книги / Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы

а также при наличии химического загрязнения среды или повышен­ ного уровня радиации в помеще­ ниях, где эксплуатируется промыш­ ленный робот.

Для непосредственного измерения упругих деформаций могут быть использованы пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на измерении заряда, пропорционального внутренним механическим напряжениям растяжения-сжатия или сдвига, вызван­ ным действующей силой. Типичные датчики силы представляют собой кварцевые или пьезокерамические шайбы, установленные соосно в цилиндрическом корпусе (рис. 2.2). Преимуществами пьезо­ электрических преобразователей являются их малые размеры и масса. Однако существуют технологические трудности изготовления кварцевых чувствительных элементов на нагрузки менее 10 Н, когда диаметр шайб должен быть очень мал.

Основной недостаток пьезоэлектрических чувствительных элехментов проявляется в эффекте стекания заряда. Это приводит к тому, что при типичных значениях емкости датчика 10 пф и суммарном сопротивлении утечки 1013 Ом нижняя граница частоты для динами­ ческих измерений составляет приблизительно 2 -КГ4 Гц, так как общая постоянная времени датчика достигает 103 с. Однако при еди­ ничном скачкообразном входном силовом воздействии уже через 1 с появится погрешность в КГ3 из-за стекания заряда.

Использование прямого пьезоэффекта обеспечивает в полной мере измерение только динамических и квазистатических сил. По­ этому пьезоэлектрические датчики подобного типа целесообразно использовать в тактильных системах, которые регистрируют факт наличия касания и мгновенное значение контактной силы, а также в силомоментных системах, предназначенных для измерения дина­ мических сил.

Новые перспективы в конструировании силоизмерительных чув­ ствительных элементов тактильных и силомоментных датчиков от­ крывает использование пьезоэлектрического трансформаторного датчика, коэффициент передачи которого зависит от действующей на него статической силы. Сохраняя все основные достоинства пьезо­ электрических датчиков силы: высокую жесткость, низкую чувстви­ тельность к изменениям температуры и малые размеры, пьезоэлек­ трический трансформатор позволяет осуществлять измерение ста­ тических сил (рис. 2.3).

Датчик состоит из пьезоэлектрического трансформатора, пред­ ставляющего собой пьезоэлемент с двумя парами электродов, к од­ ной из которых подключен генератор электрических колебаний, а другая соединена с измерительной цепью. Пьезоэлемент помещен между демпфирующими прокладками. Измеряемое усилие пере­ дается на пьезоэлемент посредством силовводящего элемента

32

A s

4

Рис. 2.3. Пьезоэлектрический трансформаторный датчик:

а — схема; б — вариант конструктивного оформления: 1 ,3 — демпфирующие прокладки; 2 — пьезоэлектрический трансформатор; 4 — силовводящнй элемент в виде стального ша­ рика; 5 — снлораспределителн; 6 — корпус

в виде стального шарика и силораспределителя конической формы. Чувствительность пьезоэлектрических преобразователей стати­ ческих сил с демпфирующими прокладками зависит от свойств мате­ риала и размеров пьезоэлемента. Устройства с серийно выпускае­ мыми пьезокерамическими дисками из материала ЦТС-19 имеют кру­

тизну преобразования 1—5 В/Н.

Для повышения чувствительности датчика пьезоэлектрические трансформаторы объединяют в составные устройства, в которых не­ сколько пьезокерамических дисков располагаются соосно (рис. 2.4). Между пьезоэлектрическими трансформаторами помещают демпфи­ рующие прокладки, изолирующие их один от другого электрически и акустически. Выходные сигналы первого элемента усиливаются и подаются в виде напряжения возбуждения на следующий элемент. Таким образом, в данном преобразователе каждый пьезоэлектриче­ ский трансформатор, начиная со второго, возбуждается напряже­ нием, пропорциональным приложенному усилию. Чувствительность составного пьезоэлектрического трансформатора находится в сте­ пенной зависимости от числа его элементов.

Чувствительность пьезоэлектрических преобразователей стати­ ческих усилий с демпфирующими прокладками зависит также от места приложения усилия. Чем ближе к центру диска находится демпфируемая область, тем ниже чувствительность преобразователя. Это объясняется тем, что при возбуждении на резонансной частоте радиальной моды колебаний амплитуда смещений имеет максималь­ ное значение по периметру и равна нулю в центре диска.

Основная конструктивная особенность пьезоэлектрических транс­ форматорных датчиков статических сил заключается в том, что их характеристики в значительной мере определяются свойствами вы­ бранного материала демпфирующих прокладок и качеством обра­ ботки контактирующих поверхностей. Крутизна преобразования

стали.

