ДАТЧИК ДЛЯ СИЛОМОМЕНТНОГО ОЧУВСТВЛЕНИЯ РОБОТОВ Российский патент 2007 года по МПК G01L5/16 G01L1/12 

Предлагаемое изобретение относится к области силоизмерительной техники и может быть использовано для силомоментного очувствления промышленных роботов.

Известны датчики для силомоментного очувствления роботов, содержащие упругие элементы с тензорезисторами различных типов (Авторские свидетельства СССР №714187, №1210072, МПК G02L 5/16 и др.).

Общими недостатками этих устройств являются низкая термостабильность, обусловленная применением тензорезисторов, и влияние одних компонент измеряемых сил и моментов на результаты измерения других компонент, т.е. низкая селективность, связанная с конструктивными особенностями датчиков. Эти недостатки ограничивают применение указанных датчиков в производственных условиях и снижают эффективность управления приводами робота с силомоментным очувствлением.

Известен динамометрический датчик, предназначенный для силомоментного очувствления промышленных роботов (Авторское свидетельство СССР №1352262, МПК G01L 5/16, 1/12). Датчик содержит два соосно расположенных силопередающих фланца, соединенных между собой двумя парами упругих перемычек, связанных жесткими пластинами, измерительные преобразователи, выполненные в виде катушек, размещенных на упругих перемычках и соединенных попарно последовательно-встречно, намагничивающие катушки, расположенные на жестких пластинах и включенные в противоположные плечи измерительной мостовой цепи, два других плеча которой образованы компенсационными катушками. Обе пары упругих перемычек расположены вдоль продольной оси датчика Z, причем одна пара параллельна поперечной оси X, а другая параллельна поперечной оси Y. Датчик является трехкомпонентным, позволяет измерять силу, действующую вдоль его продольной оси Z, и два изгибающих момента вокруг поперечных осей Х и Y.

Недостатками датчика являются низкие селективность и точность измерения, обусловленные влиянием изгибающих моментов на результаты измерения силы. Действительно, при отсутствии силы вдоль продольной оси Z измерительная мостовая цепь будет сбалансирована либо при отсутствии изгибающих моментов вокруг поперечных осей, либо при их равенстве. При действии лишь одного изгибающего момента, или при одновременном действии обоих, но с разными значениями, несмотря на то, что увеличение одного из воздушных зазоров компенсируется уменьшением другого, происходит разбаланс измерительной мостовой цепи в результате магнитоупругого эффекта. В вышеуказанных случаях внутренние напряжения в той части датчика, где упругие перемычки, ориентированные вдоль оси X, отличаются от внутренних напряжений в той части, где упругие перемычки ориентированы вдоль оси Y. В результате магнитные потоки в жестких пластинах, связывающих упругие перемычки различных пар, становятся разными, что приводит к нарушению равенства индуктивностей намагничивающих катушек, расположенных на жестких пластинах, и, как следствие, разбалансу измерительной мостовой цепи. Аналогичные процессы происходят и при действии силы вдоль продольной оси Z, резко снижая точность измерения силы.

Указанные недостатки ограничивают эффективность использования датчика для коррекции управления приводами промышленного робота.

Цель предлагаемого изобретения - повышение селективности и точности датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в силомоментный датчик, содержащий два силопередающих фланца, соединенных между собой четырьмя упругими перемычками, размещенными параллельно продольной оси датчика симметрично относительно нее, попарно в двух перпендикулярных плоскостях, причем пары перемычек соединены между собой последовательно, а перемычки каждой пары связаны жесткой пластиной, сигнальные катушки, размещенные на упругих перемычках и соединенные попарно последовательно-встречно, намагничивающие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, в два других плеча которой включены компенсационные катушки, введены две корректирующие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные последовательно-встречно в измерительную диагональ мостовой схемы.

На фиг.1 изображены две проекции корпуса датчика; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема датчика. Датчик содержит соосно расположенные силопередающие фланцы 1 и 2, соединенные между собой упругими перемычками 3, 4 и 5, 6, связанными между собой соответственно жесткими пластинами 7 и 8, сигнальные катушки 9 и 10, размещенные на упругих перемычках 3 и 4 и соединенные последовательно-встречно, сигнальные катушки 11 и 12, размещенные на упругих перемычках 5 и 6 и соединенные последовательно-встречно, намагничивающие катушки 13 и 14, расположенные на жестких пластинах 7 и 8, включенные в противоположные плечи измерительной мостовой цепи, два других плеча которой образованы компенсационными катушками 15 и 16, корректирующие катушки 17 и 18, размещенные на жестких пластинах 7 и 8 и включенные последовательно-встречно в измерительную диагональ мостовой цепи.

