Лазерные датчики смещения серии BD компании Autonics

Опубликовано в номере:
PDF версия
В условиях пандемии коронавируса COVID-19 с его непрекращающимися мутациями автоматизация производства может из потребности, продиктованной временем, превратиться в палочку-выручалочку. Важно, что автоматика предполагает не только логические контроллеры и компьютеры, в первую очередь это датчики — они та альфа, без которой не будет омеги. Лазерные датчики смещения серии BD компании Autonics могут играть в этой сфере далеко не последнюю роль: они способны определять толщину, ширину, разность уровней, расхождение, кривизну, гладкость контролируемого объекта посредством измерения величины смещения. Их достоинства в гибкости и простоте использования, но главное — в обеспечении высокой точности и стабильности измерения независимо от цвета и материала контролируемого объекта, как статичного, так и движущегося.

Введение

Южнокорейская компания Autonics основана в 1977 г. и сегодня является глобальным надежным поставщиком решений для промышленной автоматизации.

Компания разрабатывает и производит широкий спектр продукции для автоматизации производства, которую продают по всему миру. Основное направление — различные датчики, контроллеры, приборы для обеспечения безопасности производства, устройства управления движением, измерительное оборудование, системы лазерной маркировки, техническое зрение, соединительное оборудование и многое другое. Благодаря неизменно высокому качеству изделий продукции компании доверяют разработчики самых различных промышленных приложений, поэтому технологии компании Autonics получили широкое распространение.

Имея 12 международных офисов в Южной Корее, Китае, Японии, Индии, Вьетнаме, Индонезии, Малайзии, Российской Федерации, Турции, США, Бразилии и Мексике, Autonics может предоставлять комплексные решения для автоматизации буквально по всему миру. Решения компании, благодаря их инновационности, получили целый ряд наград на престижных международных выставках, а сама компания Autonics в 2019 г. признана одной из ведущих компаний Южной Кореи в области компонентов и средств автоматизации. Компания уделяет много внимания НИОКР и в 2020 г., для того чтобы укрепить свои позиции на рынке и продолжать лидировать в своих рыночных сегментах, открыла новый научно-исследовательский центр.

Компания Autonics считает своей миссией улучшить качество жизни людей путем предоставления новых ценностей, которые сделают наш мир более удобным. Ранее в [1] уже была представлена продукция компании и ее основное кредо, настоящая статья знакомит с ее относительно новым продуктом, а именно серией BD высокопроизводительных и универсальных лазерных датчиков смещения.

 

Лазерные датчики смещения серии BD

Лазерные датчики смещения серии BD [2] были анонсированы компанией Autonics в начале 2020 г. Они представляют собой оптические устройства триангуляционного типа для измерений небольших перемещений объектов с высокой точностью (до 1 мкм). Система датчика представлена в виде сенсорной головки, усилителя и цифрового коммутационного блока (рис. 1).

Система датчика смещения серии BD компании Autonics: коммуникационный конвертер BD-CRS, блок усилителей BD-A1 и сенсорная головка BD

Рис. 1. Система датчика смещения серии BD компании Autonics: коммуникационный конвертер BD-CRS, блок усилителей BD-A1 и сенсорная головка BD

Принцип действия датчиков смещения основан на генерации лазерного луча диодом, его отражении от объекта и приеме лазерного луча линейным КМОП-сенсором (матрицей), как это иллюстрирует рис. 2, и вычислении смещения луча стороны образованного двумя лучами (отправленным и принятым) тре­угольника, то есть на триангуляции.

Внутреннее устройство и иллюстрация принципа действия датчика серии BD компании Autonics

Рис. 2. Внутреннее устройство и иллюстрация принципа действия датчика серии BD компании Autonics

Благодаря оптимальной волне излучения и общему инновационному решению датчики смещения серии BD компании Autonics, посредством измерения величины смещения отраженного луча, способны определять толщину, ширину, разность уровней, расхождение, кривизну и гладкость контролируемого объекта. Примеры измерений с использованием датчиков смещения серии BD компании Autonics показаны на рис. 3 и в краткой видеопрезентации в конце статьи [3].

