Czujniki w obróbce metalu

Do typowych metod obróbki metalu zaliczyć można przede wszystkim: frezowanie, szlifowanie, cięcie, toczenie, skrawanie, walcowanie i wiercenie. Część z tych operacji może być ponadto wykonywana po uprzednim podgrzaniu formowanego materiału. Czujniki pozwalają uprościć te czynności i zapewnić odpowiednią precyzję wykonania gotowego produktu.

Stosuje się m.in. sensory ultradźwiękowe, czujniki wibracji, enkodery i różne czujniki optyczne, które ułatwiają pozycjonowanie. Ze względu na cechy metalu, najlepiej sprawdzają się jednak czujniki zbliżeniowe indukcyjne oraz magnetyczne, które ułatwiają precyzyjne określanie zarówno pozycji w pionie i poziomie, jak i kąta obrotu narzędzia.

Analogowe czujniki zbliżeniowe

Maszyny obrabiające metal bardzo często składają się z wielu elementów obrotowych. W mniej wymagających aplikacjach wystarczające może być zastosowanie kilku prostych sensorów zbliżeniowych, które pozwalają jedynie zgrubnie określić aktualne wychylenie końcówki roboczej – np. definiując tylko, że znajduje się ona na górze, na dole, z lewej lub z prawej strony. Dane takie mogą być reprezentowane np. w postaci dwóch bitów, odpowiednio przetwarzanych przez system sterujący.

Nierzadko jednak konieczne jest precyzyjne określanie aktualnej pozycji kątowej narzędzia względem obrabianego przedmiotu, w czym pomocne są właśnie analogowe, indukcyjne czujniki zbliżeniowe. Ich główną zaletą jest fakt, że są w stanie dostarczyć precyzyjnych informacji o odległości obiektu od głowicy czujnika, bez konieczności dotykania rozważanego przedmiotu. Napięcie wyjściowe lub prąd czujnika jest bowiem proporcjonalny do tejże odległości. Ma to szczególne znaczenie np. w przypadku, gdy mierzona jest pozycja szybko obracającego się frezu. Brak konieczności dotykania go pozwala zwiększyć niezawodność pomiaru oraz uniknąć nadmiernego zużywania się końcówki. Co więcej, czujnik analogowy pozwala dostosowywać szybkość poruszania frezem do odległości od granicznej krawędzi, której ma nie przekroczyć. W przypadku czujnika „zero-jedynkowego”, który jedynie informowałby o przekroczeniu granicy, uzyskanie takiej precyzji nie byłoby możliwe.

Analogowe, indukcyjne czujniki zbliżeniowe pozwalają też w niektórych aplikacjach zastąpić kosztowne i duże enkodery obrotowe. Przykładowo, do pomiaru pozycji kątowej trzpienia tokarki można użyć odpowiednio wyprofilowanej krzywki zamontowanej na osi trzpienia, która obraca się wraz z nim. Odległość pomiędzy krzywką a czujnikiem zbliżeniowym zmienia się wraz z kątem obrotu trzpienia, co umożliwia obliczenie tego kąta, bez potrzeby stosowania enkodera.

Warto przy tym dodać, że typowy indukcyjny czujnik zbliżeniowy ma znacznie mniejsze rozmiary niż enkoder, który miałby zastąpić w takiej sytuacji. Pozwala to zmniejszyć całkowite rozmiary maszyny do obróbki metalu, zwiększając przy tym jej niezawodność. Na tę ostatnią ma wpływ brak mechanicznego sprzężenia pomiędzy czujnikiem, a obracającym się trzpieniem obrabiarki. Co więcej, w razie wystąpienia usterki, wymiana sensora będzie znacznie prostsza niż demontaż i montaż nowego enkodera.

Nieliniowość czujników

Czujniki indukcyjne mają jednak wady, z których największą w przypadku precyzyjnych pomiarów, może okazać się nieliniowość sygnału wyjściowego względem mierzonej odległości. Problem ten da się jednak kompensować, choćby poprzez zastosowanie wyliczonych i zapisanych w programie maszyny tablic, zawierających współczynniki korygujące dla poszczególnych wskazań sensora w rozważanym zakresie pracy. Jeśli ze względu na zastosowane rozwiązania nie jest to możliwe, warto poszukać czujnika o odpowiednio liniowej charakterystyce przejściowej dla zadanego zakresu pracy.

W niektórych aplikacjach związanych z kształtowaniem metali, rosnącą popularnością cieszą się analogowe czujniki magnetyczne. Instaluje się je na cylindrach siłowników, w których poruszają się tłoki, co pozwala precyzyjnie określać aktualne ustawienie tłoku. Informacja ta umożliwia tworzenie znacznie bardziej zaawansowanych aplikacji, dostosowujących pracę elementów maszyny właśnie do chwilowej pozycji tłoka siłownika.

W odróżnieniu od metod pomiarowych, wymagających mechanicznego stykania się i poruszania czujnika wraz z tłokiem, w przypadku sensorów bezdotykowych możliwe jest uzyskanie bardzo dobrego stopnia ochronności IP takiego urządzenia. Co więcej, montaż sensora dotykowego może być utrudniony i wymagać specjalnych uchwytów. Oczywiście, czujniki poruszające się wraz z tłokiem są znacznie bardziej narażone na zużycie i uszkodzenia.

Bezdotykowe sensory magnetyczne są pozbawione większości tych wad. Nie zużywają się tak szybko, bo nie mają elementów ruchomych, są łatwe w montażu i bardzo często cechują się wysokim stopniem ochronności – np. IP67. Dzięki temu omawiane czujniki zyskują na popularności w takich zastosowaniach, jak np. precyzyjna kontrola głębokości wykonywania nawierceń, czy też wgniatania metalu.

Artykuł opracowano w oparciu o materiały firmy Sick.