Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства

Подождите немного. Документ загружается.

∆

Рис. 2.38.

Оптические датчики:

а – дальней локации; б – ближней локации;

1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – объект; 4 – световод

Лазерные дальномеры определяют время прохождения или сдвиг

по фазе прямого и отраженного импульсов. Импульсы излучения лазе-

ра передаются на объект (рис. 2.39, а). Отраженные импульсы через

фотоумножитель 2 поступают в видеоусилитель 3. Расстояние до объ-

екта определяют по числу импульсов, поступивших в счетчик 4 за время

между прямым и отраженным импульсами.

Для расстояний менее 3 м время между прямым и отраженным им-

пульсами соизмеримо с длительностью импульса, поэтому применяют

фазовый метод (рис. 2.39, б). Непрерывное излучение лазера подается

на объект. Отраженный от объекта луч поступает в фотоприемник. По-

сле его обработки видеоусилителем фазометр сравнивает фазы излу-

чаемого и отраженного лучей. Расстояние до объекта оценивается по

разности фаз.

а б

Рис. 2.39. Схема лазерных дальномеров в режимах:

а – импульсного излучения; б – непрерывного излучения;

1 – лазер, 2 – фотоприемник, 3 – видеоусилитель,

4 – счетчик импульсов, 5 – фазометр

Лазерный измеритель расстояний от 20 до 400 мм работает по

принципу триангуляции (рис. 2.40) . Прямой луч лазерного диода 1

отражается от поверхности объекта 2 и поступает в фотоприемную

матрицу 3. Сигнал соответствующего элемента матрицы показывает

расстояние до объекта.

Рис. 2.40. Работа лазерного дальномера

в режиме триангуляции

Лазерный локационный датчик может применяться для измерения

времени движения объекта в зоне чувствительности датчика (рис. 2.41).

Короткие световые импульсы передаются лазерным диодом на объект.

Отраженные импульсы поступают в фотоприемник. Время ∆t между

прямым и отраженным импульсами преобразуется в напряжение U,

которое подается на выход датчика и вход компаратора K, где сравни-

вается с напряжением, заданным резисто-

ром R. Результат сравнения показывает, находится ли объект на рас-

стоянии L, заданном резистором R. Сигнал датчика может использо-

ваться для контроля скорости движения объекта.

Контроль

ошибки

Пороговый

элемент

Фото-

приемник

∆

Лазерный

диод

Рис. 2.41. Применение лазерного локационного датчика

для контроля движения объекта

Лазерные дальномеры обладают высокими точностью и разре-

шением, но сложны и громоздки.

Радиолокационные дальномеры работают на сверхвысоких часто-

тах, измеряя дальность до 1500 м с относительной погреш-ностью до

10 %. Расстояние оценивают по времени задержки отраженного сигна-

ла относительно прямого.

Сверхвысокочастотные (около 4 ГГц) дальномеры нечувствитель-

ны к шуму, вибрации, запыленности и влажности, но стоят дорого. В

отличие от других дальномеров они могут работать через непрозрач-

ное неметаллическое окно.

При измерении расстояний в несколько сантиметров используют

емкостные, вихретоковые, электромагнитные, струйные датчики. Ем-

костные датчики основаны на возбуждении генератором, имеющим ем-

костную цепочку колебаний, с частотой, зависящей от диэлектриче-

ской проницаемости и расстояния до объекта в чувствительной зоне.

При вихретоковом методе используют катушки, питаемые перемен-

ным током частоты 2⋅10

– 5⋅10

Гц и расположенные вблизи объекта

или охватывающие весь объект. Вихретоковые датчики работают в

агрессивных средах, например при измерении отклонения сварочной

головки от шва. Они позволяют обнаружить металлические предметы

величиной не менее 0,01 раз-мера преобразователя на расстоянии, не

превышающем половины линейного размера преобразователя. Метод

позволяет измерять расстояние до объекта в диапазоне от единиц до

десятков сантиметров с погрешностью 3 – 10 %, толщину электропро-

водящих покрытий от 10

–3

до 1 м с погрешностью 10 – 20 %.

