Мехатронный модуль линейного перемещения с пневматическим приводом

nter">Рис.7 – Схемы  подключения датчика

Одной из разновидностей потенциометрических  датчиков является реохорд - натянутая металлическая проволока с передвижным контактом, применяемая для измерения электрического сопротивления, напряжения, электродвижущей силы.

Индуктивные датчики перемещения

Индуктивный датчик, измерительный преобразователь  угла поворота или перемещения в  изменение индуктивности. Индуктивный  датчик представляет собой катушку  индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под воздействием измеряемой величины. Вследствие изменения воздушного зазора в магнитопроводе меняется его магнитное сопротивление и, следовательно, индуктивность катушки.

ОСОБЕННОСТИ

Диапазоны от 0,5 мм до 1100 мм, высокая точность прибл. 0,01% от диапазона,линейность меньше ± 0,5% полной шкалы, переменное и постоянное питание, выбираемые AC-/DC-выходные сигналы, рабочая температура до + 150 ° C, корпус из нержавеющей стали, бесконечное  время жизни.

Датчики этого типа, с одной стороны, чувствительны  к внешним электромагнитным полям, а с другой — способны сами их индуцировать. Поэтому необходимо их экранировать. Индуктивные датчики довольно дороги и сложны в обработке снимаемых сигналов.

Рис.8 –  Индуктивные датчики перемещения

Таблица 4 – Технические характеристики датчика 8740

Рис.9 – Чертеж модели 8740

Электрические характеристики

Питание (защита от переполюсовки):            9 ... 28 В

Потребляемый  ток:                                      < 30 mA

Выходное  напряжение (стандарт):                 0 ... 5В

Пульсация выходного напряжения:            ~ 20 mВ

Выходное  сопротивление:                                1 kΩ

Также существуют магнитные датчики линейных перемещений объекта. Линейка из ферромагнитного материала, имеющая магнитные полюса, крепится на подвижный объект. Над ней на расстоянии крепится магнитный датчик. При перемещении линейки вдоль датчика, последний вырабатывает импульсы на своих выходах (Рис. 10).

Рис.10 –  Магнитная линейка

Оптические датчики перемещения

В основу работы лазерного датчика положен принцип оптической триангуляции (Рис.11). Излучение полупроводникового лазера 1 фокусируется объективом 2 на объекте 6. Рассеянное на объекте излучение объективом 3 собирается на CCD-линейке 4. Процессор сигналов 5 рассчитывает расстояние до объекта по положению изображения светового пятна на линейке 4.

Рис.11 – Принцип  работы лазерного датчика

У оптических диффузных датчиков излучатель и приемник света расположены в одном корпусе и вдоль одной оси. Излучатель испускает импульсы красного или инфракрасного света. Когда на пути светового луча появляется какой-нибудь предмет, встроенный в датчик фотоприемник улавливает отраженный от него свет и переключает выходные транзисторные ключи в противоположное по уровню состояние. Датчик срабатывает. Излучатель работает в импульсном режиме, а фотоприемник реагирует на световые импульсы со скважностью, испускаемой излучателем. Это позволяет избежать ложного срабатывания датчика в условиях яркой освещенности. Электрическое соединение производится трёхпроводным кабелем, который герметично встроен в корпус датчика, или при помощи трёхпинового разъема. Оптические диффузионные датчики бывают с подстройкой зоны чувствительности (если датчик должен реагировать на определенную цветовую область мишени или на ближайшую к датчику область мишени), с компенсацией контрастной метки (если определяемые объекты имеют разную контрастность, их размер меньше диаметра светового луча, или в зоне регистрации датчика находятся посторонние объекты), датчики со встроенным внешним фильтром (если есть необходимость детектировать объекты, имеющие сильноотражающую поверхность).

Диффузионные датчики (c отражением от объекта) - в чувствительной зоне этого сенсора должен находиться статично-отражащий объект, работающий как рефлектор, для испускаемого лазерного света. Датчик имеет два встроенных фотоприемника и реагирует на изменение пропорций света между фотоприемниками. Если между отражающим статичным экраном появится светлый объект, то он увеличит суммарное количество света, приходящего на фотоприемники, а если объект темный, то это количество света уменьшится. Пропорции света, падающего на разные фотоприемники, изменятся только в том случае, если изменится расстояние между датчиком и объектом. От цвета объекта это изменение не зависит. Датчик одинаково устойчиво работает с тусклыми поверхностями, зеркальными или покрытыми инеем объектами. Чувствительность датчика может регулироваться потенциометром.

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления. Ёмкостные датчики представляют собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение ёмкости. Они замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Диэлектриком обычно служит воздух, так что параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов. Классификация датчиков представлена на http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/440-emkostnye-datchiki.html .

На основе конденсатора, у которого электрическое  поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции  емкостных датчиков перемещения  двух основных типов:

с переменной площадью электродов;

с переменным зазором между электродами.

Достаточно  очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых  и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Емкостные датчики в основном расчитаны  на велечину перемещения менее требуемых 150 мм.

Магнитострикционные датчики линейного  перемещения

Принцип работы:

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как железо, никель, кобальт и сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические  свойства этих материалов. То есть, если ферромагнетик находится в области  магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика.

Датчик  линейных перемещений состоит из 5 основных частей:

-измерительный  элемент  (волновод);

-электроника  датчика;

-позиционер  в виде постоянного магнита;

-преобразователь  торсионного импульса;

-демпфирующая  часть (на конце стержня, в  которой гасится вторая часть  торсионного импульса).

«Стержнем»  измерительной  системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод (Рис.12).

