Los sensores en Ia producción

José Antonio Velasquez Costa*

R ES UME N: L os s en so res s on e lem ent os f í s i cos qu e pertenecen a un tipo de dispositivo llamado transductor. Los t ransductores son elementos capaces de transformar una variable física a otra diferente. Los sensores captan las señales necesarias para conocer el estado del proceso y decidir su desarrollo futuro. Detectan posición, presión, temperatura, caudal, velocidad y aceleración entre otras variables. Los sensores más utilizados en la industria son de proxim idad y veremos cuales son sus aplicaciones en el Laboratorio CIMURP.

ABSTRACT: The sensors are physical elements that belong to a type o f devide called transducer, The transducers are elements capable to transform a physical variable to another different one, The sensors capture the necessary signs to know the state of the process and to decide their future development. They detect position, pressure, temperature, flow, speed and acceleration among many other variables. The sensors more used in the industry are Proximity Sensors and we will see which are their applications in the Laboratory CIM of the University Ricardo Palma.

DEFINICION Un sensor es un dispositivo que responde a propiedades de

tipo eléctrico, mecánico, térmico, magnético, químico, etc.; generando una señal eléctrica que puede ser susceptible de medición. Normalmente las señales obtenidas a partir de un sensor son de pequeña magnitud y necesitan ser tratadas convenientemente en aspectos de amplificación y filtrado.

Si a un elemento sensor se le adjunta un dispositivo de

acondicionamiento de la señal, entonces se le denomina transductor.

La gama de sensores disponibles en el mercado es muy

amplia, con el objeto de responder a los múltiples problemas de detección que se plantean en las máquinas de fabricación.

Los sensores basados en fenómenos eléctricos, magnéticos u

ópticos adoptan una estructura general que se componen de tres etapas:

Sensor o captador. Efectúa la conversión de las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética.

Etapa de tratamiento de la señal. Puede o no existir, se encarga de efectuar el filtrado, amplificación y comparación de la señal mediante circuitos electrónicos.

Etapa de salida. Está formada por los circuitos de amplificación, conversión o conmutación necesarios en la puesta en forma de la señal de salida.

CLASIFICACION Desde el punto de vista de la forma de la variable de salida,

podemos clasificar los sensores en dos grupos: analógicos, en los que la señal de salida es una señal continua, analógica; y digitales, que transforman la variable medida en una señal digital, a modo de pulsos o bits. En la actualidad los sensores más empleados son los digitales debido sobre todo a la compatibilidad de su uso con las computadoras.

Sensores analógicos. Suministran una señal proporcional

a una variable analógica, como pueden ser presión, temperatura, velocidad, posición.

*Ing. Industrial, docente, Jefe del laboratorio CIM – URP

(cim.urp@gmail.com)

Sensores digitales o "Todo o Nada". Este tipo de captador suministra una señal que solamente tiene dos estados, asociados al cierre o apertura de un contacto eléctrico, o bien, a la conducción o corte de un interruptor estático como transistor a tiristor. Son los más uti l izados en la automatización de movimiento y adoptan diferentes formas: detector de proximidad inductivo, capacitivo, óptico, magnético, entre otros.

CARACTERÌSTICAS GENERALES

A los sensores, se les debe exigir una serie de características:

Exactitud. Debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistemáticos. Sobre varias mediciones, la desviación de los errores cometidos debe tender a cero.

Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medición son menores.

Rango de funcionamiento. Debe tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa un amplio abanico de valores de la magnitud correspondiente.

Velocidad de respuesta. Debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea.

Calibración. Es el proceso mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una recalibración frecuente.

Fiabilidad. Debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto a fallos inesperados durante su funcionamiento.

Coste. El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lo más bajo posible

SENSORES DE PROXIMIDAD

Por lo general se trata de sensores con respuesta a todo o nada, con cierta histéresis en la distancia de detección, con salida de interruptor estático (transistor, tiristor, triac). Algunos pueden dar una salida analógica proporcional a la distancia.

S e n s o r es i n d u c t i v o s

Este tipo de sensores se basan en el cambio de inductancia que provoca un objeto metálico en un campo magnético.

