Управляющие системы промышленных роботов - Макаров И.М., Чиганова В.А.

Автор: Макаров И.М. Чиганова В.А.
Теги: автоматика системы автоматического управления и регулирования интеллектуальная техника технология управления оборудование систем управления техническая кибернетика кибернетика машиностроение робототехника
Год: 1984
Похожие
Схваты промышленных роботов
Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы
Механика промышленных роботов. Книга 3. Основы конструирования.
Применение промышленных роботов
Текст
                    \ манипуляторы /
\ и робота* /
\ технические /
^шстемы^/
Управляющие
системы
промышленных
роботов
•МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Пх) обиуй ребакцт и
члена корреспондента АН СССР
ЕП ПОПОВА
ГМакуионнач кииегич:
ЕППопов (председатель}. ПН Пеннин (таместитсн> председателя).
МСЕтсеев. ВВКпоев. КЛЕКтырев,
ИМ Макаров (качеапитеи, npedce<>ame.vii. А ГСаюнов, АЛ! Титов.
ВАЧиганов. Я А Шифрин. ЕНЮревич,
А. Е Дубин (ученый секретарь)
Управляющие
системы
промышленных
роботов
Под редакцией
щена корреспондента АН СССР
НМ. МАКАРОВА.
В.А ЧИГАНОВА
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ*
1984
ББК 32.816
У 66
УДК 681.51 : 621.865.8
Ю. Д. Андрианов, Л. Я Глейзер, М. Б. Игнатьев, В. .11. Кисельников,
И. Б Кнауф. В. А. Королев, А. А. Кочкин, И. ЛЕ Макаров,
В. С Медведев, В. В. Никифоров, В. 3. Рахманкулов, 3. М. Славинский,
II. А. Смирнов, А В. Тимофеев, Г. Н. Трубников, В. А. Чиганов,
М. С. Эскенази, Е. И. Юр вич
Peueiidem капд. гехн. наук С. Д. ЗЕНКЕВИЧ
Управляющие системы промышленных роботов/Ю. Д. Ан-
У66 лрианов, Л. Я. Глейзер, М. Б. Игнатьев н др.; Под общ. ред.
И. М. Макарова, В. А. Чиганова.—М.: Машиностроение,
1984. — 288 с. ил. — (Автоматические манипуляторы и робото-
технические системы).
В пер.: 1 р. 40 к.
Рассмотрены вопросы построения систем управления для промышленных робо-
тов, нх структурно-алгоритмическая организация, а также функциональный состав и
математическое обеспечение сметем управления. Приведены конкретные примеры
отечественных и зарубежных систем управления роботами различного назначения.
Даны рекомендации по проектированию управляющих систем н применению микро-
процессорной техники.
Для инженерно-технических работников промышленных и конструкторских
организаций, занимающихся разработкой и применением промышленных роботов
в различных отраслях народного хозяйства
2404000000-086	ББК 32.816
038 (01)-84	6Ф01
© Издательство «Машиностроение», 1984 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
-
Предисловие ................................................ 7
Введение ................................................... 9
Глава 1. Виды систем управления	промышленными роботами................ 14
1.1.	Иерархические уровни управления робототехническими
комплексами	....................................... 14
1.2.	Классификация	систем	управления....................... 17
1.3.	Комплексно-технологический подход к созданию и при-
менению систем управления .	.....................
Глава 2. Кинематика н динамика промышленных роботов................... 27
2.1.	Кинематические схемы исполнительных органов промыш-
ленных роботов............................................. 27
2.2.	Принципы построения структуры контура управления
приводом промышленного робота.............................. Зо
2.3.	Общие уравнения динамики манипуляционного робота . .	34
2.4.	Примеры математического описания динамики конкретных
промышленных роботов....................................... 44
Глава 3. Структурно-алгоритмическая организация систем управления . .	52
3.1.	Цикловые системы ..................................... 52
3.2.	Позиционно-контурные системы......................•	70
3.3	У инверсальные системы . .	  80
3.4.	Системы группового управления.......................   81
Глава 4. Основные функциональные модули систем управления............. 87
4.1	Управляюще-вычислительные модули...................... 87
4.2.	Программно-задаюшие модули........................... 95
4.3.	Управление приводами................................. 99
4.4.	Измерительная система. .............................. ПО
4.5.	Модули технологического сопряжения с управляемым обо-
рудованием ......................................   ....	119
Глава 5. Устройства программного управления.......................... 121
5.1. Устройства циклового программного управления ....	121
5.2. Устройства позиционио-контуриого программного упра-
вления .................................................   131
Глава 6. Алгоритмы управления и программное обеспечение.............. 141
6.1.	Программное обеспечение микропроцессорных устройств
циклового управления...................................... 141
6.2.	Алгоритмы управления и принципы алгоритмической орга-
низации модульных позицнонно-коитурных устройств . .	150
6.3.	Алгоритмы оптимизации управления промышленными ро-
ботами ................................................... 164
5
Глава I. Системы управления адаптивных прецизионных сварочных роботов 182
7.1.	Специфика прецизионной мнкросваркн.................. 182
7.2.	Управление прецизионным приводом манипуляторов ...	185
7.3.	Оперативный контроль качества микросварки .	....	187
7.4.	Адаптация на основе технического зрения............. 188
7.5.	Адаптация технологических режимов мнкросваркн ....	195
7.6.	Программное обеспечение адаптивных роботов для пре*
цизионной сварки......................................... 199
Глава 8, Использование возможностей управляющих вычислительных ком-
плексов на базе мнкроЭВМ в робототехнических системах ....	204
8.1. Принципы построения архитектуры УВК................. 204
8.2. Назначение н функции отдельных модулей УВК.........	205
8 3. Программное обеспечение УВК. Операционные системы .	207
8.4. Микропроцессорные УВК............................... 211
8.5. Модели УВК на базе 8-разрядных микропроцессорных
наборов ............................................. 212
8.G. Модели УВК на базе 16-разрядных мнкроЭВМ............ 227
8.7. Управление роботами от УВК.......................... 237
Г лава 9. Средства разработки и отладки микропроцессорных систем для
управления промышленными роботами.................................... 241
9.1.	Технические проблемы разработки и отладки микропро-
цессорных систем......................................... 241
9.2.	Особенности разработки тестовых процедур для МПС . . ,	242
9.3	Средства отладки аппаратуры МПС управления роботами .	244
9.4.	Программные средства разработки математического обеспе-
чения .................................................... 251
9.5.	Совместная отладка аппаратуры и программного обеспе-
чения ПМС................................................... 258
Г лава 10. Перспективы развития систем управления промышленными робо-
тами ........................................................... 275
10.1. Общие направления развития систем управления про-
мышленными	роботами ................................ 275
10.2. Развитие	структуры	систем управления роботами ....	281
Список	литературы............................................... 283
Предметный указатель................................................. 286
ПРЕДИСЛОВИЕ
Промышленные роботы представляют собой новый класс
автоматических машин, предназначенных для комплексной механиза-
ции и автоматизации существующих и вновь создаваемых произ-
водств. Решениями партии и правительства определены меры по
увеличению выпуска и широкому применению промышленных робо-
тов как в машиностроительных, так и других отраслях народного
хозяйства. Эти решения успешно реализуются в соответствии
с общегосударственной комплексной программой и отраслевыми
программами по развитию промышленной робототехники.
Особо важное значение для эффективного внедрения роботов
в производственные системы приобретают вопросы создания надеж-
ных н совершенных систем управления роботами, их унификации на
базе современных достижений в области микропроцессорной техники,
организации серийно-промышленного изготовления элементной базы,
аппаратно-технических и математических средств управ пения. В дан-
ном направлении отечественной наукой и промышленностью накоп-
лен определенный опыт разработки и серийного производства как
специализированных, так и унифицированных робототехнических
систем управления.
Авторы настоящей книги поставили перед собой дго.'.пую цель:
во-первых, осветить отечественный и зарубежный опыт создания
преимущественно серийно изготавливаемых систем управления про-
мышленными роботами и, во-вторых, рассмотреть ближайшие пер-
спективы развития робототехнических средств управления, главным
образом связанные с расширяющимся использованием микропроцес-
сорной управляюще-вычислительной техники.
Книга подробно знакомит с различными видами систем управле-
ния промышленными роботами, их структурно-алгоритмической
организацией, конкретными системами циклового и позицпонио-
контурного управления, входящими в их состав функциональными
модулями. Показаны эффективность и целесообразность комплексно-
технологического подхода к разработке, созданию и применению
унифицированных систем управления.
Наряду с традиционными методами управления роботами рас-
смотрены более перспективные — адаптивные принципы, а также
созданные на их основе промышленные робототехнические си-
стемы.
7
Поскольку современные управляющие системы роботов обяза-
тельно имеют в своем составе вычислилельную технику, значительное
место в книге уделено вопросам построения систем управления с ис-
пользованием преимуществ микропроцессоров, микроЭВМ и управ-
ляющих вычислительных комплексов (& ВК). Кроме тою, уделено
большое внимание очень важному и пока недостаточно развитому
направлению — созданию и применению инструментальных средств
отладки микропроцессорных систем управления, без которых затруд-
нены как проектирование, так и эксплуатация управляющих систем.
Авторский коллектив книги — специалисты исследовательских
и промышленных организаций. Читателю небезынтересно будет
узнать, что разделы по отечественным системам управления про-
мышленными роботами написаны непосредственными разработчи-
ками этих систем. Книгу написали: Ю Д. Андрианов (гл. 10),
Л. Я. Глейзер (гл. 2), М. Б. Игнатьев (гл. 9), В. М. Киселышков
(гл. 9), И. Б Кнауэр (гл. 2, 3, 5), В. А. Королев (гл 3, 5), А. А. Коч-
кин (гл. 9), И. М. Макаров (предисловие, введение), В. С. Медведев
(гл 2), В В. Никифоров (гл. 6). В 3. Рахманкулов (гл 8), 3. М. Сла-
винский (гл 7), Н А Смирнов (гл 1, 3), А В Тимофеев (гл. 6),
Г. Н Трубников (гл. 4), В А Чиганов (гл. I, 3—6), М. С. Эскенази
(Iл. 1, 3—6), Е. И. Юревич (1Л 10).
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы как у нас в стране, так и за рубежом
широкое признание получила робототехника и, в частности, про-
мышленная робототехника. Это прежде всего связано с тем, что ро-
боты — эффективное и достаточно универсальное средство автомати-
зации, используемое для замены наиболее трудоемких, вредных или
опасных для здоровья людей форм ручного труда.
Сейчас в СССР быстрыми темпами развивается промышленное
освоение роботов. Роботы устанавливают заготовки и снимают гото-
вые детали с металлообрабатывающих станков, производят точечную
сварку, загружают и разгружают кузнечные и штамповочные прессы,
осуществляют нанесение покрытий, контролируют элементы кон-
струкций ядерных реакторов, их применяют при исследовании
шельфа морей и океанов.
Техническая база для развития робототехники была заложена
еще в 70-е годы, когда были разработаны и созданы более ста моделей
роботов, а около 7 тысяч таких машин внедрены на производстве,
главным образом в машиностроительных отраслях промышленности,
т. е. там, где уже был богатый опыт применения традиционных средств
автоматизации и механизации производства.
В 80-е годы решениями партии и правительства была поставлена
новая практическая задача — резко расширить сферу применения
промышленных роботов, направить усилия ученых н специалистов
на использование этой техники наряду с машиностроительными также
и в немашиностроите.тьных отраслях народного хозяйства, таких
как горнодобывающая и металлургическая отрасли, сельское хозяй-
ство, строительство, транспорт, легкая и пищевая отрасли промыш-
ленности. Намечен ускоренный рост производства роботов. За XI
пятилетку предстоит внедрить свыше 40 тысяч промышленных робо-
тов. Количественный рост парка роботов сопровождается расшире-
нием функциональных возможностей этих устройств (лавным образом
за счет применения более совершенных систем и методов управления.
Именно методы управления являются основой :ля классификации
роботов на три поколения: роботы с программным, адаптивным и
интеллектуальным управлением.
К настоящему времени хорошо освоено производство простых
роботов с цикловым и позиционным программным управлением,
а также более сложных машин с контурным управлением. Большая
часть эксплуатируемых сейчас роботов принадлежит к поколению
программно управляемых роботов, которые при серийном изютовле-
нин характеризуются сравнительно невысокой стоимостью. Оте-
чественная промышленность разработала и серийно выпускает
технические средства, обеспечивающие реализацию каждого вида
9
управления. Это устройства соответственно циклового (УЦМ,)
позиционного (УПМ), контурного (5 КМ) и позннионио-контурного
(УПКМ) управления. Главное преимущество роботов с программным
управлением заключается в том, что они перекрывают значительный
спектр технологических применений при достаточно простом кон-
структивном исполнении. Наиболее эффективно их использование
в условиях монотонно-циклических операций при сравнительно
редких переналадках на новый вид работ. Поэтому с появлением
машин последующих поколении необходимость в простых программ-
ных роботах не уменьшается, а пх развитие и усовершенствование
успешно продолжаются.
Перспективы развития таких систем определяются все более
широким применением микропроцессорной техники, использованием
блочно-модульных принципов построения структуры, повышением
гибкости программирования, улучшением характеристик надежности
элементной базы.
По мере расширения комплексного использования промышленных
роботов в составе технологического оборудования и гибких автомати-
зированных производств особенно актуальными становятся вопросы
создания систем группового программного управления. Для эффек-
тивной реализации принципов группового управления необходим
существенный прогресс в разработке и построении локальных
управляющих вычислительных сетей.
Имея важное значение, промышленные роботы с программным
управлением вместе с тем не всегда удовлетворяют требованиям
решаемых сегодня задач нз-за ограниченных возможностей своих
систем управления. .QcHOBi.ofi недостаток таких машин—необхо-
димость в строгой упорядоченности и организованности технологи-
ческой среды, в условиях которой работает робот. Эти дополнитель-
ные требования, как правило, усложняют технологический процесс и
удорожают в целом разработку, создание и эксплуатацию роботизи-
рованного производства.
Развивая систему программного управления роботов, удается
преодолеть такую ограниченность. Поэтому сейчас интенсивно разра-
батывают более совершенные роботы, снабженные средствами очув-
ствления, адаптации и технически воспроизводящие отдельные интел-
лектуальные функции челоьека.
Задача построения адаптивного у правления роботом обычно вклю-
чает три важных раздела: создание сенсорных устройств, обработка
информации с сенсорных датчиков и синтез адаптивных законов
управления. Отечественная промышленность выпускает самые разно-
образные сенсорные датчики, из которых наиболее распространенными
в робототехнике становятся тактильные, енло-момептные сенсоры и
устройства технического зрения. Кроме того, появляются более
перспективные приборы, основанные на новых принципах и откры-
тиях в области полупроводников, лазерной и ультразвуковой тех-
ники. В 80-е годы предусмотрено освоение в производстве различных
средств очувствления промышленных роботов. Сюда входят несколько
типов систем технического зрения, ближней локации, енло-момент-
10
него очувствления, датчики внутренней информации о состоянии
механических систем робота.
Полезность сенсорных датчиков в полной мере проявляется только
после обработки и представления в определенном виде получаемой
от них информации. Методы и технические средства обработки сенсор-
ной информации весьма разнообразны. Среди них очень важное место
занимают методы распознавания образов — это общее название для
процессов обработки информации, связанных с определением чаще
всего геометрических форм, места расположения и ориентации в про-
странстве объектов. При этом сенсоры образуют исходные данные
в виде токов, напряжений, чисел и т. п., а обработка информации
методами распознавания формирует из этих данных информационный
образ или информационную картину объектов внешней среды. Харак-
терно, что общая методология распознавания образов все больше
детализируется по мере расширения ее применений в робототехнике.
Наиболее быстро идет ее освоение при создании робототехнических
средств визуализации и систем речевого анализа и синтеза.
Полезный опыт в области разработки адаптивных алгоритмов
управления был накоплен задолго до появления роботов. Поэтому
в робототехнике применяют уже апробированные и наиболее совер-
шенные методы синтеза адаптивного управления. Вместе с тем сред-
ства и методы адаптации получают дальнейшее развитие при исполь-
зовании их в робототехнике.
Роботы с адаптивным управлением — основа создания робото-
техники новых поколений с высокоорганизованными интеллектуаль-
ными формами управления. Методы интеллектуального управления
уже сейчас разрабатываются исследователями для перспективных
робототехнических систем. При этом значительная роль отводится
технической имитации и моделнрованиюбиологическпх механизмов ре-
гуляции и управления. Существенное продвижение в вопросах реали-
зации интел лектуального управления ожидается с расширением приме-
нения микропроцессорной управляющей и вычислительной техники.
Особенно быстрый прогресс наблюдается при роботизации сверх-
прецизионных мнкросборочных технологических процессов в точном
приборостроении и электронной технике. Требуемая при этом точ-
ность манипулирования принципиально не может быть достигнута без
применения адаптивного управления и средств очувствления с высо-
кими разрешающими свойствами.
В настоящее время широкое применение получили системы техни-
ческого зрения, в которых в качестве чувствительных элементов ис-
пользуют видиконы или ПЗС-матрицы (приборы с зарядовой связью).
Отечественная промышленность освоила серийное производство
целой гаммы адаптивных роботов для автоматизации трудоемких
технологических процессов прецизионной сварки изделий микро-
электроники. Созданные роботы-микросварщики не только улучшают
технологический процесс и качество выпускаемых изделий, но и
способствуют решению важной социальной задачи, освобождая
человека от напряженного (выполняемого под микроскопом) и утоми-
тельного труда.
II
Главным стратегическим направлением в развитии средств управ-
ления робототехникой является переход на микропроцессорную
элементную базу. Поэтому сейчас большое внимание уделяется вопро-
сам применения микропроцессоров и микроЭВМ при создании робото-
технических систем управления. С помощью микропроцессорной
техники, обладающей высокой гибкостью и универсальностью,
можно успешно решать следующие классы задач.
Цифровое управление исполнительными механизмами. В таких
задачах требуется высокое быстродействие, низкая стоимость, спе-
циальная организация архитектуры в виде магистральных шин и
стековой адресации памяти. Вместе с тем разрядность микропроцес-
сора в пределах 4—8 обычно достаточна для обработки информации,
ограничение на число выводов ЬИС влияет незначительно, что
позволяет применять однокристальные микропроцессоры.
Хранение и считывани информационных данных для программного
управ гения В этих задачах микропроцессоры используют в качестве
программируемых запоминающих устройств, поэтому требования
к вычислительным возможностям минимальны, но обычно высоки
требования к надежности работы, особенно при перерывах напряже-
ния источников питания. Кроме того, необходимы специальные
средства для быстрой отладки и коррекции программ. Основой
комплекта системы управления являются БИС-микросхемы ЗУ.
Предварительная обработка больших массивов данных в системах
очувствления роботов. Эти задачи обычно требуют широкого примене-
ния параллельной обработки и мультипрограммных режимов, значи-
тельной емкости памяти, организации прямого доступа к памяти.
Вычислительные процедуры чаще всего стандартизованы, а поэтому
состав команд может быть ограниченным. Возможна реализация
задач на модульных .микропроцессорных наборах.
Решение специализированных задач алгоритмического или мате-
матического типа. В этих задачах главными ограничениями являются
недостаточные производительность и быстро юйствне микропроцессо-
ров, поэтому приходится прибегать к специальным аппаратным и
программным решениям Предпочтительные средства решения —
микроЭВМ со спецпроцессорами и функциональными расшири-
телями
Управление сложными робототехническими комп иксами в режи-
мах реа льного масштаба времени. Эти задачи представляют наиболь-
шую сложность из-за включения в состав комплекса различных
роботов, нескольких типов технологического оборудования, разно-
родной вычислительной техники, а также в связи с необходимостью
быстро осуществдять обработку информации при формировании
управляющих воздействий. Для успешного решения подобных задач
обычно требуется синтез системы управления на основе мультипро-
цессорных способов обработки информации. Сочетание многофунк-
циональности с условиями режима реального времени опре и-ляет
требования к высокому быстродействию вычислительных средств
(не менее 500 тыс. простых операций в секунду), большой разряд-
ности в передаче данных (32 двоичных разряда), более чем 512 К
12
байт емкости адресуемой памяти, организации параллельных ре-
жимов работы развитых систем прерываний и синхронизации, кон-
троля и диагностики, наличию мощных трансляторов и специаль-
ных архитектурных построений. Предпочтительными средствами
решения являются многомашинные, мультипроцессорные управляю-
щие вычислительные комплексы и локальные управляющие сети на
базе современных микро- и миннЭВМ.
До недавнего времени микропроцессорная техника производилась
главным образом для удовлетворения потребностей создания универ-
сальных вычислительных машин. Поэтому опа не имела развитой
периферии и интерфейса с внешним оборудованием. В результате
стали создавать для каждого типа робота индивидуальную систему
управления, используя процессорную часть стандартной микроЭВМ
с необходимым ее наращиванием под решаему ю задачу. Такой подход
будет оправдан и дальше, если прн разработке придется учитывать
особые требования или условия применения робототехники.
Вместе с тем в настоящее время промышленность стала выпускать
микропроцессорную технику, специально ориентированную на задачи
цифрового программного управления технологическим оборудова-
нием. П ежде всего — это управляющие вычислительные комплексы
(УВК), иЯРготтще крбмё центрального процессора широкий набор
периферийных и интерфейсных средств, развитые устроиства связи
с управляемыми объектами (УСО), эффективное общесистемное и
специализированное программное обеспечение, средства автоматизи-
рованной разработки программ. По сравнению с полностью индиви-
дуальной разработкой микропроцессорной системы управления при-
менение таких серийно-промышленных УВК при создании управляю-
щей системы для робота позволяет более рационально и оптимально
решить многие аппаратно-технические или программно-математиче-
ские проблемы, используя богатый опыт специализированных
в области разработки ЭВМ организаций.
Таким образом современные промышленные роботы становятся
все более совершенными н сложными автоматами. Они снабжаются
развитыми устройствами обратной связи, средствами очувствления
и управляются не просто программаторами, а вычислительными
машинами, создаваемыми па основе микроэлектронной техники.
Однако роботы нельзя обособлять в общей системе средств комплекс-
ной механизации и автоматизации. Только сочетание робототехниче-
ских систем с другими автоматизированными и автоматическими си-
стемами может обеспечить наиболее эффективное применение роботов
и послужить основой для создания заводов-автоматов будущего
с принципиально новой гибкоперестраиваемои и программируемой
технологией производства, сберегающей труд человека и переклады-
вающей основную тяжесть интенсификации производства на меха-
низмы, машины и автоматы. Очень важная роль дня успешного разви-
тия робототехники в таком направлении принадлежит управляющим
системам роботов, которые во многом определяют технические харак-
теристики и эксплуатационные возможности роботизированных про-
изводств.
13
Глава ВИДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕНН ЫМИ РОБОТАМИ
1.1. Иерархические уровни управления робототехни-
ческими комплексами
Основные направления развития робототехнических средств
управления определяются путями, по которым ведутся работы по
созданию и совершенствованию технических средств автоматизиро-
ванных систем управления технологическими процессами (АСУТП),
так как задача управления промышленными роботами (ПР) и оборудо-
ванием является частью общей проблемы автоматизации «технологи-
ческий процесс — используемое оборудование — средство управ-
ления».
По своему техническому содержанию задача управления робото-
техническими комплексами оборудования в машиностроении тесно
связана, например, с задачами, решаемыми при управлении металло-
обрабатывающим оборудованием с помощью средств числового про-
граммного управления (ЧПУ). Основными элементами этой взаимо-
связи являются:
общее сходство содержания задачи управления — формирование
заданных внешней программой траекторий движения рабочего
органа машины в л-мерном координатном пространстве;
аналогичные условия внедрения, эксплуатации и технического
обслуживания для большинства случаев применения ПР;
совместное использование ПР и оборудования с ЧПУ в комплекс-
но-автоматизированных технологических процессах и локально
замкнутых производственных участках.
В качестве основных отличий управления ПР по отношению
к другим видам оборудования с программным управлением можно
отметить следующие.
1	Расширение диапазона решаемых задач управления, которое
определяется большим разнообразием базовых компоновок и вариан-
тов технологической организации ПР. В простейших случаях управ-
ления ПР ограничиваются заданием логических циклов. Усложнение
управления ПР в направлении использования элементов адаптации,
искусственного интеллекта и т. д., которое осуществляется более
широко, чем в станках с ЧПУ, охватывая принципиально новые
задачи очувствления рабочих органов ПР, анализа внешней обста-
новки и принятия решения.
2	. Общее усложнение технической реализации задач управления
за счет, например, увеличения числа управляемых рабочих органов
ПР в различных пространственных системах координат и усложнения
их взаимосвязи, появления новых функций управления, включая
14
режим программирования по методу обучения, адаптивные функции,
специализированные стандартные подпрограммы и т. д.
При общем сходстве аппаратных средств числового программного
управления станком и роботом их программные (математические)
обеспечения различны.
Указанные выше отличия приводят к дальнейшему расширению и
усложнению решаемых затач программного управления. Это позво-
ляет принять в качестве основной предпосылки создания и примене-
ния средств управления ПР их единство со средствами программного
управления станками и другим оборудованием в обеспечивает
возможность использования уже сложившихся в данной области
технического задела, методов и приемов ведения работ, нормативно-
технической документации и т. д. для решения робототехнических
задач управления. Поэтому можно объяснить причины приоритетной
автоматизации с помощью ПР вспомогательных технологических
операций, связанных с обслуживанием в первую очередь металлоре-
жущего, кузнечно-прессового, литейного и других видов оборудова-
ния в машиностроении — области наиболее массового использования
ПР. При внедрении ПР в сферу производства они могут иметь различ-
ную организацию взаимодействия с технологическим оборудованием,
обусловленную его составом и компоновкой, алгоритмом управления
процесса, степенью автоматизации оборудования и т. д., что опреде-
ляет информационную «мощность» ПР и, в частности, средств его
управления.
Задача автоматизации вспомогательных операций при обслужива-
нии технологического оборудования различных видов (станков,
прессов, литьевых машин и др.) с применением ПР в отношении
сложности алгоритмов их управления укрупненно может быть опи-
сана следующими иерархическими уровнями управления:
уровень I, при котором каждая единица технологического обору-
дования дополняется соответствующим ПР, встроенным в его кон-
струкцию или установленным в зоне его работы и выполняющим
простые циклические операции по установке в оборудование загото-
вок, снятию готовых деталей и т. д.;
уровень II, при котором технологически объединенная группа
единиц оборудования (2—4 и более) оснащается подвижным (при
линейной компоновке оборудования) пли стационарным (при круго-
вой компоновке) ПР, «автоматическая рука» последнего осуществляет
установку и съем деталей с выполнением других вспомогательных
операций (измерение, контроль и т. д.), при этом «поведение» 11Р
определяется запросами от единиц оборудования и условиями выпол-
нения программы обслуживания;
уровень III, характеризуемый высокой степенью автоматизации
на основе группового управления оборудованием и роботами от
распределенной системы управления или центральной ЭВМ, решаю-
щих также задачи диспетчеризации, управления складом, транспорт-
ными средствами и т. д.
На рис. 1.1—1.4 приведены примеры автоматизации, в частности,
металлообрабатывающего оборудования с применением ПР, класси-
15
чпу
ЗаготоВмф
Рис. 1.1. Схема оператор — станок с ЧП У.
ЧП У — числовое программное управление: Ст — стань» On — оператор
Рис. 1.2. Схема промышленный робот — станок с ЧП У
фицироваииые японскими специалистами как уровни управления
данным оборудованием.
На рис. 1.1 показана схема автоматизации процесса металло-
обработки на станке (Ст) с помощью управляющего устройства (ЧПУ).
Загрузочно-разгрузочные операции выполняет оператор (Оп);
устройство ЧПУ не участвует в выполнении этих вспомогательных
операций. Автоматизация последних представлена следующим уров-
нем (рис. 1.2), при котором станок и промышленный робот (ПР)
с помощью одной системы управления (робототехническая часть
ОООООО
оооооо
ОООООО
Рис. 1.3. Схема промышленный робот — группа станков с ЧПУ
Рис. 1.4. Схема упраа тения группой станков и роботов от центральной ЭВМ
оооооо
оооооо
оооооо
16
системы заштрихована) осуществляют выполнение оьердпг’й за-
грузка — металлообработка — разгрузка.
На рис. 1.3 показана группа станков с программным управлением,
обслуживаемых с помощью одногоПРс самостоятельным устройством
управления (УУ), имеющим взаимосвязь с ЧПУ станков и работаю-
щим по заданному алгоритму обслуживания участка; автоматизация
дайной группы станков с применением центральной ЭВМ и перерас-
пределением функций между средствами управления представлена
слетующим уровнем (рнс. 1.4).
На верхнем уровне автоматизации управление станками, про-
мышленными роботами, транспортной линией, автоматизированным
складом заготовок и готовой продукции осуществляется с помощью
центральной ЭВМ и локальных средств управления объектами.
В настоящее время существует значительное число практических
примеров технологической организации производств, автоматизи-
руемых с помощью ПР, однако все они могут быть с определенными
допущениями сведены к трем описанным выше уровням управления.
1.2. Классификация систем управления
В технической литературе по робототехнике приводятся много-
численные примеры различной классификации ПР.
ПР классифицируют, например, по степени участия человека
в работе и управлении роботами 1351, технологическим возможностям
(числу манипуляторов, грузоподъемности, типу приводов, быстро-
действию и т. д.) (651, технологическому назначению (51 1 и другим
признакам.
Системы управления классифицируются по признакам, связан-
ным главным образом со способом позиционирования (251, слож-
ностью программного управления, его техническими возможностями
и т. д. (651. Так, системы управления ПР подразделяют на цикловые,
позиционные, контурные и адаптивные.
Накопленный опыт по созданию и внедрению ПР в различные
производства, достижения в развитии микропроцессорной техники,
технологии и конструировании аппаратуры управления позволяют
внести определенные коррективы в вопросы существующей класси-
фикации систем управления ПР.
Современные системы управления ПР, как правило, разрабаты-
вают на микропроцессорной элементной базе; они имеют развитые
информационно-вычислительное обеспечение, гибкое программиро-
вание функций управления, расширенные возможности сопряжения
с внешним управляемым оборудованием, другими средствами вычис-
лительной техники и т. д.
Рассмотрим обобщенную структурную схему системы управления
(СУ) ПР (рис. 1.5), отображающую взаимосвязь уровня организации
технологической «среды» автоматизируемого оборудования и уровня
управления ПР. Данная структурная схема содержит следующие
основные модули: управляющий, программно-задающий, информа-
ционный, исполнительный.
17
Pnc. 1.5. Обобщенная структурная схема системы управления ПР:
ПО — пульт обучения: ТО — технологическое оборудование; СУ — система управления!
модули: I — управляющий; 1 — информационный; 3 — исполнительный; < — програыыно-
аадающпй
Под модулем следует понимать устройство, обладающее функ-
циональной полнотой и конструктивной завершенностью.
Управляющий модуль системы выполняет операционно-логиче-
ские и вычислительные функции обработки информации, в частности
анализ сигналов внешней обстановки управления, принятие решения,
формирование выдачи управляющих воздействий и т. д.
Программно-задающин модуль обеспечивает запись, хранение и
выдачу информации, содержащей алгоритмы управления, управляю-
щей программы и др.
Информационный модуль обеспечивает прием информации о теку-
Ш( м состоянии манипулятора и технологического оборудования
с помощью измерительной системы и узлов приема дискретных сигна-
лов реакций и состояний объекта управления.
Исполнительный модуль включает в себя узлы формирования
управляющих воздействий на объект управления. Характер воздей-
ствий определяется типом управляемого привода, числом координат
манипулятора, а также видом и числом технологических дискретных
команд управления. Показанные на рис. 1.5 основные потоки инфор-
мации системы управления ПР могут быть описаны следующим
образом:
Г — информация задания траекторных перемещений манипуля-
тора, логических дискретных сигналов с пульта обучения при про-
граммировании по методу обучения;
2' — информация о прнемо-выдаче массивов данных, связанных
с алгоритмами управления системы и управляющей программы;
3' — информация о заданной программе движений манипулятора
с учетом средств адаптации, данных контрольных измерений, управ-
18
ляюинх логических командах, аварийных сигналах и т. д. на данном
шаге программы;
4' — информация о результатах обработки заданных и текущих
перемещений манипулятора, дополнительно возможных управляемых
органов технологического оборудования и логической информации
текущего состояния процесса управления;
5' — выходные логические сигналы и команды управления на
манипулятор и технологическое оборудование;
6' — выходные геометрические сигналы управления приводами
манипулятора и дополнительно возможными органами технологи-
ческого оборудования;
7' — информация о результатах контрольных измерений из-
делия;
8' — входные логические сигналы об исполнении команд управле-
ния, сигналы запросов на обслуживание оборудования, блокировок и
условий выполнения процесса управления;
9' — входные сигналы текущего координатного положения мани-
пулятора и дополнительно возможных органов технологического
оборудования;
10' —логические и геометрические сигналы от средств адаптации
манипулятора;
II' — информация о взаимодействии с другими средствами авто-
матического управления (другими робототехническими комплексами,
ЭВМ и т. д.).
Информационные возможности системы управления ПР определя-
ются не только количеством информационных потоков, но и функ-
циональной нагрузкой каждого из них, увеличивающейся по мере
роста используемых в системе параметров. Так, для простейшего слу-
чая управления — циклового в приведенной на рис. 1 5 структуре
характерно отсутствие, например, связей 6', 7', 9', 10’, II'; для пози-
ционного управления с использованием шагового привода могут отсут-
ствовать связи 7', 9', 10', 1 Г, а для контурного управления с исполь-
зованием следящего привода и средств адаптации присуще наличие
всех изображенных связей. Функциональная нагрузка связей во всех
трех случаях различна, так же как различна соответственно и орга-
низация модулей системы.
Не вызывает сомнения, что описанные информационные возмож-
ности системы могут быть выражены через ее ф} икниональнын состав
н предопределяют выбор «вычислителя», типа и объема памяти,
числа управляющих команд и т. д.
Таким образом, уровень автоматизации обслуживаемого оборудо-
вания определяет уровень управления робототехнического комплекса,
который, в свою очередь, позволяет определить параметрический ряд
функций управления, состав оборудования н программного обеспече-
ния. Поэтому в качестве классификационного признака для систем
управления ПР целесообразно выбрать один обобщенный признак —
«информационно-вычислительные возможности», отражающий соот-
ветствующий уровень управления робототехническим комплексом
н характеризующий возможность системы воспринимать онределен-
19
Таблица 1.1
К «асе	Подкласс	K.ia< i > фикацмоииые группы и краткая их характеристика
Цикловые	Локальные	< - "^лизированные простейшие системы с огра- ниченными возможностями управления, преиму- ществе) «жестким» аппаратно реализуемым алго- ритмом, составом функций управления и внешним интерфейсом с числом входов-выходов до 64
		Системы с расширенными возможностями упра- вления, «варьируемым» составом функций, нали- чием стандартных подпрограмм, интерфейсом с чи- слом входов-выходов от 64 до 128
		Блочио-модульиые системы с возможностью вы- бора модификации из полного функционального состава, программирования функций управления, наличием нескольких программ, расширенным ин- терфейсом с числом входов-выходов более 128, связью с ЭВМ
	Групповые	Блочио-модульиые системы с развитыми возмож- ностями управления, увеличенным объемом па- мяти, программированием функций управления, расширенным интерфейсом по связи с обслужи- ваемым оборудованием, ЭВМ, другими средствами управления
Позиционно- контурные	Локальные	Специализированные упрощенные циклопоэици- оиные и позиционные системы с ограниченными возможностями управления, «жестким» аппаратио- реазизуемым алгоритмом, ограниченным функцио- нальным составом и внешним интерфейсом
		Позиционные системы с расширенными возмож- ностями управления, «варьируемым» функциональ- ным составом, наличием отдельных подпрограмм, расширенным внешним интерфейсом, например, по связи с ЭВМ
		Контурные системы целевого назначения с раз- витыми возможностями управления, программи- рованием функций, наличием нескольких программ, расширенным интерфейсом по связи с оборудова- нием. средствами адаптации, ЭВМ
		Блочно-модульные позиционно-контурные систе- мы с возможностью выбора модификаций из пол- ного функционального состава, развитыми воз- можностями управления в том числе адаптивного, программированием функций, расширенным интер- фейсом по связи с обслуживаемым оборудованием, ЭВМ, другими средствами управления
2U
Прпдогчсенче табл. 1.1
Класс	Подкласс	Классификационные группы и краткая их характеристика
По Ш11№ НПО- контурные	Групповые	Блочно-модульные системы с развитыми воз- можностями управления, увеличенным объемом памяти, программиров шием функций, наличием нескольких программ, расширенным интерфейсом по связи с обслуживаемым оборудованием, ЭВМ, другими средствами управления
Универсальные	—	Многофункциональные мультипроцессорные си- стемы с широкими возможностями управления, в том числе адаптивного, элементами «искусствен- ного интеллекта», расширенным сопряжением с ком- бинированными типами приводов и датчиков, ЭВМ, другими средствами управления
ные массивы информации и обрабатывать их с выдачей управляющих
воздействий.
В табл. 1.1 дана укрупненная классификация систем управления
ПР различного назначения на основе приведенного выше признака.
В соответствии с предлагаемой классификацией системы управления
в порядке увеличения их информационно-вычислительных возможно-
стей разделены на три класса: цикловые, позиционно-контурные и
универсальные, а также на подклассы и группы.
Цикловые системы управления являются простейшими средствами
управления. Их применяют для управления ПР с ограниченными
манипуляционными возможностями и технологическим оборудова-
нием с невысокой степенью автоматизации. Они обеспечивают преиму-
щественно двух- или трехточечное позиционирование по упорам
координат манипулятора. Дискретный сигнал управляющей команды
в таких системах представляет собой появляющийся на выходной
шине потенциал напряжения постоянного или переменного тока,
длительность которого заранее выбирается пли определяется момен-
том поступления ответного сигнала от манипулятора или обслуживае-
мого оборудования.
Позиционно-контурные системы применяют для управления ПР
со значительным числом точек позиционирования (до нескольких
сотен). Они обеспечивают перемещение рабочих органов манипуля-
тора «от точки к точке» по кратчайшей неконтролируемой (позицион-
ное управление) или непрерывной контролируемой за счет интерполя-
ции траектории с поддержанием заданной скорости (контурное
управление). Такне системы обладают большими ннформанпонпо-
вычислительными возможностями. Их используют для обслуживания
оборудования с повышенной степенью автоматизации или для авто-
матизации основных технологических операций (сварки, сборки,
окраски и др.). Построение таких систем на базе микроЭВМ или
микропроцессорных наборов обеспечивает реализацию, например,
функции интерполяции нротраммным путем без изменения аппарат-
21
кого состава изделия, что позволяет объединить существующие
классы позиционного и контурного управления в один — позицион-
но-контурный.
Оба описанных класса системы, в свою очередь, подразделяют на
два подкласса — локальные и групповые системы, характеризуемые
качественно различными уровнями управления робототехническими
комплексами.
Локальные цикловые системы выделены в три основные группы:
специализированные, с расширенными возможностями управления,
блочно-модульные системы и отражают соответственно повышение
уровня управления при обслуживании оборудования с невысокой
степенью автоматизации или при выполнении несложных основных
технологических операций.
Групповые цикловые системы управ тения представляют собой
блочно-модульные средства управления с развитыми информационно-
вычислительными возможностями и расширенным внешним интер-
фейсом, необходимыми для обслуживания, например, с помощью
5—10 ПР автоматизированного участка прессового оборудования.
Локальные позиционно-контурные системы классифицируют на
четыре группы: специализированные упрощенные цикло-позицион-
ные и позиционные; позиционные с расширенными возможностями
управления; контурные системы целевого назначения и блочно-
модульные позиционно-контурные.
Характерными особенностями данных групп, помимо различия
информационно-вычислительных возможностей систем, являются их
специализация и некоторая универсальность, связанные с широкой
номенклатурой оснащаемых ПР, обслуживанием единицы или группы
(до четырех единиц) различного оборудования с повышенной сте-
пенью автоматизации, выполнением транспортно-складских и основ-
ных технологических операций.
Универсальные системы управления представляют собой класс
многофункциональных систем с высокими информационно-вычисли-
тельными возможностями, включая адаптивное управление на основе
тактильных, лазерных, телевизионных и других сенсорных устройств;
искусственным «интеллектом» и т. д. для автоматизации преиму-
щественно основных технологических операций.
В последующих главах книги будут рассмотрены более подробно
характеристики основных групп систем управления ПР согласно
приведенной классификации.
1.3. Комплексно-технологический подход к созданию
и применению систем управления
Объем и темпы работ в области комплексной автоматизации
производственных процессов с применением ПР неуклонно возра-
стают. Данные прогноза увеличения в текущем десятилетии парка
ПР [51 1 в капиталистических странах приведены в табл. 1.2.
Структура парка ПР по мере расширения сферы их применения
также видоизменяется: области применения ПР начинают распро-
22
Таблица 1.2
стриняться и на немашинострои-
тельные отрасли производств. При
этом, наряду с повышением уровня
автоматизации отдельных техноло-
гических операций все большее
развитие получают гибкие автома-
тизированные производства (ГАП)
с использованием робототехниче-
ских средств управления. ПР, яв-
ляясь средством автоматизации
производства, должен рассматри-
ваться одновременно и как элемент
робототехнической системы управ-
ления в целом, включающей в себя
Страка	Число роботов, шт.	
	1981 Г.	1990 г.
Япония	17 000	Более 150 000
США	4 100	21 000
ФРГ	1 400	20 000
Швеция	1 200	6 000
Италия	500	5000
Англия	370	15 000
Франция	300	6 000
, помимо собственно ПР, станки,
прессы, другие виды обслуживаемого и вспомогательного оборудова-
ния, транспорт, склады и людей, занятых в данной системе.
При всем многообразии видов автоматизированного оборудовния,
его компоновок, номенклатуры, используемых ПР, уровней автома-
тизации технологических процессов н т. д. основной задачей в области
разработки систем управления ПР по-прежнему остается создание
оптимальных по структуре, функциональному составу и технико-
экономическим показателям базовых моделей систем управления ПР
различного назначения. Стратегия решения этой задачи должна осно-
вываться на минимизации общего числа базовых моделей систем
управления ПР с обеспечением развития требуемых модификаций,
преимущественном использовании единой элементно-конструктивной
базы, гибком программировании алгоритмов управления, унифика-
ции сопряжения с внешним оборудованием.
Представляется очевидным, что для успешного решения постав-
ленной задачи в первую очередь необходима типизация организации
технологической среды управляемого оборудования. Концепция
данного вопроса включает в себя последовательность выполнения
следующих работ:
определение и систематизация основных типовых робототехни-
ческих комплексов оборудования (архитектура,состав оборудования,
технологический алгоритм управления);
выбор средств автоматизации и механизации (тип и число ПР,
сопутствующего вспомогательного оборудования, например средства
складирования и транспортирования);
унификация выбранных средств с точки зрения их управления
(типы приводов, измерительных систем, специальных датчиков и
т. д );
типизация организации информационного канала управления
комплексом, в том числе канала связи с дру гимн робототехническими
комплексами оборудования и ЭВМ верхнего ранга.
Типизация решений по внешней организации средств управления
создает предпосылки и является необходимым и обязательным усло-
вием для качественной разработки базовых систем управления ПР
различного назначения и их модификаций.
2J
Основные этапы создания таких систем управления следующие:
определение оптимальной структуры базовой системы и ее функ-
ционального состава;
организация принципов блочно-модульного построения функ-
циональных узлов аппаратуры (схемотехническая и конструкторско-
технологическая унификация);
гибкое программирование основных функций управления на
основе блочно-модульного построения программного (математиче-
ского) обеспечения системы управления, включая разработку языков
программирования, методов формирования управляющих программ
и т д.;
организация внутреннего и внешнего интерфейсов системы управ-
ления, методов и ср дств диагностики и т д.
Такой подход к созданию базовых систем управления ПР, увязы-
вающий проекгн1 работы в единый комплекс «автоматизируемый
процесс — ПР — средства управления», обеспечивает возможность
широкого применения средств управления ПР, упрощает их техниче-
ское обслуживание, организацию эксплуатации и г. д. Проектирова-
ние должно основываться на нормативно-технической документации
(стандарты, руководящие технические материалы, методические
указания).
Комплексный подход к проектированию систем управления ПР
в условиях большого разнообразия конструкций манипуляторов,
сопутствующих средств автоматизации, компоновочных схем роботи-
зируемого оборудования и т. д. позволит создать оптимальную
номенклатуру базовых систем управления ПР н их модификаций для
широкого применения в различных отраслях производства. Про-
иллюстрируем комплексный подход к созданию определенно!! номен-
клатуры ПР с про! рлммным управлением, основанный на анализе
областей применения ПР в • эшнностроительных производствах,
технологии автоматизируемых процессов, видов роботизируемого
оборудования и т. д.
На рис. 1.6 пока юна основная номенклатура ПР с программным
управлением фирмы «Фудзицу Фанук» (Япония) для применения
в машиностроительных отраслях, разделенная по технологическому
назначению на три группы.
