Projekt okładki i stron tytułowych: GRAFOS

Fotografia na okładce: Wacław Skoczyński

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Małgorzata Pasenik (Malgorzata.Pasenik@pwn.pl)

Recenzenci: dr hab. inż. Jacek Reiner, prof. nadzw. PWr, Politechnika Wrocławska

prof. dr hab. inż. Andrzej Sokołowski, Politechnika Śląska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: konwersja.virtualo.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2018

ISBN 978-83-01-20012-1

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2018 r., (wyd. I)

Warszawa 2018

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Stosowane oznaczenia

1  Wstęp

2  Rola sensorów w systemach wytwórczych

3  Podstawowe charakterystyki sensorów

4  Klasyfikacja czujników

5  Materiały stosowane do budowy czujników

5.1. Podział ogólny materiałów

5.2. Przewodniki, półprzewodniki i dielektryki

5.3. Materiały magnetyczne

5.4. Materiały optyczne

5.5. Materiały ferroelektryczne

6  Zjawiska fizyczne wykorzystywane w sensorach

6.1. Elektryczność

6.2. Magnetyzm

6.3. Zjawisko piezoelektryczne

6.4. Zjawisko piezorezystancyjne

6.5. Zjawisko termoelektryczne

6.6. Zjawisko piroelektryczne

6.7. Efekt Halla

6.8. Zjawisko fotoelektryczne

6.9. Zjawisko Gaussa (magnetorezystancji)

6.10. Zjawisko elektrostrykcji

6.11. Zjawiska magnetostrykcyjne

6.12. Efekt Wieganda

6.13. Efekty elektrooptyczne

6.14. Efekty magnetooptyczne

6.15. Zjawisko termooptyczne

6.16. Efekt Dopplera

7  Sensory w zautomatyzowanych systemach obróbkowych

8  Sensory w serwonapędach obrabiarek sterowanych numerycznie

8.1. Serwonapędy w zespołach posuwu

8.2. Sensory położenia zespołów ruchowych obrabiarek

8.2.1. Pomiar położenia kątowego

8.2.2. Pomiar położenia liniowego

8.3. Precyzyjne pomiary położenia

8.4. Sensory prędkości obrotowej w serwonapędach

8.5. Sensory do pomiaru przyspieszeń w napędach posuwu

8.6. Sensory do pomiaru prądu

9  Ogólne zasady diagnostyki i nadzoru obrabiarek

10  Sensory w zespołach obrabiarki i układach korekcyjnych

10.1. Sensory do diagnostyki stanu podzespołów obrabiarki

10.1.1. Sensory w zespołach wrzecionowych

10.1.2. Sensory do monitorowania stanu cieczy obróbkowej

10.1.3. Sensory do monitorowania układu smarowania

10.2. Sensory wykorzystywane w układach korekcyjnych

10.2.1. Sensory w układach kompensacji odkształceń cieplnych

10.2.2. Sensory w adaptacyjnych układach regulacji

11  Sensory do monitorowania i diagnostyki narzędzi

11.1. Bezpośrednie metody monitorowania i diagnostyki narzędzi

11.2. Pośrednie metody monitorowania i diagnostyki narzędzi

11.2.1. Układy do pomiaru sił i momentów oraz naprężeń

11.2.2. Układy do pomiaru mocy i prądu

11.2.3. Układy do pomiaru emisji akustycznej

11.2.4. Układy do pomiaru drgań

11.2.5. Układy do pomiaru temperatury narzędzia

11.2.6. Układy do pomiaru rezystancji powłok narzędzi

12  Sensory do monitorowania i diagnostyki procesu obróbki

12.1. Diagnostyka drgań samowzbudnych

12.2. Diagnostyka postaci wióra

13  Sensory do monitorowania i diagnostyki przedmiotów obrabianych

13.1. Sondy przedmiotowe do pomiarów geometrycznych

13.2. Sonda do pomiaru temperatury przedmiotów obrabianych

13.3. Sondy do pomiaru średnic przedmiotów podczas szlifowania

13.4. Sondy do pomiaru chropowatości przedmiotu na obrabiarce

14  Sensory stosowane do kalibracji obrabiarek CNC

14.1. System do pomiaru dokładności obróbki kształtowej obrabiarek CNC typu ballbar

14.2. Interferometry laserowe do oceny stanu technicznego obrabiarek

14.3. Kalibratory osi obrotowych obrabiarek

14.4. Systemy do pomiarów wieloosiowych

14.5. Śledzący interferometr laserowy do kalibracji osi liniowych i obrotowych

15  Rozwiązania mechatroniczne wbudowane w obrabiarkach

15.1. Rozwiązania mechatroniczne do kompensacji odkształceń termicznych

15.2. Rozwiązania do poprawy dokładności pozycjonowania i położenia

