Szybkie czujniki

Projektowanie uwzględniające czujniki może sprawić, że systemy wewnątrzprocesowe i kontrolne staną się szybsze. Specjaliści z branży automatycznej paletyzacji, poligraficzno-opakowaniowej, kontroli opon/gumy, udzielają porad natury technicznej.

Rys. 1. Czujnik Sitrans WS100 Siemensa obsługuje przenośniki taśmowe w kamieniołomie, przesuwające się z prędkością 119 metrów na minutę.
Zastosowania związane z szybkim przesuwem obiektów wymagają szybkich czujników. Podczas gdy definicje tego, czym jest „duża prędkość”, bardzo się różnią w zależności od branży, kategorii produktów lub zastosowania, istnieją zalecenia dotyczące najlepszej technologii czujnikowej. Prócz porad zamieszczonych w tym artykule można także wpisać hasło „sensors” na stronie www.controleng.com lub „czujniki” na stronie www.controlengpolska.com, i odszukać odnośniki do innych artykułów na temat czujników oraz źródła szczegółowych informacji, takie jak oferowane przez dostawców poradniki wyboru czujników.
Zastosowania w branży poligraficzno-opakowaniowej
Maszyny wykorzystywane w branży poligraficzno-opakowaniowej są niezwykle szybkie. W branżach tych powinno się polegać na specjalistach, którzy zaproponują technologię odpowiednią do danego zadania. Bill Gilbert, zatrudniony w firmie Siemens kierownik ds. rozwoju działalności w dziedzinie przemysłu drukarsko-opakowaniowego, stwierdza: – Najważniejszym, związanym z dużymi prędkościami zastosowaniem w branży poligraficzno-opakowaniowej byłaby korekta dopasowania. Można to realizować za pomocą noża obrotowego, przecinarki lub powlekania do paserów. W przypadku wyboru czujnika do korekty dopasowania, gdzie wejściowy czas reakcji zazwyczaj wynosi kilka mikrosekund, najlepiej do tego zadania nadawałby się czujnik optyczny.
Marcus Schick, pracujący w Siemens kierownik ds. rozwoju działalności w branży drukarskiej, rozszerza tę wypowiedź: – W komercyjnych zastosowaniach drukarskich korekty dopasowania często trzeba wykonywać w dwóch kierunkach, po obwodzie i w poprzek. Korekty po obwodzie wykonywane są wzdłużnie (zgodnie z kierunkiem ruchu papieru z roli). Poprzeczne korekty dokonywane są w poprzek podłoża (bok do boku). Korzystne jest posiadanie jednego czujnika optycznego, który potrafi mierzyć odchylenia w obu kierunkach – twierdzi.
Siemens opracował czujnik optyczny/kamerę, która jest w stanie mierzyć odchylenia w obu kierunkach i współpracować ze sterownikiem Siemens Simotion. – Umożliwia to zoptymalizowane dopasowanie druku w trudnych przypadkach, np. druk na folii rozciągliwej. Kamera/czujnik wykorzystuje technologię CCD oraz DSP do analizy obrazu podłoża. Może działać przy prędkości do 915 metrów na minutę, zaś dokładność pomiaru wynosi ± 10 mikrometrów. Technologię tę stosuje się w Europie – dodaje Schick.
Produkcja opon i gumy
Szybkie laserowe czujniki liniowe mogą wykrywać i ujmować ilościowo wady i różnice wymiarowe w trakcie procesu produkcyjnego, oraz podczas kontroli ostatecznej. W przypadku wielkoskalowej produkcji opon synchronizacja i przesył danych z czujnika może być sporym wyzwaniem. LMI Technologies, kanadyjska organizacja badawczo-rozwojowa i produkcyjna specjalizująca się w stosowanych technologiach wizyjnych, połączyła odpowiednie czujniki z platformą integracji danych, by można było spełnić wymagania technologiczne związane z dużymi prędkościami.

Rys. 2. Strumienie danych wysyłane przez szybkie, laserowe czujniki liniowe Selcom EyeCon firmy LMI Technologies są synchronizowane za pośrednictwem platformy LMI FireSync w celu stworzenia jednego profilu 3D kontrolowanych opon.