Серия М — группа роботов (пять моделей), предназначенных
пренмущ! ственно для автоматизации операций загрузки-разгрузки
металк обрабатывающего оборудования.
Серия А — группа роботов (три модели), используемая для
автомати ни и различных сборочных операций.
Серия S — группа роботов (три модели) специального назначе-
ния для автоматизации операций контактно-точечной и дуговой
сварки, газорезки, нанесения лакокрасочных покрытий и т. д.
Таким образом, по мнению фирмы, номенклатура из 18 основных
моделей ПР, построенных по блочно-модульному принципу как в ме-
ханической, так и в управляющей части, обеспечивает в машино-
строении автоматизацию значительного числа технологических опе-
раций.
24
Рис. I.e. Группировка ПР по технологическому назначению:
а — серия М — механообработка: 6 — серия А — сборка: а — серия S — специального
назначения
Следует отметить, что использование принципа блочно-модуль-
ного построения компонентов ПР при всех его преимуществах не
является универсальным способом для построения, в частности,
систем управления, в силу образующейся некоторой «избыточности»
аппаратуры, опр деленного повышения ее материалоемкости, знерго-
емкостн н т. д.
Опыт внедрения ПР в производство выявил необходимость в ряде
случаев создания для автоматизации отдельных технологических
операций специализированных ПР с программным управлением
с использованием в качестве элем нтнон базы систем управления
аналоговой техники, струйных элементов и т. д. Техннко-эконо ;нче-
скне показатели таких специализированных средств управления по
сравнению со средствами, построенными по блочно-модульному
принципу, оказываются в ряде случаев более эффективными.
Экономическая эффективность внедрения робототехннчет кого
комплекса оценивается следующими основными факторами: полнотой
функций управления с учетом возможного их «варьирования»;
стоимостью системы; затратами связанными с обслуживанием сп-
25
сгемы, ее ремонтом, организацией служб подготовки программ
Полнота функций управления должна соответствовать требуемому
уровню автоматизации оборудования.
Затраты, * связанные с обслуживанием системы, ее ремонтом,
организацией служб подготовки программ и т. д., включают расходы
по заказываемому комплекту запасных частей и принадлежностей
(одиночный комплект или групповой); сервисному контрольно-изме-
рительному оборудованию; по организации службы обслуживания
системы, включая специалистов по ремонту аппаратуры, программи-
Успех внедрения системы достигается там, где правильно решены
организационно-технологические основы внедрения ПР в производ-
ство с учетом экономических и социальных аспектов робототехники.
Глава
КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
2.1.	Кинематические схемы исполнительных органов
промышленных роботов
При проектировании ПР обычно рассматривают кинемати-
ческие схемы манипулятора и отдельных (сепаратных) степеней
подвижности (координат). Кинематика манипулятора учитывается
при построении многомерной следящей системы, а кинематика испол-
нительных органов ПР — при построении компонентов многомерной
системы (следящих систем отдельных степеней подвижности). Манипу-
ляционные возможности ПР определяются кинематической схемой
манипулятора, причем для решения конкретной технологической
задачи по переносу н ориентации изделия может быть наиболее
удобна та или иная компоновка манипулятора. Выбор компоновки
определяется в основном технологическими требованиями, обуслов-
ливающими предпочтительность декартовой, сферической, цилиндри-
ческой или ангулярной системы координат. В процессе развития
языков программирования ПР метод программирования обучением
возможно будет вытесняться априорным программированием. В этом
случае существенное влияние на выбор компоновки будет оказывать
объем обрабатываемой информации по преобразованию координат.
Кинематическая схема манипулятора определяет также характер
взаимовлияния степеней подвижности, которое может проявляться
в изменении моментов инерции, приведенных к валу двигателя испол-
нительного органа ПР, позиционной нагрузки и динамическом
взаимовлиянии. Что касается кинематических схем исполнительных
органов ПР, то, поскольку их характеристики (передаточные числа,
зазоры, статические моменты сопротивления, жесткость) непосред-
ственно влияют на динамические свойства следящих систем, их анали-
зируют с учетом наиболее существенных характеристик, исключая
параметры, незначительно влияющие на динамику ПР. В качестве
примера рассмотрим кинематическую схему ПР «Универсал 5.03»
(рис. 2.1).
Технические характеристики ПР «Универсал 5.03»
Система координат ............................................Цилиндри-
ческая
Число транспортных степеней подвижности (со следящим режимом) 4
Число ориентирующих степеней подвижности (по жестким упорам)
Вертикальный ход руки, мм..................................... FOO
Радиальный ход руки, мм....................................... 800
Поворот руки относительно вертикальной оси /—/, °............. 300
Поворот руки относительно вертикальной оси И—II, °............ 190
27
Качание захватывающего устройства (захвата), * .........	180
Вращение захвата, ° ...................................... 180
Максимальные скорости перемещений
по транспортным степеням подвижности
Вертикальный ход руки, м/с................................ 0,2
Радиальный ход ру ки, м с................................. 0.G
Поворот руки относительно вертикальной оси /—/, °/с........ 90
Поворот руки относительно вертикальной оси И—II, %......... 60
Средние скорости перемещений по ориентирующим степеням подвижности
Качание захвата, °ic ......................	90
Вращение захвата, с/с..................................... 120
Грузоподъемность при плече R = 300 мм качания захвата, кг ... Не более 5,0
Ошибка позиционирования на радиусе 1500 мм, мм..........Нс более 1
Минимальное время выхода на максимальные скорости перемеще-
ний по транспортирующим СП, с ..........................Не более 0,4
Минимальное время торможения с максимальных скоростей переме-
щений по транспортирующим СП, с.........................Не более 0,4
Характер позиционирования.............................  Апериоди-
ческий
Конструктивная реализация перечисленных выше параметров
привела к созданию манипулятора *, кинематические схемы степеней
подвижности которого приведены на рнс. 2.2—2.5.
В механизме поворота платформы (рис. 2.2) момент с вала испол-
нительного двигателя (Дв) передается на выход через двухступенча-
тую прямозубую цилиндрическую передачу. Угловая ошибка не
выбирается лишь в первой ступени зацепления. Датчик положения
(ДП) и тахогенератор (ТГ) (последний — через эластичное соедине-
ние) связаны с промежуточным валом редуктора с помощью разрез-
ных шестерен с пружинным разведением. Силовая ступень представ-
ляет собой замкнутую с помощью торснона кинематическую цепь.
При работе двигателя подвижная часть птатформы, на которой рас-
положены редуктор, двигатель, тахогенератор и датчик положе-
ния, начинает вращаться таким
образом, что зубчатое колесо г =
= 17 обкатывается вокруг непод-
вижного зубчатого колеса г=238.
1 Конструкция манипулятора разрабо-
тана пот руковозством Ю. В. Саватеева.
Рис. 2.1. Кинематическая схема ПР «Уни-
версал 5.03» ;
/—/. //—// — вертикальные оси поворота
соответственно основания и руки; С — макси-
мальный радиус рабочей зоны (с согнутым
захватом); Е — наименьшее расстояние от
плоскости установки основания до продоль-
ной осн руки; /? — плечо качания захвата
(/ — рука; 2 аахаат; 3 — пантограф; 4 —•
основание)
28
Кинематическая схема
Рис. 2.3. Кинематическая схема механизма подъема-опускания
механизма поворота платформы
Таким образом, датчик положения (ДП) точно контролирует
перемещение подвижной части платформы, угловая ошибка в пере-
даче Дв — ДП и Дв — ТГ Cj = 0,054°. Влияние упругости эластич-
ного соединения в рабочем диапазоне частот исключено соответствую-
щим выбором материала и конструкции соединения. В механи ме
подъема-опускания (рис. 2.3) вал двигателя Дв через цилиндрическое
зубчатое зацепление (расчетная угловая ошибка 61 = 0,065е) связан
ходовым винтом шарико-винтовой передачи (ШВП). Вращение
ходового винта приводит к поступательному перемещению каретки,
шарнирно связанной с балками пантографного механизма. Нелиней-
ная зависимость между высотой пантографного механизма и уг м
наклона его балки приводит к переменной точности (в верхних точках
точность примерно в 7 раз выше, чем в нижних). Применение ШВП
обеспечивает снижение статического момента (по сравнению с винто-
вой передачей) н уменьшение угловой ошибки, но в данном случае
ввиду отсутствия самоторможения необходим электротормоз (ЭТ).
Датчик положения воспринимает перемещение каретки практически
без ошибки. Тахогенератор связан с двигателем с помощью ременной
зубчатой передачи также без угловой ошибки.
В механизме поворота pj кн (рнс 2.4) вал двигателя Дв с помощью
безлюфтовой ременной зу( чатой передачи связан с ТГ (чере эластич-
ное соединение) и входным валом цилиндрической зубчатой передачи
с расчетной угловой ошибкой е, = 0,054°. Выходной вал цилиндри-
ческой передачи связан через разрезное зубчатое колесо и поводковую
муфту с датчиком положения ДП п через плавающую м^фту — с води-
лом волновой передачи (ВП). Выходной вал ВП передает вращающий
момент через коническое зубчатое зацепление на рабочий орган (РО)
манипулятора. Анализ кинематической схемы показывает отсутствие
угловой ошибки в передачах двигатель -тахогенератор и датчик
положения — рабочий орган. Угловая ошибка в передаче двига-
тель — датчик положения составляет еа = 0,054°.
29
Рнс. 2.4. Кикматичесхая схема 'механизма поворота рабочего органа (руки)
Рис. 2.5. Кинематическая схема механизма выдвижения рабочего органа
Механизм выдвижения руки (рнс. 2.5) представляет собой ци-
линдрическую зубчатую передачу с внутренним зацеплением, полый
выходной вал когорой связан с РО через зубчатую реечну ю передачу.
В полом выходном валу размещен жестко связанный с валом торсиои
с закрепленным на нем зубчатым колесом. Закручивание торсиона
относительно выходного вала позволяет устранить угловую ошибку
хода в зубчатой реечной передаче. Датчик положения ДП связан
с полым выходным валом с помощью цилиндрической зубчатой пере-
дачи. Выборка угловой ошибки в этом зацеплении осуществляется
с использованием разрезного колеса с пружинным разведением.
Анализ кинематической схемы позволяет сделать следующие выводы:
датчик положения ДП жестко связан с конечным звеном — рукой;
угловая ошибка в передаче Дв — РО е4 = 0,052е; угловая ошибка
величиной 2е4 возникает в передаче Дв — ТГ; упругие колебания
торсиона датчиком положения не воспринимаются. Физически угло-
вая ошибка обусловлена минимальными гарантированными боковыми
радиальным зазорами в цилиндрическом зубчатом зацеплении.
Расчетные параметры, полученные при анализе кинематической
схемы ПР «Универсал 5.03», приведены в табл. 2.1.
Статические моменты сопротивления механических передач и
приведенные моменты инерции целесообразно определять экспери-
ментальным путем.
2.2.	Принципы построения структуры контура управления
приводом промышленного робота
Структура контура у правления приводом ПР определяется прежде
всею типом применяемого привода. Наибольшее распространение
в ПР получили два типа привода: гидравлический и электрический.
В последнее время появились разработки следящего пневмопривода,
и, хотя они не получили еще широкого распространения в ПР, пока-
затели назначения свидетельствуют об их перспективности. Так,
сервопривод на базе пневматического сервоклапана TSV 212 (Япо-
ния), управляемого от сервоусилителя AS 25-20, имеет пологую
амплитудно-частотную характеристику с частотой среза 3,6 Гц.
30
Таблица 2.1
Гип'ИЬ мод» ижиостн (СП)	Smax				'общ				’ .  х	
	С,.-. ММ них		▼max		координат враще- ния		BBRpAl Ь<<П линейUtt в пв-р« .де- щгв ня,			
Выдвижение руки	800		—		—		0,053		15 217	
Поворот руки	4308 при Я = 1300		190		328		—		62 320	
Подъем-опускание	500,22		—		—		var		43 022	
Поворот платформы	9686,6 при R = 1850		300		180,3		—		54 096	
Степень подвижности (СП)	О ▼дв mln	®шах" ММ				е*				
						Дв—ДП		Дв-ТГ		Дв-S
Выдвижение руки	0,504	0,027		29 421		0,052		0,1		0,052
Поворот руки	2,113	0,146		29 491		0,054		0		0,054
Подъем-опускание	1,355	0,0504-т- 0,0073		31 744		0,065		0		0,065
Поворот платформы	1,761	0,315		30 720		0,05		0,05		0,05
Обо s  t  u г S|))ax—максимальное перемещение в линейных (/га1Х) и поворот-
ных (Ч’1Ж1Х) степемвх подвижности; —общее передаточное отношение от в та исполни-
тельного двигателя к выходу; <гпд максимальный угол поворота вала исполнительного
двигателя; фдв т|п — минимальный угол поворота вала исполнительного двигателя (соот-
ветствует одному дискретному значению Датчика положения); бтхх—ошибка позициониро-
вания (мм), соответствующая одной дискрете датчика положения; « чДв тчх/Фдв mln"
диапазон воспроизводимых состояний; е — расчетная угловая ошибка от двигателя к дат-
чику положения (Дв—ДП), от двигателя к тахогенератору (Дв—ТГ) и от двигателя на
конечное авено механической передачи (Дв—S).
31
В ПР па базе гидропривода используются гн троцилшпры с уппавп,. 
иисм от сервозолотников и вращательные гидродвигатели (чаще вс<
аксиально-плунжерные) с управлением от задающих электродвш, гл- З*,’₽7мплиту*м°-',ЧТОТНЫ’1
телеи При управлении сервозолотником структура контура упра. ₽»а*,,,,*есж,*ж т<-рис1ИЖ (ЛАЧ .1 —
Ленин проста н включает, как правило, цифроаналоговый преобра >.
ватель (часто с нелинейной характеристикой) и сервоусилитель
с мостовым или полумостовым выходным каскадом, работающим
в режиме класса А. Дтя коррекции часто используют осциллирующий
сигнал. На одной из моделей ПР типа «Юнимейт» (Unimate) на об-
мотку сервозолотника подается осцилляция частотой около 330 Гц
и амплитудой порядка 0,5 В. что позволяет скомпенсировать зону,
нечувствптельиост и.
При использовании гндродвигателя с задающим электродвигате-
лем структура контура управления приводом аналогична структуре
контура управления электроприводом. Гидродвигатель выполняет
в данном случае функцию усилителя момента (гидродвигатель типа
2Г18-22, используемый в отечественных IIP тина «Универсал-15»,
имеет коэффициент усиления по моменту /<м = 200). Поэтому при-
водимые ниже сведения по обоснованию структуры контура управле-
ния приводом относятся к электроприводу и к электрогидравлпче-
скому приводу с гидроусилителем момента.
Динамические возможности электродвигателей в отношении обес-
печения высокого значения собственной частоты <оо при приемлемом
коэффициенте демпфирования £ (при идентификации их колебатель-
ным звеном) ограничены. По этой причине во всех известных моделях
ПР, в которых применены электродвигатели, в качестве внутреннего
контура используют регулируемый электропривод, т. е. электро-
привод с обратной связью по скорости. При определенных допуще-
ниях регулируемый электропривод также можно идентифицировать
колебательным звеном н резко увеличить значение ы0. Теоретически,
возможности повышения ы(, за счет увеличения коэффициента усиле-
ния К неограничеиы. Практически этому препятствует ограничение
коэффициента демпфирования, значение которого меняется при
изменении К, а также ухудшение соотношения енгиал/шум.
Параметры регулируемого электропривода типа ЭПТ, используе-
мого в модульном ПР типа РПМ-25, характеризуются следующими
значениями; ы0 = 84-10 Гц, £ = 0,74-0,8 (значения получены экспе-
риментальным путем из анализа осциллограмм). Используя данные
параметры, нетрудно оценить ошибку следящей системы одной из
степеней подвижности рассматриваемого ПР при работе в контурном
режиме. Так, для координаты «нижнее качание» коэффициент =
= 47с, т. е. при входном воздействии 20 мм с ошибка (при отсутствии
коррекции) будет равна 5 мм. Если отобразить на плоскости логариф-
мических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ) (рис. 2.6)
«запретную зону» (АФ) для фазочастотпои характеристики (ФЧХ),
являющуюся аналогом «запретной окружности» Л1 =- 1,3 для диа-
грамм Найквиста, то можно выявить несколько подходов к построе-
нию структуры контура управления приводом [131. Для уменьшения
ошибки в контурном режиме следует повысить общий коэффициент
32
L (ui, iS
- - -. Запретные зоны на плоскости лога-
•мплмттано-частотных карда-
. — ЛАЧХ системы с неудоалетаоритель-
м j точностью; А* — запретная область
дли ФЧХ. соответствующая А^. В^ —
пДЧ К системы с неудовлетворительной ко-
лебательностью; В^ — запретная область
для ФЧХ, соответствующая В^
hO
20
0
~zo
Глк/

"] It Ы, foi/c
усиления (BL), но при этом запретная зона (Вф) будет пересекаться
ФЧХ.
Необходимый запас по фазе можно получить при использовании
регулируемого электропривода с повышенным значением ы0. При эгом
достаточно будет только у величнть значение общего коэффициента
усиления, чтобы уменьшить величину ошибки, а фазочастотная ха-
рактеристика не будет пересекать запретную зону и без применения
специальных корректирующих устройств. Этот способ (использова-
ние широкополосного электропривода) благодаря своей универсаль-
ности получил широкое распространение. Так в ПР IR 601 60 фирмы
КУКА (KUKA. ФРГ) используется электропривод на базе электро-
двигателей с малоинерционным ротором, что позволяет получить
высокие значения максимальных скоростей (3,7 м с) и ускорений
и эффективно использовать ПР при напряженных циклограммах
(например, для автоматизации точечной сварки). На электродвига-
телях такого Типа время выхода на номинальную частоту вращения
(3000 об мин) может составлять всего 50 мс. Другим достоинством
широкополосного электропривода является также то. что благодаря
отказу от коррекции в области низких частот исключается асимптота
40 дБ дек и динамическая точность повышается за счет возрастания
добротности по ускорению. Наибольшей шнрокополосностью обла-
дают электроприводы с быстродействующими электродвигателями,
которые управляются с помощью транзисторных широтно-импульс-
ных преобразователей (ТШИП). Такие электроприводы использованы
в ПР фирм АСЕА (ASEA, Швеция). ПУМА (PUMA, США). «Мотоман»
(Motoman, Япония), ПРАГМА (PRAGMA, Италия). Этот способ
получает все большее распространение, так как полоса пропускания
современных электроприводов постоянного тока на базе ТШИП и
электроприводов переменного тока с частотно-токовым управлением
превышает 200 Гц.
Другим способом повышения точности работы приводов ПР
является использование на одном из участков ЛАЧХ низкочастотной
асимптоты, имеющей наклон 60 дБ'дек. Практическое использование
таких систем, называемых условно-устойчивыми, ограничено вслед-
ствие их чувствительности к нестабильности коэффициента усиления.
2 П р II. М Макарока	33
Однако при двухканальном исполнении регулятора положения в еле.
дящих системах ПР удается достичь компромисса между устойчи.
вестью и точностью. По этому принципу построен регулятор положе,
ния, используемый в системе управления ПР типа «Универсал",
К двухканальным можно отнести также сервосистемы ПР типа «Юнк.
мент» в сервоусилителе которых в явном виде выделен «триггер
направления».
Распространенным способом повышения точности работы приво-
дов ПР является применение классической интегральной (запазды-
вающей) коррекции. В этом случае используют корректирующее
звено с передаточной функцией [/<(14- 7,S) 1/(1 + 7,5), ТХП\ < 1
При этом благодаря свойству затухания ЛАЧХ приближаются
к первоначальному положению в топ части спектра, которая опреде
ляет значение показателя колебательности At, при одновременном
увеличении коэффициента усиления. Для конкретных ПР (например
ПР типа РПМ-25) необходимы большие значения (единицы секунд)
постоянных времени 1\ и 7,.
Аналогичные результаты можно получить введением в контур
управления электроприводом интеграла от ошибки по положению.
При этом ЛАЧХ таких систем совпадает с ЛАЧХ систем с интеграль-
ной коррекцией везде, кроме области инфраиизкнх частот. Так
выполнена сервосистема манипулятора, разработанная в Иллиной-
ском университете (США) — «Йллинойз Ханбрид Контрол систем»
(The Illinois Hybrid Control System), в которой прослеживается
тенденция перехода от одного центрального процессора к автономным
аналоговым блокам сервомеханизмов. В этой системе коэффициенты
пропорциональной и интегральной составляющих сигнала рассогла-
сования устанавливаются независимо по каждой степени свободы.
Идея автономности степеней подвижности (вплоть до установле-
ния микропроцессора на каждое сочленение) получает все большее
развитие. Изменение числа степеней подвижности в таком случае
требует лишь дублирования программ, а не значительных изменений
в них.
2.3.	Общие уравнения динамики манипуляционного
робота
Для получения уравнений, описывающих динамические свойства
исполнительного устройства (ИУ) робота, рассмотрим в качестве его
модели последовательность твердых тел, которые соединены кинема-
тическими парами пятого класса (вращательными или поступатель-
ными), представляющую собой разомкнутую кинематическую цепь.
Первое звено с помощью подвижной кинематической пары соеди-
нено с основанием манипулятора, которое будем считать неподвиж-
ным в инерциальном пространстве. Последнее А-е звено представляет
захватное устройство (захват). Звенья манипулятора пронумеруем
последовательно: i = 0, 1, 2, .... N. С каждым звеном — свою си-
стему координат Омум, а с основанием — неподвижную систему
координат OoX0y0z9.
34
В центре масс каждого звена ге1 приложена сила веса Gt, а в центре
захвата (в центре системы координат ONxxyNzN) внешние сила F
>( момент М.
Специальные системы координат. Рассмотрим метод взаимосвя-
занного представления систем координат звеньев. При этом как для
вращательной, так и для поступательной кинематической пары
введем понятие осп кинематической пары: в первом случае — это ось
поворота 1-го звена относительно t — 1-го, а во втором — прямая,
параллельная направлению перемещения i-го звена относительно
i— 1-го. С осью, связывающей i — 1-е и i-e звенья, совпадает ось
системы координат О^х^у^г^. Оси xt направим по общим
перпендикулярам к осям zt_i и zt, а оси у^ — перпендикулярно осям
2( и Xi так, чтобы образовать правые ортогональные системы коорди-
нат. Последняя система координат Охххухгк не связана с подвижным
соединением, а ориентирована по захвату: ось гх совпадает с направ-
лением ориентации захвата. Ось xN перпендикулярна оси гх и пло-
скости захвата; ось ух находится в плоскости захвата и перпендику-
лярна оси гх.
Относительное положение двух последовательных систем коор-
динат при данном способе их выбора определяют четыре параметра.
Действительно, две последовательные системы координат звеньев,
например i— 1-я и i-я, всегда могут быть совмещены с помощью
поворота, двух переносов и еще одного поворота, выполняемых над
системой координат	в следующем порядке:
поворот на угол et вокруг оси г)_1 до тех пор, пока оси xt_x и xt
не станут параллельными;
перенос на величину S/ вдоль оси zt_x до тех пор, пока оси и х(
не окажутся на одной прямой;
перенос на величину at вдоль оси xt до тех пор, пока начала отсче-
тов координат 0,_х и не совпадут;
поворот на угол а, вокруг оси xt до совмещения всех осей.
Из четырех параметров, определяющих переход от i — 1-й к f-й
системе координат 0,, St, alt аь два параметра at и а( всегда по-
стоянны и определяются конструкцией звеньев. При этом один из
параметров (6/ или S,) является переменным. Для вращательной
кинематической пары переменная величина характеризует угол
поворота «-го звена относительно i — 1-го, а линейная величина S(
постоянна. В случае поступательной кинематической пары, наоборот,
относительное перемещение звеньев S, переменно, а угол 6/ является
постоянным.
На рис. 2.7 приведен пример построения связанных систем коор-
динат для промышленного робота «Универсал-15».
Однородные координаты. Аппарат однородных координат нашел
широкое применение при исследовании динамики произвольных ме-
ханизмов манипуляционных роботов, синтезе алгоритмов управления
для роботов, обработке визуальной информации и решении многих
других задач.
Однородными координатами точки в трехмерн- м пространстве
будем называть любые четыре числа х1( xt, х3 и х4, не все одновре-
2*	35
менно равные нулю, связанные с декартовыми к< ординатами этой
точки х, у, г равенствами
х = хх/х4; у == xjx3, г = х,х4.
Однородные координаты определены не однозначно. Так, если хх,
xt, Хэ н х4 — однородные координаты некоторой точки, то числа
Ахх, Ах2, Ахэ, Ал4 (при А =/= 0) есть однородные координаты той же
точки. Для каждой точки пространства, определяемой вектором
[хуг)т, можно jказать четверку чисел, являющихся ее однородными
координатами, например х, у, г, 1.
Говорят, что любой четверке чисел хх, х2, х2, х4 соответствует
точка трехмерного пространства (может быть бесконечно удаленная
в направлении вектора [Лхх Ах, Ах» 1Т. если х4 = 0). Отметим, что
точки 11 0 0 01Т, 10 1 0 0Г, 10 0 1 0F есть бесконечно удаленные
точки осей Ох, Оу и Ог соответственно, а точка 10 0 0 1 1т — начало
координат.
Операции над векторами, задаваемыми однородными координа-
тами, осуществляются так, чтобы формулы, по которым определяются
однородные координаты результирующего вектора, не противоречили
зависимостям в декартовых координатах. Умножение вектора а =»
= (ах at а3 а4 F на скаляр 5 выполняют по формуле
Sa =* aS = lax at a3 at/S ]T.
36
Сложение и вычитание векторов и	)т и
даюшие результирующий вектор с = |<\с3с^с3 Г,
b ibibibsbi г,
производят по
формуле
+ i = 1-2-3- *=“»•
Для скалярного и векторного произведения двух векторов соот-
ветственно имеем
ab = (albl + a,b, 4- a3bt) atbt\ с — a x b;
Ci — atb, — aj>t’, ct — atbi — а^,; с» = 0,6, — at6t; ct =* atbt.
Длина вектора
|«| = (°? + at 4 Qj)l/2/|o<|.
Преобразование однородных координат. Используя однородные
координаты, можно записывать формулы для перехода от одной
системы координат к другой путем преобразований вращения и пере-
носа. Если для декартовых координат это преобразование задается
матрицей преобразования для вращения и вектором сдвига для
переноса, то для однородных координат оба эти преобразования
задаются одной матрицей.
Пусть переход от одной прямоугольной системы координат
к другой задается формулами
* = т„х' т12у’ -ф т13г' -f* Л;
у => *•!*' 4- т^' 4- тиг' 4- /,;
г = *з1*' 4- ЪгУ' 4- *зэ*' ~Ь ^з.
где lt, It — координаты начала отсчета системы координат
O'x'y'z в системе Охуг, а т(/ — элементы матрицы т, задающей
поворот.
Если через xt, х„ хэ, xt обозначены однородные координаты точки
в системе Охуг, а через xi, х’>, Хз, х« — однородные координаты этой же
точки в системе O'x'y'z’, то, принимая х4 = xi и подставляя однород-
ные координаты в последние формулы, получим
*1 = *11*1 + *12*2 4“ *13*3 4- Л*«1
*2 = *21*1 4* *22*2 4* *23*3 4“ ^2*0
*3 = *31*1 4* *32*2 4" *33*3 4~ /з*Ъ
Х4 = 0 4- о 4- о 4- *;.
Таким образом, матрица Т размером 4x4, задающая как пре-
образование вращения (поворота), так и преобразование переноса
(сдвига) для однородных координат, имеет вид
*41	*12	*13	h
*21	*22	*23	G
*31	*32	*33	4
ООО]
Т | I 
о| 1 .
= 7
37
где т — матрица размером 3x3, задающая преобразование вращеш и
для декартовых координат, а / вектор-столбец размером 3x1, задан.
щий сдвиг. Преобразования переноса и поворота в однородных
координатах определяют одним матричным преобразованием
а = Та'.
Если задать некоторую точку i-ro звена манипулятора вектором
И размером 4X1 из однородных координат в i-й связанной системе
координат, то при
переходе к i — 1-й системе получим
При этом учитываем, что матрица ton является ортогональной,
т. е. тол = тол-
Рассмотрим правила дифференцирования введенных матриц.
Если кинематическая пара, соединяющая i—1-е и i-e звенья
манипулятора, является вращательной, то ©( qt = var, St —
== const, поэтому, дифференцируя матрицу Tt по времени, получим
Г — sin 0( — cos 0, cos a, cos 0, sin at
! cos0( —sln©(cosa( sin 0, sin a,
ООО

— a, sin "j
ofcos©(
О
\<h-
где
Т,=	 cos©1 Sin ©i 0	— sin ©, cos a( cos©,cos q sin a.	sin ©i sin a, — cos©, sin a, COST,	a, cos 0( a, sin 0, s.
	0	0	0	I
От систем координат, отдельных звеньев можно перейти к системе
координат, связанной со стойкой манипулятора, следующим образом:
НЛП
где
Матрица Г, есть матрица размером 4X4 преобразования координат
при переходе от системы координат, связанной с i-м звеном, к инер-
циальной системе координат. В левом верхнем углу этой матрицы
расположена матрица размером 3X3 поворота при переходе от i-й
системы координат, а в правом верхнем углу вектор Ц размером Зх 1,
задающий положение начала координат i-й системы в инерциальной
системе.
Если N-я связанная система координат имеет начало в средней
точке захвата, то матрица

Тол ! /л
О I 1 J
задает поворот при переходе от системы координат захвата к инер-
циальной системе, который определяется матрицей твлг, и сдвиг,
происходящий при этом переходе, определяемый вектором In-
Нетрудно проверить, что обратная матрица через подматрицы
может быть выражена следующим образом:
Г I — t'l’ 'I
Гл/
О I
О	О	О J О J
Нетрудно убедиться, что дифференцирование соответствует умноже-
нию матрицы Tt иа матрицу
Г
О '
О
О
О .
0
О
О
О
— 1
О
О
О
О
1
О
О
Аналогично нетрудно проверить, что для i— _
тической пары, т. е. при = const, S, — qt = var, имеем
©в =
т. е.
где

- О
О
О
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
1
о
поступательной кинема-
Ниже мы будем
что кинематическая
пятого класса.
Найдем выражение для
где
записывать матрицу 6 без индекса, подразумевая,
пара является вращательной или поступательной
производной матрицы Г(:
<
dq.
1=1,2......N.
Таким образом, скорость точки i-ro звена, задаваемой вектором г1,
/-1
39
38
Для точки On, принадлежащей захвату (r5Jv — (000 1 Г), скорость
N
Ton ~i'NroN *= 2j tAv; (0 0 0 1|т<7/.	(2.1)
/-1
Вычисление кинетической энергии механизма. Уравнения, опи-
сывающие динамику манипулятора, получим в форме Лагранжа вто-
рого рода. Для этого необходимо вычислить кинетическую энергию
механизма.
Если скорость какой-либо материальной точки с массой /и,
определяется координатами xv, yv, i„, то ее кинетическая энергия
= (2.2)
где символ Тг {Л} означает след матрицы А, равный сумме ее диаго-
нальных элементов;
Тг (Л) = £ ан.	(2.3)
Пусть v-я точка »-го звена манипулятора, задаваемая вектором rv,
имеет массу /nv, а ее скорость определяется выражением (2.1), т. е.
rv= £ Uijr^qj.	(2.4)
/»!
Подставляя соотношение (2 4) в выражение (2.2), получим
i i
КIV — ~ I | iirvnlvrvOXl)t}
/-i »-1
Полную кинетическую энергию г-го звена определим суммированием
кинетических энергий всех его точек:
к, -	- 4- 2 STr м..
V	V /_1
Введем матрицу Ht, характеризующую инерциальные свойства Г-го
звена исполнительного механизма,
=	V	V	V V	V	V V	v	v	У? niy/Xy, V J] V
	J] - v	V	v	
40
ГДв iхх e	/>z = JjWIaA, IXu « 1yX—
v	V	v	v
/'z «= /« — S ^vAA» /£» = Ггу = У, msy^Zy — моменты инерции от-
V	v
иосительно координатных плоскостей и центробежные моменты инер-
ции /-го звена;
Sj-= U S[ «= У т^Ху.’, S'= £ ЩуУу, — статические моменты
ПГ V	V	V
этого звена, a mt — его масса.
Таким образом, кинетическая энергия /-го звена
К, = 4 Tr I X ицН,иг{11) М*.
z I/ |*«/	1
Полная кинетическая энергия механизма
N	Nil
K=^K/=4'SSS7’r Mv (2 5)
/—I	r=i /-I *=i
Потенциальная энергия механизма в поле сил тяготения выража-
ется следующим соотношением:
N
Л»-£т/Ц,	(2.6)
где gT — IgxgvgxOV—вектор ускорения силы тяжести; г^ =•
-= [xClytztl 1]т — вектор, составленный из координат центра масо
/-го звена, заданный в проекциях на осн i-й связанной системы коор-
динат; пц — масса /-го звена.
Обобщенные силы и моменты. Рассмотрим выражения для рас-
чета обобщенных сил, действующих в соединениях звеньев исполни-
тельного механизма, эквивалентных силе F.v и моменту Af.v, прило-
женным к захвату манипулятора, а также моментам, развиваемым
приводами.
Если предположить, что перемещения в кинематических парах
отсутствуют, то силу Fn, приложенную к /V-му звену в точке On,
можно заменить силой Е*"1, приложенной к N — 1-му звену в точке
Qv-l!
Г*Л/ —| гтч r-N
tN = / Л'Г/V
и моментом
ЙЛ1-1	w rN-l
A1.V =PN-l. nX-Гн ,
приложенным к N—1-му звену. Учитывая же действие момента
AfJv, получим
М%~1 - TnMn + Л$“* = TnMn + pw_1( n х F%~'.
Заметим, что p.v_i,,v есть последний столбец матрицы TN, поэтому
можно записать
PN-1, N =
41
Аналогично для N — 2, N — I......I звеньев получим
Fn~1 = tkf%; м%-' = tnm% + Tk‘v‘ xF.v-‘;
f£-2=tn_tF^-1; mnn~2 = TW-,.MJ5-* + П-’i X rtr2;
Ffr' = T, f‘n ; AfJr* = t,mlN + rf v’ x Fir*;	(2.7)
Fk = t2f2n; мк = t2m2n + тГ ’ x f!v;
/^ = ТЛ; AlX = T1M)v4-r“v’xFX.
Проекции силы F/71 и момента M»1 на оси Xi-i и y,-i есть силы
реакции соединении i — 1-го и z-го звеньев, а проекция момента
Af/7* на ось Z/_i — составляющая обобщенной силы Qi, действующей
в i-й вращательной кинематической паре. Проекция силы Fk* на
ось zul есть составляющая обобщенной силы Qt, действующая в t-й
поступательной кинематической паре.
Для того чтобы найти проекции силы и момента иа ось zu, доста-
точно скалярно умножить их на единичный вектор оси г{_2, равный
e’-i = 10 0 1 11, т. е. для вращательной кинематической пары
Qi = eJ—iAlk *.
Для поступательной кинематической пары
Работа составляющей обобщенной силы от действия момента,
развиваемого двигателем i-го привода, равна где — усилие,
развиваемое соответствующим приводом и приведенное к оси шар-
нира.
Отсюда составляющая обобщенной силы от воздействия привода
Qi = Ц(.
Окончательно получим выражение для обобщенной силы, действую-
щей в Z-м шарнире вращательной кинематической пары:
Qi =	1 “Ь Hi	(2-8)
и поступательной кинематической пары
Q, = g-iF'aT1 4- р,.	(2.9)
Здесь Л1^1 и F/J1 вычисляют последовательно для I — N, N — 1, ...,
1 по формулам (2.7).
Вывод уравнения динамики движения механизма. Для вывода
воспользуемся уравнением Лагранжа второго рода
-a-(w	<2-'О»
где L — К — П — функция Лагранжа.
Вычислим частные производные и . Из равенств
42
ln „	. л,), имеем
(2.5). (2-6). учитывая, что Ни - и ..
dL = V V Tr {U..HJJ.,} 9/ =	’
dL * _ ал. = у уУтг^/.хН^ММ»-
*7 - a?i *'	73 * '
N
где	d»ri
Тм*»Л • • • 7'|-1ет‘ • •  т‘
cl. I-..............П ,
N J <
X
dt
(2.11)
кинематической цепью.	w i <	,,, и1г\Лл,-
N
^Q„
В зависимости от типа кинематической пары значение обобщенной
силы Qt определим по формуле (2.8) или (2.9).
Значения коэффициентов дифференциального уравнения (2.12)
для каждого положения исполнительного механизма можно вычис-
лить на ЭВМ, если ввести в нее число звеньев манипулятора N,
постоянные значения матриц инерциальных свойств Hlt значения
постоянных параметров матриц перехода at, at и (или 0,). типы
кинематических пар для соседних звеньев (вращательные или посту-
пательные) и величины обобщенных координат q( (i — 1, 2...N).
2.4. Примеры математического описания динамики
конкретных промышленных роботов
Полезность информации, полученной при исследовании дина-
мики ПР из анализа математических моделей, существенно зависит
от адекватности последних конкретным техническим реализациям.
В то же время учет всех факторов может резко усложнить задачу
проектирования. В инженерной практике представляется допусти-
мым использование нескольких математических моделей для изу-
чения поведения одной и той же следящей системы ПР в разных
режимах (например, разгон и позиционирование) с учетом наибо-
лее существенных для данного режима факторов. Линеаризованные
математические модели электрических и электрогидравлических
следящих систем ПР типа «Универсал» приведены в работе (45].
Эти модели удобны для анализа устойчивости и определения предель-
ных возможностей, так как учитывают все существенные постоян-
ные времени. Кроме того, там же дано обоснование выбора функ-
циональной зависимости вход-выход двухканальных корректирую-
щих устройств. Ниже будут приведены примеры структурных схем
отдельных исполнительных органов ПР с учетом их кинематиче-
ских особенностей и математического описания взаимовлияния сте-
пеней подвижности ПР и инженерный метод его оценки.
При отладке регулируемого электропривода механизма поворота
платформы ПР «Универсал 5.03» желательно провести предвари-
тельный анализ структурной схемы, приведенной на рис. 2.8, кото-
рая учитывает возможный люфт в цепи тахогенератора и ограничение
характеристики усилителя мощности. Анализ показывает, что при
Рис. 2,8. Структурная схема скоростного коитурк следящей системы механизма поворота
платформы
44
Рис. t.P. Структурная схема следящей системы механизма поворота руки
общем коэффициенте усиления линейной части системы Д'., =* 6950 1 /о
в контуре могут возникнуть автоколебания с частотой ы0 х 40 1 с.
Это необходимо иметь в виду при настройке, поскольку реальное
значение Кл -= КрКпКаиКтг 4" = 6100 1 с (при значениях пара*
метров нелинейных элементов, показанных на рис. 2.8).
Следящую систему механизма поворота руки удобнее проанали-
зировать на другой структурной схеме (рис. 2.9), учитывающей воз-
можную податливость руки и угловую ошибку в измерительной
цепи датчика положения. Для рассматриваемого случая имеем
= Х'^уд» = ^уд>
где х — коэффициент потерь на упругую деформацию; Луд — подат-
ливость (определяет величину угла скручивания от прилагаемого
момента 7„). Значения bi и Ьг лучше определять экспериментальным
путем, измеряя величину амплитуды упругих колебаний if время
демпфирования, поскольку демпфирование в сочленениях, анало-
гичное вязкому трению, трудно поддается аналитическому описа-
нию. Кроме того, эти параметры можно задавать в качестве техни-
ческих требований к манипулятору. Некоторые фирмы-изготови-
тели ПР указывают время демпфирования колебаний в паспортных
данных. Так, ПР типа «Унит Ротатнв тип 418» (Unite rotati\e type
418, Франция) имеет время демпфирования упругих автоколебаний
при позиционировании 185 мс.
Таким образом, подбирая для каждой степени подвижности адек-
ватную математическую модель, можно методами теории автомати-
ческого регулирования получить предварительную информацию,
необходимую для настройки ПР.
Выше указывалось, что отличительной особенностью ПР является
взаимосвязь между степенями подвижности, которая может иметь
разный характер в зависимости от конкретного исполнения ПР.
В некоторых модификациях ПР аналоговые приводы отдельных сте-
пеней подвижности обслуживаются в мультиплексном режиме от
цифровой системы программного управления. В следящих системах
таких ПР необходимо исключать возможность электрического взаимо-
влияния сепаратных приводов через общий цифроаналоговый пре-
образователь. Механическое взаимовлияние, проявляющееся в вы-
ходе из точек позиционирования (в позиционных ПР) сепаратных
45
пригодов во время отработки рассогласования другими приводами,
имеет место в ПР. у которых отсутствует надежная фиксация рабо
чих opiaHOB в точках позиционирования.
Основные методы обеспечения надежной фиксации рассмотрены
в работе [161. Здесь же отметим, что при фиксации в точке позицио-
нирования исполнительного органа ПР за счет следящего режима
привода, к последнему следует предъявлять требование повышенной
динамической жесткости. Смысл этого параметра состоит том, что
регламентируется величина изменения установившейся скорости
под влиянием определенного возмущающего воздействия, а также
время восстановления первоначальной заданной скорости. Может
быть регламентирован также угол поворота вала исполнительного
двигателя следящей системы при его выходе из равновесного поло-
жения (точки позиционирования) под влиянием определенного воз-
мущающего воздействия.
Характерным является также взаимовлияние между координа-
тами, состоящее в вариации параметров дифференциального урав-
нения. описывающего сепаратный привод, и приводящее к неста-
бильности показателей качества переходных процессов. Анализ
математических моделей позволяет выявить рациональные методы
компенсации взаимовлияния этого типа. т. е. компромисса между
противоречивыми требованиями эффективности и простоты реали-
зации.
При разделении задачи управления роботом на задачу предва-
рительного планирования траектории и задачу исполнения неизмен-
ность динамических характеристик ПР при различных конфигу-
рациях манипулятора можно обеспечить за счет компенсации изме-
нений действующих моментов от сил инерции и тяжести каждого
звена. Благодаря тому, что в таких системах траектория движения
захвата планируется заранее, появляется возможность прогнози-
рования положения, скорости и ускорения всех координат манипу-
лятора [39]. Эту информацию используют в программе управления
приводами, причем выходной величиной привода является момент,
который необходимо развить исполнительному двигателю для обес-
печения запланированного движения. К недостаткам такого метода
можно отнести необходимость достаточно мощной ЭВМ. Кроме того,
с целью компактности программ привод часто максимально упро-
щают и представляют звеном с приближенной передаточной функ-
цией, что не всегда может быть сделано с достаточной точностью
в промышленных роботах.
Альтернативой рассмотренному методу может быть построение
многокоординатного привода, в котором эффект миграции корней
характеристического уравнения каждого сепаратного привода авто-
матически компенсируется. При этом ЭВМ, входящая в состав си-
стемы управления роботом, не загружается вычислениями действую-
щих моментов в сочленениях. Проводя аналогию с человеком, можно
отметить, что прежде чем совершить какое-то действие (например,
необходимо взять стакан с водой), в коре больших полушарий фор-
мируется определенная функциональная структура, называемая
46
акцептором действия (по П. К. Анохину), отражающая план совер-
шения этого действия (планирование траектории).
Корректирование двигательных актов, заключающееся в уточ-
нении силы и скорости сокращения или расслабления каждой мышцы
в каждый момент выполнения движения или поддержания равно-
весия, выполняется с помощью мозжечка (автоматическая стабили-
зация динамических характеристик).
Можно показать, что синтез структуры управления подобным
многосвязным объектом (при условии линейной гипотезы) приводит
к необходимости введения дополнительных связей по функциям чув-
ствительности. При этом необходимо вычислять функции чувстви-
тельности по всем существенно варьируемым параметрам. Кроме
вычисления полулогарифмических функций чувствительности данная
структура предполагает согласование сигналов функций чувстви-
тельности с задающими воздействиями с помощью рациональной
настройки коэффициентов корректирующих звеньев Очевидно, си-
стема управления подобного типа при наличии нескольких коорди-
нат оказывается весьма сложной в технической реализации.
Но может быть предложена иная методика синтеза замкнутых
по выходу систем управления с минимальной чувствительностью
полюсов к изменению параметров, сущность которой состоит в сле-
дующем. Известны п желаемых полюсов системы, расположенных
на комплексной плоскости таким образом, что
Jm (X?) = 0, 1 = 1 .... А;
Jin (Xf) >0, i =	1.../;
Jm(Xf)<0, » = /+!.......л,
где Jm — мнимая часть комплексного числа.
Вводим целевую функцию Js, характеризующую величину откло-
нения полюсов X/ действительной системы от их желаемого распо-
ложения X?, которая определяется выражением
где С[ — произвольные весовые коэффициенты; р — изменяемый
параметр.