15.3. Rozwiązania do redukcji drgań

15.4. Rozwiązania do kompensacji odkształceń narzędzia

15.5. Koncepcja inteligentnej obrabiarki

16  Trendy rozwojowe w dziedzinie obrabiarek i sensoryki obrabiarkowej

Bibliografia

Książka zawiera opisy podstawowych zjawisk wykorzystywanych w sensorach. Dużo uwagi jest poświęcone prezentacji różnych układów pomiaru położenia, głównie w serwonapędach posuwu zespołów ruchowych obrabiarek sterowanych numerycznie. Szeroko są opisane metody pomiarowe i sensory stosowane do monitorowania, diagnostyki oraz kalibracji obrabiarek CNC. Przykładowe rozwiązania mechatroniczne stosowane we współczesnych obrabiarkach są zaprezentowane w końcowym rozdziale książki. Opisy metod pomiarowych i stosowanych w nich sensorów mogą stanowić przydatną informację dla użytkowników obrabiarek, a prezentowane aplikacje mechatroniczne mogą być inspiracją dla konstruktorów. Książka jest przeznaczona dla inżynierów mechaników zajmujących się zagadnieniami sterowania i automatyzacji produkcji oraz dla studentów wydziałów mechanicznych i elektroniki wyższych uczelni technicznych na kierunkach automatyka i robotyka, mechatronika oraz mechanika i budowa maszyn.

Stosowane oznaczenia

A – pole powierzchni, m^2

a_0, a_1, a_2 – współczynniki równania różniczkowego

B – indukcja magnetyczna, T

c – prędkość światła, m/s

C – pojemność, F; lub stała zależna od rodzaju materiału w zjawisku Cottona-Moutona

d – przemieszczenie, m; lub moduł piezoelektryczny (stała ładunkowa), C/N

D – indukcja elektryczna (wektor przesunięcia elektrycznego), As/m^2

e – ładunek elektronu, C

E – natężenie pola elektrycznego, V/m; lub moduł sprężystości Younga, N/m^2; lub energia, J

Ef – energia fotonu, eV

Ek – maksymalna energia kinetyczna wybijanego elektronu, eV

eH – błąd histerezy

F – siła, N

Fx, Fy, Fz – składowe siły skrawania w kartezjańskim układzie współrzędnych, N

fn – częstotliwość układu zachowawczego, Hz

fo – częstotliwość dźwięku odbieranego przez obserwatora, Hz

fz – częstotliwość dźwięku emitowanego przez źródło, Hz

h = 6,63·10–34 – stała Plancka, J/s; lub współczynnik całkowitej czułości płytki Halla, m^2/C; lub gradient pola elektrycznego, V/m

H – natężenie pola magnetycznego, A/m

Hc – natężenie pola koercji, A/m

i, I – natężenie prądu, A

– gęstość prądu przepływającego przez element da powierzchni S zamkniętej przez krzywą C, A/m^2

k – bezwymiarowy współczynnik sprzężenia; lub czułość statyczna, jednostki zależne od jednostek sygnału wejściowego i wyjściowego

K – przekładnia selsynu (bezwymiarowy współczynnik transformacji rezolvera)

kB – współczynnik magnetostrykcji, 1/T^2

ke – współczynnik elektrostrykcji, m^2/V^2

L – indukcyjność, H; lub długość (grubość) materiału, m

ΔL – wydłużenie (przyrost odległości liniowej), m

m – masa cząsteczki, kg

me = 9,11·10–31 – masa elektronu, kg

M – moment dipolu magnetycznego w jednostce objętości, A/m

Mx, My, Mz – składowe momenty skrawania w kartezjańskim układzie współrzędnych, Nm

n – bezwymiarowy współczynnik załamania światła

N – liczba wolnych elektronów na jednostkę objętości; lub liczba zliczonych prążków

p – okres podziałki biegunowej, mm; współczynnik określający właściwości termoelektryczne materiału, V

P – wektor polaryzacji, C/m^2,

PQ – piroelektryczny współczynnik ładunku, C/(m^2K)

PS – wektor polaryzacji spontanicznej, C/m^2

PR – wektor polaryzacji szczątkowej, C/m^2

PV – piroelektryczny współczynnik napięcia, V/(mK)

q = 1,6·10–19 – ładunek elementarny, C

QP – ciepło Peltiera, J

r – promień nominalny okręgu zataczanego przez kinematyczny pręt kulowy, m; lub współczynnik Pockelsa, mV

Δr – odchyłka od promienia okręgu nominalnego zataczanego przez kinematyczny pręt kulowy, μm

R – rezystancja, Ω

S – bezwymiarowe odkształcenie względne; lub odległość pomiędzy dwoma odbłyśnikami reflektora kątowego, m

