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资源描述：

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内容简介：

自动化制造机器中的闭环传感器系统1.科学和工业研究学会，材料科学与制造业的关系，南非，ashaikcsir.co.za 2.土瓜湾-祖鲁纳塔尔大学，机械工程学院，南非，brightgukzn.ac.za 3.马西大学，技术工程学院，新西兰，wlxumasey.ac.nzxxx译摘要：自动化多轴机器中的大部分多是以闭环控制为运作方式的。在空间中的结束时刀具头的确切的位置，是不是立刻响应。为软件控制的机器人或自动化制造机器作计算，估计那里的刀具头相应的位置。这常常是以监测传感器轴线跟踪轨道并行运动和回转轴或齿轮来达到的。低精度应用这一系统，是合适的。然而，定位误差经常发生。这种方法可能不适合高精度机器人及自动化机床。还需要一个传感器系统，能够保证获取准确的空间坐标的工具，以点或终止时直接反应。此项活动的目的是研究设计低成本的传感器系统，该系统将精确定位刀具点在空间坐标中直接由闭环控制。这有助于减少错误，以闭环控制的为依托。这种系统能够无缝集成与现有技术的运动控制。该传感器系统能够找到刀具头在二维空间中的位置。简单补充和修改，使其适应于3维空间所在的刀具头。这是模块化，除了鲁棒及误差补偿例外，会在几乎任何环境下。关键词：自动化，制造业，闭环控制1.序言需要有一个传感器系统，能提供直接反馈的最终效应器的空间坐标必需精确的装配和加工。该研究的目的是要为设计一个平行机器人将拥有一个完整的传感系统。该传感器系统应成本低，并定位刀具点空间坐标直接或间接减少错误，在开环控制中。该系统应能无缝整合现有技术，为运动控制尽可能找到刀具头在二维空间位置。与简单的修改应该使本身适用地点在三维空间。应该模块化，能充分健全和误差补偿工作，在几乎任何环境下。有许多技术可用于目的把物体定位在空间中。这些都是全球定位系统（GPS-与10米的精确度，差分全球定位系统解决方案1，减少失误小于5厘米）;邻近位置，通过蓝牙技术，WiFi和蜂窝网络（立场是，推导了解细胞与哪个设备是沟通）和三角测量系统（用激光，超声波等）。此外，还有成像方法用来确定方位。2论述了一种低成本解决方案雇用一台摄像机和LCD（液晶显示器）屏幕上找到一个对象的坐标，在二维高准确性。vslam（视觉同步位置和测绘）系统用于移动机器人使用相机建立一个地图，其周围为导航用途。此外，还有图像处理技术能确定运动从帧所提供的照相机。这些图象也提供有关环境，并完全被动的。准确性和决议不过依靠多远对象摄像是和决议的相机本身。所有这些技术都适合大型定位物体在一个比较大的空间，例如定位人们在建筑物3。在工业方面，但是，机器人武器用于装配，焊接或喷漆动议在密闭空间和地位年底效应必须下大决心与毫米波至亚毫米级决议案。对于制造业而言，解决数控机器范围从微到纳米。作此用途激光干涉仪技术，有时被用来。这些位置传感系统具有优良的决议以及精度和使用制造业环境中的IC（积体电路）设计，原型设计和制造工作。一个光外差干涉仪的设计在美国航天局的喷气推进实验室可以测量直线位移与误差为20时30分（微微米，10-12米）。网格编码器，提供另一种解决办法;电网发了言optra有一个覆盖范围可达380毫米380毫米。其准确性和可重复性在于，在相同远程激光干涉仪（即微纳米决议）。两个格编码器和激光器干涉仪是昂贵的技术，通常是耗资数十万至数百万美元。此外，他们无法衡量的绝对位置直接;两者都使用条纹图（由于光波干扰），来衡量相对位移。该整合这些位移测量耦合随着知识的末端效应初始位置产生当前的情况。2.建立传感器反馈系统这里的定位末端效应是指机器人在现实世界中空间的问题，首先是规约于寻找自己在二维平面里的位置通过确定一个参考点。一般地点问题，在三维空间，是解决重两个二维平面直角。这样的安排，2条轴线相吻合，如果参考点，每架飞机相逢时，其结果是一个3轴传感系统定位。本文试图文件解决办法是找到最终效应，在二维平面。经过考虑后对所提供的实物数量（超声波，红外光，无线电波，等等）使用时，定位物体，因此决定了激光将是最适合的原因。1镭射光传感器，可为条件提供一个数字输出。相对模拟传感器均需要数字化，用于数字系统。模拟信号是妥协大气的影响，温度，湿度和非屏蔽噪音来自周边机械。三角利用无线电，超声波或红外线强，不适合用来作为多重思考从周围表面造成干扰和提供不可靠的结果。