Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ принципов построения мини и микрозахватных пьезоэлектрических устройств 12
1.1 Аналитический обзор литературы по пьезоэлектрическим схватам и их классификация 12
1.2 Преимущества и недостатки пьезоэлектрического привода пальцев схвата 17
1.3 Анализ манипуляционных систем точного позиционирования 21
1.4 Обзор методов исследований пьезоэлектрических микроустройств и постановка задач диссертации 27
1.5 Выводы по главе 1 50
Глава 2 Разработка и исследование математических моделей пьезоэлектрического схвата 51
2.1 Квазистатический режим работы пьезоэлектрического схвата 53
2.1.1 Методика постоянного эквивалентного момента 54
2.1.2 Уточненное решение дифференциального уравнения упругой линии биморфа пальца схвата 61
2.1.3 Методика эквивалентной распределенной нагрузки 71
2.1.4 Расчет силы на конце пальца схвата 78
2.1.5 Сравнительный анализ методов расчета упругой линии пальца схвата при зажиме детали 87
2.1.6 Математическая модель микропозиционирования детали с помощью схвата 93
2.1.7 Определение грузоподъемности схвата 99
2.2 Динамический режим работы пьезоэлектрического схвата 101
2.2.1 Расчет собственной частоты механических колебаний пальцев схвата с деталью и без нее 102
2.2.2 Оценка применимости электрического резонанса для очувствления схвата 107
2.2.3 Электромеханическая модель пьезоэлектрического схвата... 113
2.2.3.1 Уравнение вынужденных колебаний свободного пальца схвата и синхронных колебаний пальцев схвата с деталью... 114
2.2.3.2 Расчет амплитуды и частоты колебаний пальца схвата
под действием внешней силы 121
2.2.3.3 Расчет величины ЭДС, создаваемой схватом при его
работе в режиме датчика механических колебаний 125
2.2.4 Цифровое управление схватом в дорезонансной области час
тот 130
2.3 Оценка температурной погрешности микропозиционирования 135
2.4 Выводы по главе 2 137
Глава 3 Разработка электронной системы управления пьезоэлектрическим схватом 139
3.1 Алгоритмы управления пьезоэлектрическим схватом мехатронной манипуляционной системы 141
3.2 Микроконтроллерное управление пьезоэлектрическим схватом... 147
3.3 Программа микроконтроллера MSP430F1121А для управления схватом 154
3.4 Цифровое управление напряжением питания схвата 158
3.5 Оптимизация массогабаритных параметров системы питания 167
3.6 Анализ вариантов очувствления пьезоэлектрического схвата 175
3.7 Результаты и выводы главы 3 180
Глава 4 Экспериментальные исследования пьезоэлектрического схвата 182
4.1 Макет пьезоэлектрического схвата и испытательный стенд для проведения экспериментов 182
4.2 Экспериментальное исследование захватывания детали 187
4.3 Экспериментальное определение силы, развиваемой пальцем схвата 189
4.4 Экспериментальное исследование микропозиционирования детали с помощью схвата и 191
4.5 Экспериментальное определение величин прогибов пальцев схвата и погрешности микропозиционирования 193
4.6 Экспериментальное исследование частотных характеристик пьезоэлектрического схвата 197
4.6.1 Определение амплитудно-частотной характеристики схвата без детал и 199
4.6.2 Определение амплитудно-частотных характеристик схвата с деталью 202
4.6.3 Определение амплитудно-частотной характеристики пальца схвата под действием внешней силы 205
4.7 Экспериментальное исследование вариантов очувствления схвата.. 207
4.8 Выводы по главе 4 226
Заключение 228
Публикации автора по теме диссертации 230
Список литературы
- Анализ манипуляционных систем точного позиционирования
- Уточненное решение дифференциального уравнения упругой линии биморфа пальца схвата
- Микроконтроллерное управление пьезоэлектрическим схватом...
- Экспериментальное определение величин прогибов пальцев схвата и погрешности микропозиционирования
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Область микроманипулирования и микро робототехники все еще находится в своей начальной стадии развития, и промышленность сегодня ориентируется на создание микроманипуляторов и сборочных центров, предназначенных для решения конкретных задач.