Примеры использования датчиков смещения серии BD компании Autonics

Рис. 3. Примеры использования датчиков смещения серии BD компании Autonics:
а) измерение шероховатости поверхности;
б) измерение толщины;
в) измерение перепада уровней;
г) измерение отклонения по высоте

Существенным преимуществом датчиков данной серии является то, что они обеспечивают высокую точность и стабильность измерения независимо от цвета и физических характеристик непрозрачного или полупрозрачного материала контролируемого объекта. А удобство использования определяется тем, что усилитель поддерживает разные типы головок. Благодаря такому решению упрощается процесс технического обслуживания датчика. При этом конструкция датчиков как элементов системы позволяет подключать к блоку коммуникации BD-CRS до восьми усилителей, причем с защитой от взаимных помех. При соединении нескольких усилителей программное обеспечение автоматически сортирует каналы этих усилителей. Здесь необходимо учитывать, что питание каждого усилительного блока должно осуществляться от отдельного источника. Пример реальной системы с использованием датчиков смещения серии BD приведен на рис. 4.

Пример системы контроля качества заготовки, выполненной на базе датчиков смещения серии BD компании Autonics

Рис. 4. Пример системы контроля качества заготовки, выполненной на базе датчиков смещения серии BD компании Autonics

Основные характеристики датчиков смещения серии BD:

  • удобство технического обслуживания: один усилитель поддерживает различные чувствительные головки;
  • максимальная разрешающая спо­соб­ность — 1 мкм (зависит от модели);
  • высокая точность измерения независимо от цвета и материала контролируемого объекта (при условии непрозрачности или полупрозрачности объекта);
  • возможность соединения до восьми усилителей датчика с защитой от взаимных помех и автоматической сортировкой каналов;
  • поддержка нескольких математических функций (сложение, вычитание, определение среднего значения);
  • несколько функций фильтра — высокая стабильность измерения (среднее, разностное и срединное значение смещения);
  • автоматическая установка чув­стви­тельности (установка по одной или двум точкам);
  • возможность монтажа на DIN-рейку или на стену (для монтажа на стену требуется кронштейн);
  • сенсорная головка со степенью защиты IP67;
  • заявка на патент Кореи 10-2017-0043925;
  • удлинительные кабели доступны для различных применений, в которых выполняется перемещение объектов (заказываются отдельно). Предлагаются кабели длиной 1, 2, 5 и 10 м для использования в различных условиях, что позволяет исключить разрывы кабелей.

Поддерживаемые математические функции и фильтрация:

  • OFF: непосредственное измерение (математические функции не используются);
  • ADD-AB: сложение измеренных значений чувствительных головок датчика А/В (используется для измерения толщины);
  • SUB-AB: вычитание измеренных значений чувствительных головок датчика А/В (используется для измерения разности/расхождения уровней);
  • AVG: усреднение измеренных значений, полученных от всех подключенных чувствительных головок (используется для определения шероховатости).

При соединении нескольких усилителей датчика доступно не более двух математических функций.

Кроме математических функций, датчики позволяют выбрать условия настройки с помощью фильтров. Доступные фильтры средних, разностных и срединных значений позволяют точно и с высокой стабильностью корректировать измеренные значения в условиях внезапных изменений, вызываемых механическими помехами и другими переменными факторами. Пояснения работы с фильтрами даны на рис. 5.

Иллюстрация передаточных характеристик фильтров датчиков смещения серии BD компании Autonics

Рис. 5. Иллюстрация передаточных характеристик фильтров датчиков смещения серии BD компании Autonics:
а) фильтр срединных значений;
б) фильтр разностных значений;
в) фильтр средних значений

Фильтр срединных значений исключает значения, возникающие в результате случайных изменений. Фильтр средних значений проводит усреднение измеренных значений с целью уменьшения общих изменений измеренных значений. Фильтр разностных значений формирует значения, соответствующие разности между текущим и предыдущим измеренными значениями. Этот фильтр используется для измерения внезапных изменений.

