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自動化制造機器中的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)
1.科學(xué)和工業(yè)研究學(xué)會，材料科學(xué)與制造業(yè)的關(guān)系，南非，ashaik@csir.co.za
2.土瓜灣-祖魯納塔爾大學(xué)，機械工程學(xué)院，南非，brightg@ukzn.ac.za
3.馬西大學(xué)，技術(shù)工程學(xué)院，新西蘭，wlxu@masey.ac.nz
xxx譯
摘要：自動化多軸機器中的大部分多是以閉環(huán)控制為運作方式的。在空間中的結(jié)束時刀具頭的確切的位置，是不是立刻響應(yīng)。為軟件控制的機器人或自動化制造機器作計算，估計那里的刀具頭相應(yīng)的位置。這常常是以監(jiān)測傳感器軸線跟蹤軌道并行運動和回轉(zhuǎn)軸或齒輪來達(dá)到的。低精度應(yīng)用這一系統(tǒng)，是合適的。然而，定位誤差經(jīng)常發(fā)生。這種方法可能不適合高精度機器人及自動化機床。還需要一個傳感器系統(tǒng)，能夠保證獲取準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)的工具，以點或終止時直接反應(yīng)。此項活動的目的是研究設(shè)計低成本的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)將精確定位刀具點在空間坐標(biāo)中直接由‘閉環(huán)’控制。這有助于減少錯誤，以閉環(huán)控制的為依托。這種系統(tǒng)能夠無縫集成與現(xiàn)有技術(shù)的運動控制。該傳感器系統(tǒng)能夠找到刀具頭在二維空間中的位置。簡單補充和修改，使其適應(yīng)于3維空間所在的刀具頭。這是模塊化，除了魯棒及誤差補償例外，會在幾乎任何環(huán)境下。
關(guān)鍵詞：自動化，制造業(yè)，閉環(huán)控制
1.序言
需要有一個傳感器系統(tǒng)，能提供直接反饋的最終效應(yīng)器的空間坐標(biāo)必需精確的裝配和加工。該研究的目的是要為設(shè)計一個平行機器人將擁有一個完整的傳感系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)應(yīng)成本低，并定位刀具點空間坐標(biāo)直接或間接減少錯誤，在‘開環(huán)’控制中。該系統(tǒng)應(yīng)能無縫整合現(xiàn)有技術(shù)，為運動控制盡可能找到刀具頭在二維空間位置。與簡單的修改應(yīng)該使本身適用地點在三維空間。應(yīng)該模塊化，能充分健全和誤差補償工作，在幾乎任何環(huán)境下。有許多技術(shù)可用于目的把物體定位在空間中。這些都是全球定位系統(tǒng)（GPS-與10米的精確度，差分全球定位系統(tǒng)解決方案[1]，減少失誤小于5厘米）;鄰近位置，通過藍(lán)牙技術(shù)，WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)（立場是，推導(dǎo)了解細(xì)胞與哪個設(shè)備是溝通）和三角測量系統(tǒng)（用激光，超聲波等）。此外，還有成像方法用來確定方位。[2]論述了一種低成本解決方案雇用一臺攝像機和LCD（液晶顯示器）屏幕上找到一個對象的坐標(biāo)，在二維高準(zhǔn)確性。vslam（視覺同步位置和測繪）系統(tǒng)用于移動機器人使用相機建立一個地圖，其周圍為導(dǎo)航用途。此外，還有圖像處理技術(shù)能確定運動從幀所提供的照相機。這些圖象也提供有關(guān)環(huán)境，并完全被動的。準(zhǔn)確性和決議不過依靠多遠(yuǎn)對象攝像是和決議的相機本身。所有這些技術(shù)都適合大型定位物體在一個比較大的空間，例如定位人們在建筑物[3]。在工業(yè)方面，但是，機器人武器用于裝配，焊接或噴漆動議在密閉空間和地位年底效應(yīng)必須下大決心與毫米波至亞毫米級決議案。對于制造業(yè)而言，解決數(shù)控機器范圍從微到納米。作此用途激光干涉儀技術(shù)，有時被用來。這些位置傳感系統(tǒng)具有優(yōu)良的決議以及精度和使用制造業(yè)環(huán)境中的IC（積體電路）設(shè)計，原型設(shè)計和制造工作。一個光外差干涉儀的設(shè)計在美國航天局的噴氣推進(jìn)實驗室可以測量直線位移與誤差為20時30分（微微米，10-12米）。網(wǎng)格編碼器，提供另一種解決辦法;電網(wǎng)發(fā)了言optra有一個覆蓋范圍可達(dá)380毫米×380毫米。其準(zhǔn)確性和可重復(fù)性在于，在相同遠(yuǎn)程激光干涉儀（即微納米決議）。兩個格編碼器和激光器干涉儀是昂貴的技術(shù)，通常是耗資數(shù)十萬至數(shù)百萬美元。此外，他們無法衡量的絕對位置直接;兩者都使用條紋圖（由于光波干擾），來衡量相對位移。該整合這些位移測量耦合隨著知識的末端效應(yīng)初始位置產(chǎn)生當(dāng)前的情況。