Существует много типов схватов - электромеханические, гидравлические, пневматические схваты для разнообразных применений. Они оснащены различными датчиками и, как правило, специально разработаны под конкретные задачи. Многие из этих схватов имеют большие размеры и массу, что делает их непригодными для использования в составе микроманипуляторов и мобильных микророботов. Основная мотивация для проведения настоящего исследования состоит в отсутствии микроманипуляционнътх систем, необходимых для решения широкого спектра задач - от высокоточного монтажа микрокомпонентов в радиоэлектронике до сборки микромеханических устройств.
Идея создания микромашин не нова, но именно сегодня в связи с успехами в области миниатюризации компьютерных и механических компонентов она стала реальной.
Для сборки и монтажа микроустройств нужны микроманипуляторы и микрозахватные устройства, которые могут обеспечить высокую точность и надежность позиционирования малых компонентов. Проблема разработки мехатронных систем микроперемещений имеет важное хозяйственное значение, так как позволяет создавать новые автоматические устройства в областях микроробототехники, микробиологии и микроэлектроники.
Системы с пьезоэлектрическими приводами обладают рядом важных достоинств, таких как: высокая жесткость, точность, надежность, компактность. Однако, ввиду ряда причин, они пока мало используются в робототехнике. Среди этих причин малое число работ по исследованию систем с пьезоэлектрическими манипуляторами и захватными устройствами, отсутствие методик и технологии изготовления таких устройств, а также систем и алгоритмов управления.
Несмотря на то, что микроманипуляторы с пьезоэлектрическими захватными устройствами не обладают высокой конструктивной сложностью, трудность представляет отсутствие математического аппарата, обеспечивающего управление пьезоактюаторами пальцев схватов. Подробный анализ пьезоэлектрических захватных устройств, как показывает литературный обзор еще не проводился, вследствие чего тема диссертации является актуальной.
Целью работы является разработка пьезоэлектрического схвата, в котором благодаря изменению управляющего напряжения на пьезоэлектрических пальцах схвата, можно реализовать точные перемещения захваченной детали без использования дополнительного привода. Решение данной задачи основано на идее использования единого привода для осуществления захвата и точного позиционирования детали в схвате, что отличает предлагаемый схват от традиционной схемы схвата с раздельными приводами. Такой подход позволяет укоротить кинематические цепи и упростить конструкцию микроманипулятора. Особое внимание в работе акцентируется на разработке электронной системы управления для применения схвата в виде мехатронного модуля в стационарной или мобильной мехатрон-ной микроманипуляционной системе.
В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Сбор и анализ материалов по системам микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами, обзор методов исследования и анализ существующих математических моделей пьезоактюаторов.
2. Разработка принципов построения и математических моделей пьезоэлектрического схвата с микропозиционированием, создание методик его расчета и анализ работы предложенного схвата в квазистатическом и динамическом режимах.
3. Определение грузоподъемности схвата и аналитическое описание поведения схвата с зажатой деталью.
4. Разработка макета и проведение экспериментальных исследований для верификации математических моделей.
5. Определение гистерезисной, динамической и температурной погрешностей пье зоэлектрического схвата.
6. Разработка метода очувствления схвата путем использования пальцев схвата в режиме датчика.
7. Разработка алгоритмов управления схватом.
8. Разработка мехатронного модуля, включающего схват и электронную систему управления схватом.
9. Оптимизация массогабаритньтх характеристик системы управления напряжением питания схвата для применения в мобильных микроманипуляционных системах.
Объект исследования - двухпальцевый пьезоэлектрический схват с микропозиционированием и очувствлением.
Методы исследования. Кинематические, силовые и динамические параметры схвата исследовались с использованием методов сопротивления материалов, теории колебаний, физики упругих пьезоэлектрических сред.
Для проверки теоретических положений математической модели применялся натурный эксдеримент. В следствии того, что на миниатюрном схвате сложно установить датчики для экспериментального исследования работы схвата в составе мехатронной системы для контроля микроперемещений использовался телевизи-онно-микроскопический комплекс МБС-10 и телеуправление.
