книги / Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы
..pdfвых перемещений металлического объекта или его узлов, толщины покрытий или объекта, вибраций (смещений, скорости, ускорений) металлических объектов, механических напряжений в металличе ском объекте, а также для обнаружения металлических объектов, нарушений сплошности их материала и структуры материала.
В зависимости от формы объекта и решаемых задач используют вихретоковые преобразователи накладного или проходного и экран ного типов. Преобразователи накладного типа представляют собой катушки различной формы (круглой, квадратной или в виде си стемы вытянутых проводников), располагаемые вблизи металличе ского объекта и питаемые переменным током. Проходные преобра зователи выполняются в виде катушки, охватывающей объект. Их используют в основном для контроля объектов цилиндрической формы.
Зона действия преобразователя (расстояние от объекта) зависит от решаемой задачи. Если необходимо провести анализ объекта с большой чувствительностью и высокой локальностью (обнаружение мелких дефектов, измерение толщины стенки, толщины покрытий и т. д.), то эта-зона составляет не более нескольких сантиметров. При увеличении зоны до десятков сантиметров возрастают размеры преобразователя, и локальность контроля снижается.
Ниже приведены технические характеристики вихретоковых пре образователей, используемых при решении указанных выше прак тических задач.
Определение расстояний до металлических объектов и контроль
'неэлектропроводящих покрытий на электропроводящем основании осуществляются с помощью одинаковых по схемному и* конструктив ному решению накладных преобразователей, обеспечивающих ло
кальность измерений.
Преобразователи позволяют измерять расстояние до объектов с плоскими и криволинейными поверхностями. Минимальный ра диус кривизны составляет 8—10 мм. Погрешность измерения рас стояния зависит от шероховатости поверхности, стабильности элек тромагнитных параметров, ориентации преобразователя относительно объекта, а также ряда других факторов и составляет 3—10 %.
Рассматриваемые преобразователи обеспечивают также изме рение толщины электропроводящих покрытий на ферромагнитной основе. Погрешность измерения составляет 10—20% , диапазон измеряемых толщин данного покрытия 10“3—1 мм.
Отсутствие контактов и быстродействие вихретоковых преобра зователей позволяют использовать их для измерения зазоров, а также амплитуды и частоты вибраций. За счет применения преобразователей специальных конструкций и схем линеаризаций можно получить линейные зависимости выходных сигналов от зазоров. Малые раз меры и простота конструкции позволяют их использовать для изме рения зазоров и контроля вибраций в сложных промышленных агрегатах, что дает возможность создавать сравнительно простые системы определения технического состояния промышленных объ ектов.
72
Преобразователи обеспечивают измерение амплитуы вибраций
1—20• 103 |
мкм, частоты вибраций |
20—2(М0~3 Гц |
с погрешностью |
10 и 2 % |
соответственно. |
как правило, |
могут работать |
Вихретоковые преобразователи, |
при повышенных температурах и наличии агрессивных сред. Задача получения нормированного и линейного сигнала при
измерении перемещений в диапазоне ± (1,5 —80) мм решается с по мощью преобразователей специальной формы.
Для преобразователей, применяемых для решения перечисленных задач, общими являются следующие данные: потребляемая мощ ность 10—100 мВт; масса преобразователей до 0,975 кг; диапазон рабочих температур от —50 до +150 °С.
Электромагнитные преобразователи применяют для обнаружения несплошности материала изделий. Конструкции и размеры преоб разователей зависят от формы изделия, способа его сканирования и требуемой чувствительности. Чувствительность современных вихре токовых преобразователей с минимальным диаметром 1 мм характе ризуется следующими размерами минимального дефекта: глубина 0,1—0,2 мм, длина 1 мм, ширина у выхода на поверхность 0,01 мм. Зазор между преобразователем и поверхностью изделия при этом должен быть не более 1,0—1,5 мм. При увеличении зазора и других размеров преобразователя соответственно падает его чувствитель ность.
Вихретоковые преобразователи применяют для обнаружения поверхностных дефектов, но с их помощью могут быть выявлены и дефекты, находящиеся в зоне проникновения вихревых токов.
Вихретоковые преобразователи широко используют для обна ружения металлических объектов в полевых и стационарных усло виях. В зависимости от расстояний до объекта и его размеров при меняют преобразователи различной формы с размерами от квадрат ных сантиметров до квадратных метров. При этом удается надежно обнаруживать металлические предметы с размерами в 1 % размеров преобразователя на расстоянии, примерно равном половине линей ного размера преобразователя. Для работы с вихретоковыми пре образователями используются гармонические и импульсные поля.
