Элементы систем управления оборудованием и роботами
К элементам промышленных роботов (ПР) и автоматизированного оборудования (АТО) относятся: средства получения и преобразования первичной информации о технологическом процессе (ТП) - датчики, усилители, преобразователи - и средства реализации управляющей информации в АТО и ПР - приводы.
Измерители-преобразователи (в дальнейшем - датчики) служат для измерения фактического значения регулируемой величины (параметра) и преобразования результатов измерения в сигнал, удобный для управления приводом. Они являются необходимыми элементами регулируемых и следящих приводов.
Технической базой для создания датчиков, измеряющих эти параметры, является государственная система приборов - ГСП. Наибольшее распространение получили датчики положения, перемещения, скорости. Среди них выделяются: кодовые, фазовые, импульсные фотодатчики с муаровым эффектом.
Основные характеристики их: точность, конструктивная сложность, быстродействие, коэффициент преобразования, габариты, масса, стоимость, надежность и др.
Кодовый датчик (рисунок 4.5) измеряет фактическое угловое положение рабочего органа и однозначно преобразует результат измерения в код числа. Датчик состоит из источника света, кодового диска КД (подвижная часть) и фотоприемника (неподвижная часть). Кодовый диск кинематически (например, через зубчатую передачу) связан с выходным валом привода. Он представляет собой маску, позволяющую кодировать каждый поворот диска на элементарный угол в соответствующее число путем комбинации прозрачных и непрозрачных сегментов, имеющих разную весовую значимость - разрядность (от периферии к центру соответственно 20, 21, 22, 23). Число колец соответствует числу двоичных разрядов максимально записываемого числа.
|
|
|
Работает датчик следующим образом. Плоский пучок света от газоразрядной лампы проходит через щелевую диафрагму, через кодовый диск, разделительную систему щелей и поступает в фотоприемник (матрицу из фотоэлементов), который в зависимости от освещенности фотоэлементов вырабатывает сигнал, соответствующий комбинации прозрачных и непрозрачных сегментов, т. е. записанному числу.
Кодовые датчики обладают достаточной помехоустойчивостью, надежны в работе, их угловая погрешность не превышает 0,2.. .2°.
Фазовые измерители-преобразователи преобразуют результат измерения фактического положения РО в электрический аналоговый модулированный фазой ФМ - сигнал. Для этой цели пригодны широко известные вращающиеся трансформаторы (ВТ), сельсины и индуктосины (рисунок 4.6). Наиболее точными из них являются индуктосины (у индуктосинов с числом полюсов 360 и диаметром дисков 300 мм угловая погрешность составляет 1...2", точность ВТ составляет несколько угловых минут).
|
|
|
а - диск (маска), б - принцип работы
Рисунок - 4.5 Кодовый датчик
Индуктосины являются одним из перспективных датчиков как для круговых, так и линейных перемещений РО.
Ротор кругового индуктосина (рисунок 4.6, з) кинематически (например, через зубчатую передачу) связан с выходным валом привода Пр. На стеклянных роторе и статоре печатным способом нанесены обмотки. Статор имеет одну, а ротордве печатные обмотки, смещенные на 90° (электрических) одна относительно другой. Магнитопровод индуктосина не имеет стали и обладает поэтому большим магнитным сопротивлением. Статорная обмотка питается напряжением высокой частоты (10 кГц). Большое число (неявно выраженных) пар полюсов, точное выполнение геометрического рисунка обмоток, отсутствие стали и связанных с ней потерь позволяют получать точную синусоидальную зависимость взаимоиндукции между статором и ротором от угла поворота (высшие гармоники не превышают 0,1%)
. 