При построении графиков использовался пакет MathCad 2003. Для проведения частотного анализа применялось математическое моделирование при помощи программы Cosmos пакета SolidWorks. При разработке программы системы управления использован язык программирования С в среде IAR Emmbedded Workbench. Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Получено уточненное решение дифференциального уравнения линии прогиба пьезоэлектрического биморфа пальца схвата.
2. Разработана математическая модель распределенной эквивалентной нагрузки, обеспечивающая большую точность расчета линии прогиба свободного пальца схвата, чем методика постоянного эквивалентного момента. Максимальная ошиб ка расчетной линии прогиба на участке от места закрепления до точки контакта с деталью уменьшилась в 3 раза.
3. Предложены формулы для расчета силы зажима детали, грузоподъемности и допустимого ускорения движения схвата с деталью, а также формула для расчета величины микропозиционирования детали в схвате.
4. Показано, что эффективным способом частотного очувствления схвата является разделение цепей привода и датчика, когда один из пальцев схвата служит источником сигнала и приводом, а второй - датчиком и включен в измерительную цепь.
5. Доказано, что термодрейф не влияет на точность микропозиционирования в поперечном направлении, но оказывает влияние на величину силы, развиваемой пальцем схвата.
6. Разработаны алгоритмы управления схватом в составе мехатронной манипуля- ционной системы.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором самостоятельно, и ее основные результаты представлены в 11 научных публикациях. При использовании результатов исследований других авторов указаны литературные источники.
Практическая ценность работы:
1. Предложены методики расчета пьезоэлектрического захватного устройства.
2. Разработан действующий макет пьезоэлектрического схвата.
3. Оптимизирована электронная система управления схватом для использования его в стационарных и встраиваемых мобильных системах.
4. Разработан и исследован высоковольтный оптический ЦАП для цифрового управления пьезоэлектрическим биморфным актюатором пальца схвата.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях СПбГПУ в 2006 и 2007 г., на семинарах кафедры «Автоматы» и в ЦНИИРТК, а также в ЛЕНЭКСПО на международной научно-технической выставке "Мехатроника и Робототехника" (МиР-2008). По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. В объем диссертации входят: основной текст на 162 страницах, 160 рисунков на 80 страницах, 14 таблиц на 8 страницах и список литературы из 224 наименований.
Первая глава посвящена анализу принципов построения мини- и микрозахватных пьезоэлектрических устройств. Приведен обзор литературы по проектированию и расчету схватов, указаны существующие их классификации. Сделан обзор публикаций и патентов по пьезоэлектрическим схватам с указанием их технических характеристик. Составлена классификация известных конструкций пьезоэлектрических схватов. Дана оценка преимуществ и недостатков использования пьезоэлектрических актюаторов в составе схвата.
Выполнен обзор мехатронных систем точного позиционирования и показаны области применения пьезоэлектрических схватов.
В последней части первой главы сделан аналитический обзор методов исследований на основе научных публикаций и диссертаций, связанных с темой данной диссертации. Исходя из нерешенных научных проблем, относящихся к теме диссертации, сформулированы основные задачи данной работы.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей двухпальцевого пьезоэлектрического схвата. Рассмотрены два режима работы схвата - квазистатический и динамический.
В квазистатике разработана математическая модель пальца схвата и получены формулы для расчета величины прогиба по методу эквивалентного момента, эквивалентной нагрузки и с помощью точного решения дифференциального уравнения прогиба пальца схвата. Далее в этой главе построены линии прогиба пальца схвата для различных методик расчета и различных значений внешней блокирующей силы. Разработана математическая модель схвата с зажатой деталью, определены формулы для величины силы зажима детали, микропозиционирования и грузоподъемности схвата.
В динамическом режиме определены частоты механического резонанса схвата и сделана оценка возможности применения электрического резонанса для очувствления схвата. С целью изучения амплитудно-частотных характеристик пьезоэлектрического схвата разработана электромеханическая модель, позволяющая описать работу схвата в режиме датчика, найдена формула для расчета ЭДС датчика и дано математическое описание работы системы управления микропозиционированием пальцев схвата в дорезонансном режиме. Для верификации математических моделей результаты расчетов проверены экспериментальным измерениями. В конце второй главы рассмотрена проблема термодрейфа.
В третьей главе разработаны следующие алгоритмы управления пьезоэлектрическим схватом в составе робототехнической двухкоординатной системы: 1) захват и удержание детали; 2) микропозиционирование и очувствление схвата по напряжению питания; 3) освобождение детали; 4) частотное очувствление захватного устройства.
Далее в данной главе осуществлена разработка системы цифрового управления напряжением питания для мехатронного модуля пьезоэлектрического схвата в составе стацинарной, мобильной или переносной робототехнической системы. Для достижения данной цели решены следующие задачи: 1) обзор существующих преобразователей напряжения и разработка компактного высоковольтного мало потребляющего преобразователя напряжения питания; 2) обзор известных видов ЦАП и разработка высоковольтного мало потребляющего ЦАП для управления уровнем напряжения на схвате; 3) рассматриваются возможные способы использования пальцев схвата в качестве датчиков и на базе них предложены варианты реализации очувствления пьезоэлектрического схвата; 4) выбор микроконтроллера, интеграция системы питания и ЦАП с микроконтроллером и сопряжение его с ЭВМ верхнего уровня. Система оптимизирована для управления пьезосхватом в мобильных системах и беспроводных устройствах с автономным питанием.
Кроме алгоритмов управления и схемотехники в данной главе приведено описание программы для микроконтроллера MSP430F1121 А, управляющего оптическими ЦАП системы управления напряжением питания.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию пьезоэлектрического схвата. В данной главе приведено описание осуществленных экспериментов и их результатов, а сравнение с результатами расчетов по математическим моделям производится во второй главе.
В рамках экспериментального исследования пьезоэлектрического схвата были проведены следующие три группы экспериментов:
1. Квазистатический режим работы схвата: а) захват детали; б) микропозиционирование; в) измерение силы, создаваемой пальцем схвата; г) определение величины прогиба и гистерезиса пьезоприводов пальцев схвата.
2. Динамический режим работы схвата: а) определение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) свободного пальца схвата; б) АЧХ схвата при наличии зажатой детали в схвате; в) АЧХ схвата, находящегося под действием внешней силы.
3. Эксперименты по очувствлению схвата: а) включение схвата в цепь автогенератора; б) использование пальца-датчика для приема сигнала прямоугольной формы; в) определение резонансной частоты пальца датчика в схвате без детали; г) снятие АЧХ датчика схвата с деталью; д) использование пальца привода в качестве датчика; е) включение датчика режиме пьезотрансформатора.
Выводы приводятся по всем главам отдельно, в интегрированном виде они содержатся в Заключении.
Анализ манипуляционных систем точного позиционирования
Целью подглавы является обзор микропозиционных систем, где могут применяться пьезоэлектрические схваты, выяснение их технических характеристик для дальнейшего расчета схвата и анализ структуры системы управления на примере выбранной системы микропозиционирования.
Системный подход применим к изучению микрозахватных устройств во взаимодействии с другими компонентами робототехнической системы. Пьезоэлектрический схват является частью микроманипуляционой системы, поэтому при его изучении нельзя обойти вниманием системы, в которых он применяется, только так можно оценить их характеристики и что должно входить в состав комплекса оборудования, обеспечивающего работу данного устройства. В связи с этим требуется рассмотрение конкретных образцов оборудования.
В качестве примера разработки системы микропозиционирования по трем координатам с пьезоэлектрическим схватом следует привести разработку Хель-синского Технологического Университета [76] (рис. 1.8), где в 2003 г. была изготовлена микропозиционная система, способная оперировать деталями размером до 3,5 мм в рабочей зоне 13x13x15 мм и обеспечивать разрешение 50 нм.
Данная система была разработана для операций микросборки и тестирования мини- и микроэлектромеханических систем.