W przypadku produkcji opon często kilka czujników umieszcza się na pojedynczym stanowisku, aby cała powierzchnia produktu leżała w polu widzenia czujników o wysokiej rozdzielczości. Szybkie, laserowe czujniki liniowe Selcom EyeCon firmy LMI Technologies wykorzystuje się do generowania masy danych. Proces ten wymaga ścisłej synchronizacji danych ze wszystkich czujników i koderów. Platforma LMI FireSync zapewnia synchronizację między czujnikami z mikrosekundową dokładnością, składając dane ze wszystkich czujników w jedną trójwymiarową mapę profilową, przesyłaną do zdalnego hosta przez gigabitową sieć Ethernet.
– Do typowej kontroli można używać kilku czujników laserowych kontrolujących różne obszary produktu, takiego jak guma kalandrowana, taśmy przenośnika lub wypustki bieżnika – wyjaśnia dr Walter Pastorius, doradca ds. marketingu technicznego w LMI z trzydziestoletnim doświadczeniem w dziedzinie stosowania czujników optycznych. – Wewnątrzprocesowa aplikacja profilująca może wykorzystywać osiem lub więcej czujników (połowa nad i połowa pod przenośnikiem), by przesyłać dużą ilość danych zbieranych na całej szerokości bieżnika (rys. 2).
– Typowe systemy do ostatecznej kontroli opon wykorzystują trzy szybkie, laserowe czujniki liniowe. Dwa kontrolują ścianki produktu, trzeci – bieżnik. Czujniki dokonują pomiaru w setkach punktów wzdłuż linii, po której biegnie promień lasera, z częstotliwością 4 kHz lub większą – twierdzi Pastorius.
– Zastosowanie większej liczby laserowych czujników liniowych w celu pokrycia całej powierzchni obiektu niesie ze sobą nielada wyzwanie, polegające na synchronizacji danych ze wszystkich czujników i połączeniu ich w jeden plik – nadmienia Pastorius. – Synchronizacja gwarantuje, że dane z każdego czujnika będą pobierane zasadniczo w tym samym momencie. W przeciwnym wypadku dane z każdego czujnika dotyczyć będą innego miejsca na powierzchni produktu.
Platforma FireSync łączy ogromną ilość danych generowanych przy takich zastosowaniach, dane z wielu czujników wizyjnych, a także innych urządzeń lokalnych, takich jak kodery i fotokomórki. Dane przesyłane są do analizy do zdalnego hosta umieszczonego na stanowisku kontrolnym za pośrednictwem łącza ethernetowego o gigabitowej przepustowości (GigE).
– GigE zapewnia transfer danych do 1000 Mb/s, po tanich przewodach o długości do 100 metrów bez stosowania wzmacniaków, a technologia Power Over Ethernet (PoE) dostarcza zasilanie tym samym przewodem, którym przesyłane są dane – wyjaśnia Pastorius.

Rys. 3. Czujnik Long-Range ParCon firmy Baumer, analogowy liniowy czujnik optyczny, umożliwia niezwykle szybką i niezawodną detekcję poruszających się części o wymiarach zaledwie 0,5 mm. Szczegóły w ramce poniżej.
Metoda ta zapewnia detekcję i analizę danych z bardzo dużą prędkością. Profile wysyłane przez wszystkie czujniki są ściśle zsynchronizowane z samym systemem czujnika – dodaje Pastorius. – Każdy wycinek danych ze wszystkich czujników dołączany jest do jednego kompletnego pliku danych 3D, wysyłanego z platformy do hosta po jednym przewodzie GigE.
Aby poprawić dokładność, oprogramowanie analityczne usuwa także lub odfiltrowuje wszystkie punkty, które mają związek z wytłaczanymi napisami, kodami paskowymi i innymi dopuszczalnymi nieregularnościami powierzchni. – Czujniki LMI wykorzystują podwójną triangulację, w której dwie kamery, po jednej z każdej strony projektora laserowego, obserwują linię, po której biegnie promień lasera. Budowa taka eliminuje luki w danych powodowane przez powstawanie strefy martwej po drugiej stronie brzegów wzniesień na powierzchni ścianki bocznej produktu – stwierdza Pastorius.
