Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 18
Текст из файла (страница 18)
3.1. Датчики положении и перемещении Датчикам положения и перемещения (ДПП) называется устройство, воспринимающее контролируемое положение и (или) перемещение объекта и преобразую|нее его в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработки, хранения или передачи по каналу связи. Существует два основных метода определения положения и измерения перемещения, В первом случае датчик вырабатывает сигнал, который является функцией положения одной из его частсй, связанной с подвижным объектом, а изменение этого сигнала характеризует перемещение объекта, Во втором случае перемещение объекта рассматривается как совокупность элементарных перемещений, причем датчик формирует импульс, соответствующий каждому. элементарному перемещению.
Таким образом, перемещение объекта определяется суммой импульсов датчика, Датчики первой ~руппы получили название абсолютных (или датчиков с абсолютным отсчетом), второй — относительных (или датчиков последовательных приращений). К Д1Ц1 робототсхиических и мехатронпых систем предъявляют следующие требования; полная погрешность не более 1 %„. время установления не более 0,01 с; Ё':,::,"::; надежность ие менее 0,9; высокая помехоустойчивость; хорошая технологичность; низкая стоимость. ДПП по пяти основным признакам подразделяют на следующие группы: 1) по измеряемому параметру — линейные и угловые (поворотные);.
2) по принципу действия — рсзистивныс, электромагнитные, фотоэлектрические (оп гоэлсктрониыс) и электростатические (емкостныс); 3. Кинестетические датчики 3) по структуре построения — последовательные, дифференциальные и компенсационные или уравновешиваемые; 4) по характеру изменения выходного сигнала — непрерывные (амплитудные, частотныс, фазовые) и дискретныс (амплитудно-, частотно- и кодо- импульсные); 5) по принципу считывания сигналов — абсолютные и относительные.
В соответствии с ГОСТ 20964-75 и 20965-75 установлены шесть классов точности ДПП. При поворотах в пределах 360 допускаемая систематическая погрешность датчиков угловых перемещений 1 класса точности не должна превышать 50", а датчиков У1 класса точности — 1". В датчиках линейных перемещений задают 15 интервалов координатных перемещений. Для шести наиболее высоких классов точности таких ДПП эти интервалы представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Допускаемая систематическая погрешность шести классов точности мкм 3.2. Резистивные датчики положения Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой включенный по схсме делителя напряжений резистивнйй ЧЭ, информативный параметр которого — сопротивление — регулируется положением подвижного контакта. РДП относятся к преобразователям с абсолютным отсчетом, так как их функция преобразования монотонна и непрерывна.
Датчики этого типа имеют один цикл измерения, благодаря чему кратковременная потеря информации нс приводит к накоплению погрешности. Конструктивно РДП выполнен в виде потенциометра с движком, который в большинстве случаев механически связан с потенциометром и представляет с~бой подв~~ный (скользящий) к~н~ак~. В н~~о~оры~ моделях контакт заменен оптической или магнитной связью. РДП подразделяют по следующим признакам: 1) по типу ЧЭ вЂ” проволочныс (реостатные) и пленочные; 2) по траектории перемещения скользящего контакта — линейные, круговые (максимальный угол перемещения контакта О . <360 ) и гслико- идальныс (6 „>360 ); 3.2.
Резист~~вяые датп чики положения 3) по способу съема сигнала — контактные и бесконтактные. Сопротивление РДП в процессе работы изменяется по закону где х/х = ~( — относительное перемещение подвижного контакта; Лов номинальное сопротивление РДП. Первыми РДП являлись реостаты, или системы Рустрата.
Они состояли из навитой на корпус константановой или никелиновой проволоки, по кото- рой перемещался медный ползунок. Элемент сопротивления современных РДП также выполнен в виде коррозионно-стойкой проволоки, обладающей малыми температурным коэффициентом сопротивления а~ и термоЭДС. Таким требованиям удовлетворяют материалы на основе константана, ман- ганина и других медно-никелевых сплавов, а также нихрома. Витки прово- локи изолированы между собой эмалью, открыта лишь та часть проволоки, по которой скользит контакт. Еще одним типом элемента сопротивления являются проводящие углеродные пленки (размер зерен около 0,01 мм).
РДП используют в измерительных системах как постоянного, так и пе- ременного тока. В последнем случае у проволочных РДП проявляется реак- тивная составляющая сопротивления обмотки, обусловленная индуктивно- стью и межвитковой емкостью, Включение РДП в цепь осуществляется по схеме делителя напряжения (со средней точкой или без нее).
В этой схеме РДП с сопротивлением Ко подключается к источнику ЭДС Е с собственным сопротивлением К (рис. 3.1, а). В общем случае напряжение У „. иа выходе РДП, подаваемое на . следующий каскад прсобразователя (например, ИУ) с входным сопротивле- нием В„, равно В частном случае, при Н = О, имеем Е = 0„„. Тогда выходной сигнал РДП где К2 Иклк + К ) к2 К(- ) я1 л К2. Запишем отношение 3. Кинестетические датчики ~вых ~~вв О,2 О,4 О,б О,з Х а б Рис. 3.1. Включение РДП по схеме делителя напряжения (а) и влияние его коэффициента нагрузки на функцию преобразования 16) Тогда при отсутствии нагрузки на РДП (К„= ) Ко---К1+К2,и позтому У„„„1~3„в = К2 l Ко. Следовательно, зависимость Увык = ДК2) линейная. В схеме делителя напряжения с параметрами Ко, Увн„Кн относительное перемещение Х подвижного контакта резистора Ко изменяется от О до !.