Микроманипуляционная система: 1) вертикальная приводная опора; 2) каретка; 3) калибровочная степень свободы; 4) фиксатор пальцев; 5) калибратор пальцев; 6) пьезоэлектрические биморфы; 7) сменные губки схвата; 8) координатный стол
Следующей сферой применения микроманипуляторов является производство печатных плат и интегральных микросхем. В качестве примера оборудования, производимого промышленностью и применяемого для ручной и автоматической установки поверхностно монтируемых компонентов (SMD компоненты), и использующего вакуумные насадки для захвата чипов, и основанного на известной схеме микропозиционирования, можно привести MPL 3100, (рис. 1.9). я1 MPL 3100 Микроустановщик для BGA, Micro BGA и RnePitch компонентов -точность +0,02 мм -макс, размер ПП: 275x430 мм
Микроустановщик SMD компонентов Данную систему микропозиционирования предлагает фирма «Универсалпри-бор» [223]. Микроустановщик предназначен для установки BGA-,Micro-BGA и Finepitch компонентов с системой призм для одновременного визуального обзора нижней поверхности компонента и контактной площадки. Он имеет встроенную цветную видеокамеру, автоматические подъем и опускание компонента, автоматическое увеличение и фокусировку, устройство плавного захвата и установки компонента (без монитора). Для видео управления используется цветная видеокамера и монитор, поставляемые отдельно. MPL3100 включает в себя следующие части: базовая система (микропозиционирования по координатам X, У, Z); . вакуумная помпа (220-230 В/ 100-110 В); вакуумные насадки 4 и 10 мм; пульт управления (кабельное подсоединение); калибровочная плата с калибровочной насадкой; инструмент для калибровки системы (ключи). Технические данные: максимальный размер печатной платы 275 х 430 мм; максимальное поле обзора 40 х 40 мм; минимальное поле обзора 9x9 мм; регулировка стола по Х/У 5 мм; точность настройки Х/У 0,02 мм; вращение компонента 360; габариты 380x720x460 мм, вес 18 кг; . питание 110-230 В, 50-60 Гц.
В качестве примера консольной системы с микропозиционированием, применяемой в данной области, можно привести автомат для установки SMD компонентов FLX 2010, поставляемый в Россию фирмой «Универсалприбор» [223], (рис. 1.10). FUC20 Автомат установки SMD -4200 комп./час -мин. размер ПГЪ 25x25 мм -макс, размер ЛП: 700x6 Рис. 1.10 Микроманипуляционная система консольного типа Привод системы микропозиционирования является мехатронным модулем, состоящим из следующих элементов: электродвигатель, механический преобразователь, датчик, разъем связи, микроконтроллер и драйвер для двигателя (рис 1.31). Привод микроманипуляционой системы делится на две части: двигательную и управляющую.
Традиционный привод одной степени свободы для микропозиционной системы К двигательной части относятся три элемента: двигатель, механический преобразователь и датчик. К системе управления относятся: усилитель сигнала (драйвер), разъем связи (порт), микроконтроллер. Для данной системы разрешение позиционирования и погрешность определяются величиной поворота шагового двигателя и точностью изготовления винтовой передачи. Так, по данным фирмы Haudon [217] для высокоточных винтов 03.2 мм, с трапецеидальной резьбой, при шаге двигателя 7,5 горизонтальное перемещение равно 10 мкм, а при шаге 1,8 равно 2 мкм.
Из иного оборудования, связанного с использованием пьезокерамики, наиболее близким по внутреннему устройству электронной системы управления и механики к микроманипулятору с пьезоэлектрическим схватом в задачах микропозиционирования и мобильных применений является переносной струйный принтер. Данное коммерчески доступное устройство можно рассматривать в качестве аналога для представления о основных функциональных частях микропозиционной системы.