Далее находим передаточную матрицу звена обратной связи,
минимизирующую целевую функцию. Однако условие необходи-
мости «закрепления! всех л полюсов системы в местах расположения
желаемых полюсов является избыточным и, следовательно, вызы-
вает неоправданное усложнение аппаратных средств, реализующих
данное условие. Действительно, реальные следящие системы ПР
могут быть приближенно описаны уравнением не выше 3-го порядка,
так как переходные процессы в основном определяются конфигу-
рацией доминирующих полюсов St и S3 на комплексной плос-
кости (рис. 2.10). Взаимосвязь между качеством переходного про-
47
74
Рис. i.IO. Корневые годографы системы для двух граничных значений момента инерция:
X — полюс передаточной функции разомкнутой системы: 0 — нуль передаточной функ-
ции разомкнутой системы; V. ▼ — полюсы передаточной функции замкнутой системы
цесса и распределением нулей н полюсов подробно рассмотрена
в работе 1571. Так, модуль радиус-вектора полюса Si (S2) па рис. 2.10
определяет угловую частоту <о„ незатухающих колебаний. Собствен-
ная угловая частота затухающих колебаний определяется вы-
ражением
о, = <»я cos 0.
Перерегулирование (в %) зависит от значения sin 0, называемого
относительным коэффициентом демпфирования, и расстояния од
ближайшего действительного полюса от начала координат. Дли-
тельность переходного процесса 10 в основном определяется зату-
ханием ближайших к мнимой оси полюсов, если они не компенси-
рованы близкими к ним нулями. Учитывая сказанное, задачу син-
теза малочувствительной к изменению параметров следящей системы
ПР, работающего в позиционном режиме, можно свести к требованию
ограничения области миграции доминирующих полюсов на комп-
лексной плоскости. При этом задаются значениями допустимых радиу-
сов миграции 7?!, Rt и R3 таким образом, чтобы сохранить с заданной
точностью постоянными величины sin 0 и од.
Ниже будет показано, что данное ограничение является более
жестким, чем требование сохранения постоянными с определенной
точностью показателей качества переходного процесса £ и t0.
В конкретных следящих электроприводах ПР доминирующие
полюсы обусловлены:
механической инерционностью двигателя и нагрузки;
электромагнитной инерционностью двигателя и силовой цепи
статического преобразователя;
43
инерционностью устройств управления статического преобра-
зователя.
Динамика внутреннего скоростного контура следящей системы
Г1Р в данном случае отражается структурной схемой, показанной на
рис. 2.11- При этом наибольшим вариациям подвержена постоянная
времени разгона Тр, связанная с механической постоянной вре-
мени Ты:
(2.13)
TM = TP/(K/Dg),	(2.145
где No — частота вращения холостого хода: Ki — коэффициент
усиления инерционного звена, отражающего динамику якорной цепи
электродвигателя постоянного тока; Фо — относительная величина
потока возбуждения. Изменения остальных параметров системы
не оказывают существенного влияния на качество переходных про-
цессов, и ими можно пренебречь.
На рис. 2.10 показаны корневые годографы этой системы, причем,
для большей наглядности совмещены на одном чертеже ветви доми-
нирующих полюсов при двух граничных значениях момента инерции.
Траектории доминирующих полюсов при моменте инерции Jmln
показаны штриховой кривой. Увеличение момента инерции в 3 раза
приводит к смещению вправо ветвей доминирующих полюсов (по-
казаны сплошной кривой). Если задаться требованием сохранить
sin ₽ = 0,7, то это легко осуществить, понизив общий коэффициент
усиления на 10 “о (доминирующие полюсы для этого случая пока-
заны темными треугольниками Si, Si, Si). При этом, изменением
одного параметра удается сохранить почти неизменными показатели
переходного процесса £ и t0. Меняя второй параметр системы т
(компенсация нулем W полюса РТ11) можно добиться более полной
идентичности. При этом характер переходных процессов для двух
граничных случаев значения момента инерции будет примерно
одинаков с точностью, ограниченной величиной допустимых радиусов
миграции доминирующих полюсов Rt, R2, R3. Результатом анализа
математических моделей следяющих систем отдельных степеней
подвижности ПР должны быть технические требования, сформулиро-
Pic. 2.11. Структурная схема скоростною контура сепаратного привода
пи-регулятор
49

ванные раздельно для манипулятора, преобразователя привода (усн
лителя мощности) и тех блоков устройства управления, которые
входят в контур следящей системы. В этом случае манипулятор
преобразователь привода и устройство управления, которые часто I
конструктивно разделены, могут быть разработаны и испытаны от
дельно, а заданные показатели назначения ПР будут гарантироваин
выполнены при выполнении технических требований к составным
частям ПР.
В ПР «Универсал 5.03> в качестве устройства управления исполь-
зована система УПМ-772.
Для манипулятора и преобразователя привода технические
требования могут быть сформулированы следующим образом:
Пределы изменения внешнего, приведенного к валу
электродвигателя, момента инерции ................. (0,2 + 2,0) 7ДВ;
пределы изменения статического момента нагрузки
в режиме установившейся скорости...................AfCT = (0,1+0,5) Л1НОМ;
зона нечувствительности силовой кинематической цепи, приведенной к валу
электродвигателя, должна быть
для координат поворота платформы, подъема-опускания, вы-
движения руки,®............................................... Не	более 2;
для координаты поворота руки,®............................ Не	более 4,
вал электродвигателя должен быть связан с валом тахогенера-
тора посредством жесткой безлюфтовой передачи с коэффициентом
редукции.................................................... /= 1
датчики положения должны быть использованы на полный рабочий угол фр
по всем координатам манипулятора (в целях исключения неоднозначности показа-
ний датчиков допускается нх использовать до 0,90фР);
датчик положения должен контролировать угол поворота электродвигателя
прн связи их валов измерительной бехтюфтовой передачей;
конструктивное исполнение измерительной передачи должно
обеспечивать собственную частоту, определяемую податливо-
стью ее кинематических цепей, Гц............................Не ниже 120;
В случае использования в механических передачах отдельных статически не-
уравновешенных координат манипулятора несамотормозящихся передач в конструк-
ции соответствующих ухтов должно быть предусмотрено размещение хтектромагннт-
ного тормозного устройства (электротормоза),
хтектротормоз должен фиксировать положение вхта механической передачи прн
снятии хтектропнтапня и освобождать вал прн его включении;
фиксация вхта электротормозом должна осуществляться в ручном режиме
обучения в точках позиционирования рабочих органов манипуляторов, в аварийном
режиме и в автоматическом режиме прн времени остановки в точке позиционирова-
ния, превышающем заранее заданную величину;
в манипуляторе должны быть использованы электродвигатели двух типоразме-
ров со следующими параметрами:
I) Миом» Н-м...................................................   0,5
Р,юм. кВт....................................................0 17
2) Л1ном. Н м ...	..................................... 3,0
Р„оМ кВт ......................................................10;
хтектропрнвод должен быть рассчитан для работы в повторно-кратковременном
режиме в соответствии с требованиями технических условий на применяемые хтек-
тро двигатели
В режиме регулирования частоты вращения электропривод должен обеспечи-
вать следующие характеристики:
работу во всех 4-х квадрантах механической характеристики прн изменении
напряжения управления в пределах, В....................................±10
минимальную частоту вращения вала электродвигателя л mjn, об/мин . . .1,0
ЪО
изменение mjctoth вращения электроюнгателя при изменении направления
^ашлпия. об мин ...	....	.............. .Не более 0.1
при установленной частоте вращения Ппмп । °б мин и изменении температуры
—«ух ающей срезы в дн. п. зоне от 20 ло 45 °C;
1 отклонение мгновенной частоты вращения при изменении внешнего момента
№,ii,n нагрузки в диапазоне (0.14-1.0) /дв нс должно превышать от установлеи-
JJj частоты вращения Гу при 0.5/дв,
в диапазоне 1—10 об мин............................................ ±10
в диапазоне 10 — п,|.,м об мин .................................... ±0,5
отклонение установившейся частоты вращения при изменении дестабилизиру-
ющих факторов |варьировании момента нагрузки в диапазоне (0,1-j-1.0) Afu. изме-
нении напряжения питающей сети в диапазоне (0Н5ч-1.1)(7С. колебаниях темпе-
оатуры окружающей среды от 20 до 45 СI должно соответствовать рекоменда-
циям СЭВ PC 3745—73;
коэффициент неравномерности частоты вращения электродвигателя должен
быть нс более
при п = 100 об мин..................................... 0,1
при л = 10 об мни .............................0.2
при л = I об мни............................... 0.3
полоса пропускания электропривода с обратной связью по скорости должна
быть не менее 12 Гц при амплитуде входного сигнала 0,1 В н внешнем моменте
инерции J = 0.25/д;
при частоте вращения л =* 1 об мин, моменте нагрузки Л4СТ = 0,2Л1,юм. внеш-
нем моменте инерцин J — электропривод должен обеспечивать останов вала
после снятия управляющего напряжения за 0,5' угла поворота вала электродвн-
гател я;
линейность статической характеристики электропривода «входное напряжение
управления — частота вращения электродвигателя, в режиме регулируемого элек-
тропривода, %................................................ не хуже 5,
преобразователь электропривода должен иметь входы для обеспечения состояния
«покоя» по каждой координате;
при поступлении команды Покой, от устройства управления должен быть
реализован следу ющип алгоритм: «отключение силовой части преобразователя —
включение индикации состояния покоя , отключение силовой части преобразователя
не должно приводить к «подергиванию» вала электродвигателя;
при посту плепин команды Изменение структуры от устройства управления
должен быть реализован алгоритм: «размыкание обратной связи по положению —
увеличение глубины обратной связи по скорости — уменьшение постоянной времени
регулятора скорости — включение индикации состояния покоя».
Глава СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Структурно-алгоритмическое построение систем управ-
ления ПР и технологическим оборудованием определяется прежде
всего задачами автоматизации конкретных видов производств, кото-
рые описываются технологической программой управления робото-
техническим комплексом оборудования с различными иерархическими
уровнями. При этом организация технологической <среды» в отно-
шении ее определенности (детерминированности) и сложности обус-
ловливает использование на низшем уровне управления специали-
зированных, так называемых жестких средств управления с аппа-
ратной реализацией алгоритма, а на высшем — универсальных,
в том числе адаптивных средств со свободно программируемым алго-
ритмом управления.
Развитие микропроцессорной техники, унификация объектов
управления, расширяющаяся сфера применения ПР н т. д. создали
благоприятные предпосылки для реализации принципов блочно-
модульного построения систем управления ПР, позволяющих без
особых затрат создавать разнообразные модификации систем для
решения конкретных задач автоматизации.
Повышение информационно-вычислительных возможностей си-
стем управления, особенно универсального типа и группового управ-
ления, приводит к использованию мультипроцессорных многоуров-
невых структур управления. Однако по-прежнему актуально соз-
дание простых автономных специализированных систем управления
циклового и позиционного типов.
Ниже с учетом развития принципов структурно-алгоритмиче-
ского построения систем управления ПР будут рассмотрены неко-
торые обобщенные структуры систем управления и примеры реали-
зации таких структур для основных классификационных групп
в подклассах локального (пп. 3.1—3.3) и группового (п. 3.4) управ-
ления, отражающих качественное различие иерархических уровней
управления робототехническими комплексами.
3.1. Цикловые системы
Характерной особенностью цикловых систем управления является
программирование исключительно логической и технологической
информации дискретного вида, определяющей последовательность
62
Рис. 1.1. Функциональна* схема системы цнклового управлении, построенной на влементах
струйной техники
движения звеньев манипулятора, длительность позиционирования
и т. д. Информация о величинах перемещений, как правило, зада-
ется при помощи регулируемых упоров или датчиков положения,
подающих сигнал в систему управления о достижении исполнитель-
ным органом заданного перемещения. В настоящее время большин-
ство цикловых систем управления ПР строитсь с использованием
электронной элементной базы. Однако для ряда конкоетных спе-
циальных применений ПР в условиях пожаро- и взрывоопасности,
при высоких или низких температурах, значительных уровнях элек-
тромагнитных полей или радиации, а также при воздействии доста-
точно сильных вибрационных н ударных нагрузок предпочтительнее
использование для построения систем управления, например, эле-
ментов струйной техники.
Принцип действия струйных элементов основан на использова-
нии различных аэродинамических эффектов, возникающих при
взаимодействии струй друг с другом или со стенками элементов
Проектирование дискретных пневматических систем пршраммного
управления не отличается существенно от построения аналогичных
систем, выполненных на других логических элементах.
В качестве примера рассмотрим функциональную схему цикловой
системы управления, построенную на элементах струйной техники
(рис. 3.1) и имеющую следующие основные устройства: задания и
ввода программы, переработки информации с программоносителя,
контроля отработки программы (входные устройства), а также вы-
ходные и исполнительные устройства.
В устройстве задания программы Зду содержится информация
о цикле, нанесенная на программоноситель. Программоноситель
может быть выполнен в виде перфокарт, перфолент, штекерной па-
нели или наборного поля. Устройство поэтапного ввода программы,
в котором осуществляется сдвиг тактовых импульсов, поступающих
53
с блока формирования тактовых импульсов, может иметь различное
конструктивное исполнение, вызванное применением
исключительно струйных логических элементов;
струйно-механического или пневмомеханического обегающего уст-
ройства (шаговый искатель);
струйно-мембраниого командозадающего устройства.
В зависимости от способа управления (по положению или по
времени) тактовые импульсы могут формироваться с помощью путе-
вых выключателей и других датчиков, контролирующих выполнение
предыдущей операции с помощью реле времени через определенные
программируемые временные интервалы.
Из устройства поэтапного ввода программы тактовые импульсы
поступают в блок задания программы и далее в соответствии с ал-
горитмом управления — в блок логики или непосредственно на
исполнительные элементы. В устройстве переработки информации
вырабатываются команды в соответствии с сигналами, поступающими
из блока задания программы и входных устройств.
Отечественный и зарубежный опыт разработки и эксплуатации
систем на элементах струйной техники подтверждает эффективность
их использования в различных производствах (19, 20, 69).
Рассмотренное выше устройство является одной из разновидно-
стей специализированных систем циклового управления с ограни-
ченными функциональным составом и возможностями уп-
равления.
Не останавливаясь более на других специализированных устрой-
ствах, построенных, например, с использованием релейно-контак-
торной аппаратуры, многофункциональных элементов памяти (8J
и т. д., рассмотрим обобщенный функциональный состав оборудо-
вания электронного устройства циклового программного управления
с «жестким» аппаратно-реализуемым алгоритмом. В состав такого
устройства могут входить блок управления, программоноситель,
блоки сопряжения с манипулятором и технологическим оборудо-
ванием, панель управления, пульт ручного управления (обучения)
манипулятором.
Блок управления строят обычно на основе микропрограммного
управляющего автомата, работающего по жесткому циклу; он со-
держит дополнительно ряд операционных узлов, обеспечивающих
адресацию программоносителя, текущее фиксирование и дешифра-
цию управляющей информации, опрос состояния органов управле-
ния устройства и т. д.
В качестве программоносителя могут быть использованы элек-
тромеханические информационные носители — штекерные и комму-
тационные поля, диодные перепрограммируемые матрицы, перфо-
карты и т. п.
В современных устройствах программоноситель выполняют иа
основе БИС полупостоянных запоминающих устройств с электри-
ческой перезаписью информации, что позволяет существенно уве-
личить объем памяти, надежность программоносителя и уменьшить
его габаритные размеры.
54
Блок сопряжения с манипулятором в соответствии с полученным
лз блока управления сигналом формирует команды управления при-
водом манипулятора, производит опрос состояния датчиков, инфор-
мирующих об исполнении выданных на манипулятор команд, и
вырабатывает для блока управления сигнал об отработке управляю-
щей информации.
Выдача команд управления приводом осуществляется через
выходные усилители, как правило, в виде напряжений переменного
или постоянного тока в зависимости от типа управляемого привода.
Блок сопряжения с технологическим оборудованием выполняет
функции обмена дискретной информацией устройства с обслуживае-
мым оборудованием. Длительность выдаваемой команды опреде-
ляется обычно моментом получения подтверждения ее выполнения.
Панель управления устройства содержит в общем случае кнопки
включения-выключения питания, органы задания режимов работы,
пуска и останова программы, элементы сигнализации и индикации
состояния работы устройств, номеров программы и отдельных ее
кадров и т. д.
Функционально пульт ручного управления (обучения) служит
главным образом для формирования с помощью органов управления
сигналов ручного перемещения звеньев манипулятора, управления
захватами и т. д. Основными режимами работы устройства являются
обучение, ручное управление, автоматическая работа. При обуче-
нии осуществляется программирование перемещений звеньев мани-
пулятора, выдача команд управления технологическим оборудова-
нием и другой управляющей информации.
Особенность процесса обучения устройства циклового управле-
ния — положение точек позиционирования захвата манипулятора
определяется «настройкойэ (ручной установкой) упоров, по которым
происходит позиционирование звеньев. В программоноситель зано-
сится информация о последовательности, порядке смены положений
звеньев манипулятора, что позволяет в таких устройствах исполь-
зовать программоноситель с малой информационной емкостью.
Управляющая информация программируется по кадрам, состав
которых в общем случае определяется командами, выдаваемыми иа
привод манипулятора и технологическое оборудование, с указанием
очередности их исполнения, а также условиями ветвления про-
граммы н т. д.
В автоматическом режиме работы заранее подготовленная в про-
цессе обучения программа из программоносителя по кадрам счи-
тывается в блок управления, где заложенная в ней управляющая
информация обрабатывается и выдается в блоки сопряжения с мани-
пулятором и технологическим оборудованием для непосредственного
воздействия на управляемый н обслуживаемый объекты.
Рассмотрим более подробно принципы структурно-алгоритми-
ческой организации специализированных устройств циклового управ-
ления на примере структурной схемы устройства ЭЦПУ-6030
(рис. 3.2), отображающей его функциональный состав и основные
связи между узлами.
55
Обмен информацией с ТО
Обмен информацией сн
Рнс. 3.3. Структурная схема устройства ЭЦПУ-еОМ
Простота реализуемых функций, связанная с управлением мани-
пулятором с двухпозиционными звеньями, малым объемом управ-
ляющей программы и т. д. обусловила:
построение блока управления без применения микропрограмм-
ного автомата, в виде специализированной схемы управления;
выбор в качестве программоносителя наборного поля из декад-
ных переключателей типа «Контравео;
упрощенную реализацию основных функциональных узлов и
блоков.
В состав блока управления входят:
схема пуска-останова 2, осуществляющая запуск и останов
устройства;
счетчик кадров 3 со схемой помехозащиты 4, обеспечивающие
помехоустойчивою выборку и последовательность выполнения кад-
ров программы;
дешифратор выборки кадров 1 из программоносителя;
схема формирования сигнала отработки кадра 5, получаемого
на основе сигналов исполнения отдельных команд, вырабатываемых
в блоках сопряжения с манипулятором и технологическим обору-
дованием.
Для расширения функциональных возможностей устройства
блок управления снабжен узлом формирования выдержки времени
программы 6 и схемой пропуска и перехода 7, обеспечивающими
Б6
соответственно задание временных выдержек управляющих сиг-
налов н реализацию простейших операций ветвления программы.
Программоноситель содержит два наборных поля, состоящих
из 30 декадных переключателей в каждом. Управляющую программу
по кадрам формируют путем набора определенных комбинаций по-
ложений переключателей. Организация программоносителя и си-
стема команд позволяют обеспечить программирование одновремен-
ного исполнения до двух команд управления звеньями манипулятора,
а также — технологических команд, опросов датчиков, выдержки
времени, логических команд (безусловный переход, пропуск по
условию) и т. д.
Блок сопряжения с манипулятором содержит:
выходной регистр 13 с выходными усилителями сигналов 14, вы-
даваемых непосредственно на привод манипулятора;
схему опроса датчиков манипулятора 12, которая при срабаты-
вании соответствующего датчика формирует сигнал отработки ис-
полняемой команды для блока управления;
формирователь выдержки времени отработки команды 11, выда-
ваемой на манипулятор.
Организация блока сопряжения с технологическим оборудова-
нием не отличается принципиально от описанного выше блока и
функционально содержит узлы выходных усилителей технологиче-
ских команд 10, формирователя временных выдержек технологичес-
ких команд 8 и схему опроса датчиков технологических команд 9.
С помощью пульта управления осуществляют выбор режима
работы устройства, ручное управление звеньями манипулятора,
пуск и останов программы, индикацию состояния звеньев манипу-
лятора, номера кадра (шага) программы и т. д.
В автоматическом режиме работы по сигналам от счетчика кад-
ров 3 осуществляется выбор очередного кадра программы из про-
граммоносителя. При этом управляющие команды, выдаваемые на
манипулятор, запоминаются на триггерах узла 13 и хранятся до
поступления новых команд, а команды на технологическое обору-
дование поступают непосредственно па обслуживаемый объект и
«присутствуют» на выходе устройства только в течение времени их
исполнения, т. е. до момента поступления сигналов отработки с дат-
чиков технологического оборудования или от формироватедя вре-
менных выдержек технологических команд.
По получении всех сигналов исполнения данного кадра программы
узел 5 формирует результирующий сигнал, который, поступая через
схему помехозащиты 4 на счетчик кадров, переводит последний в но-
вое состояние, соответствующее очередному кадру программы.
В процессе исполнения команды «Пропуск по условию» узлы 7
и 5 осуществляют запуск схемы 4, формирующей сигнал опроса
условия пропуска. При наличии такого условия схема пропуска
и перехода 7 вырабатывает дополнительный сигнал 4-1 для схемы
счетчика кадров 3, что и обеспечивает пропуск кадра в программе.
При выполнении команды «Безусловный переход» по сигналу
из схемы помехозащиты 4 узел 7 вырабатывает сигнал для счет-
57
От пувыпа От pyeamt ручнргв
проерарниреванир управления в
Рис. I.S. Структур:»»» схема блока управления устройства УЦМ-SOs
I •— генератор тактов; 3 — формирователь выдержек времени. 3 — узел формирования
команд; 4 — регистр команд: 3 — программоноситель; 6 — счетчяк кадров
чика кадров 4 фиксированного кода, являющегося адресом перехода
к новому кадру программы. Отметим, что схема помехозащнты 4
в известной мере компенсирует отсутствие гальванических развя-
зок в выходных цепях устройства, обеспечивая необходимый уро-
вень помехоустойчивости.
Ориентация разработки устройства ЭЦПУ-6030 на управление
манипуляторами типа МП-9С, используемыми прн автоматизации
операций с простым технологическим циклом, позволила создать
малогабаритное микроэлектронное устройство настольного типа
(рис. 3.2) с необходимыми технико-экономическими показателями.
Целый ряд задач автоматизации технологического оборудова-
ния с помощью цикловых ПР требует применения более совершен-
ных, а следовательно, и более сложных манипуляторов (с числом
координат до 5—7, промежуточными точками позиционирования
звеньев, наличием режимов торможения и т. д.) с функционально
более развитыми устройствами управления. Примером таких спе-
циализированных устройств могут служить устройство УЦМ-20
и модернизированное на его основе устройство УЦМ-30.
Основные технические характеристики и структурная схема
устройства УЦМ-30 приведены в гл. 5.
По сравнению с рассмотренным выше устройством «функцио-
нальная» нагрузка блоков в данном случае возросла. В первую
очередь это касается организации блока управления, качественным
отличием которого является его реализация на базе микропрограмм-
ного автомата (принцип построения последнего кратко описан в гл. 4).
Структурная схема блока управления устройства УЦМ-30 при-
ведена на рис. 3.3 Блок управления имеет следующие основные
функциональные узлы:
68
микропрограммный автомат, работающий по жестко заложенному
алгоритму, обеспечивающий выдачу управляющих сигналов на все
операционные узлы блока управления;
генератор тактов, формирующий сигналы синхронизации авто-
мата и формирователя временных выдержек;
счетчик кадров, адресующий программоноситель;
регистр команд, фиксирующий управляющую информацию на
время исполнения кадра;
узел формирования команд, непосредственно выдающий в блоки
сопряжения с объектом команды управления.
Программоноситель устройства УЦМ-20 построен на основе пе-
чатной платы с устанавливаемыми соответствующие позиции диод-
ными штекерами оригинальной конструкции; в устройстве УЦМ-30
в качестве программоносителя использовано оперативное запоми-
нающее устройство (ОЗУ) на интегральных микросхемах с ма-
лым потреблением энергии и с подпиткой от батареи, что
позволяет сохранять информацию при отключениях источника
питания.
Такое «энергонезависимое» ОЗУ обеспечивает оперативное изме-
нение программы, имеет малые габаритные размеры при высокой
надежности и большую информационную емкость (100 кадров про-
граммы для устройства УЦМ-30). Управляющая программа устрой-
ства формируется из кадров с постоянным форматом объемом 32 бита
и содержит информацию об управлении звеньями и захватом двух
рук манипулятора с заданием величины задержки команд на тор-
можение (разряды 1—23); указании зон ускоренного прохода, о но-
мерах технологических команд, об обращении к подпрограмме,
о задержке перехода к следующему кадру программы, контроле
четности содержимого кадра и т. д. (разряды 24—32).
Под действием сигналов автомата управления в соответствии
с состоянием счетчика кадров i регистр команд из программоноси-
теля происходит считывание очередного кадра программы. Содержа-
щаяся в нем информация через узел формирования команд блока
управления передается для отработки в блоки сопряжения с мани-
пулятором и технологическим оборудованием в следующей последо-
вательности:
команды управления звеньями (координатами) манипулятора;
команды управления захватами манипулятора;
команды управления технологическим оборудованием.
В составе блока сопряжения с манипулятором устройств УЦМ-20
и УЦМ-30 отсутствуют узлы хранения выходных команд управле-
ния звеньями ввиду специфики управляемых манипуляторов, име-
ющих в пневмораспределительной аппаратуре золотники с запоми-
нанием управляющих сигналов, поэтому указанные команды посту-
пают на приводы манипулятора непосредственно через выходные
усилители.
Блок выходных усилителей выполнен на оптронных тиристорах,
обеспечивающих гальваническую развязку логических цепей уст-
ройства с цепями приводов манипулятора.
59
Длительность выдачи управляющих команд на манипулятор ц-
технологическое оборудование определяется временем исполнения
кадра программы, т. е. получением ответных сигналов об отработке
всех выданных команд.
Сопряжение с датчиками манипулятора также выполнено с при
менением гальванической развязки и обладает отличительной осо
бенностыо, связанной со своеобразной организацией системы датчи
ков, которая, в частности, выдает в устройство не состояние звеньев
манипулятора, а сигнал окончания заданного перемещения звена
Выдача технологических команд производится через выходные реле
в виде «сухих контактов». Набор программы и занесение ее в про-
граммоноситель производят с помощью специального встроенного
пульта программирования. Управление движением манипулятора
в процессе наладки осуществляют с помощью органов выносного
пульта ручного управления. Задание режимов работы и оперативное
управление устройством осуществляют с панели управления, содер
жащей переключатель режимов работы, кнопки пуска-останова,
цифровые индикаторы номера кадра программы, световую сигнали-
зацию состояния работы устройства и т. п.
Устройство УЦМ-30 по сравнению с ЭЦПУ-6030 имеет расширен-
ные функциональные возможности вследствие применения управля-
ющею микропрограммного автомата и энергонезависимого ОЗУ до-
статочной емкости. Однако по своему назначению устройства УЦМ-20
и УЦМ-30 являются специализированными, ориентированными на
оснащение манипуляторов типа «Циклон» и «Ритм».
Дальнейшее развитие процесса роботизации производств с ка-
чественным расширением сферы применения цикловых ПР привело
к созданию разнообразных моделей манипуляторов, отличающихся
повышенной сложностью кинематики. Это определило новые требо-
вания к функциональным возможностям средств управления в отно-
шении реализации более сложных технологических алгоритмов
работы как самого манипулятора, так и сопутствующего оборудова-
ния, в частности:
увеличение числа промежуточных точек позиционирования по
упорам до 5—6 на координату;
согласованное управление выдвижными упорами;
реализация алгоритмов торможения звеньев «тяжелых» манипу-
ляторов прн подходе к упору;
увеличение числа технологических команд и усложнение логики
управления технологическим оборудованием;
организация технологических программ с переменной последова-
тельностью кадров, т. е. ветвлениями, подпрограммами, локаль-
ными циклами и т. п.;
развитая система аварийных блокировок;
увеличение функциональной емкости программоносителя.
Разработка специализированных устройств управления для ре-
шения указанных задач оказалась экономически нецелесообразной.
Поэтому работы по созданию средств циклового управления ПР на
данном этапе проводятся в направлении оснащения унифицирован-
60
Гис* Структурная схема баска сопряже-
'ия с манипулятором устройства УЦМ-евЗ:
I _ матрица состояний: 3 — матрица ходи*
поваиия:) 3 — матрица стробирования: 4 —
„гма управления матрицей стробирования;
а _ схема управления матрицей состояния
ными серийным» устройствами ши-
рокой номенклатуры разнообраз-
ных манипуляторов. Примером
такого устройства является модель
уЦМ-663, технические характери-
стики и структурная схема которой
даны в гл. 5.
При сохранении основного
функционального состава блоков
устройства и характера связей
между ними построение каждого из
блоков отражает повышенный уро-
вень управления и сложность
На н
От Junta Ст датчика! М
упражнения
реализуемого алгоритма.
Блок управления по своей структуре построен на базе централь-
ного микропрограммного автомата н ряда автоматов местного управ-
ления. Введение дополнительных операционных узлов, связанных
с расширением логических возможностей устройства, например
подсчетом числа локальных циклов и т. д., существенно не изме-
няет общих принципов структурного построения блока управления
данного устройства. В качестве программоносителя в устройстве
используется указанный выше тип энергонезависимого ОЗУ на
интегральных микросхемах. Отличительной особенностью данного
устройства является организация функционально-гибкой привязки
устройства к манипуляторам, реализованная в блоке сопряжения
с манипулятором, структурная схема которого приведена на рис. 3.4.
Функционально данный блок состоит из двух систем: опроса датчиков
и выдачи команд на манипулятор.
Система опроса датчиков имеет в своем составе ОЗУ для теку-
щего хранения состояния датчиков манипулятора, коммутатор дат-
чиков, опрашивающий все датчики манипулятора последовательно
по координатам, и схему местного управления, осуществляющую
циклический опрос датчиков, шифрацию их номера и запись кодов,
сработавших на каждой из координат манипулятора датчиков в ОЗУ.
В процессе работы информация о состоянии звеньев манипулятора
(номера сработавших датчиков) по запросу из блока управления
передается в систему выдачи команд на манипулятор, что необ-
ходимо для определения режима работы звеньев и формирования
сигнала отработки команд управления манипулятором.
Сопряжение устройства с различными типами приводов манипу-
лятора обеспечивается за счет организации системы выдачи команд.
которая позволяет программировать алгоритмы управления прак-
тически любым типом «циклового» привода, в том числе с промежу-
«1
точными точками позиционирования на упорах и режимом тормо
жепня.
Укрупненно система выдачи команд на манипулятор включает
следующие основные узлы:
выходной регистр (ВР), обеспечивающий текущее хранение со '
стояния всех управляемых золотников манипулятора;
выходные усилители, формирующие сигналы управления при-
водом;
матрицы состояний, кодирования и стробирования со схемами
управления.
Основные логические функции по реализации алгоритмов управ-
ления приводами манипулятора программируются с помощью трех
перечисленных диодных матриц. Координаты обрабатываются по-
следовательно во времени.
Функционально матрица состояний выявляет (дешифрирует)
одно из возможных состояний звена манипулятора, определяемое
режимом, направлением движения звена и номером точки, в кото-
рую звено должно выйти. Матрица кодирования формирует для
каждого состояния координаты управляющую информацию о том,
какое состояние выходных каналов должно соответствовать выделен-
ному состоянию. Матрица стробирования, фактически распределя-
ющая выходные каналы устройства между звеньями (координатами
манипулятора), выдает импульсы записи управляющей информации
с выхода матрицы кодирования в ВР. Матрица состояний имеет
13 входных шин и 20 выходных шин-состояний. На входе матрицы
имеются три шины, задающие режим работы координаты («останов»,
«замедление», «движение»), две шины, определяющие направление
движения (вперед-назад), и восемь шин номера точки от 0 до 7.
Распайкой диодов в матрице реализуется логическая функция И
между каждой из шин режима, направления движения и номера
точки. Каждая функция И, собранная (запрограммированная) с по-
мощью диодов, и является одним из 20 возможных состояний, посту-
пающих в матрицу кодирования. Различные координаты, естественно,
могут иметь одинаковые состояния, например, — останов, назад.
В матрице кодирования, имеющей 20 входных шин (по числу
состояний координаты) и 28 выходных шин для каждого состояния,
с помощью распайки диодов формируется набор включенных выход-
ных каналов одновременно для всех координат, имеющих данное
состояние.
Запись в ВР производится импульсными сигналами, вырабаты-
ваемыми матрицей стробирования, имеющей шесть входных шин
(по числу координат) и 28 выходных. В схеме управления матрицей
стробирования предусмотрен специальный счетчик координат, в ко-
тором хранится текущий номер обрабатываемой координаты. К вы-
ходу счетчика подключен тактируемый микропрограммным автома-
том дешифратор, выдающий импульсы на входные шины матрицы
стробирования. Формирование режима работы координаты произво-
дится в схеме управления матрицей состояний на основе сравнения
текущего положения звена манипулятора (информация о котором
62
хранится в 03 i системы опроса датчиков) с заданным из блока
управления.
С целью повышения помехоустойчивости выдача команд управ-
ления на манипулятор, точнее нх подтверждение, производится
циклически с высокой частотой, в том числе и по координатам, не
выполняющим движений в отрабатываемом кадре.
Устройство УЦМ-663 имеет достаточно развитую систему блоки-
ровок иа основе диодной матрицы.
На входы матрицы блокировок поступают сигналы непосред-
ственно с датчиков крайних положений манипулятора (12 шин)
н датчиков аварийного состояния оборудования. Выходные шины
матрицы опрашиваются с помощью вентилей при формировании ко-
манд управления приводом импульсом, тактирующим матрицу стро-
бирования. При отсутствии иа одной из выходных шнн матрицы уста-
новленных диодов на ней создается потенциал логической «единицы>,
который разрешает выполнение команды. В случае установки диодов
разрешение на выполнение команды ставится в зависимость от
состояния датчиков, подключенных к входным шинам матрицы.
Таким образом можно заблокировать, например, повороты манипу-
лятора с вытянутой рукой при попытке выдать соответствующие
команды как в автоматическом, так и ручном режиме. Другие функ-
циональные блоки устройства в отношении нх структурной органи-
зации существенного интереса не представляют и поэтому нами не
рассматриваются.
Программирование устройства осуществляется путем покоманд-
ного набора программы на пульте оператора, совмещающего в себе
функции пульта ручного управления и панели управления.
Характерной особенностью является переменный формат кадра,
включающий одну пли несколько одновременно отрабатываемых
единичных команд, позволяющий эконо-
мить емкость программоносителя. Си-
стема команд устройства УЦМ-663 при-
ведена в табл. 3.1, а распределение па-
мяти показано на рис. 3.5.
Каждая команда состоит из кода опе-
рации (КОП) и информационной части,
в общем случае необязательной.
В табл. 3.1 кодировка КОП указана
двоичными цифрами.
Ручное управление звеньями осуще-
ствляется с помощью команд «Движе-
нием Для упрощения действий опера-
тора на панели пульта управления раз-
мещены 12 кнопок, кодирующих не
только КОП, но и номер управляемой
координаты, а также направление
Рис. *.В. Распред* кине лвмати устройства
УЦМ-вбЗ
ооо • • • 127	Основнол программа	1 страница
128 223	Подпрограммы	2 страниц а
229 227	Адреса начала программы	
228 231	Адреса на чае а подпрограммы	
232 239	Адреса условных и безусловных переходов	
2ЬО 291	Адреса начала локальных циклов	
63
Таблица 31
1 Команда	Формат команды							
	7	6	&	4	3	2	1	0
Движение	0	Направле- ние дни жени я		Номер координаты		11омер точки		Разряд контро- ля чет- ности
Захват 1 открыть	1	1	0	0	0	0	0	
Захват 1 закрыть	I	1	0	0	1	1	1	
Захват 2 открыть	I	1	0	1	0	0	0	
Захват 2 закрыть	1	1	0	1	1	1	1	
Внешнее оборудова- ние 1	1	1	о	0	Номер техноло- ги ческой команды			
Внешнее оборудова- ние 2	1	1	0	1	Номер тех поло гической команды			
Выдержка времени	1	0	I	Величина выдержки времени				
Совместная отработка	1	1	1	1	Число команд в кадре			
Уловный переход	1	0	0	1	Номер внешнего условия			
Конец программы	1	0	0	0	0	Номер программы		
Обращение к подпро- грамме	1	0	0	0	1	Номер под- программы		
Конец подпрограммы	1	1	1	0	1	1	0	
111чало цикла	1	1	1	0	0	1	Но- мер СЧЦ	
Конец цикла	1	1	1	0	0	0	Но- мер СЧЦ	
Модификация	1	1	1	0	1	0	Но- мер СЧЦ	
Останов 04	1	1	1	0	1	1	1	
Е ряжения. На кнопках нанесены мнемонические знаки, соответ-
Кукянне кинематике манипулятора.
Команды «Внешнее оборудование» используют для программп-
плпаиня работы conyству ющего технологического оборудования.
Задан! требуемых по циклограмме временных выдержек между
ьа । он! производят с помощью одноименной команды.
Ддя организации одновременного исполнения нескольких опера-
ций в системе команд предусмотрена специальная команда «Совмест-
ная отработка». Одновременно могут отрабатываться команды
«Движение» (по различным координатам), «Внешнее оборудование
f и 2». Число одновременно исполняемых команд записывается
в информационной части команды СОВМЕСТНАЯ ОТРАБОТКА
(до 7). Структура кадра совместной отработки показана на рис. 3.6.
Команды в ячейках памяти с л + 1 по п + k исполняются одновре-
менно. Переход к очередному кадру программы происходит после
завершения самой длительной по времени команды кадра.
В кадрах совместной отработки с комбинированным принципом
исполнения команды, расположенные после команды ВЫДЕРЖКА
ВРЕМЕНИ, будут переданы на отработку только после окончания
запрограммированной выдержки времени, запускаемой в начале
кадра. Эта особенность языка программирования (системы команд)
устройства УЦМ-663 позволяет в ряде случаев сократить общее
время цикла.
Устройство позволяет осуществлять программирование обраще-
ния к одной из подпрограмм, организуемого с помощью кох.ан i
«Обращение к подпрограмме» н «Конец подпрограммы». Обращение
к подпрограммам может быть условным. Номер условия записывается
в информационной части команды «Обращение к подпрограмме»,
адреса начала подпрограмм заносятся в специальные ячейки памяти.
В случае необходимости команду «Обращение к подпрограмме»
можно использовать для организации условных и безусловных
переходов. Для расширения их числа в системе команд предусмо-
трена команда «Условный переход», по формату аналогичная рас-
смотренной команде «Обращение к подпрограмме».
Организация локальных циклов в программе производится с по-
мощью команд НАЧАЛО ЦИК ПА п КОНЕЦ ЦИКЛА, управля-
ющих работой двух аппаратных счетчиков циклов
Число повторений цикла набирается на специальных переключа-
телях, расположенных на панели пульта оператора.
Программное прерывание работы устройства осуществляется
с помощью команды ОСТАНОВ. Для зацпклннивання программы
используется команда КОНЕЦ ПРОГРАММЫ В ее информационной
части указывается номер одной из четырех возможных одновременно
хранимых в памяти программ, адреса их начала заносятся при
программировании в специально выделенные ячейки памяти.
Язык программирования н алгоритмическая организация блока
управления позволяют осуществить компактную запись программы
раскладки деталей в упорядоченную двухмерную тару с помощью
команды «Модификация». Структура программы раскладки изобра-
3 П/р И. м. Макарова	65
Ячейки
памяти
п
пЫ
п+2
Команды
КОП £В	номер / номер коорд / точки
номер
точки
нсме^
ковра.
Начало
основной
оосромны
коп оц	—	О
п*к
кап
лв
коп НЦ	—	1
"ОД		0
коп ВО1	N*BO
Рмс. З.в. Структура кадра совместной
отработки
коп !8	Kzcpi 1	течь 0
кэп МОД	—	1
ЧОП ДВ	КссрО 2	точ 0
Укладка/Взятие
детали В/из то pot
Рис. 3.7. Организация прл|раммы рас-
кладки деталей а упорядоченную тару
коп кц	—	г
коп кц	—	0
Продолжение
осноВной
программы
жена на рнс. 3.7. Команда «Модифи-
кация» в процессе исполнения к ин-
формационной части следующей за
ней команды ДВИЖЕНИЕ (конкрет-
но к номеру точки) добавляет содер-
жимое соответствующего счетчика
циклов.
Раскладка в тару организо-
вана с помощью двух стандартных
циклов. Развитый язык программирования и структурно-алгоритми-
ческое построение устройства УЦМ-663, в частности возможность
гибкой привязки устройства к манипуляторам различных типов,
определили широкое применение устройства УЦМ-663, в особен-
ности при построении локальных РТК со сложными циклограммами
работы, большим количеством единиц управляемого оборудования,
миогокоординатными манипуляторами с точками промежуточного
останова. При этом необходимо отметить, что достаточно высокие
функциональные возможности устройства достигнуты за счет опре-
деленной аппаратурной избыточности, которая становится ощутимой
при построении РТК-
Анализ технических требований, предъявляемых к современным
системам циклового программного управления ПР, вытекающих из
тенденции рассмотрения ПР как составляющего элемента перенала-
живаемой автоматизированной линии, модуля гибкого автоматизи-
рованного производства и т. д., особенно прн автоматизации вспо-
могательных технологических операции, выявляет необходимость
66
шественного качественного расширения диапазона задач, решае-
Сс средствами управления РТК. В частности, расширение фупк-
управления цикловыми ПР связывается с возможностью обмена
"‘формацией с ЭВМ верхнего ранга, управлением несколькими мани-
*1* тяторамн н технологическими установками от одной системы
и г- д- Кроме того, прогресс в создании БИС микропроцессорных
иабир°в (арифметико-логических устройств, различных видов па-
ияти и т. д.) позволяет широко использовать их во вновь создавае-
Mbix средствах управления и по-новому ставить вопрос о структурио-
зтг'ритмической организации последних.
Так, если раньше в разработках устройств управления ПР
акцент делался на аппартную реализацию большинства функций,
то в настоящее время основным направлением следует считать созда-
ние унифицированных микропроцессорных структур средств управ-
ления ПР с развитым математическим обеспечением и набором про-
блемно-ориентированных модулей сопряжения с объектом. Поэтому
целесообразно развивать принципы структурно-алгоритмической
организации средств циклового управления IIP в следующих на-
правлениях:
проблемно-ориентированная унификация аппаратного и про-
граммного обеспечения базовых средств циклового программного
управления ПР;
модульная (агрегатно-блочная) структура аппаратных средств,
обеспечивающая наиболее эффективную компоновку требуемых мо-
дификаций устройств, и связанная с этим магистральная организа-
ция унифицированных межмодульных связей;
преимущественное применение «мягких» (программируемых)
средств, обладающих свойством гибкой привязки устройства управ-
ления к объектам;
использование унифицированных типовых конструктивно-техно-
логических решений печатных плат, модулей блоков и т. п.
В рамках указанной концепции организации перспективных
цикловых устройств рассмотрим структурную схему микропроцес-
сорного устройства циклового у правления (рис. 3.8), построенного по
блочно-модульному принципу и отражающую обобщенную номенклату-
ру функциональных модулей аппаратуры и взаимосвязь между ними.
Основой блока управления является модуль процессора, обеспе-
чивающий в соответствии с записанной в памяти программой реали-
зацию алгоритмов управления и создающий возможность работы
в реальном масштабе времени за счет развитой системы прерывания
и программируемого таймера. В модуле процессора предусмотрен
специальный контролер, вырабатывающий сигналы внутрисистем-
ного интерфейса.
Система памяти блока управления включает в себя следующие
модули:
постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для хранения
функционального программного обеспечения;
оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения
текущей обрабатываемой информации;
3*	67
Рис. 3.8. Структурная схема микропроцессорной базовом модели устройства цнклоаого
программного управления ПР:
модули: / — вывода; 2 — дискретных команд; 3 — ввода; 4 — ИР ПС; 5 — ППЗУ; 6 -•
ПЗУ; 7 — ОЗУ; 8 — процессора
полупостояпного запоминающего устройства (ППЗУ), выпол-
няющего функции программоносителя и предназначенного для за-
писи и хранения управляющей программы, получаемой в процессе
обучения.
Ввод и редактирование программы работы устройства осуществ-
ляют с помощью программатора, подключение которого к внутри-
системному интерфейсу производят через модуль интерфейса ра-
диального последовательного (ИРПС), что позволяет унифицировать
канал связи и сократить число шин в кабелях связи. Через модуль
ИРПС осуществляют связь с пультом ручного управления звеньями
манипулятора, что обеспечивает возможность ручного управления
электроавтоматикой обслуживаемого технологического оборудова-
ния и выполнение операций запуска заранее подготовленных про-
грамм в заданном режиме работы устройства.
