Автор: Алексеев А.П. Богатырев А.Н. Серенко В.А.
Теги: кибернетика робототехника
ISBN: 5-09-003282-3
Год: 1993
Текст
А.П.Алексеев А.Н.Богатырев В.А.Серенко РОБОТОТЕХНИКА
А.П.Алексеев А.Н.Богатырев В.А.Серенко
А.П.Алексеев
А.Н.Богатырев
В.А.Серенко
РОБОТО-
ТЕХНИКА
Учебное пособие для 8—9 классов средней школы
Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1993
Scan AAW
ББК 32.816я72 А47
Рецензенты:
директор московской городской физико-математической школы № 1180 Ю. Л. Беляев; доктор технических наук А. С. Ющенко
! — правила безопасной работы ?! — вопросы-задания
~ практическое задание
Алексеев А. П. и др
А47 Робототехника: Учеб, пособие для 8—9 кл. сред, шк. /А. П. Алексеев, А. Н. Богатырев, В. А. Серенко.— М.: Просвещение, 1993.— 160 с.: ил.— ISBN 5-09-003282-3.
Пособие содержит сведения о современном роботизированном производстве, дает возможность сконструировать простейший учебный робот и освоить приемы работы на нем.
Книга будет полезна для всех категорий читателей, занимающихся техническим творчеством.
А «06022000-201 инф письм(> _ ББК 32.816я72
103(03)- 93
© Алексеев А. П„ Богатырев А. Н„
ISBN 5-09-003282-3 Серенко В. А.. 1993
ПРЕДИСЛОВИЕ
Роботы являются наиболее сложными, универсальными и перспективными машинами конца нашего века. Начавшиеся в конце 50-х годов исследования в области их разработки и использования привели к созданию большого числа разнообразных конструкций, пользующихся широким спросом в различных сферах человеческой деятельности. Робототехнические системы широко используются в машиностроении для автоматизации механической обработки деталей, кузнечно-прессового, литейного и сварочного производств, загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, а также для выполнения сложных технологических операций: сборки, зачистки, нанесения покрытий. Но сфера применения робототехники значительно шире заводских цехов и проникает в немашиностроительные отрасли промышленности, в том числе в отрасли с экстремальными условиями работы, когда человек подвергается вредным для здоровья воздействиям, существует опасность взрыва или появления сильной радиации, загазованности и т. п. Сюда относятся работы на рудниках, в горячих заводских цехах, под водой, с радиоактивными веществами и взрывоопасными предметами.
Знакомству с удивительным миром роботов посвящен курс «Робототехника». Полученные знания помогут вам лучше ориентироваться в мире современной техники, а может быть, и выбрать роботостроение своей будущей специальностью. Сведения о робототехнических системах различного назначения, простейших устройствах, отдельных элементах и узлах роботов расширят ваши представления об автоматизации производства. На практических занятиях вы сможете самостоятельно собрать из довольно распространенных деталей вполне «разумную» машину — учебный робот.
Знания по расчету, конструированию и эксплуатации механических и электронных устройств будут полезны для будущих инженеров-механиков и роботостроителей.
Даже если ваша будущая профессия будет далека от робототехники, то полученные знания не пропадут даром. Будучи свидетелями научно-технического прогресса, вы сможете по достоинству оценить одно из важнейших достижений в области автоматизации — создание и совершенствование робототехнических устройств.
г
з
возможности РОБОТОТЕХНИКИ
ФАНТАСТИКА ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ
Человеческое воображение уже в глубокой древности создавало различные «умные» устройства, успешно действующие в сказках, народном эпосе и в жизни.
Великий Гомер так описал в «Илиаде» золотых человекоподобных помощниц бога-кузнеца Гефеста:
«...Вышел хромая; прислужницы, под руки взявши владыку, Шли золотые, живым подобные девам прекрасным, Кои исполнены разумом, силу имеют и голос, И которых бессмертные знанию дел изучили.
Сборку владыки они поспешали...»
(Перевод Н. Гнедича)
Леонардо да Винчи сумел построить механический автомат в виде льва. Герои Александрийский описал в своем «Трактате о пневматике» различные движущиеся фигуры и механических птиц.
Предтечей современных роботов явились занимательные деревянные и металлические куклы: художники, танцоры, пианисты и др. В XVIII в. на выставке в Париже швейцарские часовщики отец и сын Дро продемонстрировали трех кукол-автоматов: писец умел писать ряд слов, музыкантша играла на клавесине, раскланивалась перед публикой, художник умел рисовать пейзажи. Не менее сложные и занимательные фигурки в часовых механизмах И. П. Кулибина разыгрывали целые сценки. Сегодня роботы — постоянные действующие лица фантастических фильмов (рис. 1).
Однако механические игрушки, хотя и вызывали восторг зрителей, имели очень ограниченный диапазон выполняемых действий и, конечно, не вполне соответствовали мечтам человека. Основной задачей всегда оставалась проблема создания автомата, который мог бы, заменяя человека, самостоятельно принимать решения. Такой сферой наглядной демонстрации «умственных» способностей машины оказались шахматы.
История сохранила немало интересных случаев, связанных с демонстрацией шахматных автоматов. Одной из самых длительно существовавших мистификаций подобного рода являлся автомат венгерского механика Ф. Кемпелена, придворного советника австрийской императрицы Марии-Терезии. Его «шахматист», представлявший собой одетого в турецкий наряд игрока, сидящего за шахматной доской, был продемонстрирован при дворе
правителей России, Германии, Франции и побеждал даже очень сильных игроков. Из 300 сыгранных партий он проиграл всего шесть. Слава робота-шахматиста держалась на тщательно скрываемой тайне: внутри ящика с шахматной доской находился живой человек, замаскированный системой зеркал и перегородок. Обычно на эту роль приглашали крупнейших шахматистов Австрии. Сложная механическая система обеспечивала передачу сигналов о движении шахматных фигур спрятанному шахматисту, который посредством рычагов и передач приводил в движение шахматиста-турка. Секрет автомата, построенного в 1769 г., был раскрыт лишь в 1834 г. Этот автомат был чрезвычайно хорош и интересен с точки зрения конструктивных решений.
И сегодня создание «шахматного интеллекта» остается злободневной проблемой. Во многих странах мира проводятся чемпионаты для компьютеров, играющих в шахматы.
Робототехнические устройства используют там, где труд человека опасен и труден, где требуется высокая производительность и ритмичность, и в самых различных неожиданных сферах. Они управляют игрой света в театрах.по специальной программе, записанной на магнитной ленте; их внедряют в сферу исследования спортивного снаряжения, например для разработки рекомендации по технике нанесения ударов теннисной ракеткой по мячу; их используют для составления портрета при розыске преступника и т. д.
Не нужно забывать, что роботы призваны служить человеку, поэтому естественным желанием является возложить на них и такие домашние работы, как стирка, уборка, глажение, мытье окон и т. п. Различные предприятия уже разрабатывают бытовые робототехнические устройства. Среди них автоматические стиральные машины с набором программ и машины для мытья и сушки посуды, автоматические кухонные плиты для приготовления пищи. Некоторые ученые считают, что домашний робот будет похож на ящик с одним глазом, двумя метровыми механическими руками и парой лап с обеих сторон для передвижения. Он будет оснащен мини-ЭВМ для управления движениями робота в соответствии с реакцией его органов чувств, например на закрытую дверь, неровности пола, форму ножей, вилок, тарелок, чистоту белья. Некоторые специалисты считают, что домашний робот будет
больше похож на суставчатую змею, чем на ящик. Он сможет двигаться по комнатам без особого шума, забираться в щели, лазить по стульям, диванам и даже полкам, убирая пыль и грязь.
К робототехническим устройствам относят такое большое количество разнообразных средств автоматизации, что трудно составить их полную классификацию. Помимо бытовых устройств есть, например, группа информационных роботов типа луноходов, искусственных спутников Земли и Луны и диагностических средств, позволяющих следить за правильной работой оборудования или аппаратуры.
Но наиболее распространены в настоящее время промышленные роботы. Они обслуживают станки и прессы, выполняют операции установки и съема заготовок и деталей. Роботизированные производства очень сложны. Синхронность работы всех машин-станков, роботов, подающих конвейеров, измерительных и испытательных стендов со временем может нарушиться. Наладчикам и операторам придется искать причину возникшего брака. В этом им помогут информационные диагностические роботы, способные обнаружить как выход из строя электрических реле, поломку механических элементов, так и повышение температуры в подшипниковом узле и т. п. Информация робота может быть адресована как человеку, осуществляющему контроль, обслуживание и ремонт станков и промышленных роботов, так и роботу-ремонтнику.
Промышленные роботы используют в машино- и приборостроении, в горнодобывающей и лесной промышленности, при производстве тракторов, часов, автомобилей. Они выполняют подъемнотранспортные операции, складирование, загрузку и разгрузку стеллажей, складов и инструментальных магазинов станков, установку заготовок на оборудование и съем готовой продукции. Подобные операции называют вспомогательными, так как они непосредственно не связаны с процессом обработки заготовок. Их общим признаком является перемещение объекта обработки или детали. Для того чтобы самостоятельно участвовать в производственном процессе, промышленный робот должен быть основной технологической машиной — автоматом, выполняющим сварку, сборку, покраску и т. п., не теряя при этом универсальности и не сужая диапазона действий до обычного автомата.
? ! 1. Каковы истоки робототехники?
2. В каких областях производства могут использоваться роботы?
ФОРМА И СОДЕРЖАНИЕ
Характер деятельности человека служит основой при проектировании конструкций роботов, и часто сходство робота с человеком ограничивается наличием «руки».
Конструкция робота определяется его назначением, средой, в которой он работает, необходимостью контакта с человеком. Роботы, используемые под водой, имеют обтекаемую форму, а роботы, предназначенные для работы в атомной промышленности, скорее похожи на танки, снабженные свинцовой защитой. При выполнении многих работ роботу необязательно иметь две руки: можно обходиться одной, когда основная задача — взять и подать. Иногда и трех может не хватить, особенно при ремонте бытовой техники или автомобиля. Например, для установки переднего колеса велосипеда в вилку руля нужно придерживать велосипед и закреплять на вилке одновременно две гайки ступицы переднего колеса. При затягивании гаек колесо необходимо вращать, обеспечивая его симметричное положение в вилке. Человек за счет возможностей рук и тела, их подвижности, иногда даже помогая себе ногами, сохраняет равновесие велосипеда и, затягивая гайки, проверяет биение колеса. Чтобы один робот мог выполнить подобные действия, т. е. заменить человека на этой операции, требуется наделить его тремя руками, не говоря уже о зрении и осязании, или построить операцию на иных принципах.
Трудно представить, чтобы в промышленности применялись человекообразные роботы и по цехам вместо робокаров — автоматических тележек с заготовками — двигались человекообразные монстры с подносами или ящиками, наполненными деталями. В этом случае придется решать проблему сохранения равновесия робота, целесообразности всей верхней половины его туловища.
Робот — это машина, предназначенная для воспроизведения физических и интеллектуальных функций человека и способная адаптироваться к реальным условиям окружающей среды и само-обучаться. Такое широкое понимание робота значительно сужается при рассмотрении промышленных роботов (ПР). Для этих автоматов характерно наличие исполнительного устройства в виде механической руки-манипулятора, имеющего возможность осуществлять перемещения объектов в различных направлениях, переналаживаемого с помощью устройства программного управления. Управляющая программа робота может заменяться оператором либо автоматически. Промышленный робот может быть выполнен стационарным или подвижным, когда надо обслужить несколько единиц технологического оборудования.
На рисунке 2 приведена схема компоновки промышленного робота, общая для этого класса машин. Несмотря на одинаковую структуру, роботы различаются по назначению. Одни из них непосредственно выполняют основные операции технологического процесса: сварку, гибку, окраску, сборку и т. п. Другие предназначены для осуществления действия типа взять — перенести — положить. Они заняты обслуживанием основного технологического оборудования (станков, литейных машин и др.), автоматизацией вспомогательных процессов установки и снятия заготовок, деталей,
инструментов и различных приспособлений, очисткой поверхностей деталей, используются на автоматизированных складах. Существуют и универсальные роботы, сочетающие в себе признаки роботов первых двух типов.
Относительно широкими технологическими возможностями обладают роботы типа «Циклон 5-02» (рис. 3). Они с успехом применяются в условиях мелко- и среднесерийного производства для автоматизации операций штамповки, литья под давлением, механической обработки и для транспортирования заготовок и деталей. На ПР 1 «Циклон 5-02» имеет два манипулятора 2, состоящих из механизмов выдвижения, втягивания, подъема и поворота захватных устройств. Манипуляторы робота могут выдвигаться на 0,5 м, поворачиваться на 180° как вокруг вертикальной, так и вокруг продольной оси. Они могут переносить грузы массой до 5 кг на полную длину вылета за 1 с.
Благодаря своим возможностям и совершенству подвижность суставов человека служит образцом при конструировании роботов.
Но полное ее копирование слишком сложно и нецелесообразно. Важно обеспечить роботу необходимый минимум движений для выполнения поставленных задач и сохранения определенной универсальности. Например, локтевой сустав обеспечивает перемещение только в одном направлении; плечо и предплечье всегда находятся в одной плоскости и могут поворачиваться одно относительно другого только вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. Кисть относительно предплечья можно поворачивать в трех направлениях: суставы, осуществляющие эти повороты, можно представить в виде шаровых шарниров (рис. 4). С их помощью механическая рука сможет обеспечить нужную подвижность объекта манипулирования.
?! 1. Дайте определение ПР
2. Для чего предназначены ПР?
3. Почему возможности человека служат образцом при конструировании роботов?
АНАТОМИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА
ТИПЫ ПР
В зависимости от характера выполняемых операций, типа системы управления робота и его способности реагировать и приспосабливаться (адаптироваться) к внешним условиям определяют различные поколения ПР.
Промышленные роботы первого поколения работают по жесткой программе, которая воспроизводится в одном темпе и в строго определенной последовательности. Робот не реагирует на изменение внешних условий. Функциональные способности таких роботов чрезвычайно ограничены, но они освобождают человека от неквалифицированной работы, санитарно-гигиенические условия труда становятся лучше. Для успешной работы робота детали и заготовки должны находиться всегда на одном и том же месте в строго определенном положении, так как стоит отодвинуть стол с заготовками, и робот уже не найдет их: он не может сам скорректировать свое поведение. Вся информация, которую несет программа, составлена так, чтобы упорядочить мир, окружающий робота, иначе робот будет все делать правильно, но вхолостую. Такие роботы являются «глухими и слепыми».
Вот почему ученые направили свои усилия на то, чтобы «вдохнуть» человеческие чувства в бесчувственное тело робота, т. е. оснастить робот сенсорной системой. Для восприятия внешнего мира человек обладает различными органами чувств: восприятие цвета, формы и объема предметов ему обеспечивает зрение, о массе тела, его твердости, температуре и других характеристиках позволяет судить осязание, а роботы стали оснащать дополнительными датчиками для восприятия теплового излучения, радиоволн и ультразвука. Подобная система датчиков дает роботу информацию об окружающем мире и возможность приспособиться к его изменениям. Такие адаптивные автоматы называются роботами второго поколения.
Одной из основных задач адаптивных роботов является отыскание нужной детали, определение ее положения и размеров, например, с помощью нескольких пневматических датчиков, установленных на манипуляторе робота. Сопротивление воздуха, продуваемого через сопло датчика, зависит от расстояния от датчика до плоскости стола или детали. Когда манипулятор перемещается в поисках детали и хотя бы один из датчиков оказывается над ней, его показания меняются. Комбинация сигналов всех датчиков заставляет руку робота двигаться так,
ю
чтобы она разместилась строго над заданной деталью. В этом случае выходные сигналы всех датчиков станут одинаковыми и поиск детали закончится. Роботы наделяются «техническим зрением» на основе телевизионных устройств, светового излучения, фасетного зрения, а также датчиками силы и момента.
Адаптация робота к среде—лишь самый первый шаг в его развитии. Если робот правильно выберет одну из десяти деталей, это не означает, что он знает, что надо с ней делать. Он должен правильно использовать одну из десяти имеющихся программ либо уметь внести изменения в типовую программу работы. Такой адаптивный робот руководит потоками деталей на объединении «Кировский завод». Робот расположен над конвейером. Он имеет излучатели и фотоэлементы. По комбинации света и затемнений электронный мозг распознает детали на конвейере, «припоминает», куда следует их направить, и включает механизмы, обеспечивающие передачу даталей в нужном направлении.
ПР третьего поколения отличаются от предшествующих наличием «искусственного интеллекта», под которым понимается устройство обработки информации, поступающей от сенсорных систем, т. е. ЭВМ. На основе полученной информации ЭВМ разрабатывает модель окружающего мира и вариант поведения робота в зависимости от поставленной цели. Наиболее ярким представителем роботов третьего поколения является робот-шахматист. В нем заложены элементы самообучения на основе получаемого опыта.
Роботы могут быть универсальными, специализированными и специальными. Универсальные ПР выполняют различные технологические операции типа сварки, окраски, сборки, работают с широкой номенклатурой деталей и обслуживают разное оборудование. Специализированные ПР выполняют операции одного вида и обслуживают оборудование определенной группы. Специальные ПР выполняют простые операции типа взять — положить. Принципиально одни и те же роботы, используемые для обслуживания металлорежущих станков и прессов, могут отличаться друг от друга подвижностью, грузоподъемностью, числом манипуляторов, точностью перемещения рабочего органа и пр.
ПР могут устанавливаться стационарно на полу (рис. 5, а) или на столе (рис. 5, б), встраиваться непосредственно в оборудование, могут быть подвижными и перемещаться относительно рабочего места, могут быть и подвесными (рис. 5, в).
Если ПР имеет жесткую последовательность перемещений в каждом цикле, то конечное положение манипулятора чаще всего определяется установкой упоров и путевых или концевых выключателей.
Более гибкое управление осуществляется с помощью так называемых следящих систем, обеспечивающих постоянный контроль за тем, на сколько фактическое положение манипулятора робота соответствует’заданному. Траектория движения манипуля-
5
Рис. 5. Промышленные роботы различного назначения:
а — стационарный; б — встроенный в оборудование; в — подвесной
тора может задаваться от точки к точке или по пространственной кривой (например, при выполнении сварочного шва). Соответственно различают позиционную и контурную системы управления.
Адаптивная система управления характеризуется изменением управляющей программы в зависимости от контролируемых датчиками параметров внешней среды.
(Более подробно о существующих системах управления ПР будет рассказано далее.)
?! 1. Для чего роботу нужны датчики?
2. Что такое адаптивный робот?
3. Расскажите о трех поколениях промышленных роботов.
МАНИПУЛЯТОРЫ
Для выполнения своих функций каждый ПР должен иметь исполнительное устройство в виде манипулятора и устройство программного управления. Манипуляторы представляют собой многозвенные механизмы, соединенные друг с другом шарнирными или телескопическими элементами, обеспечивающими вращательные или возвратно-поступательные движения. Манипуляторы (от лат. manus — пригоршни, горсть и pulus — рука) выполняют работу, требующую высокой точности при перемещении объектов манипулирования.
Первые манипуляторы появились в промышленности в конце XIX в. для механизации тяжелых подъемно-транспортных работ. Новый мощный толчок применения манипуляторов в более широких масштабах дало развитие ядерной энергетики и космонавтики. Довольно простую конструкцию имела механическая рука, установленная на межпланетной станции «Луна-16», доставившей 24 сентября 1970 г. на Землю пробы грунта с Луны. После прилунения механическая рука повернулась в рабочее положение, а грунтозаборное устройство осуществило захват лунной породы.
В настоящее время широкое применение получили сбалансированные манипуляторы с ручным управлением (рис. 6). Они могут перемещать и поднимать грузы в несколько десятков и сотен килограммов. В таких манипуляторах управляющее устройство (рукоятка, пульт) часто монтируется на исполнительном манипуляторе или соединяется с ним кабелем, длина которого обеспечивает визуальный контроль за выполняемой работой. Манипуляторы предназначены для широкого круга подъемно-транспортных, складских и монтажных работ, операций установки — снятия деталей при обслуживании обрабатывающего оборудования. По вертикали груз перемещается с помощью электромеханического, пневматического и гидравлического привода, а по горизонтали — вручную.
Разрабатывая новые конструкции манипуляторов, конструкторы заставляют их сгибаться в «плече», «локте» и «кисти», вращаться вокруг разных осей, двигать «фалангами пальцев». Этим обеспечивается маневренность манипуляторов, их более простая приспосабливаемость к различным работам. Например, можно взять стеклянный или металлический объект, объект, находящийся «за спиной», переложить его из одной руки в другую и т. п. Робот с таким универсальным манипулятором может легко поменять поле деятельности.
Кинематическая схема. Универсальность манипулятора оценивается числом степеней подвижности, определяющих его двигательные возможности, т. е. способностью манипулятора перемещаться в пространстве. С помощью кинематической схемы показывают, как происходит передача движения в различных степенях подвижности.
Для передачи движения используются такие распространенное детали, как зубчатые колеса, шкивы, рейки и т. п., которые соединяются в звенья и кинематические пары.
Звенья и кинематические пары показывают на кинематических схемах с помощью условных изображений (табл. 1). С этими звеньями и парами многие из вас встречались при работе с металлоконструкторами и на уроках труда в VII классе при изучении металлорежущих станков.
Кинематическая схема каждого манипулятора характеризуется типом, числом степеней подвижности, размерами, способом соединения звеньев. Лучшим для конкретных условий считается манипулятор, обеспечивающий выполнение данной операции при наименьшем числе движений.
Манипуляторы, звенья которых образуют вращательные пары, могут быть шарнирно-рычажными, поступательно-телескопическими. Сочетания этих элементов и последовательность их соединения определяют, каким образом осуществляется перемещение заготовки или рабочего инструмента, находящегося в захвате манипулятора, в любую точку рабочего пространства.
Системы координат. Для описания перемещения какого-либо тела, точнее, образующих его точек в пространстве используют различные системы координат (рис. 7). На уроках математики вы изучали самую распространенную из них — декартову, или прямоугольную, систему координат. В ней используются 3 взаимно перпендикулярные оси с одинаковыми масштабами по осям для определения положения точки в пространстве (рис. 9). Соответственно для определения положения точки на плоскости достаточно иметь две взаимно перпендикулярные оси.
В прямоугольной системе координат работает учебный робот типа УРТК (учебный робототехнический комплекс), манипулятор которого перемещается по нескольким взаимно перпендикулярным винтовым направляющим (рис. 8).
Кроме прямоугольных, существуют и другие системы координат, позволяющие описывать положение точки на плоскости или в пространстве с помощью не только линейных перемещений, но и углов поворота. Например, для определения места нахождения точки на плоскости достаточно знать длину г отрезка АО, соединяющего ее с началом координат — полюсом, и угол между отрезком и осью X (рис. 10).
Задание положения точки с помощью угла поворота характерно для полярных координат, частным случаем которых является цилиндрическая система координат. Последняя используется для
1. Условные обозначения элементов структурных кинематических схем промышленных роботов и манипуляторов
Элемент Эскиз Характеристика
Звено (стержень) -—' 1 —
Неподвижное закрепле ние звена (стойка) — Движение отсутствует
Жесткое соединение звеньев
Подвижное соединение с перемещением вдоль прямолинейных направляющих Возвратно-поступательное движение
Винтовое подвижное соединение —— Возвратно-поступательное движение и взаимосвязанное вращательное движение
Цилиндрическое соединение звеньев Возвратно-поступательное движение и независимое вращение вокруг продольной оси
Плоское шарнирное соединение звеньев г г Вращение вокруг поперечной оси
Шаровой шарнир с пальцем Вращение вокруг двух осей
Шаровой шарнир Вращение вокруг трех осей
Захватное устройство •— Зажимные элементы подвижны
н Зажимные элементы неподвижны
—СхЗ— — поступательная кинематическая пара
~» — вращательная кинематическая пара
чу __ Возможное место разделения
* манипулятора на модули
— рабочий орган робота
Прямоугольная система координат
Рис. 7. Системы координат и структурные схемы манипуляторов
Рис. 8. Манипулятор учебного робо*га типа УРТК
ч
Рис. 9. Прямоугольная система координат
О X
Рис. 10. Полярная система координат для определения положения точки на плоскости
описания положения точки в пространстве. Цилиндрическая система координат удобна для описания работы различных типов манипуляторов.
Для цилиндрической системы координат характерно наличие двух поступательных движений (вверх-вниз по стойке и горизонтальное выдвижение руки параллельно основанию), а также вращательного вокруг вертикальной оси.
Если вместо вертикального перемещения используется вращательное движение руки манипулятора, а остальное движение сохраняется как для цилиндрической системы координат, то рабочее пространство, в котором действует робот, представляет собой неполную сферу. Эта система координат называется сферической.
В тех случаях, когда рука робота сконструирована по принципу подобия человеческой руки и имеет ряд вращающихся шарнирных соединений (см. рис. 4), обслуживаемое роботом пространство резко увеличивается. Сочленения манипулятора могут обеспечивать повороты как вокруг горизонтальных осей шарниров (например, робот ПУМА (рис. 11), так и вокруг вертикальных осей шарниров (например, робот СКАРА (рис. 12).
Рис. 11. Схема манипулятора ПУМА, Рис. 12. Схема манипулятора робота работающего в угловой системе координат. типа СКАРА.
2 Робототехника
17
Рис. 13. Степени подвижности свободного тела (обозначены цветными стрелками)
Степени подвижности. С математическим понятием «система координат» тесно связано техническое понятие «степень подвижности» механической системы, в частности манипулятора. С его помощью определяется, сколько независимых движений должен совершать манипулятор или отдельное его звено, чтобы оказаться в нужной точке. Например, для того чтобы захват робота, работающего в прямоугольной системе координат, попал в определенную точку плоскости, он должен переместиться на определенное расстояние по оси X, а затем — по оси У. Два перемещения по двум осям соответствуют двум степеням подвижности.
Свободное тело в пространстве обладает шестью степенями свободы. Любой предмет можно перемещать в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т. е. вдоль осей X, У Z> и поворачивать его относительно этих осей (рис. 13). Следовательно, теоретически каждое из сочленений звена может иметь шесть степеней подвижности.
На практике число степеней подвижности в каждом сочленении звена обычно не превышает одной, что в первую очередь объясняется простотой реализации такой конструкции.
Тип применяемой в конструкции робота системы координат резко влияет на размер зоны обслуживания, которая при замене прямоугольной системы координат на цилиндрическую увеличивается в 9,6 раза, а при использовании полярной системы координат — в 29,7 раза. Помимо системы координат на размеры зоны обслуживания (или рабочего пространства) влияет также число степеней подвижности робота. На рисунке 14 показаны
Рис. 14. Кинематические схемы манипуляторов, работающих в декартовой (а), цилиндрической (б), сферической (в) и угловой (г) системах координат
компоновки манипуляторов с тремя степенями подвижности, работающих в различных системах координат, и примерные контуры рабочей зоны (на рисунке заштрихована).
Именно с разработки структурной схемы манипулятора, системы координат, в которой он должен будет работать, определения зоны обслуживания и «мертвого» пространства начинается работа по созданию конструкции робота.
Захватные устройства. Основным назначением промышленного робота является перемещение груза или рабочего инструмента в нужную точку пространства с помощью захватного устройства, прикрепляемого к последнему звену манипулятора. По конструкции, как правило, эти устройства повторяют кисть человеческой руки. Захватывающие движения определяются характеристиками удерживаемых объектов. Например, человек удерживает тонкие детали или пластины кончиками пальцев, крупные вещи — ладонью, круглые детали и стержни — всеми пальцами сразу и т. п. Каждый из указанных способов захвата отличается друг от друга, например, при удерживании предмета кончиками пальцев пальцы одновременно сдвигаются вместе, а при захвате стержня движение большого пальца руки всегда происходит после движения остальных пальцев. Поэтому для взятия и удержания различных деталей используют разнообразные захваты.
Каковы же требования, предъявляемые к конструкциям и эксплуатационным качествам захватных устройств?
1. Взятый предмет необходимо удерживать плотно и надежно, но не наносить царапины и не деформировать предмет. Поэтому для взятия предметов типа листов, телевизионных кинескопов и других предметов с гладкими и чистыми поверхностями используются, например, вакуумные захваты с несколькими присосками.
2. Предметы не должны выскальзывать из захватного устройства. Следовательно, поверхности захватов нужно обеспечить таким материалом, который увеличивает силу трения между перемещаемым предметом и пальцами. Из таких материалов можно назвать полиуретан.
3. Захват должен менять свою конфигурацию в зависимости от формы предмета.
4. Желательно, чтобы захват был универсальным. Высокой универсальностью обладают многопальцевые захваты, которыми можно переносить цилиндрические валы и резиновые прокладки, болты или кольца. Еще большую универсальность манипулятору можно придать за счет применения датчиков, установленных в пальцах и обеспечивающих информацию о взятом предмете.
Однако увеличение универсальности захватов не всегда эффективно. Например, в гибких производственных системах идут по пути использования сменных захватных устройств, которые меняют в зависимости от вида перемещаемой детали по программе.
По принципу действия различают пять групп захватных устройств: механические, вакуумные, магнитные, струйные и с эластичными камерами. В механических захватах используются зубчатые, рычажные, кулачковые и другие передаточные механизмы. Простое рычажное захватное устройство, приводящееся в движение с помощью электромагнита, используется в учебном роботе типа УРТК.
Рис. 15. Клещевое захватное устройство с рычажным механизмом для удержания деталей за внутреннюю (а) и наружную (б) цилиндрическую поверхность
Рис. 16. Центрирующее захватное устройство с эластичной камерой
На рисунке 15 показано захватное устройство с гидроцилиндром, который расположен между шарнирно закрепленными планками. Посредством смены губок и направления движения штока гидроцилиндра можно захватывать детали не только за внутреннюю поверхность, но и за наружную.
В вакуумном захватном устройстве разрежение в вакуум-камере для обеспечения усилия захвата создается либо насосом, либо посредством одноразового изменения объема полости вакуум-камеры.
Для переноса хрупких изделий неправильной формы и небольшой массы используют захватные устройства с эластичными камерами. Под действием давления воздуха или жидкости кожух 1 камеры деформируется и удерживает деталь 2 за поверхность (рис. 16).
Захваты могут быть одно-, двух-, трех- и многостороннего действия. К односторонним захватам (они вступают в контакт только с одной поверхностью предмета) относятся конструкции типа вакуумных или магнитных присосок, обычный крюк, используемый для подъема грузов, липкие, вибрирующие и игловые ленты.
В захватах двухстороннего действия имеется два жестких зажима (рис. 17). Захват поверхностей объекта манипулирования (на рисунке заштрихован) в этом случае может проходить в двух
Рис. 17. Схемы захватных устройств двустороннего действия
Рис. 18. Схемы захватных устройств трехстороннего действия
Рис. 19. Схемы манипуляторов
точках (рис. 17, а), по двум линиям (рис. 17, б), по двум поверхностям (рис. 17, в).
Использование захватов трехстороннего действия (рис. 18) придает системе большую универсальность. Однако эти захваты имеют сложную конструкцию за счет увеличения массы пальцев и приводов. Захват объекта происходит с трех сторон, возрастает надежность его удерживания за счет увеличения числа точек контакта и сил трения. Захват может иметь трубчатые пальцы, которые размещаются под определенным углом друг относительно друга и перемещаются в радиальном направлении. Последнее позволяет захватывать цилиндрические тела не только с наружной, но и с внутренней стороны. При переносе детали типа параллелепипеда два пальца схвата должны прилегать к одной, а третий — к противоположной грани детали.
Работы по созданию многопальцевых захватов находятся пока на этапе научно-технических исследований.
Захваты могут быть стационарными, сменными и быстросменяемыми. Места и размеры их крепления унифицированы.
?! 1. Из каких основных частей состоит манипулятор?
2. От чего зависят двигательные возможности манипулятора?
3. Как определяется положение на плоскости в декартовой или прямоугольной системе координат?
4. Определите, на каком расстоянии от начала координат будет находиться точка А, если она переместится по оси X на 20 мм и по оси Y на 40 мм. Покажите положение точки А на графике.
5. Определите, на каком расстоянии от начала координат будет находиться точка Л, если она, кроме перемещений, указанных в предыдущем задании, дополнительно переместится на 20 мм вверх по оси Z. Покажите положение точки на графике в системе координат X, Y, Z.
6. Чем отличается прямоугольная система координат от полярной?
7. Определите по структурным кинематическим схемам, показанным на рисунке 19, в каких системах координат работают манипуляторы.
8. В какой системе координат работает учебный робот УРТК?
ЧЕТЫРЕХЗВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ ЧЕБЫШЕВА
Задумывались ли вы над тем, как обеспечивается подвижность шагающего робота: Железного Дровосека или роботов из фантастической литературы и кинофильмов? Какие механизмы заставляют их перемещаться?
Конечно, можно создать мобильный робот на колесном или гусеничном ходу. Но ограниченность этих устройств при перемещении по каменистой и пересеченной местности, по пылеобразной поверхности нашего спутника — Луны или других планет, трудности, связанные с огибанием углов, и желание человека иметь помощника, похожего на него самого, приводило изобретателей к созданию самых разнообразных механизмов, движение которых осуществляется с помощью одной или нескольких пар «ног».
Среди таких механизмов нашли применение шагающие устройства, в основе которых применен стопоходящий механизм П. Л. Чебышева (1821 —1894 гг.).
В основу механизма Чебышева положен чётырехзвенный механизм ABCD (рис. 20). Его особенностью является то, что один из участков траектории т. Е звена ВС относительно звена AD близок к прямой. На раме 4 установлены четыре механизма ABCD-Кривошипы механизмов соединены между собой попарно. Пары кривошипов соединены элементом 6. Когда один из кривошипов начинает вращаться, все другие вращаются синхронно. Стопой механизма является элемент 5, присоединенный к точке Е.
Когда стопы 2 и 5 находятся на основании 0—0, т. G и Е стоят на месте, а рама 4 перемещается параллельно основанию. В результате этого движения стопы 1 и 3 поднимаются и начинают перемещаться по направлению движения, после чего опускаются
Рис. 20. Стопоходящий механизм Чебышева
Рис. 22. Самодвижущаяся тележка
Рис. 23. Детали самодвижущейся тележки (см. рис. 22)
вниз на основание. Затем поднимаются стопы 2 и 5, а звенья 1 и 3 остаются неподвижными. Происходит имитация движения ног животного. Так как этот механизм обеспечивает траекторию точки звена, близкую к прямой линии, его иногда называют «прямило».
На рисунке 21 представлен кривошипно-коромысловый механизм Чебышева. При движении звеньев этого механизма т. Е будет перемещаться по практически прямой линии Е\ Еч- AD=2A$AB, ВС= DC=4,34AB, тогда длина участка Е1Е2 примерно равна 2,66ДВ. Если захватное устройство манипулятора установить в т. Е, то и оно будет осуществлять прямолинейное перемещение на отрезке Е\Е2.
Вот как четырехзвенный механизм Чебышева используется в конструкции самодвижущейся тележки-робота (рис. 22).
Задняя часть тележки поставлена на колесо 2, а передняя имеет две резиновые стопы 3. Они поочередно переставляются и легко преодолевают небольшие неровности пола и препятствия в виде луж или рыхлого грунта. Привод движения осуществляется от микродвигателя типа ДСД-П1 2, работающего от батарей на 9 В. Вращающийся червяк /, закрепленный на валу двигателя, через червячное колесо 6 передает движение на вал 5. Частота вращения колеса в 10 раз меньше, чем у червяка. С той же частотой вращения движется и кривошип 4 четырехзвенного механизма Чебышева. Он выполнен из шести планок 1—6 (рис. 23). Стопа 3 (рис. 22) подвижного робота-тележки прикреплена к планке 1 (рис. 23), которая при вращении кривошипа заставляет стопу подниматься и перемещаться в горизонтальном направлении.
Так довольно простой механизм может использоваться в робототехнических устройствах для создания определенного типа движения. Если скорость движения должна возрасти, то потребуются «динамические ощущения» о поведении всей конструкции, обеспечивать изменение походки в зависимости от характера местности. Без визуальной связи (зрения) движение становится очень затруднительным. Нельзя забывать и об устойчивости робота. Наиболее предпочтительным является опора на три точки. Поэтому шестиногие подвижные роботы, вероятно, наиболее предпочтительны, чем дву- или четырехногие.
