Конспект лекций по КМР

слоя, температуры, упругости, перемещения, скорости, ускорения и других параметров, характеризующих технологические процессы. Для этого часто используют датчики, основанные на ультразвуковых, радиоволновых, оптических, радиационных и других методах измерений. Для имитации реальных условий при испытании систем автоматического регулирования и в вычислительной технике для решения задач статистическими методами применяют датчики случайных чисел.

Датчики служат для автоматического извлечения информации. Современная измерительная техника может непосредственно оценивать более 300 различных физических, химических и других величин, но этого для автоматизации ряда новых областей человеческой деятельности бывает недостаточно. Экономически целесообразное расширение номенклатуры датчиков в ГСП достигается унификацией чувствительных элементов. Чувствительные элементы, реагирующие на давление, силу, вес, скорость, ускорение, звук, свет, тепловое и радиоактивное излучения, применяют в датчиках для контроля загрузки оборудования и его рабочих режимов, качества обработки, учета выпуска изделий, контроля за их перемещениями на конвейерах, запасами и расходом материалов, заготовок, инструмента и т.д. Выходные сигналы всех этих датчиков преобразуются в стандартные электрические или пневматические сигналы.

15.2. Датчики положения и перемещения

Рассмотрим специфику наиболее часто используемых в робототехнике датчиков. Невозможно представить робот, в котором не применялись бы датчики положения и перемещения, являясь важным связующим звеном между его электронной и механической частями.

Выбирая датчик, прежде всего необходимо правильно определить приоритеты по следующим критериям: чувствительность, разрешающая способность и точность, линейность, скорость измеряемого процесса, условия применения и класс защиты, надежность, габаритные размеры, стоимость.

Необходимо учитывать, что датчик может определять абсолютное или относительное положение контролируемого объекта. Исходя из этого, существует два основных метода определения положения и измерения перемещений. При первом методе датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого

465

сигнала отображают перемещение. Такие датчики положения называют абсолютными. К ним относят:

резистивные (потенциометрические) датчики;

индуктивные датчики с подвижным сердечником;

емкостные датчики с подвижными обкладками;

цифровые кодовые датчики абсолютных значений.

При втором методе датчик генерирует единичный импульс на каждом элементарном перемещении, а положение определяют подсчетом суммы импульсов в зависимости от направления перемещения. Такие датчики положения называют относительными. К ним относят фотоэлектрические (оптоэлектронные) импульсные датчики положения. Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, являются их простота и низкая стоимость, а недостатком - необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.

Датчики также делят на контактные и бесконтактные. В бесконтактных датчиках связь между подвижным объектом и датчиком осуществляют посредством магнитного, электромагнитного или электростатического полей, а также оптоэлектронным способом.

Датчики должны иметь конструкцию, позволяющую размещать их в промышленных роботах в местах с ограниченным для установки оборудования объемом; обладать помехоустойчивостью, т.е. возможностью эксплуатации в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжения и частоты сети, а также устойчивостью к механическим воздействиям (ударам, вибрациям) и к изменениям параметров окружающей среды (температуры, влажности и т.п.).

К наиболее простым датчикам положения, работающим по принципу «включено - выключено» относят предельные выключатели, микропереключатели, бесконтактные переключатели, фотореле, герконы, путевые датчики сигналов. С их помощью возможно осуществлять контроль пути, пройденного выходным звеном промышленного робота.

По виду выходного сигнала более сложные датчики делят на аналоговые и цифровые. Развитие цифровых робототехнических систем вызвало потребность в разработке цифровых датчиков, а также устройств сопряжения аналоговых датчиков с цифровыми устройствами. Несмотря на общеизвестные достоинства цифровых датчиков (простое сопряжение с устройствами цифровой обработки сигналов, высокая точность, необходимость только одного маломощного источника питания постоянного тока) применение их ограничено. Поэтому до настоящего времени электромеханические аналоговые датчики не утратили возможности своего применения в

466

цифровых робототехнических системах. Это связано с высокой степенью отработанности основных конструктивных элементов и узлов аналоговых датчиков и их высокими эксплуатационными достоинствами (высокая точность, надежность в работе, малые масса и габариты), а также с развитием техники аналого – цифрового и аналого – частотного преобразования, проявившимся в разработке миниатюрных и высокочастотных микроэлектронных АЦП и АЧП. К тому же высокочастотные аналоговые датчики электромашинного тока со вторичными преобразователями сопоставимы, а в ряде случаев, и дешевле цифровых датчиков.

