Контрольно-измерительные робототехнические системы

       МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

       Государственный университет информатики и искусственного интеллекта 
 
 
 
 

       Д080403.1.01.05/031.ЛР 

       Кафедра ПОИС 
 
 
 
 
 
 

       Реферат 
по дисциплине: « Система управления робототехническими комплексами» 
на тему: « Контрольно-измерительные робототехнические   системы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                    Выполнил:

                  

                                                                    _________ст. гр. ПО-05аc Кузьменко В.А. 

                                                                    Проверил: 

                                                                    __________асс. Пряничникова Е.А. 
 
 
 
 
 
 

                                                               2010 

 

       Назначение  и структура контрольно-измерительной робототехнической системы.

       

       Технологические операции контроля, измерения, диагностики, широко распространенные в промышленности, наиболее трудно поддаются автоматизации. Без автоматизации операций контроля невозможно создание гибких производственных систем и автоматизированных производств с ограниченным количеством рабочих. Для завершения автоматизации всего производственного цикла применяются контрольно-измерительные робототехнические системы (КИРС). Обычно в КИРС сочетаются манипуляционные действия с функциями контроля, измерения, диагностики различных технологических объектов, законченных изделий и заготовок, среды, процессов и т.п. непосредственно в ходе производства. Контрольные операции могут выполняться КИРС как в процессе выполнения технологических операций на различных этапах, так и в конце технологических процессов, когда необходима проверка готовой продукции. Изучение направлений исследований в данной области в нашей стране и за рубежом приводит к выводу о целесообразности использования КИРС в большинстве существующих или разрабатываемых технологических процессов. КИРС в настоящее время находят применение (рис. 1) в процессах сборки, сварки, сортировки, тестирования поверхностей сложных форм, например, лопаток турбин, а также неразрушающего контроля качества материалов и изделий, включая анализ внутренних дефектов в материалах, контроль формы и геометрии изделий, анализ   механических величин, проведение диагностики машин и механизмов.

Рис. 1

      В отличие от традиционных манипуляционных промышленных роботов КИРС снабжена дополнительным первичным преобразователем для целей технической диагностики, более широким набором тактильных датчиков и устройством обработки, диагностической информации, которым может служить мини- или микро ЭВМ. Применяемая в КИРС ЭВМ или микропроцессорная сеть осуществляет две функции: управление целенаправленным движением исполнительных органов по программе, которая может корректироваться в процессе движения в зависимости от дополнительной информации от тактильных и иных датчиков; прием информации от первичных преобразователей о состоянии контролируемого объекта в процессе манипулирования, ее хранение, автоматическую обработку в соответствии с заданными алгоритмами диагностики и принятие решения о результатах измерения.

      В общем случае система управления КИРС состоит из двух основных контуров (рис. 2): программного, управляющего перемещением приводов манипулятора, и диагностического, осуществляющего измерение, контроль или диагностику объекта, а также классификацию исследуемых параметров по определенным признакам, автоматический анализ которых обеспечивает принятие решения. В результате принятия решения производится классификация, например, разбраковка изделий или группирование по классам допусков.

  

  Рис.2

       Программный контур может включать первичные преобразователи, предназначенные, например, для поиска и обнаружения края объекта, слежения за его контуром, а также для адаптации к изменяющимся условиям внешней среды, интерфейсный блок согласования с приводами, блок преобразования для связи с микропроцессором.

       В диагностический контур могут входить  датчики качества материалов, например, предназначенные для обнаружения  трещин, раковин, дефектов (после сварки). Информационно-измерительная система  КИРС в этом случае будет содержать специальные датчики измерения и диагностирования (рис. 3).

  

       Рис. 3

       Области использования КИРС изучаются многими  организациями и зарубежными фирмами ведущих отраслей промышленности: машиностроения, авиакосмической промышленности, судостроения, автомобилестроения, приборостроения и других. Сочетание операций транспортирования с операциями измерения или диагностики способствует повышению быстродействия технологического комплекса и стабилизации высоких качественных характеристик контролируемых объектов. Отличительным свойством КИРС является выполнение исследовательских функций. Это стимулирует применение КИРС в промышленной технологии и энергетике, для океанологических и космических исследований. В данной монографии рассматриваются манипуляционные технологические КИРС, условия внешней среды которых не полностью детерминированы. Некоторые общие положения  справедливы  и для исследовательских роботов иных назначений. Вместе с тем отметим, что океанологические и космические КИРС обладают рядом специфических особенностей, и их рассмотрение представляет предмет отдельного исследования. 
 

