Cách Chọn Cảm Biến Tự Động Hóa Công Nghiệp Cho Sản Xuất

Tất cả các máy tự động đều phụ thuộc vào thông tin mà chúng vận hành. Một máy ép servo làm việc với một bộ phận không hoàn hảo, một robot chỉ làm việc với các vật thể có thể nhìn thấy, và một bàn hiệu chuẩn đo nhiệt độ môi trường của nó. Việc lựa chọn cảm biến tự động hóa công nghiệp do đó không phải là một mục để điền vào cuối dự án; nó quyết định liệu máy có phát hiện được khuyết tật hay vận chuyển chúng đi. Hướng dẫn này đặc biệt dành cho những người chịu trách nhiệm phát triển danh sách cảm biến cho dự án, và người phải mua chúng, so sánh các đề nghị từ nhà cung cấp, và có một vài cảm biến bổ sung sẵn có.

Hướng dẫn này dựa trên kinh nghiệm của chúng tôi trong việc lựa chọn loại cảm biến cho các dây chuyền lắp ráp tự động và bàn thử nghiệm cho các thiết bị ngắt mạch và các thiết bị điện áp thấp khác. Trong thực tế, chúng tôi đã lựa chọn trong số sáu nhóm loại cảm biến: cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang điện, cảm biến thị giác, cảm biến tiếp cận, và cảm biến dịch chuyển tuyến tính do các công ty lớn như Omron, Keyence, Honeywell, Panasonic và SIMBATOUCH sản xuất.

Để lựa chọn cảm biến cho sản xuất, hãy bắt đầu từ công việc, không phải từ danh mục: xác định những gì cần được phát hiện hoặc đo lường, vật liệu mục tiêu và khoảng cách, độ chính xác và thời gian phản hồi mà quy trình cần, và môi trường mà cảm biến sẽ hoạt động. Sau đó, khớp tín hiệu đầu ra với PLC của bạn (PNP hoặc NPN, 4–20 mA, hoặc IO-Link), xác nhận cấp bảo vệ IP và cách lắp đặt, và chuẩn hóa trên một số thương hiệu và mã số linh kiện nhỏ. Hầu hết các lỗi cảm biến trên sàn sản xuất đều do thông số kỹ thuật sai hoặc lắp đặt kém, không phải do cảm biến bị lỗi.

Sáu nhóm cảm biến đứng sau hầu hết các máy lắp ráp và thử nghiệm

Có hàng chục loại cảm biến được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp, nhưng một hệ thống băng tải thông thường hoặc bàn thử nghiệm chỉ sử dụng sáu nhóm cảm biến. Bảng dưới đây cho thấy vai trò của từng cảm biến trong một máy thực tế và cũng là thông số quan trọng để ghi vào BOM.

Cảm biến áp suất và lực

Cảm biến áp suất trong lắp ráp các thành phần điện có hai ứng dụng khác nhau. Ứng dụng đầu tiên là khí nén: phần lớn các máy hoạt động với nguồn cung cấp khí 0,6MPa; một công tắc áp suất hoặc bộ truyền áp suất sẽ dừng máy trước khi kẹp áp suất thấp cho phép bất kỳ bộ phận nào di chuyển. Ứng dụng thứ hai liên quan đến việc đo lực khi ép, đóng đinh và lắp ghép. Trên Benlong’s Máy lắp ráp tự động lõi sắt từ MCB, một máy ép servo lắp bobbin và chốt với lực lập trình được từ 10–200 N với độ chính xác lực ±5% và độ chính xác độ sâu ±0,05 mm, và một đường cong lực-dịch chuyển loại bỏ bất kỳ bộ phận nào lệch khỏi hồ sơ đã dạy. Các cảm biến lực tải và cảm biến lực mini từ SIMBATOUCH và Honeywell là lựa chọn điển hình cho vai trò này.

Cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ quan trọng nhất khi vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ. Một bộ ngắt mạch bimetal hoạt động dựa trên nhiệt độ, do đó, một bàn hiệu chuẩn quan sát nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ gây ra các phép đo sai lệch từ ca sáng đến ca chiều. Benlong’s Bàn hiệu chuẩn nhiệt lâu dài MCCB ghi lại nhiệt độ môi trường với mỗi lần kiểm tra và có thể tự động điều chỉnh cửa sổ chấp nhận, với tùy chọn buồng giữ nhiệt độ 25 °C ±3 °C. Đối với phép đo như vậy, tốt hơn nên sử dụng RTD (ví dụ Pt100) thay vì nhiệt điện trở vì nó chính xác và ổn định hơn ở nhiệt độ phòng. Nhiệt điện trở hiệu quả hơn trong các phép đo liên quan đến nhiệt độ cao tại các điểm như hàn và đóng đinh nhiệt.

Cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện là xương sống của việc phát hiện bộ phận. Chúng có thể hoạt động ở ba chế độ: xuyên tia, phản xạ ngược và phản xạ khuếch tán; hơn nữa, ngay cả trong không gian chật hẹp, cảm biến quang sợi quang có thể được sử dụng thay cho cảm biến tiêu chuẩn. Trên máy lắp ráp bán tự động MCB arc-chute, cảm biến quang học kiểm tra số lượng tấm và chiều cao của các chồng trước khi thực hiện ép và rèm ánh sáng an toàn để bảo vệ nhân viên trong khu vực tải. Ba nhà sản xuất cảm biến quang hàng đầu là Omron, Keyence và Panasonic.

Cảm biến thị giác

Trong khi cảm biến quang điện trả lời có hoặc không, cảm biến thị giác trả lời cái gì, ở đâu và liệu nó có chính xác hay không. Trên Benlong’s Dây chuyền lắp ráp tự động MCB, hoạt động với chu kỳ 2–3,5 giây, các camera tại các điểm xác định kiểm tra sự thiếu tắc nghẽn, bộ phận đặt sai vị trí và lắp ráp kém. Một thông số kỹ thuật duy nhất là đủ cho khả năng của camera, tức là độ phân giải hình ảnh, nhưng đánh giá tổng thể: trường ảnh chụp, kích thước khuyết tật tối đa, chiếu sáng cũng như tổng thời gian kiểm tra thị giác phải đáp ứng yêu cầu chu kỳ vận hành. Keyence và Omron đều sản xuất cảm biến thị giác và hệ thống thị giác máy hoàn chỉnh.

Cảm biến tiếp cận

Cảm biến tiếp cận cảm ứng được sử dụng để phát hiện kim loại mà không cần tiếp xúc. Chúng là lựa chọn phổ biến nhất để nhận vị trí cuối xi lanh, bàn xoay chỉ số hoặc kiểm tra sự hiện diện của các bộ phận kim loại trong đồ gá. Loại cảm biến dung môi phát hiện các vật thể không phải kim loại như vỏ nhựa, nhưng chúng bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi bụi bẩn và độ ẩm. Nó cũng cung cấp phạm vi cảm biến với dung sai: phạm vi được chỉ định áp dụng cho mục tiêu làm bằng thép và các kim loại khác như đồng thau, đồng và nhôm làm giảm đáng kể phạm vi cảm biến, điều này đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện các tiếp điểm và đầu đồng.

Cảm biến tuyến tính và cảm biến dịch chuyển

Cảm biến tuyến tính có khả năng đo vị trí thay vì chỉ phát hiện sự hiện diện của nó. Ví dụ về các cảm biến như vậy bao gồm bộ truyền vị trí từ tính, bộ truyền vị trí điện trở, LVDT và cảm biến dịch chuyển laser. Trong các máy lắp ráp, chúng được sử dụng để đo độ sâu chèn, hành trình ép, chiều cao và độ phẳng của bộ phận. Khi được sử dụng cùng với cảm biến lực, cảm biến tuyến tính tạo ra đặc tính lực-dịch chuyển, làm cho máy ép servo trở thành công cụ hiệu quả.

Cách chọn cảm biến tự động hóa công nghiệp: Quy trình bảy bước

Một phương pháp vững chắc cho phép kỹ sư chọn một cảm biến công nghiệp nhanh hơn và người mua dễ dàng xác minh các thuộc tính của nó hơn. Bảy bước này là phổ quát:
①. Xác định mục tiêu cần đạt được. Soạn thảo một câu mô tả mục đích của việc phát hiện, đếm, đo lường hoặc kiểm tra trong không gian và thời gian. Nếu bạn gặp khó khăn trong việc diễn đạt ý tưởng, các yêu cầu cho cảm biến vẫn chưa được chính thức hóa.
②. Xác định mục tiêu. Điều này bao gồm việc xác định vật liệu, màu sắc, hoàn thiện bề mặt, kích thước và tính di động của nó. Theo quy luật, các mục tiêu bóng, trong suốt và màu đen được biết là gây nhầm lẫn cho cảm biến quang học.
③. Tính toán khoảng cách. Xác định phạm vi làm việc của cảm biến và độ lặp lại cần thiết của các phép đo. Ngoài ra, hãy nghĩ đến sự thay đổi nhỏ nhất cần được phát hiện.
④. Tập trung vào thời gian. Đảm bảo thời gian phản hồi của cảm biến phù hợp với thời gian làm việc của thiết bị; với chu kỳ làm việc 2 giây, một cảm biến chậm sẽ gây ra sự chậm trễ.
⑤. Đánh giá điều kiện môi trường. Lưu ý các yếu tố như nhiệt độ, sương dầu, dung dịch làm mát, bụi kim loại và rung động bao gồm cả nhiễu điện. Chọn lớp IP và vật liệu vỏ phù hợp dựa trên đánh giá IP.
⑥. Xác định loại đầu ra và kết nối của bạn. PNP hoặc NPN nên phù hợp với đầu vào và loại analog được đặc trưng bởi phạm vi (4-20mA hoặc 0-10V).
⑦. Chuẩn bị cho việc bảo trì. Điều này bao gồm xác định loại đầu nối, chiều dài cáp, khả năng có sẵn phụ tùng thay thế và liệu việc thay thế có thể thực hiện mà không cần dạy lại hay không.

