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自動(dòng)化制造機(jī)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(huì)，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(jī)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(dòng)化多軸機(jī)器中的大部分多是以閉環(huán)控制為運(yùn)作方式的。在空間中的結(jié)束時(shí)刀具頭的確切的位置，是不是立刻響應(yīng)。為軟件控制的機(jī)器人或自動(dòng)化制造機(jī)器作計(jì)算，估計(jì)那里的刀具頭相應(yīng)的位置。這常常是以監(jiān)測(cè)傳感器軸線跟蹤軌道并行運(yùn)動(dòng)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(jī)器人及自動(dòng)化機(jī)床。還需要一個(gè)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(diǎn)或終止時(shí)直接反應(yīng)。此項(xiàng)活動(dòng)的目的是研究設(shè)計(jì)低成本的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)將精確定位刀具點(diǎn)在空間坐標(biāo)中直接由‘閉環(huán)’控制。這有助于減少錯(cuò)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單補(bǔ)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(bǔ)償例外，會(huì)在幾乎任何環(huán)境下。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化，制造業(yè)，閉環(huán)控制
1.序言
需要有一個(gè)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(jì)一個(gè)平行機(jī)器人將擁有一個(gè)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(diǎn)空間坐標(biāo)直接或間接減少錯(cuò)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(yùn)動(dòng)控制盡可能找到刀具頭在二維空間位置。與簡(jiǎn)單的修改應(yīng)該使本身適用地點(diǎn)在三維空間。應(yīng)該模塊化，能充分健全和誤差補(bǔ)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(chǎng)是，推導(dǎo)了解細(xì)胞與哪個(gè)設(shè)備是溝通）和三角測(cè)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(tái)攝像機(jī)和LCD（液晶顯示器）屏幕上找到一個(gè)對(duì)象的坐標(biāo)，在二維高準(zhǔn)確性。vslam（視覺同步位置和測(cè)繪）系統(tǒng)用于移動(dòng)機(jī)器人使用相機(jī)建立一個(gè)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(yùn)動(dòng)從幀所提供的照相機(jī)。這些圖象也提供有關(guān)環(huán)境，并完全被動(dòng)的。準(zhǔn)確性和決議不過依靠多遠(yuǎn)對(duì)象攝像是和決議的相機(jī)本身。所有這些技術(shù)都適合大型定位物體在一個(gè)比較大的空間，例如定位人們?cè)诮ㄖ颷3]。在工業(yè)方面，但是，機(jī)器人武器用于裝配，焊接或噴漆動(dòng)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(jí)決議案。對(duì)于制造業(yè)而言，解決數(shù)控機(jī)器范圍從微到納米。作此用途激光干涉儀技術(shù)，有時(shí)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(jì)，原型設(shè)計(jì)和制造工作。一個(gè)光外差干涉儀的設(shè)計(jì)在美國航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室可以測(cè)量直線位移與誤差為20時(shí)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(gè)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(gè)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(duì)位置直接;兩者都使用條紋圖（由于光波干擾），來衡量相對(duì)位移。該整合這些位移測(cè)量耦合隨著知識(shí)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(jī)器人在現(xiàn)實(shí)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(gè)參考點(diǎn)。一般地點(diǎn)問題，在三維空間，是解決重兩個(gè)二維平面直角。這樣的安排，2條軸線相吻合，如果參考點(diǎn)，每架飛機(jī)相逢時(shí)，其結(jié)果是一個(gè)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(duì)所提供的實(shí)物數(shù)量（超聲波，紅外光，無線電波，等等）使用時(shí)，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(gè)數(shù)字輸出。相對(duì)模擬傳感器均需要數(shù)字化，用于數(shù)字系統(tǒng)。模擬信號(hào)是妥協(xié)大氣的影響，溫度，濕度和非屏蔽噪音來自周邊機(jī)械。三角利用無線電，超聲波或紅外線強(qiáng)，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(hào)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(gè)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(gè)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(jī)在任何時(shí)候都。末端效應(yīng)'的位置是一樣的傳感器這是刺激（在一個(gè)二維平面，深度不意思）。這種垂直約束的，可以強(qiáng)制執(zhí)行通過使用傾斜感應(yīng)器，可以告訴取向一個(gè)對(duì)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(jī)器人能足以促成這一條件。該機(jī)動(dòng)工作機(jī)就是這樣一個(gè)例子，因?yàn)樗难b置，迫使其最后影響保持平行，基于在任何時(shí)候。
必須強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)傳感器系統(tǒng)要求只有位（1或0）信息，為每一個(gè)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(jiǎn)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(shí)，這將是一個(gè)死區(qū)域跟蹤，將徹底丟失信號(hào)。該雷射光探測(cè)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(gè)探測(cè)器的屏幕上的一個(gè)偶然和實(shí)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(gè)傳感器網(wǎng)格以相對(duì)低廉的決議案。每個(gè)傳感器提供了一個(gè)檢查站。知道確切的空間它們之間的距離探測(cè)器提供控制器手段，限制失誤的招致。而非積累誤差從一個(gè)極端到下誤差的存在，只是與以往探測(cè)器。
圖1.1。傳感器的預(yù)期系統(tǒng)圖框。
3.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化設(shè)計(jì)包括3部分將機(jī)械，電子和軟件組件。作為在[4]，在這期間機(jī)電一體化，是用來為一體化微機(jī)控制系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試電子硬件和軟件控制，其目的是驗(yàn)證命題。機(jī)械設(shè)計(jì)也著手探索并行的機(jī)制。這些設(shè)計(jì)文件提供一個(gè)簡(jiǎn)單的原型。該規(guī)范對(duì)解決問題方面是輕松的，因?yàn)檫@是說明即制作技術(shù)，可以產(chǎn)生一個(gè)屏，采用現(xiàn)實(shí)的決議案。更多的重點(diǎn)放在了建立一個(gè)廉價(jià)的制度，它可以減少失誤。
機(jī)械結(jié)構(gòu)：
機(jī)械結(jié)構(gòu)是基于一個(gè)柔性接機(jī)和地點(diǎn)并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人。這是一個(gè)規(guī)模適應(yīng)設(shè)計(jì)包括4鉸接武器4個(gè)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(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)是600毫米長(zhǎng)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(duì)機(jī)械零件有意義的這一立場(chǎng)激光：
