по дисциплине: «Система управления робототехническими комплексами» на тему: «Контрольно-измерительные робототехнические системы»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Государственный университет информатики и искусственного интеллекта

Д080403.1.01.05/031.ЛР

Кафедра ПОИС

Реферат по дисциплине: « Система управления робототехническими комплексами» на тему: « Контрольно-измерительные робототехнические системы»

Выполнил:

_________ст. гр. ПО-05аc Кузьменко В.А.

Проверил:

__________асс. Пряничникова Е.А.

2010

Назначение и структура контрольно-измерительной робототехнической системы.

Технологические операции контроля, измерения, диагностики, широко распространенные в промышленности, наиболее трудно поддаются авто­матизации. Без автоматизации операций контроля невозможно создание гибких производственных систем и автоматизированных производств с ограниченным количеством рабочих. Для завершения автоматизации всего производственного цикла применяются контрольно-измерительные робототехнические системы (КИРС). Обычно в КИРС сочетаются манипуляционные действия с функциями контроля, измерения, диагностики различных технологических объектов, законченных изделий и заготовок, среды, процессов и т.п. непосредственно в ходе производства. Контрольные операции могут выполняться КИРС как в процессе выполнения техноло­гических операций на различных этапах, так и в конце технологических процессов, когда необходима проверка готовой продукции. Изучение на­правлений исследований в данной области в нашей стране и за рубежом приводит к выводу о целесообразности использования КИРС в большинстве существующих или разрабатываемых технологических процессов. КИРС в настоящее время находят применение (рис. 1) в процессах сборки, сварки, сортировки, тестирования поверхностей сложных форм, например, лопаток турбин, а также неразрушающего контроля качества материалов и изделий, включая анализ внутренних дефектов в материалах, контроль формы и геометрии изделий, ана­лиз механических величин, проведение диагностики машин и меха­низмов.

Рис. 1

В отличие от традиционных манипуляционных промышленных роботов КИРС снабжена дополнительным первичным преобразователем для целей технической диагностики, более широким набором тактильных датчиков и устройством обработки, диагностической информации, которым может служить мини- или микро ЭВМ. Применяемая в КИРС ЭВМ или микропро­цессорная сеть осуществляет две функции: управление целенаправленным движением исполнительных органов по программе, которая может коррек­тироваться в процессе движения в зависимости от дополнительной инфор­мации от тактильных и иных датчиков; прием информации от первичных преобразователей о состоянии контролируемого объекта в процессе мани­пулирования, ее хранение, автоматическую обработку в соответствии с за­данными алгоритмами диагностики и принятие решения о результатах из­мерения.

В общем случае система управления КИРС состоит из двух основных контуров (рис. 2): программного, управляющего перемещением при­водов манипулятора, и диагностического, осуществляющего измерение, контроль или диагностику объекта, а также классификацию исследуемых параметров по определенным признакам, автоматический анализ которых обеспечивает принятие решения. В результате принятия решения произво­дится классификация, например, разбраковка изделий или группирование по классам допусков.

Рис.2

Программный контур может включать первичные преобразователи, предназначенные, например, для поиска и обнаружения края объекта, слежения за его контуром, а также для адаптации к изменяющимся усло­виям внешней среды, интерфейсный блок согласования с приводами, блок преобразования для связи с микропроцессором.

В диагностический контур могут входить датчики качества материалов, например, предназначенные для обнаружения трещин, раковин, дефектов (после сварки). Информационно-измерительная система КИРС в этом слу­чае будет содержать специальные датчики измерения и диагностирования (рис. 3).

Рис. 3

Области использования КИРС изучаются многими организациями и за­рубежными фирмами ведущих отраслей промышленности: машинострое­ния, авиакосмической промышленности, судостроения, автомобилестрое­ния, приборостроения и других. Сочетание операций транспортирования с операциями измерения или диагностики способствует повышению быстро­действия технологического комплекса и стабилизации высоких качествен­ных характеристик контролируемых объектов. Отличительным свойством КИРС является выполнение исследовательских функций. Это стимули­рует применение КИРС в промышленной технологии и энергетике, для океанологических и космических исследований. В данной монографии рассматриваются манипуляционные технологические КИРС, условия внеш­ней среды которых не полностью детерминированы. Некоторые общие поло­жения справедливы и для исследовательских роботов иных назначений. Вместе с тем отметим, что океанологические и космические КИРС обла­дают рядом специфических особенностей, и их рассмотрение представляет предмет отдельного исследования.

Чувствительные
элементы и информационные системы КИРС.

Информационные системы КИРС принимают и производят первичную обработку измерительной информации не только для целей планирования механических движений манипуляторов, но и для проведения контроля и диагностики различных объектов. Поэтому информационные системы КИРС обладают необходимым числом чувствительных элементов, обеспе­чивающих решение поставленной задачи, и довольно сложной развитой структурой. Важнейшими свойствами информационной системы можно считать получение достоверной и адекватной по отношению к измеряемым параметрам информации, отсутствие избыточности и выдача только необ­ходимой информации, которая требуется для проведения контроля и осу­ществления необходимых движений. Наличие избыточной информации может усложнить алгоритмы обработки, ухудшить помехозащищенность и быстродействие системы.

