ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра электропривода, автоматики и управления

в технических системах

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторных работ № 4-6 по дисциплине

«Информационные устройства и системы

в робототехнике»

для студентов направления

15.03.06 «Мехатроника и робототехника»

(профиль «Промышленная и специальная робототехника»)

очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. техн. наук В.А. Трубецкой

УДК 621:338(075)

Методические указания по выполнению лабораторных работ № 4-6 по дисциплине «Информационные устройства и системы в робототехнике» для студентов направления 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» профиль «Промышленная и специальная робототехника» очной формы обучения/ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.А. Трубецкой. Воронеж, 2015. – 35 с.

Методические указания предусматривают систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний студентов по дисциплине «Информационные устройства и системы в робототехнике» и формирование практических навыков по расчету и выбору датчиков информационных систем, а также исследованию их характеристик.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе WORD и содержатся в файле МУИ ЛР 4-6.doc.

Ил. 8 . Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.К. Муконин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение принципа действия и основных характеристик фотоэлектрических преобразователей угловых перемещений кодового типа, а также способов их использования в робототехнических устройствах.

2. Теоретические сведения

Преобразователи угловых и линейных перемещений широко используются в робототехнических системах в качестве датчиков обратной связи по положению.

Функции, выполняемые промышленными роботами, предъявляют, как правило, жесткие точностные, динамические и эксплуатационные требования к этим преобразователям.

Так, для угловых перемещений величина погрешности исчисляется минутами и секундами в диапазоне 360˚ а для линейных - единицами микрон. В настоящее время для преобразования перемещений применяются вращающиеся трансформаторы, индукционные редуктосины, круговые и линейные индуктосины, фазовые преобразователи угла с вращающимся модулятором, фотоэлектрические преобразователи и др.

В данной лабораторной работе изучаются фотоэлектрические преобразователи угла (ФПУ). Широкому применению этих преобразователей в промышленных роботах способствует отсутствие обмоток, возможность получения высокой точности за счет движения коэффициента электрической редукции при малых габаритах, различные методы преобразования угла в электрические сигналы и другие технологические и конструктивные показатели.

2.1. Основные разновидности ИГУ

Из фотоэлектрических преобразователей угла наибольшее распространение получили преобразователи считывания (ПС) и растровые интерполяторы (РИ). Первые осуществляют преобразование абсолютного значения угла в ход, вторые - приращение угла.

Основными элементами ФПУ являются модулирующий, или кодирующий, диск и фотоэлектрическая считывающая система. Последняя состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть содержит источник излучения и оптическую систему, предназначенную для формирования параллельного потока, а приемная - индексную диафрагму и приемник излучения.

Модулирующий диск и индексная диафрагма представляют собой диски, изготовленные из оптического стекла или металла, расположенные соосно и параллельно друг другу. На обращенных друг к другу поверхностях стеклянных дисков печатным способом нанесены растровые дорожки из чередующихся прозрачных и непрозрачных участков. В металлических дисках для этого выполнены прорези. В качестве источников излучения в ФПУ чаще всего используются лампы накаливания и светодиоды. Лампы накаливания в сравнении со светодиодами имеют большую излучательную способность, работают в более широком диапазоне температур. Светоизлучающие диоды характеризуются малыми габаритами, высокой устойчивостью к механическим нагрузкам, большим сроком службы, большим КПД, небольшой потребляемой мощностью и высоким быстродействием. В качестве приемников излучения главным образом применяются кремневые фотодиодные матрицы.

Точность ФПУ характеризуется результирующей погрешностью преобразования. Все погрешности разделяются на флюктуационные, инструментальные, динамические и погрешности аналого-цифрового преобразования. Причиной возникновения флюктуационных погрешностей являются помехи, сопровождающие работу ФПУ. Инструментальные погрешности возникают вследствие конструктивно-технологических ограничений по точности изготовления, сборки, отладки и юстировки элементов ФПУ. Динамические погрешности обусловлены переходными процессами, а также изменением входного сигнала за время одного преобразования. Погрешность аналого-цифрового преобразования является следствием дискретизации и квантования входной величины и ее изменения за время преобразования.

2.2. Преобразователи считывания

В ПС информация о перемещении получается в виде цифрового кода, значения каждого разряда которого «0» и «1» задаются непрозрачными участками растровой дорожки и снимаются элементами фотодиодной матрицы. Модулирующий элемент n -разрядного ПС представляет собой диск, содержащий n дорожек, которые образуют так называемую кодовую маску.

На рис.1 показан пример 4-разрядного кодового диска с обычным двоичным кодом. Считывающие элементы (показаны на рисунке в виде черных прямоугольников) располагаются по радиусу. Младшему разряду двоичных чисел, получаемых в результате преобразования, соответствует внешнее кольцо, а старшему разряду - внутреннее. При вращении кодового диска считывающие элементы фиксируют появляющиеся под ними коды нулей и единиц. В результате каждому положению кодовой шкалы соответствует вполне определенное двоичное число.

Рис. 1. Двоичная кодовая маска

Нетрудно увидеть, что у такого преобразователя имеется существенный недостаток. Действительно, в двоичном позиционном коде два соседних тела, могут различаться значениями нескольких своих разрядов, Например, на границе 3 и 4, 7 и 8, 11 и 12 секторов светлые участки сменяется темными в 3 разрядах. Во избежание считывания ложных кодов при переходе от одного числа к другому необходимо, чтобы граница между секторами была прямой линией и считывающая маска располагалась точно по этой прямой.

Но практически это требование невыполнимо, так как кодовые шкалы изготавливаются с погрешностью, а считывающая матрица устанавливается в пределах некоторого допуска. Неодновременность считывания на границе секторов приводит к ошибкам неоднозначности, которые в худшем случае могут достичь половины максимального числа, считываемого с диска Для устранения этого недостатка часто используется кодовая маска Грея.

Циклический двоичный код Грея относится к числу однопереходных кодов, в которых переход от одного числа к соседнему сопровождается переменой кода только в одном разряде. На рис. 2 показана 4-разрядная кодовая маска Грея и последовательность изображений десятичных чисел в данном коде. Из рассмотрения кодовой маски видно, что при переходе от одного сектора к соседнему только а одном разряде приходится пересекать границу светлого и темного участков. Следовательно, ошибки неоднозначности в этом случае не будут превышать единицы младшего разряда. Из рис.2 также видно, что длина светлых и темных участков всех разрядов, кроме старшего, в 2 раза больше, чем при двоичном кодировании. Это позволяет получить в преобразователях с кодом Грея вдвое большую разрешающую способность, чем с обычным двоичным кодом.

Число щелей подвижного растра N выражается как где S = 2,…, n – номер разряда. Шаг подвижного растра определяется количеством его щелей Для предотвращения ошибок считывания угловая ширина щелей индексной (неподвижной) диафрагмы не должка превышать угловой ширины щелей младшего разряда кодовой маски. Обычно выбирается .

Рис. 2. Кодовая маска Грея

Для перевода кода Грея в двоичный позиционный код используются преобразователи кодов, построенные, например, на основе сумматоров по модулю 2. Число разрядов кодовой маски ПС ограничивается максимально возможным средним радиусом дорожки и минимально возможными размерами ее участков. Как правило, максимальное число разрядов ПС при внешнем диаметре кодового диска, меньшем 100 мм, составляет 13-14. Для увеличения точности ПС используют либо два отсчета – грубый и точный, либо три – грубый, промежуточный и точный.