Мехатронные информационные устройства и системы

 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ АВТОНОМНАЯ НЕКОМЕРЧЕСКАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"Волжский университет имени В.Н. Татищева" (институт)

ФАКУЛЬТЕТ "Информатика и телекоммуникации"

Кафедра

"Управление качеством в производственных и образовательных системах"

Курсовой ПРОЕКТ

на тему

"Мехатронные информационные устройства и системы"

по дисциплине

"Информационные устройства и системы в мехатронике"

Выполнил:

Студент группы ИМ-511

А.Ю. Солкин

Проверил:

Н.П. Шуберт

г.о. Тольятти 2009

Содержание

Введение

1. Применение иусм в промышленных роботах

Область применения промышленных роботов

Принципы работы промышленных роботов

Основные компоненты промышленных роботов

2. Принципы построения промышленных роботов

Обобщенная схема построения промышленных роботов

Функциональная схема построения промышленного робота

Структурная схема построения промышленных роботов

3. Применение ИУиС в промышленных роботах

Датчики, применяемые для сбора информации в промышленных роботах

Расчёт датчиков

Заключение

Список источников и литературы

Введение

Информационные системы (ИС) впервые появились в 50-х гг. В эти годы они были предназначены для обработки счетов и расчета зарплаты, а реализовывались на электромеханических бухгалтерских счетных машинах. В следующее десятилетие появляются операционные системы, дисковая технология, значительно улучшаются языки программирования. Появляются системы управленческих отчетов (СУО), ориентированные на менеджеров, принимающих решения. В 70-x гг. появляются первые микропроцессоры, интерактивные дисплейные устройства, технология баз данных и дружественное по отношению к пользователю программное обеспечение (средства, позволяющие работать с программой, не изучая ее описания). Эти достижения создали условия для появления систем поддержки принятия решений (СППР). В отличие от систем управленческих отчетов, которые предоставляют информацию по заранее установленным формам отчетности, СППР предоставляют ее по мере возникновения необходимости. В это же время начали применять разнообразные компьютерные и телекоммуникационные технологии, которые расширили область применения информационных систем. К таким технологиям относятся: текстовая обработка, настольное издательство, электронная почта и др. Интеграцию этих технологий в одном офисе называют офисной информационной системой. ИС начинают широко использоваться в качестве средства управленческого контроля, поддерживающего и ускоряющего процесс принятия решений.

Промышленные информационные системы также имеют широкое назначение. Здесь можно выделить два направления: документационное и информационное обеспечение специалистов (автоматизированная информационная система технолога, система информационного обеспечения планово-предупредительных ремонтов и т.д.) автоматизация производственных процессов (роботы, автоматические линии обработки и транспортировки, автоматы т.д.).

Информационные системы с различным уровнем управления могут решать разнообразные задачи по управлению, контролем, ориентации, индикации. Например: нахождение маршрута движения в неизвестной обстановке, развитие необходимых усилий при работе со связанными объектами, сканирование и распознание объектов (стратегическое управление); самонаведение и торможение при столкновении с неизвестными препятствиями, обеспечение необходимой силы препятствий (при тактическом уровне управления); обеспечение монотонного движения захвата, обеспечение динамических характеристик приводов в стабильном состоянии и т.д. [5]

В зависимости от назначения и решаемых задач, информационная система включает в себя функционально ориентированные информационные устройства: датчики и подсистемы (системы технического зрения и т.д.).

В данном курсовом проекте будут решены следующие задачи:

? анализ областей применения, принципа работы, основных компонентов промышленных роботов;

? анализ обобщённых, структурных, и функциональных схем построения промышленных роботов;

? анализ промышленных датчиков, предназначенных для сбора информации;

? расчёт типовых датчиков.

мехатронные промышленных робот информация

1. Применение иусм в промышленных роботах

Область применения промышленных роботов

Промышленные роботы применяются в промышленном производстве и научных исследованиях. В большинстве случаев под промышленным роботом подразумеваются автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

Основными задачами промышленных роботов являются перемещение массивных или крупногабаритных грузов, точная сварка, покраска, а также сортировка продукции.

