ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УГОЛ-КОД

“ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УГОЛ-КОД”

Выполнил студент гр. ЭМ 37-2

Руководитель практики Голых Ю. Г.

1. ВВЕДЕНИЕ. *

2. ДАТЧИКИ ВНУТРЕННЕЙ ИНФОРМАЦИИ. *

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ КОДОВЫЙ ППК – 15. *

4. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ППК – 15. *

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. *

ЛИТЕРАТУРА. *

1. ВВЕДЕНИЕ.

 

Информационная система промышленного робота предназначена для получения и обработки информации о состоянии, как самого робота, так и внешней среды. Состояние робота характеризуется такими параметрами, как положение и скорость звеньев манипулятора, усилия, возникающие в его звеньях. Состояние внешней среды характеризуется следующими параметрами: формой, положением и ориентацией в пространстве объектов манипулирования робота, специфическими свойствами внешней среды и параметрами возмущений, влияющими на выполнение роботом технологической операции.

Для определения указанных параметров в состав информационной системы промышленного робота входят комплексы датчиков внутренней и внешней информации. Датчики внутренней информации служат для выявления величин, характеризующих внутреннее состояние робота, т. е. для определения положения и скорости движения звеньев манипулятора, а так же усилий в его звеньях. С помощью этих датчиков осуществляются обратные связи и реализуются корректирующие воздействия в системе управления роботом с целью обеспечить требуемое качество и точность его действий. Датчики внешней информации предназначены для выявления параметров, характеризующих состояние внешней среды робота, для контроля за состоянием манипулирования промышленного робота. Качество и точность отработки роботом задаваемых программой действий существенно зависят от датчиков положения и скорости движения звеньев манипулятора, поэтому к датчикам внутренней информации предъявляются высокие точностные требования. Очувствление робота датчиками внешней информации позволяет решать задачу повышения точности позиционирования манипулятора на основе использования адаптивного принципа построения системы управления робота.

 

2. ДАТЧИКИ ВНУТРЕННЕЙ ИНФОРМАЦИИ.

По виду выходного сигнала датчики внутренней информации делят на аналоговые и дискретные. В аналоговых датчиках выходной сигнал представляется в виде непрерывно изменяющейся величины, а в дискретных датчиках выходная величина представляется в виде цифрового кода(цифровые датчики) и в виде релейного сигнала. По виду измеряемого механического перемещения датчики делят на линейные и вращательные. По методу измерения входной величины различают датчики с абсолютным и относительными отсчетами. Выходной сигнал датчика перемещения с абсолютным отсчетом однозначно определяется значением входного перемещения. Такая однозначность отсутствует у датчиков с относительным отсчетом. Выходной сигнал этих датчиков представляется в виде последовательности периодических сигналов или импульсов. Датчики положения и скорости звеньев манипулятора используются в качестве датчиков обратной связи в сервомеханизмах, осуществляющих отработку роботом задаваемых программой действий. Характеристики датчиков обратной связи (точность, линейность их характеристик, динамические показатели) существенно влияют на качество и точность работы сервомеханизмов. Кроме того, при выборе датчиков обратной связи необходимо учитывать также ряд требований, предъявляемых к датчикам промышленных роботов:

Под термином “датчики угла” понимаются устройства, преобразующие угловую координату в электрическое напряжение. Это напряжение используется в системах автоматизированного электропривода как сигнал обратной связи по углу или как управляющий сигнал в задающих устройствах. Датчики угла находят применение в следящих системах для измерения угла поворота исполнительного вала. Задание на движение системы может выполняться также с помощью датчика угла, угловой координатой которого является угол поворота командной (задающей) оси. Разность сигналов этих двух датчиков, так называемое “рассогласование”, подается как управляющий сигнал на вход системы. В этом случае оба датчика могут рассматриваться объединение как “датчик рассогласования”. Задание на угловое перемещение может формироваться и без датчика угла с командной осью. Тогда используется эквивалент командной оси, т. е. заданная угловая координата выступает, в закодированном виде, например в форме цифровой программы. В таких системах с программным управлением выходной сигнал датчика угла исполнительного вала вводится в программное устройство, вырабатывающее задание на движение. В простейших случаях датчик угла используется как бесконтактный потенциометр, командоаппарат, фазовращатель.