Информационные системы КИРС несколько сложнее представленных в главе 1 систем роботов, осуществляющих только манипуляционные функции, и содержат самые разнообразные чувствительные элементы, основанные на различных физических принципах. Наибольшее распространение получили устройства технического ирония, пневматические сенсоры, ультразвуковые, электромагнитные, индукцион­ные датчики, лазерные, СВЧ и иные преобразователи 'неразрушающего контроля и дефектоскопии, приспособленные для условий функциони­рования в КИРС.

В главе 1 были рассмотрены системы очувствления различных типов манипуляционных роботов, в том числе устройства технического зрения как наиболее информативные, и пневматические устройства как наиболее простые и надежные (хотя и менее информативные). В данной главе рас­смотрим некоторые особенности и схемы чувствительных элементов опти­ческого и пневматического типов применительно к их функционированию в составе КИРС

Оптические системы находят широкое применение для выполнения контрольно-измерительных функций и для целей управления. Эти системы могут располагаться раздельно по отношению к роботу, а также непосредст­венно на одном из его звеньев, например, в схвате, если это допускается габаритами и массой оптических систем. Наибольшее распространение получают два типа оптических преобразователей:

1) твердотельные фоточувствительные матрицы - ПЗС-структуры, фотодиодные матрицы и другие;

2) телевизионные передающие трубки - видиконы, диссектеры, секоны. Информационные системы КИРС на основе телевизионных трубок имеют сравнительно большие габариты передающей камеры (минималь­ный диаметр ~40 мм, длина 100-200 мм), однако обладают большой пространственной разрешающей способностью и высокой чувствитель­ностью. Для уменьшения габаритов входного элемента датчика в зоне захватного устройства робота начинает находить применение волоконная оптика. Современные видиконы снабжены волоконно-оптическими пласти­нами на входе, что обеспечивает их стыковку со жгутами и с модульными усилителями яркости изображения. Твердотельные фоточувствительные матрицы наиболее перспективны дня применения в робототехнике и, в частности, в КИРС Дискретные матрицы позволяют квантовать изобра­жения на входе, обладают широким динамическим диапазоном (до 80 дБ), отличаются высокой помехозащищенностью, быстродействием, что обес­печивает хорошие информационные показатели , а также имеют малые габариты и массы.

Оптические системы позволяют производить анализ больших массивов измерительной информации, их первичную обработку и последующий ввод в мини-ЭВМ для распознавания, улучшения и сравнения изображений объек­тов внешней среды роботов, что необходимо для высококачественной работы КИРС.

Принцип анализа и преобразования изображения в числовой массив -последовательный (в телевизионных системах) или параллельный (в ко­герентно-оптических системах). Средства технического зрения КИРС содер­жат (рис. 4) источники освещения объекта манипулирования, опти­ческую систему формирования изображения и преобразования его в видео­сигнал, интерфейсное устройство стыковки с микропроцессором и далее с ЭВМ, монитор, выключатель блока детектирования. Оптические харак­теристики объектов измеряются посредством различных фотометрических устройств, использующих явления интерференции, дифракции, поляриза­ции, дисперсии света, а также нелинейные оптические эффекты, возникаю­щие в результате взаимодействия лазерного излучения с веществом. Для одномерных измерений применяются оптические линейки, для двумер­ных изображений — фотоматрицы, для объемных изображений - специаль­ные многослойные матрицы, две или три телекамеры или специально раз­рабатываемые голографические устройства.

Рис. 4

При измерении параметров движущихся объектов рекомендуется при­ менять синхронизацию изображения объекта с воспринимающей системой телекамеры при помощи стробоскопа или использовать механический зат­- вор в устройстве телекамеры. Система очувствления робота, в которой применяется устройство управ­ления механическим затвором телекамеры, содержит следующие блоки (рис.5): телекамеру 1, диск 2, шаговый двигатель 3, телевизионную трубку 4, объектив 5, источник освещенности б, датчик 8 наличия дета ли 7, частотный преобразователь 9, блок управления механическим затво­ром 10,, командное устройство 11, блок распознавания изображений 12, интерфейсное устройство 13 для связи с ЭВМ, управляющей роботом. Вращающийся с постоянной угловой скоростью диск с прорезями, укреп­ленный на валу шагового двигателя, располагается между телевизионной трубкой и объективом. При этом частота переключения механического затвора согласуется с внешней строчной разверткой телекамеры при фор­мировании изображений. Качество изображения эквивалентно качеству, получаемому посредством стробоскопического метода. Эффективный диаметр в системе "Фудзи электрик" составляет 15 мм, допустимое время движения изображения не более 2 мс, время перемещения механи­ческого затвора 420 мкс.

Рис. 5

Применение управляемого механического затво­ра значительно улучшает динамические свойства системы и в первую оче­редь — ее разрешающую способность. Так, при скорости движения под­вижного объекта, равной 500 мм/с, применение механического затвора повышает разрешающую способность в 10 раз.