Рис. 12 –  Магнитострикционный датчик перемещения

Данный  вариант датчика очень удобен в использовании (как отмечено выше, именно магнитострикционные датчики  применяются в следящих системах Камоцци). Датчик может быть помещен внутрь штока, что также немаловажно. Однако стоимость этих датчиков достаточно велика для их применения в лабораторной установке.

Цифровые кодовые датчики

    Измерительную информацию, получаемую  в аналоговом виде, часто можно  обрабатывать с помощью цифровых  схем, что создает дополнительные  удобства. Это становиться возможным  при использовании аналогово-цифровых  преобразователей. В случае перемещений  можно создать датчик, измеряющий  положение линейное или угловое  и выдающий его сразу в цифровой  форме. Как и во всех приборах  с цифровым преобразованием, информация  оказывается квантованной и, следовательно,  разрешение всегда конечно. 

Различают абсолютные и инкрементальные цифровые датчики http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/199906/34.html

Цифровые  датчики, как уже отмечалось, удобны в использовании тем, что имеют  преобразованный цифровой выход, однако точность таких датчиков оказывается недостаточной для следящей пневматической системы, их стоимость также достаточно велика.

Учитывая  ограниченность во временных и материальных ресурсах, используем потенциометрический  датчик – реохорд.

 

ТОРМОЖЕНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО  МЕХАНИЗМА

Следящий  режим работы привода предполагает перемещение исполнительного механизма на величину, равную заданному значению, допустимая погрешность перемещения 1 мм. Для достижения такой точности необходимо реализовать эффективное торможение штока цилиндра при достижении заданного положения.

Один  из вариантов торможения – торможение противодавлением, когда шток останавливается  исключительно засчет переключения пневмораспределителей, подающих воздух в полости цилиндра.

Упомянутая  выше компания Камоцци использует в  своих следящих системах этот метод  следующим образом: в зависимости от требуемой точности и быстродействия в качестве электропневматического регулирующего устройства может выступать пятиканальный трехпозиционный электропневматический распределитель дискретного действия с закрытой центральной позицией, группа клапанов или пропорциональные электропневматические устройства. Команды контроллера переключают регулирующее устройство таким образом, что поршень всегда движется в сторону уменьшения рассогласования. При достижении требуемого положения поршня распределитель  переключается в центральную позицию, что приводит к останову штока пневмоцилиндра.

Этот  способ удобен тем, что не требует  дополнительных устройств торможения. Недостаток данного способа в том, что пневмоцилиндр переходит в так называемый режим скольжения. Так как имеются задержки в отработке сигналов управления, связанные с реальным временем срабатывания пневмораспределителей, шток переходит за заданное положение, происходит переключение полостей (теперь рабочей полостью является верхняя полость, а выхлопной - нижняя). Привод начинает работать в колебательном режиме, что помимо прочего приводит к быстрому износу пневмосистемы.

Во избежание этого эффекта предлагается использовать внешнее тормозное устройство. В работе предложен вариант электромагнитного тормозного устройства.

Электромагнитное  устройство (ЭМУ) – устройство, состоящее  в общем виде из исполнительного  и оконечного (выходного) элементов  сопряжения, арматуры крепления и  выполняющее определенную функцию  в изделии.

К исполнительным элементам (ИЭ) относятся: электродвигатели, электромагниты и соленоиды, электромагнитные муфты и т.п. Оконечными элементами (ОЭ) являются выходные валы, штоки, толкатели, ролики, зубчатые колеса и другие элементы сцепления. К элементам сопряжения (ЭС) относятся: рычаги, тяги, редукторы и другие передаточные средства. Арматуру крепления составляют корпуса, кронштейны, фланцы и т.д.

Исполнительные  элементы преобразуют входные электрические  сигналы в пространственные перемещения, удар или удержание подвижных  звеньев на выходе ЭМУ, то есть они  являются преобразователями электрической  энергии в механическую.

В общем  виде ЭМУ работает следующим образом. С устройства управления (УУ) на вход ЭМУ подается команда в виде электрического сигнала Uвх. Эту команду ИЭ отрабатывает, совершая механическую работу Аиэ, которая через ЭС подается на ОЭ и далее на выход ЭМУ (Авых). На выходе ЭМУ получаем тяговое усилие в функции перемещения или вращающий момент в функции угла поворота. Работа на выходе Авых=А_иэ∙ƞ, где ƞ – КПД передачи механической работы.

Рис.13 – Структурная  схема ЭМУ

Широкое применение ЭМУ обусловлено простотой  и компактностью конструкций, возможностью получения значительных сил (моментов) и относительной легкостью реализации требуемых характеристик, высокой  точностью установки в фиксированных  положениях, большим сроком службы, простотой управления.

Рассмотрим  варианты тормазных и фиксирующих  ЭМУ. К ним в общем случае относят: электромагнитные тормозные муфты, фиксирующие, стопорные и блокирующие  ЭМУ, электромагнитные замки и защелки. Они применяются в стартстопных механизмах, в приводах, блокировочных  устройствах, узлах, чувствительных к  механическим воздействиям и других устройствах, в которых возникает  необходимость на некоторое время  остановить и удерживать подвижные  устройства, узлы или звенья в определенном положении. Стопорные устройства включаются принудительно или автоматически, а выключаются только принудительно.

На рисунке 14 представлен один из вариантов  стопорного ЭМУ, предназначенного для  стопорения штока, перемещающегося  в осевом направлении. ЭМУ содержит: ЭМ 16 с внешним притягивающимся  якорем 15; фиксирующие элементы, состоящие  из полого стакана 10, подпружиненного 2 фиксирующего стержня 7 с пальцем 6, перемещающегося в прорези 4 полого стакана 10 и соединенного посредством втулки 5 рычага 3 с дисковым якорем 15. ЭМ 16, опорный фланец 13 и фиксирующие элементы закреплены в корпусе 1.