Контрольно-измерительные робототехнические системы

       

       Рис. 7

       

       Рис. 8

       Пневматический  датчик (рис. 8) имеет корпус 7, измерительные каналы 2, входные (3) и выходные (4) пневматические сопротивления, питающую емкость 5, струйные сопла 6, а также конструкцию регулирования межсопельного расстояния 7. Работа пневматического датчика происходит следующим образом. В питающую емкость 5 подается сжатый воздух, предварительно прошедший фильтр и стабилизатор давления. Проходя через входные пневматические сопротивления 3, воздух попадает в измерительные каналы 2, давление в которых зависит от положения струйных сопел 6 относительно поверхности обрабатываемой детали или иной задающей поверхности.

       В режиме слежения за кромкой давление в измерительном канале с соплом, расположенным над поверхностью, будет соответствовать расстоянию до поверхности, а в канале с соплом, расположенным за кромкой, будет минимальным. При отклонении в ту или иную сторону давления в каналах будут соответственно изменяться. Точность позиционирования датчика в каждом конкретном случае зависит от межсопельного расстояния, которое можно менять с помощью кронштейна 5 (см. рис. 7) при грубой настройке и с помощью конструкции регулирования межсопельного расстояния 7 при точной настройке. Давления в измерительных каналах 2 передаются через выходные пневматические сопротивления 4 на устройство управления, которое преобразует информационные пневматические сигналы управления приводами руки манипулятора. Наличие адаптивной системы управления рукой манипулятора с использованием пневматического датчика позволяет повысить точность обработки и устранить брак из-за случайных отклонений формы заготовок, который, например, в процессе сварки достигает 4%.

       На  рис. 9 представлены экспериментальные характеристики двухсопельного датчика: зависимость выходного давления р_вых  от расстояния до объекта s и давления питания p_вых . Как видно из графика, чувствительность возрастает с увеличением давления питания, при этом увеличивается также дальнодействие. Ограничением на величину давления питания являются допустимое значение расхода воздуха, а также необходимость нахождения в докритическом режиме истечения воздуха на выходе пневматических сопротивлений. Здесь d_пит, (d_Bых — диаметры питающего и выходного сопел соответственно). На рис. 10 показана зависимость чувствительности первого капала датчика от режима работы второго канала. Характеристика S₂₁  получена при синхронном измерении расстояний s от сопла датчика до контролируемой поверхности в обоих каналах. Характеристика S₂₂ г отражает изменение информационного давления на выходе р_аых в первом канале в зависимости от расстояния s при нахождении второго сопла от контролируемой поверхности на расстоянии, большем величины дальнодействия датчика, что соответствует режиму слежения за кромкой. Из характеристик видно, что в режиме слежения за кромкой чувствительность датчика на малых расстояниях ниже по сравнению с кривой для режима s = 0,1 — 0,4 мм.

  

  Рис. 9

  

  Рис. 10 

       В КИРС для исследования поверхностей сложной формы перспективно применение струйно-акустических преобразователей, представляющих собой резонаторы Гельмгольца со встроенными в его корпус капиллярами (рис. 11).

       

       Рис. 11

       Действие  этих преобразователей основано на эффекте  разрушения ламинарной струи газа, протекающей через капилляры, когда давление в полости резонатора превышает давление во входном сечении приемного капилляра.

       Резонатор Гельмгольца, как известно , является многочастотной колебательной системой, низшая резонансная частота которой равна

       

       Здесь R — радиус входной трубки резонатора, / - длина этой трубки, V -объем полости резонатора, ᵧ=1, 4- показатель адиабаты воздуха,р_и, р₀ соответственно давление и плотность окружающего воздуха, а - скорость распространения звука. Свободные колебания (частоты ω₀) воздуха в полости резонатора с учетом слабого затухания, обусловленною вязкостью газа в трубке, приближенно описываются уравнением

       

       

 
 
 
 

       Здесь p(l, t) - избыточное давление газа в полости резонатора. µ- ею динамическая вязкость. Известно, что для вынужденных колебаний (с частотой ω₀)   осциллятора выполняется приближенное равенство

       

 

где р_вх, р_поп — амплитуды колебаний давления соответственно на входе и в полости резонатора. Гармонические колебания на входе резонатора возбуждаются специальными излучателями, расположенными па исследуемой поверхности.