а) - электрическая схема вращающегося трансформатора, б) - график изменения напряжения на выходе ВТ, г) - схемы сельсина, д ) - график напряжения в обмотках индутоксина, е) - электрическая схема индутоксина, з ) - индотоксин измерения угловых перемещений, ж) - индуктосин измерения линейных перемещений, и) - схема магнитных линий индуктосина
|
|
|
Рисунок - 4.6 Индуктивные измерители-преобразователи
Линейный индуктосин (рисунок 4.6, ж) выполнен по тому же принципу и работает аналогично вращающемуся. Ротор соединен с РО без промежуточных преобразователей. Статор прикреплен к станине. Между статором и ротором имеется небольшой зазор (~0,1 мм). Чтобы исключить случайные повреждения обмоток статора и ротора при их соприкосновении, обмотки покрывают износостойким лаком, допускающим скользящий контакт. Погрешность линейного индуктосина мала (2...3 мкм). Недостаток его - большая сложность, трудоемкая настройка, чувствительность к помехам, высокая стоимость.
Фотодатчики с муаровым эффектом (рисунок 4.7) являются импульсными и результат измерения фактического перемещения РО выдают в виде импульсов. Они позволяют получать информацию не только о величине перемещения, но и скорости движения РО. Линейный фотодатчик имеет две линейки с нанесенным на них большим количеством штрихов; одна (например, длинная) связана с РО, другая, короткая - неподвижна.
|
|
|
а) – схема работы, б) – муаровый эффект.
Рисунок – 4.7 Фотодатчик с использованием муарового эффекта
Со стороны подвижной линейки расположен источник света 3 с оптическим устройством - конденсором для формирования параллельного пучка; с другой стороны - микрообъектов и фотоприемник 4.
В местах пересечения штрихов линеек (благодаря небольшому наклону короткой линейки относительно длинной) наблюдаются муаровые полосы, которые перемещаются сверху вниз или наоборот (в зависимости от направления движения РО) и в определенный момент (через каждый шаг между штрихами) перекрывают (открывают) пучок света, идущий к фотоприемнику.
Недостатком этих датчиков являются: необходимость нанесения большого числа штрихов (до 1200 штрихов/мм), высокая трудоемкость изготовления линеек, наличие температурных погрешностей (из-за неодинаковости коэффициентов линейного и объемного расширения стекла линеек и металла РО).
Фотодатчики, работающие в отраженном свете, лишены этих недостатков, так как их решетки изготовляют из металла, близкого по коэффициенту теплового расширения к металлу РО. Это исключает температурные погрешности, а использование проекции дает возможность получить увеличение (коэффициент передачи 2,5), что при одинаковых точностных требованиях позволяет в 2,5 раза уменьшить число штрихов на единицу длины.
Аналогично работают датчики для измерения угловых перемещений. Фотодатчики с муаровым эффектом отличает высокое быстродействие (до 3000 имп/об), микронная точность, высокая надежность, помехоустойчивость. Они сравнительно просты в наладке, но стоимость их высока (особенно с лазерным источником света).
Датчики скорости оказывают существенное влияние на регулятор скорости следящего привода систем управления первого уровня. Основными характеристиками датчиков скорости являются: линейность и симметричность статической характеристики, температурный дрейф, зона нечувствительности. Нелинейность и асимметрия характеристики, температурный дрейф и зона нечувствительности приводят к увеличению статической ошибки и уменьшению диапазона регулирования. Наличие низкочастотной переменной составляющей в выходном сигнале (оборотные и полюсные пульсации) приводят к появлению переменной составляющей в токе якоря электродвигателя и в конечном счете снижают быстродействие регулятора скорости.
В большинстве следящих приводов технологического оборудования в качестве датчика скорости используется тахогенератор (генератор постоянного тока в микромашинном исполнении). В станочном приводе используются тахогенераторы (ТГ), обладающие малой асимметрией и нелинейностью характеристик (например, ТГ серии МЭТ и ТГ, встроенные в электродвигатель, серии СЛ имеют нелинейность и асимметрию 0,35%, крутизну нарастания напряжения 20...25 мВ-мин/об., температурную погрешность - 0,96% на 1°С).
Датчики цикловой автоматики и технологических команд представляют собой двухпозиционное устройство («включено - выключено») и применяются для регистрации завершения какого-либо цикла или отработки команды. К ним относятся контактные датчики (конечные выключатели, микропереключатели) и бесконтактные (фотодатчики, магнитные и электромагнитные). Исполнительными механизмами и устройствами цикловой электроавтоматики служат: электромагниты, соленоиды и простые приводы.
