67834

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОІ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ РТС. СИЛОМОМЕНТНІ СИСТЕМИ НАДАННЯ ЧУТЛИВОСТІ РТС

Лекция

Производство и промышленные технологии

Якщо при великосерійному виробництві з невеликими змінами продукції що випускається сумарні витрати на створення жорсткопрограмованого робототехнологічного комплексу складаються з трьох приблизно рівних частин одна з яких вартість сучасного високоточного промислового...

Украинкский

2014-09-15

208 KB

5 чел.

Технічні засоби робототехнічних систем

Лекція 11

Тема: ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОІ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ РТС.

СИЛОМОМЕНТНІ СИСТЕМИ НАДАННЯ ЧУТЛИВОСТІ РТС

План

  1.  Інформаційні системи РТС. Загальні  відомості
  2.  Силомоментні системи надання чутливості (п'єзоелектричні, магнітопружні та тензорезисторні перетворювачі)
  3.  Багатокомпонентні давачі силомоментного надання чутливості
  4.  Приклад застосування силомоментних давачів

Література:

  1.  Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники: Введение в специальность: Учеб. Для вузов по спец. «Робототехн. системы и комплексы» – М.: Высш. шк., 1990.  – 224с.
  2.  Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы/ Под ред. Е.П. Попова, В.В.Клюева -  М.:  Машиностроение,1985. – 256с.
  3.  Промышленные роботы для миниатюрных изделий/ Под ред. В.Ф.Шаньгина -  М.:Машиностроение,1985. – 264с.
  4.  Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. -  624с., ил. 

1 Інформаційні системи РТС. Загальні відомості

Як вже наголошувалося раніше, в порівнянні з програмними роботами більшою ефективністю володіють адаптивні роботи, оснащені інформаційними системами для збору даних про зміни зовнішнього середовища і оцінки стану компонент пристрою керування і маніпулятора.

Можливість швидкого і точного вимірювання параметрів зовнішнього середовища, необхідного для виконання технологічної операції, дозволяє, не дивлячись на збільшення в порівнянні з програмними вартості адаптивних роботів, понизити витрати на переоснащення гнучких виробничих модулів при зміні типу оброблюваних виробів і підвищити якість продукції, що випускається. Якщо при великосерійному виробництві з невеликими змінами продукції, що випускається, сумарні витрати на створення жорсткопрограмованого робототехнологічного комплексу складаються з трьох приблизно рівних частин, одна з яких вартість сучасного високоточного промислового робота, а дві інших — витрати на проектування і виготовлення спеціалізованого допоміжного устаткування (вібробункерів, живильників, касет і т. д.), то в умовах середньо- і дрібносерійного виробництва картина зовсім інша (рисунок 11.1).

Тут при тій же вартості використовуваного робота істотно (приблизно в три рази) дорожчає спеціалізоване устаткування. Тепер на його проектування і виготовлення вже доводиться майже 90 % всіх витрат, що є наслідком частої зміни типу виробів, що випускаються. В той же час застосування адаптивного робота дозволяє іноді при середньо- і дрібносерійному виробництві автоматизувати технологічну операцію навіть з меншими витратами, ніж при великосерійному, використовуючому жорсткопрограмований робот. Цей виграш досягається всупереч збільшенню ціни самого робота в півтора рази, за рахунок здешевлення допоміжного устаткування, спрощення і прискорення його проектування.

Оскільки всі компоненти сучасного виробництва довгі роки створювалися і удосконалювалися для того, щоб найбільш продуктивно могла працювати людина, то цілком природно, що, розробляючи інформаційні системи для адаптивних роботів, замінюючих його на ряді виробництв, дослідники спробували передусім копіювати органи чуття самої людини. Проте, вичерпавши ідеї побудови технічних засобів сприйняття властивостей зовнішнього середовища за образом і подобою органів чуття тварин і людини, дослідники були вимушені відмовитися від антропоморфного шляху розвитку РТС і їхніх інформаційних пристроїв.