Подключение фотосчитывающнх устройств, перфоратора, других
средств управления РТК, в том числе ЭВМ верхнего ранга, к устрой-
ству производится через модуль ИРПС.
Совместно с модулем дискретных команд модуль ИРПС образует
средства управления слаботочной электроавтоматикой технологи-
ческого оборудования и синхронизации работы других средств
управления РТК. Сопряжение устройства с манипулятором (мани-
пуляторами) и технологическим оборудованием осуществляют с по-
мощью модулей ввода и вывода, число которых зависит от конкрет-
ного исполнения устройства.
68
• < уль вывода мо дифицнруется по своему назначению: для
Etcg4;, управляющих напряжений переменного или постоянного
различной мощности. Следует отметить, что в данном случае
учетом универсальности применения устройства, выполненного
яр рассматриваемой структуре, пользователю предоставляется воз-
можолть свободного распределения каналов ввода-вывода между
яанпп' ляторамн и обслуживаемым технологическим оборудова-
ние'’
В комплект устройства может входить инженерный пульт, яв-
ляющийся вспомогательным техническим средством для выполне-
ния диагностических и ремонтно-профилактических работ при его
эксплуатации.
Организация основных функциональных модулей устройства
в отношении их реализации на микропроцессорной технике рассмот-
рена в гл. 4.
Программное обеспечение устройства в общем случае включаетг
проблемно-ориентированный язык циклового программного уп-
равления;
интерпретатор (языка);
монитор интерпретатора;
драйвер каналов последовательной передачи данных, ввода-
вывода;
про1раммные модули обслуживания терминалов — пульта руч-
ного управления, программатора и т. п.;
программу-диспетчер;
комплект программ контроля и диагностики.
При необходимости структура и алгоритмическое построение
монитора, интерпретатора и диспетчера обеспечивают мультипро-
граммный режим работы устройства для организации одновремен-
ной (групповой) работы нескольких манипуляторов.
Примером конкретной реализации рассматриваемой микропро-
цессорной структуры может служить блочно-модульное устройство
циклового управления МДМ-100, технические характеристики кото-
рого и структурная схема, показывающая функциональный состав
изделия, приведены в гл. 5, а принципы алгоритмической органи-
зации программного обеспечения — в гл. 6.
Реализация принципов структурно-алгоритмического построения
устройства в соответствии с рассмотренной концепцией позволяет
придать устройству высокую функциональную гибкость его моди-
фикаций, снизить аппаратурные затраты, обеспечить широкие воз-
можности программирования технологических алгоритмов РТК,
практически любой степени сложности, непосредственно на заводах-
потребителях и т. д.
Следует подчеркнуть несомненную эффективность распростра-
нения данных принципов при построении некоторых простейших
устройств циклового управления, в том числе специализированного
назначения, а также при построении устройств циклового управле-
ния с повышенными информационно-вычислительными возможно-
стями и т. д.
69
3.2.	Позиционно-контурные системы	I
Системы управления данного класса значительно расширяют В
технологические возможности ПР и практически исключают харлк- В
терные для цикловых ПР ограничения, связанные с числом точек I
позиционирования рабочих органов манипулятора. Это обусловлю В
вает широкое применение ПР с позиционно-контурным управлением I
в различных областях промышленности при автоматизации пропз- В
водства, где требуется выполнение различного рода операций (от В
простых типа «взять—положить» до сложных траекторных движо- I
нин). Кроме того, эти системы применяют для обслуживания одного 11
или нескольких объектов, автономного управления или в составе
комплекса технических средств, управляемых от ЭВМ. ПР имеют
различное конструктивное исполнение, определяемое спецификой I i
применения (области с различным климатическим воздействием, I
агрессивность или запыленность среды и т. д.).
Решение этих задач, как правило, базируется на принципах схем-
но-конструкторской агрегатизацни, при которой за счет уннфнка- |
пни сопряжения ряда блоков на основе «базовой» структуры полу- I i
чают конкретные модификации устройств с различными функцио-
нальными свойствами.
Предпосылки для выбора структуры системы управления при
таком подходе остаются прежними: с минимальной избыточностью
получить определенный ряд «модифицированных» устройств, обла-
дающих при сравнительной простоте достаточными показателями
технико-экономической эффективности.
Для рассматриваемого класса систем управления, как показы-
вает отечественный и зарубежный опыт, сложился основной функ-
циональный состав, который в обобщенном виде может быть описан
следующим образом:
число управляемых координат — 3—8;
объем памяти программ (кадров) — 100—1500;
число технологических команд обмена информацией с внешним
оборудованием — 15—128;
тип привода — следящий или дискретный;	I
сопряжение с аналоговыми, кодовыми, фазовыми датчиками поло-
жения;
наличие нескольких программ (или подпрограмм), развитые сред-
ства контроля и диагностики, возможность сопряжения с другими
средствами управления и т. д.
Информационно-вычислительные возможности таких систем раз-
личны и определяются областью применения.	| I
Реализация приведенных выше технических характеристик по-
зиционно-контурных систем управления может быть осуществлена
принципиально двумя методами, отличающимися способами обра-
ботки геометрической информации (последовательная или параллель-
ная обработка координатных перемещений), поступающей от мани-
пулятора В соответствии с этим рассмотрим два варианта струк-
туры систем управления:
70
с параллельной обработкой информации на индивидуальном
аппарате вычисления внутри каждого «координатного» блока (ва-
риант децентрализованной структуры);
и с центральным вычислителем, в котором последовательно в ре-
жиме разделения времени обрабатывается информация на едином
аппарате вычисления (вариант централизованной структуры).
На рис. 3.9 приведен вариант децентрализованной структурной
схемы (для одной координаты) построения системы позиционного
j правления ПР со следящим приводом.
Запоминающее устройство (например, полупроводниковое ОЗУ ),
хранящее управляющую программу, записанную с помощью схемы
обучения, последовательно кадр за кадром по сигналам из блока
управления выдает через регистры буферной памяти геометрическую
информацию на схему сравнения, а технологическую — в блок тех-
нологических команд. Схема сравнения по результатам обработки
заданной информации и текущей информации, получаемой из изме-
рительной системы (преобразователь сигналов датчика, счетчик),
формирует величину сигнала рассогласования, поступающего в блок
управления приводом для осуществления движения манипулятора
по данной координате с заданной скоростью.
В зависимости от используемых типов датчиков (импульсные,
фазовые, кодовые и т. д.) состав узлов измерительной системы видо-
Рис. 3.8. Поаициоии > система управления ПР с децентрализованно* структурой:
ЗУ — запоминающее устройство; БУ — блок управления; ПО — пульт обучения; БУП —
	блок управления приводом; Сч — счетчик
О/кеи и^чмрпацигв
t М*П
Сигнет
упреСления npuhif"
71
изменяется; например, счетчик, показанный па рис. 3.9, выполни,»
щий функции накопления информации и необходимый для работу
с импульсными датчиками, превращается регистр преобразователя
«угол—код» при работе с кодовыми датчиками. Используемые тш ц
приводов (электрические, электрогидравлпческие и др.) соответ-
ствующим образом видоизменяют блок управления приводом. Нако,
пец, требуемые информационно-вычислительные возможности такой
системы существенно изменяют тип и организацию управления запо-
минающего и сравнивающего устройств, блока управления и т. д.
В простейшем случае в системах управления, построенных по
данной структуре, координаты точек позиционирования задаются и
хранятся в памяти с помощью потенциометров или других устройств
аналогового типа; набор программы осуществляют с помощью ште-
керных барабанов или подобных коммутационных устройств; схему
сравнения выполняют по аналоговому принципу и т. д. Число
точек позиционирования в таких системах с раздельными блоками
памяти не превышает обычно нескольких десятков, а число кадров
программы — менее 80. Дальнейшее увеличение числа точек пози-
ционирования и объема программы оказывается неэффективным
в связи с увеличением габаритных размеров и усложнением кон-
струкции, а также снижением эксплуатационной надежности изделия
и т. д. Для повышения функциональных возможностей таких систем
становится целесообразным использование единого запоминающего
устройства, цифровой схемы сравнения и т. д.
Примерами позиционных систем управления, построенных по
рассмотренной выше структуре, являются системы управления ро-
бота «Версатран-500р» (США), «Кавасаки Юнимейт 2600» (Япония).
Использование такой структуры характерно для «жестких» пози-
ционных систем целевого назначения, особенно с цифроаналоговым
способом обработки геометрической информации и ограниченными
фу нкцпональными возможностями.
Рассмотрим более подробно варианты централизованных струк-
тур управления на примере унифицированных отечественных си-
стем управления типа УПМ-331 и УПМ-772. На рис. 3.10 приведена
структура системы УПМ-331 разомкнутого типа с использованием
дискретного (шагового) привода, а на рис. 3.11 — структура системы
УПМ-772 замкнутого типа управления со следящим приводом.
Унифицированные системы построены по принципу синхронного
микропрограммного автомата управления (АША) с конечным числом
состояний и жестким циклом управления. Они оперируют с инфор-
мационными словами длиной в один байт. Число состояний (машин-
ных циклов) выбирают с учетом возможности расширения функций.
Длительность цикла составляет 2,5 мкс. В течение одного цикла
автомате выполняются следующие основные микрооперации:
считывание информации по адресу (шине) А и передача ее в арифме-
тико-логический узел (АЛУ); считывание информации по адресу В
и передача ее в АЛУ; выполнение арифметического действия в АЛУ;
запись результата по адресу А, В или С; выработка признака резуль-
тата арифметического действия и переход к новой команде (состоя-
72
ujMIA
.чсС
'.НМЛ
_ БВВГП
♦—Г
вмп» ’	’
ЛГ 1
В МПА
I' НГ,А
Сиенаеы
управление
наш А
‘пен.......
рОрнСци-
 ~нин
о .eloHutM

—Г
по
Шине Л
Шь но 8
Рнс. 3.10. Структурная схема устройства УПМ-331
Рнс. 3.11. Структурная схема устройства УПМ-772
U} фуНЩОРНОЛЛНЫЛ
. ВлсесВ
МПА
tTTJ
!нкциональные
ftcxu
т
<*/7£
X/ мПА
позу
I I Операционные рее 'Г'пры
I	'~Г —:JS—
। РЯБ_______[£МЛА
I МПА
J—I СаАП I
1	- т -> UjMOA
^.„А J
7*^ГТо*7'
hVl!
I,
,1	— Внешнее
J БВВ1И аВарувоВание
ВИРА' 'на ПУ
IXPt
iannuKH
I Д<]
73
нню). Новое состояние в автомате возникает сразу же после оконча-
ния предыдущей команды и зависит от результата арифметической
операции, предшествующего состояния и различных управляющих
признаков.
Операционно-логический блок (ОЛБ) совместно с микропрограмм-
цым автоматом управления обеспечивает взаимодействие всех функ-
циональных блоков и выполняет функции центрального управления
и логической обработки информации. В состав ОЛБ входят следую-
щие основные функциональные устройства:
узлы памяти (УН), обеспечивающие хранение геометрической ин-
формации, подлежащей коррекции в текущем калре, констант ск< •
рости перемещения, номера кадра, возврат к которому необходим
после выполнения подпрограммы и т. д.;
операционные регистры для хранения промежуточных резуль-
татов вычислений, величин заданной и текущей скоростей переме-
щения, команд коррекций и переходов и т. д.;
арифметико-логический узел (АЛУ), являющийся единым узлом
сравнения заданных и текущих координатных перемещений мани-
пулятора и выполняющий на восьмиразрядном параллельном сум-
маторе комбинационного типа операции сложения, вычитания,
сравнения и контрольного суммирования;
счетчнк адресов памяти (СЧАП), предназначенный для задания
адресов памяти.
Микропрограммный автомат управления осуществляет физичес-
кую реализацию алгоритма работы манипулятора и выполняет функ-
ции формирования микрокоманд управления для блоков устройства.
В качестве программно-задающей части использован кассетный нако-
питель на магнитной ленте (КНМЛ) с полупроводниковым опера-
тивным запоминающим устройством (ПОЗУ).
КНМЛ является основным программоносителем и совместно
со своим блоком управления (БУ КНМЛ) осуществляет прием,
хранение и выдачу по запросу из МПА требуемой программы. Обмен
информации с КНМЛ — зонный. На магнитной ленте по зонам мо-
жет быть записана одна или несколько программ: если объема зоны
недостаточно для размещения программы, ее записывают в несколько
зон с обеспечением связи частей программы с помощью команд
условного или безусловного переходов.
В режиме чтения информация с КНМЛ поступает в блок управ-
ления накопителя и передается по шине В далее через арифметико-
логический узел ОЛБ на запись в ПОЗУ. В режиме записи инфор-
мация из ПОЗУ поступает по шине А для формирования импульсов
записи на магнитную ленту в блок управления КНМЛ, управ-
ление которого осуществляется по микрокомандам, формируе-
мым МПА.
Полупроводниковое оперативное запоминающее устройство по-
строено на интегральных микросхемах. Оно предназначено для опе-
ративного хранения рабочей программы, размещаемой в одной зоне
и используемой непосредственно для автоматического управления
или для записи ее на магнитную ленту.
74
Функции обмена технологической информации устройств с внеш-
ним оборудованием, а также формирования сигналов условий вы-
полнения программы выполняет блок ввода-вывода технологической
информации (БВВТИ); функции формирования временных и синхро-
низирующих сигналов—блок синхронизации (БС).
Рассмотренные блоки (модули) совместно с пультами управления
J обучения составляют единую унифицированную функциональную
основу структур обеих систем управления.
В системе управления УПМ-331 блок управления скоростью
(рис. 3.10) обеспечивает перемещение подвижных органов манипу-
лятора с заданной скоростью с учетом динамических характеристик
манипулятора и требуемой производительности, а также осуще-
ствляет накопление текущей информации о движении манипулятора
по координатам. В состав блока входят «координатные> узлы управ-
ления скоростью (УУС1—УУСЗ), накопители информации 1—3.
\зел управления скоростью данной координаты обеспечивает выдачу
иа соответствующий коммутатор дискретного привода и накопитель
информации сигналов унитарного кода перемещения по координате.
Накопитель информации осуществляет накопление и хранение кода
текущего положения подвижного органа манипулятора с учетом ин-
формации исходного положения манипулятора, поступающей по
шине С из АЛУ ОЛБ.
Координатные коммутаторы блока управления дискретным при-
водом (КШП1—3) представляет собой схемы 12- тактнои коммутации,
необходимые для управления дискретными двигателями.
Блок управления приводом в системе УПМ-772 (рис. 3.11) пер-
воначально был построен на основе цифроаналоговых преобразова-
телей со схемами местного управления (ПКН1—ПКН7) и усили-
телен сигналов привода (УМ1—УМ7), обеспечивающих формирова-
ние выходных управляющих напряжений постоянного тока при
поступлении напряжения из соответствующего ПКН или из пульта
обучения по данной координате.
В качестве модификации структуры блока позднее был исполь-
зован единый, работающий в режиме разделения времени, функцио-
нальный цифроаналоговый преобразователь с элементами запоми-
нания выходных напряжений, поступающих на привод. Управление
скоростью движения манипулятора при работе устройства по про-
грамме осуществляется в обоих случаях путем изменения кода
информации, поступающей на вход блока.
Измерительная система (ИС) обеспечивает цифровое измерение
положений координат манипулятора и содержит канальные преоб-
разователи сигналов датчиков в сдвиги фаз грубого и точного
счетов (формирователи фаз ФФ1—ФФ7), преобразователи «фаза—
код> (ПФК1—ПФК7) и общий блок питания датчиков (БПД).
Системы управления УПМ-331 и УПМ-772 работают по сканирую-
щему принципу. Частота сканирования переменна и зависит от длины
ветви алгоритма управления, т. е. числа циклов, участвующих в вы-
полнении той или иной конкретной операции. Такое многократное
выполнение одной операции значительно повышает общую надеж-
75
ность системы, так как отдельные случайные сбои не оказывают влип-
ння на конечный результат.
Реализация систем управления по структуре с центральным вы-
числителем (см. рис. 3.10, 3.11) по сравнению с децентрализованной
структурой (см. рис. 3.9) на основе интегральных микросхем, напри-
мер, серии К155, является предпочтительной, так как в отличие от
аппаратной реализации алгоритмов управления она позволяет более
гибко осуществлять построение различных алгоритмов путем смепы
микропрограммы в МПА без изменения аппаратуры других функцио-
нальных блоков и структуры системы в целом; повышает информа-
ционно-вычислительные возможности системы, что обеспечивает ее
применение для решения более широкого круга задач позиционного
и контурного управления ПР и т. д.
Микропрограммный автомат в системах УПМ-331 и УПМ-772 рас-
считан на использование состояний с числом не более 256, которое
является достаточным для автоматизации технологических операций
средней сложности с использованием позиционных ПР, например,
загрузка-разгрузка металлорежущих станков (до 4-х единиц), кон-
тактно-точечная сварка, штабелирование и т. д.
Структура и функциональный состав систем управления ПР
различны в зависимости от автоматизируемой задачи управления.
Сложность систем, а следовательно, и объем затрат могут сущест-
венно изменяться в зависимости от сложности задачи управления
при использовании так называемой жесткой системы, при которой
логическая взаимосвязь основных модулей оборудования и алгоритм
управления выполнен преимущественно аппаратным способом. Неук-
лонно увеличивающийся объем задач управления, их разнообразие
и специфика при одновременно существующих сегодня возможностях
использования в системах программного управления ПР микроЭВМ
и БИС, относительно дешевых и малогабаритных, обладающих
достаточной надежностью и быстродействием, предопределяют при
построении современных средств программного управления исполь-
зование так называемых мягких принципов программирования.
МикроЭВМ и БИС в структуре рассматриваемых систем позволяют
автоматизировать выполнение разнообразных операций н их комби-
наций и обеспечивают возможность программирования алгоритмов
управления путем изменения состава программного (математического)
обеспечения без существенного изменения структуры н объема аппа-
ратуры изделия. Однородность структуры, высокая степень совме-
щения реализации различных алгоритмов на одном и том же аппа-
ратном оборудовании, возможность формализации описания алгорит-
мов обеспечивают таким системам с использованием принципов
блочно-модульного построения аппаратной и программной частей
системы более эффективное решение поставленных задач управле-
ния, а также получение без излишней избыточности требуемых моди-
фикаций систем с удовлетворительными технико-экономическими
показателями.
Реализация систем управления с использованием микропроцес-
сорных наборов и микроЭВМ в качестве управляюще-вычислитель-
76
Рис. J.12. Структурная схема системы улравхення ПР иа бате мнкроЭВН:
Ы'Мули: / — управления приводом: 2 — сопротивления с датчиком: 3 — ввода ТК; 4 —
вывода ТК; о — таймера: 6 — сопряжения ..ПО; 7 — сопряжения ПОп; 8 — управления
нон части приводит к традиционной структуре средств вычислитель-
ной техники, в которой центральный вычислитель через систему
унифицированных шин связи по стандартному каналу подключен
к периферийным функциональным блокам (модулям), номенклатура
которых соответствует конкретному исполнению системы с заданными
техническими характеристиками.
На рис. 3.12 приведена структурная схема системы управления
на базе мпкроЭВМ со следящим приводом, функциональный состав
которой для удобства сравнения аналогичен описанной ранее си-
стеме управления, показанной на рис. 3.11. В качестве вычисли-
теля в системе применена микроЭВМ, технические характеристики
которой (быстродействие, объем внутренней памяти, система команд
и др.) должны удовлетворять требуемому уровню управления ро-
бототехнического комплекса. По каналу микроЭВМ (системе стан-
дартных связен) осуществляется обмен адресной, числовой и управ-
ляющей информацией с подключаемыми периферийными модулями
аппаратуры системы.
Внешний программоноситель — кассетный накопитель на маг-
нитной ленте (КНМЛ) взаимодействует с микроЭВМ через модуль
управления К.НМЛ, организация сопряжения которого подчинена
требованиям канала связи. Модуль постоянного запоминающего
устройства (ПЗУ) обеспечивает хранение программного обеспечения
устройства (ПРО), отдельных стандартных подпрограмм управляю-
щей программы и т. д. Модуль оперативной памяти (ОЗУ) исполь-
зуется для хранения управляющей программы, промежуточной ин-
формации вычислений и т. д. В зависимости от сложности решаемых
77
задач управления осуществляется выбор типа мнкроЭВМ и объемов
(числа модулей) постоянного и оперативного запоминающих устройств
с учетом возможного сочетания способов хранения ПРО в обоп?
типах памяти.
Функциональное назначение модулей управления приводом,
сопряжения с измерительными датчиками положения, ввода и вы-
вода технологических команд (ТК.) остается прежним, изменяется
лишь организация внутренней связи с вычислителем. Состав этих
модулей определяется из соотношения минимального и максималь-
ного числа управляемых каналов связи с внешним оборудованием
и должен быть оптимальным для построения различных модифика
ний системы в отношении избыточности оборудования, неизбежной
при построении унифицированных систем по блочно-модульному
принципу.
Модуль таймера обеспечивает формирование требуемой серии
синхронизирующих сигналов, временных выдержек в широком диапа-
зоне и т. д.
Характерной особенностью пультов оператора в системах уп-
равления, построенных по данной структуре, является наличие
клавиатуры для набора, редактирования и т. д. массивов инфор-
мации ПРО, а также развитой системы отображения этой информа-
ции на пульте. В качестве средств отображения в этом случае обычно
используют электронно-лучевые трубки, плоские газоплазменные
дисплеи, наборы цифровых индикаторов и т. д.
Распределение общего для системы состава органов управления,
средств индикации, сигнализации на пультах оператора и обучения
различно и осуществляется главным образом по критерию удобств
программирования в процессе обучения, а также с учетом степени
использования их при эксплуатации непосредственно в режиме
управления.
Программирование алгоритмов управления в системах, построен-
ных по рассматриваемой структуре, осуществляется на основе ма-
тематического обеспечения, позволяющего, например, на одном и
том же функциональном составе оборудования системы производить
позиционное или контурное управление с различными видами
интерполяции; видоизменить логическую организацию управления
в соответствии с изменением технологического процесса; расширить
состав функций управления.
Таким образом, реализация данной структуры на основе блочно-
модульного принципа построения функциональных узлов аппара-
туры позволяет осуществить «варьирование» функционального со-
става изделия без изменения его структуры и получить необходимую
модификацию системы. Кроме того, построение по модульному
принципу системы программного (математического) обеспечения
позволяет без существенных затрат также получить требуемый со-
став ПРО для конкретного исполнения системы. Все это сокращает
сроки разработки и изготовления систем, обеспечивает лучшую их
эксплуатацию, дает возможность без особой сложности внести допол-
нения в системы даже после их установки у потребителя.
73
На основе такой структуры построены, например, отечественные
системы управления типа УКМ-552, УКМ-772, зарубежные системы
роботов типа ПУМА (PUMA), «Юнимейт» (Unimate) и т. д.
Номенклатура основных функциональных модулей аппаратуры
современных систем управления позиционно-контурного класса
включает, помимо приведенных выше, модули управления накопи-
телями на гибких магнитных дисках, связи с ЭВМ, приема инфор-
мации от сенсорных датчиков, сопряжения с различными типами
приводов (следящих, шаговых, комбинированных), измерительных
датчиков (фазовых, кодовых, аналоговых) и т. д.
Следует отметить, что построение унифицированных систем управ-
ления на базе микропроцессорных наборов и мнкроЭВМ с нсполь-
аованием блочно-модульного принципа приводит к определенной
избыточности оборудования и не является при всех его преимуще-
ствах единственным эффективным способом построения систем управ-
ления данного класса. В ряде случаев построение специализирован-
ных систем управления ПР целевого назначения, например, для опре-
деленных видов сборки или окраски экономически оправдано и це-
лесообразно.
На рис. 3.13 дана качественная оценка аппаратных затрат систем
управления, построенных по различным принципам структурного
построения, в зависимости от информационно-вычислительных воз-
можностей (числа функций управления), необходимых системе для
управления робототехническим комплексом оборудования с различ-
ной степенью автоматизации технологических процессов.
Линия 1 показывает зависимость аппаратных затрат оборудова-
ния в системе с реализацией алгоритма управления «жесткнмэ
аппаратным способом; линия 2 характеризует системы управления,
алгоритм управления которых реализован также аппаратурно, но
с возможностями его варьирования в блоке управления без измене-
ния структуры и других блоков системы (например, система УПМ-772)
линия 3 характеризует зависимость для систем, построенных иа базе
ЭВМ и гибко реализующих алгоритм управления за счет ПРО.
Повышение информационно-вычислительных возможностей систем
управления позиционно-контурного класса, построенных на базе
уора1лецьл
79
микропроцессорной техники, связано с увеличением «мощностл
центрального вычислителя к соответственно объемов памяти npJ
реализации структуры, показанной на рис. 3.17, или созданной
мультипроцессорной системы управления, в которой, например
функции управ тения движением руки манипулятора возложены ij
один процессор, функции обработки логической информации -J
на другой и т. д. Примером построения такой мультипроцессоризл
системы может служить система управления роботом СКИДАМ
(SK1LAM, Япония).
3.3.	Универсальные системы
Современные ПР, эксплуатируемые в различных сферах про-
изводств, в своем большинстве являются разомкнутыми по отноше-
нию к внешней среде; они эффективно работают по жесткой программе
при условии хорошей организации производственного процесса и
исключения случайных изменений в программе. Двигательные си-
стемы таких роботов в той или иной степени копируют руку человека
(антропоморфные конструкции с большим числом управляемых
координат), их неотъемлемой частью являются управляющие микро-
ЭВМ. Совокупность средств очувствления и всего математического
обеспечения систем управления ПР составляет то, что сейчас при-
нято называть системой искусственного интеллекта.
Создаваемые для роботов «органы чувств» адекватны органам
чувств человека и условно делятся на тактильные, зрительные и
слуховые средства очувствления или адаптации.
В табл. 3.2 приведены некоторые данные зарубежных моделей
адаптивных роботов. Количество воспринимаемой системой управ
ления информации о внешней среде существенно возрастает, что
предъявляет дополнительные требования к информационно-вычисли-
тельным возможностям таких систем, а следовательно, к структуре
их построения. Для универсальных систем управления характерен
принцип иерархической организации структуры управления на
микровычислительных средствах.
При программной реализации нескольких уровней на одной
микроЭВМ обеспечивается соответствующая иерархичность про-
грамм. Последние в этом случае разделяют на приоритетные уровни,
согласно которым и осуществляется их взаимодействие. Необ.ходн
мость повышения функциональных возможностей системы требует
применения в качестве основной структуры — мультипроцессорной
системы, в которой вместо одной ЭВМ используют некоторое множе-
ство вычислительных модулей, объединенных в единую вычислитель-
ную систему. Мультипроцессорные системы предназначены для ре-
шения сложных задач, недоступных одной ЭВМ. При этом сложная
задача разбивается на ряд частных, выполняемых одновременно.
При таком подходе можно практически неограниченно увеличи-
вать производительность вычислительной системы, что позволяет
реализовать управляющие системы сложных адаптивных роботов
а большими объемами перерабатываемой информации.
80
Таблица 32
IM*b*hhc робота,
изготовитель (страна)
Тип датчиком
и систем адаптации
Основное назначение
.рука Эрнста», Массачу-
[ сетский технологиче-
ский институт, США
«Адаптивный робот»,
фирма «Хитачи (Япо-
j ния)
Робо регулирующий
силу сжатия предмета,
университет г. Нагои
(Яаония)
«Искусственная кисть»,
университет г. Токио
(Япония)
Чувствительные дат-
чики на захвате
(фотоэлектрические)
Контактные датчики
усилия на захвате
Тензометры на паль-
цах захвата
Робот ЕТ, Электротех-
ническая лаборатория
(Япония)
Подвижный робот. Стен-
фордский исследова-
тельский институт
(США)
«Марк I», «Марк 1.5»,
«Марк 2», Эдинбург-
ский университет (Ан-
глия)
Робот Стенфордского
университета (США)
Промышленный робот
лаборатории промыш-
ленного развития фир-
мы «Мицубиси» (Япо-
ния)
Чувствительные дат-
чики на захвате
(телекамеры; мо-
дель искусственно-
го нейрона для рас-
познавания обра-
зов)
Телекамера со свето
фильтрами, кон-
тактные датчики на
пальцах захвата
Тактильные датчики,
датчики давления
(триангуляционный
дальномер, теле-
камера, навигаци-
онная система)
Тактильные датчики
на захвате (теле-
камеры)
Телекамера
Телекамера обзора
рабочей зоны, теле-
камера наведения
захвата робота
Поиск предмета, ощупывание,
захватывание, перепое в за-
данную точку
Упорядоченная укладка в тару,
распознавание обьектов про-
стых форм путем ощупывания
Автоматическое регулирование
силы сжатия в зависимости
от массы взятого предмета
Поиск предмета, ощупывание,
захватывание предмета путем
последовательной смены трех
захватывающих пальцев, пе-
ренос объекта в заданную
точку
Распознавание простых форм
предметов по их цвету
Ориентирование в помещении,
формирование в памяти моде-
лей предметов выбор пути
движения, перемещение пред-
метов толканием в заданную
точку
Распознавание обьектов с пло-
скими гранями, обеспечение
сложных движений руки с
объектами
Распознавание объектов с пло-
скими гранями, манипулиро-
вание с этими объектами
Распознавание объектов про-
стых форм, знаков, манипу-
лирование объектами
Основными предпосылками к появлению вычислительных систем
о параллельной обработкой информации явились:
необходимость решения задач, недоступных одной ЭВМ (включая
задачи распознавания образов, оптимального выбора маршрутов
и т. п.);
появление микропроцессоров и микроЭВМ, которые можно
использовать в качестве технических средств для построения парал-
лельных вычислительных систем:
потребность в повышении производительности микропроцессор-
ных систем;
81
Рис. 6.14. Структура идиптмииой СУ;
1 — ЭВМ POP 11/46; ? —интерфейс и» в-разрядном микропроцессоре; 3 — преобразоия-
пие координат иа 16-раЗрядиом микропроцессоре; 4 — вычисление траектории на <6-рааряд«
иом микропроцессоре; 6 — интерфейс видеосистемы; t — видеопроцессор на 16-разрядноМ
микропроцессоре; 7 — преобразователя, пульт оператора; 3 — интерфейс манипулятора
иа 16-раэридном микропроцессоре; 9 — общая память
необходимость создания живучести управляющих систем, спо-
собных продолжать функционировать при выходе из строя отдель-
ных блоков.
При создании мультипроцессорных адаптивных систем управле-
ния очувствленными роботами предпочтительна система с трехуров-
невой структурой. На нижнем уровне решаются простые задачи
управления перемещением, на среднем — производится обработка
информации от сенсорных устройств, на верхнем — вырабатывается
модель окружающей среды, которая сравнивается с моделью, запи-
санной в памяти для данного этапа выполнения задачи, а также при-
нимается решение о дальнейшем ходе выполнения задачи.
Система (рис. 3.14) выполнена на пяти микропроцессорах, из
которых первый использован для выполнения операции преобразо-
вания координат, второй — для вычисления траектории движения,
третий — для обработки информации от системы технического зре-
ния, четвертый — для обработки информации от тактильных датчи-
ков и датчиков усилия и пятый — для связи с минн-ЭВМ. При даль-
нейшем развитии этой адаптивной системы управления возможно
создание более сложной иерархической структуры с перекрестными
связями, состоящими нз многих десятков микропроцессоров для
управления робототехническими комплексами и полностью автома-
тизированными производствами, в состав которых входят очувств-
ленные ПР.
3.4.	Системы группового управления
Групповое управление необходимо при организации совместного
управления роботами в составе робототехнических комплексов (РТК)
0 является одним из основных аспектов управления промышлен-
ными роботами и технотогическим оборудованием автоматических
производств. Подобная задача возникает и при управлении несколь-
кнмп манипуляторами одного робота. Специфика последней задачи
•рстоит в наличии пространственно-временных ограничений на дви-
yri'.ne отдельных манипуляторов, конструктивно находящихся на
одном основании, рабочие зоны которых могут пересекаться. Про-
стейшим вариантом группового управления является управление
автономно действующими роботами. В этом случае задача группового
управления сводится к распределению мощности управляющей
ЭВМ между несколькими пользователями.
Как показывает опыт внедрения и эксплуатации отдельных
РТК на участках машиностроительных производств, не всегда
удается получить желаемые показатели технико-экономической эф-
фективности — необходим комплексный подход к решению вопросов
автоматизации производства
Рис. 3.15. Структурнан схема ко Mine ясно-автоматизированного участка:
1 — сопутствующее оборудование: 2 — основное технологическое оборудование; Ст — ста-
нок; У У — устройство управления; ПУ — пульт управления
83
На рнс. 3.15 в качестве примера приведена структурная схема
комплексно-автоматизированного участка с применением ПР, вклю-
чающая в общем случае следующие основные системы:
одно- и многоманипулярные РТК, обеспечивающие загрузку
основного технологического оборудования и обработку детален;
транспортную систему (транспортный робот или конвейер),
обеспечивающую передачу деталей между РТК н складом;
систему складирования для упорядоченного хранения заготовок
межоперацпопных заделов и готовых деталей;
систему центрального управления участков, организующую пла-
нирование работы участков и обеспечивающую связь с АСУ выс-
шего ранга.
Приведенный пример иллюстрирует постановку новых требова-
ний управления, предъявляемых к средствам программного управ-
ления в составе РТК: с одной стороны, необходимость увеличения
информационно-вычислительных возможностей локального устрой-
ства управления РТК как «модуля» всей системы управления;
с другой стороны, иерархичность уровней управления автоматизи-
руемого участка, увеличивающаяся на переходе к автоматизации
переналаживаемых линий, цехов, производств.
Управление гибкими автоматизированными производствами (ГАП)
базируется сегодня на использовании современных средств вычисли-
тельной техники.
Применение мультипроцессорных систем для построения средств
управления роботами и робототехническими комплексами отвечает
основным тенденциям развития управляющих систем робототехники
благодаря таким общим свойствам мультипроцессорных систем, как
параллельность выполнения большого числа операций, модульность
и однородность, а также программная изменяемость логической
структуры.
Суть принципа параллельности состоит в том, что в системе
одновременно выполняется обработка информации по большому
числу программ и их частей. Это позволяет организовать большое
число контуров управления.
Согласно принципу модульности и однородности систему строят из
идентичных базовых модулей, аналогичным образом соединенных меж-
ду собой. Модульность архитектуры отвечает требованиям унифика-
ции и стандартизациисовсеми вытекающими отсюда преимуществами.
Программная изменяемость логической структуры определяет
возможность организации из отдельных модулей управляющих
систем, наиболее соответствующих оптимальным для конкретных
задач алгоритмам управления. Важной особенностью систем с пе-
ременной логической структурой является их высокая живучесть,
обеспечиваемая реконфигурацией системы (неисправный модуль
исключается, и его функции распределяются между исправными
модулями).
Известно большое число вариантов архитектуры мультипроцес-
сорных систем, которые различаются степенью реализации в них
указанных выше принципов 141.
М
Рис. 9.16. Варианты мультипроцессорной структуры вычислительны* систем: ВМ — аи*
числительный модуль; ЦК — центральный коммутатор:
а — с общим запоминающим устройством; б — шинная архитектура с центральным комму-
татором; а — двухмерный массив ВМ с регулярной связью; г — трехмерная регулярная
архитектура
Рис. 3.17, Структура управления РТК:
модули: 1 — группового управления (мнкроЭВМ с развитой памятью): 2 — пульт опера*
гора; 9 — управления (микроЭВМ): 4—5 — памяти; 6 — интерполятора (мнкроЭВМ): 7 —
связи (микропроцессор); 8 — адаптивного управления (мнкроЭВМ); 9 — пульт связи one*
ратора и очувствленного робота; 10, 11, 14 — измерительные (микропроцессоры); 12 —
Обработки предварительной визуальной информации (мнкроЭВМ); 13 — управления следя-
щими приводами (микропроцессор); 15 — дискретных выходов; 16 — дискретных входов;
17 — выходных ключей; 18 — усилителей; 19 — технического зрения; 20 — енлометри*
веского очувствления; 21 — тактильного очувствления
85
На рис. 3.16 показаны четыре типа мультипроцессорной стр\к.'
туры. Варианты, показанные на рнс. 3.16, а и б, получили наиболь-
шее распространение в первых системах параллельной обработ и
информации как наиболее простые. Более полно основные принципы
организации параллельных вычислительных систем реализуют я
в архитектуре вариантов, приведенных на рнс. 3.16, в и г. На основе1
таких архитектур мультипроцессорных систем в соответствии с тре-
буемыми задачами автоматизации производства возможно построе-
ние различных вариантов структур управления робототехническими
комплексами оборудования.
На рис. 3.17 дана обобщенная структура управления РТК с раз-
личными иерархическими уровнями управления производствен нон
ячейкой, участком, линией, цехом и т. д.
В простейшем случае при роботизации, например, механиче-
ского участка прессового оборудования для холодной штамовки
в состав системы программного управления группой цикловых ПР
входят: пульт оператора, модули управления (микроЭВМ), памяти,
дискретных команд входов-выходов и связи (микропроцессор) при
необходимости выхода на следующий уровень управления. Роботи-
зация механического участка металлорежущих станков с ЧПУ
может потребовать дополнительно введения модулей интерполя-
тора, управления приводами станка и робота, измерительного мо-
дуля и т. д.
Автоматизация операций на таком участке, связанных с загруз-
кой станка неориентированными в пространстве заготовками, пс
требует, например, при использовании средств технического зрения
введения модуля предварительной обработки визуальной информа-
ции. модуля адаптивного управления и т. д.
Аналогично можно проследить видоизменением состава модуле ii
программного и адаптивного управления на уровне ячейки, участка
при автоматизации основных технологических операций, таких
как дуговая или контактно-точечная сварка, сборка изделий различ-
ной сложности, нанесение лакокрасочных покрытий и т. д.
Автоматизация транспортных и складских операций на данном
уровне управления может отсутствовать, но она является необхо-
димой и обязательной при переходе на следующий иерархический
уровень — групповое управление участком (линией).
Верхним уровнем управления при автоматизации линий, цехов,
производств является автоматическая система управления техноло-
гическими процессами (АСУ ТП).
Таким образом, представленный набор средств управления поз-
воляет компоновать типовые управляющие комплексы и широкий
спектр их модификаций для различных задач управления роботизи-
рованными производственными ячейками, участками, линиями и т. д.
Глава
4
ОСНОВНЫЕ <Di НКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДУЛИ
СИСТЕМ JПРАВЛЕНИЯ
В управляющих системах ПР независимо от их назначения,
принципов структурно-алгоритмической организации, информацг-
онно-вычислительных возможностей и т. д. можно укрупненно
выделить следующие основные функциональные модули: управляю-
ще-вычислительный, программозадающий, сопряжения с манипу-
лятором, технологическим оборудованием и пульт управления.
Использование принципов блочно-модульного построения си-
стем управления предполагает большую функциональную завер-
шенность таких модулей с учетом расширенной их номенклатуры и
степени сопряжения между собой.
Внутренний (межблочный) интерфейс системы обусловливается
выбранной организацией управляюще-вычислительной части (про-
цессора); он особенно ярко выражен в микропроцессорных системах
управления, достаточно многообразен н может явиться предметом
отдельного рассмотрения.
В данной главе акцентировано внимание на принципах построе-
ния блоков (модулей), функциональное назначение и сложность
которых определяется применением их в различных цикловых и
позиционно-контурных системах управления ПР.
4.1.	Управляюще-вычислительные модули
В описанных ранее системах циклового программного управ-
ления (ЦПУ), построенных по принципу жесткой реализации алго-
ритма управления, в качестве управляюще-вычислительного модуля
использован микропрограммный автомат. Основной функцией такого
модуля является формирование, в соответствии с требуемым алго-
ритмом, микроопераций (управляющих импульсов) для выдачи их
в операционные узлы и другие функциональные блоки.
Задание микропрограммы в данном случае осуществляется обычно
с помощью граф-схемы или логической схемы алгоритма. Инженер-
ная методика проектирования микропрограммных автоматов из-
вестна и достаточно подробно изложена в работах ПО, 291 Рас-
смотрим в связи с этим принципиальную организацию построения
управляющих автоматов, построенных на основе жесткой и про-
граммируемой логики управления.
87
Рнс. 4.1. Структурная органи<ацич
управляющего автомата на жссткоц
логике:
I — схема формирования выходных
смгнв.юв*, 2 — схема формирование
функций возбуждения; 3 — дешифр*.
тор состояний; 4 — буферный ре-
гистр; 5 — память возбуждения; б —
схема пуска-останова
Примером структурном
организации управляющего
автомата на жесткой логике
может служить схема, пока-
занная на рис. 4.1. Собственно
управляющий автомат со-
стоит из двух основных ча
стен—памяти н комбинаци-
онной части.
Функционально комбина
цпоиная часть содержит: де
шифратор состояний автомата; схему формирования функций выхода;
сх ’.му формирования функций возбуждения.
В большинстве случаев при построении управляющих автоматов
пользуются моделью автомата Миля, в которой выходные сигналы,
вырабатываемые в процессе перехода из состояния в состояние,
и сигналы возбуждения элементов памяти являются логическими
функциями состояния автомата и набора входных логических усло-
вий, поступающих с внешних по отношению к автомату операцион-
ных узлов.
Память автомата строится, как правило, по двухъярусной схеме
и включает память возбуждений и буферный регистр.
Синхронизация автоматов с двойной памятью производится
с помощью двух последовательностей синхронизирующих импульсов
СИ и СИ. Первая последовательность импульсов обеспечивает ра-
боту комбинационной части, а вторая необходима для переписи
состояния триггеров памяти возбуждений в буферный регистр.
Для нормальной работы управляющего автомата в качестве до-
полнительного узла в его состав обычно включают схему пуска-
останова, которая устанавливает в исходное состояние элементы
памяти возбуждений при включении питания или по сигналу пуска
и открывает вентиль для выдачи синхронизирующих сигналов иа
комбинационную часть.
Рассмотрим принцип работы данного автомата.
При поступлении импульса запуска на схему пуска-останова
формируется сигнал сброса элементов памяти возбуждений в ис-
ходное состояние, которое по импульсу СП переписывается в бу-
ферный регистр. Исходное состояние автомата далее дешифри-
руется и поступает на вход логических схем формирования выход-
ных сигналов и функций возбуждения, на которые также поданы
потенциальные сигналы логических условий, анализируемые авто-

унтом по алгоритму. Схема пуска-останова открывает вентиль,
пропускающий на комбинационную часть тактирующею серию им-
пульсов (СИ). По первому импульсу этой серии комбинационной
частью в соответствии с граф-схемой алгоритма формируются (вы-
рабатываемые при переходе из исходного состояния) выходные
сигналы, поступающие на операционные узлы, и сигналы возбуж-
дения элементов памяти, определяющие очередное состояние авто-
ата. По импульсу СИ сформированное состояние переписывается
в буферный регистр, дешифрируется и поступает на логические
схемы комбинационном части, подготавливая их к работе в очеред-
ном такте. В дальнейшем по мере подачи синхронизирующих сиг-
налов автомат, отрабатывая алгоритм, повторяет описанный цикл
работы.
Рассмотришь структурная организация управляющего авто-
мата является эффективной прн построении автоматов с большим
числом состояний и сильно ветвящимися алгоритмами.
При построении простых автоматов с относительно небольшим
числом состояний (ориентировочно до 15—30) и в основном после-
довательным характером алгоритма оказывается целесообразной
структурная схема автомата, изображенная па рис. 4.2.
Для данной схемы характерно то, что в качестве памяти авто-
мата используется асинхронный счетчик, обладающий свойствами
двойной памяти. В этом случае отпадает необходимость формиро-
вания функции возбуждения в ветвях алгоритма с последователь-
ными операторами. Ветвление алгоритма производится за счет записи
счетчиком кода требуемого состояния, который формируется с по-
мощью шифратора, функционально выделенного в комбинационной
части. Код очередного состояния вырабатывается в зависимости от
значения набора входных логических условий. Сигнал загрузки
счетчика при ветвлении формируется специальным вентилем, управ-
ляемым от шифратора очередного состояния.
Организация такого управляющего автомата позволяет приме-
нить в качестве дешифратора и счетчика ИМС средней степени
интеграции, что обеспечивает ком-
пактность аппаратной реализации.
Другим направлением в реализа-
ции микропрограммных автоматов
управления является использование
их структурной организации па ос-
нове программируемой логики 129].
В осиоветаких автоматов лежит прин-
цип программного управления, в ко-
тором использована онерационпо-ад-
Рис. 4.2. Структурная схема управляющего ав-
томата со счетчиком состояний:
1	— схема формирования выходных сигналов;
2	•- шифратор очередного состояния; 3 —
Дешифратор состояния; 4 — счетчик состояний
89
Микрооперации Входные лоеичес чие усладив
Рис. 4.3. Структур,, ,
схема упражаяюще, 0
автомата с прогр м.
