7.6 Первичные измерительные преобразователи и приборы

Широкое использование различных преобразователей (датчи­ков) в ГПС, управляемых специализированными ЭВМ, привело к значительному изменению требований к ним. Наряду с точностью, быстродействием, помехоустойчивостью существенное зна­чение приобрели требования к технологичности и совместимос­ти датчиков, в том числе к согласованию их выходов с входными устройствами ГПС.

При рассмотрении датчиков ограничимся преобразователями, получившими практическую реализацию на станке, в роботе и дру­гих элементах ГАП.

Спецификой применения датчиков в САК ГАП являются необходимость оптимального комплексирования различных типов сен­сорных устройств, изыскание путей упрощения задачи получения информации о внешней среде путем специальной организации этой среды (маркировка объектов, их освещенность и т.д.) и наиболее полного использования априорной информации о ней.

Датчики положения. К этой группе следует отнести датчики контроля размеров и формы заготовки и изделия, положения рабочих органов оборудования и роботов и др.

Основными критериями при выборе средства активного контроля являются точность измерения, быстродействие прибора (длительность переходного процесса), измерительное усилие, надежность устрой­ства активного контроля, габаритные размеры и масса измеритель­ного преобразователя. Кроме технических необходимо учитывать и экономические критерии, такие как стоимость оснащения группы станков системами активного контроля и экономические потери в производстве, вызываемые дополнительными затратами времени на настройку системы активного контроля для группы станков с ЧПУ.

Для контроля геометрических размеров деталей при механооб­работке обычно используют датчики отклонений, регистрирую­щие отклонение действительного положения измеряемой поверх­ности от запрограммированного (аналоговые преобразователи ма­лых перемещений с рабочим ходом 0,5... 1 мм и погрешностью ±(1... 3) мкм, а также дискретные преобразователи растрового типа с рабочим ходом 10...30 мм и дискретностью измерения 1 мкм), или датчики касания, регистрирующие разность условной базы и измеряемой поверхности.

При токарной обработке датчики размера монтируют либо в одной из позиций револьверной головки — измерительной пози­ции, либо на специальном (измерительном) суппорте с отдель­ным приводом.

Для встраивания в станки с ЧПУ за рубежом наибольшее распространение получили:

- датчик касания фирмы «Хитачи Сейки», обеспечивающий измерения геометрического размера с погрешностью ±10 мкм, связь с подвижной частью фотодиодная в инфракрасной области;

- индуктивный измерительный преобразователь (датчик) той же фирмы, имеющий диапазон измерений по трем осям +1 мкм при погрешности +2 мкм.

Основными проблемами при внедрении активного контроля в зоне обработки являются защита датчика (от стружки, смазочно-охлаждающей жидкости, вибрации и др.), обеспечение чистоты зоны контроля и необходимость остановки (последнее можно уст­ранить, применив бесконтактные методы контроля).

Для контроля размеров и формы заготовки и изделия наиболь­шее распространение получили датчики касания — измеритель­ные щупы в виде как одиночного щупа, обеспечивающего конт­роль по одной координате, так и трех координатных измеритель­ных головок или головок со сменными щупами для контроля сложнопрофилированных изделий.

В результате при каждом измерительном цикле получают информацию об отклонении одной из точек измеряемой поверхности, что, с одной стороны, снижает производительность измерений, а с дру­гой — обеспечивает их универсальность, поскольку оказывается воз­можным определить отклонение от заданного значения координаты любой точки заготовки или инструмента, в которую может быть до­ставлен (приводами станка) измерительный наконечник датчика.

Необходимо помнить, что применять щуповые методы контро­ля можно лишь в том случае, если контактное усилие не вызывает смещений и деформации контролируемого объекта.

На рис. 3.76 представлен токарный модуль, оснащенный систе­мой автоматического управления точностью обработки и контроля за состоянием режущих инструментов с уст­ройством ЧПУ и двумя индикаторами контакта. Трех­мерная щуповая головка фирмы «Оптон» показа­на на рис. 3.77.

Точечными электронными щупами фирмы ДЕА (Германия) (рис. 3.78) проводят измерение без остановки движения измерительной головки, что представляет значительный шаг вперед по сравнению с традици­онными методами измерения и обеспечивает оптимизацию по трем параметрам:

- производительность,

- точность,

- повторяемость резуль­татов измерений.

Фирма выпускает два типа точечных электрон­ных щупов: одно- и многопозиционные. Последние имеют пять гнезд для сменяемых наконечников, что позволяет контролиро­вать все грани детали без изменения направления перемещения щупа.