?! 1. Как обеспечить подвижность шагающего робота?
2. Где могут быть применены стопоходящие механизмы?
ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Для приведения в действие движущихся частей робота используют различные приводы. Многие движения, которые совершает робот, пока еще далеки от совершенства. Ловкость человека во многом зависит от работы его мышц. Поэтому
Рис. 24. Модель работы мышцы локтевого сустава человека (а) и сустава манипулятора (б)
старания многих ученых направлены на разгадку тайны работы человеческой мышцы. В случае успеха окажутся ненужными редукторы с зубчатыми передачами, упростятся протезы. Существует несколько попыток промоделировать работу мышцы. Это и модель английского физиолога А. Хаксли, и электростатическая модель академика А. Микулина, и электродинамическая модель советских ученых, и химическая модель английских исследователей из университета г. Гулля, и техническая мышца, созданная в Петербургском политехническом институте. Все они раскрывают различные стороны процесса сокращения мышцы.
Для движения локтевого сустава человек использует мышцы-сгибатели 1 и разгибатели 2 (рис. 24, а). Чтобы осуществлять соответствующие перемещения в суставах манипулятора, их функции выполняют приводы (рис. 24, б): гидравлические, пневматические и электрические.
В начале 80-х гг. на долю ПР с пневмоприводом приходилось 38% от общего выпуска ПР, с гидроприводом — 42% и электрическим— 20%. Пневмоприводы часто применяют в простых ПР грузоподъемностью до 20 кг. Гидроприводы широко используют в универсальных ПР с грузоподъемностью свыше 10 кг. Благодаря простоте монтажа и обслуживания, легкости регулировки и управления наиболее перспективны электроприводы. Они широко применяются для создания универсальных ПР с грузоподъемностью до 40 кг, сборочных ПР, ПР для выполнения операций дуговой сварки.
Выбор типа приводов зависит от назначения ПР, его системы управления, грузоподъемности. Привод должен обеспечивать минимальное время разгона и торможения, быстродействие и высокую точность позиционирования. Из перечисленных характе
ристик нуждаются в пояснении те, которые определяют выбранную систему управления и точность позиционирования. Точность позиционирования определяется тем, насколько точно можно установить манипулятор в заранее выбранной точке. У современных роботов она достигает долей миллиметра (0,076 мм), т. е. роботы могут работать с ювелирной точностью.
В робототехнике применяются три основные системы управления: цикловая, позиционная и контурная. Дадим предварительно их краткую характеристку с тем, чтобы были понятны особенности использования каждого их трех приводов. Более подробно системы управления будут рассмотрены в соответствующей главе.
Цикловые системы переключают движение манипулятора по каждой степени подвижности от упора до упора.
ПР с позиционной системой имеют большое число программируемых положений — точек, через которые должен пройти захват манипулятора в процессе движения.
ПР с контурной системой совершают плавное движение по любым запрограммированным пространственным траекториям своей рабочей зоны.
Существуют и позиционно-контурные системы.
Управление в контурных системах и в большинстве позиционных систем производится с помощью микроЭВМ.
Пневмопривод ПР. ПР, оснащенные пневмоприводами (пневматические ПР), как правило, имеют цикловое управление и упрощенную кинематику с двумя-четырьмя степенями подвижности и грузоподъемностью до 15 кг, поскольку низкие регулировочные свойства пневматического привода затрудняют создание пневматических роботов с позиционным и контурным управлением. Широкое распространение пневматических ПР обусловлено их низкой стоимостью, простотой конструкции, высокой надежностью. В качестве исполнительных двигателей в таких ПР используются длинноходовые цилиндры или поворотные пневмодвигатели. Скорость пневмодвигателей регулируется настройкой специальных дросселей, определяющих расход воздуха через двигатель. Позиционирование звеньев манипулятора пневматических ПР обеспечивается жесткими и передвигаемыми упорами.
Пневматические роботы с цикловым управлением имеют ограниченное число точек останова (остановки) по каждой координате (в основном две). Это снижает функциональные возможности таких роботов и ограничивает область применения. В связи с эксплуатационными достоинствами пневматических роботов в настоящее время ведутся работы по созданию пневматических приводов, обеспечивающих неограниченное число точек останова по координате, что позволит использовать их в роботах с позиционным управлением.
•Пневматический привод горизонтального перемещения манипулятора (рис. 25) состоит из поршня 2 и цилиндра <?, в полость которого поочередно подается сжатый воздух. При этом зубчатое
рейка 5 совершает возвратно-поступательные движения. На правом конце манипулятора размещен привод захвата. Он так же, как и привод руки, состоит из цилиндра 10 и поршня S, который через шток 9, состоящий из двух частей, связан с пальцами 12 и 13 захвата. Пружина 7, расположенная внутри цилиндра 10, удерживает поршень 8 в правом положении. Шток также занимает правое положение, при этом две его половинки раздвигаются, наткнувшись на упор 11, и разжимается захват. Пальцы сжимаются, если через пневмоусилитель 6 в правую полость цилиндра 10 поступает сжатый воздух. Поршень 8, сжимая пружину 7, передвинется в левое положение, половины штока, сдвинувшись с упора 11, сомкнутся, пальцы сожмутся, удерживая какой-либо предмет.
Пневматический привод 2 вращения изображен на рисунке 26. Он состоит из двух цилиндров и связанных между собой штоков. Из пневматических усилителей 1 воздух подается поочередно то в один, то в другой цилиндр. При этом шток 3 совершает возвратно-поступательные движения. На штоке 3 укреплена зубчатая рейка 4, сцепленная с зубчатым колесом 5, которое жестко соединено с кистью манипулятора. При каждом перемещении штока колесо и кисть вращаются в ту или другую сторону.
Пневмопривод позволяет получить большую скорость движения выходного звена манипулятора. При подаче под давлением
Рис. 26. Пневмопривод вращения кисти манипулятора
Рис. 27. Схема гидропривода:
1 — гидроцилиндр; 2 — золотниковый распределитель
Рис. 28. Двухлопастной вращающийся гидродвигатель
воздуха в рабочую полость звено движется от упора до упора с максимальной скоростью. Для исключения резкого удара в конце предусматриваются средства торможения. Это делается либо за счет внутренних процессов (сжатого воздуха), либо установкой внешних демпферов разных конструкций. Крайние положения выходных звеньев манипуляторов при цикловом управлении могут устанавливаться путем перестановки упоров на позиции, необходимые для выполнения заданного технологического процесса.
Гидропривод ПР. Широкое распространение роботов с гидравлическим приводом (гидравлические ПР) обусловлено такими достоинствами гидропривода, как высокая удельная мощность на единицу массы, хорошие динамические и регулировочные свойства. Это позволяет создавать гидравлические ПР с любым типом управления и высокой грузоподъемностью. Схема гидропривода показана на рисунке 27. Линейное перемещение обеспечивают гидроцилиндры /, подобные используемым в пневмоприводах. Для создания вращательного движения используют гидроцилиндры, гидромоторы и лопастные неполноповоротные гидродвигатели (рис. 28). Если в две симметрично расположенные рабочие полости двигателя подать гидросмесь под давлением, а две другие — соединить с полостью слива, то ось привода будет вращаться относительно корпуса. На базе таких двигателей можно создавать специализированные манипуляторы, где каждый шарнир снабжен двухлопастным двигателем.
В качестве рабочей жидкости можно использовать минеральные масла с высокой степенью очистки.
Для изучения действия и конструкции гидромеханизмов целесообразно использовать учебный гидравлический стенд — передвижной стол с гидравлической станцией. Стенд включает 12 действующих моделей гидроустройства, которые легко подсоединяются к гидронасосу. Возможности стенда позволяют собрать типовые гидросхемы, используемые в ПР, спроецировать на экран работу любого гидроустройства.
Электропривод ПР. Достоинством ПР с электромеханическими приводами является более высокая экономичность по сравнению
с другими типами ПР, простота подвода и аккумулирования энергии.
Электропривод предпочтительно использовать в следящих системах, необходимых для создания универсальных ПР с позиционным и контурным управлением, а также для адаптивных и интеллектуальных ПР. Электромеханические ПР проще стыкуются с другим оборудованием гибких производственных систем, а для создания подвижных ПР применение электропривода является практически единственным решением.
В состав таких электроприводов обычно входит электродвигатель со встроенными электромагнитными тормозами, датчиками внутренней информации (скорости, перемещения, температуры и т. д.), блок управления привода и в общем случае силовая механическая передача. Электродвигатель со встроенными элементами и силовая механическая передача конструктивно входят в состав манипулятора ПР, а блоки управления приводов располагаются в единой стойке устройства управления ПР или отдельно встроены в привод.
Промышленные роботы с электроприводом наиболее удобны в эксплуатации, поскольку не требуют, как ПР с пневматическими и гидравлическими приводами, автономных специальных станций питания.
Для обеспечения безопасности при эксплуатации ПР в состав комплектного привода включают электромагнитый тормоз, фиксирующий положение вала двигателя при случайных перерывах в питании.
Основной частью электропривода является электродвигатель, который может иметь разные принципы действия и конструкции. Рассмотрим наиболее распространенные из них.
Двигатели постоянного тока. Начнем с электродвигателя постоянного тока (ДПТ), который наиболее распространен в робототехнике и, что очень важно, широко применяется в бытовой технике и в игрушках. С принципом действия ДПТ вы познакомились на уроках трудового обучения в VII и на уроках физики в VIII классах. Примером электродвигателя постоянного тока может служить микродвигатель, входящий в состав различных конструкторов для юных любителей техники, который можно использовать при изготовлении электропривода учебного робота.
Работа любого электродвигателя, в частности работающего от постоянного тока, основана на магнитном и на механическом действиях электрического тока. Их можно продемонстрировать с помощью следующих опытов.
В первом опыте используется самодельная катушка, полученная в результате намотки тонкого изолированного провода на стальной гвоздь, батарея от карманного фонаря, электрический выключатель — кнопка, мелкие гвозди или стальные опилки. При кратковременном замыкании электрической цепи гвоздь намагничивается, о чем судят по притяжению мелких гвоздей или опилок.
Рис. 29. Схема, иллюстрирующая магнитное (а) и механическое (б) действия электрического тока
При размыкании цепи приобретенные магнитные свойства практически полностью исчезают (рис. 29, а).
Во втором опыте, показывающем механическое действие электрического тока (рис. 29, б), используются те же детали, только вместо гвоздей или опилок в качестве индикатора (показателя) намагничивания используется магнитная стрелка из набора электроконструктора или компаса. При замыкании цепи стрелка приходит в движение, угол ее поворота зависит от взаимного положения электромагнита и стрелки. В данном случае электрический ток является причиной возникновения механического движения. В электродвигателях взаимодействие проводников с током и магнитного поля постоянного магнита или электромагнита приводит к возникновению вращательного движения вала.
Основными частями двигателя постоянного тока являются неподвижный постоянный магнит (или электромагнит) и подвижный стальной цилиндр с обмоткой, называемый якорем. Стальной сердечник якоря, состоящий из отдельных пластин, используется для усиления магнитного поля (как гвоздь в рассмотренных ранее опытах). Концы проводников якоря припаиваются к изолированным друг от друга медным пластинкам, образующим контактные пластины переключателя, называемого коллектором. Коллектор укрепляется на общей оси с якорем. Напряжение к обмотке якоря подается через угольные стержни, называемые щетками, и пластины коллектора. Щетки и коллектор обеспечивают постоянный контакт источника тока с обмоткой якоря в процессе его вращения.
В робототехнике и в бытовых приборах также широко используются электродвигатели, предназначенные для работы только в цепях переменного тока. Их особенностью является отсутствие скользящих контактов, образованных щетками и коллектором, что значительно повышает их надежность и снижает стоимость.
Специальные электродвигатели. В робототехнике применяются шаговые двигатели и вибродвигатели.
Основная особенность шагового двигателя, определяющая, в частности, его название, состоит в том, что его вал поворачивается на определенный угол под действием управляющих электрических импульсов (скачков напряжения). Благодаря такому свой-
ству отпадает необходимость постоянно контролировать положение вала электродвигателя с помощью различных датчиков, как в обычных электродвигателях.
Вибродвигатели являются новыми типами электродвигателей, применяемыми в роботах, предназначенных для выполнения особенно точных работ. Принцип их действия резко отличается от ранее рассмотренных электродвигателей. Для получения механического движения в вибродвигателях используется свойство некоторых полупроводниковых материалов совершать механические колебания под действием переменного электрического тока. Подобные полупроводниковые материалы называются пьезоэлектриками, они используются как электрические датчики, преобразующие звуковые колебания в электрические в микрофонах, механические колебания иглы, движущейся по канавкам пластинки электрофона, и т. п. Механические колебания пьезодатчиков имеют незначительную амплитуду и незаметны на глаз, и вибродвигатели обеспечивают перемещения с микронной точностью.
Кроме вращательного, вибродвигатели способны обеспечивать и поступательное движение. Двигатели, обладающие последним свойством, называются линейными.
Важным свойством электродвигателей разных типов является возможность изменять направление движения якоря, оно называется реверсированием. (Как практически осуществляется реверсирование микроэлектродвигателя, будет рассказано в одной из практических работ.)
Редукторы. В отличие от пневматических ПР, в которых промежуточные механические передачи между исполнительным двигателем и звеном манипулятора, как правило, отсутствуют, в электромеханических и гидравлических ПР используются механические передачи для согласования скоростей вращения двигателей и перемещения звеньев манипуляторов.
Обычно требуется понизить скорость вращения вала двигателя с помощью механической передачи, называемой редуктором.
Механические передачи часто используются для преобразования одного вида движения в другой, например вращательного в поступательный и наоборот. В качестве основных силовых механизмов в них, как правило, используются различные зубчатые пары (шестерня — рейка для поступательного движения, шестерня — зубчатое колесо для вращательного движения).
В зарубежных и некоторых отечественных моделях ПР применяются передачи сложной и оригинальной конструкции — волновые, шарико-винтовые пары, передачи с зубчатым резиновым ремнем, циклоидные редукторы и др.
Шарико-винтовая передача (рис. 30, а) преобразует вращательное движение вала двигателя в поступательное движение звена манипулятора с помощью винтовой пары, внутри которой по замкнутому контуру перемещаются шарики.
Рис. 30. Силовые передачи:
а — шарнирно-винтовая; б — зубчато-реечная; в — волновая
В уже известной зубчато-реечной передаче (рис. 30, б) ротор высокомоментного двигателя привода соединен с зубчатой шестерней /, а рейка — непосредственно со звеном манипулятора 2.
Волновые передачи обеспечивают передачу больших крутящих моментов и могут резко понижать частоту вращения. Волновая передача состоит из генератора волн 3, гибкого 2 и жесткого 1 колес. Генецатоо волн и гибкое колесо устанавливаются внутри жесткого колеса, с зубьями на внутренней поверхности (рис. 30, в). На гибком колесе, представляющем собой стальное легко деформируемое кольцо, имеются такие же зубья, но их на два меньше. Гибкое колесо при вращении приобретает форму эллипса из-за эллиптического генератора волн. Между генератором и гибким колесом установлена шариковая обойма. Зубья жесткого и гибкого колес зацепляются только в двух местах. За один оборот генератора, связанного с входным валом, гибкое колесо перемещается на два зуба в противоположном направлении. Эти механизмы очень компактны.
Датчики. Для управления работой робота в состав приводов должны входить датчики, контролирующие не только положение каждого звена манипулятора, но и скорость, с которой перемещаются различные звенья манипулятора. Необходимость получения такого рода информации предопределяет наличие в составе привода датчика положения. Датчиками положения служат переменные резисторы, включенные как потенциометры, и специальные кодовые устройства.
Потенциометр жестко связан с осью звена и преобразует угловое перемещение звена в выходное напряжение. Датчик именно такого типа будет использован в схеме электропривода учебного робота, который вам, ребята, предстоит самостоятельно изготовить.
Кодовые датчики преобразуют угол поворота привода не в непрерывные сигналы, а в последовательность импульсов.
3 Робототехника
33
Для получения информации о скорости вращения выходного вала двигателя используют тахогенератор (от греческого слова, означающего — «быстрота», «скорость»). Это электромеханическое устройство вырабатывает выходное напряжение, величина которого пропорциональна скорости вращения вала. Тахогенераторы могут работать в приводах робота постоянного и переменного тока. Тахогенератор постоянного тока по своему действию аналогичен двигателю постоянного тока. В практической работе мы будем использовать микроэлектродвигатель в качестве тахогенератора.
?! 1. Зачем манипулятору привод?
2. В чем состоят преимущества гидравлического привода?
3. Какие типы электромеханических приводов применяются в ПР?
4. Какие передачи используются в электромеханических приводах?
Практические работы. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ УЧЕБНОГО РОБОТА
Промышленные роботы, как следует из приведенного в этой главе материала, являются исключительно сложными техническими устройствами, способными моделировать человеческую деятельность. Их, в свою очередь, можно смоделировать с помощью учебного робота, повторяющего, несмотря на свою простоту, некоторые существенные черты промышленного образца. Изготовить даже несложный учебный робот без подготовительной работы нельзя. Предварительно необходимо практически ознакомиться с основными элементами и узлами механических, электромеханических и электронных блоков проектируемого учебного устройства. Важно также научиться пользоваться основными электроизмерительными приборами и существующими в школе источниками электрического тока. Практические работы начнем с наиболее простых механических и электромагнитных элементов и узлов.
1. Проектирование простейшего учебного робота
Возможны два варианта выполнения данной самостоятельной работы, зависящие от наличия в школе учебного робота.
При наличии робота нужно внимательно посмотреть, как он работает, выделить основные рабочие операции, последовательность их выполнения и провести классификацию робота, т. е. определить, к какому виду он относится, насколько он похож на настоящих промышленных роботов.
При отсутствии робота и необходимости его изготовления сначала следует определить его функции. Очевидно, что начинать следует с наиболее простого варианта с тем, чтобы в достаточно короткий срок — в течение учебного года создать законченную роботоспособную конструкцию. После того как она будет изготовлена и испытана, можно приступать к усовершенствованию, процесс этот может быть практически бесконечным, т. е. продол
житься и в будущей самостоятельной творческой деятельности на производстве.
Попробуем определить основные свойства простого учебного робота, который предстоит изготовить из деталей механического конструктора, микродвигателя, электромагнитных реле и набора радиоэлектронных элементов. В процессе проектирования следует ориентироваться на существующие образцы промышленных роботов с тем, чтобы разрабатываемое, устройство было простым по конструкции роботом, а не подделкой, и поэтому отказаться от создания игрушек, внешне напоминающих человека из фантастических рассказов.
Проектирование начнем с выбора типа учебного робота, воспользовавшись для этого схемой, содержащей основные классификационные признаки промышленных роОотов (рис. 31). Выбрав признаки, соответствующие создаваемому роботу, запишите их в тетрадь.
Прежде всего следует определить, что должен уметь делать учебный робот, т. е. характер выполняемых им операций. Как видно из схемы, по названному признаку роботы делятся на технологические или производственные, вспомогательные или подъемнотранспортные и универсальные. Конструирование лучше начинать с подъемно-транспортных роботов, выполняющих операции типа взять — перенести — положить.
Знакомство со вторым и третьим признаками приводит к простому выводу: конструируемый учебный робот должен быть специальным (наиболее простой вариант) и предназначаться для выполнения транспортно-складских работ.
Для уточнения других свойств робота необходимо более четко определить его функции и в соответствии с ними выбрать конструкцию робота. Предположим, что в задачу робота входит перемещение грузов, находящихся на складе, в различные участки цеха. В качестве грузов выберем спичечные коробки, сложенные в вертикальную стопку. Допустим, что их нужно разложить в три вертикальные стопки, находящиеся на различных расстояниях от склада. Проще всего осуществить подобную раскладку с помощью поворотного механизма, в этом случае склад и разложенные в три стопки коробки будут располагаться по окружности.
В соответствии с выбранными функциями учебного робота его манипулятор будет иметь следующую конструкцию. Основной его Частью станет вертикальная стойка, способная поворачиваться на разные задаваемые программой углы. Радиус окружности, по которой будут размещаться грузы, будет равен длине горизонтального звена робота.
Специальное рычажное устройство используется для захвата груза. В начальном положении захватывающее устройство находится строго над вертикальной стопкой коробков. По команде «начало работы» захват опускается до соприкосновения с верхней коробкой, осуществляется захватывание и коробка переносится
Классификационный
признак
I. Характер выполняемых операций
И. Степень специализа* ции
Щ. Область применения по виду < производства
[Промышленные роботы | [Учебный робот |
ИГ. Системы основных координат- < ных перемещений
4UL/IU .-- *
степеней к? одной степенью | | С двумя степенями | | Сп степенями ]
подвижно- L------------------- -----------------------------------------
ста г Грузоподъемности
]Ш Мобиль- г ность
УШ. Конструк- • тивное исполнение
[Стационарные |
[Встроенные в оборудование
Напольные, [подвесные
настольные 1------------
ZX. Тип силового привода
I. Схема рас- -положения приводов
Электромеханический Пневматический Гидравлический Комбиниро -банный
[в едином блоке [На исполнительных органах |
| Комбинированная компановка |
XL Характер обработки программы
П. Характер программирования
Жесткопрограммируемые Адаптивные
; ।_________
Гзбкопрограм -мируемые
Рис. 31. Классификационные признаки роботов
Рис. 32. Кинематическая схема простейшего робота
влево или вправо на определенный заданной программой угол. При достижении нужной точки захват разжимается, коробка падает на заданное место. Затем вертикальная стойка поворачивается в исходное положение, и захват опять устанавливается строго над стопкой коробков склада. Захват опускается, берет второй коробок и т. д. по программе. Работа повторяется до тех пор, пока вся программа не будет выполнена полностью.
Выяснив, какие движения должен выполнять манипулятор, и некоторые важные особенности его конструкции, продолжим определение основных классификационных
признаков учебного робота, что поможет понять, к какому типу он относится и, самое главное, составить его технический паспорт.
Далее следует выяснить, какую систему координат удобно выбрать для описания перемещений проектируемого учебного робота (речь идет именно об удобстве, так как положение точки в пространстве можно описать различными способами). Ответить на вопрос поможет рисунок, на котором показана кинематическая схема манипулятора учебного робота (рис. 32). Для ее описания удобно использовать цилиндрическую систему координат. Рассматриваемый манипулятор имеет две степени подвижности — одна определяется поворотом в горизонтальной плоскости, другая — перемещением захвата в вертикальном направлении.
Выбор в качестве грузов, перемещаемых учебным роботом, спичечных коробков определяет его грузоподъемность — очевидно, проектируемый робот относится к сверхлегким.
Мобильность робота определяется заданными нами функциями— он должен быть стационарным и иметь настольное конструктивное исполнение.
Перейдем теперь к решению одного из наиболее важных вопросов — каким должен быть силовой привод манипулятора. Для любительского конструирования наиболее пригоден электромеханический привод. Он находит широкое применение в промышленных роботах и используется в школьном учебном роботе типа УРТК.
Основной частью электромеханического привода является электродвигатель, используемый в различных моделях школьных электроконструкторов. От пневматических и гидравлических двигателей он отличается простотой в обращении, малыми габаритами и невысокой стоимостью.
Следующий классификационный признак роботов (характер обработки программы) определяется особенностями управляющих программ. При жестком программировании работы исполнительного устройства программа задается заранее и не меняется
в зависимости от состояния внешней среды. Например, проектируемый учебный робот будет действовать одинаково и в случае, если коробочки сложены в стопку и если они рассыпаны. То, что понятно человеку без всякого предварительного объяснения, недоступно не только простому учебному роботу, но и значительно более сложным промышленным роботам — редкий из них «догадается» сложить рассыпанные в беспорядке коробочки с тем, чтобы их было удобно захватывать механической рукой.
Автоматически менять программу в определенных пределах могут адаптивные роботы, способные приспосабливаться к изменению внешней среды. Чем выше адаптационные свойства робота, тем он совершеннее, тем больше по своим возможностям он может заменить человека.
Характер программирования пока рассматривать не будем.
Итак, в результате предварительного проектирования были выделены следующие классификационные признаки, составляющие технический паспорт учебного робота:
1. Характер выполняемых операций
2. Степень специализации
3. Область применения
4. Система основных координатных перемещений
5. Число степеней подвижности
6. Грузоподъемность
7. Мобильность
8. Конструктивное исполнение
9. Тип силового привода
10. Характер обработки программы
— вспомогательный робот
— специальный робот
— транспортно-складские работы
— цилиндрическая
— 2
— сверхлегкий робот
— стационарный робот
— настольная конст-
рукция
— электромеханический
— жесткопрограммируемый робот
1. Какие основные функции выполняют подъемно-транспортные роботы? Какое другое название они имеют?
2. Почему для конструирования манипулятора самодельного учебного робота удобно использовать подъемно-транспортные операции?
3. Перечислите основные функции учебного робота.
4. Какую систему координат удобно использовать для учебного робота, выполняющего погрузочно-разгрузочные работы?
5. Сколько степеней подвижности должен иметь манипулятор учебного робота?
6. Составьте кинематическую схему манипулятора робота, у которого захватывающее устройство может совершать возвратно-поступательное движение вдоль вертикальной оси.
7. Измените кинематическую схему манипулятора простейшего робота, показанную на рисунке 32, так, чтобы манипулятор мог размещать груз
Рис. 33. Примеры манипуляторов роботов
в любой точке горизонтальной плоскости в пределах размеров его звеньев.
8. Соберите из деталей металлоконструктора механическую конструкцию манипулятора, способную вращаться вокруг вертикальной оси. (В качестве образца можете использовать модель подъемного крана.) Нарисуйте кинематическую схему спроектированной и изготовленной вами модели.
9. Составьте структурные схемы манипуляторов, представленных на рисунке 33.
2. Механические передачи для манипулятора учебного робота
В учебном роботе механическая передача используется при передаче движения от электродвигателя к различным звеньям манипулятора. Обычно звено — это деталь или несколько деталей, жестко соединенные между собой, а в робототехнике звеном называется степень подвижности, перемещаемая в нужном направлении с выбранной скоростью. Рассмотрим следующие виды передач, широко применяемые в роботах: зубчатые, червячные, ременные. Они не только связывают электродвигатель со звеньями манипулятора, но и обеспечивают заданное изменение скорости вращения, а также вращательного момента. Если угловая скорость вращения на выходе механической передачи меньше, чем на ее входе, то такая передача называется редуктором. В зубчатом редукторе преобразование движения происходит посредством зацепления зубьев шестерни и ведомого зубчатого колеса, т. е. пары шестерня — зубчатое колесо. Редукторы могут быть
многоступенчатыми, тогда они состоят из нескольких пар шестерен и зубчатых колес. Основные технические характеристики редуктора можно рассчитать.
Примеры. На валу микроэлектродвигателя типа МДП-1 насажена шестерня, имеющая 13 зубьев (z =13). Шестерня зацепляется с зубчатым колесом, число зубьев которого 63 (zm=63). Частота вращения вала электродвигателя лдв=4300 об/мин ±15%, как указано в техническом паспорте. Требуется определить частоту вращения выходного вала редуктора пвых-
Частота вращения ивых определяется передаточным числом редуктора и3 п • пдв 2К
В данном случае и3 п= (---)=(----)•
пвых Zm
п№ 2к 63
Отсюда ивых= (—---). Поскольку и3 п = (—) = (—) «4,8,то
, 4300 ч /
лвых= 896 Об/мин.
Если редуктор многоступенчатый, то передаточное число равно произведению передаточных чисел входящих ступеней или пар шестерня — зубчатое колесо. Если же вместо зубчатого редуктора использовать червячный, то передаточное число 2К
нсп= (—), где z4 — число заходов червяка (число винтовых линий, нарезан-
ных на червяке). Число заходов может быть разное: z =1; 2; 4. При z =1, 63 4 4
ичп= (__)=63. Передаточное число червячного зацепления значительно больше,
чем зубчатого, а частота вращения выходного вала редуктора — меньше. Червячные редукторы применяются, когда необходимо передать вращение между
скрещивающимися в пространстве осями.
При использовании ременной передачи передаточное число и будет зависеть
D2
от диаметров шкивов, на которые, надет ремень: н , гдеР1 и Z)2 — диамет-р Di
ры, соответственно, ведущего и ведомого шкивов (Di^Dz). Ременная передача применяется при передаче движения на значительные расстояния и для точных перемещений выходного звена.
Соединение редуктора с электродвигателем и механическими звеньями манипулятора должно быть без перекосов и несоосно-стей, что обеспечивается с помощью специальных устройств — муфт, специальных зубчатых колес, нерастягивающихся ремней (армированных металлом) и т. п.
Часто в паспортных данных задана максимальная нагрузка на выходном валу редуктора Гтах. Например, максимальная нагрузка на валу редуктора Р-1 (рис. 34) составляет 10 мН*м.
Названная техническая характеристика ограничивает величину вращающего момента на выходном валу редуктора, при превышении которой вал может сломаться. Момент равен произведению силы на плечо. С определением плеча силы вы встречались на уроках физики в VII классе. Плечо равно кратчайшему рас-
Рис. 34. Пластмассовый редуктор для игрушек
Плечо!
Плечо П
F2
' п
Рис. 35. Пояснение правила определения плеча силы и вращающего момента
стоянию (перпендикуляру) между осью или центром вращения и на правлением действия силы (рис. 35).
Вращающий момент на выходном валу редуктора Гвых связан с вращающим моментом электродвигателя Т соотношением Т = Т -и -п , где &ред — передаточное число редуктора; пред — к.п.д. редуктора. Для нормальной работы редуктора необходимо, можно добиться правильным расчетом:
чтобы 7’вых<7’тах. Этого подбором передаточного числа редуктора (чисел зубьев, ступеней, диаметров шкивов, заходов червяка и числа зубьев червячного колеса и т. д.).
Передача движения в различных звеньях манипулятора может осуществляться также посредством рычажных механических передач. Примером применения системы рачагов может служить захватное устройство, один из вариантов которого показан на рисунке 15. При расчете удерживающей силы нужно учитывать усилие, развиваемое исполнительным механизмом, и длины плеч рычагов.
Мощность на выходном валу редуктора 1Гвых определяется зависимостью №в = Гвых-щвых или
= Лых «вых/9-55;
где (0вых — угловая скорость выходного вала (ювых=ллвых/30).
Мощность на выходе редуктора меньше мощности элетродвига-теля Ц7дв. Потери мощности зависят от к.п.д. редуктора:
^вых= ^дВХ П ред.
Таким образом, согласно закону сохранения энергии в редукторах, проигрывая в скорости (частота вращения выходного вала меньше, чем на его входе), получается выигрыш в силовой характеристике (момент на выходном валу увеличивается).
1. Определите передаточное число зубчатого одноступенчатого редуктора, состоящего из шестерни с zm= 13 и колеса гк=37.
2. Определите передаточное число двухступенчатого редуктора, кинематическая схема которого показана на рисунке 36.
3. Добавьте в редуктор, показанный на рисунке 36, червячную передачу и определите передаточное число при zq=l,2; zk=56.
4. Выразите в Н-м вращающий момент 200 мН-м.
5. Чему равен вращающий момент электродвигателя, равномерно поднимающего груз массой 1 кг, подвешенный к шкиву диаметром 15 см? 6. Чему равна угловая скорость выходного вала редуктора типа Р-1 (см. рис. 36), соединенного с микроэлектродвигателем типа МДП-1 (п =43004-15% об/мин), если и =79?
' дв ' ' ред
?! 1. Назовите основные типы передач и их основную техническую характери-
стику.
2. В каких единицах измеряется вращающий момент?
3. Для чего предназначен редуктор?
4. Какая связь существует между изменением угловой скорости с помощью передачи и вращающим моментом? Как эта связь объясняется существованием закона сохранения энергии?
5. Как определяются плечо и момент силы?
3. Электромеханические элементы электрической цепи
К электромеханическим элементам относятся различные выключатели, переключатели, вилки, разъемы и другие механические устройства, содержащие электрические контакты. Они также называются коммутационными (от латинского слова commuta-tio — перемена). Контакты коммутационных устройств могут быть трех типов — замыкающие (рис. 37, а), размыкающие (рис. 37, б) и переключающие (рис. 37, в).
Существуют коммутационные приборы мгновенного действия, осуществляющие включение и переключение резко, с характерным щелчком. Такие выключатели, например, используют для включения в сеть настольных ламп, люстр, бытовых электрических и электронных приборов. Резкое замыкание и особенно размыкание цепи позволяет уменьшить искрение контактов.
В конструкции самодельного учебного робота следует применять так называемые путевые или концевые выключатели. Назначение их хорошо видно из названия — проводить выключение (включение или переключение) в конце перемещения какого-либо механического устройства. Путевые выключатели в электрической схеме робота ставятся для ограничения углов поворота манипулятора, который не должен совершать полный оборот. Электрические контакты могут использоваться и для определения промежуточных положений манипулятора, но это приводит к усложнению переналадки и снижению надежности работы контактных элементов.
Инертность механических контактов ограничивает их применение там, где важна большая скорость. При конструировании 42
Рис. 37. Условные обозначения переключателей и кнопок
Рис. 38. Контактная схема, моделирующая операцию ИЛИ
учебного робота перечисленные недостатки не имеют большого значения, так как робот не должен обладать высоким быстродействием, чтобы можно было удобно наблюдать за выполняемыми операциями.
При параллельном соединении замыкающих контактов цепь исполнительного устройства будет замкнута при замыкании любого первого ЗЛ1 или второго SA2 контактов (рис. 38). Такое соединение образует логический элемент ИЛИ.
Этот логический элемент широко используется в автоматических схемах, но реализуется в них с помощью бесконтактных полупроводниковых элементов (о них будет рассказано при ознакомлении с электронными цепями управления учебным роботом).
В электрической схеме проектируемого робота элемент ИЛИ можно использовать в различных случаях, например, он необходим для включения электродвигателя при получении сигналов от источников: от схемы автоматического управления и от контактов, замыкаемых оператором, демонстрирующим управление роботом с пульта.
При последовательном соединении замыкающих контактов, когда для срабатывания цепи необходимо, чтобы были замкнуты первый и второй контакты, образуется логический элемент И (рис. 39). В этом случае реализуется (моделируется) логическая операция «И» — цепь замыкается и возникает выходной сигнал только в одном случае, когда замкнут первый контакт (подан сигнал на первый вход), и замкнут второй контакт (подан сигнал на второй вход), и замкнут третий контакт и т. д. (Обратите внимание на то, что логические элементы И и ИЛИ могут быть образованы любым числом, соответственно, последовательно и параллельно соединенных замыкающих контактов.)
Следующей логической операцией, которую можно смоделировать с помощью электрических контактов, является операция НЕ. Но в этом случае используются размыкающие контакты (рис. 40).
В электрической схеме учебного робота контактный элемент НЕ можно применить, например, в цепи управления микроэлектродвигателя для включения двух путевых выключателей в двух крайних положениях манипулятора: цепь электропитания двигателя будет разрываться при срабатывании любого из путевых выключателей.
SA1 зю
<ГЛ7 I I__________
Рис. 39. Контактная схема, моделирующая операцию И
Рис. 40. Контактная схема, моделирующая операцию НЕ
Рис. 41. Кулачковый механизм
Для изготовления контактных элементов путевых выключателей можно использовать контакты от электромагнитных реле. В проектируемом учебном роботе они будут замыкаться, размыкаться или переключаться в зависимости от расположения различных кулачков, упоров или ограничителей. Пример путевого выключателя, реагирующего на положение кулачка, насаженного на вал редуктора, показан на рисунке 41.
1. Ознакомьтесь с конструкциями кнопок, выключателей и переключателей.
2. Определите с помощью омметра назначение выводов электромеханических выключателей, т. е. найдите, какие контакты замыкаются и какие размыкаются при нажатии на кнопку или при переводе ручки выключателя в другое положение. Проделайте эту же работу с электромагнитными реле, нажимая пальцем на якорь (если электромагнитное реле находится в защитном кожухе, то его надо снять).
Пользуясь условными обозначениями контактов, нарисуйте их расположение.
3. Изготовьте кулачковый прерыватель в цепи электроконтактов. Пользуясь рисунком 41, изготовьте замыкающуюся и размыкающуюся группу путевого выключателя электропривода.
4. Нарисуйте логические элементы ИЛИ, И и НЕ, состоящие из четырех контактов.
