Вопросы к экзамену «Информационные устройства и системы в мехатронике»

1. Основные определения, характеристики, требования и классификация датчиков мс и ртс. Определить классификационные признаки и степень соответствия требованиям микросхемы с датчиком Холла

2. Функциональная схема информационной системы (ИС). Классификация ИС по назначению.

3. Функции информационно-измерительных устройств внешней и внутренней информации в ИС. Задачи ИС на разных уровнях управления в РТК.

4. Резистивные датчики положения. Схемы одно- и двухкоординатного измерителей рассогласования, шумы, динамические свойства

5. Резистивные датчики положения. Схемы включения и погрешности потенциометрических датчиков.

6. Резистивные датчики положения. Использование программируемого контроллера для преобразования непрерывного сигнала в цифровой код.

7. Резольверы. Конструкция. Функция преобразования в режиме фазовращателя. Преобразование «аналог-код».

8. Резольверы в качестве датчика для серводвигателей. Устройство и принцип действия. Система обработки сигналов резольвера в микропроцессоре.

9. Индуктосины и редуктосины. Особенности конструкции и применения. Принцип действия.

10. . Кодовые оптические датчики (абсолютного отсчета) положения.

11. Импульсные (инкрементные) оптические датчики положения. Устройство и принцип действия. TTL и HTL датчики.

12. Растровые фотоэлектрические датчики положения Особенности конструкции. Принцип действия. Схема формирования импульсов (преобразование «аналог-код»).

13. Контроль частоты вращения (скорости перемещения) инкрементными датчиками и датчиками абсолютного отсчета.

14. Аналоговые датчики угловой скорости (тахогенераторы).

15. Локационные информационные системы. Модуляция и детектирование сигналов.

16. Электромагнитные локационные системы. Принцип действия магнитных и вихретоковых ЭМЛС. Электромагнитные локационные системы специального назначения

17. Акустические локационные системы. Датчики и системы акустической локации. Электромагнитные локационные системы специального назначения.

18. Оптические локационные системы (класс локации). Характеристики оптических и лазерных ЛС. Применение в мехатронике и РТС.

19. СТЗ. Датчики изображения, телекамеры. Базовые алгоритмы обработки изображения

20. СМО. Принципы СМО роботов. Датчики систем СМО. Методы распознавания контактных ситуаций

№1. Основные определения, характеристики, требования и классификация датчиков МС и РТС

Первичным преобразователем, или чувствительным элементом (ЧЭ), называется простейший элемент информационной системы, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения, например фотодиод или тензорезистор.

Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием измеряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно электрической природы — заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины. Простейший датчик состоит из одного или нескольких первичных преобразователей и измерительной цепи. Большинство датчиков имеет внешний источник питания, а в качестве нагрузки может быть использован усилитель, измерительный прибор, блок сопряжения с компьютером и т. п.

Классификация датчиков

1. по типу замещаемой функции: датчики можно подразделить на четыре группы: кинестетические, локационные, визуальные и тактильные;

2. в зависимости от радиуса действия различают контактные датчики, датчики ближнего и дальнего действия;

3. по способу преобразования выделяют генераторные (активные) и параметрические (пассивные) датчики.

Рассмотрим каждую группу более подробно.

Кинестетические датчики формируют информационный массив данных об обобщенных координатах и силах, т. е. о положении и относительных перемещениях отдельных рабочих органов и развиваемых ими усилиях. К кинестетическим относятся датчики положения, скорости, измерители сил и моментов в сочленениях многозвенного механизма.

Локационные датчики предназначены для определения и измерения физических параметров среды путем излучения и приема отраженных от объектов сигналов. По значениям этих параметров формируется локационный образ среды, который используется для идентификации ее объектов. Наиболее распространены электромагнитные, в том числе оптические, а также акустические устройства.