2.建立傳感器反饋系統(tǒng)
這里的定位末端效應(yīng)是指機器人在現(xiàn)實世界中空間的問題，首先是規(guī)約于尋找自己在二維平面里的位置通過確定一個參考點。一般地點問題，在三維空間，是解決重兩個二維平面直角。這樣的安排，2條軸線相吻合，如果參考點，每架飛機相逢時，其結(jié)果是一個3軸傳感系統(tǒng)定位。本文試圖文件解決辦法是找到最終效應(yīng)，在二維平面。經(jīng)過考慮后對所提供的實物數(shù)量（超聲波，紅外光，無線電波，等等）使用時，定位物體，因此決定了激光將是最適合的原因。1鐳射光傳感器，可為條件提供一個數(shù)字輸出。相對模擬傳感器均需要數(shù)字化，用于數(shù)字系統(tǒng)。模擬信號是妥協(xié)大氣的影響，溫度，濕度和非屏蔽噪音來自周邊機械。三角利用無線電，超聲波或紅外線強，不適合用來作為多重思考從周圍表面造成干擾和提供不可靠的結(jié)果。它們還要求調(diào)制與解調(diào)，以分清信號產(chǎn)生從任何可以創(chuàng)造環(huán)境。該建議傳感器的概念，采用了一種直接的方法，與激光重視年底效應(yīng)和一個傳感器網(wǎng)格（一網(wǎng)格的激光傳感器，同樣間隔陳列館和專欄）直接安裝以上。這是一個很自然的選擇作為連貫性的雷射光，使找到年底效應(yīng)，在二維空間容易，如果激光束仍然是垂直傳感器飛機在任何時候都。末端效應(yīng)'的位置是一樣的傳感器這是刺激（在一個二維平面，深度不意思）。這種垂直約束的，可以強制執(zhí)行通過使用傾斜感應(yīng)器，可以告訴取向一個對象，更正，然后再作出保留完成垂直效應(yīng)。也是固有的性質(zhì)以及機器人能足以促成這一條件。該機動工作機就是這樣一個例子，因為它的裝置，迫使其最后影響保持平行，基于在任何時候。
必須強調(diào)的是，這個傳感器系統(tǒng)要求只有位（1或0）信息，為每一個傳感器。每次傳感器或是受激或不受激。這使得數(shù)據(jù)處理和傳輸簡單得多，并提出控制更加容易。該解決方案是為了限制傳感器彼此之間的距離。如果小于傳感器之間的距離時，這將是一個死區(qū)域跟蹤，將徹底丟失信號。該雷射光探測器phototransistors一達(dá)林頓裝置。目前制作技術(shù)可容納數(shù)百萬晶體管的銀子硅這些制備方法，可以用來興建一個探測器的屏幕上的一個偶然和實際的決議案。決議影響到數(shù)據(jù)輸出，更大的決議，意味著更多的數(shù)據(jù)，每單位面積（更傳感器）。一種混合型制度，將涉及到一個傳感器網(wǎng)格以相對低廉的決議案。每個傳感器提供了一個檢查站。知道確切的空間它們之間的距離探測器提供控制器手段，限制失誤的招致。而非積累誤差從一個極端到下誤差的存在，只是與以往探測器。
圖1.1。傳感器的預(yù)期系統(tǒng)圖框。
3.機電一體化設(shè)計
機電一體化設(shè)計包括3部分將機械，電子和軟件組件。作為在[4]，在這期間機電一體化，是用來為一體化微機控制系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，測試電子硬件和軟件控制，其目的是驗證命題。機械設(shè)計也著手探索并行的機制。這些設(shè)計文件提供一個簡單的原型。該規(guī)范對解決問題方面是輕松的，因為這是說明即制作技術(shù)，可以產(chǎn)生一個屏，采用現(xiàn)實的決議案。更多的重點放在了建立一個廉價的制度，它可以減少失誤。
機械結(jié)構(gòu)：
機械結(jié)構(gòu)是基于一個柔性接機和地點并聯(lián)工業(yè)機器人。這是一個規(guī)模適應(yīng)設(shè)計包括4鉸接武器4個伺服馬達(dá);一盤底相應(yīng)器與所附激光;球杯關(guān)節(jié)和裝配架。整個機械結(jié)構(gòu)是600毫米長四百毫米寬和500毫米高。數(shù)字1.2和1.3 ，說明部分和大體。
圖1.2 。對機械零件有意義的這一立場激光：
（一）球軸承，（二）改性軸承插座，（三）交流伺服電機與上臂連接和安裝托架，（四）項下臂組成，（五）激光和激光安裝
