Учебное пособие 800427

кам характеристики) и погрешности квантования. Как показали проведенные испыта-

ния преобразователей, погрешность преобразования «угол — интервал» в диапазоне температуры 10 — 60 °С не более 2-14. Погрешность квантования составляет ±0,5 ед.

младшего разряда, поскольку имеет место естественная синхронизация частоты f0 с

передним фронтом интервала. Время преобразования (включая фазу калибровки) 0,8

мс для одного канала. При частоте f0 = 10 МГц разрядность выходного кода n = 13.

Измерительные системы на базе индукционных датчиков. Наиболее рацио-

нальная схема преобразования углового положения ротора индукционного датчика в цифровой код основана на использовании датчиков в режиме фазовращателя при од-

нофазном питании роторной обмотки. На рис. 3.9, а показана схема фазовращателя на базе вращающегося трансформатора (ВТ). При условиях

R 1/ C r, Rн R

имеет место соотношение

Рис.3.9. Схема фазовращателя на базе вращающегося трансформатора.

зы выполняют относительно опорной фазы, в качестве которой берут фазу питающего напряжения или фазу напряжения, снимаемого с другой RC-цепочки, подключенной к обмоткам в обратном порядке (рис. 3.9, б). В последнем случае имеет место удвоение сдвига фаз по отношению к углу поворота и высокая стабильность преобразования

«угол—сдвиг фаз». Основным источником температурной погрешности является из-

менение активного сопротивления обмотки возбуждения. Обеспечение постоянства масштаба преобразования достигается синхронизацией блока питания датчиков

(БПД) частотой f, полученной в результате деления эталонной частоты f0 генератора импульсов ГИ делителем. Частота f0 используется для заполнения интервала времени,

образуемого короткими импульсами, формируемыми ФИ1 и ФИ2 в моменты пересе-

чения синусоидальным напряжением нулевой линии в одну сторону. Формирователь сдвига фаз (ФСФ) содержит, кроме RС-цепочек, нуль-органы, формирующие сигналы прямоугольной фермы. Преобразование интервала в код выполняется с помощью счетчика Сч, на вход которого через вентиль И, управляемый триггером Тг1, посту-

пают импульсы f0, число которых Nx пропорционально интервалу времени или сдвигу фаз 2 . При этом имеет место соотношение

где N - число импульсов f0 в периоде частоты f ; n – разрядность делителя Д.

Таким образом, Nx не зависит от частоты f0. Благодаря удвоению сдвига фаз по отношению к углу поворота увеличивается разрешающая способность преобразо-

вателя, но имеет место повторение отсчета в диапазонах 0-180° и 180-360° угла. Эта неоднозначность исключается с помощью логической схемы ЛС, анализирующей со-

стояния старшего разряда С счетчика Сч и двух старших разрядов A и В делителя.

Состояние выхода ЛС заносится в ячейку памяти Тг2 по заднему фронту интервала и указывает на один из двух диапазонов неоднозначности, т. е. выход Тг2 является старшим разрядом выходного кода преобразователя.

БПД представляет собой активный фильтр с выходным УНЧ, обеспечивающий малый процент нелинейных искажений (менее 0,1 %). Согласно условиям, приведен-

ным выше, RС-цепочки и RH должны иметь сравнительно большие значения сопро-

тивлений — десятки и сотни килоом соответственно. Это осложняет передачу сигна-

лов датчика на большие расстояния, поэтому ФСФ размещают поблизости от датчика.

Экспериментальные исследования показали, что погрешность преобразования угла в код в диапазоне температуры 10-60 °С не более 2-13 и практически не зависит от типа датчика.

Построение фазовращателя на базе сельсина выполняется также с использова-

нием RС-цепочек при однофазном питании.