Методика выбора датчиков. Выбор датчика выполняют в два этапа: на первом - выбирают разновидность датчика; на втором - определяют типоразмер.
При выборе датчиков следует учитывать: допустимую погрешность для системы управления, определяющую класс точности датчика; быстродействие, характеризуемое его постоянной времени; пределы измерения с гарантируемой точностью; влияние физических параметров контролируемой и измеряемой среды на нормальную работу датчика (температура, давление, плотность, влажность, вибрации, магнитные и электрические поля и др.); требования пожаро- и взрывобезопасности; расстояние, на которое должна быть передана информация.
Применительно к ПР потенциометрические и цифровые датчики практически не создают ограничений на частоту измерения; в индуктивных - частота измерения ограничена частотой питания датчика.
Датчики
При распознавании трехмерных тел функции зрительной системы значительно сложнее, так как она должна быть чувствительной к различным уровням детализации окружающей среды и уметь выбирать из избыточной нужную информацию для достижения поставленной цели. Зрительное восприятие общей сцены и распознавание образов предусматривает поэтапную детализацию (анализ фрагментов) с последовательным переходом с низших на более высокие уровни. Например, оценивая интенсивность и распределение цвета, можно получить информацию о текстуре, рёбрах и углах объёмных тел. Эта информация, в свою очередь, позволяет выделять зоны, которые можно ассоциировать в трёхмерные тела. Затем тела идентифицируются как объекты (призма, параллелепипед, цилиндр и т.д.), и выявляются взаимосвязи между ними, т.е. компонуется сцена. Из сказанного вытекает следующая последовательность процесса зрительного восприятия: точки -> линии -> зона -> тела -> объекты -> общая сцена.
В настоящее время при машинном зрительном восприятии трёхмерных объектов применяют две программы построения контурных рисунков и определяющие местоположения основных, не закрывающих друг друга объектов с их идентификацией. В первом случае с помощью локальных операций выделяется контурное изображение фрагмента среды (сцены), анализ которого последовательно выполняется ЭВМ.
При этом используется дискретное изображение, которое запоминается в вычислительной машине ввода структуры, состоящей из 120Х120 элементов. В каждый из элементов может быть записано 16 уровней (4 бита) информации об интенсивности света. Однако контурный рисунок часто создаёт дефекты, существенно усложняющие схему местоположения и идентификации объектов. Вторая программа включает накопление и интерпретацию признаков, получаемых с помощью локальных операторов.
Она состоит из двух частей: списка локальных операторов и процедуры исполнения. Локальные операторы обрабатывают изображение с градациями яркости для осуществления различных проверок, например, проверки существования линии между точками, нахождения всех линий исходящих из данной точки и т.п. подпрограмма исполнения исследует сцену, вызывая локальные операторы и оценивая результаты на базе проведенных проверок и уже накопленной информации о внешней среде. В японской системе «глаз-фри» распознавание объемных тел осуществляется при условии введения некоторых ограничений, несколько упрощающих процесс. В качестве объектов распознавания использовались предметы, геометрическая форма которых образована плоскостями и цилиндрическими поверхностями с расположением предметов наиболее удобным для распознавания. С помощью ЭВМ направленность освещения в системе регулируется с учетом достижения монохромности фона и объекта.
Система состоит из телевизионной (TV) камеры со светофильтрами, прожектором и осветителем, манипулятора и ЭВМ для управления манипулятором TV каждый со светофильтрами и осветителями. С целью экономии объема памяти сигналы от TV-камеры преобразуются в аналого-цифровом преобразователе в сигналы двух видов. ЭВМ включает следующие блоки: определения цвета, определения углов и измерения расстояния, управления рукой манипулятора и руки. Блок цветности управляет поворотом турели со светофильтрами (красный, зеленый, синий), измеритель расстояния – TV-камерой и прожектором, а блок параметров – осветителями. Поле зрения телекамеры делится на 4096 точек (64Х64), яркость каждой из которых преобразуется в цифровой сигнал, направляемый в ЭВМ. На основе полученной информации определяется место нахождения предмета. Затем с целью более детального изучения формы предмета выявленная зона делится снова на 4096 участков и производится сканирование этой зоны с последующим аналого-цифровым преобразованием сигналов. Если объект больше выделенной зоны, то последняя перемещается по нему подобно тому, как человек скользит взглядом по предмету.