Диапазон измерения статических и динамических сил пьезоэлек­ трических трансформаторных датчиков определяется главным обра­ зом размерами пьезорезонатора. На основе серийно выпускаемых дисковых пьезорезонаторов могут быть сконструированы пьезо­ преобразователи, чувствительные к статическим силам с верхним пределом измерения до 103 Н.

Пьезоэлектрические кварцевые и керамические датчики с изме­ рением заряда находят применение прежде всего при определении квазистатических сил при высоких температурах внешней среды и малых объемах для размещения датчика на роботе. Значительные трудности возникают при использовании таких датчиков для изме­ рений при повышенной влажности окружающей среды.

Пьезокерамические трансформаторные датчики в силу их высо­ кой чувствительности и малых размеров целесообразно использо­ вать при конструировании пропорциональных тактильных матриц.

Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных материа­ лов под действием механических напряжений также может найти применение при конструировании силомоментных датчиков. При­ мер датчика с магнитоупругим чувствительным элементом приведен на рис. 2.5. В механически ненапряженном состоянии обмотка воз­ буждения датчика создает магнитное поле, вектор индукции которого направлен под углом 45° к вектору действующей силы. При механи­ ческой нагрузке магнитное поле деформируется, причем вектор маг­ нитной индукции изменяет свое направление, вследствие чего на вто­ ричной обмотке датчика возникает напряжение, пропорциональное действующей силе. Большим преимуществом магнитоупругих дат­ чиков со скрещенными обмотками является возможность их исполь­ зования в экстремальных средах при высоких давлениях, влажности и повышенной радиации, когда требуется высокая надежность и не слишком высокая точность. Магнитоупругие датчики могут быть использованы при нагрузках 103 Н и больше.

Для измерения малых перемещений упругих элементов при кон­ струировании тактильных и силомоментных систем очувствления находят применение различные электромагнитные, емкостные и оп­ тические чувствительные элементы.

Электромагнитные преобразователи — это простые и надежные устройства, которые позволяют использовать простые усилительные схемы. Частота тока питания может быть 50 или 400 Гц, что обеспе­ чивает получение большой мощности выходного сигнала датчика. Электромагнитные преобразователи легко собираются и регули-

34

Рис. 2.5. Магнитоупругий датчик со скрещенными обмотками:

1 -- чувствительный элемент; 2 — катушка воз­ буждения; 3 — измерительная катушка

руются, не имеют трения и отлича­ ются крайне малой противодейству­ ющей силой. Однако у них сравни­ тельно большой измерительный ход, и они не могут быть использованы в силомоментных и тактильных дат­ чиках, обладающих высокой жестко­ стью. За счет нелинейности электри­ ческой характеристики погрешность

электромагнитных преобразователей существенно выше, чем погрешность тензорезисторных преобразователей.

Емкостные преобразователи силы, как правило, используют для измерения зазора между обкладками конденсатора. Они имеют отно­ сительно малые размеры и характеризуются пренебрежимо малыми силами трения и противодействия. Основными недостатками емкост­ ных преобразователей являются необходимость применения высо­ ких несущих частот и их повышенная чувствительность к воздейст­ вию диэлектрических веществ (воды, масла).

Принцип действия существующих оптических измерителей пере­ мещения основан на модуляции светового потока, падающего на фоточувствительную поверхность приемника, с помощью непрозрач­ ной заслонки, связанной с упругим элементом датчика силы. В ка­ честве чувствительных элементов и источника света в большинстве случаев используют светодиод-фотодиод.

Недостатки таких простейших оптических преобразователей свя­ заны с большой нелинейностью характеристик, малым сроком службы и повышенной чувствительностью к воздействию различных загряз­ няющих веществ. В силу указанных недостатков оптические датчики нашли ограниченнее применение для построения тактильных и сило­ моментных систем очувствления роботов.

2.2. Многокомпонентные датчики силомоментного очувствления

Кроме высокой надежности, точности, большого ресурса датчики силомоментного очувствления должны иметь следующие показатели:

малую массу и небольшие габаритные размеры, так как они уста­ навливаются непосредственно в губках захвата или в кисти робота; большую жесткость, что необходимо для обеспечения высокой собственной резонансной частоты и снижения влияния упругих

деформаций датчика на точность позиционирования захвата; минимальный уровень перекрестных связей между каналами из­

мерения различных компонент вектора сил и моментов; высокую линейность и малый гистерезис;

35

число измеряемых проекции вектора сил и моментов должно обес­ печивать эффективное выполнение роботом данной технологической операции.