SA, SB – stałe Seebecka, V/K

sE – podatność mechaniczna przy stałym natężeniu pola elektrycznego, Pa–1

T – temperatura bezwzględna, K

u_1, v_1, w_1 – odchyłki od współrzędnych na linii okręgu nominalnego pręta kulowego, m

uc, vc, wc – odchyłki od współrzędnych punktu środkowego w przestrzeni pręta kulowego, m

U – napięcie prądu elektrycznego, V

U_1, U_2 – napięcia zasilania stojana, V

UH – napięcie Halla, V

Uw – napięcie indukowane w wirniku, V

V – stała Verdeta, rad/(Tm)

W – praca wyjścia, eV

x_1, y_1, z_1 – współrzędne na linii okręgu nominalnego pręta kulowego ballbar, m

xc, yc, zc – współrzędne punktu środkowego w przestrzeni pręta kulowego ballbar, m

x(t) – sygnał wejściowy

X(s) – transformata Laplace’a sygnału wejściowego x(t)

y(t) – sygnał wyjściowy

Y(s) – transformata Laplace’a sygnału wyjściowego y(t)

Z – impedancja, Ω

αL – współczynnik rozszerzalności cieplnej, 10–6/K

α – współczynnik Kerra, m^2/V^2

β – bezwymiarowy współczynnik prędkości względem prędkości światła,

γ – bezwymiarowy czynnik Lorentza

ε – przenikalność elektryczna, F/m

εσ – przenikalność elektryczna dla stałych naprężeń, F/m

ε_0 = 8,85·10–12 – przenikalność elektryczna w próżni, F/m

εr – względna przenikalność elektryczna materiału

θ – przemieszczenie kątowe, rad

l – długość fali światła (lasera), nm; lub współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK;

l_0 – długość fali światła w próżni, nm

mr – względna przenikalność magnetyczna materiału

m_0= 4π·10–7 – przenikalność magnetyczna w próżni, Vs/Am

ν – częstotliwość światła, Hz; lub v – prędkość, m/s

νo – prędkość poruszania się obserwatora, m/s

νz – prędkość poruszania się źródła dźwięku, m/s

ξ – bezwymiarowy współczynnik tłumienia

π – czułość piezorezystora, tzw. współczynnik piezorezystancyjny, Vm/N

ρ – rezystywność (średnia arytmetyczna materiałów termopary) lub magnetorezystancja, Ωm

s – naprężenie, Pa

t – stała czasowa, s; lub czas relaksacji, s

φ – kąt przesunięcia fazowego, rad

ΦB – strumień indukcji magnetycznej, Vs

ωn – częstość kątowa układu zachowawczego, rad/s

ωr – prędkość kątowa cząstki poruszającej się w polu magnetycznym, rad/s

1
Wstęp

W ciągu ostatnich dekad we współczesnym przemyśle maszynowym w obszarze technologii wytwarzania nastąpił ogromny postęp. Głównym celem było zwiększenie dokładności wyrobów i wydajności produkcji. Znaczący w tym udział miało wprowadzenie obrabiarek sterowanych numerycznie, gdyż stymulowany przez nie postęp technologiczny skutkował wzrostem niezawodności procesu obróbki. Dalszy postęp dokonał się dzięki rozwojowi sensorów i elementów wykonawczych, a także wprowadzeniu technologii komputerowych, które stanowiły niezbędne narzędzia do zapewnienia sterowania procesu obróbki wspomaganego systemami monitorowania. Obecnie złożone układy sterowania, wyposażone w dziesiątki różnych czujników, występują zarówno w pojedynczych obrabiarkach sterowanych numerycznie, jak i w systemach wielomaszynowych, takich jak na przykład gniazda wytwórcze lub elastyczne systemy wytwórcze. Systemy te łączą z powodzeniem możliwości wytwórcze i sterowanie nowoczesnych obrabiarek z systemami zarządzania narzędziami oraz systemami transportowymi i magazynowymi.

Rozwój technologiczny obrabiarek napotyka na sprzeczności tkwiące w wymaganiach dotyczących dokładności i wydajności obróbki [123]. Skutkuje to stale rosnącymi wymaganiami związanymi z oczekiwaną dokładnością obróbki [171]. Biorąc to pod uwagę, można się spodziewać, że przyszłe wymagania eksploatacyjne obrabiarek będą zmierzały również w kierunku technologii obróbki w skali mikro- i nanometrycznej [123]. W związku z tym można wnioskować, że sprzeczność stwarzana przez żądanie zarówno dokładności produkcji w dużych obszarach roboczych, jak i elastyczności i niezawodności wytwarzania wymaga stworzenia dla obrabiarek uniwersalnej architektury systemowej z typowymi cechami systemów mechatronicznych, cechującej się zdolnością konwersji (rekonfiguracji) i samooptymalizacji (odporności na zakłócenia) [123]. Na podstawie badań statystycznych przeprowadzonych wśród klientów i producentów obrabiarek określono konkretne oczekiwania w zakresie ich rozwoju [123]:

