§ 63. Основные сведения о манипуляторах, роботах и системах управления ими

Одной из центральных задач при создании автоматизированных систем управления технологическими процессами является реали­зация автоматического перемещения заготовок (деталей) до и после процесса обработки, т. е. автоматизация процессов манипу­лирования. Выполнение операций манипулирования сложно из-за разнообразия объектов перемещения по величине, форме, конфи­гурации и массе. Трудность заключена и в том, что процессы пе­ремещения в большинстве случаев должны выполняться в очень короткое, предварительно заданное время, в результате этих опе­раций заготовки (детали) или материал должны подаваться к про­изводственному оборудованию и извлекаться из него в определен­ном направлении и положении к определенному времени.

Производительность труда на производственной операции во многом зависит от соотношения машинного времени и времени ма­нипулирования.

На процесс манипулирования влияют следующие свойства де­талей: геометрическая форма, размер, масса, устойчивость поло­жения, способность к качанию, скольжению, подвешиванию, шта­белеванию и т. д. Технологичность деталей должна учитывать за­дачи манипулирования.

Под промышленным роботом понимают механи­ческую руку с программным управлением, снабженную захватом и предназначенную для автоматического воспроизведения некото­рых двигательных функций конечностей человека в производствен­ных условиях. Современные промышленные роботы так же, как и стойки с программным управлением, являются отдельными эле­ментами локальных автоматизированных систем управления тех­нологическими процессами.

Автоматические промышленные манипуляторы. В зависимости от степени универсальности их делят на три группы:

1. Специальные манипуляторы (автооператор) выпол­ няют определенные операции, манипулируют одним типом деталей и обычно встроены в линию или обслуживаемое оборудование. При­ меняются в массовом производстве и в класс роботов не входят, так как работают по жесткой программе.

2. Специализированные манипуляторы выполняют основные и вспомогательные технологические операции, связаны с определенной номенклатурой оборудования, имеют частичную конструктивную зависимость от обслуживаемого оборудования (обслуживание штампов), управляются от единой системы программ­ ного управления. Эти манипуляторы привязаны к определенной технологической операции.

3. Универсальные манипуляторы выполняют широкую номенклатуру перемещений в разнообразных технологических за­дачах. Имеют системы программного управления.

Два последних манипулятора являются роботами первого поколения. Роботы второго поколения снабжены техническими органами чувств — от осязания до телевизионного зрения, т. е. такой робот получает информацию не только о собст­венном состоянии (текущие координаты звеньев манипулятора), но

Рис. 134. Схема робота:

1 — стойка; 2 — рука; 3 — захват; 4 — станция управления

и о состоянии внешней среды (объектами манипулирования). Ро­боты с техническими органами чувств называют очувствлен-н ы м и роботами.

Роботы третьего поколения являются дальнейшим развитием очувствленных роботов и способны имитировать интел­лект. Системы управления с имитацией интеллекта — это наиболее совершенный класс адаптивных систем, способных обеспечить ав­тономное функционирование робота.

Выбор кинематической схемы робота зависит от конкретной технологической задачи, особенностей конструкции обслуживае­мого технологического оборудования. Движения робота делят на глобальные (перемещение превышает размеры робота), региональ­ные (в пределах размера руки), локальные (соизмеримые с разме­рами захвата). Универсальный промышленный робот состоит из манипулятора и системы программного управления (рис. 134).

Технологические возможности и конструкцию промышленных роботов определяют: грузоподъемность, число степеней свободы,

рабочая зона, мобильность, скорость движения, точность пози­ционирования, тип системы управления. Перемещение может реа-лизовываться с прямоугольной (плоской, пространственной), по­лярной (плоской, цилиндрической, сферической), сложной поляр­ной системами координат. Конструктивно захватные устройства выполняются механическими, магнитными, вакуумными, упругими оболочковыми (с гидропневмокамерами). Соответственно приме­няют приводы: пружинные, пневматические, гидравлические, элек­тромеханические.

Передающие движения механизмы изготавливают рычажными, реечными, клиновыми. Захваты могут быть жесткими, регулируе­мыми, гибкими, пружинными, их исполнение зависит от транспор­тируемых изделий. Изготовление промышленных роботов строится на принципах модульном, агрегатирования и унификации узлов.