Tín hiệu đầu ra: chi tiết gây ra hầu hết các trì hoãn khi vận hành

Cảm biến rời sử dụng công nghệ PNP hoặc NPN, và việc chọn cảm biến phù hợp để tương thích với mô-đun đầu vào PLC là rất quan trọng. Một cảm biến có cực tính không đúng sẽ không hoạt động, đây là một trong những lý do phổ biến nhất gây trì hoãn khi thiết bị nhập khẩu đến điểm đến cuối cùng. Trong khi đó, cảm biến analog hoạt động bằng cách truyền các phép đo liên tục, với tín hiệu 4-20 mA được ưu tiên hơn tín hiệu điện áp trên các đoạn cáp dài, vì hiệu quả chống nhiễu điện và dễ dàng phát hiện sự gián đoạn dây dẫn. IO-Link, được chuẩn hóa theo IEC 61131-9, giữ nguyên kết nối ba dây quen thuộc nhưng thêm khả năng giao tiếp hai chiều, cho phép PLC đọc chẩn đoán cảm biến và tự động tải cài đặt xuống thiết bị thay thế.

Danh sách kiểm tra thông số kỹ thuật cảm biến dành cho kỹ sư và người mua

Hầu hết các vấn đề về nguồn cung bắt đầu từ một dòng thông tin không đầy đủ trên danh sách cảm biến. Trước khi danh sách cảm biến tự động hóa được gửi đến bộ phận mua hàng, mỗi dòng nên trả lời các câu hỏi sau:

Khách hàng cần xem xét hai kiểm tra thương mại: xác minh xem linh kiện được báo giá có phải là hàng chính hãng từ nhà phân phối được ủy quyền hay không, và tìm hiểu thời gian giao hàng cho từng cảm biến chứ không chỉ là khung thời gian tổng thể. Ví dụ, một cảm biến thị giác bị đặt hàng chậm có thể làm tắc nghẽn toàn bộ dây chuyền sản xuất đang được kiểm tra tại nhà máy.

Thương hiệu cảm biến được sử dụng trong các dự án tự động hóa của Benlong

Benlong chuẩn hóa trên một danh sách ngắn các thương hiệu để khách hàng nhận được máy móc với các bộ phận có thể tìm nguồn cung tại địa phương và kỹ sư có thể hỗ trợ. So sánh dưới đây phản ánh cách mỗi thương hiệu thường được sử dụng trên thiết bị lắp ráp và kiểm tra.

Khi khách hàng chỉ định một thương hiệu khác, ví dụ để phù hợp với tiêu chuẩn nhà máy hiện có, danh sách cảm biến có thể được điều chỉnh trong giai đoạn thiết kế. Thực hiện điều này trước khi máy được chế tạo sẽ tốn ít chi phí; thay đổi cảm biến sau khi nghiệm thu nhà máy có nghĩa là phải đi lại dây điện, lập trình lại và kiểm tra lại. Người mua ở các thị trường như Ấn Độ, những người cân nhắc giữa nhà sản xuất máy trong nước và nước ngoài, có thể tìm hiểu thêm về quyết định đó trong hướng dẫn của chúng tôi về các nhà sản xuất máy lắp ráp tự động ở Ấn Độ.

Từ Tín Hiệu Cảm Biến Đến Quyết Định Chất Lượng

Đầu ra của cảm biến chỉ có ý nghĩa khi nó ảnh hưởng đến các hành động của máy. Mỗi cảm biến quan trọng trong một dây chuyền được thiết kế đúng cách đều ảnh hưởng đến các hành động của máy: dừng, loại bỏ, thử lại, điều chỉnh hoặc ghi lại. Đây là sự khác biệt then chốt giữa tự động hóa chỉ di chuyển vật thể và tự động hóa thực hiện kiểm soát chất lượng, một sự khác biệt được phân tích sâu hơn trong bài viết của chúng tôi về Tự động hóa là gì?. Khi xem xét đề xuất máy, hãy hỏi với từng cảm biến điều gì xảy ra khi tín hiệu của nó sai. Nếu không có câu trả lời, cảm biến đó chỉ là trang trí.