Визуальные датчики обеспечивают получение информации о геометрических и физических характеристиках внешней среды на основе анализа ее освещенности в оптическом диапазоне, включая ИК, СВЧ и рентгеновское излучения. Примером являются различные телевизионные системы.

Тактильные датчики позволяют определить характер контакта с объектами внешней среды в целях их распознавания. Это, например, тактильные матрицы и силомоментные датчики. Тактильные датчики относятся к датчикам контактного типа.

Контактными являются также кинестетические датчики. Сенсорные устройства ближнего действия получают информацию о среде вблизи объекта работы, дальнего — во всей рабочей зоне. Примерами являются визуальные и акустические преобразователи.

Генераторные датчики являются источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала. Это — термоэлектрические преобразователи; устройства, в основе функционирования которых лежат пиро- и пьезоэлектрические эффекты, явление электромагнитной индукции, фотоэффект, эффект Холла и др.

В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины меняются некоторые параметры выходного импеданса. Импеданс датчика обусловлен его геометрией и размером элементов, а также электромагнитными свойствами материала: удельным электросопротивлением ρ, относительной магнитной проницаемостью μ, относительной диэлектрической проницаемостью ε_r. В преобразователях этого типа сигнал формируется измерительной цепью (потенциометрической или мостовой схемой, колебательным контуром, операционным усилителем). Параметрическими преобразователями являются большинство датчиков силы, давления, перемещения.

Несмотря на разнообразие датчиков, используемых в робототехнических и мехатронных системах, они должны быть унифицированы. Унифицированным преобразователем (трансмиттером) является датчик, имеющий нормированный диапазон сигнала на выходе. Согласно международному стандарту DIN/VDЕ 2600, нормированные сигналы должны находиться в диапазонах: сила тока 0...± 5 мА или 0...± 20 мА; напряжение 0±1В или 0±10 В. В устройствах с нормированными токовыми сигналами допускается применение измерительных приборов с внутренним сопротивлением R_н < 1 кОм. В устройствах с нормированными сигналами напряжения сопротивление R_н должно превышать 1 кОм.

Кроме того, к датчикам систем предъявляют следующие требования:

• высокая надежность и помехоустойчивость в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжения и частоты;

• малогабаритность, простота конструкции, «размещаемость» на захватном устройстве и других частях манипулятора при ограниченной площади и объеме;

• развязка выходных и входных цепей, простота юстировки и обслуживания;

• возможность абсолютного отсчета параметров и др.

Основные характеристики датчиков:

-функция преобразования;

-избирательность;

-чувствительность;

-частотная характеристика;

-постоянная времени.

О пределить классификационные признаки и степень соответствия требованиям микросхемы с датчиком Холла

№2. Функциональная схема информационной системы (ИС). Классификация ИС по назначению.

О дин или несколько датчиков в совокупности с усиливающими и преобразующими устройствами образуют информационную систему (рис. В2). Информационная (информационно-сенсорная) система предназначена для интегральной оценки наблюдаемого процесса или явления в целях определения его состояния и формирования соответствующего сообщения. В общем случае она представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных средств для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки для предоставления в требуемом виде. В информационной системе сигналы, поступающие с датчиков, после предварительного усиления и преобразования в цифровую форму поступают на микроЭВМ, где выполняется интегральная оценка процесса. Далее формируется сообщение на верхний уровень информационной системы или в систему управления.

Сложные задачи необходимо решать и в процессе работы оборудования РТК. Например, при обработке изделий на металлообрабатывающих станках с ЧПУ, оснащенных роботами, предусматриваются операции предварительного, промежуточного и окончательного контроля изделия, сравнение фактических параметров с заданными. В зависимости от результатов измерений формируются команды на продолжение программы обработки или на ее прерывание. В целом такую задачу может решить информационно-измерительная система, которая относится к системам автоматического контроля. Такая система должна обеспечивать, с одной стороны, требуемый уровень качества продукции путем контроля параметров заготовок, инструмента, режимов изготовления, а с другой – максимальную эффективность за счет поддержания оборудования РТК в работоспособном состоянии.