В электромагнитных методах измеряют напряженность постоянно-

го или низкочастотного магнитного поля с помощью индукционных

катушек, магнитомодуляционных преобразователей (феррозондов),

датчиков Холла, магнитодиодов и магнитотриодов, а также изменение

интенсивности, амплитуды, фазы, частоты и других параметров излу-

чения волн длиной 1 – 100 мм при взаимодействии с объектом.

Струйные датчики используют прерывание струи, турбулизацию

ламинарной струи, изменение давления в камере, обработку импульсов

прерывания струи. С их помощью можно определить линейное пере-

мещение на расстоянии от 0 до 4 мм с погрешностью 0,5 – 3 % и чув-

ствительностью 200 Па/мкм, наличие объекта на расстоянии до 20 мм с

погрешностью 2 – 8 %; усилие в диапазонах 0,1 – 10 и 1 – 100 Н с по-

грешностью 5 % и быстродействием 0,2 с.

Системы технического зрения (СТЗ) предоставляют 80 – 90 % ин-

формации о внешней среде. Их используют для распознавания и сор-

тировки деталей, разбора деталей из навала и укладки в кассеты, из-

мерения координат движущихся объектов, определения характерных

точек и ориентации деталей при сборке, контроле качества обработки

и покрытия деталей, контроле изделий. Выделяют распознающие, из-

мерительные и обзорно-информационные СТЗ. Распознающие СТЗ

применяют для контроля качества, классификации и сортировки объ-

ектов по геометрическим параметрам. Измерительные СТЗ по геомет-

рическим параметрам объектов вычисляют расстояния, преобразуют

координаты, определяют ориентацию объектов. Обзорно-

информационные СТЗ служат для организации технологического про-

цесса путем анализа сцен в рабочей зоне.

Система технического зрения содержит видеодатчик, информация

с которого проходит предварительную обработку в блоке и фиксирует-

ся в буферном запоминающем устройстве на время обработки изобра-

жения в ЭВМ (рис. 2.42).

2 3 4

Рис. 2.42. Система технического зрения:

1 – видеодатчик; 2 – блок предварительной обработки

информации; 3 – буферный регистр; 4 – ЭВМ;

5 – видеоконтрольное устройство

В режиме настройки видеодатчик наводят на рабочую сцену, фоку-

сируют изображение, задают пороги градации распознаваемых при-

знаков (например, черный и белый). В режиме обучения перед видео-

датчиком помещают эталонные объекты и задают в ЭВМ функцию

принадлежности эталона к определенному классу. В режиме распозна-

вания ЭВМ обрабатывает видеоинформацию об объекте по сложным

алгоритмам распознавания образов и определяет его принадлежность к

тому или иному классу. В качестве видеодатчиков для оптических СТЗ

применяют диссекторы, видиконы, приборы с зарядовой связью, полу-

проводниковые матричные фотоприемники.

Для работы в оптически непрозрачных средах разрабатывают ра-

диационные, тепловые, радиоволновые и акустические СТЗ.

Радиационные СТЗ просвечивают объект рентгеновскими лучами и

преобразуют рентгеновское излучение в светотеневое или электрон-

ное. В томографии получают объемное изображение внутренности

объекта путем обработки плотности слоев на ЭВМ. Тепловые СТЗ

воспринимают электромагнитное излучение поверхности нагретого

тела. Тепловое поле преобразуют в электрические сигналы с помощью

тепловизора. Радиоволновые СТЗ используют матрицы излучателей и

приемников радиоволн длиной 1 – 100 мкм, что позволяет определить

геометрические размеры объектов, расстояние, скорость движения,

механические напряжения. Акустические СТЗ отличаются построчным

сканированием объекта и обработкой отраженных сигналов на ЭВМ. В

устройстве сопряжения видеодатчика с ЭВМ поле зрения разбивается

на отдельные элементы, для каждого из которых оценивается уровень

яркости (обычно черный или белый). В ЭВМ передается матрица изо-

бражения из нулей и единиц. Алгоритмические методы обработки изо-

бражений сводятся к одному из трех подходов: к сопоставлению с эта-

лоном, классификации (принятию решения) и синтаксическому анали-

зу структуры.