 

        Чувствительные элементы и информационные системы КИРС.

       Информационные  системы КИРС принимают и производят первичную обработку измерительной информации не только для целей планирования механических движений манипуляторов, но и для проведения контроля и диагностики различных объектов. Поэтому информационные системы КИРС обладают необходимым числом чувствительных элементов, обеспечивающих решение поставленной задачи, и довольно сложной развитой структурой. Важнейшими свойствами информационной системы можно считать получение достоверной и адекватной по отношению к измеряемым параметрам информации, отсутствие избыточности и выдача только необходимой информации, которая требуется для проведения контроля и осуществления необходимых движений. Наличие избыточной информации может усложнить алгоритмы обработки, ухудшить помехозащищенность и быстродействие системы.

       Информационные  системы КИРС несколько сложнее  представленных в главе 1 систем роботов, осуществляющих только манипуляционные функции, и содержат самые разнообразные чувствительные элементы, основанные на различных физических принципах. Наибольшее распространение получили устройства технического ирония, пневматические сенсоры, ультразвуковые, электромагнитные, индукционные датчики, лазерные, СВЧ и иные преобразователи 'неразрушающего контроля и дефектоскопии, приспособленные для условий функционирования в КИРС.

       В главе 1 были рассмотрены системы  очувствления различных типов манипуляционных роботов, в том числе устройства технического зрения как наиболее информативные, и пневматические устройства как наиболее простые и надежные (хотя и менее информативные). В данной главе рассмотрим некоторые особенности и схемы чувствительных элементов оптического и пневматического типов применительно к их функционированию в составе КИРС

       Оптические  системы находят широкое применение для выполнения контрольно-измерительных  функций и для целей управления. Эти системы могут располагаться раздельно по отношению к роботу, а также непосредственно на одном из его звеньев, например, в схвате, если это допускается габаритами и массой оптических систем. Наибольшее распространение получают два типа оптических преобразователей:

       1) твердотельные фоточувствительные матрицы - ПЗС-структуры, 
фотодиодные матрицы и другие;

       2) телевизионные передающие трубки - видиконы, диссектеры, секоны. 
Информационные   системы   КИРС   на   основе   телевизионных   трубок    имеют сравнительно большие габариты передающей камеры (минимальный диаметр ~40 мм, длина 100-200 мм), однако обладают большой пространственной разрешающей способностью и высокой чувствительностью. Для уменьшения габаритов входного элемента датчика в зоне захватного устройства робота начинает находить применение волоконная оптика. Современные видиконы снабжены волоконно-оптическими пластинами на входе, что обеспечивает их стыковку со жгутами и с модульными усилителями яркости изображения. Твердотельные фоточувствительные матрицы наиболее перспективны дня применения в робототехнике и, в частности, в КИРС Дискретные матрицы позволяют квантовать изображения на входе, обладают широким динамическим диапазоном (до 80 дБ), отличаются высокой помехозащищенностью, быстродействием, что обеспечивает хорошие информационные показатели , а также имеют малые габариты и массы.

       Оптические  системы позволяют производить  анализ больших массивов измерительной информации, их первичную обработку и последующий ввод в мини-ЭВМ для распознавания, улучшения и сравнения изображений объектов внешней среды роботов, что необходимо для высококачественной работы КИРС.

       Принцип анализа и преобразования изображения  в числовой массив -последовательный (в телевизионных системах) или параллельный (в когерентно-оптических системах). Средства технического зрения КИРС содержат (рис. 4) источники освещения объекта манипулирования, оптическую систему формирования изображения и преобразования его в видеосигнал, интерфейсное устройство стыковки с микропроцессором и далее с ЭВМ, монитор, выключатель блока детектирования. Оптические характеристики объектов измеряются посредством различных фотометрических устройств, использующих явления интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии света, а также нелинейные оптические эффекты, возникающие в результате взаимодействия лазерного излучения с веществом. Для одномерных измерений применяются оптические линейки, для двумерных изображений — фотоматрицы, для объемных изображений - специальные многослойные матрицы, две или три телекамеры или специально разрабатываемые голографические устройства.

