Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства

Подождите немного. Документ загружается.

150 об./мин. Характеристика потенциометрического датчика должна

быть линейной.

В качестве аналогового измерителя угловых перемещений в авто-

матике применяли сельсинную систему, содержащую сельсин-

передатчик и сельсин-приемник, связанные тремя проводами (рис.

2.23).

вх

Cтатор

вых

(

вх

, α

)

ПЕРЕДАТЧИК

ПРИЕМНИК

Рис. 2.23. Сельсинная пара

Каждый сельсин состоит из двухполюсной обмотки ротора Р, по-

ворачивающегося внутри статора С, который имеет три обмотки, раз-

мещенные под углом 120°. К ротору передатчика подводят переменное

напряжение U

вх

. В обмотках статора индуцируется переменное напря-

жение, распределяемое между обмотками в зависимости от угла α по-

ворота ротора относительно статора. Это напряжение передается на

обмотки статора сельсина-приемника и затем индуцируется в обмотке

ротора как величина U

вых

, зависящая от угла поворота ротора в сель-

сине-передатчике. Если обмотки ротора приемника и передатчика пи-

тать от одного источника напряжения, то ротор приемника будет по-

вторять повороты ротора передатчика. Погрешность измерения угла α

составляет 20 – 30 угловых минут.

Цифровые измерители перемещений преобразуют линейное или

угловое перемещение в цифровой код. Они точнее аналоговых измери-

телей, поскольку разрешающая способность цифрового кодирования

перемещений может быть весьма высока. Измерители имеют движу-

щийся диск или полоску (рис. 2.24) с чередованием проводящих и не-

проводящих участков и считывающее устройство в виде щетки (а),

фотоприемника (б) или индуктивного преобразователя (в). При пере-

мещении объекта на выходе измерителя образуются электрические

импульсы.

вх

вых

–

а б в

Рис. 2.24. Принципы кодирования перемещений:

а – электропроводящими секторами; б – светопроводящими

участками; в – магнитными сегментами

По принципу считывания цифровые измерители подразделяют на

накапливающие и абсолютные. В накапливающих измерителях или

преобразователях приращений импульсы чувствительного эле-мента

суммируют или вычитают в счетчике приращений (рис. 2.25, а). Накап-

ливающий измеритель возвращается в исходное положение при вклю-

чении системы и начинает отсчет импульсов при перемещении. В аб-

солютных измерителях или преобразователях считывания каждое

положение объекта характеризуется определенной кодовой комбина-

цией (рис. 2.25, б).

Чувст-

витель-

ный

элемент

Чувст-

витель-

ный

элемент

Счетчик

импульсов

Шифратор

а б

Рис. 2.25. Способы преобразования в цифровых

измерителях перемещений:

а – по приращению; б – по абсолютному значению

В современной автоматике наиболее надежными и точными при-

знаны фотоэлектрические измерители перемещений. Измеритель состо-

ит из двух дисков с источниками 1 и приемниками 2 света, закреплен-

ными на общей оси так, что каждый приемник (фото-диод) получает

свет от расположенного напротив

источника (светодиода) (рис.

2.26). Между этими дисками

вставляется непрозрачный коди-

рующий диск 3, в котором выре-

заны сектора. При повороте этого

диска объектом 4 одни фотодиоды

воспринимают свет, а другие – нет.

Соответственно углу поворота

изменяется код на выходе датчи-

ка. В зависимости от числа фото-

диодов и размещения секторов на

кодовом диске число кодовых

комбинаций за один обо-рот диска

достигает 8 тысяч, а раз-решающая

способность датчика до-стигает долей

угловых секунд.

В качестве датчиков скорости ис-

пользовали тахогенераторы – ми-

ниатюрные электрические машины с

возбуждением от постоянных магнитов,

в которых выходное напряжение про-

порционально угловой скорости враще-

ния ротора, связанного с вращающимся

объектом. В настоящее время для изме-

рения скорости используют бескон-

Рис. 2.27.

Работа та

к-

тильного датчика с щупом

0 1 0 0

Рис. 2.26.

Фотоэлектрич

е-

ский измеритель угловых пе-

ремещений:

1 – диск светодиодов; 2 – диск

фото-

диодов;

–

кодирующий диск;

тактные датчики положения, в которых подсчитывают число импуль-

сов в единицу времени при вра-щении зубчатого диска, связанного

с вращающимся объектом.

Тактильные датчики предназначены для обнаружения контакта с

объектом или распознавания объектов по тактильному образу. Про-

стой тактильный датчик представляет собой датчик положения с под-

вижным щупом, поворачивающимся при касании объекта (рис. 2.27).

Тактильный датчик, имитирую-щий ус кошки, содержит

гибкий щуп 1, который пропущен через отверстие в медной

пластине 3 и припаян к фольгированной плате 2 (рис. 2.28,

а). Через резистор

к плате подключен один полюс напряжения U

, а

к медной

пластине – другой полюс. При касании

объекта щуп изгиба-

ется и соединяется с медной пластиной.