В эталонных методах изображение по точкам сравнивают с эта-

лонами и отыскивают ближайший эталон. Методы классификации

описывают изображение некоторыми количественными характеристи-

ками, например геометрическими. После статистической обработки

характеристик оценивается условная вероятность принадлежности

изображения к одному из классов объектов. Синтаксические методы

описывают объекты на языке формальной грамматики и классифици-

руют объект путем синтаксического анализа предложений.

Программное обеспечение СТЗ включает модули:

– связи с технологическим оборудованием и отладочным комплек-

сом;

– управления работой видеодатчика (преобразование изобра-

жения);

– вычисления признаков (описание детали стандартным набором

параметров);

– распознавания (построение решающего правила, позволяющего

путем сопоставления полученных параметров с имеющимися отнести

деталь к известному классу);

– обучения (подготовка СТЗ к работе с новыми деталями).

Объект распознается интегральным или структурным методами. В

интегральном методе изображение сканируют по строкам. Форму

объекта определяют по значениям элементов в строках матрицы

(рис. 2.43, а). В структурном методе используют топологические при-

знаки: число отверстий, площадь или периметр объекта (рис. 2.43, б). В

обоих методах изображение объекта сопоставляют с эталоном, введен-

ным при обучении.

1 2 3 4 5 6

а б

Рис. 2.43. Обработка изображения в СТЗ:

а – интегральная; б – структурная

Сложность системы технического зрения увеличивается в следую-

щем порядке:

– определение плоских координат известных объектов;

– распознавание отдельных двухмерных объектов;

– распознавание касающихся двухмерных объектов;

– распознавание отдельных трехмерных объектов;

– распознавание и анализ взаимного расположения групп трехмер-

ных объектов (анализ сцен);

– распознавание трехмерных объектов, лежащих в беспорядке.

Применение разных датчиков покажем на примере измерения

уровня жидкости (рис. 2.44). Для емкостного датчика два плоских

электрода, образующих обкладки конденсатора, опускают в жидкость

(рис. 2.44, а). Изменение уровня жидкости h влияет на диэлектриче-

скую постоянную между обкладками конденсатора С.

Рис. 2.44. Определение уровня жидкости датчиком:

а – емкостным; б – резистивным; в – фотоэлектрическим;

г – ультразвуковым

Для резисторного датчика в емкость опускают два линейных со-

противления (рис. 2.44, б). В зависимости от уровня жидкости замы-

каются участки сопротивления R. Если жидкость не проводит электри-

ческий ток, применяют поплавок, соединенный с измерителем пере-

мещений. При фотоэлектрическом преобразовании на противополож-

ных стенках резервуара устанавливают источники света и фотоприем-

ники (рис. 2.44, в). Световой поток от источника к приемнику пере-

крывается в зависимости от уровня жидкости. Ультразвуковой даль-

номер не имеет прямого контакта с жидкостью и измеряет разность

фаз прямого и отраженного от границы газовой и жидкой сред импуль-

сов (рис. 2.44, г).

Точное измерение уровня жидкости или тяжелого газа возможно с

помощью инфракрасного датчика, выполненного из химически устой-

чивого полупрозрачного материала (рис. 2.45). В цилиндр, заканчи-

вающийся конусом, вводят инфракрасный луч. Если уровень жидкости

ниже конуса (а), то луч отражается от стенок конуса и принимается

оптическим приемником. Если жидкость достигает уровня конуса (б),

то прямой луч попадает в жидкость и интенсивность отраженного луча

уменьшается пропорционально уровню и показателю преломления

жидкости.

а б

Рис. 2.45. Измерение уровня инфракрасным датчиком:

а – уровень жидкости ниже конуса; б – уровень жидкости

на уровне конуса

В современные датчики встраивают микропроцессор, выполняю-

щий интеллектуальные функции, такие как переключение датчиков

для работы на общий канал, внутреннее масштабирование, фильтрация

и линеаризация сигнала, совмещение с протоколом промышленной

шины, определение максимума и минимума сигналов, преобразование

выходного сигнала в стандартную цифровую форму, срабатывание при

заданном расстоянии до объекта, распознавание заданных материала,

цвета и формы объекта, гальваническая развязка и нормализация сиг-

нала.

