Czujniki: regulacja położenia – osiąganie pozycji

Potocznie mówi się: „nieważne dokąd idziesz, ważne gdzie jesteś”. W związku z tym,  że większość aplikacji automatyki wciąż wymaga  zwiększenia swej precyzji i powtarzalności,  w niniejszym artykule przedstawiono  kilka porad dotyczących doboru  oraz właściwego umieszczenia czujników  położenia.

Automatycznie naprowadzany (sterowany) pojazd (ang. automated guided vehicle – AGV) wykorzystuje laserowy skaner Nav 200 firmy Sick Inc. wraz z jednoukładowym, specjalizowanym komputerem nawigacyjnym, w celu dwuwymiarowego oglądu najbliższego otoczenia, z możliwością pełnego obrotu o 360O. W procesie przetwarzania obrazu skaner może wykryć od 3 do 28 refleksów świetlnych na każdej z 40 „warstw”, określonych wcześniej w systemie

Enkodery kontrolują liczbę obrotów kół, w celu obliczenia właściwej pozycji. Przyrostowy enkoder firmy AutomationDirect – o nazwie Light Duty Hollow Shaft Incremental Encoder – ma średnicę 38 mm, rozdzielczość 2500 impulsów na obrót, różnicowe wyjście liniowe, a zasilany jest napięciem 5 V DC

Co to znaczy dobry czujnik położenia dla konkretnej aplikacji? Odpowiedź na to pytanie zależy przede wszystkim od stawianych takiej aplikacji wymagań; a mianowicie klient bierze pod uwagę: dokładność, precyzję, powtarzalność, szybkość, dostępny budżet, metodę połączenia, warunki środowiskowe, lokalizację oraz inne. Na wstępie można przyjąć jedno założenie: przeprowadzenie właściwych pomiarów to pierwszy krok ku właściwej, uwieńczonej sukcesem pracy aplikacji. 
Techniki czujników detekcji położenia, zapewniające sprzężenia zwrotne w sterowaniu maszyn oraz innych zastosowaniach, są niemalże tak zróżnicowane, jak obsługiwane przez nie aplikacje. Istnieją cztery podstawowe metody analizy przestrzennej: liniowa, powierzchniowa, obrotowa oraz trójwymiarowa. W niektórych aplikacjach stosowane są różne kombinacje tych metod. Typy czujników położenia są równie zróżnicowane. 
Ken Brey, dyrektor techniczny firmy DMCInc., integrującej systemy, przedstawia kilka możliwych opcji technologii wykorzystywanych w pozycjonowaniu.  
Myślenie cyfrowe 
Do budowy cyfrowych sprzężeń zwrotnych stosuje się: 

  • Enkodery przyrostowe są obsługiwane przez wszystkie sterowniki ruchu zarówno w wersjach liniowych, jak i obrotowych oraz na różnych poziomach rozdzielczości pomiaru; symulowane są one przez

    Ultradźwiękowe czujniki odległości montowane w zderzakach rozpoznają otaczające obiekty w celu uniknięcia kolizji. Czujnik Mini-A firmy SensComp ma przetwornik elektrostatyczny wraz z odpowiednimi obwodami analogowymi, który zapewnia zakres czułości od 15 cm do 1,2 km

    liczne urządzenia; wymagany jest tu proces nadawania pozycji wyjściowej (ang. homing process) – w celu odniesienia mierzonej pozycji maszyny do pozycji początkowej oraz określenia pozycji maszyny, np. po zaniku zasilania. 

