Основы робототехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация роботов

Кроме классификации роботов по конфигурации руки широко используются и другие классификационные принципы.

Роботы с жесткой и изменяемой последовательностью перемещений. Устройства такого типа, действующие по принципу «взять-положить», хотя, строго говоря, не относятся к роботам, тем не менее, часто называются роботами с жесткой последовательностью перемещений. Ход в каждом направлении движения по оси определен установкой механических жестких упоров, а датчики, как правило, представлены конечными выключателями, которые могут воспринимать только конечные точки, а не промежуточные. Такие устройства нельзя перепрограммировать на выполнение новой задачи. Они должны быть заново переналажены и отлажены, как традиционные автоматические механизмы.

Роботы с изменяемой последовательностью перемещений могут выполнять различные задачи или последовательности операций по новой программе. Однако в настоящее время созданы устройства типа «взять-положить», которые включают различные жесткие упоры по соответствующей программе. Например, у робота «МХУ Сеньер» фирмы «АСЕА» установлены на каждой оси семь упоров, каждый из которых может управляться по своей программе, что позволяет выполнять сложные последовательности. Кроме того, конечно, в промышленности всегда существует соблазн относить к роботам любые манипуляционные устройства типа «взять-положить».

Роботы со следящей системой и без нее. Роботы с изменяемой последовательностью перемещений должны обладать способностью останавливать отдельный узел руки в любой точке траектории. Существуют два подхода к решению этой задачи. При простейшем техническом решении контроллер просто посылает энергию к узлу, как только получен сигнал, что руке требуется занять нужную позицию. При использовании некоторых специальных электрических моторов (шаговых двигателей и т.д.). такой подход приемлем, но в целом управление с открытым контуром без обратной связи относительно информации о действительном положении того или иного узла весьма неточно - рука робота может где-нибудь застрять и совсем перестать двигаться. Поэтому во всех роботах, кроме учебных, используют другое решение задачи, которое предполагает размещение на каждом узле сервомеханизма, эффективно контролирующего фактическое положение узла и положение, которое контроллер «хочет», чтобы узел занял, а затем перемещающего руку до тех пор, пока положения не совпадают. Роботы, использующие управление с замкнутым контуром, называются роботами со следящей системой или просто сервороботами.

Роботы с позиционными и контурными системами (действующие от точки к точке и по сплошной траектории управления). Два типа контроллеров, используемых в промышленных роботах, обладают следующей особенностью. У многих роботов первых поколений компьютерной памяти хватало для запоминания лишь дискретных точек в пространстве, по которым должна двигаться рука. Траектория движения руки между этими точками не задавалась, и ее нередко трудно было предсказать. Такие роботы с позиционным управлением еще широко распространены и вполне пригодны для таких работ, например, как точечная сварка. С уменьшением стоимости запоминающих устройств появилась возможность увеличить число запоминаемых точек. Многие изготовители используют термин многоточечное управление, если в компьютерной памяти можно хранить очень большое число дискретных точек.

Для некоторых видов работ (покраска распылением и дуговая сварка) необходимо, чтобы рука робота, следуя по траектории, управлялась непрерывно. Такие роботы с контурным управлением в действительности разбивают сплошную траекторию на большое число отдельных близко расположенных друг от друга точек. Положения точек записывают во время программирования или вычисляют при фактическом движении путем интерполяции, например между двумя точками для образования прямой линии. Эти роботы можно рассматривать как естественное развитие систем с позиционным управлением. Фактически существует «серая зона», в которой системы многоточечного управления могут аппроксимировать сплошную траекторию системы, если рука робота не останавливается в каждой дискретной точке, а плавно проходит через них.

Роботы первого, второго, третьего поколений. К роботам первого поколения обычно относят «глухие, немые и слепые роботы», которые нашли широкое распространение на предприятиях. Роботы второго поколения, которые совсем недавно появились в лабораториях, сейчас можно встретить и на заводах. Роботы второго поколения очень похожи на роботы первого поколения. Используют различную сенсорную информацию об окружающей среде, чтобы корректировать свое поведение при выполнении производственной операции (что соответствует наиболее сложному, шестому классу в упомянутой ранее японской классификации роботов). Сенсорные системы включают устройства технического зрения и тактильные датчики, обеспечивающие «ощущение касания».

Некоторые роботы второго поколения называют интеллектными роботами. Но этот термин следовало бы отнести к роботам третьего поколения, которых нет еще даже в лабораториях. Сейчас только начались исследования по созданию роботов, наделенных «здравым смыслом». Тем не менее, такие исследования действительно приведут к созданию так называемых интеллектных роботов, которые будут наделены «чувствами» и способностью распознавать объекты внешнего мира и, таким; образом, в перспективе станут в какой-то степени обладать способностью действовать самостоятельно.