Слід зазначити, що в історії техніки немало прикладів, коли спроби людини копіювати природу призводили до невдач. З другого боку, винахідливість і розум людини дозволили їй зробити такі пристрої, які природа не змогла створити за мільйони років свого існування. Прикладом тому може служити автомобіль. В то же час спроби людини спроектувати довершену крокуючу машину до цих пір не увінчалися успіхом. Існуючі чотири- шестиніжки виглядають повільними і нестійкими, а двоногі механізми навіть не вийшли із стадії теоретичних досліджень.

Аналогічна картина спостерігається і в області інформаційних систем роботів, де людина створила сенсорні пристрої, що виконують функції, схожі з органами чуття людини, але по деяких параметрах досконаліші.

Інформаційна система промислового робота призначена для отримання і обробки інформації про стан як самого робота, так і зовнішнього середовища.

Стан робота характеризується такими параметрами, як положення і швидкість ланок маніпулятора, зусилля, що виникають в його ланках.

Стан зовнішнього середовища характеризується наступними параметрами: формою, положенням і орієнтацією в просторі об'єктів маніпулювання робота, специфічними властивостями зовнішнього середовища і параметрами обурень, що впливають на виконання роботом технологічної операції.

Для визначення вказаних параметрів до складу інформаційної системи промислового робота входять комплекси давачів внутрішньої і зовнішньої інформації. Сенсорні пристрої (давачі) – виносні перетворювачі контрольованих величин (лінійного переміщення чи кута повороту, тиску, температури і т.п.) в сигнали, зручні для вимірювання, передачі, зберігання та дії на керовані процеси.

Давачі внутрішньої інформації служать для виявлення величин, що характеризують внутрішній стан робота тобто для визначення положення і швидкості руху ланок маніпулятора, а також зусиль в його ланках. З допомогою цих давачів здійснюються зворотні зв'язки і реалізуюються коректуючі дії в системі управління роботом з метою забезпечити необхідну якість і точність його дій.

Давачі зовнішньої інформації призначені для виявлення параметрів, що характеризують стан зовнішнього середовища робота, для контролю за станом об'єкту маніпулювання промислового робота (наприклад, для виявлення фізико-хімічних властивостей об’єктів, їх положення і орієнтація в робочій зоні та стосовно інших об’єктів). Вони призначені для вимірювання параметрів у дальній і ближній зоні і для тактильних вимірювань. Давачі зовнішньої інформації в свою чергу поділяються на контактні і безконтактні. Контактні давачі, як слідує з їх назви, проводять вимірювання при контакті з об’єктом в процесі торкання, проковзування чи кручення. Принцип дії безконтактних давачів базується на визначенні змін акустичного чи електромагнітного полів при взаємодії з об’єктом. Найбільш важливим прикладом використання безконтактних давачів є вимірювання положення об’єкта і визначення його характеристик (форми, характеру поверхні і т.д.)оптичним методом.

Отже, інформаційні системи адаптивних роботів можна класифікувати за різними ознаками (рисунок 11.2).

Умовність запропонованого розбиття інформаційних систем роботів по їхньому функціональному призначенню пояснюється тим фактом, що як одна, так і інша група пристроїв у ряді випадків можуть бути використані для отримання інформації, яку звичайно збирають давачі іншої групи інформаційних систем. Наприклад, використовуючи тільки дані про величини моментів в шарнірах маніпулятора, зміряних за допомогою датчиків стану, можна оцінити вагу вантажу, затисненого захватним пристроєм, або визначити величини і напрями діючих на нього зовнішніх сил, для вимірювання яких звичайно на маніпуляторах встановлюють спеціальні силомоментні системи надання чутливості.