5. Нарисуйте элемент ИЛИ — НЕ, состоящий из трех контактов, опишите логику его работы.
?! 1. Для чего служат путевые выключатели?
2. Как осуществляется программирование робота с помощью путевых выключателей? Какие основные недостатки у схемы управления, основанной на использовании электромеханических контактов?
3. Нарисуйте схему включения электродвигателя тремя кнопками, расположенными в разных местах.
4. Электроизмерительные приборы
Наиболее часто в практической работе используется универсальный школьный электроизмерительный прибор типа
Рис. 42. Универсальный электроизмерительный прибор АВО-63
Рис. 43. Шкала АВО-63
АВО-63 (авометр, рис. 42). Он объединяет в себе следующие электроизмерительные приборы — амперметр, вольтметр и омметр (от этих слов образована аббревиатура, обозначающая тип прибора). С помощью авометра можно проводить следующие измерения в цепях постоянного и переменного токов:
Постоянные:
ток, мА . . . 0. .0,2; 0. . .0,5; 0.. .5;
0. . .50; 0. . .500 напряжение, В. . . 0. . .2; 0. . .10; 0. . .50; 0. . .200;
0. . .500
Переменные:
ток, мА . . . 0. . .0,5; 0. . .5; 0. . .50; 0. . .500
напряжение, В... 0.. .10; 0.. .50; 0. . .200; 0. . .500 Сопротивление, Ом. . . 0. . .2000; 0. . .20000; 0. . .200000;
0. . .2000000
Помните: в школьной лаборатории можно проводить измерения в цепях с напряжением не выше 42 В.
Для измерения токов и напряжений используют гнездо с маркировкой (надписью) «общ», расположенное в центре передней панели прибора, и одно из гнезд с маркировкой «тА» и «V». Слева расположены гнезда вольтметра постоянного и переменного токов, справа — миллиамперметра постоянного и переменного токов. Перед проведением измерений нужно правильно выбрать предел измерения и шкалу измерительного прибора (рис. 43).
Нижняя шкала авометра равномерная, содержит 50 делений и предназначена для измерения постоянных токов и напряжений. Эта шкала помечена знаком «—». Средняя шкала неравномерная. Она имеет те же 50 делений и служит для измерения переменных токов и напряжений, помечена знаком «~». Верхняя шкала еще более неравномерная, она предназначена для измерения сопротивлений. Она помечена знаком «й». Особенностью верхней шкалы является то, что нулевое деление расположено справа. Под шкалами расположены три ряда цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5; 0, 2, 4, 6, 8, 10; 0, 4, 8, 12, 16, 20. Ими удобно пользоваться для определения цены
деления шкалы. Например, необходимо измерить силу постоянного тока, не превышающую 300 мА. Значит, из пяти возможных для данного прибора пределов измерения постоянного тока (см. ранее) следует выбрать интервал 0...500 мА. Тогда крайнее правое деление шкалы будет соответствовать 500 мА и при числе делений шкалы 50 цена одного из них будет равна 10 мА. Теперь, если стрелка прибора отклонится, например, на 26 делений, измеряемая сила тока составит 260 мА. В рассматриваемом примере измерение было возможно только в одном, самом грубом пределе измерения. Чем уже предел измерения, тем меньше погрешность измерения.
Сопротивления измеряются с использованием гнезд, расположенных по горизонтали в нижней части лицевой панели прибора. Гнездо омметра с маркировкой «общ» находится внизу, справа. Для проведения измерений одну вилку соединительного провода вставляют в гнездо «общ», а другую — в гнездо, имеющее одну из следующих маркировок: «XI», «ХЮ», «X 100» и «X 1000» (чем больше измеряемое сопротивление, тем с большим множителем выбирается гнездо).
Перед началом измерения нужно установить «нуль омметра». Для этого концы соединительных проводов, вставленных в гнезда омметра, соединяют друг с другом, т. е. гнездо «общ» и гнездо с выбранным множителем соединяют проводником. Стрелка отклоняется примерно на всю шкалу (может даже зашкалить). Вращая ручку с маркировкой «Уст. 0», расположенную в левом нижнем углу прибора, стрелку переводят в нулевое положение. Затем к зажимам проводов подключают резистор с неизвестным сопротивлением. Если предел измерения выбран правильно, то стрелка отклонится на угол, соответствующий не менее 1 /3 длины шкалы. Если отклонение незначительное, то следует сменить предел измерения, предварительно установив для него нуль шкалы. Для определения значения измеренного сопротивления показания шкалы умножают на соответствующий множитель.
Для измерений постоянных сил тока, напряжений и сопротивлений ручку, расположенную в правом нижнем углу прибора, поворачивают влево до упора так, чтобы белая точка на ней находилась напротив знака «й». Для измерения переменных сил тока и напряжений ту же ручку поворачивают вправо, устанавливая точку напротив знака «~».
При проведении измерений нужно внимательно выбирать пределы измерений и правильно включать прибор в цепь. Ошибки могут привести к порче прибора и электронной схемы. Особенно опасны ошибки при измерении напряжения, когда провода оказываются случайно вставленными в гнезда, соответствующие измерению тока.
Щ 1. Ознакомьтесь с конструкцией школьного универсального электроизмерительного прибора, определите назначение его гнезд.
2. Определите цену, деления миллиамперметра постоянного и переменного тока (вольтметра, омметра) на всех пределах измерения.
3. Соберите цепь, состоящую из батареи карманного фонаря, лампочки и выключателя карманного фонаря. Измерьте силу тока в цепи и напряжение на выводах батареи. Напряжение измерьте при включенной и выключенной лампочке.
4. Включите последовательно две лампочки, измерьте силу тока в цепи и напряжение на выводах лампочек.
5. Включите две лампочки параллельно, измерьте силу тока, протекающего через каждую из лампочек, общий ток, напряжение на зажимах батареи.
6. Измерьте сопротивления резисторов, катушек индуктивностей и реостатов.
?! 1. Для каких целей служат амперметр и вольтметр?
2. Как включаются в цепь амперметр и вольтметр?
3. Как определяется цена деления шкалы электроизмерительного прибора?
4. Как меняется напряжение на зажимах батареи при включении электрической лампы?
5. Что можно сказать о токах в различных участках последовательной цепи?
6. Какое соотношение существует между током в общей цепи и в отдельных ветвях при параллельном соединении?
7. Чему равно сопротивление, если стрелка омметра находится на делении 50 и выбран множитель 100?
5. Источники электрического тока
Источники электрического тока являются важной составной частью любой электрической цепи. В переносной электронной аппаратуре, работающей от постоянного напряжения, используются химические источники электрического тока — различные гальванические элементы (рис. 44, а), батареи (рис. 44, б), аккумуляторы (рис. 44, в). В стационарной электронной аппаратуре применяют выпрямители — специальные устройства, преобразующие переменное напряжение сети в постоянное. Кроме того, в промышленной и бытовой аппаратуре все чаще применяются такие первичные источники электропитания, как солнечные элементы или солнечные батареи.
Любой источник электропитания характеризуется следующими основными электрическими величинами: номинальным (рабочим) напряжением, номинальной и максимально допустимой силой тока и внутренним сопротивлением. Батарея карманного фонаря типа 3336, например, имеет напряжение 3,7 В при номинальной силе тока нагрузки 0,26 А, внутреннее сопротивление примерно 3 Ом. Гальванические элементы можно соединять в батареи после-
Рис. 44. Источники электрического тока
довательно и параллельно. В первом случае напряжение и внут-г реннее сопротивление батареи будут равны сумме, соответственно, напряжений и сопротивлений составляющих ее элементов, во втором случае напряжение батареи будет равно напряжению одного из элементов, а внутреннее сопротивление батареи будет меньше внутреннего сопротивления элемента.
В практических работах может использоваться школьный выпрямитель ВУ-4. Он питается от сети напряжением 36 В, выпрямленное напряжение равно 3,54=0,8 В (в зависимости от тока нагрузки). Максимальная сила тока нагрузки 1,2 А. Выпрямленное напряжение пульсирует с частотой 100 Гц.
Основным источником питания электронных схем может служить школьный прибор типа ИЭПП-1 или ИЭПП-2. Он имеет следующие основные электрические характеристики. Прибор может питаться от источников с напряжением 220 В и 36 В. Выходное постоянное напряжение может плавно меняться от 0,5 до 12 В при максимальной силе тока нагрузки 1 А. В приборе используется специальная электронная схема стабилизации, благодаря которой при изменении силы тока нагрузки от 0 до 1 А выходное напряжение сохраняется постоянным. В приборе имеются также, источник нестабилизированного выпрямленного напряжения с плавной регулировкой от 0 до 40 В и источник переменного напряжения 12 В.
Щ 1. Ознакомьтесь с внешним видом различных типов химических источников тока: элементов типа 373, 343, 332, 316, батареи типа 3336 и аккумуляторов Д-0,25, Д-0,5. Найдите на корпусах маркировку полюсов источника.
2. Измерьте с помощью вольтметра школьного авометра напряжение на полюсах химических источников тока. При измерении обратите внимание на правильность включения соединительных проводов прибора (используются гнезда вольтметра) и на положение ручки выбора режима измерения, расположенной в правом нижнем углу. Результаты запишите в тетрадь. 3. Ознакомьтесь с внешним видом выпрямителя типа ВУ-4, включите его в розетку с напряжением 36 В. Измерьте напряжение на зажимах выпрямителя.
4. Ознакомьтесь с расположением и назначением зажимов, регуляторов и переключателя режимов измерения прибора ИЭПП-1.
5. Измерьте напряжение на зажимах 0,5... 12 В и 0...40 В при разных положениях регуляторов. Сравните показания встроенного вольтметра и вольтметра АВО-63.
?! 1. Назовите основные электрические характеристики источников тока.
2. Назовите электрические характеристики батарей, состоящих из последовательно и параллельно соединенных элементов.
3. Как меняется напряжение на зажимах источника тока с ростом силы тока нагрузки?
4. Сравните электрические характеристики батареи типа 3336 и выпрямителя ВУ-4. В чем преимущества и недостатки выпрямителя ВУ-4?
5. Назовите назначение зажимов и органов управления приборов ИЭПП-1, ИЭПП-2.
6. Каково назначение схемы стабилизации источника напряжения?
6. Электромагнитные элементы
К электромагнитным элементам, наиболее широко используемым в различных автоматических устройствах, относятся электромагниты и электромагнитные реле. С электромагнитами и электромагнитными реле вы уже встречались на уроках трудового обучения, когда собирали модели из деталей конструктора.
Электромагнит состоит из катушки медного провода, насаженного на стальной сердечник. При протекании по проводнику постоянного тока возникает магнитное поле, которое значительно усиливается сердечником. Меняя силу тока в одной и той же катушке, можно менять величину ее магнитного поля и, следовательно, силу притяжения магнита. Кроме того, силу притяжения электромагнита можно увеличить и за счет увеличения числа витков катушки.
Электромагнит существенно отличается от обычного магнита (намагниченного стального стержня). Прежде всего электромагнит может легко менять свою полярность, для этого достаточно поменять направление тока в катушке. Далее магнитные свойства практически полностью исчезают при обесточивании катушки, т. е. сердечник может приобретать магнитные свойства в строго заданные моменты времени, например, по сигналу оператора или автоматического устройства может срабатывать или отключаться электромагнит захватывающего устройства робота.
Следующая особенность электромагнита состоит в том, что его магнитные свойства и силу притяжения можно изменять в широких пределах. Для электромагнитного захватывающего устройства это свойство очень важно, так как позволяет осуществить плавную регулировку степени сжатия переносимого груза.
Электромагнитное реле представляет собой механический переключатель, соединенный с электромагнитом. В результате такого объединения получается принципиально новый элемент, имеющий исключительно широкое применение в самых различных областях автоматики. Можно даже сказать, что появление первых автоматических устройств в телеграфии и в цепях дистанционного управления на железной дороге в прошлом веке было обусловлено изобретением в 1830 г. электромагнитного реле.
Переключение контактов электромагнитного реле осуществляется при притяжении стальной пластинки (якоря) к сердечнику электромагнита. К якорю прикреплена возвратная пружина, роль которой иногда выполняют сами контактные пластины, как это показано на рисунке 45, а. Конструкция электромагнитного реле может меняться в зависимости от формы катушки /, якоря 3, сердечника 2 и контактов 4, от числа витков и секций катушки, числа и типов контактов и т. д.
В электромагнитных реле различают первичную цепь, в которую включена обмотка, и вторичную цепь с контактами. Электрически эти цепи не связаны, они могут иметь разные
4 Робототехника
Рис. 45. Нейтральное электромагнитное реле (а), схема электромагнитной «памяти» (6), геркон (в)
источники питания, разные токи и напряжения. Более того, во вторичной цепи может использоваться источник переменного напряжения. Основным достоинством электромагнитных реле является возможность с их помощью усиливать ток, напряжение и электрическую мощность. Эти электрические величины намного больше во вторичной цепи, чем в первичной. С помощью электромагнитных реле можно осуществлять дистанционное управление различными объектами.
Еще одним свойством электромагнитного реле, имеющим большое практическое применение, является возможность «запоминать» электрические сигналы. Моделирование «памяти» осуществляется с помощью простой схемы, показанной на рисунке 45, б. В ней напряжение на обмотку электромагнитного реле подается через кнопку «Пуск» (SB2) и замыкающие контакты реле К1. Подача входного сигнала — нажатие на кнопку «Пуск», реле К1 срабатывает, контакт К 1.1 замыкается, и напряжение подается через два замкнутых контакта, соединенных параллельно (кнопку «Пуск» и К 1.1). При отпускании кнопки реле оказывается в сработанном состоянии, так как его питание осуществляется через контакт К 1.1. Тем самым оно «запомнило» ранее поступивший сигнал. Для отпускания реле необходимо кнопкой «Стоп» (SB1) разомкнуть цепь ее питания.
Подобные схемы используются для включения различных станков, для «запоминания» электрических сигналов в схемах автоматических устройств.
Еще одним вариантом электромагнитных реле являются герконовые реле (геркон — герметизированные контакты). Герконовое реле состоит из геркона — контактов, заключенных в стеклянный баллон с откачанным воздухом или заполненный газом, и обмотки электромагнита (рис. 45, в). Контакты изготавливают из магнитных материалов, поэтому они притягиваются в магнитном поле обмотки. В одном герконовом реле может быть несколько обмоток и несколько баллонов с контактами. В отличие от обычного электромагнитного, в герконовом реле между электромагнитом и контактами нет не только электрической, но и механической связи.
Она осуществляется на расстоянии благодаря магнитному полю. Достоинством герконов является большая надежность работы контактов, защищенных от воздействия пыли и влаги. Благодаря созданию вакуума в баллоне или заполнения его инертным газом резко уменьшается искрение контактов в момент размыкания. Герконы отличаются высоким быстродействием из-за малых размеров и массы контактов.
Основной характеристикой электромагнитных реле является сила тока срабатывания — это минимальный ток, при котором якорь притягивается к сердечнику и замыкает (размыкает) контакты. Величина этого тока зависит от числа витков обмотки, жесткости пружины и других конструктивных особенностей реле. Другие важные характеристики — сопротивление обмотки (для постоянного тока), число витков, диаметр и марка медного провода указываются на обмотке реле. Там же указывается паспорт реле — шифр из букв и цифр, например РФО. 452.102 PC 452 4303, по которому в справочнике можно найти все электрические характеристики.
Применяются электромагниты, в которых сердечник катушки не связан жестко с ее каркасом, поэтому, когда в катушке возникает электрическое поле, сердечник втягивается внутрь ее. При рациональном выборе конструкции катушки и сердечника это перемещение может быть достаточным, чтобы привести в движение различные исполнительные механизмы — запорный стержень электрического замка, механическую заслонку автоматического регулятора подачи жидкости, рычаги захватывающего устройства и т. д.
1. Соберите электромагнит из деталей электроконструктора. Проверьте зависимость силы магнитного притяжения от числа витков катушки и от наличия сердечника. В качестве источника электрического тока используйте батарею от карманного фонаря или выпрямитель ВУ-4.
2. Соберите электромагнит с подвижным сердечником из деталей электроконструктора и проверьте его работу. В качестве источника постоянного тока лучше использовать выпрямитель ВУ-4, рассчитанный на ток нагрузки до 1,2 А. Этот электромагнит можно изготовить из электромагнитного реле, аккуратно вынув сердечник из катушки.
3. Ознакомьтесь с конструкцией малогабаритного электромагнитного реле. Найдите составные части реле — катушку, сердечник, якорь, контакты, пружину. Посмотрите, как замыкаются и размыкаются контакты при нажатии на якорь. Запишите данные маркировки. Измерьте сопротивление обмотки.
4. С помощью миллиамперметра АВО-63 измерьте ток срабатывания реле, собрав цепи питания обмотки реле К 1 и лампы HL1 (рис. 46). В качестве источника питания используйте прибор ИЭПП-2.
5. Соберите схему, позволяющую «запоминать» электрический сигнал.
?! 1. Назовите основные части электромагнита.
2. Какими способами можно увеличить силу притяжения электромагнита?
3. Назовите основные части электромагнитного реле, выделите те из них, которые являются общими для электромагнита и реле.
Рис. 46. Схема измерения тока срабатывания электромагнитного реле: HL1 — лампа индикатора; GB1 — гальванический элемент
4. Какие основные характеристики имеет электромагнитное реле?
5. Перечислите наиболее важные свойства электромагнитного реле.
6. Нарисуйте схему для определения тока срабатывания электромагнитного реле
7. Объясните, как работает схема электромеханической памяти.
8. Для каких целей используется электромагнит с подвижным сердечником? Назовите примеры его практического применения.
9. Придумайте конструкцию захвата для учебного робота, использующего электромагнит.
10. Выполните предыдущее задание для случая, когда рычаги захватывающего устройства приводятся в движение с помощью подвижного сердечника электромагнита.
7. Микроэлектродвигатель электропривода учебного робота
Электродвигатели являются основной частью электроприводов различных автоматических устройств. Они сильно отличаются по принципу действия и конструкции. Так, различают электродвигатели постоянного и переменного тока, они могут работать от одно-, трех- или многофазного источников напряжения, иметь различную мощность, крутящий момент, габариты, массу и т. п. Соответственно резко отличается и область их применения — от громадных подъемно-транспортных машин и механизмов до наручных часов.
В своих практических работах мы будем использовать микроэлектродвигатель типа МДП-1, выпускаемый Московским опытно-экспериментальным школьным заводом «Чайка». Он предназначен для установки в игрушках и имеет следующие технические характеристики (номинальные значения):
напряжение питания (постоянное), В..........3
потребляемый ток, А.......................0,5
частота вращения вала, об/мин............... 4300±15 об/мин
момент на валу, мН-м..................... 1,0
Для питания микроэлектродвигателя можно использовать плоскую батарею от карманного фонаря типа 3336, рассчитанную на номинальное напряжение 3,7 В и номинальный ток 0,26 А, но поскольку микроэлектродвигатель потребляет ток примерно в 2 ра
за больший, чем лампа карманного фонаря, срок службы батареи сократится примерно в 2 раза. Поэтому в качестве источника питания целесообразнее использовать учебный выпрямитель ВУ-4, рассчитанный на номинальный ток 1,2 А.
Изменение направления вращения электродвигателя называется его реверсированием. У микроэлектродвигателей постоянного тока типа МДП-1 оно осуществляется путем изменения полярности питающего напряжения.
Номинальная частота вращения вала двигателя велика, так, за 1 с он совершает примерно 72 оборота (п/60= 4300/60^72), поэтому микроэлектродвигатель практически всегда используют совместно с редуктором. (Понятие вращающего момента уже было использовано при изучении механических передач учебного робота.) При использовании передачи, состоящей из шкива и нити, электродвигатель МДП-1 может поднять груз массой 10 г при радиусе шкива в 1 см. Если использовать пластмассовый редуктор Р-1, то на его ведомом валу вращающий момент возрастает в 10 раз. Приведенная приближенная оценка вращающего момента микроэлектродвигателя позволяет сделать заключение о его пригодности для использования в модели учебного робота, рассчитанного на переноску спичечных коробков.
Перейдем к испытанию микроэлектродвигателя.
1. Проверьте работу микроэлектродвигателя МДП-1 в холостом режиме, т. е. без нагрузки. Подключите его к батарее 3336 и с помощью школьного авометра измерьте напряжение, при котором он работает, и потребляемый ток. Обратите внимание на то, что напряжение батареи без нагрузки больше напряжения под нагрузкой, т. е. при подключенном электродвигателе.
2. Соберите схему реверсирования микроэлектродвигателя с помощью двухполосного переключателя (рис. 47).
3. Изготовьте индукционный датчик частоты вращения вала микроэлектродвигателя. Датчик состоит из постоянного магнита, насаженного на вал двигателя, и катушки с сердечником, расположенной так, чтобы при вращении магнита его силовые линии пересекали витки катушки (рис. 48). В результате этого в катушке возникает периодически меняющийся
SA1
Рис. 47. Схема реверсирования микродвигателя
Рис. 48. Схема работы индукционного датчика частоты вращения электродвигателя
электрический ток. Подобный датчик является генератором электрического тока. Период колебаний электрического тока в датчике равен частоте вращения двигателя.
В качестве постоянного магнита можно использовать магнитную стрелку, имеющуюся в школьном электроконструкторе. В нем же имеется катушка электромагнита, пригодная для использования в качестве индукционного датчика.
4. Пользуясь индукционным датчиком и школьным осциллографом, измерьте частоты вращения микроэлектродвигателя. Измерения проведите в холостом режиме и при различных нагрузках.
5. Изготовьте датчик частоты вращения, основанный на использовании свойства обратимости электродвигателя постоянного тока (микроэлектродвигателя). Оно состоит в том, что если вращать вал электродвигателя, не включенного в электрическую цепь, то на его выводах возникает напряжение, т. е. электродвигатель превращается в генератор электрического тока. При этом очень важно, что величина возникшего (индуцированного) напряжения строго зависит от частоты вращения вала, поэтому по показаниям вольтметра, включенного в цепь датчика, можно однозначно судить о частоте вращения вала электродвигателя.
6. Используя новый датчик, определите зависимость частоты вращения вала электродвигателя от нагрузки. Измерьте напряжение на холостом ходу и при разных значениях нагрузки, которую проще всего создать, тормозя вращение вала микроэлектродвигателя пальцами рук (его мощность настолько мала, что можно не опасаться травмы). Результаты измерений запишите в тетрадь.
1. Для каких целей используются электродвигатели в автоматических устройствах?
2. Приведите примеры использования электродвигателей в бытовых электроприборах.
3. Назовите основные электрические характеристики микроэлектродвигателя.
4. Как устроен индукционный датчик частоты вращения?
5. В чем проявляется свойство обратимости микроэлектродвигателя и как оно используется для изготовления датчика частоты вращения?
6. Какова зависимость между нагрузкой на валу двигателя и его частотой вращения?
УПРАВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ
НАУКА ОБ УПРАВЛЕНИИ
В настоящее время общую теорию управления, применимую к любой системе вообще, рассматривают как науку об управлении и связи в механизмах, организмах и обществах. Под системой понимается объединение любых элементов, рассматриваемых как связанное целое, например действующее предприятие или цех, автоматические машины, промышленные роботы или часовые механизмы.
Критерием для выделения совокупности элементов в систему служит степень их связанности внутри системы и этой системы с внешним миром.
Источником всякой информации является наблюдение, пассивный или активный эксперимент. А управление всегда связано с использованием наблюдений, использованием информации об управляемой системе, о результатах реализации управляющих воздействий.
Обмен информацией внутри системы осуществляется с помощью различного рода связей, по которым циркулируют потоки информации. Наличие таких связей является характерной особенностью любой автоматической системы. Особенно большое значение для автоматических систем имеет обратная связь — канал, по которому в систему вводятся данные о результатах управления.
Наука об управлении изучает не все системы вообще, а только управляемые системы. Одной из характерных особенностей управляемой системы является способность изменять свое движение, переходить в различные состояния под влиянием различных управляющих воздействий. Так, манипулятор промышленного робота может занимать различные положения в пространстве, может двигаться в различных направлениях и с различной скоростью в зависимости от того, как им управляют.
Для промышленного робота всегда существует множество движений, из которых производится выбор предпочтительного. Если нет выбора, то и не может быть управления. Поскольку под автоматическими системами понимают управляемые системы, в них всегда должен присутствовать механизм, осуществляющий функции управления.
Управляемая система может быть схематически изображена в виде совокупности управляющей (Л) и управляемой (В) частей
Рис. 49. Простейшая структура автоматической системы
Рис. 50. Иерархия автоматической системы
системы (рис. 49). Стрелками указаны пути воздействий, которыми обмениваются части системы. Такие простые системы могут, взаимодействуя друг с другом, составлять более сложные управляемые системы, входя в качестве элементов в управляемые и управляющие части сложных систем и образуя последовательность (иерархию) взаимосвязанных управляемых систем (рис. 50).
Свойством управляемости может обладать не любая система. Необходимым признаком наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей к управлению является ее организованность, т. е. определенная структура, выражающаяся в целесообразности номенклатуры составляющих ее элементов и связей между ними. Разумеется, не все организованные системы являются автоматическими, хотя все автоматические системы обладают определенной организованностью. Воздействие на поведение автоматической системы может различаться как путем воздействия на ее координаты, так и путем изменения параметров управляемой части системы — объекта управления. Возможности управления тем шире, а управление может осуществляться тем эффективнее, чем шире диапазон значений, которые могут принимать управляющие воздействия в процессе управления. Однако необходимо считаться с тем обстоятельством, что в реальных системах диапазон изменения каждого управляющего воздействия ограничен. Для того чтобы управлять каким-либо объектом, нужно определенным образом изменять управляющее воздействие на этот объект. Такое изменение управляющих воздействий может осуществляться при помощи сигналов управления, несущих сообщения о требуемых значениях управляющих воздействий. Совокупность элементов системы, вырабатывающих сигналы управления, называется управляющим устройством. Если требуемое поведение, условие работы объекта, а также его свойство заранее известны, то в управляющее устройство может быть введена информация о последовательности управляющих воздействий в виде программы
Рис. 51. Блок-схема управления робототехнической системой (РТС)
управления. Совокупность правил, по которым информация, поступающая в управляющее устройство, перерабатывается в сигналы управления, называется алгоритмом управления. С учетом изложенных положений можно следующим образом определить понятие «управление».
Управление — это воздействие на объект, выбранное из множества возможных воздействий на основании имеющейся для этого информации, улучшающее функционирование или развитие данного объекта.
?! 1. Что изучает наука об управлении?
2. Какие системы называются автоматическими?
3. Что такое алгоритм управления?
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ
Управляющим устройством промышленного робота является перепрограммируемое устройство программного управления. Пере-программируемость — свойство ПР заменять управляющую программу (автоматически или при помощи человека-оператора). К перепрограммированию относится изменение управляющих функций, последовательности и величин перемещений по степеням подвижности. С пульта оператора через центральный блок управления задается режим работы системы управления, например: ОБУЧЕНИЕ, ШАГ, ЦИКЛ, АВТОМАТ (рис. 51). На пульте оператора фиксируется информация о состоянии манипулятора и его системы управления. Режимы ШАГ и ЦИКЛ означают, что оператор может вызвать из устройства памяти одну команду или весь цикл и робот будет отрабатывать эту команду или весь цикл запрограммированного движения. Режим АВТОМАТ соответствует включению системы на многократную отработку программы в процессе автоматического рабочего действия робота.
Построение системы управления промышленного робота, ее
Рис. 52.
Устройство управления ПР
| связи с управлением технологическим оборудованием и математическое (программное) обеспечение системы играют решающую роль в придании роботу необходимых качеств. Именно соответствующим
I построением системы управления и рабочих программ можно добиваться устранения влияния погрешностей механизмов манипулятора, высокой точности позиционирования, плавности движений, быстродействия, отсутствия колебаний и перерегулирований при остановках и пр.
Устройства управления (УУ) ПР являются автоматическими, т. е. оператор остается вне контура
управления (см. рис. 51 j и взаимодействуете роботом только на этапе обучения. В зависимости от используемых методов управления различают следующие устройства управления:
— программные, осуществляющие управление по жесткой, заранее заданной программе или по нескольким жестким программам, причем переход от программы к программе также заранее программируется;
— адаптивные, в которых управление формируется в зависимости от состояния и изменений внешней среды и самого робота;
— интеллектные, в которых программы работы роботу вообще не задаются, а автоматически синтезируются (составляются) на основе описания внешней среды и целевой задачи.
Как вы уже знаете, существует классификация роботов по поколениям. В ее основу положены различия по методам управления: первое — роботы с программным управлением, второе — с адаптивным и третье — с элементами искусственного интеллекта. В настоящее время применяются в основном ПР с программным управлением, так как они наиболее просты и эффективны в условиях широко распространенных монотонноцикличных операций. Применение программных ПР требует строгого упорядочивания среды, т. е. заготовки и детали должны находиться в заданном месте в фиксированном положении и в определенном порядке, и специального технологического оборудования и оснастки.
Устройство управления ПР (рис. 52) предназначено для программирования, сохранения управляющей программы, ее воспроизведения и выдачи управляющих воздействий исполнительному устройству. В состав У У входят устройства: ввода, запоминающее, хранения и выдачи управляющей программы, пульт управления и т. д. Современные УУ создаются на базе таких специальных устройств, как микропроцессор, имеющих развитое математическое обеспечение, гибкое программирование, обладающих возможностью объединения с другим оборудованием.
У роботов первого поколения в зависимости от типа движения, реализуемого по степеням подвижности манипулятора, различают 58
три вида управления: цикловое, позиционное и контурное, соответствующее УУ. Но каждая из них имеет много разновидностей, зависящих от характера операций, кинематики манипулятора, типа приводов.
Цикловое управление. Простейшими системами управления ПР являются цикловые системы. Они, как правило, обеспечивают движение звеньев манипулятора от упора до упора по каждой степени подвижности. В процессе работы нельзя менять координаты упоров, а также регулировать скорости движения и время перехода от упора до упора. Управляющий сигнал представляет собой команды типа «включено» — «выключено». Цикловые УУ выполняются, как правило, в виде специализированных программных устройств. Для их создания широко используются программируемые контролеры. Имея ограниченные технологические возможности, ПР с цикловым УУ, наряду с высоким быстродействием и точностью позиционирования, отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Область применения таких ПР — холодная листовая и горячая объемная штамповка, механическая обработка, литье под давлением и ряд других производств, связанных с загрузкой-выгрузкой различного технологического оборудования, выполнением элементарных сборочных операций. К настоящему времени в отечественной промышленности используются несколько десятков ПР с цикловым УУ, например МП-9, МП-11, РФ-201, ПР5-2, ЦПР-1П, ПМР-0,5, «Бриг», «Гном», «Циклон», «Ритм» и т. д.
Позиционное управление. Позиционная система управления ПР осуществляет не только перемещение простейших элементов и захватывание предметов, но и более сложные движения. В позиционных УУ число точек позиционирования достигает нескольких тысяч, например при контактной сварке кузовов автомобилей. Позиционные УУ обеспечивают движение рабочего органа по всем необходимым точкам позиционирования в заданный интервал времени, выполнение в каждой точке необходимых операций. В последнее время для построения позиционных УУ широко используются устройства числового программного управления (ЧПУ), в которых информация о положении звеньев манипулятора, скорости перемещения, командах управления технологическим оборудованием представлена в виде чисел, которые хранятся в запоминающих устройствах разного типа.
В проектируемом нами учебном роботе будет использоваться позиционная система управления с ЧПУ.
Автоматический режим действий робота по выполнению технологического процесса осуществляется в соответствии с алгоритмами, реализованными в программном обеспечении. Это относится к исполнению сигналов управления приводами и захвата манипулятора, к последовательности движений с определенными скоростями, к достаточно точному позиционированию захвата
в заданных положениях, синхронизации действий робота с работой оборудования, обслуживаемого роботом в соответствии с технологическими процессами, а также к сигнализации аварийных ситуаций, автоматической смене захватов и инструментов и другим технологическим командам.
Позиционная система управления робота может содержать набор заранее подготовленных подпрограмм для функционирования отдельных частей робота. Использование подпрограмм сокращает время обучения робота при переналадке его на выполнение другого технологического процесса на том же участке.
ПР с позиционными УУ широко используются для выполнения операций контактной сварки, сборочных операций, операций обслуживания различного технологического оборудования. Позиционными УУ оснащаются роботы типа «Универсал», ТУР-10, М10П и М20П, РПМ-25, «БЕТА» и др.
Контурное управление. Контурные УУ являются наиболее сложными по сравнению с другими УУ. Для контурных УУ характерно управление манипулятором по непрерывной пространственной траектории с установленным распределением временных значений скоростей и ускорений. Поэтому ПР с контурными УУ применяются для выполнения основных технологических операций — нанесения покрытий, дуговой сварки, монтажно-сборочных работ, резки материалов, шлифования и др. Для обеспечения этого в УУ заносится следующая информация: координаты точек позиционирования; операции, выполняемые в каждой точке; траектория; скорость движения между точками позиционирования.
Существуют два способа построения контурных УУ. Первый основан на записи информации о требуемом положении по каждой координате в виде непрерывного (аналогового) сигнала в памяти ЭВМ, на магнитную ленту или другой носитель информации. Второй — на записи информации в виде некоторого числа опорных точек (цифрового кода или цифрового сигнала) и расчете непрерывной траектории между этими точками по определенному алгоритму.
Особенностью роботов с контурной системой управления является наличие следящего по положению привода в каждой степени подвижности манипулятора.
В некоторых электромеханических роботах с контурной системой управления, когда привод по каждой степени подвижности строится по принципу следящей системы, используются аналоговые датчики обратной связи (например, потенциометр и тахогенератор). Вследствие этого приходится вводить в систему аналого-цифровые преобразователи. Значительно большая эффективность системы по быстродействию, точности и плавности движений манипулятора достигается при установке импульсных или кодовых датчиков обратной связи. Тогда с управлением от ЭВМ получается чисто цифровая система управления приводами.
Следует заметить, что системы контурного управления могут функционировать и в более простых режимах позиционного и циклового управления, что и используется на практике.
Для управления контурными ПР, где требуется обрабатывать большое количество информации, широко используются микро-ЭВМ. Контурными УУ оснащаются манипуляторы РМ-01, ТУР-ЮК- Контур-002М, УЭМ-5 и др.
Программирование и обучение робота. Наиболее совершенные роботы программируются так же, как и ЭВМ с использованием различных языков, например языка «Бейсик», с которым вы сможете познакомиться на уроках информатики и вычислительной техники.
Подавляющее большинство роботов оснащено портативным устройством управления, называемым панелью обучения. Оператор заставляет робота совершать нужные движения, нажимая на кнопки управления, расположенные на панели. Темп перемещения обычно выбирается значительно ниже, чем в производственных условиях, что позволяет оператору тщательно подготовить программу, которая автоматически записывается и будет впоследствии воспроизводиться по команде с рабочей скоростью. Панель обучения может также применяться для ознакомления с действиями робота и для установки робота в требуемое положение без запоминания программы.
Некоторые роботы можно обучать, непосредственно воздействуя на их рабочие органы. Обучающий перемещает захват вхолостую, выполняя всю последовательность производственных процессов, а робот, получив соответствующую команду, запоминает всю траекторию движений. Этот тип обучения особенно хорош для окраски распылением и сварочных операций. Оператор, имеющий опыт в обычной окраске распылением или сварке, может как бы поделиться с роботом своим умением, выполняя работу, как обычно, вручную. Роботу затем остается только воспроизвести действие учителя. Однако такой опыт приложим только в конкретном случае, а не в окраске или сварке вообще.
Обучение может осуществляться с помощью задающего устройства, представляющего собой упрощенный механизм манипулятора. Окраска распылением является идеальным полем деятельности для таких механизмов, потому что опытный оператор должен во время обучения иметь ощущение, как будто он действительно держит в руках краскопульт. В режиме обучения задающее устройство передает траекторию своего движения на управляющую ЭВМ. В свою очередь управляющая ЭВМ задает настоящему роботу ту же траекторию в режиме воспроизведения.
В общем случае для функционирования робота необходима информация о последовательности выполнения программы, геометрическая информация о пространственном положении отдельных степеней подвижности и о времени выполнения отдельных элементов программы и отдельных управляющих команд.