Датчик для силомоментного очувствления работает следующим образом. При подключении мостовой измерительной цепи к источнику переменного тока в жестких пластинах 7 и 8 возникают переменные магнитные потоки Ф1 и Ф2. В отсутствии силы, действующей на датчик вдоль его продольной оси Z, и изгибающих моментов вокруг поперечных осей Х и Y магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ вследствие симметрии магнитной цепи делятся на равные составляющие Ф₁₁=Ф₁₂ и Ф₂₁=Ф₂₂. В сигнальных катушках 9 и 10 наводятся одинаковые э.д.с. Е₉=Е₁₀, а в сигнальных катушках 11 и 12 - одинаковые э.д.с. Е₁₁ и E₁₂. В результате последовательно-встречного включения названные э.д.с. взаимно компенсируются, и выходные напряжения U₁ и U₂ оказываются равными нулю. Вследствие равенства магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ э.д.с., индуцируемые в корректирующих катушках 17 и 18, также равны между собой, а их сумма с учетом последовательно-встречного включения равна нулю. Таким образом, выходное напряжение U₃ равно напряжению между узлами а и b мостовой цепи, которое в свою очередь равно нулю, т.к. мостовая цепь находится в уравновешенном состоянии. Таким образом, при отсутствии входных воздействий все выходные напряжения датчика U₁, U₂, U₃ равны нулю.

При появлении силы, действующей вдоль продольной оси Z, происходит деформация датчика. Действие растягивающей силы приводит к увеличению воздушных зазоров в магнитных цепях, по которым протекают потоки Ф1 и Ф2 и их составляющие. В результате магнитное сопротивление этих цепей увеличивается, а индуктивности и полные электрические сопротивления намагничивающих катушек 13 и 14 уменьшаются. Под действием сжимающей силы воздушные зазоры уменьшаются, а индуктивности и полные электрические сопротивления намагничивающих катушек 13 и 14 возрастают. Таким образом, в обоих случаях происходит разбаланс мостовой цепи. В измерительной диагонали между узлами а и b появляется напряжение, амплитуда которого зависит от значения силы, действующей вдоль оси Z, а фаза изменяется на 180 градусов при изменении направления действия силы на противоположное. При этом выходное напряжение U₃ равно напряжению между узлами а и b, т.к. сумма э.д.с., наводимых в корректирующих обмотках 17 и 18, остается равной нулю. В рассматриваемом случае не нарушается симметрия магнитных цепей, по которым замыкаются магнитные потоки Ф₁₁ и Ф₁₂, а также Ф₂₁ и Ф₂₂, поэтому выходные напряжения U₁ и U₂ остаются равными нулю.

При возникновении изгибающего момента M₁, действующего вокруг оси Y, нарушается симметрия магнитных цепей, по которым замыкаются магнитные потоки Ф₁₁ и Ф₁₂, т.к. воздушный зазор в одной из цепей уменьшается, а в другой увеличивается. В результате нарушается равенство э.д.с., наводимых в сигнальных катушках 9 и 10, амплитуда выходного напряжения U₁ становится отличной от нуля, пропорциональной значению изгибающего момента M₁, a фаза этого напряжения изменяется на 180 градусов при изменении направления действия момента на противоположное. В связи с жесткостью конструкции датчика симметрия магнитных цепей, по которым протекают магнитные потоки Ф₂₁ и Ф₂₂, т.е. в нижней части датчика, не нарушается и выходное напряжение U₂ остается равным нулю, что соответствует отсутствию изгибающего момента М₂ вокруг оси X. Однако в силу тех же причин внутренние механические напряжения в той части датчика, где упругие перемычки ориентированы вдоль оси Y, т.е. в верхней части, становятся больше внутренних механических напряжений в той части датчика, где упругие перемычки ориентированы вдоль оси X, т.е. в нижней части. В результате нарушается равенство магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в жестких пластинах 7 и 8, а следовательно, индуктивностей и полных электрических сопротивлений намагничивающих катушек 13 и 14, происходит разбаланс измерительной мостовой цепи, напряжение между узлами а и b становится отличным от нуля даже при отсутствии силы вдоль продольной оси Z. Однако из-за нарушения равенства магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ нарушается равенство э.д.с., наводимых в корректирующих катушках 17 и 18. При правильном подборе числа витков в этих катушках разность этих э.д.с. компенсирует напряжение между узлами мостовой цепи а и b, поэтому выходное напряжение U₃ остается равным нулю даже при различных значениях внутренних механических напряжений в верхней и нижней частях датчика. Таким образом обеспечивается селективность работы датчика относительно изгибающего момента М₁.