  • Enkodery absolutne (ang. absolute encoder) obsługiwane są tylko przez niektóre ze sterowników ruchu; mogą być przyłączone do sterowników dysponujących odpowiednią liczbą wejść cyfrowych; podają one kompletną informację o pozycji wraz z zakresem (standardowo najczęściej jest to jeden obrót); enkodery te nie wymagają procedury nadania pozycji wyjściowej. 
  • Resolwery są bardziej odporne na występujące przy aplikacjach spawalniczych i zgrzewających zaburzenia o wysokim poziomie; standardowo pracują z większymi silnikami elektrycznymi; mają możliwość symulacji enkoderów przyrostowych oraz absolutnych przy wykorzystaniu odpowiednich serwo wzmacniaczy. 
  • Enkodery z podwójnym sprzężeniem, niestety zbyt rzadko stosowane, są obsługiwane przez większość sterowników; jeden enkoder przyłączony jest do silnika, drugi bezpośrednio do obciążenia; jest to szczególnie korzystne rozwiązanie w układach  z elastycznym, giętkim połączeniem mechanicznym pomiędzy silnikiem a obciążeniem lub gdy w połączeniu tym może występować poślizg. 


Zbliżeniowe światłowodowe czujniki firmy Banner Engineering’s World-Beam Expert QS18E oferują przyciskowy interfejs wprowadzania nastaw oraz mają wielofunkcyjny wskaźnik oparty na technologii diod LED 360o

  • Systemy wizyjne, szeroko stosowane w inspekcji procesów, mogą być również wykorzystane jako sprzężenie zwrotne sygnału dla układów pozycjonowania. Tego typu systemy lokalizują obiekty w kilku wymiarach, najczęściej X, Y i obrót; często wyszukują elementy na taśmociągach; wzrasta wciąż szybkość ich działania i prostota obsługi. 

– Aplikacje sterujące procesami walcowania, tłoczenia i cięcia metali stanowią doskonały przykład możliwości zastosowania enkoderów z podwójnym sprzężeniem – stwierdza Ken Brey. – Aplikacja taka wymaga błyskawicznego i precyzyjnego podziału materiału wychodzącego po procesie walcowania do tłoczenia. Walcarka wytwarza jednak nierówno rozciągnięte partie materiału, np. z powodu poślizgu walca. 
– Jest jednak na to sposób – wyjaśnia dalej Ken Brey. – Dzięki zastosowaniu enkodera w sprzężeniu zwrotnym sygnału określającego położenie obrabianego materiału oraz resolwera w sprzężeniu sygnału prędkościowego, w konfiguracji układu z podwójnym sprzężeniem, system ma zdolność bieżącego dostrajania się do zmiany parametrów materiału tak, by dzielić go na odpowiednie części (gotowe do dalszej obróbki). W ten sposób aplikacja działa znacznie szybciej i precyzyjniej – niż przy wstępnym przepuszczeniu materiału przez walcarkę, następnie określeniu błędów obróbki i ponownym przepuszczeniu materiału – w celu korekcji wykrytych błędów.  
Twórczy, znaczy oszczędny 
Sam Hammond, główny inżynier w firmie Innoventor, integrującej systemy, sugeruje, iż o wyborze czujników położenia decydować powinny przede wszystkim zadania realizowane przez konkretną aplikację; pomiary oraz stosowane sprzężenia nie muszą być bardzo złożone. Stwierdza on bowiem: – Właściwe, przemyślane i twórcze implementacje mogą dostarczać prostych  i oszczędnych rozwiązań. Na przykład w celu właściwego porządkowania, kolejkowania elementów, w wielu przypadkach sprawdzają się czujniki zbliżeniowe. 
W ostatnim czasie do aplikacji wykorzystujących czujniki położenia zalicza się wspomniane już automatycznie naprowadzane (sterowane) pojazdy oraz inne wymienione poniżej: 