Р абота промышленного робота с неупорядоченными изделиями связана с решением таких задач, как отбор и укладка деталей, сортировка, автоматическая корректировка параметров движения при отклонениях параметров объектов манипулирования и др. Решение указанных задач возможно только при наличии информационно-измерительных устройств, выдающих информацию о местоположении объектов работы, их параметрах, о расстоянии между рабочими органами робота и предметом. В этих случаях применяются устройства технического зрения, тактильного и локационного очувствления, относящиеся к группе внешних информационно-измерительных устройств.

Автоматизация погрузочно-разгрузочных и складских работ, свойственных широкому кругу гибких производственных комплексов, в которых работают роботы, может быть осуществлена только при условии автоматизации операции адресования заготовок, готовых изделий, тары. Решение этих задач возможно при оснащении таких комплексов специальными информационно-измерительными системами, получившими название систем автоматического адресования.

Приведенные выше примеры показывают, что информационно-измерительные системы, применяемые в роботах и роботизированных технологических комплексах, решают большой круг задач. Исходя из этих задач, на рис.1.1 приведена классификация таких систем.

№3. Функции информационно-измерительных устройств внешней и внутренней информации в ИС. Задачи ИС на разных уровнях управления в РТК.

Ф ункциональная гибкость робота и РТК в целом зависит от анализа информации о ходе выполнения технологического процесса, функционирования робота и технологического оборудования и использования этой информации для управления. Так, например, анализ внешней информации при работе РТК позволяет производить оценку отклонений параметров предметов и внешней среды и соответствующую корректировку, управляющей программы. Данные, снимаемые с информационно-измерительных устройств внутренней информации, дают возможность осуществлять компенсацию внутренних параметрических и координатных возмущений. На основе внутренней информации может производиться также диагностика работы робота и оборудования РТК.

Группа информационно-измерительных устройств внешней информации, применяемых в роботах, реализует функции, свойственные чувствительным органам человека, которые обеспечивают восприятие и переработку в управляющие сигналы информации о внешней среде и объектах. По аналогии с органами чувств человека такие устройства называют сенсорными.

Совокупность сенсорных устройств, связанных общей функцией восприятия и переработки локальных физических параметров, образует структуру чувствительных органов робота, называемую сенсорной системой. Как правило, такая сенсорная система представляет собой интегрированную систему, содержащую различные типы информационно-измерительных устройств, которые при работе робота взаимно дополняют друг друга (например, система технического зрения и тактильное очувствление, локационная система и техническое зрение и т.п.).

Таблица 1.1Функции информационно-измерительных устройств

ТаблицаВ1 Примеры использования информационных систем в роботах

Группа устройства	Разновидность устройства	Выполняемые функции
Внешней информации Внутренней информации	Техническое зрение Тактильные, локационные и др. Положения, скорости, ускорения, усилий, момента и др.	Определение геометрических, физических и химических свойств объекта и внешней среды Измерение параметров перемещений, скорости, ускорений, усилий и моментов механизмов робота и технологического оборудования

Приведенные в таблице устройства отличаются принципом действия и назначением. Они во многом определяют функциональные возможности робота и РТК, влияют на такие показатели их работы, как надежность и эффективность. Именно по степени использования различных информационно-измерительных устройств в системах управления роботами последние подразделяют на поколения.

В робототехнике информационные системы используются на трех уровнях управления: исполнительном, тактическом и стратегическом. В табл. В1 приведены примеры задач, решаемых на каждом из этих уровней, и используемые для этого информационные средства.

№4 Резистивные датчики положения. Схемы одно- и двухкоординатного измерителей рассогласования, шумы, динамические свойства

Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой включенный по схеме делителя напряжения резистивный ЧЭ, информативный параметр которого – сопротивление – регулируется положением подвижного контакта. РДП относятся к преобразователям с абсолютным отсчетом, так как их функция преобразования монотонна и непрерывна. Датчики этого типа имеют один цикл измерения, благодаря чему кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности.