Управление датчиками смещения серии BD осуществляется при помощи программного обеспечения atDisplacement, которое позволяет группировать параметры настройки, отображать измеренные и выходные значения в режиме реального времени, а также выбирать скорость передачи данных и адреса без подключения к ведущему устройству. Для связи датчиков смещения BD с внешними устройствами можно использовать коммуникационные преобразователи серии BD-С через интерфейс RS-232C/RS-485 по выбору пользователя. Питание преобразователя осуществляется от блока усилителей BD-A1 датчиков.

Области применения рассматриваемых датчиков:

  • измерение размеров предметов или величин перемещения рабочих органов станков или механизмов в металлообработке;
  • измерение размеров деталей при их изготовлении в машиностроении;
  • определение качества обработки поверхностей деталей в машиностроении;
  • при комплексном использовании датчиков — определение конфигурации в сборочном производстве и идентификация деталей на машиностроительных и приборо­строительных предприятиях;
  • измерение разности высоты деталей в блоке цилиндров;
  • измерение толщины металлических плит;
  • измерение разности уровней установки различных автомобильных деталей;
  • измерение шероховатости автомобильных деталей, например колес.

Примеры использования датчиков смещения серии BD компании Autonics в автомобильной промышленности приведены на рис. 6.

Примеры использования датчиков смещения серии BD компании Autonics в автомобильной промышленности

Рис. 6. Примеры использования датчиков смещения серии BD компании Autonics в автомобильной промышленности
а) для измерения разности высоты деталей в блоке цилиндров;
б) для измерения разности уровней установки различных автомобильных деталей;
в) для измерения шершавости автомобильных деталей, например колес;
г) контроль толщины материала

Характеристики коммерчески доступных на настоящее время датчиков серии BD компании Autonics приведены в таблицах 1–3.

Таблица 1. Основные параметры датчиков серии BD

Параметр

BD-030

BD-065

BD-100

Диаметр пятна

Близкий (25 мм): прибл. 290×790 мкм

Средний (30 мм): прибл. 240×660 мкм

Дальний (35 мм): прибл. 190×450 мкм

Близкий (55 мм): прибл. 360×1590 мкм

Средний (65 мм): прибл. 290×1180 мкм

Дальний (75 мм): прибл. 210×830 мкм

Близкий (80 мм): прибл. 480×1870 мкм

Средний (100 мм): прибл. 410×1330 мкм

Дальний (120 мм): прибл. 330×950 мкм

Разрешение*

1 мкм

2 мкм

4 мкм

Эталонное расстояние

30 мм

65 мм

100 мм

Диапазон измерений

20–40 мм

50–80 мм

70–130 мм

Линейность**, ***

0,1% F.S. (25–35 мм)

0,1% F.S. (55–75 мм)

0,5% F.S. (80–120 мм)

Температурные характеристики****

0,05% F.S./℃

0,06% F.S./℃

0,06% F.S./℃

Напряжение питания

От усилителя

Источник света

Красный полупроводниковый лазер (длина волны: 660 нм, IEC 60825-1: 2014)

Источник света — оптический метод

Диффузное отражение

Источник света — класс лазера

Класс 1 (IEC/EN), Класс I (FDA (CDRH) CFR Часть 1002)

Класс 2 (IEC/EN), Класс II (FDA (CDRH) CFR Часть 1002)

Класс 2 (IEC/EN), Класс II (FDA (CDRH) CFR Часть 1002)

Источник света — выход

Не более 300 мкВт

Не более 1мВт

Не более 1 мВт

Индикаторы рабочего состояния

Индикатор питания: красный светодиод.

Индикатор излучения лазера: зеленый светодиод.

