Jakich czujników potrzebują roboty przemysłowe?

Jakich czujników potrzebują roboty przemysłowe? Adobe Stock
19.12.2023

Automatyzacja produkcji jest jednym z głównych trendów w globalnym przemyśle, który w krótkim czasie zdobył ogromną popularność. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat roboty przemysłowe stały się nieodłącznymi elementami wielu przedsiębiorstw na całym świecie, rewolucjonizując procesy produkcyjne i przyczyniając się do zwiększenia ich wydajności i precyzji działania. Ich rola z pewnością nie byłaby tak duża, gdyby nie odpowiednio dobrane do aplikacji czujniki.

W dzisiejszej erze Przemysłu 4.0 automatyzacja staje się niezbędnym narzędziem przedsiębiorstw, które dążą do zwiększenia efektywności, konkurencyjności i innowacyjności. Wraz z postępem technologicznym roboty przemysłowe nie tylko wykonują powtarzalne i monotonne zadania. Stają się także coraz bardziej zaawansowanymi systemami, które są zdolne do adaptacji, uczenia się i interakcji z otoczeniem. Mogą odbierać polecenia od ludzi, wykonywać zaprogramowane sekwencje lub działać zgodnie z instrukcjami zdefiniowanymi przez technologię sztucznej inteligencji (artificial intelligence – AI).

Żeby jednak roboty przemysłowe mogły skutecznie wykonywać złożone operacje, potrzebują różnego rodzaju czujników i układów sensorycznych, które dostarczają informacje o stanie robota i otoczenia zewnętrznego. Czujniki mierzą takie parametry, jak pozycja, siła, moment, prędkość, temperatura, natężenie światła itp. Natomiast układy sensoryczne integrują te dane i umożliwiają kompleksową percepcję środowiska.

Czujniki położenia

Należą one do najbardziej wszechstronnych czujników stosowanych w prawie każdym systemie autonomicznym, który wymaga zastosowania systemów kontroli ruchu. Dzięki nim możliwe jest poruszanie się robotów i precyzyjne określenie ich pozycji. W robotyce przemysłowej używa się różnych rodzajów czujników położenia, które są dostosowane do indywidualnych potrzeb i specyfikacji aplikacji. 

Przetworniki obrotowo-impulsowe

Przetworniki obrotowo-impulsowe (enkodery) pracują na zasadzie generowania impulsów elektrycznych proporcjonalnie do obrotu lub przesunięcia liniowego. Uzyskane sygnały pozwalają robotom na precyzyjny pomiar pozycji przegubów, kontrolę położenia narzędzi roboczych oraz monitorowanie prędkości, przyspieszenia i kierunku ruchu. Zależnie od potrzeb i specyfikacji zastosowania wykorzystuje się różne

Enkodery inkrementalne

Enkodery inkrementalne, znane również jako enkodery przyrostowe, są jednym z rodzajów przetworników obrotowo-impulsowych. Głównym elementem tego typu enkodera jest przezroczysta tarcza wirnika, na której naniesione są kreski nieprzepuszczające światła. 

Podczas obrotu wirnika przetwornika dioda LED generuje światło, które oświetla tarczę. Impulsy świetlne otrzymane w wyniku tego procesu są przekształcane w układzie optoelektronicznym na sygnał cyfrowy. 

Pełny sygnał wyjściowy z enkodera składa się zazwyczaj z trzech kanałów: A, B i Z. Sygnały w kanałach A i B często mają postać przebiegu prostokątnego i są przesunięte względem siebie o 90°. Podczas obrotu przetwornika kolejność pojawienia się sygnału A lub B na wyjściu pozwala określić kierunek obrotu wałka. Impuls w kanale Z (zwany kanałem zerowym) jest generowany po pełnym obrocie tarczy i służy do określenia pozycji odniesienia przetwornika. 

Enkoder inkrementalny generuje impulsy, które nie są przez niego zapamiętane. Odczytanie i zliczanie impulsów najczęściej odbywa się przy użyciu zewnętrznego sterownika, licznika lub rejestratora, co umożliwia określenie położenia np. ramienia robota lub kierunku jego obrotu. 

Sygnały na wyjściu enkodera inkrementalnego

Enkodery absolutne

Enkodery absolutne (kodowe) należą do bardziej zaawansowanych przetworników obrotowo-impulsowych, które działają na zasadzie określenia pozycji za pomocą odczytu kodu z tarczy kodowej. Tarcza wirnika enkodera zawiera okręgi z polami kodowymi, które przepuszczają światło. 

Aktualna pozycja tarczy przetwornika jest odczytywana zwykle za pomocą kodu Graya, binarnego lub BCD. W enkoderach absolutnych brak napięcia zasilającego w momencie wyłączenia lub wystąpienia awarii nie powoduje utraty informacji o położeniu przetwornika.

Resolwery

Przetworniki optyczne są podatne na zanieczyszczenia układu optycznego, takie jak wilgoć lub mgła olejowa. Pozbawione tych wad są transformatory położenia kątowego zwane resolwerami. Wykorzystują one zjawisko indukcyjnego przekazywania energii, która jest proporcjonalna do kąta obrotu. 