С фольгированной

платы снимают сигнал касания U

вых

. Линейка таких датчиков

образует систему распознавания высоты объектов, движу-

щихся по конвейеру (рис. 2.28, б).

вых

–

а б

Рис. 2.28. Тактильный датчик (а) и тактильное распознавание

объекта (б)

Другим типом тактильных датчиков является датчик контактного

давления, не имеющий щупа. Матрица датчиков контактного давления

размещается на плоской поверхности и служит для распознавания

формы касающегося ее объекта (рис. 2.29, а). Датчик контактного дав-

ления может быть выполнен в виде матрицы металлических контактов,

над которой через эластичный материал с отверстиями уложена фольга

(рис. 2.29, б). При нажатии на фольгу контакт замыкается. Объект рас-

познается по расположению замкнутых контактов в матрице.

а б

Рис. 2.29. Распознавание формы объекта тактильной матрицей:

а – размещение элементов матрицы 1 на поверхности 2; б – включение

элемента при нажатии; 1 – контакт, 2 – фольга, 3 – эластичный материал

Продолжаются работы по созданию «искусственной кожи» – так-

тильных матриц на поливинилфторидной пленке 1 с изменяемой про-

водимостью R, которую помещают между матрицами электродов 2 и 3

(рис. 2.30). При нажатии на верхний электрод 2 пленка сжимается и ее

проводимость в месте нажатия увеличивается, что позволяет оценить

распределение давления объекта P по изменению сопротивления эле-

ментов матрицы.

•

–

Рис. 2.30. Схема «искусственной кожи»:

1 – полупроводящая пленка; 2, 3 – электроды

Силомоментные датчики применяют для измерения усилий на

исполнительных устройствах. Преобразование сил и моментов в элек-

трический сигнал осуществляется двумя способами:

– непосредственным съемом сигнала с элемента датчика, чувстви-

тельного к усилиям в тензорезисторных, пьезоэлектрических или маг-

нитоупругих преобразователях;

– измерением перемещения подпружиненной опоры, к которой

приложено усилие.

Для измерения усилий чаще всего применяют тензорезисторы,

преобразующие усилие в изменение сопротивления. Тензорезистор

представляет собой тонкий провод с высоким удельным сопротивле-

нием, уложенный прямоугольными витками между мягкими подлож-

ками (рис. 2.31, а). Сопротивление проводника зависит от удельного

сопротивления материала ρ, длины проводника L и его сечения S:

R = ρL/S

(2.1)

Тензорезистор наклеивают на поверхность так, чтобы длинная сто-

рона витков была направлена вдоль линии деформации при нагрузке

(рис. 2.31, б). Приложение нагрузки приводит к деформации поверхно-

сти, удлинению витков и уменьшению сечения проводника в тензоре-

зисторе. Его сопротивление увеличивается на ∆R пропорционально

величине нагрузки. При постоянном объеме проводника:

R = ρL/S = ρL

/V (2.2)

изменение сопротивления составит

∆R = ρ 2∆L / V . (2.3)

Рис. 2.31. Тензорезистор:

а – конструкция; б – принцип работы

Магнитоупругий датчик использует эффект изменения магнитных

свойств ферромагнитных материалов под действием силы. Через про-

тивоположные отверстия сердечника намотаны две взаимно перпенди-

кулярные обмотки (рис. 2.32).

К одной из обмоток прикладывают переменное напряжение. По-

скольку вторая обмотка перпендикулярна к первой, в ней не наводится

напряжение. Если приложить нагруз-

ку F, сердечник деформируется и во

второй обмотке возникает напряже-

ние U

вых

, пропорциональное нагрузке.

Магнитоупругие датчики используют

при нагрузках более 1 кН в условиях

высокого давления, влажности и по-

вышенной радиации.

Вихретоковый датчик усилий ис-

пользует эффект изменения маг-

нитного сопротивления сердечника

электромагнита переменного тока. Из-

мерительная цепь (рис. 2.33) состоит из согласующего трансформатора

Тр, первичная обмотка которого подключена к рабочему Д

и компен-

сационному Д

дросселям.

Тр

вых

Рис. 2.33. Схема вихретокового датчика

усилий

К средней точке трансформатора и точке соединения дросселей

подводят переменное напряжение ~U. Мост сбалансирован так, что

при отсутствии нагрузки напряжение U

вых

на вторичной обмотке

трансформатора равно нулю. Нагрузка F, приложенная к сердечнику

рабочего дросселя Д

, изменяет площадь контактных переходов между

вых

= j

(

)

Рис. 2.32.