По применению промышленные роботы делят на:

? варочные роботы - эту лучший выбор для автоматизации сварочных процессов на вашем производстве (технология роботизированной сварки, одна из самых отработанных в мировой практике);

? роботы для плазменной резки - часто находят свое применение, особенно если речь идет о работе с объемными конструкциями;

? роботы для дуговой сварки. Это одна из самых востребованных технологий в мире (качество и производительность РТК дуговой сварки, на порядок выше человеческого труда);

? роботы для контактной сварки, представляют собой хороший пример экономически эффективного использования роботов, к тому же освобождающая человека от однообразной и тяжелой работы (применение промышленных роботов для точечной сварки, было и есть одним из самых распространенных приложений робототехники);

? промышленные роботы для паллетирования (повсеместное применение поддонов, необходимость в сокращении времени, вредная для здоровья среда, все это вызывает потребность в автоматизации паллетирования продукции) обеспечивающие скорость работы и качество не сравнимое с человеческим трудом;

? роботизированная покраска - это технология, без которой сегодня невозможно представить любое серийное производство, требующее нанесение покрытий (наряду с дуговой сваркой, технология покраски стояла у истоков в создании роботизированных технологий); [6]

Применить современные промышленных роботов - такую задачу ставят перед собой многие предприятия. Действительно промышленные роботы улучшают качество продукции, ее производительность, заменяют человека на монотонных и тяжелых работах, помогает экономить материалы и энергию. Промышленные роботы широко применяются для решения различных технологических задач. На сегодняшний день основными областями применения промышленных роботов являются сварочные и сборочные операции, резка, область упаковки и паллетирования, пищевая промышленность, биотехнологии, и др.

Промышленные роботы пригодны для использования во многих отраслях производства. При снижении стоимости промышленных роботов они становятся доступны не только крупным заводам, но и средним предприятиям, занимающимся производством. На многих предприятиях России промышленные роботы внедряются в производство. [7]

Тенденция увеличения парка промышленных роботов в современном производстве обусловлена рядом объективных факторов. Как правило, это увеличение производительности труда при сохранении высокого качества продукции и возможность быстрого реагирования на изменения объектов производства и потребительского рынка.

Серьезными стимулами роста инвестиций в производство и применение промышленных роботов являются:

? непрерывное снижение стоимости промышленных роботов на фоне роста стоимости рабочей силы;

? недостаток квалифицированной рабочей силы;

? освобождение работающих на производстве от тяжелого, интенсивного и монотонного труда;

? возможность улучшения экологической обстановки и снижения вредного влияния производства, особенно сварочного, на здоровье производственного персонала;

? повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;

? возможность использования технологического оборудования в три смены 365 дней в году;

? ряд других факторов.

Принципы работы промышленных роботов

В общем случае промышленный робот, как и любой другой состоит из следующих систем: управляющей, информационно-измерительной (сенсорной), системы связи, исполнительной (моторной).

Управляющая (интеллектуальная система) ? это основной вычислительный центр робота, который служит для выработки законов управления механизмами исполнительной системы на основе заложенной программы с учетом сигналов обратной связи от сенсорной системы. Важной функцией этой системы является распознавание ситуаций и моделирование среды функционирования робота, планирование действий и принятие целенаправленных решений, программирование и оптимизация движений, а также организация общения робота с человеком и взаимодействующими устройствами на том или ином языке.

Сенсорная система ? это искусственные органы чувств робота, предназначенные для восприятия и преобразования информации о состоянии внешней среды и самого робота. В качестве элементов сенсорной системы используются телевизионные и оптико-электронные устройства, лазерные и ультразвуковые дальномеры, акустические датчики и гидролокаторы, тактильные, контактные и индукционные датчики, а также датчики положения, скорости, сил и моментов, потенциометры, тахометры, акселерометры и т.п.

Система связи - это, так называемая, языковая часть робота, которая служит для передачи сигналов информации между системами робота, а также для организации обмена информацией между роботом и человеком или другими роботами и устройствами с целью осуществления диалога, формулирования заданий роботу, контроля за функционированием его систем, диагностики неисправностей, регламентной проверки и т.п.

Совокупность управляющей, информационно-измерительной и системы связи образует информационно-управляющую систему робота, обеспечивающую обработку и передачу информации, и непосредственное управление приводами и механизмами исполнительной системы с целью организации активного взаимодействия робота с окружающей средой и выполнения задач, сформулированных человеком.