Resolwery są szczególnie odporne na takie warunki przemysłowe, jak wibracje, wysoka temperatura czy zapylenie. Prosta konstrukcja tych transformatorów pozwala na wykorzystanie ich do kontroli położenia ramion robotów, pomiaru kąta i kierunku obrotu. Dzięki niezawodności i wytrzymałości resolwery często są stosowane w trudnych środowiskach, w których inne czujniki mogą ulegać uszkodzeniu.

Czujniki zbliżenia i obecności

Czujniki te znajdują szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach przemysłowych i robotyce. Służą do wykrywania obiektów w określonym zasięgu lub pomiaru odległości między czujnikiem a obiektem. 

Istnieje kilka popularnych rodzajów tych czujników. Jednym z często stosowanych czujników zbliżeniowych są czujniki indukcyjne, których działanie opiera się na zasadzie zmiany indukcji elektromagnetycznej w obecności przewodzącego obiektu. Po wykryciu obiektu czujnik generuje sygnał, który jest przetwarzany i wykorzystywany w procesie kontroli lub sterownia.

Innym popularnym rodzajem czujników zbliżeniowych są czujniki pojemnościowe, które wykorzystują zmianę pojemności elektrycznej w obecności obiektu. Czujnik pojemnościowy tworzy pole elektrostatyczne, a kiedy obiekt pojawia się w jego zasięgu, następuje zmiana pojemności pola. Sensor rejestruje tę zmianę i generuje odpowiedni sygnał elektryczny, który informuje o obecności obiektu. 

Czujniki podczerwieni są kolejnym rodzajem czujników zbliżeniowych, które działają na zasadzie wykorzystania promieniowania optycznego do wykrywania obiektów. Te czujniki emitują wiązkę świetlną w kierunku obiektu i rejestrują odbicie światła. Jeśli odbicie zostanie zarejestrowane, czujnik informuje o obecności obiektu.

W pomiarze obecności obiektów popularne są także czujniki laserowe, które emitują bardziej skupioną wiązkę światła laserowego w kierunku obiektu. Analizują one odbicie tej wiązki podobnie jak czujniki na podczerwień. 

Oba rodzaje czujników optycznych wykazują wysoką skuteczność w różnych warunkach środowiskowych. Dzięki wysokiej skuteczności detekcji zarówno czujniki podczerwieni, jak i czujniki laserowe są szeroko stosowane w automatyce i robotyce. Zapewniają nie tylko precyzyjne wykrywanie obiektów, ale także niezawodność działania nawet w wymagających warunkach pracy. 

Czujniki dotyku

Czujniki dotyku stosowane w robotach przemysłowych są przeznaczone do fizycznego wykrywania sił i momentów obrotowych oraz kontaktu z otoczeniem lub konkretnym obiektem. Ich działanie opiera się na zastosowaniu tensometrów oporowych, które wykorzystują właściwości fizyczne drutu oporowego, polegające na zmianie jego rezystancji wraz ze zmianą jego długości.     

Pod wpływem działających sił lub momentów powstają proporcjonalne odkształcenia elementów tensometrycznych, które powodują zmianę oporności czujnika. Wykorzystanie mostka Wheatstone’a do pomiaru rezystancji umożliwia rejestrację nawet najmniejszych naprężeń.

Mostek tensometryczny

Czujniki dotyku umożliwiają też analizę zmian nacisku lub rozkładu sił poprzez kontakt z obrabianym elementem. Pozwala to na dostarczenie informacji na temat nierówności i stanu powierzchni. Dzięki zdolności rozpoznawania delikatnych powierzchni czujniki dotyku ułatwiają manipulowanie m.in. przedmiotami o różnych kształtach, a także o delikatnej konstrukcji. 

Ważną funkcją czujników jest też detekcja kolizji, która umożliwia robotowi wykrywanie nieoczekiwanych przeszkód w bezpośrednim otoczeniu i reagowanie na te przeszkody. Zwiększa to bezpieczeństwo pracy i minimalizuje ryzyko uszkodzenia zarówno urządzenia, jak i elementów otoczenia. 

Czujniki dotyku wykorzystuje się też do określania granic roboczych. Pozwala to robotowi precyzyjnie kontrolować swoje położenie i unikać przekraczania ustalonego obszaru ruchu.

Czujniki odległości

Zaprojektowano je specjalnie do pomiaru odległości między robotem a otoczeniem lub obiektem. Jednym z popularnych rodzajów czujników do tego typu pomiaru jest czujnik ultradźwiękowy. 

Działa on na zasadzie wysyłania fali dźwiękowej o wysokiej częstotliwości i rejestrowania jej odbicia od obiektu. Na podstawie czasu, jaki upływa od wysłania fali do jej odbicia, czujnik jest w stanie obliczyć odległość do obiektu. 
Innym powszechnie stosowanym typem czujnika odległości jest czujnik laserowy, który pełni również rolę czujnika zbliżenia i obecności obiektu. 

Warto zaznaczyć, że czujniki odległości często stosuje się w połączeniu z innymi sensorami, takimi jak kamery czy czujniki dotykowe. Pozwala to dostarczać bardziej kompleksowe informacje o otoczeniu i precyzyjne sterować robotem w różnych sytuacjach. 