мируемой логикой:
1 — дешифратор мик-
роопераций; 1 — и, „
мутатор логических
условий; 3 — коми-
татор адреса: 4 __
распределитель им-
пульсов
ресная структура управляющих слов. Управляющее слово определяет
порядок функционирования автомата в течение одного такта (микро
команда). Каждая микрокоманда содержит информацию о выдаваемых
в такте микрооперациях и об адресе следующей микрокоманды
Структура управляющего автомата с программируемой логикой
изображена на рис. 4.3. Микропрограмма работы автомата хранится
в ПЗУ, в каждой ячейке которого записана одна микрокоманда.
Считываемые из ПЗУ микрокоманды заносятся в специальный ре-
гистр для текущего хранения на время одного такта. Каждая микро-
команда состоит из четырех информационных полей;
номера выдаваемой в такте микрооперации;
номера опрашиваемого логического условия;
адресов для принудительной адресации очередной микрокоманды
(Ло или Л1).
Микрооперации формируются с помощью тактируемого дешифра-
тора, подключенного к соответствующему регистру микрокоманд.
Опрос логических условий производится коммутатором, адресуемым
полем номера логического условия в регистре микрокоманд. Пере-
дача из регистра микрокоманд адресов Ло и А, в регистр адреса (РА)
ПЗУ осуществляется с помощью коммутатора, управляемого с вы-
хода коммутатора логических условий. В случае, если состояние
опрашиваемого логического условия равно нулю, то в адресный
тракт передается адрес Ло, в противном случае — адрес Ль
Местное управление работой автомата осуществляется с помощью
распределителя тактирующих мипульсов, работающего по жест-
кому циклу:
чтение в регистр микрокоманд;
тактирование дешифратора микроопераций;
занесение в адрес очередной микрокоманды в РА ПЗУ.
Считанная из ПЗУ микрокоманда обрабатывается следующим
лбсазом. Код номера микрооперации поступает на дешифратор, так-
р><мыи от распределителя импульсов. В момент прихода импульса
«Выдача» формируется микрооперация, поступающая в операцион-
ные узлы. При данной структуре автомата в каждом такте может
выполняться не более одной микрооперации. После выполнения ми-
крооперации осуществляется переход к очередной микрокоманде
пе адресу Ао или А,, определяемому в результате анализа состояния
ьсдовия с номером, указанным в микрокоманде. А трее перехода по
импульсу «Запись в РА> вносится в регистр адреса ПЗУ. Управляю-
щие автоматы с программируемой логикой включают также схему
п\ска-останова, приведенную на рис. 4.1.
Путем введения ряда дополнительных узлов можно обеспечить
одновременную выдачу нескольких микроопераций и высокий коэф-
фициент использования емкости ПЗУ (291. Среди достоинств данной
структурной организации отметим возможность схемной реали-
<ации автомата на базе серийно выпускаемых СПС и БИС ПЗУ,
что позволяет существенно сократить аппаратурные затраты. Од-
нако по сравнению с управляющими автоматами иа жесткой логике
автоматы с программируемой логикой обладают более низким бы-
стродействием.
Рассмотренные принципы структурной организации микропро-
граммных автоматов использованы при построении цикловых уст-
ройств УЦМ-30, УЦМ-663 и легли в основу управляюще-вычисли-
тельных модулей при создании позиционных устройств типа УПМ-772.
Прогресс в развитии микропроцессорной техники выявил эф-
фективность использования в локальных и особенно групповых
средствах программного управления промышленными роботами
циклового и позиционно-контурного типов в качестве управляюще-
вычислительных модулей микропроцессорных наборов и стандарт-
ных мнкроЭВМ различной конфигурации.
Структурная схема микроЭВМ содержит в общем случае пять
основных частей: микропроцессор, схемы формирования сигналов
внутреннего интерфейса и тактирования, оперативно-запоминающее
устройство (ОЗУ), ПЗУ и устройства ввода-вывода.
Ядром микроЭВМ является микропроцессор, состоящий из одной
или нескольких БИС, выполняющий функции по логической обра-
ботке информации. Организация микропроцессора ориентирована
на достижение универсальности его использования, высокой произ-
водительности и технологичности.
Универсальность микропроцессоров (МП) определяется возмож-
ностью их разнообразного применения и обеспечивается программ-
ным управлением МП и специальными аппаратно-логическими сред-
ствами: использованием внутренней сверхоперативной памяти, раз-
витой системой прерывания, магистральной организацией внутрен-
них и внешних шин.
Принципиальной особенностью всех микропроцессорных систем
является наличие унифицированного для модулей магистрального
интерфейса, по которому они обмениваются информацией с про-
91
цессором. Б<. ынинство МП самостоятельно не может формир - т,
все системы внутрисистемного интерфейса из-за ограничений PJ
число выводов корпуса микропроцессора и их ограниченной натру!
зочной способности. Для этой пели в составе микроЭВМ предке а
тривают специальные схемы, как правило, сходящие в микрон; ц!
цессорный набор В ряде случаев специа.1Ь«ые схемы приходи; я
применять для формирования тактовых импульсов, сипхрепп >ц.
рующпх работу МП.
К внутреннему интерфейсу микроЭВМ подключены все осисвеые
функциональные узлы как самой микроЭВМ, так и все внешние п0
отношению к ней модули.
Программа, по которой работает микроЭВМ, хранится в постоян-
ном запоминающем устройстве и не разрушается при отключении
питания. Для хранения данных в составе микроЭВМ предусмотрен.»
ОЗУ. Кроме 03$' и ПЗУ остальные функциональные узлы микроЭВМ
по отношению к МП рассматриваются как устройства ввода-выво ы,
в том числе блоки приоритетных прерываний, каналы последова-
тельной передачи данных, программируемые таймеры и т. п.
Функциональные возможности, архитектура и особенности при-
менения микропроцессоров достаточно широко освещены в техни-
ческой литературе (см., например, работы 130, 50 и др. I).
Выбор типа микропроцессора для построения микроЭВМ про-
изводят на основе анализа технических требований, предъявляемых
к функциям микроЭВМ, выполняемым в управляющем устройстве
В цикловых устройствах на микроЭВМ в основном возлагаются
функции логической обработки информации. МикроЭВМ выпол
няет также ряд вспомогательных функций по настройке программи-
руемых БИС ввода-вывода, организации работы каналов последо-
вательной передачи данных и т. п. Требования к быстродействию
МП определяются организацией мультипрограммного режима работы
микроЭВМ при одновременном управлении несколькими коорди-
натами одного манипулятора и одновременном управлении несколь-
кими манипуляторами. При выборе типа МП следует учитывать
возможности организации развитой периферии, т. е. выбор БИС
должен обеспечивать требуемое и компактное построение всей микро-
процессорной системы управления. Получивший применение микро-
процессорный набор типа КР580 имеет в своем составе БИС кон-
троллера прерываний, программируемого таймера, параллельного
программируемого адаптера, контроллера прямого доступа в память
и т. д. Собственно микропроцессор рассматриваемого набора обла-
дает развитой системой команд, позволяющей обрабатывать 8- и
16-разрядные слова, имеет удовлетворительное быстродействие
(время выполнения простых операций — 2 мкс) и т. д. В позицион-
но-контурных системах управления на микроЭВМ возлагаются
задачи обработки информации: в контуре управления приводами,
интерполяции, различных видов коррекций траектории и т. д.
Для решения таких задач более эффективным оказывается микро-
процессорный набор с процессором КР1810ВМ86. Успешное выпол-
нение задачи позиционно-контурного управления достигается также
92
Рис. 4.4. Структурная схема пробуемно-орпентнроааиной микроЭВМ на базе МПН KPS80
с применением стандартных микроЭВМ, например, типа «Электро-
ника-60» или других различной производительности.
Рассмотрим структуру микроЭВМ на примере управляюще-вы-
числительного модуля, устройства циклового управления, построен-
ного на базе МПН КР580 (типа УЦМ-100).
На рис. 4.4 приведены состав микроЭВМ и основные связи между
функциональными узлами. Внутренний интерфейс микроЭВМ со-
держит:
шину данных, по которой производится двунаправленный обмен
Данными между отдельными составными частями микроЭВМ;
адресную шину, которая служит для адресации памяти и пери-
ферийного оборудования;
управляющую шину, которая обеспечивает согласованную ра-
боту составных частей микроЭВМ и управляет процессами передачи
данных по внутреннему интерфейсу.
Обработка информации в микроЭВМ осуществляется микропро-
цессором типа КР580ИК80А. Его структура, состав системы команд
и принцип работы подробно изложены в работе 1221.
93
Тактирование МП и управление внутренним интерфейсом нпД
изводятся с помощью ИМС КР580ГФ24 н КР580ВГ28. Генератор
тактовых сигналов синхронизирует работу микропроцессора и
помощи двух временных сигналов Ф1 и Ф2, вырабатывает ряд bi mJ
могательных сигналов системного интерфейса, в том числе сигналу
системного сброса и системной готовности. В функции генератор^
тактов входит также формирование сигнала приема слова-сос <>я-
ння в системный контроллер. Последний обеспечивает управление
буфером шины данных процессора и формирование сигналов ши
управления.
Для повышения нагрузочной способности адресной шины на
выходе адресного тракта МП установлен буфер из шинных форми-
рователей тина К589АМ6, настроенных на передачу адресной ин-
формации от МП в шину адреса.
Микропроцессор, генератор тактов, системный контроллер и
буфер адреса составляют ядро мнкроЭВМ. Проблемная ориентация
мнкроЭВМ достигается за счет применения БИС МПН соответствую-
щей функциональной номенклатуры и комплектования мнкроЭВМ
ОЗУ и ПЗУ необходимой емкости. В состав микроЭВМ при построе-
нии управляющих систем входят обычно БИС блока приоритетных
прерываний, программируемого таймера и программируемого связ-
ного адаптера.
Блок приоритетных прерываний, реализованный на БИС
КР580ВН59, предназначен для управления процессом обслуживания
многоуровневых прерываний от различных блоков. Программируе-
мый блок приоритетных прерываний увеличивает пропускную спо
собиость системы: одна БИС типа КР580ВН59 обеспечивает возмож-
ность обработки восьми сигналов — запросов прерывания. Путем
каскадного включения таких микросхем число запросов прерывания
можно расширить до 64. Каждый сигнал блока соответствует опре-
деленному уровню прерывания. Приоритет различных уровнен
задается путем программирования н может быть «замаскирован»
записью соответствующего кода в регистр маски, предусмотренныи
в микросхеме.
Включение блока приоритетных прерываний в состав микроЭВМ
современных устройств управления ПР необходимо для решения
задач группового управления манипуляторами в реальном масштабе
времени и организации связи с ЭВМ верхнего ранга и терминалами.
С этой же целью в состав микроЭВМ включают также программируе-
мый таймер, обеспечивающий формирование временных задержек
различного назначения.
Таймер содержит три 16-разрядных счетчика и схему управле-
ния, которая «настраивает» счетчики на различные режимы работы
(деление частоты на заданное число, отсчет определенной выдержки
времени и т. п.). Режимы работы задаются путем программирования
таймера.
Связь с ЭВМ верхнего ранга может быть организована по каналу
последовательной передачи данных. Для выполнения этой функции
в МПИ КР580 предусмотрена БИС типа КР580ИК51 — программи-
94
иый связной адаптер, представляющий собой универсгл! ный
t'*хг( нно-асннхронный передатчик, настраиваемый практически
" 1кб(й способ передачи с помощью программирования. БИС
₽ |ОГО адаптера не может непосредственно обеспечить связь по
^„довательному каналу с удаленными на несколько метров объ-
гтамн. Л Я этого в составе мнкроЭВМ предусмотрена специальная
Е(ма ИРИС (интерфейса радиального последовательного), которая
содержит оптронные «развязки» и стабилизатор тока в «петлях»
и много и передающего трактов. В соответствии с действующими
2Л)|Дартами канал ИРПС обеспечивает передачу информации на рас-
стоипне до 500 м со скоростью9600 бит с. Для хранения функциональ-
нее программного обеспечения в микроЭВМ имеется Г13У емкостью
б байт. ПЗУ выполнено на БИС с ультрафиолетовым стиранием
”,формации, что обеспечивает возможность коррекции программ.
ОЗУ выполнено на БИС малого потребления и имеет емкость
Е бант.
Для кратковременного хранения данных при аварийном отклю-
кнпп питания предусмотрена возможность внешней подпитки
(например, от аккумулятора).
Рассмотренная структура микроЭВМ является проблемно-ориен-
тированной в широком смысле, т. е. может быть использована ие
только при построении устройств управления ПР, но и при созда-
нии систем управления и контроля, работающих в реальном мас-
штабе времени.
4.2.	Прогрммно-задающне модули
В устройствах циклового программного управления в зависи-
мости от их конкретного назначения используются различные типы
программоносителей: «жесткие» коммутационные поля, перфокарты,
штекерные диодные матрицы, интегральные ЗУ с сохранением ин-
формации при отключениях питания и т. д. Перспективным направ-
лением в построении программно-задающих модулей для таких
устройств следует считать использование БИС ОЗУ малого потреб-
ления энергии и ППЗУ с электрическим стиранием информации.
На рис. 4.5 показана структурная схема организации программо-
носителя на основе ОЗУ малого потребления. Наиболее распро-
страненной является одноразрядная организация БИС ОЗУ, позво-
ляющая сократить число выводов микросхемы памяти. Блоки па-
мяти с требуемой разрядностью формируются параллельным под-
ключением к адресной шине БИС одноразрядных ОЗУ. При этом
выборка микросхем осуществляется одновременно. Входы и вы-
ходы блока подключаются к соответствующим разрядам шины
данных.
Для подпитки микросхем памяти предусматривается источник
резервного питания — батарея элементов, аккумулятор или иони-
стры. Подключение питания от резервного источника производится
через диодную развязку (с системой вторичного питания устройства).
S5
Рнс. 4 S. Структурная схема программоносителя на основе ОЗУ малого потребхеи а
При работе БИС O3N во избежание потери пнформаини запре-
щается одновременное изменение состояния сигналов адресною
тракта и состояния сигнала выборки. Однако в момент включения-
выключения питания, когда в логических цепях устройства проте-
кают переходные процессы, возникновение указанной ситуации
вполне возможно. Для защиты информации, хранящейся в памяти,
предусматривается специальная схема, которая блокирует сигнал
выборки кристаллов при исчезновении питания, вырабатываемого
источником питания устройства.
Применение химических источников резервного питания сопря
жено с определенными трудностями их тепловой защиты Исполь-
зование большинства химических батарей и аккумуляторов не допу-
скается при температурах 50—60 С, возникающих в шкафах систем
управления при эксплуатации в ряде машиностроительных произ-
водств. Определенные ограничения на применение в качестве про-
граммоносителей БИС ОЗУ малого потребления накладывают по-
вышенные габаритные размеры источников резервного питания.
Другим направлением в разработке программоносителей цикло-
вых устройств является использование БИС ППЗУ с электрической
перезаписью информации. Структурная схема одного из возможных
вариантов таких программоносителей изображена на рис. 4 6
БИС ППЗУ имеют организацию 1024x4 бит и поэтому объединены
попарно. Выборка пар микросхем осуществляется с помощью де-
шифратора ДС, подключенного к внутренней адресной магистрали
модуля.
Связь модуля ППЗУ с процессором производится через програм
мируемый параллелельный интерфейс — БИС КР 580ИК55, обеспе
чнвающий формирование требуемых временных диаграмм при за-
писи и считывании информации в/нз ППЗУ. Возможность наращи-
вания числа моду тем ППЗУ достигается путем установки селектора
и переключателя набора номера модуля. Использование в модуле
ППЗУ БИС программируемого параллельного адаптера позволяет
96
упростить аппаратную реализацию «обрамления» микросхем памяти
за счет программной реализации циклов записи и регенерации ин-
формации.
В позиционно-контурных устройствах программного управления
ПР в качестве внешних программоносителей используют обычно
накопители на магнитной ленте или гибких магнитных дисках
([флоппи-диски»). Применение таких носителей главным образом
для записи и хранения управляющих программ и контрольно-диаг-
ностических тестов обеспечивает определенные удобства для органи-
вации библиотеки «обученных» программ, комплекта проверочных
тестов для проведения профилактических работ, а также программ-
ного обеспечения устройств в целом.
Рассмотрим вариант организации блока ввода-вывода информа-
ции с кассетного накопителя на магнитной тенте (КНМЛ), исполь-
зуемого в качестве внешнего программоносителя в устройствах
типа УПМ-331 и УПМ-772. КНМЛ представляет собой электроме-
ханический блок с электронным управлением, обеспечивающим
запись информации при перемещении ленты в одном направлении
(вперед), а воспроизведение — при перемещении ленты в обоих
направлениях (вперед или назад).
КНМЛ работает со стандартной кассетой типа МК-60 с допол-
ните тыю обозначенными маркерами начала и конца ленты. Для
работы с КНМЛ следует использовать специальную магнитную ленту
для записи числовой информации.
Запись программы на магнитной ленте производится по двум
дорожкам. При этом, если дорожка 2 насыщается в полярности
стирания, в то время как дорожка 1 насыщается в противоположной
полярности, то такое положение характеризует бит информации,
соответствующий «1». Если же дорожка 3 насыщается в полярности
стирания, а 2 — в противоположной полярности, то такое положе-
ние характеризует бит «О».
Рис. 4.6. Структурная схема программоносителя на базе БИС ПИЗУ с электрической пере-
записью информации
4 П р II. М- Макарова
97
Рис. 4.7. Структурная схема блока вкода-вывода информации из КНМЛ:
/ -* схема формирования импульсной а а пней на ленту: 2 —- приемный регистр: 3 — схема
формирования призиакоо информации; 4 — регистр режимов; 5 — схема управления КНМП:
а — схема формирования признаков управления; / — схема формирования признаков на-
чала-конца ленты; 8 — схема сравнения маркеров зон; 9 — выходной регистр; 10 — схема
приема информация из КНМЛ; 11 — схема формирования гактируюших сигналов
Программа на ленту записывается по предварительно разме-
ченным зонам определенной длины.
На рнс. 4.7 приведена структурная схема блока ввода-вывода
информации из КНМЛ, содержащая функционально узлы ввода-
вывода информации (УВВ), формирования тактирующих сигналов
и импульсов записи иа магнитную ленту (УФТЗ), управления (УУ).
Блок обеспечивает работу КНМЛ в режимах поиска зоны на ленте
при ее движении вперед или назад, чтения и записи информации,
ускоренной перемотки ленты и т. д.
Информация о режиме работы поступает из устройства в прием-
ный регистр УВВ и переписывается далее в регистр режимов УУ.
После завершения работы блока в заданном режиме формируется
признак конца операции, который запрещает работу лентопротяж-
ного механизма.
В режимах поиска зоны блок обеспечивает поиск заданной зоны
и останов ленты в положении, готовом к чтению пли записи инфор-
мации в зоне. Режимы поиска зоны отличаются лишь первоначаль-
ной установкой направления движения. После приема блоком
данного режима и начала движения ленты в УУ формируется признак,
разрешающий запись в приемный регистр кода маркера зоны, кото-
рую необходимо найти на ленте. Затем на один вход схемы срав-
нения поступает код маркера текущей зоны, считываемый с движу-
щейся ленты, а на другой — код маркера заданной зоны из прием-
ного регистра.
Процесс сравнения маркеров продолжается до тех пор, пока не
будет найден маркер заданной зоны. Совпадение маркеров вызы-
вает останов ленты.
В режиме чтения информации в зоне при наличии сигнала раз-
решения осуществляется запись считываемой с ленты информации
в приемный регистр и производится подсчет бит информации. После
учитывания полного байта информация переписывается нз прием-
ного регистра в выходной регистр. Формируемые при этом признаки
управления в УУ разрешают выдачу байта информации в устройство
управления.
Процесс считывания информации и передачи ее в устройство
продолжается до поступления команды управления из устройства,
в результате которой движение ленты прекращается.
В режиме записи информации в приемный регистр записывается
бант информации. Пр наличии разрешающего признака из УУ осу-
ществляется перепись байта в схему формирования импульсов
записи на ленту. Информация, поступающая из приемного регистра,
стробируется импульсными сигналами, в результате чего сформи-
рованные импульсы *0» и «1» подаются из УФТЗ в КНМЛ на уси-
лители записи. Схема формирования конца байта подсчитывает
число бит информации, записанных на ленту. После записи байта
информации в У У формируется управляющий признак, разрешаю-
щий передачу в приемный регистр очередного байта информации.
Работа блока в данном режиме прекращается после получения
управляющей команды нз устройства управления. В режиме пере-
мотки ленты управляющий сигнал непосредственно из регистра
режимов передается на КНМЛ. При этом сигналы движения вперед-
назад блокируются.
Следует отметить, что с помощью специальной схемы блока маг-
нитная лента предварительно подвергается «разметке» на опреде-
ленные зоны. В процессе выполнения этой подготовительной опера-
ции осуществляется последовательная запись и считывание контроль-
ной информации по зонам, в результате чего пользователь получает
достоверную картину о качестве участков (зон) магнитной ленты
перед занесением на нее информации. По существу блок ввода-
вывода представляет собой «контроллер», организация которого
может быть различной в зависимости от возлагаемых на него функций.
Например, блок может быть выполнен на основе микропроцессор-
ной техники или реализован в виде простейшего интерфейсного блока
при передаче функций управления центральному вычислителю.
Использование программоносителей на магнитной ленте в устрой-
ствах управления ПР с целью повышения надежности изделия в це-
лом целесообразно осуществлять путем загрузки буферной опера-
тивной памяти всем массивом управляющей программы, необходимой
для данного автоматизируемого процесса управления.
4.3.	Управление приводами
Технические требования к системе управления движением ПР.
Многозвенный механизм, несущий рабочий орган ПР, как объект
управления может быть отнесен к наиболее сложным — его харак-
теризуют наличие зазоров и упругих деформаций, переменный
4*	99
Рис. 4.8. Обобщенная структурная схема систему
автоматического управления движением
характер нагрузки и широкий диапазон изменения скорости. В то же
время к системе управления движением ПР обычно предъявляют
комплекс жестких и во многом противоречивых требований: высо-
кое быстродействие при заданной плавности движения, отсутствие
перерегулирования, высокая точность отработки задания, устой-
чивость в широком диапазоне изменения нагрузки; минимальная
масса и габаритные размеры исполнительных элементов; повышен-
ная надежность в работе; удобство ремонта и обслуживания; высо-
кая технологичность и максимальная унификация узлов и деталей.
При всем разнообразии принципов управления и конкретных
технических решений система автоматического управления (САУ)
движением ПР может быть представлена обобщенной структурной
схемой, показанной на рис. 4.8.
САУ содержит блок задания программы (БЗП), блок формиро-
вания управляющих воздействий (БФВ), усилитель мощности (УМ),
исполнительный элемент (ИЭ), передаточный механизм (ПМ), объект
управления (ОУ) и информационно-измерительную систему (ИС).
На схеме условно показан один канал управления. САУ про-
мышленного робота обычно содержит несколько каналов управле-
ния, объединенных общей целью — перемещение рабочего органа
ПР. Тип управления для различных степеней подвижности может
быть различным. Так, управление захватом в большинстве случаев
цикловое — от упора до упора. Такой же тип управления часто
применяют для ориентирующих степеней подвижности. Название
системе дает тип управления основными степенями подвижности,
выполняющими геометрическое перемещение рабочего органа.
САУ имеет, как правило, один общий БЗП, включающий память
программ, и логико-вычислительное устройство, выполняющее пер-
вичную обработку команд программы и выдачу их на входы кон-
туров управления положением в согласованной форме. Вы чача
команд обусловлена наличием ответного сигнала об исполнении
предыдущих команд (по всем степеням подвижности) пли отсчетом
времени.
Блок БФВ предназначен для формирования управляющих сиг-
налов, непосредственно воздействующих на приводы робота. Исход-
ной информацией для БФВ служит задание на перемещение от БЗП,
а также информация о состояниях приводов и звеньев манипуля-
тора, поступающая от ИС. Прн управлении в функции времени
обратная связь через ИС может не использоваться.
Блоки УМ, ИЭ и ПМ составляют разомкнутый привод звена
манипулятора (ОУ).
100
Требования к САУ и ее элементам могут существенно различаться
-ля различных типов управления п вариантов исполнения.
еду позиционного типа должна обеспечивать перемещение ра-
бочего органа ПР из точки в точку за минимальное время с затан-
ным качеством движения. Требования к качеству движения — огра-
ничения по скорости н ускорению, отсутствие перерегулирования,
точность позиционирования вытекают прежде всего из технологи-
ческого процесса, но могут быть и следствием ограниченных воз-
можностей привода или механизма в целом. В качестве примера
можно указать на ограничение по второй производной, связанное
со способностью захвата удерживать деталь максимального веса
при разгоне и торможении привода.
Поскольку требования к качеству движения противоречат тре-
бованию максимального быстродействия, большое значение имеет
возможность переключения параметров САУ с целью обеспечения
тех inn иных качеств только в случаях, когда они действительно
необходимы, и в той мере, которая требуется по технологическому
процессу.
Необходимо отметить, что построение САУ с оптимальным управ-
лением связано с соответствующим увеличением ее стоимости, а также
снижением надежности. Поэтому в большинстве разработок роботов
с позиционным управлением используют упрощенные решения,
допустимые для круга задач, на которых специализирован данный
робот. Так, в роботах с цикловым управлением необходимая точ-
ность и плавность движений достигается механическими средствами—
упорами и амортизаторами, при этом функция управления сводится
к выполнению простейших логических операций, а силовые элементы,
цифровые но своей природе, могут быть выполнены простыми и
надежными. Тот же эффект может быть получен в роботах много-
позпиионного типа с релейным (сту пепчатым) управлением при
использовании двигателей, имеющих высокие эксплуатационные
характеристики, но трудно управляемых по скорости (электриче-
ские переменного тока, пневматические п др ). Роботы с упрощенными
техническими решениями САУ используют преимущественно для
выполнения простых транспортных операций. Более сложные дви-
жения, требующие сочетания высокой производительности, точности
и плавности, а также малые перемещения (например, прн точечной
сварке) предполагают использование качественного регулируемого
привода, точных преобразователей положения и схемы управления
с достаточно широкими логико-вычислительными возможностями.
Типовая структурная схема замкнутого контура управления
положением показана на рнс. 4.9. Контур управления положением,
охваченный главной обратной связью, включает (в качестве объекта
у прав тения) контур управления скоростью, который, в свою оче-
редь, может включать другие подчиненные контуры, например кон-
тур управления по току якоря Такой принцип построения САУ
позволяет настраивать контуры независимо и более точно, добиваясь
необходимою качества работы системы. Скоростной контур кроме
разомкнутого привода II обычно содержит последовательные (КУ)
101
Рнс. 4 Л. Типовая структурная схема
минутого контура управления пол
мнем
и параллельные (ДС) корректирующие устройства. Входной сигнал
на контур управления скоростью поступает с выхода преобразую’
щего устройства ПУ, использующего информацию о рассогласова-
нии по положению, вырабатываемую устройством сравнения. Об-
ратная связь по положению выполняется с помощью аналогового
или цифрового датчика положения (ДП), механически связанного
со звеном манипулятора.
Идеальная диаграмма скорости, отвечающая требованию мак-
симального быстродействия с учетом ограничения по второй произ-
водной, имеет вид равностороннего треугольника. В реальной си-
стеме, как правило, имеет место естественное или искусственное
ограничение скорости, что деформирует диаграмму скорости. Харак-
теристика управления, формируемая ПУ, должна обеспечивать
максимальное приближение к идеальной диаграмме скорости. При
этом учитываются статические и динамические характеристики ско-
ростного контура. На этапе разгона сигнал управления скоростью
формируется в функции времени. Однако на этапе торможения такой
способ может привести к значительной погрешности позициониро-
вания. Действительно, нз формулы равиозамедленного движения
путь торможения
о, =» а£/(2а),
где do — начальная скорость; a — замедление. Из формулы сле-
дует, что относительная погрешность пути Aa/aT более чем в 2 раза
превышает относительную погрешность начальной скорости Ad/ae,
достигающую в статической системе регулирования нескольких
процентов. В ряде разработок рассогласование, при котором начи-
нается торможение (в функции времени), поставлено в зависимость
от квадрата начальной скорости. Однако и в этом случае для повы-
шения точности в окрестности точки позиционирования используют
управление в функции рассогласования 1681.
Другой, наиболее распространенный способ торможения пред-
полагает управление скоростью в функции рассогласования на всем
пути торможения. Для обеспечения равиозамедленного движения
скорость а должна быть связана с рассогласованием А параболи-
ческой функцией
d «= >/ 2 Ad
При пропорциональной статической зависимости скорости от сигнал*]
управления az имеем
а = Каг\ dx =	2 Ad,
102
4 10 Х»Р**теР“ст",1а управления pz) и диаграмма cao-
г*- рости (0)  оарестностн точен позиционирования
где К — крутизна статической характеристики
скоростного контура.
Инерционность привода вносит запаздывание
скорости относительно сигнала управления,
поэтому характеристику управления в окрест-
ности точки позиционирования формируют таким
образом, чтобы позиционирование осуществля-
лось без перерегулирования. Широко распрост-
раненным приемом является доводка привода на
фиксированной («ползучей>) скорости, обеспечивающая, с одной
стороны, отсутствие перерегулирования и, с другой, — необходи-
мым уровень чувствительности системы. На рис. 4.10 показаны
кривые изменения а, и d в окрестности точки позиционирования.
Зону рассогласования Дь соответствующую сигналу ползучей ско-
рости, выбирают исходя из максимальной величины запаздывания
скорости, полученной путем моделирования системы или экспери-
ментально, при наладке робота. Потеря времени при доводке на
ползучей скорости зависит от величины разброса диаграммы ско-
рости, показанного на рис. 4.10 заштрихованной зоной. Разброс
является следствием переменного момента нагрузки, а также изме-
нения параметров системы под влиянием внешних условий. Факторы,
влияющие на разброс скорости, частично могут быть учтены про-
граммно (например, вес перемещаемой детали или радиус пово-
рота), однако такой способ связан с усложнением процесса обуче-
ния, поэтому основным путем повышения производительности ро-
бота с позиционным управлением является улучшение статических
и динамических свойств скоростного контура.
Формирование сигнала управления в зоне останова связано
с проблемой фиксации манипулятора в заданной позиции. При на-
личии самотормозящейся передачи от двигателя к звену манипуля-
тора для фиксации звена достаточно снять управляющий сигнал.
Если же передача обратима по нагрузке, то после снятия управ-
ляющего сигнала момент неуравновешенности звена выводит его
из зоны останова, вследствие чего возникают автоколебания, ампли-
туда которых при определенных условиях может превышать допу-
стимый уровень. Одним из средств снижения амплитуды колебаний
является введение дополнительного постоянного момента сопро-
тивзения, что, однако, невыгодно в энергетическом отношении.
Компенсация момента неуравновешенности может быть достигнута
также использованием активного момента двигателя. Для такой
компенсации необходима непрерывная характеристика сигнала уп-
равления в зоне останова (рис. 4.10), которая может быть получена
при сравнении заданного и текущего положения в аналоговой форме.
При использовании цифрового сравнения также может быть по-
строена условно-непрерывная характеристика, что, однако, требует
103
значительного превышения разрешающей способности цифрового
датчика положения или АЦП по отношению к требуемому.
Еще одним решением проблемы фиксации является прнмене! е
фрикционных муфт, вводимых в действие в точке позиционирования.
Преимущество применения таких устройств состоит в том, что с
помощью может быть решена другая проблема — предотвращению
самопроизвольного движения манипулятора при аварийном отклю-
чении питания, что весьма важно для целого ряда технологических
процессов. В системах с электроприводом или пневмоприводом
с этой целью часто используют муфты трения, автоматически вво-
димые в действие при отключении питания (или снятия сигнала
управления). В системах с гидроприводом с релейным управлением
для фиксации механизма используют эффект «гидрозамка». В регу-
лируемом гидроприводе этот же эффект может быть достигнут при-
менением специальной конструкции электрогидравлнческого пре-
образователя, обеспечивающего практически полное перекрытие
при нулевом сигнале. Примером такой конструкции является золот-
ник «Муг» (Moog), используемый в роботах типа «Юнимент» (Uni-
mate, США).
Кроме выполнения отмеченных выше функций — управления
разгоном и торможением привода, фиксации в заданной позиции —
блок ПУ должен вырабатывать также сигнал окончания отработки
команды позиционирования. Как правило, для большинства пози-
ций не требуется точного позиционирования, поэтому сигнал испол-
нения команды выдается по достижении заданного программой рас-
согласования. Обычно предусматривают несколько градаций точ-
ности, переключаемых в соответствии с требованиями управляемого
процесса, что, в частности, позволяет обходить препятствия без
снижения скорости. После выдачи сигнала исполнения движение
обычно продолжается до достижения максимальной точности.
В отличие от позиционной системы задача контурной системы
состоит в отслеживании непрерывно изменяющегося задания по по-
ложению. Структурная схема контура управления положением
совпадает со схемой позиционного управления при соответствующем
изменении функций блоков БЗП и ПУ. БЗП генерирует с определен-
ной частотой последовательность заданий по положению, состав-
ляющих траекторию движения. Частота выдачи заданий должна
быть достаточно высокой, чтобы дискретность не отражалась (прак-
тически) на плавности движения механизма и устойчивости системы.
Преобразующее устройство ПУ, выполняющее роль регулятора
положения, обеспечивает преобразование формы сигнала управ-
ления скоростью и необходимый коэффициент усиления. Применяют
и другие типы регуляторов положения (например, пн-регулятор),
что придает системе требуемые динамические свойства.
Отслеживание траектории выполняется со статической ошиб-
кой, величина которой определяется коэффициентом усиления ПУ
и скоростью движения При постоянной скорости движения рабо-
чего органа скорости движения отдельных звеньев манипулятора
могут изменяться в широком диапазоне, что вызывает динамиче-
104
скую ошибку II соответственно повышенные требования к динами-
ческим свойствам САУ. Расчет динамики следящей системы, вклю-
чающей такой объект управления, как манипулятор, весьма сложен,
поскольку требует учета многих факторов: малых постоянных вре-
мени, упругих деформаций, люфта в передачах и ряда других нели-
нейностей. Анализ осложняется дискретным характером сигналов,
поскольку в ПР используются преимущественно цифровые способы
управления движением. Последнее палу чает дальнейшее развитие
при широком применении мнкроЭВМ. В отечественной литературе
вопросам анализа динамики и синтеза следящих систем с учетом
нелинейностей п цифрового управления посвящен ряд работ 118,
37, 49].
Схемотехнические вопросы построения системы управления
движением. Однозначное техническое решение имеет система с циф-
ровыми датчиками положения. В такой системе используют логи-
ко-вычпслнтельное устройство (ЯВУ), входными данными которого
являются цифровые сигналы датчиков и задание по положению,
поступающее из цифрового запоминающего устройства, а выход
связан со входами контуров управления скоростью через цифро-
аналоговые преобразователи (ЦАП, рис. 4.11). Вариантом схемы
является применение одного ЦАП и ряда аналоговых запоминающих
элементов (АЭЗ), связанных с выходом ЦАП через аналоговый ком-
мутатор.
Дальнейшим развитием схемы с цифровым управлением является
использование ЛВУ для вычисления корректирующих воздействий
н обработки информации с датчиков скорости, момента и т. д.,
что требует соответствующего увеличения мощности управления
ЛВУ и устройств ввода сигналов аналоговых датчиков. Построение
системы с центральным вычислителем (мнкроЭВМ) затруднено,
в частности, сложностью настройки, увеличенной дискретностью
во времени. Поэтому такие системы не получили широкого рас-
пространения.
Применение аналоговых датчиков положения предоставляет раз-
работчику возможность выбора одного нз двух основных вариантов
схем — с цифровым или аналоговым сравнением.
При цифровом сравнении датчики подключаются к ЛВУ через
АЦП, при этом могут использоваться один многоканальный АЦП
с аналоговым коммутатором на входе или индивидуальные АЦП —
в зависимости от времени преобразования, типа датчиков, требуе-
мой точности и т. д.
Рнс. 4.11. Структурная
схема цифровой си-
стемы
105
Рис. 4.12. Структурна,
схема ааиала системы
управления робот
• Шин МэАва» (Яр -
имя)
Схема с аналоговым сравнением имеет свои преимущества: отсут-
ствие мертвой зоны управления, возможность уравновешивания
механизма активным моментом двигателя; кроме того исключаются
погрешности квантования цепи обратной связи по положению, что
определяет возможность повышения точности отработки задания.
Рассмотрим в качестве примера контурную систему управления
промышленного робота «Шин Мэйва» (Shin Mave, Япония) (рис. 4.12).
Канал управления содержит аналоговый сумматор [операционный
усилитель (ОУ)[, на входы которого поступают сигналы задания
по положению с выхода ЦАП н текущего положения с выхода по-
тенциометрического датчика ДП. Вход ЦАП соединен с выходом
цифрового БЗП через реверсивный счетчик Сч. В режиме обучения
на последовательные входы Сч подаются импульсы, изменяющие его
выходной код. Изменение кода отслеживается следящим приводом.
Запись программы движения в ЗУ осуществляется с выхода Сч.
Прн воспроизведении программы счетчик Сч используется в каче-
стве регистра памяти, в который заносится задание по положению.
Альтернативная схема с цифровым сравнением показана на
рис. 4.13. АЦП выполнено, например, по компенсационной схеме,
содержащей последовательно соединенные узел управления (УУ),
ЦАП и компаратор (К), на другой вход которого подается преобра-
зуемое напряжение. УУ генерирует по специальному алгоритму
коды на входе ЦАП, уравновешивая измеряемое напряжение. При
этом используется цифровой сигнал на выходе К, отмечающий знак
рассогласования.
Анализ источников погрешностей схем (рис. 4.12 и 4.13) пока-
зывает, что система с аналоговым сравнением имеет преимущество
в точности отработки задания, поскольку прн использовании одно-
типных со схемой (рис. 4.13) узлов система не имеет погрешности
квантования цепи обратной связи по положению. Недостатком си-
стемы является отсутствие АЦП (точнее, его своеобразное испол-
Ряс. 4.13. Структурная
схема команд цифровой
системы управления
с АЦП
106
рмс. 4-14. Структурная схема системы
«правления с широтно-импульсными
преобразователями
ненце, поскольку прн обуче-
нии роль АЦП выполняет вся
система, включая привод),
что не позволяет использовать
во время движения цифровую
информацию о положении,
необходимую в ряде случаев
для учета взаимного влияния
координат, пересчета коорди-
нат при интерполяции, фор-
мировании оптимальной ха-
рактеристики разгона-тормо-
жения при позиционном уп-
равлении и т. п. Этот недостаток может быть устранен введением
вспомогательного АЦП, требования к точности и быстродействию
которого в ряде случаев могут быть снижены, например, прн пози-
ционном управлении.
С введением указанного АЦП система управления сочетает преи-
мущества аналогового сравнения с расширенными возможностями
цифрового управления, что дает определенные преимущества по
сравнению с ранее рассмотренными системами.
Прн использовании потенциометрических датчиков можно по-
высить точность системы применением в цепи обратной связи пре-
образователя «угол—интервал времени» (ШИМ) с автоматической
калибровкой и соответственно исключением из прямой цепи управ-
ления аналоговых элементов (рис. 4.14). Сравнение в такой схеме
выполняется в форме импульсных широтно модулированных сиг-
налов, синхронизированных по переднему фронту. Преобразование
«код- интервал» (ПКИ) выполняется с помощью счетчика, работаю-
щего на вычитание, в который по входам параллельной записи зано-
сится код задания положения. Временной сдвиг импульса переноса
счетчика пропорционален заданному коду. Постоянство масштаба
преобразования «угол—интервал» осуществляется автоматической
калибровкой, выполняемой регулярно с частотой основного пре-
образования. Синхронизация работы ПКИ и ШИМ, а также иден-
тичность их масштабов преобразования достигается с помощью узла
управления УУ, представляющего собой дешифратор состояний
счетчика Сч, действующего в циклическом режиме. На вход Сч,
а также на входы ПКИ и преобразователя «интервал—код» ПИК
поступают импульсы общего генератора ГИ, что обеспечивает отсутст-
вие влияния ухода частоты ГИ на точность управления. Наиболь-
ший эф<|)скт такого технического решения системы может быть по-
лучен при непосредственном управлении широтно-импульсным пре-
образователем мощности (ШИП), что исключает промежуточные
преобразования. Однако для такого непосредственного управления
Ю7
схема нуждается в некоторых уточнениях. Отметим прежде всего
несоответствие масштаба импульсов рассогласования желаемому
масштабу импульсов управления приводом. Очевидным является то,
что максимальной скорости привода должна соответствовать мак-
симальная длительность импульса, тогда как рассогласование, при
котором скорость должна достигать максимального значения, соот-
ветствует зоне торможения и может составлять несколько процентов
полной длительности. Это противоречие может быть устранено от-
ключением при больших рассогласованиях (т. е. когда требуется
максимальная скорость) обратной связи. При этом прямая цепь
управления работает в режиме отработки задания по скорости,
а обратная связь с Л В У осуществляется через преобразователь
«интервал—код» (ПИК). При достижении малого рассогласования
определенной величины непрерывная обратная связь вновь подклю-
чается к УС, и на вход ПКИ поступает задание по положению. При
работе в контурном режиме непрерывная обратная связь существует
постоянно. Обратная связь по скорости подключается к ЛВУ через
многоканальный АЦП. Ограничение по току якоря может быть
выполнено, например, с помощью компаратора, отключающего
импульсы управления при превышении уставки тока. Частота пре-
образования «интервал—код» должна соответствовать частоте управ-
ления широтно-импульсного преобразователя мощности, состав-
ляющей обычно 1—2 кГц.
По аналогичной схеме л;ожет быть построена система о индук-
ционными датчиками положения, используемыми в фазовом режиме
(рис. 4.15).
Pik. 4.16, Структурная схема системы управления с фатоаращающнмн датчиками лото-
ження
10ц
Рис. 4.16. Структурная схема многоканальной цифроаналоговой САУ
Датчики положения, например вращающиеся трансформаторы
(ВТ), «запитываются» от блока питания датчиков БПД однофазным
синусоидальным сигналом. С выходами вторичных обмоток ВТ
соединены /?С-иепочки, формирующие сигналы, сдвиг фаз между
которыми (временной интервал) пропорционален углу поворота.
Работа рассматриваемой схемы аналогична работе схемы с потен-
циометрическими датчиками.
Применение комплектных электроприводов со стандартными
уровнями входных сигналов в форме напряжения постоянного тока
или гидроприводов с электрогндравлпческнми преобразователями,
управляемыми постоянным током, требует преобразования широтно-
импульсного сигнала управления скоростью в напряжение постоян-
ного тока.
В качестве примера такой системы рассмотрим миогоканатьную
цифроаналоговую схему управления позиционно-контурного устрой-
ства ЕСМ-04 (рис. 4.16), которая содержит МП, выполняющий
вместе с запоминающим устройством ППЗУ функцию задатчика
программы. МП производит необходимые вычисления, связанные
с интерполяцией траектории в контурном режиме и оптимизацией
характеристики управления в позиционном режиме. МП связан
через шину данных (ШД) со входом модуля измерения (.МИ), назна-
чение которого состоит в выработке шпротно-модулированных им-
пульсных сигналов управления скоростью. МИ содержит ШИМ
и аналоговый коммутатор АК1. последовательно подключающий
выходы датчиков ко входу ШИМ. Выходной сигнал ШИМ — интер-
вал времени, пропорциональный угловому положению, преобра-
зуется в код с помощью регистра (Рг), в который по окончании интер-
вала заносится код с выхода циклически работающего счетчика Сч.
Выход Рг связан черед ШД с МП.
109
Выходной сигнал МИ преобразуется в напряжение постоянного
тока с помощью интегратора с программно-переключаемой постоян-
ной времени (ИН). По окончании преобразуемого интервала напря-
жение с выхода интегратора записывается через коммутатор АК2
в соответствующий аналоговый запоминающий элемент (АЗЭ).
Модуль формирования сигналов (МФС) предназначен для преоб-
разования «интервал—напряжение» по 8 каналам.
Система работает в двух режимах. В режиме непосредственного
управления скоростью выход ШИМ отключается от устройства
сравнения. Обратная связь по положению через модуль синхрони-
зации (МС) поступает в МП, который выдает на вход ПКИ код зада-
ния по скорости. Этот режим используется при больших рассогла-
сованиях, когда необходимо формировать сложную характеристику
разгона-торможения. При малых рассогласованиях система работает
в режиме управления положением с использованием непрерывных
сигналов задания и текущего положения. Сигнал управления на
выходе МФС в этом режиме имеет непрерывную характеристику
(без «мертвой» зоны). Характеристика деформируется по программе
в широких пределах, что позволяет учитывать особенности при-
вода, нагрузки, скорости и т. д.
4.4.	Измерительная система
Измерительная система (ИС) предназначена для сбора и обра-
ботки информации о состоянии ПР, оборудования и объектов, с ко-
торыми он взаимодействует, а также о состоянии окружающей среды.