• wzrost dyspozycyjności – dzięki możliwości planowania obsługi serwisowej i napraw (redukcji czasu przestoju), monitorowaniu stanu i procesu, inteligentnemu utrzymaniu ruchu i funkcjom diagnostycznym;

• wysoce ekonomiczne wytwarzanie – dzięki funkcjonalnie zorientowanej konstrukcji, zwiększonej wydajności spowodowanej dynamiką napędu oraz elastyczności w wyniku rekonfiguracji.

Nowoczesne obrabiarki sterowane numerycznie (obrabiarki CNC, ang. Computerized Numerical Control) są obecnie zaawansowanymi systemami mechatronicznymi, którym stawia się bardzo wysokie wymagania dotyczące zarówno wydajności obróbki, jakości wytwarzanych elementów, niezawodności, jak i efektywności, z uwzględnieniem kosztów produkcji, zasobów i zużycia energii. Istnienie i funkcjonowanie takich systemów umożliwiają inteligentne komponenty obrabiarki, które w postaci integracji różnych czujników, członów wykonawczych i oprogramowania pozwalają na monitorowanie procesów obróbki i stanów obrabiarek oraz umożliwiają aktywne wpływanie na warunki realizowanego procesu.

Prekursorem dzisiejszych komputerowo sterowanych numerycznie obrabiarek CNC były sterowane numerycznie obrabiarki NC (ang. Numerical Control), które powstały na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku. Podstawową ich cechą było wyposażenie w sterownik, zdolny do odczytywania i interpretowania programu oraz wykorzystywania zapisanych instrukcji do sterowania obrabiarką za pomocą urządzeń wykonawczych. Koncepcja sterowania numerycznego (NC) tych obrabiarek pierwotnie włączyła elementy programowalnej logiki w ich napędach. W obrabiarkach NC program był wczytywany z wykorzystaniem taśmy perforowanej, taśmy magnetycznej lub innych nośników, a ze względu na brak pamięci musiał być wprowadzany każdorazowo przed rozpoczęciem automatycznego cyklu obróbkowego.

Wprowadzenie technologii komputerowej do koncepcji sterowania numerycznego doprowadziło do tego, co obecnie znamy pod pojęciem komputerowe sterowanie numeryczne (CNC). Pierwsze obrabiarki CNC pojawiły się w latach siedemdziesiątych XX wieku. Zintegrowany z nimi mikrokomputer przejął wszystkie funkcje sterowania i regulacji. Zastosowanie komputera umożliwiło łatwe wprowadzanie i modyfikację programów obróbkowych, zapewniło dużą pamięć do ich przechowywania, a wysokowydajne mikroprocesory pozwoliły na realizację skomplikowanych interpolacji położenia zespołów ruchowych w czasie rzeczywistym. W kolejnych latach odnotowano dalsze postępy w automatyzacji wytwarzania dzięki wprowadzeniu automatycznej zmiany narzędzi i przedmiotów obrabianych oraz szeroko pojętej diagnostyce i nadzorowi. Dzisiaj praktycznie wszystkie nowe jednostki sterujące obrabiarek są oparte na technologii komputerowej, a zatem, gdy w dalszych rozdziałach będzie wykorzystywany skrót NC, to będzie on oznaczał sterowanie numeryczne, a w zestawieniu z obrabiarką – obrabiarkę CNC.

Książka została podzielona na część ogólną dotyczącą sensorów i część aplikacyjną odnoszącą się do ich wykorzystania w obrabiarkach sterowanych numerycznie. Na wstępie jest omówiona rola i podstawowe sensory stosowane w systemach wytwórczych. W dalszej części są przedstawione podstawowe wymagania i charakterystyki dotyczące tych sensorów, ich klasyfikacja i stosowane materiały, a także wykorzystywane w nich zjawiska fizyczne. Zasadnicza część książki została skoncentrowana na opisaniu sensorów wykorzystywanych w serwonapędach posuwu obrabiarek sterowanych numerycznie, w układach diagnostyki i nadzoru oraz w systemach kalibracji. Na zakończenie są zamieszczone przykłady różnych rozwiązań mechatronicznych stosowanych w obrabiarkach sterowanych numerycznie.