Потенциометры. Потенциометры применяют в простых устройствах управления позиционного типа. Потенциометр является электромеханическим преобразователем, выходное напряжение которого является, как правило, линейной функцией угла поворота его вала, или точнее функцией положения х подвижного контакта (движка) относительно резистивного элемента. На Рис. 1 представлен принцип действия данного типа датчика. К крайним выводам резистивного элемента приложено напряжение питания . Выходное напряжение снимается с участка между подвижным контактом и одним из крайних выводов. При ненагруженном потенциометре напряжение определяют по формуле

где - полное сопротивление потенциометра между крайними точками;

- сопротивление участка потенциометра между крайней точкой и подвижным контактом;

Так как зависит от положения x подвижного контакта, то и является функцией положения х подвижного контакта.

• ограниченная разрешающая способность вследствие ступенчатого характера выходного напряжения при перемещении подвижного контакта с витка на виток;
• сравнительно малая износоустойчивость – до (1 – 10) поворотов оси;
• ограниченная частота вращения – до 100 – 200 об/мин из-за вибраций движка при переходе с витка на виток.

Пленочные потенциометры имеют преимущества перед проволочными. Они обеспечивают высокую разрешающую способность и большой срок службы (до 30 поворотов оси), допускают эксплуатацию при высокой температуре окружающей среды (до +60°С).

Сельсины. Сельсин — небольшая электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: однофазную (обмотку возбуждения) и трехфазную (обмотку синхронизации). По конструктивному признаку сельсины разделяются на два основных типа: контактные сельсины и бесконтактные сельсины. Основное исполнение первого типа — обмотка возбуждения расположена на роторе, обмотка синхронизации — на статоре. Этим уменьшается до двух число контактных колец и исключаются контакты на синхронизирующей связи. Идея бесконтактного сельсина реализуется двумя способами. При первом способе благодаря специальной конструкции магнитопровода ротора неподвижная кольцевая обмотка возбуждения создает в роторе поток, поворачивающийся вместе с ротором. При втором способе обмотка ротора получает питание от вращающейся совместно с ротором вторичной обмотки кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой.

В схемах датчиков угла входная координата сельсина – угол поворота его ротора q , а выходные координаты – амплитуда или фаза j выходного напряжения по отношению к переменному опорному напряжению (Рис. 2, а). В зависимости от использования той или другой выходной координаты различают амплитудный режим, когда j =const (0 или p ), a =f(q ) и режим фазовращателя, когда =const a j =f(q ).

В амплитудном режиме обмотка возбуждения получает питание от сети переменного тока (Рис. 2, б):

t,

где -коэффициент трансформации между фазной статорной и роторной обмотками при их соосном положении.

Если начало отсчета угла переместить на p /3 в направлении к фазе В, то относительно угла в новой системе отсчета

Положительные значения соответствуют j =0, а отрицательные j = p . Для малых когда ,

,

Полученные выражения для характеристики управления и передаточного коэффициента не учитывают погрешностей, вносимых в передачу сигнала сельсином несинусоидальностью распределения магнитной индукции, асимметрией магнитопровода, неравенством параметров фаз статорной обмотки и т. п. Перечисленные факторы обусловливают статические погрешности, искажающие форму характеристики управления. Эти погрешности в зависимости от класса точности изготовления сельсина характеризуются определенным уровнем (Рис. 3). Наибольшее влияние они оказывают в области малых углов, где полезный сигнал соизмерим с погрешностями. Кроме статических погрешностей при вращении сельсина, появляется скоростная погрешность из-за возникающей в обмотках ЭДС вращения.

Эта погрешность увеличивается с ростом угловой скорости. Поэтому рабочие режимы сельсинов характеризуются ограниченным уровнем скорости по условиям допустимой скоростной погрешности. В режиме фазовращателя обмотка статора получает питание от источника трехфазного напряжения с неизменной амплитудой. Образующееся круговое вращающееся поле в любой фиксированной точке статора, удаленной от оси отсчета (оси фазы А) на угол j характеризуется магнитным потоком

.

где — амплитуда фазной ЭДС статора, В.

j = q

Для получения вращающегося магнитного поля на статорные обмотки ВТ подают синусоидальные напряжения (Рис. 4, а) с одинаковой амплитудой и сдвигом по фазе p /2 :

Напряжение роторной обмотки связано с напряжениями и

зависимостью

где k – коэффициент трансформации, равный отношению числа эффективных витков роторной обмотки к числу эффективных витков статорной обмотки.