Развитость ИС определяется функциональным назначением ПР и
условиями, в которых он выполняет свои производственные функции.
ИС включает датчики, линии связи и вторичные преобразователи.
Последние размещают, как правило, в стойке управления, однако
в некоторых случаях с целью увеличения помехоустойчивости пере-
дачи информации их частично или полностью выносят к датчикам.
Датчики, предназначенные для контроля движения ПР, размещают
на его степенях подвижности (концевые выключатели, датчики по-
ложения, скорости), на захватном устройстве или рабочем инстру-
менте (датчики касания, усилий, проскальзывания и др.) и на осно-
вании ПР или вне его (устройство технического зрения, координа-
торы, локаторы и т. п.) 15—7, 14, 38, 44, 581. Кроме геометри-
ческих параметров, в ряде случаев контролируются также дру-
гие параметры — температура, освещенность, плотность, химичес-
кий состав и т. д.
Рассмотрим более подробно устройства для измерения углового
положения, наиболее широко используемые для управления дви-
жением роботов.
Диапазон погрешности управления положением для подавляю-
щего большинства ПР с позиционным или контурным управлением
составляет 0,2—2 мм, что эквивалентно относительной погрешности
2”w—2"11 (по отношению к используемым в ПР диапазонам пере-
мещения). В табл. 4.1 приведены погрешности наиболее известных
1Ю
Таблица 41
Название робота	Страна- изготовитель	Датчики положения	Погрешность, мм
«У ниверсал-15МК» «Уииверсал-5» ПР-35 «Контур-002» МП-1 МП 18	СССР	Кодовые Потенциометры ВТ Потенциометры ВТ Потенциометры	0.5 2.0 0,5 1-10 1.0 1.0
«Юнимейт» «Версатран 401» «Версатран 302» бСНАрм	США	Кодовые ВТ Потенциометры Импульсные	1.27
PTU «Т рансфсрробот» «Стенфорд Арм»		Потенциометры	1.27 0,25 1,0
«Кавасаки Юнимейт» «Тоснба» «Фанук» «Матбак» «Мотомэн» «Шин Мэйва» «Тосмэен» КМК-2 «Ясу кава»	Япония	Кодовые	0,5 1,0 0,5 0,75—2,0 1.0 0,5 1,0 1.0 0,5
		Импульсные Потенциометры Кодовые	
		Потенциометры	
АСЕА «Коат-а-Матик»	Швеция	ВТ Импульсные	0,2-0,4 1-10
«Трал фа»	Норвегия	Сельсины	1-10
ПР с позиционным или контурным управлением, а также применяе-
мые в них типы датчиков обратной связи по положению. Наиболь-
шее применение получили датчики потенциометрические (пленоч-
ные) и индукционные (вращающиеся трансформаторы и сельсины).
Кодовые и импульсные датчики применяют реже. Существенно
отметить, что ПР, оснащенные аналоговыми датчиками, не харак-
теризуются меньшей точностью управления положением по сравне-
нию с ПР, оснащенными цифровыми датчиками, что объясняется
не только развитием техники аналого-цифрового преобразования,
но и применением метода обучения при программировании ПР. Как
известно, особенностью метода обучения является запись в память
информации о положении непосредственно с датчиков обратной связи
при ручном управлении робогом. Такой способ программирования
111
обеспечивает компенсацию при управлении систематической погреш-
ности измерения положения, включая нелинейность датчиков, что
позволяет достичь значительно более высокой точности управления
положением по сравнению с точностью датчиков. Это относится как
к позиционному, так и к контурному управлению с использование
интерполяции, поскольку производимые в последнем случае вычис-
ления относятся к малым отрезкам траектории между познииями-
записанными при обучении.
При конструировании ПР часто оказываются важными вес и
габаритные размеры датчиков, поскольку их, как правило, устанав-
ливают непосредственно в сочленениях манипулятора ПР. В осо-
бенности это относится к роботам с малой грузоподъемностью.
Важное значение имеют также особые условия окружающей среды,
поскольку во многих случаях ПР предназначаются для работы
в экстремальных условиях, в том числе при повышенных темпера-
туре, влажности, запыленности, загазованности, радиации н т. д.
Поэтому они имеют соответствующую конструкцию датчиков или
устройств защиты. Условия эксплуатации влияют также на выбор
схемы измерительной системы с учетом чувствительности к деста-
билизирующим факторам.
Измерительные системы на базе потенциометрических датчиков.
Для вторичного преобразования наиболее часто применяют аналого-
цифровые преобразователи (АЦП) поразрядного уравновешивания
на резисторных матрицах. Разработаны быстродействующие 14-
11 16-разрядные микросхемы АЦП. На рнс. 4.17 приведена струк-
турная схема измерительной системы с использованием АЦП. Схема
содержит коммутатор аналоговых сигналов (КА), с помощью кото-
рого сигналы датчиков подаются на вход компаратора (К); другой
вход подключен к выходу цифроаналогового преобразователя (ЦАП).
Узел управления (УУ) осуществляет переключение разрядов кода
на входе ЦАП, уравновешивая измеряемое напряжение. С целью
исключения погрешности от нестабильности питания датчиков
резистивная матрица ЦАП «запитывается» тем же напряжением,
что и датчики Основную погрешность в схеме вносят КА из-за
температурной нестабильности сопротивления открытого канала и
однопроводная линия связи, которую трудно защитить от помех.
Чтобы уменьшить влияние помех, применяют двухпроводную
линию связи, как это показано на рнс. 18, а. Второй провод под-
Рис. 4.17. Структурная схема
измерительной системы с ис-
пользованием АЦП
112
Рис. 4.18. И.мерительная система с испохыояаиием преобразователя «напряжение —
интервал аременн — «од»:
а — схема: б — временная Диаграмма; кривая / — пнлозбразн >е напряжение; кривая t —•
напряжение на выходе ДУ: кривая 3 — выходи»Л сигнал к .ш паратора; Тц — цикл пре-
образования; То м Т — эталонные моменты аременн; Tf — 7^ — Тц — фаза измерения:
(Ги — Гц) — фаза калибровки; (Г, — То) — интервал, пропорциональный с тому no-
д. .кенню
ключают к средней точке потенциометра или. при исиотьзованнн
двухсекционного датчика, к хвижку второй секции. Последний ва-
риант предпочтительней, так как при тех же напряжениях питания
датчиков, ограниченных напряжением пропускания КА, сигнал
на выходе дифференциального усилителя (ДУ) вдвое больше, что
увеличивает разрешающую способность измерительной системы
Кроме того, выравнивание выходных сопротивлении источников
сигналов на входе липни увеличивает помехоустойчивость и темпе-
ратурную стабильность измерения угла. Синфазные помехи, наво-
димые на линию, ослабляются ДУ. С целью повышения сннфазности
помех и уменьшения их амплитуды провода свивают и экранируют.
Однако ДУ вносит собственную погрешность, что снижает достоин-
ства такой схемы. Повышения точности можно достичь, отказав-
шись от КА и ДУ п располагая АЦП в непосредственной близости
от датчика. При этом необходимо организовать коммутацию выход-
ных кодов АЦП п магистраль передачи кодированной информации,
что может быть с успехом применено при наличии соответствующих
микросхем.
Другой путь повышения точности при использовании потенцио-
метрических датчиков заключается в применении преобразователей
с автоматической калибровкой, что позволяет компенсировать
погрешности КА и ДУ, а также снизить требования к элементам
преобразователя. На рис. 4.18, а показана структурная схема изме-
рительной системы с использованием преобразователя «напряжение—
интервал времени—код» с автоматической калибровкой. Преобра-
зование напряжения в интервал времени выполняется путем его
сравнения с пилообразным напряжением. Цикл генератора пи.чо-
обраиюго напряжения ГПН за 1ает УУ, представляющий собой
113
дешифратор состоянии делителя (Д). Частота /0, поступающая на
вход Д от генератора импульсов (ГИ). используется также в пре.
образователе «интервал—код» ПИК для заполнения интервала вре-
мени, формируемого К, что обеспечивает независимость преобра-
зования «интервал—код» от частоты f0. Постоянство масштаба пре.
образования «напряжение—интервал» достигается калибровкой пи-
лообразного напряжения. Узел калибровки (УК) контролирует
моменты пересечения пилообразным напряжением опорных уровней
напряжения, выявляя отклонения этих моментов от эталонных,
задаваемых УУ, и воздействует на смещение и наклон пилообраз-
ного напряжения с целью устранения этих отклонений. В качестве
опорных уровней служат напряжения на входе ДУ прн подклю-
ченных к его входам с помощью К напряжениях, имитирующих
сигналы датчиков в крайних угловых положениях. Подключение
этих напряжений (с чередованием полярностей) ко входам ДУ вы-
полняется узлом УУ в фазе калибровки согласованно с состоянием
пилообразного напряжения. На рнс. 4.18, б показана временная
диаграмма работы преобразователя.
Прн калибровке имеет место соотношение
Ах/А = (Тх - Т0)/(Т, - То),
где А — полный диапазон изменения угла; Ах — измеряемый угол.
Погрешность преобразования угла в код складывается (без учета
нелинейностей датчика и АЦП) из погрешности нестабильности
передаточной характеристики «угол—интервал» в диапазоне изме
рения (калибровка относится только к двум точкам характеристики)
и погрешности квантования. Как показали проведенные испытания
преобразователей, погрешность преобразования «угол—интервал»
в диапазоне температуры 10—60 СС не более 2 й. Погрешность
квантования составляет zt0,5 ед. младшего разряда, поскольку
имеет место естественная синхронизация частоты f0 с передним фрон
том интервала. Время преобразования (включая фазу калибровки)
0,8 мс для одного канала. Прн частоте f0 = 10 МГц разрядность
ыходного кода п = 13.
Измерительные системы на базе индукционных датчиков. Наибо-
лее рациональная схема преобразования углового положения ро-
тора индукционного датчика в цифровой код основана на исполь-
зовании датчиков в режиме фазовращателя при однофазном питании
роторной обмотки. На рис. 4.19, а показана схема фазовращателя
иа базе вращающегося трансформатора (ВТ). При условиях
/?=1/шС»г, RU»R
имеет место соотношение
Ь'вых = s«n(ш/ - <р0 4- Ч).
где К — коэффициент трансформации; <ро — постоянный сдвиг фазы.
Из последней формулы видно, что амплитуда 1/ВЫ1 не зависит
от угла поворота ротора <р, а изменение фазы (7вЫх равно изменению
этого угла. Отсчет изменения фазы выполняют относительно опор-
114
Рнс. 4.1». Схема фазовращателя иа базе вращающегося трансформатора
ной фазы, в качестве которой берут фазу питающего напряжения
или фазу напряжения, снимаемого с другой /?С-цепочки, подклю-
ченной к обмоткам в обратном порядке (рис. 4.19, б). В последнем
случае имеет место удвоение сдвига фаз по отношению к углу пово-
рота н высокая стабильность преобразования «угол—сдвиг фаз».
Основным источником температурной погрешности является изме-
нение активного сопротивления обмотки возбуждения, поэтому
в схеме на рис. 4.18, где опорное напряжение снимается с резистора
R1 в цепи возбуждения, температурная погрешность также сведена
к малой величине 161.
Структурная схема измерительной системы на базе ЕЙ с исполь-
зованием двух /?С-цепочек показана на рис. 4.20. Обеспечение
постоянства масштаба преобразования достигается синхронизацией
блока питания датчиков (БПД) частотой /, полученной в результате
деления эталонной частоты f0 генератора импульсов ГИ делителем.
Частота f0 используется для заполнения интервала времени, обра-
зуемого короткими импульсами, формируемыми ФИ1 и ФИ2 в мо-
менты пересечения синусоидальным напряжением нулевой линии
в одну сторону. Формирователь сдвига фаз (ФСФ) содержит, кроме
/?С-цепочек, нуль-органы, формирующие сигналы прямоугольной
формы. Преобразование интервала в код выполняется с помощью
счетчика Сч, на вход которого через вентиль И, управляемый триг-
гером Тг1, поступают импульсы f0, число которых Nt пропорцио-
нально интервалу времени или сдвигу фаз 2<р. При этом имеет место
Рис. 4.20. Структурная схе-
ма измерительной системы
на база ВТ с использова-
нием двух RC-це почек
115
соотношение
tfx/tf = 2<r/360°; N^foff = 2'>,
где N — число импульсов f0 в периоде частоты f; п — разрядность
делителя Д.
Таким образом, Nx не зависит от частоты f0. Благодаря удвоению
сдвига фаз по отношению к углу поворота <р увеличивается разрешаю-
щая способность преобразователя, но имеет место повторение от-
счета в диапазонах 0—180° и 180—360° угла. Эта неоднозначность
исключается с помощью логической схемы ЛС, анализирующей
состояния старшего разряда С счетчика Сч и двух старших разря-
дов А и В делителя. Состояние выхода ЛС заносится в ячейку па-
мяти Тг2 по заднему фронту интервала и указывает на одни нз двух
диапазонов неоднозначности, т. е. выход Тг2 является старшим раз-
рядом выходного кода преобразователя.
БПД представляет собой активный фильтр с выходным УНЧ,
обеспечивающий малый процент нелинейных искажений (менее
0,1 °и) Согласно условиям, приведенным выше, /?С-цепочки и /?„
должны иметь сравнительно большие значения сопротивлений —
десятки и сотни килоом соответственно. Это осложняет передачу
сигналов датчика на большие расстояния, поэтому ФСФ разме-
щают поблизости от датчика (631. Экспериментальные нсс.тедова
ння показали, что погрешность преобразования угла в код по схеме
(рнс. 4.20) в диапазоне температуры 10—60 °C не более 2-13 и прак
тическн не зависит от типа датчика.
Построение фазовращателя на базе сельсина выполняется также
с использованием /?С-цепочек при однофазном питании.
В отличие от потенциометрических датчиков, имеющих ограни-
ченный диапазон поворота оси (~340°), индукционные Датчики могут
подключаться к механизму через повышающий редуктор или могут
иметь электрическую редукцию (редуктосины, индуктосины). Это
повышает точность измерения угла, но сужает диапазон однознач
ного отсчета. В системе с абсолютным отсчетом (а промышленные
роботы преимущественно используют абсолютный отсчет) для устра-
нения неоднозначности применяют датчик грубого отсчета. Известны
датчики, совмешающие в одном корпусе грубый и точный каналы,
с электрической редукцией, выражающейся двоичным числом,
что облегчает согласование отсчетов и получение полного кода.
При необходимости согласования отсчетов коды получают по гру-
бому и точному каналам независимо в двух счетчиках. Согласованно
отсчетов выполняют с помощью логической схемы, анализирующей
состояния двух старших разрядов кода точного канала и младший
разряд кода грубого канала, равный по весу старшему разряду кода
точного канала (разряд перекрытия). Алгоритмы согласования отсче-
тов и устранения неоднозначности подробно описаны в работах [381.
Необходимо отметить, что в системах управления ПР далеко не
всегда есть необходимость согласования отсчетов. Так, в позицион-
ной системе, когда для большинства позиций достаточна точность
грубого канала и лишь в нескольких позициях необходима большая
116
точность, целесообразно записывать в необходимых случаях кот
точного канала отдельно. Обработка ведется последовательно—
вначале по грубому, а затем по точному каналам 163). В контурной
системе управления при малых рассогласованиях можно исполь-
зовать только точный отсчет, тогда как грубый подключается при
выходе в начале контура или в других необходимых случаях. Такое
разде 1ьное использование отсчетов упрощает измерительную си-
стему и позволяет экономнее использовать память.
Рассмотрим быстродействие измерительных систем, использую-
щих аналоговые датчики. Наибольшим быстродействием обладают
АЦП поразрядного уравновешивания (девятки микросекунд). При
использовании промежуточного преобразования угла в интервал
времени быстродействие ограничено максимальной частотой счета
и требуемой разрядностью. Для перспективной в устройствах управ-
ления ПР серии 555 тактовая частота составляет 20 .МГц, что при
получении 13-разрятного кода эквивалентно времени преобразо-
вания 0,4 мс. Для индукционных датчиков дополнительным огра-
ничением быстродействия является номинальная частота питающего
напряжения. Большинство датчиков имеет номинальную частоту
питания 400 Гц, что соответствует времени измерения 2,5 мс. Соб-
ственная частота приводов, используемых в ПР, составляет в сред-
нем 20 Гц, что дает хорошее соотношение с частотой измерения.
Однако при многоканальном использовании аппаратуры допустимое
по быстродействию число каналов может оказаться недостаточным
даже для обслуживания одного ПР. С целью повышения быстро-
действия может быть рекомендовано питание датчиков повышенной
частотой. Большинство современных датчиков типа ВТ н сельси-
нов, рассчитанных на номинальную частоту 400 Гц, может работать
в диапазоне частот 400—4000 Гц. При этом точностные характери-
стики могут отличаться от значений, указанных для номинальной
частоты 171. Как показали экспериментальные исследования, за-
питка датчиков повышенной частотой не оказывает заметного влия-
ния на температурную стабильность преобразователя при некото-
ром увеличении нелинейности.
Измерительные системы на базе кодовых датчиков. Основным
элементом преобразователен непосредственного считывания (кодо-
вых датчиков) является закрепленная на оси датчика маска с кодо-
выми дорожками, число которых равно числу разрядов преобразо-
вания. Код считывается с помощью чувствительных элементов, рас-
полагаемых напротив кодовых дорожек на линии считывания.
Устройство кодовых датчиков различных типов (индуктивных,
фотометрическнх)'подробно описано в специальной литературе 114,
61, 66). Здесь же нами будут рассмотрены некоторые особенности
этих датчиков в отношении нх возможного применения в ПР. Наибо-
лее существенной особенностью кодового датчика является высокая
точность изготовления каждого участка кодовой маски и юстировки
чувствительных элементов, соответствующая требуемой точности
представления информации. В этом состоит его принципиальное
отличие от датчиков, использующих эффект усреднения noipeiuHo-
117
стей изготовления, как это имеет место, например, в датчиках uj
Аукционного типа. При одинаковой инструментальной точно TJ
индукционные датчики значительно проще в изготовлении,
кодовые. Поэтому они нашли широкое применение для передачи
и измерения углов с высокой точностью 15, 44J. Положительнее]
свойства кодового датчика состоят в структурной простоте пре
разовання угла в код и высоком быстродействии.
Структурная простота заключается в однотипности разрядных
усилителей-формирователей, что способствует повышению интегра-
ции электронной схемы, размещаемой в корпусе датчика. Не яв-
ляется принципиальным недостатком и необходимость передачи
кодовой информации — современная элементная база позволяет
организовать передачу по последовательному каналу с помощью
встроенного передатчика (правда, для такой передачи требует я
время, однако оно достаточно мало и в системах управления ПР
может не учитываться в качестве ограничивающего фактора). При
использовании для обработки информации микропроцессора можно
не учитывать затраты на преобразование кода Грея, используемого
при считывании с маски, в двоичный код.
Таким образом, развитие электронной техники способствует
улучшению технико-экономических показателей измерительной си-
стемы с кодовыми преобразователями, но в еще большей степени
это улучшение относится к измерительным системам с аналоговыми
датчиками. Имеется в виду не только увеличение степени интегра-
ции, резко ухудшающее схемы преобразования и повышающее их
надежность, но и качественный скачок в развитии линейных схем,
позволяющий без значительных затрат реализовать высокую точ-
ность аналоговых преобразователей.
Таким образом, развитие цифровых и линейных интегральных
схем продолжает увеличивать преимущества преобразователей ана-
логового типа, заключающиеся в лучших габаритно-весовых харак-
теристиках датчиков, их большей надежности и устойчивости к внеш-
ним воздействиям, значительно меньшей стоимости измерительной
системы. Учитывая также компенсацию нелинейности датчика
в системах управления с обучением, можно сделать общий вывод
об ограниченном применении кодовых датчиков ПР.
Измерительные системы иа базе импульсных датчиков. Импульс-
ный датчик по принципу действия аналогичен кодовому датчику,
однако в отличие от последнего имеет только одну дорожку млад-
шего разряда. Для получения информации о перемещении исполь-
зуется реверсивный счетчик, вычитающий или суммирующий им-
пульсы датчика в зависимости от направления движения. Выявл<
нне знака движения осуществляется фазочувствительной схемой
считывания. Для уменьшения возможности накопления ошйбок
датчик имеет реперную точку, в которой происходит «обнуленш
отсчета. Преимущество датчика состоит в высокой разрешающей
способности, поскольку его можно подключать к механизму через
повышающий редуктор, но эта особенность приобретается ценой
отказа от структурной помехоустойчивости, свойственной измери-
118
-ельным системам с циклическим опросом датчиков. Одной из мер
увеличения достоверности измерения является превышение раз-
решающей способности измерительной системы'по отношению к тре-
буемой, когда потеря одного импульса не приводит к потере точ-
ности. При этом датчик может использоваться как измеритель ско-
рости движения. Возможность накопления ошибки и потери ин-
формации при коммутациях питания является недостатком изме-
рительных систем с импульсными датчиками. Прн повышенной опас-
ности для объектов и оборудования в рабочей зоне более предпочти-
тельна измерительная система на индукционных датчиках, одноотсчет-
ная или двухотсчетная, в зависимости от необходимой точности.
4.5.	Модули технологического сопряжения
с управляемым оборудованием
Модули ввода-вывода дискретных технологических сигналов
используются в управляющих системах ПР для связи с манипуля-
тором и обслуживаемым оборудованием и являются, несмотря на
многообразие способов их организации, постоянной составной частью
систем управления. Параметры дискретных сигналов ввода-вывода
обычно нормированы с учетом использования стандартных элемен-
тов электроавтоматики в управляемом оборудовании. Входные сиг-
налы, поступающие от датчиков дискретной информации, например
концевых выключателей, в большинстве случаев являются сигна-
лами постоянного тока с напряжением 24 В; величина тока 10—
20 мА. Выходные сигналы из системы могут выдаваться в виде на-
пряжения 24 В постоянного тока величиной не более 2 А, напряже-
ния НО В переменного тока величиной не более 0,5 А и т. д.
Для обеспечения помехоустойчивой работы системы управления
в целом в модулях ввода-вывода дискретных сигнапов целесообразно
применение оптронных гальванических «развязок» как в цепях управ-
ления оборудованием, так и подключения датчиков.
Необходимо отметить, что использование оптронных развязок
в модулях ввода-вывода не только обеспечивает подавление инду-
стриальных помех, существующих в цепях подключения датчиков
и управляемых приводов оборудования, но и исключает возможность
проникновения высокочастотных помех в цепи питания логической
части устройства.
Функционально модули ввода-вывода дискретных сигналов со-
стоят из двух узлов сопряжения: с цепями ввода или вывода; с внут-
ренним интерфейсом системы.
В качестве примера рассмотрим структурную схему модуля
ввода дискретных сигналов с использованием микропроцессорного
набора (МПН) типа КР580. На рис. 4.21 показаны структур-
ная схема, состав и подключение к интерфейсу модуля ввода
дискретных сигналов. Сопряжения с цепями подключения датчиков
осуществляются через /?С-цепи и оптрониые развязки; /?С-цепи
обеспечивают подавление низкочастотных помех, дребезг контак-
тов и ограничение входного тока. Для оперативного контроля за
состоянием датчиков РТК предусмотрены светодиоды.
119
Рис. 4. 21. Структурная схема модуля анода дискретных сигналок:
! ~ ЛС-цепочкн: 2 — оптронные разяяэкн: 3 — микропереключатели установки номера
модуля; 4 — селектор
Сопряжение с внутренним интерфейсом устройства производится
с помощью БИС программируемого периферического адаптера (ПИЛ)
типа КР580ИК 55. Сигнал выборки данного модуля формируется
селектором, на входы которого с шины адреса процессора поступает
номер опрашиваемого модуля ввода. Сетектор сравнивает этот номер
с номером, установленным на переключателях набора номера дан-
ного модуля, и в случае их совпадения подключает ППА к шин'
данных.
Описание структуры режимов работы, программирования и
возможных вариантов использования ППА рассмотрено в рабо-
тах (9, 72 I. В данном случае прием информации с оптронных раз-
вязок осуществляется через два порта А и В, запрограммирован
ных на ввод, посылкой в ППА специального управляющего слова.
Передача содержимого порта (А или В) на шину данных произво
дится простым выполнением операции чтения. Адресные входы Ао
и At определяют номер порта, старшие разряды адреса обеспечивают
выбор опрашиваемого модуля ввода. Запись управляющего слова
производится по импульсу WR при Ао = Ах = 1
Сопряжение с внутренним интерфейсом системы в модуле вывода
обеспечивается также с помощью ППА В отличие от модуля ввода
в модуле вывода ППА настраивается па вывод информации с шины
в порты А и В. Выдача дискретных сигналов управления на при-
воды РТК осуществляется через оптронные развязки н выходные
усилители. В модификации модуля вывода, работающей на по-
стоянном токе, в качестве ключей используют мощные транзисторы.
В модулях вывода, работающих на переменном токе, применяют
тиристорные схемы.
120
Глава
5
УСТРОЙСТВА ПРОГРАММНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
Расширение сферы применения ПР, различные уровни
автоматизации технологических процессов, многообразие видов об-
служиваемого с помощью ПР оборудования, особенности условий
эксплуатации и т. д. обусловили значительное количество моделей
ПР. В отечественной робототехнике создано более 100 моделей ПР
и систем их управления. Ниже рассматриваются некоторые образцы
устройств управления ПР, представляющие отдельные классифи-
кационные группы.
5.1. Устройства циклового программного управления
Пневматическое устройство циклового управления УС-3. Устрой-
ство предназначено для управления манипулятором, используемым
при автоматизации загрузочно-разгрузочных операций, связанных
с обслуживанием различного технологического оборудования в ус-
ловиях пожаро- и взрывоопасности, высокой температуры, радиации,
электромагнитного поля и т. д.
Построенное на элементах струйной техники устройство обеспе-
чивает в комплексе с манипулятором автоматизацию технологиче-
ских процессов в металлургической, химической, газовой, нефтя-
ной, атомной и других отраслях промышленности.
На рис. 5.1 показана структурная схема устройства с цифровым
способом обработки информации.
Основные технические характеристики
Программоноситель	.....................
Метод программирования...................
Число команд в программе (выходов) ....	. . .
Время смены программы, с...............
Число команд, включаемых в одном таю с............
Число включений одной и той же команды в цикле. . .
Число тактов цикла..........................
Потученне тактовых импульсов .....................
Число каналов связи с внешним оборудован!!' м
входные каналы ...	.......................
выходные каналы.....................................
Элементно-конструктивная база ..............  .	. . .
Наборное поле
Аналитический
25
5-60
8
2—12
30
От путевых, конечных
выключателей
35
23
Струйные дискретные
элементы (тип СТ55,
СТ56, СТ59)
121
Потребляемая мощность, кВ-А......................... 0,55
Показатели надежности:
наработка на отказ, ч .............................. 1000
средний срок службы, лет...................,	. ' ’	>6
Габаритные размеры, мм.....................’	’ . ' ’	650X 600X1400
Устройство циклового управления ЭЦПУ-6030. Устройство пред-
назначено для управления простейшими манипуляторами, имеющими
двухпознционные звенья, и сопутствующим технологическим обору-
дованием при автоматизации операций холодной штамповки, сборки
в условиях массового, крупносерийного и серийного производства.
Оно построено по жжесткой» структуре на основе синхронного управ-
ляющего автомата.
Блок управления при отработке управляющей информации
с программоносителя формирует через блок выходных усилителей
сигналы управления приводами манипулятора и технологическим
оборудованием. Ответные реакции в виде сигналов с датчиков ма-
нипулятора н технологического оборудования являются условием
перехода к выполнению очередного кадра программы. Последова-
тельность отработки кадров программы отображается с помощью
цифровой индикации на пульте управления.
Рис. 5.1. Структурная схема устройства с цифровым способом обработки информации
122
Устройство может работать в следующих режимах: автомати-
ческом — многократное или однократное исполнение программы;
покадровом — отработка отдельных кадров программы; ручном —
перемещение отдельных звеньев манипулятора от органов пульта
управления.
Основные технические характеристики
Число управляемых звеньев манипулятора (включая
захваты) .........................................
Чпсло точек позиционирования на звене.............
Число технологических команд .....................
Число программируемых блокировок..................
Диапазон регулирования программируемой выдержки
времени, с .......................................
Число кадров программы ...........................
Параметры сигналов управления приводом:
уровень напряжения постоянного тока, В ....
величина тока, А................................
Параметры сигналов с датчиков:
уровень напряжения постоянного тока, В .........
величина тока, мА ..............................
Напряжение питания, В.............................
Потребляемая мощность, кВ-А.......................
Элементная база ..................................
Габарнтные размеры, мм..............................
Мосса, кг...........................................
6
2
6
4
0—0,7
До 30
24
До 0,4
24
20
220 (50 Гц)
0,3
Интегральные микросхе-
мы серин К155 в сочс-
танин с дискретными
компонентам»
430X 435X 220
Не более 26
Конструктивно устройство выполнено в виде настольного пульта
с встроенным пультом управления.
Внешний вид устройства показан на рнс. 5.2. Программоноси-
тель, выполненный в виде двух наборных полей из плоских много-
позиционных переключателей, размещен в верхней части устройства
и закрыт защитной крышкой.
На пульте управления расположены: переключатель режима
работы, клавиатура пуска-останова и управления счетчиком кадров,
кнопки ручного управления звеньями, табло индикации состояния
звеньев, рабочего режима
Устройство циклового
программного управления
УЦМ-10. Устройство пред-
назначено для управления
группой двухкоординат-
ных манипуляторов и вспо-
могательным оборудова-
нием при автоматизации
сборочных операций, на-
пример часовых механпз-
Рнс. 6.2. Внешний вид устройства
ЭЦПУ-6030
и иомера кадра.
123
Рнс. 5,3. Структурная схема устройства цнкювого управления УЦМ-10:
ПУ — пульт управления: М — манипулятор. МА — модуль А: МБ — модуль Б
мов на сборочной липни, релейно-контактной аппаратуры и т. д. Уст-
ройство выполнено по модульному принципу. Структурная схема уст-
ройства приведена на рнс. 5.3. Она состоит из модуля А ( ИД), предна-
значенного дтя управления вспомогательным оборудованием, и пяти
модулей Б (МБ), предназначенных для управления манипулято-
рами. Каждый модуль Б, число которых может быть различным,
управляет одним манипулятором.
В состав модуля (/ИД или МБ) входит плата управления и плата
задания программы. С помощью модуля А производится управле-
ние движением, например, собственно линии по сборке часовых
механизмов и вспомогательным оборудованием (движение толка-
телей, кассет и т. д.).
Модуль А выдает 12 управляющих команд, порядок следования
которых запрограммирован па его коммутационном поле. Задающий
генератор платы управления ИД вырабатывает последовательность
импульсов, которые поступают на счетчик команд, и считанная
команда выдается на технологическое оборудование. По получе-
нии ответа о ее исполнении производится опрос и выдача очередной
команды.
После обработки всех команд модуля Д начинается выполнение
программ модуля Б. Прн этом для выдачи очередной команды не
требуется ответа об исполнении предыдущей команды. Плата управ-
ления модуля А синхронизирует работу всего устройства.
Устройство может работать в следующих режимах: автомати-
ческом — многократное выполнение программы; полуавтоматиче-
ском — однократное выполнение программы; наладочном — воспро-
изведение программы по командам от opianoB выносного пульта
управления.
124
Основные технические характеристики
Число управляемых манипуляторов ........................
Число управляемых координат каждого манипулятора .
Объем трограммы:
для управления манипулятором .........................
для управления вспомогательным оборудованием . . . . .
Способ задания программы на коммутационных полях плат . .
Максимальное время цикла, с .............................
Дискретное ь выполнения команд, с........................
Параметры выходных команд:
уровень напряжения постоянного тока, В ......
величина тока, А................. ....................
Напряжение питания, В....................................
Э.кмеитиая база .........................................
Габаритные размеры, мм.....................................
М.сса, кг	............................. .	• - .
Б
2
16 команд
12 команд
Монтажными
перемычками
3
0,1
15—20
До 0,2
220 (50 Гц)
Интегральные
микросхемы серии
KI55 в сочетании
с дискретными
компонентами
516X 270X 215
20
В устройстве предусмотрена связь с ЭВЛ\. Конструктивно оно
выполнено в виде отдельного блока, встраиваемого в оборудование
автоматической линии. Блок состоит из сварного контейнера, в ко-
тором по направляющим устанавливаются блок питания и логи-
ческие платы с печатным монтажом. Подключение управляющего
оборудования н выносного (встроенного в линию) пульта оператора
куществляют с помощью кабельных разъемов, расположенных
непосредственно на платах управления.
Внешний вид устройства показана на рнс. 5.4.
Устройство циклового управления УЦМ-30. Устройство пред-
назначено для управления манипуляторами и сопутствующим техно-
логическим оборудованием при автоматизации операций, связанных
преимущественно с процессами холодной листовой штамповки в ус-
ловиях массового, крупносерийного и серийного производства.
Рнс. 6.4. Внешний вид уст-
ройства УЦМ-10
125
Рис. S.5. Структурная схема устройства циклового программного управления УЦМ-30;
ПП — пульт программирования: БЗП — блок ведения программ; БФК — блок формирова-
ния команд. БВЗ — блок выходных усилителей; Сч— Счетчик; БУ— блок управлвввв,
ПО — п)льт обучения; ТО — технологическое оборудование; ФВЙ — формирователь врг
мен мы х интервалов
Устройство УЦМ-30 ориентированно на работу с манипуляторами,
имеющими конструкцию датчиков в виде конечных выключателей.
На рнс. 5.5 приведена структурная схема устройства, построенного
по принципу синхронного микропрограммного автомата с конеч-
ным числом состояний и жестким циклом управления.
В блоке формирования команд на основании информации, посту-
пающей нз блока задания программы и сигналов блока управления,
осуществляется формирование последовательности команд отра-
ботки. Управляющие сигналы на перемещение органов манипуля-
тора выдаются через блок выходных усилителей, а на технологи-
ческое гборудованне — через блок связи с манипулятором и тех-
нологическим оборудованием. Этот блок также обеспечивает прием
информации с дискретных датчиков технологического оборудова-
ния и манипулятора.
Формирователь временных выдержек используется при выпол-
нении команд управления захватами манипулятора, а также при
обработке программных временных выдержек.
Программу управления манипулятором и сопутствующим техно-
логическим оборудованием набирают с помощью клавиатуры пульта
программирования е записью в энергонезависимую память. С пульта
управления осуществляют задание режимов работы устройства,
включение-выключение питания и запуск управляющей программы.
С помощью пульта обучения осуществляется ручноа управление
подвижными звеньями манипулятора и оперативный контроль дат-
чиков положения.
126
Устройство может работать в следующих режимах:
иеском, покадровом, наладочном.
автомата-
Основные технические характеристики
Общее число управляемых координат........................ 7
Число точек позиционирования:
по ДВУН координатам.......................................
по остальным координатам....................................... 2
Число технологических команд обмена информацией................... 7
Программоноситель..........................................Интегральное	ЗУ
Число кадров в программе ....................................   100
Число подпрограмм................................................. 3
Диапазон программко-задаваемых выдержек времени, с. . .	0,2—18
Параметры выходных сигналов:
напряжение переменного тока, В........................... ПО
величина тока, А ..	............................. До 0,5
Параметры входных сигналов:
напряжение переменного тока, В........................... 24
величина тока, мА .................................... 20
Напряжение питания от сети трехфаэного тока, В.............. 380	(50 Гц)
Потребляемая мощность, кВ-А.................................. Не	более 0,7
Габаритные размеры, мм..................................... 550X	490X1200
Масса, кг.................................................... Не	более 100
Внешний вид устройства показан на рис. 5.6. Оно выполнено
в виде металлического шкафа с выносным пультом обучения. Шкаф
имеет принудительную вентиляцию. Панель программирования
встроена в верхнюю часть устройства и закрыта защитной крышкой.
Блоки микроэлектроники изготовлены на платах с двусторонним
печатным монтажом. Элементно-конструктивная база устройства —
интегральные микросхемы расширенной серии К155.
Устройство циклового управления УЦМ-663. Устройство пред-
назначено для управления различными типами манипуляторов и тех-
нологическим оборудованием со сложными алгоритмами управления
при автоматизации операций загрузки-разгрузки, холодной штам-
повки, литья, сборки в условиях массового, крупносерийного и
серийного производства.
На рис. 5 7 показана укрупненная структурная схема устройства.
В соответствии с программой, внесенной оператором с помощью
пульта в запоминающее устройство, блок центрального управления
формирует управляющую информацию. Работа блока управления
приводом программируется с помощью диодных матриц, настраивае-
мых на требуемые алгоритмы управления звеньями манипуляторов.
Сигналы управления, вырабатываемые блоками управления ма-
нипулятором н технологическим оборудованием, поступают непо-
средственно на соответствующие приводы через блок выходных уси-
лителей. Сигналы отработки кадра формируются блоком сопряжения
с датчиками манипулятора и специальной схемой в блоке управле-
ния технологическим оборудованием.
Для предотвращения аварийных ситуаций в устройстве преду-
смотрен блок аварийных блокировок, программируемый с помощью
специальной диодной матрицы. Оператор с помощью пульта произ-
127
Рис. 6.8. Внешний вид устройства
У Ц М-30
Рис. 6.7. Структурная схема устройства УЦМ-663
ЗУ — запоминающее устройство: БУП — блок уп-
равления приводом; БВУ — блок выходных, уси-
лителей; БЦУ—блок центрального управлепн
БУ ТО — блок управления технологическим обо
рудованием; БАБ — блок аварийной блокировки;
БС — блок сопряжения с датчиками манипуля-
тора. ПОп — пульт оператора: ПРУ — пульт
ручного управления
водит набор программы, установку режимов работы устройства,
запуск и останов устройства, включение-выключение питания н т. д.
Устройство может работать в следующих режимах: автомати-
ческом, полуавто чатическо и (покадровом), ручного управления.
Основные технические характеристнкн
Число управляемых координат..................................... 6
Число точек позиционирования:
по двум координатам............................................. До	8
по четырем координатам .	...	....... До 4
Число координат с возможным режимом торможения . .	Ь
Число захватов.......................................... 2
Число выходных технологических команд................. .	12
Число внешних блокировочных сигналов	20
Программоноситель ...	. . I !птегралыюе ЗУ
Формат кадра...............................................   Переменный
Объем ЗУ (в единичных командах)................................. 224
Число программ................................... До 4
Число ветвлений в программе................... .....	До 8
Число каналов управления золотинками манипулятора ....	28
Число каналов управления захватами ..................... 4
Исполнения выходных каналов устройства:
переменный ток 0,5 А напряжением. В..................... 110
постоянный ток 2 А напряжением, В..................... 24
Напряжение питания, трехфазного тока, В............... .	380 (50 Гц)
Габаритные размеры, мм.................................. 575X480X 1251
Масса, кг............................................... До 100
128
5 Я. Внешний вид устройства УЦМ-ввЗ

Конструктивно устройство вы-
полнено в виде напольной сгонки
с выносным пультом ручного уп-
равления На рнс. 5 8 приветен
внешний вид устройства
В стойке размещены бло к пита-
ния н контейнер с печатными пла-
тами. В верхней части стойки рас-
положен пульт оператора. На ли-
цевой панели пульта находятся:
переключатель режимов, клавиа-
тура набора программы и ручного
управления, переключатели от-
мены блокировок, индикация но-
мера команды и ее содержимого,
а также клавиатура включения ни
тания. Связь устройства с манипу-
лятором, технологическим обору-
дованием и пультом ручного управления — кабельная. Элементная
база устройства — инте|ральные микросхемы серии К511 и К155.
Модульное устройство циклового управления УЦМ-100. Устрой-
ство предназначено для управления широкой гаммой цикловых
манипуляторов при обслуживании различного технологического обо-
рудования в кузнечно-прессовых, литейных, сборочных и других
машиностроительных производствах. УЦМ-100 представляет собой
базовую модель семейства агрегатно-моду льных устройств циклового
управления, комплектуемых по заказу потребителя в условиях
завода-изготовителя. Оно состоит из сле{ующих конструктивно
законченных функциональных устройств
блока управления, обеспечивающего в соответствии с программой
реализацию требуемых алгоритмов управления:
блока силового питания привода;
пульта ручного управления, выполняющего функции выносной
панели управления устройства,
программатора, предназначенного для ввода и редактирования
программы работы устройства
Блок управления построен на базе микропроцессорного набора
КР580.
На рис. 5.9 приведена структурная схема системы управления
УЦМ-100 на базе мнкроЭВМ. Блок управления может комплекто-
ваться тремя типами модулей ввода-вывода:
ввода дискретной информации с датчиков но 32 каналам;
вывода управляющих сигналов по 16 каналам с напряжением
переменного тока 110 В (тик до 0,5 Л);
5 П р II М Маьароо*
129
.. J. »онтак 1нЦЮ
От damvv i Ни приМы мегт , Л/лон»лшг</
РТК	РТК	РТК
Рнс. 5.9. Структурная схема системы управления УЦМ-100:
ППЗУ — перепрщ рдмынруемое постоянное запоминающее устройство; БП1. БП2. БПЗ —
соответственно блоки питания датчиков, силовых цепей, логической схемы; РТК — робото-
технический комплекс
вывода управляющих сигналов но 16 каналам с напряжением
постоянного тока 24 В (ток до 2 А).
Различные модификации блока управления отличаются номенкла-
турой и числом используемых модулей ввода-вывода. Устройство
УЦМ-100 оснащено развитым программным обеспечением, построен-
ным по модульному принципу
с использованием специального
проблемно-ориентированного язы-
ка программирования.
Устройство может работать
в следующих режимах: автомати-
ческом, полуавтоматическом (по-
кадровом) н наладочном.
1с0
Рнс. 5.10 Внешний внд устройства УЦМ-100
Максимальное число выходов иа манипуляторы и тех-
биологическое оборудование.........................
Максимальное число входов от манипуляторов и тех-
нологического оборудования ........................
Параметры выходных сигналов:
напряжение переменного тока, В
величина тока, А
или
напряжение постоянного тока, В
величина тока, А.................................
Параметры входных сигналов:
напряжение постоянного тока. В
величина тока, мА	.
Вычислитель .......................................
Программоноситель.........................  .	, . .
Метод программирования ...........................
Формат кадра.....................................
Объем программы (в единичных командах)...........
Программируемые выдержки времен» в диапазонах:
0,1-25 с . .	........................
1-256 с .......................................
Напряжение питания, В ...........................
Потребляемая мощность, кВ-А:
блока управления, программатора н пульта ручного
управления .....................................
блока силового питания ........................
Габаритные размеры, мм ..........................
Масса, кг........................................
64
96
НО
До 0.5
24
До 2
24
Не менее 10
На базе микроЭВМ
Интегральное ЗУ (БИС)
с электрической пере-
записью информации
Покомандный набор про-
граммы на клавиатуре
программатора с отобра-
жением ее на цифровом
табло
Переменный
1024
с дискретностью 0,1 с
с дискретностью 1 с
380 (50 Гн)
0,3
1,2 (максимальная)
540X 435X1120
93
Устройство выполнено в виде напольной стойки блочного типа,
состоящей из законченных блоков управления и силового питания,
а также панели включения, расположенной в верхней части уст-
ройства.
Внешний вид устройства показан на рис. 5.10. Пульт ручного
управления и программатор являются выносными приборами, под-
ключаемыми к стойке с помощью кабелей линии. Функциональные
модули блока управления выполнены на платах с двусторонним
печатным .монтажом.
5.2. Устройства позиционно-контурного программного
управления
Устройство позиционного числового управления УПМ-331. Уст-
ройство предназначено для управления манипуляторами с дискрет-
ными приводами разомкнутого типа и технологическим оборудова-
нием при автоматизации загрузочно-разгрузочных и других вспомо-
гательных операций, а также операций дуговой сварки изделий не-
s’	131
Обмен
инфор-
мацией
сМ и ТО
Рнс. 5.11. Структурная схема устройства УПМ-331:
ЬУ блок управления: БУДП блок управления дискретным приводом; БОН — блок
оперативной памяти: ОЛБ — оперативно логический блик; КНМЛ — кассетный накопи-
тель на магнитной ленте. УВВ — устройство ввода-вывода
сложной конфигурации, сборки, штабелирования и т. д. С помощью
устройства обеспечивается обслуживание, например, металлорежу-
щего станка со встроенным манипулятором или группы станков
(до 4-х единиц) с помощью монорельсового подвесного манипулятора.
На рнс. 5.11 приведена структурная схема устройства, построенного
по принципу синхронного микропрограммного автомата управления
с конечным числом состояний и жестким циклом управления.
Вся командная, технологическая и геометрическая информация
с пульта обучения н ну зьта управления записывается в режиме обуче-
ния в оперативную память устройства, из которой она переписы-
вается на магнитную ленту для длительного хранения и последу-
ющего воспроизведения.