Индикатор NEAR/FAR: зеленый светодиод

Тип соединения

Разъем

Сопротивление изоляции

Не менее 20 МОм (при 500 В DC, по мегаомметру)

Помехоустойчивость

Имитатор помех: прямоугольный импульс (длительность импульса: 1 мкс, напряжение: ±500 В, период: 10 мс)

Электрическая прочность изоляции

1000 В AC, 50/60 Гц в течение 1 мин

Вибростойкость

Амплитуда 1,5 мм при частоте 10– 55 Гц (в течение 1 мин) в каждом направлении X, Y, Z в течение 2 ч

Ударная нагрузка

300 м/с² (приблизительно 30g) для каждой оси X, Y, Z по 3 раза

Окружающее освещение

Лампа накаливания (не более 10 000 лк)

Температура окружающей среды

При эксплуатации: –10…+50 °С; при хранении: –15…+ 60 °С

Влажность окружающей среды

Относительная влажность до 85%; хранение: относительная влажность до 85%

Степень защиты

IP67 (кроме разъема удлинительного кабеля)

Материалы

Корпус: поликарбонат; чувствительная часть: стекло; кабель: поливинилхлорид

Совместимость с усилителем

Усилитель BD-A1

Комплектующие

Ферритовый сердечник ZCAT2132-1130 (производства компании TDK), монтажный кронштейн, болт, гайка

Масс

Брутто 209 г (нетто 56 г)

Брутто 233 г (нетто 68 г)

Брутто 233 г (нетто 68 г)

Примечания:
F.S. — полной шкалы.

* Получено при измерении на матовой бумаге при базовом расстоянии до поверхности и при усреднении 128 измерений;

** Диапазон измерений, при котором гарантируется указанная в таблице линейность.

*** Погрешность измерения линейного перемещения, полученная при измерении на матовой бумаге при базовом расстоянии до поверхности и при усреднении 128 измерений.

**** Измерено с помощью алюминиевого фиксатора на матовой белой бумаге.

Таблица 2. Основные параметры усилительного блока BD-A1

Параметр

Значение параметра

Электропитание

10–30 В DC ±10% (при подключении конвертера BD-CRS необходимо 12–30 В DC)

Потребляемая мощность

Максимум 2800 мВт (30 В DC)

Вход управляющих сигналов

Без напряжения. Только при подключении к внешнему источнику управляющих сигналов

Сигнальный выход (HIGH/GO/LOW)

NPN/PNP с открытым коллектором. Предельный ток нагрузки 100 мА

Выход аварийного сигнала

NPN/PNP с открытым коллектором. Предельный ток нагрузки 100 мА

Аналоговый выход*

Напряжение: –5…+5 В, 0–5 В, 1–5 В (сопротивление нагрузки 100 Ом, ±0,05% F.S. при 10 В)

Токовая петля 4–20 мА (максимальное сопротивление нагрузки 350 Ом, ±0,2% F.S. при 16 мА)

Остаточное напряжение

NPN: не более 1,5 В; PNP: не более 2,5 В

Защитные цепи

Защита от изменения полярности напряжения питания. Защита от перегрузки по цепи тока нагрузки (защита от к.з.)

Время отклика, мс

0,33; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 (5 ступеней настройки)

Минимальная единица отображения

1 мкм

Метод отображения

Двойной 6-цифровой дисплей, 11-сегментные светодиоды

Диапазон отображения**

От ±99,999 до ±99 мм (4 ступени настройки)

Период отображения

Около 100 мс

Класс защиты

IP40

Материалы

Корпус: поликарбонат; крышка: поликарбонат; кабель: поливинилхлорид (ПВХ)

Подключение

Штатный разъем

Совместимость

Лазерная сенсорная головка серии BD-030/065/100

Аксессуары

Монтажный кронштейн, боковой коннектор

Сопротивление изоляции

≥ 20 МОм (при 500 В DC по мегаомметру)