Рассмотрим составляющие процесса распознавания объекта, который реализован в описанной системе. Вначале на основании видеосигналов от TV-камеры определяются положения углов предмета и составляется его линейный план, т.е. находится проекция его на плоскость в виде контурного изображения. Искомый угол находится сравнением изображений с TV-камеры. При распознавании предметов сложной формы используется метод с регулированием от ЭВМ направления смещения и теоретическим контурных изображений. После получения информации о яркости и линейных размерах производится распознавание цветов предмета. Так как восприятие цвета не зависит от доли освещения и расстояния, то в ЭВМ вводится видеосигнал изображения, прошедший через красно-зелено-синие светофильтры, по которому определяют цветовые признаки каждой из точек предмета. Проверка всех точек изображения осуществляется по специальному алгоритму. И, наконец, робот устанавливает размеры и местоположение предмета.
Для измерения расстояний применяют несколько методов: монокулярное зрение, стереозрение и дальномер с осветительным устройством. Первый метод с одной TV-камерой базируется на том, что точки на плоскости в поле зрения телекамеры соответствуют точкам телевизионного изображения. По координатам х, у изображения определяют координаты всех точек на горизонтальной рабочей платформе, высота которой известна. Высота предмета определяется в направлении перпендикулярном рабочей платформе. Этот метод не пригоден для работы с полярной системой координат.
По второму методу с двумя TV-камерами расстояние до предмета измеряется с помощью тригонометрических функций по данным о положении предмета, угле и расстоянии до одной из телекамер. В этом случае наиболее сложным является выяснение вопроса о том, каким точкам одного из изображений соответствует каждая из точек другого изображения.
По третьему методу TV-камера фиксирует предмет, на который проецируется пучок света от источника. Если предмет находится в точке А, то на изображении освещается точка Б, и если он окажется в точке А', то освещается точка Б'. Расстояние до предмета определяется с помощью тригонометрических измерений. С целью ускорения процесса измерения расстояния до каждой точки, находящейся в поле зрения, и определения очертаний предмета на него проецируют движущуюся узкую полоску света.
Оптоволоконные датчики
Принцип действия оптоволоконных датчиков основан на преобразовании измеряемых физических величин в модулированный световой сигнал с последующими его передачей по оптоволоконной линии связи, расшифровкой и использованием. Свет, генерируемый лазером, светоизлучающим диодом или другим устройством, может модулироваться по амплитуде, фазе, частоте, ширине импульсов и поляризации. При необходимости модулированные световые сигналы усиливаются или ослабляются, передаются на расстояние, преобразуются из оптических в цифровую и обратно. По характеру использования характеристик оптического волокна оптоволоконные датчики можно разделить на два класса – внешние и внутренние.
Внешние датчики используют волоконные линии лишь в качестве массивного элемента для передачи оптического сигнала из одного пункта в другой, от источника света к датчику и от датчика – детектору. Результат оценки измеряемых величин или характеристик явления, воспринимаемый внешними оптоволоконными устройствами, сам по себе не зависит от особенностей волокна, так как измерительную информацию несут следующие явления: прерывание светового потока, отражение света, фильтрация длины волны света и передача на разных длинах волн, изменение энергии излучения, подаваемого на оптоволоконную линию. Датчики, использующие прерывание светового потока, передаваемого между двумя участками оптоволоконной линии, являются весьма распространенными и достаточно гибкими в применении устройствами. Работа датчиков основана на принципе блокировки светового луча. Пример датчиков этого типа – счетчик деталей, подаваемых на сборочный конвейер или упаковку.