Systemy wizyjne

W systemach wizyjnych w robotyce przemysłowej stosuje się kamery i zaawansowane algorytmy przetwarzania obrazu do analizy oraz rejestrowania otoczenia i przedmiotów. Głównym zadaniem tych systemów jest zbieranie w postaci obrazów lub strumieni wideo informacji, które pozwalają robotom „widzieć” i lepiej zrozumieć otoczenie. Dzięki kamerom możliwa jest identyfikacja obiektów, odczytywanie informacji z kodów kreskowych, a także rozpoznawanie kształtów i kolorów oraz ocena jakości produktów.

Systemy wizyjne 2D

Wykorzystują one kamery i umożliwiają rejestrację dwuwymiarowych obrazów. Dzięki temu można sprawdzić, czy kontur, geometria lub pozycja obrotowa obiektu jest zgodna ze wstępnie zdefiniowaną specyfikacją. System ten umożliwia też odczytywanie kodów kreskowych i tekstu oraz identyfikowanie wzorców na płaskiej powierzchni. Prostota i efektywność systemu wizyjnego 2D jest nieodłącznym elementem w automatyzacji procesów przemysłowych, który zapewnia szybką i niezawodną analizę obrazu.

Systemy wizyjne 3D

Rozpoznawanie obiektów 3D dostarcza informacje o głębi i trójwymiarowej strukturze obiektów. W systemach wizyjnych 3D wykorzystuje się zaawansowane techniki przetwarzania obrazu i pomiary trójwymiarowe – takie jak technologia czasu lotu światła, skaning laserowy, stereowizja czy strukturalne światło – żeby uzyskać pełniejszy obraz trójwymiarowy otoczenia. 

Dzięki tym technikom systemy wizyjne 3D są w stanie dokładnie zarejestrować trójwymiarową strukturę obiektów i dostarczyć informacje o ich głębi. Jest to przydatne w takich aplikacjach, jak robotyka przemysłowa, autonomiczne pojazdy, interakcja człowiek–maszyna, systemy nawigacji, analiza powierzchni i wielu innych. 

Czujniki do różnych zastosowań

Czujniki RFID

W przypadku robotów przemysłowych technologię radiowych identyfikatorów (radio-frequency identification – RFID) można stosować do identyfikowania i śledzenia obiektów, narzędzi, komponentów lub innych elementów w środowisku produkcyjnym. 
Technologia RFID umożliwia dostarczanie szczegółowych informacji na temat przedmiotów, które są wykorzystane przez roboty przemysłowe. Pozwala to robotom lepiej zarządzać procesami, sprawniej podejmować decyzje i wykonywać zadań z większą precyzją. 

Czujniki akustyczne

Czujniki akustyczne (mikrofony) w robotach przemysłowych służą do odbierania poleceń głosowych i rozpoznawania nietypowych dźwięków z otoczenia. Za pomocą zaawansowanych algorytmów robot może lepiej zrozumieć mowę, a nawet identyfikować emocje mówcy. 

Co więcej, wykorzystanie czujników piezoelektrycznych pozwala na eliminowanie hałasu i błędów, które wynikają z wibracji. Mikrofony mają szerokie zastosowanie – od detekcji awarii po poprawę bezpieczeństwa i wydajności pracy. 

Czujniki temperatury 

Głównym zadaniem czujników temperatury jest autodiagnostyka robota i jednoczesna identyfikacja potencjalnie niebezpiecznych źródeł ciepła. Dzięki tym czujnikom robot może reagować na zmiany temperatury i podejmować odpowiednie działania, aby zapewnić bezpieczeństwo pracy i chronić swoje komponenty przed przegrzaniem. 

Czujniki chemiczne

Czujniki chemiczne stosuje się w robotach, które monitorują skład chemiczny otoczenia np. w przemyśle chemicznym lub medycynie. Dzięki nim roboty są w stanie wykrywać obecność lub stężenie substancji chemicznych (takich jak gazy toksyczne i opary) lub czynników biologicznych. To umożliwia szybką identyfikację potencjalnie niebezpiecznych substancji i szybkie poinformowanie personelu o wystąpieniu zagrożeń. 

Czujniki znacząco wpływają na automatyzację przemysłu. Ich zastosowanie umożliwia doskonalenie precyzji i efektywności robotów, co przekłada się na zwiększenie wydajności produkcji. Dzięki czujnikom roboty mogą także reagować na zmieniające się warunki, co zapewnia większą elastyczność i lepszą adaptację do różnych zadań. 

Monitorowanie jakości produktów za pomocą czujników pozwala na utrzymanie wysokich standardów i minimalizowanie liczby wad. Ponadto czujniki umożliwiają monitorowanie środowiska pracy, co przyczynia się do identyfikowania potencjalnych zagrożeń i poprawy bezpieczeństwa. Wprowadzenie coraz bardziej zaawansowanych czujników przyczynia się także do postępu technologicznego i innowacji w przemyśle, otwierając nowe możliwości i dalsze perspektywy rozwoju robotyki przemysłowej. 

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę