Глава II. Системы управления промышленными роботами

Основное назначение системы управления промышленным роботом - формирование логической последовательности его действия и обеспечение автоматической работы рычажного, захватного и других устройств в соответствии с заданной программой, осуществление связи между действиями самого робота и обслуживаемого им оборудования (для обеспечения синхронизации их работы), а также контроль за рабочей зоной робота с целью устранения несчастных случаев. Логическая последовательность определяет порядок осуществления отдельных движений рабочих органов манипулятора и выработки сигналов управления как его подвижными устройствами, так и работающим вместе с ним оборудованием. Она реализуется с помощью электрических реле, электронных схем, элементов пневмоавтоматики и другими средствами.

Как было отмечено выше, применяемые в настоящее время системы управления промышленными роботами можно условно разделить на жесткопрограммируемые (позиционно-цикловые, позиционно-аналоговые, позиционно-числовые), контурные (импульсные и числовые), комбинированные (позиционно-контурные) и управляемые от ЭВМ (микроЭВМ, микропроцессоров).

Большинство современных систем управления промышленными роботами собирается из унифицированных и стандартных элементов, выбираемых в зависимости от назначения и характера выполняемых роботом функций. Системы, обеспечивающие точность - позиционирования 0,1 мм, могут быть также реализованы с помощью регулируемых механических стопорных устройств, способных работать совместно с пневматическими сервомеханизмами. Другая система запоминания координат использует их запись в цифровой форме на магнитном цилиндре или диске, или в аналоговой форме на потенциометрах с ручной регулировкой. Роботам могут задаваться как простые, так и довольно сложные программы с суммарной продолжительностью до 30 мин, используемые в ряде производственных процессов (например, литейных). Ввод программы производится с помощью электрических и пневматических штекерных табло, перфокарт, перфолент, магнитных лепт и т. п.

Программирование часто производится при выполнении в первый раз нового цикла движений рычажно-захватного и других подвижных устройств в режиме ручного управления. Это может быть осуществлено двумя способами: при помощи рычажного устройства, управляющего приводами робота, или проведением вручную рычажно-захватного устройства самого робота в течение цикла (используется преимущественно для роботов, осуществляющих непрерывный процесс, не требующий высокой степени точности, например при окраске методом распыления). При этом запоминающее устройство фиксирует все движения, крайние и промежуточные положения рабочих органов робота, после чего по зафиксированной программе робот действует уже автоматически.

Если программирование производится при выполнении первого рабочего цикла вручную и возникает сомнение в правильности или оптимальности программы, то при использовании, например, магнитной лепты как программоносителя она перематывается и все наблюдаемые отклонения могут быть исправлены наладчиком подачей дополнительных импульсов в электрогидравлический следящий привод робота или путем повторной записи программы. Применение памяти на магнитных носителях целесообразно при использовании программ повышенной продолжительности (до 30 мнп) и для систем управления несколькими роботами.

Программы, вводимые в запоминающее устройство робота, записанные на перфорированных или магнитных лентах, могут содержать значительное количество информации, но при необходимости внесения изменения требуют перезаписи. К другим недостаткам лент относится потеря времени между циклами обработки на их перематывапне.

Для различных видов перемещений рабочих органов используются разные программы. При координатно-точечном программировании предусматриваются строго определенные позиции, в которых рычажно-захватное устройство останавливается па некоторое время, а между ними оно перемещается по любым (кратчайшим) путям. При программировании по заданной плоскости все конечные точки позиционирования располагаются в одной заданной плоскости, например перпендикулярной оси z, и перемещение происходит при изменении координат х и у. При объемном программировании все конечные точки перемещения рычажно-захватного и других подвижных устройств робота располагаются в пределах определенного объема, а при путевом программировании перемещение происходит по достижении определенного объекта, служащего ориентиром. В этом случае робот должен быть снабжен, кроме обычной системы программного управления, дополнительными тактильными и (или) другими зрительными преобразователями, а также соответствующим логическим устройством, обрабатывающим получаемую информацию.

Программирование обычно производится расчетным путем с составлением при этом карт или лент, либо, как указывалось, - в процессе наладки при ручном управлении движениями робота, которые фиксируются в виде программы его последующей автоматической работы. Системы управления состоят обычно из реле, шаговых переключателей, пневмо- и гидроэлементов, а усовершенствованные системы включают в себя более сложные элементы, например микропроцессоры.

В пневматических и гидравлических (или их сочетании) системах управления роботами носителем сигнала является соответственно сжатый воздух или масло. Пневматические и гидравлические системы управления в отличие от электронных не всегда могут применяться для сложных программ с большим количеством логических функций.

Системы управления с жесткой программой предназначены для выполнения повторяющихся операций в неизменной среде, имеют механическую память и задают движения рабочим органам робота в виде последовательности значений требуемых положений. Системы управления на базе ЭВМ осуществляют последовательность выполнения операций по программе, записанной на программоносителях. Изменение программы осуществляется заменой записи на программоносителе. Гибкость и многофункциональность системы управления достигаются самообучением, предусмотренным в программном обеспечении ЭВМ. Системы управления на базе телевизионных камер и ЭВМ, обладающие элементами зрительного восприятия, позволяют изменять структуру алгоритма управления движением рабочих органов робота, составлять новые программы в режиме диалога с оператором, оперативно корректировать и отлаживать готовые программы.

В настоящее время наибольшее распространение получили такие системы автоматического управления роботами, как цикловое программирующее устройство со штекерной панелыо или барабанами с числом программируемых позиций до 20 и чаще всего с электрической или пневматической системой управления и аналоговая система с числом программируемых позиций 50-60 ^*.

^* (См.: Романов К. Ф. и др. Системы управления промышленными роботами. - Механизация и автоматизация производства, 1975, № 4.)

Цикловая программная система обладает широкими возможностями управления простыми и сложными роботами. Промышленные роботы с цикловыми системами управления, выполняющие от 16 до 104 команд, наиболее просты и дешевы, но имеют ограниченные возможности из-за небольшого числа программируемых перемещений, сложпы в наладке. Они применяются при сравнительно простых повторяющихся циклах движений. При цикловом программном управлении последовательность перемещений рабочих органов робота записывается на штекерной панели или барабане и осуществляется включением соответствующих приводов (по времени или по сигналам о выполнении предшествующей операции). У аналоговых систем управления, имеющих такую же область применения, как и цикловые, программа задается и хранится в виде потенциалов, устанавливаемых с помощью потенциометров, количество которых соответствует количеству программируемых шагов, умпожеппых на число управляемых координат. При этой системе управления точность позиционирования зависит также от точности потенциометров и составляет при перемещении па 1000 мм около 2 мм^** (точность повышается при сочетании цифровой системы управления с аналоговым способом движения и применении замкнутых систем с обратной связью по по лож еншо).

^** (Там же.)

Цикловые и аналоговые системы управления достаточно надежны в эксплуатации, обладают возможностью сохранять информацию при выключении питания и низкой стоимостью, но они имеют сравнительно небольшое число команд и не позволяют хранить отработанную программу вне системы управления для ее повторного использования. Цикловые и аналоговые системы применяются преимущественно для управления роботами с одним рычажно-захватным устройством, имеющим до четырех степеней свободы.

При позиционной системе управления роботом фиксация заданных положений его подвижных устройств осуществляется по сигналам преобразователей обратной связи или с помощью регулируемых упоров. В системах позиционного управления при емкости памяти 12-24 шага находят применение релейные схемы с печатным монтажом, при 15-50 шагах (иногда до 300) используются штекерные матричные панели, программы до 200- 300 шагов часто реализуются на магнитных барабанах, а до 1000 шагов - на перфолентах.

При простых электромеханических управляющих системах, применяемых чаще всего для роботов с пневматическим приводом, у которых перемещение осуществляется винтовыми или зубчатыми механизмами, позиционирование производится с помощью упоров. Предусматривается установка амортизаторов и конечных выключателей, обеспечивающих фиксацию рычажно-захватного устройства не только в двух крайних точках, но и в ряде промежуточных положений по каждому направлению его движения. Электромеханические системы управления, имеющие до 50 программных операций, осуществляют только направленное управление.

Позиции определяются механическими регулируемыми упорами, аналоговыми датчиками положения или установкой потенциометров необходимых величин. Ограниченная емкость механической позиционной памяти, имеющейся на каждой оси координат, не позволяет применять такие системы при работе со многими позициями в каждой степени свободы. Последовательность программы определяется изменением положения переключения матрицы, установочных кулачков на шаговых устройствах, синхронизаторов и т. д. У систем управления этого рода программирование производится в два этапа: сначала выбирается последовательность, а затем устанавливаются действительные позиции. Эти системы управления используются для промышленных роботов с электрическим, пневматическим и гидравлическим приводами.

Перемещение рычажно-захватного и других подвижных устройств роботов при контурной системе управления на базе числового программного управления (ЧПУ) может осуществляться по непрерывной сложной траектории.

При импульсной системе заданное движение рабочих органов обеспечивается числом импульсов, считываемых с запоминающего устройства (различного вида). Применение запоминающего устройства, например магнитного барабана в 105 бит, обеспечивает управление более 1000 точками вместо 30-40 точек при использовании потенциометров при ступенчатом управлении.

В системе ЧПУ программа хранится в виде чисел в запоминающем устройстве (в магнитных барабанах, ферритовых матрицах, на интегральных микросхемах). Эта система обеспечивает хранение отработанных программ, программирование без предварительной наладки, смену отработанных программ в процессе производства (при наличии библиотеки программ), возможность движения рабочих органов по сложной траектории (контурное управление)^*. В координатных системах ЧПУ перемещения подвижных устройств робота могут задаваться не только для конечных, но и для некоторых промежуточных положений, при этом время выдержки в каждом положении устанавливается в зависимости от условий выполняемой работы.

^* (Там же.)

Большинство выпускаемых в настоящее время роботов имеет позиционные системы ЧПУ, более дорогие контурные системы используются главным образом у производственных роботов, выполняющих технологические операции, например окраску. При позиционном ЧПУ иногда используются жесткие регулируемые упоры, способствующие повышению точности позиционирования.

По сравнению с цикловой и аналоговой числовая система управления имеет более высокую стоимость. Она может быть универсальной (автономной) со встроенной ЭВМ, связанной с центральной ЭВМ и ЧПУ оборудования. Универсальные автономные системы числового управления применяются для промышленных роботов, обслуживающих технологическое оборудование, могут также использоваться для роботов, обслуживающих станки- автоматы (литейные, кузнечно-прессовые, сварочные, металлорежущие, термические), погрузочно-разгрузочные и другие транспортные и складские работы.

Числовая программная система управления промышленными роботами позволяет при работе в режиме разделения времени управлять несколькими единицами оборудовапия и несколькими роботами. Такие системы упрощают процесс программирования, позволяют осуществить вывод отлаженных программ на перфоленту или другой носитель информации, их можно использовать и при организации участков станков с централизованным управлением.

Системы управления автоматизироваииыми участками из станков с ЧПУ, обслуживаемых промышленными роботами от центральной ЭВМ, не требуют автономной памяти управляющих программ робота - их можно хранить в памяти центральной ЭВМ (при этом спимаются ограничения на длину, сложность и количество программ), можно автоматически выбрать нужную программу, обслуживать одним роботом несколько единиц оборудования по циклам, задаваемым ЭВМ, осуществлять автоматическое программирование действий робота от центральной ЭВМ.

В настоящее время для систем централизованного управления участками станков с ЧПУ с роботами целесообразно использовать универсальные автономные системы числового управления, предусмотрев возможность их связи с центральной ЭВМ для обмена программами и передачи управляющих команд роботам.

Система числового программного управления промышленными роботами со многими степенями свободы, например для робота с пятью степенями свободы, линейной скоростью перемещения до 1 м/с, угловой - до 100°/с, состоит из вычислительной системы, контроллера, периферийного оборудования для ввода-вывода информации, обслуживания и контроля. Вычислительная система содержит оперативное запоминающее устройство (емкость 32 Кбайта, цикл памяти 1 мкс), процессор (длина перерабатываемого слова 16 бит), блоки для выработки элементарных команд управления перемещениями рабочих органов (одни блок на две степени свободы), канал ввода-вывода цифровой информации (в дополнение к каналу процессора), периферийное оборудование (дисплей, перфоратор и считыватель для перфолент, пульт управления). Каждый блок для выработки элементарных команд управления перемещениями включает в себя самостоятельное вычислительное устройство с длиной перерабатываемого слова 24 бита, оперативные запоминающие устройства емкостью 32×24 и 224×24 бита, аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи, интерфейс с каналом процессора. Контроллер робота состоит из цифроаналоговых преобразователей с усилителями, цепи блокировок, коммутаций силовых цепей и пульта ручного управления.

Центральным процессором вычислительной системы определяются координаты точек вывода, алгоритм перемещений рабочих органов и т. п., управляющая информация и полученные данные передаются контроллеру и соответствующим блокам выработки элементарных команд, осуществляющим текущее управление и регулирование перемещениями. Программирование на проблемно ориентированном языке осуществляется с переносного пульта ввода-вывода информации.

Создана система ЧПУ, обеспечивающая работу группы промышленных роботов с устранением их взаимных помех, столкновений и пр.

Практика показывает, что в массовом и крупносерийном производстве промышленные роботы должны оснащаться цикловыми системами программного управления с незначительной универсальностью, в мелкосерийном и индивидуальном - числовыми системами с максимальной универсальностью и переналаживаемостью.

Итальянской фирмой "Фиат" разработана система одновременного и независимого управления мини-ЭВМ группой в 5-6 (до 40) промышленных роботов. Она содержит оперативно-магнитное запоминающее устройство емкостью 32 К 16-разрядпых слов (на 10 тыс. циклов), позволяющее организовать хранение траекторных данных о движении рабочих органов для общего рабочего времени 1000 с и более (до 1000 различных циклов по каждому роботу). Каждый робот может выполнять работу с неподвижными деталями и с движущимися с постоянной и переменной скоростью. Скорость репродуцирования траектории может изменяться с основной панели управления (от -100 до +990% от первоначально записанного при обучении с точностью 10%). Система может принимать сигналы о скорости производственных линий для сипхропизации ее со скоростью репродуцирования траектории. При этом идентификация рабочего цикла каждого робота осуществляется по анализу сигналов с соответствующих производственных линий и оборудования, которое обрабатывает детали. Количество коррелированных входных - выходных сигналов с хранящимися в памяти траекториями составляет до 64, а некоррелированных - более 1000. Мини-ЭВМ работает как контроллер роботов, используя хранящиеся в оперативной памяти данные для воссоздания заранее изученных траекторий. Скорость репродуцирования первоначального цикла, записанного в память, может плавно меняться в широком диапазоне и зависит от скорости подачи обрабатываемых деталей.

Комбинированные системы управления часто используются при необходимости быстрого подвода рабочих органов робота в заданную позицию (с помощью позиционного программного управления) с последующим следованием по определенной траектории (например, для сборочных работ, дуговой сварки и т. п.).

При зажатии захватным устройством робота деталей усилие захвата должно быть таким, чтобы зажимаемая деталь не была повреждена и не выскользнула из захвата под действием силы тяжести. Непропорциональный характер зависимости между минимально потребным усилием для удержания изделия и его массой вызывает необходимость создания системы контроля усилия захвата с нелинейным законом управления. Для этого используются преобразователи, устанавливаемые на захватном устройстве, сигнализирующие о начале проскальзывания, массе изделия, усилии захвата, касании и виде материала (например, цветовые). Подъем изделия захватом начинается с небольшой скоростью с одновременным возрастанием усилия захвата по линейному закону. Постепенно сила трения уравновешивает массу изделия, и тогда управление переключается на заранее запрограммированный нелинейный закон, полученный экспериментальным путем для каждого вида материала.

Управление ускорением и силами, возникающими при захвате, подъеме и движении рабочих органов робота, особенно важное значение имеет при обработке хрупких изделий. В системах управления предусматриваются программы различных скоростей и ускорений, которые (как и замедление после перемещения подвижных органов на определенные расстояния) могут меняться в пределах заранее заданных оптимальных значений. К такой системе управления относится, например, система, разработанная шведской фирмой "Ретаб" для промышленного робота с семью степенями свободы на программу в 1500 точек (при трехосевой системе координат). Она представляет собой электронное устройство циклового и числового программного управлепия гидро- или электроприводами. Программы хранятся на магнитных лентах, полупроводниковых твердотельных элементах, а модульная конструкция управления позволяет при необходимости увеличить количество управляемых функций.

В измерительном устройстве системы используются ротационные или линейные шифраторы дифференциального типа, дающие большое количество импульсов для определенного движения, что позволяет несколько сократить доводочные работы (например, после монтажа, остановки на профилактику, ремонта робота и т. п.), поскольку для работы по заданной программе робот можно отладить при одном цикле движений к относительной точке отсчета, запоминаемом специальными счетчиками. Поэтому в дифференцированных системах должна предусматриваться относительная точка отсчета, устанавливаемая при помощи контрольно-измерительных приборов, которые можно расположить, например, на оборудовании, обслуживаемом роботом.

Устройство для управления манипулятором, действующее от усилий, развиваемых пальцем оператора, имеет перчатку, внутри указательного пальца которой смонтирован эластичный преобразователь. С помощью двух совместно действующих схем управления преобразователь передает все движения по соответствующим направлениям, его сигналы проходят по схемам последовательно через приемные усилители, исполнительные и приводные устройства. Предусмотрены также обратная связь и соответствующие суммирующие приборы. Такие устройства рекомендуются использовать для манипуляторов с захватами клещевого и шарнирного типа с электрическим и электропневматическим управлением.

Промышленный робот (ФРГ), используемый для не разрушающего метода контроля дисков автомобильных колес рентгеновскими лучами, имеет систему управления на базе потенциометрических преобразователей положения. Грузоподъемность робота до 40 кг, точность позиционирования ±1 мм, его рычажно-захватное устройство способно совершать горизонтальное и вертикальное возвратно-поступательное движения и вращательное движение вокруг горизонтальной оси на 360°. Робот устанавливает контролируемый диск в поток рентгеновских лучей и по заданной программе перемещает его в различные положения. Оператор может перевести управление на любую имеющуюся подпрограмму. Время переналадки робота при смене типа контролируемых дисков составляет 10-15 мин.

Стационарный напольный робот аналогичного типа с такой же системой управления грузоподъемностью до 12 кг, точностью позиционирования ±1 мм, с рычажнозахватным устройством o с вакуумными присосками, совершающими горизонтальное и вертикальное возвратно-поступательное движения по 1600 мм и циклом 20 с используется в автоматической линии для производства электронно-лучевых трубок цветных телевизоров. Робот захватывает экран массой 12 кг и опускает его в установку для напыления. После покрытия экрана робот извлекает его и устанавливает на автоматическую линию для дальнейшей обработки.

Робот примерно такой же конструкции грузоподъемностью 20 кг и циклом 8 с снимает с подвесного конвейера, имеющего максимальную скорость 12 м/мин, кинескоп габаритными размерами 400×400×400 мм и опускает его в ванну.