Функция преобразования РДП в относительных единицах имеет вид живых Кг Ув„К,Я2,1К +1)+ К2 Таким образом, зависимость Ув,„, =~(К2) при наличии нагрузки нелинейная. Обозначим К2 =ХКО, К1 =(1 — Х)КО Тогда живых Х ~ип 1+1Х Х, ) КоЯ Вводя понятие коэффициеипт нагрузки йв = К„ / Ко, получаем 1рис. 3.1, б) ~вых Х ~вХ ~ив 1+В-Х )(~в ~н+Х вЂ” Х, 2, 2' Следовательно, функция преобразования нагруженного РДП окончательно имеет вид Х ~-'выл =~ив ц 2' йн+Х-Х 3.2.
Резиетивпые датчики положения 1 11 Ш +0,25 +0,5 + 1,0 Класс точности .....,........... Полная погрешность, %... Рассмотрим основные параметры РДП, а также их влияние на свойства системы управления более подробно. Так, точность системы управления практически не зависит от допуска на номинальное значение сопротивления РДП. В типовых режимах включения РДП измеряет л~ппь приращение перемещения рабочего органа, а следовательно, иа точность системы управления влияет главным образом линейность функции преобразования датчика.
Одним из важнейших параметров РДП является максимальная скорость перемещения контакта, определяющая верхний частотный предел входных воздействии — частоту среза РДП. Рассмотрим линейный РДП и для простоты расчета допустим, что подвижный контакт совершает в окрестности положения равновесия 10 синусоидальное движение с амплитудой 1=-1о+1~ япы (где со=2тр~). Следовательно, для максимальной скорости перемещения движка будет справедливо выражение — = и1!. гП Очевидно, что — должна быть п~ах меньше нскоторой, определяемой . Тогда конструкцией РДП, яинейпой скорости (270!) У '-~п1ах ~ '':;::";,::;:::::.';- (например, при $'„,.
= 2 м/с, 11 —— 0,3 мм для углового РДП получаем ~ < 1,1 кГц). Аналогично ~ < 36011П,~ /(2тса1), 93 Заметим, что эта функция существенно зависит от коэффициента нагрузки и изменяется в процессе перемещения подвижного контакта РДИ. Параметры, характеризующие РДП, подразделяют на эксплуатационные и метрологические. К первым относят: номинальное сопротивление Йо (обычно 0„1...100 кОм ), допуск на номинальное сопротивление (+.1%), максимальную частоту входного воздействия ~„,„,„(до 1 кГц ) и срок службы 6 (измеряют в циклах полного преобразования: 10 циклов для реостатного 8 РДИ и 10 — для пластикового), Среди вторых выделяют погрешность нелинейности е„„, разрешающую способность (погрешность нечувствительностиа„„), погрешность люфта а и погрешность, обусловленную шумом сигнала. В соответствии со значением полной погрешности используемые в робото1схникс отсчссгвснныс модели РДП принято подразделять на три класса точности: 3.2.
Рвзистивныв датчики лоложения ляется максимальным перемещением, необходимым для перехода подвижного контакта из занимаемого положения в ближайшее соседнее. Оно зависит от формы и толщины проволоки, а также размеров контакта и меняется по мере их износа. Для увеличения разрешающей способности РДП используют тонкую проволоку, правда это приводит к более быстрому износу. В абсолютном измерении для лучших линейных РДП Л = 10 мкм.
Погрешность нечувствительности а„„ проволочного РДП определяется Выражением где Ь вЂ” радиальный зазор между осью и втулкой; 'у — угол дуги, занимаемый обмоткой; 1„— длина подвижного контакта. Тогда погреш- . носп, люфта Для мод его :;,':::;:,::':::;:: - етс ~л =~0~~% = М7~к)* уменьшения ел в конструкциях РДП, например елях СП5-21, СП4-8, используют осевыс подшипники. Шумы РДП обусловлены как свойствами ЧЭ датчика, измерительной цепи.
Шумы — это аддитивная помеха„ м сопротивления РДП при перемещении подвижного к я следствием разнородности структуры ЧЭ, вибраций и Увы„(х)=У (х)+0 (х),причем У (х)=!Й (х),где в отечественных так и наводками в вызванная изменсонтакта. Она являт. д. В общем слу- У,(х) — напряжс- где И вЂ” минимальное изменение сопротивления РДП.
Значение е,„„составляет 0,1...3,0 %, а для прецизионных моделей датчиков достигает 0,002 %. Зона нечувствительности зависит от числа витков проволоки, замыкаемых подвижным контактом. Поэтому функция преобразования РДП будет ступенчатой, причем размеры ступенек неодинаковы. Это приводит к расширению полосы погрешностей вследствие дополни. тельной нелинейности. Учитывая это обстоятельство, получаем ~И=-О,5йо/Ж и, следовательно, в„„,пи, =0,5/Ф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