Несмотря на все многообразие классификационных признаков, существуют «серые зоны». Например, один простой датчик еще не делает устройство роботом второго поколения. Необходимо, чтобы датчик значительно влиял на действия робота. Но что значит «значительно»? Более того, даже принятые определения отличаются друг от друга. Некоторые специалисты относят к первому поколению роботов устройства типа «взять-положить», так что все прочие типы робототехнических устройств оказываются передвинутыми на одно поколение «вверх».

Вполне возможно, что в конечном итоге только роботов второго поколения можно будет считать настоящими роботами, относя первое поколение к программируемым устройствам, обычным манипуляторам и т.п.

Как известно, классификация производится по классификационным признакам. Таких признаков для ПР известно достаточно много, приведём основные из них.

По характеру выполняемых операций ПР подразделяют на три группы:

а) производственные, или технологические (ППР), - для основных операций технологических процессов;

б) подъемно-транспортные, или вспомогательные, выполняющие действия типа «взять - перенести - положить»;

в) универсальные для различных операций - основных и вспо-могательных.

По специализации ПР подразделяют на специальные, выполняющие строго определенные технологические операции или обслуживающие конкретные модели технологического оборудования; специализирован - ные, или целевые, предназначенные для выполнения технологических операций одного вида (сварки, сборки, окраски и т.п.) или для обслужи - вания определенной группы моделей технологического оборудования, объединенных общностью манипуляционных действий; универсальные, или многоцелевые, ориентированные на выполнение как основных, так и вспомогательных технологических операций различных видов и с раз - личными группами моделей технологического оборудования.

Системы основных координатных перемещений. По этому признаку ПР делятся на системы с прямоугольной, полярной и ангулярной системами координат.

По числу степеней подвижности. ПР имеют от трех до шести и более степеней подвижности. Принципиально трёх степеней подвижности достаточно для вывода концевой точки манипулятора в любую точку об - служиваемого роботом пространства. Ещё три степени подвижности не - обходимы, чтобы в этой точке осуществлять любую угловую ориентацию захватного устройства или инструмента. Более шести степеней подвиж - ности необходимо при обходе каких-либо препятствий.

Грузоподъёмность. ПР делятся на сверхлёгкие (до 1 кг), лёгкие (до 10 кг), средние (до 200 кг), тяжёлые (до 1000 кг) и сверхтяжёлые (свыше 1000 кг).

Конструктивное исполнение. ПР выполняют встроенными в обору - дование, подвесными и напольными.

По типу систем управления ПР делятся на три рода: программные, адаптивные и интеллектные (с элементами искусственного интеллекта). Все они обладают свойством быстрого перепрограммирования, причем у программных роботов перепрограммирование производится человеком, после чего робот действует автоматически. В адаптивные ПР основы программы действий робота закладываются человеком, но сам робот имеет свойство в определённых рамках автоматически перепрограмми - роваться в ходе технологического процесса в зависимости от обстановки.

Ителлектным роботам задание на работу вводится человеком в более общей форме, а сам робот обладает возможностью принимать решения и планировать свои действия в неопределённой и меняющейся обстановке, чтобы выполнить заложенное в его память задание.

Классификация промышленных роботов имеет особенность, которая состоит в научно обоснованном выборе признаков и выделении соответствующих им классификационных подразделений. Рассмотрим их.

1. Характер выполняемых промышленными роботами функций. По этому признаку различают роботы, непосредственно участвующие в технологическом процессе, и роботы, предназначаемые для выполнения транспортно-складских, погрузочно-разгрузочных и других вспомогательных операций.

2. Объем и разнообразие работ, которые могут ими осуществляться. Поэтому признаку промышленные роботы подразделяют на универсальные, специализированные и специальные.

Универсальные промышленные роботы обладают широкими технологическими возможностями, что предопределяет их количественное превосходство над специальными и специализированными. Специальные роботы рассчитаны на работу (подъем, перемещение, опускание и т.д.) с одинаковыми деталями или выполнение определенной технологической операции, а специализированные - на работу с конструктивно и технологически сходными деталями или выполнение однотипных технологических операций (процессов).

3. Метод управления, по которому различают роботы с ручным, копирующим и кнопочным управлением.

4. Грузоподъемность. В зависимости от нее роботы бывают сверхлегкие - на 0,1…1,0 кг; легкие - на 1,6…10 кг; средние - на 16…100 кг; тяжелые - на 160…1000 кг и сверхтяжелые (>1000 кг).

5. Класс точности позиционирования или воспроизведения траектории, согласно которому выделяют роботы с относительной погрешностью позиционирования или воспроизведения траектории, в %: до 0,01; >0,01 до 0,05; >0,05 до 0,1 и >0,1.