Уточненное решение дифференциального уравнения упругой линии биморфа пальца схвата
После того, как теоретическое обоснование для расчета уточненной линии прогиба получено, следует привести саму методику, необходимую при практическом расчете прогиба длинного пальца схвата без внутренней металлической рессоры: 1) По формуле (2.30) рассчитываем величину радиуса кривизны R. 2) Из системы (2.23) выражаем угол поворота сечения 9 в радианах: e(x,R) aTCs m — +2жп ; иє/V , (2.31) где х в данном случае это длина биморфа до заданного сечения. Из системы формул (2.23) находим прогиб %. Формулу расчета прогиба можно преобразовать следующим образом: % = R-R-cos9 = 2-R-s m-. (2.32)
Для сравнения классической теории прогиба по теории сопротивления материалов с точным решением дифференциального уравнения упругой линии биморфа пальца схвата и выяснения границ применимости двух теорий в данном разделе проводятся вычисления в программе MathCAD 13 и анализ полученных зависимо стей. В расчетах использовались параметры биморфа ЭГТ-07-ПлБ-12 пальцев схвата со следующими значениями: - пьезоэлектрический модуль для пьезокерамики НЦБТС-1: d3i=310-10"12 КУН; - длина расчетных электродов биморфа варьировалась от 0 до 4 метров; - половина толщины биморфа: hp=0,28-10"3 м; - ширина биморфа: Ь=2,5-10 м; - напряжение U=180 В, для того чтобы оценить результаты расчетов на предельной величине рабочего напряжения и чтобы радиус кривизны был близок по величине к J метру. При меньших значениях электрического напряжения радиус кривизны увеличивается и для того, чтобы различия между формулами (2.15) и (2.32) стали заметны, придется брать еще большую длину биморфа.
Допущение: масса биморфа и гравитационные силы не учитываются, в связи со столь большой расчетной длиной биморфа в расчетах считается, что биморф ничего не весит, в противном случае линия прогиба зависит от того как расположен биморф относительно земли. Чтобы не учитывать данный фактор, рассматривается идеализированный вариант деформации биморфа, только под действием электромеханических сил внутри биморфа.
Для данных условий расчетная величина радиуса кривизны [2.30]: R =0,937 м. На рис. 2.9 показаны результаты расчета величины прогиба по формуле (2.14) в зависимости от длины биморфа при постоянном уровне напряжения и результат расчета прогиба по формулам (2.30-2.32) на всей расчетной длине. На рис 2.10 показан тот же график для длины биморфа от 0 до 1 метра.
С ростом длины биморфа прогиб его согласно параболической теории устремляется к бесконечности, что не является возможным. Потому в сопротивлении материалов указывается граница применимости данной теории как отношение толщины к длине 1:100. Для пьезоэлектрических биморфов эта граница может быть преодолена, поэтому следует более точно определить границы применимости метод постоянного эквивалентного момента для данного случая.
График зависимости прогиба конца пальца схвата от длины для длины биморфа до 1 м: 1) уточненное решение; 2) классическая теория В литературе [50, 7] указывается, что при большой длине пьезоэлектрического биморфа, он сворачивается в кольцо, но нет точной формулы прогиба. В данной подглаве найдена формула (2.32) и на рис. 2.11 построена линия изгиба пальца схвата для заданных условий.
В таблице 2.2 приводятся расчетные величины погрешностей для различных длин биморфа, так для длины равной радиусу она составила 8,1%. Для конца биморфа на длине 32,5 мм погрешность оказалась -0,09 %.
На интервале длин от 0 до 0.1 метра расхождение между формулами меньше 1 % и ошибка отрицательная, при 0,3 м ошибка равна нулю, с увеличением длины ошибка многократно возрастает. Основные выводы из результатов расчетов:
1. При длине биморфа меньше 30% от радиуса кривизны отличие прогиба, рассчитанного по классической теории параболического прогиба, практически не отличается от уточненного решения. При длине биморфа равной радиусу кривизны ошибка = 8 %. Следовательно, при длине биморфа меньшей радиуса кривизны использование параболической теории прогиба является приемлемым.
2. При длине биморфа большей радиуса кривизны погрешность формулы (2.14) увеличивается, так при длине L=2TUR линия прогиба значительно деформируется и начинает превосходить длину биморфа в 2,3 раза, что является невозможным, тогда как точная формула указывает, что биморф в этом случае свернется в кольцо и это более близко к реальности. При длине биморфа большей, чем радиус кривизны це-лесообразно рассчитывать прогиб по уточненной формуле.
3. В случае, если длина биморфа, используемого в пьезоэлектрическом схвате, много меньше радиуса кривизны, то формула расчета прогиба конца пальца схвата (2.15) пригодна для математического описания работы схвата.
Микроконтроллерное управление пьезоэлектрическим схватом...
Для работы со следующей деталью приведенная последовательность алгоритмов повторяется.
