricoperto la bobina del circuito risonante in una bussola che forma la fine del sensore non ricoperto la bobina si trova soltanto in un involucro protettivo di plastica sensori con la bobina non ricoperta sono pi sensibili per oggetti metallici nella loro vicinanza acciaio St37 cromo acciaio anticorrossivo ottone aluminio Figura 1 5 Coefficiente di correzione per diversi materiali dell oggetto rilevato 11 LY CU minos 1 4 12 Montaggio Sistemi meccatronici e funzioni Se si seguono le raccomandazioni per il montaggio non ci saranno in terferenze nel funzionamento del sensore che sono cautilizzate da effetti attenuanti dell ambiente o dalla mutua interazione con altri sensori La grandezza e la forma della zona libera richiest
144. ento non dipende dalla grandezza dal colore e dalle caratteristiche della superficie dell oggetto ripreso Perci l oggetto pu essere indivi duato anche quando lo sfondo riflettente Non c alternativa a questo tipo di sensori quando interessa rilevare oggetti che si spostano in prossimit dello sfondo o del suolo oppure il livello di un fluido opaco 115 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos sensori a diffusione con soppressione dell influsso dello sfondo rile vano con pari efficacia oggetti chiari e scuri come rappresentato nel la Figura 4 36 La differenza delle distanze di lavoro per oggetti scuri e chiari soltanto del 5 gt _ White paper lm Black paper D O C O L D v Q Y Diffuse sensor with Diffuse sensor background suppression Figura 4 36 Relazione tra il raggio d azione ed il colore della superficie riflettente Le sorgenti di luce LED ed i ricevitori sono corredati di lenti ottiche per collimare il raggio luminoso generato e per ridurre il campo di visione del rivelatore rispettivamente In tal modo si pu limitare il raggio d azione del sensore e l influsso della radiazione luminosa proveniente da oggetti che si trovano al di fuori del raggio d azione Grazie alle lenti si accresce anche la massima distanza utile fra il trasmettitore e il rice vitore o fra il trasmettitore e la superficie che riflette Quando si ha bi sogno di un corto raggi
145. erch garantiscono il un pi ampio raggio d azione L elemento che reagisce al campo magnetico pu essere tra gli altri un contattore elettromagnetico chiuso ermeticamente contatto Reed un elemento a semiconduttore sensore ad effetto Hall una magneto resistore o un materiale di caratteristiche magnetiche speciali Dato che i campi magnetici attraversano la maggior parte di materiali non magnetici un oggetto pu essere rilevato anche fra oggetto e sen sore se si trova un diamagnetico ad es un tubo di plastica o la parete di un serbatoio di plastica Quando un magnete viene avvicinato ad un sensore di prossimit in direzione X o Y il segnale di output viene commutato Questo pu es sere segnalato da un diodo luminoso Figura 5 1 Magnete Element responding to the magnetic field s t e e E A ba s s s s a 1 n a g A Ax a a a a a a n x de a a 2 a a n a an DETECTION OUTPUT CIRCUIT CIRCUIT Figura 5 1 Schema di un sensore magnetico di prossimita 127 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 5 2 Principio fisico 5 2 1 Il campo magnetico Un campo magnetico uno spazio in cui agiscono forze magnetiche Il campo nasce intorno a magneti a conduttori attraversati da correnti e cariche elettriche mobili Un magnete possiede due poli dove concentrato il magnetismo il polo nord N e
146. erci il raggio d azione del sensore a diffusio ne minore Se il raggio d azione ampio anche un oggetto ruota to di 3 non pu essere rilevato Se il raggio d azione ristretto un oggetto piccolo pu essere ruotato fino a 10 Se la forma dell oggetto fa si che la direzione dell onda riflessa sia molto diversa da quella dell onda generata questo oggetto pu es sere rilevato da un sensore a sbarramento Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Il coefficiente di riflessione delle onde ultrasoniche da parte dei fluidi uguale a quello di corpi solidi Pertanto la superficie calma di un fluido pu essere agevolmente rilevata Se i sensori ultrasonici vengono istallati uno accanto all altro l onda so nora generata da un sensore pu raggiungere un altro sensore e modi ficare il suo segnale d output Per evitare l interferenza vanno seguite le regole rappresentate nella Figura 3 19 Figura 3 19 Distanze raccomandate tra sensori ultrasonici simultaneamente attivi 65 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 3 4 3 Sincronizzazione di sensori Se pi sensori vengono sincronizzati con un opportuno collegamento delle loro uscite possono essere istallati uno accanto all altro senza che si generi interazione La sincronizzazione dovrebbe essere sempre usata quando sensori generano onde sonore nella stessa direzione e i coni delle onde si ricoprono parzialmente Il sensore B rappresen
147. ere comparati da diversi punti di vista possibile catalogarli per Controllo sequenza di controllo regolazione circuito di regolazione funzione svolta regolazione a valore costante regolazione pilota regolazione a tempo regolazione sequenziale etc informazione segnale caratteristiche del controllo rin base al processore controllo dis creto digitale binario caratteristiche temporali cadenzati da un orologio caratteristiche del controllo riguardo la programmazione controllo programmabile o controllo a logica cablata modalit di trasmissione di forze e moto In particolare possibile distinguerli in base a come si trasmettono forze e moto Forze e moto possono essere trasmessi con diversi metodi p e In maniera meccanica tramite trasmissioni in maniera elettrica tramite linee di forza elettrodinamiche e elettro magnetiche in maniera pneumatica tramite aria compressa necessario un impianto pneumatico in maniera idraulica tramite fluidi p es acqua olio glicerina o in maniera combinata sistemi pneumomeccanici idropneumatici elettroidraulici elettropneumatici idroelettrici e idroelettronici 105 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 7 3 Sistemi di controllo parte operativa e di segnale sistemi di controllo in generale si dividono in parte operativa e controllori di segnale La parte operativa pu essere azionata in maniera pneumatica
148. erivazione 4 5 4 2 Principio di funzionamento 120 sensori ottici con fibre ottiche funzionano come gli altri sensori ottici L unica differenza sta nel fatto che la luce emessa viene trasmessa con una fibra ottica La testa del conduttore ottico molto piccola al cuni mm e pu essere introdotta anche in posti difficilmente accessibi li o lontani dai circuiti elettronici del sensore L elettronica si trova in un amplificatore separato Figura 4 41 Due conduttori ottici di passaggio montati uno di fronte l altro funziona no come una barriera ottica unidirezionale Se il raggio viene interrotto l oggetto viene rilevato Due conduttori ottici di derivazione sono colle gati alla testa di un sensore Tramite il primo conduttore viene tra smesso il raggio emesso e tramite il secondo conduttore il raggio torna al rilevatore Se la luce emessa viene riflessa da un oggetto l oggetto viene ripreso Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Amplificatore della fibra ottica Figura 4 41 Tipi di sensori con fibre ottiche a ottica unidirezionale b sensore ottico Grazie alle ridotte dimensioni della testa della fibra ottica tali sensori possono riprendere oggetti molto piccoli ed essere istallati dove non c abbastanza spazio per altri tipi di sensori Inoltre possono lavorare nei liquidi infiammabili ed in luoghi dove c pericolo di esplosione Non sono sensibili alle vibrazioni e a stress meccanici Perci po
149. essa la scelta di una sola ve locit angolare Sistemi meccatronici e funzioni y Minos Inizio A Movimento operativo S2 54 1 velocit selezionata al 1A Tensione ZA M1 Ritorno Motore OFF 1A Tensione di ritorno Z2A M1 Andata Motore On Fine Figura 8 3 Diagramma di flusso 139 LY CU minos 8 2 3 Schema logico 140 Sistemi meccatronici e funzioni La descrizione del diagramma di flusso puo essere effettuata anche algebrica Per i collegamenti logici vengono utilizzati i gli usuali segni di moltiplicazione e somma Il punto moltiplicazione booleana rappresenta un collegamento AND e il segno pi somma booleana rappresenta un collegamento OR Alla fine della riga viene indicato quale sensore indica l operazione ese guita 1 passo S2 5S3 x 2 passo x S1 1A gt B2 3 passo B2 2A lavorazione rapida M1 gt B4 4 passo B4 2A fase di lavoro gt Bd 5 passo B5 2A M1 gt B3 6 passo B3 1A gt B1 T passo B1 fine del programma Il schema logico fornisce informazioni chiare riguardo collegamenti dipendenze e flusso di segnali all interno di un sistema di controllo indi pendentemente dal tipo di progettazione e dalla tecnica utilizzata Un schema logico per non descrive come realizzazione un sistema di controllo Vengono utilizzati i collegamenti logici AND OR e NOT La memorizza zione dei segnali avviene mediante flip flo
150. etro dello stantuffo pari a d 13 5 mm Cilindri idraulici tipici hanno un diametro dello stantuffo di 25 mm con una biella dello stantuffo di diametro pari a 12 mm Un cilindro di queste dimensioni potrebbe essere tranquillamente utilizzato in questo caso Cilindro pneumaico A F p A 1000 N 6 bar A 16 7 cm Il diametro di questo cilindro pari a 46 1mm Pu essere utilizzato un cilindro con un diametro dello stantuffo di 50 mm Se si temono cadute di pressione o se ci si aspetta un basso rendimento si dovrebbe ricorrere ad una serie pi grande rope drum disc Figura 7 10 Dispositivo di serraggio autocentrante per la pneumatica o I idraulica 116 Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos Messa in trazione mediante elettromagnete Visto che una puleggia un oggetto di acciaio vi la possibilit di metterla sotto trazione in maniera elettrica con un magnete Sistemi che usano magneti per mettere in trazione hanno le seguenti caratteristiche alta precisione tempo di preparazione macchina basso forza di tensione su tutta la superficie del pezzo che pertanto non si pu deformare il magnete non si riscalda la forza di trazione non si interrompe anche se manca l energia elettrica poca necessit di corrente utilizzata soltanto per un breve impulso di bassa potenza Ciononostante il magnete viene alimentato con dispositivi di controllo che ne invertono la polarit Tali dispositivi reg
151. ette un foglio di carta bianca La distanza dovrebbe essere circa 10 centimetri Quando il cilindro messo in moto sulla carta dovrebbe essere visibile uno strato sottile di olio Se cos si pu essere sicuro che lolio raggiunge anche questo cilindro Se l olio gocciola dalla carta signi fica che nell aria compressa c troppo olio Si consiglia usare soltanto olio indicato dal produttore In nessun caso dovrebbe essere allungato l olio p es con petrolio visto che lo scio glie Caratteristiche di oli buoni per oliatori nebbiogeni sono un alta resistenza contro l invecchiamento la giusta viscosit impermeabilit e protezione contro la corrosione 2 3 2 Effettuare l attivazione In ogni impianto nuovo o riparato c il pericolo che un cilindro si muova in maniera incontrollabile Tali movimenti possono esse re la causa per danni alle persone ed anche portare alla rottura dell impianto Per questo motivo si consiglia di redigere una piano per l attivazione Durante l attivazione vanno rispettati i seguenti punti Prima dell attivazione deve essere verificato che l impianto senza pressione Tutti gli azionamenti devono essere nella posizione di partenza Le valvole di comando vanno regolate nella loro giusta posizione Un cambiamento di posizione si opera con l azionamento a mano o tramite un impulso di comando Le valvole a farfalla per regolare la velocit del stantuffo vanno chi use La pres
152. ettroni Tale caratteristiche sono possedute soltanto dai semiconduttori tipo InSb InGaAs Si GaAs La possibilit di incremen tare la tensione mediante l aumento della corrente che attraversa la piastra fortemente limitata in ragione della massima potenza omissi bile dissipata dalla piastra che non pu essere superata Questa po tenza dipende in misura principale dalla costruzione e forma della pia stra Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos L effetto Hall viene sfruttato in un ampio numero di applicazioni tra le tante anche per la costruzione di sensori a campo magnetico a semi conduttore Figura 5 7 L effetto Hall 5 2 4 Effetto magnetoresistivo magnetoresitori AMR sono elementi semiconduttori anisotropi la cui resistenza dipende fortemente dall intensit del campo magnetico Per i sensori vengono usati sottili nastri di materiale ferromagnetico per malloy 20 Fe 80 NI La resistenza di un semiconduttore AMR viene aumentata a causa dell influsso di un campo magnetico esterno H perch questo cambia la direzione della corrente che attraversa il semiconduttore dell angolo a e le cariche elettriche devono attraversare una distanza maggiore Figura 5 8 Maggiore l intensit del campo magnetico piu grande l angolo a Questo effetto viene appunto chiamato effetto magnetoresistivo L effetto magnetoresistivo praticamente impercettibile nei metalli Lo si ritrova in diverso
153. evitato che le pompe fredde vengano istantaneamente alimentate con olio troppo caldo 2 4 3 Ispezione Attivazione sicurezza teleservizio f Minos Quando un impianto in marcia va prestata attenzione ai seguenti punti il corretto funzionamento il rendimento e lo stato di tutto il sistema vanno continuamente sorvegliati Particolare attenzione dovuta al fluido idraulico ed al suo raffre damento Anche il livello del fluido da controllare di continuo Se necessario il fluido idraulico va rabboccato Se il livello del fluido si alza potreb be essere presente acqua nell impianto La pressione nel sistema sempre da tenere sotto controllo Se differisce dal valore prescritto il corretto funzionamento dell impianto non piu garantito La silenziosit di funzionamento delle pompe e dei motori va con trollata Nonvaridotta la funzionalit degli impianti di sicurezza e delle pro tezioni da controllare il corretto fissaggio degli impianti e di gruppi di elementi Inoltre di cruciale importanza la tenuta dell impianto idraulico Le perdita vanno sistemate quando l impianto non in marcia Gli impianti idraulici vanno regolarmente controllati Va prestata atten zione ai seguenti punti Lo stato del fluido idraulico da tenere sotto controllo filtri sono da controllare e se troppo sporchi da cambiare Anche i separatori magnetici sono da controllare e se necessario da pulire disposi
154. ezione G0ISCNSOFE cit n 21 1 11 Collegamento dei sensori ad una rete di comunicazione 22 1 12 APPIGAZIONI screen vieni igienica o ario 23 2 DON SON COD CT on E E E ee 25 2 1 igi cele 6 4 6 a gt n 25 2 2 Funzionamento di un sensore capacitivo ici savers ncs tiene ceiunmscuevecnsweredsebeneedineniincs 26 2 3 IIPOIOGICUESENSONFe apatia 28 2 4 Tipologie di mteriale dell oggetto da rilevare iiii 29 2 5 Compensazione der dISUIDI irreali 30 2 6 APPICAZIONI sessili ici iii igiene 31 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3 Sensori ad ultrasuono nannan nennen anana ananuna nnan nannan nanna 33 3 1 Informazioni di base ia iaia 33 3 2 Influenza dell ambiente ec eccecececcccacecececcceacececeaeccececeaeaceueneneacaueneneaneceneaeansnenss 34 3 3 Generazione di onde acustiche ii 35 3 4 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni 37 SAS Faon d di IU DO Lisio iaia iii iii 42 3 6 Sincronizzazione dei SEnSOTri ccecececcccecececececcaenecececececucucueueauauausecececeeueavavavaeaenenenenes 44 3 7 Speciali sensor ad UNAS A OM ciare 45 3 7 1 Sensori retroriflettenti cece cece ececccccecececcceccceccacecececeacaceteneaueceneneauateneneacaueneueaneneneas 45 3 7 2 Sensori A due convertitori iii 46 3 7 3 Sensori analogici ad ultrasuoni ini olott 47 3 8 PATONG ZOU ariani 48 4 DEMSOMODI
155. flessione 70 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Oggetti cilindrici possono essere rilevati pi agevolmente degli oggetti piani L eco riflesso da un oggetto piano pu infatti deviare fuori dal raggio d azione del sensore Figura 3 25 Rilevamento di oggetti cilindrici e piani 71 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 3 6 Sensori ultrasonici analogici La maggior parte dei sensori ultrasonici hanno output sia binari sia analogici Se si vuole misurare la distanza viene usata l uscita in ten sione o l uscita in corrente La tensione o l amperaggio proporzionale alla distanza misurata Figura 3 26 Raggio di misura Figura 3 26 Variazione del segnale di output connessa al cambiamento della distanza da un oggetto 72 Applicazioni Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Nella applicazioni pratiche i sensori ultrasonici vengono usati spesso perch non sono sensibili ai disturbi che possono ingenerarsi nel rag gio d azione n allo sporco che pu accumularsi sul sensore Permet tono di individuare oggetti distanti indipendentemente da materiale metallo plastica legno cartone ecc stato fisico corpi solidi fluidi granulato ecc colore grado di trasparenza Negli impieghi industriali possono controllare la posizione di un gruppo di elementi gli oggetti su di un nastro trasportatore l altezza di un fluido o un granulato
156. fra gli impulsi vedi figura 4 5 La frequenza del segnale di luce modulato di alcuni kHz Ma se l emittente e la fonte di distrubo hanno frequenze simili pu accadere che ci sia interferenza La luce modulata ha i seguenti vantaggi i sensori sono meno sensibili alla luce dell ambiente il raggio d azione del sensore diventa maggiore la misura del calore prodotto diminuisce la durata di vita dei LED aumenta Emittente e ricevente hanno delle lenti ottiche per raccogliere il raggio di luce prodotto e diminuire il campo visivo del ricevitore Ci limita il rag gio d azione del sensore e abbassa l influenza della radiazione riflessa di oggetti che si trovano al di fuori del raggio d azione Grazie a lenti convergenti aumenta anche la distanza massima tra il trasmettitore e ricevitore o fra trasmettitore e la superficie riflettente Se si ha bisogno di un piccolo raggio d azione e un grande campo visivo vengono utilizzati elementi senza lenti con una finestra piatta e trasparente tensione emett acces emittente Y emit spento Figura 4 5 Tensione modulata dall emittente Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 4 3 2 Polarizzazione della luce Il segnale d uscita di un sensore retroriflettente standard pu essere commutato inavvertitamente quando nel raggio d azione viene a trova rsi un oggetto lucido Per poter riconoscere la luce riflessa dall oggetto da riconoscere spesso si deve usare luce polarizzat
157. gamenti nelle varie apparecchiature tra le apparecchiature o tra parti di esse e tra sistemi di ingresso e uscita eventualmente dislocati rispetto all impianto Prima della creazione dei singoli schemi elettrici per l esempio vengono selezionati i diversi componenti Per fissare la carrucola viene utilizzato un cilindro pneumatico a doppio effetto come attuatore Soddisfa le seguenti specifiche movimento traslatorio applicazione sicura della forza di fissaggio Come regolatore viene utilizzato un distributore 5 3 che soddisfa le se guente specifiche fissaggio e sblocco in maniera sicura fissaggio sicuro nel caso di interruzione di energia elettrica a causa della posizione intermedia di blocco Una valvola di portata monodirezionale viene utilizzata come elemento di controllo Soddisfa le seguenti specifiche movimento di fissaggio regolare Per poter utilizzare il distributore 5 3 come elemento di segnale sono necessari due distributori 3 2 Vengono azionati manualmente e dotati di molla di ritorno Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Per la generazione e preparazione di energia viene utilizzata una fonte di aria compressa con un unita di manutenzione Inoltre sono necessari apparecchiature per il monitoraggio e la lettura p es valvola di pressione e manometro Devono soddisfare le segu enti specifiche monitorare la forza di fissaggio Come attuatore di avanzamento necessaria per la l
158. generi no le correnti la e Ig Se il semiconduttore p viene omogeneamente il luminato il numero dei fotoni sul lato destro e sinistro sono quasi u guali vale I Ig Se l elemento viene illuminato in maniera asimmetri ca queste correnti sono diverse Mediante la differenza tra le correnti che attraversano il rilevatore PSD si pu individuare la posizione x dell intensit luminosa massima che tramite il circuito elettronico del sensore viene trasformata in un segnale d output analogico in tensio ne Figura 4 15 Principio di funzionamento di un rilevatore sensibile alla posizione 4 2 3 3 Rivelatore CCD 94 Nei sensori ottici di prossimit i rilevatori PSD vengono spesso sostitui ti da una schiera di elementi CCD Charge Couplet Device Questi non sono sensibili ai disturbi causati da riflessioni casuali della luce o raggi secondari perch reagiscono soltanto all intensit della luce non alla posizione del raggio come i rilevatori PSD Una tipica matrice CCD digitale una struttura piana che consiste di cellule sensibili alla luce pixel L output consiste di tensioni discrete che rappresentano l intensit luminosa rilevata da ciascun pixel Figura 4 16 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos La posizione x il baricentro dell intensit luminosa che colpisce la superficie CCD La matrice CCD particolarmente efficiente nell intervallo di lunghezze d onda tra 500 e 900 nm Length PIXEL
159. gio riflesso 99 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos parallelo a quello arrivato Un complesso di specchi tripli viene usato come riflettore per i sensori a riflessione Il raggio d azione efficace dipende dal diametro delle lenti nel trasmetti tore e nel rilevatore e dalla superficie del riflettore Figura 4 23 Reflector Receiver R Emitting Beam Figura 4 23 Raggio di luce efficace di un sensore a riflessione 100 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 4 3 3 Sensori a diffusione sensori a diffusione hanno soltanto un involucro nel quale si trovano il trasmettitore e il rilevatore Il loro grande vantaggio che non richie dono un riflettore Figura 4 24 La luce creata dal trasmettitore viene riflessa dall oggetto e torna al rilevatore Cos viene commutato il se gnale d output a Receiver R femine b Receiver R Emitter E 1 gt Figura 4 24 Tipologie di sensori a diffusione a in alloggiamento cilindrico b prismatico sensori a diffusione hanno un ristretto raggio di azione di soli 100 mm al massimo e molto raramente fino a 200 mm Gli oggetti al di fuori del raggio di azione non vengono rilevati cos i disturbi creati da questi vengono automaticamente eliminati II loro raggio di azione di pende dal coefficiente di riflessione di luce dell oggetto da rilevare che viene influenzato dal colore e dalla natura della superfic
160. gura 4 31 Max sensing distance Reflector Max sensing distance Cine is Emitter E Max sensing distance Figura 4 31 Distanza massima di funzionamento a barriera ottica unidirezionale b barriera ottica a riflessione c sensore a diffusione Dal momento che emittente e rivelatore di una barriera ottica a rifles sione e di un sensore a diffusione si trovano in un unico involucro esi ste anche una distanza minima sotto la quale gli oggetti non possono essere rilevati Figura 4 32 110 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Receiver R Emitter E Dead Minimum zone sensing distance Figura 4 32 Distanza di lavoro minima per le barriere ottiche a riflessione e per i sensori a diffusione 4 4 5 Tempo di reazione Se va rilevato un oggetto molto piccolo o un oggetto che si muove a velocit elevata assume importanza cruciale il tempo di reazione re sponse time del sensore optoelettronico impiegato Il sensore deve essere in grado di commutare il segnale di output in brevissimo tempo Il tempo di reazione l arco di tempo tra l istante in cui il raggio lumi noso colpisce il sensore e quello in cui il segnale di output viene com mutato Il tempo di rilascio release time l arco di tempo tra l istante in cui l oggetto rilevato viene rimosso e quello in cui il segnale di output viene commutato Questi tempi non sono sempre uguali I valori mass
161. he siano inac cessibili istallando sistemi di protezione che non permettono il contatto In casi particolari pu essere completamente isolato il luogo stesso in cui si trova l impianto Anche i sistemi di protezione che dovrebbero impedire il contatto con gli elementi sotto tensione possono a causa di un isolamento perso o invecchiato anzitempo lasciar entrare in contatto con questi elementi Misure di protezione contro tensioni di contatto generalmente sono neces sarie in reti con punto di rete messo a terra se la tensione tra conduttori e terra supera 65 V in reti senza punto di rete se la tensione nominale supera 65 V Misure di protezione che rimuovono la condizione di una tensione di contatto troppo alta sono il collegamento a terra la messa a terra del neutro il collegamento a terra della tensione di scarica collegamento di sicurezza per la corrente di scarica collegamento di sicurezza della tensione di scarica Misure di protezione che evitano che possa svilupparsi una tensione di contatto troppo alta sono l isolamento di sicurezza la bassa tensione di sicurezza la messa a terra il sistema di conduttori a terra La bassa tensione di sicurezza si usa soprattutto in casi di grande peri colo ad es nei giocattoli per bambini Attivazione sicurezza teleservizio f Minos motori elettrici devono essere protetti contro sovraccarichi cortocircuiti dispersioni a terra e di m
162. i Manuale 2 Sensori capacitivi 2 1 Nozioni di base OBIECT SENSORS ELEKTRODES sensori capacitivi usano un campo elettrico per rilevare la presenza di oggetti nel loro campo d azione Possono rilevare sia oggetti di metallo sia oggetti che non conducono la corrente elettrica ad es di materiale plastico Un sensore capacitivo pu rilevare un oggetto che si trova dietro una parete di materiale non conduttore Perci viene usato per riconoscere un fluido o un granulato in un serbatoio sensori capacitivi sono comunemente impiegati come sensori di prossimit ma possono anche generare un segnale proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore Il raggio d azione del sensore capacitivo 30 mm 60 mm per versioni speciali Quando un oggetto di metallo o un dielettrico entra nel campo elettrico del sensore il segnale di uscita dei sensori capacitivi cambia da OFF in ON o viceversa Un sensore capacitivo costituito da una testa con elettrodi un poten ziometro un oscillatore un circuito rilevatore e un circuito di output Fi gura 2 1 Due elettrodi di metallo che formano un condensatore aperto sono gli elementi attivi del sensore capacitivo Se un oggetto si avvicina al sen sore cambia la sua capacit Il segnale di output dipende dalla capacit totale che la somma della capacit di base del sensore e della varia zione di capacit Questo cambiamento di capacit viene generato dall oggetto da rilevar
163. i assolve una specifica funzione autonoma Questo accade molto pi spesso nell impiantistica che nelle costruzioni di macchine visto che si tratta di un ambito nel quale singoli gruppi possono svolgere funzioni diverse in un unico impianto 15 kaa K Minos Attivazione sicurezza teleservizio 2 3 Aviazione di impianti elettrici Per un funzionamento senza disturbi devono essere considerate le prescrizioni del produttore o del fornitore per il montaggio e l uso Im portanti sono soprattutto la presenza di una completa documentazione tecnica e delle misure per l avviamento per il sottosistema corrispondente Per l elettro pneumatica oltre alle istruzioni del produttore sono da pren dere in considerazione alcuni consigli di carattere generale Prima dellistallazione di attrezzature elettro pneumatiche va controllato se le caratteristiche tecniche prescritte quali la tensione ed il tipo di corrente corrispondono con il punto di collegamento e con le indicazioni tecniche del produttore Nella pneumatica l aria compressa normalmente viene trasportata in tubature di materia plastica Queste devono essere istallate seguendo le indicazioni del produttore Sono da evitare pieghe a causa di raggi di curvatura troppo piccoli come anche zone di strozzamento e punti di sfregamento Inoltre le tubature di materia plastica devono essere fissate cos che cambiamenti di pressione nella rete di aria compressa non diano luogo a movimenti i