2
Rola sensorów w systemach wytwórczych

Celem każdego procesu wytwórczego realizowanego w zakładach przemysłu maszynowego jest przetworzenie określonego surowca (dostarczonego w postaci materiału walcowanego, surówek lub półfabrykatów) w części składowe, które są następnie montowane w jedną całość tworzącą gotowy wyrób. Typowy proces technologiczny wytwarzania i montażu tego wyrobu składa się z szeregu, sekwencyjnie po sobie następujących operacji, które symbolicznie są przedstawione na rys. 2.1. W jego skład wchodzą m.in. procesy tworzenia kształtu (odlewanie, przeróbka plastyczna lub spiekanie), oddzielania materiału (obróbka skrawaniem, obróbka ścierna, obróbka elektroerozyjna) i łączenia materiału (np. spawanie, skręcanie, montaż). Mogą im towarzyszyć procesy zmiany właściwości materiału realizowane przez obróbkę cieplną lub nanoszenie powłok. Wszystkim tym procesom towarzyszą dedykowane maszyny i urządzenia realizujące te procesy w sposób zróżnicowany pod względem automatyzacji.

Każdy proces wytwórczy może być rozpatrywany jako proces transformacji materiału, energii i informacji (rys. 2.2). Do wytworzenia dowolnego wyrobu jest potrzebny materiał, który w przypadku systemów wytwórczych ulega transformacji polegającej na kształtowaniu z użyciem różnych technik wytwórczych, zgodnie z tokiem postępowania narzuconym przez przyjęty proces technologiczny. Materiałem wyjściowym są półwyroby o różnej postaci, a produktem końcowym jest wyrób gotowy. Część tego materiału stanowi odpad w postaci wiórów. W procesie transformacji materiału biorą również udział narzędzia, uchwyty, oprzyrządowanie technologiczne i materiały pomocnicze (np. ciecze technologiczne, środki smarne), które w toku produkcji ulegają zużyciu.

Do funkcjonowania każdego systemu wytwórczego niezbędna jest energia, która jest potrzebna do wykonania pracy związanej z przetwarzaniem materiału w gotowy wyrób. Część tej energii jest rozpraszana w postaci ciepła wytwarzanego w procesach kształtowania materiału. Ostatnim składnikiem strumieni przepływających przez ten system jest informacja stanowiąca wiedzę o tym, w jaki sposób należy realizować proces technologiczny. Umożliwia ona zrealizowanie tego procesu w ściśle określonych warunkach z użyciem posiadanych środków wytwórczych i technologii. Podczas realizacji procesu wytarzania zdobywane jest doświadczenie, które umożliwia dokonywanie modyfikacji tego procesu, dlatego strumień informacyjny może ulegać modyfikacjom.

Rysunek 2.1. Typowy ramowy proces technologiczny wytwarzania i montażu

Każdy proces wytwarzania powinien być monitorowany w celu uzyskania pożądanych efektów wyjściowych spełniających nasze oczekiwania. W przypadku realizacji tego procesu przez człowieka do monitorowania wykorzystuje się naturalne organy zmysłu wzroku, słuchu, węchu dotyku i smaku (rys. 2.3). Funkcję systemu monitorującego spełnia wtedy mózg człowieka, który przetwarza wszystkie informacje, podejmuje odpowiednie decyzje, które są realizowane przy użyciu organów ruchowych. W przypadku stosowania zautomatyzowanego monitoringu istnieje konieczność zastąpienia wszystkich organów zmysłu odpowiednimi sensorami, a rolę mózgu pełni komputer wraz z oprogramowaniem, który podejmuje decyzje i realizuje zadania poprzez odpowiednie człony wykonawcze, zwane też aktuatorami. Należy podkreślić, że znaczna liczba sensorów stosowanych w zautomatyzowanych systemach wytwórczych nie ma odpowiednika wśród organów zmysłu człowieka, więc system wytwórczy może również reagować na sygnały, których nie odbierają te organy.

Rysunek 2.2. Schemat systemu wytwórczego na przykładzie obrabiarki [96]

