Контрольно-измерительные робототехнические системы

       Конструкция измерительного схвата, предусматривает возможность измерения размеров детали и определения их отклонения от номинала непосредственно в схвате робота, что позволяет значительно сократить время технологического процесса при контрольных операциях. Разработанная конструкция предназначена для схватов широко используемых роботов-манипуляторов, например, промышленного робота "Циклон".

       На  рис.18 представлены: измерительный схват 1 робота, в котором контрольная деталь,  зажимается посредством шарнирно-рычажного механизма с приводом 2 профильными губками 6. Штриховой линией приведен вариант профильных губок для контроля внутренних размеров детали. Измерительный кронштейн 4 устанавливается и фиксируется в положении, обеспечивающем рабочий зазор между соплом пневматического датчика 3 и ограничителем 5, выполняющим роль заслонки. Так как кронштейн закреплен на неподвижном корпусе руки, при зажатии последующих деталей отклонения их размеров от номинального размера контрольной детали влияют на положение ограничителя 5 относительно сопла датчика 3, закрепленного на кронштейне. Это позволяет получить соответствующий сигнал о размере детали на входе датчика.

Рис. 18

       Конструкция датчика приведена на рис. 19. Датчик содержит корпус 1 сопло 2, входной дроссель 3 и сопло 4. Датчик подключается по схеме с замкнутой измерительной камерой, которая сообщается с пневматическим преобразователем. Конструкция предусматривает возможность смены пневматических сопротивлений при подборе диаметров и точности контроля, а также при установке необходимой чувствительности измерений.

  Рис. 19

       На  рис. 20 показана экспериментальная  рабочая характеристика датчика. По оси ординат отсчитываются отклонения Д от номинального размера детали. Допуск в представленном случае составляет ± 0,1 мм, которому соответствует линейная часть рабочей характеристики датчика.' На оси абсцисс показаны значения давления в информационном канале датчика.

  Рис. 20

  Разработанное устройство обеспечивает точность до нескольких микрон и высокое быстродействие измерений, а также позволяет совместить выполнение контрольных и транспортных операций. 
 
 
 

       Контрольно-измерительные  робототехнические  системы на основе видео детектора  и пневматического  манипуляционного робота.

       КИРС  с применением видеодетектора и  пневматического манипуляционного робота предназначены для идентификации и сортировки изделий по геометрическим признакам на основе информации о проекции детали. В качестве пневматических манипуляционных роботов могут использоваться роботы типа "Циклон", "Ритм" РФ.

       Система содержит промышленный манипуляционный робот, видеодетектора с микропроцессором, интерфейсный блок связи с роботом, блок программного управления роботом (рис. 21). В экспериментальной установке используется видеодетектор "Фуджи электрик", содержащий телекамеру, два монитора, блок логической обработки изображений на микропроцессорах Intel 8080. Для повышения точности и достоверности обработки изображений применяются 16-разрядные микропроцессоры на базе Intel 8086, Intel 8087 и др. Блок логической обработки с устройствами питания выполнен в виде стойки. Система может работать в двух режимах в полностью автоматическом режиме без оператора и в супервизорном режиме с корректировкой управления  оператором  в  соответствии с обобщенной схемой, приведенной на рис. 2 и содержащей два иерархических уровня управления. В составе робототехнического комплекса видеодетектор используется не только как собственно чувствительный элемент, но и как устройство, формирующее (в зависимости от изменения внешних условий) команды, изменяющие программу нижнего уровня иерархической системы управления. Нижний уровень реализует выбранное программное движение.

       Рис. 21

       Работа  системы (рис. 22) происходит следующим образом. Предварительно эталонный образец подносится манипулятором в зону действия телекамеры и определяются значения параметров, по которым будет выполняться контроль. Затем в память микропроцессора вводятся граничные значения параметров, по которым должно контролироваться изделие. После этого манипулятор устанавливается в исходную позицию и включается автоматический режим, при котором могут быть реализованы заданные цикловые движения. Робот захватывает из подающего устройства, например конвейера или бункера, подлежащее контролю изделие, подносит его в поле зрения телекамеры и останавливается на время, необходимое дня проведения операции контроля, которое составляет 200— 400 мс. Для остановки руки робота используется "технологическая команда", задаваемая с пульта управления или включенная в программу автоматического режима. В момент остановки срабатывает синхронизирующее устройство и формируется командный сигнал запуска видеодетектора. В результате выполненных измерений вырабатывается сигнал на включение одного из двух индикаторов, отражающих

состояние изделия. В отбраковочном контроле это соответствует состоянию "годен" или "брак". При включении одного индикатора вырабатывается сигнал на продолжение программы движения манипулятора, а включение другого индикатора ведет к изменению программы. В первом случае годные детали могут направляться на конвейер для проведения других технологических операций, а во втором случае попадают в специальный бункер для бракованных деталей.

Рис. 22

       Таким образом, верхний уровень иерархии, который составляет видеодетектор с микропроцессорной обработкой первичной измерительной информации, принимает решение о выборе необходимой программы движения, а нижний уровень осуществляет требуемое программное движение, управляя приводами робота. Структурная схема одного из разработанных вариантов системы с применением робота "Циклон" и видеодетектора показана на рис.23.Система предназначена для разбраковки изделий. Внешний вид установки изображен на   рис. 24.

       Рис. 23

       Рис. 24 

      В системе может быть применен управляемый механический затвор , схема которого приведена на рис. 5. Использование управляемого затвора значительно улучшает динамические качества системы и прежде всего ее разрешающую способность. Так, при скорости движения изделия, равной 500 мм/с, применение механического затвора повышает разрешающую способность не менее, чем в 10 раз.