164. i di controllo complessi 107 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 7 3 1 Parte operativa 108 Per poter combinare i vantaggi dell elettrotecnica a quelli dell idraulica e pneumatica nella prassi industriale si usano soprattutto sistemi di controllo elettropneumatici e elettroidraulici Per tale motivo di seguito verranno illustrati soltanto questi Definizione Idraulica elettrica Nell industria idraulica sta per teoria di tutti processi meccanici nei quali vengono trasmessil moto e forze tramite fluidi attuatori sistemi di regolazione e di controllo le cui forze e il moto vengono generati con l aiuto della pressione di fluidi La combinazione con parti elettriche magneti ecc porta all elettroidraulica Elettropneumatica Con la parola pneumatica si descrive tutto ci che riguarda impianti pneu matici Gli impianti pneumatici sono macchine e attrezzi che lavorano con pressione o aria aspirata L accoppiamento di impianti pneumatici con impianti elettrotecnici ma gneti porta all elettropneumatica Elettrotecnica L elettrotecnica l insieme di tutte le applicazioni tecniche in cui si sfruttano gli effetti della corrente elettrica e delle caratteristiche di campi elettrici e magnetici L elettrotecnica pu essere suddivisa come segue tecnologie basate sull energia elettrica tecnologie di comunicazione Ingegneria elettrotecnica in generale tecnologia dei semicondutto
165. i di vetro possono essere sottoposti a temperature pi alte fino a 250 dei cavi di plastica fino a 70 cavi di plastica per sono pi duri hanno un prezzo pi basso e possono essere tagliati in maniera pi sem plice cavi di vetro trasmettono senza problemi sia la luce visibile sia la radiazione infrarossa cavi di plastica vengono utilizzati invece soltanto per trasmettere la luce visibile perch hanno un basso coefficiente di efficacia nella trasmissione della radiazione infrarossa Alla base del cavo in fibra ottica si trova una testa cilindrica di metallo o una doppio connettore per la derivazione Ci sono due tipi di cavo in fibra ottica passante con un unico nucleo single cored e di derivazione con due o pi nuclei double cored o multi cored cavo in fibra ottica testa del ricevitore a cavo in fibra ottica a testa del sensore Figura 4 15 Tipi di cavi in fibra ottica a cavo passante e b cavo di derivazione 69 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4 8 2 Funzionamento sensori optoeletronici con cavi in fibra ottica funzionano come normali sensori optoeletronici fatta eccezione per il fatto che mediante tali cavi viene trasmessa soltanto la luce emessa La testa del cavo in fibra ottica molto piccola alcuni mm e pu essere inserita anche in posti difficili da raggiungere a volte molto lontani dai circuiti optoeletronici del sensore L elettronica si trova in un amplificatore
166. i in due distinti supporti Questi sensori riprendono gli oggetti che si trovano tra l emittente e il rilevatore che cos interrom pono il raggio di luce Non sono molto sensibili ai disturbi n a condi zioni ambientali severe quali polvere vapore e nebbia Il loro raggio d azione il molto ampio oltre 50 m Ci sono due tipologie di costru zione di sensori a sbarramento cilindrici e prismatici Figura 4 18 96 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos a esse b Receiver optical R axis Figura 4 18 Tipologie costruttive di barriere ottiche unidirezionali a con sensori in alloggiamenti cilindrici b con sensori in alloggiamenti prismatici Le barriere ottiche unidirezionali rilevano oggetti di materiale qualsiasi Non ha nessun influsso se la superficie dell oggetto colorata traspa rente ruvida o liscia Il raggio di luce efficace dipende dal diametro delle lenti nel trasmettito re e nel rilevatore Figura 4 19 Un oggetto viene rilevato quando co pre almeno il 50 di questo raggio emitting field Emitter E Effective Beam If Receiver receiver field of view Figura 4 19 Raggio di luce efficace 4 3 2 Sensori a riflessione Nei sensori a riflessione il trasmettitore ed il rilevatore si trovano in un unico supporto Figura 4 20 La luce viene riflessa in direzione del ri 97 tf Minos a Componenti meccatronici sensori Manuale velatore da un riflettore
167. i per poterlo trasporatare Quan do un sistema meccatronico esegue funzioni singole complesse o pi funzioni interdipendenti simultaneamente la complessit dell esecuzione dei sensori dipende dall esigenze del sistema che controlla il sistema meccatronico L esecuzione e l esigenze possono necessitare p es dell intergrazione di sensori con il processo di segnale e l amplificazione del circuito miniaturizzazionedi alcune uniota di misura per un estrema precisione di operazione 6 4 Applicazione di sensori nella diagnostica dei sistemi meccatronici 92 Uno dei requisiti pi importanti che le macchine e gli equipaggia menti devono predisporre l operazione irreprensibile dei loro modu li e dei sistemi meccatronici Questo deve essere verificato durante l assemblaggio e durante le operazioni La diagnostica opportuna per supervisionare la correttezza delle operazioni dei sistemi stessi Se necessario controllare lo stato di degradazione delle propriet del sistema in modo da pianificare e correggere lo stato del sistema Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Il ruolo dei sensori nei processi diagnostici riconduce ad un accurata e affidabile misurazione dei parametri avendo una attinenza nella cor rettezza delle operazioni dei sistemi meccatronici Nel caso di sistemi meccatronici semplici che eseguono funzioni singole necessario mol to spesso misurare il percorso la velocit del dispositivo esecutore la for
168. iamento In linea di massima per quanto riguarda l avviamento si contraddistin guono il primo avvio e gli avviamenti seguenti Durante il primo avvio l impianto viene messo per la prima volta nello stato di funzionamento Prima di ci diversi sottosistemi possono essere gia stati avviati Prima di un avviamento normale invece l impianto potrebbe non essere in grado di riprendere a lavorare a causa di guasti critici Con gli oppor tuni interventi di ripristino l impianto deve essere ricondotto ad uno stato adeguato prima di poter proseguire con l avviamento Pianificazione Istallazione RP ALLER A A A A A C l a u Operazione c O S t a t e C h i u s ura Smontaggio eliminazione Immagine 1 Durata di vita di un impianto 14 Attivazione sicurezza teleservizio T Minos 2 2 Misure generali per l avviamento Problemi durante l avviamento di solito vengono creati da difficolt in altri sistemi La necessit di una lunga ricerca di guasti pu esser conse guenza da un guasto durante la costruzione Ma anche possibile che l avviamento sia stato predisposto con scarsa attenzione Stando all esperienza i problemi pi frequenti durante l avviamento sono programmi del controllore programmabile contengono errori singoli elementi del programma non sono abbastanza strutturati Gruppi di elementi o pezzi di ricambio sono stati montati in maniera errata o non sono stati correttamente regolati Man
169. iare anche la polarizzazione del nucleo Un campo magnetico la cui direzione cambia pu essere creato da piccoli magneti mobili o immobili Figura 5 14 Nel primo caso il con 139 Componenti meccatronici sensori Manuale vogliatore d impulso esposto prima al campo magnetico di un ma gnete con la polarizzazione N S e poi al campo di un magnete con la polarizzazione inversa S N A causa della variazione del campo ma gnetico esterno viene generato un impulso elettrico nella bobina intor no al convogliatore d impulso L impulso pu essere inviato all output del sensore direttamente oppure dopo l elaborazione del segnale Nel secondo caso un convogliatore d impulso viene spostato davanti ad un magnete con polarizzazione N S e poi davanti a un magnete con polarizzazione inversa S N per cambiare la direzione di magnetizza zione del nucleo In questa modalit di funzionamento i magneti e la bobina si trovano entrambi nel sensore mentre il convogliatore d impulso l elemento mobile Dispositivo Wiegand p j p ul ess oe Circuito di detenzione ubi Cher p r _____ _m_ Kr AD Circuito di detenzione Figura 5 13 Sensori Wiegand a funzionamento con un campo magnetico mobile b funzionamento con 140 convogliatore d impulso mobile Si ha ancora una terza possibilit sia in magneti sia il convogliatore dimpulso con la bobina si trovano nella testa
170. icili posso no verificarsi disturbi durante il funzionamento ed anche danni ai sen sori stessi Per adattare i sensori a condizioni severe si ricorre a materiali speciali per il supporto vengono accresciute le dimensioni del sensore adottati particolari accorgimenti di montaggio i circuiti elettrici vengono protetti o viene cambiata la loro costruzione Spesso i produttori di sensori offrono fra gli altri sensori insensibili alle alte temperature fino a 200 sensori insensibili a diversi prodotti chimici sensori insensibili all olio sensori insensibili all umidit sensori miniaturizzati con una testa di lunghezza tre 3 e 5 mm sensori che lavorano sotto alta pressione devono avere un solido in volucro rigido che protegge i circuiti elettronici interni La superficie an teriore viene protetta con un disco di ceramica resistente all usura Dal momento che la costruzione richiede un arretramento della bobina il raggio d azione del sensore si riduce L oscillatore va quindi opportu namente modificato per compensare questo effetto In condizioni nor mali un sensore modificato di questo tipo avrebbe un raggio d azione molto maggiore dei sensori standard Il disco di ceramica viene assemblato nel supporto di acciaio inossida bile con un accoppiamento stretto montato con una differenza di tem peratura per ottenere una buona tenuta Quando il supporto in prece denza riscaldato si raffredda si fissa intorno al
171. idrau lica e elettrica La trasformazione di energia elettrica prima In energia pneumatica e poi in energia meccanica compito della parte operativa pneumatica Nella parte operativa idraulica viene trasformata prima energia elettrica in energia idraulica e poi in energia meccanica Il compito della parte operativa che serve ad azionare motori elettrici trasformare energia elettrica in energia meccanica Fanno parte del controllo di segnale gli strumenti per l introduzione di segnali p es interruttori gli strumenti per l elaborazione di segnali con trollore programmabile rel se si tratta di un controllo a logica cablata e quelli per l alimentazione con energia del controllore La produzione e il processo di un segnale elettrico e l interfacciamento con la parte operativa sono compito della parte che regola i segnali Sezione di controllo dell alimentazione Sezione di Segnale GRIN a controllo d ingresso del segnale dell alimentazione Flusso di energia Sezione di controllo dell alimentazione Trasformazione Controllo dell alimentazione dell alimentazione Preparazione mezzo di pressione Parte del controllo Sezione del segnale energia Figura 7 8 Struttura di un controllo complesso 106 Sistemi meccatronici e funzioni 4 Minos t In idraulica e pneumatica si usano come attuatori soprattutto cilindri di controllo Gli attuatori elettrici piu importanti invece sono motori elettri
172. ie Una super ficie lucida pu riflettere la luce anche quando si trova lontana dal sen sore per disturba la corretta individuazione dell oggetto Una superfi cie scura o opaca assorbe una parte della luce e il resto pu non esse re sufficiente per rilevare l oggetto Nel caso di superfici di questo tipo vengono usate speciali tipologie di sensori a diffusione Per individuare il raggio d azione massimo di un sensore a diffusione viene usata una superficie calibrata diffondente un foglio di carta bianca o carta KODAK che riflette il 90 del raggio di luce 101 4 4 4 4 1 intensity relative units Minos Componenti meccatronici sensori Manuale Elaborazione di segnali Fonti d interferenza sensori ottici sono sensibili ai disturbi che generati dall interferenza ottica dalle fonti di luce esterne sia naturali sia artificiali raggi di queste fonti che raggiungono il sensore possono influenzare la corren te prodotta dal rilevatore e dare luogo a falsi segnali d output Per evi tare conseguenze errate i sensori vengono equipaggiati con sistemi che in una certa misura aiutano ad evitare tali disturbi e che regolano la sensibilit del sensore in maniera opportuna Lo sporco nell ambiente olio o polvere sulla superficie degli oggetti da rilevare o su quella delle lenti del sensore pu creare ulteriori problemi incadenscent lamp sodium discharge lamp intensity relative units 100
173. ifetti tipici di assemblaggio per la diagnosi vengono usati i loro sintomi ed sensori 94 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 6 5 Applicazione di sensori nella supervisione dei sistemi meccatronici La supervisione delle operazioni svolte dai sistemi meccatronici consis te nel verificare se i presunti parametri operativi del sistema rientrino nel loro limiti permissibili Su queste basi i parametri vengono corretti dal sis tema di controllo e l apposito dispositivo meccatronico o l individuazione degli errori vengono compensati possibilmente dal sistema di controllo Le misurazioni dei segnali inviate dai sensori vengono elaborate e com parate con i valori richiesti Ciascuna differenza tra i due set di valori costituisce una modifica del segnale del sistema di controllo oppure un errorwe instantaneo compensato in un modo specifico Pi alta sar la precisione richiesta dai sistemi meccatronici maggiore dovr essere la precisione del sensore e della misurazione Se la su pervisione si basa su un modello errato vengono usati dei reading dei sensori che servono ad attualizzare il modello in tempo reale o periodi camente 6 6 Applicazione di sensori di manuntenzione nei sistemi meccatronici In tipo di diagnostica estremamente importante la manutenzione dei sistemi meccatronici continua o periodica Lo stato di un sistema mec catronico viene valutato in modo da eseguire continue riparazioni o correggere paramet
174. igura 5 9 Sensore magnetoresistivo a costruzione b ponte di Wheatstone 85 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5 8 2 Sensori Wiegand Il funzionamento di sensori Wiegand si basa sul registrazione dei cambia menti di direzione della magnetizzazione polarizzazione del nucleo di una conduttore d impulso Se cambia la direzione del campo magnetico esterno pu cambiare anche la polarizzazione del nucleo Un campo magnetico con direzione variabile pu essere generato da piccoli magneti mobili o stazionari figura 5 10 Nel primo caso un con duttore impulsivo esposto ad un campo generato da un magnete con la polarizzazione N S e poi il campo di un magnete con la polarizzazione inversa S N A causa del cambiamento del campo magnetico esterno vie ne generato un impulso elettrico nella bobina in prossimit del conduttore impulsivo Limpulso direttamente o dopo l elaborazione il segnale d uscita del sensore Nel secondo caso per cambiare la direzione di magnetizzazione del nu cleo un conduttore impulsivo viene spostato davanti ad un un magnete con la polarizzazione N S e poi davanti a un magnete con la polarizzazione inversa S N In questo procedimento i magneti e la bobina si trovano nel sensore ed il conduttore impulsivo l elemento mobile conduttore impulsivo con la bobina sistema d uscita detettore 4 i i l i i alli Y detettore sistema d uscita Figura 5 10 Senso
175. il cilindro 1 A non nella posizione iniziale Attivazione sicurezza teleservizio f Minos Esempio 2 Guasti durante l attivazione Conseguenza Tutti i cilindri si trovano nella posizione iniziale ma non possibile l avvio Ricerca dei guasti All inizio della ricerca di guasti si dovrebbe usare la funzione del test del controllore programmabile Con il comando corrispondente bisognereb be entrare nella rete e con questo viene dato il segnale di partenza per l avvio Nell esempio qui presentato si tratta della rete 4 In questa rete pu essere verificato che il segnale di reset nello stato 1 corrispondente al flag M 2 0 Il segnale di reset conseguentemente attivo anche se non dovrebbe esserlo per l avvio Adesso si dovrebbe commutare alla rete in cui attivo il flag M 2 0 Questa ad es potrebbe essere la rete 9 Ora si pu controllare perch il flag M 2 0 sempre attivato Mehowe k 9 reset the tact sequence h pressure Hi 1 10 3 tact_in B3 tact cylinder retracted 10 5 pre_in B5 pressing cylinder retracted 11 7 h_pressure B8 hydraulic pressure switch 3 Esempio di una rete di un programma del PLC 29 ka K Minos 30 Attivazione sicurezza teleservizio Osservando la rete pu essere constatato che sono attivi sia i due con tatti delle posizioni finali del cilindro e del cilindro a inezione Nonostante ambedue le posizioni finali sono raggiunte il collegamento AND non assume lo st
176. il controllo vero e proprio Contiene il programma o il software secondo cui il complesso controllo deve operare Ogni controllo programmabile Si divide fra controllori programmabili e comandi a logica cablata Un controllo a logica cablata ha i seguenti vantaggi robusto non sensibile ai disturbi molto diffuso e conosciuto l affidabilit nota economico soprattutto se i sistemi sono piccoli se non ha pi di 8 rel economicamente vantaggioso al pari di un controllore programmabile Gli svantaggi del controllo a logica cablata sono la necessit di spazio elaborazione delle sole funzioni binarie il programma fissato modificabile generando nuovi o altri col legamenti fisici sviluppo e produzione sono molto costosi necessit di manutenzione intensa a causa di abrasioni i costi aumentano in relazione alle capacit del programma Un controllore programmabile ha i seguenti vantaggi si cambia facilmente grazie a cuscinetti scorrevoli l affidabilit alta grazie all uso di elementi senza contatto le funzioni di controllo possono essere modificate in maniera veloce ha poco bisogno di spazio possibile la documentazione possibile controllare le sequenze di controllo lo stato del processo di elaborazione osservabile Il controllore programmabile ha per i seguenti svantaggi costi iniziali elevati sono necessari e costosi i
177. imi del tempo di reazione e di rilascio vengono indicati tra i dati tecnici di ogni sensore Differenze rispetto a questi valori si verifi cano inevitabilmente nella pratica perch la frequenza della tensione d impulso dell emettitore non pu essere perfettamente sincronizzata con il movimento dell oggetto 111 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale Se si conosce il tempo di reazione si puo fissare la velocita massima di un oggetto o la massima distanza tra gli oggetti da rilevare Tempo di attraversamento dell oggetto davanti al sensore larghezza dell oggetto velocit di passaggio dell oggetto Questo tempo deve essere significativamente maggiore del tempo di reazione del sensore impiegato che indicato nel catalogo Se gli spazi vuoti tra gli oggetti da rilevare sono pi stretti di un oggetto il tempo di passaggio dello spazio davanti al sensore pi importante tempo dello spostamento dello spazio vuoto davanti al sensore lar ghezza dello spazio vuoto velocit dell oggetto Questo tempo deve essere molto pi lungo che il tempo di rilascio del sensore impiegato indicato nel catalogo 4 5 Tipi speciali di sensori ottici 4 5 1 Barriera ottica a luce polarizzata 112 Nelle barriere ottiche che utilizzano luce polarizzata la luce prodotta dall emettitore viene indirizzata attraverso una lente convergente e un filtro di polarizzazione orizzontale verso un riflettore con specchi tripli Fig
178. in volontariamente commutato quando compare un oggetto lucido nel raggio d azione del sensore Per poter discriminare la luce riflessa dall oggetto da rilevare spesso si deve utilizzare luce polarizzata La polarizzazione significa che le oscillazioni delle onde luminose ven gono allineate completamente o in parte Quando un onda di luce non polarizzata si verificano oscillazioni del campo elettrico e magnetico in diverse direzioni Se la luce polarizzata queste oscillazioni hanno soltanto una direzione Sia la luce naturale sia la luce emessa dai LED non polarizzata Se la luce attraversa un filtro di polarizzazione resta soltanto quella parte del raggio che ha la direzione del filtro Se un raggio di luce che gi ha attraversato un filtro con polarizzazione orizzontale Figura 4 27a at traversa un filtro con polarizzazione verticale viene smorzato del tutto La riflessione diffusa distrugge la polarizzazione Figura 4 27b Una bassa intensit luminosa che attraversa un polarizzatore verticale ha un energia troppo bassa per rilevare mediante il sensore la superficie riflettente Se la luce polarizzata viene invece riflessa da uno specchio Figura 4 27 la polarizzazione non viene distrutta quindi il polarizzatore verti cale spegne il raggio di luce Questi due fenomeni vengono sfruttati nelle barriere ottiche a riflessio ne Impiegando filtri adatti opportunamente posizionati possono essere evitati i disturbi creati dalle
179. in un serbatoio Figura 3 27 Controllo del livello di un fluido in contenitori di vetro con un sensore a diffusione 73 Componenti meccatronici sensori Manuale 74 Figura 3 28 Misurazione del livello di un fluido con un sensore ultrasonico analogico Componenti meccatronici sensori Manuale T Minos Figura 3 29 Conteggio degli oggetti su di un nastro trasportatore con un sensore a sbarramento Figura 3 30 Controllo del riempimento di un cartone con sensori a diffusione 75 P Componenti meccatronici sensori Manuale Figura 3 31 Misura della dimensione di oggetti o dell altezza di una pila con un sensore ultrasonico analogico 76 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Figura 3 32 di interruzioni su nastri o bobine di cavo mediante sensori a diffusione 11 T Componenti meccatronici sensori Manuale Figura 3 33 Controllo della distanza di sicurezza con sensore a diffusione per evitare collisioni Figura 3 34 Controllo della tensione di una cinghia mediante sensore a diffusione 78 Componenti meccatronici sensori Manuale T Minos Figura 3 35 Misura del diametro di una bobina di carta mediante sensore ultrasonico analogico Figura 3 36 Conteggio di oggetti che diffondono onde sonore o che le assorbano su un nastro trasportatore mediante un sensore a riflessione 19 bee tf Minos 4 Sensori ottici Componenti meccatronici sensori Manuale 4 1 Ca
180. inos Ky E CRICHE AI CONCGAMEN O iii 72 TIPPOFCO SOA MERO siii ip ii ia paese 12 Commutazione dell uscita del sensore ii 72 ADDICAZION irc girini ili 74 SE SESE e EN E A E E E E E A E A E E 77 IRIORMIAZIONEGLDASE apierioleaii a a ieri 17 RG CS A E P E ee ee ee 78 Fe PPO Tet Wiccan mse sce rca esr wee ditt sella oatmeal iii olii 79 ENCHOTMAGNPIOMS SINO 80 ENERO Wiegand palenipio die aria eee rali Asiago iii riad 81 IIS OM Reeda cittadine aiar iii 82 EE 46g fel aie ee nee eee eee oi eee eee 84 Sensori magnetoresistivi inni 85 Sensori di campo magnetico speciali tti 85 EE D EE o cadi A 86 Sensori magnetici a magnete permanente i 88 PRG ION CIMMINO ine ieri 89 ADPIGAZIO lassi 90 Funzioni dei sensori in sistemi Meccatronici i 91 Applicazioni di base di sensori in sistemi Meccatronici 91 Strutture di sistemi meccatronici e fissare il luogo dei Sensori 91 Funzioni dei sistemi meccatronici e Applicazioni del sensori 92 Diagnosticare sistemi meccatronici di Sensori ii 93 Monitoraggio dei sistemi meccatronici di Sensori 95 Applicazioni di sensori nella diagnosi del servizio dei sistemi meccatronici 95 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos ri Sviluppo di SOHOSISIEMERM ESCO iii ail 97 TA INFOGUZIONE Lula 97 7 1 1 Definizione di meccatronica siciliani 98 7 1 2
181. ioni delle zone di funzionamento per un sensore ultrasonico Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos A seconda dell impiego vengono prodotti sensori il cui angolo di apertu ra del cono ultrasonico va da 3 fino ad alcune decine di gradi Il cono ultrasonico deve contenere soltanto la parte desiderata della superficie da individuare Altri volumi vanno ignorati Una piastra quadrata di metallo con lo spessore di 1 mm e che riflette le onde ultrasoniche viene usata per definire il raggio d azione del sen sore Sn La piastra va disposta perpendicolarmente all asse dell onda sonica La sua grandezza dipende dal raggio di azione del sensore larghezza della piastra 10 mm per un raggio di azione del sensore lt 300 mm larghezza della piastra 100 mm per un raggio di azione gt 800 mm Con oggeiti diversi non e garantito che si raggiunga il raggio d azione del sensore S indicato nei cataloghi mediante la misurazione Valgono le regole seguenti Minore la frequenza del sensore pi grande il raggio d azione del sensore Maggiore la frequenza del lavoro minore l influenza del rumore 3 3 2 3 3 2 Modalit a sbarramento Il trasduttore ultrasonico genera un onda sonica in direzione del ricevi tore che ha un supporto separato Il segnale originale viene commutato se un oggetto interrompe l onda ultrasonica Figura 3 17 Diversamen te dai sensori a diffusione ed a riflessione il trasduttore nei sens
182. istica di commutazione del segnale di uscita ossia il numero di cambiamenti dello stato di output in un secondo quando oggetti di acciaio St37 entrano ciclicamente nel raggio d azione del sensore Per determinare questa distanza valgono le prescrizioni tec niche indicate nella norma EN 50 010 IEC 60947 5 2 15 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale Queste prescrizioni riguardano la grandezza dell oggetto da rilevare la distanza tra l oggetto ed il sensore e il rapporto tra la lunghezza dell oggetto e l intervallo tra gli oggetti Una piastra quadrata di acciaio di larghezza pari al diametro del sensore e dello spessore di un milli metro va fissata all elemento di materiale non conduttore La distanza tra la piastra e il sensore deve essere pari alla met del raggio d azione nominale S Figura 1 10 Il procedimento di misura secondo la norma EN 50010 si basa su di un rapporto 1 2 tra la lunghezza dell oggetto e la distanza tra oggetti Questo valore garantisce che non ci sia un influsso secondario tra gli oggetti sulla caratteristica del campo magnetico del sensore La fre quenza massima del segnale d uscita f 1 t1 t2 t1 tempo necessario per il passaggio della lunghezza della piastra t2 tempo necessario per il passaggio dell intervallo tra le piastre Il risultato della misurazione dipende anche dalla grandezza dell oggetto e dalla velocit dell oggetto e la distanza tra l oggetto e il sen
183. it tra l elettrodo del sensore e l elettrodo di compensazione genera nello stesso modo un accoppiamento di compensazione Se un oggetto sottile p es foglio di carta viene in contatto con il sensore il segnale principale dell elettrodo pu essere neutralizzato dal disturbo e lo stato iniziale non viene commutato campo compensazione campo sensore elettrodo compensazione E oggettto rilevato i ed elettrodo sensore elettrodo esterna insudiciamento Figura 2 5 Sensore con elettrodo di compensazione aggiuntivo 30 Law Sistemi meccatronici e funzioni Minos Ji 2 6 Applicazioni A causa delle loro caratteristiche e della loro semplice costruzione i sen sori capacitivi vengono utilizzati spesso Possono controllare il livello del fluido o del granulato in un magazzino contare oggetti conduttori e non conduttori rilevare imballaggi vuoti rilevare danni all oggetto Figura 2 6 Individuare e togliere bottiglie non piene Figura 2 7 Contare contenitori di vetro o di metallo 31 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 32 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 3 Sensori ad ultrasuoni 3 1 Informazioni di base sensori ad ultrasuoni vengono utilizzati per individuare gli oggetti indi pendentemente dal colore o dal materiale e per controllare l altezza di un fluido colorato o non colorato Vengono utilizzati in ambienti polverosi dove i sensori ottici non po
184. it angolare del trapano indicata mediante due lampade H1 velocit angolare velocit angolare alta bassa H2 velocit angolare velocit angolare alta bassa Con ognuno dei due tasti viene azionato un rel che resta attivo anche in seguito al rilascio del tasto Sul percorso del circuito presente un altro rele connesso con un contatto normalmente chiuso in modo da evitare che entrambi i rel vengano azionati contemporaneamente Un contatto normalmente chiuso viene utilizzato per evitare l autospegnimento Il rel coinvolto non deve necessariamente essere individuato in questa fase Figura 8 21 Scelta della velocit angolare 163 CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Passo Nr 2 Avvio e fissaggio della carrucola L avvio tramite il tasto S1 possibile soltanto se uno dei due rel K11 o K12 stato attivato ossia stata scelta la velocit angolare desiderata Quando stato azionato il tasto di avvio il rele K13 resta attivo mediante il bloccaggio automatico del proprio contatto Contemporaneamente la bobina magnetica del cilindro pneumatico per il fissaggio viene attivata mediante un altro contatto del rel L autobloccaggio viene eliminato mediante un normale contatto di aper tura In questa fase non pu essere determinato il rel a cui appartiene questo contatto Passo Nr 3 Avanzamento rapido e accensione del motore Se stata raggiunta la posizione
