44

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего професионального образования

«Ростовский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ строительный

УНИВЕРСИТЕТ»

Д.Я. Паршин

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

И РОБОТОТЕХНИКИ

ЛЕКЦИИ

Раздел «Роботизация технологических

процессов»

Ростов-на-Дону

2013

2. Основы робототехники и роботизации процессов

2.1. Основные понятия и определения робототехники

Робототехника — это одно из важнейших направлений научно-технического прогресса, которое получило интен­сивное развитие в последнее десятилетие. В настоящее время робототехника сформировалась как область нау­ки и техники, которая занимается разработкой методов расчета и анализом работы манипуляторов и роботов различного назначения, их созданием, а также автомати­зированных на их основе объектов и процессов.

В последние годы получило становление и развитие одно из направлений прикладной робототехники – строительная робототехника, основными задачами которой является создание и внедрение манипуляторов, роботов и на их базе – комплексов оборудования в строительстве и строительной индустрии, а также анализ экономи­ческих и социальных проблем их применения. В настоя­щее время специалистами многих стран проводятся ра­боты, направленные на внедрение средств робототехники в строительство и вывод ее на передовой технический уровень. Это способствует формированию строительной робототехники как самостоятельной дисциплины.

Предметом исследований и разработок робототехники является принципиально новый класс машин и автоматов, обладающих многофункциональностью механических действий и универсальностью выполняемых опера­ций. Такие универсальные автоматические машины многоцелевого назначения, которые в процессе работы воспроизводят подобие двигательных или интеллектуальных функций человека, называются роботами. Наибольшее распространение при автоматизации производственных операций получили так называемые промышленные роботы.

Промышленный робот  это стационарная или передвижная автоматическая машина, представляющая собой совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления и выполняющая в производственном процессе двигательные и управляющие функции. Таким образом, одним из отличительных признаков промышленных роботов является наличие одного или нескольких манипуляторов. Строительные роботы следует рассматривать как разновидность промышленных роботов, предназначен­ных для выполнения операций строительного процесса.

Промышленные роботы характеризуются универсальностью и гибкостью. Под универсальностью роботов понимается возможность выполнения ими многих опе­раций технологического процесса, в том числе и вспомогательных. Универсальность промышленных роботов достигается степенью подвижности манипуляторов и конструкцией рабочих органов. Гибкость управления определяется быстротой их перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции.

Новый этап производства, характеризуемый использованием при технологических операциях промышленных роботов, обладающих многофункциональностью ме­ханических действий, называется роботизацией производства. Роботизация строительного производства является одним из основных путей повышения темпов развития строительства, усиления его интенсификации и ускоре­ния научно-технического прогресса. Она служит крупным резервом резкого сокращения ручного труда и повышения качества производства работ в строительстве.

На предприятиях стройиндустрии, а также на строи­тельных площадках роботы могут объединяться с другим технологическим оборудованием в технологический комплекс. Автономно функционирующая в едином цикле совокупность технологического оборудования и промышленного или строительного робота называется роботизированным технологическим комплексом (РТК).

Перспективным направлением дальнейшего совершенствования технической и технологической базы в стройиндустрии является создание гибких автоматизированных систем (ГПС), которые в общем случае представляют собой совокупность программно-управляемого технологического оборудования, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных мо­дулей и систем обеспечения их функционирования в ав­томатическом режиме в течение заданного интервала времени. Внедрение ГПС основано на широком использовании средств автоматизации, микропроцессорных систем управления, роботов и РТК. Разновидностью ГПС является гибкий автоматизированный участок (ГАУ), в котором предусмотрена возмож­ность изменения последовательности использования тех­нологического оборудования.

2.2. Структурная организация строительных роботов

П ромышленным и строительным роботам свойственно активное и целенаправленное взаимодействие с внешней средой. Это достигается за счет структурной организа­ции робота, которая определяется назначением, характе­ром технологических операций, видом движений в рабо­чей зоне, требованиями к грузоподъемности и точности позиционирования. Однако независимо от этого в общем виде состав строительного ро­бота как промышленного можно представить в виде структурной схемы, при­веденной на рис.2.1.

Исполнительное устройство – это основа любого ро­бота, которая обеспечивает выполнение всех его двига­тельных функций и взаимодействие с объектами роботи­зации на базе управляющих воздействий, формируемых устройством управления. Оно включает манипулятор и устройство передвижения.

Манипулятор перемещает рабочий орган в соответствии с заданными законами движения, определяемыми технологическими требованиями. В общем случае он представляет собой многозвенный механизм, который может состоять из ряда кинематических пар с вращательным или поступательным перемещением. Для приведения в действия звеньев манипулятора используют гидравлические, электромеханические или пневматические приводы.

Основными характеристиками манипуляторов являются число степеней подвижности, маневренность, грузоподъемность. Строительные манипуляторы в большинстве случаев должны обеспечивать поступательные движения рабочих органов по трем коор­динатам; их поворот вокруг одной, двух или трех осей; вращательные движения относительно одной оси с одновременным поступательным перемещением относительно двух других или два вращательных и одно поступательное в радиальном направлении.