  • W maszynie plombującej pojemniki z herbatą, zbliżające się opakowania lokalizowane są w odpowiedniej pozycji za pomocą czujników zbliżeniowych oraz elementów wysyłających ciągłą wiązkę świetlną (przerwanie wiązki – detekcja). Zastosowany tu system wizyjny firmy National Instruments, ma za zadanie zlokalizowanie kodu paskowego, znajdującego się na tymczasowej etykiecie opakowania, a następnie wydanie właściwych komend sterujących napędami elektrycznymi tak, aby osiągnąć wymaganą pozycję (obrót) opakowania i umieścić na nim właściwą etykietę (jeden ze 125 wzorów). Zastosowano tu dwa rodzaje czujników położenia. Jeden z nich to prosty, indukcyjny czujnik zbliżeniowy, wykorzystywany do monitorowania aktualnej pozycji maszyny tak, aby różne poruszające się elementy znajdowały się na właściwych miejscach. Drugi rodzaj czujnika to kamera pracująca jako czujnik położenia, wybrana dlatego, iż może spełniać wiele funkcji oraz ma możliwość odczytania kodów paskowych. 
  • Wielotaktowa maszyna tłocząca elementy metalowe pracuje w zamkniętej pętli sterowania. Liniowe wyjście sygnałowe z czujnika zbliżeniowego, połączone jako sprzężenie zwrotne, dostarcza informacji umożliwiających optymalizację tłoczenia; odpowiedni serwomechanizm zaś reguluje położenie matrycy tłoczącej. Czujnik zbliżeniowy został tu wykorzystany w celu odczytania i przekazania informacji o wymiarach metalowego elementu poddawanego procesowi tłoczenia. Jak już wspomniano, dane przekazywane są w pętli zamkniętej. 
  • System inspekcji elementów wykorzystuje laserowy miernik odległości do określenia stopnia płaskości obrabianej powierzchni elementu. Czujnik mierzy odchylenia powrotnej wiązki laserowej, sygnalizujące zmiany w kształcie sprawdzanej powierzchni z dokładnością do 10 mikronów. Klasyczny enkoder nie mógł być tu zastosowany, gdyż odległość od powierzchni jest większa niż 1 metr. Zdecydowano się więc na technologię laserową, ze względu na jej bardzo dużą rozdzielczość, brak konieczności bezpośredniego kontaktu z badaną powierzchnią oraz wysoki poziom dokładności pomiaru. 

System obsługujący proces produkcji kluczyków  i zamków samochodowych wykorzystuje czujniki zbliżeniowe w celu określenia właściwej pozycji klapki/nasadki przed montażem. Laserowy czujnik profilu, współpracujący z robotem, mierzy poprawność wykonania profilu kluczyka. 