Простейшей единицей программной информации является число (команда), представленное в дискретной или аналоговой форме и соответствующее единичной операции робота (перемещение по одной степени подвижности робота, открывание или закрывание захватного устройства, время выполнения операции или технологической команды).
Группе единичных операций, имеющих законченный смысл (перемещение захватного устройства в заданную точку при одновременной работе нескольких степеней подвижности), соответствует группа шагов, объединенная общими условиями воспроизведения и называемая кадром управляющей программы. Кадры могут объединяться в подпрограммы, соответствующие небольшой законченной последовательности действий робота.
Геометрическая информация может быть представлена в системе управления роботом в виде электрического сигнала, отражающего в аналоговой или цифровой форме текущее положение приводов, измеренное датчиками, установленными по степеням подвижности манипулятора.
Информация о последовательности и времени выполнения отдельных шагов программы может быть зафиксирована как с помощью различных коммутаторов и штекерных панелей, которые встречаются у роботов простейшего типа, например у учебного робота, так и на быстросменных носителях: перфолентах, магнитных лентах, магнитных дисках и т. п., характерных для систем управления с большим объемом памяти.
Функциональные возможности элементов, используемых при построении запоминающих устройств, определяют не только структуру систем программного управления, но и возможные области применения робота в целом.
?! 1. Что называется системой управления ПР?
2. Как различаются УУ в зависимости от использования методов управления?
3. Для чего необходимо устройство управления ПР?
4. Расскажите о видах управления ПР.
5. В чем существенное отличие функций контурной системы управления от цикловой?
6. В чем состоит особенность программного управления роботами?
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
Управление современными роботами осуществляется специализированными управляющими ЭВМ — программируемыми контроллерами (ПК) • Они могут управлять автоматизированным оборудованием в различном сочетании, обеспечивая контроль безопасности работы оборудования и потребления электроэнергии.
Аббревиатура ПК может означать несколько понятий даже для людей, занятых в одной и той же области деятельности, не говоря
уже о ее значениях в других областях. В начале 70-х гг. был разработан программируемый калькулятор (ПК) — малогабаритное вычислительное устройство, которое могло запоминать некоторую последовательность арифметических команд. В начале 80-х гг. стал широко применяться термин «персональный компьютер» (ПК), который относится к группе малогабаритных ЭВМ, отличающихся невысокой стоимостью. Большинство пользователей и производителей стали называть такие недорогие ЭВМ домашними компьютерами. Тем не менее ни персональный компьютер, ни программируемый калькулятор не являются типом ПК, целиком предназначенным для управления роботами и автоматизации производства. Именно ПК — программируемый контроллер предоставил широкие возможности для автоматизации заводского оборудования, особенно при реализации систем управления промышленным оборудованием и автоматическими линиями.
ПК обеспечивают быстрое исполнение одних и тех же программ с повторением их несколько тысяч раз в час. Наоборот, персональный компьютер или универсальная ЭВМ обеспечивают исполнение разнообразных, но сравнительно больших программ. Кроме того, входы и выходы ПК предназначены для управления производственным оборудованием, в то время как входы и выходы универсальных ЭВМ используются для ввода и вывода данных. При реализации логических схем управления производственным оборудованием в большинстве случаев требуется очень высокое быстродействие, которое обеспечивается ПК. Поэтому ПК могут использоваться при реализации систем управления как непрерывного, так и дискретного типов.
Преимущества ПК обусловлены гибкостью, простотой наладки, возможностью осуществлять контроль системы, надежностью, удобством обслуживания и сравнительно невысокой стоимостью. Несмотря на надежность ПК и их полупроводниковых схем, во многих случаях нецелесообразно полностью полагаться на электронные средства. Применение реле защиты по питанию электромеханической конструкции позволяет обеспечить прерывание питания на всех выходах в случае возникновения редких неисправностей электронной системы управления.
ПК широко применяются для управления промышленными роботами как в автономном режиме, так и в составе роботизированных комплексов. В этом случае в функции ПК входит синхронизация (согласование) координатных перемещений рабочих органов робота с обслуживаемыми станками. ПК отличаются столь высокой гибкостью, что они могут функционировать на уровне интеллектуального устройства управления роботом.
Управление промышленными роботами с помощью ПК осуществляется с обратной и без обратной связи. Управление без обратной связи предусматривает использование специальных устройств — таймеров, обеспечивающих включение исполнительного механизма на определенные промежутки времени. Управление
с обратной связью предполагает наличие датчиков, связанных с соответствующими входами ПК. Датчиками формируются сигналы об окончании отработки шагов производственного процесса.
?! 1. Что представляют собой программируемые контроллеры?
2. В чем заключается принцип управления ПР с помощью ПК?
3. Какие существуют виды управления с помощью ПК?
4. Как осуществляется исполнение программы ПК?
АДАПТИВНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Принцип действия. Робототехнические системы, которые способны выполнить поставленную перед ними задачу в изменяющихся условиях внешней среды, называются адаптивными. Это означает, что в процессе выполнения задания могут возникнуть ситуации, которые нельзя описать на этапе формирования задания, но можно предусмотреть ориентировочно. Определяющей характеристикой адаптивных систем является их способность получать информацию о внешней среде и использовать ее далее для формирования управления.
На рисунке 53 показана общая схема робототехнической адаптивной системы. На ее вход поступает каким-либо образом сформулированное задание, для исполнения которого вычисляется управление на основании информации о внешней среде и текущем состоянии механизма. Сформированное управление изменяет состояние механизма, который, возможно, в свою очередь измеряет состояние внешней среды. Эти изменения состояний механизма учитываются при формировании управления таким образом, чтобы обеспечить выполнение задания исполнительным механизмом. Параметры внешней среды, информация о которых необходима роботу в связи с выполнением им задания, чаще всего поступают от информационной подсистемы, но поскольку внешняя среда также может оказать влияние на действия робота, то информацию о ее
Рис. 53. Общая схема адаптивной РТС
Рис. 54. Простая адаптивная РТС
состоянии можно получить косвенно с помощью датчиков состояния механизма.
Для выяснения общих принципов построения адаптивных систем рассмотрим простую адаптивную робототехническую систему (рис. 54). Пусть на транспортере, движущемся с постоянной скоростью, перемещаются блоки 2, расположение которых заранее известно (например, они находятся в углублениях 3 ленты транспортера) . Задача манипуляционного робота — взять блок с ленты транспортера и поставить его в заранее известное место на неподвижной поверхности 4. В том случае, если скорость транспортера известна, задание может быть выполнено с помощью простого программного робота. Но даже небольшие отклонения положения блока в момент захватывания, вызванные, например, неравномерностью скорости транспортера, приведут к тому, что блок не будет захватываться манипулятором точно в центре тяжести или не будет захватываться им вовсе, а робот будет продолжать выполнять запрограммированную последовательность движений до тех пор, пока его не остановит человек-оператор.
При непостоянной скорости транспортера для того, чтобы робот выполнил необходимые технологические операции, его необходимо оснастить системой, измеряющей скорость транспортера и соответственно изменяющей алгоритм управления. Используя несложную систему, мы можем теперь не требовать постоянства скорости транспортера, продолжая предъявлять тем не менее довольно жесткие требования к расположению блоков на транспортере. Таким образом, даже с помощью несложного устройства можно реализовать простой адаптивный робот. Чтобы освободиться и от этого ограничения, можно использовать системы очувствления (сенсорные системы) ПР.
Системы очувствления ПР. Создание физических эквивалентов человеческих органов чувств — это одна из наиболее сложных проблем, стоящих перед специалистами по робототехнике и автоматизации производственных процессов. Созданные датчики и системы, реагирующие на внешние воздействия, могут превратить промышленные роботы, которые пока действуют чисто механически, в машины, обладающие способностью к адаптации, умеющие самостоятельно реагировать на изменения окружающей среды и принимать простейшие решения. Необходимо создать роботы, которые обладали бы зрением, слухом, осязанием, а в идеале они должны общаться друг с другом и с людьми на человеческом языке.
Технический прогресс уже давно открыл пути для создания эффективных приборов и устройств, возможности которых значительно превосходят человеческие. Например, радиолокаторы, позволяющие обнаруживать различные объекты за многие километры от наблюдателя. Однако истинные трудности заключаются не в сборе информации, а в ее переработке и наделении робота способностью приходить к правильному выводу, решению.
5 Робототехника
65
Необходимость использования оперативной информации появляется, когда робот имеет дело с неориентированными в пространстве предметами различных размеров и форм, с хрупкими изделиями, которые нельзя сильно сжимать, но и нельзя ронять, с деталями на движущемся транспортере, когда робот занимается сборкой, электромонтажом, сваркой или окраской поверхности по сложному контуру, когда мобильный робот встречает неожиданное препятствие.
Для того чтобы получать информацию об окружающей среде, робот наделяется датчиками или сенсорами. При большом потоке данных от сенсорного устройства используют дополнительную ЭВМ.
По принципу получения информации и ее физическому содержанию системы очувствления ПР делятся на тактильные, реагирующие на прикосновения силомоментного очувствления, технического зрения, локационные и системы контроля качества.
Осязанию человека соответствуют ощущения холода, тепла, боли и давления. Распределение рецепторов для каждого из них по телу человека неодинаково, так как чувствительность кожи к ним различна.
Задача контактного очувствления возникла сначала при работе над протезными устройствами, а уж затем им стали наделять робототехнические средства. Простейшим средством контактного очувствления являются микропереключатели, которые срабатывают в момент касания искусственных пальцев руки детали. С помощью датчиков в тактильной системе очувствления определяются момент касания, местоположение точки контакта, контролируется наличие или отсутствие детали в захвате или потеря ее при переносе.
Силомоментные датчики реагируют не только на прикосновение, но и на силу нажатия. Чувствительным элементом в них обычно является тензодатчик (первая часть термина образована от греческого слова, означающего «напряженный, натянутый». Принцип его действия очень прост, он основан на зависимости электрического сопротивления металлической проволоки от ее длины и площади поперечного сечения. Она такова, что при растяжении проволоки ее сопротивление возрастает, так как увеличивается длина и уменьшается сечение. Тензодатчик представляет собой тончайшую проволоку, многократно изогнутую для увеличения длины, или тонкую фольгу, которые наклеиваются на поверхность исследуемой детали или на упругую пластину силомоментного датчика. При изгибе детали (пластины) длина проволоки (фольги) увеличивается, что приводит к увеличению сопротивления в электрической цепи, в которую включен тензодатчик. Современная электронная техника позволяет регистрировать малейшие изменения электрического напряжения и силы тока, вызванные изменением сопротивления, и, соответственно, изменения деформации тензодатчика.
Один из первых очувствленных захватов состоял из пальцев, оснащенных контактными датчиками, которые сигнализировали о контакте захвата со столом, препятствием или объектом. На внутренней плоскости пальцев было расположено по шесть силоизмерительных датчиков, которые выдавали электрические сигналы, пропорциональные силе нажатия на датчик. Располагаясь по всей рабочей плоскости'пальцев, они позволяли судить о том, как объект размещен в захвате. На кончиках пальцев захвата также были установлены датчики, дающие информацию о силе сжатия детали и позволяющие получать первичную информацию о размерах ощупываемой ими детали. Кроме того, в захвате имелись фотодатчики, реагирующие на тень объекта.
В качестве чувствительного тактильного датчика может использоваться угольный порошок. Его электрическое сопротивление сильно зависит от плотности: при незначительном уплотнении порошка оно заметно уменьшается. Датчики подобного типа используются в угольных микрофонах телефонов, они же ставятся в протезах кисти руки. Под резиновую оболочку, заменяющую человеческую кожу, помещается угольный порошок, который чутко реагирует на величину прикладываемого усилия.
Совершенно иные возможности появляются у роботов, использующих бесконтактные датчики для работ, при которых не нужно непосредственное механическое воздействие. Бесконтактное очувствление необходимо роботу, например, для обнаружения предметов и определения расстояния до них, для определения контуров объектов, для захватывания движущихся деталей и предотвращения возможности столкновения с ними, для чтения чертежей и маркерных знаков на упаковках различной продукции. Бесконтактные датчики реагируют на различные излучения, в том числе на те, которые недоступны для восприятия человеком. Пьезоэлектрические датчики реагируют на звуковые колебания различной частоты, в том числе на те, которые не слышит ухо человека. Фотодатчики реагируют как на видимые, так и на невидимые излучения. Различные радиоэлектронные системы чувствительны к электромагнитному излучению, они применяются в радиолокации, позволяющей не только обнаружить объект, например самолет, но и определить направление и скорость его движения.
Наиболее совершенной системой для оснащения роботов является система технического зрения, обеспечивающая получение изображения рабочей сцены, его преобразование, анализ, обработку с помощью микроЭВМ или микропроцессора и передачу результатов измерения управляющему устройству робота.
?! 1. В чем отличие функций программных систем от адаптивных?
2. Какие задачи адаптации в робототехнике?
3. Каково назначение силомоментного очувствления?
4. Каково назначение систем технического зрения?
Практические работы. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ УЧЕБНОГО РОБОТА
Второй цикл практических работ посвящен изучению основных электронных элементов и узлов автоматики, входящих в схему управления учебного робота. Ее основной частью является электропривод с ЧПУ, который будет рассмотрен в двух последних работах.
8. Полупроводниковые приборы
Напомним, что в автоматике важную роль играют различные датчики — специальные устройства, с помощью которых сигналы различной физической природы (световые, тепловые, механического перемещения и т. д.) преобразуются в электрические сигналы, которые после усиления, преобразования воздействуют на исполнительные механизмы.
Датчики являются своеобразными органами чувств роботов, так как позволяют им реагировать на свет, температуру, влажность, на расположение предметов и даже на человеческий голос.
В данной работе будет рассмотрен наиболее распространенный тип датчиков, способных реагировать на световой поток,— фотодатчик. Простейшие фотодатчики — фоторезисторы и фотоэлементы — относятся к классу полупроводниковых приборов, в который входят также транзисторы и интегральные микросхемы. Полупроводниковые материалы по своей электропроводности занимают промежуточное положение между электроизоляционными и проводящими материалами. Носителями тока в полупроводниках являются электроны, но характер их движения в некоторых полупроводниках таков, что для удобства описания природы их электропроводности за ток принимают движение положительных зарядов, равных по величине заряду электрона. Такие проводники обладают электропроводностью p-типа (от лат. positivus — положительный), а те, в которых ток образован движением электронов, обладают электропроводностью n-типа (от лат. negative — отрицательный).
Основными полупроводниковыми материалами, получившими широкое практическое применение, являются германий и кремний: они имеют кристаллическую структуру. Проводимость чистых полупроводников очень мала, однако при внесении в кристаллическую решетку полупроводников атомов других элементов, например мышьяка, она резко повышается. Такие добавочные элементы называются примесями. Меняя их концентрацию и используя разные элементы, можно в широких пределах менять их электропроводность и ее тип (р или и), т. е. придавать полупроводнику нужные свойства.
Важным свойством полупроводников является зависимость их электропроводности от внешних условий, прежде всего от 68
Рис. 55. Внешний вид и условные обозначения фоторезисторов (а) и терморезисторов (6)
температуры и освещенности. Именно это свойство используется в полупроводниковых датчиках температуры и освещенности — в термо- (рис. 55, б) и фоторезисторах (рис. 55, а), в которых под действием изменения температуры и светового потока меняется электрическое сопротивление.
Наибольший практический интерес представляют полупроводниковые приборы, в которых используются свойства так называемого р — n-перехода. В месте контакта полупроводников с различным типом электропроводности появляются особые свойства. Этот участок, называемый р — n-переходом, имеет электрическое сопротивление, величина которого резко зависит от полярности поданного напряжения. Если р — n-переход включен в прямом направлении, когда область р соединена с плюсом источника питания, а область п — с его минусом, то через р — п-переход течет большой ток, величина которого определяется типом полупроводникового прибора. При изменении полярности на противоположную сопротивление перехода резко, в десятки тысяч раз, возрастает и соответственно уменьшается проходящий через него ток. Это свойство используется для изготовления полупроводниковых диодов, которые практически пропускают ток только при определенной полярности напряжения. (Полупроводниковые диоды будут использоваться в практической работе при изготовлении робота.)
Другим замечательным свойством р — n-перехода является его способность разделять электрические заряды, возникающие в полупроводнике под действием освещения или нагревания. Оно используется в датчиках освещенности и температуры, которые сами становятся источниками тока.
Кроме названных свойств р — n-перехода, было обнаружено, что при специальном подборе примесей в полупроводниках можно получить свечение кристалла полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. Такой диод называют светодиодом (рис. 56, а). Важно, что свечение происходит при низком напряжении (единицы вольт) и малой силе тока (десятки миллиампер), поэтому светодиоды используют в качестве экономичных индикаторов напряжения.
В электронике используются различные приборы, имеющие несколько р — n-переходов, самым распространенным из них является транзистор. Он имеет два р — n-перехода, один из которых включается в прямом направлении, а другой — в обрат-
Рис. 57. Схема фотореле:
VT1 — транзистор; ФСК-1 — фоторезистор
Рис. 56. Условные обозначения светодиода (а) и транзисторов структуры р-п-р (б) и п-р-п (в)
ном. Выводы участков транзистора с различным типом проводимости называются эмиттер, база и коллектор (рис. 56, б, в).
Важнейшей характеристикой датчиков является их чувствительность, показывающая зависимость их электрических характеристик от внешних воздействий. У фоторезисторов, например, чувствительность показывает относительное изменение сопротивления в зависимости от освещенности поверхности датчика; с ростом освещенности сопротивление уменьшается, так как в полупроводнике появляются дополнительные носители заряда. У фотодатчиков на основе р — n-перехода, называемых фотоэлементами, чувствительность определяется величиной напряжения, возникающего на их выводах под действием освещения. Кроме того, чувствительность фоторезисторов существенно зависит от величины поданного на них напряжения и от свойств светового потока. Существуют фотодатчики, реагирующие на невидимые для человеческого глаза инфракрасные лучи. Робот, снабженный подобными датчиками, обладает способностью «видеть» в полной темноте.
Чувствительность фоторезистора можно оценить с помощью омметра, измерив величину сопротивления при различных освещенностях. Чем больше меняется сопротивление, тем больше чувствительность фоторезистора. Например, в полностью затемненном состоянии сопротивление фоторезистора типа ФСК-1, имеющегося в школьном физическом кабинете, равно 100...200 кОм, а при освещении лампой карманного фонаря, поднесенной вплотную к поверхности фотодатчика, уменьшается в сотни рцз.
Фотодатчики являются составной частью такого распространенного автоматического устройства, как фотореле. В нем электрические сигналы датчика сначала усиливаются, а потом подаются на исполнительный орган — электромагнитное реле. Схема фотореле, которую вам предстоит собрать во время практической работы, показана на рисунке 57. Она состоит из фоторезистора, транзисторного усилителя, электромагнитного реле и сигнальной лампочки. Фоторезистор включен во входную цепь транзистора (цепь базы), а электромагнитное реле — в выходную
GB1
4,58
Рис. 58. Схема включения Рис. 59. Схема фотореле с двухсветодиода: VD1—светодиод каскадным усилителем
цепь (цепь коллектора). Сила тока в выходной цепи определяется силой тока в первичной цепи, зависящей от величины сопротивления фоторезистора. Если при имеющейся освещенности фотореле не срабатывает, то его чувствительность нужно увеличить за счет повышения чувствительности составных элементов — фоторезистора, транзистора или электромагнитного реле.
В схемах промышленных и учебных роботов фотореле может использоваться для различных целей, в частности как бесконтактный датчик перемещения. Подобно путевому (концевому) переключателю, оно может давать электрический сигнал в момент попадания какого-либо звена манипулятора в определенное положение, заранее заданное расположением осветителя и фотодатчика.
1. Ознакомьтесь с образцами полупроводниковых терморезисторов и фоторезисторов. Запишите их маркировку. Измерьте сопротивление фоторезистора при полном его затемнении, при комнатной освещенности и при освещении лампочкой от карманного фонаря, поднесенной к нему вплотную. Результаты измерений запишите в тетрадь.
2. Ознакомьтесь с образцами фотодиодов и фотоэлементов. Измерьте прямое и обратное сопротивление их р—п-переходов. Результаты измерений запишите в тетрадь.
3. Проверьте омметром электрическое сопротивление светодиода при прямом и обратном включении. Проверьте наличие свечения при подаче прямого напряжения на светодиод (рис. 58).
4. Ознакомьтесь с различными образцами транзисторов. Запишите их маркировку. Определите исправность р — «-переходов транзисторов с помощью омметра. Перед измерением определите положение базы — общего электрода для двух р — «-переходов.
5. Соберите схему фотореле по рисунку 57. Если чувствительность фотореле недостаточна, т. е. сила тока коллектора меньше силы тока срабатывания реле, то используйте дополнительный каскад усиления, как показано на рисунке 59, или поставьте более чувствительное электромагнитное реле.
?! 1. Для каких целей используются датчики в автоматических устройствах?
Назовите типы датчиков и их основную электрическую характеристику. 2. Назовите основные типы фотодатчиков.
3. Какими основными свойствами обладает р —«-переход и в каких полупроводниковых приборах он используется?
4. От чего зависит чувствительность фотодатчиков?
5. Из каких элементов состоит фотореле и от чего зависит его чувствительность?
6. Для каких целей используется фотореле в схемах роботов?
9. Усилители и генераторы
Усилители электрических сигналов являются основным узлом радиоэлектронной аппаратуры. В каждом радиоприемнике, магнитофоне, телевизоре, вычислительной машине имеются усилители различных типов. В основе их классификации лежит частота усиливаемых сигналов.
В схемах промышленных роботов применяются усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для усиления медленно меняющихся сигналов датчиков. В промышленных схемах используются сложные многокаскадные усилители, включающие в себя сотни и даже тысячи транзисторов. Изготавливать и налаживать подобные усилители, состоящие из отдельных радиоэлементов, довольно трудно, требуются большие затраты времени квалифицированных рабочих-радиомонтажников, наладчиков радиоэлектронной аппаратуры и инженеров-электронщиков.
Большое распространение получили универсальные усилители, используемые в различных устройствах для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Эти усилители производят с помощью интегральной технологии, когда составные части электронной схемы —транзисторы, диоды и резисторы (конденсаторы используются редко) изготавливают в одном кристалле полупроводника в виде р—и-переходов. Такие усилительные устройства называются полупроводниковыми интегральными микросхемами, они отличаются малыми габаритами, большой экономичностью (малым потреблением энергии) и большой надежностью. Микросхемы, которые будут использованы в практической работе, показаны на рисунке 60.
Наиболее распространенным типом универсального усилителя является операционный усилитель. Он обозначается так же, как
Рис. 60. Микросхемы
Рис. 61. Схема включения операционного усилителя:
/, 7, 8, 10, 11 — номера выводов микросхем
обычный усилитель, только в прямоугольнике дополнительно ставится знак оо. Свое название усилитель получил потому, что первоначально он был предназначен для выполнения различных математических операций: сложения, вычитания, умножения и др. В настоящее время операционные усилители изготавливаются только в интегральном исполнении и широко используются как для усиления, так и для получения (генерирования) электрических сигналов, например, в бытовых радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах, в школьных осциллографах и др.
Операционный усилитель имеет два входа, один из которых называют прямым или неинвертирующим, а другой — инвертирующим. v На схемах входы помечаются соответственно знаками «+» и «—».
Если на прямой вход подать напряжение, то на выходе будет усиленное напряжение того же знака. При подаче этого же напряжения на инвертирующий вход получим такое же усиленное напряжение противоположного знака. Например, если напряжение +0,001 В поочередно подать на входы операционного усилителя, то при коэффициенте усиления 5000 на выходе получим величины напряжения ±5 В.
Если одно и то же напряжение подать на оба входа одновременно, то выходное напряжение станет равным нулю, точнее, оно будет близко к нулю. Если с выхода подать напряжение отрицательной обратной связи на инвертирующий вход (рис. 61), то произойдет частичное подавление выходного сигнала, в результате чего коэффициент усиления уменьшится. Регулирование напряжения отрицательной обратной связи осуществляется с помощью резисторов /?1 и R2 делителя напряжения. Чем больше сопротивление резистора /?2, тем меньшее напряжение подается на инвертирующий вход и, следовательно, меньше меняется коэффициент усиления.
Наличие двух входов в операционном усилителе позволяет использовать его в качестве сравнивающего устройства — компаратора (от английского слова compare — сравнивать). На один из входов компаратора подается эталонная величина напряжения, а на другой — меняющаяся. В момент, когда величины напряжений сравняются, величина выходного напряжения становится равной нулю. Компаратор работает подобно высокочувствительным лабораторным весам—двум входам соответствуют две чаши весов, эталонному напряжению — гиря, а нулевой выходной сигнал в момент совпадения напряжений можно сравнить с нулевым положением стрелки весов. Приведенная аналогия поможет понять поведение компаратора при большом коэффициенте усиления усилителя, сравнимом с чувствительностью весов. Нулевой сигнал на выходе компаратора возможен только при совпадении величин напряжения на входах, это состояние неустойчиво, так как достаточно незначительны их расхождения, чтобы выходное напряжение приняло максимальное
значение ±(/. Точно так же ведут себя чувствительные весы, чашки которых обычно быстро переходят из одного крайнего положения в другое при незначительном «перевесе» или «недовесе».
Компараторы используются в схемах автоматического управления роботов для сравнения напряжений, заданных программой работ, с напряжениями, поступающими от датчиков, следящих за работой различных устройств.
Питание операционного усилителя осуществляется от двух одинаковых, соединенных последовательно источников тока GBI и GB2, средняя (нулевая) точка которых используется для снятия величины выходного напряжения (см. рис. 61).
Интегральные микросхемы выпускаются сериями, которые характеризуются одинаковым конструктивным исполнением, имеют одинаковую величину напряжения питания и другие электрические характеристики, необходимые для их совместной работы.
Маркировка интегральных микросхем представляет собой сложный буквенно-цифровой код. Перед условным обозначением микросхем, предназначенных для широкого применения в бытовой и промышленной аппаратуре, ставится буква К. Дальше идут три цифры, обозначающие номер серии, например 140. За ними ставятся буквы, показывающие назначение микросхемы, например УД — операционные и дифференциальные усилители. После букв стоит цифра, показывающая номер разработки микросхемы данного типа, например микросхемы К140УД1, К140УД5, К140УД6 и т. д. Иногда последним элементом маркировки является буква, обозначающая различия в электрических характеристиках микросхем одной и той же серии. (Это относится к используемой нами в практической работе микросхеме К140УД1Б.)
Электрические характеристики интегральных микросхем, как и любых полупроводниковых приборов, зависят от температуры.
1. Ознакомьтесь с внешним видом операционного усилителя К140УД1Б (возможна маркировка КР140УД1Б). Включите операционный усилитель в цепь, как показано на рисунке 61, и проверьте его усилительные свойства: измерьте величины входного и выходного напряжений при различных значениях резистора /?/ (1...10 кОм).
2. Проверьте влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления, проведя измерения, как и в предыдущем задании, но при двух различных значениях сопротивления резистора R2 (20 и 100 кОм). Обратите внимание, при какой величине входного напряжения возникает режим насыщения, т. е. дальнейшее его увеличение не приводит к росту величины выходного напряжения.
3. Проверьте работу операционного усилителя, когда все напряжение с выхода подается на вход (при стопроцентной отрицательной связи). Определите, какой коэффициент усиления имеет усилитель.
4. Измерьте величину выходного напряжения операционного усилителя в том случае, когда на оба его входа подается одинаковое напряжение. С этой целью соедините входы 10 и 11 накоротко (см. рис. 61).
5. Проверьте работу компаратора, собранного на основе операционного
усилителя (рис. 62. /?2==20 кОм). Измерения можно проводить в следующей последовательности. Сначала за эталонную принимается та величина напряжения, которая подается на прямой выход 11. Например, оно равно 1 В. На вход /0 подают непрерывно меняющееся напряжение, начиная с нулевой величины. Совпадение напряжений определяют по показанию воль-
Рис. 62. Схема компаратора на основе операционного усилителя
тметра, подключенного к выходу операционного усилителя. Как только оно станет равным нулю, измерьте величину напряжения, подаваемую на вход 10, она должна быть равна эталонному. Затем те же измерения проводят для случая,
когда эталонная величина напряжения подается на другой вход.
6. Определите, как реагирует компаратор на разницу входных напряжений
в том случае, если коэффициент усиления возрастает. С этой целью увеличьте сопротивление резистора R2 до 300 кОм.
?! 1. Какими основными преимуществами обладают усилители, изготовленные
по интегральной технологии, по сравнению с усилителями, состоящими из дискретных элементов?
2. Для каких целей используется операционный усилитель?
3. Как можно регулировать коэффициент усиления операционного усилителя?
4. Для каких целей используется компаратор?
5. Как работа компаратора зависит от коэффициента усиления операционного усилителя?
6. Для каких целей используется компаратор в схемах промышленных роботов?
7. Объясните, как расшифровать маркировку микросхемы К140УД5.
10. Электронные генераторы в автоматике
Генераторы, подобно усилителям, являются важнейшими составными частями большинства электронных схем. Их применяют в радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах, вычислительных машинах, в самых различных автоматических устройствах.
Основным узлом большинства генераторов является транзисторный усилитель. Различные типы генераторов отличаются друг от друга по своим электрическим характеристикам, из которых важнейшими являются частота и форма электрических колебаний. Большое значение имеет также амплитуда колебаний. Наиболее простым в изготовлении является генератор импульсов прямоугольной формы — мультивибратор. Он состоит из усилителя с положительной обратной связью, введение которой приводит к такому увеличению коэффициента усиления, что усилитель электрических сигналов становится их источником.
Принципиальная схема мультивибратора, собранного на микросхеме К140УД1Б, показана на рисунке 63.
Рис. 63. Схема мультивибратора на операционном усилителе
Допустим, в начальный момент времени величина напряжения на выходе равна +t/max. Это приведет к заряду конденсатора С1 через резистор /?1. С течением времени напряжение на нем и, следовательно, на инвертирующем входе станет равным напряжению на другом входе, а затем и превысит его, в результате это приведет к резкому изменению величины выходного напряжения и станет равным — t/max. Теперь конденсатор будет разряжаться до тех пор, пока величина его напряжения не уменьшится до отрицательного значения, подаваемого с резисторов делителя /?2, /?3. В этот момент величина выходного напряжения опять резко изменится и станет равной 4-t/max. Далее процессы в мультивибраторе повторяются. (Переключатель, соединенный с кнопкой «Сдвиг»,— 5Д6.)
1. Соберите схему мультивибратора (см. рис. 63).
2. Определите по осциллограмме, как частота колебаний зависит от емкости конденсатора С1. Проверьте зависимость высоты тона звуковых колебаний от частоты электрических колебаний, используя телефон, подключенный к выходу операционного усилителя.
?! 1. Назовите основные электрические характеристики генераторов.
2. Для каких целей используются генераторы в схемах управления роботов?
3. Как частота собранного вами мультивибратора (см. рис. 63) зависит от емкости конденсатора?
11. Электронные логические элементы
С электромеханическими элементами, моделирующими выполнение логических операций, мы ранее познакомились. Такие же функции могут выполнять транзисторные схемы, собранные по интегральной технологии. Три основных логических элемента И, ИЛИ и НЕ в цифровой технике имеют специальные условные обозначения, которые показаны на рисунке 64.
Рис. 64. Условные обозначения трех основных логических элементов:
а —И; б — ИЛИ; в — НЕ
Рис. 65. Условное обозначение интегральной микросхемы К155ЛАЗ
Логические микросхемы обычно одновременно реализуют несколько логических функций, например И — НЕ, ИЛИ — НЕ. Названные логические элементы называются базовыми, так как каждого из них достаточно, чтобы смоделировать логическую операцию любой сложности. В практической работе вы часто будете использовать логический элемент И — НЕ, изготовленный в виде интегральной микросхемы 155-й серии, являющейся основной элементной базой широко распространенных универсальных вычислительных машин серий ЕС и СМ. Эти схемы состоят из биополярных транзисторов, за нулевой уровень сигнала в которых принимается напряжение, меньшее или равное 0,4 В, и за единичный сигнал — напряжение 2,4...5 В. Напряжение питания в них равно 5 В с допустимым отклонением на ±5%. Выводы, предназначенные для подачи напряжения питания, указаны в справочниках и на условных обозначениях не показываются. Во многих логических схемах, например К155ЛАЗ, К155ЛА8, К155ЛР1 и др., вывод 7 подключается к отрицательному выводу источника, а на вывод 14 подается номинальное напряжение +5 В. Большинство перечисленных логических схем надежно работает от батарейки карманного фонаря, величина напряжения которой равна 4,5 В. Для определения состояния микросхем используются светодиоды, специальные индикаторы, работающие при низких напряжениях (единицы вольт) и малых токах (5...20 мА).
Микросхема К155ЛАЗ содержит четыре элемента И — НЕ на два входа каждый (рис. 65). Если на входы 1, 2 подаются единичные сигналы, то с выхода 3 снимается нулевой. При других комбинациях входных сигналов на выходе будет сигнал логической единицы. Аналогично работают три остальные схемы И — НЕ.
Поскольку отсутствие сигналов на входах микросхемы серии 155 равносильно подаче на них единичных сигналов, то на ее выходах будут логические 0 при отсутствии сигналов на входах.
Рис. 66. Схема логического элемента ИЛИ, составленная из элементов И — НЕ
Рис. 67. Мультивибратор, собранный на основе микросхемы К155ЛАЗ
1. Ознакомьтесь с конструкцией корпусов интегральных микросхем серии 155. Определите назначение выводов.
2. Подготовьте микросхему К155ЛАЗ для макетирования, т. е. сборки временных цепей на монтажной плате. Для этого к ее выводам припаяйте проводники длиной примерно в 1...2.5 см. Пайку производят паяльником малой мощности (до 40 Вт), питающимся от напряжения 42 В. Предварительно его жало затачивают так, чтобы было удобно паять мелкие детали.
3. Проверьте работу базового элемента И — НЕ. Подключите батарейку, соединив вывод 7 с отрицательным выводом батареи от карманного фонаря, а вывод 14 — с ее положительным выводом. В качестве источника можно использовать также школьный стабилизированный выпрямитель типа ИЭПП-1, 2, на выходе которого устанавливается напряжение +5 В. Входные сигналы подаются путем соединения входов 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12 и 13 с минусом или плюсом источника, т. е. подачей логических «0» и «1». Выходные сигналы определяют по показаниям вольтметра школьного авометра, подключаемого к выводам 3, 6, 8, 11 (см. рис. 65).
При подаче двух единичных сигналов на входы любого из четырех элементов И — НЕ на его выходе должен получиться нулевой сигнал. При любой другой комбинации входных сигналов на выходе должен быть единичный сигнал.
4. Составьте схему НЕ из элемента И — НЕ. Соберите схему НЕ из микросхемы К155ЛАЗ, соединив для этого два входа, например 1 и 2.
5. Составьте схему И на два входа из двух элементов И — НЕ и нарисуйте ее в тетради. Соберите ее из микросхемы К155ЛАЗ, соединив выводы 4 и 5 и соединив их с выходом 3. Проверьте работу схемы.
6. Соберите схему ИЛИ из трех элементов И — НЕ по рисунку 66. Два верхних элемента с объединенными входами выполняют роль инвертеров, сигналы с которых поступают на входы 9 и 10 третьего элемента И — НЕ.
7. Соберите схему мультивибратора, состоящую из трех элементов И — НЕ микросхемы К155ЛАЗ (рис. 67). Определите экспериментально зависимость частоты колебаний от емкости конденсатора С1.
г! 1. Для каких целей используются логические элементы в схемах управления роботов?
2. Какими основными свойствами обладают интегральные микросхемы серии 155, где они применяются?
3. Каково назначение базового логического элемента?
4. Нарисуйте условные обозначения элементов И — НЕ и ИЛИ — НЕ и расскажите, как они работают.
5. Каковы особенности пайки выводов интегральных микросхем?
12. Триггеры
Триггер является одним из основных элементов автоматики и'вычислительной техники. С его помощью осуществляется такая важная функция управляющих устройств, как запоминание электрических сигналов. Напомним, что подобными свойствами обладает электромагнитное реле. Триггер в некотором отношении является его электронным аналогом.
С триггера начинается знакомство с цифровой техникой. До сих пор рассматривалась так называемая аналоговая техника, типичным представителем которой является усилитель фототока или звуковых сигналов.
В аналоговой технике электрический сигнал представляет собой непрерывно изменяющееся напряжение или'ток, например сигналы в фотодатчиках, микрофонах или головках магнитофонов, т. е. электрический сигнал является аналогом исходного неэлектрического сигнала, например соответствует частоте и амплитуде звукового сигнала.
В цифровой технике информация кодируется с помощью двух цифр — единицы и нуля, представляющих собой два значения напряжения или силы токов. Например, единице может соответствовать величина напряжения 2,5...5 В, а нулю — 0...2 В. (О практическом осуществлении подобного кодирования будет рассказано позже, при конструировании электронной схемы управления учебного робота.)
Название «триггер» происходит от английского слова trigger, означающего «защелка» или «спусковой» крючок. Иногда триггер называют спусковой схемой или бистабильной ячейкой, так как он имеет два устойчивых состояния, в каждом из которых может находиться до тех пор, пока под действием внешнего сигнала не будет переведен в другое устойчивое состояние.
Простейший триггер можно собрать из двух транзисторов, образующих усилитель с положительной обратной связью или из двух элементов И — НЕ (рис. 68, а). Он имеет два входа и два выхода, которые показаны на схеме и в условном обозначении (рис. 68, б). Перебрасывание триггера из одного устойчивого состояния в другое осуществляется под действием управляющих сигналов, подаваемых на базы транзисторов. При этом величина напряжения на выходе меняется от 0 до величины напряжения питания триггера. Когда величина напряжения на выходе Q примерно
ГИ q
Рис. 68. Триггер, собранный на основе двух элементов И—НЕ (а), /?5-триггер (6), D-триггер (в)
равна 0, то на выходе фона примерно равна величине напряжения источника питания U. Такое состояние триггера условно принимается за нулевое. Под действием входного сигнала триггер перебрасывается в другое состояние, и величина напряжения на выходе Q будет равна [7, а на выходе Q—О В. Такое состояние триггера принимается за единичное. Это два устойчивых состояния триггера, характеризующиеся различными напряжениями. С его помощью можно моделировать одноразрядные двоичные числа. Очевидно, что для записи n-разрядных двоичных чисел нужно п триггеров. Например, с помощью одного триггера можно записать два двоичных числа — 0 и 1, с помощью двух триггеров можно записать уже четыре двухразрядных двоичных числа—00, 01, 10 и 11, три триггера позволяют записать или запомнить восемь трехразрядных двоичных чисел — ООО, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 и т. д.
В промышленности триггеры изготавливают только по интегральной технологии в виде микросхем. Принципиальная схема таких триггеров отличается от схемы простейшего триггера, состоящего из двух транзисторов. В интегральные триггеры вводятся дополнительные цепи и детали для повышения надежности работы, быстродействия и других характеристик, используются логические схемы, обеспечивающие нужные правила запуска триггера.
Рассмотрим работу трех типов триггеров, из которых составляются цифровые узлы самой различной сложности.
Работа /?£-триггера подобна работе простейшего триггера. Он имеет два входа, обозначаемые буквами R и S, и два выхода, обозначаемые буквами фиф. Выход S используется для установки триггера в единичное состояние, оно характеризуется высоким напряжением на выходе ф и низким — на выходе ф. Название входа происходит от английского слова set — установка. Вход R используют для перевода триггера в нулевое состояние, его название происходит от английского слова reset — предустановка или сброс.
-триггеры используют для запоминания электрических сигналов. Обычно их изготовливают в одном корпусе с D-триггером.
D-триггер (рис. 68, в) имеет два входа — информационный вход D и синхронизирующий вход С. Выход D-триггера
Рис. 69. RS в D -триггеры, собранные из микросхемы К155ТМ2
обозначаются так же, как у /?3-триггера (буквами Q и Q). Название триггера происходит от английского слова delay — задержка. Он работает следующим образом: информация на выходе повторяет информацию на входе только в том случае, если на вход С поступает специальный (синхронизирующий) сигнал (логическая 1). Тем самым осуществляется задержка поступающей на вход D информации на промежуток времени между двумя последовательными синхронизированными импульсами.
Примером £)-триггера в интегральном исполнении может служить микросхема К155ТМ2, в которой имеются два /?£-триггера и два D-триггера (рис. 69). Знак треугольника у входа С означает, что осуществляется динамическое управление, т. е. триггер реагирует на информационный сигнал на входе только в момент положительного скачка напряжения при изменении сигналов с 0 на 1 на входе С. Подобный вход называют «прямым динамическим». (Существуют микросхемы, реагирующие на отрицательный скачок напряжения.)
Из D-триггера микросхемы К155ТМ2 можно получить счетный или Т-триггер. Для этого инверсный выход Q соединяют с информационным входом D (на рисунке 69 соединение показано штриховой линией). В этом случае триггер будет перебрасываться при поступлении каждого синхронизирующего импульса. Действительно, допустим, триггер находится в нулевом состоянии, т. е. на прямом выходе 0, на информационном выходе 1. При поступлении синхронизирующего импульса триггер перейдет в единичное состояние, так как на его информационный вход по цепи обратной связи будет подана 1. Теперь на вход D будет подаваться О и следующий синхронизирующий импульс перебросит триггер в нулевое состояние. Далее процессы повторяются. При соединении нескольких Т-триггеров получают многоразрядный счетчик импульсов.
1. Соберите схему /?3-триггера из двух элементов И — НЕ микросхемы К155ЛАЗ (см. по рис. 68). Убедитесь в изменении состояния триггера при подаче на его входы нулевых сигналов. Изменение величины выходного напряжения определяется по показаниям вольтметра.
2. Проверьте работу /?5-триггера микросхемы К155ТМ2. Обратите внимание, что входы инверсные, т. е. схема реагирует на нулевые входные сигналы (см. рис. 69).
3. Проверьте работу D-триггера микросхемы К155ТМ2. Если, например, на вход D подается 1 и триггер находится в нулевом состоянии, то при нажатии на кнопку, соединенную со входом С, возникает положительный импульс и триггер перебрасывается в единичное состояние (см. рис. 69).
4. Соедините инверсный выход микросхемы К155ТМ2 с информационным
6 Робототехника
81
входом и проверьте работу счетного Г-триггера. Он должен перебрасываться при каждом нажатии на кнопку, соединенную со входом С.
?! 1. Для каких целей используется триггер в схемах автоматики?
2. В чем состоит основное отличие аналоговой техники от цифровой?
3. С какими механическими и элекромеханическими устройствами можно сравнить триггер?
4. Объясните, как работает -триггер. Почему он имеет такое название?
5. Объясните, как работает D-триггер. Какую основную функцию он выполняет? Почему он имеет такое название?
6. Объясните, как работает счетный Г-триггер. Почему он имеет такое название? Для каких целей он используется?
13. Регистры
Регистром (от английского слова register — журнал для записи) называется устройство, состоящее из триггеров и предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. Регистры являются важными функциональными узлами цифровой техники, в частности схем управления промышленных роботов. В предыдущей работе уже рассказывалось, как с помощью триггеров можно записывать двоичные числа.
Регистры могут собираться и на основе электромеханических элементов, например переключателей. В этом случае одно состояние переключателя условно принимается за нулевое, а другое, противоположное,— за единичное. (Подобный регистр будет использован для ввода двоичного кода в схему управления учебного робота.)
Различают параллельные и последовательные регистры. Параллельный регистр состоит из триггеров, каждый из которых имеет свой информационный вход и выход. Такие регистры используются для реализации оперативной памяти в цифровых системах.
В последовательных регистрах имеется один вход для последовательной передачи информации от одного триггера к другому. Запись информации осуществляется путем сдвига двоичных кодов, поступающих на первый триггер регистра, поэтому его также называют регистром сдвига. Сдвиг может проходить вправо и влево. Например, код 1011 при последовательном сдвиге вправо будет меняться следующим образом: 0101, 0010, 0001 и 0000, т. е. единица будет последовательно перемещаться на один разряд вправо. При сдвиге влево этот же код претерпит следующие изменения: ОНО, 1100, 1000, 0000.
Возможен кольцевой режим сдвига. Он получается, если соединить выход последнего триггера со входом первого триггера. В этом случае единица кода 1000 будет «бегать по кругу» и после четырех импульсов сдвига появится первоначальный код — 1000.
Один и тот же регистр может работать как в параллельном, так и в последовательном режиме. Именно такой универсальный 82
Запись информации
Рис. 70. Функциональная схема последовательно-параллельного регистра
регистр, состоящий из четырех триггеров, работающих в режиме /?5-триггера при записи информации и в режиме D-триггера при сдвиге вправо, мы будем использовать в схеме управления учебного робота (рис. 70).) Предварительная установка регистра в нулевое состояние или сброс информации осуществляется подачей импульса на объединенные входы /?. Параллельная запись информации производится подачей сигналов на входы S каждого /?5-триггера.
Режим сдвига осуществляется только в том случае, когда импульсы подаются на объединенные входы С D-триггеров. Триггеры между собой соединены таким образом, что прямой выход каждого из них соединяется со входом D следующего, расположенного справа триггера.
Рассмотрим, как осуществляется сдвиг вправо. Допустим, имеется код 1000. На входах D, начиная с первого, имеются следующие сигналы: 0, поданный по цепи кольцевой связи с четвертого триггера; 1, поданная на второй триггер с выхода первого триггера; 0, поданный на третий триггер с выхода второго; 0, поданный на четвертый триггер с выхода третьего. При подаче импульса одновременно на все четыре объединенных входа С получится новый код 0100, т. е. единица переместится на один разряд вправо. Нетрудно понять, что следующий импульс переместит 1 еще на один разряд вправо.
(Подобный регистр, собранный на микросхеме К155ТМ2, будет использоваться для смены программы работы электропривода с ЧПУ.)
Как говорилось ранее, в одном корпусе микросхемы К155ТМ2 содержится два одинаковых триггера, которые могут работать в режиме D- и /?5-триггера. Следовательно, для получения четырехразрядного регистра достаточно двух корпусов микросхем этого типа. В последовательно-параллельном регистре, работа которого рассматривается ниже (рис. 71), используется еще один корпус. Один из триггеров третьего корпуса служит для получения прямоугольных импульсов, поступающих на вход С регистра. При поочередной подаче нулевых сигналов на входы R
Рис. 71. Принципиальная схема последовательно-параллельного регистра
и S переключателем ЗД6 происходит скачкообразное изменение напряжения на выходах триггера Т1. Непосредственно с помощью переключателя напряжение, соответствующее нулевому и единичному сигналам, подавать нельзя, так как в момент переключения из-за плохого контакта может возникнуть несколько импульсов или, как говорят, появляется «дребезг» контактов. В результате произойдет сдвиг не на один, а на несколько разрядов, число которых зависит от случайных причин. При использований триггера происходит его перебрасывание по первому же нулевому сигналу, поступающему на один из входов, в результате на выходе появляется четкий перепад напряжения.
Триггеры Т2, ТЗ, Т4 и Т5 первого, второго и третьего корпусов образуют четырехразрядный регистр. Триггер Тб можно использовать для пятого разряда регистра, если возникнет необходимость. Для индикации состояния триггеров используются светодиоды, подключаемые к их инверсным выходам. При таком включении, если триггеры находятся в единичном состоянии, диоды светятся.
Электромеханические переключатели SA1 — SA4 служат для параллельной записи информации в регистр. Переключателем ЗЛ5 осуществляется установка триггеров регистра в нулевое положение. (Три четырехразрядных параллельно-последовательных регистра будут использоваться для управления работой электродвигателя учебного робота.)
1. Соберите схему четырехразрядного параллельного регистра из трех корпусов микросхемы К155ТМ2 (см. рис. 71). Для облегчения проверки выполнения отдельных функций схемы процесс сборки удобно проводить в следующей последовательности:
подключите цепь питания ко всем трем корпусам;
подключите индикаторы к инверсным выходам триггеров Т2— Т5; подключите цепи сброса и задания кода от переключателей SA1 — SA5. Проверьте работу параллельного регистра, задавая нужный код переключателями SA1 — SA4 и устанавливая его в нулевое состояние с помощью переключателя S45- Светящиеся светодиоды должны показывать единичное состояние триггеров.
2. Соберите схему четырехразрядного последовательного регистра. Для этого в предыдущей схеме выполните следующие дополнительные соединения:
прямые выходы триггеров (вывод 5 и 9) соедините с информационными входами D соседних триггеров, расположенных справа (выводы 2 и /2);
соедините между собой синхронизирующие входы С;
соберите цепи вспомогательного триггера 77, являющегося источником синхронизирующих импульсов. Проверьте его работу с помощью вольтметра, после чего соедините его выход с объединенным входом С.
Проверьте работу последовательного регистра, осуществляющего сдвиг кода вправо. Для этого установите регистр в нулевое положение, задайте наиболее удобный для проверки код 1000 и осуществите поразрядный сдвиг единицы вправо.
(Собранный регистр не разбирайте, так как он будет использоваться при изготовлении цифроаналогового преобразователя.)
?! 1 Для чего предназначены регистры и из каких элементов они состоят?
2. Какими основными особенностями обладают последовательные и параллельные регистры?
3. Из скольких триггеров должен состоять параллельный регистр, чтобы с его помощью можно было записать десятичный код 10101?
4. Как изменится код 1001 последовательного регистра после трех импульсов сдвига в том случае, если регистр не кольцевой и сдвиг осуществляется: а) вправо; б) влево? Каким будет код для кольцевого регистра?
5. Почему для создания управляющих импульсов, осуществляющих сдвиг, используется триггер?
6. Для каких целей используются переключатели 5Л1 —S45?
7. Напишите, как будет меняться код 1010 в последовательном кольцевом регистре при сдвиге вправо.
14. Счетчики электрических импульсов
Счетчики, так же как и регистры, являются важными функциональными узлами цифровой техники. Счетчики, как следует из самого названия, предназначены для счета электрических импульсов. Существуют электронные счетчики, собранные из триггеров, хотя существуют и механические и электромеханические счетчики. Примером последних может служить устройство, состоящее из набора колес с цифрами, которое используется в счетчиках электрической энергии квартир, в магнитофонах и др.
Электронные счетчики, по сравнению с электромеханическими, имеют ряд преимуществ — они малоинерционны и потому обладают большим быстродействием, надежны, малогабаритны, работают бесшумно, т. е. для них характерны все основные достоинства электронных устройств.
Счетчики импульсов используются в электронно-вычислительной технике для счета команд, счета импульсов в электронных часах, подсчета частоты вращения двигателей, импульсов датчиков радиоактивного излучения, а также во многих других промышленных и любительских устройствах. В учебном роботе счетчик будет использоваться дважды в схеме его электропривода с ЧПУ.
Перейдем к рассмотрению конкретных схем счетчиков. Число триггеров счетчика определяет его разрядность. Например, из двух корпусов микросхемы К155ТМ2 можно собрать четырехразрядный счетчик. Счет ведется в двоичной системе, так как входные сигналы представляют собой 0 и 1 и каждый из разрядов счетчика может находиться в двух состояниях — нулевом и единичном. Емкость четырехразрядного счетчика, т. е. максимальное число двоичных кодов, которые могут быть зафиксированы в нем, равна 16, что соответствует записи двоичных кодов от ООО до 1111. Функциональная схема четырехразрядного счетчика на D- триггерах показана на рисунке 72. У счетчика объединены входы, которые, как и у регистра, служат для установки триггеров в нулевое положение. Выходы и-го триггера соединяются со счетным входом и + 1 триггера (где п — номер триггера). При поступлении счетных импульсов триггеры счетчика последовательно меняют свои состояния, соответствующие следующим кодам: 1000, 0100, 1100, 0010 и т. д. до кода 1111. Следующий, шестнадцатый импульс вернет все триггеры в исходное, нулевое положение и счет продолжится по уже рассмотренным правилам. Заметим, что младший разряд двоичных чисел находится слева, что соответствует расположению (слева) первого триггера счетчика.
Двоичный счетчик, кроме основной функции — счета, выполняет также деление частоты счетных импульсов. Так, на выходе первого триггера сигналы появляются в 2 раза реже, чем на его входе, на выходе второго триггера в 4 раза реже и т. д. Четырехразрядный счетчик делит частоту входных импульсов в 16 (24) раз.
Под действием входных импульсов двоичный код счетчика может не только увеличиваться, но и уменьшаться. В первом случае происходит суммирование импульсов, во втором — их вычитание. Счетчики, выполняющие операции сложения и вычитания, называются реверсивными.
Кроме двоичных, существуют двоично-десятичные счетчики, они предназначены для счета в десятичной системе счисления.
У ст.(Г
Рис. 72. Функциональная схема счетчика
Рис. 73. Принципиальная схема счетчика на основе микросхемы К155ТМ2
Электронные счетчики изготавливаются в настоящее время только по интегральной технологии. Одна микросхема может представлять собой многоразрядный счетчик. Однако в практической работе для изготовления счетчика будет использована микросхема К155ТМ2. Подобное «однообразие» в выборе радиоэлементов позволит лучше понять назначение и возможности применения триггеров различного типа.
Счетчик (рис. 73), используемый в учебном роботе, состоит из трех корпусов микросхемы К155ТМ2, в которых первый триггер Т1 используется для получения счетных импульсов, а последний триггер Тб не используется. Индикаторные светодиоды подключаются к триггерам так же, как в схеме универсального регистра.
1. Соберите схему счетчика по рисунку 73. Проверьте его работу при нажатии кнопки SB1 (Счет).
2. Экспериментально определите соответствие десятичных и двоичных чисел. Для этого сопоставьте число нажатий кнопки (десятичные числа) с двоичным кодом счетчика.
3. Используйте триггер Тб (см. рис. 73) для получения пятиразрядного счетчика. Экспериментально определите его емкость. (Собранную схему счетчика не разбирайте, так как она будет использоваться в практической работе при изготовлении аналогоцифрового преобразователя.)
?! 1. Для каких целей используются электромеханические и электронные
счетчики?
2. Как разрядность и емкость счетчика связаны с числом используемых триггеров?
3. Чему равна емкость пятиразрядного счетчика?
4. Что такое двоично-десятичный счетчик, чем он отличается от двоичного?
5. Объясните, почему счетчик можно использовать в качестве делителя входной частоты.
15. Цифроаналоговые преобразователи
Программа работы автоматических устройств, в частности роботов, обычно задается набором двоичных чисел в цифровых устройствах или различными значениями напряжений — в аналоговых устройствах. При использовании смешанных систем, состоящих из цифровых и аналоговых устройств, используются специальные преобразователи. Так, в цифроаналоговых преобразователях (ЦАП) цифровой код (число) преобразуется в напряжение. Рассмотрим работу этого важного устройства с помощью функциональной схемы, приведенной на рисунке 74.
Преобразователь состоит из четырехразрядного параллельного регистра (число разрядов выбирается исходя из условий преобразования), выходы триггеров которого соединяются с операционным усилителем, через специально подобранные резисторы. Последний работает в режиме компаратора, т. е. сравнивает напряжения, подаваемые с регистра и с переменного сопротивления /?5.
Резисторы преобразователя выбирают в соответствии^ «весом» двоичного разряда: чем он старше, тем меньше сопротивление резистора и, соответственно, больше снимаемое напряжение. Величины сопротивлений резисторов кратны числам 1, 2, 4 и 8, определяемым по формуле 2п~1, где п — номер разряда.
Работа цифроаналогового преобразователя осуществляется следующим образом. Допустим, на регистре имеется код 0000, тогда на вход операционного усилителя будет подано напряжение, близкое к нулевому. Его величину определяют с помощью вольтметра, подключенного к переменному сопротивлению R5. Плавно выводя его скользящий контакт из нулевого положения (нижнее по схеме), следят за показаниями второго вольтметра, подключенного к выходу операционного усилителя. Как только выходное напряжение станет равным нулю, прекращают вращение ручки потенциометра и измеряют подаваемую с него величину
Рис. 74. Функциональная схема цифроаналогового преобразователя (ЦАП)
напряжения. В этот момент величины напряжения на входах ( равны. При коде 1000, соответствующем десятичному числу 1 (младший разряд двоичного числа расположен слева), единичное напряжение 2,4...5 В с выхода первого триггера подается через резистор 82 кОм на инвертирующий вход операционного усилителя. Для уравновешивания этого напряжения на неинвертирующий вход нужно подать дополнительную величину напряжения с потенциометра. При кодах 0100, 0010 и 0001 на вход операционного усилителя подаются напряжения, соответственно в 2,4 и 8 раз большие.
Принципиальная схема цифроаналогового преобразователя отличается от рассмотренной функциональной только наличием четырехразрядного регистра, собранного на микросхемах К155ТМ2. Провести объединение двух подробно рассмотренных схем вы сможете самостоятельно.
1. Соберите схему цифроаналогового преобразователя (см. рис. 74), подключив последовательно-паралельный регистр к резисторам /?1 —/?4 и к операционному усилителю.
2. Проверьте работу преобразователя при различных кодах регистра. При каждом коде, начиная с 0000 и кончая кодом 1111, измерьте напряжение на потенциометре в момент уравновешивания компаратора. Результаты измерений запишите в тетрадь.
?! 1. Для чего предназначен цифроаналоговый преобразователь?
2. Объясните, почему к выходу младшего разряда регистра подключается резистор с наибольшим сопротивлением.
3. Сколько величин напряжения можно задать с помощью четырех-и пятиразрядных регистров? В каком регистре напряжение, соответствующее изменению двоичного кода на единицу, будет меньше?
4. Попробуйте найти применение рассмотренной схеме для цифрового управления электродвигателем, если датчиком поворота его вала является потенциометр /?5.
16. Аналого-цифровые преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) выполняют функции, противоположные функциям ЦАП, т. е. преобразуют напряжение в двоичный код (АЦП будет использовано в практической работе при «обучении» учебного робота).
Функциональная схема простейшего АЦП показана на рисунке 75. Она отличается от схемы ЦАП использованием счетчика вместо регистра и наличием логической схемы в цепи управления счетчиком.
Напряжение, которое нужно преобразовать в двоичный код, задается потенциометром /?5, соединенным с неинвертирующим входом операционного усилителя. На другой его вход подается напряжение с триггеров счетчика, которое в начале сравнения примерно равно нулю. «Неуравновешенное» напряжение, поданное на неинвертирующий вход, вызывает положительное напряжение на выходе операционного усилителя. (Вспомните, что из-за
Рис. 75. Функциональная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП)
большого коэффициента усиления достаточно незначительного напряжения на одном из входов усилителя (десятитысячные доли вольта), чтобы на выходе было напряжение насыщения, примерно равное напряжению питания.) Последовательное изменение кода счетчика под действием входных импульсов от 0000 до 1111 приводит к постепенному увеличению напряжения на инвертирующем входе. Происходит процесс, аналогичный взвешиванию, когда на чашку весов кладут гирьку за гирькой одного и того же веса. В момент уравновешивания напряжение на выходе операционного усилителя станет равным нулю, а при следующем импульсе счетчика примет отрицательное значение. Это напряжение, поданное на вход элемента И, прервет поступление входных импульсов, и на счетчике в данный момент будет двоичный код, соответствующий установленному напряжению.
Заметим, что подобная схема сравнения напряжений применяется только в том случае, если они близки к напряжению питания микросхем. Если величины напряжений отличаются значительно, то схема сравнения усложняется.
1. Соберите схему АЦП, пользуясь рисунками 73 и 75.
2. Установите соответствие трех-четырех значений напряжений, задаваемых потенциометром /?5 (см. рис. 75), двоичным кодам. Сравните полученные результаты с теми, которые были в предыдущей работе (второе задание).
3. Используйте в схеме пятиразрядный регистр, подключив триггер младшего разряда регистра к операционному усилителю через резистор 160 кОм.
4. Определите «цену» единицы счетчика (в напряжениях), состоящего из четырех и из пяти разрядов.
1. Для чего используется АЦП?
2. Назовите общие узлы АЦП и ЦАП.
3. Какую роль выполняет схема управления счетчика?
4. Как изменяется работа АЦП при увеличении числа разрядов счетчика?
5. Нарисуйте принципиальную схему АЦП, в которых счетные импульсы подаются при нажатии кнопки и от мультивибратора.
17. Электропривод с ЧПУ для учебного робота
Принцип действия электропривода. В предыдущих работах были рассмотрены основные узлы, входящие в электропривод с ЧПУ. Подобный привод можно применять не только в робототехнике, но и вместе со схемой управления в самых различных автоматических устройствах и станках с ЧПУ.
Упрощенная функциональная схема рассматриваемого устройства состоит из электродвигателя Ml с потенциометрическим датчиком /?/, угла поворота цифроаналогового преобразователя (DAI, R2 — R6), трех параллельно-последовательных регистров (RG1 — RG3), служащих для записи программы работы электродвигателя исполнительного реле R1, производящего включение и выключение электродвигателя, и схемы управления сменой программ (счетчик Ст, мультивибратор, DDt, DD2, рис. 76).
Программа представляет собой три четырехразрядных кода, записанных на регистрах RC1—RC3. Каждому коду соответствует определенный угол поворота вала электродвигателя. Выполнение программы происходит в три этапа — электродвигатель поворачивает манипулятор на углы, соответствующие кодам регистров RG2, RG\ и /?G3. После каждого этапа программы электродвигатель должен вернуть манипулятор в исходное положение с тем, чтобы он мог забрать со склада очередной груз.
Основным элементом схемы является микроэлектродвигатель
Счетчик Ст
Старший разряд (Ст)
DD1.1 DD1.2
Регистр Регистр Регистр
RG1 RG2 RG3
ш ш ш
SAf SA2 . SA12
Рис. 76. Функциональная схема электропривода с ЧПУ
Мультивибратор пллл
DD13
с датчиком угла поворота, в качестве которого используется переменный резистор, включенный как потенциометр, его ручка связана с валом микроэлектродвигателя. Вал электродвигателя и скользящий контакт потенциометрического датчика могут поворачиваться от исходного, нулевого положения примерно на 160°, что соответствует наибольшему углу поворота манипулятора робота. Задание начального и максимального углов поворота осуществляется с помощью контактных путевых (концевых) выключателей.
При повороте на полный угол величина напряжения, подаваемая с потенциометрического датчика, меняется от 0 до примерно 5 В. Оно подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. На его другой вход подается величина напряжения, соответствующая двоичному коду программы, заданной состоянием триггеров четырехразрядного регистра. В начальный момент, когда двигатель и его датчик находятся в исходном положении, величина выходного напряжения операционного усилителя, работающего в режиме компаратора, определяется величиной напряжения, соответствующей заданной программе. Величина выходного напряжения в этом случае отрицательна. С началом вращения электродвигателя, его редуктора и датчика угла поворота происходит постепенное возрастание напряжения на неинвертирующем входе компаратора. Через некоторое время величины напряжения на входах компаратора совпадут, что будет соответствовать определенному углу поворота вала двигателя (точнее — редуктора), заданному программой. При таком положении величина выходного напряжения станет равной нулю, и при любом незначительном дальнейшем повороте вала оно станет положительным, так как появится избыточная величина положительного напряжения на неинверсном входе. Под действием полученного сигнала сработает электромагнитное реле /(7, контакт которого К171 разомкнет цепь питания двигателя. На этом закончится первый шаг программы.
Далее двигатель должен вернуть манипулятор в исходное положение, для этого осуществляется его реверсирование, т. е. вращение в противоположную сторону под действием напряжения другой полярности. Схема, обеспечивающая реверсирование, показана на рисунке 47. Далее начинается выполнение второго этапа программы, обеспечивающего поворот манипулятора на новый угол.
Переход ко второму этапу программы осуществляется путем последовательного сдвига кода в трех четырехразрядных регистрах. Если в первом цикле программа задавалась триггерами второго регистра, то после четырех импульсов сдвига вправо она будет задаваться триггерами первого регистра. Под действием импульсов сдвига произойдет следующая смена кодов в регистрах, соединенных кольцом,— код второго переместится в третий регистр, код которого попадет в первый регистр, а код первого, как 92
уже говорилось, будет записан во второй регистр, соединенный с компаратором.
Второй этап программы выполняется аналогично первому, после чего происходит очередная смена этапа программы, при которой величина напряжения задается кодом первого регистра.
После обработки трех этапов программа циклически повторяется, что соответствует последовательной работе робота по перемещению и расстановке грузов (спичечных коробков).
Рассмотрим схему, обеспечивающую автоматическую смену кодов программы путем подачи четырех импульсов сдвига. Прежде всего момент смены программы определяется по импульсам от путевых выключателей, когда манипулятор возвращается в исходное положение. Источником импульсов является мультивибратор, обозначенный на функциональной схеме в виде прямоугольника. Счет импульсов осуществляется трехразрядным счетчиком. Дозированная подача импульсов от мультивибратора на счетчик и выдача с него управляющих сигналов на регистры осуществляются с помощью триггера Пи трех логических элементов И — НЕ.
Происходит это следующим образом. Под действием путевого выключателя, расположенного в начальном положении манипулятора, триггер Т1 переводится в единичное состояние. Управляющий единичный сигнал подается с него на вход 13 элемента £)£)1, и одновременно исчезает нулевой сигнал, подавшийся с этого же выхода триггера на вход установки счетчика в нулевое положение. В результате на вход счетчика начинают поступать импульсы от мультивибратора через элементы DD11 —DD 1.3, DD2. При этом на счетчике последовательно появляются следующие коды: ООО, 010, ОН. Как только появится код 100, соответствующий четвертому импульсу, запирающий нулевой сигнал от элемента НЕ поступит на вход 1 элемента DD1.2, и подача импульсов на счетчик прекратится. Одновременно перестанут поступать импульсы сдвига на регистр. Таким образом отсчитываются нужные четыре импульса, позволяющие последовательно менять программу работы робота.
Принципиальная схема электропривода с ЧПУ показана на рисунке 77. В нее входят три четырехразрядных регистра, собранных на микросхемах К155ТМ2, трехразрядный счетчик, собранный на той же микросхеме, мультивибратор и схема управления, собранные на микросхемах К155ЛАЗ. Компаратор ЦАП собран на операционном усилителе КР1401Д1Б. Датчик угла поворота связан с валом электродвигателя. Электромагнитное реле, контакт которого разрывает цепь питания электродвигателя, срабатывает от положительного сигнала, поступающего с операционного усилителя на двухкаскадный транзисторный усилитель мощности (VT1, VT2).
Задание программы осуществляется с помощью двенадцати переключателей SA1—SA2, разбитых на три группы по четыре переключателя в каждой. Имеются также переключатели SA13 и SA14, управляющие работой счетчика и регистра.
Порядок работы схемы управления микроэлектродвигателем следующий. Запись программы происходит только в том случае, если переключатель SA14 находится в верхнем положении, в нижнем положении он подает сигнал установки регистров в нулевое положение. В верхнем положении переключателей SA1—SA12 на триггеры регистров подается 1, в нижнем положении — 0. Индикация состояния третьего (правого по схеме) регистра, входящего в ЦАП, осуществляется четырьмя светодиодами, подключенными к инверсным выходам триггеров элементов. DD5 — DD6.
Для того чтобы заданную программу можно было менять под действием импульсов сдвига, переключатели SA 1—SA12 переводят в верхнее положение. Информация в регистрах сохраняется. Порядок выполнения программы, как уже говорилось, следую-
89
220
R11
109 300 ^7
701
R13
2к
-\Редуктор [----О]
*'i?
12 к
К1.1
100 мк
та
Регистр
'5В 1к \-9В
007
ГЦ
43
&
в
ВбодЗ
58
2к
DD1 - DD8, DD11-0D12-K155TM2
009,00Ю-К155ЛАЗ 0А1КР14ОЧД1Б
VT1, VT2-K3156
VD1-VD8 Д9А-Г HL1-HL4 -АЛ307
О счетчика __
Пропуск, имп . 0 "р6гиапра
ЛйГ
щий — сначала реализуется код второго регистра, потом первого, третьего, опять второго и т. д.
Разрешение на работу счетчика подается переключателем SA13. Длительность счетных импульсов мультивибратора, собранного на микросхеме DD2, равна примерно 1 с. Такой низкий темп работы выбран специально, чтобы можно было проследить за процессом смены кодов программы.
В процессе сдвига программы на регистре ЦАП (второй регистр) появляются коды, не соответствующие заданной программе. Например, прежде чем произойдет смена, допустим, кода второго регистра 1011 на код первого регистра ОНО, на ЦАП поступят следующие коды: 0101, 1010, 1101, и только после четвертого импульса появится нужный код ОНО. Для того чтобы электродвигатель не реагировал на ложные сигналы, нужно
отключать напряжение с компаратора на период смены программ. Это осуществляется с помощью путевого выключателя (он на схеме не показан), расположенного в начальном положении датчика угла поворота.
Работа электропривода в режиме «обучения». Электропривод с числовым программным управлением может работать в режиме «обучения», соответственно и робот, для которого он предназначен, может самообучаться. Этот интересный режим работы реализуется с помощью АЦП. Обучение электродвигателя и, соответственно, робота происходит, как принято говорить в робототехнике, по первому циклу работы. Это значит, что достаточно один раз (один цикл) «показать» порядок работы, и он в дальнейшем будет точно повторять заданные движения до тех пор, пока не выполнит всю работу или пока его не выключат. Обучение по первому циклу проводит человек-оператор.
Повороты степеней подвижности манипулятора конструируемого учебного робота на нужные углы производятся с пульта оператора. При выполнении каждой команды электронная цифровая схема переводит заданный оператором угол поворота в цифровой код. После выполнения первого цикла работы, состоящего из трех команд, в электронной памяти схемы управления записывается числовая программа, которая затем автоматически выполняется манипулятором. Таким образом осуществляется его обучение.
Достоинства подобного режима обучения очевидны — отпадает необходимость в программисте. Особенно большой выигрыш получается, если необходимо программировать сложные движения роботов, занятых, например, такой трудоемкой и вредной для здоровья человека работой, как покраска кузова легкового автомобиля.
Рассмотрим, как можно практически осуществить работу электропривода в режиме обучения. На принципиальной схеме (см. рис. 77) блок АЦП является частью ранее рассмотренной схемы ЦАП. Новым в схеме является четырехразрядный счетчик (DD11—DD12), собранный по такой же схеме, что и счетчик сдвигающих импульсов. Счетчик АЦП подключается к компаратору с помощью диодов, образующих элемент ИЛИ на четыре входа. Применение его избавляет от ненужных связей выходов счетчика с выходами регистра (DD5, DD6). Включенные таким образом диоды называют развязывающими.
Включение режима обучения осуществляется переключателем SA15. Если он находится в нижнем положении, то счетчик переводится в нулевое состояние. При переводе переключателя в верхнее положение на счетчик начинают поступать импульсы мультивибратора (DD9) через элемент И — НЕ (DD 10.3).
В режиме обучения величина выходного напряжения компаратора первоначально имеет положительный знак, так как положительное напряжение подается с потенциометрического датчика
угла поворота на неинвертирующий вход. В момент, когда происходит уравнивание величин напряжения, на выходе появляется нулевое напряжение, и в следующее мгновение устанавливается отрицательное напряжение, так как компаратор «проскакивает» нулевое значение. Появившийся нулевой потенциал прекращает подачу импульсов на счетчик через элемент DD 10.3. Двоичный код остановившегося счетчика в этом случае соответствует постоянному напряжению потенциометрического датчика и, соответственно, углу поворота вала электродвигателя и его редуктора.
В приведенной принципиальной схеме (см. рис. 77) не показаны цепи, обеспечивающие запись двоичного кода счетчика в регистры, так как это значительно осложнило бы ее. Приступать к реализации режима обучения рекомендуется только после того, как робот «научится» выполнять цифровую программу, заданную оператором.
Щ 1. Соберите схему программного управления микроэлектродвигателя (см. рис. 77). Процесс сборки лучше вести по блокам с обязательной проверкой их работы. Единственным новым блоком, ранее не изготавливаемым, является устройство, обеспечивающее автоматический отсчет четырех импульсов сдвига. Поэтому, перед тем как приступить к практической работе, особенно внимательно разберите принцип его действия.
2. Подключите схему управления к электродвигателю с редуктором и датчиком угла поворота. (Схему управления и двигатель целесообразно разместить на разных платах.) Электрические соединения между ними осуществляются с помощью гибкого жгута и электрических разъемов. Редуктор электродвигателя подбирают так, чтобы скорость вращения вала датчика угла поворота не превышала 0,15...0,5 с-1, так как при большой скорости трудно следить за работой робота.
