Системы управления промышленными роботами

Управление промышленными роботами — это совокупность воз­действий на их механизмы, обеспечивающих выполнение ими ра­бочего цикла, а система управления — совокупность устройств, реализующих эти воздействия. Применительно к роботам разли­чают два вида управления: автоматическое и ручное.

Рунное управление основывается на том, что решения об ис­полнении тех или иных элементов рабочего цикла принимает чело­век — оператор робота, который включает или выключает соот­ветствующие механизмы и задает параметры их работы. При руч­ном управлении используют различные исполнительные устрой­ства: механические, гидравлические, пневматические, электри­ческие, электронные и комбинированные.

Автоматическое управление состоит в том, что решения об исполнении элементов рабочего цикла принимает система уп­равления без участия оператора. Она же выдает команды вклю­чения и выключения механизмов робота и управляет их работой.

По функциональному назначению разделяют следующие виды автоматического управления:

управление неизменяемыми повторяющимися циклами обра­ботки или загрузки-выгрузки; примером служат транспортные и загрузочно-разгрузочные устройства автоматических линий или агрегатных станков массового и крупносерийного производства циклы смены инструмента в многофункциональных станках типа «обрабатывающий центр»;

управление изменяемыми автоматическими циклами движений (цикловое программное управление), которое задают в виде ин­дивидуальных для каждого цикла материальных моделей-анало­гов (копиров, наборов кулачков, системы упоров и т.д.); приме­рами являются системы управления роботами для загрузки и выг­рузки часто сменяющихся типов деталей, например на копиро­вальные станки или станки с ЧПУ;

числовое программное управление, при котором программу задают в виде записанного на том или ином носителе массива информации; на ранних этапах развития систем программного управления эту информацию задавали в аналоговой форме (в виде сдвига фазы некоторого синусоидального напряжения по отно­шению к опорному синусоидальному напряжению той же часто­ты). Однако в последнее время в связи с развитием микроэлектро­ники и с появлением больших и сверхбольших интегральных схем («микрочипов») управляющая информация для систем ЧПУ ро­ботами почти исключительно является дискретной и ее обработка ведется цифровыми методами.

Системы управления неизменяемыми циклами роботов тради­ционно строились на базе либо логических переключательных схем, реализованных на электромагнитных контактных реле (воздействия на реле подаются от устройств типа путевых выключателей, сра­батывающих непосредственно от движущихся рабочих органов робота), либо на базе электромеханических кулачковых командо-аппаратов (при вращении вала с кулачками они нажимают в нуж­ной последовательности на такие же путевые выключатели, воз­действующие затем на электрические исполнительные цепи). В пер­вом случае говорят об управлении в функции пути, а во втором — об управлении в функции времени. Во втором случае задающий вал командоаппарата может вращаться либо с постоянной скоро­стью, либо в старт-стопном режиме, когда его вращение после выдачи управляющих воздействий останавливается я включается вновь лишь по сигналу о выполнении заданных предыдущей ко­мандой перемещений. В настоящее время цикловое программное управление роботами в большинстве случаев технически реализу­ется на специальном логическом устройстве — «программируемом логическом командоаппарате» (ПЛК).

ПЛК (контроллер) представляет собой универсальное устрой­ство, построенное по архитектуре цифрового компьютера, кото­рое настраивают на управление конкретным циклом пользовате­ля путем занесения в память этого ПЛК соответствующей рабо­чей программы (совокупности операторов). Эта программа согла­сует между собой содержимое адресов памяти, связанных с вход­ными и выходными сигналами объекта управления (операндами). Будучи построенным по принципам универсального компьюте­ра, ПЛК содержит в себе все его характерные блоки: процессор, оперативное запоминающее устройство, устройство управления, устройство ввода-вывода информации, устройство индикации. Вме­сте с тем он имеет и следующие существенные отличия:

разрядная сетка ПЛК минимально должна иметь длину лишь в один разряд, поскольку она служит для переработки дискретных сигналов типа «включено» и «выключено» (1 или 0);

минимально необходимая система команд ПЛК ограничена несколькими логическими операциями, например дизъюнкция, конъюнкция и инверсия. Эти команды являются аналогами па­раллельному и последовательному соединению замыкающих и раз­мыкающих контактов релейных схем;

язык программирования для ПЛК основан на представлении команд в виде графических символов релейно-контактных схем либо операторов алгебры логики;

входными и выходными данными для ПЛК служат не массивы алфавитно-символьной информации, вводимой и редактируемой персоналом до начала их вычислительной обработки, а дискрет­ные одноразрядные сигналы, либо поступающие от объекта уп­равления в процессе работы, либо генерируемые в процессе вы­числений. Поэтому существенной конструктивной особенностью ПЛК является наличие устройств ввода-вывода сигналов (устройств сопряжения с объектом) и приспособленность таких ПЛК к экс­плуатации в цеховых условиях.