185. ivevevevevensvavivexivevewsxcvevsvexsxevansuevexaveudvedixexevoravexcverouers 134 Sensori magnetici tipo contatto Reed ccceeeeeeeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeeeneeesees 135 5 4 5 5 9 9 1 5 9 2 9 9 3 5 6 Componenti meccatronici sensori Manuale ie Minos Sensori magnetici ad effetto Hall 1 rr 138 Sensori magnetici speciali rrs srrrreiiiiiie iii 139 OCNSON MAGNEIOFESISTVI corri 139 Sensori magnetici Wiegand 139 Sensori magnetici con magneti permanenti 141 PrIncIpI d ISTallazIONe ieta er 141 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 1 Sensori ad induzione 1 1 Nozioni di base sensori ad induzione rappresentano il gruppo di sensori pi diffusa mente impiegato nei sistemi di automazione per controllare la posizio ne lo spostamento ed il moto di meccanismi di macchine ed attrezza ture sensori ad induzione sono la scelta ideale per molte applicazioni in virt della loro forma compatta dell affidabilit 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
186. jewski Politecnico di Wroclaw Polonia Matthias Romer Universita Tecnica di Chemnitz Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no 2005 146319 Minos durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no DE 08 LLP LdV TOI 147110 MINOS durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto finanziato con il sostegno della Commissione europea L autore il solo responsabile di questa Ar pubblicazione comunicazione e la Commissione declina ogni responsabilit sull uso che potr essere fatto delle cri 1 DG Istruzione e cultura informazioni in essa contenute 3 Programma di apprendimento permanente www minos mechatronic eu Sistemi meccatronici e funzioni Minos Ky Contenuto 1 SNS OM MAUN eere e n A E E ti 7 di INOFRAZIONEGNDASe ani ia 7 1 2 Element Costutvi di DASE rain on 8 1 3 Coefficiente di COreZi Ne eipic an a loose i a ia eai 11 1 4 MOAI e E A oa 12 1 5 SONSON S PECIAI PR a E E E A 13 1 5 1 Sensori induttivi ad anello scsi iii 13 1 5 2 Sensori che operano in un campo magnetico elettrico forte n 14 1 5 3 Sensori che operano in condizioni difficili sini 15 1 6 EAOn NAMUR areena eE TE I te 16 1 7 Sensori induttivi analogici aisi air 17 1 8 Alimentazione con corrente continua ii 18 1 9 Principi di collegamento tra sensori noire 19 1 10 Prot
187. l PLC sono difettosi b Componente idraulica elettrica le tubature di lavoro le tubature di pressione o le tubature di rifornimento sono state scambiate la regolazione della valvola limitatrice della pressione errata gli interruttori di prossimit sono troppi pochi o messi al posto sbagliato il collegamento delle entrate e uscite del PLC errato c Componente elettrica i cavi o le tubature di collegamento sono difettose i collegamenti sono imperfetti d PLC software difettoso hardware difettoso 3 4 1 Uso del PLC durante la ricerca di difetti Se si usa il PLC per controllare il complesso sistema adatto di fare un test della regolazione senza le componenti idraulici pneumatici e elettrici della parte lavorativa Secondo il produttore del PLC le funzioni sono descritte nominate chi amate diversamente ma in generale hanno la stessa funzionalit In ogni caso da da fare uso dalla possibilit di un test del programma del PLC 2 kaa K minos 3 5 28 Attivazione sicurezza teleservizio Ricerca di guasti durante I attivazione Esempio 1 Guasti durante l attivazione Effetto Si osserva che il programma di controllo non parte Tutti cilindri pneumatici tranne uno si trovano nella posizione iniziale Ricerca di guasti Innanzitutto va controllato se tutti i cilindri si trovano nella posizione inizi ale Durante il controllo si osserva che il cilindro 1A non nell
188. l processo di saldatura viene creato anche un gran numero di scintille che pu danneggiare il supporto del sensore Per questo motivo i sensori che lavorano in prossimit dell impianto di saldatura vengono alloggiati in involucri di ottone ricoperti da uno strato di teflon La superficie anteriore viene protetta con materiali come il Duraplast che sono resistenti alle alte temperature Questi sensori hanno un nucleo con una permeabilit magnetica bassa Figura 1 12 e richiedono una variante speciale del circuito elettronico per evitare false attivazioni nuclei vengono prodotti di un acciaio spe ciale sinterizzato vanno in saturazione in presenza di un campo ma gnetico molte volte pi intenso che per i comuni nuclei di ferrite Il sen sore insensibile contro l influsso di campi magnetici esterni perch il campo magnetico proprio pu essere pi raccolto e meglio indirizzato sensori senza nucleo sono maggiormente insensibili all influsso dei campi magnetici esterni perch il nucleo nei comuni sensori concentra il campo magnetico esterno Dato che non c un nucleo la bobina viene avvolta su un cilindretto di plastica Bobina di plastica Bassa permeabilit Figura 1 12 Bobine per sensori ad induzione insensibili a forti campi magnetici esterni 18 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 1 4 3 Sensori per condizioni ambientali severe Se si impiegano comuni sensori in condizioni ambientali diff
189. l rumore quando il magnete viene attirato Il LED della bobina magnetica si accende quando il cappellotto viene rimesso 31 32 Attivazione sicurezza teleservizio Adesso si prosegue con la ricerca con lo schema idraulico C pressione fino al collegamento P della valvola 4 2 distributore Si c la pressione al distributore Sono stati scambiati le condutture che portano al cilindro No le condutture che portano al cilindro sono collegate correttamente C pressione all uscita B del distributore Si anche l uscita B della valvola distributrice in pressione Dunque il guasto si deve trovare tra il collegamento B del distributore e il collegamento del cilindro sul lato del pistone oppure il fluido idraulico non pu ritornare all altro collegamento del cilindro Prima va controllato se i componenti che interagiscono tra di loro funzio nano in maniera giusta Tali componenti sono valvola di strozzamento interuttore di pressione Risultato della ricerca di guasti Si nota che la valvola di strozzamento non stata installata corretta mente E stata chiusa del tutto e funziona come una valvola d arresto Percio il cilindro 3 A non poteva uscire Se la valvola viene reinstallata in maniera corretta il controllo funziona normalmente MECCATRONICA Modulo 8 manutenzione remota diagnosi Manuale concetto Jerzy Jedrzejewski Politecnico di Wroclaw Polonia Concetto europeo
190. la resistenza RL 1 9 Alimentazione in corrente alternata AC sensori con alimentazione in corrente alternata non vanno collegati di rettamente con un adattatore di rete per corrente alternata Figura 1 17 perch questo potrebbe danneggiare irreparabilmente i circuiti elettronici interni del sensore 23 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos sensori con alimentazione in corrente alternata vanno collegati in se rie con una resistenza RL Per il collegamento alla rete elettrica dei sensori con due soli conduttori esistono ulteriori prescrizioni dal mo mento che contengono un transistore che funziona come amplificatore di potenza Dato che questi sensori vengono collegati in serie con la resistenza c una resistenza nel circuito anche quando il sensore spento Ci provoca una caduta di tensione nella rete Questo fenomeno non va trascurato se vengono collegati in serie o parallelo diversi sensori Quando si scelgono le modalit di alimentazione dei sensori con cor rente alternata va prestata attenzione sia all intensit minima della cor rente sia a quella massima Questi dati vengono resi noti dai produttori Figura 1 17 Sensore con alimentazione di corrente alternata 1 10 Tecnicadi collegamento dei sensori Collegando diversi sensori in serie o in parallelo si possono realizzare diverse strategie di funzionamento degli apparecchi collegati come uti lizzatori Figura 1 18 Mediante un oppor
191. le di un controllo 103 Wi l Sistemi meccatronici e funzioni Minos 7 2 2 Sistemi di controllo complessi sistemi di controllo complessi si dividono in hardware e software Fanno parte dell hardware impianti e unita funzionali che apparten gono alla sfera elettronica elettrotecnica fluidica pneumatica e idrau lica come anche apparecchiature con microprocessori controllore programmabile e macchine optoelettroniche Apparecchiature e unit funzionali servono per raccogliere informazioni incluse le interfacce al dispositivo di con trollo Inserire informazioni potenziometri tastiere e nastri magnetici etc trasmettere informazioni cavi elettrici conduttori ottici o pneumatici per trasmettere segnali analogici o discreti e le interfacce corrispon denti elaborare informazioni regolatori attuatori controllore programma bile informazioni di output comunicazione con l uomo attrezzature di monitoraggio schermi memorie supporti archiviabili mezzi acusti Cl regolazioni valvole interruttori ecc Controllo di alimentazione Programma di controllo Sistema di Elaborazione del segnale controllo Attuatori Sensori Sistema Flusso di Sistema di tecnico materia elaborazione Figura 7 7 Struttura di un sistema di controllo 104 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 7 2 3 Criteri comparativi per sistemi di controllo complessi sistemi di controllo complessi possono ess
192. lemento costruttivo 5 numero dell elemento costruttivo Si tratta di una valvola con contrassegno dell elemento costruttivo 5 nell impianto 2 e nel circuito 3 153 CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Nello schema idraulico possono essere aggiunte indicazioni su pompe motori idraulici valvole di pressione strumenti di misura per la pressione tubi e conduttere Tubi e flessibili devono essere denominati in riferimento a diametro e spessore Sulle valvole di pressione va indicata la pressione di commuta zione Mentre nel caso di un termostato bisogna indicare la temperatura Nel caso di indicatori di pressione va indicato l intervallo di misura e l ampiezza del filtro In aggiunta valori indicativi che possono essere riportati sono la capacit di estrazione di pompe il rendimento degli attuatori pressioni massime e il volume di assorbimento dil motori Nel caso di elevate alimentazioni di pressione queste possono essere rappresentate in uno schema elettrico separato Figura 8 14 Schema elettrico per iil sottosistema idraulico 154 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 8 3 3 Schema dei circuiti elettrici Le norme per simboli e schemi elettrici sono stati sistematizzati per lungo tempo nel Deutsches Normenwerk sotto diverse denominazio ni da DIN 40700 fino a DIN 40772 Dall inizio del 1997 viene utilizzato un nuovo sistema di denominazione che inizia con il numero 600000 Denominazioni pi v
193. lettrica Maggiore la costante dielettrica maggiore il raggio d azione La distanza tra un oggetto di materiale organico p es legno e il sensore di cui cambia il segnale d uscita dipende notevolmente dalla percentuale d acqua contenuta nell oggetto in quanto la costante dielettrica dell acqua molto elevata 80 acqua Il raggio d azione nominale Sn viene indicato nei cataloghi e mi surato per un oggetto metallico standardizzato Sn va moltiplicato per il coefficiente del materiale dell oggetto da individuare per individuare il raggio d azione reale Zona reale dell influenza Sn x coefficiente di correzione materiale coefficiente di correzione Tabella 2 1 Coefficienti di correzione per diversi materiali 29 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2 5 Compensazione dei disturbi Un raddrizzatore contiene filtri d interferenza che escludono l influenza dei campi elettrici esterni se non sono troppo grandi Per i filtri abbassano la frequenza massima di commutazione cio peggiorano la caratteristica dinamica del sensore Il sensore pu reagire in maniera sbagliata se non perfettamente pulito o in presensa di condensa sulla superficie attiva del sensore Un elettrodo di compensazione aggiuntivo collegato all uscita del sensore figura 2 5 viene utilizzato per mantenere costante Il raggio d azione Lo sporcamento aumenta la capacit tra l elettrodo del sensore e lo schermo La capac
194. levato zona attiva sensore oggetto non rile vato zona morta del sensore intervallo lavora i zona bloccata tivo mi De O E zona morta S massimo Figura 3 7 Definzioni di zone d azione per un sensore ultrasonico 39 La A ii 40 Minos ricevitore Sistemi meccatronici e funzioni Una piastra quadrata di metallo avente 1 mm di spessore e che riflette le onde ultrasoniche viene utilizzata per definire il raggio d azione del sensore Sn La piastra va fissata in verticale rispetto all asse dell onda sonora La sua grandezza dipende dal raggio di azione del sensore larghezza della piastra 10 mm x il raggio di azione del sensore lt 300 mm larghezza della piastra 100 mm x il raggio di azione gt 800 mm Altri oggetti non garantiscono che si raggiunga il raggio d azione del sensore Sn indicato nei cataloghi durante la misurazione Valgono le seguenti regole Minore la frequenza del sensore maggiore Il raggio d azione del sensore Maggiore la frequenza del lavoro minore la sensibilit al ruore di fondo e pi alta la risoluzione della misura Il convertitore ultrasonico genera un onda sonora in direzione del ricevitore che ha un supporto separato Il segnale originale viene commutato se un oggetto interrompe l onda sonora figura 3 8 A differenza dei sensori a retroriflettenti e a diffusione il convertitore dei sensori ad ultrasuoni non genera un onda continua Dun
195. li di un sensore ottico A sensore a sbarramento 4 2 Componenti fotoelettrici 4 2 1 Principio fisico 4 2 1 1 La luce Dal punto di vista della fisica si chiama luce la luce visibile la luce ul travioletta la cui lunghezza d onda minore di quella della luce visibi le e la luce infrarossa la cui lunghezza d onda maggiore di quella della luce visibile Figura 4 3 La luce visibile parte della radiazione elettromagnetica che percepita dall occhio umano La sua lunghezza d onda compresa nell intervallo 380 770 nm SI 82 Componenti meccatronici sensori Manuale Radio Waves Mictceraved interes Visible light Les Wert iR A wpecinim par pa te e ne edo 700 800 B00 tbo i200 Io Vaviclengih A nm a Figura 4 3 Intervallo della radiazione elettromagnetica usato nei sensori ottici Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos La sensibilit dell occhio umano diversa per ogni colore della luce vi sibile La sensibilit massima per il colore giallo Figura 4 4 L infrarosso e ultravioletto non vengono affatto visti dall uomo Nei sensori ottici viene usata pi comunemente luce rossa o infrarossa LU mon a At DL 400 500 600 Wavelength A Figura 4 4 Sensibilit relativa dell occhio umano a diversi colori della luce visibile 83 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale 4 2 1 2 Propagazione della luce 84
196. llo di misura Circuito di Uscita linearizzazione ot 37 L E C O Figura 1 15 Sensore ad induzione analogico Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 1 8 Alimentazione in corrente continua DC sensori che con alimentazione in corrente continua lavorano spesso con adattatori di rete la cui tensione di uscita varia Se questi variazioni sono di ampiezza troppo grande il comportamento dei sensori diviene imprevedibile Se le variazioni di tensione sono comprese entro il 10 del valore medio della tensione Figura 1 16a il sensore funziona correttamente La condizione da soddisfare con l eccesso massimo di corrente on lt 0 1 Up Le uscite dei sensori con alimentazione continua possono avere una configurazione NPN o PNP Nel caso della configurazione NPN la resi stenza RL viene collegata fra l uscita del sensore e il polo positivo dell alimentazione con la corrente U Nel caso della configurazione PNP la resistenza viene collegata fra l uscita del sensore e il polo ne gativo dell alimentazione in corrente Figura 1 16 b Ambedue tipi di sensore possono avere una configurazione NO normalmente aperto o NC normalmente chiuso Alcuni sensori hanno una giunzione sup plementare NP e due uscite indipendenti NO e NC U U lt 0 1U Figura 1 16 Sensori ad induzione con alimentazione in corrente continua a tensione della parte della rete b collegamento fra il sensore e
197. lmente se i sensori vengono collegati in serie o in parallelo Nella selezione delle condizioni di alimentazione per un sensore alimen tato a corrente alternata devono essere fedelmente rispettati i valori minimo e massimo di corrente specificati dail produttore Law Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 1 9 Principi di collegamento tra sensori Se i sensori vengono collegati in serie o in parallelo si apre la possibilit di realizzare differenti strategie operazionali figura 1 11 Si possono rendere possibili le funzioni AND OR o NOT La funzione logica AND garantisce il segnale d uscita di un gruppo di sensori se lo stato iniziale di tutti i sensori ON La funzione logica OR garantisce che la resistenza RL non sia alimentata se il segnale d uscita di tutti i sensori OFF gruppi di sensori possono essere collegati anche in un diverso ordine per implementare altre funzioni logiche Il numero massimo dei sensori collegati in serie dipende dalla tensione dalle cadute di tensione all uscita dei sensori e dai parametri di carico La tensione di alimentazione meno le cadute di tensione deve essere maggiore della tensione minima di lavoro per il carico collegato Figura 1 11 Collegamento di sensori in serie funzione logica E 19 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni La funzione logica OR garantisce il segnale d uscita di un gruppo di sen sori se il segnale d uscita di almeno un sensore
198. lta di attrezzi adatti per mettere in trazione una puleggia Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica ll fissaggio della forza 1000 N deve essere XX XX XX verificato e garantito Garazia di monitoraggio del fissaggio delle forze XX XX XX rapido in caso di corto circuito Costi pi bassi di quando si pi bassi degli elettro molto alti usano gli magneti e dei costi elettromagneti idraulici perch l ener gia gia presente Tabella 7 5 Richieste durante la messa in trazione della puleggia Messa in trazione mediante idraulica o pneumatica Nei campi dell idraulica e della pneumatica la messa in trazione mediante l uso di cilindri di facile realizzazione L Figura riporta una possibile soluzione per la messa in trazione medi ante cilindri idraulici o pneumatici Bisogna fare attenzione alle diverse tensioni in gioco Il cilindro attiva tramite un sistema di leve due ganci che mettono in tra zione Il pezzo in lavorazione su due lati Una possibile trasmissione di forze nel sistema di leve pu essere trascurato I calcoli per la progettazione del cilindro pressoch identica in idraulicae in pneumatica La forza di tensione Fs deve essere 1000 N In idraulica viene assunta una pressione di 70 bar mentre in pneumatica soltanto di 6 bar 115 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos Cilindro idraulico p F A A F p A 1000 N 70 bar A 1 43 cm Come risultato si ottiene un diam
199. mac chine Sono dunque quelli che devono montare la macchina o le per sone che l attivano Ma anche chi normalmente la usa o chi la sistema e sottoposto a pericoli Visto che le persone di solito hanno un bisogno fondamentale di sicurezza stato sviluppato un gran numero di direttive per la protezione Per renderle note sono da tenere regolarmente corsi formativi e istruzioni In Europa valgono direttive che hanno il carattere di leggi Cos ad esem pio in Germania stata attuata la Direttiva macchine europea adeguando una legge per la sicurezza delle atttrezzature Le direttive sono sostenute da norme di sicurezza Le norme conten gono proposte per la costruzione di macchine rispettando i diversi criteri di sicurezza Le norme europee di sicurezza sono suddivise in un sistema a tre gradini A Norme sono le norme di base per la sicurezza Fra queste troviamo concetti fondamentali e le norme generali per la strutturazione costruzione delle macchine Fra di loro c anche la valutazione del risico Le norme B1 contengono p e le distanze di sicurezza dispositivi di protezione o le velocit dell utensile prensile Le norme B2 contengono direttive per dispositivi di protezione tecniche Ne fanno parte dispositivi di blocco ma anche comndi a due mani o interuttori d emergenza Le norme C sono tipiche per le singole macchine Ne fanno parte norme per presse meccaniche o idrauliche presse piegatrici o i robot nell industria
200. meccatronici Manuale concetto Wojciech Kwasny Andrzej B a ejewski Politecnico di Wroclaw Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no 2005 146319 Minos durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no DE 08 LLP LdV TOI 147110 MINOS durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto finanziato con il sostegno della Commissione europea L autore il solo responsabile di questa pubblicazione comunicazione e la Commissione declina ogni responsabilit sull uso che potr essere fatto delle informazioni in essa contenute Ar ge DG Istruzione e cultura Programma di apprendimento permanente www minos mechatronic eu Componenti meccatronici sensori Manuale Contenuto CONIGENUIO aL 3 1 Sensori ad INGUZIONG sass siscesinssasevesvavacseusvescsacnussvecnacnetssecvanesnsveausssens 6 1 1 NOZIONI GW 9a SG sarrerea EEEE 6 1 2 PRINGCIDIO TSI CO PR RR 7 1 2 1 Il GIFGUITO sonante sivcvieossnessassdnesenosanesunetdwassnntuns nen aaa 7 1 2 2 Il circuito risonante elettronico eeeceeeceeeceeeceeeeeeceueceeeceeeseeeseeeaeeeaees 10 1 3 Schema basti a casi 11 1 9 1 PIINIGCIDIOGIHUNZIONAMENTO ir EEEE EEE ESEE TENERE 11 13 2 Coefficient Ol COHEZIONE seta 14 1 3 3 Tecniche diistallazione i 14 1 4 Tipi speciali di SENSOTr u pianino iaia 16 1 4 1 Senso
201. ms Textbook a 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 generated signal and the disturbances in the performance of an object or a process sensors a nd measuring instruments sensit ivity complexity adapta bility 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 and 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 simplified 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 witha matching digital ampli fier and a microprocessor with sto red knowledge for intelligent signal processing sensor 1 Force sensor Microprocessor ran 0b D gt Cc O O RS gt 24V DC Fig 2 Structure of intelligent force converter
202. nche gli interruttori di prossimit induttivi Vengono utilizzati prevalentemente per cilindri idraulici Le camme dei pistoni devono essere di materiale metallico visto che con un interruttore di prossimit induttivo possono essere rilevati soltanto materiali conduttori Per monitorare la pressione di fissaggio si usa un interruttore a pressione Per i sensori sono state fissate le seguenti denominazioni B1 posizione finale interna fissaggio con cilindro pneumatico B2 posizione finale esterna fissaggio con cilindro pneumatico B3 posizione finale interna avanzamento con cilindro idraulico B4 posizione di commutazione da corsa rapida a corsa di servizio BS posizione finale esterna avanzamento tramite cilindro idraulico B6 interruttore a pressione monitoraggio della forza di fissaggio Il collegamento degli elementi costruttivi mediante sensori pu essere rappresentato anche nel diagramma funzionale Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Il percorso descritto nell esempio consiste di diversi passi che si svolgo no uno dopo l altro Perci anche lo sviluppo del controllo suddiviso in diverse parti Passo 1 Preselezione della velocit angolare Il controllo viene azionato mediante tensione continua a 24 V Il tasto SO predisposto come tasto di emergenza Azionando tale tasto viene interrotta l erogazione di corrente elettrica a tutto il sistema di controllo Con i tasti S2 e S3 viene selezionata la veloc
203. ndesiderati punti con perdite non sono da evitare ad ogni costo ma il loro numero dovrebbe comunque rimanere basso Parti movimentate come le asta dello stantuffo o cilindri interi devono essere schermate con dispositivi adatti se il loro movimento potrebbe essere pericoloso per il lavoratore 2 3 1 Uso di oliatori nebbiogeni 16 Oliatori nebbiogeni dovrebbero arricchire l aria con nebbia di olio per oliare le parti in movimento Ormai la maggioranza delle moderne parti pneumatiche hanno una pellicola lubrificante che basta per tutta la loro durata di vita Per questo motivo ed anche perch l uso di oliatori neb biogeni spesso causa problemi si consiglia di riudurre il ricorso all uso di aria arricchita con olio Nei seguenti casi tuttavia tale uso necessario se gli elementi sono gi stati usati con aria arricchita di olio se i cilindri compiono movimenti molto veloci se vengono usati motori del tipo a lamelle Per la corretta regolazione dell oliatore nebbiogeno conmsigliato aggiun gere alcune goccie d olio per metro cubo di aria compressa Se le portate in volume sono conosciute si possono dare anche indicazioni a minuto Attivazione sicurezza teleservizio f Minos Per poter controllare la giusta regolazione dell oliatore nebbiogeno dovrebbe essere scelto il cilindro con la pi grande distanza dal oliatore Davanti all uscita dell aria usato dal distributore indirizzato verso questo cilindro si m
204. ne d alimentazione costante ed di 5 30 V La frequenza massima di commutazione del segnale d uscita maggiore di 300 Hz La corrente permessa che attraversa la piastra normalmente minore di 1 A Tali sensori possono essere onnipolare reagiscono a qualsiasi polariz zazione del campo magnetico unipolare reagiscono solo ad una certa polarizzazione del campo magnetico o bipolari vengono accesi da un polo e spenti dall altro circuito Hall a rilevatore sistema d uscita Figura 5 8 Sensore Hall baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 5 8 Sensori magnetici speciali 5 8 1 Sensori magnetoresistivi La costruzione di sensori magnetoresitivi simile a quella dei Sensori Hall Soltanto l elemento sensibile ai cambiamenti del campo magnetico diverso Nei sensori magnetoreistivi questo elemento consiste di quattro magne toresistori RM1 RM4 che generano un ponte di Wheatstone figura 5 9 rispettando la giusta polarizzazione degli elettrodi In questo elemento vengono compensate le espansioni termiche e il segnale d uscita viene raddoppiatorispetto alle misurazioni ottenute con un unico magnetore sistore Se un magnete si trova nel raggio d azione del sensore ne modifica la resistenza Questo cambiamento proporzionale allla variazione di po tenza del campo magnetico magnete ponte di Wheat alimentazione NERE corr d uscita segnale segnale misurazione misurazione GND F
205. ne fluttuazione della temperatura dell olio raffredamento necessario ex prescrizioni di protezione impianto fuori di uno spazio chiuso norme per la protezione dell ambiente Sono da considerare i sottosistemi rappresentati In figura Elettro Elettro pneumatica idraulica Sistemi complessi Tecnica Elettro sensoriale tecnica Controllo SPS Figura 7 3 Sottosistemi 100 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 7 2 Struttura dei sistemi di controllo Esempio La struttura dei sistemi di controllo si distingue fra controllo sequenza di controllo e regolazione circuito di regolazione Con la parola controllare viene descritto un processo durante il quale una o pi grandezze influenzano altre sulla base delle regole tipiche per il sistema di controllo Le grandezze che hanno impatto su altre vengono chiamate grandezze d entrata Le grandezze invece che vengono influ enzate sono dette grandezze d uscita Caratteristico per un controllo l anello aperto Le grandezze d uscita non impattano sulle grandezze d entrata La differenza fra la grandezze d uscita e il valore nominale desiderato non pu essere registrato e perci neanche corretto Un fluido fuoriesce da un contenitore in modo continuo Per evitare di svuotare il contenitore lo si riempie tramite una valvola in modo continuo La quantit da raboccare viene regolata in maniera tale che si compensi la quantit fuoriuscita Se in