Аналоговые датчики положения нашли широкое применение в различных областях техники. В промышленных роботах могут быть использованы потенциометрические датчики.

Потенциометрические датчики по физическому принципу действия являются электромеханическими реостатными устройствами, в которых выходное напряжение изменяется пропорционально углу поворота вала. Потенциометры могут быть проволочными и пленочными. По рабочему диапазону их делят на одно- и многооборотные. Проволочные потенциометры отличаются более высокой стабильностью характеристик, но их точность и разрешающая способность ниже, чем у пленочных из-за ступенчатой характеристики, обусловленной дискретным изменением сопротивления при перемещении щетки движка. Кроме того, пленочные потенциометры имеют меньший момент трения, поэтому у них более высокие скорости вращения и более длительный срок службы. Также следует отметить, что многооборотные потенциометры точнее однооборотных.

К достоинствам потенциометрических датчиков относят высокую линейность, простую схему включения и относительно невысокую стоимость. Основные недостатки - наличие механического контакта и сравнительно небольшой срок службы.

Так как потенциометрический датчик имеет ограниченный рабочий диапазон и невысокие допустимые скорости, то его, как правило, соединяют с тихоходным валом промышленного робота: либо непосредственно с выходным валом, либо с промежуточным. При согласовании углов поворота валов потенциометра и промышленного робота, т.е. при выборе передаточного отношения кинематического преобразователя движения, необходимо наиболее полно использовать рабочий диапазон углов поворота потенциометра, не превышая их предельных значений. Скорость вращения также должны быть меньше допустимой. Если потенциометр имеет механические упоры, ограничивающие диапазон углов поворота, то во

467

избежание его поломки запрещают прикладывать к его валу вращающий момент, больше допустимого. Для обеспечения высокой точности измерений и надежной работы датчика соединение валов потенциометра и преобразователя движения должно быть безлюфтовым, так как люфт приводит к искажению сигнала по положению.

Внешний вид, габаритные, установочные и присоединительные размеры некоторых типов потенциометрических датчиков изображены на следующих рисунках: на рис. 15.1 - ПТП-11, на рис. 15.2 - СП4-8, на рис. 15.3 – Сп4-10, на рис. 15.4 - СПМЛ-И, а их технические характеристики приведены в табл. 15.1.

Рис. 15.1

Рис. 15.2

468

Фотоэлектрические датчики. Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на использовании физического эффекта периодического изменения освещенности в зависимости от перемещения (угла поворота). Эти датчики являются бесконтактными и дискретными.

Т а б л и ц а 15.1

Технические характеристики потенциометров

В цифровых фотоэлектрических кодовых датчиках измеряемое непрерывное значение угла поворота вала преобразуется в цифровой двоичный (реже десятичный) код, т.е. кодовую комбинацию электрических сигналов. В таком виде они могут непосредственно поступать в ЭВМ без дополнительных преобразований.

Наибольшее распространение получили кодовые датчики, выполненные в виде кодирующего диска с фотоэлектрической (оптической) системой считывания. Диск устанавливают на валу датчика, который представляет собой стеклянное основание с кодовой маской, состоящей из кодовых дорожек, число которых равно требуемому числу разрядов выходного сигнала. На дорожке чередуются прозрачные и непрозрачные для света участки, первые имитируют 1, вторые – 0 двоичного кода. Следует отметить, что для устранения неоднозначности при считывании кодовую маску наносят в соответствии с кодом Грея (циклическим кодом), но могут быть использованы и другие коды.

Кодовые датчики, также как и потенциометрические, по величине рабочего диапазона делят на одно- и многооборотные. Они являются датчиками абсолютного отсчета.

470

Основное достоинство кодовых датчиков – их высокая разрешающая способность. К недостаткам следует отнести конструктивную сложность и громоздкость.