В отличие от потенциометрических датчиков, имеющих ограниченный диапа-

зон поворота оси (~340°), индукционные датчики могут подключаться к механизму через повышающий редуктор или могут иметь электрическую редукцию (редуктоси-

ны, индуктосины). Это повышает точность измерения угла, но сужает диапазон одно-

значного отсчета. В системе с абсолютным отсчетом (а промышленные роботы пре-

имущественно используют абсолютный отсчет) для устранения неоднозначности применяют датчик грубого отсчета. Известны датчики, совмещающие в одном корпу-

се грубый и точный каналы, с электрической редукцией, выражающейся двоичным числом, что облегчает согласование отсчетов и получение полного кода. При необхо-

димости согласования отсчетов коды получают по грубому и точному каналам неза-

висимо в двух счетчиках. Согласование отсчетов выполняют с помощью логической схемы, анализирующей состояния двух старших разрядов кода точного канала и младший разряд кода грубого канала, равный по весу старшему разряду кода точного канала (разряд перекрытия). Алгоритмы согласования отсчетов и устранения неодно-

значности подробно описаны в работах. Необходимо отметить, что в системах управ-

ления ПР далеко не всегда есть необходимость согласования отсчетов. Так, в позици-

онной системе, когда для большинства позиций достаточна точности грубого канала и лишь в нескольких позициях необходима большая точность, целесообразно записы-

вать в необходимых случаях код точного канала отдельно. Обработка ведется после-

довательно — вначале по грубому, а затем по точному каналам. В контурной системе управления при малых рассогласованиях можно использовать только точный отсчет,

тогда как грубый подключается при выходе в начале контура или в других необходи-

мых случаях. Такое раздельное использование отсчетов упрощает измерительную си-

стему и позволяет экономнее использовать память.

Рассмотрим быстродействие измерительных систем, использующих аналого-

вые датчики. Наибольшим быстродействием обладают АЦП поразрядного уравнове-

шивания (девятки микросекунд). При использовании промежуточного преобразова-

ния угла в интервал времени быстродействие ограничено максимальной частотой счета и требуемой разрядностью. Для перспективной в устройствах управления ПР серии 555 тактовая частота составляет 20 МГц, что при получении 13-разрядного кода эквивалентно времени преобразования 0,4 мс. Для индукционных датчиков дополни-

тельным ограничением быстродействия является номинальная частота питающего напряжения. Большинство датчиков имеет номинальную частоту питания 400 Гц, что соответствует времени измерения 2,5 мс. Собственная частота приводов, используе-

мых в ПР, составляет в среднем 20 Гц, что дает хорошее соотношение с частотой из-

мерения. Однако при многоканальном использовании аппаратуры допустимое по бы-

стродействию число каналов может оказаться недостаточным даже для обслуживания одного ПР. С целью повышения быстродействия может быть рекомендовано питание датчиков повышенной частотой. Большинство современных датчиков типа ВТ и сель-

синов, рассчитанных на номинальную частоту 400 Гц, может работать в диапазоне частот 400—4000 Гц. При этом точностные характеристики могут отличаться от зна-

чений, указанных для номинальной частоты. Как показали экспериментальные иссле-

дования, запитка датчиков повышенной частотой не оказывает заметного влияния на температурную стабильность преобразователя при некотором увеличении нелинейно-

сти.

Измерительные системы на базе кодовых датчиков. Основным элементом преобразователей непосредственного считывания (кодовых датчиков) является закре-

пленная на оси датчика маска с кодовыми дорожками, число которых равно числу разрядов преобразования. Код считывается с помощью чувствительных элементов,

располагаемых напротив кодовых дорожек на линии считывания. Устройство кодо-

вых датчиков различных типов (индуктивных, фотометрических) подробно описано в специальной литературе. Здесь же нами будут рассмотрены некоторые особенности этих датчиков в отношении их возможного применения в ПР. Наиболее существенной особенностью кодового датчика является высокая точность изготовления каждого участка кодовой маски и юстировки чувствительных элементов, соответствующая требуемой точности представления информации. В этом состоит его принципиальное отличие от датчиков, использующих эффект усреднения погрешностей изготовления,

как это имеет место, например, в датчиках индукционного типа. При одинаковой ин-

струментальной точности индукционные датчики значительно проще в изготовлении,

чем кодовые. Поэтому они нашли широкое применение для передачи и измерения уг-

лов с высокой точностью. Положительные свойства кодового датчика состоят в структурной простоте преобразования угла в код и высоком быстродействии.