206. ne preferito l utilizzo di elementi fotoottici senza lenti baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 4 7 3 Sensori retroriflettenti ad autocollimazione L autocollimazione la trasformazione automatica del raggio di luce diffuso in un raggio parallelo Anche se il diametro del raggio piccolo sufficiente a raggiungere il ricevitore Grazie all autocollimazione si possono rilevare oggetti trasparenti e oggetti che si trovano nella zona morta sensori optoelettronici retroriflettenti ad autocollimazione si basano sul fatto che gli assi ottici dei canali emmittenti e riceventi sono uguali Questo possibile perch la luce nel canale ricevente viene spostata di 90 da uno specchio semitrasparente figura 4 13 Tali sensori lavorano molto bene insieme con lamine riflettenti riflettore con specchi tripli raggio emesso riflesso lente m o 2 raggio rif 1 lesso F F a a 7 raggio x y F ricevitore emesso emittente Figura 4 13 Sensori retroriflettenti ad autocollimazione 67 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 4 8 Sensori con cavi in fibra ottica 4 8 1 Cavi in fibra ottica cavi in fibra ottica vengono utilizzati per trasmettere onde elettroma gnetiche la cui frequenza simile a quella delle onde luminosa Il cavo in fibra ottica pi semplice un bastone di vetro o plastica che termina con superfici piane Oggi viene utilizzato come nucleo d
207. necessario a commutare il segnale d uscita Margine operativo gt 1 per avere un surplus margine operativo quantit effettiva di luce rilevata livello minimo necessario a commutare il segnale d uscita livello segnale livello minimo del surplus margine operativo livello commutazione ON I F livello commutazione OFF o lo C A intervallo intervallo operati intervallo instabile VO sicuro instabile Figura 4 7 Rapporto fra un intervallo sicuro di lavoro del sensore optoeletronico e margine operativo 959 livello segnale Sistemi meccatronici e funzioni Se sono note le condizioni di lavoro del sensore si pu stabilire il surplus di luce necessario che in modo da dimensionare un fusibile di protezione contro l eccessivo smorzamento dell energia della luce Maggiore il sur plus pi affidabile il sensore Quanto maggiore il rischio di oscillazioni casuali del segnale incidente sul ricevitore tanto maggiore deve essere Il margine operativo Se la luce pulita e la probabilit di soorcamento della lente piccola il margine operativo minimo deve essere maggiore di 1 5 Se l ambiente molto sporco e la possibilit di pulire la lente limitata il margine operativo minimo dovrebbe essere ancora maggiore di 50 Un diodo lampeggiante segnala le condizioni di lavoro instabili cio p es quando l illuminazione del sensore troppo bassa per commutare il segnale d uscita Per un se
208. needs The connection of sensors to communication networks has resulted in almost limitless possibilities of co ntrolling the diagnosis process using not only single sensors but also groups of sensors As are sult infor mation from sensors can be used by control diagnostic and forecast ing systems This is of great significance for th e diagnosis of mecha tronic system components and modules Lf Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook tf Minos Idea structure and operation of diagnostic system Diagnostics of machines ensures th eir precise and reliable operation The more complexa machine its mechatronic system an d the con ducted tech nological processes 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 and reliabil ity of identif ication i e the greater the precision 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 in volved the theory and practice o f diagnosis and all diagnostic system components Diagnostic complexity a nd precision depends on the effect which the
209. nella fase della trasmis sione oggetto convertitore nella fase del ricevere Figura 3 5 Le fasi di misurazione dell ultrasuono Maggiore lo spessore dell oggetto individuato pi alta la sensibilit del sensore visto che viene riflessa una parte maggiore di onda sonora Perci vengono individuati soprattutto oggetti con un alto coefficiente di riflessione del suono corpi solidi fluidi granulati 37 7 LY CU minos ampiezza tempo durata impulsoT Sistemi meccatronici e funzioni sensori a diffusione generano impulsi di suono ciclici La loro frequen za di alcune decine di Hz L arco di tempo tra l emissione dell impulso del suono e la ricezione dell eco riflesso proporzionale alla distanza effettiva tra l oggetto e il sensore Se un convertitore genera e riceve le onde sonore la durata dell impulso Ti deve essere molto pi breve che il tempo di ritorno Te figura 3 6 Il sensore aspetta l eco tra un impulso inviato e il successivo In tal modo pu essere calcolata la distanza tra l oggetto e il sensore La presenza dell eco giustificata dalla presenza di un oggetto nel raggio d azione del sensore Il segnale d uscita viene poi commutato tempo del as pettare durata dell impulsoT I segnale riflesso n fl i j tempo ritorno eco T tempo ciclo Figura 3 6 Ciclo lavorativo del sensore ultrasonico 38 sensori ad ultrasuoni di diffusione contengono un convertitore
210. nibili tubi per aria compressa di 7 bar e 11 bar E necessario seguire la seguente procedura 1 mettere in trazione la puleggia 2 far avanzare rapidamente la punta del trapano 3 mettere in movimento la punta del trapano moto rotatorio e forare Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Devono essere rispetatte le seguenti specifiche Trazione applicare in modo sicuro la forza di tensione di 1000 N possibilmente monitorare la forza di tensione assicurare la tensione anche in caso di black out messa in trazione e smontaggio devono essere realizzabili in maniera rapida Motore di avanzamento moto traslatorio affidabilit anche in sovraccarico possibilit di controllo elettrico velocit regolare indipendente dal carico durante la truciolatura possibilit di produrre una forza di avanzamento di 2000 N rapida possibilit di modifica della velocit da traslazione rapida al normale ciclo di lavorazione velocit di avanzamento massima di 0 5 m s Moto della punta del trapano durante la lavorazione moto di rotazione velocit angolare n 750 1450 design compatto e robusto per motivi di spazio della postazione di lavoro potenza di taglio 1 6 kW Aiuti di visualizzazione simboli grafici e piante Simboli grafici vengono spesso usati in rappresentazioni anche parzial mente semplificate di una funzione in schemi elettrici e funzionali dia grammi tabelle disegni e anche
211. niera opportuna Questo accade nella sezione di controllo dell energia tramite elementi di controllo e di regolazione Per fare lavorare gli attuatori sono necessari componenti di controllo e controllo Questi nella tecnica pneumatica hanno il compito di influenzare il mezzo idraulico o pneumatico che trasmette l energia cilindri a doppia azione devono essere regolati con valvole direzionali Nella pneumatica vengono invece utilizzati distributori 5 2 se non ne cessario un bloccaggio nella posizione centrale mezzi idraulici vengono utilizzati per l avanzamento feeding drive Per regolare il cilindro idraulico a doppio effetto viene utilizzato un distributore 4 3 Il controllo del motore elettrico avviene tramite rel o contattori La scelta concreta e con ci la denominazione indicazione delle valvole e rel pu essere eseguita soltanto dopo lo sviluppo del schema 129 130 Sistemi meccatronici e funzioni Nella tecnica di segnalazione per la introduzione del segnale vengono uti lizzati attrezzi per generare e trasportare segnali Questi possono essere dispositivi di controllo dispositivo elettrico di chiusura apertura contatto e contatto di commutazione distributori 3 2 azionati in modo pneumatico sensori interruttori di prossimit trasformatori d ingresso interruttori a pressione idraulica e pneu matica dispositivo di segnalamento ottico acustico L elaborazione del segnale rappresenta
212. nno la zona attiva ad una piccola distanza dalla superficie cilindrica del sensore Questi sensori vengono utilizzati se hanno contatto con il mezzo da individuare fluido o granulato Hanno un raggio d azione il 50 maggiore perch il loro campo elettrico maggiore Ci sono anche sensori speciali come quelli elastici che possono essere applicati sia a una superfici piatte che curve Nell installazione di pi sensori capacitivi necessario seguire le regole rappresentate in figura 2 4 per evitare reciproche interazioni indesiderate e interferenze esterne Circuiti di di connessione esterna e i comandi di accensione dei sensori Capacitivi sono simili a quelli dei sensori induttivi sensori capacitivi possono avere due tre o quattro elementi ed essere alimentati sia da corrente continua che alternata Figura 2 4 Procedimenti di montaggio di sensori a di superficie b capacitivi non di superficie 28 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos a 2 4 Tipologie di mteriale dell oggetto da rilevare Il raggio d azione del sensore capacitivo pi variare notevolmente Di pende dal materiale e dalla messa a terra dell oggetto da individuare materiali conduttori hanno il raggio d azione maggiore Se l oggetto prodotto con materiale conduttore il tipo di materiale non influenza il raggio d azione del sensore Se l oggetto prodotto con materiale isolante il raggio d azione del sensore dipende dalla sua co stante die
213. no superati Nella pneumatica ad es si garantisce il controllo della pressione massima con le valvole di sicurezza Azionamenti pneumatici come cilindri o motori sono previsti per un certo utilizzo in ragione delle caratteristiche costruttive valori indicati dal pro duttore per la pressione il momento torcente il numero di giri il fissaggio e il collegamento vanno rispettati da verificare che l azionamento venga montato nel sistema in maniera tale che possono essere sostenute tutte le forze prevedibili Indicazioni su questo argomento si trovano nei catalogi e nelle istruzioni per l uso Se si tratta di cilindri pneumatici bisogna badare alla sicurezza nelle condizioni di pressoflessione del dispostivo d arresto alla posizione e alla protezione dell asta dello stantuffo Attivazione sicurezza teleservizio f Minos Per le valvole pneumatiche vanno rispettate alcune prescrizioni fin dal momento dell installazione Ne fanno parte il tipo di valvola e la maniera in cui viene installata il luogo in cui viene inserita nel sistema e come viene fissata Inoltre da verificare attentamenta la maniera in cui viene usata la valvola e l azionamento a mano se si tratta di valvole elettriche Le valvole vanno etichettate secondo la marcatura per i mezzi di pro duzione lubrificanti usati devono essere adatti a tutte le parti della costruzione le plastiche le tenute i tubi ed i raccordi Per questi elementi vanno rispettate le
214. nostic symptom marked indicating whether the machine is or is not functional is shown in Fig 4 If the symptom ex ceeds admissible value Ug this means that the diagnosed device is no longer fully functional but 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 which marks t he ultimate date for do ing repairs this means that it is no longer fit for use Serviceability and unservice ability areas can overlap to some extent In th e overlapped area the device is not fully functional but still serviceable Fig 5 Lf Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook tf Minos Uniserviceable Cc a Us Boundary value Not fully functional i Ua Admissible value but serviceable C om Serviceable O Q gt v Cc D op Structure parameter technical condition serviceable tion Functional Unserviceable Fig 4 Classification of technical condition of machines and devices Functional Serviceability Not fully functional but serviceable Nonfunctionality Unserviceable Fig 5 Areas of technical condition of machines and devices 13 Nel Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook Minos The range in which in technical object operatio n is aided with knowl edge processing and diagnostics is shown in Fig 6 The range covers
215. nsiderata La funzione viene determinata in relazione all attivit la lavorazione lo scopo o il compito dell unit considerata Un guasto o malfunzionamento dunque una funzione che non si svolge secondo gli ordini o che non si svolge affatto Un disturbo al contrario del guasto di una funzione un arresto nello svolgimento di un compito definito di un unit considerata Con la dicitura blocco invece si intende il fermarsi dell esecuzione di un prefissato compito dell unit considerata a causa di un problema inerente all unit stessa e allo sforzo ammesso Il motivo di un disturbo o un guasto dunque un guasto Localizzazione di disturbi e guasti durante l avviamento La localizzazione di disturbi e guasti durante l avviamento delle compo nenti idraulica pneumatica ed elettrica di un impianto richiede una ricerca sistematica Pi complessa la configurazione dell impianto pi importante una logica per procedere durante la ricerca dei guasti Un aiuto sostanziale offrono al personale presente durante l avviamento le descrizioni complete e realistiche dell impianto Fra queste si considerano le documentazioni tecniche quali schemi funzionali schemi circuita li viste generali con valori previsti schemi elettrici elenchi di attrez zature ed altri elementi la documentazione tecnica con le istruzioni d uso per i diversi impia nti tecnici e gruppi di elementi la descrizione tecnica e il diag
216. nsore a diffusione importante anche l isteresi differenza del livello del segnale tra accensione e spegnimento del circuito d uscita L intervallo operativo dall oggetto da rilevare viene sempre riferito al livelo del sensore in corrispondenza della commutazione su ON livello di commutazione ON a fi isteresi N livello di commutazione OFF segnale d uscita O Figura 4 8 Isteresi di un sensore a diffusione 60 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 4 5 Distanza operativa Una caratteristica dei sensori optoeletronici il raggio di azione deter minato dalla massima distanza operativa Per i sensori a sbarramento il raggio d azione la distanza massima tra emittente e ricevente Per i sensori a diffusione la distanza massima fra sensore e riflettore Per il sensori retroriflettenti la distanza massima fra il sensore e l oggetto da rilevare Visto che emittente e ricevente di sensori retroriflettenti e sensori a diffusione si trovano in un involucro esiste anche una distanza minima di lavoro al di sotto della quale gli oggetti non possono essere rilevati figura 4 9 ricevitoe R emittore E zona morta Ti VE le istanza minima di lavoro Figura 4 9 Distanza massima di lavoro a sensori a sbarramento b sensori retroriflettenti c Sensori a diffusione 61 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 4 6 Tempo di reazione 62 Se va rilevato un oggett
217. ntaminazione del fluido a pressione Perci i filtri vanno regolarmente controllati In generale vanno assunte opportune misure precauzionali per l uso del fluido a pressione Bisogna prestare attenzione al drenaggio come pure allo smaltimento del fluido dismesso Canali tubature e raccordi fra tubature devono essere liberi da corpi estranei Le tubature devono essere sistemate in maniera tale che non possono essere usate per uno scopo diverso da quello previsto Anche per i tubi flessibili esistono istruzioni per il montaggio tubi flessibili non devono avere raggi di curvatura troppo piccoli e non devono essere ritorti compressi o messi in tensione serbatoi dei fluidi devono poter accogliere l intera quantit di questi e consentire di smaltire il calore accumulato dal fluido 11 kaaf R Minos 1 5 12 Attivazione sicurezza teleservizio Sicurezza di impianti elettrici Evitare incidenti elettrici d importanza primaria Il numero di incidenti elettrici che causano la morte di persone paragonato con il numero di tutti gli infortuni sul lavoro sempre abbastanza alto Probabilmente la ragione per la situazione descritta che non possiamo percepire diretta mente l energia elettrica Proteggersi dall energia elettrica pu significare proteggersi da un contatto diretto con la corrente Questo pu essere raggiunto con i metodi seguenti con l isolamento sistemando gli elementi sotto tensione in modo c
218. nza di commutazione tipica 5 20 mm max 60 mm lavoro senza contatto con altri elementi 131 132 Sistemi meccatronici e funzioni Nell esempio iniziale ciascuna delle tre modalit di trasmissione viene considerata separatamente Il cilindro di trazione pneumatico viene azionato mediante una valvola direzionale controllata manualmente Non necessario un interruttore di fine corsa visto che un ingegnere fa partire l avanzamento soltanto quando il processo di serraggio finito Una valvola controlla la pressione di trazione che esegue la commuta zione soltanto quando la pressione sufficientemente elevata Anche Il cilindro idraulico viene azionato mediante una valvola direzionale controllata manualmente e non necessario un interruttore di fine corsa L inversione di corsa nell avanzamento avviene mediante una valvova direzionale che equipaggiata con un rullo azionato mediante il cilindro in uscita La punta del trapano viene comandata da un interruttore Infine l intero processo deve essere calato in un sistema di controllo complesso Quindi per le componenti di segnale previsto il controllo tramite un controllore programmabile I segnali d ingresso del controllore programmabile devono essere rea lizzati tramite interruttori di prossimit e interruttori elettrici Un segnale d ingresso viene generato dall interruttore di pressione che deve moni torare la forza di fissaggio I segnali emessi dal contr
219. nza precedentemente determinata Ci sono tre modi in cui tali sensori rimuovono elettronicamente l influenza dello sfondo figura 4 12 mediante il non rilevamento dell oggetto 3 posto ad una distanza maggiore di quella operativa mediante il non rilevamento dell oggetto 3 posto ad una distanza minore di quella operativa mediante il rilevemanto del solo oggetto 1 che si trova all interno dell intervallo operativo Se la distanza tra oggetto e sensore minore di Lmin viene rimossa l influenza dei raggi emessi prima dell intervallo operativo primo piano maggiore di Lmax viene rimossa l influenza dello sfondo maggiore di Lmin e minore di Lmax viene rimossa sia l influenza del davanti sia quello dello sfondo Grazie al sistema ottico dei sensori a triangolazione figura 4 12 il rag gio di luce emesso dal diodo laser raccolto e quasi in modo parallelo Viene riflesso in modo diffusivo dall oggetto 1 e una parte raggiunge il convertitore PSD Position Sensitive Device o la telecamera CCD entrambe alloggiate nel sensore Il circuito d analisi confronta il segnale ricevuto con la distanza operativa prima osservata e viene regolato con un potenziometro Se l oggetto si trova all interno dell intervallo operativo viene commutato il segnale d uscita A differenza di un sensore a diffusione tipico la distanza operativa non dipende dalla grandezza dal colore e dalle caratteristiche della superficie dell
220. nza tra l oggetto e il sensore 3 3 Funzionamento dei sensori ultrasonici 56 I sensori ultrasonici hanno due modalit tipiche di funzionamento la modalit basata sulla diffusione dell onda sensori a diffusione e la modalit basata sul transito dell onda sensori a sbarramento La mo dalit pi comunemente impiegata quella a diffusione Il sensore ri ceve l onda sonica riflessa dall oggetto come un eco La distanza cal colata sulla base della misurazione del tempo viene trasformata se condo il tipo di output richiesto in un segnale analogico in corrente o in tensione oppure in uno stato binario ON OFF Se l oggetto si trova al di fuori del raggio d azione del sensore il segnale di output torna nello stato precedente La misurazione ultrasonica ha due fasi Figura 3 13 emissione dell onda ultrasonica del trasduttore in direzione dell oggetto emissione dell onda ultrasonica eco dall oggetto individuato in di rezione del trasduttore Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Nei sensori a diffusione entrambe le funzioni vengono realizzate da un unico trasduttore piezoelettrico Trasduttore di ricezione Figura 3 13 Due fasi della misurazione del sensore ultrasonico Maggiore lo spessore dell oggetto rilevato pi alta anche la sensibilit del sensore dato che viene riflessa una parte maggio re dell onda ultrasonica Perci vengono rilevati soprattutto og getti con un alto coeffi
221. o a disposizione pi schemi elettrici per i singoli compiti parziali schema funzionale pneumatico per il fissaggio schema funzionale idraulico per l avanzamento del trapano Circuito di controllo e circuito principale per il controllo del motore e per la realizzazione di diverse velocit angolari del trapano In questo caso si verificano i seguenti svantaggi non possono essere controllati mediante controllore programmabile non possono essere collegati fra di loro visto che vengono utilizzati diverse fonti di energia per l elaborazione del segnale non sono possibili operazioni automatiche ma solo manuali Dunque per costruire un sistema di controllo complesso necessario eliminare gli svantaggi sopra elencati combinare i vantaggi di pneumatica e idraulica con quelli dell elettronica Sistema Sistema Pneumatica Elettrico Distributore 5 3 Elettromagnete sistema complessa elettropneumatica distributore 5 3 posizionato su molla attivit bilaterale elettromagnetica attivit di controllo manuale Figura 8 18 Principio del sistema complesso pneumatica elettrica 159 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni Per poter eliminare gli svantaggi menzionati per il fissaggio mediante organi pneumatici necessario sfruttare i vantaggi dei sistemi pneu matica in combinazione con quelli elettrici in un sistema complesso la pneumatica elettrica Per assicurare la controllabilit elettri
222. o d azione e un ampio campo di visione vengo no usati elementi fotoelettrici senza lenti con una finestra trasparente piana 4 5 3 Barriera ottica autocollimante L autocollimazione la trasformazione del raggio di luce diffuso in un fascio di raggi paralleli Anche se il diametro del raggio minore si ha una sufficiente intensit luminosa di ritorno al rivelatore Grazie all autocollimazione si possono rilevare oggetti trasparenti e oggetti che si trovano nella zona morta dei comuni sensori Le barriere ottiche a riflessione che sfruttano autocollimazione si ba sano sul fatto che gli assi ottici del raggio emesso e di ritorno coinci dono Questo possibile perch la luce nel del raggio di ritorno viene deviata a 90 da uno specchio semitrasparente Figura 4 37 Tali sensori funzionano molto bene con riflettori piani 116 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Triple morrors reflector emitting reflected beam reflected i beam CAI ital Receiver i emitting i beam Emitter Figura 4 37 Barriera ottica a riflessione con autocollimazione 4 5 4 Sensori a fibre ottiche 4 5 4 1 Le fibre ottiche Le fibre ottiche vengono impiegate per convogliare onde elettromagne tiche la cui frequenza prossima a quella delle onde luminose La pi semplice fibra ottica un bastone di vetro o plastica che alle estremit ha superfici piane Oggigiorno viene usato come nu
223. o di controllo 168 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos Per poter collegare i singoli sottosistemi di controllo pu essere scelto anche un controllore programmabile Per la programmazione ci sono diversi linguaggi utilizzabili a scelta Visto che adesso il controllo gi in forma di schema elettrico il ladder diagram potrebbe essere una valida alternativa Prima della programmazione va stilata una tabella con tutte le entrate e e le uscite Questo elenco viene chiamato lista delle assegnazioni Le seguenti entrate e uscite p es possono essere fissate come segue Parametro simbolo commento E0 0 SO interruttore di emergenza EO 1 S1 avvio E0 2 S2 velocit angolare bassa E0 3 S3 velocit angolare alta E0 4 E0 5 E0 6 E0 7 E1 0 B1 E1 1 B2 posizione finale interna cilindro di fissaggio E1 2 B3 posizione finale interna cilindro di avanz amento E1 3 B4 avanzamento rapido avanzamento di lavoro cilindro di avanzamento E1 4 B5 posizione finale esterna cilindro di avanz ELO E1 6 B6 interruttore a pressione E1 7 A0 0 AO 1 Y1 uscita del il cilindro di fissaggio A0 2 Y2 entrata del cilindro di fissaggio A0 3 Y3 uscita del cilindro di avanzamento A0 4 Y4 entrata del cilindro di avanzamento A0 5 Y5 avanzamento lento A0 6 A0 7 A1 0 A1 1 K1 salvamotore A1 2 K2 bypass salvamotore A1 3 A1 4 H1 indicazione velocita angolare bassa A1 5 H2 indicazione velocita angolare alta A1 6 A1 7 A sec
224. o e un catodo Figura 4 7 Il diodo emettitore di luce funziona in maniera corretta quando la giun zione polarizzata in conduzione ossia se la tensione fornita positi va L intensit della luce dipende dall amperaggio applicato la relazio ne lineare in un ampio intervallo housing gt v C D C D ab 2 Pr ed CC 20 30 40 50 Drive current Figura 4 7 Schema di un LED rappresentazione simbolica e curva caratteristica Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Minos La radiazione emessa da diodi emettitori di luce appartiene ad un ri stretto intervallo di lunghezze d onda Il colore della luce prodotta di pende dalla lunghezza d onda prevalente e dalla composizione del ma teriale del semiconduttore Figura 4 8 LED vengono realizzati con elementi del terzo e quinto gruppo del sistema periodico GaAs arseniuro di gallio in grado di emettere lunghezze d onda dalla radiazione infrarossa fino alla luce rossa 950 650nm GaAsP fosfuro arseniuro di gallio in grado di emettere lunghezze d onda dalla luce rossa fino alla luce gialla 630 590nm GaN nitruro di gallio che emette luce blu 430 nm Il raggio di luce emesso notevolmente diffuso e quindi necessario un condensatore ottico Perci il contenitore del LED contiene una len te convergente fn C i O D 2 Se O D 2 J io OC 600 700 nm 800 Wa
225. o essere trovati molti errori del programma gi prima dell avviamento vero e proprio Cosi si limita deci samente il tempo necessario per un corretto avviamento 2 6 1 Errori tipici durante la programmazione Gi prima di provare il programma per il PLC questo dovrebbe essere controllato in relazione ai tipici errori di programmazione Tra questi Flag output temporizzatori contatori o altri variabili non vengono inizializzati dal programma Gli indirizzi di flag o altri variabili vengono assegnate pi volte Questo porta a risultati diversi nelle diversi parti del programma Il moderno software per la programmazione spesso riconosce automati camente questo tipo di errori e ne informa il programmatore Quando il programma libero da errori pu essere caricato nel PLC Visto che durante il caricamento viene trasmesso soltanto il codice del programma va in ogni modo conservato anche il programma originale Soltanto cos possibile in secondo momento rielaborare il programma per PLC Prima di istallare il PLC bisogna inoltre assicurarsi che la tensione di esercizio del PLC e le tensioni per le uscite e le entrate corrispondano con i valori dell impianto 23 kaaf R minos 3 3 1 3 2 24 Attivazione sicurezza teleservizio Ricerca di guasti Definizione Un guasto secondo la DIN 31051 viene definito come segue Un guasto la mancata esecuzione di una funzione richiesta ad un ele mento dell unita co
226. o il cilindro di serraggio Nella sua posizione finale viene azionato l interruttore del cilindro B2 e in seguito si avvia l avanzamento veloce del cilindro e il motore del trapano La commutazione alla velocit di lavoro indicata con un angolo sulla linea funzionale Se stata raggiunto il fondo corsa del cilindro di avanzamento viene spento il motore del trapano e avviata la corsa di ritorno del cilindro di avanzamento Quando il cilindro di avanzamento torna nella sua posizione finale d entrata ritorna anche il cilindro di serraggio La posizione iniziale viene cos ripristinata Elementi Tempo Denominazione Simbolo Tensione Avanzamento Continuazione Figura 8 8 Diagramma funzionale 145 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 8 2 6 Schema elettrico 146 Lo schema elettrico serve per rappresentare tutti collegamenti tra le apparecchiature e all organo di controllo E uno degli strumenti piu im portanti per rendere possibile la comunicazione fra i tecnici simboli pi utilizzati per i collegamenti e gli elementi idraulici e pneumatici sono riassunti nella DIN ISO 1219 Nel caso di grossi circuiti vengono redatti inoltre elenchi aggiuntivi Le norme e i simboli elettrici pi importanti vengono riportati nelle diversi parti della norma europea EN 61082 Per l elettrotecnica l idraulica e la pneumatica anche gli schemi di cab laggio sono di grande importanza Danno indicazioni su colle
