GOS for Iphone / mobile / Аппаратное и программное обеспечение
.pdf
4. Структура аппаратных средств позиционной системы управления роботом (на примере микропроцессорной системы управления
мехатронно-модульными роботами УРТК).
Все роботы строятся на основе унифицированных мехатронных модулей (ММ): модуля линейного перемещения(рис. 2 а, б); модуля вращения(рис. 3 а); модуля смены захватного устройства; захватного устройства; устройства фрезеровки(рис. 3 б).
рис 2. а, б. Модули линейного перемещения
рис.3 а модуль вращения, б модуль с рабочим органом
Модули действуют согласованно в соответствии с заданной траекторией движения РО, которая формируется системой управления (СУ). Исполняют движение двигатели (Д). Движение рабочего органа в вертикальной и горизонтальной плоскостях обеспечивается модулями линейного перемещения (рис 2 а, б). Движение в горизонтальной плоскости дополнительно обеспечивает модуль вращения (рис. 3 а) или модуль линейного перемещения.
Исполнительным механизмом помимо двигателей является также электромагнитное реле.
Рабочий орган является устройством захвата или (и) фрезеровки (рис3 б). Он устанавливается на ММ и может обеспечивать выполнение соответствующих технологических операций (степень W ). В частности, захватное устройство (рис 3 б, рис 4.1) предназначено для захвата и удержания роботом небольших по массе деталей.
рис 4.1 Конструкция и общий вид захватного устройства
рис. 4.2 Модуль ориентации схвата
Так как робот содержит три ММ (степени подвижности X , Y , Z ), то управление движением его рабочего органа осуществляется по трем каналам управления. В каждом канале имеется управляемый электропривод на основе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением типа МН-145А. По командам управления действие соответствующего ММ обеспечивается двигателем, ротор которого может вращаться в одну или другую сторону.
Так для модулей линейного перемещения (рис.2) через механическую передачу вращение ротора соответствующего двигателя преобразуется в поступательное движение платформы ММ.
рис. 5 положение датчиков на ММ линейного перемещения
При подаче рабочего напряжения с амплитудой 24 В на электромагнит захватного устройства его подвижный якорь втягивается и губки захватного устройства смыкаются. При снятии напряжения пружина, размещенная внутри электромагнита, вытолкнет шток, и губки разомкнутся. Максимальное время, в течении которого захватное устройство может находиться во включенном состоянии, не должно превышать 5 мин. После этого оно должно находиться в выключенном состоянии не менее 15 мин.
На платформе степени X устанавливается ММ степени Z , а на платформе степени Z – ММ степени Y .
Модули оснащены инкрементным датчиком положения и двумя концевыми герконовыми датчиками.
Длина L пути платформы ( см. рис. 5), равная 290 мм (для некоторых ММ L =390 мм), является расстоянием между концевыми датчиками (начальным и конечным).
Инкрементный датчик состоит из непрозрачного диска с прорезями ( рис 6 а, б)
рис. 6 а. Датчик положения ММ линейного перемещения
рис. 6 б. Модифицированный датчик положения
Скорость v вращения вала двигателя для датчика, имеющего 6 прорезей, может быть определена по формуле:
При скорости вращения вала двигателя 120 об/мин частота следования импульсов на выходе датчика положения составляет 12 Гц.
Он установлен на вал двигателя и в процессе вращения ротора двигателя перекрывает световой поток от источника излучения к приемнику. На выходе приемника излучения датчика формируются импульсы прямоугольной формы (рис. 7). Они используются для определения положения подвижной части ММ. Состояние датчика положения отображается на передней панели СУ (см. рис. 2) светодиодным индикатором, обозначенным как «Датчик 0».
рис. 7 а
рис. 7 б
рис.7 а,б Временная диаграмма работы датчиков положения
Индикатор, обозначенный как «Датчик 1», здесь не используется и постоянно находится во включенном состоянии.
Если на модуле установить два импульсных датчика, то можно определять не только положение подвижной части, но и направление ее перемещения, а также можно повысить точность определения положения. Скорость вращения выходного вала редуктора составляет не менее 120 об/мин.
Если команда на привод не поступает, то двигатель привода отключен и его ротор не вращается. Во время работы двигателя температура его корпуса может достигать 60ºС. В процессе работы пользователь должен контролировать температуру двигателей и при их нагреве сверх указанной температуры отключить питание двигателей не менее чем на 15 мин.
