2. Лазерное позиционирование узлов мехатронных систем

   1. Мехатронная система считывания оптической информации (на примере устройства CD-ROM)

В устройствах для считывания цифровой информации с оптического диска (CD, DVD и т. п.) процесс считывания выполняется с помощью оптической головки (рис. 1), в состав которой входят полупроводниковый лазер, оптическая формирующая система и многоплощадочный фотоприемник.

Слежение за информационной дорожкой диска происходит следующим образом. Из множества лучей, на которые дифракционная решетка 2 расщепляет излучение полупроводникового лазера, центральный луч (нулевого порядка) используется для поддержания фокусировки и считывания информации, а два луча первого порядка используются для слежения за дорожкой. Коллиматор 4 формирует нужное сечение луча, а четвертьволновая пластинка 5 при каждом прохождении через нее луча поворачивает его плоскость поляризации на 45°Диагональная плоскость светоделительного кубика 3, являющаяся поляризованным зеркалом, беспрепятственно пропускает лучи от лазера к диску, но отражает их на фотоприемник на обратном пути. Информационная поверхность диска 7 покрыта светоотражающим слоем металла (чаще всего Al или Au). Отраженные от диска три луча (один нулевого и два первого порядка) попадают соответственно на центральные (A, B, C, D) и боковые (E и F) площадки фотоприемника (рис. 2). Разность электрических сигналов площадок E и F усиливается и используется для управления перемещением микрообъектива оптической головки.

Информационные дорожки на оптическом диске расположены по спирали или концентрически с шагом 1,6 мкм. Лучи, отраженные от дорожек, обладают меньшей яркостью, чем лучи, отраженные от промежутка между дорожками. Поэтому и электрические сигналы (U_E или U_F) от фотоплощадок E и F могут иметь разный уровень.

Если считывающий луч находится точно на информационной дорожке, то площадки E и F засвечены одинаково (см. рис. 2) и разность (U_E-U_F) равна нулю. При смещении луча к центру или краю диска одна из площадок засвечивается сильнее. Это вызывает появление сигнала рассогласования соответствующей полярности, который через систему авторегулирования воздействует на исполнительный механизм, стремящийся вернуть микрообъектив оптической головки в нейтральное положение (при котором центральный луч попадает прямо на считываемую дорожку). Зависимость напряжения рассогласования от величины смещения считывающего луча с дорожки называют дискриминационной характеристикой (рис. 3). Почти линейный участок этой характеристики, расположенный между экстремумами, называют «зоной захвата». Описанный способ слежения за дорожкой позволяет удерживать считывающий луч на информационной дорожке диска с точностью  0,1 мкм в условиях ударов, вибраций, загрязнений диска и т.п.

2.2 Лазерное позиционирование рабочего органа промышленной мехатронной системы

Для точного позиционирования рабочего органа (например, схвата промышленного робота), применяется лазерный целеуказатель, использующий аналогичный описанному выше способ слежения. Работает он следующим образом. Узкая вертикальная световая полоса, сформированная из лазерного пучка с помощью цилиндрической линзы, задает координату назначения схвата. Устройство управления (в памяти которого записаны координаты точки назначения) направляет схват в эту точку. Однако из-за большого количества случайных факторов (изменений температуры, влажности, напряжения питания, загрязнений и износа узлов трения и т.п.) схват приходит в заданную точку с некоторой ошибкой. В непосредственной близости от точки назначения (когда схват находится в «зоне захвата») включается система точного позиционирования, использующая сигнал рассогласования (U_E-U_F), величина и знак которого определяются мгновенным положением рабочей точки на дискриминационной характеристике системы позиционирования (рис. 3). Используя этот сигнал рассогласования, система управления подводит схват к заданной точке с погрешностью  (2-5) мкм.

Описание стенда

Для выполнения лабораторно-исследовательской работы используется экспериментальный стенд (рис. 1), в котором частично использованы элементы и методы, применяемые в устройствах оптической записи информации.

Задатчик 1 координаты точки назначения РО формирует из лазерного луча узкую вертикальную световую полосу, которая по команде системы управления верхнего уровня 2 может перемещаться в горизонтальном направлении (по координате Х₁). Значение координаты Х₁ центра световой полосы и является заданной координатой точки назначения РО 3 мехатронной системы. Фактическое положение РО определяется координатой Х₂ центра миниатюрного фотоприемника 4, закрепленного РО.

Рис. 1. Схема задания точки назначения при перемещении РО. 1 - прецизионный задатчик координаты точки назначения; 2 - система управления верхнего уровня; 3 – рабочий орган; 4 - дифференциальный фотоприемник с предварительным усилителем фототока рассогласования; 5 - электропривод исполнительного устройства; 6 - локальная система управления перемещением РО; 7 - гелий-неоновый лазер; 8 - оптическая схема, формирующая узкую вертикальную световую полосу; 9 - устройство механического перемещения; Х₁ - заданная координата точки назначения РО (положение центра световой полосы); Х₂ - фактическая координата отсчетной точки РО.

Привод 5 исполнительного устройства по командам локальной системы управления 6 перемещает рабочий орган 3 таким образом, чтобы минимизировать разность координат Х=Х₁-Х₂ (координаты Х₁ и Х₂ имеют одинаковое направление и отсчитываются от одной и той же неподвижной точки).

Задатчик координаты 1состоит из источника излучения (лазера) 7 и формирующей луч оптической схемы 8, жестко связанных с устройством механического перемещения 9.

Рассмотрим конструкцию оптической части системы задания точки назначения и измерения разности Х. Луч малогабаритного гелий-неонового лазера с длиной волны 0,62 мкм (красный цвет) с помощью оптической схемы из двух сферических и одной цилиндрической линз формируется в узкую вертикальную полосу /3/. Лазер вместе с формирующей оптической системой может поступательно перемещаться в горизонтальной плоскости. Координата Х₁ центра луча лазера отсчитывается по цифровому дисплею с дискретностью 1 мкм. Световая полоса Ф (рис. 2) проектируется на миниатюрный 6-площадочный фотоприемник (предназначенный для использования в считывающей оптической головке CD-ROM).

Для получения электрического сигнала рассогласования между заданным

Рис. 2. Схема миниатюрного фотоприемника, расположенного на РО. A...F - фотоплощадки (размеры даны в мкм); Ф - вертикальная световая полоса; f - ширина полосы; Х₁ - координата центра полосы; Х₂ - координата центра фотоприемника; Х - направление перемещения световой полосы.

и действительным значениями координат рабочего органа в описываемом стенде используются две пары фотоплощадок: внешние площадки F и Е предназначены для грубого захвата световой полосы, а внутренние А и В - для точного захвата.

Фотоплощадки в каждой паре подключены встречно, поэтому на выходе предварительного усилителя фотоприемника формируются сигналы U=u_F-u_E (при грубом захвате световой полосы) и V=u_A-u_B (при точном захвате).

В реальной световой полосе яркость луча по ширине световой полосы f распределена неравномерно: в центральной части она примерно постоянна, а при приближении к краям плавно спадает. Поэтому края световой полосы не имеют четкой границы света и тени. Такое распределение яркости Ф(х) можно аппроксимировать выражением

где Ф_max - значение яркости в центре световой полосы (в относительных единицах - о.е.);

х - в системе координат, связанной со световой полосой, координата, направленная поперек световой полосы (в мкм, см. рис. 2);

f - ширина световой полосы (в мкм);

р - (четное число) параметр, характеризующий интенсивность спада яркости луча на краях полосы (увеличение р соответствует более резкой границе света и тени).

Значение параметра р находится в пределах 4...8 и определяется конкретными параметрами оптической системы (его значение можно регулировать путем легкой расфокусировки луча). Ширина световой полосы изменяется в пределах 50...300 мкм. Пример кривой (1), описывающей распределения яркости луча по ширине световой полосы, приведен на рис. 3.

Рис. 3. Распределение яркости луча по ширине световой полосы.

Поскольку края световой полосы не имеют четко выраженных границ, ее ширину f принято определять по уровню 0,5Ф_max. Приравняв левую часть уравнения (1) 0,5Ф_max, найдем значения его корней х_ф. Физический смысл имеют только два из них: x_ф1,2=0,5f . Расстояние между точками 1 и 2 кривой (1) с найденными значениями абсциссы (см. рис. 3) и будет искомым значением ширины световой полосы f.

При перемещении световой полосы слева направо (см. рис. 2) последовательно освещаются сначала левая, затем обе, а затем только правая площадка из каждой пары фотоплощадок (F и E или A и B). Выходной электрический сигнал каждой фотоплощадки определяется величиной площади, засвеченной световой полосой. Поскольку в каждой паре площадки соединены встречно, выходные сигналы U (для площадок F и E при грубом захвате луча) и V (для площадок А и В при точном захвате) будут пропорциональны разности интегральных засветок левой и правой фотоплощадок соответствующей пары. Для простоты рассуждений будем считать нулевым значением координаты интегрирования х центр фотоприемника (т.е. текущее значение координаты Х₂). Верхний и нижний пределы интегрирования - это абсциссы левой и правой границ фотоплощадок (F и E или A и B).

где k₁, k₂ - масштабные коэффициенты (учитывают высоту фотоплощадки, ее чувствительность, коэффициент усиления предварительного усилителя);

х - текущая координата интегрирования.

Рассчитанные по формулам (1) и (2) функция Ф(х) распределения яркости по ширине световой полосы и дискриминационные характеристики фотоприемника U(x) и V(x) для режимов грубого и точного захвата луча представлены на рис. 4 (по оси абсцисс здесь отложены относительные единицы – о.е.). Здесь же для сравнения дана снятая по точкам соответствующая экспериментальная дискриминационная характеристика для режима грубого захвата луча. Некоторые расхождения объясняются несимметрией чувствительности фотоплощадок, естественными погрешностями эксперимента и допущениями математического описания.

Рис. 4. Дискриминационные характеристики системы позиционирования, соответствующие режимам грубого (U(x)) и точного (V(x)) захвата световой полосы (звездочками обозначены экспериментальные точки). Ф(х) - распределение яркости луча по ширине используемой световой полосы с расчетными значениями параметров р=6, f=190 мкм.

Процесс позиционирования осуществляется следующим образом. Точка назначения схвата задается системой управления верхнего уровня 2 (см. рис. 1) путем соответствующего перемещения световой полосы с помощью задатчика координаты 1. По сигналу локальной микропроцессорной системы управления 6 привод 5 стремится направить РО в заданную точку. Из-за погрешностей работы исполнительного устройства, недостаточной жесткости его звеньев, влияния изменяющихся условий внешней среды и т.п. РО выводится в точку, отстоящую от заданной на расстояние Х. Это значение погрешности первой стадии позиционирования (без включения обратных связей) должно быть таково, чтобы РО попал в зону грубого захвата луча (интервал между экстремумами дискриминационной характеристики U(x), см. рис. 4). Ширина этой зоны зависит от параметров световой полосы и конфигурации фотоприемника. Для совокупности параметров, соответствующей рис. 4, ширина этой зоны составляет около 650 мкм.

При попадании рабочего органа в зону захвата луча включается контур обратной связи и система управления 6 стремится минимизировать Х, перемещая РО в направлении, зависящем от знака U(x). При этом рабочий орган попадает в зону точного захвата (интервал между экстремумами дискриминационной характеристики V(x) - около 190 мкм для случая, изображенного на рис. 4). Если требуется более высокая точность позиционирования, система управления 6 переключается на использование точной характеристики V(x) и продолжает минимизировать Х, используя сигнал рассогласования, полученный от фотоплощадок А и В (см. рис. 2). При использовании точной дискриминационной характеристики V(x) резко возрастает абсолютное значение сигнала рассогласования, поступающего в систему управления 6, что увеличивает ее чувствительность (на рис. 4 видно, что участок характеристики V(x) в районе начала координат является линейным и имеет высокую крутизну).

При каждом цикле работы локальная система управления использует записанную в память информацию о совокупности управляющих сигналов, которые вывели РО в заданную точку на предыдущем цикле. При этом оказывается достаточным использование только режима точного захвата, что позволяет сократить время цикла. Таким образом, при плавном изменении параметров внешней среды (температуры, влажности, запыленности), отрицательно влияющих на точность позиционирования, происходит постоянная корректровка управляющих сигналов. Однако при резком изменении этих параметров, после длительного перерыва в работе или при сбое система должна сначала включаться в режиме грубого захвата.

Запоминание и учет ошибок предыдущего цикла для корректировки каждого последующего позволяет сократить время достижения схватом заданной точки при сохранении высокой точности позиционирования.

Построение системы позиционирования по компенсационному принципу и использование вертикальной световой полосы существенно уменьшают влияние внешней засветки, загрязнений оптических элементов и исключают влияние вертикальных вибраций. Поэтому погрешность позиционирования в основном определяется погрешностью задатчика координаты точки назначения (1 мкм), стабильностью и наклоном рабочего участка используемой дискриминационной характеристики.