5.7. Сборочные центры и роботы с адаптивным управлением

Сборочные операции относятся к наиболее трудоемким и ответственным технологическим операциям. В машиностроении в среднем около 50 % от общей трудоемкости изготовления продукции приходится на сборку. Однако автоматизация сборочных операций развивается очень медленно. Темпы автоматизации сборки существенно отстают от темпов автоматизации других видов работ (механическая обработка, штамповка и т. д.). В различных отраслях отечественного машиностроения уровень автоматизации сборочных операций составляет лишь 5-15 %.

При автоматизации сборочных операций целесообразно использовать машины и роботы с адаптивным управлением, способные автоматически приспосабливаться к неизбежным на практике помехам и изменениям в рабочей зоне. В принципе такие роботы могут собирать изделия из неориентированных деталей, поступающих навалом.

Методы и средства адаптации первоначально нашли применение в "сборочном центре", разработанном в 1960-х годах в Московском станкоинструментальном институте. С помощью датчиков измерялись геометрические параметры сопрягаемой и установочной поверхностей базовой и присоединяемой детали, а также определялось их относительное положение. По этим данным адаптивная система управления изменяла относительное положение деталей до тех пор, пока они не занимали нужное для сборки положение. Для увеличения производительности сборочного центра система управления обеспечивала ускоренный подвод рабочего инструмента с деталью для ее установки на поворотном столе или на базовой детали [1].

Принципы адаптивного управления сборкой находят все более широкое применение в переналаживаемых сборочных автоматах, в высокопроизводительных роторных линиях, а также в сборочных роботах и РТК. Остановимся подробнее на особенностях адаптивного управления сборочными роботами.

Трудности на пути автоматизации сборочных операций с помощью роботов связаны с не технологичностью конструкций многих собираемых изделий, а также с неопределенностью положения и ориентации деталей. Эта неопределенность обусловлена неточностью позиционирования и фиксации деталей, погрешностями их изготовления и т. п. Суммарные погрешности иногда существенно (на порядок и более) превышают допустимую неточность позиционирования детали при сборке. Для сопряжения деталей в этих условиях применяются пассивные и активные средства адаптации.

При пассивной адаптации применяются разного рода центрирующие устройства, вибраторы и другие приспособления. Недостаток средств пассивной адаптации заключается в сложности или невозможности их переналадки на сборку новых изделий. Более гибкими возможностями обладают сборочные манипуляторы, снабженные необходимыми датчиками и адаптивной системой управления. Адаптация робота к неопределенности позиционирования и ориентации деталей имеет активный характер и сводится к коррекции закона управления приводами с учетом информации о силах и моментах, возникающих при взаимодействии собираемых деталей. Обычно силомоментный датчик устанавливается в месте сопряжения захватного механизма робота с манипулятором.

Адаптивная система управления таким роботом с силомоментным очувствлением достаточно сложна. При ее проектировании приходится учитывать не только динамику манипулятора и системы приводов, но и осуществлять сложный пересчет действующих сил и моментов, измеряемых в системе координат захватного механизма, в соответствующие корректирующие воздействия в терминах программных движений или управляющих воздействий на приводы. Реализация такой адаптивной системы управления наталкивается на значительные технические трудности.

Одним из путей упрощения средств адаптивной сборки является размещение силомоментного датчика на основании сборочного стола. В этом случае датчик измеряет возникающие при сборке силы и моменты в неподвижной декартовой системе координат. Полученная информация может использоваться для соответствующей коррекции положения или ориентации деталей. Эта функция возлагается на адаптивный сборочный модуль, который устанавливается либо вместо захватного механизма робота, либо отдельно от него [104]. Особенность системы управления сборочного модуля заключается в том, что наряду с обычной обратной связью по положению здесь используется еще и силовая обратная связь.

Благодаря этому оказывается возможным регулировать усилия и управлять контактными силами без зацикливания собираемых деталей.

Описанный адаптивный сборочный модуль применялся вместе с манипуляционным роботом УЭМ-2 для сборки изделий типа вал-втулка с гарантированным зазором 20 мкм при относительных погрешностях позиционирования около 3 мм. Сборка выполнялась без зацикливаний даже в тех случаях, когда начальное рассогласование в ориентации осей составляло 5°. Эта сравнительно большая угловая погрешность компенсировалась за счет податливости конструкции силомоментного датчика.