Słowo sensor pochodzi od łacińskiego słowa sentire, co oznacza „czuć”. Jest to urządzenie wykrywające zmiany bodźców fizycznych i zamieniające je na sygnał, który może być mierzony lub nagrywany. Wielkość mierzona jest wykrywana lub wyczuwana przez sensor. Stąd bierze się polska nazwa „czujnik”. Czujnik jest ogólnie zdefiniowany jako urządzenie wejściowe, które dostarcza użyteczne dane wyjściowe w odpowiedzi na konkretną wejściową wielkość fizyczną [127]. Fizyczna wielkość wejściowa jest nazwana wielkością mierzoną i wpływa ona na czujnik w taki sposób, że wywołuje odpowiednią odpowiedź wyrażoną na wyjściu. Wyjście z wielu nowoczesnych czujników jest sygnałem elektrycznym, ale alternatywnie może być ruchem, ciśnieniem, szybkością przepływu lub innym przydatnym sygnałem [127]. Definicja sensora umieszczona w pracy [195] ogranicza wręcz jego funkcję do konwertowania sygnału lub pobudzenia (reprezentującego właściwości fizyczne) na sygnał elektryczny. Sensor przekazuje informacje na temat określonej wielkości fizycznej, które są dostarczane najczęściej w postaci wielkości elektrycznych jako sygnały analogowe lub cyfrowe. Sensor może również być definiowany jako przetwornik nieelektrycznej wielkości fizycznej na sygnał elektryczny. Sygnał ten wymaga często modyfikacji, zanim zostanie przekazany do innego urządzenia. Ze względu na łatwość przesyłania i przetwarzania wielkości elektryczne są preferowane jako wielkości wyjściowe czujnika. Innymi słowy czujnik jest urządzeniem służącym do wykrycia, pomiaru lub zarejestrowania zjawiska fizycznego oraz jego przetwarzania na sygnał elektryczny i przesłania informacji do układu pomiarowego lub układu sterowania.

Rysunek 2.3. Sposoby sterowania procesem: a) sterowanie ręczne, b) sterowanie automatyczne

W języku polskim w odniesieniu do sensorów są stosowane pojęcia czujnik, przetwornik i detektor. Najprostszym urządzeniem jest detektor, który służy tylko do wykrycia obecności jakiejś wielkości fizycznej lub zjawiska, na przykład ciepła, promieniowania itp. Przetwornik jest urządzeniem, które konwertuje jeden rodzaj energii na inny [195]. Mówiąc ściśle, przetwarza (według określonego prawa) jedną postać energii lub zjawisko fizyczne na inną postać energii (konwerter energii) lub inne zjawisko, przy czym końcową fazą tego przetwarzania jest najczęściej jakaś postać energii elektrycznej, ale niekoniecznie. Jest on ogólnie definiowany jako urządzenie, które przetwarza sygnał z jednej postaci fizycznej do odpowiedniego sygnału o innej postaci fizycznej [127]. Energia może być przy tym przekształcana z jednej postaci w inną, w celu transmisji mocy lub informacji [127]. Energia mechaniczna może być przekształcona w energię elektryczną lub inną postać energii mechanicznej. Chociaż ogólny termin przetwornik odnosi się zarówno do urządzeń wejściowych, jak i wyjściowych, w dalszych rozdziałach słowo to będzie głównie używane do określenia czujników.

Czujnik mierzy pewne parametry, zgodnie z zastosowaną zasadą pomiarową (rys. 2.4) [322]. Parametry te są przekształcane w członie detekcyjnym czujnika w sygnał wewnętrzny. Po ewentualnej dalszej obróbce tego sygnału wartość mierzona jest dostępna jako sygnał wyjściowy, na przykład natężenie padającego światła jest przetwarzane na wartość napięcia analogowego. Człon detekcyjny czujnika, który czasami jest określany jako czujnik pierwotny, stanowi podstawowy element każdego czujnika. Przekształca on parametr pomiarowy w sygnał analogowy, który jest użyteczny pod względem możliwości dalszego przetwarzania. Sygnał ten zwany jest też sygnałem pośrednim. Jest on związany na przykład ze zmianą oporu elektrycznego, pojemności, częstotliwości, ładunku itp. Członami detekcyjnymi czujnika często zwane są także pewne zespoły, które w minimalnym stopniu pochodzą od oryginalnego wytwórcy, bo zawierają tylko właściwy człon detekcyjny czujnika umieszczony w gnieździe montażowym z kablem elektrycznym lub ewentualnie w obudowie. Bardziej złożony czujnik może na przykład zawierać, oprócz członu detekcyjnego ze standardowym złączem, również mikroprocesor do wewnętrznego sterowania i przetwarzania sygnału z kalibrowanym wyjściem do bezprzewodowego łącza sieciowego.

Rysunek 2.4. Ogólna architektura czujnika

Człon detekcyjny czujnika generuje sygnał pośredni, który jest przetwarzany przez elektronikę pierwotną (rys. 2.5). Jest ona zawsze analogowa i przetwarza sygnał pośredni z tego członu na analogowy sygnał elektryczny (np. napięcie, prąd lub częstotliwość), włączając w to wzmacnianie, po którym sygnał nie jest już tak podatny na zakłócenia [322]. Optymalizuje sygnał dla późniejszego przetwornika A/C lub licznika. Elektronika pierwotna często realizuje również zgrubną kompensację błędów systematycznych w ramach kondycjonowania analogowego. W coraz większym stopniu jest scalona z elektroniką wtórną [322]. Ta część elektroniki czujnika przetwarza z kolei analogowy sygnał elektryczny pochodzący z elektroniki pierwotnej na znormalizowany sygnał wyjściowy. Oprócz korygowania błędów systematycznych i filtrowania błędów losowych może zawierać dodatkowe funkcje, takie jak autonomiczne monitorowanie czujnika i dopasowywanie do analogowego (lub coraz częściej cyfrowego) standardowego interfejsu, na przykład magistrali danych.

