Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Bezdotykové vyhodnocování polohy ultrazvukem

číslo 5/2005

Bezdotykové vyhodnocování polohy ultrazvukem

Zabýváte se problematikou bezdotykového vyhodnocování polohy nebo pohybu? Potřebujete měřit vzdálenosti nebo vyhodnotit polohu nejrůznějších objektů? Děje se tak často v prašných nebo stísněných prostorech? Domníváte se, že použití světelných senzorů k vyhodnocení čirých či velmi lesklých objektů nepřináší v mnoha aplikacích uspokojivé a přesvědčivé výsledky? Ve všech těchto případech mohou být vhodným řešením kompaktní miniaturní ultrazvukové senzory z produkce společnosti Siemens s typovým označením Sonar-Bero řady M18S (obr. 1). Jejich výhody nelze popřít: sledované objekty mohou mít různý tvar, velikost, drsnost povrchu, barvu i rozdílný jas. Dosavadní obavy z použití ultrazvukových senzorů, vyvolané zpravidla jejich velkými rozměry nebo vysokou cenou, jsou již minulostí. Velikost, způsob nastavení provozních parametrů a cena pro dané použití jsou v současnosti srovnatelné se světelnými senzory. Světelné senzory mohou navíc v některých případech být mnohem nákladnějším řešením. Pro ilustraci uveďme např. dvojnásobnou dobu montáže jednocestné světelné závory ve srovnání s ultrazvukovým senzorem nebo opakované seřizování za provozu při modifikaci vyráběné série, nehledě na komplikace, které mohou být způsobeny nežádoucím zdrojem světla (např. zářivkami nebo snímači čárového kódu). V úvahu nelze brát jen pořizovací náklady, ale také prostoje výrobní technologie, které jsou zpravidla spojeny se ztrátami, jež mnohonásobně převyšují pořizovací náklady senzorů.

Obr. 1.

Obr. 1. Miniaturní ultrazvukové senzory M18S

Senzory navržené podle požadavků průmyslu

Ultrazvukové senzory Sonar-Bero prodělaly „křest ohněm„ ve výrobním závodě společnosti Siemens v Amberku, kde se zpracovávají velká množství desek plošných spojů (DPS). Velký objem výroby si vyžádal vysoký stupeň automatizace. Plynulá návaznost jednotlivých výrobních operací byla zajišťována světelnými senzory, které vyhodnocovaly polohu DPS. Nejvíce prostojů vznikalo především na transportních linkách pro přepravu DPS mezi jednotlivými automaty (obr. 2). Jaký byl důvod? DPS mají různý povrch (lesklý, matný, různě jasný), a odrážejí proto různé množství světla, které není vždy dostačující pro spolehlivé vyhodnocení světelným senzorem. Kromě toho mohou mít DPS jednotlivých výrobních sérií různý tvar i velikost a rozdílné rozmístění otvorů nebo výřezů, jimiž úzký světelný paprsek projde, aniž by byl přerušen nebo se od DPS odrazil. Právě na základě požadavků, jež jsou kladeny na senzory v automatech na výrobu, osazování a pájení DPS, byl vyvinut senzor Sonar-Bero M18S. Během jednoho kalendářního roku bylo v Amberku vyměněno 500 světelných senzorů za ultrazvukové. Cíl byl splněn. Poloha desek plošných spojů je vyhodnocována s přesností 1 mm, a to nezávisle na lesku, barvě a jasu povrchu desek. Od výměny nebyla zaznamenána jediná závada, jejíž příčinou by bylo selhání vyhodnocení polohy DPS. Výsledkem je významná úspora nákladů na servis a zvýšení produktivity. Při výrobě nových strojů jsou již výhradně používány ultrazvukové senzory.

Obr. 2.

Obr. 2. Sonar-Bero M18S na transportní lince pro přepravu desek plošných spojů

Další uplatnění, kromě automatů na výrobu DPS, nalezne Sonar-Bero M18S v aplikacích, kde pro montáž senzoru není dostatek místa. K typickým aplikacím patří zjišťování polohy čirých předmětů a materiálů (skla, balicích fólií, lahví nebo plastových obalů), měření míry naplnění sypkými nebo tekutými hmotami v malých nádobách či nádržích, měření průměru, rychlosti, plynulosti a rovnoměrnosti při navíjení nebo odvíjení papíru, plastu, textilu či drátu nebo počítání objektů na balicích strojích, linkách a plnicích automatech (obr. 3).

Princip činnosti

Princip činnosti ultrazvukových senzorů spočívá v měření doby mezi vysláním ultrazvukového impulsu a příjmem odraženého signálu. Tato doba je přímo úměrná vzdálenosti objektu od zdroje ultrazvuku, tedy od piezoelektrického měniče. To, že aktivní plocha měniče kmitá, zabraňuje usazování suchého prachu a nečistot. Vestavěný zesilovač zajišťuje dostatečnou rezervu vyzářeného výkonu, a pokles intenzity odraženého ultrazvuku proto není pro vyhodnocení rozhodující.

Obr. 3.

Obr. 3. Příklady použití ultrazvukových senzorů

Zakázané pásmo je oblast před senzorem, v níž nesmějí být žádné objekty vytvářející odezvy. U senzoru M18S je toto pásmo redukováno na 3 cm. Je-li tedy rozsah senzoru 3 až 20 cm, znamená to, že ve vzdálenosti od 3 do 20 cm je možné vyhodnocovat polohu spínacím výstupem nebo kontinuálně měřit vzdálenost pomocí kmitočtového výstupu. Rozlišovací schopnost přitom činí 0,17 mm.