必須指出的是，下臂組件一起舉行途經(jīng)二泉水（未顯示），一個僅低于'肘'和其他略高于'腕' ，為每個前臂。球杯關(guān)節(jié)給予很大程度的自由。這些被制作的球是來自軸承凹槽中的，上面的可以自由搖動的裝置，從各個方向，而下手臂可以上，下，左，右，可甚至旋轉(zhuǎn)約'肘'測序，對自己基本運動（誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)對伺服）。該激光可以走動一段空間，這是大約半球下面敏感性區(qū)（廣場割喉式列于伺服裝配架，圖1.3（一）。準(zhǔn)則并行機制設(shè)計其次，作為提供[5]。
圖1.3。所有部件組合后的結(jié)構(gòu)：（一）所有伺服展開與上臂和下
臂附激光，（二）減少手臂依戀激光完
效應(yīng)，（三）關(guān)節(jié)臂'肘'聯(lián)合，（四）完成組合
電子硬件：
所設(shè)計的系統(tǒng)，是一種混合型正如上文第1.2。這種分析，是因為低到5毫米直徑的主導(dǎo)型包裝的激光傳感器。此外，在PCB上軌道路由感應(yīng)器，緩沖器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器占據(jù)顯著的空間，而無法可以避免的。改善解決更小的裝配費用應(yīng)使用，最好是表面貼裝，但這些貨源不能，在表面進(jìn)行了比較。每一個傳感器網(wǎng)格組成，64 bp103 phototransistors安排在一個8x8的網(wǎng)格。該分析（各中心之間的連續(xù)2傳感器），是18毫米兩行和項目。這種光敏三極管具有日光過濾，以防止不法行為刺激環(huán)境光線。它是敏感光波長范圍600-900納米。650奈米鑰匙扣激光被用來作為傳感器的興奮劑。這是廉價和有效的解決方案。雖然輸出權(quán)力的這種激光小于1兆瓦，但它足以把光敏三極管。遙感信號，要緩沖/擴(kuò)增，以確保該電壓等級的輸出從lpt133是正確的數(shù)字范圍（0-0.8伏特為邏輯0和3.5-5伏為邏輯1），根據(jù)[6]為妥善電子設(shè)計。為此，每個傳感器一欄是通過一個晶體管驅(qū)動器內(nèi)部1uln2803，其中包括8個晶體管司機。8驅(qū)動芯片使用，而每欄。產(chǎn)出從每個uln2803是美聯(lián)儲到一個平行的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)爐，74ls166以串?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上。8輸出串行線，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入到Atmel公司atmega8515微控制器。還有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)和各位代表一個傳感器的現(xiàn)狀。該控制器用來傳輸8個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送到PC機通過其串行通信口收發(fā)器與PC機的RS232串口端口。它還控制著74ls166數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與伺服電動機。微控制器，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及鐘表數(shù)據(jù)傳給他們每個人。
軟件：
該軟件主要有兩部分組成，即微控制器代碼和用戶界面。微控制代碼：有
4個部分，以微控制器代碼，即接收和解讀指令，由電腦;傳感器的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸及伺服旋轉(zhuǎn)。接收和解讀指令-有命令為活化，傳感器數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)讓和伺服旋轉(zhuǎn)。這些告訴控制器當(dāng)運行相應(yīng)的例程。傳感器數(shù)據(jù)采集-這個例行使/禁用;擦亮及鐘表數(shù)據(jù)列并行，以串行轉(zhuǎn)換器。[7]，為一個完整的說明如何用達(dá)到這個目標(biāo)。數(shù)據(jù)傳輸一旦'傳感器數(shù)據(jù)采集'例行成后，8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，等待轉(zhuǎn)移。該串口的電腦作品與ASCII的字符集。每一個數(shù)據(jù)字節(jié)一個號碼范圍0-255必須發(fā)出了微控制器的串口途經(jīng)三ASCII字符（1個字符對于每一種數(shù)百人，幾十本單位兩位數(shù)），代表號碼（0-九，其中以ASCII是0x30-0x39十六進(jìn)制樂譜）。總共有32個字符位元組（4個字節(jié)每數(shù)據(jù)字節(jié)，其中包括完成字節(jié)字符）從控制器到PC上。用波特率9600（比特每秒），并包括一個校驗位（9bits每字節(jié)），需要0.03s以完成。伺服輪換-作為有4個伺服馬達(dá)，4脈寬調(diào)制信號都必須產(chǎn)生。來襲命表明某一伺服和長度其脈沖寬度。脈寬值，將收到在3個字節(jié)?？偣灿?6個字符字節(jié)從電腦控制器（4字節(jié)每伺服）定位激光視需要。需一段時間才能做到這一點，是0.015秒（9600波特率）。計時器內(nèi)的控制器將確保該PWM信號符合預(yù)期射程1-2ms。