3. Изготовьте схему АЦП для режима обучения. (В наиболее простом варианте обучение ограничивается тем, что схема выдает коды, соответствующие углам поворота.)
?! 1. Почему схема управления электродвигателем называется цифровой?
2. Определите, с какой примерно точностью задается угол поворота микроэлектродвигателя (редуктора), если потенциометрический датчик может поворачиваться на максимальный угол, равный 160°, а коды четырехразрядного регистра могут меняться от 0000 до 1111.
3. Определите максимальную точность задания угла поворота при использовании пятиразрядного регистра.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ
РОБОТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Промышленный робот является одним из средств автоматизации производственных процессов. Такие качества ПР, как универсальность, гибкость и автономность систем управления, в сочетании с другими современными средствами автоматизации, основным и вспомогательным оборудованием, позволяют создавать высокоэффективное современное производство.
Состав роботизированных производств (РП) определяется следующими показателями:
размерами и типом деталей, являющихся объектом обработки; темпом выпуска деталей, заданным годовой программой; составом технологического оборудования;
организацией обслуживания оборудования;
организацией обеспечения материалами и инструментами;
организацией управления работой оборудования.
Промышленные роботы в составе РП наряду с участием во вспомогательных операциях (типа загрузка — разгрузка технологического оборудования) выполняют и основные технологические операции.
По организационной структуре роботизированные производства подразделяются на роботизированные технологические комплексы (РТК); роботизированные технологические участки (РТУ); роботизированные технологические линии (РТЛ).
Роботизированная технологическая линия предназначается для выполнения нескольких операций в принятой технологической последовательности. Она состоит из роботизированных технологических комплексов, связанных между собой транспортными средствами и системой управления, или нескольких единиц технологического оборудования (например, станков), обслуживаемых одним или несколькими промышленными роботами.
На роботизированном технологическом участке (состав участка аналогичен составу линии) предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.
Первичной ячейкой организационной структуры роботизированного производства является роботизированный технологический комплекс (РТК).
Он включает в себя технологическое оборудование, промышленный робот, устройство управления и различные средства оснащения, обеспечивающие подачу заготовок, деталей и инстру
ментов к месту обработки или сборки. Чтобы РТК работал в автоматическом режиме, без помощи человека, нужно автоматизировать все вспомогательные операции, например удаление стружки, контроль за точностью обработки, замену затупившихся или сломанных инструментов и др. Однако наличие таких элементов вместе еще не означает возникновения РТК, а не автоматизированного производства.
Рассмотрим ситуацию на примере обработки отверстия в детали. В соответствии с уровнем сложности применяемых средств возможные варианты поставленной задачи можно представить следующим образом:
1) отверстие получается сверлением с помощью ручной дрели;
2) отверстие получается сверлением с помощью дрели с электрическим приводом;
3) сверление осуществляется на вертикально-сверлильном станке, управляемом человеком;
4) деталь загружается на станок человеком, а операция сверления осуществляется автоматически в определенном месте детали и только на определенную глубину;
5) загрузка детали осуществляется автоматическим устройством типа автооператора, затем производится сверление в заданном месте и на нужную глубину (характеристики могут быть изменены путем механической переналадки станка);
6) деталь переносится на станок роботом; в зависимости от типа детали на станке осуществляется сверление отверстия необходимого диаметра, глубины и т. п.;
7) робот загружает деталь и забирает ее со станка; тип и характеристики отверстия, обрабатываемого на станке, оснащенном устройством ЧПУ, могут изменяться в зависимости от характеристик производимых изделий; система управляется микроЭВМ;
8) робот оснащен системой очувствления (зрением, тактильной чувствительностью) и сам ищет деталь в накопителе.
Первые пять вариантов хотя и включают возможность переналадки и автоматизации, но не обеспечивают гибкость (автоматическую смену заданий) и универсальность.
Шестой вариант представляет собой простейшую робототехническую систему, так как имеется возможность изменения запрограммированных движений манипулятора. Седьмой и восьмой варианты — более развитые робототехнические системы, в которых осуществляется быстрая переналадка всего РТК на новое задание и выпуск новой продукции.
Рассмотренный пример не охватывает целиком понятия РТК, в которых ПР может использоваться не только в качестве транспортного или загрузочно-разгрузочного средства, но и как основное технологическое оборудование. На рисунке 78 приведена структурная схема РТК, на которой показаны основные блоки комплекса в его наиболее развитом виде: включены датчики
Управляющее устройство Манипулятор робота
Рис. 78. Структурная схема РТК
Рис. 79. Схема РТК сварки:
1 — ПР; 2—4, 6 — вспомогательное оборудование; 5 — устройство программного управления
состояния среды, блок управления приводом и др. Примером РТК, построенного по такой схеме, может служить РТК сварки (рис. 79), типовой комплекс, в котором в качестве основного технологического оборудования использован промышленный робот /. Возможность смены программ осуществляется устройством программного управления 5.
Почти на всяком промышленном предприятии есть разного рода «неудобные» рабочие места (большая физическая нагрузка, неудобная поза, работа с вредными и токсичными веществами, высокая температура, запыленность, шум и высокий темп работы), подлежащие роботизации даже при отсутствии экономической выгоды. Там, где задачи рабочих при выполнении производственного процесса неизменны, утомительны, надоедливы и не требуют размышлений, т. е. в основном выполняются примитивные производственные процессы, действия рабочих могут и должны быть заменены ПР.
Прежде чем создать роботизированное технологическое производство, изготавливаются различные технические узлы и устройства. Характеристики конкретного рабочего участка, как правило, требуют усовершенствования базового варианта ПР: изменения конструкции захвата (иногда разработки нескольких новых захватов), создания средств технической оснастки, повышения точности позиционирования и т. д. Например, жесткие требования предъявляются к технологическому процессу при автоматизации заготовительного производства с помощью ПР, так как ужесточаются допуски на форму и размеры заготовок, на качество и стойкость используемого инструмента и т. д. При автоматизации сборки возникает проблема по оснащению ПР средствами «очувствления», в том числе силомоментными системами, и технического зрения.
При использовании на конвейерных линиях ПР оснащаются специальными приспособлениями, датчиками и дополнительными управляющими устройствами, что значительно усложняет программирование работы ПР и их применение.
Во время испытаний РТК осуществляется проверка его функционирования, подключение, опробование систем энергоснабжения и защиты, производится регулировка инструмента и устанавливается режим работы. В ходе эксплуатации РТК следует вести тщательное наблюдение за работой ПР, учитывая все отступления и сбои его функционирования в сочлененном с ним оборудовании. При возникающих трудностях в роботизации производства необходимо наладить работу ПР, осуществить доводку системы, оптимизацию производственных циклов, организацию материально-технического обслуживания и программирования, а также разработать программу дальнейшего расширения и совершенствования роботизации производства.
При оценке эффективности роботизации следует учитывать многие факторы. Среди них затраты: 1) определяющие стоимость
робототехнической системы, включая стоимость самого ПР и вспомогательного оборудования (конвейеров, бункеров, специального инструмента и т.п.), и составляющие одну треть общих затрат на внедрение РТК; 2) связанные с изменением планировки при установке ПР; 3) необходимые для обучения рабочих и обслуживающего персонала, что составляет 10... 15% общей стоимости системы; 4) требующиеся на обслуживание и ремонт (при двухсменной работе они могут достигать 10% в год от первоначальной стоимости); 5) связанные с эксплуатацией системы (эти затраты невелики); 6) необходимые для создания оптимальной программы работы робота; 7) направленные на компенсацию потерь стоимости РТК при его эксплуатации за срок службы; 8) требующиеся для компенсации той суммы, которую предприятие имело бы, если вместо покупки ПТК поместило бы деньги в банк и получило соответствующие проценты.
Перечисленные затраты компенсируются за счет роста производительности оборудования, продажи старого оборудования, уменьшения затрат на заработную плату, сокращения потребности в резервных запасах сырья, уменьшения брака, улучшения условий труда.
Следует отметить, что расходы на внедрение роботизированного технологического комплекса больше, чем при использовании обычного машиностроительного оборудования, что тормозит широкое применение РТК.
Обычно промышленные роботы устанавливаются для выполнения нескольких рабочих операций на одном участке. Сравнения показывают, что наибольших затрат требует внедрение в производство одного робота. С увеличением числа роботов на одном предприятии (в одном цехе) затраты в расчете на один робот уменьшаются. Роботизированные технологические производства обладают важным качеством: они позволяют увеличить использование рабочего времени оборудования до 98%. Это достигается за счет устранения обеденного перерыва и других потерь времени, связанных с участием рабочего в технологическом процессе. Кроме того, производство становится менее чувствительным к таким факторам, как невыход станочника на работу, опоздания, заболевания и т. д.
При создании РТК стоимость его не всегда является решающим аргументом (в отличие от других видов новой техники). Имеются производства, где внедрение РТК необходимо, потому что условия работы являются вредными для здоровья или опасными для жизни людей: это выполнение отдельных, особо сложных и точных производственных операций, работа при высоких температурах, при наличии в производственных помещениях атмосферы с токсичными химическими испарениями, при сварочных, литейных работах.
Как правило, рентабельным РТК считаются при условии, когда его внедрение позволяет повысить производительность труда
в среднем в 1,5...2 раза, сменность работы — в 1,5...1,8 раза, высвободить до двух работающих, существенно улучшить ритмичность и общую культуру производства.
?! 1. Чем определяется состав роботизированных производств?
2. Что такое РТК?
3. Какие технологические процессы и производственные места необходимо роботизировать?
ВСТРЕЧИ В ЦЕХАХ, ИЛИ ВЗАИМНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Сколько ни рассказывай о современном производстве, всегда лучше один раз самому увидеть все, чем много раз услышать.
Давайте заглянем в новые цеха отдельных производств. В кузнечно-штамповочном производстве, где под ударами молота металл постепенно деформируется и принимает нужную форму, роботы стали применять с начала их появления. В подобных цехах можно встретить, например, автоматизированный технологический комплекс АККД 218-2, который предназначен для штамповки деталей из штучных листовых заготовок и состоит из пресса, манипулятора и магазина с заготовками. Заготовки типа планки для замка подаются на стол из магазина-вибробункера. Со стола планку захватывает манипулятор робота, имеющий пневматические присоски. Затем она поворачивается к прессу и, передав заготовку в штамп, возвращается в исходное положение, за новой заготовкой. Одновременно с поворотом манипулятора на прессе происходит штамповка детали, которая потом сталкивается на лоток или в тару. Один рабочий контролирует работу нескольких комплексов. Вокруг комплекса установлено заграждение высотой 1300 мм, с нанесенными под углом 45° чередующимися черными и желтыми полосами. Рабочее пространство промышленного робота обозначено сплошными широкими (до 100 мм) линиями желтого цвета. Если попробовать войти в рабочую зону комплекса, то ПР может резко остановиться. Сработают устройства защиты, создающие командный сигнал аварийной остановки в опасной для человека части рабочего пространства — значит, был пересечен световой луч светозащитного устройства; зажглись лампочки-светофоры стоек, ограждающих зону. Блок логических преобразователей получил сигналы фотоприемников и выдал команду на останов ПР.
В механических цехах станок и ПР также работают слаженно и точно. Робот захватывает заготовку, устанавливает ее в зажимное приспособление, и она обрабатывается. Затем робот передает заготовку на другой станок или укладывает в специальную тару. Конечно, интересно посмотреть на обработанную деталь. И вот ваша рука потянулась к детали в то время, когда робот готовился ее снять. Неожиданно захват ПР застыл, так и не замкнувшись на детали, остановился и сам робот. Это инфракрасный луч 103
столкнулся с незнакомым предметом и дал приказ остановиться. Многое делается для того, чтобы защитить человека от робота, но не всегда это удается. Чем более широкое распространение получают ПР, тем меньше их замечают, тем чаще относятся к ним как к обычным технологическим машинам.
Промышленный робот — это хороший помощник. Но безмятежность и неосторожность в обращении с ним нельзя оправдать. Роботы могут нанести тяжелые травмы человеку, не соблюдающему правила безопасной работы, непосредственно связанные с особенностями конструкции робота, их наладкой, подготовкой программ. Малейшая ошибка в программировании — и робот в лучшем случае превратится в нерадивого бракодела, а в худшем — может ранить или даже убить человека.
Уровень опасности во многом зависит от подготовленности человека, грузоподъемности робота, его размеров, скорости движения манипулятора, размеров зоны обслуживания, одновременной работы в рабочей зоне нескольких манипуляторов. По данным Японии и Швеции, 36% лиц, работающих с ПР, сталкивались с авариями, а 8% получили травмы. В основном аварии происходили во время программирования, обучения, ремонтных и профилактических работ. Опасность для персонала, осуществляющего технические осмотры, ремонт, испытания, возникает тогда, когда работа выполняется при работающем манипуляторе или включенном ПР, что категорически запрещено.
Причины возникновения травмоопасных ситуаций в роботизированном производстве следующие:
сбои в отработке запрограммированных движений ПР ... 5,5%;
потеря управляемости ПР (отклонение от заданной
траектории движения) во время обучения ................. 16,6%д_
непредвиденное появление людей в зоне запрограммиро- '
ванных движений ПР ............................................ 11,2%;
неисправности основного технологического оборудования и ошибки персонала при работе ПР в режиме ручного управления и др................................................ 16,6%.
Примеров, связанных с «отказом» робота надежно и правильно выполнять свою работу, можно привести достаточно много.
В печати обычно описываются случаи, которые грозят чрезвычайно тяжелыми последствими. Например, в Англии для вывоза остатков ядерного горючего на склад АЭС используются роботы на гусеничном ходу. Один из таких роботов во время своего рейса неожиданно потерял ориентацию и начал крутиться на месте, удерживая в захватном устройстве опасные остатки. Радиоактивного заражения не произошло потому, что электромонтером был перерублен кабель, обеспечивающий питание этого «танцора».
На одном из заводов при внедрении и испытаниях ПР манипулятор неожиданно повернулся не на 45°, а на 90° и успел захватить за плащ члена приемной комиссии. Трагедии удалось избежать, выключив питание всего участка в цехе.
Поэтому необходимо выполнять определенные правила, обеспечивающие безопасность человека при работе с ПР или при общении с ним во время экскурсий.
! 1. Перед началом работы застегнуть рукава, убрать волосы под головной
убор, заправить одежду так, чтобы не было развевающихся концов.
2. Перед входом на роботизированный участок (линию, РК) убедиться, что оборудование и ПР выключены, а в зоне нет посторонних предметов. 3. Проверить исправность ограждения и работу блокировок входа.
4. В присутствии руководителя работ проверить исправность блокировок безопасности, звуковой и световой сигнализации, захватного устройства, заземление основного оборудования.
5. Занести в журнал работы цель включения ПР и результаты его проверки.
6. Перед включением ПР убедиться, что в рабочем пространстве нет людей.
7. Программирование и обучение ПР должны производиться оператором с выносного пульта управления в присутствии руководителя работ.
8. При работе ПР в автоматическом режиме категорически запрещается входить в рабочее пространство ПР и осуществлять регулирование ПР.
9. При сбое в работе ПР или отлучке с участка надо отключить ПР.
10. В целях обеспечения безопасности при работе с конкретным оборудованием, входящим в состав роботизированного участка (прессы, станки и др.), необходимо знать инструкции по охране труда при работе на этом оборудовании.
11. При обучении и наладке ПР, когда оператор находится в зоне его рабочего пространства, необходимо снизить скорость перемещения манипулятора до 0,3 м/с с помощью регулятора.
12. Повторное включение ПР после аварийной остановки должно осуществляться только после приведения всех исполнительных органов в исходное положение. Электрооборудование ПР должно быть оснащено пусковой аппаратурой, исключающей самопроизвольное включение при восстановлении внезапно исчезнувшего напряжения.
Периодически в сложных технических устройствах (а робот — это сложное техническое устройство, имеющее механическую, пневматическую, гидравлическую, электронную системы) наступают сбои, происходят отказы. И это может быть опасным. Но куда более значительные последствия может иметь отказ домашнего робота. Многие известные исследователи в области робототехники с ужасом представляют себе, если вдруг домашний робот начнет гоняться за кошкой, собакой или, того хуже, за ребенком или перепуганной насмерть хозяйкой. Такая перспектива на долгие годы может приостановить процесс применения подвижных роботов в быту.
Недаром В' фантастической литературе роботы изображаются иногда в виде носителей уничтожающего начала, разрушительного Мессии. Таковы Голем и Франкенштейн. Поэтому примечательно то, что, разрабатывая вопросы взаимоотношений человека и робота, ученые и писатели-фантасты предлагают различные меры предосторожности, законы, которые надо заложить в программу поведения робота. Знаменитые три закона Айзека Азимова тоже служат этой задаче. Он сформулировал их в книге «Я — робот»:
1) робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред; 2) робот должен повиноваться командам, которые ему дает человек, кроме тех случаев, когда эти команды противоречат Первому закону; 3) робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит Первому и Второму законам.
Вышеупомянутые законы и правила общения с роботом свидетельствуют, что проблема человек — робот таит в себе конфликтное начало. Даже вопрос о том, каким должен быть робот — похожим на человека или нет — вызывает большие споры. Внешний облик может раздражать «уродством» или сходством; высокий темп работы робота может вызвать у человека, работающего за соседним станком, чувство неполноценности. Роботы не понимают, почему нет заготовок, они требуют четкой организации производства, строгого выполнения технологической дисциплины. У некоторых людей возникает психологическая несовместимость с такими железными помощниками.
На ряде предприятий ПР даже содержались за решеткой, которая спасала роботов от людей, громивших аппаратуру. Такой неожиданный характер отношений человека с роботом не случаен по многим причинам.
Ученые-психологи определили, что психологическая несовместимость человека с машиной не проявляется до тех пор, пока машина не требует очень большого внимания, позволяет относиться к ней равнодушно, воспринимается как неодушевленная реальность, без капризов. Если же она становится неудобной в чем-нибудь, человек начинает раздражаться и может отвергнуть эту машину, отказаться работать на ней или даже испортить ее. Чем выше интеллект человека, тем чаще у него вместо раздражения возникает творческое отношение к роботу как своему помощнику, желание вступить с ним в диалог. Это наиболее разумный путь управления все более совершенной техникой, и роль рабочих на роботизированном производстве резко возрастает.
Вот какие непростые аналогии и размышления могут возникать при встрече с ПР в производственных цехах и в реальной жизни.
?! 1. Какие средства техники безопасности применяются на РП?
2. От чего зависит уровень опасности РП?
3. Каковы причины травмоопасности в РП?
4. Какие правила безопасной работы необходимо выполнять?
5. Что вызывает психологическую несовместимость человека и робота?
6. Почему в схеме электрооборудования ПР необходимо предусмотреть невозможность самопроизвольного включения ПР?
ТРУДНОСТИ И УСПЕХИ РОБОТИЗАЦИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Для того чтобы представлять себе реальные возможности ПР и те области производства, в которых они используются, надо хотя бы вкратце рассмотреть сущность основных технологических методов получения и обработки заготовок деталей машин.
Одним из основных заготовительных производств является литейное производство. Из литых заготовок изготовляют детали сложной формы, типа корпусов, массой от нескольких граммов до десятков тонн. Среди них Царь-пушка А. Чохова, Царь-колокол, отлитый Моториными в 1735 г., уникальные чугунные решетки, окружающие парки и дворцы Санкт-Петербурга, и т. п.
В процессе литья жидкий металл направляется в форму через специальное отверстие и, заполнив полости литейной формы, затвердевает. Полости в форме повторяют конструкцию детали, а сама форма состоит из двух половин — опок. В форму помещают модель отливки, а затем заполняют опоки песчано-глинистой смесью и уплотняют ее. Чтобы получить внутренние полости и отверстия, в форму перед заливкой металла устанавливают стержни. Обе половины формы соединяют и заливают металл. После охлаждения форму разрушают или раскрывают, если она многоразового использования. Отливку извлекают и очищают.
Раньше вся эта работа выполнялась вручную в душных загазованных цехах. Сегодня автоматические манипуляторы с программным управлением применяют для удаления из литейной формы блоков цилиндров, контроля отливок с помощью инфракрасных детекторов, наполнения и уплотнения формовочной смеси. Широкое применение роботы получили при литье под давлением (рис. 80).
Этот процесс включает следующие операции: заливку металла под давлением в металлическую форму, затвердевание отливки, извлечение отливки и контроль ее целостности, очистку отливки и очистку формы. Матрицы формы очищаются воздушными струями и смазываются для предотвращения сцепления со
Машина Емкость
для лить я для охлаждения
Рис. 80. Схема обслуживания двумя роботами машины для литья под давлением
следующей отливкой. В ряде случаев операции смазывания и очистки пресс-форм также осуществляются роботами. Роботы обычно действуют в цилиндрической или сферической системе координат. Конструкция манипулятора обладает повышенной жесткостью и требует дополнительной степени подвижности, так как при съеме отливки происходит плоскопараллельное перемещение манипулятора. Кроме того, робот должен быть тепло-и пылезащищен.
Литейные манипуляторы-смазчики имеют блок форсунок и напорный резервуар со смазочным материалом. Стойка манипулятора устанавливается на формонесущей плите машины для литья под давлением.
Для заливки металла используются различные автооператоры, оснащенные ковшом для металла. Ковш всегда находится над тиглем с разогретым металлом и сам нагревается от него. По команде манипулятор опускает ковш в расплавленный металл. Глубина погружения регулируется специальным датчиком. После заполнения металлом ковш поднимают и выдерживают некоторое время для слива металла в тигль. Затем рычаг вместе с ковшом поворачивается к заливочному окну литейной машины. Металл выливается в камеру, а манипулятор возвращает ковш в исходное состояние.
На базе машин для литья под давлением (МЛД) создаются РП (рис. 81). В состав РП входят машина для литья под давлением, раздаточная электропечь, установка для охлаждения отливок, пресс для обрубки литников, автооператоры и ПР. (Автооператор — автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора или совокупности манипулятора
Рис. 81. Типовые структуры РП на основе МЛД:
1 — машина литья под давлением; 2 — СПУ ПР; 3 — ПР; 4 — обрубной пресс; 5 — склиз; 6 — тара для отливок; 7 — ванна для охлаждения; 8 — дозатор; 9 — тигельная раздаточная печь; 10 — шкафы управления технологическим процессом
и устройства передвижения и неперепрограммируемого устройства управления.)
Другой вид заготовительного производства — кузнечно-штамповочное — тоже не остался обойденным вниманием со стороны роботов. В этом производстве роботы стали применять с самого начала их появления.
При ковке заготовку нагревают, чтобы металл стал более пластичным, легче принимал нужную форму, постепенно деформируясь под ударами молота. Этим методом (обработка давлением) получают коленчатые валы двигателей, гаечные ключи, кольца подшипников. Для нагрева используют пламенные и электрические печи. Вынув заготовку из печи, ее обрабатывают на гидравлических прессах или молотах. В массовом производстве применяют штамповку. Штамп имеет фасонную полость — ручей, повторяющую форму детали. В ручей устанавливается заготовка из печи, и когда верхняя половина штампа ударяет по заготовке, металл заполняет всю его полость. Штампованные детали требуют в дальнейшем очень небольшой обработки. Детали сложной формы обрабатывают в нескольких ручьях.
Штамповочная линия включает в себя несколько устройств: нагревательную печь, молот или пресс и обрезной пресс для удаления заусенцев. Заготовками для штамповки могут быть как отдельные болванки и прокат, так и листовой материал. Листовой штамповкой получают корпуса автомобилей и холодильников, подносы и ложки, различные емкости.
Работа кузнеца всегда была загадочной и тяжелой. Раскаленную заготовку надо было вынуть из печи клещами, перенести на наковальню молота и поворачивать после каждого удара бойка. Эту работу сегодня могут выполнять и промышленные роботы. Они не боятся ни массы заготовок, ни температуры металла, ни монотонности движений. Темп его работы не ослабевает в течение всей рабочей смены.
РТК с применением ПР «Циклон-ЗБ» и пресса модели КО-134 позволяет производить горячую штамповку деталей массой до 3 кг. Одной рукой ПР устанавливает заготовки в рабочую зону на позицию осадки, а второй — перекладывает заготовки на позицию вытяжки и далее на лоток. Именно робот выдает команду на срабатывание пресса. В день такой комплекс изготавливает 1000 деталей при двухсменной работе. Подобные РТК используют при горячей штамповке болтов, гаек, осей с буртиком, всевозможных пальцев.
Там, где время обработки исчисляется секундами, разгрузка и загрузка пресса производятся двумя промышленными роботами. Особенно это характерно для листовой штамповки деталей массой до 0,25 кг. Хорошо показал себя РТК мод. 4СМ2.120.048 с ПР мод. ПР-4-2 (рис. 82).
С приходом роботов меняется и привычная планировка цеха, расположение оборудования. Робот может обслуживать несколько
Рис. 82. Структуры РП холодной штамповки на основе ПР:
1 — пресс двустоечный; 2 — ПР; 3 — подающее устройство; 4 — тара для штамповок; 5 — тара для высечки; 6—штамп; 7 — транспортная система; 8 — СПУ ПР; 9 — шкаф электроавтоматики
прессов, появляются подводящие лотки и накопители для готовой продукции. Двурукий робот отлично обслуживает два пресса. Вместе они составляют автоматическую линию. Заготовки подаются по лотку поштучно, непосредственно в рабочую позицию (на пресс), где выполняется первая операция. Когда пуансон поднимается вверх, выдвигается первая рука робота и захватывает заготовку с помощью вакуумного схвата. Вакуумные присоски крепко удерживают листовые заготовки. Но после обработки листовая заготовка может принять сложную форму, объемнокриволинейную. Для ее перемещения удобен электромагнитный захват, установленный на второй руке робота. Рука забирает штамповку со второго пресса, и обе руки отходят назад. Но такому принципу работают линии Л612А. На них штампуют детали типа крышек, фланцев.
Роботизация кузнечно-штамповочного производства идет в нарастающем темпе, несмотря на ряд принципиальных отличий от роботизации других производств. Здесь и весьма большая номенклатура технологических процессов: штамповка, резка, вальцовка и др., чрезвычайно высокая скорость работы, необходимость изготовления сотен тысяч и миллионов деталей в год на одном прессе и, конечно, необходимость контроля (часто адаптивного) . Большие осложнения могут возникнуть, если заготовка вовремя не выталкивается из штампа (залипает в нем). Робот будет продолжать работу как ни в чем не бывало. И может поло
жить следующую заготовку сюда же, что приведет к выходу из строя всего оборудования.
Особенности работы роботов в кузнечном производстве связаны с ударной нагрузкой. А при холодной штамповке листы металла могут прилипать друг к другу. Если робот «не обратит» на это внимания, то поломка оборудования обеспечена. Необходимо создать адаптивный робот для таких РТК. В РТК после выгрузки заготовки из печи контролируется ее температура. Если температура не соответствует заданной, то заготовка возвращается в печь, а условия нагрева корректируются. Робот, установив заготовку, проверяет правильность ее положения в ручье штампа. Блокировочное устройство не позволяет включить пресс, пока манипуляторы робота находятся в зоне штампа.
Для того чтобы детали приобрели заданные свойства, их подвергают термической обработке, наносят специальные покрытия, красят. Покраска деталей, особенно имеющих сложную форму, требует повышенной маневренности от ПР. Распылитель устанавливается на манипуляторе, имеющем обычно 5—7 степеней подвижности. Чтобы плавно и непрерывно перемещать рабочий орган ПР, ускоряя или замедляя движение на определенных участках траектории для точного отслеживания формы окрашиваемой поверхности, в ПР применяется контурная система управления. Если вы пользовались красителями (лаками, эмалями) или видели, как белят потолок, то легко вспомните, как осторожно следует вести краскопульт, чтобы окрасить поверхность равномерно, без потеков. Вспомните и резкие запахи и частицы пыли. Это производство является токсичным и вредным для здоровья.
Внедрение роботов особенно необходимо при окраске крупногабаритных изделий — железнодорожных вагонов, кузовов, емкостей. Подготовку к окраске робот осуществляет под управлением оператора. Все действия фиксируются в памяти системы программного управления и затем автоматически воспроизводятся в рабочем цикле.
Тепловой обработке подвергают очень многие детали. Она включает в себя и термообработку для придания металлу определенной структуры и твердости, и сушку, и нагрев перед ковкой. Роботы, работающие в этих процессах, не только устанавливают заготовки в печи или ванны, но и контролируют температуру, регулируют время выдержки заготовок в печи, определяют твердость закаленных заготовок.
В состав автоматических линий для нанесения гальванических покрытий (химических, анодно-оксидных) входят, как правило, автооператоры или ПР. В гальваническом производстве выполняются следующие операции: захват емкости с деталями, передвижение к первой ванне, опускание детали в раствор, передвижение к другой позиции, соединяющий захват емкости с деталями, ее подъем и перенос к новой позиции и т. д., а затем повторение цикла.
С приходом роботов на производство рабочий становится
высококлассным специалистом, легче раскрываются его творческие способности, человек из «придатка» машины превращается в ее «властелина».
?! 1. Расскажите о сущности основных технологических методов получения
и обработки заготовок деталей машин.
2. Расскажите об автоматизации кузнечно-штамповочного производства.
3. Расскажите о процессе литья.
4. Какие виды заготовительного производства вы знаете?
СТАНОК С ЧПУ + РОБОТ
Уровень автоматизации станка — основной критерий, позволяющий использовать станок в составе РТК. Такой станок должен быстро переналаживаться, обеспечивать контроль деталей, вывод стружки, обработку всех деталей, включенных в группу. Кроме того, автоматически зажимать и освобождать деталь, точно и надежно ее базировать на станке, автоматически менять инструмент при обработке, поджимать заготовку к торцу токарного патрона или к плоскости приспособления для ее установки.
Первые шаги в автоматизации металлорежущих станков были сделаны еще во времена Петра Первого. Андрей Константинович Нартов — изобретатель суппорта токарного станка и выдающийся русский инженер — разработал первый токарно-копировальный станок, который мог вытачивать различные медали и кубки, украшенные затейливой резьбой. Для этого сначала надо было изготовить деталь-образец, которая являлась копиром. Режущий инструмент был соединен со специальным щупом, который, двигаясь по копиру, заставлял инструмент повторять в своем движении его форму. Можно сказать, что копир задавал программу движения инструмента.
Но чем сложнее машина, тем больше в ней деталей, для которых требуются копиры, что становится невыгодным из-за большого расхода металла на их изготовление, как, например, при изготовлении самолета, когда таких деталей набирается около 2000. Новая система задания информации была создана на использовании фотокопировального станка. Луч фотоглаза считывал контур чертежа детали, а инструмент повторял его при обработке заготовки.
Чертеж детали задавался с помощью двоичного кода через координаты опорных точек контура, т. е. в качестве точек, в которых меняется траектория инструмента. Сигналы записывались на перфоленте. Комбинации сигналов с перфоленты через фотоглаз передавались на привод инструмента — происходило числовое программное управление. Так возникли станки с ЧПУ. Многие из них оснащены барабанами с большим набором инструментов. Смена инструмента осуществляется по программе механической рукой — автооператором.
Рис. 83. Многопозиционный РТК мод. АСВР-05
В истории автоматизации технологического оборудования существует удивительный парадокс: чем проще, примитивнее действия рабочего, тем труднее их заменить автоматами, потому что автоматически обработать деталь легче, чем правильно ее сориентировать и закрепить на станке. Это в полной мере относится к операциям загрузки-выгрузки заготовок на станках, осуществляемых роботами. Они устанавливают заготовки в зажимных приспособлениях, снимают готовые детали, передают их на другие станки, на контрольные стенды. Могут упаковать и уложить в тару. Если робот подвижный, он может обслуживать несколько станков, чтобы не простаивать, пока на одном станке ведется обработка.
Рассмотрим несколько РП. Многопозиционный РТК мод. АСВР-05, приведенный на рисунке 83, включает в себя один фрезерно-центровальный 3 станок мод. МР-73М, два токарных 5 станка мод. 1Б732ФЗ с ЧПУ, ПР 4 мод. УМ160Ф2.81.01, вспомогательное оборудование и систему светозащиты. Вспомогательное оборудование составляют четыре магазина-накопителя 1 и посты 2 для хранения деталей при разгрузке станка. На первом станке обрабатываются торцовые плоскости валов и сверлятся небольшие центровые отверстия, далее происходит точение валов. (Диаметр валов — до 140 мм, длина — до 1000 мм, масса — до 160 кг.) Программирование осуществляется методом обучения. ПР имеет универсальное захватное устройство и датчики, которые позволяют ему находить заготовку.
8 Робототехника
ИЗ
Рис. 84. РТК для шлифования валов
Другим примером комплекса станок — робот является РТК, созданный на базе токарно-винторезного станка 16К20Т1, ПР «Электроника-НЦТМ-01» и системы управления (см. рис. 5). Робот установлен непосредственно на передней бабке станка. Сдвоенным схватом манипулятора он забирает заготовки с кассеты-накопителя, а после обработки возвращает обратно. Система управления ПР имеет режим обучения по первой заготовке и обеспечивает элементы адаптации его к внешним условиям. Приводы перемещения манипулятора состоят из электродвигателей постоянного тока, а приводы схватов — пневматические.
Роботы применяются не только при автоматизации токарной обработки. Хорошо зарекомендовал себя РТК (рис. 84) для шлифования валов массой до 40 кг мод. АСВР-06. ПР осуществляет загрузку — выгрузку станков заготовками, межстаночное транспортирование, поиск заготовок и раскладку их в магазинах в ориентированном виде. Такой комплекс повысил производительность работы в 4 раза и высвободил 6 рабочих.
Для обработки корпусных деталей созданы РТК на базе вертикально-сверлильных станков с ЧПУ, расточных и агрегатных станков. Кроме того, имеются роботизированные производства на базе многооперационных станков. Они снабжены магазином инструментов, необходимых при обработке группы деталей. На
Исходное положение
Станок Программа обработки введена, передняя бабка в исходном положении Робот Захватное устройство детали в горизонтальном положении, захватное устройство заготовки в верт положен
Обработать N деталей
Старт - команда от ЭВМ пульта управления участком
Разжим патрона
Нет
До
Обдув кулачков патрона станка
\3 охват заготовки из коссетьГу I Поворот к патрону станка
Захват детали
1
Отход от патрона станка с деталью
J
I
Смена положения захватных устройств
Установка заготовки дожим до упора заготовки ______в патрон станка
нет
аготовка
в патроне станка
Разжим заготовки
Поворот к кассете
Зажим патрона станка
Отход от Патрона станка I ♦-----------------------
Нет
Захват новой заготовки укладка детали в освободившееся гнездо
Патрон
станка зажат
Захватное
ото ушло из обработки стал.
ка
. Робот
о исходном положении
Да
Да
Обработка заготовки
Обработка закончена
Н деталей обработано
Нет
Да
Выход в исходное положение
_______Да
( Конец
Рис. 85. Схема алгоритма взаимодействия робота со станками
многооперационных станках производятся разные методы обработки: сверление, фрезерование, растачивание, что позволяет обрабатывать на одном станке самые сложные детали, не перемещая заготовку со станка на станок. По принципу управления они аналогичны станкам с ЧПУ. В многооперационных станках необходимо обеспечить поиск инструмента в магазине, смену отработавшего инструмента, его закрепление. Электронная система управления следит за ходом обработки и сигнализирует оператору о неисправностях (рис. 85).
Роботизированное производство, созданное на базе пяти многооперационных станков ИР-500МФ4, склада-накопителя с автоматическим штабелером, который работает с поворотным столом, и ПР мод. УМ160Ф2.81.01, предназначено для обработки корпусов гидроблоков. Робот, устанавливающий заготовку в зажимные приспособления станков, расположен на портале и может двигаться относительно станков. Такой комплекс может заменить целый цех.
?! 1. Каковы особенности автоматизации механической обработки с помощью
ПР?
2. Объясните порядок взаимодействия робота со станком.