Операционно-логический блок совместно с микропрограммным
автоматом обеспечивает взаимодействие всех блоков и осуществляет
центральное управление логической обработкой ннфор.мац||||.
Сигналы управляющих команд на перемещение рабочих органов
выдаются через блок управления дискретным приводом на двигатели
манипулятора, задание скорости движения осуществляется с по-
мощью блока управления скоростью. Командная и технологическая
информация принимается и выдается блоком ввода-вывода.
Устройство работает в следующих режимах: исполнения про-
граммы, поиска кадра, ручного управления, обучения, контроля
программы, разметки магнитной ленты, разметки зоны, начальной
установки.
132
Основные технические характеристики
Число управляемых координат....................
Число разрядов для обработки информации .........
Программоноситель.................................
Память..................................  .
Метод программирования .............................
Диапазон скоростей перемещения (с разгоном и замед-
лением), Гц.......................................
Точность позиционирования, единицы дискретности . . .
Отработка программы............... .................
Число сигналов (условий) от объектов................
Величина коррекцнн шага, десятичные разряды
Число выходных технологических команд ....
Тип привода ................................   .	.
Индикация номеров зоны и кадра .................
Информационная сигнализация
3
15 двоичных разрядов
и знаковый разряд
Кассетный накопитель
на магнитной ленте
(КНМЛ) типа
«Искра 005-33»
Оперативное ЗУ
с объемом на 100 кадров
программы
Обучение
125—8000
±1
С пульта управления и
по сигналам от объекта
32
3
64
Шаговый двигатель
дискретного
типа ШД-5Д1
Цифровая
Световая (отработка
технологических команд,
сбой устройства,
формат кадра и т. д.)
380 (50 Гц)
1.5
1200X 470X1700
Напряжение питания от сети трехфазного тока, В . . .
Потребляемая мощность, кВ-А........................
Габаритные размеры, мм.............................
Конструктивно устройство представляет собой металлический
шкаф, состоящий из двух механически соединенных стоек (управ-
ляющая часть и привод). Пульт обучения с помощью разъема и
кабеля длиной до 20 м соединяется со шкафом устройства. На перед-
ней панели пульта управления расположены: кассетный накопитель
на магнитной ленте; органы задания режимов работы, номеров про-
граммы и кадров, технологических команд и команд переходов,
параметров тары; цифровые индикаторы номеров программы и кадра;
световая сигнализация состояния работы устройства и отработки
технологических команд; кнопки включения-выключения питания,
пуска-стопа, аварийного стопа и т. д. Пульт обучения содержит
органы задания координатных перемещении манипулятора, скорости
движения в режиме обучения, управления захватами манипулятора,
кнопку записи информации кадра и т. д. Блоки микроэлектроники
выполнены в виде плат с двусторонним печатным монтажом.
Применение интегральных кремниевых микросхем расширенной
серии К155 обеспечивает высокую надежность работы и достаточную
помехоустойчивость устройства.
Устройство позиционного числового программного управления
УПМ-772. Устройство предназначено для управления манипулято-
рами и технологическим оборудованием при автоматизации опера-
ций, связанных с загрузкой-разгрузкой технологического оборудова-
133
Управляющие
команды на прибод
Рис. 5.12. Структурная
схема	устрой*.>вд
УПМ-772:
УЛ1 — усилитель мо
НОСТН:	К Я — КОДОВ!
Датчики; ЦАП - цнф
роаналоговый преобр,
зователь: БП — бл<>
питания датчиков
ния (до 4-х единиц), сборкой, контактно-точечной сваркой и т. д
в условиях массового, крупносерийного и серийного производства
Устройство обеспечивает управление манипуляторами со следящими
электрогидравлическими приводами и двухотсчетными синусно-
косинусными вращающимися трансформаторами типа СКТД-6465Д;
имеется исполнение с измерительными фотоэлектрическими кодовыми
датчиками типа ФЭП-15,
Устройство унифицировано по структурно-алгоритмическому,
схемотехническому и конструкторско-технологическому принципам
с устройством УПМ-331, выполнено на основе синхронного микро-
программного автомата с жестким циклом управления. На рис. 5.12
приведена структурная схема устройства УПМ-772 с измерительной
системой на основе кодовых датчиков.
Центральное управление логической обработкой информации
осуществляет операционно-логический блок совместно с микро-
программным автоматом. Информация о положении рабочих орга-
нов ПР поступает с фотоэлектрических кодовых датчиков обратной
связи, преобразуется в цифровую форму и передается в опера-
ционно-логический блок, где сравнивается с заданной по программе.
Сигналы управляющих команд на перемещение рабочих органов
ПР в режиме разделения времени выдаются через усилители мощности
с функционального цифроаналогового преобразователя. Командная
и технологическая информация принимается и выдается блоком
ввода-вывода.
Устройство может работать в следующих режимах: исполнения
программы, поиска кадра, ручного управления, обучения, контроля
программы, разметки магнитной ленты, разметки зоны, начальной
установки.
134
Основные технические характеристики
Артема отсчета....................................
i|(l. то управляемых координат....................
ц^-tn разрядов для обработки информации . . .
ДплгРаммоноснтсль.................................
Память.............................................
Метод программирования ............................
Число скоростей перемещения.............  .	. . .
Точность позиционирования, единицы дискретности . . .
Хбсолютпыс величины
7
15 двоичных разрядов и
знаковый разряд
Кассетный накопитель на
магнитной лейте (типа
«Искра 005-33»)
ОЗУ с объемом на 100 кад-
ров программы
Обучение
8 (с разгоном
н замедлением)
256, 16 и 1 при соот-
ветствующих степенях
Отработка программы по сигналам от объекта..........
Число сигналов условий от объектов..................
Величина коррекции шага, десятичные разряды ....
Число технологических команд (команд обмена с мани-
пулятором и обслуживаемым оборудованием) . . . .
Индикация режимов работы, померон зоны н кадра . . .
Сигнализация отработки технологических команд сбоя,
формата кадра и др . . .........................
Напряжение питания от сети трехфазного тока, В .
Потребляемая мощность, кВ А.........................
Габаритные размеры, мм..............................
Масса, кг...........................................
точности
С тльта управления
32
3
60
Цифровая
Световая
380 (50 Гц)
Не более 1
650 700> 1700
Не более 400
Конструктивно устройство выполнено в виде металлического
шкафа (стойки) п пульта обучения, подсоединяемого к нему с по-
мощью кабеля длиной не более 20 м. Пульты управления и обучения
как по своему составу, так и но расположению элементов унифи-
цированы с пультами устройства УПМ-331.
Блоки микроэлектроники, выполненные на основе интегральных
микросхем расширенной серин К155. конструктивно оформлены
в виде плат с двусторонним печатным монтажом.
Устройство контурно-числового программного управления
У КМ-552. Устройство предназначено для управления манипулято-
ром и окрасочный оборудованием при автоматизации технологиче-
ского процесса нанесения лакокрасочных покрытий на поверхности
неподвижных или перемещаемых конвейером из гелий сложной про-
странственной конфш урацни при мелкосерийном производстве.
Устройств) построено на базе мнкроЭВМ типа <Электроиика-60»,
задачей которой является обработка принятой с пульта оператора
н датчиков обратной связи (ДОС) манипулятора информации и фор-
мирование управляющей программы в памяти в режиме обучения,
а также вы гача сигналов управления следящими приводами манипу-
лятора н окрасочным оборудованием в режиме обработки программы.
}>стройство может работать в следующих режимах: обучения,
автоматическом. разметки магнитной ленты, ввода-вывода (об-
мена) — ввод информации с внешнего программоносителя в ОЗУ
или вывод информации из ОЗУ на внешний программоноситель,
редактирования - редактирование управляющей программы, тесто-
вого контроля - тестовый н диагностический контроль.
135
В устройстве предусмотрена возможность изменения скорости,
воспроизведения программы в диапазоне д=20 °о.
Основные технические характеристики
Число двоичных разрядов для обработки информации
Точность воспроизведения траектории, единицы дис-
кретности .........................................
Метод программнровання ............................
Программоноситель ..................
Объем оперативной памяти. Кбайт ...................
Датчики обратной связи.............................
Число управляемых координат ......................
Число программ управления ...
Тип привода
±15
1
Обучение
Кассетный накопитель на
магнитной ленте (типа
«Искра 005-33»)
40
Потенциометрические
типа CI14-8
Датчик скорости движения конвейера..................
Число технологических команд (команд обмена с мани-
пулятором и обслуживаемым оборудованием). . . . .
Индикация режимов работы, номера программы, слу-
жебной информации и т. д. для дисплеев типа ИМГ
Напряжение питания от сети трехфазного тока, В , . .
Потребляемая мощность, кВ-Л.........................
Габаритные размеры, мм .
Масса, кг	..................................
До б
4
Следящий электрогидрч-
влнческнй
Импульсная фотоэле
трнческая система ВЕ-106
16
Буквенно-цифровая
380 (50 Гц)
Не более 1
730X 610X1700
Нс более 300
Развитое программное обеспечение устройства создает условие
для программирования необходимых функций управления, логнче
ской организации управляющей программы с наличием отдельны
подпрограмм, стандартных циклов и т. д.
В устройстве предусмотрен дополнительно ввод-вывод программ-
много обеспечения и управляющей программы на перфоленту с по-
мощью фотосчитывающего устройства типа FS1500 (ЧССР) и перфо-
ратора типа ПЛ-150 (СССР).
Конструктивно устройство выполнено в виде отдельного мета-
лического шкафа. Связь устройства с внешним оборудованием — ка-
бельная.
Пульт оператора имеет: кассетный накопитель на магнитной
ленте, буквенно-цифровой дисплей типа ИМГ, клавиатуру задания
режимов работы устройства, клавиатуру набора массивов информа-
ции программного обеспечения и управляющей программы, световую
сигнализацию состояния работы устройства, переключатель коррек-
ции скорости воспроизведения программы, кнопки пуска-стопа,
аварийного стопа, включения-выключения питания и т. д.
Блоки микроэлектроники и питания размещены в отдельных кон-
тейнерах и выполнены на печатных платах с двусторонним монтажом.
Устройство контурного числового программного управления
УКМ-772. Устройство предназначено для управления манипулято-
ром и сварочным оборудованием прн автоматизации процессов дуго-
вой сварки в защитных газах, однако может быть использовано
в комплексе с манипулятором н для автоматизации загрузочно-
136
От Лгтчияоб
Мора	Ммон гшформациеа
От датчиков М программы На приМы М с М и ТО
МН — модуль ввода; МУП — модуль управления приводом; МВд — модули вывода;
ДОС — датчики обратной связи;УУ — устройство управления; ПЗУ — постоянное напо-
минающее устройство; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство
разгрузочных операций, сборки, штабелирования, контактно-то-
чечной сварки и т. д.
Устройство создано на базе мнкроЭВМ «Электроннка-60» и обес-
печивает управление манипуляторами со следящими электрогидрав-
лическимп или электрическими приводами и измерительными си-
стемами с использованием фотоэлектрических кодовых датчиков
положения.
На рнс 5.13 приведена структурная схема устройства. Устрой-
ство может работать в следующих режимах: обучения, автоматиче-
ском, разметки магнитной ленты, обмена информацией с программо-
носителями, редактирования, тестового контроля.
Основные технические характеристики
Число разрядов для обработки информации ...........15 числовых и 1 знаковый
Точность воспроизведения траектории, еднинцы дис-
кретности  ........................................ ±1
Метод программнровання .................... Обучение
Программоноситель . ,	.........................Кассетный накопитель на
магнитной ленте (типа
«Искра 005-33>)
Объем оперативной памяти. Кбайт.................... 40
Датчики обратной связи .............................Фотоэлектрические	кодо-
вые типа ФЭП-15
Число управляемых координат........................ 7
137
Тип привода ...........................................Следящий	электроныра.
влнческий или электрц.
четкий
Число технологических команд (команд обмена с мани-
пулятором и обслуживаемым оборудованием)............ 16
Индикация режимов работы, номера программы, служеб-
ной информации и т. д. на дисплее типа ИМГ.......... Буквенно-цифровая
Напряжение питания от сети трехфазного тока, В	380 (50 Гц)
Потребляемая мощность, кВ - X ............................ Не	более I
Габаритные размеры, мм	730 610 17О0
Масса, кг................................................. Нс	более 300
Программное обеспечение устройства, построенное но модульному
принципу, обеспечивает реализацию требуемых функций управле-
ния при работе в позиционном и контурном режимах при автомати-
зации вышеуказанных технологических операций.
В устройстве предусмотрен ввод-вывод массивов информации
с использованием фотосчитывающего устройства типа FS1500 и
перфоратора тина П.1-130.
Конструктивное оформление шкафа устройства аналогично уст
ройству У КМ-552, пульты оператора обоих устройств унифициро-
ваны.
Выносной пульт обучения имеет клавиатуру задания движений
по координатам манипулятора, наборы технологических н вспомога-
тельных команд, а также снабжен цифровой п световой индика-
цией .
На рнс. 5.14 показан
внешний вид устройства.
Модульные устройства познцн
онно-контурного числового програм-
много управления типа УПКМ. Уст-
ройства типа УПКМ представляют
собой гамму унифицированных
средств позиционно-контурного уп-
равления манипуляторами для авто-
матизации основных н вспомогатель-
ных технологических операций, а
также транспортных, складских
н других работ с учетом различных
иерархических уровней управления
робототехническими комплексами.
Построенные по структуре с цен-
тральным вычислителем на базе мик-
роЭВМ данные устройства отражают
сложившийся состав функций управ-
ления устройств позиционно-контур-
ного класса.
Рнс. 5.14. Внешний вид устройства УК М-77?
138
конкретные модификации устройств со свободным программи-
рованием (например, УПКМ-01, УПКМ-02) обеспечиваются варьиро-
ванием набора функциональных модулей аппаратуры и программного
обеспечения.
Устройства могут работать в следующих режимах: обучения,
стоматическом, обмена информацией с программоносителями, ре-
^актирования и контроля (тестовым и диагностическим).
Основные технические характеристики
Вычислитель .......................................
Программоноситель .................................
Объем памяти. К байт................................
Метод программирования .............................
Тип привода ........................................
Число управляемых координат:
для следящего привода .............................
для дискретного привода .........................
Измерительная система .............................
Число технологических команд (команд обмена с мани-
пулятором и обслуживаемым оборудованием). . . .
Индикация режимов работы, состояния }стройства, слу-
жебной информации и т. д., на дисплее типа ИМГ. . .
Напряжение питания, В...............................
Потребляемая мощность, кВт .........................
Габаритные размеры, мм..............................
Масса, кг...........................................
На базе микроЭВМ
«Электроника-60»
Кассетный накопитель на
магнитной ленте (типа
•Искра 005-33») или на-
копитель на гибких ма-
гнитных дисках (НМГД)
Не менее 56
Обучение
Следящий или дискрет-
ный (электрогндравлн-
ческие или электрические)
До 8
До 5
Под фотоэлектрические
кодовые датчики, фазо-
вые, аналоговые (потен-
циометрические)
Не менее 128 (четыре
группы по 32 команды
на входе-выходе)
Бу квенно- цифрова я
220 (50 Гц)
1
Не более 650X 450X1300
Не более 200
Конструктивно данное устройство выполнено в виде стойки
напольного типа с выносным пультом обучения. Оперативная часть
пульта управления, используемая в рабочем режиме эксплуатации
устройства, функционально содержит клавиатуру задания режимов
работы, дисплей, кнопки пуска-стопа программы, включения-вы-
ключения питания и аварийного стопа.
Вспомогательная часть пульта, используемая преимущественно
при подготовке устройства к работе, отладке программ, выполнении
профилактических процедур и т. д., содержит встроенный про-
граммоноситель (КНМЛ или НМГД), клавиатуру набора информа-
ции программного обеспечения и управляющей программы и рас-
положена в специальном отсеке, закрытом крышкой. Последняя
обеспечивает свободный доступ к программоносителю и клавиатуре
139
набора информации, оформленной в виде отдельного пульта «про.
граммиста».
Блоки микроэлектроники и питания внутри шкафа расположены
в отдельных специальных контейнерах на платах увеличенного раз-
мера с двусторонним печатным монтажом. Функциональные модули
аппаратуры выполнены в виде типовых печатных плат. Пульт обуче-
ния содержит органы управления координатными движениями мани-
пулятора, задания скорости движения в режиме обучения, кнопку
записи программы, аварийного стопа и т. д.
Программное обеспечение устройства УП КМ-02 позволяет реа-
лизовать конкретные функции управления, необходимые для авто-
матизации технологического процесса с применением данного уст
ройства в составе робототехнического комплекса оборудования.
I лава
АЛГОРИТМЫ N ПРАВЛЕНИЯ
И ПРО1 РАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Для получения желаемых технико-экономических пока-
зателей разработчик)’ робототехнического комплекса необходимо
сначала решить, куда выгоднее вкладывать средства — в организа-
цию технологической «среды» или в увеличение информационно-
вычислительных, в том числе адаптивных, свойств робота. Решение
данной задачи существенным образом влияет на алгоритмическое
построение систем управления ПР
Применение микропроцессорных средств вычислительной тех-
ники для управления робототехническим комплексом сопровождается
сегодня повышением уровня его управления.
Задачи управления первого (низшего) уровня решаются в основ-
ном с помощью традиционной теории автоматического регулирова-
ния, входные программы которого определяют значения каждой
из управляемых координат привода манипулятора.
Второй уровень (тактический) является своеобразным генера-
тором управляющих сигналов для низшего уровня управления;
входными командами уровня являются команды, задающие различ-
ные движения захвата манипулятора.
Третий уровень (стратегический) связан со сложной логической
обработкой информации об окружающей среде, исследованием и
поведением робота и рабочих объектов.
Не касаясь отдельно вопросов, связанных с системным и лингви-
стическим по (.ходом к анализу структур и алгоритмической орга-
низации систем управления ПР, рассмотрим в обобщенном виде
некоторые практически реализованные примеры построения алго-
ритмов и программного (математического) обеспечения устройства
циклового и позиционно-контурного управления с учетом возмож-
ностей оптимизации управления движением манипулятора и полу-
чающих все большее развитие принципов блочно-модульного по-
строения.
6.1.	Программное обеспечение микропроцессорных
устройств циклового управления
Алгоритмическая организация программного обеспечения (ПрО)
микропроцессорных устройств циклового управления различна по
составу функций управления обслуживающего робототехнического
141
комплекса оборудования. Гем не менее существует ряд общих ха-
рактерных положений алгоритмического построения ПрО таких
устройств.
Ниже будут рассмотрены принципы организации НрО, которые
использованы при создании микропроцессорного устройства цикло-
вого управления УЦМ-100. Основные положения этого ПрО могут
быть распространены на другие микропроцессорные устройства
циклового управления, решающие аналогичные задачи автоматиза-
ции технологического оборудования.
Алгоритмические особенности управления цикловыми манипуля-
торами. Рассмотрим некоторую специфику функций циклового мани-
пулятора на примере управления одной его координатой с четырьмя
точками позиционирования. В качестве исполнительных двигателей
в конструкциях таких манипуляторов с позиционированием по упо-
рам применяются гидро- и пневмоцилиндры, встраиваемые в несу-
щие элементы конструкции. Перемещение руки осуществляется
при подаче воздуха (или масла) в одну из полостей цилиндра.
Крайние положения штока определяются и регулируются на-
стройкой неуправляемых упоров. Промежуточные точки останова
обеспечиваются с помощью выдвижных (управляемых) упоров.
Управление перемещением руки и выдвижными упорами произво-
дится с помощью пневмогидрораспределительной аппаратуры по-
сылкой последовательности сигналов на электромагниты золотников.
Во избежание деформаций элементов конструкции руки, которые
могут возникнуть при ударе об упор, в пневмогидросистемах мани-
пуляторов предусматривают обычно специальные управляемые дрос-
сели, обеспечивающие снижение скорости движения руки непосред-
ственно перед позиционированием на упоре. Используемые для этого
датчики торможения, размещенные на руке, выдают в устройство
сигналы иа снижение скорости нри подходе к заданному упору,
а датчики останова сигналы об исполнении движения при пози-
ционировании руки на этом упоре.
Для перемещения руки из первой промежуточной точки во вто-
рую (движение «вперед») необходимо:
выдать команду на «вытягивание» руки для освобождения пер-
вого выдвижного упора от давления руки;
втянуть первый и выдвинуть второй выдвижные упоры;
выдать команду на движение руки «вперед»;
включить дроссель снижения скорости при «наезде» на датчик
торможения перед второй промежуточной точкой;
выработать сигнал о завершении заданного движения и сформи-
ровать переход к очередному кадру программы после фиксации руки
на втором упоре и срабатывания датчика останова в данной точке.
Конструкции звеньев цикловых манипуляторов весьма разно-
образны. В общем случае необходимы следующие функции управ-
ления:
анализ текущего состояния координаты манипулятора;
формирование команд на привод для вывода звена в промежуточ-
ное состояние с контролем исполнения ио вы к'ржкс времени;
142
формирование команд на привод для вывода звена в требуемое
положение;
опрос одного или нескольких датчиков координаты и изменение
режима ее работы;
контроль датчика исполнения заданного движения
Фрикции изменения режима работы координаты, связанные со
срабатыванием датчиков (или таймера), предъявляют определенные
требования к быстродействию процессора и влияют на организацию
ПрО устройства. Учитывая, что скорость движения ио координатам
современных цикловых манипуляторов составляет ~1000 мм/с. а ак-
тивная зона датчика — примерно 20 мм, сигнал на выходе датчика
будет присутствовать в течение ~20 мс. За этот период необходимо
не только принять указанный сигнал, но и сформировать соответ-
ствующие команды управления на привод.
Следует отметить, что помимо задачи управления движением
манипулятора на устройство возлагается и задача управления
обслуживаемым технологическим оборудованием, т. е. обеспечения
работы в соответствии с требуемой циклограммой управления робо-
тотехническим комплексом.
Алгоритмическая система устройства должна выполнять также
реализацию процесса программирования, который осуществляется
на проблемно-ориентированном входном языке. В микропроцессор-
ных цикловых устройствах, имеющих регулярную структуру кана-
лов входа-выхода, алгоритмы управления приводом следует про-
граммировать. При этом возможны два варианта организации таких
алгоритмов программирования.
Первый вариант предусматривает программирование алгоритмов
управления приводом манипулятора в условиях завода-изготови-
теля по карте заказа, разрабатываемой поставщиком манипуляторов.
В этом случае рассматриваемые алгоритмы могут быть запрограмми-
рованы непосредственно на языке микропроцессора устройства.
Пользователь получает фактически микропроцессорный аналог спе-
циализированного устройства на «жесткой» логике. Подобный под-
ход в принципе приемлем прн оснащении большой серии однотип-
ных манипуляторов, но значительно сужает доступные потребителю
потенциальные возможности микропроцессорной техники. В част-
ности, он затрудняет модернизацию манипулятора и технологического
оборудования без участия завода-изготовителя устройства и накла-
дывает ограничения на функции управления технологическим обо-
рудованием и реализацию взаимных блокировок при вы 1аче команд
управления РТК
Второй вариант программирования алгоритмов управления при-
водом предусматривает выполнение программирования непосред-
ственно потребителем с помощью специального проблемно-ориенти-
рованного языка, описание которого дается разработчиком вместе
с методикой составления программ. Этот вариант является предпочти-
тельным, так как избавляет изготовителя от необходимости выполне-
ния большого объема работ ио сопряжению изделий с конкретными
типами управляемого оборудования и предоставляет потребителю
143
широкие возможности варьирования фу акциями управления при
модернизации, например, манипуляторов и автоматизируемого обо-
рудования.
Следует подчеркнуть, что язык программирования и алгоритми-
ческая организация ПрО должны обеспечивать эффективную реали-
зацию функции управления:
возможность удобного программирования циклограмм работы
РТК с наличием стандартных подпрограмм, циклов и т д.;
организацию мультипроцессорного режима работы устройства
при управлении группой манипуляторов и единиц технологического
оборудования;
анализ технологической «ситуации» управления РТК. обеспе
чивающий безаварийность работы оборудования;
управление процессами обмена информацией с другими сред-
ствами управления, в том числе ЭВМ верхнего ранга и т. д.
Состав программного обеспечения. Общие принципы построения
алгоритмических систем управления от ЭВМ в определенной сте-
пени справедливы и для микропроцессорных устройств циклового
управления. Задачей ПрО в данном случае является организация
взаимосвязанной работы аппаратных модулей устройства с модулями
ПрО и в конечном итоге обеспечение реализации заданных функций
управления цикловыми ПР и обслуживаемым оборудованием.
Помимо модулей, реализующих собственно функции управления
ПР и технологическим оборудованием, а также драйверов микро-
процессорных аппаратных модулей, ПрО должно содержать систем-
ные программы, обеспечивающие функционирование собственно
программного обеспечения. Основной нз таких программ является
программа-диспетчер, управляющая работой всей системы программ-
ного обеспечения.
Отдельные алгоритмические модули системы должны работать
одновременно. Например, при управлении манипулятором необхо-
димо выдавать на него соответствующие команды, опрашивать дат-
чики их исполнения и т. п.
Поэтому микроЭВМ, на базе которой построено микропроцессор-
ное устройство, должна функционировать в мультипрограммном
режиме. Алгоритмические модули системы в данном случае высту-
пают в роли «пользователей» микроЭВМ.
При блочно-модульном построении ПрО программные модули
образуют иерархическую структуру, в которой отдельный модуль
или их совокупность выполняют одну нз основных функции алго-
ритмической системы.
На рис. 6.1 изображена структура алгоритмической системы
микропроцессорного устройства циклового управления, в состав
которой входят следующие программные модули: диспетчер, монитор,
интерпретатор, модуль опроса датчиков и программных таймеров,
драйвер настройки ВИС аппаратной части, драйвер интерфейса ра-
диально-последовательного (ИРПС). модуль связи с терминалами.
Задачей диспетчера является обеспечение мультипроцессорного
режима работы алгоритмической системы параллельного выпол-
144
рис *•!- * гР>*т>Ра программного обеспече-
на микропроцессорного устройства цикто-
08	в ого управления:
 .драйвер настройки БИС аппаратной
jLr-rir 2 — модуль опроса датчиков н про*
Хммннх таймеров; 3 — интерпретатор;
юдоль связи с терминалами. 5 драй-
вер ИРПС (интерфейс радиальный после*
F	довательный)
нения нескольких управляющих
программ, хранящихся в памяти
и загр у жаемых потребителем.
Кроме того, диспетчер обрабаты-
вает прерывания (аппаратные и
программные от других модулей
устройства), а также выделяет ресурс времени процессора на обработку
системных программ. В процессе работы диспетчер предоставляет
определенное время каждой из параллельно исполняемых уиравля-
ющнх программ.
Активизация выбранной диспетчером программы производится
с помощью монитора, который обеспечивает выборку из памяти
команды управляющей программы и передачу ее интерпретатору.
Алгоритмическое построение монитора позволяет обеспечивать в рам-
ках одной управляющей программы параллельную отработку алго-
ритмов управления координатами манипулятора. Для этого в мони-
торе предусмотрены функции локального диспетчирования.
Алгоритмическая система построена с использованием принципа
интерпретации инструкций управляющих программ потребителя,
что позволяет исключить этап трансляции при программировании
устройства. В процессе функционирования интерпретатор, имеющий
доступ к атрибутам исполняемой программы монитора, идентифи-
цирует полученную от монитора команду, распаковывает ее и вы-
полняет предписанные кодом операции команды управления.
Обслуживание датчиков манипулятора, требующих быстрой ре-
акции системы, в том числе датчиков аварийных блокировок, тор-
можения координат и т. п , а также организация временных про-
граммных выдержек осуществляются с помощью модуля опроса
датчиков и программируемых таймеров. Работа этого модуля осно-
вана на динамической генерации программ обслуживания датчиков
и таймеров по запросу интерпретатора, который предоставляет не-
обходимую информацию, например номер опрашиваемого датчика,
величину временной задержки и т. д. Эта программа периодически
спускается диспетчером. При срабатывании одного из запрограмми-
рованных датчиков или таймеров модуль инициирует программное
прерывание, в процессе обработки которого программе потребителя,
соответствующей данному прерыванию, предоставляется высший
приоритет.
Драйвер настройки БИС аппаратной части функционирует
сразу же после включения питания и выполняет функции выдачи
инструкций, устанавливающих требуемый режим работы БИС уст-
145
ройства (сброс, начальная установка и т. д.). Связь с терминалами
например пультом ручного управления, осуществляется по последи!
ватетьному каналу — ИРПС. Функции управления процессом об.
мена информацией по каналу выполняет специальный программный
модуль — драйвер ИРПС.
Обмен информацией с терминалами производится в соответствии
с внутрисистемным протоколом. Преобразование информации, ее
идентификация и передача в монитор осуществляются модулем
связи с терминалами. Данный модуль обеспечивает также операции
записи «обученной» информации в память устройства и редактиро-
вание программ потребителя.
Организация программирования и особенности языка. Промыш-
ленный робот с позиционированием по упорам является разновид-
ностью машин-автоматов с цикловым управлением Программирова-
ние таких машин обычно производится с применением аппарата бу-
левой алгебры, позволяющей простыми средствами выразить фуик
циональные соотношения между операциями в системе управления.
Различные варианты языков, построенных на основе булевой ал-
гебры, применяются в программируемых командоаппаратах, явля
Ю1ЦИХСЯ ближайшими функциональными аналогами устройств цикло-
вого управления ПР, а также в системах управления цикловой авто-
матикой станка от ЭВМ. Программа вводится на языке, близком по
форме к математической записи булевых выражений, и затем транс-
лируется в объектные коды. Применение таких языков требует от
оператора определенного уровня математической подготовки при
выполнении этапов формализации циклограмм и минимизации логи-
ческих функций.
Наряду с алгоритмическим языком булевых соотношений может
быть использована проблемно-ориентированная система символьного
кодирования, представляющая определенные удобства в поэлемент-
ной отладке программируемых циклов. В ней используются смысло-
вые команды с мнемоническим обозначением кода операции и с ин-
формационной частью. Примером такой системы команд является
язык, применяемый фирмой «Дижитал Эквипмент Корнорайшн»
(Digimal Equipment Corporation, Англия) в системе автоматического
программирования циклов PAL-146.
В составе системы мнемонических команд имеются команды вида
«Проверить состояние входа с номером й», «Установить состояние
выхода с номером i», «Безусловный переход», «Пропуск команды»
и т. н.
Язык такого типа удобен для программирования алгоритмов
управления координатами манипулятора и технологического обору-
дования. Каждый из указанных алгоритмов может быть оформлен
в виде самостоятельной подпрограммы, вызываемой соответству-
ющей инструкцией языка в процессе отработки циклограммы работы
всего робототехнологического комплекса. В этом случае практи-
чески вся циклограмма будет состоять из последовательности команд
вызова подпрограмм управления отдельными приводами РТК.
В отличие от большинства машин-автоматов в системах управления
146
jIP часто используют не только автоматический, но и ручной режиЧ
, при котором с пульта управления подают команды уирав-
координатамн манипулятора.
Задание команд управления координатой представляется эффек-
тивным на уровне макроинструкций, инициирующих подпрограммы
управления приводом и называемых минипрограммами. Применение
макроинструкций позволяет упростить процессы отладки и редакти-
рования программы, а также сократить ее объем. Примером макро-
инструкций являются команды управления координатой устройства
УЦМ-663.
При разработке проблемно-ориентированного языка систем груп-
пового управления ПР необходимо учитывать ряд специфических
требований, связанных с организацией мультипрограммного режима
работы устройства, в частности, по взаимной синхронизации про-
грамм управления отдельными ПР.
Разработку языка программирования увязывают с алгоритми-
ческой организацией программного обеспечения в целом, особенно
в системах группового управления, в которых функции управления
прохождением программ реализуются на уровне системного ПрО.
В частности, в составе языка должны быть предусмотрены соответ-
ствующие инструкции, информирующие монитор системы о числе
одновременно управляемых координат робота в так называемых
кадрах совместной отработки.
Согласование методики составления программ, функциональной
полноты языка и алгоритмического построения системного ПрО
может быть осуществлено на уровне программной модели устройства,
отражающей структуру и форму представления данных, с которыми
оперируют функциональные модули алгоритмической системы и
инструкции языка программирования, а также состав операционных
узлов обработки и хранения информации.
В известном смысле программная модель является средством
наглядного отображения принципов алгоритмической организации
системы управления, знание и понимание которых обязательно для
оператора, составляющего программу на языке, в определенной
мере ориентированном на программную модель.
На рис. 6.2 показан вариант программной модели микропроцес-
сорного устройства циклового управления, ориентированной на орга-
низацию процессов группового управления ПР.
Основные функции циклового управления — опрос состояния
датчиков и выдача у правляющих сигналов на привод осуществляются
через коммутатор входных условий (КВУ) и выходной регистр
(ВР), являющиеся портами соответственно модулей ввода и вывода
устройства.
Организация режима группового управления обеспечивается
с помощью программно-реализованных слов состояния монитора
(СОМ), регистра приостанова программ (РПП). регистра флагов
(РФ) и комплекса атрибутов программ.
ССМ представляет собой восьмиразрядное слово (по числу па-
раллельно исполняемых программ) для восьми роботов, в каждый
147
атрибуты прогоаммы О
Рис. 6.2. Программная модель микропроцессорного циклового устройства управления груп-
пой ПР
. Атрибуты программы 7
разряд которого, соответствующий номеру программы, записывается
признак ее запуска. Установка и сброс признака запуска про-
граммы могут производиться с пульта ручного управления или
с помощью команд языка, что позволяет программно инициировать
запуск-останов программы из одной специально выделенной про-
граммы. РГ111 реализуется программно и служит для фиксации
признаков временной приостановки исполняемых в текущий момент
программ, например, на время окончания техноло! нческой выдер-
жки времени. Рассматриваемый регистр непосредственно недоступен
языку пользователя, загрузка РИП производится монитором системы
118
при выполнении команд инициирования опроса датчиков или
таймера.
Выбор программ, реализуемых диспетчером, основан на анализе
t СИ и РПП. Выделение лимита времени производится только для
тех программ, которые уже исполняются и не находятся в состоянии
приостанова.
Синхронизация управляющих программ производится с помощью
программно-реализуемого регистра флагов (РФ). В требуемых точ-
ках одной из программ, используя инструкции языка, можно уста-
новить или сбросить один или несколько флагов, указывающих
на текущее состояние программы. Идентификация состояния этой
программы может быть осуществлена в другой программе путем
опроса соответствующих флагов (разрядов РФ).
Мультипрограммный режим работы однопроцессорных систем
в общем случае основан на выделении каждой программе в соответ-
ствии с выбранной дисциплиной определенного лимита времени, по
истечении которого ресурс процессора предоставляется другой про-
грамме. Данные о состоянии каждой из «одновременно» исполняемых
восьми программ хранятся в так называемых массивах атрибутов
программы.
Ряд атрибутов являются прямо или косвенно программно-до-
ступными, т. е. изменяют свое состояние под воздействием инструк-
ций языка. Часть атрибутов доступна только системным програм-
мам монитора и изменяет свое состояние в соответствии с алгорит-
мами его функционирования.
В рассматриваемом примере счетчик адреса команд (СЧАК)
адресует подлежащую исполнению команду программы. При выпол-
нении ряда команд его состояние автоматически увеличивается на I,
обеспечивая естественную адресацию очередной команды. Команды
передачи управления записывают в СЧАК адрес перехода. Регистр
адреса возврата из подпрограммы (РАВПП) используется при опе-
рации обращения к подпрограмме.
Для организации локальных циклов применяют четыре восьми-
разрядных счетчика циклов (СчЦО СчЦЗ).
Индикатор кода блокировки программы (И КБ) предназначен
для хранения информации о выявленных программным путем ава-
рийных ситуациях. Состояние ИКБ опрашивается модулем связи
с терминалами и направляется для индикации на пульт управления.
Рассмотренные атрибуты являются программно-доступными.
В составе программно-недоступных атрибутов регистры отра-
ботки кадра (РОК) и приостанова минипрограмм (РПИП) выпол-
няют функции, аналогичные ССМ и РПП, но ограниченные рамками
локального диспетчирования в пределах программы.
Инициирование мини-программ происходит прн выполнении
макрокоманд языка. Если в кадре программы имеется только одна
макрокоманда, то в РОК записывается I в первом разряде, если мак-
рокоманд несколько, то в РОК записывается соответствующее число.
При выполнении кадра совместной отработки на каждую мини-
программу выделяется лимит времени локальным диспетчером мо-
149
йитора, но истечении которого инициируется очередная мини,
программа. По мере отработки мини-программ в РОК сбрасываются
разряды, соответствующие исполненным мини-программам.
Отметим некоторые особенности языка микропроцессорных уст-
ройств циклового управления, который должен содержать следу-
ющие группы команд:
управления координатой, захватом, технологическим оборудо-
ванием;
программирования логических функции, в том числе пропуски
по условию, другим признакам и т. д.;
управления, связанные с безусловными переходами, обращениями
к подпрограммам и др.;
организации локальных циклов, устанавливающие начало и
конец циклов;
инициирования и останова программы, осуществляющие запуск
программы, ее останов и т. д.;
управления монитором, определяющим в формате кадра число
совместно отрабатываемых команд, указывающие окончание мини
программ, установку кода блокировки и др.
Информационная часть перечисленных групп команд различна
и определяется характером выполняемых действий.
Например, информационная часть макрокоманды управления
координатой манипулятора содержит признак направления движе-
ния, номер координаты, по которой производится движение, и номер
точки (позиции), в которую требуется «вывести» данную координату.
При групповом управлении манипуляторами информационная
часть команды дополняется, например, сведениями о номере управ
ляемого манипулятора и т. д.
С помощью приведенных групп команд формируют ряд миии-
ирограмм управления движением манипулятора с привязкой вхо-
дов-выходов системы к конкретным звеньям и управляемому обору-
дованию, а также реализуют технологическую циклограмму работы
робототехнического комплекса в целом, с учетом необходимых
ветвлений программы, организации стандартных циклов, временных
выдержек и т. д.
6.2.	Алгоритмы управления и принципы алгоритмической
организации модульных позиционно-контурных
устройств
Рассмотрим алгоритм управления позиционных устройств число-
вого программного управления типа УПМ-331 и УПМ-772 (рис. 6.3),
отражающий общую организацию функционирования устройства
и ориентированного главным образом на реализацию технологиче-
ской задачи автоматизации операций загрузки-разгрузки металло-
режущих станков или другого оборудования одного участка.
Детализация данной задачи приводит к необходимости введения
в у правляющую программу ряда логических команд переходов,
специфической организации технологических и вспомогательных
команд, признаков условий выполнения программы и т. д.
150
Рис. 6.3. Структурная схем* алгоритма	управтения позиционного устроАствв
151
Для облегчения описания алгоритма напомним, что указанные
устройства построены по структуре микропрограммного цифрового
управляющего автомата с конечным числом состояний алгоритма и
жестким циклом управления. В них в качестве программоносителя
используют кассетный накопитель на магнитной ленте (см. гл. 3).
В соответствии с основными режимами работы устройства алго-
ритм его управления подразделяется на блоки, содержащие харак-
терные для данного режима последовательности управляющих
макрокоманд.
Выполнение режима ^Программа» (ПР) начинается с отработки
кадра, номер которого хранится в счетчике кадров. При этом вна-
чале производится контрольное суммирование информации кадра
(макрокоманды 2, 3). При отсутствии ошибок осуществляется рас-
сылка негеометрической (управляющей и технологической) инфор-
мации по рабочим регистрам устройства (4) и анализ содержимого
информации ка гра, определяющей последовательность исполнения
кадров в программе (5). В частности, анализу подлежат команды
условного и безусловного переходов, поиска зоны информации на
магнитной ленте, выбора программы. По результатам анализа
формируются определенные признаки переходов. После завершения
предварительной обработки команд переходов осуществляется анализ
команд коррекции (6) и их выполнение (7), состоящее в изменении
заданного положения манипулятора на величину шага между ячей-
ками упорядоченной тары при обслуживании последующей ячейки
(выполнение подпрограммы обслуживания упорядоченной тары осу-
ществляется при работе в декартовых координатах).
При отсутствии команд коррекции или после их выполнения осу-
ществляется переход к отработке геометрических перемещений мани-
пулятора (8) и выполнению технологических и вспомогательных
команд (9).
При естественном следовании кадров в программе после анализа
условий переходов (10, 11) содержимое счетчика кадров (СЧК)
увеличивается на +1 и осуществляется выбор и отработка следу-
ющего по номеру кадра (15, 3).
При выполнении команд перехода в счетчик кадров записывается
номер заданного кадра (11. 12). Макрокоманды (13, 14) определяют
одноразовое выполнение программы с переходом в исходное со-
стояние (1) или циклически повторяющееся.
Выполнение режима «Поиск кадра* (ПК) начинается с задания
от органов управления пульта или от программы искомого номера
зоны (16. 17) для поиска ее при обращении к кассетному накопителю
на магнитной ленте (КНМЛ). После завершения поиска зоны вы-
дается команда чтения зоны, и считываемая с магнитной ленты
информация переписывается в ячейки памяти (18). Затем осуще-
ствляется поиск искомого кадра в ячейках памяти, и на цифровом
табло пульта управления высвечивается номер данного кадра,
подлежащего отработке по программе или «переобучению! при не-
удовлетворительном программировании.
В режиме ^Обучение* оператор с помощью со«>тветстп\ющи\ орга-
15?
нов управления пульта осуществляет набор «обучаемой» информации
для записи по кадрам в память устройства (20, 21). В процессе
записи производится вычисление контрольной суммы кадра и запись
ее в соответствующую ячейку памяти текущего кадра.
При нормальном завершении операции набора кадра, последний
подлежит «исполнению» по ветви алгоритма 3 —10 для проверки
правильности записи информации в память. Заметим, что выполне-
ние кадра при обучении по данной ветви алгоритма, являющейся
основной в режиме ПР, способствует также поддержанию обученной
точки манипулятора в заданном положении при длительном цикле
обучения данного кадра программы пли возможном перерыве в про-
цессе обучения. После выполнения указанных операций оператор
осуществляет перепись информации (22) на внешний программоно-
ситель — соответствующую зону магнитной ленты; устройство пере-
ходит в исходное состояние (I).
В режиме ^Ручное управление» (РУ) управления манипулятором
(23) осуществляется с выносного пульта обучения, обеспечивающего
перемещение исполнительных органов манипулятора и управление
захватом (24). Функция устройства управления в этом режиме сво-
дится к переключению манипулятора на управление с выносного
культа обучения.
Отметим некоторую специфику алгоритма управления, связан-
ную с обслуживанием тары, ориентированной одной стороной по
направлению движения манипулятора. В этом случае коррекция
на движение вводится только по одной координате. Сдедовательно,
при работе с тарой в программе присутствует столько подпрограмм
обращения, сколько имеется ячеек в направлении некоррелирован-
ной координаты. Управление последовательностью обращения к под-
программам обеспечивается командами безусловных и условных
переходов
Вся подпрограмма состоит из двух частей: загрузка станка
(или другого технологического оборудования) с подпрограммой
обращения к таре заготовок и его разгрузка с подпрограммой обра-
щения к таре готовых деталей.
Алгоритм управления (см. рис 6.3) отражает общую организа-
цию функционирования устройства, но в нем не учтены особенности
управления конкретным приводом манипулятора, организации внеш-
них связей устройства с оборудованием, выполнения контрольных
и диагностических процедур и т. д.; однако рассматриваемый а.ио-
ритм является характерным для позиционных устройств управления
определенного уровня автоматизации.
Следует отметить, что применительно, например, к задаче авто-
матизации загрузочно-разгрузочных операций на участке металло-
режущих станков функциональный состав программы управления
манипулятором может быть описан следующим выражением:
Ф (X 4 У 7 4- ... + W + V 4 Т 4 R 4 т + р 4 А) п,
где X, У, Z, .... W — массив информации, выражающей величины
геометрических перемещений по координатам манипулятора; V —
153
Номер кадра
Счетчик кадров
Переключатель
команд переходов
на пульте
Геометрическая информация
о положении исполнительных
органов манипулятора
Технологическая информация
о командах иа схват
и внешнее оборудование
Информация о заданной
скорости движения
Управляющая информация
о последовательности
обработки информации
внутри кадра
Информация о последователь-
ности исполнения кадров
программы
Вспомогательная информация,
обеспечивающая контроль
достоверности информации
в памяти устройства
Переключатель
технологических и
вспомогательных
команд
Рнс. в.4. Состав кадра программы и способ его формирования
требуемая скорость перемещений; Т — технологические и вспомо-
гательные команды; R — информация о способе выполнения тех-
нологической команды (совместно с движением по координате или
раздельно, очередность выполнения по отношению к схвату н т. д.);
т — величина временной выдержки исполнения команды; р — логи-
ческие команды условий перехода к очередному кадру программы;
k — команды коррекции программы, связанные с обслуживанием упо-
рядоченной тары деталей (заготовок); п — число кадров программы.
Основным элементом управляющей программы устройств
УПМ-331, УПМ-772 является кадр, состав которого и способ его
формирования показан на рис. 6.4.