Электронные щупы для непрерывного сканирования осуществ­ляют быстрое и точное непрерывное измерение геометрических линий и поверхностей в трехмерном пространстве.

Фирма выпус­кает три типа щупов: одно-, многонаправленные и сенсоры. Пер­вые два типа щупов позволяют повысить динамические характери­стики измерительной машины, а сенсоры, установленные на головке машины, обеспечивают позиционирование измерительной машины на измеряемой точке простым наклоном щуповой голов­ки в требуемом направлении.

Итальянская фирма «Марпос» специализируется на выпуске приборов для контроля линейных размеров при обработке на шлифо­вальных станках. В нормальных цеховых условиях погрешность из­мерения не превышает ±0,5 мкм в течение всего рабочего дня.

При­боры снабжены двумя индикаторами, один из которых отсчитыва­ет сотые доли миллиметра, а второй — микрометры. Точность вклю­чения команд ±0,1 мкм. Все приборы снабжены устройствами для управления рабочим циклом шлифовального станка. Специальное устройство задержки включает соответствующие команды только в том случае, когда измерительная головка находится на обраба­тываемой детали, что не допускает действия команд до начала обработки детали.

Наличие двух измерительных головок в большинстве типов при­боров снижает влияние колебаний параметров окружающей среды и станка на точность обработки. Высокая стабильность измерений в течение всего рабочего дня обеспечивает точность обработки около 1 мкм. Измерительная головка полностью закрыта прочным метал­лическим корпусом, благодаря чему она защищена от повреждений во время смены деталей. Время приведения к нулю около 2 мин, а для приборов «Фенар» и «Динар» не более 1 мин.

Специалисты фирмы «Марпос» разработали оригинальный спо­соб обработки, заменяющий сортировку деталей на классы при не­обходимости обеспечения соответствующей посадки сопрягаемых деталей.

Система «Дирак» состоит из двух измерительных головок и специального электронного блока. Вторая головка закреплена на штативе и предназначена для измерения обработанной дета­ли, служащей эталоном для измерительной головки, установ­ленной на станке. В результате обработки обеспечивается соот­ветствующее сопряжение внутреннего диаметра с наружным непосредственно на станке.

В подавляющем большинстве случаев погрешность копироваль­ной обработки зависит от точности профиля копиров, поэтому повышению точности копировальной обработки способствует изго­товление копиров с высокой точностью профиля. Однако на прак­тике профиль копиров до сих пор проверяли путем сравнительного измерения штангенрейсмусом и иглой либо методом визуального контроля с помощью калиберной дощечки, что затрудняло опреде­ление точности профиля при копировальной обработке.

В основу управления точностью профиля копиров в ряде стан­ков положен принцип измерения, использованный в трехкоординатной измерительной машине «Тейпесентер». Это облегчает предэксплуатационную проверку профиля копиров, дает возмож­ность производить предварительную размерную коррекцию за счет цифрового управления точностью, позволяет организовать эффек­тивную систему контроля точности профиля копиров.

Метод получения трехмерных цифровых изображений сложных конструктивных компонентов разработан в Великобритании. В этом методе тактильный датчик и алгоритмы обработки тактильной ин­формации на ЭВМ применяются в роботах с сенсорной обратной связью. В качестве датчика — щупы, широко используемые при контроле изделий на трехкоординатных измерительных машинах. Обработка тактильных данных разделяется на две операции:

- получение контуров компонентов объекта вместе со всей необходимой количественной информацией,

- и связывание этих контуров в пос­ледовательное структурное описание.

Для измерения перемещений подвижных частей станков с ЧПУ широко применяют линейные и угловые индуктивные преобразо­ватели — индуктосины, представляющие синусно-косинусные бес­контактные измерительные преобразователи, имеющие погреш­ность 5 и 15' соответственно, и преобразователь линейных переме­щений с погрешностью 2...5,5; 5...22; 9...54 мкм в зависимости от интервала координатного перемещения. Диапазон линейных пере­мещений зависит от числа стыкуемых 250-мм линеек. Обычно он составляет (в зависимости от класса) до 3200, 8000, 20 000 мм.

Необходимость стыковки линеек являлась серьезным препят­ствием для повышения точности измерения больших ходов под­вижных частей станков. В настоящее время уже созданы индукто­сины с ленточными шкалами.

Датчики положения в роботах предназначены для решения трех задач: определения собственного местоположения подвижного эле­мента робота, геометрических размеров объекта манипулирования и расстояния до него.