Czujnik typu R-Series firmy MTS Sensors dysponuje elastycznym elementem czujnikowym, bazującym na technologii podczerwieni; urządzenie może być podłączone do sieci i może zastąpić liczne przełączniki lub czujniki liniowe, współosiowe
Co i gdzie stosować? 
Producenci czujników zgodnie twierdzą, iż właściwy dobór technologii detekcji położenia umożliwia jej wykorzystanie w kilku różnych aplikacjach. 
Jeżeli chodzi o aplikacje pracujące w surowych warunkach, David Edeal, marketing menedżer produktów firmy MTS Sensors Div. stwierdza: – W opinii klientów najbardziej znaczącymi czynnikami decydującymi o wyborze czujnika, ważniejszymi nawet od szybkości działania i dokładności, są jego trwałość i niezawodność. Dlatego też produkty, których działanie nie wymaga bezpośredniego kontaktu z elementem pozycjonowanym (indukcyjne, magnetostrykcyjne, laserowe itp.), wykazują znaczne korzyści w stosunku do klasycznych czujników kontaktowych (rezystancyjne, z rozciąganiem elementu przewodzącego etc.). 
– Pozostałe ważne czynniki – zdaniem Davida Edeala – to możliwy zakres zastosowań oraz elastyczność w dostosowaniu się czujników do różnych aplikacji. Innymi słowy technologie, które w jednym rozwiązaniu mieszczą różne zakresy dopuszczalnego przemieszczenia pozycjonowanego elementu, możliwość użycia w wielu środowiskach oraz zapewniają wiele typów interfejsów łączeniowych, stanowią znacznie większą wartość dla potencjalnych klientów, którzy pragną uniknąć problemów, wynikających z zastosowania wielu typów czujników. Biorąc pod uwagę wspomniane wymagania, wszystkie technologie mają pewne ograniczenia, dlatego też jest ich na rynku tak wiele. 
David Edeal stwierdza również, iż: – Niekiedy ograniczeniem stosowania czujników mogą być zbyt duże koszty, wynikające z konieczności dostosowania technologii do konkretnego zastosowania. Przykładem mogą być tu transformatorowe przetworniki przemieszczeń liniowych – TPPL, których konstrukcja opiera się na transformatorze z ruchomym, przesuwanym, rdzeniem (ang. linear variable differential transformer – LVDT; więcej o tego typu przetwornikach na stronie www polskiego producenta – www.peltron.home.pl). Na przykład przetwornik TPPL, o długości skoku rdzenia większej niż 350 mm (12 cali) w praktyce są rzadko spotykane, ze względu na rozmiary niezbędnej wówczas obudowy, dwukrotnie większej od długości skoku, co wiąże się również ze wzrostem kosztów produkcji i zakupu materiałów. Z drugiej jednak strony czujniki wykonywane w technologii magnetostrykcyjnej wymagają dodatkowych układów elektronicznych. Wraz z pojawianiem się układów mikroelektronicznych oraz specjalizowanych chipów jednoukładowych (ang. Application Specific Integrated Circuit – ASIC) rozwój technologii osiągnął punkt, w którym dysponujemy dziś szerokim wachlarzem typów wyjść programowalnych (wyjścia analogowe, cyfrowe, enkoderowe oraz sieci lokalnych – fieldbus), dostępnymi w zwartych, niewielkich pakietach. Kluczowym zagadnieniem dla producentów czujników stało się w tym momencie rozszerzenie zakresu stosowania ich produktów (zalety), przy jednoczesnej minimalizacji możliwych ograniczeń (wad) związanych z zastosowaną technologią.  
Poznaj swoją aplikację 
– Różne typy czujników oferują rozmaite korzyści dla zróżnicowanych kręgów  odbiorców – przyznaje Tom Corbett, inżynier produktów firmy Pepperl+Fuchs. – Niekiedy konkretna aplikacja sama staje się czynnikiem decydującym o tym, jaki typ czujników jest wymagany. Na przykład powierzchnie maszynylub pasu taśmociągu znajdujące się w strefie działania czujników mogą być różnie interpretowane przez standardowy czujnik dyfuzyjny (reakcjana rozproszenie światła) oraz przez ten sam czujnik z dodatkową funkcją filtrującą: tłumienie tła. Podczas gdy standardowy czujnik nie jest w stanie zignorować elementów stanowiących tło rejestrowanego obrazu, czujniki z dodatkową funkcją tłumienia odpowiednio filtrują odbierane światło – w celu rozróżnienia rejestracji będącej obrazem właściwej powierzchni elementu, od obrazów tła. 
– Podobnie jest z obserwowaniem obiektów błyszczących w aplikacjach, które działają, opierając się na odbiciu zwrotnym światła, gdzie konieczne może okazać się zastosowanie spolaryzowanego czujnika wiązki odbitej – kontynuuje Tom Corbett. – Podczas gdy standardowy czujnik wiązki odbitej może spowodować nieuzasadnioną reakcję  w momencie pojawienia się elementu błyszczącego w swym polu, specjalny czujnik spolaryzowany wykorzystuje filtr polaryzujący w celu rozróżnienia odbicia od właściwego elementu błyszczącego, spośród innych odbieranych sygnałów odbić świetlnych. 
David Edeal z firmy MTS stwierdza: – Każda z technologii ma idealne dla siebie zastosowania, które umożliwiają jej uwydatnienie zalet oraz minimalizację wad. Na przykład, w zakładzie przemysłu drzewnego, gdzie zasadnicze znaczenie mają: wysoka precyzja, różnorodny zakres przesuwu pozycjonowanych elementów, odporność na duże wstrząsy i wibracje, powstawanie zaburzeń w wyniku interferencji elektromagnetycznej oraz wahania temperatury – podstawową opcją czujników położenia są elementy magnetostrykcyjne. Podobnie enkodery optyczne z tarczą obrotową idealnie pasują do zastosowania jako sprzężenie zwrotne informujące o położeniu wału silnikowego (ewentualnie prędkości obrotowej), ze względu na: swe niewielkie rozmiary, szybkość reakcji, dokładność, trwałość i odporność na zakłócenia. Właściwie zamontowane i zaaplikowane czujniki położenia liniowego natomiast mogą pomóc projektantom i konstruktorom w zapewnieniu optymalnego poziomu wydajności maszyn przy długich dystansach mierzonych. 
Najogólniej rzecz ujmując najlepszym podejściem jest projektowanie i dobór czujników pod konkretne zastosowanie. – Specyfikacja techniczna czujnika powinna rozpocząć się od określenia wymagań danej maszyny/układu, następnie większego podsystemu, by ostatecznie przejść do wyboru komponentów – stwierdza David Edeal. – Tak się zazwyczaj dzieje, jednakże często zdarza się również, iż niektóre ze specyfikacji nie są właściwie lub też kompleksowo dostosowane do wymagań elementów tworzących system (wbrew pozorom nie jest to błahy problem). Na przykład niemożliwe jest określenie, jakie wyjątkowe, czy też dodatkowe zmiany w środowisku może wprowadzać pracująca maszyna, bez wcześniejszych analiz oraz doświadczeń, nabywanych w trakcie jej pracy. Fakt ten może prowadzić do stanu, gdy współpracujące z maszyną czujniki są w najgorszym razie niewłaściwie dobrane (pod uwagę wzięto zbyt mało czynników) lub też dobrane na wyrost, gdzie niektóre z właściwości czujników w ogóle nie są wykorzystane.  