  В  показано, что избыточное давление ламинарной свободной и затопленной струи, вытекающей из питающего капилляра Л",, на входе приемного капилляра К₂, равно

 

       Здесь ξ — коэффициент сопротивления приемного капилляра (ξ = 0,5-0,7); Q — объемный расход воздуха, протекающего через питающий капилляр; n - число нагрузочных элементов, присоединенных к выходу приемного капилляра K₁; r_L - радиус капилляра K₁; r₀ - радиус капилляра К₂; r_н -радиус нагрузочного капилляра; х - расстояние от входного сопла капилляра К₁ до рассматриваемого сечения струи.

       Если  выполняется неравенство р_поп ≥ p_L, то происходит разрушение ламинарной струи, давление на выходе капилляра К₂ падает, и датчик регистрирует наличие препятствия. С помощью основных параметров струйной цепи определяются необходимые расчетные зависимости для пневматических чувствительных элементов КИРС, которые были рассмотрены в этом разделе (здесь ∆р — перепад давления на элементе цепи, F — площадь поперечного сечения, V - объем элемента, υ - кинематический коэффициент вязкости, υ = µ/р).

       Контрольно-измерительные  робототехнические  системы с очувствленными схватами.

       Датчики различных типов, в том числе  пневматические, могут быть встроены в захватные устройства КИРС. Схват  со встроенными Датчиками приобретает возможность выполнить контрольно-измерительные и диагностические операции, в частности, дефектоскопии и неразрушающего контроля. Встроенные в захватные устройства пневматические датчики в основном предназначены для измерения и контроля геометрических параметров объектов, а именно, диаметров цилиндрических заготовок, отклонений от номинальных размеров, толщин листового материала, для обнаружения и идентификации отверстий, определения класса чистоты поверхности и т.п.

       Целесообразность  оснащения промышленных роботов очувствленными схватами с пневматическими датчиками для выполнения контрольно-измерительных операций обусловливается не только сравнительной конструктивной простотой и надежностью этих устройств, но и тем, что в большинстве роботов привод захватного устройства пневматический, в котором используется тот же источник энергии (сжатый воздух или газ), что и в датчике. В КИРС с очувствленными схватами измерительные операции отделены от транспортных, поэтому ошибки позиционирования не влияют на точность измерений.

       Промышленные  роботы могут быть использованы для  решения задач поиска и определения  размеров дефектов на поверхности, а  также для идентификации мест сопряжения деталей при сборке.

       При использовании пневматических измерителей  наиболее универсальным методом решения указанных задач является сканирование датчика по поверхности в определенном режиме. На рис. 12 изображен пример одного из возможных режимов для поиска и определения размеров отверстия на поверхности. Схват манипулятора 1 с датчиком 2 начинает сканирование от края поверхности 3 с заданным шагом //. Величина шага определяется известными технологическими параметрами, например, наименьшим возможным размером отверстия 4. При попадании на кромку отверстия датчик выдает сигнал на управляющее устройство робота для смены режима поиска, после чего сканирование продолжается по кромке отверстия с новым шагом h. В результате на вычислительное устройство поступает информация о параметрах идентифицируемого отверстия.

       

       Рис. 12

       Значение  необходимого  дальнодействия датчика сканирования определяется классом точности робота и неровностями исследуемой поверхности и поэтому, как правило, должно достигать нескольких миллиметров. Для получения такого дальнодействия используются датчики со специальными схемами.

       На  рис. 13 представлена схема датчика сканирования, который состоит из корпуса 1, корпуса со спиральными каналами 2, входного канала 3, питающей емкости 4 и измерительного канала 5. Воздух, проходя входной канал, питающую емкость и спиральные каналы, образует устойчивую струю, которая, взаимодействуя с поверхностью 6, деформируется, и дав ление передается в измерительный канал. На конечном участке рабочей зоны характеристики происходит эжектирование воздуха из измерительного канала, что расширяет диапазон измерений.

       

       Рис. 13

       На  рис. 14 представлены характеристики датчика сканирования для двух вариантов конструктивного выполнения. Определяющими параметрами конструкции являются диаметр D окружности, по которой располагаются спиральные каналы, и размер сечения спиральных каналов В. С увеличением значений указанных параметров дальнодействие датчика увеличивается. Начальные участки характеристик нелинейны; поэтому в качестве рабочей зоны выбирают конечные участки, соответствующие верхнему пределу измерений, что определяет назначение датчика.