Магнит

о-

упруги

й датчик усилий

пластинами сердечника. При этом изменяется переходное сопротивле-

ние магнитопровода, обусловленное потерями на гистерезис и вихре-

вые токи. Из-за разбалансирования моста во вторичной обмотке

трансформатора появляется напряжение U

вых

Для измерения микроперемещений опоры под действием на-грузки

используют волоконно-оптические датчики. На рис. 2.34, а луч от ис-

точника 1 проходит через оптическое волокно 2 и приз-

му 3 к фотоприемнику. Основание призмы установлено под пластиной

4 со светопоглощающим слоем. При приложении усилия F пластина

прогибается и поглощает часть света через призму. Изменение свето-

вого потока фиксируется фотоприемником. В конструкции, представ-

ленной на рис. 2.34, б, луч проходит через одно из двух оптических

волокон 1, отражается от отражателя 2 и возвращается по второму во-

локну к фотоприемнику ФП. Приложение нагрузки F приводит к де-

формации пластины 3 и повороту отражателя 2. При этом сигнал на

фотоприемнике уменьшается.

2 1

4 3

Фото-

приемник

Фото-

приемник

а б

Рис. 2.34 . Волоконно-оптические датчики усилий:

а – по смещению пластины 4; б – по повороту отражателя 2

Силомоментные датчики применяют для силового очувствления

при дистанционном управлении, операций транспортировки, сборки,

резания и зачистки. В сложных задачах выделяют шесть проекций

вектора сил и моментов в трехмерном пространстве с помощью специ-

ального размещения датчиков или программной обработки их сигна-

лов.

Рис. 2.35. Принцип действия термопары

Для измерения температуры применяют термосопротивление или

термопару. Проводимость электрического тока в термосопротивлении

нелинейно увеличивается при повышении температуры. Термопара

преобразует изменение температуры в месте спая проводов из двух

разнородных металлов в изменение тока, протекающего через эти ме-

таллы. Для уменьшения температурной погрешности термопары про-

вода металлы спаивают в двух точках (рис. 2.35). Одну из них поме-

щают в место измерения. Разность потенциалов V

и V

между спаями

зависит от разности их температур.

Локационные датчики предназначены для бесконтактного изме-

рения расстояний до объектов, скорости движения и размеров объек-

тов, обнаружения препятствий, а также для определения зазоров, пере-

косов, проскальзываний, наличия внутренних дефектов, толщины ма-

териала, твердости, механических напряжений, площади, ориентации

относительно заданной точки. Для локационных датчиков используют

акустический, магнитный, оптический, радиационный, радиоволновой,

тепловой, электрический, электромагнитный и пневматический мето-

ды измерения дальности. При пассивной локации принимают собст-

венные сигналы объекта; при активной локации воспринимают раз-

ность излучаемого и отраженного от объекта сигналов. Ультразвуко-

вой метод локации основан на способности волн частотой более 20 кГц

распространяться в твердых, жидких и газообразных средах с отраже-

нием от неоднородностей сред. В эхо-методе на объект передают ульт-

развуковые импульсы и принимают сигналы, отраженные от неодно-

родностей среды.

Генератор 1 (рис. 2.36) вырабатывает импульсы частотой 35 кГц, ко-

торые через коммутатор 2 поступают в излучатель-микрофон 3 и пере-

даются на объект. Коммутатор переключает режимы излучения и

приема ультразвуковых импульсов.

1 5

4 2 3

Рис. 2.36. Схема ультразвукового локационного датчика:

1 – генератор; 2 – коммутатор; 3 – излучатель-микрофон;

4 – усилитель-формирователь; 5 – преобразователь

Отраженные от объекта импульсы воспринимаются микрофоном и

через коммутатор передаются в усилитель-формирователь 4. В преоб-

разователе 5 их сравнивают по фазе с излучаемыми импульсами. Раз-

ность фаз пропорциональна расстоянию L до объекта. Если разделить

излучатель и микрофон, то зона нечувствительности перед датчиком

уменьшится с 250 до 50 мм. Для повышения точности в ультразвуковой

дальномер 1 вводят отражатель импульсов 2 от объекта 3 (рис. 2.37).

Ультразвуковые дальномеры обеспечивают измерение перемещений

с погреш-ностью 2 % в диапазонах 2–2000 м (в воздухе), 0,5–10 000 м

(в жид-кости); скоростей с погрешностью 2 % – более 2 мм/с (в возду-

хе), более 10 мм/с (в жидкости); вибраций от 2 мм/с (в воздухе) и от

10 мм/с (в жидкости). Однако они неспособны измерять расстояния до

звукопоглощающих объектов, выполненных из пористых мате-

риалов, таких как резина, ткань и др.

Оптический способ локации часто применяют для обнаружения

движущихся объектов. Излучатель 1 и приемник 2 света, расположен-

ные под углом друг к другу, могут обнаруживать объек-

ты 3 на расстоянии L по отраженному

свету (рис. 2.38, а). На качество обнару-

жения влияют свойства отражающей по-

верхности. При ближней локации (рис.

2.38, б) измеряется расстояние ∆х между

торцами световодов 4 и объектом 3.

Рис. 2.37

. Работа

ультра-

звукового дально-

мера