       

       Рис. 4

       При измерении параметров движущихся объектов рекомендуется при 
менять синхронизацию изображения объекта с воспринимающей системой 
телекамеры при помощи стробоскопа или использовать механический зат- 
вор в устройстве телекамеры. Система очувствления робота, в которой применяется устройство управления механическим затвором телекамеры, содержит следующие блоки (рис.5): телекамеру 1, диск 2, шаговый двигатель 3, телевизионную трубку   4,   объектив   5, источник освещенности б, датчик 8 наличия дета ли 7, частотный преобразователь 9, блок управления механическим затвором 10,, командное устройство 11, блок распознавания изображений 12, интерфейсное устройство 13 для связи с ЭВМ, управляющей роботом. Вращающийся с постоянной угловой скоростью диск с прорезями, укрепленный на валу шагового двигателя, располагается между телевизионной трубкой и объективом. При этом частота переключения механического затвора согласуется с внешней строчной разверткой телекамеры при формировании изображений. Качество изображения эквивалентно качеству, получаемому посредством стробоскопического метода. Эффективный диаметр в системе "Фудзи электрик" составляет 15 мм, допустимое время движения изображения не более 2 мс, время перемещения механического затвора 420 мкс.

       

       Рис. 5

       Применение  управляемого механического затвора значительно улучшает динамические свойства системы и в первую очередь — ее разрешающую способность. Так, при скорости движения подвижного объекта, равной 500 мм/с, применение механического затвора повышает разрешающую способность в 10 раз.

       Улучшение качества распознавания двумерных  движущихся объектов достигается при использовании многооконной системы технического зрения с твердотельной телекамерой и с механическим затвором .

       Широкие исследования ведутся по созданию трехмерных систем технического зрения. Известны действующие трехмерные системы технического зрения на базе телекамер и ПЗС-матриц, соединенные технически и программно с устройствами управления промышленных роботов. Эти системы предназначены для обеспечения технологических процессов сборки, сварки, автоматического контроля и взаимодействия с подвижными транспортными средствами.

       Она предназначена для определения  расстояния до разных частей объекта и первичной обработки изображения для передачи в управляющую ЭВМ робота. Система (рис. 6) состоит из многослойной матрицы 1 с фоточувствительными элементами, специального осветительного устройства инфракрасного излучения 2, системы линз 3, 4. Свет, отраженный от освещенного участка 5 объекта 6, попадает через систему линз на матрицу 1, электрические сигналы с выходов которой поступают во встроенное микропроцессорное устройство обработки первичной информации. Встроенное микропроцессорное устройство включает: логический блок управления источниками инфракрасного излучения, преобразователи ввода данных с многослойной фотоматрицы, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор, устройство параллельного ввода данных в управляемую ЭВМ.

       

       Рис. 6

       Рассмотрим  схемы и характеристики некоторых  пневматических датчиков, предназначенных для использования в КИРС. Датчик следящего схвата, предназначен для организации коррекции движения руки робота,  в зависимости от изменения внешних условий контроля. Следящая рука КИРС (рис.7) имеет шарнирно связанные между собой звенья 1, систему приводов этих звеньев 2, схват 3 с диагностической головкой 4 (или инструментом),  кронштейн 5,  пневмодатчик  6, устройство управления 7. Пневмодатчик 6 крепится на кронштейне 5 и располагается над исследуемой поверхностью детали 8. В ходе технологического процесса пневмодатчик отслеживает положение обрабатываемой поверхности детали относительно диагностической головки или рабочего инструмента 4 и при отклонении от рабочего режима, например, при уходе с кромки или при изменении расстояния до поверхности обработки выдает пневматические сигналы на устройство управления 7 по двум независимым каналам. Устройство управления 7 преобразует пневматические сигналы, содержащие информацию о режиме обработки, и при необходимости вносит коррекцию, формируя управляющие сигналы и воздействуя на систему приводов 2 манипулятора для компенсации отклонений посредством трех каналов, связанных с приводами звеньев руки манипулятора.