6 Датчики промислових роботів

6.1 Класифікація датчиків промислових роботів.

Сучасні інформаційно-вимірні і інформаційно-перетворювальні елементи ПР дозволяють виробляти конкретну програму дій ПР, забезпечуючи пристрої управління необхідною інформацією про стан самого ПР, і про стан зовнішнього середовища.

Класифікація датчиків ПР представлена на рис. 6.1.

Датчики ПР

Датчики для вимірювання

стану ПР

Датчики для вимірювання стану зовнішнього середовища

Датчики положення і швидкості ланок ПР

Датчики аварійної блокіровки

Контактні датчики

Дистанційні датчики

Візуальні

Локаційні

_{Рис.6.1 Схема класифікації датчиків ПР}

Приведена класифікація є досить умовною.

Датчики для вимірювання стану ПР служать для формування сигналу в ланцюгах зворотних зв'язків по положенню і швидкості ланок маніпулятора.

Датчики для вимірювання стану зовнішнього середовища призначені для вимірювання параметрів навколишнього середовища в дальній і ближній зонах, а також тактильні вимірювання. Ці вимірювання використовуються для управління рухом робота (адаптивні роботи), а також при ідентифікації об'єктів і маніпулювання ними.

Контактні датчики зовнішнього стану проводять вимірювання при контакті з об'єктом в процесі торкання, прослизання або кручення. Принцип дії безконтактних (дистанційних) датчиків заснований на визначенні змін різного роду полів при взаємодії з об'єктом.

6.2 Датчики для вимірювання стану ПР (датчики внутрішньої інформації).

Датчики внутрішньої інформації робота контролюють перш за все переміщення, швидкість, прискорення, вібрацію робочих механізмів робота, а також сили, тиски і моменти, які діють на ці механізми.

Розглянемо конструкцію і принцип дії датчиків внутрішньої інформації саме по цьому функціональному призначенню.

6.2.1 Датчики переміщень

До простих датчиків переміщень відносяться електроконтактні датчики. У них при переміщенні механізму механічне зусилля діє на ключі, замикаючи один з них і розмикаючи інший. У результаті живлення певної полярності подається на обмотку виконавчого механізму, обумовлюючи напрям його руху. Саме так, наприклад, влаштовані кінцеві датчики для зупинки переміщення або зміни напряму руху (рис. 6.2).

Рис. 6.2 Схема кінцевого датчика

Такі датчики прості і доступні, широко використовуються в робототехніці. Вони мають дуже великий опір в розімкненому стані і низький в замкнутому. Їх недолік в тому, що вони мають низький ресурс роботи і вимагають періодичної перевірки працездатності контактів.

Цих недоліків позбавлені герметичні контакти (герконы), керовані зовнішнім магнітним полем (рис.6.3.). Їх використовують як в пристроях внутрішньої, так і в пристроях зовнішньої інформації. Вони не чутливі до радіації і змін температури.

Рис. 6.3 Геркон

До недоліків будь-яких механічних контактів слід віднести їх деренчання відразу після перемикання. Таке деренчання приводить до появи серії вихідних імпульсів замість одного. Це у свою чергу негативно впливає на роботу подальших цифрових схем.

Щоб уникнути цього механічні перемикачі доповнюють електронними пристроями, які спрацьовують від першого ж імпульсу і не реагують на подальші. Такі пристрої називаються фіксаторами. На рисунку 6.4. в якості фіксатора використовується RS-трігер.

Рис. 6.4 Фіксатор

При перемиканні ключів в положення 1 на виході трігера з'являється рівень напруги, еквівалентний логічній одиниці. Він діятиме до тих пір, поки не відбудеться перемикання ключів в положення нуль. При цьому деренчання контактів на форму вихідної напруги трігера не впливають.

Як датчики переміщень широко використовуються потенціометричні датчики. Вони прості, дешеві, малогабаритні. Проста схема використання потенціометричного датчика має вигляд (рис.6.5.).

Рис.6.5 Потенціометричний датчик

Тут Х – переміщення

Потенціометричні датчики переміщення дозволяють порівняно легко реалізувати функціональну залежність R(x) будь-якого вигляду. Для цього виконується фігурний каркас відповідного профілю. Крім того, потенціометричні датчики здатні працювати і на постійному, і на змінному струмі.

До недоліків потенціометричних датчиків можна віднести можливість відмови із-за наявності ковзаючого контакту (окислення контактних доріжок, перетирання, відгортання повзунка) і порівняно невелику чутливість.

Роздільна здатність потенціометричних датчиків визначається діаметром дроту: від 0,03 до 0,1 мм в прецизійних датчиках і до 0,4 мм в грубіших датчиках.

Дія тензодатчиків переміщень (ТДП) заснована на зміні електричного опору провідників і напівпровідників при пружних деформаціях розтягування і стиснення.

Чутливі елементи датчиків виконуються з металевого дроту, фольги напівпровідникових стрижнів круглого і плоского перетинів. Конструктивно тензодатчики виконуються наклеюваними і не наклеюваними (рис. 6.6.)