Rysunek 2.5. Uogólniony łańcuch kondycjonowania sygnału wewnątrz czujnika

Czujniki stosowne w układach automatyki przemysłowej mogą tworzyć złożone układy, na przykład węzły lub sieci. Węzeł czujników ma za zadanie zbieranie sygnałów z czujników, ich przetwarzanie, przechowywanie i przekazywanie ich do innych węzłów czujników i stacji sterowania przy użyciu uzgodnionego protokołu [322]. W tym celu jest on wyposażony w jeden lub więcej członów detekcyjnych czujnika, elektronikę pierwotną i wtórną, pamięć danych, zasilacz, sprzęt do komunikacji drutowej lub bezprzewodowej, niezbędne oprogramowanie. Sieć czujników stanowi bardziej złożony układ, którego cechą charakterystyczną jest integracja wielu niezależnych czujników z indywidualną lub wspólną elektroniką przetwarzania sygnałów [322].

Rysunek 2.6. Wielkości mierzone w procesie produkcyjnym i związane ze stosowanymi sensorami typy sygnałów

Ogólnie występuje sześć podstawowych typów sygnałów mierzonych w procesie produkcyjnym (rys. 2.6) [177]:

• mechaniczne,

• termiczne,

• elektryczne,

• magnetyczne,

• promieniowania (w tym elektromagnetyczne fale radiowe, mikrofale),

• chemiczne.

Sygnały te są odzwierciedleniem dziesięciu podstawowych postaci energii, które sensory konwertują z jednej postaci w inną (tab. 2.1). Są one ściśle związane ze stosowaną fizyczną zasadą przetwarzania członu detekcyjnego czujnika. Reprezentują wybrane, mierzalne wielkości, które umożliwiają wgląd w operacje technologiczne realizowane w procesach produkcyjnych (rys. 2.6). Zakres mierzonych wielkości jest ściśle związany z zasadą działania wykorzystywanego sensora. Zdefiniowanie mierzonych wielkości, a następnie ich pomiar umożliwiają uzyskanie istotnych informacji dotyczących realizowanego procesu, maszyn, narzędzi i oprzyrządowania realizujących ten proces, efektów tego procesu i stanu materiałów eksploatacyjnych.

Tabela 2.1. Postacie energii konwertowane przez sensory [177]

Postać energii

Pochodzenie energii

Atomowa

związana z siłami występującymi między jądrami i elektronami atomu

Elektryczna

pole elektryczne, prąd, napięcie

Grawitacyjna

związana z przyciąganiem grawitacyjnym masy z Ziemią

Magnetyczna

pole magnetyczne i związane z nim efekty

Masowa

związana z teorią względności (E = mc^2)

Mechaniczna

dotycząca ruchu, przemieszczeń/prędkości, siły itp.

Molekularna

energia wiązań molekuł

Nuklearna

energia uwalniana w procesie przemian jądrowych (ze względu na różnice w energii wiązań poszczególnych jąder)

Promieniowania

związana z falami elektromagnetycznymi, mikrofalami, ze światłem podczerwonym, widzialnym i ultrafioletowym, promieniowaniem rentgenowskim i promieniowaniem gamma

Termiczna

związana z energią kinetyczną atomów i molekuł

Stacje robocze, gniazda wytwórcze, centra obróbkowe stanowią zintegrowaną grupę systemu produkcyjnego. Maszyna wytwórcza umożliwiająca realizację wielu procesów jest uważana za stację roboczą. Obrabiarka jest również uważana za stację roboczą. Zintegrowane stacje robocze tworzą gniazda produkcyjne. Kilka stacji roboczych może być zgrupowanych w celu utworzenia gniazda produkcyjnego. Podobnie, zintegrowane gniazda wytwórcze mogą tworzyć centra obróbkowe. Ta struktura stanowi podstawową koncepcję w modelowaniu elastycznych systemów produkcyjnych. Elastyczny system produkcyjny jest także podstawą strategii komputerowo zintegrowanego wytwarzania. Na rys. 2.7 jest zilustrowane gniazdo wytwórcze składające się z wielu stacji roboczych z jego wejściami i wyjściami, są pokazane podstawowe funkcje w realizacji procesu obróbki, magazynowania przedmiotów, łączące systemy manipulacji materiałem z innymi gniazdami oraz zapewniające transmisję danych do systemu sterowania.

