7.3.2. Датчик с упруго-чувствительными элементами

Наряду с ТР в СМД используются ЧЭ, принцип действия которых основан на пьезо- и магнитоупругом эффектах. Они называются совмещеннымиупруго-чувствительными элементами и входят в состав динамических или «ква­зистатиче­ских» силоизмерительных систем. Наиболее распростра­ненные схемы осно­ваны на применении дис­ковых пьезодатчиков и параметрических магнитоупругих преобразователей со скрещенными обмотками. Их важнейшей особенностью является обеспечение высокой жесткости конструкции, что особенно важно для измерителей больших нагрузок. Так, малогабари­тный однокомпонен­тный СМД фирмы He­w­­lett-Packard разме­­ром 228 мм при приложении номинальной силы дефор­мируется всего на 2 10^-3 мкм. Вместо сплошных дисков в качестве ЧЭ часто используются пьезоэлектрические кольца того же диаметра. Кварцевые СМД фирмы He­wlett-Packard измеряют силы в пре­делах 10 Н ... 10⁷ Н.

Серийно выпускаемые отечественные дисковые ЧЭ на базе пье­зокерамических таблеток ЦТС-19 поз­воля­ют конструировать СМД с диапазоном измерения 1,0 Н ... 120 КН. Для максимальных нагрузок диаметр колец превышает 100 мм.

Пример шестикомпонентного СМД высокой жесткости представлен на рис. 7.18а. Че­тыре упруго-чув­ствительных элеме­нта образуются на­бором из трех бло­ков, каждый из которых состоит из шести дисковых пьезодатчиков конкретной поляризации. На рис. 7.18б и в показаны блоки, измеряющий деформации в горизонтальной плоскости и вдоль вертикальной оси Z соответственно. Подобное расположение упруго-чу­в­ствительных элеме­нтов по­­зволя­ет вычислить все шесть компонент гла­вного вектора сил и моментов F:

F_x = F_x1 + F_x2 + F_x3 + F_x4;

F_y = F_y1 + F_y2 + F_y3 + F_y4;

F_z = F_z1 + F_z2 + F_z3 + F_z4;

M_x = (F_z1 + F_z2 - F_z3 - F_z4) a/2;

M_y = (F_z2 + F_z3 - F_z1 - F_z4) a/2;

M_z = (F_x3 + F_x4 - F_x1 - F_x2) a/2 + (F_y1 + F_y4 -F_y2 - F_y3) a/2.

Здесь а - характерный размер СМД (расстояние между блоками). При размере 565610 датчик обладает следующими характеристиками: диапазон измерения 0 … 5000 Н и 0 … 200 Нм, раз­­­решающая способность - 0,001%, механическая жесткость 10⁹ Н/м. Коэффициент влияния _ij составляет в среднем 3%. Использование пьезодатчиков в качестве ЧЭ СМД позволяет строить системы наивысшей жесткости.

СМД на базе магнитоупругих элементов обладают большим выходным сигналом при той же жесткости, но меньшей ли­ней­ностью. Диапазон измерения сил составляет 10² Н ... 10⁶ Н.

В заключении приведем примеры некоторых выпускаемых промышленно СМД (табл. 7.5).

Таблица 7.5. Примеры промышленных СМД

Модель	Тип	Компоненты	Диапазон, Н, Нм	C, Н/м, Нм/рад (f, кГц)	, Н (Нм)	m, кг	Размеры, мм
01190-А 01190-N	ТР	Mz Mz	3 9500	(1)	0,1%* 0,1%**	0,01 0,02	1,28 416
70025	ТР	Fx, Fy, Fz	20 103	1 108	0,1%* 0,1%**	0,02	9,59,57
К-9251	Пьезо	Fx, Fy, Fz	2,5 103 - Fx, Fy 5 103 - Fz	(8)	1 10-2	0,04	242410
К-9065	Пьезо	Fz, Mx, My, Mz	20 103 - Fz 200 - Mx, My, Mz	9 109 -Fz, 5 105 -Mz (40)	2 10-2 2 10-4	0,2	5215
К-9293	Пьезо	Fx, Fy, Fz, Mz	20 103 - Fx, Fy (-100 ... 200) 103 - Fz 20 - Mz	4,5 - Fx, Fy; 5 - Fz; 2,5 - Mz	1 10-2 2 10-2 5 10-4	40	240205
К-9257А	Пьезо	Fx, Fy, Fz	5 103	4	1 10-2	7	14017060

Примечания.