В данном подразделе предложены следующие алгоритмы для управления пьезоэлектрическим микросхватом: 1) захват детали и удержание; 2) частотный метод очувствления захватного устройства; 3) микропозиционирование; 4) освобождение детали. И показано применение данных алгоритмов совместно с алгоритмами управления манипулятором робототехнической системы микроперемещений.
Целью подглавы является разработка системы управления на основе микроконтроллера для управления пьезоэлектрическим захватным устройством в составе мехатронного модуля.
Ядро системы управления построено на микроконтроллере фирмы Texas Instruments MSP430F1121A. Обзор по коммерчески доступным микроконтроллерам семейства MSP430 приведен в работе [10]. Выбор микроконтроллера MSP430 продиктован в первую очередь его сверхнизким энергопотреблением, равным порядка 200 мкА в активном режиме [224], что актуально для мобильных устройств с автономным питанием. Применение флэш-памяти с очень малым потреблением наряду с развитой системой синхронизации и RISC-подобным центральным процессором позволяют строить автономные устройства, способные работать без замены батареи до 10 - 15 лет [10].
Другие преимущества данного выбора: - низкая цена; - 50 летний опыт разработки ядра микроконтроллера; - смешанно-сигнальный микроконтроллер, имеющий и цифровые и аналоговые входы выходы; - универсальность языка программирования С, удобство программирования и отладки.
Микроконтроллеры MSP430 имеют очень простую в освоении систему команд с малым числом инструкций. Характеристики MSP430F1121A [224]: Низкое напряжение питания, 1.8 - 3.6 В; Потребляемая сила тока 0.16-0.28 мА при 2.2 В в активном режиме; Тактовая частота 8 МГц; 125 не на 1 команду; 16-разрядный RISC процессор; Встроенный 16 битный таймер; Внутрисхемный JTAG программатор и отладчик; Объем FLASH памяти 4 Кб, ОЗУ 256 байт.
Несмотря на малый объем флеш памяти, для хранения управляющих программ в машинном коде, туда можно записать достаточно сложные алгоритмы управления. Так, в командах ассемблера это большой объем, и в пункте 3.3 для управления схватом разрабатывается программа управления на базе системы обработки входящих сигналов в реальном времени.
Важной особенностью микроконтроллеров семейства MSP430 является защита интеллектуальной собственности, для чего внутри микроконтроллера имеется перемычка Security Fuse. При ее пережигании, доступ к программному коду будет запрещен. Данная мера позволяет предотвратить обратную разработку кода (reverse engineering) и защитить информацию.
На основе тестирования первоначальной схемы (рис. 5.2) было установлено, что оптимальным вариантом управления будет высоковольтный монотонный ЦАП. Данному условию отвечает конструкция ЦАП на резисторах с оптронными ключами. Токовый R2R ЦАП на операционном усилителе или транзисторных усилителях с обратной связью не подошел по причине нелинейности усиления и высокой стоимости требуемых компонентов. Блок схема системы управления пьезоэлектрическим микросхватом показана на рис. 3.4, по сравнению с системой показанной на рис. 5.2 данная система является более продвинутой. В данной схеме резисторы R1-R4 заменены соответствующими ЦАП, которые подключены к би-морфу по мостовой схеме [170]. Устройство управления состоит из трех основных частей: источник опорного напряжения, высоковольтный ЦАП и система управления на МК MSP430F1121A, обеспечивающая управление цифро-аналоговыми преобразователями и связь через последовательный порт с программой управления в компьютере
Экспериментальное определение величин прогибов пальцев схвата и погрешности микропозиционирования
Цель исследования - проверка и определение эффективных способов использования пьезоэлектрического схвата в качестве датчика.
В литературе под словом «пьезодатчик» может подразумеваться несколько разных типов устройств, рассмотрим их: - пьезоэлектрический датчик на основе пьезоэлектрического моноэлемента или биморфа (их электрический эквивалент может быть определен как «пьезоконденсатор», т.е. конденсатор создающий ЭДС при деформации); - датчик на основе пьезотрансформатора; - датчик на основе пьезорезистора; Каждое из указанных устройств имеет свои особенности и работает отлично от других.