Улучшение качества распознавания двумерных движущихся объектов достигается при использовании многооконной системы технического зрения с твердотельной телекамерой и с механическим затво­ром .

Широкие исследования ведутся по созданию трехмерных систем техни­ческого зрения. Известны действующие трехмерные систе­мы технического зрения на базе телекамер и ПЗС-матриц, соединенные технически и программно с устройствами управления промышленных ро­ботов. Эти системы предназначены для обеспечения технологи­ческих процессов сборки, сварки, автоматического контроля и взаимо­действия с подвижными транспортными средствами.

Она предназначена для определения расстояния до разных частей объекта и пер­вичной обработки изображения для передачи в управляющую ЭВМ робота. Система (рис. 6) состоит из многослойной матрицы 1 с фоточувстви­тельными элементами, специального осветительного устройства инфра­красного излучения 2, системы линз 3, 4. Свет, отраженный от освещенного участка 5 объекта 6, попадает через систему линз на матрицу 1, электрические сигналы с выходов которой поступают во встроенное микропроцессорное устройство обработки первичной информации. Встроенное микропроцес­сорное устройство включает: логический блок управления источниками инфракрасного излучения, преобразователи ввода данных с многослойной фотоматрицы, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор, устройство параллельного ввода данных в управляемую ЭВМ.

Рис. 6

Рассмотрим схемы и характеристики некоторых пневматических датчи­ков, предназначенных для использования в КИРС. Датчик следя­щего схвата, предназначен для организации коррекции движения руки ро­бота, в зависимости от изменения внешних условий контроля. Следящая рука КИРС (рис.7) имеет шарнирно связанные между собой звенья 1, систему приводов этих звеньев 2, схват 3 с диагностической головкой 4 (или инструментом), кронштейн 5, пневмодатчик 6, устройство управления 7. Пневмодатчик 6 крепится на кронштейне 5 и располагается над исследуемой поверхностью детали 8. В ходе технологического процесса пневмодатчик отслеживает положение обрабатываемой поверхности детали относительно диагностической головки или рабочего инструмента 4 и при отклонении от рабочего режима, например, при уходе с кромки или при изменении расстояния до поверхности обработки выдает пневматические сигналы на устройство управления 7 по двум независимым каналам. Устройство управления 7 преобразует пневматические сигналы, содержа­щие информацию о режиме обработки, и при необходимости вносит кор­рекцию, формируя управляющие сигналы и воздействуя на систему при­водов 2 манипулятора для компенсации отклонений посредством трех каналов, связанных с приводами звеньев руки манипулятора.

Рис. 7

Рис. 8

Пневматический датчик (рис. 8) имеет корпус 7, измерительные каналы 2, входные (3) и выходные (4) пневматические сопротивления, питающую емкость 5, струйные сопла 6, а также конструкцию регулирования межсопельного расстояния 7. Работа пневматического датчика про­исходит следующим образом. В питающую емкость 5 подается сжатый воздух, предварительно прошедший фильтр и стабилизатор давления. Проходя через входные пневматические сопротивления 3, воздух попадает в измерительные каналы 2, давление в которых зависит от положения струйных сопел 6 относительно поверхности обрабатываемой детали или иной задающей поверхности.

В режиме слежения за кромкой давление в измерительном канале с соп­лом, расположенным над поверхностью, будет соответствовать расстоянию до поверхности, а в канале с соплом, расположенным за кромкой, будет минимальным. При отклонении в ту или иную сторону давления в кана­лах будут соответственно изменяться. Точность позиционирования датчика в каждом конкретном случае зависит от межсопельного расстояния, кото­рое можно менять с помощью кронштейна 5 (см. рис. 7) при грубой настройке и с помощью конструкции регулирования межсопельного рас­стояния 7 при точной настройке. Давления в измерительных каналах 2 пере­даются через выходные пневматические сопротивления 4 на устройство управления, которое преобразует информационные пневматические сигна­лы управления приводами руки манипулятора. Наличие адаптивной системы управления рукой манипулятора с исполь­зованием пневматического датчика позволяет повысить точность обра­ботки и устранить брак из-за случайных отклонений формы заготовок, который, например, в процессе сварки достигает 4%.

На рис. 9 представлены экспериментальные характеристики двухсопельного датчика: зависимость выходного давления рвых
от расстояния до объекта s и давления питания pвых
. Как видно из графика, чувст­вительность возрастает с увеличе­нием давления питания, при этом увеличивается также дальнодейст­вие. Ограничением на величину давления питания являются допус­тимое значение расхода воздуха, а также необходимость нахождения в докритическом режиме истече­ния воздуха на выходе пневмати­ческих сопротивлений. Здесь dпит
, (dB
ых
— диаметры питающего и выходного сопел соответственно). На рис. 10 показана зависимость чувствительности первого капала датчика от режима работы второго канала. Характеристика S21
получена при синхронном измерении расстояний s от сопла датчика до контролируе­мой поверхности в обоих каналах. Характеристика S22
г отражает изменение информационного давления на выходе раых
в первом канале в зависимос­ти от расстояния s при нахождении второго сопла от контролируемой по­верхности на расстоянии, большем величины дальнодействия датчика, что соответствует режиму слежения за кромкой. Из характеристик видно, что в режиме слежения за кромкой чувствительность датчика на малых рас­стояниях ниже по сравнению с кривой для режима s = 0,1 — 0,4 мм.