Czujniki wizyjne a roboty
Fanuc Robotics America skonstruowała inteligentny robot paletyzujący – M-410iB – wyposażony w czujnik iRVision 2D tej firmy i przeznaczony do transportu produktów mieszanych. M-410iB może przenosić walizki lub worki ważące ponad 100 kg w tempie 20 cykli na minutę (w przypadku skrzynek) i 28 (w przypadku worków), korzystając z laserowego czujnika wizyjnego. W systemie iRVision oprogramowanie wizyjne zostało zintegrowane z oprogramowaniem robota, zaś obróbką obrazu zajmuje się CPU robota.
W roku 2009, na International Robots & Vision Motion Control Show w Chicago, firma Fanuc Robotics zademonstrowała, jak za pośrednictwem rozwiązań konstrukcyjnych można zwiększyć prędkość. Robot M-710iC/50 wyposażony w czujnik wizyjny iRVision 3DL może lokalizować i wyjmować z pojemnika ułożone w sposób przypadkowy kołpaki. Po tym, jak czujnik wizyjny zweryfikuje, czy chwyt jest prawidłowy, robot przenosi element do innego pojemnika. Metoda eliminacji defektów iRVision 2D w trakcie ciągłego ruchu z dużą szybkością wykrywa wadliwe części w momencie ich przenoszenia.
– System eliminacji defektów firmy Fanuc Robotics wykonuje 100% kontroli pod kątem wadliwych części lub błędów produkcyjnych. Oprócz tego zapobieganie defektom bez konieczności przerywania ruchu eliminuje wpływ na czas trwania cyklu. Pokazujemy wytwórcom, jak łatwe i praktyczne może być zastosowanie systemów wizyjnych u robota, nawet w przypadku podnoszenia skrzyń, co do tej pory było bardzo trudnym zadaniem – stwierdza Peter Stephan, kierownik programu.
Tradycyjna metoda zapobiegania defektom wymaga, by robot zbliżył się do części i zatrzymał, by skontrolować ją pod kątem występowania wad – wyjaśnia dalej Stephan. – Zapobieganie defektom, gdy robot znajduje się w ruchu, może jeszcze bardziej skrócić czas cyklu.
System Fanuc iRVision to gotowy do użytku zestaw wizyjny, dostępny we wszystkich robotach FANUC, wymagający tylko kamery i przewodu – żadna dodatkowa elektronika przetwarzająca nie jest potrzebna. Wyposażony jest w pracujące w dwóch wymiarach narzędzie do prowadzenia robota, służące do lokalizacji elementów, zapobiegania defektom i innych operacji, które normalnie wymagają specjalnych czujników lub osprzętu. Ray Moran, kierownik ds. produktów w Fanuc Robotics America, stwierdza: – W swojej klasie jest oceniany najwyżej jeśli, chodzi o szybkość, i ma jedną z największych przestrzeni roboczych.
W przypadku zautomatyzowanych procesów, które przekraczają możliwości systemów wizyjnych pracujących w dwóch wymiarach, FANUC Robotics oferuje także zintegrowany system wizyjny 3D.
Technikę zapobiegania defektom można wykorzystywać z systemem prowadzenia robota iRVision w dwóch lub trzech wymiarach w celu identyfikacji elementów, kontroli obecności lub braku części, właściwego ustawienia lub osiowania, wielkości i dopasowania oraz sprawdzania, czy jest dość miejsca do przeniesienia części z jednego miejsca na drugie.

Przykładowe czujniki do zastosowań związanych z dużymi prędkościami
Laserowe czujniki przesunięcia firmy Keyence zapewniają ultraszybkie próbkowanie z częstotliwością 50 kHz. Model LI-CCD charakteryzuje się podobno wysoką częstotliwością próbkowania, 25 razy większą niż modele konwencjonalne. Szybkie cyfrowe przetwarzanie sygnałów z LI-CCD wykonuje specjalny cyfrowy procesor sygnału, wykonując zarówno bardzo szybkie, jak i bardzo dokładne pomiary. Można dokonywać wiarygodnych pomiarów obiektów poruszających się, obracających się lub wibrujących z dużą szybkością – twierdzi firma.www.keyence.com
W grudniu 2009 roku firma Baumer wprowadziła na rynek swój czujnik Long-Range ParCon, analogowy, optyczny czujnik liniowy, który wysyła w kierunku reflektora ciągłą wiązkę światła równoległego o szerokości 24 mm. Urządzenie to umożliwia niezwykle szybką i niezawodną detekcję ruchomych części o wymiarach zaledwie 0,5 mm z odległości nawet 200 mm. Czujnik potrafi także zmierzyć szerokość obiektu, niezależnie od jego położenia w polu widzenia.