它们还要求调制与解调，以分清信号产生从任何可以创造环境。该建议传感器的概念，采用了一种直接的方法，与激光重视年底效应和一个传感器网格（一网格的激光传感器，同样间隔陈列馆和专栏）直接安装以上。这是一个很自然的选择作为连贯性的雷射光，使找到年底效应，在二维空间容易，如果激光束仍然是垂直传感器飞机在任何时候都。末端效应的位置是一样的传感器这是刺激（在一个二维平面，深度不意思）。这种垂直约束的，可以强制执行通过使用倾斜感应器，可以告诉取向一个对象，更正，然后再作出保留完成垂直效应。也是固有的性质以及机器人能足以促成这一条件。该机动工作机就是这样一个例子，因为它的装置，迫使其最后影响保持平行，基于在任何时候。必须强调的是，这个传感器系统要求只有位（1或0）信息，为每一个传感器。每次传感器或是受激或不受激。这使得数据处理和传输简单得多，并提出控制更加容易。该解决方案是为了限制传感器彼此之间的距离。如果小于传感器之间的距离时，这将是一个死区域跟踪，将彻底丢失信号。该雷射光探测器phototransistors一达林顿装置。目前制作技术可容纳数百万晶体管的银子硅这些制备方法，可以用来兴建一个探测器的屏幕上的一个偶然和实际的决议案。决议影响到数据输出，更大的决议，意味着更多的数据，每单位面积（更传感器）。一种混合型制度，将涉及到一个传感器网格以相对低廉的决议案。每个传感器提供了一个检查站。知道确切的空间它们之间的距离探测器提供控制器手段，限制失误的招致。而非积累误差从一个极端到下误差的存在，只是与以往探测器。图1.1。传感器的预期系统图框。 3.机电一体化设计机电一体化设计包括3部分将机械，电子和软件组件。作为在4，在这期间机电一体化，是用来为一体化微机控制系统，电气系统和机械系统。机械结构设计，测试电子硬件和软件控制，其目的是验证命题。机械设计也着手探索并行的机制。这些设计文件提供一个简单的原型。该规范对解决问题方面是轻松的，因为这是说明即制作技术，可以产生一个屏，采用现实的决议案。更多的重点放在了建立一个廉价的制度，它可以减少失误。机械结构：机械结构是基于一个柔性接机和地点并联工业机器人。这是一个规模适应设计包括4铰接武器4个伺服马达;一盘底相应器与所附激光;球杯关节和装配架。整个机械结构是600毫米长四百毫米宽和500毫米高。数字1.2和1.3 ，说明部分和大体。图1.2 。对机械零件有意义的这一立场激光： （一）球轴承，（二）改性轴承插座，（三）交流伺服电机与上臂连接和安装托架，（四）项下臂组成，（五）激光和激光安装必须指出的是，下臂组件一起举行途经二泉水（未显示），一个仅低于肘和其他略高于腕 ，为每个前臂。球杯关节给予很大程度的自由。这些被制作的球是来自轴承凹槽中的，上面的可以自由摇动的装置，从各个方向，而下手臂可以上，下，左，右，可甚至旋转约肘测序，对自己基本运动（诱导旋转对伺服）。该激光可以走动一段空间，这是大约半球下面敏感性区（广场割喉式列于伺服装配架，图1.3（一）。准则并行机制设计其次，作为提供5。图1.3。所有部件组合后的结构：（一）所有伺服展开与上臂和下臂附激光，（二）减少手臂依恋激光完效应，（三）关节臂肘联合，（四）完成组合电子硬件：所设计的系统，是一种混合型正如上文第1.2。这种分析，是因为低到5毫米直径的主导型包装的激光传感器。此外，在PCB上轨道路由感应器，缓冲器和数据转换器占据显着的空间，而无法可以避免的。改善解决更小的装配费用应使用，最好是表面贴装，但这些货源不能，在表面进行了比较。每一个传感器网格组成，64 bp103 phototransistors安排在一个8x8的网格。该分析（各中心之间的连续2传感器），是18毫米两行和项目。这种光敏三极管具有日光过滤，以防止不法行为刺激环境光线。它是敏感光波长范围600-900纳米。650奈米钥匙扣激光被用来作为传感器的兴奋剂。这是廉价和有效的解决方案。虽然输出权力的这种激光小于1兆瓦，但它足以把光敏三极管。遥感信号，要缓冲/扩增，以确保该电压等级的输出从lpt133是正确的数字范围（0-0.8伏特为逻辑0和3.5-5伏为逻辑1），根据6为妥善电子设计。为此，每个传感器一栏是通过一个晶体管驱动器内部1uln2803，其中包括8个晶体管司机。8驱动芯片使用，而每栏。产出从每个uln2803是美联储到一个平行的串行数据转炉，74ls166以串数据传输到PC上。8输出串行线，从数据转换器输入到Atmel公司atmega8515微控制器。还有8个字节的数据和各位代表一个传感器的现状。该控制器用来传输8个字节的数据传送到PC机通过其串行通信口收发器与PC机的RS232串口端口。