用戶界面-用戶界面提供了一個可視化展示收到的數(shù)據(jù)，64色的各界代表64phototransistors。展示例行搜查通過每一個數(shù)據(jù)字節(jié)（欄），為低比特（行）和改變顏色的對應(yīng)圓（藍(lán)色時，沒有刺激，時為紅色，刺激）。該接口還允許用戶選擇二，為控制;要么通過鼠標(biāo)或選擇網(wǎng)格。隨著鼠標(biāo)，用戶可以手動控制激光和舉措，它的任何地方它的機械限制。當(dāng)選擇的是網(wǎng)格積極激光將自己的定位，首先找到一個參考點，然后沿行和欄目。它會把所有的傳感器都被選定用戶。
控制設(shè)計概述：
傳感器網(wǎng)格提供直接反饋的立場該激光/工具頭在離散點的空間。該目的網(wǎng)
格是復(fù)位累積誤差在定位控制系統(tǒng)。坐標(biāo)的傳感器是儲存在控制軟件。當(dāng)誤差積累，需要加以復(fù)位結(jié)束效應(yīng)移至傳感器是最接近結(jié)束效應(yīng)。一旦它被定位和傳感器感應(yīng)，能否反饋它有錯誤，其定位它然后修改位置傳感器和復(fù)位誤差。
4.性能/運行
新穎的這一傳感器系統(tǒng)的虛假與事實，即它能確定位置的末端效應(yīng)，直接，只要所提到的限制嚴(yán)格保持。它沒有確定的位置，從作為計算在激光三角測量系統(tǒng)和它沒有整合的位移，作為在激光干涉儀。 新穎的機械設(shè)計，與4裝置同樣重視本末端效應(yīng)。安排并配置有優(yōu)勢比較容易控制，簡化運動學(xué)模型，并補充說：僵硬。
傳感器網(wǎng)格：
傳感器網(wǎng)格是對微控制器的運作之后的意圖綜合各項職能，。這個項目目前還處于測試階段與目前正在整合到系統(tǒng)中。很多工作中，仍然需要以確保屏幕妥善工程同所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸例程。該第二個版本的畫面，目前正在設(shè)計提高分辨率和系統(tǒng)的可重復(fù)性。
機械結(jié)構(gòu)：
最重要的一環(huán)，機械結(jié)構(gòu)，是關(guān)節(jié)部件。模擬模型的建立是為了模擬和動畫其動向，以確保它完全符合設(shè)計要求。該結(jié)果表明，在圖1.4。一項議案發(fā)生器重視每個伺服頭，是一套以跟隨諧波功能。年底效應(yīng)分子的議案，歷時整個一系列的敏感性地區(qū)。最重要的激光安裝仍然是平行傳感器網(wǎng)格印刷電路板（傳感器平面）在其整個議案，是為了確保該激光光束始終垂直探測器。奇異，為這一機制發(fā)生時，武器是完全延長或折疊時，上層和小腿的共線。這種情況是可以避免
在模擬演習(xí)中，可避免的現(xiàn)實。
5.結(jié)論
目標(biāo)是建立一個平行的機器人與集成傳感器系統(tǒng)已經(jīng)得到滿足。機械工程系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的設(shè)計。該唯一的問題，與機械方面是球接頭。他們沒有提供足夠的定位精確性和可重復(fù)性。使用高性能
球接頭或接頭兼容，在未來的版本的機器人將消除這個問題。該傳感器系統(tǒng)是成本低，并提供直接反饋。決議是目前唯一的問題，而是正如剛才制作技術(shù)可以解決這個問題。這個系統(tǒng)采用模塊化和便于列入現(xiàn)有的系統(tǒng)。三維位置，是有可能與兩個這些傳感器網(wǎng)格放置在成直角對方。傳感器網(wǎng)格，也是穩(wěn)健的，是不會受環(huán)境光。公平的比較與最佳做法的行業(yè)可只可同一個傳感器系統(tǒng)，它大致同一決議和準(zhǔn)確性。這一項目旨在測試該理論認(rèn)為，這種制度可能造成的，如果將是有益的。因此，它已完成了它的為此目的，而是一個編造屏幕，可以提供適當(dāng)?shù)亩啃阅艿拇胧?
圖1.4。模擬激光刀具頭的運動：A和B
自下而上的看，C和D方面的看，E和F高層看
參考文獻(xiàn)
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