Нельзя рассматривать характеристики датчика и не учитывать при этом параметры системы управления робота, для которого этот датчик проектируется. Например, требование высокой жесткости датчика значительно ограничивает выбор чувствительных устройств для преобразования приложенных сил в электрический сигнал. Кро­ ме того, высокая жесткость датчика требует чрезвычайно большого быстродействия приводов манипулятора, поскольку при столкнове­ нии захвата, движущегося даже с небольшой скоростью, с объектом манипулирования скорость нарастания силы или момента может оказаться выше предельных динамических характеристик приводов, при этом либо датчик, либо манипулятор могут быть выведены из строя.

Аналогичные рассуждения можно привести по поводу требова­ ния высокой линейности измерения, так как во многих системах управления робота исходный аналоговый сигнал силомоментного датчика преобразуется в цифровой сигнал с ограниченным числом уровней квантования. В ряде сборочных промышленных роботов используются силомоментные датчики, обеспечивающие релейный характер измерений каждой проекции силового вектора. В конкрет­ ных применениях необходимо анализировать соответствие силомоментной системы очувствления параметрам робота, на котором она устанавливается.

Силомоментные датчики разделяют по двум признакам: способу преобразования измеряемого силового воздействия в электрический сигнал и по принципу выделения требуемых проекций вектора сил и моментов.

Первый классификационный признак основан на том, ч т о б сущест­ вующих силомоментных датчиках используют либо чувствительные элементы, измеряющие упругую деформацию, либо чувствительные элементы, регистрирующие перемещения калиброванных пружин датчика.

Классификация по принципу выделения измеряемых проекций вектора сил и моментов отражает подход к проектированию силомо­ ментных датчиков очувствления. Можно максимально упростить конструкцию механической части датчика, однако это, как правило, влечет за собой усложнение электронного блока выделения проек­ ций вектора сил и моментов относительно связанной с ним системы координат. С другой стороны, создают конструкции, в которых вы­ деление компонент силового вектора осуществляется непосредст­ венно в механической части датчика за счет соответствующего про­ странственного расположения упругих элементов.

Рациональным является поиск компромиссного пути разработки конструкций силомоментного датчика, оптимальной с точки зрения простоты выделения проекций вектора сил и моментов и допускаю­ щей размещение электронных блоков датчика внутри его механиче­ ской части.

36

Рис. 2.6. ШестикомпоиентныА датчик сил и мо­ ментов;

1 — присоединительные фланцы; 2 — упругие эле­ менты с фольговыми тензорезисторами; 3 — тензорезнстор для измерения деформации сдвига; 4 — хензорезистор, регистрирующий изгибные дефор­ мации и деформации растяжеиия-сжатия

2 .6). На внутренней стороне упру­ гих элементов наклеены фольговые

тензорезисторы 4 , чувствительные к деформации растяжениясжатия, а на внешней — фольговые тензорезисторы 3 , чувствитель­ ные к сдвиговой деформации. Три пары тензорезиеторов обеспечи­ вают измерение всех деформаций, возникающих в упругих элемен­ тах под действием произвольно направленных сил или моментов, при­ ложенных к одному из фланцев датчика.

Особенность рассматриваемого датчика заключается в том, что юн предназначен для измерения всех шести проекций силового век­ тора и не может быть использован для определения другого желае­ мого числа компонент без измерения остальных, поскольку в каждом тензоэлементе, размещенном на упругих элементах, возникают де­ формации практически от всех действующйх сил и моментов.

Выделение проекций вектора сил и моментов в датчике этого типа осуществляется путем предварительного тарирования, которое за­ ключается в следующем. К датчику поочередно по каждой коорди­ нате прикладывают силу Р(или момент) заданного значения и реги­ стрируют уровень выходного сигнала S тензорезиеторов, включен­ ных в измерительную мостовую схему. Поскольку в пределах упру­ гих деформаций датчик является линейным элементом, то связь между этими двумя векторами оказывается пропорциональной и описы­ вается некоторой прямоугольной матрицей постоянных коэффициен­ тов W.. Таким образом, S = WF.

После окончания тарирования рассчитывают элементы обратной матрицы, которая необходима при определении вектора сил и мо­ ментов неизвестного значения и направления в соответствии с выра­

элементов датчика превышает число измеряемых компонент вектора сил и моментов, осуществляют псевдоинверсию матрицы про­ порциональности: F = (WTW)"1 \V.TS, где т — .знак транспониро­ вания.