227. o molto piccolo o un oggetto che si muove con una grande velocit il tempo di reazione response time del sensore optoelettronico utilizzato molto importante Il sensore deve riuscire a commutare il segnale originale in poco tempo Il tempo di reazione l arco di tempo che intercorre tra l istante in cui il fascio luminoso investe il sensore e l istante di commutazione del segna le originale Il tempo di rilascio invece l arco di tempo tra la rimozione dell oggetto rilevato e la commutazione del segnale originale Questi tempi non deveono necessariamente coincidere I valori massimi del tempo di reazione e di rilascio vengono indicati nei dati tecnici di ogni sensore Differenze per si verificano spesso perch la frequenza della tensione d impulso dall emittente non pu essere sin cronizzata con il movimento dell oggetto Se si conosce il tempo di reazione si pu fissare la velocit massima di un oggetto o la massima distanza tra gli oggetti da rilevare Tempo dello spostamento dell oggetto ingombro dell oggetto velocit dell oggetto Questo tempo deve essere decisamente pi lungo del tempo di reazione del sensore utilizzato indicato nelle specifiche Se i spazi fra gli oggetti rilevati sono pi piccoli dell ingombro dell oggetto la velocit di passaggio di tali spazi davanti al sensore calcolato secondo la seguente formula tempo dello spostamento dello spazio vuoto larghezza dello spazio intercorren
228. o poichee soddisfa a tutte le specifiche 120 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Il calcolo dei parametri di progetto del del cilindro simile al calcolo gi effettuato per un cilindro che mette in trazione il pezzo da lavorare Si trascuri il grado di efficienza dell attuatore La forza di trazione Fv deve essere pari a 2000 N La pressione idraulica attesa pari a 70 bar E necessario testare se una pressione di 160 bar potrebbe essere preferita Per i cilindri idraulici con una pressione di 70 bar vale p F A A F p A 2000 N 70 bar A 2 86 cm Ne segue un diametro dello stantuffo pari a d 19 1 mm tipici cilindri idraulici hanno un diametro dello stantuffo di 25 mm con una biella dello stantuffo che ha un diametro di 12 mm Un cilindro con queste misure sufficiente e dunque non necessario aumentare la pressione a 160 bar 121 f l Sistemi meccatronici e funzioni Minos c Alimentazione del trapano Per la foratura bisogna scegliere un attuatore adatto Per poter generare il moto di rotazione necessario per la lavorazione sono a disposizione motori a aria compressa motori idraulici motori elettrici Nella tabella si trova una selezione di attrezzi adatti per l alimentazione del trapano Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica Rotazione del trapano frequenza modificabile realizzabile con le realizzabile ma realizzabile con n4 750 r min e valvole a controllo
229. odotto da materiale ferromagnetico debole isteresi stretta e la guaina da un materiale ferromagnetico forte isteresi larga figura 5 5 Ogni intervallo magnetico reagisce diversamente al cambiamento di dire zione del campo magnetico esterno La direzione della magnetizzazione del nucleo ferromagnetico debole cambia pi velocemente di quella della guaina ferromagnetico forte Quando il campo magnetico esterno genera un cambiamento nella direzione di magnetizzazione del nucleo ma non in quello della guaina nella bobina si verifica un breve impulso elettrico 10 20us nella bobina L ampiezza dell impulso praticamen te indipendente dalla velocit con cui cambia la direzione del campo magnetico Per invertire la direzione di magnetizzazione del nucleo il campo magnetico deve essere tre volte inferiore a quello della guaina L effetto Wiegand viene utilizzato nei sensori magnetici per rilevare tras lazioni o rotazioni degli oggetti L LIT FA nucleo mag Ai net morbido i us r fi F Ha LLL ins involucro eee bobina magn duro U Figura 5 5 Effetto Wiegand a trasmissione dell impulso mediante bobina b impulso elettrico prima e dopo il cambiamento di direzione del campo magnetico esterno 81 LY CU minos 5 6 82 Sensori Reed magnete ya contatto Reed Sistemi meccatronici e funzioni Il funzionamento di un tale sensore si basa sulla funzione di un contatto Reed ch
230. olano la forza di tensione necessaria e riducono il pi possibile la magnetizzazione residua medi ante inversione della polarit anche quando manca il sistema di tensione Figura 7 11 Elettromagnete per mettere sotto trazione pezzi da lavorare 117 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos Sistemi che usano la forza magnetica per mettere in tensione possono avere diverse forme Se si tratta di costruzioni circolari delle scana lature o dei fori di centraggio sulla superficie possono rendere pi facile l allineamento del pezzo Costruzione di un sistema che usa la forza magnetica per mettere sotto trazione Latipica forza di bloccaggio di questi sistemi circa di 100 N cm classe di protezione IP 65 ciclo di fatica del magnete ED 100 Il collegamento avviene mediante un controllore con polarit reversibi le mediante i seguenti dati tecnici tensione di rete 230 o 380 V a seconda della misura del magnete frequenza di rete 50 Hz con possibilit di incremento a 60 Hz possibilit di collegamento a un controllore programmabile median te tensione di segnale a 24 V magnetizzazione e demagnetizzazione attraverso un interruttore possibilit di regolazione della forza di bloccaggio rope drum disc Figura 7 12 Attrezzo con magnete 118 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Dopo la valutazione delle caratteristiche dei singoli impianti di ritenuta possibile effettuare un confronto
231. ollore programmabile servono per azionare magneti elettrici delle valvole e per comandare i rele per l alimentazione elettrica della punta del trapano Sistemi meccatronici e funzioni W Minos Per l esempio vengono scelti i sensori seguenti Per il cilindro pneumatico di controllo vengono utilizzati Interruttori reed per i seguenti motivi tipica applicazione per il segnalamento di fine corsa del cilindro interruttore utilizzato pi spesso per registrare la posizione del cilin dro a fine corsa sicurezza e affidabilit alto livello di integrazione nel sistema piena rispondenza alle specifiche Il cilindro idraulico di lavoro e gli interruttori di fine corsa hanno bisogno di un terzo interruttore per modificare la velocit di avanzamento Per tutti e tre sensori vengono utilizzati interruttori di prossimit induttivi Gli interruttori di prossimit induttivi soddisfano le seguenti specifiche a causa del tubo d acciaio del cilindro non possibile utilizzare interruttori reed il campo magnetico verrebbe indebolito in maniera troppo significativa adatto per esaminare il fondo corsa del cilindro sicurezza e affidabilit hanno un prezzo pi basso degli interruttori di prossimit 133 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 134 Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos 8 Sviluppo di un intero sistema meccatronico 8 1 Componenti scelte Prima di produrre la documentazione
232. onda del controllore programmabile a disposizione pu essere eseguita la programmazione 169 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 170 MECCATRONICA Modulo 7 attivatione sicurezza e teleservizio Manuale concetto Matthias Romer Universit Tecnica di Chemnitz Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no 2005 146319 Minos durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no DE 08 LLP LdV TOI 147110 MINOS durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto finanziato con il sostegno della Commissione europea L autore il solo responsabile di questa pubblicazione comunicazione e la Ao Commissione declina ogni responsabilit sull uso che potr essere fatto delle L a DG istruzione e cultura informazioni in essa contenute Programma di apprendimento permanente www minos mechatronic eu Attivazione sicurezza teleservizio I Minos Contenuto 1 OUR ZZ ui 5 1 1 SICUTOZZA usiamo lirica lieto ria a i ii ide 1 2 TBE I 81219 2 Liana 6 ket oUon CNCE oa neo ee eee ei T 1 3 5ICUNSZZA GLIMPIRNITISCNRICI scsi 8 1 4 Sicurezza GlIMPISRIIONAUNGI cirio 10 1 5 Sicurezza di impianti elettrici sr 12 2 PENAZIO 0 ini Rie 14 2 1 INFOGUZIONE cul 14 2 2 Direttive generali per l attivazione iii 15 2 3 Attivazione di impianti elettrici scr 16 re te
233. one in sottosistemi Questi sistemi parziali che vengono azio nati con lo stesso mezzo di trasmissione dell energia dovrebbero essere considerati integralmente quando vengono redatti gli schemi funzionali Per l esempio stato supposto che il fissaggio vada eseguito con com ponenti pneumatici L avanzamento viene eseguito con mezzi idraulici Il terzo sottosistema viene attrezzato con una attuatori elettrici La redazione degli schemi funzionali pneumatici idraulici e elettrici per l esempio pu essere svolta indipendentemente dagli altri sottosistemi Per i diversi sottosistemi sono da considerare diverse norme Sistema di elaborazione tamburo piatto sistema complesso Alimentazione Movimento Sottosistema pneumatico sottosistema idraulico Sottosistema elettrico Sottosistemi Figura 8 12 Sistema complesso e suoi sottosistemi 150 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos 8 3 1 Schema funzionale pneumatico Nel caso di uno schema funzionale bisogna attenersi alle norme DIN ISO 1219 Nella seconda parte descritta come redigere uno schema elettrico e la denominazione dei singoli simboli La rappresentazione nello schema elettrico deve essere chiara e com prensibile Lordine dei componenti non viene considerato Il flusso di energia negli schemi elettrici pneumatici va rappresentato dall alto verso il basso singoli circuiti di controllo vanno denominati partendo dal lato sinistro e procedendo verso destr
234. orch un oggetto di metallo viene prima avvicinato e poi allontanato e quindi cambia il suo stato di output rispettivamente da SPENTO ad ACCESO e da ACCESO a SPENTO Figura 1 6 Il valore dell isteresi dipende dal tipo e dalla grandezza del sensore ed comunemente mi nore del 20 del raggio d azione Quando c un isteresi viene rilevato anche un oggetto che si trova al limite del volume di azione del senso re Alcuni sensori segnalano il loro stato mediante un LED La frequenza tipica di generatori LC nei sensori induttivi alta HF e varia tra i 100 Hz ed 1 MHz Pi grande il diametro della bobina maggiore l assorbimento di corrente e minore la frequenza massi ma di funzionamento Il raggio di azione dei comuni sensori ad induzione compreso entro 60 mm Il supporto del sensore viene prodotto in forma cilindrica o pri smatica di metallo o di plastica e permette il montaggio ottimale nella posizione di funzionamento 12 Figura 1 6 Isteresi del sensore ad induzione Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Il campo magnetico generato dalla bobina influenza un volume limitato di spazio che definisce il raggio d azione del sensore La distanza tra l oggetto e il sensore a cui cambia lo stato di output viene detta raggio d azione nominale S Questo valore viene indica to nei cataloghi e valutato in accordo alle raccomandazioni prescritte nella norma EN 60947 5 2 mediante una piastra quadrata
235. ori Le informazioni vengono scambiate secondo i protocolli di comunicazione standard ethernet bus devicenet modbus CAN AS I Grazie alle reti una parte del segnale viene elaborata a basso livello pi vicino al processo Gli elementi basilari della rete sono moduli d entrata d uscita I O con diverse Interfacce Un modulo ha un indirizzo di rete e permette una trasmissione di dati molto rapida Questo molto importante a livello dei sensori dove necessaria una elaborazione dei dati in quanto sono stretti i tempi di decisione sensori dove hanno luogo un elaborazione complicata dei dati e si giunge rapidamente a decisioni Figura 1 14 Sistema di comunicazione con e senza bus 22 1 12 Applicazioni Sistemi meccatronici e funzioni 23 Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 24 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 2 Sensori capacitivi 2 1 Introduzione sensori capacitivi usano un campo elettrico per riconoscere oggetti nella loro raggio d azione Possono riconoscere sia oggetti di metallo sia oggetti p es di plastica che non conducono corrente Un sensore capacitivo pu riconoscere un oggetto che si trova dietro uno strato non conduttore Perci viene utilizzato per rilevare un fluido o un granulato in un contenitore sensori capacitivi generano un segnale che pro porzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore Il raggio d azione di un sensore capacitivo 3
236. ori a sbarramento genera un onda continua Non esiste quindi una zona morta 61 a Componenti meccatronici sensori Manuale Receiver Figura 3 17 Segnale di output di un sensore a sbarramento a prima di rilevare un oggetto b dopo il rilevamento 62 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos sensori a sbarramento vengono impiegati soprattutto per rilevare og getti porosi che diffondono onde sonore o che le assorbono e oggetti con una forma complicata che non possono essere rilevati dai sensori a diffusione Se un oggetto che riflette bene le onde sonore si trova nella posizione rappresentata nella Figura 3 18 non pu essere rilevato dal sensore a diffusione perch langolo fra londa riflessa e l asse del sensore troppo grande Un oggetto di questo tipo interrompe l onda sonora e pu essere rilevato agevolmente mediante un sensore a sbarramento La frequenza di commutazione del segnale di output nei sensori a sbarramento maggiore al confronto di quella ottenibile con i sensori a diffusione e pu giungere fino a 200 Hz Reflected beam direction OBJECT Reflected beam direction Figura 3 18 Oggetto che non viene rilevato da un sensore a diffusione e che pu essere invece rilevato da un sensore a sbarramento 3 4 Errori possibili 3 4 1 Fattori fisici seguenti fattori possono disturbare il funzionamento del sensore Correnti d aria che cambiano la velocit o la direzion
237. os Sistemi meccatronici e funzioni Per poter utilizzare i contattori del motore elettrico necessario un altro schema elettrico Questi contattori vengono azionati con 24 V di tensione continua Con l interruttore S1 viene assicurato il collegamento di tutti i percorsi della rete anche in caso di emergenza interruzione di corrente Si accende il motore azionando il tasto S3 Cosi viene azionato il con tattore K2 e il rel temporizzatore KST Il contattore K2 viene attivato chiude Il contatto e attiva Il contattore K1 Il contattore K1 viene acceso chiude il circuito e resta attivo mediante il contatto K1 Anche quando il tasto S8 viene rilasciato K2 e KST tramite il contatto di chiusura K1 il contatto di chiusura K2 e il contatto di apertura K3T rimangono sotto tensione e quindi attivati Il motore viene acceso mediante il contattore K1 Il rel temporizzatore dopo 3 s si spegne e spegne K2 aprendo il contatto K3T Cos viene interrotto il collegamento alla valvola di protezione del motore durante l avviamento Azionando il tasto S2 viene interrotto il circuito di controllo Si disattiva il contattore K1 e il motore viene spento Uscita di emergenza S1 ie Figura 8 17 Schema elettrico per lo spunto del motore sotto carico 158 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 8 4 Costruzione di un sistema di controllo complesso Prima di mettere a disposizione un controllo complesso c la situa zione iniziale son
238. ossibile con rischio possibile con rischio bilit di immagazzinamento molto buono di perdite di perdite elevato SI ossibile per distanze molto buono per ossibilit di trasporto ro p molto buone r brevi lunghe distanze icurezza di sovraccarico sicura sicura non sicura nessuno se prese nessuno se prese in considerazione le ischi per la salute i i e p in considerazione le nessuno MISUre di sicurezza misure di sicurezza concerni i dispositivi elettrici separazione d aria cavitazione resistente a basse temperature resistente a corrosione e abrasione resistente a corrosione e abrasione Tabella 7 3 Caratteristiche e specifiche dei mezzi che trasmettono energia 110 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Nella tabella segunte vengono confrontate le caratteristiche fisiche dei mezzi di trasmissione dell energia in elettroidraulica elettropneumatica ed elettrotecnica Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica Propriet dei materiali possibilmente a compressibile molto pulita bassa densit nessuna coesione trasportazione possi bassa compressibilit capacit di deposito bile distanze lunghe a Il livello di viscosit energia potenziale basso rischio di perdite non deve essere il volume a seconda Capacit di deposito basso della temperatura viscosita appropriata capacita di dissolven a seconda della za dell acqua a secon tempera tura da dell
239. ostato verticalmente all asse del contatto Reed lo stato d uscita abbia una sola commutazione dello stato d uscita L alloggiamento dei sensori magnetici con un contatto Reed pu avere forme diverse cilindriche quadratiche o molto complesse che dipendono dalle condizioni d uso La forma del sensore impone la zona dove un ma gnete si pu muovere Per qualche sensore il magnete si deve muovere soltanto lungo la superficie frontale del sensore Per altri sensori il mag nete si pu muovere anche di fronte alle superficie laterale del sensore Figura 5 7 Zone di commutazione del segnale d uscita in dipendenza dalla posizione e l orientamento del magnete 83 84 Sensori Hall j i pae Sistemi meccatronici e funzioni sensori Hall usano l effetto Hall Il loro segnale d uscita cambia quando la variazione di un campo magnetico esterno induce la tensione aggi untiva di Hall I sensori Hall hanno bisogno di essere alimentati con corrente continua Se un magnete si trova al di fuori del raggio d azione del sensore la corrente attraversa indisturbata la piastra di materiale semiconduttore e la differenza di potenziale sui bordi della piastra 0 Se un magnete si trova nel raggio d azione del sensore il suo campo magnetico induce tensione Hall sui bordi della piastra Questa tensione viene misurata e regola il transistore d uscita del sensore figura 5 8 I sensori Hall normalmente hanno tre conduttori La loro tensio
240. otta il margine operativo dovrebbe essere maggiore di 50 Un diodo lampeggiante segnala condizioni di funzionamento instabili quando l illuminazione del sensore troppo bassa per commutare il segnale d output Per il sensore a diffusione importante anche l isteresi differenza del livello del segnale tra il livello per accendere l output e quello per spe gnerlo Figura 4 29 Il raggio di azione del sensore viene sempre va lutato per il livello di accensione dell uscita punto switch ON Switching output ON level Hysteresis Switching output OFF level Le fn O C aD io V To Cc DI Y Output ON Figura 4 29 Isteresi di un sensore a diffusione 108 Componenti meccatronici sensori Manuale f Minos Diffuse sensor n H OFF Ei L D J 2 L n gt IL Detecting distance S Figura 4 30 Relazione tra isteresi e la distanza fra il sensore a diffusione e Poggetto rilevato 109 Lf T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 4 4 4 Raggio d azione Una caratteristica di sensori ottici il raggio di azione che viene e spresso mediante la massima distanza di funzionamento Per le bar riere ottiche unidirezionali il raggio di azione la distanza massima tra emittente e rilevatore Per le barriere ottiche a riflessione la distanza massima fra il sensore e il riflettore Per il sensore a diffusione la di stanza massima fra il sensore e l oggetto da rilevare Fi
241. p Valgono le regole dell algebra binaria booleana Il schema logico dunque rappresenta il flusso dei segnali con simboli com binatoriali e per lamemorizzazione nel quale le linee di azione vengono rappresentate senza frecce simboli grafici per le funzioni logiche e gli elementi binari sono fissati nella norma EN 60617 12 Molti produttori nel caso di sistemi di controllo semplici non usano ta belle combinatoriali Preferiscono il schema logico con i simboli per collegamenti In tal modo il schema logico serve anche per facilitare la comunicazione fra elettricisti da un lato e esperti di elettronica e operai nel settore pneumatico e nell idraulico dall altro Sistemi meccatronici e funzioni S1 inizio S 2A R attraversomento rapida 2A processo R S R Figura 8 4 Schema logico 8 2 4 Piano funzionale Il piano funzionale simile al diagramma sequanziale delle funzioni il linguaggio di programmazione del controllore programmabile realizzato da pi passi concatenati in modo sequenziale Il passo iniziale indicato in modo specifico Durante le operazione sempre uno ed un solo passo ad essere attivo Le azioni che devono essere attivate per pi passi devono essere avviati e resettati in seguito L attivazione del passo successivo viene operato mediante istruzioni condizionali inserite tra i vari passi Con il piano funzionale possono essere rappresentate procedure di controllo in maniera mol
242. parallelo sensori a due conduttori si sommano le cadute di tensione nel circuito anche se tutti i sensori sono spenti a causa del collegamento comune con l utilizzatore Questo ef fetto pu disturbare il corretto funzionamento del circuito Perci non consigliabile collegare in parallelo due sensori a due con duttori Il numero massimo di sensori che si possono collegare dipende dalla somma delle correnti di perdita e l utilizzatore 25 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Figura 1 19 Collegamento in parallelo di un gruppo di sensori funzione logica OR 1 11 Protezione e sicurezza dei sensori sensori possono essere protetti da errori di installazione e da malfun zionamenti durante l uso Elementi di protezione elettrica proteggono i circuiti interni del sensori da un collegamento alla rete con polarit invertite un extracorrente di apertura all output picchi di tensione della rete un superamento dell intensit di corrente ammessa per l output o cortocircuiti Un cortocircuito nel circuito elettrico non danneggia i sensori con ali mentazione in corrente continua anche se ha luogo pi volte per un periodo lungo In seguito a questo evento soltanto i LED del sensore non continuano a funzionare Mentre il sensore una volta rimosso il cortocircuito riprende a funzionare normalmente 26 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Quando la tensione della rete rap
243. per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no 2005 146319 Minos durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no DE 08 LLP LdV TOI 147110 MINOS durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto finanziato con il sostegno della Commissione europea L autore il solo responsabile di questa pubblicazione comunicazione e la Commissione declina ogni responsabilit sull uso che potr essere fatto delle informazioni in essa contenute Ar ge DG Istruzione e cultura www minos mechatronic eu Pro era mma d a ppre n d m ento permanente Indice Obiettivi di teleservizio e diagnosi Sistemi di diagnosi Manutenzione di sistemi di diagnosi Tendenze nello sviluppo Lf Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook tf Minos Aims and tasks of remote diagnostics and servicing Modern machine systems 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 processors or com puters Control decisions are take n on the basis of signals from sen sors located in executin g mechatronic system components supplying information about the condition of the latter and about the performance of the tasks The inform ation is use d to infer about system operation and task process performance correctness and to evaluate
244. per regolare la sensibilit del sensore un involucro 7 e una copertura trasparente 8 figura 4 1 Figura 4 1 Struttura di un sensore cilindrico optoelettronico 51 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos circuiti elettronici contengono figura 4 2 un oscillatore 3 per ottenere una fonte di luce modulata un demodulatore 4 per separare il segnale utile Altri elementi del sensori sono un emittente 1 un ricevitore 2 e un tran sistore 5 Gli elementi dei sensori sumenzionati si trovano in uno o due involucri indipendenti Il numero di involucri dipende dall oggetto a seconda se interrompe o riflette il raggio di luce Figura 4 2 Circuiti elettronici di sensori optoelettronici A sensore di passaggio Through Beam Sensor B Sensore di riflessione Retro Reflective Sensor C Sensore a diffusione Difuse Sensor 52 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 4 2 Tipologie di sensori 4 2 1 Sensori a sbarramento Nei sensori a sbarramento il fascio luminoso viene inviato dall emittente direttamente al ricevente che si trova sullo stesso asse ma in un supporto separato Questi sensori rilevano gli oggetti che si trovano tra l emittente e il ricevente e che interrompono il raggio di luce Sono robusti rispetto a condizioni di solito ritenute critiche p es sporco vapore e nebbia ll loro raggio d azione il maggiore pi di 50 m Le due versioni costrut tive pi diffuse sono quella
245. permanenti fissati all oggetto da rilevare Gli oggetti possono essere prodotti in materiali diversi anche se sono preferibili oggetti non ferromagnetici perch garantiscono una raggio d azione maggiore Gli elementi che reagiscono al campo magnetico posso essere un con tatto elettrico chiuso ermeticamente contatto Reed un elemento di un semiconduttore sensore Hall una resistenza magnetica o un materiale di caratteristiche magnetiche speciali Campi magnetici attraversano la maggior parte dei materiali non ma gnetici Perci un oggetto pu essere rilevato anche se si trova un diamagnetico p es un tubo di plastica o un contenitore di plastica fra oggetto e sensore Se un sensore viene avvicinato al sensore in direzione X o Y il segnale d uscita viene commutato Questo pu essere segnalato da un diodo luminoso figura 5 1 MAGNET l elemento che reagisce sul campo eos a magnetico s m ug detettore sistema d uscita Figura 5 1 Costruzione di un sensore magnetico 11 LY CU minos 5 2 78 Isteresi a campo magnetico generato Sistemi meccatronici e funzioni Un materiale ferromagnetico che si trova in un campo magnetico esterno soggetto a magnetizzazione e smagnetizzazione in fuzione della direzione del campo magnetico Il ciclo d isteresi dipende dalle caratteristiche del materiale figura 5 2 Maggiore l area del diagramma del ciclo d isteresi pi il materiale
246. presenta un pericolo per le persone sensori con i supporti di metallo devono avere un contatto aggiuntivo di messa a terra Se un sensore collegato in serie con l utilizzatore circola ancora cor rente nel circuito anche quando il sensore spento Figura 1 20 Que sto pu danneggiare il sensore o causare un segnale di OFF perma nente Una resistenza aggiuntiva Rp collegata in parallelo viene inserita nel circuito per evitare questo effetto Il valore di resistenza Rp e la po tenza P dissipata della resistenza si possono calcolare come segue Rp U Imin P U Rp Ql i gt O T E Sn San O D av DE qe b 0 100 200 Supply voltage V Figura 1 20 La corrente di perdita nel circuito quando il sensore ad induzione spento con alimentazione in corrente alternata 1 12 Collegamento dei sensori ad una rete di comunicazione Le reti di comunicazione con bus di campo rappresentano pi moder na la soluzione per il collegamento fra sensori ed elementi di controllo Con le reti di comunicazione vengono sostituiti i collegamenti classici per evitare un gran numero di lunghi cavi Questo concetto si basa su due elementi dei concentratori intermedi network hub che raccolgono il segnale di un gruppo di sensori e li in viano all unit centrale Figura 1 21 Grazie a questa soluzione si rie sce a abbattere i costi in misura decisiva accrescere la distanza tra sensor
247. que assente la zona morta ricevitore trasmettitore OFF trasmettitore Figura 3 8 Segnale d uscita del sensore di passaggio a prima di rilevare l oggetto b dopo aver rilevato l oggetto baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos sensori di passaggio vengono utilizzati soprattutto per individuare oggetti porosi dissipativi o fonoassorbenti e oggetti con una forma complicata che non possono essere individuati dai sensori a diffusione Se un oggetto che riflette bene le onde sonore si trova nella posizione riportata in figura 3 9 non pu essere individuato dal sensore a diffusione perch l angolo fra londa riflessa e l asse del sensore troppo grande Un tale oggetto interrompe l onda sonora e pu essere rilevato sempli cemente da un sensore di passaggio La frequenza della commutazione del segnale d uscita nei sensori di passaggio paragonata con i sensori a diffusione maggiore e pu arri vare fino a 200 Hz onda sonora riflessa OBJEKT onda sonora riflessa Figura 3 9 Oggetto che non viene rilevato da un sensore a diffusione e che viene rilevato invece da un sensore di transito 41 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 3 5 Fattori di disturbo 42 seguenti fattori possono interferire con la funzionalita del sensore Correnti d aria che cambiano velocit o direzione dell onda sonora in modo da rendere difficile l individuazione di un oggetto o da compromet ter