Учитывая выражения и получаем

Из уравнения (3) следует, что при изменении угла поворота ротора a соответственно изменяется фаза выходного напряжения . Следует отметить, что уравнение (3) точно выполняется только при равенстве амплитуд квадратурных напряжений питания и строгом соблюдении для них сдвига по фазе на p / 2 рад. Для получения фазовой погрешности выходного сигнала не более 0,05 – 0,1% необходимо, чтобы отклонение ортогональности напряжения питания не превышало единиц минут по фазе, а неравенство их амплитуд не более десятых долей процента.

На Рис. 4, б приведена схема однофазного фазовращателя на ВТ. Достоинством данной схемы является ее питание однофазной сети переменного тока. На одну из статорных обмоток подается напряжение питания . Параметры фазосдвигающей RC – цепочки выбирают так, чтобы выполнялось условие R=(1/ωC) > > r, где r – активное сопротивление роторной обмотки. При выполнении этого условия, а также соотношения выходное напряжение фазовращателя

где - некоторый постоянный фазовый сдвиг, определяемый параметрами ВТ.

Существующие ВТ с одной парой полюсов в режиме фазовращателя имеют погрешность не более ± (15―25)'. Β несколько раз большую точность обеспечивают многополюсные синусно – косинусные ВТ, что позволяет создать точные датчики угла поворота, совмещая в одном корпусе трансформаторы с одной и несколькими парами полюсов.

Генератор счетных импульсов ГИ выдает импульсы на n-разрядный двоичный счетчик СТ2. Выходные сигналы с триггеров двух старших разрядов счетчика подаются на фазорасщепительный блок ФРБ, с выхода которого снимаются два синусоидальных квадратурных напряжения для питания статора фазовращателя ФВ на базе ВТ. Напряжение с выхода фазовращателя, несущее информацию в виде фазового сдвига a , поступает на нуль-орган НО, стробирующий импульс с которого подается на вентили . Эти вентили управляются потенциалами, снимаемыми с единичных выходов триггеров счетчика. Управляющие потенциалы представляют собой как бы кодовую маску двоичного кода, развернутого во времени. Стробирующий импульс с выхода НО считывается с вентилей , управляемых счетчиком, двоичное число N, пропорциональное входному углу a . Число N, считанное со счетчика, связано с входным углом фазовращателя соотношением:

где - частота импульсов генератора ГИ;

- частота питания фазовращателя.

Так как , получаем

Рассматриваемый преобразователь “угол-фаза-временной интервал-код” может выдавать информацию без временного запаздывания, что является его несомненным достоинством.

Для измерения угловых перемещений используют поворотные индуктосины конструкция которых представлена более подробно на Рис.6.

Основными деталями поворотного индуктосина являются два диска (ротор и статор) из изоляционного материала (керамика, стекло, и т. п.). Ротор соединяется с валом, угловое положение которого подлежит измерению, а статор неподвижен. На торцевых поверхностях, обращенных друг к другу, диски несут плоские печатные обмотки (Рис. 6, б, в).

Поворотный и линейный индуктосины различаются по конструкции, однако по принципу измерения перемещения и преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму они аналогичны ВТ. Одному обороту ротора ВТ в поворотном индуктосине соответствует поворот ротора на угол 2p /р, где р – число пар полюсов. Обычно при использовании двоичного кода р=64,128 и 256, иногда берут р=90,180 и 360. Максимальное значение р= 1000.

Фаза j выходного напряжения поворотного индуктосина, имеющего р пар полюсов, связаны с углом поворота a ротора соотношением j = p·a .

Параллельный растр (Рис. 7, а) представляет собой совокупность параллельных непрозрачных штрихов, нанесенных на поверхность прозрачного материала с шагом w . Отношение t=a/w ширины прозрачного штриха а к шагу w характеризует пропускающую способность растра и называется пропусканием растра. Шаг w и пропускание t растра являются основными оптическими характеристиками измерительных растров.

Преобразователи считывания информации с кодовой шкалы. Преобразователи считывания информации с кодовой шкалы характеризуются однозначным определением действительного значения перемещения, значительной независимостью сигналов от воздействия окружающей среды, восстанавливаемостью показаний после сбоя в цепи питания. Широкое применение находят фотоэлектрические преобразователи считывания, обеспечивающие высокую разрешающую способность и сравнимые по надежности с индуктивными датчиками. Схема фотоэлектрического преобразователя считывания углового перемещения в код приведена на Рис. 8. На кодируемом валу 2, угловое положение которого преобразуется в цифровой код, жестко закреплен кодированный диск 1. Этот диск представляет собой стеклянное основание, на которое нанесена кодовая маска, образованная определенным числом концентрированных кодовых дорожек с прозрачными и не прозрачными для лучистого потока сегментами. Кодовая маска является отображением того двоичного кода, который используется в преобразователе. Наиболее широко используется отраженный двоичный код Грея, обеспечивающий минимальное число фотоприемников и простую оптическую схему считывания.