Рис.6.6 Тензодатчики

Напівпровідникові тензодатчики (тензоліти) виготовляються у вигляді стрічок або проводів з напівпровідників (рис 6.7.). Відрізок тезоліта наклеюється на папір або лаковану поверхню деталі.

Рис. 6.7 Тензоліти

Тензочутливість датчиків істотно залежить від температури. Для зниження впливу температури на тензодатчики застосовують різні схеми термостабілізації.

Дія ємкісного датчика переміщення (ЄДП) заснована на перетворенні вхідної величини х в зміну ємкості конденсатора. Як відомо для плоского конденсатора C = ε S / , де  – діелектрична проникливість, S – площа пластин плоского конденсатора,  - зазор між пластинами.

Переміщення х може впливати на один з вказаних параметрів: S, , .

ЄДП входять до складу слідкуючих систем змінного струму високої точності, що працюють на підвищеній (400 Гц) частоті.

У основу дії індуктивних датчиків переміщення (ІДП) покладена здатність електричної котушки, розміщеної на магнітопроводі із зазором, змінювати свою індуктивність при переміщенні якоря магнітопровода, тобто при зміні величини заряду в магнітопроводі. Простий ІДП представлений на (рис. 6.8.)

Це дросельний ІДП. Він складається з ярма 1 з розміщеною на нім обмоткою 2 і якоря 3, утримуваного пружинами. До якоря прикладається

Рис. 6.8 Індуктивний датчик переміщення

зусилля, яке його переміщує, при цьому датчиком вимірюється переміщення х якоря, а точніше, величина зазору δ.

На рис.6.9.представлена статична характеристика ІДП - I = f().

Рис. 6.9 Статична характеристика ІДП

Тут Iu – струм в ідеальному датчику, Ip – струм в реальному датчику.

До недоліків однотактного ІДП слід віднести: невеликий діапазон вимірюваних переміщень; нелінійність статичної характеристики; сильний вплив температури і інших параметрів навколишнього середовища на точність вимірювання.

До індуктивних датчиків переміщень відносяться і трансформаторні датчики переміщень. У таких датчиках вхідне переміщення х змінює коефіцієнт індуктивного зв'язку між двома обмотками, одна з яких живить датчик, а інша – вимірною (рис.6.10.)

Рис. 6.10 Трансформаторний датчик переміщення

При зміні х відбувається перерозподіл напруг U₁ і U₂ і зрештою зміна напруги U_вых.

Області застосування трансформаторних датчиків ті ж, що і у ІДП, але вони мають деяку перевагу через відсутність гальванічного зв'язку між ланцюгами живлення і виходу.

До індукційних датчиків переміщення відносяться трансформатори, що обертаються, і сельсини.

Трансформатори, що обертаються, бувають двох видів: сінусно-косінусні (СКВТ) і лінійні (ЛВТ). СКВТ – це мікромашина змінного струму з двома перпендикулярними обмотками на статорі і двома на роторі. Якщо одну із статорних обмоток живити змінною напругою Uc, то на виходах роторних обмоток буде напруга

U₁ = KU_csin ,

U₂ = KU_ccos ,

де К – коефіцієнт трансформації ВТ,  - кут повороту ротора ВТ щодо заживленої обмотки статора.

Друга обмотка статора використовується для забезпечення симетрії вихідних сигналів.

ЛВТ утворюється з СКВТ шляхом відповідного з'єднання обмоток СКВТ. При малих кутах повороту ротора вихідна напруга ЛВТ лінійно залежить від кута повороту .

Оптоелектронні датчики переміщень можна розділити на дві групи: датчики індикаторного типу і вимірювальні датчики. Перші працюють за релейним принципом і мають пороговий рівень спрацьовування (фотореле, фотоелектричні лічильники). Другі датчики мають складнішу схему і дозволяють якісно і кількісно оцінити фізичний процес.

Основою оптоелектронного датчика переміщення (ОДП) є елементарний оптрон.

Багато оптичних датчиків використовують для вимірювання переміщень властивості волоконного світловода. Вони отримали назву світловодних датчиків. Такі датчики володіють високою чутливістю, перешкодостійкістю, здатністю працювати у вибухово- і пожежнонебезпечних місцях. Контрольований параметр (переміщення, тиск) може впливати на інтенсивність, фазу, полярність або довжину хвилі світла, що розповсюджується по світловоду.

На рис.6.11 представлена схема світлового датчика переміщення. Джерелом світла Ф служить лазер.

Рис. 6.11 Схема світлового датчика переміщення

Пучок світла Ф, що випромінюється лазером, на своєму шляху розділяється на два пучки за допомогою дзеркала 1: потік Ф₁ проходячи через дзеркало, потрапляє у волокно, використовуване у вигляді датчика; потік Ф₂, відбитий дзеркалом, поступає в так зване релейне волокно 4. Вимірювальне волокно 5 піддається дії. Параметри світлового потоку Ф₁ при цьому змінюються. Далі результат рекомбінації обох потоків реєструється фотодетектором 3.