248. r pone un oggetto ferromagnetico fra sensore e magnete la funzione del sensore viene disturbata e il segnale d uscita potrebbe essere erronea mente commutato materiale non ferro materiale non ferro a magnetico magnetico Figura 5 12 Influenza degli elementi ferromagnetici e non ferromagnetici sulle caratteristiche di sensori magnetici 89 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5 10 Applicazioni sensori magnetici vengono utilizzati per rilevare oggetti che si trovano in un tubo di plastica o un conteni tore di plastica rilevare oggetti che si trovano in un ambiente aggressivo attraverso uno strato protettivo rilevare oggetti ad elevate temperature un elemento ferromagne tico si pu trovare vicino all oggetto rilevare oggetti in rotazione e o traslazione Figura 5 13 Rilevare la posizione del pistone in un cilindro non ferromagnetico con un sensore Reed Figura 5 14 Rilevare la posizione angolare di un tavolo mediante sensore Hall 90 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 6 Funzione dei sensori nei sistemi meccatronici 6 1 Applicazioni principali dei sensori nei sistemi meccatronici sensori vengono impiegati nei sistemi meccatronici principalmente per assicurare la corretta operazione dei loro componenti e l esecuzione rela tiva ai processi di funzioni di controllo Essi vengono usati per identificare l esecuzione dei sistemi nelle loro condizioni di operazione mis
249. ramma di funzionamento le norme per l avviamento le istruzioni per l avviamento Attivazione sicurezza teleservizio T Minos 3 3 Modo di procedere durante la ricerca di disturbi o guasti Se si verifica un disturbo o uno guasto in un sistema complesso que sto si manifesta in una funzione alterata o porta alla sospensione della funzione del impianto Per rendere possibile che il responsabile possa localizzare velocemente il guasto o il disturbo necessario di ricercarlo con operazioni svolte secondo un corretto ordine diagnosi del disturbo scoperta del disturbo dal rumore o visiva delimitare il guasto con mezzi di ausilio ad es schemi funzionali eliminazione del guasto o del disturbo Allorch si tratta con sistemi complessi costituiti da sottosistemi idraulici pneumatici elettrici o sottosistemi connessi una precisa localizzazione del disturbo ancora pi importante 3 3 1 Ricerca di disturbi con diagramma funzionale Una utile alternativa per localizzare disturbi tecnici o guasti l uso del diagramma funzionale Sono adatti a questo scopo anche schemi logici diagrammi dello svolgimento delle funzioni o diagrammi di flusso del programma Insieme con gli schemi funzionali anche il diagramma fun zionale una efficiente opportunit 3 3 2 Ricerca di disturbi con programma per la ricerca di disturbi Grazie ad un continuo lavoro di sviluppo di algoritmi per la ricerca di di sturbi e le esperienze fatt
250. ratteristiche costruttive sensori ottici utilizzano un raggio di luce per rilevare oggetti nel loro raggio d azione Possono rilevare oggetti di materiale qualsiasi che si trovano da alcuni millimetri fino ad alcune decine di metri di distanza dal sensore Questi sensori reagiscono quando il raggio luminoso da essi generato viene interrotto o riflesso Le variazioni nel raggio lumi noso vengono trasformati in un segnale elettrico che controlla l output del sensore Un sensore optoelettronico schematicamente costituito da una fonte di luce 1 un rivelatore di luce 2 circuiti elettronici 3 un sistema di output 4 uno o due diodi luminosi che segnalano lo stato di funziona mento 5 un potenziometro 6 per regolare la sensibilit del sensore un involucro 7 e una copertura trasparente 8 Figura 4 1 80 Figura 4 1 Schema di un sensore optoelettronico cilindrico Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos circuiti elettronici includono un oscillatore 3 per ottenere una fonte di luce modulata un demodulatore 4 per separare il segnale utile Figura 4 2 Gli altri elementi del sensore sono l emettitore 1 il rivelatore 2 ed un transistor 5 Gli elementi di sensori citati sopra si trovano in uno o due involucri se parati Questo dipende dal modo in cui l oggetto viene rilevato ossia se interrompe configurazione A o riflette il raggio di luce configurazioni BeC Figura 4 2 Componenti essenzia
251. rbe una parte della luce e a volte il raggio rimanente non basta per rilevare l oggetto In tal caso vengono utilizzati dei tipi speciali di sensori a diffusione Per individuare il raggio d azione massimo di un sensore a diffusione viene utilizzata una superficie calibrata diffondente un foglio di carta bianca o carta KODAK che riflette il 90 del raggio di luce 4 3 Rimozione dell interferenza sensori a diffusione sono sensibili nei confronti di disturbi che vengono generati dall interferenza ottica soprattutto quella di una luce naturale con intensit costante e quella di una luce artificiale con uno spettro simile a quello della luce naturale o di una luce lampeggiante raggi di luce di queste fonti che raggiungono un sensore optoeletronico possono influenzare la corrente generata dall emittente e causare segnali d uscita sbagliati Per evitare reazioni sbagliate i sensori vengono attrezzati con sistemi che in un certo grado escludono questi disturbi e influenzano la sensibilit dei sensori in maniera adatta Lo sporcamento olio o polvere su superficie di oggetti scoperti e dei lenti dei sensori pu generare problemi aggiuntivi 50 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 4 3 1 Modulazione della luce 56 Se i sensori optoelettronici usano luce modulata non sono sensibili alla luce dell ambiente esterno La luce dall emittente poi viene accesa soltan to per un breve arco di tempo molto pi breve della pausa
252. re Un errore di alcuni gradi non inficia il funzionamento del sensore La legge di retroriflessione bidimensionale vale anche per un sistema di tre specchi che si trovano perpendicolari l uno verso l altro Il raggio di luce che arriva viene riflesso da tutte e tre le superfici e il raggio riflesso parallelo a quello incidente Un sistema di tre di specchi triple mirrors viene utilizzato come riflettore nei sensori retroriflettenti Il raggio di luce effettivo dipende dal diametro delle lenti nel trasmettitore e nel ricevitore e dalla superficie del riflettore Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 4 2 3 Sensori a diffusione sensori a diffusione hanno soltanto un involucro nel quale si trovano trasmettitore e ricevitore Il loro grande vantaggio che non richiedono un riflettore La luce generata dall emittente viene riflessa da un oggetto e torna al ricevitore ed in seguito viene commutato il segnale d uscita sensori a diffusione hanno un modesto raggio di azione che 100 200 mm Oggetti al di fuori del raggio di azione non vengono individuati cos come i disturbi da essi generati vengono automaticamente eliminati Il raggio d azione dipende dal coefficiente di riflessione dell oggetto da rilevare che viene influenzato da colore e tipo della superficie Una su perficie lucida pu riflettere la luce anche se si trova lontana dal sensore per disturba l esatta individuazione dell oggetto Una superficie opaca asso
253. re questo vengono usati mezzi di protezione aggiuntivi La frequenza massima di commutazione di contatti Reed dipende dalla loro costruzione e dalle caratteristiche del materiale normalmente va Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos da 200 a 250 Hz La massima corrente ammissibile attraverso un con tatto Reed pu essere anche di 3 A a Glass casing Neutral gas Contact c ODBIORNIK ODBIORNIK D Figura 5 5 Contatto Reed a schema b effetto del campo magnetico c mezzi di protezione condensatore C resistenza R diodo D variatore W Ci sono tre posizioni A B e C in cui le lamelle di un contatto Reed possono essere chiuse Questo non vuol per dire che i contatti ven gano sempre chiusi se si trova un magnete nelle vicinanze Infatti que sto dipende dalla posizione dell asse magnetico del magnete rispetto all asse del contatto Reed Se un magnete viene spostato parallelamente alasse del contatto Reed le lamelle vengono chiuse tre volte nei punti A B C Figura 5 6 Se l asse del magnete ruotato in verticale rispetto all asse del contat to Reed le lamelle vengono chiuse soltanto due volte nei punti A e Se un magnete orientato parallelamente viene spostato in direzione perpendicolare all asse del contatto Reed le lamelle vengono chiuse soltanto quando si trova esattamente in corrispondenza di uno dei punti A B e C Se un magnete orientato perpendicolarmente viene spos
254. ri Wiegand a con un campo magnetico mobile b con una conduttore impulsivo mobile 86 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos C ancora una terza possibilit sia i magneti sia il conduttore impulsivo e la bobina si trovano nella testa del sensore In questo caso la direzione del campo magnetico viene modificata mediante materiale ferromagnetico che si trova nel raggio d azione del sensore Perci si possono usare tali sensori per contare oggetti ferromagnetici che si spostano p es i denti di una ruota dentata e di conseguenza la velocit angolare Se un oggetto si sposta davanti al sensore la polarizzazione magnetica del conduttore impulsivo viene invertita due volte Ogni cambiamento induce un impulso elettrico nella bobina I sensori Wiegand non hanno bisogno di alimentazione Contengono due conduttori e possono lavorare in condizioni difficili La frequenza e l ampiezza degli impulsi generati possono essere elevati fino a 20 kHz e alcuni Volts 8 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 5 8 3 Sensori magnetici a magnete permanente Il sensore magnetico pi semplice consiste in una bobina avvolta su un magnete permanete figura 5 11 Un oggetto ferromagnetico che si muove vicino al sensore modifica il campo magnetico che attraversa la bobina e genera in essa una tensione Tali sensori non rilevano per oggetti immobili perch la tensione d uscita dipende dalla velocit dell oggetto Pi lentament
255. ri anulari ad INdUZIONE niasin E NaN EANN NE RNE EE TREE NANNE 17 1 4 2 Sensori insensibili al campo magnetico 18 1 4 3 Sensori per condizioni ambientali severe 19 1 5 Rilevamento della direzione del MOtO cccceescceeeeeeeseeeeeeeeeeseeeeeeeaeeaeneeneas 19 1 6 Sensori NAMUR aie Pci 20 1 7 Sensori ad induzione ANAIOGICL cccceeeeceeeeeeeenseeeenseseeneesenseesenseesenseesones 22 1 8 Alimentazione in corrente continua DC ccceseesseeeeesseneseneeeeeeseneeenees 23 1 9 Alimentazione in corrente alternata AC iii 23 1 10 Tecnica di collegamento dei SEnsori 11 11rssrrrsiii siii 24 1 11 Protezione e sicurezza dei sensori 1 11s ssssriieiie iii 26 1 12 Collegamento dei sensori ad una rete di comunicazione 27 1 13 APPICAZIONI a rat 28 2 DENSON Capaci ani 30 2 1 NOZIONI di DASeriai iii 30 2 2 PRINCIDIO TSI CO cecnxeceaee mene seen ionici 31 2 3 Funzionamento del sensore capacitivo 1 s1rrrireiiieiiiieii 33 2 4 Tipi di sensori CAPACI Wl accscecncecanccenececencaesiaccensceseceavcussvensuessvenvsucesenssteesscestese 37 2 5 Influenza del materiale dell oggetto rr 38 2 6 Soppressione dei distUfbi luiiilico 41 2 7 00 0 llecyn OP P E A A A E N E A AE E IR 41 3 Sen
256. ri di operazioni rilevanti La valutazione viene fatta attraverso la misurazione dei parametri che indicano la logorazione dei componenti del sistema per mezzo di sensori specifici sensori sono istallati in modo permanente nelle strutture di certi sistemi oppure ven gono incorporati in sensori singoli o multipli dei sistemi di misurazione specializzati Qualche volta la diagnosi di manutenzione viene condotta in maniera remoto questo argomento verr affrontato separatamente oppure di rettamente all interno di oggetti meccatronici auto diagnosi Le propri et di misurazione dei sensori in questi tipi di diagnosi varia a seconda della precisione necessaria al sistema ed il suo modo di controllare le funzioni di manutenzione 99 LY CU minos 7 7 1 96 Sistemi meccatronici e funzioni Sviluppo di sottosistemi meccatronici Introduzione Lo sviluppo tecnico delle procedure industriali soecialmente nella costru zione di macchine e impianti dimostra che per la realizzazione di obiettivi produttivi necessit di flessibilit e di qualit vengono utilizzati sistemi e tecnologie sempre pi complessi Questo porta ad un continuo aumento del know how tecnologico e ad una specializzazione nei diversi campi scientifici Ci necessariamente aumenta il ventaglio delle possibi soluzioni di implementazione di com plicate funzioni di controllo Ingegneri specializzati in meccatronica possono essere assunti per man sioni ch
257. ri e microelettronica I componenti dei sistemi di controllo pneumatici e idraulici funzionano prevalentemente ad energia elettrica cio in maniera elettromeccanica ed elettrica Gli attuatori elettrici rappresentano un importante legame fra le appa recchiature meccaniche ed elettriche prese in considerazione dalla meccatronica Come attuatore le macchine elettriche hanno un ruolo dominate in tutti i campi dell economia Gli ambiti in cui viene utilizzata diventano sempre pi vasti L efficienza del sistema ha il ruolo predominante nella scelta della corretta propulsione elettrica Sistemi meccatronici e funzioni Wi Minos Nella tabella viene fatto un Confronto fra i sistemi E Elettroidraulica Elettropneumatica Elettrotecnica dal greco hydor dal greco pneuma Concetti acqua respiro Costruzione del basato su componenti basato su componenti basato su componenti sistema idraulici ed elettrici idraulici ed elettrici idraulici ed elettrici da idrauliche a mecca da pneumatiche a da elettriche in Moto e forze i niche meccaniche meccaniche attraverso l utilizzo di attraverso l utilizzo di attraverso l utilizzo di componenti elettronici componenti elettronici componenti elettronici ed elettrici ed elettrici ed elettrici Segnale di ingresso ed elaborazione Tabella 7 2 Confronto dei sistemi Nella parte operativa del controllo vengono utilizzati diversi mezzi per trasmettere l
258. ristiche costruttive ccceeeceneeeneeeeseceneeenseensecenseonsecesenenesensenenesens 80 COMPONENTI T0t0GletHriCl ua 81 PRINICIDIO NSICO saraceni iena naar aria iaia 81 EMO secca 85 FOON VAO nia re 91 Tipologie di SENSORI coe iaia i pia iaia ea iva dua 96 Barriere ottiche unidirezionali 96 SENSO 5550 iaia 97 SEN ON a AUSOO nn 101 Elaborazione di segnali i 102 OM OEIC iC el sir ee 102 Soppressione delle interferenze ii 104 MAGI OPA iii 107 RAGGIO CAZIONE iii 110 FOPO AO ZONO iero 111 Tipi speciali di sensori OC 112 Barriera ottica a luce polarizzata 112 Sensori a diffusione con eliminazione dello Sfondo 113 Barriera ottica autocollimante 116 SCISOT a Dre OWCE siirre neia EERE EEREN 117 Tecnica di collegamento s ursnuninurununonurenuneninunununuenaaniana aiaa 122 JIPIFGIFGONSO AMICO siciliani iii 122 Commutazione dell uscita del Sensore sariri rirEiik 123 APPICAZIONI pini 124 sensorrmagnelici x xmn aisi ai airone 127 Nozioni di base 11 11r rrsrrrsire ine si nei 127 PIINGIPIO ISICO cara 128 l CAMPO MAGNETICO iii 128 COMO RSS dae ini iii n 130 Effetto Hall ananeenenenennenennnenensnnnnnnnnenrennrrnrrrnrnnrnrnrnrsrrnrrrnrrnrnrnrnrrnrnrnrrnrernrrnnne 132 Enero MAGMEIONCSISUV O cirie 133 L effetto Wiegand svitesixiwsvev
259. ronici sensori Manuale Pa Minos Figura 4 45 Rilevamento di oggetti lucidi con un sensore optoelettronico a riflessione 125 a Componenti meccatronici sensori Manuale Figura 4 46 Controllo del livello di fluido in un contenitore di vetro con un sensore optoelettronico a riflessione con filtro di polarizzazione Figura 4 47 Controllo dell integrita di un utensile con una barriera di luce unidirezionale a fibre ottiche 126 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 5 Sensori magnetici 5 1 Nozioni di base sensori a campo magnetico rilevano principalmente oggetti a cui pos sono essere fissati magneti Questo tipo di sensori viene ampiamente impiegato nell automazione industriale perch hanno un elevato raggio d azione e perch i loro piccoli involucri e chiusi ermeticamente posso no avere forme molto diverse Le forme di base dei sensori a campo magnetico non richiedono un alimentazione con corrente e possono essere collegate direttamen te al sistema di controllo Possono comandare anche autonomamente talune apparecchiature Un altro vantaggio l ampio intervallo di ten sioni e correnti di collegamento anche oltre 1000 V e alcuni A sensori a campo magnetico reagiscono ad un campo magnetico che normalmente viene creato da magneti permanenti fissati all oggetto da rilevare Gli oggetti possono essere costituiti di materiali diversi ma gli oggetti non ferromagnetici sono i pi adatti p
260. ronici sensori Manuale Pa Minos 2 4 Tipi di sensori capacitivi sensori capacitivi normalmente hanno forma cilindrica o prismatica La loro parte attiva si trova all estremit del sensore Figura 2 7 Ci sono due tipi di sensori cilindrici sensori del primo tipo hanno uno schermo e soltanto una zona d azione ad un estremit Questa va istal lata sul di una superficie di metallo o plastica Figura 2 8a sensori del secondo tipo non hanno uno schermo e un volume d azione tutto intorno al sensore Questi sensori vengono impiegati se vanno in con tatto con il mezzo da individuare fluido o granulato Hanno un raggio d azione del 50 pi grande perch il loro campo elettrico maggiore Ci sono anche sensori speciali come quelli flessibili che possono esse re adattati a superfici piane o curve Figura 2 7 Varianti tipiche di sensori capacitivi 37 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Quando si istallano sensori capacitivi si dovrebbero seguire le regole rappresentate nella Figura 2 8 per evitare l interferenza e disturbi e sterni circuiti di output e le connessioni dei sensori capacitivi sono simili a quelli dei sensori ad induzione sensori capacitivi possono avere due tre o quattro conduttori con alimentazione in corrente continua o alter nata Figura 2 8 Schemi di montaggio di sensori capacitivi a di superficie b non di superficie 2 5 Influenza del materiale dell oggetto
261. rrente in mezzo organo di controllo di corrente in alto attuatore Le valvole dovrebbero essere disegnate possibilmente in maniera oriz zontale e le condutture dritte e senza incroci Bisogna fare attenzione che tutti gli impianti vengano disegnati nella posizione iniziale Se si tratta di un sistema di controllo complesso con pi elementi di lavoro il controllo dovrebbe essere suddiviso in singole catene di distri buzione per ogni elemento operativo pu essere formata una catena Queste catene dovrebbero essere disegnate possibilmente nell ordine del percorso del moto una accanto all altra Un attuatore ed il relativo sistema di controllo formano una catena di controllo sistemi di controllo idraulici complessi consistono di pi catene di distribuzione Queste devono essere collocate l una accanto all altra e numerate con un numero di riferimento L alimentazione a corrente pu non essere assegnata ad una catena di controllo visto che compete a pi catene di controllo nei grandi sistemi di controllo idraulici Viene assegnato il numero di riferimento 0 La denominazione dell elemento costruttivo pu essere estesa mediante il numero dell apparecchiatura Questo viene messo davanti alla deno minazione e separata con un trattino Esempio La denominazione di un elemento costruttivo 2 3V5 Questa denominazione ha il seguente significato Esempio 2 numero dell impianto 3 numero del circuito V contrassegno dell e
262. s and algorithms and sometimes artificia 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 from 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 amplifi ers integrated with the sensors digital filters and proper signal proc essing In this way one can greatly increase the measurement resolu tion Tool Mai temperature Vibrations em Geometry drive load deformation i Feed Tool chipping __ 7 oS drive load Machine force __ Air temperature and humidity Tool wear Supply voltage Rotation speed Ball screw forces Machine tool temperature T ori i i Spindle torgue Workpiece temperate y i Er Oil feed d t eh Mower ie Oil pressure Oil temperature Air pressure Acoustic emission Clamping pressure Feed force Positioning accuracy Axies and connectors Palette clamping force Y7 Presence of unmachined workpiece Geometry Guard closing Palette clamping force of unmachined workpiece Fig 1 Typical machining centre quantities requiring monitoring Lf Remote diagnostics and servicing of mechatronic syste
263. separato figura 4 16 Due cavi in fibra ottica che si trovano l una sull altro equivalgono ad un sensore a sbarramento Se il raggio viene interrotto l oggetto viene rile vato Due conduttori di derivazione sono collegati alla testa di un sensore sensing head Tramite il primo conduttore viene trasmesso il raggio emesso e tramite il secondo conduttore il raggio torna al ricevente Se la luce emessa viene riflessa dall oggetto esso viene rilevato uscita amplificatore del cavo in fibra ottica testa sensore Figura 4 16 Tipi di sensori con cavi in fibra ottica a a sbarramento b a diffusione 70 Sistemi meccatronici e funzioni t Minos Grazie alle dimensioni ridotte della testa del cavo in fibra ottica tali sen sori possono rilevare oggetti molto piccoli ed essere installati dove non possibile installare altri sensori Inoltre possono lavorare nei liquidi e in posti ad alto rischio di esplosione Sono robusti agli urti e alle vibrazioni Perci possono essere installati su meccanismi in moto Un LED che emette una luce rossa visibile o infrarossa pu essere uti lizzato come fonte di luce Il diametro esterno di un cavo in fibra ottica standard 2 2 mm e la sua lunghezza standard minore di 2 m 71 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4 9 4 9 1 Tecniche di collegamento Tipi di collegamento sensori optoeletronici hanno due modi di lavorare il procedimento scuro
264. sione nell impianto va aumentata lentamente con il regolato re di pressione del sistema di manutenzione o in maniera automati ca con una valvola per il travaso Le valvole a farfalla vanno aperte lentamente Primava fatta una prova di funzionamento senza pezzi in lavorazio ne L intero processo sulla linea pu essere diviso in diverse fasi Lo smistamento dei pezzi pu avvenire a intermittenza Le posizioni degli interruttori di fine corsa vanno controllate Devono scattare in maniera sicura e non essere sovraccaricati Una successiva prova di funzionamento va condotta con un pezzo in lavorazione Va verifficato che le forze e le velocit indicate vengano raggiunte 1 kaaf R minos 2 3 3 18 Ispezione Attivazione sicurezza teleservizio Quando un impianto stato avviato ed in marcia va prestata attenzione ai seguenti dettagli il corretto funzionamento il rendimento e lo stato del sistema pneumatico come anche dei singoli attrezzi da sorvegliare La temperatura dellambiente non deve essere difforme dai valori indicati per i singoli elementi Lo stato del fluido nell oliatore nebbiogeno da controllare rego larmente Se necessario va aggiunto olio Lo stato del fluido nel separatore d acqua da controllare rego larmente Se necessario va svuotato il serbatoio filtri sono da cambiare regolarmente o quando necessario La pressione nel sistema deve essere controllata regolarm
265. sono collegati con un oscillatore ad alta frequenza Figura 2 1 Se nel campo elettrico del sensore non si trova alcun og getto l oscillatore non lavora Se un oggetto entra in questo campo la capacit tra gli elettrodi A e B aumenta e viene acceso loscillatore Il rivelatore analizza l ampiezza delle oscillazioni del oscillatore e crea un segnale per il sistema di commutazione Tra l oscillatore e gli elettrodi si trova un potenziometro con cui pu essere impostato il limite d inserzione dell oscillatore La distanza tra l oggetto e il sensore a cui cambia lo stato di output viene chiamata raggio d azione nominale del sensore Sn Figura 2 6 Questo valore viene misurato mediante una piastra quadrata di acciaio FE360 con collegamento a terra La sua larghezza deve essere uguale 35 36 Componenti meccatronici sensori Manuale al diametro del sensore o tre volte Sn se maggiore ed il suo spessore deve essere 1 mm Sn distanza nominale operativa Sr distanza operativa attuale di x 0 9 Sn lt Sr lt 1 15 Sn Area attiva del sensore con il Per voltaggi e temperatura costante 20 C diametro d aa Sa distanza operativa sicura 0 lt Sa lt 0 72 Sn Su distanza operativa utile STANDARDIZED TARGET 0 72 Sn lt Su lt 1 32 Sn imm FE360 grounded dxd Per 85 100 del voltaggio della temperatura operativa Figura 2 6 Determinazione del raggio d azione per un sensore capacitivo Componenti meccat
266. sono molto elastiche e possono essere piegate quasi sen za restrizioni I cavi a fibre ottiche possono contenere una due o pi fibre Figura 4 39 118 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Cable jacket Filling Figura 4 39 Cavi a fibre ottiche con diverso numero di fibre conduttori di vetro possono sopportare temperature d esercizio pi al te fino a 250 che i conduttori di plastica fino a 70 Le fibre ottiche di plastica per sono pi resistenti dal punto di vista meccanico hanno un costo pi basso e possono essere tagliate in maniera pi semplice Le fibre ottiche di vetro trasmettono in maniera efficiente sia la luce vi sibile sia la radiazione infrarossa conduttori di plastica vengono usati soltanto per trasmettere luce visibile perch hanno un coefficiente di efficienza troppo basso nel trasmettere la radiazione infrarossa Ad ogni estremit della fibra ottica si trova una testa cilindrica di metal lo o una biforcazione per il collegamento ai sensori Ne esistono due tipi per connessioni di passaggio e connessioni di derivazione Figura 4 40 conduttori per connessioni di passaggio hanno un solo nucleo single core conduttori per connessioni di derivazione hanno due o pi nu clei double core o multi core 119 Componenti meccatronici sensori Manuale Testa del rilevatore Figura 4 40 Tipi di fibre ottiche a conduttori di passaggio e b conduttori di d
267. sor NaS ONIN G lonirnar RE aai 45 3 1 Nozioni di DASCe ui aa 45 3 2 PrINGIDIO TESCO icra sce ce tena aeete aaneen sats ccesvaraveteuevscetscsueestccsrsecsseatees 46 3 2 1 Propagazione delle onde acustiche nell aria 46 3 2 2 INUUSSO AGIFAMAPICHIG sana rane a 49 3 2 3 Trasduttori acustici sence eeeeeeeseeeeeeeeeeeeeeaeeeeeeuetseeteeseeeneetaeenaeenes 51 3 2 4 Generazione delle onde ultrasoniche 53 3 3 3 3 1 3 3 2 3 4 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 5 3 5 1 3 9 2 3 6 4 1 4 2 4 2 1 4 2 2 4 2 3 4 3 4 3 1 4 3 2 4 3 3 4 4 4 4 1 4 4 2 4 4 3 4 4 4 4 4 5 4 5 4 5 1 4 5 2 4 5 3 4 5 4 4 6 4 6 1 4 6 2 4 7 5 1 5 2 5 2 1 Di 2 5 2 3 5 2 4 525 5 3 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Funzionamento dei sensori UltraSONICl c cesseeneeeneceneeeseenseenseeneeenesenes 56 LoGallita GIHUSIONE aa 58 3 3 2 Modalit a sbarramMEnto 61 EON Ne e 0 P A RSA 63 Fattori SIC conero ni eni een 63 Polo Cl MST HAZ ONG e an 64 SIMCFONIZZAZIONG di SEIS ON lexccarcearcatuecoraaisacanascancseamiacicunecerteantcceussaanetensatncsenacts 66 Sensori ullrasonicispeGiali i iii 67 SENSOre a FINESSIONE ai 67 Sensori con doppio trasduttore 69 Sensori ultrasonici analogici ssssnnsnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nnmnnn 72 Sensori ONIGI unirono pierre 80 Caratte
268. sore Se l intensit del suono nel volume grigio non sufficiente per un corretto funzionamento del sensore soltanto il cono del suono con un angolo ava utilizzato durante la misurazione Figura 3 10b L energia dell onda ultrasonica nel volume giallo aggiunge il 50 all energia intorno all asse del sensore b Se si conosce la distanza X tra l oggetto e il sensore ere calco lato il diametro del cono del suono D vicino all oggetiu vune segue D 2 X tan a 2 X distanza tra l oggetto e il sensore a angolo del cono di suono Componenti meccatronici sensori Manuale Minos Figura 3 10 Onda ultrasonica a sezione longitudinale del raggio lungo l asse del sensore L angolo di apertura del cono sonoro adatto ai diversi im pieghi varia tra alcuni gradi fino ad alcune decine di gradi Sia l angolo di apertura sia la forma del raggio ultrasonico dipendono dalla grandezza forma e frequenza della super ficie del trasduttore Perci esistono anche forme molto di verse del raggio acustico Figura 3 11 Figura 3 11 Forme diverse del raggio acustico 55 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale La precisione della misurazione dipende dalla distanza tra l oggetto e il sensore Figura 3 12 In funzione della precisione pu essere calcolato il raggio d azione del sensore nel quale l oggetto pu essere individuato con certezza Figura 3 12 Relazione tra la precisione della misurazione e la dista