Осветитель, состоящий из лампы 3 и конденсора 4, формирует лучистый поток, падающий на кодированный диск 1. В момент съема информации луч света, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек диска и ограничивающую целевую диафрагму 5, освещает фотоприемник 6, усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фотоприемников, перекрытых непрозрачными сегментами кодовой маски, соответствует двоичным нулям. В результате каждому углу соответствует определенная комбинация двоичных нулей и единиц, являющаяся цифровым кодом данного угла.

Разрешающую способность фотоэлектрических преобразователей можно повысить введением дополнительного точного растрового отсчета, идея которого реализована в промышленном датчике положения ППК-15.

На Рис. 9 показана функциональная схема двухотсчетного фотоэлектрического преобразователя угла поворота вала в код с разрешающей способностью, соответствующей 19 двоичным разрядам. Показания грубого отсчета (ГО) снимаются с 14 старших разрядных дорожек кодовой шкалы. Показания точного отсчета (ТО) в виде пяти младших двоичных разрядов снимаются с разрядной дорожки кодового диска, нанесенной с шагом ω= рад, посредством растрового интерполятора. В канал ТО входят четыре пары фотоприемников (на Рис. 9 условно показаны только две пары).

Эти фотоприемники размещают попарно в четырех точках внешней разрядной дорожки через π/2. Такое расположение фотоприемников позволяет при соблюдении некоторых условий устранить влияние эксцентриситета и эллиптичности измерительного растра – разрядной дорожки ТО. Фотоприемники каждой пары воспринимают лучистый поток, прошедший измерительный растр, через неподвижные индикаторные растры, которые сдвинуты друг относительно друга на четверть шага измерительного растра. Таким образом, с фотоприемников ТО снимают электрические сигналы соответственно с синусоидальными и косинусоидальными переменными составляющими. С sin/cos датчиков ТО сигналы поступают на в схемы усреднения и далее в интерполятор. Интерполятор, выполненный по схеме потенциометрического фазовращателя в виде резисторного моста, формирует 32 синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе на 360/32= 11,25 градуса, причем в данном случае 360 градусов соответствует одному шагу измерительного растра ТО. Каждая из16 пар противофазных сигналов подается на соответствующий триггер Шмитта. При вращении измерительного растра ТО сигналы с выходов триггеров будут иметь вид прямоугольных меандров, сдвинутых по фазе на 11,25 градуса. Шифратор на логических схемах кодирует состояния триггеров Шмитта в пятиразрядный двоичный код ТО, пропорциональный перемещению измерительного растра ТО в пределах шага. Растровый интерполятор ТО формирует также синхроимпульс считывания выходных сигналов с разрядных дорожек ГО, обеспечивая тем самым необходимое согласование грубого отсчета с точным. Рассмотренный фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код обеспечивает разрешающую способность, соответствующую 2,5''. Описанный принцип преобразования позволяет получить разрешающую способность 0,6 – 1,2'' при внешнем диаметре кодового диска 127 – 254 мм.

Принцип действия преобразователя основан на фотоэлектрическом преобразовании угловых перемещений входного вала в двоичный код. Преобразователь включает в себя: подвижную систему, оптическую систему считывания информации, электронный блок, а так же корпус и монтажные детали. Общий вид преобразователя представлен на Рис. 10.

Подвижная система содержит входной вал 1, на котором жестко закреплен кодовый одиннадцатиразрядный диск 2 точного отсчета, редуктор 3 с передаточным отношением i=16 и кодовый диск 4 грубого отсчета. На диск нанесена кодовая маска в коде Грея. Оптическая система считывания информации точного отсчета состоит из осветителя 11, диафрагмы 10 и фотоприемника 8.

Свет осветителя через прозрачные щели в диске и диафрагме попадает на фотоприемник. Он имеет 11 отдельных светочувствительных элементов, расположенных на одном кристалле кремния, в грубом отсчете (на рис. не показан) – 5 элементов. Фотоприемник воспринимает комбинацию электрических сигналов соответствующую в данном положении входного вала коду на диске напротив линии считывания.