Таким образом, адаптивные системы управления с использованием обратных связей по силам и моментам, возникающим при сопряжении деталей, являются эффективным средством прецизионной сборки. Их преимущества особенно ярко проявляются при большой неопределенности относительно положения и ориентации собираемых деталей, когда пассивные средства адаптации теряют работоспособность.

Однако использование силомоментных датчиков не является необходимым условием для осуществления автоматической сборки изделий с помощью роботов. Оказывается, что прецизионная сборка сложных изделий может производиться и с помощью манипуляционных роботов, имеющих только позиционную обратную связь и низкую (по сравнению с необходимой точностью сопряжения деталей) точность позиционирования. Это достигается за счет перехода от обычной позиционной системы управления к принципиально новой адаптивной.

Преимущества и особенности адаптивных систем управления покажем на примере роботизированной системы для много операционной сборки масляного насоса, разработанной в институте прикладной математики им. М. В. Келдыша АН СССР [99]. Система включает два манипулятора УЭМ-2, управляемых от мини-ЭВМ М-6000. Показания потенциометрических датчиков по каждой из шести управляемых координат манипулятора (не считая механизма захвата) вводится в ЭВМ через 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь. ЭВМ с частотой 30 Гц формирует управляющие воздействия на двигатели постоянного тока, которые приводят в движение манипуляторы. Захваты манипуляторов оснащены силовыми датчиками.

Рассмотрим наиболее важные принципы организации адаптивного управления сборочными роботами [99].

Первый принцип заключается в позиционировании деталей по упорам, в роли которых могут выступать и сами сопрягаемые детали. Выход на упор может быть обнаружен на основании показаний датчиков положения звеньев манипуляторов: если показания какого-то датчика "заморозились" в то время, как на соответствующий двигатель было подано определенное управление, это говорит о выходе детали на упор. Одной из главных задач при организации адаптивного управления является обнаружение момента выхода детали на упор.

Второй принцип связан с использованием податливости манипуляторов и механизмов захвата. При этом под податливостью манипулятора понимается его свойство изменять конфигурацию под действием внешних воздействий. Податливость обеспечивает возможность точного позиционирования деталей по упорам при низкой точности позиционирования самого манипулятора.

Третий принцип заключается в компенсации неточностей манипулятора с помощью специальных поисковых движений, представляющих собой колебания захвата с малой амплитудой (около 1-2 см) в окрестности целевой точки. Этот принцип используется, например, при установке вала зубчатого колеса в отверстие основания масляного насоса. Эта операция занимает в среднем 2 с и зависит от погрешности положения отверстия. Зазор между валом колеса и отверстием основания составлял примерно 30 мкм, причем погрешность позиционирования манипуляторов превышала эту величину на два порядка.

Повышение точности и жесткости манипуляторов может резко ускорить сборку. Однако это не всегда оправдано, ввиду того что прецизионные роботы дороги, сложны и ненадежны.

Следующий принцип адаптивного управления сборочными роботами, точность которых существенно меньше необходимой точности сопряжения деталей, заключается в предварительном планировании процесса сборки. С этой целью формируются следующие программные модули [99]:

1. сборки, определяющие последовательность сборочных операций (с учетом реакций на неверно выполненные операции);
2. сборки, определяющие последовательность программных движений манипулятора и условия перехода от одного движения к другому (с учетом неверно отработанных программных движений);
3. движений, указанных в планах сборочных операций.

На основании сформированных планов и программных движений синтезируется цифровой закон адаптивного контурного управления двигателями, использующий обратную связь по положению (с частотой опроса датчиков 30 Гц). По мере реализации этого закона роботы производят сборку данного изделия. Именно так были проведены эксперименты по автоматической сборке масляного насоса, причем общее время сборки составило примерно 4 мин.

Проведенные эксперименты убедительно показали, что использование адаптивной системы контурного управления с предварительным планированием сборочных операций на базе мини-ЭВМ позволяет осуществить много операционную сборку сложных изделий при весьма низкой точности позиционирования манипуляторов и использовании простых приспособлений и инструментов (тисков, гайковертов и т. п.). Это достигается благодаря логическому анализу складывающейся ситуации, гибкому сочетанию сборочных и контрольных операций в зависимости от фактической обстановки и компенсации погрешностей позиционирования за счет поисковых движений. Все это позволяет не только автоматизировать сборку при наличии значительных непредсказуемых погрешностей позиционирования деталей, но и повысить ее качество и надежность. Важно отметить, что этот эффект достигается без применения силомоментных датчиков или систем технического зрения.