Датчик, который воздействует на интенсивность света, попадающего в оптическое волокно, в принципе, способен влиять на цветовой или частотный спектр сигнала, передаваемого в оптоволоконную линию. Такие модуляторы спектрального являются основой систем измерения, связанных с фильтрацией длины волны света и передачей на разных длинах волн. С их помощью определяют наличие и количественное соотношение различных составляющих в жидкостных смесях, появление цветного дыма в замкнутых объемах, цветные составляющие в стеклах и смолах, а также измеряют температуру, при которой изменяется цвет некоторых сред, например кристаллов.
Датчики для измерения интенсивности света или оптической мощности могут быть использованы для распознавания положения детали или компонента радиоэлектронной аппаратуры на конвейере или захвате. На недостаточную освещенность детектора или неправильную освещенность одной или двух щелей датчик реагирует и сигнализирует о необходимости коррекции положения детали. Подобные приборы широко используют в робототизированных линиях сборки. Поскольку они реагируют на относительное изменение освещенности, точность их показаний не зависит от изменения интенсивности света, генерируемого его источником.
Во внутренних датчиках активным элементом является само оптическое волокно, изменяющее свои передающие характеристики. Оптическая линия (или её участок) одновременно являются датчиками. Измеряемый параметр тем или иным образом воздействует на характеристики волокна, а, следовательно, и на характеристики передающего по нему светового луча. При этом могут изменяться групповая или фазовая скорость распространения, оптическая мощность, поглощаемая в оптоволоконной линии.
Принцип действия датчиков, фиксирующих изменение угла поляризации света после его прохождения по оптоволоконной линии, основан на явлении вращения плоскости поляризации вследствие модификации оптической индикатрисы оптического волокна при воздействии электромагнитного поля. С этой целью используется магнитооптический эффект Фарадея, возникающий во многих стекловидных материалах.
Для роботов, автоматических линий сборки требуется весьма чувствительный датчик касания, который должен быть простым, дешевым, малогабаритным, обладать малым кодом, стабильностью характеристики во времени и устойчивостью к электромагнитным полям. В одном из таких датчиков луч света от источника, пройдя через расщепитель, оптоволоконный котел и поляризатор поступает на датчик, измеряющий при минимальном нажатии (касании) спектральный состав света. С датчика при помощи зеркала свет, имеющий измеренный спектральный состав, возвращается по оптоволоконному кабелю и расщепителю на фильтр, с него – на чувствительный элемент и приемник выходного сигнала. Оптическая чувствительность прибора зависит от давления и материала. При измерении температуры в качестве дискретного оптического датчика может быть использован измерительный элемент на полупроводниковом приборе, представляющем собой тонкую полупроводниковую пластинку, заключенную между отрезками стекловолокна, по которым передается световой сигнал. Весь датчик заключен в трубку из нержавеющей стали. Свет подводится к датчику и отводится от него по многомодовому оптическому волокну. Диапазон значений длины волны, в котором осуществляется передача энергии полупроводниковой пластинкой, линейно растет. Датчик рассчитан на измерение температур от 243 до 573 К.
Оптические датчики
Одним из методов применения таких датчиков является их использование для обнаружения предметов, определения их ориентации, например, с помощью светодиодных пар. Он состоит из набора пар светодиодов (СД) и фотодиодов (ФД), расположенных на противоположных поверхностях схвата и работающих по принципу перекрытия светового потока. Количество и расположение фотодиодов, закрытых объектом, дает однозначную информацию о расположении объекта в схвате.
Датчики такого типа могут быть использованы для обнаружения перемещений предмета в схвате робота. Фотоэлектрический датчик проскальзывания объекта в схвате обнаруживает перемещение объекта в схвате робота с помощью вращательного движения ролика, контактирующего с объектом. Ролик соединен с пальцем через пластинчатую пружину. При скользящем перемещении захваченного объекта ролик поворачивается. Угол поворота определяется фотоэлектрическим датчиком, расположенным внутри ролика. Датчик выдает один электрический импульс при скольжении объекта в 1 мм. Схема подсчетов импульсов обеспечивает измерение максимальной длины проскальзывания. Скольжение можно прекратить, увеличив усилие захвата. Можно использовать такие датчики и для контроля и управления операциями дуговой сварки.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 317; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!