Промышленные роботы

  Наиболее  старыми  устройствами  циклового  программного  управления являются устройства с распределительным  валом и с кулачками  на нем. Распределительный вал с кулачками  вращается, при этом перемещаются толкатели. Толкатели, в свою очередь, воздействуют на электрические  переключатели, или  пневмоклапаны,  которые  сначала  включают, а затем выключают двигатели  приводов.  

  Устройства  управления  с  распределительным  валом  просты  и  на- дежны, но замена программы требует перестановки кулачков, что доста- точно сложно. Кроме того, устройство управления громоздко и имеет ог- раниченные возможности по числу команд (паре команд на один привод  соответствует  один кулачок) и по числу этапов в  цикле (циклу соответст- вует один оборот вала). Поэтому для перепрограммируемых  систем по- добные устройства практически  непригодны.  Близкие идеи заложены в конструкции устройств управления в виде  программаторов с кулачковыми  барабанами (они называются также  командоаппаратами). Вместо кулачков на распределительный вал насажен цилиндрический барабан с прямоугольной сеткой радиальных отверстий.  В любое отверстие можно вставить  штекер  со  специально  профилированной гладкой головкой,  которая представляет  собой  кулачок,  выступающий над гладкой поверхностью барабана. Параллельно оси над барабаном жестко крепится линейка с переключателями на таком расстоянии,  чтобы приходящиеся против них кулачки (головки штекеров) нажимали  на штыри переключателей. Развернутую перфорированную поверхность  барабана можно представить состоящей из дорожек (каждая из них приходится против своего переключателя) и строк (параллельных оси барабана).  Последовательные  строки  соответствуют  последовательным  эта- пам цикла: в какие отверстия будут вставлены штекеры, такие команды  будут выполняться на данном этапе. В той же строке штекерами также набираются условия, при которых могут выполняться команды. Повороты  вала  осуществляются  прерывисто,  привод  шаговый  или  храповой.  Программаторы с кулачковыми барабанами до сих пор широко исполь- зуются  в  различном  оборудовании.  Они  надежны,  имеют  значительно  меньшие  массы  и  габаритные  размеры,  чем  устройства  с  распредели- тельным валом. Типовые командоаппараты  имеют  габаритные размеры   около 400 мм, общее число команд и условий их выполнения – около 40,  число этапов цикла – около 50. 

  Основными  достоинствами  программаторов  с  кулачковыми  ба- рабанами являются относительная простота перепрограммирования, про- стота контроля набора. Перепрограммирование осуществляется переста- новкой штекеров в соответствии с заданной таблицей. 

  Рассмотрим  устройства циклового программного управления со статическим вводом программ. Исторически первыми являются программаторы  со  штекерной  панелью,  они  применяются  и  в  настоящее  время.  Штекерная панель является программоносителем. На поверхности  панели имеется прямоугольная сетка  отверстий, строки соответствуют командам, столбцы – номерам этапов. Программирование осуществляется штекерами, которые  вставляются в отверстия так  же, как при использовании  программаторов  с  барабанами:  для  выбранного столбца (номера этапа)  штекер  вставляется  в отверстие  в  строке,  соответствующей  требуемой  команде. Допускается  выполнение на каждом этапе нескольких команд  (совмещение движений). Роль штекеров сводится к тому, что в  гнездах  они создают электрическое  соединение цепей. Возможности штекерных  панелей примерно те же, что и  программаторов с барабанами (несколько  десятков этапов в цикле). Важным достоинством штекерной панели является максимальная наглядность набора: полностью видна вся программа.  Однако штекерные панели громоздки;  механический контакт,  создаваемый штекерами, нередко недостаточно надежен. 

  Большинство  современных  устройств  циклового  программного  управления  представляют  собой  программируемые  контроллеры.  Про- грамма записывается на определенном машинном языке подобно тому,  как это делается при программировании для ЭВМ. Однако для циклового  управления  языки  выбираются  очень  простыми.  Обычно  программа  строится по кадрам, причем каждый кадр соответствует этапу. На обычном  языке содержание кадра записывается следующим образом:  номер  кадра, проверка наличия сигналов во входных  цепях с заданными номерами (сигналов датчиков), при наличии этих сигналов задается команда  на выполнение движения с требуемым номером. Программа  может быть  введена  в  устройство  управления  с  клавиатуры  пульта.  В  устройстве  управления программа  запоминается в электронной (интегральной) памя- ти. При ручном вводе программы  с пульта содержание кадра в виде ал- фавитно-цифровой записи  воспроизводится  на  специальном индикатор-ном  устройстве или дисплее. После того как вся программа введена, для  контроля можно выводить на дисплей  любой кадр по набранному номе- ру. Обнаруженые  ошибки легко исправить. 

  Преимущества  программируемых  контроллеров  хорошо  известны.  Практически  отсутствуют ограничения по числу  команд и по числу этапов.  Программы  можно  хранить  на  различных  носителях.  Они  могут  быть сложными и предусматривать выбор между  различными решениями, что необходимо при реализации адаптивных систем. Масса и габаритные размеры малы. Однако не всегда достаточно велика надежность  устройств управления. 

  Способ  программирования,  при  котором  непосредственно  задается  последовательность движений, не является единственным. Когда  в основу  устройства управления  кладется  универсальная микроЭВМ,  ее  про- граммирование осуществляется на универсальном языке, не связанном  с  представлением об управлении движением. 

  Как отмечалось, точки, в которых должны останавливаться подвижные части, задаются  на самом оборудовании. При использовании пневмопривода  позиционирование осуществляется по упорам, которые могут  перезакрепляться в разных положениях. Чтобы исключить  жесткие удары, вместе с упорами  устанавливаются демпферы. Для других типов приводов при подходе к  заданному конечному положению  двигатель необходимо отключать  при помощи путевых выключателей. Как правило используются  обычные  электроконтактные микропереключатели. Микропереключатель устанавливается неподвижно, он срабатывает от кулачка,  который может закрепляться на подвижной части в различных положениях. Если на разных этапах цикла требуется останавливать подвижную  часть в различных положениях, устанавливают несколько кулачков при  одном переключателе (при этом, однако, точки остановки не могут быть  на малом расстоянии) или предусматривают несколько пар «переключатель–кулачок» (они устанавливаются по параллельным линиям). Для повышения точности остановки в конечном положении целесообразно перед остановкой переходить на уменьшенную – «ползучую» скорость. С  этой целью усложняется способ остановки при том же кулачке (при срабатывании микропереключателя происходит переход на «ползучую» скорость,  а  при  его отключении  после прохождения  кулачка – остановка)  или устанавливается кулачок сложного профиля, который дает два включения перед остановкой. Повышение надежности может быть достигнуто  при установке путевых переключателей другого типа. В роботах с цикловым управлением широко используются в качестве датчиков герметические магнитоуправляемые контакты (герконы). Герметические контакты  в запаянной стеклянной колбе замыкаются при приближении на опреде- ленное расстояние магнита или электромагнита,  закрепленного на  под-вижной части. Точность герконовых  датчиков  не очень  велика, однако  они выдерживают без отказов значительно большее число включений и  выключений,  чем  обычные  микропереключатели.  Используются  также  индуктивные (трансформаторные) и генераторные датчики. Их высокая  надежность определяется тем, что они являются бесконтактными.   
 

       1.4.2   Позиционное и контурное программное  управление. 

  Для позиционного и контурного управления общим является то, что для выполнения  движений необходимо запоминать большое  число точек для каждой степени  подвижности. Нет никакой возможности  задавать эти точки на манипуляторе, поэтому отличительной особенностью устройств управления  в этих случаях является то, что программируется  вся информация о движениях, которые  необходимо совершать, а именно: последовательность  движений, условия выполнения движений и значения перемещений или  углов  поворота. Для контурного управления программируется также скорость  перемещения.  Как  отмечалось  ранее,  программирование  может  быть  аналитическим, а  может  осуществляться  методом  обучения.  Рассмотрим сначала аналитическое  программирование. 

  В  настоящее  время,  подавляющее  большинство  систем  позици- онного и контурного управления представляют собой системы числового  программного  управления (ЧПУ).  Для  промышленных  роботов  харак- терны системы ЧПУ трех типов:

  1) HNC (с ручным заданием программ  с пульта управления; они называются  также оперативными системами   управления);

  2) DNC (имеющая память для хранения  всей программы); 

  3) CNC (автономная система, построенная  на микроЭВМ).

  Принципы  и технические средства ЧПУ были разработаны применительно к  станкам;  распространение их на промышленные роботы позволяет унифицировать  устройства управления для роботизированных технологических комплексов. 

  Рассмотрим  устройство  управления,  вырабатывающее  сигналы  на  приводы, не затрагивая пока вопросов исполнения программ. Исходной  является алфавитно-цифровая запись управляющих  программ. Программирование  осуществляется  по  адресному  принципу,  по  кадрам.  Адрес  (как правило, буквенный) указывает, к какому приводу (или  к какой степени подвижности) относится команда. После адреса записывается число, которое показывает, на сколько или в какую точку  должно произойти  перемещение.  Большинство  систем  ЧПУ  допускает  программирование  как в абсолютных  координатах (числа в программе  задают координаты  точки в базовой  системе координат), так и в  приращениях (числа показывают перемещения от исходного положения). Числа дают значения координат или перемещений в дискретах, обычно в микрометрах. Обозначения адресов (букв) указываются в специальных таблицах, но приняты  меры, чтобы эти обозначения были привычными. Так, буква N означает  номер кадра (после нее пишется значение номера – обычно трехзначное число), буквы X, У и Z – команды перемещений по одноименным осям,  знаки «+» и «–» сохраняют свой смысл («плюс» и «минус»). На основе  этих сведений можно читать отдельные фрагменты программ. 

  Адресом F задается скорость перемещения (скорость подачи). Пре- дусматриваются специальные  режимы интерполяции. Так, если адресом  задан  режим  линейной  интерполяции, заданы координаты  начальной и  конечной точек, то рабочий орган  будет двигаться между этими  точками  по прямой с постоянной скоростью, заданной адресом F. При этом приводы по степеням подвижности  будут работать согласованно. Системы  с  ЧПУ  допускают  также круговую интерполяцию (по  окружности). Возможность  работы в режимах интерполяции —  характерная особенность  контурного управления. Система выбора адресов  и составления программ  стандартизована,  но  для  конкретных  моделей  оборудования  имеются  свои особенности. 

  Для упрощения программирования используются различные способы.  В  частности,  для  часто повторяющихся  комбинаций движений  со- ставляются  типовые  подпрограммы,  реализующие  так  называемые  по- стоянные циклы. При  наборе, просмотре и отладке может  быть осущест- влено оперативное  редактирование (исправление)  программ,  а  именно:  вставка новых кадров, пропуск части кадров, введение в  кадры дополни- тельных команд, изменение (коррекция) значений перемещений. Все  со- временные  системы  ЧПУ имеют  разветвленные системы контроля, при  появлении отказов система  автоматической диагностики выявляет, по ка- ким причинам произошел этот отказ. Массы и габаритные размеры  уст- ройств ЧПУ пока еще велики, но они уменьшаются от поколения  к поко- лению. Стоимость систем ЧПУ  достаточно высокая, поэтому оборудованы  ими чаще всего технологические  роботы с контурным управлением. 

  Существенную  специфику программирование имеет  в тех случаях,  когда  оно  осуществляется  методом  обучения.  При  этом  аналитически  программируются только подготовительные операции. Во время обучения (когда оператор перемещает рабочий орган вручную) автоматически  вводятся в память устройства управления значения координат через равные интервалы времени (обычно через 0,1 с). Эти значения получаются  из сигналов датчиков перемещений или углов поворота приводов мани- пулятора. Для окрасочных роботов время записи и воспроизведения про- граммы составляет  обычно  несколько десятков или сотен секунд. Если  важна плавность движения (как при шовной сварке, резке и окраске), то  при воспроизведении осуществляется интерполяция по точкам; в случае  необходимости скорость движения по траектории может быть вручную с  пульта  увеличена  или уменьшена  в  пределах ±20 %. Когда  плавности  движений не требуется и движение должно осуществляться с остановками (как при точечной сварке), интерполяция не производится и система работает как позиционная.