Цикловое программное управление в свою очередь можно раз­делить на две группы.

К первой группе относятся так называемые системы управле­ния незамкнутого типа. В них как моделью перемещения, так и источником энергии перемещения является непосредственно про­филь задающего копира, например силового кулачка.

Вторая группа — системы управления замкнутого типа. Для них характерно наличие двух потоков информации и промежу­точной между копиром-задатчиком и исполнительным органом следящей системы (обычно гидравлического типа). Здесь моде­лью перемещения, как и в предыдущем случае, является про­филь задающего копира, а энергия перемещения подается из до­полнительного источника, питающего следящую систему. Пря­мой поток информации от копира-задатчика поступает в следя­щую систему, где сравнивается с обратным потоком информа­ции, поступающим по контуру обратной связи от датчиков испол­нительного органа робота и характеризующим его фактическое положение. Следящая система обеспечивает минимальное рас­согласование между заданным и фактическим положением испол­нительного органа.

Системы ЧПУ представляют собой наиболее динамично раз­вивающуюся группу систем автоматического управления. Эта группа систем управления приобрела в настоящее время преобладающее значение. Применительно к станкам системы ЧПУ практически вытесняют другие типы систем автоматического управления и используются для всех без исключения групп станков. Когда робо­ты применяются совместно со станками с ЧПУ, образуя единые робототехнические производственные комплексы, системы ЧПУ станков используются и для выдачи команд на исполнительные устройства роботов, т.е. являются общими. Тем самым осуществ­ляется синхронизация элементов циклов роботов и обслуживае­мых ими станков. Но системы ЧПУ, применяемые для роботов, могут представлять собой и автономные устройства. В этом случае программа работы такого робота оказывается самостоятельной.

По технологическому назначению и по функциональным воз­можностям системы ЧПУ роботами делятся наследующие группы.

1. Позиционные, в которых важны только координаты конеч­ных точек положения исполнительных органов после выполнения ими тех или иных рабочих циклов, а траектория движения к этим конечным точкам значения не имеет.

2. Непрерывные или контурные, которые обеспечивают дви­жение исполнительного органа по заданной криволинейной траектории.

3. Универсальные (комбинированные), в которых осуществ­ляется программирование как координат конечных точек, так и траектории движения исполнительных органов.

По способу подготовки и ввода управляющей программы сис­темы ЧПУ как станками, так и роботами делятся на оперативные системы и системы с автономной подготовкой УП.

В первом случае УП готовится и редактируется непосредствен­но на станке или на программируемом роботе в процессе обра­ботки первой детали в партии или имитации ее обработки.

Во втором случае УП готовится независимо от обработки дета­ли или от движений робота, которые должны быть запрограмми-ро ванны.

Системы автоматизации программирования (САП) играют большую роль при разработке программ как для станков с ЧПУ, так и для роботов. При этом требуется, чтобы во время составле­ния УП с помошью подобных систем станок с ЧПУ или робот не отвлекался от своей прямой работы по обработке, загрузке, вы­грузке и транспортировке деталей.

Различные современные САП имеют своей целью существен­но сократить объем исходной информации, необходимой для со­ставления УП. Вся информация, однозначно определяющая опе­рации по обработке детали, содержится в ее рабочем чертеже. Даль­нейшая обработка этой информации и получение данных для со­ставления УП состоит в выпуске различного рода технологичес­кой документации, определяющей маршрутную и операционную технологию, выбор заготовки, схемы базирования и зажима, ин­струментальные наладки и др. Эти сведения при составлении УП тем или иным способом колируются и наносятся на соответству­ющий программоноситель. Но в современных САП решение ряда технологических вопросов заложено в сами эти системы, так что информация, необходимая для составления УП, оказывается близ­кой к данным рабочего чертежа детали, может быть определен­ным образом формализована и записана на специальном проблем­но-ориентированном языке программирования.

За рубежом специальным языком описания программной об­работки деталей на станках с ЧПУ являются так называемые АПТ-образные языки. Подобные языки происходят из базового языка АПТ, по-английски — APT: Auto Programming Tools (Автомати­ческое программирование движения инструмента). Система авто­матического программирования должна включать в себя языко­вые средства описания обработки детали на станке с ЧПУ, про­грамму-транслятор, преобразующую это описание в коды УП, набор инструкций и эксплуатационной документации.

