Глава 2. Гибкое программирование РТК

2.1. Принципы и средства гибкого программирования

Цель управления РТК заключается в выполнении заданного технологического процесса. Для достижения этой цели система управления РТК конструируется таким образом, чтобы она могла, во-первых, построить программные движения (ПД) исполнительных механизмов роботов и технологического оборудования и, во-вторых, выработать управляющие воздействия на приводы РТК, обеспечивающие фактическую отработку синтезированных ПД с требуемой точностью в изменяющихся производственных условиях.

Алгоритмической моделью целенаправленного функционирования РТК при таком подходе служат ПД всех роботов и оборудования, входящих в его состав. Эти ПД представляют собой закон изменения во времени управляемых координат исполнительных механизмов РТК, отвечающий идеальному (эталонному) выполнению заданного технологического процесса.

На практике ПД формируются либо с помощью человека-оператора, либо автоматически с помощью ЭВМ. В первом случае человек, управляя роботом и технологическим оборудованием, выполняет требуемую технологическую операцию, а соответствующее ПД как эталонное заносится в память системы управления. Этот режим работы по существу представляет собой процесс ручного программирования (обучения) РТК. Во втором случае речь идет об автоматическом программировании (самопрограммировании) ПД РТК по заданному технологическому процессу с учетом имеющихся ограничений. Организация режима автоматического программирования РТК требует прежде всего разработки соответствующих алгоритмов, которые должны быть программно реализованы в управляющей ЭВМ.

Для адаптивных РТК и ГАП основной интерес представляет режим автоматического программирования. Что же касается ручного программирования РТК, то этот режим может рассматриваться (и предусматриваться) лишь как резервный, используемый, например, в аварийных ситуациях или при радикальном изменении технологии производства. К тому же режиму ручного программирования РТК для ГАП присущ ряд недостатков. Среди них отметим следующие. Во-первых, процесс обучения РТК предполагает участие человека-оператора или группы людей, что недопустимо в условиях ГАП. Во-вторых, этот процесс длителен и трудоемок и требует высокой квалификации операторов. В-третьих, ПД, формируемые в процессе обучения РТК, имеют жесткий характер, поэтому они не могут быть оперативно скорректированы в условиях промышленной эксплуатации РТК, которые обычно сильно отличаются от идеальных условий режима обучения. Перечисленные недостатки усугубляются, если РТК приходится функционировать в частично неопределенной или непредсказуемо изменяющейся обстановке. В этом случае заранее сформулированное жесткое ПД часто приводит к сбоям и может оказаться совершенно неприемлемым.

Таким образом, в условиях ГАП возникает необходимость в разработке алгоритмического обеспечения для автоматического программирования движений исполнительных механизмов РТК с помощью управляющей ЭВМ. При этом оказывается возможным оперативно учитывать текущую информацию об изменениях производственной обстановки и соответствующим образом корректировать ПД. Отсюда следует, что методы автоматического программирования движений РТК обладают определенной гибкостью и могут быть адаптивными, поэтому эти методы и реализующие их алгоритмы находят широкое применение в адаптивных РТК для ГАП.

Совокупность методов и средств автоматического построения ПД в изменяющихся условиях ГАП будем называть гибким программированием РТК. Методы гибкого программирования движений роботов и технологического оборудования, входящих в состав РТК, можно разделить на две группы:

1. методы алгоритмического синтеза технологически приемлемых ПД;
2. методы алгоритмического синтеза оптимальных ПД.

Методы первой группы обеспечивают автоматическое программирование РТК по заданному технологическому процессу, алгоритмическая модель которого обычно заранее формируется автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП) в соответствии с производственной программой ГАП. При этом ПД должны удовлетворять ряду естественных требований и ограничений.

Главное требование, которое предъявляется к синтезируемым ПД, - это их соответствие технологическому процессу. Весьма важным является также требование реальной осуществимости ПД на том конкретном оборудовании, которое входит в состав данного РТК. Для удовлетворения этого требования необходимо учитывать особенности кинематики и динамики исполнительных приводов и механизмов, а также имеющиеся конструктивные ограничения.

В действительности обычно существует большое многообразие ПД, удовлетворяющих сформированным требованиям, поэтому целесообразно сразу же выбрать среди множества технологически приемлемых ПД наилучшие. Теоретической основой такого выбора является принцип оптимальности. Согласно этому принципу сначала выбирается критерий, характеризующий качество ПД, а затем строится оптимальное (по отношению к заданному критерию) ПД. Методы программирования, базирующиеся на принципе оптимальности ПД, составляют вторую группу методов гибкого программирования РТК.

Рассмотрим особенности гибкого программирования движений технологического оборудования РТК. Для определенности ограничимся вопросами автоматического программирования движений металлорежущих станков.

До последнего времени традиционным исходным документом для изготовления изделий на станках служил чертеж, на котором указывались необходимые геометрические и технологические данные (геометрические размеры изделия, требуемая точность и чистота обработки и т. п.). Такой документ рассчитан на человека-станочника и не может быть непосредственно использован для автоматизации программирования станка. Поэтому в соответствии с принципом безбумажной информатики нужно прежде всего записать всю исходную информацию о технологии обработки на магнитный носитель (перфоленту, магнитную ленту и т. п.) или в автоматизированный банк данных (АБД).

На втором этапе с помощью АСТПП решается комплекс вопросов, связанных с выбором материала, из которого должно быть изготовлено изделие, размеров заготовки, типа инструмента, характера обработки (черновая или чистовая) и т. п. Технологическая стадия программирования станков заканчивается составлением алгоритмической модели чертежа, которая заносится в АБД. Обычно в такой модели непрерывные контуры изделия аппроксимируются отрезками прямых и дуг окружностей, причем все размеры указываются в базовой системе координат, связанной со шпинделем.

На третьем этапе осуществляется собственно программирование движений исполнительных механизмов станка с учетом геометрических и технологических данных об изделии, хранящихся в АБД в виде алгоритмической модели его чертежа. В результате автоматически формируется ПД, определяющее требуемый закон перемещения инструмента и исполнительных механизмов станка. По ПД синтезируется (обычно в аналитической форме) закон управления, регулирующий подачу и другие управляющие переменные.

Методы автоматического программирования станков существенно зависят от их назначения и конструкционных особенностей. При алгоритмическом синтезе ПД для фрезерных станков специфические осложнения связаны с необходимостью предварительного построения эквидистанты контура изделия, т. е. кривой, равноотстоящей от этого контура на величину радиуса фрезы. Для изделий сложной конфигурации задача аналитического описания эквидистанты для последующего синтеза ПД фрезы далеко не тривиальна.

В общем случае проблема автоматического программирования и оптимизации движений инструмента и исполнительных механизмов станков настолько сложна и трудоемка, что ее решение немыслимо без использования ЭВМ и специальных языков программирования. Еще сложнее дело обстоит при алгоритмическом синтезе и оптимизации ПД манипуляционных и транспортных роботов.