Рис. 9

Рис. 10

В КИРС для исследования поверхностей сложной формы перспективно применение струйно-акустических преобразователей, представляющих со­бой резонаторы Гельмгольца со встроенными в его корпус капиллярами (рис. 11).

Рис. 11

Действие этих преобразователей основано на эффекте разру­шения ламинарной струи газа, протекающей через капилляры, когда давле­ние в полости резонатора превышает давление во входном сечении прием­ного капилляра.

Резонатор Гельмгольца, как известно , является многочастотной колебательной системой, низшая резонансная частота которой равна

Здесь R — радиус входной трубки резонатора, / - длина этой трубки, V -объем полости резонатора, ᵧ
=1, 4- показатель адиабаты воздуха,ри
, р0
соответственно давление и плотность окружающего воздуха, а - скорость распространения звука. Свободные колебания (частоты ω0
) воздуха в полости резонатора с учетом слабого затухания, обусловленною вязкостью газа в трубке, приближенно описываются уравнением

Здесь p(l, t) - избыточное давление газа в полости резонатора. µ- ею динамическая вязкость. Известно, что для вынужденных колебаний (с частотой ω0
) осциллятора выполняется приближенное равенство

где рвх
, рпоп
— амплитуды колебаний давления соответственно на входе и в полости резонатора. Гармонические колебания на входе резонатора воз­буждаются специальными излучателями, расположенными па исследуемой поверхности.

В показано, что избыточное давление ламинарной свободной и за­топленной струи, вытекающей из питающего капилляра Л",, на входе прием­ного капилляра К2
, равно

Здесь ξ — коэффициент сопротивления приемного капилляра (ξ = 0,5-0,7); Q — объемный расход воздуха, протекающего через питающий капилляр; n - число нагрузочных элементов, присоединенных к выходу приемного капилляра K1
; rL
- радиус капилляра K1
; r0
- радиус капилляра К2
; rн
-радиус нагрузочного капилляра; х - расстояние от входного сопла капил­ляра К1
до рассматриваемого сечения струи.

Если выполняется неравенство рпоп
≥ pL
, то происходит разрушение ламинарной струи, давление на выходе капилляра К2
падает, и датчик регистрирует наличие препятствия. С помощью основных параметров струйной цепи опре­деляются необходимые расчетные зависимости для пневматических чувст­вительных элементов КИРС, которые были рассмотрены в этом разделе (здесь ∆р — перепад давления на элементе цепи, F — площадь поперечно­го сечения, V - объем элемента, υ - кинематический коэффициент вяз­кости, υ = µ/р).

Контрольно-измерительные робототехнические системы с очувствленными схватами.

Датчики различных типов, в том числе пневматические, могут быть встроены в захватные устройства КИРС. Схват со встроенными Датчиками приобретает возможность выполнить контрольно-измерительные и диагнос­тические операции, в частности, дефектоскопии и неразрушающего конт­роля. Встроенные в захватные устройства пневматические датчики в основ­ном предназначены для измерения и контроля геометрических параметров объектов, а именно, диаметров цилиндрических заготовок, отклонений от номинальных размеров, толщин листового материала, для обнаружения и идентификации отверстий, определения класса чистоты поверхности и т.п.

Целесообразность оснащения промышленных роботов очувствленными схватами с пневматическими датчиками для выполнения контрольно-из­мерительных операций обусловливается не только сравнительной конструктивной простотой и надежностью этих устройств, но и тем, что в большин­стве роботов привод захватного устройства пневматический, в котором используется тот же источник энергии (сжатый воздух или газ), что и в датчике. В КИРС с очувствленными схватами измерительные операции отделены от транспортных, поэтому ошибки позиционирования не влияют на точность измерений.

Промышленные роботы могут быть использованы для решения задач поиска и определения размеров дефектов на поверхности, а также для идентификации мест сопряжения деталей при сборке.

При использовании пневматических измерителей наиболее универсаль­ным методом решения указанных задач является сканирование датчи­ка по поверхности в определенном режиме. На рис. 12 изображен пример одного из возможных режимов для поиска и определения размеров отвер­стия на поверхности. Схват манипулятора 1 с датчиком 2 начинает скани­рование от края поверхности 3 с заданным шагом //. Величина шага опре­деляется известными технологическими параметрами, например, наимень­шим возможным размером отверстия 4. При попадании на кромку отвер­стия датчик выдает сигнал на управляющее устройство робота для смены режима поиска, после чего сканирование продолжается по кромке отвер­стия с новым шагом h. В результате на вычислительное устройство посту­пает информация о параметрах идентифицируемого отверстия.

Рис. 12

Значение необходимого дальнодействия датчика сканирования опре­деляется классом точности робота и неровностями исследуемой поверх­ности и поэтому, как правило, должно достига

ть нескольких миллиметров. Для получения такого дальнодействия используются датчики со специаль­ными схемами.

На рис. 13 представлена схема датчика сканирования, который состоит из корпуса 1, корпуса со спиральными каналами 2, входного канала 3, пи­тающей емкости 4 и измерительного канала 5. Воздух, проходя входной канал, питающую емкость и спиральные каналы, образует устойчивую струю, которая, взаимодействуя с поверхностью 6, деформируется, и дав ление передается в измерительный ка­нал. На конечном участке рабочей зо­ны характеристики происходит эжектирование воздуха из измерительного канала, что расширяет диапазон изме­рений.

Рис. 13

На рис. 14 представлены харак­теристики датчика сканирования для двух вариантов конструктивного вы­полнения. Определяю­щими параметрами конструкции явля­ются диаметр D окружности, по кото­рой располагаются спиральные каналы, и размер сечения спиральных кана­лов В. С увеличением значений ука­занных параметров дальнодействие датчика увеличивается. Начальные участки характеристик нелинейны; поэтому в качестве рабочей зоны выбирают конечные участки, соответствующие верхнему пределу измере­ний, что определяет назначение датчика.

Рис. 14

Возможным вариантом использования описанного датчика может быть применение его в качестве сигнализатора для смены режимов перемеще­ния схвата на малых расстояниях от поверхности детали. При этом исполь­зуется неоднозначность зависимости расстояниям от измерительного давле­ния рвых
. Например, на характеристике 2 точка 2.1 может соответствовать началу рабочего движения схвата, а точка 2.2 -аварийному останову рабо­чего движения (рис. 14).

В технологических процессах с использованием КИРС целесообразно начинать выполнение некоторых операций только после получения сигнала о том, что деталь или соответствующий орган манипулятора находится в заданном положении. В таких случаях необходимо использование датчиков обнаружения, которые, в частности, могут представлять собой конечные выключатели. При смене операций часто требуется перестройка датчиков, что желательно выполнять с наименьшими затратами. Кроме того, такие датчики должны обладать достаточным дальнодействием, чтобы быть не­чувствительными, к случайным возмущениям контролируемого объекта, например при вибрациях, которые возникают при движении транспорт­ного манипулятора или при перемещении детали на контейнере.

Указанным требованиям удовлетворяет датчик обнаружения, схема которого представлена на рис. 15. Датчик состоит из основания 1, на ко­тором смонтированы фиксирующие подводы 2 с питающими соплами 3, а также приемное сопло 4. В зависимости от вида и формы контролируемо­го объекта выбирается рабочее расстояние обнаружения х, после чего пи­тающие сопла настраиваются с помощью фиксирующих подводов на угол а, при котором струя, отраженная от объекта, находящегося на расстоя­нии s, попадает в приемное сопло.

Рис. 15

На рис. 16 показаны зависимости давлении в приемном сопле от рас­стояния s. Чувствительность датчика можно повысить путем увеличения давления питания рпит
и диаметра питающих сопел, а также путем увеличе­ния количества питающих сопел. Увеличение угла а приводит к уменьшению рабочего расстояния. Наличие максимального давления в приемном сопле сигнализирует о нахождении объекта в требуемом положении.

Рис. 16

В современных промышленных роботах широко используются захваты в виде вакуумных присосов, однако известные датчики контроля работы указанных захватов не гарантируют надежной сигнализации о наличии де­тали в захвате, так как содержат механические толкатели, которые должны вступить во взаимодействие с деталью. Известные конструкции датчиков контроля ограничивают зону расположения присосов для взятия детали, а также накладывают ограничения на форму детали, так как в месте кон­такта датчика с деталью не должно быть отверстий и поверхностей, не пер­пендикулярных толкателю. Наличие механического контакта снижает ре­сурс датчика и его надежность, а также может привести к повреждению некоторых деталей.

На рис.17 приведена схема вакуумного захвата с датчиком контроля и безопасности технологического процесса, который позволяет устранить описанные недостатки известных конструкций.

Рис. 17

Устройство содержит канал подвода воздуха 1, эжектор 2, вакуумный канал 3, присосы 4 и датчик 5, состоящий из пневматической емкости 6, мембраны 7. жесткого центра 8, регулировочного винта 9, пружины 10, электрического переключателя 11. Устройство работает следующим обра­зом. При надежном контакте присосов 4 с поверхностью захватываемой детали в вакуумном канале 3 возникает разрежение. Так как емкость 6 датчика 5 связана с вакуумным каналом 3, то давления в них в каждый момент времени будут равны. При возникновении разрежения в пневма­тической емкости 6 мембрана 7 под воздействием атмосферного давления прогибается, и ее жесткий центр 8 перемещается в направлении электричес­кого переключателя 11. При достаточном разрежении, которое свидетельст­вует о наличии детали в захвате, жесткий центр 8 производит переключе­ние контактов электрического переключателя 11 и замыкание соответ­ствующей управляющей электрической цепи. Амплитуда перемещения центра 8, обеспечивающая переключение пени при взятии детали, устанавливается регулировочным винтом 9 посредством пружины 10 в зависимости от разрежения в вакуумном канале. Следует отметить, что предлагаемое устройство позволяет одним датчиком контролировать надежность удер­жания детали одновременно всеми присосами. Если хотя бы один из присосов неплотно захватит деталь или отойдет в процессе транспортировки, что может привести к выпадению детали из захвата и к нарушению техноло­гического цикла, то информация об этом поступит с датчика в управляю­щую цепь и позволит скорректировать технологический цикл.

Конструкция измерительного схвата, предусматривает возможность измерения размеров детали и определения их отклонения от номинала непосредственно в схвате робота, что позволяет значительно сократить время технологического процесса при контрольных операциях. Разрабо­танная конструкция предназначена для схватов широко используемых ро­ботов-манипуляторов, например, промышленного робота "Циклон".

На рис.18 представлены: измерительный схват 1 робота, в котором контрольная деталь, зажимается посредством шарнирно-рычажного механизма с приводом 2 профильными губками 6. Штриховой линией при­веден вариант профильных губок для контроля внутренних размеров дета­ли. Измерительный кронштейн 4 устанавливается и фиксируется в положе­нии, обеспечивающем рабочий зазор между соплом пневматического датчи­ка 3 и ограничителем 5, выполняющим роль заслонки. Так как кронштейн закреплен на неподвижном корпусе руки, при зажатии последующих дета­лей отклонения их размеров от номинального размера контрольной дета­ли влияют на положение ограничителя 5 относительно сопла датчика 3, закрепленного на кронштейне. Это позволяет получить соответствующий сигнал о размере детали на входе датчика.

Рис. 18

Конструкция датчика приведена на рис. 19. Датчик содержит корпус 1 сопло 2, входной дроссель 3 и сопло 4. Датчик подключается по схеме с замкнутой измерительной камерой, которая сообщается с пневматичес­ким преобразователем. Конструкция предусматривает возможность смены пневматических сопротивлений при подборе диаметров и точности конт­роля, а также при установке необходимой чувствительности измерений.

Рис. 19

На рис. 20 показана экспериментальная рабочая характеристика датчика. По оси ординат отсчитываются отклонения Д от номинального размера детали. Допуск в представленном случае составляет ± 0,1 мм, которому соответствует линейная часть рабочей характеристики датчика.' На оси абсцисс показаны значения давления в информационном канале датчика.

Рис. 20

Разработанное устройство обеспечивает точность до нескольких микрон и высокое быстродействие измерений, а также позволяет совместить вы­полнение контрольных и транспортных операций.

Контрольно-измерительные робототехнические системы на основе видео детектора и пневматического манипуляционного робота.

КИРС с применением видеодетектора и пневматического манипуля­ционного робота предназначены для идентификации и сортировки изделий по геометрическим признакам на основе информации о проекции детали. В качестве пневматических манипуляционных роботов могут использовать­ся роботы типа "Циклон", "Ритм" РФ.

Система содержит промышленный манипуляционный робот, видео­детектора с микропроцессором, интерфейсный блок связи с роботом, блок программного управления роботом (рис. 21). В эксперименталь­ной установке используется видеодетектор "Фуджи электрик", содержащий телекамеру, два монитора, блок логической обработки изображений на микропроцессорах Intel 8080. Для повышения точности и достоверности обработки изображений применяются 16-разрядные микропроцессоры на базе Intel 8086, Intel 8087 и др. Блок логической обработки с устройствами питания выполнен в виде стойки. Система может работать в двух режимах в полностью автоматическом режиме без оператора и в супервизорном режиме с корректировкой уп­равления оператором в соответствии с обобщенной схемой, приведенной на рис. 2 и содержащей два иерархических уровня управления. В составе робототехнического комплекса видеодетектор используется не только как собственно чувствительный элемент, но и как устройство, формирую­щее (в зависимости от изменения внешних условий) команды, изменяю­щие программу нижнего уровня иерархической системы управления. Ниж­ний уровень реализует выбранное программное движение.

Рис. 21

Работа системы (рис. 22) происходит следующим образом. Предва­рительно эталонный образец подносится манипулятором в зону действия телекамеры и определяются значения параметров, по которым будет вы­полняться контроль. Затем в память микропроцессора вводятся граничные значения параметров, по кото­рым должно контролироваться изделие. После этого манипуля­тор устанавливается в исходную позицию и включается автомати­ческий режим, при котором мо­гут быть реализованы заданные цикловые движения. Робот за­хватывает из подающего устрой­ства, например конвейера или бункера, подлежащее контролю изделие, подносит его в поле зрения телекамеры и останавли­вается на время, необходимое дня проведения операции контро­ля, которое составляет 200— 400 мс. Для остановки руки ро­бота используется "технологи­ческая команда", задаваемая с пульта управления или включен­ная в программу автоматическо­го режима. В момент остановки срабатывает синхронизирующее устройство и формируется ко­мандный сигнал запуска видеодетектора. В результате выпол­ненных измерений вырабатывает­ся сигнал на включение одного из двух индикаторов, отражающих

состояние изделия. В отбраковочном контроле это соответствует состоя­нию "годен" или "брак". При включении одного индикатора вырабатывает­ся сигнал на продолжение программы движения манипулятора, а включение другого индикатора ведет к изменению программы. В первом случае год­ные детали могут направляться на конвейер для проведения других техно­логических операций, а во втором случае попадают в специальный бункер для бракованных деталей.