Los sensores de este tipo constan básicamente de una bobina y de un imán. Cuando un objeto ferromagnético penetra o abandona el campo del imán el cambio que se produce en dicho campo induce una corriente en la bobina; el funcionamiento es sencillo; si se detecta una corriente en la bobina, algún objeto ferromagnético ha entrado en el campo del imán.

Como podemos deduc ir rápida mente, el gra n inconveniente de este tipo de sensores es la limitación a objetos ferromagnéticos, aunque en aplicaciones industriales son bastante habituales.

Los sensores inductivos están presentes en seis estaciones del Laboratorio CIM. Las estaciones de soldadura, ensamblaje, prensa, FMS y control de calidad las necesitan para indicar al PLC cuando un pallet está presente en cada estación. Estos pallets contienen materias primas, productos intermedios o productos terminados. Los productos pueden ser bases sin procesar, tapas sin procesar, pines sin procesar, PCB sin soldar, bases procesadas, tapas procesadas, pines procesados, PCB soldados, PCB soldados y con inspección y el producto terminado que es la ruleta electrónica. Cuando estos productos deben ser procesados, un robot coge los pallets y los lleva a posiciones predeterminadas donde son colocados temporalmente, es aquí donde el sensor inductivo ubicado en cada una de las posiciones, detecta el pallet presente y le transmite esta información al PLC para que continúe un proceso secuencial. En la figura 1 se muestra sensores inductivos que detectan el paso de vagones por la banda transportadora. Estos vagones transportan a los pallets, los que a su vez alojan a los productos. Cada vez que un vagón pasa por estos sensores, el sensor de proximidad se activa y manda una señal al PLC indicándole que un vagón se está aproximando a una siguiente estación de trabajo. En la figura 2 se muestra el sensor inductivo de la estación de Prensa Hidráulica este sensor está ubicado

Figura 1.Sensor inductivo de la banda transportadora

Figura 2. Sensor inductivo de la estación de prensa hidráulica

en un bloque llamado Posición 1, el cual permite alojar temporalmente los pallets. De la misma manera, cuando el brazo robótico de la estación de prensa coge un pallet y lo coloca en la posición 1 de esta estación, el sensor se activa, enviando esta información al PLC.

Sensores capacitivos

Como su nombre indica, están basados en la detección de un cambio en la capacidad del sensor provocado por una superficie próxima a éste. Constan de dos elementos principales; un elemento cuya capacidad se altera (que suele ser un condensador formado por electrodos), y el dispositivo que detecta el cambio de capacidad (un circuito electrónico conectado al condensador).

Estos sensores tienen la ventaja de que detectan la proximidad de objetos de cualquier naturaleza; sin embargo, hay que destacar que la sensibilidad disminuye bastante cuando la distancia es superior a algunos milímetros. Además, es muy dependiente del tipo de material. Por ejemplo, a una distancia de 5 mm, la medida del cambio de capacidad es el doble más precisa si el elemento que se aproxima es hierro, que si es PVC.

Este tipo de sensores permite detectar materiales metálicos o no, pero su sensibilidad se ve muy afectada por el tipo de material y grado de humedad ambiental del cuerpo a detectar. Las aplicaciones típicas son en la detección de materiales no metálicos como vidrio, cerámica, plástico, madera, agua, aceite, cartón, papel, etc.

Sensores de este tipo están presentes en los robots de la estación de ensamblaje y FMS, en ambos casos el sensor capacitivo cumple la misma función, que es detectar la presencia de pines. El robot de la estación FMS poses un sensor capacitivo en su muñeca y lo utiliza para detectar los pines sin procesar que van a ser procesados en el Torno CNC, para ello primero tiene que detectar los pines y cuando los detecta, los coge (Fig. 3). En el caso de la estación de ensamblaje el robot

verifica que existan pines procesados en los pallets correspondientes, para ello el robot tiene un sensor acoplado en su muñeca. Cuando el sensor detecta un pin, el robot lo coge y lo coloca en la tapa de la ruleta electrónica. Cada ruleta necesita de cuatro pines, por lo que el robot cuando no detecta la presencia de un pin, automáticamente pasa a detectar la presencia de un segundo pin y así sucesivamente hasta conseguir que el robot ensamble los 4 pines requeridos (Fig. 4).