СУ автоматизирует и осуществляет функции оперативного контроля за состоянием робота и управления им. Система является аппаратнопрограммным комплексом, реализованным на двух уровнях(рис. 8).
рис. 8 система управления УРТК
На верхнем уровне часть функций осуществляет ПЭВМ, программа которой на основании текущей информации о состоянии робота, полученной от процессорного модуля блока управления, и алгоритма движения РО, формирует для блока управления задания каждому модулю. Здесь может быть использован персональный компьютер, совместимый с IBM PC и имеющий процессор типа Intel 80386 DX 40 (если используется программное обеспечение, разработанное для операционной системы MS DOS) или более производительный (если, например, используется операционная система MS Windows или пользователь планирует разрабатывать прикладное программное обеспечение на современных объектно-ориентированных языках программирования). На нижнем уровне управления другую часть функций оперативного контроля и управления осуществляет блок управления (БУ). Он имеет указанный на состав элементов (модулей), которые решают разные задачи. Например, модуль процессора и модуль управления в совокупности являются аппаратнопрограммной основой трех электроприводов (по числу степеней подвижности) соответствующих каналов управления. Эти модули обеспечивают управление состоянием приводов робота. В модуле управления также производится первичная обработка показаний датчиков, расположенных на роботе. Процессорный модуль может подключаться к ПЭВМ с помощью параллельного (Centronis) или (и) последовательного (RS - 232) интерфейса.
5. Особенности аппаратных средств позиционной и контурной системы управления роботом
Традиционные методы механизации и автоматизации производства, основанные на использовании поточных и автоматических линий, а также различных специализированных установок и приспособлений, эффективны главным образом в условиях крупносерийного производства. В то же время основная масса сварных изделий выпускается в условиях серийного и мелкосерийного производств , где осуществить комплексную механизацию и автоматизацию традиционными методами обычно не удается, следствием чего являются низкая производительность и большие затраты ручного труда .
Существенное сокращение ручного труда при выполнении сборочносварочных операций и, самое главное, ощутимое повышение качества сварных швов возможны при использовании робототехники. Универсальность роботов с шестью степенями свободы дает возможность автоматизировать любые операции, выполняемые рукой человека, а быстрота перестройки ТП позволяет обеспечить ту гибкость, которую сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком. Использование робототехники не является самоцелью, оно должно повысить производительность труда с одновременным сокращением издержек производства, несмотря на высокую стоимость оборудования.
Решение этой сложной задачи требует от инженера-сварщика учета специфики как производства конкретных сварных изделий, так и применения роботов, а также обоснованного выбора подобного оборудования, рациональной его компоновки и эффективной эксплуатации.
Проводимые в сварочном производстве производственные работы обычно универсальны, пригодны для выполнения сборочных, сварочных, а также транспортных операций при изготовлении разнообразных конструкций. Их технологические возможности характеризуются следующими параметрами: кинематической схемой , грузоподъемностью и числом степеней подвижности; формой и размерами рабочей зоны ; точностью позиционирования; характером привода и типом системы управления роботом.
Системы управления роботом - манипулятором, несущим инструмент, могут быть цикловые, позиционные и контурные. Выбор системы управления робота определяется его назначением.
Наиболее простая цикловая система управления роботом предназначена для выдачи ряда команд в определенной последовательности, но без регламентации перемещения по каждой из осей. Цикловая система является простейшим случаем позиционной системы с
минимальным числом позиций, программируемых по каждому перемещению (обычно две: начальная и конечная). Промышленные роботы с цикловым управлением применяют в основном при сборке деталей, погрузочноразгрузочных, транспортных и складских работах, при этом широко используют пневмопривод.
Рисунок 1. Приемы введения программы при обучении робота в зависимости от системы управления роботом: а - позиционная; б - многопозиционная; в - контурная.
Позиционная система управления роботом задает не только последовательность команд, но и положение всех звеньев промышленного робота. Ее используют для обеспечения сложных манипуляций с большим количеством точек позиционирования. При этом траектория инструмента между отдельными точками 1 и 2 (рис. 3.3, а) не контролируется и может отклоняться от прямой, соединяющей эти точки. Однако завершение перемещения в точке 2 обеспечивается с заданной точностью . Систему называют однопозиционной, если она предусматривает останов инструмента в конце каждого отдельного перемещения ; используют в промышленных роботах, предназначенных для контактной сварки , а также для сборочных или транспортных операций .