При возникновении изгибающего момента М₂ вокруг оси Х вследствие изменения воздушных зазоров нарушается симметрия магнитных цепей, по которым замыкаются магнитные потоки Ф₂₁ и Ф₂₂, т.е. в нижней части датчика. Это приводит к нарушению равенства э.д.с., наводимых в сигнальных катушках 11 и 12, амплитуда выходного напряжения U₂ становится отличной от нуля, пропорциональной значению изгибающего момента М₂, а фаза этого напряжения изменяется на 180 градусов при изменении направления действия момента на противоположное. В связи с жесткостью конструкции датчика симметрия магнитных цепей в верхней части датчика не нарушается, выходное напряжение U₁ остается равным нулю, что соответствует отсутствию изгибающего момента M₁ вокруг оси Y. Однако в этом случае внутренние механические напряжения в нижней части датчика становятся больше, чем в верхней части, что приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи, причем фаза напряжения между узлами а и b отличается на 180 градусов от фазы этого напряжения в случае рассмотренном выше, т.е. при наличии момента M₁ и отсутствии момента М₂. Фаза появившейся при этом разности э.д.с. в корректирующих обмотках 17 и 18 также сдвигается на 180 градусов по сравнению с вышерассмотренным случаем, что обеспечивает компенсацию напряжения между узлами а и b и равенство нулю выходного напряжения U3. Таким образом обеспечивается селективность работы датчика относительно изгибающего момента М₂.

Предлагаемый датчик является трехкомпонентным, причем сила вдоль оси Z и изгибающие моменты вокруг осей Х и Y могут измеряться как при раздельном, так и при одновременном их действии. При одновременном действии продольной силы и изгибающих моментов введение корректирующих катушек позволяет существенно повысить точность измерения силы.

Испытания датчика проводились при его установке на шестизвенном манипуляторе универсального промышленного робота ПР 125 с использованием образцовых средств измерения сил и моментов, прошедших метрологическую аттестацию. В результате проведения испытаний установлено, что введение корректирующих катушек позволило снизить основную относительную погрешность измерения продольной силы с 7,5% до 3,0%. Благодаря этому погрешность позиционирования контролируемой точки схвата робота уменьшилась, ориентировочно, на 25%, а погрешность воспроизведения заданной кривой (дуги окружности) - на 20%.

Изобретение относится к области силоизмерительной техники и может быть использовано для силомоментного очувствления роботов. Устройство содержит два силопередающих фланца, соединенных между собой четырьмя упругими перемычками, размещенными параллельно продольной оси датчика симметрично относительно нее, попарно в двух перпендикулярных плоскостях, причем пары перемычек соединены между собой последовательно, а перемычки каждой пары связаны жесткой пластиной. Также оно содержит сигнальные катушки, размещенные на упругих перемычках и соединенные попарно последовательно-встречно, намагничивающие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, в два других плеча которой включены компенсационные катушки. Кроме того, имеются две корректирующие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные последовательно-встречно в измерительную диагональ мостовой цепи. Технический результат заключается в повышении эффективности управления приводами роботов с силомоментным очувствлением, повышении точности позиционирования и точности воспроизведения заданных траекторий перемещения. 2 ил.

Датчик для силомоментного очувствления роботов, содержащий два силопередающих фланца, соединенных между собой четырьмя упругими перемычками, размещенными параллельно продольной оси датчика симметрично относительно нее, попарно в двух перпендикулярных плоскостях, причем пары перемычек соединены между собой последовательно, а перемычки каждой пары связаны жесткой пластиной, сигнальные катушки, размещенные на упругих перемычках и соединенные попарно последовательно-встречно, намагничивающие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, в два других плеча которой включены компенсационные катушки, отличающийся тем, что введены две корректирующие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные последовательно-встречно в измерительную диагональ мостовой измерительной цепи.