1. Датчики серии К разработаны фирмой Kist­ler, Германия и предназначены для исполь­зования в механообработке (К-9293 - для свер­ле­ния, платформа К-9257А - для фрезерования) и в системах управления (К-9251, К-9065)

2. Для датчика 70025 разработанного фирмой SDI, США обозначено: ^* - погрешность линей­ности _нл, ^** - гис­терезис _г.

3. Перекрестное влияние каналов для всех моделей _ij  (2 ... 4) %.

Подведем некоторые итоги. Включение СМД в кинематическую цепь ма­нипулятора, а аппаратно-про­грам­мных средств ССО в контур управления робота приводит к существенному влиянию последних на качество процессов управления. Поэтому технические средства ССО должны выбираться исходя не то­лько из особенностей конк­ретных операций, но также и параметров робота и его системы управления. Обычно считают, что ха­ракте­ристики ССО до­лжны обе­спечивать заданные показатели качества переходных процессов в приводах робота. Например, для обеспечения режима реального времени, необходимо, чтобы время преобразования информации в ССО Т_ССО по крайней мере не превышало частоту квантования приводов робота f_к. В более жесткой формулировке: Т_ССО< 1/2f_к. Это условие, в свою очередь, накладывает определенные ограничения на СМД: его конструкцию (вид и коэффициенты матриц жесткости и чувствительности), материал и т.д. Наибольшая точность достигается в датчиках с диагональной матрицей жесткости, быстродействие - в датчиках с преимущественно механическим разделением компонент, а равная чувствительность каналов - при использовании однотипных УЭ. Показателем качества УЭ является отношение модуля упругости Е к плотности  материала. Эта величина, определяет частоту собственных механических колебаний СМД f_СМД. Лучшими материалами механического преобразователя датчика обычно являются алюминиевые и титановые сплавы (Д16Т, ВТ6), пружинные стали (ШХ15, 36 НХТЮ). Достоинством алюминиевых сплавов является высокий предел текучести, позволяющий обеспечить достаточный уровень выходного сигнала, а также меньшая, по сравнению со сталью плотность, и, следовательно, меньший вес алюминиевого датчика.

Промышленный выпуск ССО в мире постоянно растет. Анализ существующих моделей позволяет условно разделить их на четыре типа (табл. 80). В наиболее распространенных схемах I типа ССО представляет собой три отдельных блока: механический преобразователь, блок аналоговых усилителей и устройство цифровой обработки сигналов. ССО II типа вовсе не используют цифровую обработку данных, а системы III типа состоят из двух блоков: механического преобразователя с интегрированным каскадом усилителей и устройство цифровой обработки сигналов. Наконец, в системах IV типа все блоки совмещены и находятся внутри механического преобразователя. Эта схема, получившая название «интеллектуального СМД» приведена на рис. 7.19.

Использование «ин­­­­теллектуального СМД» позволяет вынести вопрос принятия решения об изменении алго­рит­ма движения манипулятора непосредственно на уровень ССО. Датчик представляет собой совокупность аппаратно-програм­мных мо­дулей, свя­занных со стойкой управления робота посредством стандартного интерфейса (последовательного или параллельного канала связи, канала связи с технологическим оборудованием, локальной сети и т.д.). Структура системы управления робота в этом случае является двухуровневой и строится по схеме «главная машина - сателлит», где функцию сателлита выполняет СМД. Он же решает задачу верхнего уровня уп­равления, т.е. формирует стратегию движения манипулятора. С этой целью в состав СМД включается сенсорный контроллер, построенный на базе однокристальной ЭВМ, а в памяти программ и данных может храниться база знаний. Нижний уровень - уровень управления приводами реализуется традиционным образом с помощью стойки управления робота (например, «Сфера 36» для робота РМ- 01).

Обмен данными между уровнями осуществляется протоколами связи. В частности, верхний уровень уп­равления может корректировать траекторию движения концевого эффектора процедурами прерывания, модифицируя закон управления.

В табл. 7.6 представлены некоторые характеристики промышленных ССО.

Таблица 7.6. Примеры промышленных ССО

Модель	Тип	Диапазон измерения F, Н М, Нм		, %	ij, %	нл, %	TССО, мкс	Размеры СМД, мм
FS6-100 (США)	IV	200	4	0,05	4	0,1	50	12055
SCT-02B (Венгрия)	II	200	10	0,07	5	0,1		8030
ITC SAS (Словакия)	I	300	50	0,1	5	0,1	10	14058
С-Т3 (Бельгия)	III	200	20	0,5	3	0,8	300	17060
DS6-200 (Россия)	IV	200	4	0,02	4	0,1	10	10050

Обозначено:  - разрешающая способность, _нл - погрешность линейности, _ij - уровень перекрестных связей.