• Loại bỏ khi lỗi: hệ thống đo lực-dịch chuyển, thị giác và đếm nên ngăn các bộ phận lỗi đi qua dây chuyền.
  Ghi lại giá trị: việc lưu giữ hồ sơ các đỉnh lực, nhiệt độ và kết quả kiểm tra cho phép sử dụng dữ liệu cho kiểm toán và khiếu nại.
  Giám sát cảm biến: hệ thống chẩn đoán IO-Link, dữ liệu cường độ tín hiệu từ cảm biến quang điện và hiệu chuẩn kênh cho phép phát hiện sự cố cảm biến trước khi vấn đề phát sinh.
• 

Câu hỏi thường gặp

Các loại cảm biến khác nhau được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp là gì?

Các cảm biến công nghiệp phổ biến nhất là cảm biến tiếp cận (cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung), cảm biến quang điện và cảm biến sợi quang, cảm biến thị giác, cảm biến áp suất và lực, cảm biến nhiệt độ, cảm biến tuyến tính và dịch chuyển, cảm biến siêu âm, bộ mã hóa, cảm biến mức và lưu lượng, và các thiết bị an toàn như rèm ánh sáng và máy quét laser. là các cảm biến khoảng cách (cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung), cảm biến quang điện và cảm biến sợi quang, cảm biến thị giác, cảm biến áp suất và lực, cảm biến nhiệt độ, cảm biến tuyến tính và dịch chuyển, cảm biến siêu âm, bộ mã hóa, cảm biến mức và lưu lượng, và các thiết bị an toàn như rèm ánh sáng và máy quét laser.

Bốn loại cảm biến chính là gì?

Mặc dù không có danh sách chính thức về các loại cảm biến, nhưng trong thực tế chúng được phân loại thành bốn nhóm lớn, đó là cảm biến nhiệt độ, áp suất, vị trí hoặc tiếp cận, và cảm biến quang học. Tổng hợp lại, các loại cảm biến này chiếm phần lớn các phép đo và phát hiện cần thiết trong quá trình sản xuất.

Làm thế nào để chọn cảm biến?

Trước tiên, xác định chính xác những gì cần phát hiện hoặc đo lường, tiếp theo là xác định chi tiết vật liệu mục tiêu và khoảng cách, đảm bảo mức độ chính xác và thời gian phản hồi mong muốn, xác định điều kiện làm việc và cấp bảo vệ IP, và cuối cùng điều chỉnh loại tín hiệu đầu ra phù hợp với bộ điều khiển. Cuối cùng, điều quan trọng là chọn nhà sản xuất có thể hỗ trợ dự án bằng cách cung cấp đề xuất các lựa chọn thay thế.

Các loại cảm biến thường được sử dụng trong robot công nghiệp là gì?

Vị trí khớp chủ yếu được giám sát bằng bộ mã hóa trong khi hệ thống thị giác được sử dụng để nhận dạng các bộ phận. Các nhiệm vụ lắp ráp và đánh bóng được thực hiện với sự trợ giúp của cảm biến lực/moment xoắn. Cảm biến tiếp cận và quang điện được sử dụng trên các kẹp và thiết bị đầu cuối. An toàn có thể được đảm bảo bằng việc sử dụng máy quét laser an toàn hoặc rèm ánh sáng.

Tài liệu tham khảo

• OMRON Tự động hóa công nghiệp — Danh mục sản phẩm cảm biến
• KEYENCE — Kiến thức cơ bản về cảm biến: nguyên lý phát hiện và các loại cảm biến
• Panasonic Industry — Cảm biến
• Honeywell — Giải pháp cảm biến
• SIMBATOUCH (Công nghệ Điện tử Sbatuo Quảng Châu) — cảm biến lực và áp suất
• Cộng đồng IO-Link — Công nghệ IO-Link (IEC 61131-9)

Phần kết luận

Lựa chọn cảm biến cho một dự án sản xuất là một bài tập về đặc tả trước khi là một việc mua sắm. Xác định nhiệm vụ, mục tiêu, độ chính xác, tốc độ và môi trường; phù hợp đầu ra với bộ điều khiển; và chuẩn hóa các thương hiệu bạn có thể hỗ trợ. Benlong Automation áp dụng chính xác phương pháp này cho cảm biến áp suất, nhiệt độ, quang điện, thị giác, tiếp cận và tuyến tính trên các dây chuyền lắp ráp và băng thử của mình, để mọi tín hiệu trên máy đều dẫn đến một quyết định về chất lượng.

Huang Xiaolei | Tự động hóa Benlong