Манипуляторы снабжаются рабочим органом, который служит для непосредственного взаимодействия с объектом роботизации или выполнения различных технологических операций. В качестве рабочего органа в промышленных и строительных роботах могут быть захватные устройства либо специальный рабочий инструмент. Захватные устройства обеспечивают взятие и удержание в определенном положении объектов манипулирования. В зависимости от способа захвата и удержания объектов различают механические, электромагнитные, вакуумные и комбинированные захватные устройства. Захватные устройства могут снабжаться специальными датчиками, дающими информацию о взя­тии и установке предмета, усилии сжатия, скорости перемещения, положении охвата относительно объекта манипулирования и т. д. Такие захватные устройства относятся к очувствленным

Важной составной частью мобильных роботов является устройство передвижения. В общем случае мобильные промышленные и строительные роботы могут иметь колесные, гусеничные, монорельсовые, на воздушной подушке и другие устройства передвижения. В строительной индустрии для роботизации основных технологических процессов возникает необходимость использования монорельсовых или мостовых устройств передвижения. Представляет интерес создание устройств передвижения строительных роботов (отделочных, сборочных и др.), которые обеспечили бы возможность перемещения по лестничным переходам с этажа на этаж.

Важное значение для строительных роботов имеет компоновка исполнительного устройства. При размеще­нии манипуляторов на устройстве передвижения обяза­тельно учитываются особенности технологии выполнения работ, ограниченность пространства на строительных объектах, необходимость перемещения через узкие двер­ные проемы и ряд других факторов.

Устройство управления строительных роботов предназначено для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительному устройству в соответствии с управляющей программой. Оно обеспечивает логическую последовательность действий робота, автоматическую работу исполнительного устройства по заданной программе, а также осуществляет связь между действиями манипулятора и обслуживаемого им оборудования. В зависимости от вида устройств управления может обеспечиваться дистанционный, полуавтоматический или автоматический режим работы строительных роботов. Устройства управления в об­щем случае содержат измерительные, вычислительные, запоминающие и выходные элементы. Измерительные элементы выполняют сбор, первичную обработку и передачу в систему управления информации о функционировании узлов и механизмов робота и о состоянии среды. В их состав входят датчики, которые собирают информацию о положении звеньев манипулятора, состоянии рабочего органа, статических и динамических нагрузках, скоростях перемещения, а также информацию об объекте манипулирования и состоянии технологического оборудования. Устройства для сбора внешней информации называют сенсорными, которые могут быть осязательными (тактильными), световыми, локационными, силоизмерительными, визуальными и др.

Вычислительные и запоминающие устройства служат для обработки и хранения информации. В вычислитель­ном устройстве реализуется алгоритм управления роботом и обрабатывается измерительная информация, а в запоминающем устройстве хранится программа функционирования робота при выполнении определенных технологических операций, а также порядок взаимодействия блоков устройства управления, исходные данные и другая информация. Устройства управления в основном реализуются на микроЭВМ или микроконтроллерах. Выходные устройства служат для передачи команд на исполнительные приводы манипулятора и устройства передвижения, которые по отношению к системам управления являются объектами управления.

Комплекс средств общения с оператором необходимо рассматривать как составную часть устройства управления. Пульты ручного управления обеспечивают ввод в управляющее устройство задания в виде программы или отдельных команд, обучение робота, дистанционное и ручное управление манипулятором, рабочим органом и устройством передвижения, а также контроль правильности выполнения задания. Общение человека-оператора с устройством управления выполняется с помощью элементарных команд с пульта управления либо с помощью специального языка общения. Управление роботом осуществляется на основании управляющей программы, которая представляет собой совокупность команд, определяющих заданную последовательность функционирования робота, а также его взаимодействие с обслуживаемым технологическим оборудованием.

Строительные роботы в зависимости от своего назначения могут иметь структурную организацию, отличающуюся от рассмотренной структуры наличием различного рода дополнительных устройств. В их состав могут входить наряду с основным манипулятором один или несколько вспомогательных манипуляционных устройств Отдельные виды строительных роботов могут иметь два и более синхронно работающих манипулятора, выполняющих операции с одним и тем же объектом манипулирования. Для выполнения отделочных работ роботы могут содержать несколько манипуляторов с различными рабочими органами, работающих по общей программе или независимым программам управления. Кроме того, специализированные монтажные и отделочные роботы могут снабжаться набором сменного рабочего инструмента и специальной технологической оснасткой.

На предприятиях стройиндустрии роботы обычно включаются в состав системы техноло­гического оборудования. Поэтому в данном случае они должны рассматриваться как элементы комплексной ав­томатизации технологической линии. Отличи­тельной особенностью структурной организации РТК яв­ляется необходимость взаимосвязанного функционирова­ния разнородного оборудования, входящего в состав ком­плекса. Это достигается путем группового управления оборудованием, обеспечивающим взаимодействие и син­хрониза-цию работы различных устройств. Оборудование РТК объединяется общей системой автоматического уп­равления, при этом устройства локального управления отдельными роботами и технологическим оборудованием составляют нижний уровень управления. Уровень управ­ления комплекса связывает отдельные системы управ­ления нижнего уровня, включая и устройства управле­ния транспортными средствами, в согласованно работа­ющий комплекс оборудования. Кроме координации работы на уровне управления комплекса может осуществляться контроль технологических режимов и исправности обо­рудования, синтез управляющих программ для нижнего уровня, обработка и передача информации между уст­ройствами управления отдельным оборудованием.