Конструктивно РДП выполнен в виде потенциометра с движком, который в большинстве случаев механически связан с потенциометром и представляет собой подвижный (скользящий) контакт. В некоторых моделях контакт заменен оптической или магнитной связью.

Одним из важнейших параметров РДП является максимальная скорость перемещения контакта, определяющая верхний частотный предел входных воздействий - частоту среза РДП. Рассмотрим линейный РДП и для простоты расчета допустим, что подвижный контакт совершает в окрестности положения равновесия l₀ синусоидальное движение с амплитудой l=lо+l₁sinωt (где ω=2πf). Следовательно, для максимальной скорости перемещения движка будет справедливо выражение (dl/dt)_max=ωl₁. Очевидно, что (dl/dt)_max должна быть меньше некоторой, определяемой конструкцией РДП, линейной скорости V_mах. Тогда f<V_тах/(2πl₁), аналогично для углового РДП f<360Ώ_mах/(2πα₁), (например, при V_mах = 2 м/с, l₁ = 0,3 мм получаем f< 1,1 кГц).

Шумы РДП обусловлены как свойствами ЧЭ датчика, так и наводками в его измерительной цепи. Шумы - это аддитивная помеха, вызванная изменением сопротивления РДП при перемещении подвижного контакта. Она является следствием разнородности структуры ЧЭ, вибраций и т.п. В общем случае U_вых(x)=U_c(x)+U_ш(x), причем U_ш(x)=IR_ш(x), где U_c(x) – напряжение сигнала; U_ш (х) — составляющая шума; I — ток через подвижный контакт (обычно I<1 мА); R_ш(х) - шумовое сопротивление РДП. Допустимый уровень шума РДП указан в паспорте на датчик. Например, для однооборотного РДП модели СП4-8 U_ш(x) = 2 мВ. Сопротивление R_ш полосковых РДП существенно больше, чем проволочных, и достигает 2 % от R₀.

Н аличие шумов РДП приводит к большим погрешностям при дифференцировании сигналов (например, при определении скоростей). Для их уменьшения разработаны бесконтактные пленочные РДП с полосой из фотопроводящего слоя. В настоящее время их выпускают многие фирмы, например Sеgог (Франция) и др. Резистивный слой фотопотенциометра представляет собой пластинку, покрытую тонким слоем сернистого кадмия. Принцип действия РДП основан на внутреннем фотоэффекте. При освещении поверхности пластины образуется проводящая перемычка, сопротивление которой на несколько порядков ниже сопротивления затененных участков фоточувствительного слоя. Потенциал резистивного слоя измеряют в точке светового пятна, и следовательно, выходное напряжение является функцией его координаты. Если сопротивление нагрузки R_н»R_осв (где R_осв— сопротивление освещенного участка), то данный прибор работает как обычный потенциометр. Чувствительность фотопотенциометра S = 10...50 мВ/мм. Недостатком РДП этого типа является сравнительно низкое быстродействие (t_уст ≈1 ...5 мс).

Бесконтактные РДП используют в одно- и двухкоординатных измерителях рассогласований (рис. 3.3).

Т аблица 3.2

К достоинствам РДП следует отнести простоту построения измерительных схем, высокий уровень выходного сигнала и малые габаритные размеры. Следует отметить также, что они обладают радиационной стойкостью и низкой стоимостью. Недостатками РДП являются нелинейность характеристики при нагрузке, наличие зоны нечувствительности и малая износостойкость (не более 10⁷ циклов преобразования) для лучших моделей контактных РДП. Для них характерны также сравнительно невысокие допустимые значения скоростей (до 2...3 об/с для угловых РДП), а также чувствительность к вибрациям и загрязнению (табл. 3.2).

№5 Резистивные датчики положения. Схемы включения и погрешности