Вимоги до інформаційних систем, що встановлюються безпосередньо на маніпуляторах:

  •  малі габарити і простота конструкції, пристосованість для розміщення на захватах та інших частинах маніпуляторів з жорсткими обмеженнями на площу і об’єм простору розміщення;
  •  висока надійність і можливість експлуатації в умовах електромагнітних перешкод, коливань напруги і частоти;
  •  стійкість до змін параметрів зовнішнього середовища (вібрацій, температури, вологості);
  •  простота юстування і обслуговування в умовах обмеженої площі обслуговуваня;
  •  мала собівартість.

2 Силомоментні системи надання чутливості

Силомоментні системи надання чутливості адаптивних роботів– технічні засоби, призначені для вимірювання складових головного вектора сил і моментів, що діють на робочий орган маніпулятора, в проекції на зв'язану з давачами систему координат. Силомоментні давачі розташовують:

  •  безпосередньо в губках захвату;
  •  між останньою ланкою і захватом маніпулятора – коли в процесі роботи потрібно автоматично змінювати робочий орган;
  •  окремо від маніпулятора, наприклад, в основі координатного столу, на якому закріплена деталь. В цьому випадку параметри силової взаємодії захвата маніпулятора і деталі вимірюються відносно нерухомої декартової системи координат

Силомоментні давачі визначають величину сили, що виникає при фізичному контакті ЗП з об’єктом, шляхом вимірювання пружних деформацій чутливих елементів давачів і перетворюють їх в електричний сигнал за допомогою п’єзоелектричних, тензорензисторних та магнітопружних перетворювачів.

2.1 П’єзоелектричні давачі

Дія п’єзоелектричних давачів грунтується на вимірюванні заряду, пропорційного внутрішнім механічним напруженням розтягу-стиску чи зсуву, які викликає зовнішня діюча сила.

Типова схема простішого п’єзоелектричного давача зображена на рисунку 11.2. П’єзокерамічні шайби 3 (кераміка, спечена при високій напрузі, має об’ємний статичний заряд), розділені прокладкою, встановленні співвісно в циліндричному корпусі 2. Типове значення ємності давача 10 пФ. Прикладене зусилля F не змінює величини заряду, але змінює вектор напружень електричного поля Е; сигнал з п’єзокерамічних шайб через підсилювач реєструє зміну напруги. Перевагою такого давача є малі розміри і маса,високо жорсткістьнизька чутливість до зміни температур, а недоліком – ефект стікання заряду (через 1с  дії зусилля похибка становить 10-3). Тому п’єзоелектричні давачі такого типу доцільно використовувати в системах, де потрібно реєструвати факт торкання, або миттєве значення сили чи вимірювання динамічних сил.

Для вимірювання статичних  сил використовують п’єзоелектричний трансформаторний давач, показаний на рисунку 11.3. Давач складається з п’єзоедлектричного трансформатора 2, що являє собою п’єзоелемент з двома парами електродів, до однієї з яких підключено генератор електричних коливань, а інша з’єднана з вимірювальним ланцюгом. П’єзоелемент поміщено в корпусі 6 між демпферуючими прокладками 1. Вимірюване зусилля подається на п’єзоелемент через силоввідний елемент у вигляді сталевої кульки 4 і силорозподілювача конічної форми 5. Чутливість таких давачів залежить від матеріалу і розмірів п’єзоелемента. Наприклад, давач  з матеріалу ЦТС-19 має крутизну перетворення 1-5 В/Н. Для підвищення чутливості давача п’єзоелектричні трасформатори об’єдують, розташовуючи їх при цьому співвісно.

2.2 Магнітопружні перетворювачі

Магнітопружні перетворювачі базуються на використанні ефекту зміні магнітних властивостей феромагнітних матеріалів під дією механічних напружень. Приклад давача з магнітопружним чутливим елементом 1 приведено на рисунку 11.4. В ненапруженому стані обмотка збудження давача 2 створює магнітне поле, вектор індукції якого направлений під кутом 45 до вектору діючої сили F. При механічному навантаженні магнітне поле деформується, при чому вектор магнітних напружень змінює свій напрям, внаслідок чого на вторинній обмотці 3 давача виникає напруга, пропорційна діючій силі.