Rozsah spínání nebo měření inovovaných piezoelektrických měničů, které ultrazvuk generují a zároveň také přijímají, je 3 až 20 cm nebo 10 až 70 cm. Jejich vyzařovací charakteristika je velmi úzká a mají minimální boční vyzařování. Výsledkem je poměrně přesné vyhodnocení, a to i při pohybu objektu kolmo k podélné ose vysílací charakteristiky.

Senzor Sonar-Bero M18S se vyznačuje malým kompaktním provedením. Celý je umístěn v kovovém válcovém krytu se závitem M18. Délka krytu je 63,5 mm (včetně konektoru).

Nastavení senzoru

Provozní parametry senzoru M18S se nastavují metodou teach-in (samoučení). Objekt se při tom nachází na místě vyhodnocování a senzor se krátkým kalibračním impulsem „naučí„ vzdálenost objektu na konci pásma spínání. Začátek pásma spínání je určen délkou zakázaného pásma – podle provedení je to 3 nebo 10 cm od senzoru. Naučená hodnota je trvale uložena do paměti a nelze ji nahodile změnit jako při nastavování potenciometry. Počítač ani programové vybavení nejsou pro nastavení parametrů zapotřebí. Kalibrační impuls lze vytvořit buď ručně, např. uzamykatelným přepínačem připojeným k řídicímu vstupu, nebo prostřednictvím řídicího systému (PLC). Nastavení je rychlé, a senzor proto lze snadno přizpůsobit změnám ve výrobní technologii.

Obr. 4.

Obr. 4. Ultrazvukový senzor M18S v úhlovém provedení o délce 81,5 mm

Dva provozní režimy

Senzory M18S mají dva provozní režimy. Prvním režimem je difuzní senzor. Objekt, jehož poloha má být vyhodnocena, funguje jako reflektor. Nachází-li se objekt v pásmu spínání, jež bylo předtím nastaveno metodou teach-in, výstupní obvod sepne. V tomto režimu je nutné vzít v úvahu existenci zakázaného pásma. Druhým režimem je reflexní závora. Reflektor (např. plastová deska) se nachází neustále na stejném místě. Každý objekt, který přeruší šíření ultrazvuku mezi senzorem a reflektorem, způsobí sepnutí výstupního obvodu. Reflexní závora nemá zakázané pásmo.

Konstrukční varianty

Pro mimořádně stísněné prostorové uspořádání je vhodné úhlové provedení senzoru (obr. 4), které „vidí za roh„. Osa piezoelektrického měniče je v tomto případě kolmá k ose senzoru.

Obr. 5.

Obr. 5. Miniaturní ultrazvukový senzor K08

Kromě válcového provedení M18S je k dispozici miniaturní senzor K08 (obr. 5) s kovovým krytem ve tvaru kvádru o rozměrech 47 × 38 × 15 mm. Dosah vyhodnocování je 50 až 400 mm pro difuzní senzor, 0 až 400 mm pro reflexní závoru a 0 až 800 mm u jednocestné závory. Přepínačem je možné zvolit zapínací nebo rozpínací funkci dvou spínacích tranzistorových výstupů v zapojení s otevřeným kolektorem. Jeden výstup je s vodivostí typu PNP, druhý NPN. Pásmo spínání se nastavuje opět osvědčenou metodou teach-in.

Rozhraní IQ-Sense

Ultrazvukové senzory typové řady M18 a světelné senzory K80 s rozhraním IQ-Sense, které umožňuje komunikaci inteligentního senzoru s řídicím programovatelným automatem, představují nový způsob začlenění senzorů do řídicího systému. Senzory se připojují k modulu IQ-Sense dvouvodičovým kabelem, který zajišťuje integraci do decentrálního systému ET200S, a tím i přenos dat po sběrnici Profibus-DP. Parametry jednotlivých senzorů lze zadávat prostřednictvím řídicího systému a rovněž je možné kopírovat parametry z jednoho senzoru do ostatních senzorů. Odpadá tak zdlouhavé nastavování každého senzoru samostatně. Jednou zadané parametry mohou být kdykoliv během provozu změněny; to dovoluje optimálně a rychle přizpůsobit parametry požadavkům právě vyráběné série. Při výměně senzoru zůstanou všechny jeho parametry zachovány a není nutné je znovu zadávat. Prostoje se tak omezují na minimum. Protože senzory komunikují po sběrnici Profibus-DP, lze využít standardní diagnostické funkce tohoto komunikačního systému, jako je např. automatická detekce přerušení vodiče nebo zkratu na připojovacím vedení senzoru a detekce závady modulu IQ-Sense nebo senzoru. Údržba může být plánována včas a preventivně, tj. dříve, než nastane nežádoucí zastavení výroby, také díky signalizaci znečištění optické soustavy a signalizaci poklesu rezervy světelného výkonu senzoru (u světelných senzorů).

IQ-Sense zvýší produktivitu výroby, zkrátí odstávky zařízení na nezbytné minimum a zároveň zjednoduší projektování a zapojování senzorů. Jde o systém, který je otevřen i pro další senzory různých konstrukcí a fyzikálních principů.

Ing. Zdeněk Bekr,
Siemens, s. r. o.

Siemens, s. r. o.
divize Automatizace a pohony
Evropská 33a
160 00 Praha 6
tel: 233 032 411
http://www.siemens.cz/ad