      Среднеквадратичная  динамическая относительная погрешность  состоит из следующих основных составляющих:

       Здесь δ₁ — приведенная погрешность телевизионного тракта, <δ₂ - погрешность преобразования сигнала, δ₃ - погрешность вычислительных алгоритмов, δ₄ - погрешность, возникающая в результате увеличения скорости движения изделия больше допустимой. В диапазоне малых скоростей (до ~ 0,5 м/с) разрешающая способность составляет не менее 100 линий на строку, δ₄ = 0 и результирующая погрешность складывается из погрешностей тракта, преобразования, вычислительных алгоритмов. При больших скоростях составляющая погрешности <δ₄ значительно возрастает, и при скоростях движения деталей более 2,0 м/с система становится практически неработоспособной. Поэтому в подобных системах предусматривается остановка движения детали на время от 200 до 400 мс, необходимое для проведения ai тематического контроля.

       Вычисления  основных параметров плоских фигур  производятся в динамическом режиме и реальном масштабе времени. Площадь подсчитывается посредством суммирования площадей дискретных элементов изображения, находящихся внутри заданного контура. Погрешность определяется числом элементов, находящихся на границе контура. Система определяет также периметр фигуры, ее длину и ширину, а также положение центра фигуры. Эти данные используются в КИРС для идентификации объекта и для ориентирования схвата робота при взятии этого объекта. Используя данные параметры,   КИРС   производит   также   идентификацию   дефектов  детали. Как правило, процесс контроля и отбраковки охватывает большое количество различных контрольных характеристик. В большинстве случаев необходимо дать общую оценку изделия. Применение КИРС позволяет выбрать несколько определяющих параметров, анализ которых дает возможность оценить качество изделия и вынести заключение о его соответствии заданному стандарту. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Контрольно-измерительные  робототехнические  системы для исследования поверхностей сложных форм.

       КИРС, выполняющие функции обследования поверхностей сложных форм, могут измерять геометрические и механические параметры, чистоту поверхности, отклонение каких-либо ее характеристик от требуемых, а также находить трещины и другие дефекты. Различные особенности поверхностей устанавливаются посредством измерения диагностическими датчиками неоднородностей наводимых физических полей. Локационные датчики КИРС при этом служат для ориентации системы диагностических датчиков, например, для расположения чувствительных элементов по нормали к исследуемой поверхности и для организации обратной связи в системе. Рассмотрим схему функционирования робота, обеспечивающего отслеживание некоторой поверхности (рис. 25). Требуется поддерживать заданное расстояние схвата до поверхности по нормали и обеспечивать необходимую скорость движения. Сигналы, принимаемые от датчика, должны преобразовываться посредством матриц поворота, а затем поступать   в   устройство   управления   приводами.   Датчики,  расположенные  в запястье руки робота, измеряют положение и скорость, после чего происходи!' сравнение сигналов, соответствующих действительному и требуемому положениям руки.

       Рис. 25

       Датчики, расположенные в запястье руки робота, измеряют положение и скорость, после  чего происходит сложение сигналов, соответствующих  действительному и требуемому положению  рук. Введем системы координат: неподвижную ()₀Х₀ Y₀Z₀, связанную с основанием робота; подвижную O₁X₁F₁Z₁, связанную с датчиком; подвижную O₂X₂F₂Z₂, связанную с рассматриваемой точкой контролируемой   поверхности.  (Координатные оси Z₀,Z₁ и Z₂ перпендикулярны к плоскости чертежа.) Координатная ось Y₁ совпадает с осью датчика (рис. 25а), ось Y₂ нормальна к поверхности в рассматриваемой точке а_т. Пусть M_l0(t) и М₂₂(t) - матрицы поворота первой и второй подвижной систем координат относительно неподвижной системы, М₁₂ (t) — матрица поворота второй подвижной системы относительно первой, а транспонированная матрица М^T₂₁ = М₁₂ определяет поворот датчика по отношению к участку отслеживаемой поверхности. Имеем М₁₂ (t) =M₁₀(t)M₂₀(t).

       Текущее положение рассматриваемой точки  в системах координат O₀X₀Y₀ и O₂Y₂Z₂ соответствует координатам Х_0д, Y_0д и Х_2д,Y_2д, а требуемое положение датчика в системах координат O₀X₀Y₀ и О₁ Х₁ Y₁, определяется координатами Х_0т, Y_0t и X_0т, Y_0т. Сигналы а_г и а_д (рис. 26) определяют соответственно положение рассматриваемой точки и конечного звена манипулятора в неподвижной системе координат. С помощью сигналов β_1с и β_2с формируются управляющие воздействия на приводные системы, при этом- ∆∆β_с = βо — β2с,  ∆а_т ⁼ а_т-а_д Сигналы а_0д определяют угловые координаты в шарнирах звеньев манипулятора. Сигнал ∆β_с может управлять приводом, встроенным непосредственно в шарнир руки манипулятора таким образом, чтобы произошло совпадение систем координат О₁Х₁ Y₁, и 0₂Х₂ Y₂ (рис. 25 б). В этом случае диагностическая головка будет ориентирована нормально к исследуемой поверхности. Условиями 'такого управления являются:

       Β_1с = М₀₁ (а_т — а_д); β_2c =M₁₂β_lc.

       Структурная схема КИРС, предназначенная для  исследования сложной поверхности, предусматривает (рис.26) наличие датчиков, контроллера, преобразователя координат, устройства управления системой приводов. В работах указывается на опыт применения кодовых датчиков углов поворота двух звеньев робота, потенциометров и тахометров для определения линейных,угловых перемещений и скоростей третьего звена, четырех полупроводниковых преобразователей для измерения давления в цилиндрах. Измерение расстояний до поверхности производится посредством индуктивных датчиков или двумя потенциометрами по дифференциальной схеме.