2.2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Исполнительные устройства предназначены для управления при-

водами перемещения механических устройств объекта управления в

зависимости от электрических команд управляющего устройства (рис.

2.46).

Управляющее

устройство

Исполни-

тельные

устройства

Приводы

Рис. 2.46. Передача команд управления

на объект автоматизации

Дискретные исполнительные устройства имеют два состояния:

«открыто» или «закрыто»; «включено» или «отключено». К ним отно-

сят электроуправляемые пневмо- и гидроклапаны и задвижки, реле и

контакторы. Аналоговые исполнительные устройства имеют беско-

нечное множество промежуточных состояний, зависящих от величины

приложенного напряжения. К ним относят электрогидравлические уси-

лители, серводвигатели, индикаторы уровня. В тех-нике автоматизации

применяют электрические, пневматические или гидравлические ис-

полнительные устройства (см. таблицу).

Дискретные исполнительные устройства

Характе

ристика

Электро

техника

Пневматика Гидравлика

Обозна-

чение

Тип Реле

Электро

пневмоклапан

Электрогидро

распределитель

Дейс

т-

вие

Замыкание

контактов

Подача воздуха

Подача жидк

о-

сти

Привод

Электродви-

гатель

Пневмоци-

линдр

Гидроцилиндр

Досто-

инства

Простота рабо-

ты

и обслужива-

ния, приемлемая

сто-

имость, высо-

кий коэф

фициент

усиления, нечувст-

вительность

к температуре

Доступность

воздуха, нечувст-

вительность к пере-

грузкам и темпера-

туре, безопасность,

экологичность

Высокий коэ

ф-

фициент усиления,

точное позициони-

рование, хорошая

управляемость,

унификация

Необходимость

ре-гулировки, обго-

Чувствител

ь-

ность к пыли, неста-

Зависимость от

тем-

Недос-

татки

рание и залипание

контактов, чувст-

вительность к пы-

ли и влажности

биль

ность

скор

о-

сти, малые нагруз-

ки, шум, потери в

воздухопроводе

пературы, ут

е-

чек

и загрязнений,

осо-бые требова-

ния

к изготовле-

нию, колебания при

ост

новке

Приме-

нение

Локомотивы,

текстильная инду-

стрия, электро-

станции, насосы,

прокатные станы,

станки

Монтаж, м

е-

таллообработка,

деревообработка,

переработка пласт-

масс, строительство,

транспорт

Станки, строи-

тельство и транс-

порт, гидроподъем-

ники, корабельная

техника

Самым распространенным исполнительным устройством является

реле, содержащее катушку 1 на металлическом сердечнике 2, якорь 3 и

контактную группу 4 с нормально от-

крытыми и нормально закрытыми

контактами (рис. 2.47). При подаче

напряжения на обмотку реле якорь

притягивается к сердечнику одним

концом, а другим механически воз-

действует на контактную группу,

управляющую приводом. По такому

же принципу работает контактор, от-

личаясь от реле повышенным током

обмотки и наличием дугогасительной

камеры на контактной группе.

Электропневматический клапан прямого или обратного типов при-

меняют для подачи воздуха в полость пневмоцилиндра или мембран-

ной камеры.

Электропневмоклапан прямого типа

выполнен в виде подпружиненного вала

с двумя цилиндричес-кими насадками

(золотника), который перемещается в

цилиндрическом корпусе с тремя от-

верстиями (рис. 2.48). Нижнее отверстие

соединено с одной из полостей пневмо-

привода. Верхнее отверстие соединено

с атмосферой. К среднему отверстию

Рис. 2.47.

Конструкция

реле:

–

обмотка;

–

серде

ч-

Рис.

2.48

. Электропне

в-

матичес-кий клапан

Атмосфера

Давление

Рабочая

полость