ЛЕГКО ЛИ РОБОТУ СОБРАТЬ МАШИНУ
Сборочные роботы. В процессе сборки происходит рождение машины как законченного целого, формируются основные технические характеристики и показатели качества, заданные конструктором на изделие. Отсюда особая роль и значение сборочного этапа в технологическом процессе. Хотя сборка разнородных машин и механизмов требует специализации сборщиков, оборудования и приемов сборки, однако имеется и много общего в сборочных процессах. Сборка осуществляется такими методами, как свинчивание, клепка, сварка, склеивание. Собираемые соединения могут быть разъемными и неразъемными. Для сборки машины устанавливается определенная последовательность комплектования деталями и сборочными единицами, т. е. маршрут сборки.
Когда смотришь, как рабочий собирает изделие, то все кажется очень простым. Вот он взял подшипник, установил его в корпус, закрыл крышкой с прокладкой, установив ее на место так, чтобы в отверстия крышки прошли болты, и завернул их. Со стороны не видно, как при установке подшипника пальцы рабочего ощутили перекос по увеличению прилагаемого усилия, что зрение помогло ему сориентировать крышку относительно корпуса и болты — относительно крышки, выбрать нужный гаечный ключ. Однако именно незаметные детали усложняют и затрудняют внедрение автоматизации и роботизации в сборочных цехах.
Для того чтобы робот успешно справился с работой сборщика,
ему надо показать всю последовательность операций, где и что лежит, как выбрать среди многих деталей одну-единственную, нужную в данный момент. Именно на сборке возникают такие задачи, которые связаны с распознаванием объектов. Если человек хоть раз видел стол, то для него не имеет значения, сколько у стола ножек: он определил для себя его основные признаки. Для успешной работы на сборке нужно научить вычислительную машину, управляющую роботом, классифицировать объекты по отдельным признакам.
На сборке очень часто приходится решать задачи, связанные с выполнением резьбовых соединений. В любой машине обязательно встретятся десятки винтов и гаек — самых простых пар деталей (с точки зрения сборки), но простых только для сборки, выполняемой человеком. Как это делает человек? Во-первых, он размещает конструкции (пластины) так, чтобы их отверстия совпали. Затем берет винт нужного диаметра и вставляет в отверстия, например, подобранных пластин. Другой рукой человек берет гайку и наворачивает ее на винт. Как будто ничего необычного нет. Но стоит подумать об автоматизации этой операции, как возникает масса вопросов. Как человек берет гайку? Обычно тремя пальцами. Ну а если гайка плоская? Тогда лучше нажать на нее пальцем сверху и быстро перевернуть. Палец сработает как присоска. Очень важен момент касания гайки и винта. Здесь помогает тактильная чувствительность пальцев. Наконец гайка завернута до упора, однако конструкция еще неплотно закреплена, так как гайка проворачивается вместе с винтом. Рабочий возьмет отвертку и ключ нужного размера и подтянет гайку, удерживая головку винта отверткой от проворачивания. Надо не забыть придержать и конструкции от проворачивания.
Для выполнения простой с виду операции используется робот (рис. 86), имеющий три манипулятора. Вспомогательный манипу-
Позииипннкп! Вспомогательный
Привод cep^pl^ манипулятора —I
вычисление углов Привод
поворота суставов измерения манипулятора манипулятора усилии
Задание программы*1 центральный процессора Обработка команд
Рис. 86. Схема работы сборочного робота
Рис. 87. Схема сборки соединения вала и втулки
лятор (/) берет подготовленные пластины и держит их. Другой (//) берет винт за головку и поворотом кисти придает винту горизонтальное положение. Затем он быстро отрабатывает программу грубых перемещений винта до тех пор, пока последний не окажется у отверстия пластин. Третий манипулятор (///) таким же образом работает с гайкой. Для выполнения точных перемещений используется сенсорная обратная связь. На манипуляторах установлены датчики, сигнализирующие об изменении усилий при сборке. Устройство управления определяет необходимые углы поворотов в сочленениях манипуляторов и дает команды на их приводы. Процесс завинчивания кончается, когда усилие затяжки достигает нужного значения.
Таким же типичным узлом, как винт-гайка, является соединение вала и втулки. Процесс их сборки во многом зависит от ориентации их поверхностей друг относительно друга. Даже самые незначительные перекосы могут привести к заеданию или заклиниванию. При ручной сборке заклинивание не происходит благодаря тонкому чувству осязания сборщика. Однако и эта операция перестала быть недоступной роботам. Сборка ведется двумя роботами — основным и вспомогательным (рис. 87). Вспомогательный робот передает втулку на сборочную позицию, забирая ее с лотка, а основной — подводит вал. В захват робота вмонтировано сенсорное устройство, представляющее собой плоскую пружину. Когда вал оказывается над отверстием втулки, манипулятор опускает его до контакта с ее торцом. Если оси отверстия и вала не совпадут, то вал под действием веса наклонится в сторону центра отверстия втулки, в результате чего лепестки крестообразной пружины изогнутся. На каждом лепестке установлен датчик, подающий сигнал приводу горизонтального перемещения манипулятора робота для уменьшения перекоса оси вала. Оси совмещаются в течение 1 с. При сборке вал непрерывно
колеблется, что облегчает процесс. Такой метод сборки используется при посадке подшипников в отверстия корпусных деталей при сборке малогабаритных двигателей. Он называется методом направленного поиска.
Помимо тактильной чувствительности, необходимым элементом для сборочного робота становится зрение. «Зрячие» роботы уже работают в сборочных цехах. Они относятся к адаптивным роботам. В качестве примера их применения можно привести общую сборку пылесоса (рис. 89). На ней использован ПР, имеющий два манипулятора. У каждого манипулятора по восемь степеней подвижности. За сборкой осуществляется непрерывный технический контроль. Для этого используются семь телевизионных камер, на рисунке выделены серым. Манипуляторы оснащены трехпалыми схватами и тактильными датчиками. Сборка заключается в том, чтобы установить тонкий мягкий хлопчатобумажный фильтр с резиновым кольцом в корпус с двигателем, а затем смонтировать сверху пластмассовый пылесборник небольшой жесткости. Сложность автоматической сборки заключается в том, что фильтр легко деформируется, корпус установлен на колесах и при сборке не имеет фиксированного положения, а пластмассовый пылесборник имеет большие отклонения по размерам, что не позволяет настроить захват манипулятора на определенный размер.
Рис. 88. Схема роботизированной сборки пылесоса
Вначале надо выбрать и захватить фильтр. Фильтры лежат навалом. Телеглаза определяют положение верхнего фильтра и ориентацию манипулятора относительно края фильтра (рис. 89). Манипулятор захватывает наиболее удобно лежащий фильтр. Чтобы правильно расположить фильтр относительно корпуса, манипуляторы работают вместе. Затем более мощный из них захватывает и удерживает пылесборник, а очувствленный манипулятор — под контролем системы технического зрения и с помощью тактильных и силовых датчиков размещает резиновый обод фильтра точно по кругу пылесборника. Информация, поступающая от системы датчиков, обрабатывается двумя ЭВМ. И снова оба манипулятора робота, словно живые, действуют вместе. Силовой (более мощный) манипулятор забирает электродвигатель и устанавливает на пылесборник, совместив замки с зажимными скобами. Сенсорный манипулятор защелкивает скобы, а силовой — снимает пылесос со стола. Вся работа заканчивается за 2 мин.
ПР все шире используются на сборке. Они работают как самостоятельно, так и вместе с людьми. ПР участвуют в сборке трансформаторов, редукторов, электродвигателей, светильников дневного света, генераторов и двигателей внутреннего сгорания автомобилей. Роботами собираются такие сложные изделия, как пишущие машинки, штекерные разъемы.
На базе ПР мод. «Универсал-15М» и сварочного робота мод. 109А выполняется предварительная сборка и автоматическая сварка узлов опор ЛЭП массой до 15 кг (рис. 90).
Работы на сварке изделий. Сварка занимает важное место среди сборочных операций для выполнения неразъемных соединений. Существуют десятки различных способов сварки: дуговая, контактная, взрывом, трением, фотонная, электрошлаковая и др. Различают сварку плавлением и сварку давлением. В первом случае соединение образуется за счет расплавления кромок деталей, во втором — за счет сдавливания, как правило, разогретых поверхностей деталей.
Современные сварочные роботы широко используются в автомобильной, электротехнической и авиационной промышленности, и в первую очередь для сварки кузовов, дверей, боковых стенок и днищ автомобилей. Роботы сваривают кузов по контуру
Рис. 89. Действия руки робота при сборке пылесоса:
С — силовая рука; Н — сенсорная рука; А — распознавание фильтра; Б — распознавание края фильтра; 1—общий осмотр; 2— локальный осмотр; 3— касание края фильтра; 4 — приподнимание фильтра; 5 — взятие фильтра силовой рукой; 6 — передача фильтра в очувствленную руку; 7 — удержание пылесборника на месте; 8 — осуществление контакта фильтра и пылесборника; 9, 10 — установка фильтра; 11, 12 — установка электродвигателя; 13 — защелкивание скоб; D, — телевизионные камеры
Рис. 90. Роботизированное сборочно-сварочное производство:
1 — ПР; 2 — сварочный робот; 3 — пульт управления; 4 — шкаф управления; 5 — место предварительной сборки; 6 — транспортер; 7 — кантователь; 8 — место складирования
крыши, их сварочные клещи для точечной сварки забираются внутрь кузова и там за 66 с сваривают листы обшивки в 44 т. Сегодня почти полностью автоматизирована сварка различных элементов кузовов и кабин. В автоматических сварочных линиях работают по 20 и более ПР. Обычно роботы неподвижны, а перемещается кузов, но и робот может быть подвижным и двигаться синхронно с конвейером. Для контактной сварки применяют ПР мод. «Универсал-15», «Универсал-60», «Бета» и др.
Роботизированные системы электродуговой сварки отличаются от систем точечной сварки более сложной организацией управления. Сварочная горелка должна строго следовать по линии стыка свариваемых деталей. Сварной шов может иметь вид сложной пространственной кривой. Для выполнения таких работ используются контурные или позиционно-контурные системы управления, в которых управление ПР совмещается с управлением и режимами сварки. При дуговой сварке необходимо управлять подачей электродной проволоки для обеспечения оптимального зазора между электродом и заготовкой, иметь широкий диапазон регулирования скорости перемещения. РТК дуговой сварки включает в себя ПР, стол-позиционер, сварочное оборудование и базирующие приспособления. Движения стола и ПР скоординированы между собой. Для дуговой сварки используются ПР мод. ИЭС-690, РПМ-25, РМ-01.
В условиях современного производства ПР выполняют такие технологические операции, как резка материалов струей высокого давления, зачистка заусенцев и литых деталей, лазерная обработка. Прогнозы на ближайшие 5... 10 лет предсказывают опережающий рост производства адаптивных технологических роботов, выполняющих основные сложные производственные операции, сфера действия которых будет все более расширяться.
?! 1. Какова специфика сборочного процесса?
2. Какими свойствами должен обладать робот, предназначенный для автоматизации механической сборки изделий машиностроения?
3. В чем состоит функция робота на операциях сборки пылесоса?
4. В чем заключается специфика применения роботов в сборочно-сварочном производстве?
5. Расскажите о выполнении роботами сварочных операций.
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
При наличии экстремальных условий — радиоактивного излучения, загазованной атмосферы, взрывоопасности, сильных магнитных полей, глубокого вакуума, повышенного давления, например в глубинах морей и океанов, на поле боя, под землей и при высоких температурах,— встает вопрос о полном исключении присутствия человека в месте проведения работ. Создание роботов для экстремальных условий осуществляется по следующим основным направлениям.
Первое направление — дистанционное управление оператором, находящимся в безопасной зоне (рис. 91). Средства дистанционного наблюдения, например телевизионные, обеспечивают контроль за выполняемой работой, таким образом возникает особый вид РТС — дистанционно управляемые роботы и манипуляторы. Для управления ими применяется командное, копирующее и полуавтоматическое управление. При командном управлении (рис. 91, а) оператор, нажимая по очереди различные кнопки, включает приводы отдельных степеней подвижности манипулятора, подводя его исполнительный орган к нужному месту. Копирующее управление (рис. 91, б) отличается тем, что оператор работает с задающим механизмом, кинематически полностью подобным рабочему манипулятору. В результате, если человек перемещает задающий механизм, то точно такие же движения совершает и рабочий манипулятор, так как сустав задающего механизма связан с соответствующим суставом рабочего манипулятора по принципу следящей системы. Все звенья могут работать одновременно. Опыт конструирования задающих механизмов был использован в промышленной робототехнике. Для упрощения работы человека вводят отражение усилия с рабочего манипулятора на задающий механизм. В этом случае, помимо зрительного канала связи, получается еще один канал — силовой, что существенно увеличивает эффективность работы оператора.
При полуавтоматическом управлении (рис. 91, в) задающий механизм имеет вид управляющей рукоятки со многими степенями подвижности, кинематика рукоятки построена наиболее удобно для человека и отличается от кинематики манипулятора. Микропроцессорное вычислительное устройство выполняет преобразование координат, формируя управление на приводы рабочего манипулятора.
Второе направление создания РТС — полностью автоматиче-
4
3
Рис. 91. Схема действия дистанционной системы управления и дистанционно управляемый робот типа «Андромат»:
а — командная; б — копирующая; в — полуавтоматическая; СВ — специальный вычислитель; 1 — инструмент; 2 — позиционирующее устройство; 3 — пантографическая система; 4 — локтевой шарнир; 5 — манипулятор; 6 — задающий механизм; 7 — управляющая рукоятка; 8 — место оператора; 9 — основание; 10 — плечевой шарнир
ское (программное или адаптивное), его применяют, когда характер выполняемой работы допускает ее полное программирование. Пока это осуществимо только для промышленных роботов.
Третье направление — дистанционная интерактивная система управления действиями робота. Она предполагает автоматические режимы действия робота по заданной или адаптивно изменяющейся программе и дистанционную связь робота с человеком, т. е. оператор может дистанционно вмешаться в действия робота.
Во всех направлениях создания РТС система дистанционного управления манипуляторами и роботами имеет два канала: информационный (к человеку) и управляющий (от человека). В целом получается замкнутая (через оператора) система дистанционного управления, т. е. возникает замкнутая система человек — машина.
В непроизводственной сфере крайне редко встречаются программируемые действия или операции, большинство операций не может быть заранее запрограммировано. Поэтому для работы в экстремальных условиях наиболее приемлемо использование дистанционно управляемых робототехнических систем. В будущем линии связи человека и машины станут существенно ограничивать применимость дистанционно управляемых систем, а успехи в области вычислительной техники и разработке новых сенсорных элементов приведут к тому, что предпочтение будет отдаваться роботам, а не дистанционно управляемым системам.
?! 1. Назовите основные направления создания систем дистанционного
управления манипулятором.
2. В чем заключается принцип полуавтоматического управления?
3. Каковы особенности дистанционного управления РТС?
РОБОТЫ В УСЛОВИЯХ РАДИОАКТИВНОСТИ
В 40-х гг. нашего столетия в технически передовых странах развернулись широкомасштабные работы по использованию атомной энергии. Пришлось иметь дело с материалами, обладающими радиоактивностью — свойством, опасным для здоровья и жизни человека. Опасно для человека и оборудование, которое подвергается действию радиации при получении или использовании радиоактивных материалов. Появилась необходимость в создании манипуляторов. Рабочие манипуляторы устанавливались непосредственно в производственной камере, в «горячей зоне», куда доступ человеку закрыт. А человек, находясь в безопасной зоне, управлял ими с помощью задающих органов, т. е. был реализован принцип копирующего управления. Первые манипуляторы были пассивными, чисто механическими и целиком строились на использовании мускульной силы человека. Затем были созданы манипуляторы с приводами и различными вариантами управления.
Манипуляторы, предназначенные для работы в условиях радиации, сыграли важную роль в развитии аппаратных средств робототехники. Работы по их созданию активно велись в США, Франции, ФРГ и в нашей стране. РТС (рис. 92) для выполнения различных видов работ, в том числе и ремонтных, должен обладать повышенной проходимостью и маневренностью, двумя копирующими манипуляторами, оснащенными силовой обратной связью. Наличие силовой обратной связи позволяет оператору выполнять такие сложные
Рис. 92. Подвижной робот для обслуживания ядерных реакторов
операции, как шлифование,
резка, сверление, завинчивание, открывание и закрывание клапанов. Прожекторы и телевизионные камеры дают оператору возможность контролировать выполнение работ, а управление осуществляется по кабелю.
Три японские компании — «Мицубиси Дэнки», «Мицубиси Дзюкоге» и «Кансай Дэнреку» создали РТС для автоматизации диагностики и контроля атомных реакторов. Она может функционировать при уровне радиации, смертельно опасном для человека. Особенностью РТС является наличие на борту системы навигации, позволяющей ей самостоятельно, в соответствии со схемой расположения точек контроля, планировать кратчайший маршрут
от текущего положения к точке контроля и определять оптимальный порядок осмотра нескольких точек. Предусмотрена и система автоматического обхода препятствий. РТС полностью автономна, на ней установлен аккумулятор, подзарядка которого также автоматизирована от зарядного устройства, расположенного в зоне реактора. Связь РТС с оператором и центральной системой управления осуществляется по радио. Роботизированная система контроля позволяет вести непрерывное автоматическое слежение за уровнем радиации, температурой и другими параметрами в зоне реактора и в теплообменниках. Наряду с визуальной и звуковой информацией это дает возможность моментально обнаруживать разгерметизацию или другие неполадки, прогнозировать аварийные ситуации.
Мобильные роботы широко использовались и при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. МГТУ им. Н. Э. Баумана был создан мобильный робот (мобот), который участвовал в дезактивационных работах на крыше третьего энергоблока.
Средством перемещения мобота являются полиуретановые гусеницы. Над ними на платформе установлен мощный манипулятор с четырьмя степенями подвижности, телекамеры, фары, приборы радиационного ,контроля. Есть у него и ковш, как у бульдозера. На манипуляторе установлена еще одна телекамера.
Мобот может преодолевать подъемы крутизной до 30°, тяговое усилие около полутонны, а грузоподъемность манипулятора — до 150 кг. Мобот также оснащен специальным кабелеукладчиком. Впервые он был испытан в августе 1986 г., а спроектирован и изготовлен всего за полтора месяца. Управление моботом осуществляется по кабелю со специального пульта. Длина кабелей — до 300 м. Было сделано несколько таких моботов. Они успешно эксплуатировались в течение длительного времени, освободив сотни людей от тяжелой, опасной работы в условиях радиоактивного заражения.
?! 1. Расскажите о применении роботов и манипуляторов в условиях
радиоактивности.
2. Какими особенностями должны обладать роботы в условиях радиоактивности?
РОБОТЫ В КОСМОСЕ
Человеческое воображение часто не успевает за происходящими событиями. Яркая реальность вторгается в нашу жизнь и окрашивает ее фантастическими красками. Без преувеличения можно сказать, что новый этап освоения космического пространства начался в ноябре 1970 г. 17 ноября по лунной поверхности начал перемещаться советский самоходный космический робот «Луноход-1» (рис. 93). Он обследовал 80 000 м2 моря Дождей. Луноход состоял из восьмиколесного шасси и корпуса. На каждом колесе имелся свой электродвигатель. Исследовательский комплекс включал телефотометры, телекамеры, рентгеновский телескоп для изучения космического излучения и другую научную аппаратуру. Десять месяцев работал этот робот в условиях повышенной
Рис. 93. Луноход
радиации, космического вакуума при перепаде температур в 300°. И все это время в 400 тыс. км от него в Центре дальней космической связи работал экипаж из пяти человек: командир, водитель, штурман, оператор и бортинженер. Космические аппараты (КА), совершившие мягкую посадку на Луну и взявшие пробы грунта — «Севаейр—3» (США, 20.04.1967 г.) и «Луна—16» (СССР, 21.09.1970 г.), были оборудованы простейшими манипуляторами, способными лишь на одну операцию — переместить инструмент в зону работы и взять пробу грунта.
На сегодняшний день самым совершенным манипулятором, который используется в космосе, является дистанционно управляемая манипуляционная система (ДУМС) пилотируемого транспортного космического корабля США многоразового использования (МТКК) «Спейс шаттл». Он был разработан канадской фирмой «СПАР аэроспейс», а фирма «Ай Би Эм» создала для него программное обеспечение. Электромеханический манипулятор имеет шесть степеней подвижности. Длина его плеча 6,37 м, предплечья — 7,6 м, кисти — 1,88 м. Плечо и предплечье выполнены из эпоксидных армированных угольным материалом тру§ диаметром 33 см, и масса ДУМС, несмотря на значительные размеры, невелика — 454 кг. Зона действия ДУМС охватывает 90% грузового отсека КА. Система обеспечивает вывод и съем с орбиты полезного груза массой до 30 т.
На манипуляторе установлены две телекамеры — одна непосредственно на рабочем органе, а другая — на конце плечевого сустава.
«Боевое крещение» ДУМС состоялось во время второго полета по программе «Спейс шаттл» (КА «Колумбия» 12.11 — 14.11.1981 г.), а наиболее сложные операции с помощью ДУМС были выполнены во время одиннадцатого полета (КА «Челленджер», 6.04—13.04.1984 г.). Основными задачами полета являлись вывод на орбиту ИСЗ «ЛДЭФ-1» и ремонт на орбите ИСЗ «Солар Максимум Мишен» — «СММ». На второй день полета с помощью ДУМС был извлечен из грузового отсека и размещен на орбите ИСЗ «ЛДЭФ-1» — 11-тонный цилиндр величиной с автобус, в создании которого участвовали ученые из США, Канады, Дании, Франции, ФРГ, Ирландии, Нидерландов, Швейцарии и Великобритании. На третий день экипаж «Челленджера» приступил к операции захвата ИСЗ «СММ». Командир корабля Р. Криппен подвел КА на расстояние 60 м к ИСЗ. Поскольку ИСЗ вышел из строя и потерял ориентацию, то астронавт Д. Нелсон вышел в открытый космос. Используя индивидуальную двигательную установку ММУ, он сблизился со спутником и попытался состыковаться с ним для стабилизации спутника. Однако все попытки оказались неудачными. Нелсон попытался ликвидировать вращение ИСЗ, схватившись за панель солнечных батарей, но это привело к тому, что началось вращение ИСЗ и относительно поперечных осей. Т. Харт трижды пытался захватить держатель на
дестабилизированном ИСЗ с помощью ДУМС, но попытки оказались безуспешными. А в Центре космических полетов операторы бились над тем, как стабилизировать ИСЗ. Это удалось сделать, используя магнитную систему ориентации спутника. И наконец, 10 апреля Т. Харту удалось захватить спутник за держатель. Он был помещен в грузовой отсек «Челленджера». 11 апреля Дж. Нелсон и Ван Хофтен совершили выход в открытый космос и провели необходимые ремонтные работы. При выполнении работ они стояли в специально закрепленном на конце манипулятора «стремени». По их командам Т. Харт переносил «стремя» в нужное место. По окончании ремонта ДУМС удерживал «СММ» над «Челленджером» до тех пор, пока шла проверка систем ИСЗ, затем спутник был снова выведен на орбиту. Интересно отметить, что во время полета был установлен своеобразный рекорд — одновременно в космосе находились 11 человек — пять отечественных космонавтов (Л. Кизим, В. Соловьев, О. Атьков, Ю. Малышев, Г. Стрекалов), исследователь Республики Индии (Р. Шарма) на борту комплекса «Салют-7» — «Союз Т-10» — «Союз Т-11» и пять американских астронавтов на борту КА «Челленджер».
Недалеко то время, когда на околоземных орбитах появятся большие космические станции, на которых будут находиться и роботы.
На наших глазах рождается новая технология — космическая. Специфические условия — невесомость и глубокий вакуум — дают возможность осуществить уникальные производственные процессы, невозможные на Земле. В условиях микрогравитации получают материалы с очень высокой степенью однородности, полезные примеси равномерно распределяются по всему объему материала. В невесомости любая жидкость под действием сил поверхностного натяжения принимает сферическую форму. Появляется возможность обработки жидких материалов без помещения их в емкость и, следовательно, получения сверхчистых веществ, не загрязненных примесями со стенок этой емкости, или веществ с такой температурой плавления, которую не выдержит ни один тигель. С помощью магнитных полей расплавам, находящимся во взвешенном состоянии, можно придать любую форму. Невесомость может быть использована и для получения особо чистых лекарств и вакцин.
Первые шаги в космосе делает и сварка. Можно ли варить в космосе? Для сварки нужна дуга, требуется ионизация межэлектродного пространства. А ионизировать нечего — кругом космический вакуум. А как предотвратить разбрызгивание и свободный полет по космическому кораблю капель расплавленного металла? Первые положительные результаты в этом направлении получены космонавтами В. Кубасовым и Г. Шониным.
Многочисленные эксперименты по отработке космических технологий были проведены на станциях «Салют», «Мир». Появляются предпосылки для развития космического производ
ства. Будут созданы целые, полностью автоматизированные и роботизированные технологические модули, свободно парящие около космических станций (для исключения действия ускорения, создаваемого перемещающимися по станции космонавтами, ускорений при причаливании и отходе транспортных кораблей и ОМВ). На них роботы будут совершать операции по загрузке — разгрузке установок, контролировать параметры получаемых материалов и изделий, настраивать и регулировать аппаратуру.
?! 1. В чем принципиальные трудности по созданию роботов для космоса?
2. Какие технологические операции осваиваются в космосе и зачем?
РОБОТЫ В ГЛУБИНАХ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ
Известный исследователь мирового океана Ж. И. Кусто говорит, что будущее человечества связано с Мировым океаном. Он содержит все элементы таблицы Менделеева и является источником тепла в масштабах планеты. Подводные горы и долины содержат запасы кобальта, алюминия и меди для обеспечения потребностей всей нашей планеты в течение нескольких десятков тысяч лет.
Активное изучение богатств подводного царства началось не так уж и давно. Причина — в ограниченных возможностях человека. Уже на глубине в 100 м давление воды превосходит предел прочности грудной клетки человека. Требуется водолазный костюм. Но и он, ограничивая действия человека под водой, не спасает его от возникновения кессонной болезни при быстром подъеме с большой глубины. Время, за которое выравнивается давление в организме человека с давлением воды, составляет многие часы. Поэтому сегодня активно разрабатываются как обитаемые (ОПА), так и необитаемые (НПА) подводные аппараты-роботы, среди которых наиболее распространены подводные телеуправляемые манипуляционные роботы (ПТМР) (рис. 94).
10 апреля 1963 г. в Атлантическом океане в 220 милях от Бостона на глубине 2800 м затонула американская атомная подводная лодка «Трешер». В тот день она завершила ходовые испытания после очередного ремонта на Портсмутской верфи. Программа испытаний предусматривала погружение лодки до предельной глубины (360 м). Лодку сопровождало в походе спасательное судно «Скайларк». На борту «Трешера» находились 129 человек.
В спасательных операциях, сильно осложненных большой глубиной, наиболее удачным оказалось восьмое погружение. Удалось вторично обнаружить место гибели лодки. Батискаф оказался среди невероятного нагромождения останков лодки. С большим трудом с помощью манипулятора удалось захватить
Рис. 94. Подводный аппарат «Долфин»:
/—базовое судно «Напуцима»; 2 — буксировочный кабель; 3 — гидролокатор (сонар) для пеленгации объектов; 4 — ответчик; 5 — пенопластовые блоки; 6 — гребной винт для перемещения аппарата вверх — вниз; 7 — гребной винт для перемещения аппарата вперед — назад; 8 — боковой гребной винт; 9 — контейнер с телеметрической аппаратурой; 10— гидравлический привод; 11— фотокамера; 12 — схват-ножницы (пять степеней свободы) с регулируемой скоростью движений; 13 — корзина для сбора образцов; 14 — цветная телекамера; 15— копирующий манипулятор (семь степеней свободы); 16 — стереоскопическая телекамера; 17, 18 — фара
изогнутую трубу длиной 1,5 м. На поверхности ее при осмотре обнаружили маркировку «Лодка-593». Так окончательно был опознан «Трешер».
Эта катастрофа, унесшая 129 человеческих жизней, показала, что ни военно-морской флот, ни научно-исследовательские организации не имеют технических средств для проведения аварийно-спасательных, поисковых и научно-технических работ в глубинах Мирового океана.
Особенно широко ПТМР применяются при обслуживании плавучих буровых установок, прокладке и обследовании трубопроводов и кабелей, возведении и ремонте подводных сооружений. Поэтому на них, помимо манипуляторов, имеется целый ряд сменных инструментов и приспособлений. Для подъема больших грузов используется специальный буй для выноса на поверхность подъемного троса. Буй может крепиться к рабочему органу манипулятора, который отделяется после прикрепления к объекту.
Кроме того, создаются приводные самоходные НПА, перемещающиеся по грунту с помощью движителей гусеничного или колесного типа. Аппараты такого типа широко использовались при освоении нефтяных и газовых месторождений в Северном море. Траншеекопательный аппарат норвежской фирмы использовался в 1983 г. для закладки трубопроводов длиной 4 км. Рытье траншеи осуществлялось с помощью механической фрезы, в то время как манипулятор захватывал отрезок трубы и автоматически укладывал его в вырытую траншею. Самоходные НПА в будущем окажут неоценимую помощь и при промышленной добыче рассыпных месторождений на континентальном шельфе (золота, платины, олова, титановых соединений и др.; глубина 200 м), залегающих на глубинах до 5000 м, и других полезных ископаемых.
ПТМР и ОПА прекрасно зарекомендовали себя при проведении ряда поисково-спасательных операций.
17 января 1966 г. во время дозаправки топливом в воздухе загорелся американский стратегический бомбардировщик В-52, на борту которого находилось четыре водородные бомбы мощностью 25 мегатонн каждая. Бомба представляла собой цилиндр диаметром 609 м и длиной 3675 мм. Экипаж произвел аварийный сброс, три бомбы приземлились неподалеку от деревни Паломарес, а четвертая — на парашюте в море. Операция поиска затонувшей бомбы продолжалась почти три месяца. В ней принимали участие 18 боевых кораблей и специальных поисковых судов. 19 марта спасательное судно «Хойст» приступило к подъему, однако трос перетерся, и бомба была утеряна. Найти ее удалось сравнительно легко по сигналам прикрепленного к ней маяка-ответчика. Она лежала на краю глубокой впадины на глубине 870 м. 7 апреля ПТРМ «Курв-3» после нескольких неудачных попыток закрепил подъемный трос на манипуляторе, однако сам запутался и был поднят на поверхность вместе с бомбой.
Ранее создавались только НПА с дистанционным управлением.
соединенные через кабель или по гидроакустическому каналу с человеком-оператором. Однако взаимодействие человека-оператора с НПА представляет весьма тяжелую и отнимающую много времени работу. Поэтому возникла настоятельная потребность в создании автономно действующих подводных роботов. Прообразы таких роботов уже появились. Канадская фирма «Интернэшнл сабмарин инджиниринг» создала два автономных подводных робота, способных плавать среди препятствий и самостоятельно возвращаться на базу. Они обнаруживают препятствия с помощью акустических датчиков. Движением аппарата управляет компьютер, который обрабатывает получаемую от датчиков информацию и управляет работой водометных двигателей. Перед началом работы в память компьютера закладывается маршрут следования. Подводный робот АРЦС может, например, следовать на глубинах до 300 м вдоль трубопровода, дистанционно обследуя его и определяя трещины и утечки. Передача информации осуществляется по гидроакустическому каналу.
?! 1. Зачем нужны роботы для освоения морей и океанов?
2. Какие группы подводных аппаратов существуют?
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
Не менее сложные условия, чем под водой или в космосе, встречает человек под землей. Человечество осваивает недра земли для добычи полезных ископаемых, прокладки туннелей для автотранспорта или поездов метрополитена.
В последние годы разрабатываются самоходные установки с манипуляторами для механизации операций на угольных шахтах. Манипуляторы обеспечивают установку крепи и обуривание забоя, погрузку и разгрузку оборудования и материалов. При разработке пласта необходимо различать границы залегания полезных ископаемых, иначе самоходный комбайн при отсутствии человека-оператора может уйти в сторону от пласта. Чтобы этого не случилось, положение робота-комбайна в туннеле фиксируется по лучу оптического квантового генератора, который, воздействуя на фотоэлементы, обеспечивает движение робота в заданном направлении. Подземные роботы типа универсальных машин с манипулятором «Штрек» могут бурить отверстия для буровзрывных работ, производить смену инструментов и предохранять их от заклинивания в породе. Горнодобывающий комплекс включает буроразряд-но-взрывной робот, пульт управления, конвейер, робот для управления давлением в очистных забоях. В дальнейшем, когда уйдут в прошлое опасности, связанные с работой проходчиков и горняков под землей, задачей горно-спасательных служб станет в основном ликвидация аварий с машинами, так как человек все реже будет находиться в забое.
Разрабатываются роботы и для таких сфер производственной деятельности, где атмосфера насыщена ядовитыми испарениями, где надо иметь дело с высокой температурой. Например, в Японии созданы роботы-пожарные. Даже для обслуживания канализационных труб применили специальный робот.
Производство стекла и изделий из него всегда было связано с высокими температурами. Так как температура воздуха в помещении с нагревательными устройствами достигает 70°С, рабочие сменяли друг друга каждые 20 мин. Теперь появились автоматизированные производства, где у печей работают роботы. Один робот вынимает из печи изделия, действуя одновременно четырьмя захватами, а другой обслуживает конвейер, подающий детали в печь для отжига. Подобные роботы можно уже встретить и на операциях отжига кирпича.
Примерно 70% земной поверхности (болота, горы и т. п.) недоступны для транспортных средств на колесном или гусеничном ходу. Здесь могут помочь лишь шагающие машины. Больших успехов в разработке шагающих роботов достигла фирма «Одетикс». Ее шестиногий робот Одекс—I, имеющий «цилиндрическую» конструкцию, при высоте чуть меньше 2 м, может шагать по лестнице с высотой ступеней в 1 м (рис. 95). При перемещении
Рис. 95. Робот «Одекс-1»
габаритные размеры робота изменяются по ширине от 540 до 690 мм и по высоте от 910 до 1980 мм. Управление движением производится всего несколькими командами, которые передаются по радиоканалу от оператора к роботу. В соответствии с ними бортовые микропроцессоры робота управляют перемещением ног. Грузоподъемность робота около 400 кг.
Манипуляторы используют и в такой области хозяйства, как лесная промышленность: на машинах для валки, захвата и транспортирования дерева. Оператор из кабины управляет движением манипуляторов, которые захватывают, удерживают и срезают дерево. Он управляет одиннадцатью рукоятками и совершает в 1 мин до 40 действий. Человек быстро утомляется. Одно неосторожное движение — и дерево теряет требуемую ориентацию и устойчивость и падает, опрокидывая машину. Роботизация этого процесса заключается в разработке новых систем управления подобными машинами, которые упростили бы работу оператора с манипуляторами и автоматически сохраняли вертикальную ориентацию дерева при его переносе. Такие системы управления имеют много общего с автопилотом, обеспечивающим полет в «слепых» условиях или посадку самолета.
Робототехнические устройства используют в самых неожиданных областях. Например, они внедряются в сферу исследования спортивного снаряжения, помогая в разработке рекомендаций по технике нанесения ударов теннисной ракеткой по мячу; позволяют составить портрет человека с помощью телекамеры и «миксера».
?! 1. Расскажите об устройстве горнотехнического робота.
2. Где используются РТС?
КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Начиная с появления первых машин, человек осознанно стремился к тому, чтобы они действовали сами, без вмешательства с его стороны, а возросшие масштабы человеческой деятельности в преобразовании природы, численности человечества и потребностей привели к необходимости резкого увеличения производительности труда посредством автоматизации технологических машин.
Лозунг «Даешь больше продукции!» привел к созданию таких станков-автоматов, на которых можно было обрабатывать только одну поверхность детали, и ни на что другое они уже не были годны. Такие автоматы и автоматические линии предназначались для выпуска одного или нескольких однотипных изделий. Их переналадка на выпуск иной продукции часто экономически нецелесообразна. Они и сегодня играют большую роль на всех этапах производственного процесса — от получения заготовок до их обработки и сборки. И хороши они там, где вид выпускаемой продукции сменяется редко, например при выпуске массовых изделий типа зубчатых колес, винтов, сверл и др.
С ускорением научно-технического прогресса изделия стали выпускать все меньшими сериями и в короткие сроки. В этих условиях на производство пришло принципиально иное технологическое оборудование — станки с числовым программным управлением. Такие станки сохраняют высокую степень универсальности, т. е. позволяют легко осуществить переход от обработки одной детали к другой за счет применения программного управления.