Для установления местоположения подвижных частей промышленных роботов (например, схвата) наибольшее распространение получили электромеханические и фотоэлектрические (кодовые) датчики. В качестве электромеханических датчиков служат индук­тивные и индукционные преобразователи, многооборотные по­тенциометры, синусно-косинусные вращающиеся трансформато­ры, сельсины и др.

Время преобразования для кодовых датчиков положения мень­ше, чем для дискретных, что позволяет использовать их в системах группового управления роботами и в контурных системах с малым временем обработки на каждую координату. Наибольшее распрос­транение получили датчики с кодовыми дисками и фотоэлектри­ческой системой преобразования информации. Входным воздей­ствием является угол, выходным — кодовый сигнал, преобразуе­мый затем в двоичный код для обеспечения совместимости с ЭВМ.

Для измерения расстояния до объекта в роботах обычно ис­пользуют бесконтактные системы: оптические, ультразвуковые. На­пример, в одном из вариантов оптической системы угол поворота зеркала находится в прямой зависимости от времени работы син­хронного электродвигателя. По углу поворота зеркала вычисляется расстояние до поверхности детали, причем тем точнее, чем боль­ше база между зеркалом и фотодатчиком.

Наибольшее число задач локации объекта манипулирования мо­жет быть решено с помощью электромагнитных и акустических даль­номеров. Для измерения малых расстояний до токопроводящих объек­тов (0...10 мм) можно использовать вихретоковые датчики (измеряют расстояние ±2,5 мм с относительной погрешностью 5%), для расстояний 10...20 и 100... 10000 мм — ультразвуковые дальномеры.

Геометрические размеры объекта определяются контактными методами (например, при помощи описанных ранее измеритель­ных щупов).

Датчики геометрических размеров. Оптический измеритель размеров (ОИР) на базе линейных приборов с зарядовой связью (ПЗС) разработан специально для использования в составе роботизиро­ванных технологических комплексов.

Характерной особенностью ОИР, связанной со структурой, позволяющей представить конт­ролируемый размер числом импульсов, является независимость от таких дестабилизирующих факторов, как температура, питающие напряжения, изменения освещенности и т.д. В сочетании с высо­кой эксплуатационной надежностью (практически неограничен­ным сроком службы, малыми габаритами и массой, низкими питающими напряжениями, высокой жесткостью) они обеспечива­ют точность и надежность телевизионной измерительной системы.

Принцип работы ОИР основан на измерении изменений пространственного положения теневой проекции краев контролируе­мого изделия относительно базы известного размера. Результаты метрологических испытаний ОИР показали, что максимальная по­грешность измерений составляет ±1 бит, что при масштабе 1,5x1 соответствует абсолютной погрешности ±0,01 мм, а при масштабе 3x1 — ±0,005 мм. Минимальный размер контролируемых деталей ограничен размером объективов и составляет 40 мм, максималь­ный — 200 мм (ограничен длиной стоек). Расположение видеока­мер на разных стойках и повышение жесткости стоек позволяют расширить диапазон в обе стороны.

Датчики давления (усилий, деформаций). Наибольшее распространение получили датчики, основанные на использовании тензорезистивного эффекта.

Перспективными для робототехники явля­ются следующие структуры: кремний на кремнии и кремний на сапфире, позволяющие достичь высокой точности (погрешность 0,1%) в широком диапазоне температур.

В последние годы разработаны встречно-штыревые преобразова­тели (ВШП), напыляемые на поверхность пьезокристалла или пьезопленки. Их работа основана на использовании зависимости часто­ты и скорости распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) от деформации упругого элемента. Хотя тензорезистивный эффект освоен давно и широко используется в технике, не прекра­щается поиск новых материалов и конструктивных решений.

Датчики изображения (распознавания) и системы технического зре­ния (СТЗ). Эти датчики, обеспечивающие зрительное восприятие внешней среды, уже несколько десятилетий с успехом применяют для контроля обстановки на производстве в опасных для человека зонах.

Воспринимаемая ими информация передается на пульт оператора. Для ГАП требуется автоматическая переработка зритель­ной информации вычислительной машиной с целью распознава­ния образа и принятия решения программными средствами без подключения человека.

Применение СТЗ обеспечивает адаптивное управление автоматическим манипулятором и роботом в процессе загрузки — раз­грузки, сборки и взаимодействия с конвейером. Кроме того, оно позволяет упростить требования к зажимным и ориентирующим устройствам и устройствам позиционирования деталей, а в ряде случаев отказаться от них вовсе, что повышает гибкость системы.