Так, пьезоэлектрический биморф - генерирует ЭДС при деформации, при этом ЭДС создается только при динамической деформации с ускорением, тогда как при статической деформации никакого заряда на поверхности биморфа не наблюдается. В качестве активного элемента датчика биморфный привод используется в щупах сканирующих микроскопов для ощупывания изучаемой поверхности.
Пьезотрансформатор в качестве датчика включается в цепь автогенератора и при его деформации меняется коэффициент передачи, при этом его частота вынужденных колебаний остается постоянной.
Пьезорезистивный датчик - это не пьезокерамическое устройство, а датчик на основе полупроводниковых резисторов, у которых в отличие от металлических тензорезисторов под действием деформации меняется удельное сопротивление. Их чувствительность значительно выше, чем у металлических тензорезисторов. Его использование в качестве датчика давления обусловлено его реакцией на статическую деформацию в отличие от пьезоэлектричекого датчика.
В схвате используются пьезоэлектрические биморфы, поэтому все эксперименты по очувствллению организованы исходя из представлений о принципе их функционирования. В рамках данного исследования проводятся следующие эксперименты:
1) один из пальцев включается как датчик в цепь автогенератора и измеряется изменение частоты автоколебаний от внешнего воздействия;
2) один из пальцев схвата включается в качестве привода, а второй выступает в роли датчика, затем измеряются АЧХ и ЭДС датчика при колебании пальца привода с деталью и без нее;
3) один из пальцев схвата включается в качестве привода, а второй в цепь генератора синусоидального сигнала на резонансной частоте и определяется изменение силы тока в цепи пальца датчика при зажатой детали и планомерном увеличении давления на деталь со стороны пальца привода;
4) один из пальцев схвата, выбранный в качестве датчика, подключается как пьезотрансформатор к генератору синусоидального сигнала и к осциллографу, и определяется изменение коэффициента передачи в зависимости от давления на палец схвата.
Для проведения всех экспериментов по сенсорике базовой конфигурации экспериментальной установки и дополнительных приборов, указанных в пунктах 4.1 и 4.6, оказалось недостаточно. В состав экспериментального стенда был добавлен генератор прямоугольных импульсов в качестве автогенератора. В экспериментах, где схват подключается к генератору прямоугольных импульсов не используются микроскоп, видеокамера и монитор, задействованы только осциллограф и блок для нагружения схвата.
Устройство генератора было решено сделать на микросхеме NE555. Микросхема NE555 является таймером и требует минимального количества дополнительных радиодеталей для включения. Схема взята из с сайта [207].
На рис. 4.31 показаны принципиальная электрическая схема устройства, разводка проводников на печатной плате и схема расположения элементов, даны размеры печатной платы и поясняется, как подключать ее выводы к схвату и осциллографу. Для питания устройства требуется напряжение +5 В, которое взято с бло ка питания от компьютера. уровень О В. Для расчета автогенератора применяются следующие формулы [207]: 1) время пребывания в высоком уровне: lH=ln2-(Ra + Rb)-C /4 Л) где С - емкость пьезоэлектрического биморфа; 2) Время пребывания в низком состоянии: tj =\n2-Rb-C /42) 3) Частота: 1 1.44 (4.3) fH+tL {Ra + гщ-с При значениях Ra и Rb равных 5.6 кОм и 47 кОм, и емкости пьезоэлектрического биморфа равной 13 нФ, расчетная частота электрического резонанса генератора равна 1,1 КГц.
Цель исследования - определение изменения частоты автоколебаний при включении схвата в цепь автогенератора и подвергании его внешнем силовом воздействии.
Условия проведения эксперимента: 1) Значение напряжения высокого уровня с генератора+4,5В. 2) Масса груза 2 г.
Схема опыта показана на рис. 4.33, в данном опыте один из пальцев схвата включался в цепь автогенератора в качестве конденсатора, и далее через блок к нему прилагалась внешняя сила. Замеряется частота автоколебаний до приложения силы, и после ее приложения.
Похожие диссертации на Разработка и исследование мехатронного пьезоэлектрического схвата с микропозиционированием и очувствлением