6. Степень их технического совершенства. По этому признаку различают роботы первого, второго и третьего поколений.

Роботы первого поколения (с программным управлением) применяют для: обслуживания станков, прессов, печей, сварочных установок и машин; выполнения основных технологических процессов (гибки, вальцовки, резки, сборки, сварки); погрузочно-разгрузочных и складских работ. Роботы второго поколения отличаются от роботов первого наличием чувствительных устройств (осязание, телевизионное зрение), имеют более сложное управляющее устройство. Роботы третьего поколения (интегральные роботы) в отличие от роботов второго поколения обрабатывают информацию, получаемую от органов чувств. Эти роботы применяют для работ, требующих распознавания образов (работа по чертежу), а также протекающих в сложных и изменяющихся условиях.

По типу информационной системы их подразделяют на роботы: с поисковой системой; отражением усилий; искусственным зрением; комбинированной информационной системой. Применяют эти роботы для: сборки и монтажа по монтажной схеме; выполнения работ, требующих информации о внешнем виде и свойствах предметов (трещины, загрязненность, цвет и т.д.); работ с неориентированными деталями произвольной формы.

В зависимости от назначения промышленных роботов признаками классификации могут быть тип привода рабочих органов, тип системы управления, число манипуляторов (два - четыре и более), степень гибкости программы (уровень адаптации), тип рабочей зоны, способ задания режима работы, тип информационной системы, тип исполнения, быстродействие и т.д.

Всего в применяемых классификациях промышленных роботов используют до 20 признаков, а максимальное число признаков в одной классификации 9-12. Практика показала, что такое число признаков классификации промышленных роботов сравнительно полно и достоверно характеризует их технические и эксплуатационные особенности. Поэтому недостатки существующих классификаций промышленных роботов кроются не в количественном составе признаков, а в отсутствие единой научно обоснованной системы выбора при знаков, последовательности и порядка включения их в классификацию, формирования соответствующих им классификационных подразделений (классов, подклассов, групп и других подразделений промышленных роботов), установления характера и форм связи между техническими параметрами и организационно-экономическими показателями представителей классификационных подразделений.

Отсутствие такой системы привело к тому, что почти все при меняемые классификации сводятся к обычному группированию промышленных роботов по некоторому числу при знаков без выделения по ним классификационных подразделений и без систематизации и анализа технических параметров и экономических показателей типовых прогрессивных промышленных роботов. Подобное группирование промышленных роботов ограничивает возможности классификации и принижает важную роль ее в совершенствовании производства сварных конструкций.

На современном этапе развития сварочной робототехники система классификации промышленных роботов должна удовлетворять следующим требованиям:

- она должна при минимальном числе признаков комплексно и наиболее полно характеризовать конструктивно-технологические, эксплуатационные особенности промышленных роботов и экономические показатели, достигаемые при их применении;

- признаки классификации промышленных роботов должны отражать не только достигнутые результаты, но и перспективы развития роботов. К таким признакам может быть отнесен тип системы управления робота, показывающий, с одной стороны, уровень конструктивного совершенства (автоматизации) и эксплуатационные возможности их в различных производственных условиях, а с другой, - перспективы развития роботов по рассматриваемому направлению; они состоят, например, в создании высокоразвитых адаптивных систем для контактной и дуговой сварки; систем управления производственными комплексами, включая основное технологическое оборудование и промышленные роботы первого поколения; в разработке алгоритма адаптивного группового управления роботами второго поколения;

- характеристика классификационных подразделений, выделенных по первому признаку классификации, должна включать в себя типовые операции (процессы), на которых применение роботов наиболее эффективно;

- в перечень классификационных подразделений по второму признаку классификации должны входить прогрессивные виды робототехники, отражающие перспективу повышения уровня механизации и автоматизации производства сварных конструкций;

- признаки классификации промышленных роботов, классификационные подразделения и основные технические и организационно-экономические характеристики их должны быть обозначены индексами, которые используются в планово-учетной документации;

- признаки классификации промышленных роботов и классификационные подразделения должны отражать научно-технические достижения и передовой опыт в сварочной робототехнике.

Классификация промышленных роботов по изложенной схеме устраняет субъективные решения этой задачи, позволяет осуществлять научный подход к созданию роботизированных участков, поточных линий, комплексно-механизированных и автоматизированных производств. Составными частями их являются: основное, вспомогательное оборудование, промышленные роботы, технологическая оснастка и технические средства, используемые при выполнении ряда специфичных работ для роботизированного производства: это составление программ, автономная наладка, контрольно-измерительные операции; учет регламентированных перерывов в работе, всех видов простоя оборудования и промышленных роботов, отдачи их в единицу времени; регулирование режимов работы системы машин и т.д.

Классификация промышленных роботов является основой изучения характера и степени влияния технических и организационных факторов на экономическую эффективность применения роботов.

Исследование взаимосвязи технических параметров и организационно-экономических показателей промышленных роботов - сложная задача ввиду ограниченного количества обобщенных данных по проектированию, производству и использованию промышленных роботов.

2. Управление промышленными роботами

Как уже указывалось, по принципу управления ПР разделяются на программные, адаптивные и интеллектные. Наибольшее распространение получили программные, которые характеризуются тем, что они функционируют по жестко заданной программе. При необходимости про - грамма их действий легко перестраивается оператором. Рассмотрим под - робнее виды программного управления, которых существуют три: цикло - вое, позиционное и контурное.

Цикловое управление является в реализации наиболее простым. При цикловом управлении программируются последовательность выполнения движений и условия начала и окончания движений. Положения, до которых идет движение, задаются на самом манипуляторе (например, упорами), а не в программе; скорость перемещения определяется характеристиками привода и также не задается в программе. Однако в дополнение к последовательности движений программа может задавать требуемые выдержки времени (на выполнение команды или на промежутки времени между командами или движениями).

При позиционном управлении команды подаются так, что переме - щение рабочего органа происходит от точки к точке, причем положения точек задаются программой. Скорость перемещения между точками не контролируется и не регулируется. В отличие от циклового управления, число точек может быть большим.

При контурном управлении движение рабочего органа происходит по заданной траектории с задаваемой скоростью. В программе задаются сами траектории (или часто расставленными точками, или более редкими точками с соединяющими их прямыми, или дугами окружностей) и режимы движения. Контурное управление используется исключительно в технологических роботах (сварочных, окрасочных и пр.). Контурное управление идет от станков: при движении резца токарного станка по контуру (вследствие согласованной подачи по двум и более осям) полу - чается поверхность детали заданной формы в виде тела вращения. Заметим, что на холостых ходах (при выходе в исходную точку, с которой на - чинается рабочее движение, при возвращении назад в исходную точку после выполнения рабочего движения) система управления работает как позиционная.

Устройство управления и другие блоки системы управления при цик - ловом, позиционном и контурном управлениях могут быть реализованы на одинаковых или разных принципах и элементных базах. Так, микроэлек - тронные устройства, в частности микроЭВМ, могут быть основой устрой - ства управления любого вида. С другой стороны, привод в системе контур - ного управления может быть шаговым и следящим. На принципах хорошо разработанного числового программного управления (ЧПУ) могут рабо - тать системы и позиционного, и контурного управления.

В особый вид выделяется адаптивное управление, при котором осуществляется автоматическое изменение управляющих программ в зависимости от измеряемых или контролируемых условий работы, или, как говорят, в функции от контролируемых параметров состояния внешней среды. В частности, адаптация, или приспособляемость, системы управления может заключаться в том, что устройства системы управления с помощью специальных датчиков определяют конфигурацию объекта и его положение; возможны также отклонения размеров от номинальных. В зависимости от результатов измерения захватное устройство смещается или поворачивается (чтобы удобнее было захватывать объект), после за - хватывания объект переносится на место, предназначенное именно ему (это необходимо при сортировке или разбраковке). Таким образом адаптивное управление обычно связывается с очувствлением.

Программирование. При программировании ПР обычно используются два метода: аналитический (расчётным путём) и метод обучения.

При аналитическом методе управляющую программу предварительно рассчитывают, отлаживают и заносят в память устройства управления. Достоинством этого метода является сокращение времени простоя ПР, связанного с его программированием, а также возможность заложить сразу несколько программ для различных технологических операций.

Программирование путём обучения производится оператором либо с помощью дистанционного управления от какого-нибудь управляющего устройства (кнопочного пульта или «марионетки» - копии манипулятора робота), либо с помощью непосредственного перемещения конца мани - пулятора рукой человека. Все движения соответствуют ходу требующейся манипуляционной операции, при этом в память устройства управления записывается программа с необходимыми текущими координатами и технологической информацией.

В устройствах циклового программного управления применяются другие приёмы программирования, которые рассмотрены ниже.

2.1 Цикловое программное управление

При цикловом программном управлении в устройстве управления программа задает только последовательность команд, определяющих движения, а крайние положения, до которых происходят перемещения, задаются на самом манипуляторе. Типовое устройство управления состоит из двух основных блоков: запоминания программ и поэтапного ввода программ. В блоке запоминания программ в той или иной форме хранится вся последовательность команд цикла и, если нужно, условия выполнения команд. Переход с этапа на этап задает блок поэтапного ввода программ. Существуют два основных принципа ввода программ: кинематический и статический. При кинематическом вводе программ переход от этапа к этапу происходит за счет перемещения программоносителя, при статическом вводе программоноситель неподвижен, а переход от этапа к этапу осуществляется за счет переключений электрических цепей.

Наиболее старыми устройствами циклового программного управления являются устройства с распределительным валом и с кулачками на нем. Распределительный вал с кулачками вращается, при этом перемещаются толкатели. Толкатели, в свою очередь, воздействуют на электрические переключатели, или пневмоклапаны, которые сначала включают, а затем выключают двигатели приводов.

Устройства управления с распределительным валом просты и на - дежны, но замена программы требует перестановки кулачков, что доста - точно сложно. Кроме того, устройство управления громоздко и имеет ог - раниченные возможности по числу команд (паре команд на один привод соответствует один кулачок) и по числу этапов в цикле (циклу соответст - вует один оборот вала). Поэтому для перепрограммируемых систем по-добные устройства практически непригодны. Близкие идеи заложены в конструкции устройств управления в виде программаторов с кулачковыми барабанами (они называются также командоаппаратами). Вместо кулачков на распределительный вал насажен цилиндрический барабан с прямоугольной сеткой радиальных отверстий. В любое отверстие можно вставить штекер со специально профилированной гладкой головкой, которая представляет собой кулачок, выступающий над гладкой поверхностью барабана. Параллельно оси над барабаном жестко крепится линейка с переключателями на таком расстоянии, чтобы приходящиеся против них кулачки (головки штекеров) нажимали на штыри переключателей. Развернутую перфорированную поверхность барабана можно представить состоящей из дорожек (каждая из них приходится против своего переключателя) и строк (параллельных оси барабана). Последовательные строки соответствуют последовательным эта - пам цикла: в какие отверстия будут вставлены штекеры, такие команды будут выполняться на данном этапе. В той же строке штекерами также набираются условия, при которых могут выполняться команды. Повороты вала осуществляются прерывисто, привод шаговый или храповой. Программаторы с кулачковыми барабанами до сих пор широко исполь - зуются в различном оборудовании. Они надежны, имеют значительно меньшие массы и габаритные размеры, чем устройства с распредели - тельным валом. Типовые командоаппараты имеют габаритные размеры около 400 мм, общее число команд и условий их выполнения - около 40, число этапов цикла - около 50.

Основными достоинствами программаторов с кулачковыми ба - рабанами являются относительная простота перепрограммирования, про - стота контроля набора. Перепрограммирование осуществляется переста - новкой штекеров в соответствии с заданной таблицей.

Рассмотрим устройства циклового программного управления со статическим вводом программ. Исторически первыми являются программаторы со штекерной панелью, они применяются и в настоящее время. Штекерная панель является программоносителем. На поверхности панели имеется прямоугольная сетка отверстий, строки соответствуют командам, столбцы - номерам этапов. Программирование осуществляется штекерами, которые вставляются в отверстия так же, как при использовании программаторов с барабанами: для выбранного столбца (номера этапа) штекер вставляется в отверстие в строке, соответствующей требуемой команде. Допускается выполнение на каждом этапе нескольких команд (совмещение движений). Роль штекеров сводится к тому, что в гнездах они создают электрическое соединение цепей. Возможности штекерных панелей примерно те же, что и программаторов с барабанами (несколько десятков этапов в цикле). Важным достоинством штекерной панели является максимальная наглядность набора: полностью видна вся программа. Однако штекерные панели громоздки; механический контакт, создаваемый штекерами, нередко недостаточно надежен.

Большинство современных устройств циклового программного управления представляют собой программируемые контроллеры. Про - грамма записывается на определенном машинном языке подобно тому, как это делается при программировании для ЭВМ. Однако для циклового управления языки выбираются очень простыми. Обычно программа строится по кадрам, причем каждый кадр соответствует этапу. На обычном языке содержание кадра записывается следующим образом: номер кадра, проверка наличия сигналов во входных цепях с заданными номерами (сигналов датчиков), при наличии этих сигналов задается команда на выполнение движения с требуемым номером. Программа может быть введена в устройство управления с клавиатуры пульта. В устройстве управления программа запоминается в электронной (интегральной) памя - ти. При ручном вводе программы с пульта содержание кадра в виде ал - фавитно-цифровой записи воспроизводится на специальном индикатор-ном устройстве или дисплее. После того как вся программа введена, для контроля можно выводить на дисплей любой кадр по набранному номе - ру. Обнаруженые ошибки легко исправить.

Преимущества программируемых контроллеров хорошо известны. Практически отсутствуют ограничения по числу команд и по числу этапов. Программы можно хранить на различных носителях. Они могут быть сложными и предусматривать выбор между различными решениями, что необходимо при реализации адаптивных систем. Масса и габаритные размеры малы. Однако не всегда достаточно велика надежность устройств управления.

Способ программирования, при котором непосредственно задается последовательность движений, не является единственным. Когда в основу устройства управления кладется универсальная микроЭВМ, ее про - граммирование осуществляется на универсальном языке, не связанном с представлением об управлении движением.

Как отмечалось, точки, в которых должны останавливаться подвижные части, задаются на самом оборудовании. При использовании пневмопривода позиционирование осуществляется по упорам, которые могут перезакрепляться в разных положениях. Чтобы исключить жесткие удары, вместе с упорами устанавливаются демпферы. Для других типов приводов при подходе к заданному конечному положению двигатель необходимо отключать при помощи путевых выключателей. Как правило используются обычные электроконтактные микропереключатели. Микропереключатель устанавливается неподвижно, он срабатывает от кулачка, который может закрепляться на подвижной части в различных положениях. Если на разных этапах цикла требуется останавливать подвижную часть в различных положениях, устанавливают несколько кулачков при одном переключателе (при этом, однако, точки остановки не могут быть на малом расстоянии) или предусматривают несколько пар «переключатель-кулачок» (они устанавливаются по параллельным линиям). Для повышения точности остановки в конечном положении целесообразно перед остановкой переходить на уменьшенную - «ползучую» скорость. С этой целью усложняется способ остановки при том же кулачке (при срабатывании микропереключателя происходит переход на «ползучую» скорость, а при его отключении после прохождения кулачка - остановка) или устанавливается кулачок сложного профиля, который дает два включения перед остановкой. Повышение надежности может быть достигнуто при установке путевых переключателей другого типа. В роботах с цикловым управлением широко используются в качестве датчиков герметические магнитоуправляемые контакты (герконы). Герметические контакты в запаянной стеклянной колбе замыкаются при приближении на опреде - ленное расстояние магнита или электромагнита, закрепленного на под-вижной части. Точность герконовых датчиков не очень велика, однако они выдерживают без отказов значительно большее число включений и выключений, чем обычные микропереключатели. Используются также индуктивные (трансформаторные) и генераторные датчики. Их высокая надежность определяется тем, что они являются бесконтактными.

2.2 Позиционное и контурное программное управление

робот перемещение управление промышленный

Для позиционного и контурного управления общим является то, что для выполнения движений необходимо запоминать большое число точек для каждой степени подвижности. Нет никакой возможности задавать эти точки на манипуляторе, поэтому отличительной особенностью устройств управления в этих случаях является то, что программируется вся информация о движениях, которые необходимо совершать, а именно: последовательность движений, условия выполнения движений и значения перемещений или углов поворота. Для контурного управления программируется также скорость перемещения. Как отмечалось ранее, программирование может быть аналитическим, а может осуществляться методом обучения. Рассмотрим сначала аналитическое программирование.

В настоящее время, подавляющее большинство систем позици - онного и контурного управления представляют собой системы числового программного управления (ЧПУ). Для промышленных роботов харак - терны системы ЧПУ трех типов:

1) HNC (с ручным заданием программ с пульта управления; они называются также оперативными системами управления);

2) DNC (имеющая память для хранения всей программы);

3) CNC (автономная система, построенная на микроЭВМ).

Принципы и технические средства ЧПУ были разработаны применительно к станкам; распространение их на промышленные роботы позволяет унифицировать устройства управления для роботизированных технологических комплексов.

Рассмотрим устройство управления, вырабатывающее сигналы на приводы, не затрагивая пока вопросов исполнения программ. Исходной является алфавитно-цифровая запись управляющих программ. Программирование осуществляется по адресному принципу, по кадрам. Адрес (как правило, буквенный) указывает, к какому приводу (или к какой степени подвижности) относится команда. После адреса записывается число, которое показывает, на сколько или в какую точку должно произойти перемещение. Большинство систем ЧПУ допускает программирование как в абсолютных координатах (числа в программе задают координаты точки в базовой системе координат), так и в приращениях (числа показывают перемещения от исходного положения). Числа дают значения координат или перемещений в дискретах, обычно в микрометрах. Обозначения адресов (букв) указываются в специальных таблицах, но приняты меры, чтобы эти обозначения были привычными. Так, буква N означает номер кадра (после нее пишется значение номера - обычно трехзначное число), буквы X, У и Z - команды перемещений по одноименным осям, знаки «+» и «-» сохраняют свой смысл («плюс» и «минус»). На основе этих сведений можно читать отдельные фрагменты программ.

Адресом F задается скорость перемещения (скорость подачи). Пре - дусматриваются специальные режимы интерполяции. Так, если адресом задан режим линейной интерполяции, заданы координаты начальной и конечной точек, то рабочий орган будет двигаться между этими точками по прямой с постоянной скоростью, заданной адресом F. При этом приводы по степеням подвижности будут работать согласованно. Системы с ЧПУ допускают также круговую интерполяцию (по окружности). Возможность работы в режимах интерполяции - характерная особенность контурного управления. Система выбора адресов и составления программ стандартизована, но для конкретных моделей оборудования имеются свои особенности.

Для упрощения программирования используются различные способы. В частности, для часто повторяющихся комбинаций движений со - ставляются типовые подпрограммы, реализующие так называемые по-стоянные циклы. При наборе, просмотре и отладке может быть осущест - влено оперативное редактирование (исправление) программ, а именно: вставка новых кадров, пропуск части кадров, введение в кадры дополни - тельных команд, изменение (коррекция) значений перемещений. Все со - временные системы ЧПУ имеют разветвленные системы контроля, при появлении отказов система автоматической диагностики выявляет, по ка - ким причинам произошел этот отказ. Массы и габаритные размеры уст - ройств ЧПУ пока еще велики, но они уменьшаются от поколения к поко - лению. Стоимость систем ЧПУ достаточно высокая, поэтому оборудованы ими чаще всего технологические роботы с контурным управлением.

Существенную специфику программирование имеет в тех случаях, когда оно осуществляется методом обучения. При этом аналитически программируются только подготовительные операции. Во время обучения (когда оператор перемещает рабочий орган вручную) автоматически вводятся в память устройства управления значения координат через равные интервалы времени (обычно через 0,1 с). Эти значения получаются из сигналов датчиков перемещений или углов поворота приводов мани - пулятора. Для окрасочных роботов время записи и воспроизведения про - граммы составляет обычно несколько десятков или сотен секунд. Если важна плавность движения (как при шовной сварке, резке и окраске), то при воспроизведении осуществляется интерполяция по точкам; в случае необходимости скорость движения по траектории может быть вручную с пульта увеличена или уменьшена в пределах ±20%. Когда плавности движений не требуется и движение должно осуществляться с остановками (как при точечной сварке), интерполяция не производится и система работает как позиционная.

В системах ЧПУ используются два типа приводов: разомкнутые (обычно шаговые) и замкнутые (следящие). Шаговый электромеханический привод управляется последовательностью импульсов, которые вы - рабатывает специальный коммутатор. В следящих приводах сигнал зада - ваемого перемещения или угла поворота сравнивается с сигналом датчика перемещения или угла поворота на выходном звене, по результату сравнения двигатель поворачивается так, чтобы эти два сигнала стали равными друг другу. Таким образом, перемещение выходного звена сле - дует за выходным электрическим сигналом. Точность следящего привода в значительной мере зависит от точности датчика. В системах ЧПУ ис - пользуются как специальные кодовые (цифровые) датчики, выдающие сигнал поворота в двоичном коде, и импульсные, выдающие число им - пульсов, пропорциональное углу поворота или перемещению, так и ана - логовые (потенциометры и вращающиеся трансформаторы). Погрешности точных датчиков составляют 0,01% от диапазона перемещений или углов поворота.

В течение ряда лет при проектировании устройств управления про - мышленных роботов наблюдались две противоположные тенденции. С одной стороны, создавались устройства управления для каждого робота, отличные от всех других. С другой стороны, выпускались унифициро - ванные устройства управления, предназначенные не для одного опреде - ленного робота, а для целой группы роботов определенного класса. Доля унифицированных устройств управления из года в год растет, в настоящее время она составляет более половины. Преимущества унифицированных устройств управления в основном те же, что и модульных конструкций, поскольку устройство управления можно рассматривать как самостоятельный модуль промышленного робота

3. Сенсорные устройства

Сенсорные устройства роботов под сенсорными устройствами робота будем понимать чувствительные устройства, предназначенные для получения оперативной информации о состоянии внешней среды в адаптивных системах управления роботами. В отдельных системах робота имеются 48 также различные чувствительные устройства, необходимые$CUT$ для функционирования этих систем, например датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т.п. однако эти чувствительные устройства, ориентированные на внутренние параметры отдельных составных частей робота, не специфичны для него в целом и поэтому не отнесены нами к сенсорным устройствам роботов как таковым. По виду выявляемых свойств внешней среды сенсорные устройства роботов делятся на три группы: 1) сенсорные устройства, служащие для определения геометрических свойств объектов; 2) сенсорные устройства, выявляющие другие физические свойства объектов; 3) сенсорные устройства, выявляющие химические свойства объектов. Характерными представителями сенсорных устройств первой группы являются измерители координат (информационные линейки, сканирующие локаторы, координаторы и т.п.). вторая группа сенсорных устройств, предназначенных для определения физических свойств объектов, наиболее велика и разнообразна. Здесь в первую очередь следует выделить измерители усилий, плотности, упругости, температуры, цвета, оптической прозрачности. В третью группу входят измерительные устройства для установлений химического состава и химических свойств среды, информация от сенсорных устройств, стало быть, употребляется в системе управления бота для обнаружения и определения объектов наружной среды, также для управления движением бота и его манипуляторов. Всем известно о том, что в согласовании с сиим сенсорные устройства можно также поделить по назначению на три группы: устройства, предназначенные для определения параметров среды, выявления объектов в рабочей месте, и датчики обеспечения перемещений исполнительных органов бота, к первой и 2-ой группам относят чувствительные устройства, созданные для выявления разных физико-химических параметров объектов среды, включая, а именно, датчики характеристик рельефа в рабочей месте, особых признаков для обнаружения и определения определенных объектов.

При создании локационных сенсоров используются принципы как пассивной, так и активной локаций. Пассивная локация заключается в улавливании и обработке собственных излучений объектов. При активной локации в сторону предполагаемого местонахождения объекта направляется соответствующий зондирующий поток сигналов (акустических, световых, магнитных и др.), а отраженное излучение затем улавливается и регистрируется датчиками-приемниками.

Аналогом пассивных локационных систем являются зрение, слух и обоняние животных и человека, а характерным примером активной локации в живой природе может служить способность дельфинов или летучих мышей обнаруживать объекты с помощью направленного излучения акустических волн высокой частоты, так называемой ультразвуковой эхолокации.

При создании локационных сенсорных устройств используется широкий спектр различных физических методов: акустических, магнитных, оптических, радиоволновых, тепловых, электрических, электромагнитных, пневматических, на основе которых разработан и находит практическое применение ряд конкретных конструктивных разновидностей локационных датчиков: пьезоэлектрических, феррозондовых, индукционных, электронно-оптических, полупроводниковых, волоконно-оптических, емкостных, вихретоковых, струйных, вакуумных и др. Все локационные устройства очувствления роботов по своему назначению могут быть разделены на: информационные, предназначенные для обеспечения автоматического управления роботом и определения пространственного положения объектов, и более простые устройства безопасности, используемые для защиты манипулятора, окружающих объектов и обслуживающего персонала от возможных столкновений в процессе работы. Наиболее широкое применение в большинстве современных локационных систем промышленных роботов получило использование излучения и приема отраженных акустических или электромагнитных волн.

Локационная акустическая, например ультразвуковая, система очувствления реализуется обычно на основе использования двух методов: эхометода и эффекта Доплера (улавливание изменения длины волны или частоты отраженного от движущихся объектов сигнала) и действуют следующим образом. Синусоидальные звуковые колебания высокой частоты (40-100 кГц), формируемые специальным генератором волн и модулируемые прямоугольными импульсами, излучаются дискретно в направлении объекта. Одновременно с помощью генераторе счетных импульсов запускаются своеобразные часы локационной системы - счетчик импульсов.

Направленный ультразвуковой сигнал, отразившись от объекта, возвращается в отраженном виде в приемник, где усиливается, очищается от помех и преобразуется из акустической в электрическую форму. Одновременно из него выделяется модулирующая составляющая, которая с помощью порогового (отсекающего) устройства представляется в виде прямоугольных импульсов, направляемых нв счетчик и останавливающих процесс счета, т.е. фиксирующих число импульсов за время прохождения сигнала до объекта и обратно.

Так как принятые сигналы запаздывают по отношению к первоначальным - зондирующим - на величину времени их прохождения до объекте и обратно, то число импульсов, накопленных в счетчике этот период, пропорционально удвоенному расстоянию до объекта при нахождении излучателя и приемника в непосредственной близости друг от друга. Для этого обычно используют ультразвуковые датчики-преобразователи, совмещающие в одном корпусе излучатель и приемник.

Схема такого совмещенного ультразвукового датчика излучения-приема для измерений в ближней зоне. В металлический корпус 1 помещается основной компонент датчика - электроакустический преобразователь 2, в качестве которого преимущественно используется керамический пьезоэлектрический элемент, защищенный от влаги, пыли и повреждений слоем 3 смолы, служащим также переходным акустическим сопротивлением. Для быстрого демпфирования акустической энергии корпус заполнен акустическим поглотителем 4. Датчик помещается во внешний изолированный корпус 5, а электрический ток к преобразователю и от него подается по кабелю 6. Такая конструкция датчика отличается компактностью и позволяет получать узкий акустический поток в виде мощного направленного сигнала. Такие ультразвуковые локаторы применяются для очувствления захватных устройств роботов, удобно размещаясь между губками.

Размещено на Allbest.ru