Применяя различные системы ориентации и сканирования, можно создавать устройства для распознавания формы объекта, а учитывая возможность измерения электрофизических параметров материала, можно также обеспечить селективное определение металлических объектов в зависимости от их материала: отличать бронзовые изде лия от алюминиевых, стальных и т. п. Наиболее перспективно при менение электромагнитных преобразователей для определения дета лей или однотипных узлов из стали той или иной марки, особенно в условиях массового производства и на сборочных операциях.
Эффективное применение электромагнитные преобразователи нашли в роботизированном сварочном производстве, так как они имеют хорошее быстродействие, высокую чувствительность и точ ность измерений и надежно работают при воздействии мешающих факторов — повышенной температуре, интенсивном световом излуче-
73
ниц, загрязненности воздуха п поверхности свариваемых детален, при наличии флюса и брызг расплавленного металла. В сварочных роботах и автоматах электромагнитные преобразователи используют для измерения отклонении сварочной головки от свариваемого шва. В основном применяются преобразователи двух типов — для работы с угловыми соединениями и для работы со стыковыми соединениями. Для работы с угловыми соединениями используют, как правило, двухканальные преобразователи, с помощью которых измеряют рас стояния от сварочной головки до стенок каждой из свариваемых деталей.
В ГДР разработаны двухканальные электромагнитные преобра зователи с диапазоном измерения расстояния 2—8 мм и номиналь ным зазором 6 мм — для стальных деталей, 4 мм — для алюминие вых п 3 мм — для медных деталей.
В СССР созданы преобразователи, имеющие следующие техниче ские характеристики: частота тока питания 1 МГц; диапазон изме
рения |
расстояний |
+ 3 мм; номинальный |
зазор |
5 |
мм; |
погрешность |
измерения ± 5 %; |
быстродействие — не |
более |
0,1 |
мс; |
чувствитель |
|
ность |
1 В/мм. |
|
|
|
|
|
Для работы со стыковыми соединениями предназначены электро магнитные преобразователи, измеряющие отклонение разделки сва риваемого шва от траектории движения горелки в плоскости сва риваемых деталей, в которых исключено влияние изменений пре вышения кромок свариваемых деталей. Эти преобразователи имеют следующие технические характеристики: частота питающего тока
50—200 кГц; предел |
измерений ± 5 |
мм; погрешность измерений |
± 5 °о; быстродействие |
— не более 1 мс; чувствительность 0,5 В/мм. |
|
Электромагнитные |
преобразователи |
могут быть использованы |
в системе управления сварочного робота в двух режимах; обучения, когда система управления с помощью преобразователей определяет и запоминает для последующей сварки траекторию разделки сва риваемого шва, и в режиме активного контроля положения свароч ной горелки относительно разделки в процессе сварки.
Принцип действия радиоволновых датчиков основан на взаимо действии электромагнитного поля в диапазоне длин волн 1—100 мм с объектом и преобразовании его параметров в электрический сигнал. Измеряемыми параметрами являются интенсивность радповолнового
.излучения, амплитуда, фаза, частота, поляризация колебаний, время прохождения радповолнового импульса, пространственно геометрические параметры радиолуча, спектр излучения. Указанные параметры радиоизлучения в результате его взаимодействия с объек том претерпевают изменения, являющиеся источником информации о наличии объекта и его свойствах. С помощью радиоволновых лока ционных датчиков можно измерять геометрические параметры объ екта, расстояние до объекта, а также его пространственно-динами ческие характеристики.
Указанные параметры объектов определяют через измеряемые параметры радповолнового излучения, поэтому в качестве методов преобразования пспользуклся амнлтудные, фазовые, амплитудно-
74
3 .5 . Р а д и а ц и о н н ы е л о к а ц и о н н ы е д а т ч и к и
Для измерения ряда физических величин успешно применяют ионизирующие излучения, используя общие закономерности, свя зывающие изменения характеристик радиационного поля, создавае мого источником излучения. Эти характеристики (например, интен сивность потока частиц) измеряют детектором излучения. В качестве детекторов используют комбинации сцинтиллирующий кристалл — фотоэлектронный умножитель, полупроводниковые структуры, иони зационные камеры. Как правило, детектор необходимо экранировать или коллимировать. Однако, поскольку экран или коллиматор из готовляют из тяжелых материалов, то размеры и масса устройства увеличены.
Локационные радиационные датчики для измерения расстояний делят на две группы: 1) устройства, основанные на измерении ин
тенсивности пучка прямого |
излучения; 2) |
устройства, основанные |
на измерении интенсивности |
рассеянного |
излучения. |
В устройствах первой группы источник излучения связан с объ |
ектом, расстояние до которого измеряется, а детектор находится в месте измерения. При постоянстве характеристик среды между источником излучения и детектором показания детектора зависят только от расстояния. При малых измеряемых расстояниях точность измерения невелика вследствие влияния неучитываемых геометри ческих факторов.
Характеристики метода: измеряемые расстояния 10—100 м; погрешность 2—3 %; время измерения малых расстояний составляет 0,1 с, а больших — зависит от активности источника. Значения линейных перемещений и скоростей вычисляют по результатам из мерений расстояний.
Недостатки метода: большие размеры и масса аппаратуры вслед ствие необходимости вводить биологическую и антифоновую защиту; необходимость установки источника излучения на объект, скорость которого измеряется; нелинейность показаний детектора, требующая математической обработки результатов измерений.
С помощью устройств второй группы измеряют характеристики рассеянного излучения. В этом случае детектор и источник излуче ния расположены, как правило, рядом с одной стороны объекта.
Характеристики метода следующие: измеряемые расстояния 0,1 — 10 м, погрешность измерения 2 ~ 3 %; для расстояний 2,5—3 м погрешность составляет 0,5—1 %. Значения скоростей и перемеще ний вычисляют по результатам измерений расстояний.
Недостатки метода: сильная нелинейность измерительной харак теристики, влияние формы объекта на результаты измерения, невоспроизводимость результатов для объектов, размеры которых меньше размеров сечения пучка излучения.
Осуществлять измерения можно, используя импульсные источ ники излучения. В этом случае измеряют временные интервалы между двумя импульсами. Известны два метода импульсных измере ний расстояний. При первом методе измеряют время прохождения
76
импульса от источника до отражающей поверхности и затем к детек тору, который находится рядом с источником, при втором — ис пользуют принцип «запрос — ответ». На одном объекте устанавли вают детектор и импульсный источник излучения, посылающий импульс «запрос». На втором объекте импульс «запрос» регистри руется детектором, который включает импульсный источник, гене рирующий ответный импульс. Расстояние определяется по времени прохождения туда и обратно. Быстродействие зависит от скорости и работы затворов. На малых расстояниях повышение точности достигается при использовании импульсных источников рентгенов ского излучения.
Характеристики метода: измеряемые расстояния 0 —100 м; по грешность измерения в диапазоне 0—15 м составляет 1 % и в диапа зоне 15—100 м — 1,5 %.
Для измерения расстояний и скоростей используют у-резонанс- ный метод. Эффект Мессбауэра может быть применен и для измерения малых скоростей (<0,3 м/с) с очень высокой точностью. Сущность метода заключается в следующем. Если перед источником у-квантов расположить тонкий поглотитель с энергетическими уровнями воз буждения, аналогичными уровням вещества источника, то в погло тителе будет наблюдаться резонансное поглощение у-квантов. Если относительная скорость поглотителя и источника не равна нулю, то вследствие доплеровского смещения частоты резонанс не будет наблюдаться, и поглощение резко уменьшится. Обрабатывая показа ния детектора, можно получить значения скорости и расстояния
между |
источником |
и поглотителем. |
расстояния 0 —30 м; |
изме |
Характеристики |
метода: измеряемые |
|||
ряемые |
скорости |
10~б—0,3 м/с; погрешность измерений |
1 %; |
|
чувствительность 10“4 м/с. |
газа можно использовать |
|||
При |
известном |
химическом составе |
обратнорассеянное излучение для измерения плотности газовой среды. Погрешность измерений в этом случае составляет около 10 %. Источник и детектор располагают в одном месте, и требуется усиленная антифоновая защита, что значительно увеличивает массу и размеры устройства.
Плотность твердой фазы обычно определяют методом измерения рассеянного излучения с помощью прибора, состоящего из источника у-излучения и детектора, разделенных экраном, поглощающим прямое излучение. Метод применяют для измерения тонких поверх ностных слоев толщиной от 5 до 15 см. На единичное измерение требуется 0,5—5 мин. Погрешность измерения плотности 1—30 % при проведении предварительной градуировки.