Figura 3. Sensor capacitivo de la estación FMS

Figura 4. Sensor capacitivo de la estación de ensamblaje

Sensores Ópticos

Emplean fotocélulas como elementos de detección. A veces disponen de un cabezal que contiene un emisor de luz y la fotocélula de detección del haz reflejado sobre el objeto. Otros trabajan en modo barrera y se utilizan para cubrir mayores distancias, con fuentes luminosas independientes del detector. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencias en la banda de infrarrojos.

Su utilización principal es como detectores de posición. El principio de funcionamiento está basado en la

generación de un haz luminoso por parte de un fotoemisor, que se proyecta sobre un fotorreceptor, o bien, sobre un dispositivo reflectante. La interrupción o reflexión del haz, por parte del objeto a detectar, provoca el cambio de estado en la salida de la fotocélula.

Se clasifican según su sistema de detección:

Sistema de detección de “barrera

Sistema de detección “réflex”

Sistema de detección “autoreflex”

Sensor fotoeléctrico de barrera

Dispone de emisor y receptor de haz luminoso dispuestos separadamente

Sensor óptico tipo réflex

Concentra en un solo bloque el emisor y receptor, siendo más fácil su instalación, aunque requiere u dispositivo reflector. Para este cometido se suele emplear un sistema catadióptrico, que tiene la propiedad del triedro trirectangular, el cual refleja la luz en la misma dirección en la que llega.

Dispone de una mayor distancia de detección que el sistema de barrera, teniendo en cuenta que el trayecto que recorre el haz de luz es el doble.

Sensor óptico tipo autoréflex

En este sistema es el propio objeto a detectar el que funciona como elemento reflector, lo cual simplifica la tarea de instalación. Por el contrario, su inconveniente es que dispone de una menor distancia de detección en comparación con los dos tipos anteriores.

Las ventajas de este tipo de detectores son la inmunidad a perturbaciones electromagnéticas, las grandes distancias de detección, alta velocidad de respuesta, identificación de colores y detección de pequeños objetos. Una variante importante son los construidos de fibra óptica que permite separar el punto emisor y el detector de la unidad principal del sensor con las ventajas de accesibilidad que ello proporciona.

En el CIM encontramos sensores ópticos en cinco estaciones de trabajo, Almacén o AS/RS (Automatic Storage & Retrieval System), Soldadura, Ensamblaje, Prensa Hidráulica, Control de Calidad. La estación AR/RS utiliza este sensor para detectar la presencia de pallets, para ello cada pallet tiene adherido un dispositivo reflector. Cuando los pallets son retirados del almacén, el brazo robótico detecta qué pallets estan disponbles,

los coge y los lleva hacia un vagon ubicado en la banda transportadora. De manera similar el brazo detecta si es que un vagón contiene pallets y los retira para guardarlos en el almacén.

Los sensores ópticos de la estación de soldadura están ubicados en el magazine de clip de baterías y en la posición de soldadura. El sensor ubicado en la posición de soldadura detecta la presencia del PCB que va a ser soldado con el clip de batería. Otro sensor òptico es utilizado para el robot sepa cuando existe la presencia de clips para que lo pueda coger y llevarlo a la posición de soldadura, donde se encuentra un PCB sin soldar. Luego de ello el robot une ambos tanto el PCB como el clip mediante un proceso de soldadura.

En la estación de ensamblaje hay sensores ópticos en los magazines o almacenes temporales. El magazine 1 que sirve para alojar tapas procesadas y van apiladas unas sobre otras. Aquí hay un sensor óptico fotoeléctrico de barrera (Fig. 5), en el magazine 2 también hay un sensor óptico fotoeléctrico de barrera y sirve para detectar las bases que han sido procesadas y requieren ser ensambladas. El magazine 3 aloja a las baterías y es un sensor de tipo autoréflex. La prensa hidráulica también tiene un sensor óptico que sirva para detectar la presencia de ruletas electrónicas que van a ser prensadas. La estación de control de calidad tiene sensores ópticos que detectan la presencia de los PCBs que van a ser inspeccionados (Fig. 6).