37

Основным недостатком рассматриваемого датчика является низ­ кий коэффициент использования диапазона линейных деформаций упругих элементов, так как каждый из них рассчитывается из усло­ вия максимального суммарного действия всех шести измеряемых компонент. По этой же причине невозможно создать датчик такого типа, имеющий различные диапазоны измерения каждой из компо­ нент силового вектора. Кроме того, вычисление действующих сил в соответствии с указанными выше выражениями занимает доста­ точно много машинного времени и не всегда осуществимо для систем управления, работающих в реальном'масштабе времени с использо­ ванием микроЭВМ.

Примером силомоментного датчика с преимущественно механи­ ческим разделением компонент вектора сил и моментов может служить датчик модульной конструкции, размещенный в основании пальцев захвата манипулятора. Этот датчик, в отличие от других, имеет очень простую пространственную геометрию, благодаря чему упру­ гие элементы конструкции, представляющие собой взаимозаменяе­ мые модули, могут быть легко рассчитаны для измерения заданной деформации (рис. 2,7).

Любая сила и момент, приложенные к губке захвата, могут быть представлены в виде шести проекций относительно системы коорди­ нат, связанной с кончиком пальца. Используя уравнение связи дей-

38

Рис. 2.8. Зависимости вы­ ходных напряжений тензомостов датчика от одной из компонент вектора силы

ствующих сил и моментов с изгибающими моментами каждого модуля и пропорциональными им выходными сигналами тензомостов дат­ чика, можно определить искомые проекции вектора сил и моментов:

На рис.2.8 показаны расчетные и экспериментальные зависимости выходных сигналов тензомостов датчика от силы FXf отражающие низкий уровень перекрестного взаимного влияния между каналами (не более 1 %), хорошую линейность и достаточную степень совпаде­ ния теоретических (штриховые линии) и экспериментальных (сплош­ ные линии) характеристик. Максимальный выходной сигнал £/Вь« достигает 1 В, что обеспечивается благодаря применению полупро­ водниковых тензорезисторов с коэффициентом чувствительности, равным 150. Недостатками рассматриваемой конструкции являются значительные размеры датчика и неравномерная нагрузка на отдель­ ные модули при одинаковых силах, действующих по различным осям.

Простой в конструктивном отношении силомоментный датчик может быть изготовлен из двух стальных угольников /, связанных в единую конструкцию системой шести плоских пружин 3 и шести упругих стержней 2 (рис. 2.9, а). Основным элементом датчика^является плоская пружина с постоянным поперечным сечением, прогиб которой измеряется тензорезисторными датчиками. Преобразование исходного силового вектора F в совокупность изгибающих моментов плоских пружин осуществляется посредством стальных упругих стержней, которые передают усилие только в осевом направлении (рис. 2.9, б).

ЗУ

Выделение искомых проекций вектора сил и моментов на систему координат, помещенную в конечную точку захвата О, осущест­ вляется в соответствии со следующими выражениями:

К достоинствам конструкции следует отнести низкий уровень перекрестных связей между компонентами силового вектора (по­ рядка 1 %) и “простоту изготовления.

Образец датчика размерами 100x40x40 мм обеспечивает изме­ рение сил до 20 Н, моментов до 1 Н-м при линейности и гистерезисе порядка 0,5 и 0,1 % соответственно. Датчик имеет сравнительно низкую резонансную частоту, равную 10 Гц, что обусловлено низкой жесткостью конструкции с упругими стержнями, составляющую 104 Н/м.

40

Fz

Рнс. 2.10. Сборочный стол, оснащенный силомоментным датчиком, и схема изме­ рения сил:

Основным недостатком данного устройства является низкий коэффициент использования диапазона измерения отдельных ком­ понент, не превышающий 30 %.

Шести компонентный силомоментный датчик может быть исполь­ зован при формировании сигналов коррекции положения адаптив­ ного сборочного стола, оснащенного точными приводами. Основу конструкции силомоментного датчика составляют два П-образных упругих элемента, соединенных взаимно перпендикулярно между собой с помощью общего фланца (рис. 2.10, а). Нижняя часть уст­ ройства, представляющая собой плоскую упругую крестовину, обеспечивает измерение компонент М х , М у и Fz . С помощью верх­ них упругих элементов, параллельных оси датчика, определяют остальные три компоненты FXi Fy и М г. Тензорезистивные мостовые схемы, размещенные на плоской крестовине, регистрируют дефор­ мацию изгиба, в то время как тензорезисторы вертикально располо­ женных элементов фиксируют возникающие в них сдвиговые де­ формации.

Основные соотношения, позволяющие выделить измеряемые про­ екции главного вектора сил и моментов (рис. 2 .10, б), для этого

ветственно. В то же время использование деформации сдвига для измерения компонент Fx , Fu и M z существенно, примерно на по­ рядок, снижает чувствительность датчика по этим каналам.

41