Но и на этих станках физические затраты труда все еще велики. При обслуживании станков с ЧПУ на долю человека выпадают самые, казалось бы, простые и неквалифицированные операции (установить и снять заготовку, сменить затупившийся инструмент и др.), которые все чаще стали выполняться роботами. Такие роботы должны работать слаженно с технологическим оборудованием. Для этого требуется четкая организация рабочих мест, удобные для роботов приспособления, новые конструкции механизмов смены инструментов и др. Роботизация производства, развитие микроэлектроники и вычислительной техники вплотную подвели человечество к созданию полностью автоматизированных цехов и заводов, работающих в режиме «безлюдной» технологии, т. е. при весьма ограниченном участии людей.
Идея создания заводов-автоматов не нова. Еще в 30-х гг. в США был создан автоматический завод по выпуску автомобильных рам Адама Смита. Число рабочих сократилось в 50 раз. В 1950 г. у нас в стране был построен завод-автомат по изготовлению автомобильных поршней в г. Ульяновске. При суточной производительности в 2000...3500 изделий его обслуживали всего 5 человек. Однако эти заводы имели жесткую компоновку и жесткую логику управления, непригодную для быстрых переналадок: элементная база тех лет не позволяла осуществлять гибкое производство в зависимости от хода технологического процесса и вида обрабатываемых деталей.
Замена систем управления с жесткой логикой, задаваемой командными аппаратами, системами управления с гибкой логикой, задаваемой программным обеспечением, а затем и переход к прямому цифровому управлению от ЭВМ группой станков на базе микропроцессорных средств создали в автоматизации производства новые возможности. Автоматизация стала охватывать не только управление технологическими процессами, но и процессы обработки информации и проектирования самой технологии, т. е. оптимальной последовательности изготовления изделия.
Это направление охватывает организацию и управление производственной деятельностью, проектирование и технологическую подготовку производства.
Важным элементом, объединяющим «усилия» оборудования различных типов по изготовлению изделий, являются транспортные средства. В условиях жесткой автоматизации оборудование расставляется в цеху в определенной последовательности, а транспортные устройства обычно имеют дело с одним типом деталей, которые они перемещают от одного станка к другому. Когда продукция меняется часто, то к ней должны приспосабливаться не только станки, но и транспортные устройства, а маршрут обработки тоже должен стать иным. Для новой детали может потребоваться другое время обработки на каждом станке, иное время перевозок. Необходимо программировать действия транспортной системы, основным элементом которой становится автоматическая тележка — робокар. Она не только обслуживает станки, но и поддерживает связи со складом инструментов, приспособлений, заготовок и готовой продукции, где работает робот — штабелер.
Объединение всех перечисленных элементов автоматизированного производства и привело к созданию ГПС — гибких производственных систем (рис. 96). Каждый из элементов ГПС выполняет свои функции. Подсистема проектирования уточняет и анализирует характеристики изделия, разрабатывает программы для станков с ЧПУ, проектирует детали и узлы конструкции и выпускает необходимую документацию.
Технологическая подготовка производства (ТПП) включает в себя комплекс работ по созданию новых и совершенствованию
Рис. 96. Принципиальная схема ГПС
существующих технологических процессов, приспособлений, оборудования и организации работ. В состав автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) входят технологическое проектирование средств оснащения технологических процессов, их изготовление, группирование изделий и проектирование. Процесс обработки информации и управление им осуществляются единым математическим, программным, информационным, лингвистическим и техническим обеспечением.
Автоматизация процесса подготовки производства охватывает исследование, проектирование, конструирование и технологию. Это стало возможным при создании автоматизированной системы проектирования (САПР). САПР включает всю информацию об изделиях, которая хранится в базе данных. С помощью соответствующего пакета прикладных программ решаются задачи конструирования, моделирования и ТПП. Задачи ввода, преобразования и вывода графической информации реализуются базовой графической системой.
Чтобы ГПС была высокопроизводительным и эффективным
Рис. 97. Детали группы и типовая деталь: 1—18 — поверхности типовой детали
средством производства, следует использовать принцип групповой технологии. Для этого устанавливается перечень изделий для изготовления на ГПС. Если для каждого изделия проводить отдельно ТПП, то резко возрастет время ТПП и снизится гибкость системы. Поэтому надо предварительно сгруппировать как сами изделия, так и технологические операции.
Группирование однородных изделий осуществляется путем определения основного признака (например, общей формы или назначения — корпуса, валы, рычаги), устанавливается диапазон размеров изделий, используемые материалы, выделяются и обеспечиваются общие для всех изделий базы, например для захватных устройств ПР, определяются основные методы обработки поверхностей деталей.
Детали можно группировать не только по форме, но и по наличию плоскостей симметрии, массе, свойствам материала. Группирование позволяет выделить тип детали, имеющей много общих с другими деталями признаков. Такая деталь называется типовой. Именно для этой детали разрабатываются системы инструментального обеспечения, автоматизированная система
спутников, на которых будут крепиться эти детали при их обработке и перемещениях.
Такая подготовка позволит технологу оперативно решать вопросы обработки любой другой детали из партии при минимальной регулировке и изменениях последовательности обработки. Простейший пример создания типовой комплектации детали для группы деталей показан на рисунке 97, из которого видно, как различные поверхности разных деталей объединяются в типовую конструкцию.
Подсистема технологической подготовки производства осуществляет разработку и выбор необходимого оборудования, приспособлений и программ для изготовления приспособлений, определяет необходимые данные действия для измерения и контроля, разрабатывает технологический процесс.
Подсистема изготовления, складирования, сборки и контроля управляет этими процессами, оборудованием, роботами и качеством продукции.
Чтобы исполнительная система успешно функционировала, она должна получать технологическую информацию и управляющие программы от автоматизированной системы управления производством (АСУП) автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) автоматизированной системы проектирования (САПР) и автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) (рис. 98).
А&ПТГ
АСНИ
Ари технолога
Участок подготовка инструмента
Арм исследователя
Авто- АСИО мотивированный склад инструмен-
АТСС
Авт склад
Рис. 98. Система обеспечения функционирования ГПС:
АСНИ — автоматизированная система научных исследований; САПР — система автоматизированного проектирования; АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства; АСИО — автоматизированная система инструментального обеспечения; АСУТП — автоматизированная система управления технологическим процессом; САК — система автоматизированного контроля, АРМ — автоматизированное рабочее место; ГПМ — гибкий производственный модуль
САК Контрольно-измерительное оборудование
1. В чем заключается понятие гибкости производства?
2. Расскажите об основных подсистемах ГПС.
3. Какой комплекс работ включает в себя ТПП?
4. Расскажите о групповом принципе технологии.
МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Большую роль в создании автоматизированных производств играют транспортные роботы, которые зарекомендовали себя как универсальное гибкое средство автоматизации погрузочно-разгрузочных транспортных и складских операций (рис. 99). Транспортные. роботы подразделяются на напольные и подвесные. Напольные транспортные роботы в свою очередь делятся на рельсовые и безрельсовые. Подвесные транспортные роботы бывают монорельсовые, консольно-крановые и портальные. Для эффективной организации автоматизированных транспортноскладских производств в мировой практике нашли широкое применение напольные автоматические тележки (робокары). Возможности безрельсовых грузонесущих автоматических тележек очень широки прежде всего за счет оснащения их различными устройствами автоматизации. Например, робокары оборудованы подъемниками и подъемно-поворотными столами, выдвижными штангами для подъема и установки на нужной высоте поддонов с грузами или кассет с заготовками.
Довольно часто на робокары устанавливаются промышленные роботы, которые выполняют функции погрузочно-разгрузочных устройств. Промышленный робот, смонтированный на автоматической тележке, имеет захватное устройство спутников с деталями. Он предназначен для устанавливания спутников на автоматизированные приемные столы РТК и загрузки и разгрузки основного и вспомогательного технологического оборудования.
Рис. 99. Мобильные роботы: шагающий (а) и колесный (б)
Применение таких мобильных робототехнических систем обеспечивает автономную бесперебойную работу автоматизированных производств в течение продолжительного времени, когда производство функционирует в режиме безлюдной технологии.
Транспортные роботы (автоматические тележки с промышленными роботами) позволяют высвободить 30...40% традиционного внутрицехового транспорта и водителей для него, повысить интенсивность и организованность межоперационных и межучастковых перемещений грузов, рационально и эффективно использовать вычислительные средства, значительно сократить численность рабочих на погрузочно-разгрузочных операциях.
Существует четыре основных исполнения напольных автоматических транспортных средств: тягач, вилочная тележка, тележка с подъемным столом и вилочный штабелер. Технические характеристики таких автоматических устройств содержат следующие усредненные показатели:
скорость передвижения 1 м/с (для специальных исполнений допускается увеличение скорости до 2 м/с);
грузоподъемность 2000 кг;
мощность приводов 0,5...2 кВт;
емкость аккумуляторных батарей 135...400 А. Ч.
Общая компоновка напольных транспортных тележек независимо от модели тележки содержит механическую часть, приводную и управляющую модульные системы (рис. 100). Основным элементом механической части является рама /, содержащая раму шасси и грузонесущую конструкцию. Рама шасси опирается на ходовые колеса, снабженные приводным и управляющим модулями. Грузонесущая конструкция рамы служит для размещения транспортируемого груза. На раме шасси имеется площадка для установки аккумуляторных батарей 2.
Приводной модуль содержит электродвигатель и редуктор 3 и устанавливается на оси ходового колеса, снабженного тормозом с электромагнитным приводом. Для управления приводом имеется специальный блок, и управляющий модуль имеет серводвигатель 5 с блоком управления 6. Грузонесущий модуль с индивидуальными приводами размещается на шасси тележки, центрально или жестко крепится сбоку рамы.
Рама шасси тележки опирается на две или три колесные оси. При двухосном исполнении различают трех- или четырехколесные тележки. При этом ходовые колеса устанавливают по вершинам треугольника или по углам прямоугольника. Трехосные тележки опираются на 4,5 или 6 ходовых колес. При четырехколесном шасси передняя и задняя оси имеют по одному приводному или управляемому колесу.
Наибольшее распространение автоматические напольные транспортные системы получили с индуктивным управлением. Основным элементом такой системы является маршрутный кабель, проложенный в полу производственного помещения на некотором
1
2
Рис. 100. Компоновка транспортной тележки:
1 — рама; 2 — аккумуляторные батареи; 3 — приводной двигатель с редуктором; 4 — блок управления приводом; 5 — серводвигатель управления; 6 — блок управления серводвигателем; 7 — приемные чувствительные устройства; 8 — бортовая ЭВМ
расстоянии от поверхности пола. Кабель подключен к генератору, создающему в нем электромагнитное поле переменной частоты, которая в зависимости от исполнения системы составляет 5...100 кГц.
На раме тележки по оси кабеля закреплены приемные устройства. При смещении тележки от осевой линии кабеля приемные чувствительные устройства вырабатывают сигнал рассогласования, который подается в цепь управления приводным двигателем управляющего модуля. Последний включается в требуемом направлении и восстанавливает первоначальное положение тележки относительно маршрутного кабеля. Движением автоматической тележки управляет бортовая ЭВМ S, в память которой закладывается электронная карта производственного перемещения тележки по маршрутному кабелю.
?! 1. Какие типы транспортных роботов используют как средства автоматиза-
ции?
2. Какова роль автоматических тележек (робокаров) в ГПС?
3. Из каких основных модулей и блоков состоят робокары?
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
Навряд ли можно точно предсказать сроки полной автоматизации и роботизации производства. Но уже сегодня созданы заводы, где значительно сокращена численность занятых людей. На заводе японской фирмы Ямазаки Сейко всего 180 человек выпускают 150 металлообрабатывающих станков в месяц. На новых автомобильных заводах Вольво (Швеция) и Дженерал Моторе (США) выпускают 50—80 автомобилей в год на 1 работающего. (В 70-х гг.— 18 автомобилей.) Уже строятся и работают заводы по производству роботов роботами. На одном из таких предприятий 30 промышленных роботов с помощью 150 инженеров, наладчиков и операторов выпускают по 350 роботов первого поколения. За последнее десятилетие число роботов в промышленности США возросло с 3 до 150 тыс.
Полная роботизация производства во многом зависит от развитости сенсорных систем роботов. В лабораториях создаются роботы, реагирующие на человеческую речь. Чтобы решить проблему машинной обработки речи, необходим усиленный поиск в нейробиологии и психологии, исследование процессов передачи информации, механизмов функционирования зрения, слуха, памяти. С развитием роботов станет излишним подробный инструктаж робота о том, как выполнять поставленную технологическую задачу. Робот сможет по чертежу определить сложность детали или сборочной единицы, найти типовое или предложить новое решение по ее изготовлению и выполнить задачу.
Вместе с роботами должны совершенствоваться все элементы робототехнической системы: оборудование, приспособления, система управления, рабочие места. Так, разработана оригинальная модель информационного стола для сборочных цехов будущего. Поверхность стола содержит сетку электрически активных точек, которые и образуют информационную поверхность. Если положить на нее деталь, информация о детали, ее размерах, массе, форме поступит к роботам, находящимся, например, на рабочих местах.
Автоматизация технологических операций с помощью промышленных роботов — резерв повышения эффективности производства и улучшения условий труда работающих. Наука и применение ее достижений сегодня настолько далеко шагнули вперед, что потребность общества в раскрытии и использовании этих резервов во многом может быть удовлетворена с помощью робототехники. Важно использование робототехники в качестве основы Преобразования технологических процессов и глубокого воздействия на экономику. Высвобождение человека из процесса производства является исходной точкой для достижения высокой экономической эффективности применения роботов.
Робототехника находится в самом начале пути. И то, каким быть XXI веку, во многом зависит от действительных возможностей роботов.
10 Робототехника
145
СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
АВТОМАТ (автоматическое устройство) — устройство, которое без непосредственного участия человека выполняет процесс приема, преобразования, использования и передачи энергии, материалов или информации в соответствии с заданной программой.
АВТОМАТИЗАЦИЯ — применение автоматических устройств для выполнения функций управления.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ГИБКАЯ — вид автоматизации, при которой системы управления технологическими процессами можно перепрограммировать для выполнения различных заданий.
АМПЕРМЕТР — прибор для измерения силы электрического тока.
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП) — устройство для автоматического преобразования аналоговых (непрерывных во времени) сигналов в дискретные сигналы, представленные цифровым кодом.
ВОЛЬТМЕРТ — прибор для измерения напряжения в электрических цепях.
ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ — коммутационный аппарат, предназначенный для многократного включения и отключения электрических цепей.
ВЫПРЯМИТЕЛЬ — устройство для преобразования переменного электрического тока в постоянный.
ГЕРКОН — переключатель с пружинными контактами из магнитного материала, помещенными в герметизированный стеклянный баллон. Его контакты замыкаются или размыкаются под действием электромагнита, расположенного снаружи баллона.
ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОННЫЙ — электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний различной частоты и формы.
ДАТЧИК — измерительный (входной) преобразователь информации об измеряемой физической величине в сигнал, удобный для использования и обработки в системах автоматического контроля и измерения.
ДВИГАТЕЛЬ ШАГОВЫЙ — электродвигатель с электронным
управлением, крутящий момент которого изменяется дискретными шагами.
ДЕМПФИРОВАНИЕ — гашение колебаний в динамической системе путем рассеяния их энергии или введения специального успокоителя (демпфера).
ДИОД ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ — двухполюсный прибор, обладающий различной электропроводимостью в зависимости от полярности приложенного напряжения.
ДИСКРЕТНЫЙ СИГНАЛ — прерывистый сигнал, состоящий из скачков (импульсов) тока или напряжения.
ДРОССЕЛЬ — сопротивление потоку рабочего тела (газу, жидкости и т. п.).
ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ЗУ) — устройство для записи, хранения, выдачи по запросу информации в электронных устройствах.
ЗАХВАТ — рабочий орган робота, применяемый для загрузочно-разгрузочных работ.
ЗВЕНО — твердое или гибкое тело, неразъемная часть механизма.
ЗОЛОТНИК — составная часть сервозолотника.
ЗОНА ОБСЛУЖИВАНИЯ — пространство для доступа к обслуживаемому оборудованию.
ИНДИКАТОР — прибор (устройство, элемент), отображающий состояние объекта наблюдения в удобной для человека форме.
ИНТЕЛЛЕКТ ИСКУССТВЕННЫЙ — научно-техническая дисциплина, занимающаяся разработкой «мыслящих систем».
ИНФОРМАЦИЯ — совокупность сведений (данных), воспринимаемых от окружающей среды (входная информация) и выдаваемых в окружающую среду (выходная информация) либо сохраняемых внутри некоторой системы (внутренняя информация).
КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ — катушка из провода с изолированными витками, обладает значительной индуктивностью при относительно малых емкости и активном сопротивлении.
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ПАРА — соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение.
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА — схема, на которой с помощью условных обозначений изображаются звенья механизма или кинематические пары.
КОД — совокупность знаков (символов) и система определенных правил, при помощи которых информация может быть представлена (закодирована) из таких символов.
КОД ЦИФРОВОЙ — код, использующий только два различных элементарных сигнала, символа.
КОМАНДА — специальный код, предписывающий ЭВМ выполнение отдельной операции или части программы.
КОММУТАЦИЯ — переключение электрических цепей в устройствах автоматики, электроэнергетики, электросвязи и т. д. Осуществляется с помощью механических ключей, электромагнитных реле, электронных переключателей.
КОМПАРАТОР — измерительный прибор (устройство), предназначенный для сравнения измеряемой величины с эталонной.
КОМПЛЕКС РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ — совокупность технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующая и осуществляющая многократные циклы.
КОМПЬЮТЕР — персональная ЭВМ.
КОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрической емкости.
КОНТРОЛЛЕР — устройство, выполняющее функции управления передачи данных и освобождающее от этих функций процессор.
КРИВОШИП — вращающееся звено шарнирного или рычажного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси.
ЛИНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ — совокупность автоматических систем, размещенных в порядке выполнения операций технологического процесса; транспортно-загрузочные операции автоматизированы частично и обслуживаются оператором.
ЛИНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ГИБКАЯ — гибкая производственная система, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.
ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — простейшая структурная единица цифрового устройства, выполняющая определенную логическую операцию.
МАНИПУЛЯТОР — управляемое устройство, оснащенное рабочим органом для выполнения двигательных функций, аналогичным движениям руки человека при перемещении объектов в пространстве.
МИКРОСХЕМА ИНТЕГРАЛЬНАЯ (ИС) — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которое рассматривается как единое целое.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА — направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой (интегральной) технологии их изготовления.
МОДЕЛИРОВАНИЕ — исследование каких-либо явлений,
процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей.
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ — канал, по которому в систему вводятся данные о результатах управления.
ОРГАНЫ РАБОЧИЕ МАНИПУЛЯТОРА — различные инструменты, закрепляемые на конце манипулятора, с помощью которых последний выполняет конкретные производственные операции.
ОЧУВСТВЛЕНИЕ — использование информации об окружающей среде в качестве сигналов обратной связи, позволяющих, например, роботу реагировать на изменение среды.
ПАМЯТЬ — общее название для любых средств фиксации и сохранения информации, любого механизма, обеспечивающего возможность фиксировать сигналы.
ПАНТОГРАФ — прибор для воспроизведения параллельных и взаимно перпендикулярных линий.
ПЕРЕДАЧА ЧЕРВЯЧНАЯ — передача, применяемая для передачи вращательного движения между валами с перекрещивающимися под любым углом осями; состоит из червяка и червячного колеса.
ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОСТЬ — свойство заменять управляющую программу автоматически или при помощи человека-оператора.
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА — пластина из электроизоляционного материала, на поверхности которой нанесены тонкие электропроводящие полосы (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения электро- и радиоэлементов.
ПЛАТА — пластина из электроизоляционного материала, предназначенная для установки, механического закрепления и электрического соединения электро- и радиоэлементов.
ПНЕВМОЦИЛИНДР — пневмодвигатель возвратно-поступательного движения.
ПОГРЕШНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ — максимальная погрешность при установке рабочего органа манипулятора в нужное положение, т. е. наибольшее допустимое отклонение от требуемого положения в пространстве.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ — электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. Наиболее распространенными из них являются полупроводниковые фото- и терморезисторы, диоды, транзисторы, полупроводниковые интегральные микросхемы и др.
ПРИВОД — устройство, служащее для преобразования энергии в движение (например, серводвигатель); играет важную роль в автоматизированных системах.
ПРОГРАММА — полное и точное описание работы технического устройства (ЭВМ), содержащее все необходимые команды и операции над машинными исполнителями.
ПРОГРАММАТОР — специальное устройство для записи подготовленных пользователем программ в программируемое постоянное запоминающее устройство или репрограммируемое постоянное запоминающее устройство.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ — процесс подготовки задач для решения их на ЭВМ.
РАСХОД — количество рабочего тела через поперечное сечение трубопровода в единицу времени.
РЕВЕРСТВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД — электропривод, обеспечивающий вращение вала электродвигателя в противоположных направлениях.
РЕГИСТР — устройство, представляющее собой совокупность запоминающих элементов (чаще всего триггеров) и предназначенное, как правило, для хранения одного информационного слова (числа).
РЕГИСТР СДВИГОВЫЙ (СДВИГА) —регистр, преобразующий хранящееся в нем слово (код) перемещением всех значений разрядов на определенное число разрядов влево или вправо.
РЕДУКТОР ВОЛНОВОЙ — механизм, содержащий зацепляющееся между собой деформирующее гибкое и жесткое зубчатое колесо.
РЕДУКТОР ПЛАНЕТАРНЫЙ ЗУБЧАТЫЙ — одна из групп планетарного механизма, т. е. устройства, содержащие взаимодействующие между собой колеса с перемещающейся в пространстве осью вращения хотя бы одного из них.
РЕЗИСТОР — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его сопротивления.
РЕЛЕ — устройство, предназначенное для автоматической коммутации (переключения) электрических цепей по сигналу извне.
РОБОКАРЫ — напольные автоматические тележки.
РОБОТ (общее понятие) —это машина, предназначенная для воспроизведения физических и интеллектуальных функций человека и способная адаптироваться к реальным условиям окружающей среды и самообучаться.
РОБОТ АНТРОПОМОРФНЫЙ — многозвенный робот, все звенья которого имеют вращательные степени подвижности, аналогичные степени подвижности руки человека.
РОБОТ МОБИЛЬНЫЙ — робот на подвижном основании.
РОБОТ ПРОМЫШЛЕННЫЙ — автоматическая машина, состоящая из перепрограммируемого манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности и управляемого от ЭВМ, который способен выполнять различные производственные операции.
РОБОТ ПРОМЫШЛЕННЫЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ — промышленный робот для выполнения технологических операций или технологических переходов одного вида.
РОБОТ ПРОМЫШЛЕННЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ — промышленный робот, способный выполнять функции как технологического, так и вспомогательного робота.
РОБОТ ТРАНСПОРТНЫЙ — автоматическая тележка с промышленным роботом.
РОБОТОТЕХНИКА — научно-техническое направление, занимающееся проектированием, изготовлением и использованием роботов.
РОБОТЫ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ — адаптивные роботы, которые могут изменять свою программу в зависимости от изменения внешних условий.
РОБОТЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ — программируемые роботы, не имеющие органов очувствления.
РОБОТЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ — роботы, наделенные элементами искусственного интеллекта.
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД (СВЕТОДИОД) — полупроводниковый диод, являющийся источником оптического излучения. Применяется в индикаторных устройствах.
СЕРВОЗОЛОТНИК — преобразователь маломощного управляющего сигнала в мощный поток рабочего тела, пропорционального величине управляющего сигнала.
СЕРВОМОТОР (СЕРВОДВИГАТЕЛЬ) —силовой элемент исполнительного механизма системы автоматического регулирования.
СЕРВОПРИВОД — силовой элемент исполнительного механизма системы автоматического регулирования, преобразующий энергию вспомогательного источника в механическую энергию перемещения (перестановки) регулирующего органа в соответствии с сигналом управления.
СЕЧЕНИЕ ТРУБОПРОВОДА ПРОХОДНОЕ — площадь поперечного сечения трубы.
СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩИЕ — представляют собой некоторые, комплексы измерительно-информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор, обработку и передачу информации, а также использование ее для формирования различных управляющих сигналов.
СИСТЕМЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ — технические системы, в составе которых используются роботы различных поколений.
СИСТЕМЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ АДАПТИВНЫЕ — сложные системы, способные выполнять поставленную перед ними задачу в недетерминированной внешней среде.
СИСТЕМА СЕНСОРНАЯ (робота) — используется в системах управления робота для обнаружения и распознавания объектов внешней среды.
СИСТЕМА СЛЕДЯЩАЯ — система автоматического управления, выходной сигнал которой при помощи обратной связи
воспроизводит с определенной точностью входное задающее (управляющее) воздействие, изменяющееся по произвольному, заранее неизвестному закону.
СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ — сенсорное устройство, которое обеспечивает получение изображения рабочей сцены, его преобразование, анализ, обработку и передачу результатов измерений.
СОЛЕНОИД — катушка индуктивности, длина которой много больше ее диаметра. При наличии подвижного стального сердечника используется как исполнительный механизм.
СТАНОК С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ — станок-автомат, все рабочие и вспомогательные операции которого выполняют по командам устройства управления в соответствии с заданной программой.
СТЕПЕНИ ПОДВИЖНОСТИ — независимые движения, возможные для данной механической системы.
СТЕПЕНИ СВОБОДЫ (подвижности) — число координатных осей, относительно которых перемещается устройство, например манипулятор робота.
СХЕМА СТРУКТУРНАЯ — схема, указывающая состав предмета и взаимное расположение отдельных его частей.
СЧЕТЧИК — устройство, осуществляющее счет сигналов (импульсов) в устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники.
ТАЙМЕР — аппаратно-программные средства в вычислительной машине, предназначенные для задания временных интервалов управляющей программе.
ТАХОГЕНЕРАТОР — электромеханическое устройство, вырабатывающее выходное напряжение, величина которого пропорциональна скорости вращения вала.
ТЕНЗОДАТЧИК — прибор для измерения усилия, применяется в системах обратной связи.
ТРАНЗИСТОР — трехэлектродный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.
ТРАНСФОРМАТОР — устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
ТРИГГЕР — электронное переключательное устройство, которое сколь угодно долго сохраняет одно из двух своих состояний устойчивого равновесия и скачком переключается из одного состояния в другое по сигналу извне.
УПРАВЛЕНИЕ — любое изменение состояния некоторого объекта, системы или процесса, ведущее к достижению поставленной цели.
УПРАВЛЕНИЕ ДИСТАЦИОННОЕ — управление техническими объектами на расстоянии путем передачи сигналов через линии связи для включения соответствующих управляющих устройств (реле, выключателей, контакторов, пускателей, вентилей, задвижек и т. д.).
УПРАВЛЕНИЕ КОНТУРНОЕ — метод управления движением манипулятора, при котором задается каждая точка траектории последнего и его движение происходит по заданной траектории.
УПРАВЛЕНИЕ ПОЗИЦИОННОЕ — метод управления движением манипулятора, при котором на траектории последнего задается конечное число точек и его движение происходит по заданным точкам.
УПРАВЛЕНИЕ ПРОГРАММНОЕ — управление режимом работы технического объекта по заранее заданной программе.
УСИЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОННЫЙ — устройство, увеличивающее электрическую мощность, напряжение, силу тока входного сигнала за счет энергии источника электрического тока посредством полупроводниковых приборов, радиоламп и др.
УСТРОЙСТВО МАГАЗИННОЕ — емкость для содержания различных предметов, например заготовок, готовых деталей и т. д., ориентированных определенным образом.
УЧАСТОК АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ГИБКИЙ — гибкая производственная система, функционирующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.
УЧАСТОК РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ — совокупность роботизированных технологических комплексов, связанных между собой транспортными средствами и системой управления, или несколько единиц технологического оборудования, обслуживаемых одним или несколькими промышленными роботами, в которых предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.
ФОТОРЕЗИСТОР — полупроводниковый прибор, в котором используется зависимость его электрического сопротивления от воздействия оптического излучения.
ЦИФРОВАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — интегральная микросхема, в которой прием, преобразование и выдача информации, представленной в виде цифрового кода, осуществляются посредством дискретных сигналов.
ЦИФРОВОЙ КОД — код, представляющий собой набор цифр. Реализуется с помощью дискретных сигналов.
ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЦАП) — устройство для автоматического преобразования дискретных
сигналов, представленных цифровым кодом, в эквивалентные им аналоговые (непрерывные во времени) сигналы.
ЧИСЛОВОЕ ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ (ЧПУ) — управление, заданное в числовой форме. Устройство ЧПУ выдает управляющее воздействие на исполнительные органы робота, станка или другого устройства в соответствии с программой и информацией о состоянии управляемого объекта.
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ — электродвигатель, в котором вал поворачивается на определенные углы под действием импульсных сигналов управления.
ЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА (ЭВМ) — вычислительная машина, в которой основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных приборах.
ЭЛЕКТРОПРИВОД — электромеханическая система, состоящая из электродвигателя, преобразователя, передаточного и управляющего устройств. Предназначен для приведения в движение вспомогательных органов рабочей машины и управления этим движением.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автоматизированные системы
— — научных исследований (АСНИ) 141
— — проектирования (САПР) 139
— — технологической подготовки производства (АСТПП) 141
---управления производством (АСУП) 141
Аппарат
— необитаемый подводный (НПА) 131
— обитаемый подводный (ОПА) 131
Генератор электронный 75
Геркон (герконовое реле) 50
Д
Датчик индукционный частоты вращения 53
3
Захватное устройство 20
--- двустороннего действия 21
— — клещевое 21
— — трехстороннего действия 21
— — центрирующее 21
Зона обслуживания 19
И
Интеллект
— искусственный 11
— шахматный 18
Источник электрического тока 47
К
Калькулятор программируемый (ПК) 63
Компановка робота 11
Компаратор 73
Контроллер программируемый (ПК) 62
Кривошипно-коромысловый механизм Чебышева 24
л
Логический элемент ---И 43, 44, 76 ---ИЛИ 43, 76 ---ИЛИ-НЕ 77
---И-НЕ 77 ---НЕ 43, 44, 76
Луноход 6, 128
М
Манипулятор 12
история 13
захватное устройство 20
зона обслуживания 18
Механические игрушки 4
Микросхема 72, 75
Микроэлектродвигатель 52
индукционный датчик частоты вращения 53
реверсирование 53
Мультивибратор 75, 78
П
Переход р — п 69
Подготовка производства технологическая 138
Поколения ПР 10
Потенциометр 33
Преобразователь
— аналого-цифровой (АЦП) 89
— цифроаналоговый (ЦАП) 88, 93, 96
Приборы полупроводниковые 68
Привод
— гидравлический 29
— пневматический 27
— электрический 29
Программируемое устройство 57
— — контурное 60
— — позиционное 59
— — цикловое 59
Производство гибкое 137
Р
Рабочая зона (манипулятора) 19
Регистр 82
Редуктор 32, 40
Робокар 7, 142, 144
Робот
— адаптивный 10
— в глубинах морей и океанов 131
— в космосе 128
— в условиях радиоактивности 126
— информационный 127
классификационные признаки 36
— мобильный 142
---колесный 142
— — шагающий 142
— подводный телеуправляемый (ПТМР) 131
— промышленный (ПР) 6, 7, 11, 98
— сборочный 116
— сварочный 120
— учебный 20, 34
Роботизированная технологическая линия (РТЛ) 98
Роботизированное производство (РП) 6, 99, 108
правила безопасной работы 105
травмоопасные ситуации 104
Роботизированный технологический комплекс (РТК) 98, 100
Роботизированный технологический участок (РТУ) 98
Робототехнические системы 3
Робототехнические устройства 5
С
Самодвижущаяся тележка 24, .25
Светодиод 69
Система
— адаптивная 64
принцип действия 64
— гибкая производственная (ГПС) 138
— координат 14
— — полярная 17
— — прямоугольная 14
— — угловая 16
— очувствления ПР 65
— — беконтактная 67
— — контактная 66
— сенсорная 11
— следящая 11
Степени подвижности 18
Станок с ЧПУ+робот 112
алгоритм взаимодействия 115
Стопоходящий механизм Чебышева 23
Счетчик электрических импульсов 85
Т
Таймер 63
Терморезистор 69
Технологическая подготовка производства (ТПП) 138
Траектория движения манипулятора 11, 12
Триггер 79
— D 80, 86
— C-D 83
— R-S 80
У
Универсальный электроизмерительный прибор 45, 63
Усилитель 72
Ф
Фоторезистор 68
Фотореле 70
Ч
Четырехзвенный механизм 23
Э
Электродвигатели
— постоянного тока 30
— специальные 31
Электромагнит 49
Электромагнитное реле 49
Электромагнитные элементы 49
Электропривод учебного робота 91
принцип действия 91
работа в режиме «Обучение» 96
Эл ектроп роводи мость
— р-типа 68
— п-типа 68
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.......................................................... 3
Возможности робототехники............................................ 4
Фантастика или реальность . . —
Форма и содержание............................................... 6
Анатомия промышленного робота....................................... 10
Типы и группы промышленных роботов................................ —
Манипуляторы.................................................... 12
Четырехзвенный механизм Чебышева................................. 23
Приводы промышленных роботов..................................... 25
Практические работы. Механические и электромеханические элементы учебного робота .................................................... 34
1. Классификация, кинематические схемы и конструкция учебного робота —
2. Механические передачи манипулятора учебного робота .... 39
3. Электромеханические элементы................................ 42
4. Электроизмерительные приборы юного конструктора............. 44
5. Источники электрического тока............................... 47
6. Электромагнитные элементы................................... 49
7. Микроэлектродвигатель электропривода учебного робота .... 52
Управление промышленными роботами................................... 55
Наука об управлении.............................................. —
Система управления промышленными роботами....................... 57
Программируемые контроллеры..................................... 62
Адаптивные робототехнические системы............................ 64
Практические работы. Электронные элементы и узлы учебного робота ... 68
8. Полупроводниковые приборы................................... —
9. Усилители и генераторы..................................... 72
10. Электронные генераторы в автоматике........................ 75
11. Электронные логические элементы............................ 76
12. Триггеры .................................................. 79
13. Регистры .................................................. 82
14. Счетчики электрических импульсов........................... 85
15. Цифроаналоговые преобразователи............................ 88
16. Аналого-цифровые преобразователи........................... 89
17. Электропривод с ЧПУ для учебного робота.................... 91
Промышленные роботы в машиностроении................................ 98
Роботизация производственных процессов........................... —
Встречи в цехах или взаимная безопасность...................... 103
Трудности и успехи роботизации заготовительного производства . . 107
Станок с ЧПУ+робот........................ .................... 112
Легко ли роботу собрать машину?................................. 116
Робототехнические системы в экстремальных условиях.................. 124
Дистанционное управление робототехническими системами .... —
Роботы в условиях радиоактивности................................126
Роботы в космосе.............................................. 128
Роботы в глубине морей и океанов.............................. 131
Новые направления............................................ 134
Комплексная автоматизация производства........................... 137
Гибкие производственные системы................................... —
Мобильные системы автоматизированных производств................ 142
Перспективы развития робототехники.................................... 145
Словарь основных терминов ............................................ 146
Предметный указатель...................................................155
Учебное издание
Алексеев Анатолий Петрович
Богатырев Александр Николаевич
Серенко Владимир Александрович
РОБОТОТЕХНИКА
Учебное пособие для 8—9 классов
средней школы
Зав. редакцией Н. В. Хрусталь
Редактор Е. С. Забалуева
Художественный редактор Е. А. Финогенова
Технический редактор С. В. Китаева
Корректор Н. С. Соболева
ИБ № 13246
Сдано в набор 04.02.92. Подписано к печати 13.11.92. Формат 60X 90716. Бумага офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 10,0. Усл. кр.-отт. 20,5. Уч.-изд. л. 10,74. Тираж 20 500. Заказ 1293. №
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Министерства печати и информации Российской Федерации. 127521, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Отпечатано с диапозитивов Смоленского полиграфкомбината Министерства печати и информации Российской Федерации на Чеховском полиграфкомбинате, 142300, г. Чехов Московской области.