Великою перевагою магнітних перетворювачів з перехрещеними обмотками є можливість їх використання в екстремальних умовах при високих тисках, температурах, вологості і підвищеній радіації., коли потрібна висока надійність, але не надто висока точність. Магнітопружні давачі можна використовувати при навантаженнях 103 Н і більше.

Для вимірювання малих переміщень пружних елементів при конструюванні силомоментних і тактильних систем використовують різні електромагнітні, ємнісні і оптичні чутливі елементи які розглядаються при вивченні тактильних давачів.

2.3 Тензорезисторні давачі

Тензорезисторні давачі (від лат. tensus – напружений) використовують двох типів: напівпровідникові і провідникові (фольгові).

Напівпровідниковий тензорезистор являє собою пластинку кремнію з виводами, розмірами: довжина 2-7мм, ширина 0,2мм, товщина 0,15мм. Середнє значення опору тензорезистора залежно від довжинийого бази 100-800 Ом при допутимій силі струму через давач 15 мА. Під дією зовнішнього зусилля на стрижень, чи балку, на якій закріплені тезорезистори, що утворюють повну мостову вимірювальну схему, змінюється опір напівпровідникового тензорезистора, а, отже, і значення напруги, пропорційно прикладеному зусиллю. При максимальній пружній деформації 210-3 вихідний відносний сигнал буде становити приблизно 50-150 мВ/В залежно від номінального опору і коефіцієту чутливості давачів. Перевагами є висока чутливість при малих габаритних розмірах давачів і підсилювачів, недоліком – чутливість до температурних змін. Для ідентичності механічних і електричних характеристик всіх чотирьох напівпровідникових тензорезисторів, що утворюють мостову схему, їх слід виготовити в єдиному технологічному процеесі.

З провідникових тензорезисторів найбільш розповсюджені фольгові тензоперетворювачі. На фольгу розміром: довжина 3-20мм, ширина 1,5–10мм, товщина 0,2мм нанесено провідник, положення провідника вибирають таким чином, щоб давач сприймав і реєстрував деформації згину чи зсуву або комбіновані деформації (рисунок 11.5). Перевагами порівняно з напівпровідниковими тензорезисторами є можливість більшої сили струму (до 50мА) за рахунок більшої площі контакту з пружним елементом і кращого відведення тепла, а, отже, можливість працювати в ширшому діапазоні температур, а також наявність хімічного забруднення середовища чи підвищеного рівня радіації в приміщеннях, де експлуатується робот. Однак недоліком таких давачів є те, що вихідна напруга є дуже низькою, її передача і обробка може бути, наприклад, при наявності сильного електромагнітного поля, затрудненою. Тому для їх використання необхідні високоякісні підсилювачі сигналу з великим коефіцієнтом підсилення.  

3 Багатокомпонентні давачі силомоментного надання чутливості

Для вимірювання деформацій під дією зусиль, прикладених у різних напрямках розташовують розетки тезорезисторів, розташовані під кутами 45, 90 і 120 відносно осей сусідніх елементів.

Найбільш простим в конструктивному відношенні є шестикомпонентний давач (рисунок 11.5), що являє собою два кільцевих флпнця 1, з’єднаних трьома плоскими пружними елементами 2, розташованими паралельно осі датчика під кутом 120 один до одного. На внутрішній стороні пружних елементів наклеєні фольгові тензорезистори 4, чутливі до деформацій розтягу-стиску, а на зовнішній – фольгові тензорезистори 3, чутливі до деформацій зсуву. Три пари тензорезисторів забезпечують зміну всіх деформацій, що виникають в пружних елементах під дією довільно направлених сил чи моментів, прикладених до одного з фланців давача.

Особливістю розглянутого давачає те, що він призначений для вимірювання всіх шести проекцій силового вектора і не може бути використаний для вимірювання лише однієї складової без виммірювання решти, оскільки в кожному тензоелементі, розміщеному на пружних елементах, виникають деформації практично від усіх діючих чил і моментів. Для рішення цієї задачі використовують іншу конструкцію давача – модульний шестикомпонентний давач сил і моментів (рисунок 11.6), розташований в основі пальців ЗП маніпулятора. Цей давач, на відміну від інших, має просту просторову геометрію, завдяки чому пружні елементи конструкції, що є взаємозамінними модулями, можуть бути легко розраховані для вимірювання заданої деформації.

  1.  Приклад застосування силомоментних давачів

Найчастіше давачі силомоментного надання чутливості встановлюють між останньою ланкою робота і ЗП чи інструментом. В цьому випадку складові силового вектора вимірюються  в проекції на зв’язану з ЗП систему координат.

На рисунку 11.7 показано механічну частину такого силомоментного давача. Сила, прикладена між центральним фланцем, до якого кріпиться, наприклад інструмент, і чотирисегментним зовнішнім фланцем 1, який приєднаний до останньої ланки робота, деформує хрестоподібно розташовані пружні елементи 3 і наклеєні на них тензорезистори 2. Внаслідок розтягу чи стиску тензорезисторів змінюється їх опір, що використовується для одержання електричного сигналу, пропорційного діючим компонентам силової дії.

Адаптивний робот, оснащений таким давачем, можна використовувати для складальних операцій в продукціїї машино- та приладобудування (встановлення поршнів у циліндри автодвигуна, запресовка підшипників, кріплення одних деталей до інших болтами, гайками, шпильками і т.д.).

Роботу жорсткопрограмованому складно з’єднати два тіла або вкласти одне в інше, наприклад циліндр в гладкий отвір, навіть, коли між ними є щілина, оскільки завжди є похибки у відносному позиціонуванні і орієнтації спряжених деталей (рисунок 11.8). Через початкову неспіввісність і кутовий перекос або затрудняється рух циліндра вглибину отвору, або деталі взагалі заклинюються. Якщо робот адаптивний і оснащений силомоментною системою надання чутливості, то напрям дії сил, що виникають при контакті, йому відомий, і він точно “знає”, в  якому напрямку  слід перемістити ЗП з закріпленою в ньому деталлю, щоб сили реакції або стали рівними нулю, або не перевищували заданої величини.

Аналогічно чинить людина, виконуючи ту ж операцію. Вона прагне звести до нуля будь-яку виникаючу протидію. Машинально центруючи спряжені деталі, причому робить це не задумуючись, навіть якщо у неї закриті очі.

Робот з силомоментним давачем 2, прикріпленим між останньою ланою руки робота 1 і ЗП 3, підводить циліндр до отвору, потім, визначивши після дотику за силами реакції 5 напрям на центр отвору 4, починає, не перериваючи контакту, переміщувати циліндр до нього, поступово вирівнюючи і вводячи його всередину до повного завершення операції складання. Здатність адаптивного робота визначати напрям на центр після контакту циліндра і , як правило, ширшою вхідною частиною отвору (фаскою) дозволяє ледь не в 10 разів знизити вимоги до похибки позиціонування і орієнтації деталей, призначених для складання.

5

PAGE  7


вартість робота;

затрати на проектування і виготовлення спеціалізованого обладнання

І – вартість РТК на основі сучасного високоточного робота при великосерійному виробництві;

ІІ - вартість РТК на основі сучасного високоточного робота в умовах середньо- і дрібносерійного виробництва;

ІІІ - вартість РТК на основі адаптивого робота в умовах середньо- і дрібносерійного виробництва

Рисунок 11.1 – Затрати на створення РТК обслуговування металорізального обладнання

Рисунок 11.2 – Кварцевий давач сили

EMBED KompasFRWFile  

Рисунок 11.2 – Класифікація сенсорних пристроїв

Рисунок 11.3 – П'єзоелектричний трансформаторний давач

исунок 11.4 – Магнітопружний давач зі схрещеними обмотками

Рисунок 11.5 – Шестикомпонентний давач сил і моментів

Рисунок 11.6 – Модульний шестикомпонентний давач сил і моментів

Рисунок 11.7 – Давач силомоментного надання чутливості з тензоперетворювачами

Рисунок 11.8 – сили і моменти сил, що виникають в процесі спряження деталей з гладкими циліндричними поверхнями


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17567. Проверка чисел на взаимную простоту: расширенный алгоритм Эвклида, малая теорема Ферма, тест Рабина-Миллера 250 KB
  Лабораторная работа №3.1 Тема: Проверка чисел на взаимную простоту: расширенный алгоритм Эвклида малая теорема Ферма тест Рабина Миллера. Цель: Ознакомиться с процедурой нахождения наибольшего общего делителя использующей расширенный алгоритм Эвклида. Изучить
17568. Алгоритм RSA. Обмен ключами симметричных алгоритмов с использованием ассиметричных криптосистем 189 KB
  Лабораторная работа № 3.2 Тема: Алгоритм RSA. Обмен ключами симметричных алгоритмов с использованием ассиметричных криптосистем. Цель: Ознакомиться с математическими принципами функционирования алгоритма RSA. Научиться проводить шифрование/дешифрование с помощью...
17569. Поведение важнейших окислителей и восстановителей. Прогнозирование продуктов окислительно-восстановительных реакций 821 KB
  Перманганат-ион выступает окислителем в любой среде, от рН среды зависит продукт восстановления перманганата-иона. Кислую среду создают серная, азотная, соляная и другие сильные кислоты, раствор сернистого газа. Азотная кислота помимо создания кислой среды будет проявлять окислительные свойства
17570. Криптографические алгоритмы, которые используются для формирования подписи 2.57 MB
  Лабораторная работа № 3.4 Тема: Криптографические алгоритмы которые| используются для формирования подписи. Цель: Ознакомиться с основными методами формирования цифровой подписи. Ознакомиься с принципом функционирования метода DSA. ознакомиться с программой CrypTool.
17571. Атаки на алгоритм RSA. Взлом RSA при неудачном выборе параметров криптосистемы 600 KB
  Лабораторная работа № 4.1 Тема: Атаки на алгоритм RSA. Взлом RSA при неудачном выборе параметров криптосистемы. Цель: изучить атаки на алгоритм шифрования RSA посредством метода Ферма атаки повторным шифрованием атаки на основе китайской теоремы об остатках и метода к
17572. Использование криптографического интерфейса Windows при разработке приложений. Создание приложений для создания ключей и ключевого материала 2.41 MB
  Лабораторная работа № 4.2 Тема: Использование криптографического интерфейса Windows при разработке приложений. Создание приложений для создания ключей и ключевого материала. Обмен ключами. Функции CryptoAPI для работы с ключевым материалом. Цель: изучить принципы построе...
17573. Использование криптографического интерфейса Windows при разработке приложений. Шифрование и дешифрование данных 1.22 MB
  Лабораторная работа № 4.3 Тема: Использование криптографического интерфейса Windows при разработке приложений. Шифрование и дешифрование данных. Формирование и проверка ЭЦП. Управление доступом к контейнеру ключей. Цель: изучить принципы построения и использования Cr...
17574. Защита на уровне IP 13.27 MB
  Лабораторная работа № 4.4 Тема: Структура отчета Титульный лист. Тема и цель работы. Задание и номер варианта. Краткие теоретические сведения. Ход работы. Выводы. Теоретические сведения Защита на уровне IP Cообщество Internet разработало...
17575. Исследование регистрового файла микроконтроллера PIC 16C71 26.5 KB
  Лабораторна работа № 1 Тема: Исследование регистрового файла микроконтроллера PIC 16C71 Знакомство со средой MPLAB Цель работы: Ознакомиться с программной средой MPLAB. Краткие теоретические сведения: При помощи MPLAB можно редактировать эм