Многопозиционная система управления роботом позволяет проходить промежуточные точки без останова с сохранением заданной скорости. При достаточной частоте промежуточных точек (с м . рис. 1, б) такая система способна обеспечить передвижение инструмента по заданной траектории и поэтому может использоваться в промышленный робот для дуговой сварки. Однако в этом случае введение программы в память робота связано со значительными затратами времени .
Контурная система управления роботом задает движение в виде непрерывной траектории, причем в каждый момент времени определяет не только положение звеньев механизма, но и вектор скорости движения инструмента. Поэтому движение инструмента по прямой линии или по окружности требует задания всего двух крайних точек в первом случае и трех точек (двух крайних и любой промежуточной) во втором. Это позволяет интерполировать отдельные участки траектории отрезками прямых и дугами окружности , что существенно сокращает время обучения робота. Поэтому, как правило, применяют контурную систему управления в промышленных
роботах для дуговой сварки, хотя она сложнее и дороже позиционной. Программа выполнения операций дуговой сварки обычно вводится в память промышленного робота оператором в режиме обучения. Для этого на первом экземпляре узла намечают опорные точки линии шва, в которых меняется характер ее траектории. Оператор последовательно подводит горелку к этим точкам и нажатием кнопки «Память» вводит их координаты в систему управления с указанием характера траектории между ними: прямая, дуга. Одновременно в память системы вводится технологическая информация о скорости движения горелки и других параметрах режима сварки, порядке перехода от одного шва к другому и т.д.
При сварке с помощью робота нередко используют колебания электрода. Манипуляционная система промышленных роботов в сочетании с системой управления позволяет выполнять колебания горелки на любой траектории. В условиях мелкосерийного производства отклонения размеров при переходе от одного узла серии к другому могут оказаться настолько значительными, что приходится каждый узел серии программировать заново
. В этих случаях нашли применение промышленные роботы с иным способом обучения, занимающим меньше времени, чем программирование с использованием опорных точек.
При обучении такого робота (типа «Apprentece» или МАС-2000) оператор устанавливает на горелку наконечник, подводит ее к месту начала шва и вручную проводит горелку вдоль соединения так, чтобы наконечник касался л ин и и сопряжения свариваемых деталей. Сигналы от датчика, фиксирующего перемещения горелки, вводятся в систем у управления в виде координат точек , отстоящих одна от другой на определенном расстоянии.
Поскольку при обучении скорость перемещения горелки оказывается гораздо выше реальной скорости сварки, то время обучения такого робота существенно меньше времени самой сварки. Это позволяет вводить индивидуальную программу для каждого экземпляра изделия . Роботы такого типа обучения применяют при сварке протяженных швов в крупногабаритных листовых конструкциях или при частой смене изделия . При этом сварные швы должны быть угловые, тавровые или стыковые с выраженной разделкой кромок, чтобы при обучении наконечник двигался точно по стыку.
6.Основные принципы организации программного обеспечения манипуляционных и мобильных роботов
Несмотря на то, что интерфейс Centronics ориентирован на подключение принтера, при разработке нестандартных устройств для подключения к Centronics его сигналы могут быть использованы произвольным образом.
При сопряжении устройств с Centronics возникает проблема с разрядностью информационного обмена (см. рис. 4.2.1.). Шина данных однонаправлена, ее можно использовать только на вывод. Для ввода данных пригодна лишь пятиразрядная шина состояния.
Наиболее простой способ увеличения разрядности на ввод состоит в мультиплексировании принимаемых данных. Подробнее о решение проблемы разрядности описано в [6].
В[5] рассмотрены способы сопряжения посредствам платы ИС 8255 PPI. Она имеет три 8-разрядных порта, которые могут быть сконструированы несколькими способами.
Существует три режима работы (0, 1 и 2). В управляющий регистр PPI записывается 8-разрядное слово (байт), которое определяет режим и направление потока данных. Это слово включается в программу перед любой командой.
Режим 0 обеспечивает простые операции ввода и вывода данных для портов A, B и C (разделен на два порта по 4 разряда).
Режим 1 обеспечивает обмен данными с портами A и B. Порт C используется для управления потами A и B.
Режим 2 соответствует полудуплексной передачи данных через порт A.
Вданной версии УРТК использован эмулятор микросхемы I8255.(см.
рис. 4.2.)