Системы программного управления промышленными роботами. Эти системы создают по четырем основным направлениям: цик­ловая обеспечивает последовательность движений и временные интервалы между циклами. Информация о положении исполни­тельных механизмов задается для определенных точек зоны пере­мещений по каждой координате; позиционная — обеспечи­вает независимое перемещение по осям координат в произвольные точки манипулятора; контурная — перемещение захвата по заданной траектории в пределах рабочей зоны; комбиниро­ванная — объединяет возможности позиционного и контур­ного программного управления. Более подробно данные системы рассмотрены в § 60 применительно к станкам-автоматам. Для реа­лизации программного управления роботами применяют устрой­ства числового программного управления (ЧПУ), микропроцессоры, мини- и микроЭВМ.

Структура позиционной системы программного управления промышленными роботами (ПР) представлена на рис. 135. Система управления ПР имеет в общем случае многоуровневую струк­туру.

Первый уровень системы управления имеет устройства управ­ления движением механизмов. На втором уровне формируются сигналы управления всеми приводами и устройствами автоматики манипулятора, обеспечивающими перемещение захвата в простран­стве во взаимодействии с другим технологическим оборудованием. На третьем решаются укрупненные задачи управления при обслу­живании промышленным роботом станка. Каждый уровень системы управления ПР имеет обратные связи, по которым передается ин­формация об исполнении команд на нижних уровнях и характе­ристиках внешней среды.

В зависимости от метода программирования задач управления различают два варианта программного управления роботом: 1) с не­посредственным программированием путем обучения, когда опе­ратор с помощью специального пульта выполняет необходимые действия манипулятора, а затем вводит их в запоминающее уст­ройство; 2) с косвенным (расчетным) программированием, когда

по заранее известной исходной информации подготавливают управ­ляющую программу, записываемую в память устройству ПУ.

Устройство числового программного управления (ЧПУ) робо­тами, входящими в состав технологических модулей «станок-робот», обычно построены на принципе специализированных вычислителей (рис. 136, а).

Значительно большими возможностями и гибкостью в отноше­нии управляющих алгоритмов обладает устройство (ЧПУ) с микро­программным управлением МПУ (рис. 136, б).

Рис. 135. Структура позиционной системы управления промышленными ро­ботами

Применение микроЭВМ в системах программного управления роботом (рис. 136, в) дает возможность исключить дорогостоящие специализированные вычислительные устройства, повысить гиб­кость программирования и увеличить надежность системы.

Контурные устройства числового программного управле­ния роботами обеспечивают одновременное непрерывное и согласо­ванное управление приводами всех звеньев манипулятора для осу­ществления движения захвата с заданной траекторией, скоростью, ускорением.

Особенность их — сложность алгоритмического и программного обеспечения, обусловленная применяемыми в ПР системами ко­ординат, степеней подвижности, конструктивными и функциональ­ными ограничениями на параметры движений.

Одной из основных особенностей систем управления промышлен­ными роботами является программирование цикла

работы путем обучения, т. е. ручного управления всеми Дви­жениями манипулятора и одновременного запоминания их пара­метров для последующего многократного воспроизведения. Исполь­зование принципа обучения позволяет программировать движение

Рис. 136. Система числового программного управления промышленными ро­ботами:

а — на базе специализированных вычислителей; б — то же, с микропрограммным управ­лением; в — схема ЧПУ на базе ЭВМ

рабочего органа (захвата) манипулятора в любой системе коорди­нат. Кроме того, при этом методе программирования учитываются зазоры в механизмах и упругие смещения звеньев манипулятора, что практически невозможно сделать при аналитическом програм­мировании. Процесс обучения ПР включает запись в устройство

памяти его системы управления информации о содержании отдель­ных элементарных операций, выполняемых в каждом шаге про­граммы, порядок перехода от одного шага программы к другому. Метод централизованного обучения позволяет полностью авто­матизировать процесс записи программы в оперативное запоми­нающее устройство. Рассмотрим схему (рис. 137) привода руки манипулятора, работающего в двух режимах: обучения и автома­тического воспроизведения записанной программы. При обучении руку можно перемещать с помощью переключателя ручного управ­ления в любое положение. Сигналы кодового датчика, соответст-

Рис. 137. Схема позиционного ЧПУ роботом с обучением

вующие положению руки, подаются на вход блока памяти и запи­сываются на магнитной ленте или барабане. При работе в режиме воспроизведения управление движением осуществляется позици­онным устройством ЧПУ в соответствии с командами на выходе блока памяти, в котором последовательно записаны все коорди­наты звеньев манипулятора для каждой заданной позиции. Кроме того, в блоке памяти записываются сигналы управления операций захвата, скоростью движений, временными задержками при пере­ходе к очередному шагу программы, а также команды передачи и разрешения приема сигналов обслуживаемого технологического оборудования.