Czujniki fotoelektryczne serii V18 firmy Pepperl+Fuchs, w metalowej, cylindrycznej obudowie o średnicy 18 mm, oferują pracę w technologii światła czerwonego (widzialnego) oraz laserowego klasy 1, wraz z regulowaną ostrością i czułością. Specjalny, automatycznie działający system ochrony przed interferencją (tzw. cross talk/mutual protection) czyni je wysoce odpornymi na niepożądane wiązki świetlne pochodzące z otaczających źródła światła
Otwarte czy zamknięte 
W projektowaniu systemów sterowania od początku istniał i istnieje problem czy architektura systemu powinna mieć strukturę otwartą, czy zamkniętą. Manager produktów firmy AutomationDirect, Paul Ruland stwierdza: – Koszty budowy oraz osiągi systemu są generalnie dwoma zasadniczymi czynnikami decydującymio wyborze pomiędzy zamkniętą lub otwartą pętlą sterowania elektromechanicznych układów kontroli położenia. Systemy o strukturze otwartej, takie jak układy pracy krokowej, mogą być szczególnie niezawodne i precyzyjne, gdy są właściwie dobrane dla określonego systemu. Nie jest tu bowiem konieczne wcześniejsze strojenie układu regulacji, wymagane w przypadku systemów o strukturze zamkniętej, co znacznie ułatwia etap ich aplikacji. Zarówno system otwarty, jak i zamknięty może być sterowany prze ten sam sterownik ruchu. Silnik krokowy NEMA 23 (napęd mikrokrokowy) dostępny jest obecnie już za cenę 650 zł, podczas gdy układ serwomechanizmu o podobnych parametrach kosztuje około 2300 zł.
David Edeal stwierdza również: – Systemy sterowania są tworzone w celu automatyzacji procesów produkcyjnych i istnieje wiele dobrych przykładów takich systemów sterowania o dużej wydajności, które nie wymagają żadnych sygnałów zwrotnych lub potrzebują bardzo małej ich liczby. Jednakże w momencie konieczności zmiany struktury systemu sterownia lub wystąpienia zmian sygnałów wejściowych układu (wzrost wymagań lub pojawienie się zaburzeń) istnienie sprzężeń zwrotnych jest niezbędne – w celu uporania się z tymi nieprzewidywalnymi zjawiskami. Z punktu widzenia procesu dokładność – zarówno statyczna jak i dynamiczna – jest czynnikiem decydującym o jakości produktu końcowego, zaś stabilność funkcjonowania i solidność systemu są istotne dla jego wydajności. Na przykład w aplikacjach obsługujących formy mechaniczne lub wtryskowe (maszyny formujące – mechaniczne lub wtryskarki), pozycja: formy, dyszy wtryskowej lub bijaka ma zasadnicze znaczenie dla końcowego wymiaru oraz poprawności wykonania produkowanego elementu. Z niewieloma wyjątkami dokładność wymiaru produkowanej części nigdy nie przewyższa dokładności czujnika położenia. Podobnie, szybkość reakcji czujnika może, wraz z ograniczeniami reakcji elementów wykonawczych, wprowadzać ograniczenie tempa produkcji. Ostatecznie więc czujnik pracujący precyzyjnie tylko w niewielkim zasięgu (zakresie) zmiennych warunków funkcjonowania, nie będzie odpowiedni dla środowisk, gdzie powszechnie występują duże wstrząsy, wibracje oraz zmiany temperatur. 

Przetwornik Turck’s R10 (typ rdzeniowy), który należy do linii programowalnych, bezkontaktowych liniowych przetworników przemieszczenia EZ-track, wykorzystuje technikę magnetostrykcyjną do monitorowania położenia magnesu wzdłuż aktywnego obszaru skoku rdzenia, nie powodując zużycia elementów czujnika
Najnowsze rozwiązania
Jakie są najnowsze rozwiązania technologiczne w dziedzinie czujników położenia, przeznaczonych dla procesów produkcji oraz sterowania maszyn? 
Jak twierdzi Paul Rauland: – Niektóre z najnowszych osiągnięć technologii pozycjonowania można znaleźć nawet w najprostszych urządzeniach, jak przełączniki zbliżeniowe. Cena wielu tego typu urządzeń nie przekracza obecnie poziomu 20 USD, a ich średnica 3 mm. Niektóre specjalizowane modele przełączników mają zwiększoną do 20 kHz częstotliwość przełączania. W momencie gdy pojawiają się utrudnienia montażu lub zwiększają się koszty typowych enkoderów, przełączniki zbliżeniowe stanowią dla nich ciekawą alternatywę; wiele aplikacji sterowania położeniem może odnieść liczne korzyści, wynikające: ze zwiększenia osiągów, mniejszych rozmiarów oraz niższej ceny zakupów i kosztów ich instalacji. 
Z opinią tą zgadza się również Tom Corbett. Uważa on, iż: – Czujniki fotoelektryczne stają się coraz mniejsze, bardziej trwałe, elastyczne oraz wyposażane w coraz liczniejsze funkcje. Niektóre nowe przetworniki fotoelektryczne mają obudowy cylindryczne o rozmiarach dwukrotnie mniejszych w porównaniu ze standardowymi obudowami klejonymi. Cechy te są szczególnie pożądane w aplikacjach produkcyjnych imaszynowych, gdzie dostępność przestrzeni jest ograniczona, zaś trwałość urządzeń – konieczna. Nie bez znaczenia jest również większa elastyczność czujników, związana z ich montażem i podłączeniem – najczęściej ten sam produkt może być montowany zarówno frontalnie (z przodu), jak i z boku konstrukcji – co pozwala użytkownikom na dopasowanie standardowego czujnika do ich urządzeń, nie zaś odwrotnie. 
– Inną prostą innowacją jest zastosowane diod LED 360O, które wyświetlają informacje w sposób czytelny i widoczny z dowolnego punktu – stwierdza Tom Corbett. – Tego typu diody LED sygnalizują przeciążenia oraz niewielkie przyrosty mocy lub sygnałów wyjściowych. Tego typu czujniki w standardzie mają możliwość regulacji czułości oraz są opcjonalnie dostępne w specjalnych obudowach, uniemożliwiających nieuprawniony dostęp i zmianę parametrów.  ce 
Artykuł pod redakcją  Andrzeja Ożadowicza