книги / Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы

вых 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

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

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

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

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

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

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

79

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.

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