Rysunek 2.7. Powiązania różnych składników w elastycznym systemie produkcyjnym [162]

Czujniki i systemy sterowania w przemyśle są środkiem, który służy do zintegrowania różnych procesów i do śledzenia zarówno wejść, jak i wyjść systemu produkcyjnego w celu uzyskania oczekiwanego wyrobu (por. rys. 2.2). Wejściem może być surowiec lub dane, które muszą być przetwarzane przez różne komponenty pomocnicze, takie jak narzędzia, oprzyrządowanie i urządzenia mocujące. Czujniki dostarczają dane zwrotne opisujące stan każdego procesu. Wyjściem mogą być dane lub materiały, które zostały przetworzone przez kolejne stacje robocze systemu produkcyjnego. Elastyczny system produkcji, który zawiera stacje robocze i gniazda wytwórcze oraz jest wyposażony w odpowiednie czujniki i systemy sterowania, stanowi rozproszony system zarządzania informacjami. Łączy on ze sobą podsystemy obróbkowe, pakowania, spawania, malowania, cięcia, kontroli jakości i montażu z transportem i manipulacją materiału oraz procesem magazynowania.

W projektowaniu różnych stacji roboczych, gniazd i systemów produkcyjnych, w elastycznym systemie produkcyjnym w obszarze komputerowo zintegrowanej strategii produkcji, podstawowym zadaniem jest wprowadzenie różnorodnych czujników wzajemnie łączących różne systemy manipulacji materiałów, takich jak roboty, zautomatyzowane pojazdy bezszynowe, przenośniki, które mogą być połączone ze sobą za pomocą łączy satelitarnych komunikacji, niezależnie od miejsca położenia. Centra produkcyjne mogą być przy tym zlokalizowane kilkaset lub kilka tysięcy metrów od siebie. Odpowiednie czujniki i systemy sterowania wraz z efektywnymi łączami komunikacyjnymi mogą zapewnić analizę danych praktycznie w czasie rzeczywistym. Głównym powodem szczególnego nacisku na integrację czujników i systemów sterowania z realizowanymi operacjami produkcyjnymi jest fakt, że na całym świecie gwałtownie rośnie popyt na wolne od błędów operacje produkcyjne.

Zastosowanie czujników i technologii sterowania w warunkach produkcyjnych może dać zadowalające rezultaty tylko wtedy, gdy zostanie ono skutecznie zintegrowane ze strategią rozwoju zakładu produkcyjnego. Umożliwi to osiągnięcie następujących korzyści [162]:

• zwiększenie wydajności i zmniejszenie kosztów jednostkowych,

• wzrost jakości (wyrób jest bardziej jednorodny i zgodny),

• wzrost niezawodności produkcji (inteligentny samokorygujący system sensoryczny wraz ze sprzężeniem zwrotnym zwiększa ogólną niezawodność produkcji),

• zmniejszenie czasu oczekiwania (przedmioty mogą być produkowane losowo w partii o dowolnej liczebności, stąd czas oczekiwania może być zmniejszony o 50–75%),

• niższe koszty wytwarzania (całkowite wydatki kapitałowe są o 5–10% niższe);

• wzrost wykorzystania obrabiarek (integracja jest jedynym sposobem, w którym obrabiarki mogą być wykorzystane do 85% czasu przeznaczonego na wytwarzanie, a czas wykorzystany na skrawanie może osiągnąć nawet ponad 90% czasu spędzanego przez przedmiot na obrabiarce).

W nowoczesnych systemach wytwórczych technologia monitorowania z użyciem odpowiednich sensorów nabiera kluczowego znaczenia. Jest to spowodowane następującymi względami [177]:

• obrabiarki pracują z prędkościami, które nie pozwalają na ręczną interwencję obsługi, chociaż kolizje lub uszkodzenia mechaniczne pochodzące od procesu mogą powodować znaczące awarie;

• systemy wytwórcze stają się coraz większe i monitorowanie takich rozbudowanych systemów leży już poza możliwościami percepcji człowieka;

• wzrost kosztów pracy oraz brak wykwalifikowanych operatorów wymaga działania systemu wytwórczego przy minimalnej ingerencji człowieka, wymaga to wprowadzenia zaawansowanych systemów monitorowania;

• wytwarzanie ultraprecyzyjne może być osiągnięte tylko przy wsparciu zaawansowanej metrologii i technologii monitoringu procesu;

• użycie zaawansowanych obrabiarek wymaga integracji systemów monitorowania w celu zabezpieczenia maszyny przed awarią;

• proces obróbki zgrubnej wymagający dużego zużycia energii ze względów bezpieczeństwa powinien być przeprowadzony przy minimalnej ingerencji obsługi;

• świadomość ekologiczna we współczesnym wytwarzaniu wymaga monitorowania emisji pochodzących z procesu obróbki.