它还控制着74ls166数据转换器与伺服电动机。微控制器，使数据转换器及钟表数据传给他们每个人。软件：该软件主要有两部分组成，即微控制器代码和用户界面。微控制代码：有4个部分，以微控制器代码，即接收和解读指令，由电脑;传感器的数据采集，数据传输及伺服旋转。接收和解读指令-有命令为活化，传感器数据采集，数据转让和伺服旋转。这些告诉控制器当运行相应的例程。传感器数据采集-这个例行使/禁用;擦亮及钟表数据列并行，以串行转换器。7，为一个完整的说明如何用达到这个目标。数据传输一旦传感器数据采集例行成后，8个字节的数据，等待转移。该串口的电脑作品与ASCII的字符集。每一个数据字节一个号码范围0-255必须发出了微控制器的串口途经三ASCII字符（1个字符对于每一种数百人，几十本单位两位数），代表号码（0-九，其中以ASCII是0x30-0x39十六进制乐谱）。总共有32个字符位元组（4个字节每数据字节，其中包括完成字节字符）从控制器到PC上。用波特率9600（比特每秒），并包括一个校验位（9bits每字节），需要0.03s以完成。伺服轮换-作为有4个伺服马达，4脉宽调制信号都必须产生。来袭命表明某一伺服和长度其脉冲宽度。脉宽值，将收到在3个字节。总共有16个字符字节从电脑控制器（4字节每伺服）定位激光视需要。需一段时间才能做到这一点，是0.015秒（9600波特率）。计时器内的控制器将确保该PWM信号符合预期射程1-2ms。 用户界面-用户界面提供了一个可视化展示收到的数据，64色的各界代表64phototransistors。展示例行搜查通过每一个数据字节（栏），为低比特（行）和改变颜色的对应圆（蓝色时，没有刺激，时为红色，刺激）。该接口还允许用户选择二，为控制;要么通过鼠标或选择网格。随着鼠标，用户可以手动控制激光和举措，它的任何地方它的机械限制。当选择的是网格积极激光将自己的定位，首先找到一个参考点，然后沿行和栏目。它会把所有的传感器都被选定用户。控制设计概述：传感器网格提供直接反馈的立场该激光/工具头在离散点的空间。该目的网格是复位累积误差在定位控制系统。坐标的传感器是储存在控制软件。当误差积累，需要加以复位结束效应移至传感器是最接近结束效应。一旦它被定位和传感器感应，能否反馈它有错误，其定位它然后修改位置传感器和复位误差。 4.性能/运行新颖的这一传感器系统的虚假与事实，即它能确定位置的末端效应，直接，只要所提到的限制严格保持。它没有确定的位置，从作为计算在激光三角测量系统和它没有整合的位移，作为在激光干涉仪。 新颖的机械设计，与4装置同样重视本末端效应。安排并配置有优势比较容易控制，简化运动学模型，并补充说：僵硬。传感器网格：传感器网格是对微控制器的运作之后的意图综合各项职能，。这个项目目前还处于测试阶段与目前正在整合到系统中。很多工作中，仍然需要以确保屏幕妥善工程同所有的数据转换和传输例程。该第二个版本的画面，目前正在设计提高分辨率和系统的可重复性。机械结构： 最重要的一环，机械结构，是关节部件。模拟模型的建立是为了模拟和动画其动向，以确保它完全符合设计要求。该结果表明，在图1.4。一项议案发生器重视每个伺服头，是一套以跟随谐波功能。年底效应分子的议案，历时整个一系列的敏感性地区。最重要的激光安装仍然是平行传感器网格印刷电路板（传感器平面）在其整个议案，是为了确保该激光光束始终垂直探测器。奇异，为这一机制发生时，武器是完全延长或折叠时，上层和小腿的共线。这种情况是可以避免在模拟演习中，可避免的现实。 5.结论目标是建立一个平行的机器人与集成传感器系统已经得到满足。机械工程系统与控制系统的设计。该唯一的问题，与机械方面是球接头。他们没有提供足够的定位精确性和可重复性。使用高性能球接头或接头兼容，在未来的版本的机器人将消除这个问题。该传感器系统是成本低，并提供直接反馈。决议是目前唯一的问题，而是正如刚才制作技术可以解决这个问题。这个系统采用模块化和便于列入现有的系统。三维位置，是有可能与两个这些传感器网格放置在成直角对方。传感器网格，也是稳健的，是不会受环境光。公平的比较与最佳做法的行业可只可同一个传感器系统，它大致同一决议和准确性。这一项目旨在测试该理论认为，这种制度可能造成的，如果将是有益的。因此，它已完成了它的为此目的，而是一个编造屏幕，可以提供适当的定量性能的措施。图1.4。模拟激光刀具头的运动：A和B自下而上的看，C和D方面的看，E和F高层看参考文献1 Willgoss, R., V. Rosenfeld and J. Billingsley 2003