269. sore Se si usa un oggetto pi piccolo della piastra standard o una minore distanza tra le piastre anche la frequenza massima del segnale d uscita viene ridotta Figura 1 10 Le condizioni prescritte dalla Norma Europea 50010 per stabilire la frequenza massima del segnale d uscita di un sensore ad induzione 1 4 Tipi speciali di sensori 16 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 1 4 1 Sensori anulari ad induzione Il volume di azione dei sensori anulari ad induzione localizzato all interno del loro alloggiamento anulare Questi sensori rilevano og getti metallici che attraversano il foro nel loro supporto Spesso vengo no usati per rilevare piccoli oggetti di metallo come viti e dadi e per contarli supporti dei sensori anulari sono di materiale plastico Il principio di funzionamento del sensore anulare si basa su un oscilla tore ad alta frequenza che crea un campo magnetico nell apertura del sensore Viene usato un nucleo magnetico sinterizzato di forma toroi dale che ha un fattore di qualit maggiore di un nucleo di ferrite La presenza di un oggetto di metallo causa una riduzione dell ampiezza dell oscillazione Il comparatore rileva questi cambiamenti e se supe rato un valore di soglia il segnale di output viene commutato Il raggio d azione del sensore dipende dal diametro dell apertura del sensore e dalla grandezza e dal tipo dell oggetto da rilevare Il sensore funziona se il campo m
270. sori ottici hanno una regione caratteristica di commutazione del segnale d output La sua grandezza e la sua forma dipendono dal diametro del raggio di luce emesso e dalla distanza tra oggetto ripreso e il sensore tra l emettitore e il rilevatore per le barriere ottiche unidi rezionali Il segnale d output viene commutato solo se l oggetto da ri levare o l emettitore si trova in questa zona La regione caratteristica di commutazione del segnale d output se un oggetto o l emettitore viene spostato di fronte al rilevatore del sensore di fronte pu essere rappresentata nel cosiddetto diagramma di rispo sta Emitter Distance X Figura 4 43 Diagramma di risposta di una barriera ottica unidirezionale Una caratteristica importante di tutti i sensori di rilevamento la fre quenza massima di commutazione il numero massimo possibile dei cambiamenti del segnale d output in un secondo espresso in Hz Per 123 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos i sensori ottici la frequenza massima viene definita sulla base del tem po di risposta e di rilascio che indicato tra i dati tecnici di ogni senso re Per questo calcolo si assume che i due tempi siano uguali fmax 103 Tempo di reazione tempo di rilascio fmax Hz tempo di reazione tempo di rilascio ms 4 7 Applicazioni Figura 4 44 Controllo della tensione di un nastro con sensori optoelettronico a sbarramento 124 Componenti meccat
271. sori standard registrano soltanto la presenza o meno di un oggetto di metallo sensori analogici induttivi registrano soltanto la posizione di un oggetto nel raggio d azione del sensore Se l oggetto da 0 fino a Sn si muove cambia il segnale d uscita da 0 a 20 mA Il campo magnetico alternato generato dal circuito risonante viene smor zato dall oggetto di metallo che si trova nel raggio d azione Pi vicino il sensore all oggetto pi forte lo smorzamento Un oscillatore speciale rende possibile lo smorzamento del circuito riso nante con una modifica della distanza p es il fattore di qualit Grazie ad un sistema di linearizzazione il segnale d uscita quasi lineare L figura riferita all acciaio St37 che ha il raggio d azione maggiore Se vengono utilizzati metalli con una parmabilit magnetica minore va utilizzato un opportuno coefficiente di correzione Oggigiorno la maggior parte dei sensori ha una caratteristica quasi lineare in tutto l intervallo di misura loin testa sensore generatore sistema di sistema d uscita linearizzazione current mA Figura 1 10 Sensore induttivo analogico 17 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 1 8 Alimentazione con corrente continua 18 sensori alimentati con corrente continua si interfacciano spesso ad adattatori la cui tensione fluttua Se queste variazioni d ampiezza sono troppo grandi non se ne pu prevedere il comportamento
272. ssono es sere istallati su Meccanismi mobili Un LED che emette luce rossa visibile o infrarossa pu essere utilizza to come fonte di luce Il diametro esterno di un cavo a fibra ottica stan dard di 2 2 mm e la sua lunghezza normalmente inferiore a 2 m 121 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos 4 6 Tecnica di collegamento 4 6 1 Tipi di collegamento sensori ottici hanno due modalit di funzionamento la modalit scura DO dark operate la modalit chiara LO light operate L uscita di sensori che usano la modalit scura attiva ON quando la luce emessa non raggiunge il rilevatore L uscita di sensori che usano la modalit chiara attiva ON quando la luce emessa raggiunge il ri levatore La relazione fra segnale d output di sensori che usano la modalit scu ra e l illuminazione del rilevatore rappresentata nella Figura 4 42 Per la modalit chiara vanno invertiti tutti i segnali d output rappresen tati nella Figura 4 42 Operating mode DARK Operate DO a Through Beam Sensor Output OFF foca nb Je b Retro Reflective Sensor c Diffuse Sensor Output OFF Output ON Object org I pei Receiver i Emitter Emitter E Output ra i ere oa i Figura 4 42 d origine per sensori che usano il procedimento scuro 122 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 4 6 2 Commutazione dell uscita del sensore Tutti sen
273. ssono essere utilizzati sensori ad ultrasuoni generano un ultrasuono e misurano l arco di tempo tra l invio del segnale e la ricezione dell eco Questo arco di tempo proporzionale alla distanza fra oggetto e sensore La frequenza di scansione del segnale d uscita paragonata con quella di sensori di rivelatore abbastanza bassa di alcune fino a 100 Hz Il convertitore ultrasonico genera un onda acustica la cui frequenza molto pi alta di 20 kHz A causa dell alta frequenza di lavoro del convertitore i sensori ad ultrasuoni non sono sensibili all influenza di suoni nell ambiente Un sensore ultrasonico contiene un generatore ad alta tensione un convertitore piezoelettrico nella testa del sensore un sistema per l elaborazione del segnali e un sistema d uscita figura 3 1 oggetto testa sensore generatore detettore sistema d uscita Figura 3 1 Costruzione di un sensore ultrasonico 33 LY CU minos Sistemi meccatronici e funzioni 3 2 Influenza dell ambiente 34 La velocit la diffusione e la lunghezza dell onda acustica dipendono anche dall ambiente Se cambiano le caratteristiche fisiche dell ambiente aria cambia anche la precisione della misurazione della distanza Que ste caratteristiche sono Temperatura cambiamenti di temperatura causano un cambiamento della velocit del suono 0 17 K figura 3 2 La maggior parte dei sensori contiene nell interno un condensatore di temperatura elet
274. stemi che non sono riparabili sono da usare le seguenti parametri di affidabilit il tasso di fermo guasto la distribuzione della durata di vita la probabilit di guasto la probabilit di sopravvivenza la densit di probabilit di guasto Per sistemi che sono riparabili sono validi i seguenti parametri durata media di funzionamento fino al momento del guasto distanza media fra i guasti distanza media fra due guasti durata media di un fermo disponibilit istantanea e stazionaria probabilit di rispristino Questi parametri gi mostrano che per la trattazione matematica dell affidabilit bisogna utilizzare il calcolo della probabilit Attivazione sicurezza teleservizio f Minos 1 2 1 Fondamenti delle soluzioni tecniche Nella tecnica per la sicurezza vengono usate diverse strategie Queste si fondano sui seguenti principi Il principio della separazione delle funzioni ad ogni funzione che deve compiere un elemento costruttivo correla diversi elementi responsabili per la funzione Cos ad es un serbatoio in pressione pu essere inter namente rivestito di acciaio inossabile per evitare la corrosione Ma le forze di pressione nel recipiente vengono constrastate grazie all acciaio Il principio della vita sicura significa che ogni parte di un gruppo della macchina ma anche il gruppo stesso sopravvive senza guasti per la durata di funzionamento prevista Per raggiungere questo scopo ogni par
275. stessa maniera gli alveoli magnetici Figura 5 3 Se questi alveoli vengono orientati da un campo magnetico esterno il materiale ferromagnetico si comporta come un magnete Le caratteri stiche ferromagnetiche dell acciaio dipendono dalla sua composizione chimica e dal trattamento termico che ha subito Figura 5 3 Alveoli magnetici in un materiale ferromagnetico a non magnetizzato b magnetizzato materiale ferromagnetici che si trovano in un campo esterno magne tico in dipendenza dalla direzione del campo magnetico vengono ma gnetizzati o smagnetizzati Il fenomeno dellisteresi dipende dalle ca ratteristiche del materiale ferromagnetico Figura 5 4 Se la curva d isteresi larga il materiale ferromagnetico viene difficilmente sma gnetizzato Tale tipo di materiali ferromagnetici Fe Co Ni Co ferriti dure sono detti ferromagnetici duri ed Impiegati come magneti per manenti Se la curva d isteresi stretta il materiale ferromagnetico si riesce a magnetizzare e smagnetizzare agevolmente Tali materiali fer romagnetici ferro Fe Si Fe Al ferriti dolci leghe amorfe vengono chiamati dolci e utilizzati come nucleo magnetico In virt delle caratteristiche magnetiche descritte si pu costruire diver si tipi di sensori a campo magnetico Un campo magnetico nel vuoto viene caratterizzato dal vettore d induzione del campo magnetico By L induzione del campo magneti co B in un materiale omogeneo qualsiasi
276. stic signals with the require d informa tional conte nt from the diagnosed object to a near or far receiver a monitoring station ora monitoring centre A proper inference system an intelligent advisory system or an expert will assess the disturbances and will take appropriate service decision s remotely generating fore casts evaluating the deviations and identifying the degradation of the operating parameters with a required accuracy and probability The di agnosing 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 taken in a planned and prepared way to keep adverse economic consequences to minimum intelligent action optimum planning of service tasks for operating periods most conven ient to the user Lf Nel Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems Textbook Minos 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 structure of objects could be penetrated by means of sensors to satisfy diagnostic
277. suppone che questi tempi siano uguali fmax 10 Tempo di reazione tempo di rilascio fmax Hz tempo di reazione tempo di rilascio ms 73 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4 10 Applicazioni Figura 4 18 Controllo del ascensore band con un sensore optoeletronico Figura 4 19 Rilevare gli oggetti opachi con un sensore optoeletronico 74 Sistemi meccatronici e funzioni t Figura 4 20 Controllare l altezza del fluido in un contenitore di vetro con un sensore retroriflettente optoeletronico con un filtro di polarizzazione Figura 4 21 Rilevare la spaccatura di un utensile con una barriera di luce monouso con cavi in fibra ottica to Wi Sistemi meccatronici e funzioni Minos 76 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 5 Sensori magnetici 5 1 Informazioni di base sensori magnetici rilevano soprattutto oggetti a cui possono esse re applicati magneti Questo tipo di sensori viene utilizzato spesso nell automazione industriale grazie ad un grande raggio d azione e all ampia gamma di alloggiamenti compatti ed ermetici Le forme di base dei sensori magnetici non hanno bisogno di alimenta zione e possono essere collegati direttamente al centro di controllo Un altro vantaggio l ampio intervallo di tensioni e correnti di collegamento pi di 1000 V e alcuni A sensori magnetici reagiscono ad un campo magnetico che normalmen te viene generato da magneti
278. tato nella Figura 3 20 riceve due echi B e A Ma l eco A raggiunge il sensore A pi velocemente di quanto faccia leco A con il sensore B Grazie alla sincronizzazione i sensori reagiscono soltanto al primo eco A e viene evitata l interferenza delle onde acustiche sensori sincro nizzati inviano segnali nello stesso momento e funzionano come un sensore con un cono ultrasonico maggiorato che rileva l unico oggetto Figura 3 20 Sincronizzazione di sensori affiancati e che rilevano un unico oggetto 66 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 3 5 Sensori ultrasonici speciali 3 5 1 Il sensore a riflessione sensori a riflessione o barriere ultrasoniche misurano la differenza tra il tempo di ritorno dell onda sonore riflessa dall oggetto e il tempo di ritorno dell onda riflessa dal riflettore Una superficie qualsiasi pu es sere usata come riflettore Se l onda sonora riflessa dall oggetto torna prima dell onda riflessa dal riflettore il segnale d output viene commu tato Figura 3 21b Reflector Reflector Figura 3 21 Segnale d output del sensore di riflessione a prima di individuare l oggetto b dopo l individuazione del oggetto 67 Componenti meccatronici sensori Manuale sensori a riflessione possono reagire anche all interruzione delle onde acustiche causata da oggetti che assorbano le onde acustiche o che le diffondono Il segnale d output viene quindi commutato
279. tato in direzione perpendicolare all asse del contatto Reed i punti in cui le lamelle vengono chiuse sono ovviamente soltanto A e C 131 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale ON ON ON Figura 5 6 Posizioni in cui le lamelle di un contatto Reed possono essere chiuse quando un magnete viene 5 2 3 Effetto Hall 132 spostato parallelamente all asse del contatto L effetto Hall consiste nel manifestarsi di un campo elettrico addiziona le in una piastra di un materiale conduttore o semiconduttore attraver sata da corrente che si trova immersa in un campo magnetico esterno Sotto l influsso del campo magnetico esterno le cariche elettriche si accumulano soltanto ad un bordo della piastra e nasce una differenza potenziale la cosiddetta tensione di Hall Vy Il campo elettrico addi zionale viene generato perpendicolarmente sia alla direzione del cam po magnetico B sia della corrente lc E massimo quando il campo ma gnetico esterno perpendicolare alla direzione della corrente Figura 5 7 Per la piastra rappresentata in basso vale la relazione seguente Vy Ry B I d dove Ry costante di Hall che indica la mobilit dei vettori energetici d spessore della piastra Per le applicazioni pratiche dell effetto Hall si deve possibilmente otte nere un valore elevato della tensione Vp Questo pu essere raggiunto se si impiegano lamelle molto sottili 0 1 mm di un materiale con alta mobilit degli el
280. tato perpendicolarmente viene spostato in direzione parallela all asse del contatto Reed il segnale di output viene commutato due volte Se un magnete orientato parallela mente o perpendicolarmente viene spostato in direzione perpendicola re alasse del contatto Reed lo segnale di output viene commutato sol tanto una volta 136 X lt gt vj Isa POSA i Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos OFF Y OFF ON sa e 4 i LI Z OFF lt 4 ON Z Figura 5 11 Zone di commutazione del segnale di output in dipendenza dalla posizione e l orientamento del magneto L alloggiamento dei sensori a campo magnetico con contatto Reed pu avere forme diverse cilindriche prismatiche o molto complesse che dipendono dalle condizioni d uso La forma del sensore definisce le direzioni in cui un magnete si pu muovere Per alcuni sensori il magnete si deve muovere soltanto di fronte alla superficie frontale del sensore Per altri tipi di sensori il magnete si pu muovere anche di fronte alle superficie laterale del sensore sensori con contatto Reed hanno tre contatti o soltanto due se non hanno un LED di segnalazione dello stato La frequenza massima di commutazione del segnale di output bassa ed e normalmente di 200 250 Hz La corrente ammissibile che attraversa un contatto Reed pu arrivare fino a 3 A Quando l amperaggio basso il sensore pu funzionare anche ad
281. te tra gli oggeti velocit dell oggetto Questo tempo deve essere maggiore del tempo di reazione del sensore utilizzato indicato nel catalogo baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 4 7 Tipi speciali di sensori optoeletronici 4 7 1 Sensoriretroriflettenti a riflessione polarizzata Nei sensori retroriflettenti che sfruttano la polarizzazione la luce gene rata dall emittente viene indirizzata con una lente convergente e un filtro orizzontale di polarizzazione verso un riflettore con specchi tripli figura 4 10 Gli specchi tripli ruotano la direzione di polarizzazione del fascio luminoso di 90 Una parte della luce riflessa attraversa un filtro verticale di polarizzazione prima di raggiungere il ricevitore che in tal modo viene investito dalla sola luce riflessa dal riflettore filtri di polarizzazione generano perdite di intensit della luce emessa II raggio di azione di tali sensori 30 40 minore dei sensori retroriflettenti standard Vengono spesso usati come fonte di luce LED che emettono luce rossa nel campo visibile polarizzatore orrizontale T Aa a riflettore con specchi tripli lenti all a sd gi i A E val vrrv polarizzato ricevitore re verticale Figura 4 10 Sensori retroriflettenti a riflessione polarizzata 63 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4 7 2 Sensori a diffusione a soppressione di primo piano e di sfondo In molti sensori a diffusione
282. te viene sovradimensionata con un certo fattore di sicurezza Il principio del guasto sicuro permette inconvenienti tecnici Questi per non devono creare problemi gravi Qui valgono le seguenti condizioni A causa dell inconveniente tecnico la funzione pu essere limitata soltan to in maniera tale che le persone l ambiente o cose non sono in pericolo La limitata funzione del pezzo deve essere garantita finch pu essere fermato e sostituito senza pericolo La limitata funzione del pezzo difettoso deve essere chiaramente visibile Anche se un pezzo non funziona pi deve essere possibile una valuta zione della sicurezza generale Nel caso della duplicazione diverse copie della parte vengono istallate cos che le parti in pi possono svolgere pienamente o parzialmente la funzione degli elementi difettosi Questa condizione si chiama ridondanza Si distingue fra ridondanza attiva e passiva Con la ridondanza attiva tutte le copie degli elementi costruttivi lavorano simultaneamente anche se una sola potrebbe assolvere la funzione In questo caso si ha una durata di vita attesa pi breve ma non si rischiano problemi con l avviamento della riserva quando durante il funzionamento diviene necessario ricorrervi Nella ridondanza passiva invece le parti necessarie nel caso di un guasto sono in riserva Per l attivazione devono essere attivate Il principio del funzionamento alternativo assomiglia alla ridondanza In questo caso
283. tecnica per un sistema di controllo complesso vanno selezionati gli elementi di trasmissione adatti alle spe cifiche Questo stato realizzato confrontando sottosistemi pneumatici idraulici ed elettrici Spesso molto difficile trovare una soluzione ottima per una data appli cazione dal momento che i campi d applicazione e i parametri tecnici il pi delle volte coincidono Non bisogna meravigliarsi dunque che nella prassi spesso sono necessari dei compromessi per raggiungere un certo obiettivo requisito Per esempio sono stati scelti i seguenti attuatori Per adempiere alla funzione di fissaggio stato individuato un cilindro pneumatico di controllo come attuatore pi adatto Per l avanzamento stato scelto il cilindro idraulico come attuatore piu adatto Visto che le specifiche richiedo che devono essere realizzate due velo cit angolari differenti per mettere in rotazione il tamburo del trapano sembrato pi adatto un motore elettrico con trasmissione Per la realizzazione del sistema complesso stato scelto un controllore programmabile Per segnalare il fondo corsa del cilindro pneumatico sono stati scelti interruttori reed e per il cilindro idraulico interruttori di prossimit induttivi Per i cilindri si potrebbero utilizzare anche interruttori meccanici di po sizione che per spesso non vengono per preferiti in quanto hanno bisogno di lavorare mediante contatti esposti pertanto a maggiore usura Inoltre
284. the inten sity of distur bances resulting in errors which need to be actively mini mized and compensated The contro I is conducted according to an al gorithm which takes int o account a Il 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 intelli gently using appropriate Al tools T he diagnosing of a sin gle mecha tronic system whole machines an d processes 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 and repairs for the users Therefore it has become necessary to continuou sly monitor machines and processes forecast disturbances take measures preventing proc ess 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 re motely since only the manufacturers of mechatronic modules and sys tems have the require d knowledg e to ident ify nonstandard distur bances and their effects and to take service decisions The task of remote diagnostics is to wirelessly transmit for a short o r considerable distance diagno
285. tivi di visualizzazione sono da controllare devono funziona re correttamente Va verificato l innesto dolce di tutti gli elementi Bisogna valutare lo stato generale della rete di distribuzione Particolare attenzione necessitano anche i serbatoi in pressione Se si tratta di serbatoi riempiti di gas va controllata la pressione di serraggio e corretta ove necessario Particolare attenzione dovuta anche nel caso di impianti idraulici con valvole regolatrici A causa della loro sensibilit quando vengono lavati da tenere presente che la valvola regolatrice va rimossa prima del lavaggio e sostituita con una flangia per il risciacquo Cos la condotta di mandata viene collegata al ritorno Le condotte del cilindro vengono in tal modo bloccate Prima del lavaggio rimuovere l elemento filtrante del filtro a pressio ne e poi lavare l impianto Dopo il lavaggio rimontare l elemento filtrante del filtro a pressione e cambiare il filtro di ritorno Risciaquare l impianto e rimontare la valvola regolatrice 21 kaa R minos Attivazione sicurezza teleservizio 2 5 Avviamento degli impianti elettrici 22 Al primo avviamento di ogni macchina motrice elettrica questa va sot toposta ad un esame preventivo Con questo viene verificato se i dati tecnici prescritti per l impianto sono stati rispettati Durante il primo esame nella procedura di test l impianto viene collegato alla tensione elettrica Parallelamente ai
286. to compatta Possono essere utilizzata si una rappresentazione approssimata che di dettaglio del sistema di controllo Il piano funzionale secondo la DIN 40719 in Germania nel 2005 stato sostituito dagli standard Grafcet secondo la EN 60848 141 Sistemi meccatronici e funzioni C9483 Seleziona velocita Hi 1 Avviso velocit di rotazione a Uno Tasto d accensione w Y1 4 Tensione Provino tirato Y2 1 OMi Colpo veloce Motore a uno Fine colpo veloce lavoro Fine corsa colpo di lavoro Y2 0 CIEL Colpo di ritorno e motore off Attivazione cilindro di inserimento TO ho aa Pa DD cn CO Qu Y1 0 Cilindro di ritorno id i on DI L m red a D a mE Di DI Reset velocit di rotazione Figura 8 5 Grafcet 142 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 8 2 4 Diagramma funzionale Il diagramma funzionale tipicamente un diagramma di percorso o un diagramma di stato Diagrammi percorso passo o diagrammi percorso tempo vengono dunque indicati anche come diagrammi funzionali Nel diagramma percorso passo il moto di un attuatore viene rappresen tato tramite linee E adatto soltanto per la rappresentazione di processi semplici come p es il moto di uno o pi cilindri Lo svolgimento delle funzioni durante nel diagramma percorso passo viene suddiviso in singoli passi cambiamenti di stato di un elemento iniziano e terminano
287. to e l aerazione tutti indicati dal produttore vanno rispettati E verificare che gli azionamenti vengano istallati in maniera tale che tutte le forze prevedibili possono essere sostenute Indicazioni al riguardo si trovano nei cataloghi o nelle istruzioni per l uso Relativamente ai cilindri idraulici da prestare attenzione alla loro re sistenza alla pressoflessione al dispositivo d arresto all allineamento e al fissaggio alla ventilazione e alle uscite dell aria Se necessario va protetta l asta dello stantuffo Se si tratta di cilindri idraulici fin dal momento dell installazione bisogna prestare attenzione al tipo di valvola ed alla maniera in cui viene istallata il punto d istallazione e ad ogni possibile concatenazione fra gli effetti della manovra delle valvole Inoltre da verificare la maniera in cui viene usata la valvola e l azionamento a mano se si tratta di valvole elettriche Le valvole vanno etichettate secondo la marcatura per i mezzi di pro duzione Il fluido a pressione usato nel sistema deve essere specificato devono esserne definiti sia il tipo sia le caratteristiche L indicazione del nome del produttore in questo caso non basta Inoltre il fluido non deve danneggiare altri elementi costruttivi dle sistema Se c il pericolo di fuoco bisogna prendere in considerazione l uso di fluidi difficilmente infiammabili Quando l impianto in funzione necessario un controllo regolare della co
288. toposti a tensioni meccaniche Non devono verificarsi vibrazioni e altri movimenti che potrebbero causare danni Per l uso di tubi flessibili da badare che siano sufficientemente lunghi e non abbiano raggi di curvatura troppo piccoli tubi non devono avere punti di sfregamento essere piegati e strozzati Prima dell istallazione da controllare la pulizia dei tubi se necessario vanno puliti Per quanto riguarda tubi saldati o tubi che sono stati piegati quando erano caldi vanno controllate le calamine sulle parti interne Risciacquando i tubi senza valvole e cilindri si possono rimuovere le eventuali impurit Nei tubi forati non deve crearsi un rigurgito Il fluido idraulico dovrebbe poter tornare al serbatoio senza problemi In caso di necessit vanno schermati per evitare pericoli i pezzi non coperti dei cilindri come l asta dello stantuffo Da nessun elemento movimentato devono nascere pericoli per i lavoratori 2 4 1 Riempimento dell impianto con il fluido idraulico Il serbatoio i tubi i tubi flessibili ed i filtri devono essere liberati da sporco ed impurit prima di riempire l impianto da verficare secondo la loro funzione se le valvole devono essere aperte o chiuse Nel serbatoio idraulico non deve entrare aria non filtrata II filtro per l aria in entrata o uscita deve essere funzionale Va usato soltanto l olio idraulico previsto dal produttore Va prestata attenzione al tipo alla viscosicit ed all
289. tore si trova nel campo magnetico della bobina l ampiezza dell oscillazione viene smorzata Se si rimuove il conduttore lo smorzamento si riduce fino a che l ampiezza ritorna al va lore iniziale Campo magnetico della corrente aes x DI te e gt JO OM OHR Bobina Pog t o e A RO gt 3 magnetica zee a n Se es a s a a s a a es gt 2a Bobina Amplitude Amplitude Ferromagnetic core amplitudine n Core ferromagnetico Figura 1 5 Effetto di un oggetto metallico nel campo magnetico della bobina avvolta sul nucleo di ferrite 11 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale In dipendenza dal grado di smorzamento dell ampiezza nel circuito ri sonante elettrico del sensore viene calcolata la distanza tra l oggetto e la bobina e generato il segnale d uscita Nella maggior parte dei casi il segnale ha due stati Molto pi raramente il segnale analogico ed in versamente proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore Il circuito elettronico del sensore oltre alla testa di rilevazione contiene un comparatore con isteresi e un sistema di output Tramite l isteresi si evitano disturbi del segnale d uscita quando viene cambiato lo stato se l oggetto di metallo instabile o soggetto a vibrazioni oppure se varia no la tensione di alimentazione o la temperatura ambientale L isteresi la differenza tra le distanze alle quali il sensore reagisce al l