Отечественным аналогом этой системы APT является система ТЕХТРАН (Технологический Транслятор). Базовый ТЕХТРАН представляет собой транслятор с проблемно-ориентированного языка высокого уровня, предназначенного для выполнения рас­четов, описания геометрических объектов и задания технологи­ческих команд. Система ТЕХТРАН обеспечивает слежение за про­цессом вычислений и предусматривает диагностирование ошибок в исходном тексте. Система позволяет программировать движение по любым плоским контурам, состоящим из наборов точек, пря­мых и дуг окружностей. По оси, перпендикулярной плоскости та­кого контура, возможны перемещения типа «точка—точка». Пос­ледовательность подготовки исходного описания движений для последующей трансляции системой ТЕХТРАН такова:

выбирают систему координат и определяют контурные элементы траектории;

выбирают исходную точку для траектории;

определяют последовательность движений;

составляют описание траектории движения на языке ТЕХТ­РАН, а также чередования движения и выдачи технологических команд.

В языке ТЕХТРАН используются следующие типы объектов, описывающих элементы траектории, и их обозначения:

• целые и вещественные числа (ЦЕЛОЕ, ВЕЩ);

• логический переход (ЛОГИЧ);

• точка (ТОЧКА);

• вектор (ВЕКТОР);

• прямая (ПРЯМАЯ);

• окружность (ОКРУЖН);

• плоскость (ПЛОСК);

• матрица (МАТР).

Используются также макроопределения, т. е. типовые безраз­мерные блоки, и описания контура. Имена, начинающиеся с обо­значения ТЧ, описывают точки, начинающиеся с ПР — прямые, а с КР — окружности. Объекты с именем одного типа можно объе­динять в массивы, которые могут быть как одномерными, так и двухмерными.

В языке ТЕХТРАН операндами могут служить формулы, логи­ческие выражения, а также ряд стандартных (например, тригоно­метрических) функций.

В системе предусмотрены различные виды задания точек, пря­мых, окружностей, векторов и массивов, которые выбираются при составлении УП с учетом удобства представления траектории и простановки размеров ее элементов.

Точка может быть представлена ее прямоугольными коорди­натами, пересечением двух ранее определенных прямых, пере­сечением прямой и окружности, пересечением двух окружнос­тей, центром ранее определенной окружности и др. (всего в си­стеме существует 16 способов представления). Прямая может быть представлена двумя парами координат, двумя точками, точкой и касанием с ранее определенной окружностью, касанием с дву­мя ранее определенными окружностями, точкой и углом к; дан­ной прямой и др. (всего 14 способов описания). Вектор можно описать проекциями на оси координат при совпадении его на­чала с началом координат, начальной и конечной точками, па­рами координат начала и конца, суммой двух данных векторов и т.д. {всего 11 способов).

Исходный текст УП на языке ТЕХТРАН содержит также уп­равляющие операторы, операторы постпроцессора и движения.

В системе предусмотрены операторы движения трех типов: «точ­ка — точка», непрерывного и фиктивного.

Изменение порядка выполнения и перекомпоновка програм­мы осуществляются с помошью оператора НАМЕТКУ.

Важнейшим достоинством системы ТЕХТРАН является нали­чие аппарата макроопределений. Это позволяет по мере эксплуа­тации системы и накопления данных по обрабатываемым деталям повышать уровень автоматизации путем включения в систему экс­плуатационниками отработанных макроопределений (блоков) без доработок основного программного обеспечения.

Выше была кратко описана основная версия языка ТЕХТРАН, так называемый базовый ТЕХТРАН. Вместе с тем программиро­вание процессов обработки простых деталей и деталей средней сложности, особенно токарных, сопряжено с относительно боль­шой (часто неоправданной) длительностью составления исход­ного текста и необходимостью детальной проработки технологи­ческой документации. Существенное упрощение этого подгото­вительного этапа может быть достигнуто путем выделения типо­вых конструктивных элементов контура детали или траектории движения исполнительного органа. При использовании группо­вой технологии такая типизация производится заранее, и про­граммы формирования типовых технологических схем обработки или типовых движений исполнительных органов могут быть вклю­чены в систему в качестве функциональных программных блоков. В результате был получен ряд специализированных высокоавто­матизированных САП на основе языка ТЕХТРАН — системы для токарных станков, обрабатывающих центров.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под промышленным роботом?

2. На какие группы делятся промышленные роботы?

3. Как определяется экономическая целесообразность применения промышленных роботов?

4. Как классифицируются комплексы «робот — станок»?

5. Какие функции выполняются роботами различных типов в составе робототехнических систем?

6. На какие разновидности делятся по выполняемым функциям сис­темы управления промышленными роботами?

7. Какие функции решаются с помощью программируемых логичес­ких контроллеров в системах управления промышленными роботами?

8. Какие цели преследуют при создании и применении современных систем автоматизированного программирования?

Лекция 10