Шумозащищенность

Прямоугольный импульс шума от симулятора (ширина 1 мкс) ±500 В

Диэлектрическая прочность

1000 В AC 50/60 Гц в течение 1 мин

Вибростойкость

Амплитуда 1,5 мм при частоте 10–50 Гц (1 мин) в каждом направлении X, Y, Z в течение 2 ч

Ударная нагрузка

300 м/с2 (около 30g) в каждом направлении X, Y, Z по 3 раза

Температура внешней среды

При эксплуатации: –10…+50 °С; при хранении: –15…+60 °С

Влажность

При эксплуатации и хранении: до 85% RH без замерзания и конденсации

Примечания:
F.S. — полной шкалы.

* Возможно после установки параметров.

** Устанавливается после подключения сенсорной лазерной головки.

Таблица 3. Технические характеристики конвертера BD-CRS

Параметр

Значение параметра

Питание

Используется питание от усилительного модуля BD-A1

Потребляемая мощность (макс.)

2,3 Вт

Коммуникационный интерфейс

RS-232C, RS-485

Скорость передачи данных

9600, 19200, 38400, 115200 бод (по умолчанию)

Индикация

4 светодиода — индикатора состояния

Функции

Мониторинг в реальном времени. Выполнение всех действий BD-серии и установка параметров от внешнего устройства (Master)

Класс защиты

IP40 (IEC-стандарт)

Материал корпуса

Поликарбонат

Аксессуары

Боковой разъем, разъем для RS-485

Опции

Коммуникационные конвертеры SCM-381, SCM-US481, SCM-WF48

Вибростойкость

Амплитуда 1,5 мм при частоте 10–50 Гц (1 мин) в каждом направлении X, Y, Z в течение 2 ч

Ударная нагрузка

300 м/с2 (около 30g) в каждом направлении X, Y, Z по 3 раза

Температура внешней среды

При эксплуатации: –10…+50 °С; при хранении: –15…+60 °С

Влажность

При эксплуатации и хранении: до 85% RH без замерзания и конденсации

Схема подключения датчиков смещения серии BD компании Autonics показана на рис. 7, а габаритные чертежи — на рис. 8 [6]. Для подключения используются следующие провода: питание — коричневый, синий; выход — черный, оранжевый, серый, зеленый, белый; внешний вход — розовый, желтый, красный, фиолетовый.

Схемы подключения датчиков смещения серии BD компании Autonics

Рис. 7. Схемы подключения датчиков смещения серии BD компании Autonics

При размещении элементов системы необходимо исключить взаимное оптическое влияние лазеров и сенсоров разных датчиков. Для предотвращения влияния посторонней засветки рекомендуется использовать конструктивные шторки и щелевые маски. Естественным требованием является ограничение по условиям внешней среды, которые должны соответствовать указанным в спецификации. Кроме того, при монтаже и настройке необходимо принять соответствующие меры предосторожности из-за использования в системе датчика лазерного излучения, хотя и не очень высокой мощности.

Габаритные чертежи датчиков смещения серии BD компании Autonics

Рис. 8. Габаритные чертежи датчиков смещения серии BD компании Autonics:
а) датчик BD-030;
б) датчики BD-065, BD-100;
в) усилитель BD-A1;
г) коммуникационный конвертер BD-CRS

Дополнительную информацию по датчикам смещения серии BD Autonics, а именно спецификации, инструкции по применению и инсталляции, можно найти на сайте компании [4] и у авторизованных дилеров Autonics. Кроме того, компания Autonics осуществляет техническую поддержку своей продукции и клиентов и имеет представительство в Российской Федерации [5].


Литература
  1. Рентюк В. Распределительные коробки серии PT компании Autonics — надежное решение сложных проблем // Control Engineering Россия.
  2. BD-серия.
  3. High Precision Displacement Measurement — Laser Displacement Sensors BD Series | Autonics.
  4. https://www.autonics.com/company/ntt/news/view/246288
  5. autonics.com/main
  6. Displacement Sensor BD Series EN 200413.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *