8. Числове програмне керування (чпк)

складально-зварювальним устаткуванням

і зварювальними роботами

Керування складально-зварювальним устаткуванням із ЧПК, ро­ботами і РТК зварювання полягає в забезпеченні узгодженого функ­ціонування маніпуляційної системи і зварювального устаткування, а також в обміні інформацією із зовнішніми системами, виходячи з про­грами виконання операції, інформації про внутрішній стан складових частин комплексу та інформації про виробниче середовище. Під вироб­ничим середовищем тут розуміється зварюваний виріб, пристрій, в яко­му він закріплений, устаткування, що здійснює транспортні та накопи­чувальні функції, а також інші системи, в тому числі люди, які беруть участь у виробництві.

Складально-зварювальне устаткування з ЧПК і спеціалізовані ро­боти, які звичайно агрегують із модулів в основному прямолінійного переміщення, з простішими системами керування, найпридатніші до ве- ликосерійного і масового виробництва з поодинокими (до чотирьох ра­зів на рік) змінами типорозмірів зварюваних виробів. Під модулем у даному випадку розуміють функціонально завершений вузол, що має самостійне значення і забезпечує переміщення за однією чи кількома координатами. Застосування модульних маніпуляторів інструменту з двома-чотирма ступенями рухомості доцільне, якщо зварюють вироби зі швами простої форми, перш за все з прямолінійними і круговими шва­ми, особливо в тих випадках, коли ці шви можуть бути орієнтованими вздовж напрямних.

Універсальні зварювальні роботи —- це роботи, що мають 5—6 сту­пенів рухомості, оснащені функціонально гнучкими системами керу­вання, Найповніше вони виявляють свої властивості при багатономен- клатурному виробництві з частою зміною зварюваних деталей, тобто якщо функціональна гнучкість робота справді потрібна.

За п’ятьох і більше ступенів рухомості модульні роботи звичайно поступаються універсальним щодо металомісткості, точності, швидко­дії, естетики зовнішнього вигляду.

За визначенням стандартів більшості країн до роботів належать ма­ніпулятори тільки з цифровим (числовим) керуванням, за якого про­грама роботи робота задається в числовому вигляді, а фактичні перемі­щення ланок вимірюються за допомогою розглянутих вище датчиків положення. За вітчизняними стандартами роботи можуть мати і циклове керування.

Для спеціалізованих зварювальних роботів та іншого устаткування з цикловим і числовим програмним керуванням доцільно застосову­вати загальнопромислові пристрої ЦПК та ЧПК, які серійно випуска­ють, що дає змогу:

а) відмовитись від розробки додаткових пристроїв і їхніх модифіка­цій, які призначено для зварювальних операцій;

б) використовувати серійні, відносно недорогі пристрої ЦПК і ЧПК, освоєні експлуатаційними службами підприємств і забезпечені централізованим сервісом і запасними частинами;

в) зробити простішим у цілому процес впровадження зварювального устаткування з програмним керуванням.

Разом з тим такий підхід має істотні недоліки:

9. надмірність серійних пристроїв ЧПК (наприклад, за точністю відпрацювання, кількістю допоміжних команд) і їхню недостатність у деяких випадках за кількістю керованих рухомостей і можливістю віль­ного керування параметрами процесу зварювання;

10. обмежені можливості пристроїв ЧПК, що випускаються для авто­матизації обробки різанням, по нарощуванню системи керування засо­бами геометричної і технологічної адаптації для зварювання;

11. неоптимальність мовних засобів програмування пристроїв керу­вання іншими технологічними процесами при застосуванні їх для керу­вання зварювальними процесами.

Пристрій цифрового програмного керування УЦМ-100 призначено для керування маніпуляторами з позиціюванням по упорах, а також для керування технологічним устаткуванням.

Елементна база — ВІС мікропроцесорного набору КР580.

Кількість дискретних виходів (типу 100 В, 0,5 А або 24 В, 2 А) керу­вання приводами устаткування — до 64 одного або іншого типу, або ж 16 одного і 48 другого типу. Кількість дискретних виходів (24 В, 100 мА) керування безконтактною автоматикою — до 16. Кількість дискретних входів сигналів (24 В, 10 мА) з датчиків стану устаткування — до 96.

Обсяг пам’яті для розміщення керуючої програми споживача — не менш як 2 кБайт; кількість циклів перезаписування керуючої програми 10⁴. Кількість керованих ланок — до 16 (один або кілька маніпулято­рів). Кількість точок позиціювання кожної ланки — до 8.

Режим роботи: «Автоматичний» (багаторазове виконання робочого циклу програми споживача); «Цикл» — одноразове виконання робо­чого циклу; «Кадр» — виконання одного кадру програми; «Команда» — послідовне виконання команд, що складають кадр; «Ручний» — керу­вання ланками і механізмами технологічного устаткування вручну.

Носій програмного забезпечення — ВІС ППЗП із ультрафіолето­вим стиранням.

Пристрій УЦМ-100 містить блоки обробки логічної інформації, дже­рела живлення датчиків, кіл керування приводами, потужні вихідні ключі постійного і змінного струму, а також комутаційні поля для вми­кання входів і виходів керованого устаткування.

Конструктивно блок керування (БК) виконано у вигляді підлогової стійки блочного виконання. Стійка складається з двох блоків: логічного і живлення.

Рис. 6.11. Структура пристрою циклового програмного керування УЦМ-100:

/ —ї внутрішній інтерфейс пристрою УЦМ-100; 2 — модуль

мікроЕОМ; 3 — модуль перепрограмовуваиого запам’ятаючого пристрою (ППЗП); 4...6 — модулі зв’язку, введення і виве­дення відповідно; 7 — зв’язок із ЕОМ верхнього рівня за допо­могою каналу ІРПС; 8 — канали І РПС для зв’язку з терміналь­ними пристроями; 9 —• слабкострумові сигнали для керування елементами безконтактної автоматики; 10 — сигнали від датчи­ків РТК; 11 —- сигнали керування РТК

Основу логічного блоку складає контролер (рис. 6.11). Зв’язок між модулями контролера здійснюється за внутрішнім інтерфейсом, яким використано системний інтерфейс ВІС мікро­процесорного набору КР580. Конструктивно цей інтерфейс виконано у вигляді генмонтажної плати. Обробка логічної інформації і формування сигналів інтерфейси здійснюється модулем мікроЕОМ. На даному модулі розміщено і канал зв’язку з ЕОМ верхнього рівня.

Модуль ППЗП зберігає керуючі програми споживача. Модуль зв’яз­ку призначено для спряження ПК із виносними пультами, а так°^ж Для видавання команд керування безконтактною автоматикою. Модуль вве­дення приймає дискретні сигнали про стан датчиків обслугову^ваного устаткування. Модуль виведення забезпечує формування і видавання дискретних команд на привод керованого устаткування. Тип і кількість модулів виведення визначаються виконанням пристрою.

До складу комплекту ПЦМ-100 входять також програматор (ПРГ), пульт ручного керування (ПРК) і пульт інженерний (ПІ). ПІ вмикать­ся до внутрішньосистемного інтерфейси контролера БК або до внутр™- ньосистемного інтерфейса ПРГ, ПРК або іншого ПІ на час проведення Діагностики або налагодження.

Пристрій числового програмного керування 2Р32 призначено Для керування устаткуванням із трьома ступенями рухомості, до тоґ° ^ж за лінійної інтерполяції кількість одночасно керованих координат Дорів­нює трьом, а за кругової — двом. Пристрій побудовано на базі мікро- ЕОМ (рис. 6.12).

Обсяг пам’яті для керуючих програм 4 кБайт. Введення про^гР^ами можливе з клавіатури ПЧПК, із перфострічки зовнішнього фото^зчитУ' вача і по каналу зв’язку з ЕОМ.

Для керування приводами в ПЧПК формується аналоговий ^сиг" нал —10... + 10 В. Передбачено формування для кожної з коорД^инат сигналу «Аварійне розузгодження».

Як датчики зворотного зв’язку (ДЗЗ) можуть використовуИ^атись інкрементні фотоелектричні перетворювачі ВЕ-178 або індуктив^ні пе­ретворювачі ВТМ-1Г (обертовий трансформатор) чи ПИЛПІ-А2 (індук- тосин) залежно від виконання пристрою.

Рис. 6.12. Структура пристрою числового програмного керування 2Р32:

І — пульт навчання; 2 — вузол зв’язку з обчислювачем; 3,4 — блоки клавіатури і індикації відповідно; 5 — послідовний інтерфейс; 6 — фот.озчитуючий ири'стрій;

7 — перфоратор ПЛ-150; 8 — ЕОМ верхнього рівня; 9 — блок обчислювача; 10 — інтерфейс пульту навчання; 11 — оперативний запам’ятовуючий пристрій (03 ГЇ);

12 — перепрограмовуваний запам’ятовуючий пристрій (ППЗП); ІЗ — мікроЕОМ;

.14 — інтерфейс; 15 — інтерфейс ЕОМ верхнього рівня; 16 — загальна ши­на; 17, 18 — модуль введеиня-виведення; 19 — зв’язок із датчиками зворотного зв'язку (ДЗЗ); 20 — цифро-аналоговий перетворювач; 21, 22 — канали зв’язку з датчиками ДЗЗ і з підсилювачами приводів відповідно

Максимальне переміщення, яке програмується в одному кадрі, ста­новить 9999,999 мм. Геометрична інформація задається в одиницях дис­кретності, що дорівнюють 0,01 або 0,001 мм. Максимальна швидкість маршевих переміщень становить ЮОООмм/хв (167 мм/с). Передбачене урахування люфтів за реверсу. Люфт за кожною координатою зада­ється константами.

Конструктивно ПЧПК 2Р32 складається з блока обчислювача і пульта навчання і з’єднується за потребою з фотозчитувальним пристроєм «Консул», стрічковим перфоратором ПЛ150 і ЕОМ верх­нього рівня. _■

Стосовно до маніпуляторів роботів, які є розімкненими багатоланко- виками, що складаються з 5—6 послідовно з’єднаних рухомих ланок, завдання числового програмного керування, особливо контурного, іс­тотно ускладнюється. Під час керування роботами і РТК для зварюван­ня істотну частку обчислень складають перетворення координат мані­пуляторів роботів (див. дод. 18).

Поняття про інтерполяцію під час керування роботами. Потреба ін­терполяції пов’язана з тим, що в програмі роботи робота задано коорди­нати лише так званих вузлових точок, тобто таких, у яких відбувається зміна форми траєкторії руху, зупинка, переорієнтація робочого органу, вміна параметрів процесу зварювання, подавання будь-яких команд тощо.

Рис. 6.13. Лінійна (а) і кругова (б) інтерполяція під час керування зварювальними роботами

Інтерполяція дає змогу визначити всі проміжні точки траєкторії, що розміщені між вузловими точками, і провести декомпозицію (розподіл) вектора швидкості за окремими узагальненими координатами.

Розрізняють інтерполяцію лінійну, кругову, параболічну, полі­номами різних ступенів, інтерполяцію сплайн-функціями. У загально­му випадку лінійна інтерполяція — це рівномірна зміна значень коор­динат у тій чи іншій координатній системі. Оскільки більшість швів мають прямолінійну або кругову форму, у зварювальних роботах най­частіше застосовують лінійну і кругову інтерполяцію в базовій системі координат.

За лінійної інтерполяції потрібно задати координати точки зварю­вання і орієнтацію пальника на початку і в кінці прямолінійної ділян­ки шва. Під час виконання шва точка зварювання буде переміщуватись по прямій із постійною швидкістю, а орієнтація пальника при цьому буде рівномірно змінюватись у базовій системі координат від заданої у початковій точці до заданої у кінцевій точці (рис. 6. ІЗ, а).

Якщо орієнтацію пальника хочуть зберегти постійною, то задають її однаковою у початковій і кінцевій точках.

За кругової інтерполяції потрібно задати три точки на дузі кола: по одній на початку і в кінці дуги і одну десь у середній частині дуги кола (рис. 6.13, б).

Сучасні системи керування промисловими роботами є мікропроце­сорними керуючими пристроями, побудованими за ієрархічним прин­ципом. На верхньому рівні керування здійснюється розрахунок траєк­торії руху робочого органу, формування команд, що керують рухом ланок робота, логічна обробка інформації від периферійних пристроїв РТК, діалоговий режим роботи оператора через відеотермінальний при­стрій, обмін інформацією з ЕОМ верхнього рівня та зовнішнім програ­моносієм, керування роботом через пульт ручного керування, діагнос­тика роботи системи, калібрування координат ланок.

Нижній рівень керування використовується для розв’язку завдання керування рухом ланок і параметрами процесу зварювання відповідно до програми, що надходить від верхнього рівня (рис. 6.14).

Зв’язок між процесорами, що реалізують функції верхнього і ниж­нього рівнів керування, може здійснюватись через загальну пам’ять (системи із загальною пам’яттю) або через системну магістраль (роз­поділені системи). Прикладом системи із загальною пам’яттю є вітчиз­няна система МПСУ робота СУР МС (рис. 6.15), в якій обмін даними між процесорними модулями 8, 10, 11, 12 відбувається по таймеру че­рез спільну пам’ять, що розміщена в модулі 8.

Структура розподілених систем може мати одну загальну системну магістраль, як у вітчизняній системі «Прогрес 1-8» (рис. 6,16), або кіль­ка системних магістралей,що взаємодіють через модуль зв’язку, як у системі «Сфера-36» (рис. 6.17).

( Оператор )- ■

Система

програмування

Пам'ять

користувача

Off-line

—

контролер

■зварювального

устаткування

* Інтерпретатор

X

Планування

траєкторії

І

I

І

Ахр.ф

Перетворення , ко opвинam з інструментальної системи у вдзову

йх_Т

-±Яз-

Регулятор

положення

ланок

Датчики

Зварювального

устаткуваннях

Рис. 6.14. Узагальнена структурно-функціональна схема керу­вання РТК для дугового зварювання

Рис. 6.15. Структура системи керування МПСУ робота для дугового зварювання СУР 25:

1 — пульт навчання; 2 — дисплей; 3 — проце­сорний модуль пульту навчання; 4 — модуль дисплея; 5 — модуль пульту системи; 6 — модуль пам’яті; 7 — касетний нагромаджувач на магніт­ній стрічці; 5 — модуль центрального процесора із загальною пам’яттю; 9 — модуль введення- виведення; 10...12 — процесорний модуль приводів, розрахунку траєкторії і зварювального устатку­вання відповідно; 13 — модуль привода; 14...16₁,.,-^, І7_Х... ₇, 18 — канали зв’язку з технологічним

устаткуванням, із двигунами координат, з дат­чиками координат із зварюваним обладнанням від­повідно

Програмно-математичне забезпечення (ПМЗ) систем керування про­мислових роботів для зварювання досить розвинуте і забезпечує зруч­ність задавання програми і виконання всіх потрібних функцій при її відпрацюванні. Основою ПМЗ є операційна система реального часу, яка забезпечує розподіл ресурсів системи, встановлює порядок розв’язу­вання завдань відповідно до їхніх пріоритетів, організує процедуру обміну даними між програмами, ініціює систему за її вмикання, запус­кає програмні тести для перевірки стану апаратної частини системи, припиняє функціонування системи при виявленні помилок (рис. 6.18).

Рис. 6.16. Структура системи ТУР-10 КМ:

керування «Прогрес 1-8» робота

1— пульт навчання; 2 — центральний процесор; 3 — модуль головної пам’яті; 4 — арифметичний універсальний процесор; 5 — процесор пере­рахунку координат; 6, 7 — модулі дискретних виходів і входів відповід­но; 8 — плата перехідна; 9 — пульт керування; 10 — канал зв’язку з ЕОМ верхнього рівня; 11, 12 — канали зв’язку з технологічним устаткуванням; 13 — системна магістраль; 14 — модуль зв’язку з датчиками координат; 15_} § — контролери керування приводами; 16'ц д — модулі керування при­водами; з— канали зв’язку з двигунами координат; 18 — модуль

зв’язку з датчиками адаптації; 19, 20 — канали зв’язку з датчиками коор­динат і датчиками адаптації відповідно

Рис. 6.17. Структура системи керування типу «Сфера-36» робота РМ-01:

1 — модуль центрального мікропроцесора (16- розрядний типу К1801 ВМі); 2 — оперативний запам’ятовуючий пристрій (ОЗП); З — постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП); 4 — нагромад- жувач на гнучких магнітних дисках (НГМД); 5 — відеотермінальиий пристрій; 6 — пульт ручного ЕОМ верхнього рівня; 8 — модуль послідовного

керування; 7 — канал зв’язку „

інтерфейсу; 9 — магістраль верхнього рівня; 10 — модуль зв’язку з нижнім рівнем;

11 — модуль аналогового введення-виведення на 32 канали введення і 32 канали виведення; ІЗ — магістраль нижнього рівня; 14, 15 — блоки входів і виходів від­повідно; 16j — модулі процесора привода; 17± g — модулі керування приводами;

/ в — модулі широтно-імпульсного живлення електродвигунів; 19\ 20^^,

21 — канали зв’язку з двигунами координат, із датчиками координат і із зовніш­німи датчиками відповідно; 22, 23 — канали зв’язку з технологічним устаткуванням

Є два методи програмування маніпуляторів роботів і маніпуляцій- них систем РТК для зварювання: метод навчання (on — line), тобто задавання програми з використанням маніпуляційної системи РТК; метод зовнішнього програмування (off — line), тобто складання програ­ми без використання маніпуляторів РТК.

Розрізняють такі методи навчання:

а) із використанням оборотної кінематики маніпулятора і перемі­щенням інструменту чи його імітатора вручну по лінії з’єднання або з

178 PH

Ж.

18і

Т"

19, 20f

т

Щ 20₈

ТІ

11 12 1314 15

Рис. 6.18. Структура програмно-математичного забезпечення роботів:

1 — операційна система реального часу; 2 — файлова система; 3 — введення та редагування програми; 4 — керування дисплеєм; 5 — інтерпретатор мови; 6 — електроавтоматика; 7 — керування оперативним за­пам’ятовуючим пристроєм; 8 — керування привода­ми; 9 — інтерполятор; 10 — введення та обробка сенсорної інформації; 11, 12 — зв’язок із зовнішнім запам’ятовуючим пристроєм і пультом оператора відповідно; 13...17 — зв’язок із внутрішніми датчи­ками робота, приводами робота, екраном дисплея, сенсорною підсистемою, периферійним обладнанням відповідно

використанням рукоятки навчання з датчиками, що дають сигнали на приводи ланок у режимі слідкування за рукою оператора;

б) із використанням дистанційного керування з пульту навчання — для послідовного переміщення зварювального інструменту в характерні точки траєкторії. При цьому керують із пульту керування переміщен­ням окремо кожного із ступенів рухомості або переміщенням робочого органу вздовж осей однієї з систем координат (базової, інструменту).

Перевага методів навчання — наочність, а недоліки такі:

12. під час навчання РТК не дає продукції;

13. підвищена небезпека праці; більша частина травм, пов’язаних із використанням зварювальних роботів, відбувається під час навчання, коли зварник-програміст змушений перебувати в зоні дії робота;

14. при зварюванні у великій кількості точок чи швів складної фор­ми або коротких швів програмування ускладнюється і вимагає великих витрат часу. Досвід показує, що для програмування однієї хвилини роботи РТК для дугового зварювання методом навчання потрібно витра­тити від 20 до 60 хв на програмування, зараховуючи й час пробних про­ходів і коректування програми до її остаточного відлагодження.

Розрізняють такі методи зовнішнього програмування:

а) текстуальне, якщо послідовність дій робота задається у вигляді команд-операторів, а величини переміщень і параметрів режиму зва­рювання вводяться у числовому вигляді;

б) програмування з використанням комп’ютерної графіки, що дає змогу у найнаочнішому вигляді моделювати роботу РТК, порівнювати різні варіанти виконання програми і перевіряти можливість її реалі­зації.

Методи зовнішнього програмування скорочують простої робота, пов’язані зі складанням нової програми, що особливо важливо для ма- лосерійного виробництва, і сприяють підвищенню безпеки праці.

Методи зовнішнього програмування стосовно до зварювання зви­чайно вимагають «точного налагодження» програми перед її викорис­танням із застосуванням засобів геометричної адаптації.

У наш час найширше застосовується поєднання методу навчання (з використанням дистанційного керування для введення координат ха­рактерних точок) із текстуальним програмуванням для введення даних про характер траєкторії руху між цими точками і параметри процесу зварювання.

Приклад програмування робота РМ-01 наведено в дод. 19.

Методи програмування роботів і РТК розвиваються у напрямі спро­щення складання програми для оператора, вдосконалення штучного інтелекту роботів до рівня, який дає змогу скласти програму задаван­ням команд у термінах мети рухів. Комп’ютерна графіка систем зов­нішнього програмування розвивається в напрямі переходу від контур­них зображень до більш наочніших суцільних об’ємних зображень.