Empleo
Optoelectrónicos, magnéticos, capacitivos, inductivos o encoders.Todos los sensores que se comercializan en el mercado guardan un rasgo en común: permiten medir distancias, posiciones, ángulos, humedad o temperatura con la suficiente precisión para automatizar las instalaciones industriales.
La evolución que ha experimentado el sector industrial en los últimos años, gracias a la especialización y la modernización de las cadenas productivas, se explica por un cambio drástico en los métodos de trabajo basado en la automatización de los procesos. Actualmente, la gran mayoría de las tareas repetitivas en cadenas de producción se ejecutan mediante máquinas robotizadas, lo que supone un considerable ahorro de costes y, en muchos casos, un notable incremento de la productividad.
“El sector del automóvil es el referente. Cuando éste invierte en automatización industrial, invierten también otros, como el del cristal o el de los plásticos”, explica José Trenado, responsable de sensores industriales de Sick. También destaca la logística como una de las áreas pioneras en implantación de sistemas automatizados, especialmente en el caso de los almacenes automáticos, donde cada mercancía se coloca en la estantería que le corresponde sin ningún tipo de intervención humana.
Desde el punto de vista tecnológico, detrás de estas complejas instalaciones que acometen tareas propias de personas, se esconde un elemento esencial: el sensor. Estos pequeños dispositivos, capaces de detectar presencia o medir distancia, posición, velocidad, temperatura o humedad, son los que aseguran el correcto funcionamiento de los procesos.
Dependiendo de las aplicaciones,se ocupan de facilitar una tarea o de garantizar las condiciones de seguridad adecuadas para su realización,pero en todos los casos constituyen la parte encargada de recabar información del mundo real y transformarla en datos comprensibles por las máquinas.
Es la pata fundamental de cualquier sistema automático. Eso sí, existen diversos tipos de sensores que difieren en su funcionamiento y es preciso estudiar cada caso concreto para determinar cuál de ellos conviene utilizar.
Sensores optoelectrónicos
Basados en la combinación de luz y electrónica, fueron los primeros en aparecer hace alrededor de 50 años. Esencialmente, consta de una lámpara a la que se le añade una óptica para regular si la luz es más cóncava o convexa. En otro punto se sitúa un receptor sensible a la luz, también llamado fotocélula, que la transformará en una señal digital o analógica.
Cada vez que cambia el haz de luz, esa modificación se detecta y los sistemas informáticos asociados a la aplicación interpretan los datos. Actualmente, existen usos basados en luz roja visible, infrarroja invisible, azul, verde o láser, dependiendo de las necesidades.
Por ejemplo, el láser resulta más preciso y proporciona mayor alcance, pero en el caso de las mediciones en el exterior, la mayoría de los expertos recomiendan emplear infrarrojos ya que –a pesar de que es un sistema más caro– gracias a su longitud de onda permite penetrar mejor en condiciones adversas, como la lluvia o la niebla.
Su principal aplicación es en sensores de proximidad, mediante la evaluación de la luz reflejada en el objeto, aunque también se utilizan para calcular distancias en función del tiempo de tránsito de la luz o según la fórmula de la triangulación. Existen otras posibilidades aún más sofisticadas, como los sensores de contraste, color y luminiscencia, capaces de distinguir unas piezas de otras
Inductivos
Rápidos, precisos y extremadamente resistentes, los sensores inductivos son los más indicados para detectar objetos metálicos a cortas distancias. No son recomendables para tramos superiores a 50 mm, aunque la distancia de conmutación final dependerá del diámetro del sensor.
Como su nombre indica, su funcionamiento se basa en el principio de la inducción, según el cual,cuando un cuerpo se mueve con respecto a un campo magnético estático, se produce una fuerza electromotriz o voltaje.En el caso de los metales, al tratarse de materiales.conductores, se genera electricidad, que es lo que perciben los sensores.
Capacitivos
Aprovechan una propiedad común a todo tipo de sustancias: sean metálicas o no metálicas, lí- quidas o sólidas; se caracterizan por una cierta conductividad y una constante eléctrica. Los capacitivos, que suelen trabajar a una distancia bastante corta, detectan los cambios provocados en el campo eléctrico por la presencia de cualquier objeto.
Funcionan como un condensador: crean un campo electromagnético y cuando varía el dieléctrico se produce una conmutación. Se utilizan mucho para medir niveles con precisión. Por ejemplo, en el caso de una máquina con la que se estén envasando paquetes de azúcar, en el depósito superior se sitúa un sensor que asegure que siempre hay un nivel mínimo de producto para que los paquetes no salgan vacíos.
En general, se recomiendan para medir la presencia de aislantes.Tienen la ventaja de ofrecer una alta estabilidad ante las variaciones de temperatura, así como un nivel elevado de inmunidad contra las interferencias electromagnéticas o las descargas electroestáticas propias de materiales como el plástico o la madera.
Eso sí, resultan sensibles a la humedad.Además de controlar presencia en sistemas de llenado, se emplean para supervisar la alimentación de papel en máquinas de impresión o corte o, en el caso de las máquinas de moldeo por inyección,para controlar el flujo de material en los contenedores.
Magnéticos
Gracias a ellos es posible alcanzar elevadas distancias de conmutación y suelen usarse para detectar grandes imanes permanentes.Tienen la capacidad de percibirlos incluso a través de otros materiales, siempre que éstos no sean magnéticos. Entre sus aplicaciones se cuenta la medición de proximidad y de velocidad.Implantados en los tubos de carga y distribución que se utilizan en la industria química y alimenticia, sirven para supervisar los raspadores que limpian y sellan estas tuberías.
Estudio previo
A pesar de que cada sensor tiene características diferentes, es importante estudiar caso por caso para determinar las aplicaciones idóneas. Un ejemplo muy claro de todo esto se puede ver en la industria alimentaria. Hay que tener en cuenta que se emplean productos de limpieza muy agresivos para que no queden bacterias.
A fin de evitar problemas, se introducen los sensores en cajas de acero inoxidable y se incrementa la estanqueidad. Algunos, incluso, van encapsulados en cajas de teflón, que es un material muy resistente.
Variedad de sensores
También existen sensores que físicamente parecen iguales, pero que, en realidad, difieren en sus componentes, de forma que uno de ellos puede estar diseñado para trabajar a 40º bajo cero en un almacén frigorífico e incluso incorporar un sistema que lo calienta para que las lentes no se condensen.
Asimismo, los condicionantes pueden variar entre dos puntos de una misma fábrica automatizada. Normalmente, en el tramo final, donde las mercancías se almacenan en paletas y se montan en los camiones, estos dispositivos suelen ser más sencillos que en la parte de producción en sí.
Otro ejemplo interesante lo ofrecen los productos cosméticos o las colonias, donde al utilizarse alcoholes, se acotan zonas clasificadas con riesgo de explosión y, por tanto, hay que tener en cuenta la normativa que se debe cumplir. Como principales líneas de evolución, los expertos destacan la miniaturización y el incremento de las distancias de trabajo.
Antiguamente, en los optoelectrónicos se incluía el cabezal óptico por un lado y la parte electrónica por otro. Hoy día todo está integrado en la misma caja, con un tamaño de un centímetro o menos. Además, aumenta la relevancia del lá- ser, que ha elevado las distancias de detección y que, a medida que pasa el tiempo, resulta bastante más asequible.
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ULTRASONIDOS: UNA SOLUCIÓN TRANSPARENTE
Es una de las opciones recomendadas por los expertos en el caso de aplicaciones con líquidos, plásticos u objetos transparentes que, como absorben la luz, son incompatibles con los sensores ópticos.
Otra de sus ventajas es que resultan inmunes a las impurezas del aire, aunque las variaciones de viento y temperatura sí que pueden afectar a sus mediciones. Su principio de funcionamiento es similar al de un radar: emiten vibraciones y miden el tiempo que invierten éstas en rebotar contra los objetos que encuentren en su camino.
Una aplicación llamativa, pero bastante habitual, es la fumigación: los operarios llevan en su tractor una cuba con el producto y un detector de ultrasonido que, cada vez que detecta un árbol, abre el depósito. Como los árboles se componen de ramas, hojas y otros elementos pequeños, serían muy difíciles de percibir con un sensor óptico.
LA GRAN RESOLUCIÓN DE LOS “ENCODERS”
Los encoders combinan elementos mecánicos con sensores ópticos que miden el desplazamiento, la posición o el ángulo con alta precisión, así como ofrecen todas las coordenadas necesarias para asegurar una correcta colocación de las máquinas y los objetos, un aspecto esencial en cualquier infraestructura automatizada.
También es un posicionador, funciona gracias a un disco con un pequeño ranurado (patrones de código óptico). Cada vez que gira, un sensor óptico va contando los pasos entre un patrón y otro. En función del número de pasos se calculan las vueltas y se conoce el avance hacia delante o atrás de un motor o una rueda. En las mediciones de desplazamiento lineal, estos sensores poseen una resolución de micrómetros; y en las de ángulo, de milésimas de grado.
Incrementales y absolutos
Se distingue entre dos tipos de encoders: los llamados incrementales, que miden la posición o separación en función de una referencia de inicialización que se le proporciona a la máquina al encenderla, y los absolutos, que asignan una posición absoluta a cada patrón de código único y, por tanto, no precisan dicha referencia. Las aplicaciones son innumerables y comienzan por el control de todo tipo de brazos robotizados.
ENTREVISTA
Roberto Lazcano, responsable de aplicaciones de la división de metrología industrial de Carl Zeiss.
“Medimos el interior de las piezas con rayos X”
El responsable de aplicaciones de la división de metrología industrial de Carl Zeiss anuncia interesantes novedades que facilitarán las mediciones de calidad y la fabricación de productos.
Con más de 160 años de historia, Carl Zeiss es toda una referencia en la investigación y desarrollo de lentes. Junto con las divisiones de medicina, sistemas de nanotecnología y microscopía electrónica y planetarios, la firma alemana aplica además su experiencia en su división de metrología industrial.
En ella se emplean sofisticados sensores cuyo papel es efectuar mediciones de alta precisión que aseguren la calidad de las piezas en automoción, fabricación de maquinaria u otros sectores similares. El responsable de aplicaciones de esta división en la empresa, Roberto Lazcano, describe la situación actual de la tecnología y su futuro.
¿Cómo definiría la metrología industrial?
Es un área más del sector de calidad de las empresas destinada a controlar las medidas espaciales de las piezas o componentes que fabrican. Gracias a ella se verifica en parte si los procesos de producción están en todo momento de acuerdo con las directrices que se especifican en los planos de diseño: se miden las distancias, las dimensiones y posibles errores de forma que puedan presentar las piezas. Esta actividad se emplea sobre todo en la automoción, en los sectores del plástico y moldes, la matricería industrial, la aeronáutica o la energía eólica.
¿Qué aplicaciones destacaría?
Una de las más representativas es la máquina de puente, que es un armazón con estructura de pórtico provisto de una pinola que sube y baja. En la pinola hay un cabezal donde se encuentra el sensor que va palpando la pieza mediante una bola de rubí. Cada vez que la toca, se detectan los puntos y se registran en un sistema de coordenadas para que el software que acompaña a la solución haga los cálculos necesarios. En el caso de piezas muy grandes, co mo carrocerías de coches, se utiliza la máquina de brazo, en la que la pinola es horizontal.
¿Qué tipo de sensores se emplean?
Además de los sensores punto a punto, existen los sistemas de escaning, que hacen un barrido continuo de la pieza y permiten analizarla más a fondo. Este método puede ser activo o pasivo.
El más exacto es el primero porque el cabezal gobierna las tres dimensiones y se adapta a la medida, lo que permite controlar la fuerza de presión del palpador y las flexiones del mismo. En el pasivo es al revés: la máquina al completo se mueve y el cabezal simplemente sigue la superficie. También existe el escaning óptico, en el que se usa el láser para detectar la forma de la pieza; aunque hoy día la mayor precisión se consigue por contacto.
¿Qué líneas de evolución presentará la metrología industrial?
Este año hemos presentado una gran novedad: una máquina de rayos X que permite ver el interior de la pieza, como si fuera un ser humano, y que gracias al software que lleva asociado, proporciona también sus medidas. Esto supone una gran ventaja porque, hasta ahora, había piezas que era necesario cortar por la mitad.
¿Qué otras investigaciones se están llevando a cabo?
Ahora se está trabajando mucho en tecnología láser con el objetivo de descifrar superficies.