С диска 2 фотоприемник 8 считывает 11 младших разрядов точного отсчета. С диска 4 фотоприемник грубого отсчета считывает 4 разряда грубого отсчета и сигнал согласования отсчетов. Сигналы с фотоприемников поступают в электронный блок 12, собранный на пяти платах, где усиливаются, формируются в прямоугольный сигнал, код Грея преобразуется в натуральный двоичный код, формируется сигнал “Направление”. Кроме того, электронный блок имеет схему синхронизации сигналов точного и грубого отсчетов. Все узлы преобразователя собраны на основании 9 и защищены кожухом 6. Прокладки 5, 7 обеспечивают уплотнение кожуха. Соединение преобразователя с системой управления осуществляется с помощью разъема 13. Функциональная схема преобразователя приведена на Рис. 11.

4. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ППК – 15.

 

4.1 ОСОБЕННОСТИ ВЫХОДНОГО КАСКАДА.

Исследуемый датчик углового положения вала на выходном каскаде имеет микросхемы К155 ЛА13. Микросхемы выполняют логическую функцию И-НЕ, и в данном устройстве образуют вместе с элементами “исключающее или” преобразователь двоичного кода Грея в нормальный двоичный код. В одном корпусе располагаются четыре логических элемента с выходом типа “открытый коллектор”, т. е. коллекторы выходных транзисторов каждого логического элемента подключены не к шине питания, как обычно, а к внешним выводам микросхемы. В результате использования достаточно мощных выходных транзисторов микросхемы обладают повышенной нагрузочной способностью. На Рис.13 показано схематичное устройство выходного каскада микросхемы К155 ЛА13.



 

При открытом выходном транзисторе выходной ток логического элемента составляет до 48 мА. Такой достаточно приличный номинал тока способствует подключению к разъему датчика нескольких потребителей использующих выходной код датчика, причем суммарный ток потребления не должен превышать указанных 48 мА. Открытое состояние выходного транзистора соответствует низкому (“0”) логическому уровню на выходе микросхемы, а закрытое – высокому (“1”).

Для подключения элементов слаботочной индикации (в данном случае светодиодов) требуется их правильное включение в цепь на выходе микросхемы, наличие последовательного токоограничивающего резистора и подача питающего напряжения (+5В), т. е. ток в светодиоде будет протекать в том случае если на базу выходного транзистора будет подан сигнал о разрешении открытия перехода коллектор-эмиттер. В данных условиях горящий светодиод будет соответствовать логическому уровню “0”, а не горящий – логическому уровню “1”.

На Рис. 14 представлена схема подключения светодиодов к разъему ППК –15.

 

 



4.2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА.

 

Лабораторный стенд для изучения преобразователя перемещений кодового (ППК-15) представляет собой платформу 1 (Рис. 15) с установленными на ней: датчиком углового положения вала 3 , светодиодной матрицей 2, тумблером 4, разъемом для подключения блока питания 6 и ручками 5. Светодиодная матрица представляет собой устройство для визуального наблюдения двоичного цифрового кода на выходе ППК – 15.



Как уже упоминалось выше, светодиодная матрица будет показывать перевернутый двоичный код, т.е. логическая единица будет соответствовать не горящему диоду, а логический ноль – горящему. На валу датчика ППК – 15 находится диск с укрепленной на нем стрелкой, а на корпусе – шкала, для измерения угла поворота.

Угол поворота вала должен соответствовать определенной кодовой комбинации т. е. задаваясь перемещением (поворотом) вала мы получаем абсолютное значение двоичного кода на выходе.

На стенде имеется тумблер “Опрос лог. 0”. Он предназначен для подачи в схему лог. “0”, который блокирует горение матрицы светодиодов.

Для питания датчика используется импульсный блок питания, который категорически запрещается включать без подключения нагрузки т. е. перед тем как нажать на кнопку включения, надо убедиться в том что блок питания подсоединен к стенду.

Стенд не требует регулировки и при включении питания сразу готов к работе.

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Например разработка информационной системы ПР для манипулирования миниатюрными и хрупкими изделиями продолжается в направлении создания датчиков внутренней информации, позволяющих управлять с высокой точностью приводами , и разработки перспективных средств очуствления. Разработка средств очуствления ПР данного класса направлена на оснащение техническим зрением и тактильной чувствительностью. В настоящее время разрабатывается новое поколение систем технического зрения. Сдерживающим фактором дальнейшего развития данных систем является необходимость создания специального освещения и высококонтрастного фона. Для повышения точности распознавания в перспективных системах применяются специализированные процессоры с параллельной архитектурой для обработки изображений с большим числом градаций контрастности.