Моторная система (исполнительная) - это устройства, предназначенные для непосредственного воздействия на объекты окружающей среды или взаимодействия с ними в соответствии с управляющими сигналами, формулируемыми информационно-измерительной системой или непосредственно оператором. В качестве элементов моторной системы используются приводы (двигатели), передаточные устройства (передачи), связанные с ними механические руки (манипуляторы), механические ноги, различные технологические инструменты, графопостроители, тележки с колесным, гусеничным и иными шасси и другие механизмы. [2]

Основные компоненты промышленных роботов

Промышленный робот состоит из исполнительного устройства (манипулятора) и устройства программного управления.

Манипулятор промышленного робота предназначен для выполнения всех его двигательных функций и представляет собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематической цепью, оснащенный приводами и рабочим органом, а также в общем случае - устройством передвижения. Конструктивно манипулятор состоит из опорных (несущих) конструкций, манипуляционной системы, рабочих органов, привода и устройства передвижения.

Каркасные конструкции предназначены для размещения всех устройств и агрегатов промышленного робота, а также обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора. Опорные конструкции по своему исполнению весьма многообразны и могут выполняться в виде оснований, корпусов, стоек, колонн, металлоконструкций, рам тележек, порталов и т.п.

Манипуляционная система служит для переноса и ориентации рабочего органа или объекта манипулирования в заданной точке рабочей зоны и структурно представляет собой обычно многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью.

Привод необходим для преобразования подводимой энергии в механическое движение исполнительных звеньев манипулятора в соответствии с командными сигналами, поступающими от системы управления, и в общем виде содержит энергоустановку, двигатели и передаточные механизмы.

Устройство передвижения предназначено для перемещения манипулятора или промышленного робота в целом в необходимое место рабочего пространства и конструктивно состоит из ходовой части и приводных устройств.

Система программного управления (СПУ) служит для непосредственного формирования и выдачи управляющих сигналов и конструктивно состоит из пульта управления, запоминающего устройства, вычислительного устройства, блоков управления приводами манипулятора и технологического оборудования.

Информационно-измерительная система (ИИС), предназначенная для сбора и первичной обработки информации для системы управления о состоянии элементов и механизмов ПР и внешней среды, конструктивно входит в состав устройства управления ПР и включает в себя устройства обратной связи и сравнения сигналов, а также датчики обратной связи. [8]

2. Принципы построения промышленных роботов

Обобщенная схема построения промышленных роботов

Обобщённая схема промышленного робота представляет собой совокупность нескольких систем.

Манипулятор промышленного робота предназначен для выполнения двигательных функций при перемещении объектов в пространстве и представляет собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Конструктивно манипулятор состоит из несущих конструкций, исполнительных механизмов, захватного устройства, привода с передаточными механизмами и устройства передвижения.

Устройство управления промышленного робота необходимо для формирования и выдачи управляющих воздействий манипулятору в соответствии с управляющей программой и конструктивно состоит из собственно системы управления, информационно-измерительной системы с устройствами обратной связи и системы связи. Несущие конструкции служат для размещения всех устройств и агрегатов промышленных роботов, а также для обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора.

Исполнительный механизм - это совокупность подвижно соединённых звеньев манипулятора, предназначенных для воздействия на объект манипулирования или обрабатываемую среду. Захватное устройство - конечный узел манипулятора, обеспечивающий захватывание и удержание в определённом положении объекта манипулирования. Привод предназначен для преобразования подводимой энергии в механическое движение звеньев исполнительного механизма в соответствии с сигналами, поступающими с устройства управления. [9]

Функциональная схема построения промышленного робота

Общая функциональная схема промышленного робота представлена на рисунке 1.

Она включает исполнительные системы - манипуляционную (один или несколько манипуляторов) и передвижения, если робот подвижный, сенсорную систему, снабжающую робот информацией о внешней среде, и устройство управления. Исполнительные системы в свою очередь состоят из механической системы и системы приводов. Механическая система манипулятора - это обычно кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается рабочим органом в виде захватного устройства или какого-нибудь инструмента.

Рисунок 1 ? Функциональная схема робота

Структурная схема построения промышленных роботов

Структурная схема промышленного робота представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 ? Структурная схема промышленного робота

Исполнительное устройство промышленного робота выполняет все его двигательные функции. В исполнительное устройство входит манипулятор и в общем случае устройство передвижения промышленного робота. Манипулятор состоит из несущих конструкций, приводов, исполнительных и передаточных механизмов. Каждая степень подвижности манипулятора имеет свой двигатель (пневматический, электрический, гидравлический). В промышленных роботах часто используют волновые и планетарные редукторы, что позволяет уменьшить объем и массу сборочной единицы при высоком коэффициенте передачи. В промышленном роботе малой грузоподъемности используют традиционные зубчатые редукторы, а в тяжелых роботах - зубчатые редукторы в сочетании с винтовой парой.

Исполнительный механизм промышленного робота (механическая рука) осуществляет ориентирующие и транспортирующие движения. Чаще всего он имеет шарнирное исполнение. Рабочим органом промышленного робота является захватное устройство (сварочные клещи, окрасочный пистолет, сварочный инструмент и т.д.). Захватное устройство захватывает и удерживает объекты, перемещаемые манипулятором. Современные промышленные роботы комплектуют набором типовых захватных устройств.

Устройство управления промышленного робота служит для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительному устройству в соответствии с управляющей программой. В устройство управления, как правило, входят: пульт управления; запоминающее устройство, в котором хранятся программы и другая информация; вычислительное устройство и блок управления приводами манипулятора и устройства передвижения.

Информационная система обеспечивает сбор и передачу в устройство управления данных о состоянии окружающей среды и функционировании механизмов ПР. В эту систему входит комплект датчиков обратной связи различного назначения, устройство обратной связи, устройство сравнения сигналов. [6]

3. Применение ИУиС в промышленных роботах

Датчики, применяемые для сбора информации в промышленных роботах

Технология бесконтактной фиксации положения и перемещения объектов использует механическое перемещение постоянного магнита относительно чувствительного элемента, в результате чего в последнем формируется соответствующий электрический сигнал. Данная технология работоспособна в широком диапазоне температур, влажности, вибрации. Вариантами исполнения служат датчики на эффекте Холла, магнито-индуктивные, магнитные и оптические датчики положения.

В датчиках Холла генерируемое внешним полем и измеряемое напряжение Холла зависит от величины и плотности магнитного потока, ключевой характеристики датчика. Отсутствие механических контактов удлиняет жизнь прибора, обеспечивает отсутствие скачков сигналов и узкий диапазон погрешности.

Магнито-индуктивные датчики достаточно надёжны, обладают высокой магнитной чувствительностью, что позволяет активизировать их в сантиметровом диапазоне даже при наличии ненамагничиваемой преграды.

Взаимное перемещение вызывает появление в обмотке (окружающей "импульсный" проводник") электрического импульса. В отличии от других типов датчиков, импульсный не нуждается во внешнем источнике питания, поскольку энергия магнитного поля полностью переходит в электрическую энергию импульса.

Например, датчики скорости вращения основанные на эффекте Холла, выпускаемые фирмой Bosch, также могут быть использованы для измерения углов и перемещений (отличаются точным и надёжным измерением, цифровым выходным сигналом, устойчивостью к попаданию грязи).

Фирма OmRon производит промышленные датчики в основе которых лежит измерение электростатической ёмкости между неподвижным и движущимся электродами. Измеряя эту емкость, определяют давление газа в датчиках давления, регистрируя её изменение в единицу времени ? для определения скорости движения. Созданные на основе микромашиной технологии датчики давления и акселераторы скорости кроме высокой чувствительности обладают сверхмалыми размерами.

Датчики, основанные на пьезоэффекте, преобразуют давление в электрический сигнал. Основа здесь ? кремниевая диафрагма (чип), окружённая четырьмя резисторами, расположенными в форме моста. Давление на диафрагму вызывает изменение сопротивления резисторов, что создаёт на входе напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Такие датчики могут быть открытыми и изолированными. Соответственно в открытых датчиках давление воздействует непосредственно на диафрагму, а в закрытых чип отделён дополнительной защитной диафрагмой из нержавеющей стали. Открытые датчики применяют: пневматическое управление, измерительное оборудование, вентиляция и кондиционирование воздуха. Изолированные датчики применяют в управлении производственным процессом, в газовой и химической промышленности, гидравлики, регулировании горения.

В основе резисторных температурных датчиков лежит зависимость электрического сопротивления от температуры. Измеряется величина сопротивления и далее значение температуры. Это возможно благодаря высокой предсказуемости указанных параметров у металлов.

Пьезоэлектрические акселерометры имеют кристалл из пьезоэлектрического материала, с прикреплённым к нему небольшим грузом. При сжатии или расширении кристалл создаёт электрический заряд, пропорциональный уровню ускорения или вибрации, испытываемой им. Внутренняя цепь преобразует его в стандартный сигнал для системы сбора данных или замкнутой системы управления производственными процессами. Также применяются пьезорезистивные акселерометры. Здесь груз прикреплён к кронштейну, который сгибается под действием ускорения, и это движение преобразуется в электрический сигнал вследствие изменения сопротивления полупроводникового чувствительного элемента. Встроенный узел электроники обеспечивает усиление сигнала и термокомпенсацию.

Тензодатчики, преобразующие нагрузку, вес или силу в электрический сигнал. Под воздействием силы происходит деформация конструкции датчика, вследствие чего изменяется электрическое сопротивление плеч моста сопротивлений, и мост выходит из равновесия. Степень рассогласования прямо зависит от величины силы и фактически является выходным сигналом от тензодатчика. Поскольку сигналы с датчика очень малы их усиливают усилителем с большим коэффициентом усиления и высокой стабильностью.

Тензометры применяются для взвешивания, измерения силы, измерения вращающего момента. Приложенная сила может быть сжимающей или растягивающей, например, как при испытании двигателей или измерении силы привода.

Датчики перемещения на основе линейно-регулируемых дифференциальных трансформаторов хорошо зарекомендовали себя в течении нескольких десятилетий благодаря точному измерению перемещения и управлению перемещением объектов в замкнутых контурах. В простейшем исполнении конструкция состоит из цилиндрической решётки первичных и вторичных обмоток с отдельной жилой, проходящей через центр. Жила имеет низкое сопротивление трению и малую характеристику износостойкости. При движении она изменяет сигнал вторичной обмотки.

В промышленности применяется огромное количество датчиков, отличающихся по конфигурации, принципу действия и назначению. Выше были рассмотрены основные и часто применяемые в промышленных условиях.

Расчёт датчиков

Датчик давления

Необходимо:

? рассчитать предельные значения емкости датчика давления и построить график зависимости емкости от расстояния между обкладками (пластинами) (считать, что ? = 100);

? построить график зависимости сопротивления датчика давления от частоты электрического сигнала для средней емкости;

? выбрать оптимальную рабочую частоту (fопт) датчика;

? рассчитать и построить график падения действующего напряжения на датчике, который включен в электрическую измерительную цепь во всем диапазоне изменения емкости датчика. Измерительная цепь питается от генератора синусоидального сигнала.

Исходные данные:

? площадь обкладок пластин, м2;

? расстояние между обкладками конденсатора, м;

? напряжение, В;

? характеристика среды, ;

? диэлектрическая постоянная, ;

Предельные значения емкости определяем по формулам 1 и 2.

, (1)

; (2)

Ф,

Ф.

На рисунке 3 представлен график зависимости емкости от расстояния между обкладками конденсатора

.

Рисунок 3 ? График зависимости емкости от расстояния между обкладками конденсатора

Среднее расстояние между обкладками конденсатора определяем по формуле 3.

, (3)

м.

Среднюю ёмкость определяем по формуле 4.

, (4)

Ф.

Сопротивление конденсатора рассчитывается по формуле 5.

. (5)

где

f ? частота электрического сигнала, Гц

На рисунке 4 представлен график зависимости сопротивления конденсатора от частоты электрического сигнала

.

Рисунок 4 ? График зависимости сопротивления конденсатора от частоты электрического сигнала

Выбор оптимальной частоты fопт сводится к нахождению касательной к графику, представленному на рисунке 5, которая имеет наклон 45°.

Итак, из графика Гц при Ом.

Генератор сигналов работает на оптимальной частоте. Сигнал от него имеет форму . Сопротивление R выбирается из условия R = rс, где rс рассчитывается для dср на fопт.

Действующее значение напряжения для синусоидального сигнала не зависит от частоты и рассчитывается по формуле 6.

, (6)

В.

Напряжение в датчике определяем по формуле 7.

. (7)

В зависимости от расстояния между обкладками конденсатора формула 7 примет вид , где соответственно .

График падения действующего напряжения на датчике в пределах d [dмин; dмах] представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 ? График падения действующего напряжения на датчике

Датчик тока. Необходимо:

? рассчитать и построить график коэффициента передачи датчика по току в зависимости от частоты сигнала, протекающего в проводе (для минимального радиуса провода круглого сечения приведенного в приложении);

? построить график зависимости коэффициента трансформации датчика тока, от предельных значений радиуса провода.

Исходные данные:

? сопротивление нагрузки датчика, Zн = 50 Ом;

? число витков катушки, ;

? коэффициент связи, g = 0,4;

? средний диаметр тора, м;

? диаметр среднего витка, м;

? радиус уединенного прямолинейного провода круглого сечения, м;

? постоянная составляющая, .

, (8)

Гн.

Индуктивность уединенного прямолинейного провода круглого сечения определяем по формуле 9.

, (9)

Гн.

Коэффициент передачи датчика по току определяется по формуле 10.

, (10)

где

? сила тока, протекающего по проводу, который охватывает измерительная катушка, А;

? сила трансформированного тока, протекающего в цепи датчика, А;

,

.

График изменения коэффициент передачи датчика по току в зависимости от частоты представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 ? График изменения коэффициент передачи датчика по току в зависимости от частоты.

Коэффициент трансформации датчика тока определяем по формуле 11.

, (11), .

Зависимости коэффициента трансформации датчика тока, от предельных значений радиуса провода примет вид , где .

Датчик Холла

Необходимо:

? определить максимальное выходное напряжение с датчика, если вектор магнитного поля ориентирован к вектору силы тока под углом ?. А изменение вектора индукции описывается по закону , .

? построить график временной зависимости изменения выходного напряжения с датчика. Построить график зависимости падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

Исходные данные:

? толщина кристалла, м;

? коэффициент Холла, Ом;

? сопротивление нагрузки, Ом;

? емкость конденсатора, Ф;

? магнитная индукция, Тл, Тл;

? сила тока, А;

? частоты, Гц, Гц, Гц;

? угол ? = 346°.

Для выходного напряжения имеем зависимость

.

График зависимости выходного напряжения датчика от времени представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 ? График зависимости выходного напряжения датчика от времени

Максимальное выходное напряжение из графика (рисунок 12) В.

Определяем сопротивление конденсатора по формуле 12.

, (12)

Ом.

Ток в цепи резистора в зависимости от времени определяется как

.

Падение напряжения на резисторе представляется зависимостью

.

График падения напряжения на сопротивлении нагрузки представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 ? График падения напряжения на сопротивлении нагрузки

Датчик температуры на основе металлических проводников

Необходимо:

? построить график зависимости ;

? определить напряжение при температурах - 40 и +100°С.

? определить какие диапазоны температур при изменении - 40 и +100°С попадают в область относительной погрешности измерения напряжения , если вольтметр, измеряющий указанное напряжение имеет относительную погрешность 5%.

Исходные данные:

? температурный коэффициент, ;

? сопротивление металлического проводника при температуре 0°С, Ом;

? напряжение питания Моста Уитстона, В;

Сопротивление датчика температуры, выполненного на основе металлического проводника, определяется выражением 13.

, (13)

где

? температура окружающей среды,°С.

Напряжение между точками 1 и 2 на схеме (рисунок 13) определяется формулой 14.

. (14)

При условии баланса Моста Уитстона

Из схемы представленной на рисунке 13 и выражений 13 и 14 получаем зависимости

, где .

График зависимости температуры окружающей среды от напряжения представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 ? График зависимости температуры окружающей среды от напряжения

Определить напряжение при температурах - 40 и +100°С.

Температура окружающей среды имеет значения К.

По формуле 13 определяем значения сопротивлений при заданных значениях

Ом,

Ом.

По формуле 14 определяем значения .

В,

В.

С учётом заданной 5% погрешности вольтметра, определим фактические интервалы значений напряжения .

,

,

В,

В,

В,

В.

Определим какие диапазоны температур при изменении - 40 и +100°С попадают в область относительной погрешности измерения напряжения , если вольтметр, измеряющий указанное напряжение имеет относительную погрешность 5% по формуле

, где .

Итак, полученные диапазоны искомых температур T =440,132…419,617К и 338,853…346,796 К.

Терморезистор на основе полупроводникового элемента

Необходимо:

? построить характеристику терморезистора, выполненного на основе полупроводникового элемента, если его сопротивление определяется выражением

;

? выбрать в диапазоне температур […] сопротивление линеаризирующего резистора включённого параллельно терморезистору и построить в указанном температурном диапазоне линеаризированную кривую.

? построить зависимость скорости изменения напряжения в диапазоне […].

Исходные данные:

? сопротивление терморезистора при заданной температуре, Ом;

? температура при Ом, К;

? константа материала терморезистора, B = 4240 К;

? напряжение, В.

На рисунке 10 представлена характеристика терморезистора, выполненного на основе полупроводникового элемента, если его сопротивление определяется заданным выражением

.

Рисунок 10 ? Характеристика терморезистора, выполненного на основе полупроводникового элемента

Определяем среднюю температуру диапазона […] . Средняя температура определяется в точке, в которой касательная к кривой (рисунок 10) имеет угол 45°. Из графика имеем: К при Ом.

Значения и определяем по заданным формулам и соответственно

К,

К.

Сопротивление линеаризирующего резистора определяем по формуле 15.

, (15)

Ом.

Сопротивление R определяем по формуле 17.

, (17), Ом.

Зависимость скорости изменения напряжения задана выражением

.

График скорости изменения напряжения от времени представлен на рисунке 11.

Рисунок 11 ? График скорости изменения напряжения от времени

Пьезоэлектрический датчик

Необходимо:

? найти максимальную ЭДС датчика;

? определить модуль чувствительности схемы;

? определить максимальное выходное напряжение с усилителя;

Исходные данные:

? пьезоэлектрический модуль, Кл/Н;

? механическая сила, Н;

? частота, f = 14000 Гц;

? радиус кристалла, м;

? высота кристалла, м;

? диэлектрическая составляющая, ;

? входное сопротивление усилителя, Ом;

? входная ёмкость усилителя, Ф;

? коэффициент усиления, K = 10;

? диэлектрическая постоянная, .

Определяем выходную ёмкость с датчика по формуле 18.

, (18)

Ф.

Механическое воздействие подчиняется заданному закону

.

Определяем максимальную ЭДС датчика по формуле 19.

, (19)

.

Определяем максимальное входное напряжение по формуле 20.

, (20)

В.

Модуль чувствительности заданной схемы определяется заданным выражением 21.

, (21)

где .

График изменения модуля чувствительности представлен на рисунке 12.

Рисунок 12 ? График изменения модуля чувствительности

Определяем максимальное выходное напряжение с усилителя по формуле 22.

, (22)

В.

Преобразование экспериментальных данных в аналитическую функцию. Необходимо:

? по полученным экспериментальным данным с датчика, отображающих зависимость выходного напряжения от массового расхода воздуха, построить аналитическую функцию для дальнейшего расчёта микроконтроллером промежуточных значений.

? построить график относительной погрешности расхождения экспериментальных данных выходного напряжения от аналитических.

Исходные данные:

? экспериментальные данные выходного напряжения, = [7,389; 3,320; 1,492; 0,670; 0,301; 0,135; 0,061] мВ.

? экспериментальные данные расхода воздуха, M = [0; 1; 2; 3; 4; 5; 6] г/сек.

Аналитическая зависимость должна иметь вид , где a и b ? коэффициенты.

Общая формула метода наименьших квадратов - формула 23.

, (23)

Прологарифмируем экспериментальные значения выходного напряжения, ? возьмём натуральный логарифм от каждого значения из массива .

Наёдём коэффициенты a и b из системы уравнений 23. Здесь значения соответственно равны данным из массива M; значения соответственно равны данным из массива .

В результате решения системы уравнений получаем значения искомых коэффициентов: a = - 0,788 и b = 1,946.

Аналитическая зависимость при найденных значениях коэффициентов a и b представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 ? График аналитической зависимости и экспериментальных данных .

Найдём относительную погрешность расхождения экспериментальных данных выходного напряжения от аналитических. Отметим, что в качестве экспериментальных данных при расчёте погрешностей используем массив . В качестве аналитических данных полученные из графика (рисунок 13) значения . В качестве истинных значений принимаем аналитические данные.

Итак, имеем= [7,389; 3,320; 1,492; 0,670; 0,301; 0,135; 0,061 мВ и= = [7,000; 3,184; 1,448; 0,658; 0,299; 0,136; 0,061].

Относительную погрешность определяем по формуле 24.

, (24)

Полученные значения относительной погрешности .

Информационная пропускная способность.

По каналу передачи данных передаётся двоичная однополярная битовая последовательность, представленная на рисунке 14.

Рисунок 14 ? Двоичная однополярная битовая последовательность

Необходимо:

? определить пропускную способность передачи по каналу передачи данных при воздействии помехи с заданными параметрами;

? определить информационный КПД передачи данных в единицу времени при воздействии помехи с заданными параметрами;

? определить мощность сигнала помех, при которых передача информации не осуществляется.

? построить график зависимости энергетического КПД и пропускной способности при воздействии помехи с заданными параметрами от длительности бита и напряжения бита.

Исходные данные:

? длительность бита, сек.;

? входное сопротивление, R = 50 Ом;

? амплитуда бита, E = 5В.

? напряжение помехи, В.

Определим полосу частот с 90% -ой передачей данных по формуле 25.

, (25), .

Определяем частоту воздействующей помехи по формуле 26.

, (26), Гц.

Мощность полезной информации определяем по формуле 27.

, (27), Вт.

Действительное значение определяем по формуле 28.

, (28), В.

Определяем мощность шума по формуле 29.

, (29), Вт.

Пропускную способность определяем по формуле 30.

, (30), .

Определяем коэффициент потери точности по формуле 31.

, (31), .

Информационный КПД определяем по формуле 32.

, (32) ,.

Энергетический КПД определяем по формуле 33.

, (33), .

Зависимость пропускной способности от напряжения бита имеет вид

, где , .

График зависимости представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 ? График зависимости

Зависимость энергетического КПД от длительности бита имеет вид , где , . График зависимости представлен на рисунке 16.

Рисунок 16 ? График зависимости

Зависимость энергетического КПД от напряжения бита имеет вид , где , . График зависимости представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 ? График зависимости

Заключение

В результате выполнения данной работы был произведён: анализ областей применения промышленных роботов, принципы их работы и основные компоненты, рассмотрены структурные и функциональные схемы построения промышленных роботов; анализ промышленных датчиков используемых в промышленных условиях, отличающихся агрессивной средой и соответственно повышенными требованиями к информационным устройствам сбора информации; проведены расчёты основных типов датчиков с заданными исходными параметрами.

Промышленный робот является достаточно распространённым примером мехатронной системы, включающей разнообразные информационные устройства. Применение современные промышленных роботов - такую задачу ставят перед собой многие предприятия. Действительно промышленные роботы улучшают качество продукции, ее производительность, заменяют человека на монотонных и тяжелых работах, помогает экономить материалы и энергию. Промышленные роботы широко применяются для решения различных технологических задач.

Список источников и литературы

1 Оборудование машиностроительных предприятий / Схиртладзе А.Г. Выходец В.И., Никифоров Н.И., Отений Я.Н. ? ВолгГТУ, Волгоград, 2005. - 128 с.

Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы / Брагин В.Б., Войлов Ю.Г., Жаботинский Ю.Д. и др. ? М.: Машиностроение, 1985. ? 256 с.

Спыну Г.А. Промышленные роботы. Конструирование и применение. ? М.: Киев, Высшая школа, 1991. ? 311 с.

Шведов С. Датчики для применения в промышленных условиях // Компоненты и технологии. ? 2000. - №3.

5 Интернет источник. Информационные системы http://revolution. allbest.ru/programming/00044570_0.html

Интернет источник. Классификация и структура промышленных роботов

http://www.metal-working.ru/articles/articles_834.html

Интернет источник. Применение промышленных роботов http://hi-robotics.ru/poleznoe/primenenie_promishlennih_robotov.html

Интернет источник. Промышленные роботы

http://intronics. bogorodsk.ru/v_industrial. php

Интернет источник. Структура промышленных роботов.

http://delta-grup.ru/bibliot/35/191. htm <http://delta-grup.ru/bibliot/35/191.htm>

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ АВТОНОМНАЯ НЕКОМЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Волжский университет имени В.Н. Татищева" (институт)

Больше работ по теме: