Глава 7 (Учебник - информационные системы), страница 3

Наиболее распространенными измерителями де­формаций являются ТР, а также пьезо- и магнитострикционные преобразователи, измерителями перемещений - оптронные пары или электромагнитные (реже - электростатические) ЧЭ.

Проведем краткий обзор основных конструктивных схем СМД.

СМД высокой жесткости строятся на базе УЭ типа балок равного сечения с наклеенными на них ТР. В системах управления сборочными манипуляторами широко используются запястные СМД, с матрицей жесткости общего вида. Базовые схемы таких датчиков были разработаны в середине 70-х годов ХХ века в Лаборатории Дрейпера (США) и Католическом Университете (Бельгия). Пример одной из них представлен на рис 7.10. Конструктивно датчик представляет собой два фланца, связанных между собой УЭ. При деформации фланцы упруго перемещаются друг относительно друга. На внутренней стороне трех (в других моделях - четырех) УЭ наклеены фольговые ТР, измеряющие деформации растяжения-сжатия, а на внешней стороне - сдвига. Поскольку, в каждом УЭ возникают деформации от всех шести компонент вектора F, функция преобразования датчика опи­сывается матричным уравнением общего вида: U = S F, S - где матрица чувствительности. Каждая компонента вектора U является линейной комбинацией компонент вектора F. Для вычисления значений компонент вектора F необходимо провести обратное преобразование: F = S^-1 U, где S^-1 - матрица обратная к матрице S.

Коэффициенты матрицы чувствительности s_ij (i, j = 1 … 6) определяются при тарировке СМД. С этой целью к нему поочередно вдоль каждой координатной оси прикладываются силы и моменты заданной величины и определяются уровни выходных сигналов u_i с каждого из ТР. В пределах упругости коэффициенты s_ij полагаются постоянными и их значения указываются в паспорте на датчик.

Е сли матрица S не квадратная (прямоуголь­ная), то расчеты проводят на основании псевдообратной матрицы S_*^-1, равной: S_*^-1 = (S^T S)^-1 S^T .

Датчики с матрицей жесткости общего вида при значительных габаритах измеряют достаточно высокие значения моментных компонент вектора нагрузки. Так, для датчика, представленного на рис. 7.11, с диаметром 120 мм, высотой 20 мм и размерами УЭ 61,5 мм диапа­зон из­мерения по силам составляет от 200 Н - для компонент F_x, F_y до 400 Н для F_z и моментам от 10 Нм для M_x, M_y до 20 Нм для M_z. Порог чувст­вительности по всем компонентам достигает  0,05%, максимальный уровень выход­ного сигнала  10 мВ.

Очевидны достоинством СМД с матрицей жесткости общего вида, является простота конструкции, что делает их весьма привлекательными для использования в робототехнике. Однако датчики этой группы обладают и существенными недостатками. Так, поскольку каждый из УЭ должен рассчитываться на действие всех компонент нагрузки, это приводит к низкому значению коэффициента использования диапазона линейных деформаций. Кроме того, таким датчикам свойственна разная чувствительность каналов измерения и низкое быстродействие (значительное время вычисления компонент).

Указанные обстоятельства привели к тому, что в современных ССО все чаще используются СМД с преиму­щественно механическим разделением компонент, очувствляющие захватное устройство, рабочую среду или запястье робота. Примерами таких датчиков являются конструктивные схемы, разработанные фирмой IBM (США) и Токийским университетом. Схема шестикомпонентного СМД, очувствля­ющего «пальцы» захватного устройства манипулятора строится из шести одинаковых взаи­моза­меняемых УЭ балочного типа. Каждый палец схвата (а всего конструкция СМД включает два пальца) представляет собой шесть модулей с ТР ЧЭ, плоскости которых ориентированы в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 7.11). Центр измерений СМД совпадает с кончиком пальца (точка О). Любую силу, или момент, действующие на захватное устройство можно представить в виде проекций на оси подвижной системы координат OXYZ. Если сигналы с каждого ЧЭ обозначить U_i (i = 1… 6) и зная размеры УЭ, можно определить искомые проекции вектора сил и моментов F:

F_x = (U₁ - U₂)/(z₁ - z₂),

F_y = (U₆ - U₅)/(z₆ - z₅),

F_z = [U₃ + F_y (z₀ - z₃) - M_x]/(y₀ - y₃),

M_x = [-U₅(z₀ - z₆) + U₆ (z₀ - z₅)]/(z6 - z5),

M_y = [U₁ (z₀ - z₂) - U₂ (z₀ - z₁)]/(z₁ - z₂),

M_z = U₄ + F_x (y₀ - y₄).

С МД подобного типа использовался в роботизированном комплексе сборки узлов пишущих машинок. (Диапазон измерения сил составлял: 0 ... 10 Н, максимальный выходной сигнал при использовании полупро­воднико­вых ТР - 1В).

Схема «мальтийского креста» использует только изгибные УЭ (это обеспечивает примерно равную чувствительность каналов) и частичное разделение компонент при сравнительно простой конструкции механического преобразователя (рис. 7.12). Датчик содержит четыре УЭ (балки), связанные через внутренний фланец (на рисунке не показан) с запястьем робота, а через четыре упру­гие мембраны с внешним фланцем. Внешний фланец СМД соединен с захватным устройством. Сигналы U с во­сьми ТР, установленных попарно на каждом УЭ связаны с главным вектором сил и моментов F выражением: U = S F, где матрица чувствительности СМД S имеет вид: .

Матрица жесткости C, связывающая компоненты вектора F и вектора перемещений центра измерений X (центра координат или центра симметрии) такого СМД диагональна: F = C X, C = diag c_ij; (i, j = 1, 2, .. 6). Запястные датчики типа «мальтийский крест» позволяют строить прецизионные ССО высокого быстродействия.

В о всех рассмотренных примерах СМД в качестве ЧЭ использовались измерители деформаций. Если же к датчику предъявляются требования малой жесткости, то ЧЭ целесообразно строить на базе измерителей перемещений. Наиболее известными ЧЭ этого типа являются электромагнитные, реже емкостные (электростатические) преобразователи. Как правило, СМД с измерителями перемещений не обладают высокими метрологическими характеристиками, и, поэтому, измерение в них выполняет лишь вспомогательную (контрольную) функцию. Заметим, что схемы на базе электромагнитных ЧЭ обладают большой мощностью выходного сигнала и не требуют использова­ния усилительных схем, однако их функция преобразования нелинейна. Диапазон измерения сил составляет  10² Н ... 10⁷ Н. Что касается СМД на базе емкостных преобразователей, то для них характерны сравнительно малые размеры и широкий диапазон измеряемых усилий, однако они требуют применения высоких несущих частот (для снижения утечек) и имеют повышенную чувст­ви­тель­ность к загрязне­нию. В то же время, линейность таких датчиков высока, и они стабильны до очень высоких температур. Использование высоких несу­щих частот обеспечивает хорошую помехозащищен­ность к маг­нитным полям. Диапазон измерения сил лежит в пределах  10^-3 Н ... 10⁷ Н.

На рис. 7.13а представлена схема СМД малой жесткости RCC-типа. ССО, использующие СМД с подобной конструктивной схемой, объединяют достоинства активного и пассивного принципов адаптации. УЭ датчика выполняются на базе эластомерных структур, обладающих преимущественно одно­осным напряженным состоянием. Эластомер (рис. 7.13б) представляет собой набор из чередующихся резиновых и металлических дисков малой толщины склеенных между собой. Такая конструкция обладает достаточно высокой жесткостью на сжатие и легко деформируются на сдвиг, являясь, таким образом, УЭ сдвигового типа. Перемещения центра измерений СМД (его фокуса) производится четырьмя оптронными датчиками (светодиод и четыре фотодиода). При малых перемещениях фокуса четыре компоненты век­тора F определяются из линеаризован­ных уравнений вида [ ]:

;

;

З десь U₁ …U₄ - выходные сигналы фотодиодов, L₁ и L₂ - базовые размеры оптронного блока. СМД данного ти­­па при размерах 12565 мм обладает невысокой жестко­стью ( 10⁴ Н/м и 10² Нм/рад) и, в принципе, может работать как датчик перемещений. Приведем основные характеристики датчика - диапазон измерения: перемещений  2мм, сил - 0 ... 30 Н, моментов - 0 ... 1,5 Нм, основная погрешность  = 5%, уровень перекрестных связей _ij = 5%., разрешающая способность при измерении перемещений  2,5 мкм.

Принцип очувствления рабочей среды реализуется 4-ым вариантом ССО, включающим «очув­ствлен­ный» монтажный сто­лик, оснащенный приво­дами «точного» позиционирования и шестиком­по­нент­ный СМД, установленный в основании сто­лика. Схема разработана M. Касаи в Токийском университете, Япония (рис. 7.14). Нижняя часть датчика сборочной системы, выполненная в виде плоского креста, используется для определения компонент М_х, М_у, F_z, а верхняя - компонент F_x, F_y, M_z. ТР на нижней крестовине (УЭ 5, 6, 7, 8) измеряют деформации изгиба, в то время как на верхней (УЭ 1, 2, 3, 4) - сдвига. Основные соотношения для определения компонент имеют вид:

F_x = U₂ - U₄,

F_y = U₁ - U₃,

F_z = U₅ + U₆ + U₇ + U₈,

М_х = U₆ - U₈,

М_у = U₅ - U₇,

M_z = U₁ + U₂ + U₃ + U₄.

Чувствительность СМД составляет  0,1%, при диапазоне измерения сил 0 ... 20 Н, моментов 0 ... 0,1 Н м. «Адаптивный сборочный столик» использовался в задачах прецизионной сборки. Достоинством схемы является высокое быстродействие, т.к. управляющие сигналы поступают непосредственно на приводы исполнительного механизма. В то же время, собственно датчик не лишен недостатков: его каналы обладают разной чувствительностью (для каналов с изгибными деформациями она на порядок выше, чем со сдвиговыми). Кроме того, наличие инерционных составляющих вызывает динамические погрешности.

7.3.1. Упругие элементы и измерительные це­пи силомоментных датчиков

Несмотря на все многообразие конструкций СМД все они строятся на базе однотипных УЭ. Как известно, напряженное состояние, возникающее в материале УЭ, в значительной степени определяется его формой. При расчете упругих конструкций обычно выделяют четыре типа напряженных состояний: растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг и кручение. Поэтому, и в конструктивных схемах СМД стараются использовать УЭ, деформации которых можно отнести к одному из указанных типов. В однокомпонентных датчиках так и поступают - УЭ испытывают дефор­мацию оп­ределенного типа. В многокомпонентных СМД это­го добиться труднее, в частности, в рассмотренных ранее конструкциях возникали напряженные состояния разных типов. Тем не менее, для обеспечения равной чувствительности каналов измерения стремятся уменьшить количество типов напряженных состояний в конструкции УЭ. При этом говорят, что данный датчик обладает преимущественно однотипным напряженным состоянием. Раз­личают три типа УЭ СМД: продольные (испытывают де­формацию растяжен ия-сжа­тия), изгибные и сдвиговые.