Рис. 22

Таким образом, верхний уровень иерархии, который составляет ви­деодетектор с микропроцессорной обработкой первичной измерительной информации, принимает решение о выборе необходимой программы движения, а нижний уровень осуществляет требуемое программное движе­ние, управляя приводами робота. Структурная схема одного из разра­ботанных вариантов системы с применением робота "Циклон" и видеоде­тектора показана на рис.23.Система предназначена для разбраковки из­делий. Внешний вид установки изображен на рис. 24.

Рис. 23

Рис. 24

В системе может быть применен управляемый механический затвор , схема которого приведена на рис. 5. Использование управляемо­го затвора значительно улучшает динамические качества системы и прежде всего ее разрешающую способность. Так, при скорости движения изделия, равной 500 мм/с, применение механического затвора повышает разрешаю­щую способность не менее, чем в 10 раз.

Среднеквадратичная динамическая относительная погрешность состоит из следующих основных составляющих:

Здесь δ1
— приведенная погрешность телевизионного тракта, <δ2
- погреш­ность преобразования сигнала, δ3
- погрешность вычислительных алгорит­мов, δ4
- погрешность, возникающая в результате увеличения скорости движения изделия больше допустимой. В диапазоне малых скоростей (до ~ 0,5 м/с) разрешающая способность составляет не менее 100 линий на строку, δ4
= 0 и результирующая погрешность складывается из погрешнос­тей тракта, преобразования, вычислительных алгоритмов. При больших скоростях составляющая погрешности <δ4
значительно возрастает, и при скоростях движения деталей более 2,0 м/с система становится практически неработоспособной. Поэтому в подобных системах предусматривается ос­тановка движения детали на время от 200 до 400 мс, необходимое для про­ведения ai тематического контроля.

Вычисления основных параметров плоских фигур производятся в дина­мическом режиме и реальном масштабе времени. Площадь подсчитывается посредством суммирования площадей дискретных элементов изображе­ния, находящихся внутри заданного контура. Погрешность определяется числом элементов, находящихся на границе контура. Система определяет также периметр фигуры, ее длину и ширину, а также положение центра фи­гуры. Эти данные используются в КИРС для идентификации объекта и для ориентирования схвата робота при взятии этого объекта. Используя данные параметры, КИРС производит также идентификацию дефектов детали. Как правило, процесс контроля и отбраковки охватывает большое количество различных контрольных характеристик. В большинстве случаев необходимо дать общую оценку изделия. Применение КИРС позволяет выбрать несколько определяющих параметров, анализ которых дает воз­можность оценить качество изделия и вынести заключение о его соот­ветствии заданному стандарту.

Контрольно-измерительные робототехнические системы
для исследования поверхностей сложных форм.

КИРС, выполняющие функции обследования поверхностей сложных форм, могут измерять геометрические и механические параметры, чистоту поверхности, отклонение каких-либо ее характеристик от требуемых, а также находить трещины и другие дефекты. Различные особенности поверх­ностей устанавливаются посредством измерения диагностическими датчи­ками неоднородностей наводимых физических полей. Локационные датчи­ки КИРС при этом служат для ориентации системы диагностических датчи­ков, например, для расположения чувствительных элементов по нормали к исследуемой поверхности и для организации обратной связи в системе. Рассмотрим схему функционирования робота, обеспечивающего отсле­живание некоторой поверхности (рис. 25). Требуется поддерживать заданное расстояние схвата до поверхности по нормали и обеспечивать необходимую скорость движения. Сигналы, принимаемые от датчика, должны преобразовываться посредством матриц поворота, а затем посту­пать в устройство управления приводами. Датчики, расположенные в запястье руки робота, измеряют положение и скорость, после чего проис­ходи!' сравнение сигналов, соответствующих действительному и требуемо­му положениям руки.

Рис. 25

Датчики, расположенные в запястье руки робота, измеряют положение и скорость, после чего происходит сложение сигналов, соответствующих действительному и требуемому положению рук. Введем системы коорди­нат: неподвижную ()0
Х0
Y0
Z0
, связанную с основанием робота; подвижную O1
X1
F1
Z1
, связанную с датчиком; подвижную O2
X2
F2
Z2
, связанную с рассматриваемой точкой контролируемой поверхности. (Координатные оси Z0
,Z1
и Z2
перпендикулярны к плоскости чертежа.) Координатная ось Y1
совпадает с осью датчика (рис. 25а), ось Y2
нормальна к поверх­ности в рассматриваемой точке ат
. Пусть Ml
0
(t) и М22
(t) - матрицы поворота первой и второй подвижной систем координат относительно неподвижной системы, М12
(t) — матрица поворота второй подвижной системы относительно первой, а транспонированная матрица МT
21
= М12
определяет поворот датчика по отношению к участку отслеживаемой поверхности. Имеем М12
(t) =M10
(t)M20
(t).