（一）球軸承，（二）改性軸承插座，（三）交流伺服電機(jī)與上臂連接和安裝托架，（四）項(xiàng)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(gè)僅低于'肘'和其他略高于'腕' ，為每個(gè)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(dòng)的裝置，從各個(gè)方向，而下手臂可以上，下，左，右，可甚至旋轉(zhuǎn)約'肘'測(cè)序，對(duì)自己基本運(yùn)動(dòng)（誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)對(duì)伺服）。該激光可以走動(dòng)一段空間，這是大約半球下面敏感性區(qū)（廣場(chǎng)割喉式列于伺服裝配架，圖1.3（一）。準(zhǔn)則并行機(jī)制設(shè)計(jì)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(jì)的系統(tǒng)，是一種混合型正如上文第1.2。這種分析，是因?yàn)榈偷?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(fèi)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(gè)傳感器網(wǎng)格組成，64 bp103 phototransistors安排在一個(gè)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(xiàng)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(zhǎng)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(jià)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(hào)，要緩沖/擴(kuò)增，以確保該電壓等級(jí)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(jì)。為此，每個(gè)傳感器一欄是通過一個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部1uln2803，其中包括8個(gè)晶體管司機(jī)。8驅(qū)動(dòng)芯片使用，而每欄。產(chǎn)出從每個(gè)uln2803是美聯(lián)儲(chǔ)到一個(gè)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和各位代表一個(gè)傳感器的現(xiàn)狀。該控制器用來傳輸8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)通過其串行通信口收發(fā)器與PC機(jī)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(dòng)機(jī)。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(gè)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(gè)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(yùn)行相應(yīng)的例程。傳感器數(shù)據(jù)采集-這個(gè)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(gè)完整的說明如何用達(dá)到這個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)一個(gè)號(hào)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(gè)字符對(duì)于每一種數(shù)百人，幾十本單位兩位數(shù)），代表號(hào)碼（0-九，其中以ASCII是0x30-0x39十六進(jìn)制樂譜）?？偣灿?2個(gè)字符位元組（4個(gè)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(gè)校驗(yàn)位（9bits每字節(jié)），需要0.03s以完成。伺服輪換-作為有4個(gè)伺服馬達(dá)，4脈寬調(diào)制信號(hào)都必須產(chǎn)生。來襲命表明某一伺服和長(zhǎng)度其脈沖寬度。脈寬值，將收到在3個(gè)字節(jié)?？偣灿?6個(gè)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(shí)間才能做到這一點(diǎn)，是0.015秒（9600波特率）。計(jì)時(shí)器內(nèi)的控制器將確保該P(yáng)WM信號(hào)符合預(yù)期射程1-2ms。
用戶界面-用戶界面提供了一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)（欄），為低比特（行）和改變顏色的對(duì)應(yīng)圓（藍(lán)色時(shí)，沒有刺激，時(shí)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(dòng)控制激光和舉措，它的任何地方它的機(jī)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(gè)參考點(diǎn)，然后沿行和欄目。它會(huì)把所有的傳感器都被選定用戶。
控制設(shè)計(jì)概述：
傳感器網(wǎng)格提供直接反饋的立場(chǎng)該激光/工具頭在離散點(diǎn)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(chǔ)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(cuò)誤，其定位它然后修改位置傳感器和復(fù)位誤差。
4.性能/運(yùn)行
新穎的這一傳感器系統(tǒng)的虛假與事實(shí)，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(jì)算在激光三角測(cè)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(jī)械設(shè)計(jì)，與4裝置同樣重視本末端效應(yīng)。安排并配置有優(yōu)勢(shì)比較容易控制，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并補(bǔ)充說：僵硬。
傳感器網(wǎng)格：
傳感器網(wǎng)格是對(duì)微控制器的運(yùn)作之后的意圖綜合各項(xiàng)職能，。這個(gè)項(xiàng)目目前還處于測(cè)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(gè)版本的畫面，目前正在設(shè)計(jì)提高分辨率和系統(tǒng)的可重復(fù)性。
機(jī)械結(jié)構(gòu)：
最重要的一環(huán)，機(jī)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(dòng)畫其動(dòng)向，以確保它完全符合設(shè)計(jì)要求。該結(jié)果表明，在圖1.4。一項(xiàng)議案發(fā)生器重視每個(gè)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(shí)整個(gè)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(gè)議案，是為了確保該激光光束始終垂直探測(cè)器。奇異，為這一機(jī)制發(fā)生時(shí)，武器是完全延長(zhǎng)或折疊時(shí)，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(shí)。
5.結(jié)論
目標(biāo)是建立一個(gè)平行的機(jī)器人與集成傳感器系統(tǒng)已經(jīng)得到滿足。機(jī)械工程系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該唯一的問題，與機(jī)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(jī)器人將消除這個(gè)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(gè)問題。這個(gè)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(gè)這些傳感器網(wǎng)格放置在成直角對(duì)方。傳感器網(wǎng)格，也是穩(wěn)健的，是不會(huì)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(gè)傳感器系統(tǒng)，它大致同一決議和準(zhǔn)確性。這一項(xiàng)目旨在測(cè)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(gè)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(yùn)動(dòng)：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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