Структурная простота заключается в однотипности разрядных усилителей-

формирователей, что способствует повышению интеграции электронной схемы, раз-

мещаемой в корпусе датчика. Не является принципиальным недостатком и необходи-

мость передачи кодовой информации — современная элементная база позволяет ор-

ганизовать передачу по последовательному каналу с помощью встроенного передат-

чика (правда, для такой передачи требуется время, однако оно достаточно мало и в системах управления ПР может не учитываться в качестве ограничивающего факто-

ра). При использовании для обработки информации микропроцессора можно не учи-

тывать затраты на преобразование кода Грея, используемого при считывании с маски,

в двоичный код.

Таким образом, развитие электронной техники способствует улучшению тех-

нико-экономических показателей измерительной системы с кодовыми преобразовате-

лями, но в еще большей степени это улучшение относится к измерительным системам с аналоговыми датчиками. Имеется в виду не только увеличение степени интеграции,

резко ухудшающее схемы преобразования и повышающее их надежность, но и каче-

ственный скачок в развитии линейных схем, позволяющий без значительных затрат реализовать высокую точность аналоговых преобразователей.

Таким образом, развитие цифровых и линейных интегральных схем продолжа-

ет увеличивать преимущества преобразователей аналогового типа, заключающиеся в лучших габаритно-весовых характеристиках датчиков, их большей надежности и ус-

тойчивости к внешним воздействиям, значительно меньшей стоимости измеритель-

ной системы. Учитывая также компенсацию нелинейности датчика в системах управ-

ления с обучением, можно сделать общий вывод об ограниченном применении кодо-

вых датчиков ПР.

Измерительные системы на базе импульсных датчиков. Импульсный дат-

чик по принципу действия аналогичен кодовому датчику, однако в отличие от по-

следнего имеет только одну дорожку младшего разряда. Для получения информации о перемещении используется реверсивный счетчик, вычитающий или суммирующий импульсы датчика в зависимости от направления движения. Выявление знака движе-

ния осуществляется фазочувствительной схемой считывания. Для. уменьшения воз-

можности накопления ошибок датчик имеет реперную точку, в которой происходит

«обнуление» в отсчета. Преимущество датчика состоит в высокой разрешающей 1

способности, поскольку его можно подключать к механизму через повышающий ре-

дуктор, но эта особенность приобретается ценой отказа от структурной помехоустой-

чивости, свойственной измерительным системам с циклическим опросом датчиков.

Одной из мер увеличения достоверности измерения является превышение раз-

решающей способности измерительной системы по отношению к требуемой, когда

потеря одного импульса не приводит к потере точности. При этом датчик может ис-

пользоваться как измеритель скорости движения. Возможность накопления ошибки и потери информации при коммутациях питания является недостатком измерительных систем с импульсными датчиками. При повышенной опасности для объектов и обо-

рудования в рабочей зоне более предпочтительна измерительная система на индукци-

онных датчиках, одноотсчетная или двухотсчетная, в зависимости от необходимой точности.

3.5. Модули технологического сопряжения с управляемым оборудованием

Модули ввода-вывода дискретных технологических сигналов используются в управляющих системах ПР для связи с манипулятором и обслуживаемым оборудова-

нием и являются, несмотря на многообразие способов их организации, постоянной составной частью систем управления. Параметры дискретных сигналов ввода-вывода обычно нормированы с учетом использования стандартных элементов электроавтома-

тики в управляемом оборудовании. Входные сигналы, поступающие от датчиков дис-

кретной информации, например концевых выключателей, в большинстве случаев яв-

ляются сигналами постоянного тока с напряжением 24 В; величина тока 10— 20 мА.

Выходные сигналы из системы могут выдаваться в виде напряжения 24 В постоянно-

го тока величиной не более 2 А, напряжения 110 В переменного тока величиной не более 0,5 А и т. д.

Для обеспечения помехоустойчивой работы системы управления в целом в мо-

дулях ввода-вывода дискретных сигналов целесообразно применение оптронных гальванических «развязок» как в цепях управления оборудованием, так и подключе-

ния датчиков.

Необходимо отметить, что использование оптронных развязок в модулях вво-

да-вывода не только обеспечивает подавление индустриальных помех, существую-

щих в цепях подключения датчиков и управляемых приводов оборудования, но и ис-

ключает возможность проникновения высокочастотных помех в цепи питания логи-

ческой части устройства.

Функционально модули ввода-вывода дискретных сигналов состоят из двух уз-

лов сопряжения: с цепями ввода или вывода; с внутренним интерфейсом системы.