Текущее положение рассматриваемой точки в системах координат O0
X0
Y0
и O2
Y2
Z2
соответствует координатам Х0д
, Y0
д
и Х2д
,Y2д
, а требуе­мое положение датчика в системах координат O0
X0
Y0
и О1
Х1
Y1
, опреде­ляется координатами Х0т
, Y0
t
и X0т
, Y0т
. Сигналы аг
и ад
(рис. 26) определяют соответственно положение рассматриваемой точки и конечного звена манипулятора в неподвижной системе координат. С помощью сигна­лов β1с
и β2с
формируются управляющие воздействия на приводные систе­мы, при этом- ∆∆βс
= βо — β2с, ∆ат
=
ат
-а­д
Сигналы а0д
определяют угловые координаты в шарнирах звеньев манипулятора. Сигнал ∆βс
может управлять приводом, встроенным непосредственно в шарнир руки мани­пулятора таким образом, чтобы произошло совпадение систем координат О1
Х1
Y1
, и 02
Х2
Y2
(рис. 25 б). В этом случае диагностическая головка будет ориентирована нормально к исследуемой поверхности. Условиями 'такого управления являются:

Β1с
= М01
(ат
— ад
); β2
c
=M12
βlc
.

Структурная схема КИРС, предназначенная для исследования сложной поверхности, предусматривает (рис.26) наличие датчиков, контроллера, преобразователя координат, устройства управления системой приводов. В работах указывается на опыт применения кодовых датчиков углов поворота двух звеньев робота, потенциометров и тахометров для определения линейных,угловых перемещений и скоростей третьего звена, четырех полупроводниковых преобразователей для измерения давления в цилиндрах. Измерение расстояний до поверхности производится посред­ством индуктивных датчиков или двумя потенциометрами по дифферен­циальной схеме.

Рис. 26

Применение КИРС позволяет производить измерения в большом числе точек подлежащего диагностике объекта. В частности, в работе приводится пример использования роботов для определения формы винтов кораблей. Отметчик Система содержит манипулятор с серво-приводими, обладающий четырьмя степе­нями свободы, лазерный измерительный детектор, два тактильных датчика для от­слеживания формы поверхности, а также устройство управления с мини-ЭВМ. Точность измерений составляет 0,1 мм. Степени свободы манипулятора КИРГ данного типа (рис. 27) включают пово­рот винта (ось вращения l), поступательное движение к оси l и в противоположном направлении (степень свободы 2), поступательные движения по верти­кали (степени свободы 3, 4), обеспечивающие перемещение диагнос­тических головок с тактильными датчиками.

Рис. 27

Лазерные датчики могут перемещаться в направлениях 2, 3. Привод каждой степени сво­боды - цифровой с шаговыми сервомоторами постоянного тока и усилителями мощности. Корректирующие воздействия выполняются с помощью управляющей ЭВМ. Применение лазерного детектора (рис. 28) обеспечивает измерение расстояний до поверхности винта. При вращении винта вокруг оси l происходит сканирование исследуемой поверхности лазерным лучом и прием отраженного сигнала приемником. В качестве тактильных датчиков применяются механоэлектрические щупы, установ­ленные непосредственно в сердечниках дифференциальных трансформа­торов.

Рис. 28

В КИРС (рис. 29), предназначенной для автоматизации процесса измерения профилей лопаток мощных турбин, а также для выполнения доводочной шлифовки с помощью технологического промышленного робо­та , использован новый способ измерения профилей сложной формы.

Рис. 29

Процесс измерения происходит последовательно в параллельных секущих плоскостях. Способ основан на анализе информации от двух датчиков расстояния, используемых для построения траектории движения робота. Измерение расстояния между инструментом и поверхностью происходит через определенные промежутки времени. На базе расчета информацион­ных оценок производится ориентирование положения датчика относительно поверхности в определенном направлении. Дальнейшее управление движе­нием производится с учетом обработки измерительной информации. Движение робота адаптируется к форме поверхности. Управление движением осуществляется в декартовой системе координат. Для формирования слож­ной криволинейной траектории перемещения производятся по нескольким координатам. Схват имеет два вращения: вокруг вертикальной оси (на угол а) и перпендикулярной ей продольной оси (на угол β). Расположение электромагнитных датчиков расстояния и результаты измерений приведены на рис. 30 В процессе ориентирования одного датчика (рис. 30а) выполняется его поворот на углы а и β. Расположение руки КИРС с двумя датчиками А и В относительно поверхности контролируемого изделия (рис. 30б,в) измеряется и в дальнейшем поддерживается постоянным с подачей корректирующего сигнала в систему управления. Окончание построения рабочего профиля (рис. 30г ) в фиксированных точках одной из секущих плоскостей (х,у) позволяет КИРС перейти к следующей секущей плоскости. Основные характеристики системы: поддержание расстояния от датчика или инструмента до поверхности по нормали от 3 до 10 мм, точность ± 0,5 мм, скорость до 50 мм/с.

Рис. 30

Список литературы.

1. Черноусько Ф.Л. и др. Манипуляционные роботы: динамика, управление, оптимизация. – М.: Наука, 1989.