290. torilevatore grazie all assorbimento della radiazione luminosa cos si genera una corren te In un fotorilevatore non illuminato circola soltanto una piccola cor rente di buio fotorilevatori reagiscono rapidamente ad un impulso di luce Il tempo di salita il tempo in cui l amperaggio cambia dalla fra zione 0 1 fino a 0 9 del valore massimo Il tempo di caduta un arco di tempo in cui l amperaggio cambia da 0 9 fino a 0 1 del valore massimo Figura 4 12 id C eb b gt O dead dal O Figura 4 12 Il tempo di salita tr e il tempo di discesa tf di un impulso di corrente in un fotoraddrizzatore fotodiodi vengono prodotti con silicio o arseniuro di gallio Funzionano in combinazione con una fonte esterna di tensione che ha una polariz zazione negativa Quando il fotodiodo viene illuminato la giunzione p n incrementa la corrente di ritorno del fotodiodo in funzione dall intensita della luce che colpisce l assorbitore Il condensatore ottico serve ad accrescere tale intensit luminosa Figura 4 13 Un vantaggio importante del fotodiodo l alta frequenza di funziona mento Il fotodiodo elabora segnali di luce con una frequenza fino ad alcune decine di MHz Uno svantaggio del fotodiodo la forte dipen denza della corrente inversa della temperatura 91 Componenti meccatronici sensori Manuale Minos LAT Tr Condenser Contatto R I Absorber ONON NN N NNN NN A ZV DI NE
291. tronico che spesso elimina tale inconveniente in 2 di 3 casi Pressione Se cambia la pressione dell aria di 5 cambia anche la velocit dell onda acustica di 0 6 Umidit Se l umidit cresce aumenta anche la velocit dell onda acustica al massimo per 2 Correnti d aria l influenza delle correnti d aria dipende dalla loro direzione e intensit venti forti con una velocit superiore ai 50 km h che si pro pagano nella stessa direzione delle onde acustiche possono cambiarne notevolmente la velocit venti che si muovono perpendicolarmente alla direzione delle onde acustiche ne alterano la direzione in modo indesiderato Inquinamento Un forte inquinamento dell aria causa l inquinamento dell emittente di onde ultrasoniche e pu abbassare cos Il raggio d azione del sensore per 30 verlocit onda acustica temperatura o Figura 3 2 Rapporto tra velocit di onde acustiche e temperatura baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 3 2 4 Generazione di onde acustiche La maggior parte delle onde acustiche viene generato da convertitori piezoelettrici L effetto piezoelettrico consiste in cariche elettriche generate a causa di una tensione meccanica Alcuni cristalli solfato di litio quarzo hanno le caratteristiche piezoelettri che perch la loro rete di cristalli ha una forma elicoidale Questo effetto reversibile cio un convertitore pu essere deformato con una tensione
292. tti da pellicole polimeriche 57 ee hag Sistemi meccatronici e funzioni Minos fonte di luce filtro di polazizza zione i luce polaziz zata fonte di luce luce bianca luce polarizzata fonte di luce _ luce bianca filtro di polarizza zione K Ants Fie wy dla specchio luce polariz zata Figura 4 6 Polarizzazione di luce spegnere luce di due filtri b riflessione della luce polarizzata su una superficie diffondente c riflessione della luce polarizzata tramite a uno specchio 58 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 4 4 Margine operativo A causa dell influenza dell ambiente p es sporco sulle lenti cambiamento del coefficiente di riflessione dell oggetto invecchiamento dall emittente potrebbe diminuire la quantit di luce incidente sul sensore optoeletronico e di conseguenza il livello del suo segnale d uscita Il livello del segnale quindi potrebbe essere non sufficiente a commutare il segnale d uscita e compromettere quindi la funzionalit del sensore Per evitare queste situazioni si deve avere a disposizione un margine operativo aggiuntivo di livello del segnale figura 4 7 Se il ricevitore non viene raggiunto da alcun fascio luminoso il margine operativi pari a 0 Quando la quantita di luce sufficiente a commutare il segnale d uscita il margine operativo posto pari a 1 La quantit effettiva di luce rilevata deve superare il livello minimo
293. tto tale che la direzione dell onda riflessa molto diversa da quella dell onda generata questo oggetto pu essere individuato da un sensore di transito Law Sistemi meccatronici e funzioni Minos v Il coefficiente di riflessione dei fluidi uguale a quello dei solidi Fluidi non turbolenti vengono individuati facilmente Se i sensori ad ultrasuoni vengono installati a piccola distanza l uno dall altro l onda sonora generata da un sensore pu raggiungere un altro sensore e commutare il suo segnale d uscita Per evitare tale mutua influenza vanno seguite le regole riportate in figura 3 10 Figura 3 10 Distanze raccomandate fra sensori ad ultrasuoni attivi 43 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3 6 Sincronizzazione dei sensori Se pi sensori vengono sincronizzati con un corretto collegamento fra le uscite possono essere installati a piccola distanza luno dall altro senza problemi di mutua interazione La sincronizzazione raccomandata nel caso in cui i sensori generano onde sonore nella stessa direzione e le onde si sovrappongono anche solo parzialmente II sensore B rappresen tato in figura 3 11 riceve due echi B1 e Ax L eco A1 raggiunge il sensore A pi velocemente di quanto l eco Ax non raggiungiunga il senore B A causa della sincronizzazione i sensori reagiscono soltanto al primo eco A1 e viene evitato la mutua interazione delle onde acustiche sensori sincronizzati inviano i segnali n
294. tuna configurazione si posso no ottenere le funzioni logiche AND OR e NOR La funzione logica AND garantisce che il segnale di output di un grup po di sensori sia ON solo se lo stato di output di tutti i sensori ON La funzione logica OR garantisce che l utilizzatore RL non riceva ali mentazione di corrente se il segnale di output di tutti i sensori OFF gruppi di sensori possono essere collegati anche in differenti configu razioni ordine per realizzare altre funzioni logiche 24 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos Il numero massimo dei sensori collegati in serie dipende dalla tensione fornita della rete dalle cadute di tensione alle uscite dei sensori e dell utilizzatore La tensione di alimentazione fornita della rete ridotta di tutte le cadute di tensione deve essere maggiore della tensione mas sima di lavoro per l utilizzatore collegato Figura 1 18 Collegamento di sensori serie funzione logica AND La funzione logica OR garantisce che il segnale di output da un gruppo di sensori sia ON se il segnale iniziale di almeno un sensore ON La funzione viene realizzata da sensori collegati in parallelo Figura 1 19 Il numero dei sensori collegati in parallelo con tre conduttori ed alimen tazione in corrente continua non tecnicamente limitato Infatti indi pendentemente dalla funzione dell output si possono collegare una dozzina di sensori in parallelo Quando vengono collegati in
295. tura vengono prodotti in ottone con uno strato di Teflon La superficie frontale viene protetta con Duraplast resistenti alle alte temperature Questi sensori hanno un nucleo con una permeabilit magnetica bassa figura 1 8 e richiedono una speciale costruzione del circuito elettrico per evitare un erronea accensione Questi nuclei vengono prodotti in ferro sinterizzato e che si satura in un campo magnetico varie volte pi denso rispetto ai tipici nuclei di ferrite Un sensore cos prodotto meno sen sibile all interferenza di campi magnetici esterni poich il proprio campo magnetico pu essere raccolto e indirizzato meglio sensori senza nucleo sono maggiormente robusti all influenza di campi magnetici esterni Il nucleo nei sensori normali catalizza il campo ma gnetico esterno In simili soluzioni costruttive prive di nucleo la bobina viene avvolta su un cilindro di plastica rullo di plastica bobina nucleo con una bassa permabilit magnetica Figura 1 8 Sensori induttivi meno sensibili a campi magnetici forti 14 Sistemi meccatronici e funzioni W Minos 1 5 3 Sensori per condizioni particolarmente critiche Se si usano sensori standard in condizioni difficili possono verificarsi disturbi durante il lavoro o addirittura possono danneggiarsi irreversibil mente Per adattare sensori a condizioni critiche vengono utilizzati materiali speciali per il supporto maggiorate le dimensioni del sensore
296. ue sensori standard o un sensore bistabile 1 6 Sensori NAMUR 20 I sensori ad induzione NAMUR hanno due contatti e funzionano con amplificatori esterni La loro resistenza cambia quando viene ripreso un oggetto di metallo Una resistenza bassa significa nessun oggetto di metallo una resistenza elevata significa c un oggetto di metallo Una caratteristica dei sensori NAMUR l intervallo di corrente di output molto ristretto secondo la norma EN 60947 5 6 che va da 1 2 fino a 2 1 mA Figura 1 14 sensori NAMUR con alimentazione in corrente continua fornita da un amplificatore hanno tutti la stessa caratteristica elettrica ed una precisa isteresi di commutazione pari a 0 2 mA Consistono di un oscillatore con la bobina parzialmente smorzata e un demodulatore Se varia la distanza fra un oggetto ed il sensore cambia anche la corrente assorbita e l amplificatore trasforma questo effetto in un segnale bistabile Quando i sensori NAMUR lavorano in una zona esposta al pericolo di esplosione l amplificatore non deve dar luogo a scintille oppure si deve trovare all esterno di questa zona Quando l intensit di corrente nel circuito elettrico del sensore minore di 0 15 mA l amplificatore fornisce lo stato di assenza di segnale Se l intensit di corrente maggiore di 6mA segnala sensore attivato Componenti meccatronici sensori Manuale Minos b l lt 6mA maximum current O1 D No d
297. uesto caso vengono riconosciuti soltanto gli oggetti che si trovano davanti al lo sfondo Il metodo della soppressione elettronica dell influsso dello sfondo ancora pi efficace Il sensore in questo caso riconosce l influsso dello sfondo e lo pu ignorare Il procedimento descritto viene usato in sen sori luminosi con due rilevatori o nei sensori di triangolazione equipag giati con una fotocamera CCD o un trasduttore PSD sensori del pri mo tipo comparano le diverse intensit luminose che colpiscono gli e lementi ricevitori per rilevare un oggetto In quelli del secondo tipo in vece viene misurata la distanza tra l oggetto e il sensore e confrontata con una distanza misurata in precedenza 113 tf Minos Componenti meccatronici sensori Manuale Receiver R nitter opt ut oa Il Sending gf Emitter E 1 window Figura 4 34 Intersezione dell asse ottico dell emettitore e del rivelatore per limitare la finestra di rilevamento 114 Ci sono tre modalit con le quali i sensori cancellano elettronicamente l influsso dello sfondo Figura 4 35 la prevenzione dal rilevamento dell oggetto 3 che si trova oltre la di stanza di funzionamento soppressione dello sfondo la prevenzione dal rilevamento dell oggetto 2 che si trova al di qua della distanza di funzionamento soppressione del primo piano il rilevamento dell oggetto 1 che si trova nella finestra di funziona mento finestra di rilevam
298. uesto vale sia se l ambiente aggressivo sia perch nell aria compressa potrebbe essere acqua Per la filtrazione o la disidratazione vanno installate apparecchiature in luoghi adatti serbatoi non metallici vanno rivestiti con una protezione antiscoppio kaaf R Minos Attivazione sicurezza teleservizio 1 4 Sicurezza di impianti idraulici 10 requisiti per la sicurezza degli impianti idraulici sono descritti nella DIN EN 982 Questa norma contiene principi e regole di comportamento per la progetta zione la costruzione e l assemblaggio di sistemi o elementi costruttivi Ne fanno anche parte le istruzioni per il montaggio la regolazione l uso e la manutenzione principi pi importanti sono descritti nel seguito Gli elementi costruttivi usati nell impianto devono essere scelti in maniera che funzionino secondo le condizioni dettai dal produttore o dal fornitore movimenti meccanici non devono creare pericoli per le persone Tutti i elementi costruttivi attivati devono essere protetti contro pressioni che superino la massima pressione di lavoro Questo solitamente viene realizzato con una valvola limitatrice di pressione Durante le progettazione la costruzione e la messa a punto dell impianto va assicurato che i picchi di pressione siano ridotti al minimo In generale picchi di pressione non devono diventare origine di pericoli Inserire e disinserire la corrente una caduta la mancanza o il ritorno d
299. una certa inclinazione da un passo all altro in modo da rappresentare la durata temporale dell operazione schedulata per il cilindro La commutazione delle valvole di controllo direzionali o dei motori elettrici viene indicato con una linea funzionale verticale Le dipendenze fra le diverse unit lavorative e gli elementi costruttivi vengono evidenziati mediante linee Le linee di segnale collegano le linee funzionali Con una freccia viene indicata la direzione di applicazione del segnale Direzione segnale Ingresso Uscita Ramificazione del segnale Ingresso Uscita Classificato condizione OR Ingresso Spegnimento Automatico Guidato 4 Selettore condizione AND Figura 8 7 Linee di segnale e scelta di simboli nei diagrammi funzionali 144 baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos Punti sulle linee di funzionamento rappresentano gli interruttori di fine corsa che non si devono necessariamente trovare alla fine di una linea funzionale E possibile anche l azionamento lungo il percorso Anche i collegamenti OR di segnali o ramificazioni di segnali vengono rappresentati tramite un punto Un collegamento AND invece viene rap presentato con una striscia obliqua In figura i due elementi di segnale S2 e S3 sono collegati con un OR L avviamento del controllo avviene con il tasto SO La velocit angolare scelta e il segnale di avvio sono collegati con un AND Se soddisfatte le condizioni di avvio viene azionat
300. una riflessione direzio nale ed un altra parte viene diffusa ad es da una superficie dipinta 3 diffusa la luce viene riflessa in tutte le direzioni ad es da una su perficie ruvida Figura 4 6 Tipi di riflessione della luce 4 2 2 Emettitori Gli elementi ottici sono realizzati con semiconduttori e si dividono in due gruppi fonti di luce emettitori e fotorilevatori Il funzionamento di questi elementi basato su fenomeni ottici fondamentali l emissione di fotoni ad opera degli emettitori e l assorbimento di fotoni nei rilevatori colpiti dalla luce Gli elementi fotoemettitori possono essere suddivisi in diodi emettitori di luce LED da Light Emitting Diode che emettono una luce visibile con una lunghezza d onda inferiore ai 780 nm diodi emettitori di luce che emettono radiazione infrarossa diodi laser a semiconduttori LD che emettono o luce visibile o ra diazione infrarossa e rappresentano un evoluzione dei LED 4 2 2 1 Diodo emettitore di luce LED Il modo di funzionamento del diodo che emette la luce si basa sulla lu minescenza elettronica cio un materiale emette una radiazione elet 85 86 Componenti meccatronici sensori Manuale tromagnetica quando dall esterno viene applicata una corrente elettri ca Un LED consiste di uno strato di semiconduttori tipo n uno strato di semiconduttori tipo p una zona attiva una giunzione p n e due contat ti di metallo un anod
301. una tensione maggiore di 100 V 137 138 Minos Componenti meccatronici sensori Manuale Sensori magnetici ad effetto Hall sensori Hall usano l effetto Hall Il loro segnale di output cambia quando cambiamenti di un campo magnetico esterno fanno che nel sensore c la tensione addizionale di Hall sensori Hall richiedono un alimentazione in corrente continua Quan do un magnete si trova al di fuori del raggio d azione del sensore la corrente attraversa senza disturbi la piastra semiconduttore e la diffe renza del potenziale tra i bordi delle piastre 0 Quando un magnete si trova nel raggio d azione del sensore il suo campo magnetico fa s che si manifesti la tensione di Hall Vy ai bordi delle piastre Questa tensio ne viene misurata ed attiva il transistore d uscita del sensore Figura 5 12 I sensori Hall normalmente hanno tre conduttori La loro tensione d alimentazione continua ed compresa tra 5 e 30 V La frequenza massima di commutazione del segnale di output elevata anche so pra i 300 Hz La corrente ammissibile che attraversa il semiconduttore normalmente minore di 1 A Questi sensori possono essere omnipolari reagiscono ad una qualsia si polarizzazione del campo magnetico unipolari reagiscono ad una certa polarizzazione del campo magnetico o bipolari vengono accesi da un polo e spenti da un altro polo Dispositivo di ingresso Magnete Semi conduttore s a ei un LI f
302. untivo e serve per rendere pi trasparenti i rapporti fra le singole parti nelle macchine Un sistema viene considerato una collocazione deliminata funzionale di parti si interfacciano per adempiere ad un determinato compito La deliminazione dal contesto prevista come aiuto dipende dall oggetto considerato Un dispositivo di alimentazione o una macchina utensile pu essere considerata un sistema cos come un impianto di montaggio o un intera fabbrica Il termine meccatronica una fusione delle parole meccanica e elettro nica Alla meccatronica appartiengono la tecniche computazionali Questi fusione viene mantenuta per l intero ciclo di vita del sistema Questo vale dunque per la generazione di modelli per lo sviluppo e la produzione Alle interfacce dei tre campi specifici emergono altri nuovi settori L elettromeccanica unisce l elettrotecnica alla pneumatica e all idraulica Meccanica e software p e vengono utilizzati in sistemi di realt virtuali o durante l animazione dil moto Software e elettronica sono presenti sia in controllori programmabili che a controllo numerico Elettro Software Software meccanico elettronico Figura 7 1 Sottodiscipline della meccatronica 97 faa Sistemi meccatronici e funzioni Minos 7 1 2 Lavorazione di singole parti e montaggio Un sistema complesso pu essere formato da diversi sottosistemi seguenti esempi possono chiarie tale concetto Esempio n figura r
303. uono nell aria 343 m s a 20 C t arco di tempo tra l invio e la ricezione dell onda ultrasonica s S distanza tra l oggetto ed il sensore m Il prodotto V t va diviso per 2 perch l onda acustica deve superare la distanza tra sensore fino al oggetto S1 e dall oggetto fino al sensore S2 Figura 3 4 Obstacle Sensor Figura 3 4 La distanza tra l oggetto e il sensore S S1 82 2 48 Lf Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos 3 2 2 Influsso dell ambiente La velocit la diffusione e la lunghezza dell onda acustica dipen dono anche dall ambiente Se cambiano le caratteristiche fisiche dell ambiente aria cambia anche la precisione della misurazio ne di distanza Queste caratteristiche sono Temperatura cambiamenti di temperatura causano un cam biamento della velocit del suono 0 17 K Figura 3 5 La maggior parte dei sensori contiene nell interno un compensatore di temperatura elettronico che in buona misura in 2 casi su 3 e limina quest influenza Pressione Se cambia la pressione dell aria di 5 anche la ve locit dell onda acustica varia di 0 6 Umidit Se l umidit cresce aumenta anche la velocit dell onda acustica al massimo per il 2 Correnti d aria L influsso delle correnti d aria dipende dalla loro direzione e intensit venti forti con velocit maggiori di 50 km h nella stessa direzione delle onde acustiche possono fortemente
304. ura 4 33 Gli specchi tripli ruotano l asse di polarizzazione del rag gio di 90 Una parte della luce riflessa attraversa un filtro di polariz zazione verticale e raggiunge il rilevatore Perci viene rilevata soltan to la luce di ritorno dal riflettore Vanno tuttavia messe in conto le perdite di intensit della luce emessa nei filtri di polarizzazione Il raggio di azione di tali sensori del 30 40 minore di quello di una comune barriera ottica Comunemente vengono impiegati LED che emettono luce visibile rossa come fonti di luce Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos IN Lens NI Eas Emitter Triple mirrors reflector Figura 4 33 Barriera ottica a luce polarizzata 4 5 2 Sensori a diffusione con eliminazione dello sfondo In molti tipi di sensori ottici pu esser regolata la distanza di funziona mento minima e massima definendo cos la finestra di rilevamento Figura 4 34 Per regolarle si cambia meccanicamente la regolazione delle lenti o langolo del ricevitore o di uno specchio ausiliario Questa caratteristica particolarmente utile se alle spalle dell oggetto da rile vare si trova una superficie molto riflettente cosi che l oggetto potrebbe non essere correttamente rilevato L influsso della superficie viene eli minato se la distanza di lavoro del sensore minore della distanza tra il sensore e la superficie di fondo eliminazione dello sfondo In q
305. urando i parametri dei sistemi operativi la correttezza dei processi dei parametri di controllo attraverso il mo nitoraggio periodico o continuo dei valori dei parametri Il disturbo di operazione attraverso una diagnosi del sistema la degradazione delle propriet del sistema e i difetti attraverso una determinata analisi 6 2 Complessit delle strutture dei sistemi meccatronici e la locazione dei sensori sistemi meccatronici moderni sono ibridi nel loro Design e comprendo no moduli meccanici idraulici pneumatici elettrici ed elettronici moduli possono essere semplici o complessi e la loro operazione necessita di un equipaggiamento specifico scelto dal designers per garantirne il cor retto funzionamento L equipaggiamento concerne la struttura dei nodi dei parametri di operazione dei moduli sistemi come la velocit e l accelerazione di lavoro dei movimenti di assemblaggio valutati attraverso sensori contact oppure non cantact posizioni posizionamento e orientazione degli assemblaggi e oggetti riconusciuti dai sensori contact o non contact le distanze di movimento valutate da percorsi di sensori semplici o complessi a seconda della precisione richiesta del path control la velocit del movimento di ausiliari misurati dai sensori di velocit quando la velocit il soggetto da controllare carichi trasmessi e applicati forza pressione corrente elettricit
306. vato un oggetto di metallo Una resistenza piccola significa 5nessun oggetto di metallo una resistenza grande significa oggetto di metallo rilevato Una caratteristica dei sensori NAMUR un ben definito intervallo di corrente d uscita ammissibile secondo la norma EN 60947 5 6 da 1 2 fino a 2 1 mA figura 1 9 sensori NAMUR con alimentazione di cor rente continua hanno la stessa corrente caratteristica e una isteresi di commutazione ben definita di 0 2 mA I sensori NAMUR sono costituiti da un oscillatore con la bobina parzial mente smorzata e un demodulatore Se cambia la distanza fra oggetto e sensore cambia anche la corrente che un amplificatore esterno converte in un segnale dicotomico Se i sensori NAMUR lavorano in una zona sottoposta al pericolo di es plosione l amplificatore non deve generare scintille deve trovarsi fuori da questa zona Se l intensit di corrente nel circuito elettrico del sensore minore di 0 15 mA per l amplificatore questo significa assenza di segnale Se invece tale intensit di corrente piu alta di GmA questo viene interpretato come un cortocircuito nel sensore D SEr4 intensit corrente massima nessuno smorzamento ntervallo permesso Sa LANA smorzamento a spento Figura 1 9 Sensore NAMUR a caratteristica b circuito elettrico baw Sistemi meccatronici e funzioni J Minos 1 7 Sensori induttivi analogici sen
307. velength A Figura 4 8 Caratteristica spettrale di diodi emettitori di luce Sia LED che generano una luce visibile sia quelli che producono una radiazione infrarossa vengono utilizzati come emettitori nei sensori otti ci La luce visibile facilita la regolazione del sensore sensori che e mettono impulsi infrarossi hanno una potenza assorbita bassa un alta precisione e un ampio raggio d azione ll contenitore dei LED viene normalmente prodotto con plastica trasparente opaca trasparente o 87 T Componenti meccatronici sensori Manuale Minos colorata dello stesso colore della luce emessa dal diodo All estremit del contenitore si trova una lente convergente anche questa di plasti ca che condensa Il raggio di luce e garantisce una caratteristica ango lare della radiazione ottimale Figura 4 9 O 00 Relative intensity O A N bas o To O O O Sean tn D lt au Figura 4 9 Forme tipiche dei LED e caratteristica angolare della radiazione del diodo 4 2 2 2 Diodo laser LD Diversamente dai LED i diodi laser contengono un risuonatore ottico che si trova sui bordi del diodo Figura 4 10 Fino a un dato valore dell amperaggio applicato il diodo laser funziona come un comune LED Quando questo valore viene superato ha luogo un emissione di 88 Componenti meccatronici sensori Manuale Pa Minos fotoni che assicura caratteristiche di luce speciali un elevata int
308. viene fissata come segue 129 tf Minos a Generated magnetic field Componenti meccatronici sensori Manuale B u Bo b Generated magnetic field External External magnetic magnetic field field Figura 5 4 d isteresi di un materiale ferromagnetico a duro b dolce 5 2 2 Contatto Reed 130 Un contatto Reed consiste di un piccolo tubo di vetro chiuso ermeti camente nel quale si trovano due sottili lamelle di materiali ferroma gnetico nel vuoto o in un gas inerte Se le lamelle si trovano in un campo magnetico esterno vengono indotti i loro campi magnetici pro pri Su una superficie del contatto appare il polo N sull altra il polo S Figura 5 5 Se la forza che attrae i poli opposti delle due lamelle maggiore della forza elastica delle stesse si toccano Quando non c campo magnetico le lamelle si separano per la loro elasticit Cos un contatto Reed pu aprire o chiudere un circuito In funzione della spe cifica applicazione e delle condizioni di lavoro i contatti vengono co perti con uno strato di metallo nobile rutenio rodio oro ecc per ot tenere caratteristiche di funzionamento stabili Se si muove un magnete intorno al contatto Reed il suo stato pu es sere controllato le lamelle vengono chiuse o aperte Quando lo stato viene commutato pu innescarsi una scarica di corrente fra le lamelle Questo pu danneggiare il contatto Reed o peggiorare la sua funzio nalit Per evita
309. za la pressione ecc La misurazione viene eseguita da singoli sen sori oppure da set di sensori accoppiati con convertitori e amplificatori Il segnale trasformato viene trasmesso attraverso il circuito di comuni cazione al display e o al processo diagnostico di controllo di sistema e ai comandi principali dei sistemi meccatronici Maggiore la complessit dei sistemi meccatronici e la precisione ad essi necessaria pi grande deve essere la precisione con la quale vi ene misurata la rilevanza dei parametri Anche la riabilit operativa dei sensori ed il loro processo di segnale deve essere maggiore Nella fa bbricazione del sistemi a sensori possono essere riportate informazioni circa la correttezza del ciclo di lavoro lo stato degli strumenti lo stato dei chip la continuit nel raffreddamento degli strumenti e dei pezzi di lavoro lo stato dello strato della superfice le dimensioni ecc sensori possono essere incorporati all interno di moduli singoli di mi surazione oppure integrati con sistemi diagnostici Molte funzioni diag nostiche sono integrate con tipi differenti di PLC e CNC 93 t Sistemi meccatronici e funzioni Minos bearing temperature intemal load in bearing power current drawn by mo tor conditon of surface being cut acceleraton during staring vibration condition of surface being cut change mi cutting force ampli tude Tabella 6 1 D
310. zzo di un apposito sensore o di un set di sensori con visualizzazione del segnale oppure attraverso la trasmissione per via di un circuito di comunicazione che arriva al sistema di controllo Una preparata valutazione per le funzioni di attivazione Funzione di attivazione decisione umana o di un sistema di controllo e attivazione per via del circuito di comunicazione Osservazione dell esecuzioni delle funzioni osservazione automa tica per mezzo di un singolo sensore o un set di sensori integrati con l elaborazione del segnale di circuito circuito logico e il sistema di controllo e programma per via del circuito di comunicazione Decisione al termine dell esecuzione delle funzioni prese dal sistema di controllo in base al segnale ricevuto dal sensore ed un algoritmo spe cifico nel programma di controllo per via del circuito di comunicazione Funzione di disattivazione pu essere effettuata per mezzo di un sen sore o un set di sensori oppure da un convertitore o un set di convertitori in accordo con l algoritmo di controllo Informazioni riguardo il termine delle funzioni vengono trasmesse dal circuito di comunicazione al controllo di sistema in modo da arrestare il sistema di operazione oppure eseguire una nuova elaborazione Attenendosi all algoritmo sovrastante per funzioni singole eseguite per mezzo di un sistema meccatronico pi sono complesse le funzioni singo le maggiore la partecipazione di sensor

MECCATRONICA

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