Baumer twierdzi, że Long-Range ParCon to efektywna kosztowo alternatywa w stosunku do technologii kurtyny świetlnej, ponieważ dokonuje niezawodnej detekcji i pomiaru obiektów metalowych i niemetalowych z dużą częstotliwością (do 1 kHz) i z rozdzielczością do 0,1 mm. Urządzenie zaprojektowano tak, by precyzyjnie wykrywało krawędzie materiału w zastosowaniach, takich jak pakowanie, produkcja tekstyliów, produkcja papieru i druk/grafika. Można go także wykorzystywać przy produkcji płytek drukowanych, pakowaniu artykułów żywnościowych i napojów, w automatyce laboratoryjnej, produkcji urządzeńmedycznych i obróbce metali.
Wymiary Long-Range ParCon to zaledwie 67x34x16,5 mm; obudowa tego czujnika zawiera urządzenie nadawcze, odbiorcze i specjalistyczną optykę; do jego eksploatacji potrzebny jest tylko reflektor. www.baumer.com
W marcu 2009 roku firma Siemens ogłosiła wypuszczenie na rynek kompaktowego czujnika prędkości pasa do kół pasowych przenośników. To czujnik średniej rozdzielczości. Sitrans WS100 monitoruje prędkość pasa, przesyłając dane do urządzenia całkującego, które oblicza prędkość przesuwu, całkowitą wagę, obciążenie pasa i prędkość materiałów masowych. Typowe zastosowania obejmują przetwórstwo minerałów, w szczególności w kamieniołomach lub fabrykach cementu, z prędkościami przesuwu pasa do 2 m/sek. Zbudowany z polipropylenu Sitrans WS100, z podstawą i osłoną czujnika wykonaną ze stali nierdzewnej AISI 304, zawiera podzespoły odporne na korozję i elementy ruchome, które są całkowicie zamknięte. Sitrans WS100 dostępny jest w wersji standardowej i samoistnie bezpiecznej (IS) i posiada klasyfikację NEMA 4/IP65.
www.sea.siemens.com/ia
Przemysł motoryzacyjny, od tłoczenia przez układ przeniesienia napędu do końcowego montażu, wymaga szerokiej gamy szybkich, indukcyjnych czujników zbliżeniowych, czujników fotoelektrycznych, dużej liczby przełączników mechanicznych i systemów RFID. Balluff dostarcza je, oferuje także wstępnie przygotowane, ukompletowane w zestawy rozwiązania do ograniczania strefy dynamicznej robota.
Dynamiczna kontrola strefy zwiększa wydajność i skraca czas cyklu poprzez kontrolę położenia robota za pomocą kurtyn świetlnych lub innych urządzeń wykrywających obecność obiektów w sposób niezawodny, zgodnie z ANSI/RIA 15.06-1999. Koncepcja ta umożliwia robotowi szybką, bezpieczną i wydajną pracę, nawet gdy w innej części pomieszczenia znajdują się operatorzy. Systemy firmy Balluff obejmują także obudowę wielopozycyjnego przełącznika krańcowego z przyłączonym fabrycznie złączem, zestaw różnych, uzupełniających się kamer nadmiarowych z konfigurowalnymi strefami obserwacji, pierścienie do montażu kamer i wiele innych artykułów. Dostępne są zestawy do osi 1, 2 i 3 do wielu modeli robotów, np. Fanuc Motoman, Nachi. Balluff oferuje także kamery liniowe i podzespoły do podstaw kamer, służące do instalacji systemów kontroli strefy na szybkich bramach automatycznych i automatycznych urządzeniach przenośnikowych. Umożliwiają one kontrolę nawet ośmiu lub więcej niezależnych stref.www.balluff.com
CE