Во всех описанных выше случаях в качестве детекторов служат сцинтилляционные детекторы, полупроводниковые детекторы или газоразрядные счетчики. Широкая номенклатура таких устройств вместе с сопутствующим оборудованием выпускается отечественной промышленностью.
7 7
3 .6 . П н е в м а т и ч е с к и е л о к а ц и о н н ы е д а т ч и к и
Пневматические (струйные) системы очувствления используются для анализа как внешней, так и внутренней информации промыш ленных роботов. В современной робототехнике на основе методов пневмоавтоматики и с помощью датчиков очувствления измеряются такие физические параметры, как линейное и угловое перемещения, расстояние (линейные размеры и наличие деталей), скорость, ускоре ние, усилие, температура, давление.
При разработке рассматриваемых датчиков находят применение следующие типы пневматических преобразователей: сопло-заслонка пневмомеханического типа, струйный дискретный (кодовый с систе мой сопл и кодовым Диском на восемь двоичных разрезов), струйный частотный, пневмоакустический.
Имеется несколько отечественных и ряд зарубежных разработок пневматических систем очувствления промышленных роботов, в ко торых развит опыт применения этих систем в захватах роботов, в кинематических парах, в движущихся приводных устройствах, а также в технологическом оборудовании робототехнологических комплексов (например, в матрицах пресс-форм для штамповки при обслуживании прессов промышленными роботами).
Разработаны типовые схемы контроля с использованием гидро газодинамических принципов, обеспечивающие измерение указанных параметров робототехнических систем.
В системах очувствления промышленных роботов находят при менение такие гидрогазодинамические эффекты, как прерывание струи, турбулизация ламинарной струи, прикрытие вытекающей турбулентной струи, преодоление заданного усилия или давления, изменение частоты струйного генератора колебаний в зависимости от измеряемой температуры, обработка импульсов в частотной си стеме прерываний струи. Измерения проводятся по дифференциаль ной компенсационной схеме.
С помощью пневматических систем очувствления промышленных роботов можно определить следующие параметры:
линейное перемещение в ближней рабочей зоне (ближняя лока ция) в диапазоне 0 —4 мм; минимальная погрешность 0,5 %; макси мальная погрешность 3 %; быстродействие 1 мс; максимальная чувствительность 200 Па/мкм;
признак наличия детали — диапазон расстояний 0—20 мм (пнев моакустический метод обеспечивает расширение диапазона до 1 м); максимальная погрешность 8 %; минимальная погрешность 2 %; быстродействие 2 мс; максимальная чувствительность 200 Па/мкм; усилие в диапазоне 0,1—10 Н; 1—100 Н; погрешность 5 %;
быстродействие 0,2 с; температуру в интервале 10—800 °С; погрешность 5 —10%,
чувствительность 10 °С; быстродействие 20—30 с; давление в диапазоне 0—10 МПа; погрешность 2—5 %; быстро
действие 0,2—1 с; чувствительность 0,1 МПа. Преимуществами пневматических датчиков являются малые размеры и масса, повы-
78
Страна
Япония
Япония
Швеция
ФРГ
СССР
США
США
|
|
|
Т а б л и ц а 3.1 |
Функционалы* ое |
Тип |
Б ыстродеи - |
Габаритные |
назначен ие |
преобразователя |
ствке, с |
размеры, мм |
Датчик в захвате, |
Струйный |
эла |
||
пальцевый |
за |
стичный надув |
||
хват с |
равно |
ной |
|
|
мерным |
давле |
|
|
|
нием |
|
|
Вакуумный силь |
|
Очувствленный |
|
|||
пневмозахват |
|
фонный датчик |
||
Пневмозахват |
|
силы |
|
|
|
Пневмомеханиче |
|||
Датчик |
наличия |
ский |
пере |
|
Струйный |
||||
объекта |
|
|
ключатель; |
|
|
|
|
пневмомехани |
|
Датчик |
наличия |
ческий |
турбу |
|
Струйный |
||||
объекта |
наличия |
лентный |
|
|
Датчик |
Вакуумный |
|||
объекта |
|
за |
струйный |
|
Адаптивный |
Вакуумный пнев |
|||
хват |
|
|
момеханиче |
|
|
|
|
ский |
само- |
|
|
|
ориентирую- |
|
|
|
|
щийся |
|
0,1 -0 ,5 |
3X4 |
|
|
|
0,02 |
|
|
|
0,1 |
Размер |
захвата |
|
СП |
30X80 |
|
|
5X8 |
|
|
о т о о |
|
||
О |
р |
— |
|
|
Т |
|
|
0,09—0,1 |
— |
|
|
р |
т о о СЛ |
Матрица |
4X5, |
|
|
оперирует с объ |
|
|
|
ектами, |
имею |
|
|
щими в |
плане |
|
|
размер до 70 мм |
шенная надежность, простота конструкции и технологии изготовле ния, работа без искажений в средах с повышенным уровнем электро магнитных и иных помех (например, сварка и др.), возможность нормально функционировать во взрывоопасных, непрозрачных и с повышенной радиацией зонах, а также в условиях повышенных вибраций, при ударных нагрузках и в других экстремальных усло виях. Пневматические системы безотказно работают и в обычных условиях машинообрабатывающих цехов заводов.