В качестве примера рассмотрим структурную схему модуля ввода дискретных

сигналов с использованием микропроцессорного набора (МПН) типа КР580. На рис. 3.21 показаны структурная схема, состав и подключение к интерфейсу модуля -ввода дискретных сигналов. Сопряжения с цепями подключения датчиков осуществляются через RС-цепи и оптронные развязки; RC-цепb обеспечивают подавление низкочас-

тотных помех, дребезг контактов и ограничение входного тока. Для оперативного контроля за состоянием датчиков РТК предусмотрены светодиоды.

Сопряжение с внутренним интерфейсом устройства производится с помощью БИС программируемого периферического адаптера (ППА) типа КР580ИК 55. Сигнал выборки данного модуля формируется селектором, на входы которого с шины адреса процессора поступает номер опрашиваемого модуля ввода. Селектор сравнивает этот номер с номером, установленным на переключателях набора номера данного модуля,

и в случае их совпадения подключает ППА к шине данных.

Описание структуры режимов работы, программирования и возможных вари-

антов использования ППА рассмотрено в работах. В данном случае прием информа-

ции с оптронных развязок осуществляется через два порта А и В, запрограммирован-

ных на ввод, посылкой в ППА специального управляющего слова. Передача содер-

жимого порта (А или В) на шину данных производится простым выполнением опера-

ции чтения. Адресные входы A0 и А1 определяют номер порта, старшие разряды адре-

са обеспечивают выбор опрашиваемого модуля ввода. Запись управляющего слова производится по импульсу WR при А0 = А1 = 1.

Сопряжение с внутренним интерфейсом системы в модуле вывода обеспечива-

ется также с помощью ППА. В отличие от модуля ввода в модуле вывода ППА на-

страивается на вывод информации с шины в порты А и В. Выдача дискретных сигна-

лов управления на приводы РТК осуществляется через оптронные развязки и выход-

ные усилители. В модификации модуля вывода, работающей на постоянном токе, в

качестве ключей используют мощные транзисторы. В модулях вывода, работающих на переменном токе, применяют тиристорные схемы.

4. Перспективы развития систем управления промышленными роботами

4.1. Общие направления развития систем упражнения промышленными

роботами.

Общее направление развития систем управления промышленными роботами способствует более эффективному выполнению всех видов производственных опера-

ций, на которые роботы в основном ориентированы: сборка механических, электро-

механических и электронных узлов, обслуживание обрабатывающего оборудования,

выполнение сварочных и контрольных операций и т.п. Роботы современных моделей обеспечивают высокую стабильность цикла, возможность работы более одной смены и эффективность при выполнении различных операций. Однако зачастую ро-

боты уступают человеку в гибкости, умении работать в условиях неполной информи-

рованности и возможности приспосабливаться к изменениям в технологическом про-

цессе.

Точность и быстродействие роботов повышаются с каждой новой разработкой.

Образцы роботов начала 70-х голов имели ошибки позиционирования захвата 1,5-3

мм для позиционных роботов и 0,05-0,1 мм для роботов с позиционированием по же-

стким упорам. В настоящее время появились роботы с позиционным и контурным управлением и ошибкой позиционирования 0,05-0,1 мм. Эти роботы успешно выпол-

няют операции сборки и сварки, требующие высокой точности Повышение точности систем управления роботoв связано с применением кодовых и индукционных датчи-

ков, двухотсчетных систем измерения, а также с расширяющимся применением сис-

тем относительного отсчета, включающих, например, импульсные датчики, встроен-

ные в привод. Последнее решение, при достаточно качественном выполнении меха-

нической части робота, позволяет получить ошибку положения рабочего органа ма-

нипулятора не более 0,02-0,05 мм.

Быстродействие роботов непосредственно определяет их производительность и в целом, повышается благодаря применению более качественных приводов. При оценке повышения быстродействия роботов за последние годы следует иметь в виду следующие факторы.

1. Для роботов, в работе которых главным обстоятельством является переме-

щение деталей или орудии труда, тяжелых для человека, а точность имеет второсте-

пенное значение, увеличение быстродействия определяется в основном энергетиче-

скими характеристиками привода. Скорости перемещения вследствие совершенство-

вания приводов увеличились за десятилетие на 40-60 %, Следует отметить значитель-

ный прогресс электромеханических приводов, которые в настоящее время успешно конкурируют по быстродействию с гидроприводами в моделях роботов средней гру-

зоподъемности (20-40 кг).