Figura 5. Sensor óptico de la estación de ensamblaje

Figura 6. Sensor óptico de la estación de control de calidad

Sensores magnéticos

Los sensores ma gnéticos usa n el ef ecto Magneto Res is ti vo , prop iedad por la cua l , un mater ia l magnét ico cambia su res is tenc ia en presencia d e un campo magnético ext erno. Esto p roporciona un exc elen te med io pa ra medi r con prec is ión d esplazamientos l inea les y angulares (por ejemplo, en var i l las metá l i cas, l evas, cr emalleras) , pues p equeños movimien tos mecá nicos producen camb ios medib les en el campo magnét ico.

Los sensores de esta ser ie encuentran apl icac ión en instrumentación y contro l de p roc esos , como también en au tomatización industr ia l.

Son sensores que se aplican funda menta lmente en la detecc ión d e posic ión de los ci l ind ros neumáticos . En los c i l indros existe un imán que p ermanece f i ja do en el p is tón del ci l indro. Los sensores magnét icos se encuen tran en las estaciones AS/RS, so ldadura , ensambla je, prensa hidráuli ca , FMS, control de ca lidad y la banda tra nsportadora . La es ta ción AS/RS usa los sensores ma gnét icos pa ra indica rle a l brazo robót ico hasta donde desplazarse en el ej e X , además de ind icarle cuando es que está ret i rando o colocando objetos d esde y hacia el a lmacén (Fig. 7 ). La es tación d e soldadura neces ita los sensores ma gnéticos para que el robot envíe la señal a l PLC cuando su gripper se encuen tre abierto o cerrado. La estac ión de ensa mbla je t i ene s ensores ma gnét icos que están insta lados en el cuerpo d e los ci lind ros neumá ticos ubicados en cada maga zine, además de tener otro en el modulo d e gripper, el cua l le permite a l robot poder a coplarse a otro gr ipper para que pueda coger corr ec ta mente los p ines procesados . Estos sensores también están ubicados en la estación de prensa hidráu li ca y se usan para indicar le a l PLC el estado de la puerta de ingreso (ab ierta o cerrada ), por donde ingresa la ruleta elect rónica hacia la zona de p rensado. La ruleta ll ega a la zona de prensado sob re un d isposi ti vo que se mueve a tra vés de un r iel. Cuando este d isposi ti vo entra a la zona de p rensado, hay un sensor magnét ico que l e

ind ica al PLC su posic ión, esta ind icación tamb ién la da cuando el d isposi t ivo sale de la zona de prensado.

Figura 7. Sensor magnético de la estación AS/RS

La prensa en sí ta mbién ti ene un sensor ma gnét ico que l e ind ica al PLC cuando és ta se encuen tra a rr iba o aba jo. La estación FMS, a l i gua l que la es tación d e ensa mbla je, posee sensores ma gnét icos en el modulo d e gripper, el cua l le permi te a l robot poder acoplarse a otro gripper pa ra que pueda coger correctamente los p ines sin procesa r. En la es tación de control de cal idad , los sensores se u ti l i zan para indica rle a l PLC cuando los sujetadores ha n cogido a l PCB`s en la zona de contro l, también se pueden apreciar en el cuerpo d el ci l indro neumá tico que hace d esplazar la cámara de i luminación de d icha estac ión. La banda transportadora t i ene p is tones que suben y ba jan para detener los vagones que van sobre el la . Estos p is tones t i ene dos es ta dos (ac ti vado o desacti vado), el sensor magnét ico le ind ica la posición de los pistones a l PLC y de a cuerdo a una lógica d e control se cont inua con el proceso.

Por lo expl icado anteriormente s e puede

conclu i r que existe una gran va riedad de sensores y cuya ut i li zación sólo d epende d e la magni tud que en la prácti ca se desea medi r u observa r. No quiero d ejar de resa ltar la importancia d e los sensores en a l á mbi to industr ia l, ya que todas las empresas que se dedican a la fab rica ción o elabora ción de di ferentes productos ti ene la neces idad de ha cer uso e imp lementa r es ta tecnología en sus procesos, con el fin de adqu ir ir a lgún t ip o de detecc ión y con trol d e la s var iables en sus sistema s de producc ión.

Referencias bibliográfica 1. Elmer Ramírez. Controladores Lógicos Programables 2. Emilio García Moreno. Automatización de Proceso

Industriales 3. H. Baumgarther. CIM Consideraciones Básicas 4. Ramón Piedrafrita Moreno. Ingeniería de la Automatización

Industrial