       

       Рис. 14

       Возможным вариантом использования описанного датчика может быть применение его  в качестве сигнализатора для  смены режимов перемещения схвата на малых расстояниях от поверхности детали. При этом используется неоднозначность зависимости расстояниям от измерительного давления р_вых. Например, на характеристике 2 точка 2.1 может соответствовать началу рабочего движения схвата, а точка 2.2 -аварийному останову рабочего движения (рис. 14).

       В технологических процессах с  использованием КИРС целесообразно  начинать выполнение некоторых операций только после получения сигнала  о том, что деталь или соответствующий  орган манипулятора находится в  заданном положении. В таких случаях  необходимо использование датчиков обнаружения, которые, в частности, могут представлять собой конечные выключатели. При смене операций часто требуется перестройка датчиков, что желательно выполнять с наименьшими затратами. Кроме того, такие датчики должны обладать достаточным дальнодействием, чтобы быть нечувствительными, к случайным возмущениям контролируемого объекта, например при вибрациях, которые возникают при движении транспортного манипулятора или при перемещении детали на контейнере.

       Указанным требованиям удовлетворяет датчик обнаружения, схема которого представлена на рис. 15. Датчик состоит из основания 1, на котором смонтированы фиксирующие подводы 2 с питающими соплами 3, а также приемное сопло 4. В зависимости от вида и формы контролируемого объекта выбирается рабочее расстояние обнаружения х, после чего питающие сопла настраиваются с помощью фиксирующих подводов на угол а, при котором струя, отраженная от объекта, находящегося на расстоянии s, попадает в приемное сопло.

       

       Рис. 15 

      На  рис. 16 показаны зависимости давлении в приемном сопле от расстояния s. Чувствительность датчика можно повысить путем увеличения давления питания р_пит и диаметра питающих сопел, а также путем увеличения количества питающих сопел. Увеличение угла а приводит к уменьшению рабочего расстояния. Наличие максимального давления в приемном сопле сигнализирует о нахождении объекта в требуемом положении. 

  

  Рис. 16

       В современных промышленных роботах  широко используются захваты в виде вакуумных присосов, однако известные  датчики контроля работы указанных захватов не гарантируют надежной сигнализации о наличии детали в захвате, так как содержат механические толкатели, которые должны вступить во взаимодействие с деталью. Известные конструкции датчиков контроля ограничивают зону расположения присосов для взятия детали, а также накладывают ограничения на форму детали, так как в месте контакта датчика с деталью не должно быть отверстий и поверхностей, не перпендикулярных толкателю. Наличие механического контакта снижает ресурс датчика и его надежность, а также может привести к повреждению некоторых деталей.

       На  рис.17 приведена схема вакуумного захвата с датчиком контроля и  безопасности технологического процесса, который позволяет устранить  описанные недостатки известных  конструкций.

  

  Рис. 17

       Устройство  содержит канал подвода воздуха 1, эжектор 2, вакуумный канал 3, присосы 4 и датчик 5, состоящий из пневматической емкости 6, мембраны 7. жесткого центра 8, регулировочного винта 9, пружины 10, электрического переключателя 11. Устройство работает следующим образом. При надежном контакте присосов 4 с поверхностью захватываемой детали в вакуумном канале 3 возникает разрежение. Так как емкость 6 датчика 5 связана с вакуумным каналом 3, то давления в них в каждый момент времени будут равны. При возникновении разрежения в пневматической емкости 6 мембрана 7 под воздействием атмосферного давления прогибается, и ее жесткий центр 8 перемещается в направлении электрического переключателя 11. При достаточном разрежении, которое свидетельствует о наличии детали в захвате, жесткий центр 8 производит переключение контактов электрического переключателя 11 и замыкание соответствующей управляющей электрической цепи. Амплитуда перемещения центра 8, обеспечивающая переключение пени при взятии детали, устанавливается регулировочным винтом 9 посредством пружины 10 в зависимости от разрежения в вакуумном канале. Следует отметить, что предлагаемое устройство позволяет одним датчиком контролировать надежность удержания детали одновременно всеми присосами. Если хотя бы один из присосов неплотно захватит деталь или отойдет в процессе транспортировки, что может привести к выпадению детали из захвата и к нарушению технологического цикла, то информация об этом поступит с датчика в управляющую цепь и позволит скорректировать технологический цикл.