При проектировании промышленного робота выбор кодового датчика целесообразен в том случае, если требуется высокая точность перемещения выходного звена, система управления имеет цифровой вход и при этом нет существенных ограничений на массогабаритные показатели.

Внешний вид кодового датчика типа ФЭП-15 показан на рис. 15.5, а технические характеристики приведены в таблице 15.2

Рис. 15.5

Т а б л и ц а 15.2

Технические характеристики кодового датчика типа ФЭП-15

В цифровых фотоэлектрических импульсных (фотоимпульсных) датчиках измеряемая непрерывная величина угла поворота вала преобразуется в определенное число электрических импульсов, которые в специальных схемах счета импульсов преобразуются в цифровой код.

Импульсный датчик имеет два канала и вырабатывает сигналы прямоугольной формы, сдвинутые по фазе на 90о, что позволяет определить направление движения звена. Он не имеет ограничений по диапазону углов поворота и измеряет только приращения перемещений (относительное измерение). Для устранения ошибок, вызванных помехами, и организации абсолютного отсчета вводится

471

синхронизирующий импульс (ноль - импульс), который подается в третий канал при каждом проходе через отсчетное положение датчика. Для определения начала отсчета необходимо применение специальных схемных решений и дополнительных калибровочных датчиков, например потенциометров, точных механических упоров с концевыми выключателями, рисок и т.п. Основным показателем импульсных датчиков является разрешающая способность. Импульсные датчики по сравнению с кодовыми имеют более простую конструкцию, но требуют специальных схем счета импульсов и калибровки.

При выборе импульсного датчика необходимо учитывать предельную скорость вращения его вала и требуемую точность позиционирования выходного звена промышленного робота.

Соединение валов импульсного датчика и преобразователя движения производят с помощью специальных соединительных муфт или безлюфтового кинематического преобразователя движения.

Внешний вид импульсных датчиков типов ПУФ-МИНИ, ФЭП и ВЕ-178 показан на рис. 15.6 и рис. 15.7 соответственно, а технические характеристики приведены в табл. 15.3.

Рис. 15.6

Рис. 15.7

472

К фотоимпульсным датчикам перемещений относят преобразователи линейных и угловых перемещений ЛИР, выпускаемые Санкт-Петербургским специальным конструкторским бюро станочных информационно-измерительных систем (СКБ ИС). Они предназначены для различных моделей металлорежущих станков и обрабатывающих центров, поворотных систем, приборов, робототехнических комплексов, технологических установок, мехатронных систем и т.п.

473

Принцип действия преобразователей перемещений ЛИР основан на фотоэлектронном сканировании штриховых растров. В качестве осветителей используют инфракрасные светодиоды, а приемниками излучения служат кремниевые фотодиоды.

Поток излучения светодиода 1 (рис. 15.8 и 15.9) модулируется растровым сопряжением, создаваемым перемещающимися относительно друг друга растровой шкалой 2 и индикаторной пластиной 3 с растровым анализатором, и регистрируется фотодиодом 4.

растра, соответствующим шагу растра шкалы 2. Эти четыре поля считывания образуют две пары полей «А» - « A » и «В» - « B », в каждом из которых растры имеют пространственный сдвиг относительно друг друга в 1/2 шага растра, что позволяет скомпенсировать постоянную составляющую основного сигнала. Поля одной пары «А» - « A » имеют пространственный сдвиг растров относительно полей другой пары «В» - « B » в 1/4 шага растра.

Впреобразователях линейных перемещений (ПЛП) (рис. 15.8) каждое поле считывания растрового анализатора индикаторной пластины 3 имеет собственные источник и приемник излучения, то есть в канале считывания задействованы по четыре светодиода 1 и фотодиода 4.

Впреобразователях угловых перемещений (ПУП) (рис. 15.9) все четыре поля считывания охвачены единым параллельным световым пучком, излучаемым светодиодом 1 и сформированным конденсором 9, а фотодиод 4 имеет четыре светочувствительные площадки, включенные определенным образом.

Независимо от формы построения канала считывания, преобразователь перемещений позволяет получить два ортогонально

474