К недостаткам пневматических систем очувствления следует огнесгй ограниченные диапазон дальности действия и функциональ ные возможности (например, невозможность обеспечения техниче ского зрения, распознавания формы, цвета объемных деталей и т. п.), недостаточное в ряде случаев быстродействие, большие размеры источников питания по сравнению с источниками питания других систем очувствления. Быстродействие пневматических систем огра ничивается скоростью звука в данной среде (для воздуха — 330 м/с).
Данные, характеризующие практическое применение пневмати ческих систем очувствления в промышленных роботах, раз работанных в СССР и в зарубежных странах, представлены
н |
табл. 3.1. |
|
|
Пневматические (струйные) локационные датчики применяют, |
|
нацример, для защиты инструмента и оборудования |
от поломок, |
|
в |
комплексах для выполнения операций холодной штамповки. |
|
Представляет интерес захват промышленного робота |
со струйными |
79
датчиками очувствления, в котором одновременно осуществляется измерение диаметра заготовки. Струйные элементы выполняют функ ции регистрации объекта в захвате по двум координатам, его ориен тации в захвате, а также формирования управляющих воздействий на зажим захвата.
Исходя из функциональных возможностей, преимуществ и не достатков пневматических систем очувствления можно определить следующие рациональные области их применения:
впромышленных роботах с пневматическим приводом для целей определения наличия объектов, измерения расстояний, малых пере мещений;
вроботах, используемых в экстремальных условиях (взрыво опасные среды, повышенные температуры, радиация, электромагнит ные помехи и т. п.), для целей получения максимальной
информации по совокупности основных параметров; в «очувствленных» захватах роботов, независимо от типа при
водных механизмов.
Гл а в а СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
4
4.1. Основные принципы и способы построения систем технического зрения
Среди систем адаптации роботов наибольшей информатив ной емкостью обладают системы технического зрения, сообщающие роботу информацию о свойствах объекта и среды манипулирования посредством преобразования, анализа и обработки видеоинформации с помощью ЭЕШ.
Видеодатчики СТЗ. Приемниками и первичными преобразовате лями видеоинформации в СТЗ служат как телевизионные камеры промышленного телевидения на основе вакуумных трубок типа видикон, так и различные твердотельные преобразователи, напри мер, ПЗС-камеры (на основе приборов с зарядовой связью), а также ПЗС-линейки, фотоматричные преобразователи, диссекторы и т. п.
Телевизионные системы на базе вакуумных |
приборов работают |
в полном телевизионном формате и имеют до |
106 бит информации |
в одном кадре. Такие системы имеют низкое |
быстродействие, что |
обусловлено последовательным способом передачи видеосигнала, и при использовании их в робототехнических устройствах обычно необходимы меры по снижению информативной емкости обрабаты ваемой видеоинформации.
Системы на базе фотодиодных матриц обладают большим быстро действием за счет параллельного способа считывания информации с элементов матрицы (время считывания одной строки около 0,2 мкс). Однако разрешение таких систем ограничено числом элементов Дискретизации порядка 4096.
Системы на основе ПЗС-камер характеризуются меньшими габа ритными размерами по сравнению с другими видами СТЗ, большим быстродействием по сравнению с телевизионными камерами на видиконах, большим количеством элементов дискретизации по сравнению с фотоматричными СТЗ, однако обладают и недостат ком — ограниченным динамическим диапазоном преобразования свет — сигнал.
Видеодатчик в СТЗ может быть закреплен на захвате робота, а может находиться в фиксированном положении. В измерительных роботах, как правило, видеодатчик расположен на захвате.
Основные функции СТЗ. С помощью СТЗ осуществляется обна ружение, распознавание или идентификация объектов, определение их местоположения и координат. По выполняемым функциям СТЗ бывают трех типов: распознающие, обзорно-информационные и
81