3. Для роботов, выполняющих сложные в информационном отношении опера-

ции (сборку, контроль и т.д.), важным является быстрота переработки роботом ин-

формации. Это качество системы управления может оцениваться величиной двоично-

го логарифма отношения скорости перемещения рабочего органа робота к ошибке по-

зиционирования. В последнее время наблюдается значительное увеличение (в 2-3

раза) этой величины для систем управления сборочных роботов. Лучшие образны систем управления позволяют программировать разгон и торможение звеньев, что обеспечивает оптимальную динамику движения манипулятора.

Быстродействие очувствительных роботов, например, с техническим зрением в известной степени сдерживается временем обработки видеоинформации. В системах технического зрения достаточное быстродействие обеспечивается в настоящее время только при анализе несложных изображений. Например, видеосистема «фирмы «Фуд-

зи» (Япония) обеспечивает выполнение до 10 простых контрольных операций в се-

кунду. Решение сложных задач визуального контроля и распознавания в реальном времени потребует применения сверхбыстродействующих вычислительных систем и методов параллельной обработки видеоинформации.

С каждым годом в общем парке роботов увеличивается число моделей с более совершенными системами управления — позиционными и контурными, которые практически не имеют ограничений по числу точек позиционирования в рабочей зоне в отличие от роботов с цикловым управлением. Роботы с позиционными и контурны-

ми системами управления и памятью в 500-1000 точек могут выполнять широкий класс манипуляционных задач. Например, роботы модели ПУМА применяют на раз-

личных операциях сборки и контроля; они выполняют дуговую сварку и могут об-

служивать практически любое производственное оборудование сборочных, монтаж-

ных и механообрабатывающих производств.

Большими возможностями обладает перспективное устройство управления фирмы «Фанук» (Япония), разработанное на базе применения совершенной микровы-

числительной техники. Устройство можно подключать к манипуляторам с самой раз-

личной кинематикой. При этом необходимые пересчеты с учетом системы координат конкретного манипулятору осуществляются однокристальными микро-ЭВМ. Опера-

тору нужно лишь задать код кинематики данного манипулятора. Устройство обеспе-

чивает также адаптивное управление от 5-6 сенсорных устройств. Благодаря приме-

нению однокристальных микроЭВМ устройство выполнено всею на трех платах.

При широком применении микропроцессорной техники появляется возмож-

ность существенного улучшения характеристик систем управления вплоть до получе-

ния качественно новых решений. Таким примером является система управления про-

мышленного робота IPI (США). Робот имеет пневматические приводы с управлением каждым приводом от отдельного микропроцессора (МП). Последний обрабатывает сигналы цифровой обратной связи и оптимизирует параметры пневмопривода, обес-

печивая экономию энергии и адаптацию к нагрузке. Для координации движений по пяти степеням подвижности используют отдельный МП, управляющий одновременно и тормозным устройством каждой степени подвижности. Управление приводами осуществляется в широтно-импульсном режиме. Для управления позиционированием изменяют ширину импульсов давления, а для управления скоростью — частоту их следования.

В системе использован микрокомпьютер, имеющий память 128 Кбайт. Компь-

ютер обеспечивает общее управление роботом и его программирование, которое вы-

полняется на специальном языке робота IPI либо на языках ФОРТРАН и ПАСКАЛЬ.

Важной характеристикой систем управления промышленными роботами является гибкость, определяемая в основном совершенством методов программирования. В на-

стоящее время используют следующие методы: обучения, аналитический и формиро-

вания программы в процессе функционирования робота и диалоге с оператором.

Программирование методом обучения получило наибольшее распространение в конструкциях роботов семидесятых годов. Оно наиболее отвечало простым систе-

мам роботов и условиям их единичного применения. В настоящее время в связи с ос-

новным направлением — создание типовых роботизированных комплексов, включа-

ющих группы роботов и другое оборудование, перспективными становятся аналити-

ческий расчет программы и методы формирования ее в диалоге оператор — робот для систем очувствленных роботов. Переходным этапом является применение програм-