Фиксируемые в программе значения координатных перемещений
манипулятора могут быть представлены определенным числом им-
пульсов унитарного кода при использовании дискретного привода.
Эти перемещения за щются с пульта обучения в соответствии с вы-
ражением
где N ..... — ппограммнруем >е перемещение манипулятора по
осям А. 1 , .... UZ; L ,...- фактическое перемещение мани-
пулятора по координате; А .	, —дискретность задания пере-
мещений ...................... Значения аргументов	и \...„
определяются конструкцией манипулятора.
134
В процессе обучения движение манипулятора по координатам
осуществляется оператором на минимальных скоростях, составля-
ющих обычно 0,1- 0,3 от максимальной. Для обеспечения необходи-
мой производительности в автоматическом режиме работы оператор
при формировании кадра устанавливает на пульте управления
требуемое значение скорости.
Величины программных перемещений манипулятора по коорди-
натам представляются величинами кодов, получаемых от измери-
тельных датчиков обратной связи.
Программирование технологических команд (ТК) управления
осуществляется путем задания на пульте управления информаци-
онных слов вида:
Команда ТК	Признак ТК	Выдержка времени
Технологическая команда задается ее номером; набор номера
признака команды определяет ее организацию во времени; выдержка
времени задается также номером, соответствующим фиксирован-
ному значению временного интервала исполнения команды.
Команды управления захватыванием и кантованием задаются
с помощью специальных кнопок на пульте обучения. Организация
технологических команд в рассматриваемых устройствах сводится
к заданию с помощью признаков ТК определенной последователь-
ности выполнения технологических команд, команд управления
захватыванием и перемещением.
Возможное содержание признаков ТК приведено в табл. 6.1.
Введение команд условного и безусловного переходов повышает
оперативность использования отдельных программ и обеспечивает
логическую организацию взаимосвязи выполнения отдельных ее
частей. В рассматриваемом случае перечень команд перехода и их
содержание приведены в табл. 6.2.
Последовательность кадров программы объединяется в зону
программы. Принятое в описываемом случае число кадров в зоне
равно 100. Каждая из зон отмечается номером и дополняется кодо-
вым признаком «защиты» зоны, обеспечивающим надежность до-
ступа к требуемой зоне при автоматической работе или в процессе
обучения. Сформированная зона программы с помощью органов
пульта управления переписывается из памяти на магнитную ленту
КНМЛ для долговременного хранения. Набор программ на кассетах
с магнитной лентой образует своеобразную «библиотеку» программ.
Обмен информацией между памятью и КНМЛ с достаточно большим
массивом данных обеспечивает повышение надежности задания про-
граммной информации, поскольку исключает частые обращения
к КНМЛ при работе манипулятора. Дополнительными мерами по
повышению надежности ввода программы являются автоматический
контроль информации по контрольной сумме, повторный ввод ин-
формации с КНМЛ при наличии ошибок, а также предварительный
контроль магнитной ленты перед записью.
155
Таблица ।
Номер признака тк 1	Содержание признака ТК ТК выполняется после перемещения органов манипулятора, конец выполнения ТК определяется по ответу. Команда «Захват» вы- полняется после ТК
2	ТК выполняется после перемещения органов манипулятора, конец выполнения ТК определяется временной выдержкой. Команда «Захват» выполняется после ТК
3	После перемещения органов манипулятора выполняется команда «Захват», затем — ТК- Конец выполнения ТК определяется по ответу
4	После перемещения органов манипулятора выполняется команда «Захват», затем — ТК Конец выполнения ТК определяется по ответу
5	ТК выполняется параллельно с перемещением органов манипуля- тора. Конец выполнения ТК определяется по ответу. Команда «Захват» выполняется после перемещения органов манипулятора при условии выполнения ТК
6	ТК выполняется параллельно с перемещением органов манипуля- тора. Конец выполнения ТК определяется по времени. Команда «Захват» выполняется после перемещения органов манипулятора при условии выполнения ТК
Описанный способ организации управляющих программ, в ко-
торых в качестве программоносителя используется магнитная лента,
обеспечивает возможность получения программ методом «обучения!.
Он может найти применение в технических средствах управления
различными визами технологического оборудования.
Если в процессе проверки правильности отработки программы
(в некоторых устройствах для этого вводят специальный режим
контроля программы) выявляется необходимость ее коррекции, то
исправление калров осуществляют следующим образом. В режиме
поиска находят нужный кадр, а затем в режиме обучения произ-
водят запись новой информации.
Неудовлетворительная запись кадров при обучении может быть
в результате:
ошибки оператора (пропуск набора) — не отрабатывается тех-
нологическая команда,
ошибки в адресе при наборе — отрабатывается технологическая
команда, не предусмотренная в данном кадре;
156
ишмшо- ЛоманД'-*	Содержание команды
УП-1	Условный переход I рода, осуществляющий переход к кадру про- граммы в пределах одной зоны по сигналам от внешнего обору- дования
ГуП-2	Условный переход II рода, осуществляющий переход к кадру.
	находящемуся в другой зоне данной программы
БП-1	Безусловный переход I рода — переход к кадру программы в пре- делах одной зоны
| БП-2	Безусловный переход 11 рода — переход к кадру другой зоны дан- ной программы
БПЗ-1	Безусловный переход к кадру программы внутри данной зоны с за- поминанием номера кадра, следующего за командой перехода, в ячейке «возврата»
БПЗ-2	Безусловный переход к кадру другой зоны с запоминанием номера кадра, следующего за командой перехода, и номера зоны в ячейке «возврата»
БПВ	Безусловным переход к кадру, хранящемуся в ячейках памяти <возвратаа
ВПР	Команда обеспечивает выбор одпон из программ обслуживания обо- рудования. набранных иа переключателях пульта, обращение к которым производится по сигналам от внешнего оборудования
ПЗ	Команда предназначена для поиска на магнитной лейте требуемой зоны. Движение лепты в этом случае может производиться парал- лельно с работой манипулятора
невнимательности оператора при программировании — непра-
вильное выполнение перехода к очередному кадру программы;
неоптнмальиой скорости движения — нерациональное переме-
щение манипулятора и т. д.
Обучение и «переобучением манипулятора требуемой программе
осуществляется с помощью органов управления пультов. Ускорение
выполнения этих операций может быть достигнуто при заранее
составленной карте программирования (рис. 6.5).
После набора кадров программы, нажатием кнопки записи зоны
на пульте управления, информация данного массива переписывается
в выбранную предварительно зону на магнитной ленте КНМЛ.
Для обеспечения необходимой достоверности выбора требуемого
массива информации в режиме многопрограммного воспроизведения
при записи на пульте набирается соответствующий «ключ защиты»
программы.
157
Рассмотренный алгоритм управления манипулятором устройства
с аналогичными функциональными возможностями на базе стандарт-
ной микроЭВМ остается практически неизменным, а его программное
обеспечение реализуется в системе команд выбранной микроЭВМ.
При этом без изменения функционального состава аппаратной част
можно путем введения программного модуля интерполяции превра-
тить рассматриваемое устройство в позиционно-контурное.
В целом класс современных позиционно-контурных устройств
управления обладает расширенными функциональными возмож-
ностями и достаточно развитым программным обеспечением, свя-
занным, в частности, с реализацией программным способом раз-
личных видов интерполяции, функций электроавтоматики управ-
ляемого оборудования, информационного обмена с другими
средствами вычислительной техники, ЭВМ верхнего ранга и т. д.
В некоторых аспектах организация алгоритмической системы
выполнения заданного объема функций управления не зависит от
содержания аппаратных средств центрального вычислителя, а опре-
деляется главным образом спецификой и характером обработки ин-
формации, поступающей от управляемого и обслуживаемого объ-
ектов.
Одной из основных предпосылок, в частности, проблемы авто
матнзации проектирования ПР является использование эффективно
формализуемых элементов и структур как в части аппаратной орга
низании устройств управления, так и в отношении нх математиче
ского обеспечения. Методы модульного построения алгоритмической
системы управления роботом в связи с этим представляются наиболее
эффективным средством решения шиной проблемы.
Окончательная унификация алгоритмических структур, исполь-
зуемых при построении системы управления роботом, может осу-
ществляться лишь в комплексе с аналогичными решениями по соот-
ветствующим внешним устройствам, включая пульты, датчики и
исполнительные подсистемы. Тем не менее есть ряд достаточно общих
принципов, которые остаются справедливыми в широком диапазоне
158
довнй- Одним нз таких принципов является принцип иерархи-
•*'.кого построения сложных управляющих систем, т. е. расслоения
Ертемы на иерархические уровни. Известны различные точки зре-
я на структуру связей иерархических уровней, разделение функ-
„вд между уровнями и т. д.
рассматриваемые ниже принципы иерархического построения
«стемы управления роботом в наибольшей мере отвечают схеме,
приведенной в работе 1581, конкретизирующей состав информации,
поступающей с одного уровня на другой, и характер взаимодействия
.ровней. Формулировка функций, реализуемых четырьмя выделяе-
мыми уровнями, а также содержание информации, поступающей по
информационным связям с одного уровня на другой, приведены
в табл. 6.3, которая отражает информационную степень сложности
каждого иерархического уровня на переходе от старшего уровня
к младшему.
Старшим иерархическим уровнях! соответствует наибольшая
общность входной и выходной информации. На младших иерархи-
ческих уровнях обработка поступающей информации осуществляется
по наиболее простым алгоритмам, выражающих! относительно корот-
кие итеративные циклы.
Приведенные принципы иерархического построения системы
управления роботом реализуются в обобщенном виде алгоритми-
ческой структурой, показанной на рис. 6.6. Функциональные мо-
дули, составляющие систему, располагаются слоями, соответству-
ющими иерархическим уровням. Модули 8 и 9 находятся на низшем
иерархическом уровне D; высший уровень .4 представлен модулем 1.
Помимо функциональных модулей, в состав системы могут вхо-
дить модули обслуживающих подсистем (например, модуль 4 форми-
рования файлов). Играя вспомогательную роль в системе, обслужи-
вающие модули стоят вне структуры иерархических отношений функ-
циональных модулей.
На рис. 6.6 приведены два типа связей между функциональны ли
модулями: информационные (сплошные линии) и синхронизиру-
Таблица 6.3
Иерархи- чески П уровень	Основная функция модуля уровня	Содержание вводимой н выводимой информации
Л	Отслеживание фазовых параметров (значение обобщенных координат)	Управление воздействия, по- казания датчиков
в	Управление параметрами модели (значениями физических координат)	Фазовые параметры (обоб- щенные координаты)
с	Построение графиков выполнения базовых операций	Параметры конфигурации сцены
D	Формирование поведения (последова- тельности действий) робота	Стереотипы действий и оце- нок
159
Рис. 6.6. Алгоритмическая структура системы управления роботом:
Л—Д >ровии иерархии; Модули: / — управления режимами; 2 — контроля функциони-
роваиия; 3 — управления операциями; 4 — формирования файлов; 5 — расшифровки ин-
струкций оператора; ь составления плана движения: 7 — расшифровки плвна движения:
8 формирования кодов инструкций оператора; 9 оперативной коррекции плана
движения
ющие (штрихи)нктнриые линии). Синхронизирующие связи носят
универсальный характер, их вит не зависит от того, какие функцио-
нальные модули ими связываются. Каждой из информационных
связей в общем случае соответствует своя собственная знаковая
система.
Унификация алгоритмических структур, реализующих систему
управления роботом, включает ограничения на состав функцио-
нальных модулей, состав информационных связен между ними,
синтаксис и семантику знаковых систем, соответствующих этим
связям.
Структура, изображенная на рис 6.6, соответствует существен-
ному ограничению на состав информационных связей между функ
цнональиыми модулями. Это ограничение, состоящее в том, что раз-
решаются информационные связи лишь между модулями, лежащими
на соседних иерархических уровнях, резко сокращает число типов
допустимых связен.
Как показывает практика, такое ограничение фактически не
приводит к снижению потенциальных возможностей системы управ
ления, поскольку при обмене информацией между модулями далеко
отстоящих уровней эта информация так или иначе должна пройти
несколько стадий обработки, соответствующих разделяющим мо-
дули иерархическим уровням. При необходимости экстренной сигна-
лизации (например, возникновение аварийной ситуации) немедлен-
ная реакция соответствующих модулей может обеспечиваться за
счет использования синхронизирующих связен.
ИО
f Модулям 8 и 9 соответствуют (помимо связей 5-8, 5-9 и 7-9) ин-
Лурманионные связи с исполнительными механизмами робота (на
рис 6.6 они опущены). Условия, регламентирующие состав и форму
представления информации, передаваемой по этим информационным
связям (синтаксис и семантика соответствующих им знаковых си-
С^ем). зависят от принятых решений по унификации исполнительных
механизмов (от характера представления сигналов на входе блоков
привода и средств отображения информации на пульте оператора,
а также от характера представления сигналов, поступающих с дат-
чиков и от оператора в систему управления). Таким образом, необ-
ходимой предпосылкой выбора стандартов информационных связей
низшего уровня является унификация информационных параметров
исполнительных подсистем робота.
Для модулей старших иерархических уровней характер инфор-
мационных связей определяется в основном характером возлагаемых
на робот задач. Для высокоорганизованных роботов модули старших
иерархических уровнен реализуют развитые алгоритмы обработки
информации, их взаимодействие обеспечивается информационными
связями, использующими развитые формализмы.
Для позиционно-контурных систем управления, соответствующих
сегодняшнему уровню развития промышленной робототехники, ло-
гика работы высшего иерархического уровня сводится к переключе-
нию режимов функционирования системы при поступлении соответ-
ствующих синхронизирующих сигналов. Информационные связи 1-2
и 2-3 обеспечивают при этом передачу ограниченного набора данных,
фиксирующих параметры соответствующих режимов.
Связи 3-5, 3-6 и 3-7 предназначены для передачи значений об-
щих параметров режима управления роботом, например номера
формируемой или отрабатываемой программы движения, текущего
номера кадра, информации о состоянии ресурсов системы.
Если группа модулей алгоритмической системы обслуживается
одним вычислителем (процессором), возникает проблема выбора
дисциплины обслуживания процессором модулей группы (для одно-
процессорных вариантов все модули образуют единую группу).
Простейшая из возможных дисциплин обслуживания — цикли-
ческая передача процессоров (рис. 6.7, а). При этом i-й модуль
системы, получив процессор, выполняет необходимые на данном
Цикле операции и после этого передает процессор очередному
О’ + 1)-му модулю.
При циклической дисциплине обслуживания все модули фак-
тически связываются в единый последовательный алгоритмический
процесс. Разновидностью этого типа управления ресурсом процес-
сора является циклическое обслуживание с использованием диспет-
чера (рис. 6.7, б). При этом один из модулей системы (диспетчер),
обрабатывая обобщенную информацию о текущем состоянии процесса
управления, обеспечивает включение или отключение модулей на
каждом цикле обслуживания.
Важный класс дисциплины обслуживания связан с организацией
обслуживаемых модулей в виде системы сопрограмм. На рис. 6.7, в
6 П/р И М. Макарова	161
Рис. 6.7. Способ переключения процессора, обслуживающего систему управления модулем:
а — циклическое обслуживание без диспетчера; б — то же, с диспетчером; а — обслужи на-
вне всянхроино-функцнонирующих модулей центральным диспетчером: е — децеитрачм*
эоваивое построение системы аскихрояио-фуикциоиирующих модулей;
ввштриховвны диспетчирующие модули, не заштрихованы — функциональные
показан вариант системы сопрограмм, в которой выделена сопро-
грамма-диспетчер, принимающая решения о выделении процессора
тому или иному модулю системы.
Использование синхронизирующих связей в виде семафоров
позволяет реализовать децентрализованный вариант построения си-
стемы управления роботом, при котором нет необходимости введения
специального днепетчируюшего модуля (рис. 6.7, г).
Циклические дисциплины обслуживания алгоритмических моду-
лей малопригодны для построения системы управления роботом.
Эго связано с тем, что внешние (по отношению к системе управления)
процессы протекают асинхронно, требуемый порядок вычислений
непрерывно изменяется. В тех случаях, когда удается построить
систему управления роботом с циклической дисциплиной обслужива-
ния модулей, она получается узкоспециализированной и плохо
поддающейся модификации.
Построение системы в виде множеств сопрограмм, управляемых
некоторым центральным модулем-диспетчером, повышает гибкость
системы Порядок вычислений задается непосредственно ходом
внешних по отношению к системе управления процессов (через си-
стему прерываний вычислителя). В зависимости от складывающейся
ситуации диспетчер передает ресурс процессора тому или иному
функциональному модулю. При этом формирование данных, отра-
жающих сложившуюся ситуацию, производится как в центре (диспет-
чером), так и на периферии (функциональными модулями). По-
162
пЬку формирование данных влияет на распределение процессор-
ов времени, можно говорить о частичной централизации этого
Определения.
"Степень централизации распределения процессорного времени
разных системах различна. В частном случае (см. рис. 6.7, г)
дикции диспетчера могут быть вырожденными, система полностью
Называется децентрализованной. Такое построение удобно для
Едей унификации: нет необходимости регламентировать свойства
диспетчера с функциональными моделями.
Унификация архитектуры и алгоритмических структур, нсполь-
мемых при построении систем управления промышленными робо-
йми, не только повышает эффективность использования традицион-
ных средств создания этих систем, но и открывает дополнительные
уиможности автоматизации разработок, создания универсальных
Эмулирующих комплексов. Унификация характеристик анпа[ ат-
иых блоков создает предпосылки для унификации информационных
связей между модулями алгоритмической структуры системы управ-
ления. Использование информационных связей только между моду-
лями соседних иерархических уровней уменьшает число разновид-
ностей таких связей без снижения потенциальных возможностей
системы.
Для реализации системы универсального процессора целесооб-
разна организация алгоритмических модулей в виде системы со-
программ. Использование универсальных синхронизирующих свя-
зей позволяет реализовать децентрализованный принцип распреде-
ления ресурса процессора между функциональными модулями си-
Рис. f.8. Алгоритмическая
структура варианта функ-
ционального программно-
го обеспечения устройства
У КМ-772;
7 — Диспетчер режимов;
i — дешифратор директив
оператора; Л — транслятор
управляющей программы;
7 — интерпретатор упра-
вляющей программы: 5 —
интерпретатор технологи*
ческих команд; 6 — моии-
’’•р жрана; 7 — диспетчер
Диалоге, в — редактор тек-
ста; 9 — тактовый иитер -
яретатор примитивной фор-
“ управляющей про-
граммы; 10 — технологи-
ческий	драйвер;	II —
Драйвер	пультв	оперв-
*пра; 12 — драйвер инже-
нерного	пульта;	/Л —
Драйвер пультв обучения;
14 — драйвер привода
6*
стемы. Это освобождает от необходимости разработки в каждой
отдельном случае специальных модулей, выполняющих роль днсиЯ
чера, или от необходимости решать сложною задачу синтеза доста!
точно универсальных вариантов диспетчеров.
На рис. 6.8 в качестве примера реализации алгоритмической
системы управления ПР приведена алгоритмическая структура
варианта функционального программного обеспечения рассмотр я-
ного ранее контурного устройства УКМ-772, используемого в ком-
плексе с манипулятором «Универсал-15М» и сварочным оборуд0.
ванием для автоматизации процессов дуговой сварки.
При разработке программного обеспечения устройства УКМ-772
широко применялась техника реализации модулей в виде аспнхр ц-
ных программ, т. е. совокупности вычислительных процессов, bhj -
тренне замкнутых по управлению и взаимодействующих друг с др; -
гом за счет использования различных видов информационных связей.
На рис. 6.8 показана структура основных сигнальных связей,
представляемых обращениями к процедурам и мониторам, а также
модификациями значений специальных сигнальных переменных —
логических признаков (флагов) и семафоров. При этом символами
показано:
И-------*® — обращение модуля А к процедуре В;
Ш-------НЕ — обращение модуля А к монитору В;
Ш-------*И — модуль А устанавливает значение флага, модуль В реагирует на
это значение в точках ветвления переходом на одну из альтерна-
тивных связей;
0-------о® — модуль А открывает семафор, модуль В приостанавливается до
открытия семафора и (или) закрывает его
Сигнальные связи в виде флагов и процедур реализуются аппарат-
ными средствами микроЭВМ «Электроника-60». Сигнальные связи
типа обращения к мониторам и операций над семафорами осуще-
ствляются за счет построения специальных программных средств.
Один из возможных подходов к построению таких средств сводится
к включению в состав системы специального процесса (супервизора,
диспетчера), контролирующего все сигнальные связи этих двух
типов (централизованный контроль связей).
В программном обеспечении УКМ-772 реализована идея децен-
трализованного построения системы. Осуществление всех типов
сигнальных взаимодействий в определенном смысле возлагается на
сами взаимодействующие модули. Промышленные испытания н
эксплуатация устройств УКМ-772 с различными вариантами про-
граммного обеспечения, построенного на этих принципах, подтвер-
дили их эффективность.
6.3. Алгоритмы оптимизации управления
промышленными роботами
Оптимизация управления промышленными роботами существенно
повышает эффективность их использования. Проблемы и методы
оптимального управления на базе ЭВМ для разных видов роботов,
IC4
?я •• *|меют свою специфику, во многом схожи между собой. По-
Еу возникающие проблемы цепесообразно рассмотреть совместно
^стйных методологических позиций. Такой подход разумен еще и
Lmwy, что позволяет легко перенести опыт оптимизации унравле-
'*я с одних видов роботов на другие.
4 При оптимизации управления движением промышленных роботов
| У^но стремиться к достижению различных целей. Если система
правления имеет иерархическую структуру, то приходится говорить
-g оптимизации на различных уровнях иерархии. Так, можно гово-
об оптимизации на уровне планирования и программирования
Е.жений или об оптимизации в процессе стабилизации и адапта-
ции. Рассмотрим подробнее задачи и методы оптимизации па всех
п,нечисленных уровнях.
Задачи автоматического планирования и программирования дви-
жений. До последнего времени программирование движений про-
иыниениых роботов производилось человеком-оператором, который
в режиме обучения формировал требуемую программу движений
и записывал ее в запоминающее устройство. Недостатками такого
мето-.а являются большая трудоемкость и длительность процесса
обучения (требующего к тому же высокой квалификации оператора)
и жесткость формируемой программы движения. Это делает невоз-
можным оперативное изменение программы в реальных условиях,
которые могут в значительной степени отличаться от идеальных.
Попятно, что для роботов, функционирующих в условиях априор-
ной неопределенности и при наличии разного рода возмущений,
а также в экстремальных условиях, опасных для жизни человека,
такой способ программирования становится неэффективным. Прак-
тически он может пригодить к недопустимой потере точности или
даже к аварийным ситуациям.
Это диктует необходимость разработки алгоритмических средств
автоматического программирования и оптимизации движений робо-
тов, обеспечивающих адаптацию к неизбежным на практике возму-
щениям и препятствиям. При таком подходе оказывается возможным
оперативно учитывать дополнительную информацию, поступающую
в процессе эксплуатации робота, и соответствующим образом авто-
матически корректировать программу движения.
Перейдем к точной формулировке задачи алгоритмического син-
теза и оптимизации программных движений (ПД). Динамика мани-
пуляторов промышленных роботов описывается дифференциальным
Уравнением вида 117, 41 1
A(q.t)q + b(q. i), Е) = л, /т|.	(6.1)
Здесь q = q (!) — л-мерный вектор обобщенных координат в момент
времени /; q, q — соответственно скорость и ускорение изменения q;
и — л-мерный вектор управляющих сил или моментов, вырабаты-
ваемых исполнительными приводами; £ — JV-мерный вектор пара-
метров (инерционные характеристики звеньев' и объекта манипули-
рования, коэффициенты сухого и вязкого трения и т. д.); t — t0 —
*= Т — время движения; A (q, fc), b (q, q, 5) — соответственно задан-
165
ные матрица-функция и вектор-функция размерностей n X л и ,
Движения манипулятора и управляющие воздействия приводов J
практике ограничены:
при всех / € Uo. М;	<6.2,
u(0€<?u при всех / €1Л>. М.	(6.3|
где Qq, Q,), Qu — заданные множества, вид которых определяется
конструкцией робота.
Состояние манипулятора в момент времени t определяется ту-
тором х (0 =	|. Задача управления движением заключается
в том, чтобы перевести манипулятор из заданного начальною со-
стояния xt в желаемое конечное состояние хь т е. решение уравне-
ния динамики (6.1) должно удовлетворять граничным условиям
<7 (Л))- Ч^т)—
У (to) = СЦ, q (/т) = а,.
(6 4)
Теперь можно дать точное определение понятию ПД. Именно,
ПД qp (!) будем называть решение уравнения динамики (6.1), удо-
влетворяющее ограничениям (6.2), (6.3) и граничным условиям
(6.4). Для оценки качества ПД задаются тем или иным критерием
оптимальности. Таким критерием может быть, например, минимиза-
ция энергетических затрат или минимизация времени движения.
ПД q„ (/), на котором функционал качества принимает минимальное
значение, будем называть оптимальным. Заметим, что ПД qo (/),
минимизирующее время движения Т, обеспечивает, как правило,
и наибольшую производительность робота.
Зная оптимальное ПД q'p (/) и подставляя его в уравнение дина-
мики (6.1), непосредственно получим следующий оптимальный за-
кон программного управления;
ul(t)= A\q‘p(t),Hqi(t) + b^(t), ft(t). Е|.	(6.5)
Таким образом, задача оптимального управления роботом сводится
по существу к оптимизации его ПД.
Для решения задачи оптимизации ПД в принципе применимы
классические методы вариационного исчисления 1151. Однако не-
обходимость учета ограничений (6.2), (6.3) (а в ряде случаев еще
и требования обхода препятствий) делает эти методы малоэффектив-
ными или вообще непригодными. Поэтому целесообразна разработка
специальных методов, учитывающих специфику задачи оптимизации
ПД промышленных роботов. Обобщенными координатами yt служа,
углы между звеньями (в случае вращательных пар) и длины звеньев
(в случае поступательных пар). Поэтому у /-звенного манипулятора
число степеней свободы п < 3/.
По конфигурации q (/) манипулятора однозначно определяется
положение г (/) = |г/ (/)|r_i его захвата (иногда в число компонент
вектора г включают не только декартовы координаты выбранной
166
(•j.6)
„К1( захвата, но и его направляющие косину си). Тем самым за-
^,ся оператор Ф:
zei4. м.
вающий кинематику манипулятора.
__ ожество D = Ф (Q,) является областью достижимости манп-
ллятора. Обозначим через М (q) множество в D с. R3, занимаемое
йнипулятором в конфигурации q. Пусть Р cz R3 — некоторые
збъекты, играющие роль препятствий. Введем предикат препят-
ствий
' 1, если Pf\M(q)^0;
О — в противном случае,
(6-7)
о
(оторый информирует, пересекает ли манипулятор в конфигурации q
препятствия Р.
Задача наведения захвата в заданную точку формулируется сле-
дующим образом. Пусть в D задана целевая точка г, и пусть q(t0) £
€	4(4) €	° I? (4) 1 = 0. Требуется построить ПД (0
так, чтобы выполнялись граничные условия
Яр (to) = <7о. Ф \ЯР (4)1 = 4? |
4(4) = «о. 4₽(4) = 0 J	' ’
и условия обхода препятствий
°1<7₽(01 = ° пРи всех *€14. 41-	(6-9)
Задача отслеживания захватом заданной траектории ставится
несколько иначе: по заданной траектории захвата г* (0 и начальному
состоянию хр (f) манипулятора построить ПД qp (0 так, чтобы
Ф|9р(01= 4(0 при всех /С 14. 41	(6.10)
и выполнялось условие обхода препятствий (6.9).
Конструктивные ограничения (6.2)—(6.3) на обобщенные коор-
динаты и внешние препятствия порождают значительные трудности
при решении сформулированных задач: во-первых, не для всякой
траектории захвата г* (0, целиком лежащей в области достижи-
мости D, существует отвечающее ей непрерывное ПД qp (0; во-вто-
рых, наличие препятствий заставляет отбросить ряд решений урав-
нения (6.6) как недопустимые; в-третьих, могут возникнуть ослож-
нения при фактическом построении ПД 12, 31 ]. В целом можно ска-
зать, что учет естественных ограничений и препятствий при алго-
ритмическом синтезе ПД манипуляторов порождает тупиковые
ситуации различных типов. Выявление и обход такого рода ситуа-
ций требует разработки специальных средств анализа и предвари-
тельного планирования ПД. В настоящее время известны различные
подходы к проблеме планирования ПД манипуляторов 12, 41, 43].
Впервые формализация и классификация тупиковых ситуаций,
методология планирования ПД как средство обхода этих ситуаций,
а также необходимые условия существования ПД были получены
в работе |2 ].
167
Отличительными особенностями планирования ПД являют
12, 31):	Сч
упаковка области достижимости D (или множества допустим^!
конфигураций Qe) многогранниками с целью построения граф.]
планов;	4
редукция задачи планирования к выбору и оптимизации пути!
на графе планов;
адаптация к препятствиям на графе планов;
построение каркаса ПД по его плану.
Основным достоинством предлагаемого метода планирования г;д
является то, что задачу обхода тупиковых ситуаций удается свести
к последовательности локальных задач программирования движе-
ний. Для решения последних применимы многие известные алгоритмы
построения ПД II, 2, 211. Эти алгоритмы сами по себе являкжя
локальными в том смысле, что без дополнительных средств плани-
рования ПД они могут приводить (и фактически приводят) к ту i и-
ковым ситуациям даже в тех случаях, когда ПД на самом деле су-
ществует. Поэтому предварительное планирование позволяет су-
щественно расширить область применимости как уже известных
алгоритмов, так и локальных алгоритмов построения ПД, которые
будут предложены в будущем.
Следует отметить, что другой, рассматриваемый ниже адаптив-
ный метод синтеза и оптимизации ПД, основанный на специальной
параметризации ПД с учетом граничных условий (6.4) 155, 561,
не требует предварительного планирования. Этот метод является
глобальным. Однако прн сложном характере препятствий область
решения неравенств-ограничений, к которым приводит адаптивный
метод синтеза ПД. может оказаться многосвязной. В подобных
случаях этот метод также нуждается в предварительном планиро-
вании ПД, что позволяет локализовать ту или иную область решений
неравенств-ограничений
Методология планирования и оптимизации на графе планов.Оста-
новимся подробнее на методологических аспектах планирования и
оптимизации ПД роботов при наличии препятствий. Рассмотрим
сначала задачу наведения захвата в заданную точку. Эту задачу
целесообразно решать в четыре этапа 1311.
На первом этапе осуществляется упаковка рабочей зоны вы-
пуклыми многогранниками Dlt .... D,. Пример такой упаковки
показан на рис. 6.9. Геометрической модели рабочей зоны в виде
объединения Dh .... Dv ставится в соответствие граф GD, у которого
вершина с номером i соответствует D,, а ребра соединяют вершины i
и / в том случае, если соответствующие многогранники Dt и D,
пересекаются. Построенный таким образом граф планов GD описы-
вает структуру рабочей зоны в D и служит основой для организации
планирования ПД Для манипулятора, изображенного на рис. 6.9,
граф планов показан на рис. 6.10.
Второй этап — выбор пути на графе планов GD. Пусть для
определенности г (/0) £ Dl0, а г, ( D/.. Если окажется, что i0 =
= i*, то планирование не нужно и сразу можно строить ПД по
IC8
Рис. б.В. Манипулятор  среде с препятствиями
Рис 6.10. Граф планов и план ПД
тому пли иному локальному алгоритму. Если же i0 Ф i*, то путь
<о. Л» •••» <п = *♦» соединяющий па GD вершину i0 с вершиной
Назовем планом движения захвата. Таким образом, план определяет
Последовательность многогранников D>o, .... D/n, через коюрые
следует вести захват в целевую точку г*. Для примера, изображенного
на рнс. 6.10, планом ПД является путь /, 2, 4, 5, выделенный
 стрелками на графе планов Сп.
На третьем этапе по выбранному плану стрсится каркас ПД,
т. е. последовательность конфигураций q0, .... q„, таких, чтоФ (q0)
I *= г (4)..ф (<7„) — гл> (<?,) € Ь,. Если при переходе из D,, в D,
из-за препятствий возникла тупиковая ситуация, то из графа пла-
нов Go выбрасывается соответствующее ребро и на новом :рач<е
планов строится новый план движения захвата. Тем самым осуще-
ствляется своеобразная адаптация графа планов GD к препятствиям.
Наконец, на четвертом этапе но каркасу ПД строится само ПД
с учетом ограничений (6.2), (6.3). Для решения этой задачи приме-
нимы рассматриваемые ниже алгоритмы параметрического синтеза
и оптимизации ПД.
Вопросы упаковки рабочей зоны, выбора и оптимизации плана
движения захвата подробно рассмотрены в работах 12, 31 1. Опишем
К эдесь локально-оптимальный алюритм построения каркаса ПД.
С этой целью введем bQ, л мерную решетку Н с шагом h. Каркас ПД
 можно строить по узлам решетки И. Допустим, что часть каркаса ПД
q0......^+| уже построена. Очередная конфигурация qM выбирается
I среди соседних с qh точек решетки Н из условия локальной опти-
I мальностн
{Ф(?А+|) ~ Г.|=ЧПЙ1	(6.11)
при соблюдении следующих ограничений: 1) qh+l £ Q„; 2) a (ф,+1) =
I »= 0; 3) qh+i =£ qit i — 0, ..., k. В результате строится каркас без
циклов, элементы которого qt удовлетворяют конструктивному огра-
ничению (6.2) и требованию обхода препятствий. Если не существует
I конфигурации, соседней с qK и удовлетворяющей ограничениям 1—3,
то принимается qh*i — qh, а номер k уменьшается на единицу.
169
Рис. в.11. Л овально* оптимальны А алгорн.
построения карм вс а ПД
Алгорнтм продолжает свою работу
до тех пор, пока величина
|Ф (<7л+1)— г» не станет меньше
параметра е. Заметим, что если
известна целевая конфигурация
такая, что Ф (qj = г*, то вместо
критерия (6.11) можно использс
вать критерий
l^.i — min. (6.12)
Проиллюстрируем описанный
локально-оптимальный алгоритм
построения каркаса ПД на примере. В пространстве конфигурации
построим решетку И с шагом h и отметим узлы, отвечающие началь-
ному и конечному положениям манипулятора. На рнс. 6.11 эти
узлы отмечены заштрихованным кругом н треугольником, а узлы,
соответствующие таким конфигурациям, при которых манипулятор
пересекает препятствия, обозначены заштрихованными квадратами
Применяя описанный выше алгоритм с критерием оптимальности
(6.12), получим каркас ПД. отмеченный на рнс. 6.11 незаштрихо-
ванпыми кругами, связывающий начальную конфигурацию qB с ко-
нечной <7*.
Возникший в процессе построения каркаса ПД цикл, изобра-
женный на рис. 6.11 штриховой линией, можно отбросить как про-
тиворечащий условию 3.
Рассмотренный алгоритм построения каркаса ПД является по
существу алгоритмом выбора пути на графе И, точнее, на неизвест-
ном подграфе Нр этого графа, в узлах <7 которого о (q) — 0. Этот
подграф заранее задать практически невозможно, так как препят-
ствия Р обычно неизвестны, а если они и известны, то построение
множества Qt„ такого, что Ф (р) = Q,., представляет чрезвычайно
сложную задачу. Поэтому важное значение приобретает адаптация
графа Н к препятствиям путем отбрасывания недопустимых узлов
по мере поступления информации о пересечении с препятствиями
в виде условий (6.7).
Остановимся на связи между планированием и построением ПД.
Пусть имеется план движения захвата <01 .... in. Ему соответствует
каркас ПД, определяющий последовательность конфигураций q0,
.... q,„ через которые должно проходить ПД. Для фактического
построения ПД по его каркасу с учетом конструктивных ограниче-
ний (6.2) можно воспользоваться методом параметрической опти-
мизации.
Рассмотрим теперь особенности планирования ПД в задаче
отслеживания захватом заданной траектории. Напомним, что ПД
qv (1) должно удовлетворять условиям (6.9), (6.10). Как показано
170
в работе 12), любую траекторию г, (/), целиком лежащую в области
достижимости D, можно отследить захватом манипулятора в том и
только в том случае, если отображение Ф: Qq > D открыто. В этом
случае для построения ПД можно использовать локальные алго-
ритмы.
Однако на практике отображение Ф обычно не является открытым.
Поэтому на первом этапе предлагается упаковать множество Qq
параллелепипедами Q........ QM так, чтобы локальные отображения
Ф< : Qi —* D,, где Dt = <1> (Q,). были открытыми. Пусть Ц Qi _ Qq —
требуемая упаковка. Рассмотрим граф Gq, i-я вершина которого со-
ответствует Q,, а ребра соединяют вершины с номерами i и / в том
случае, если Q, касается Q, по грани размерности не меньше чем 3.
Построенный таким образом граф Gq назовем графом планов ПД
в Qq. Сопоставим i-й вершине Сс орт е, в R" (код <-й вершины)
в каждой точке г £ D следующий Л1-мерный индекс:
/(»)*=		(ь. 13)
Все точки г в D, имеющие одинаковый индекс, назовем зоной. Каждую
зону закодируем ее индексом (6.13). Тем самым область достижи-
мости D разбивается на конечное число непересекающихся по вну-
тренним точкам зон.
Пусть задана траектория захвата г, (/). Естественно считать, что
г* (Z) £ D при всех t £ u0, tT 1, причем г, (/0) = Ф (у0), а число пере-
ходов из одной зоны в другую при ослеживании траектории гф (/)
конечно. Определим последовательность зон /в, .... Ih, через которые
проходит г, (/). По начальной конфигурации q0 найдем код е,-, вер-
шины графа планов С,,, такой, что q0 £ Q,,. Построим путь на
графе планов Gq, начинающийся в вершине с кодом е{, и удовлетво-
ряющий требованию
hCeij = elf j = 0......k,	(6.14)
где О — символ операции покоординатного умножения векторов.
Пусть этот путь проходит через вершины графа планов GQ с ко-
дами е/о, .... eih.
Последовательность (е.Д* = 0 называется планом ПД в задаче
отслеживания захватом манипулятора заданной траектории. Каждой
траектории захвата в общем случае соответствует неединственный
план ПД. Множество таких планов характеризует возможные спо-
собы отслеживания траекторий и маневренность манипулятора.
Не все планы допустимы и равноценны в отношении требования
обхода препятствий. В связи с этим определим понятие оптималь-
ного плана ПД. С каждой вершиной графа планов Gq свяжем ве-
личину
=	(6-15)
171
где р (Q,) — объем Q, (J о (<?) достаточно просто вычисляется,
например, методом Монте-Карло).
План (е^)* = 0 будем называть оптимальным (в смысле обхода
препятствий), если он минимизирует величину max U7 (/,). Данное
определение довольно естественно, так как удовлетворяющие ему
ПД проходят через наименее сзагруженные» препятствиями парал-
лелепипеды Qt.
Роль и значение планирования ПД при наличии конструктивных
ограничений и препятствий заключается в том, что оно позволяет
свести глобальную задачу обхода тупиковых ситуаций к последова
тельности локальных затач, для решения которых применимы
локальные алгоритмы. Если у данной траектории не существует
плана ПД на графе планов GQ, то это говорит о принципиальной
невозможности отделить траекторию. Допустим, что план ПД су-
ществует; тогда возникает вопрос: как фактически построить ПД
по заданному плану?
Прежде всего заметим, что соотношение (6.14) гарантирует:
для каждого множества Qif можно построить соответствующий
фрагмент ПД с помощью локальных алгоритмов. Из того, что план ПД
= 0 определяет некоторый путь на графе планов GQ, следует:
параллелепипеды Q,n и Q«n+1> соответствующие соседним элементам
плана in и in+i, имеют общую грань размерности не меньше чем 3.
Это означает, что найдутся по крайней мере три обобщенные коор-
динаты, обеспечивающие отслеживание гл (0 при переходе соответ-
ствующего ПД из Qln в Q<ntl. Общую задачу построения ПД по
плану удобно решать в два этапа: сначала целесообразно построить
каркас ПД с учетом требования обхода препятствий (6.9), а затем —
само ПД с учетом конструктивных ограничений (6.2).
Введем понятие каркаса ПД в задаче отслеживания захватом
заданной траектории. Пусть траектория (0 представлена после-
довательностью точек г0, .... rfc (такая дискретная форма представ-
ления траектории захвата часто встречается на практике). Опреде-
лим последовательность зон /0, .... /fc, через которые проходит эта
траектория. Каркасом ПД будем называть последовательность кон-
фигураций q0, qh, отвечающую плану [£/,}* = 0, такую, что
Ф(^)
и
й/л - ?Л<6. 7 = 1........k,	(6.16)
где b — достаточно малое число.
Опишем общий метод построения каркаса ПД по его плану.
Введем оператор A: Qa X D -* Qq такой, что для любых q° £ Q,
и г £ D справедливо соотношение
Ф(Д (q°, г)| = г.
Поскольку A lq°, Ф (q°) 1 = q°, то оператор А будем называть псевдо-
обратным по отношению к оператору Ф. Пусть дана дискретная
172
траектория захвата г9, ги г* такая, что величины |г/_! — г/|
достаточно малы; при этом начальная конфигурация манипулятора q0
С)лет такой, у которой Ф (q0) ® г0, q0 £ Q, . Дальнейшие элементы
каркаса ПД определим с помощью рекуррентного выражения
<7ui “ A (qh г/+1)	k.	(6.17)
рассмотрим свойства рекуррентного выражения (6.17). Вследствие
псевдообратности оператора А на траектории алгоритма (6.17)
имеем
1,0,) = О.
|Это говорит о том, что выражения (6.17) можно использовать
для решения обратной манипуляционной задачи, т. е. для решения
уравнения кинематики (6.6) относительно q по заданному т.
Рассматриваемый метод должен обеспечивать непрерывность
каркаса в соответствии с соотношением (6.16). Это требование на-
кладывает дополнительное ограничение на оператор А' на траекто-
рии алгоритма (6.17) из малости |r,_i — rz| должна следовать ма-
лость q,_! — <7/| для всех /= 1, .... k. Сформулированное свойство
будем называть непрерывностью оператора А.
Ввиду псевдообратности оператора А достаточным условием его
непрерывности является непрерывность функция А по второму
аргументу. Однако на практике обычно А не является непрерывной
функцией г, так как слишком обширна область задания оператора А.
В рассматриваемой задаче каркас ПД строится по плану путем
I последовательного перехода от одного параллелепипеда Qt} к дру-
I тому Q, г Все эти параллелепипеды обладают (по построению)
| тем свойством, что отображение Ф ; Qi -* Dt, Dt = Ф (Q,) открыто.
Тем самым обеспечивается непрерывность оператора А и возмож-
ность построения каркаса ПД. Более строгое, формализованное
обоснование описанного метода построения каркаса ПД дано в ра-
I боте (21.
Предложенный метод универсален: в качестве оператора А
в нем можно использовать операторы, индуцируемые любым алго-
ритмом решения обратной манипуляционной задачи. Применимы
здесь и многие известные локальные алгоритмы построения ПД
124, 411, а также предложенные в работе 121 рекуррентные алго-
ритмы. При этом требования псевдообратности и непрерывности опе-
ратора А выступают как необходимые условия существования кар-
каса ПД, а значит и самого ПД. Построение ПД по его каркасу
с учетом конструктивных ограничений (6.2) достаточно просто осу-
ществить с помощью описываемого ниже метода параметрической
оптимизации.
Параметрическая оптимизация программных движений и синтез
оптимального управления. Рассмотрим теперь метод автоматического
построения и оптимизации ПД по его каркасу. Искомое ПД должно
удовлетворять граничным условиям вида (6.4) пли (6.8). Описанная
173
выше методика планирования и построения каркаса ПЛ сводит эт„
граничные условия к одному условию вида
<7Р('о) = <?<>;	=	(6.18)
или к последовательности таких условий. В некоторых случаях к ним
добавляются начальные и конечные условия для векторов обобщен-
ных скоростей
Ч„ (to) = «в’. ЧР (tT) = а,.	(6.1 », •
Поскольку каркас, по которому строится ПД. удовлетворяет
требованию обхода препятствий (6.9), то можно считать (при не-
которых естественных условиях), что и само ПД удовлетворяет (6.9).
На практике часто конструктивные ограничения (6.2) имеют вид
cq<4p(t)<c„\	(6.20)
с Чо (0 fy.	(6.21)
Таким образом, задача синтеза ПД сводится к нахождению не-
прерывной дважды дифференцируемой функции qp ((), удовлетворя-
ющей граничным условиям вида (6.18), (6.19) и ограничениям (6.20),
(6.21).
Сформулированная задача обычно имеет множество решений.
Для сравнения различных ПД и выбора среди них оптимального
естественно ввести функционал качества «|^р(-)1. Тогда задача
оптимизации ПД заключается в построении такого типа ПД qo (t),
которое минимизирует функционал качества:
A'l^(-)l = minA'|f/0(-)l	(6.22)
и удовлетворяет ограничениям (6.20)—(6.21).
Такая постановка задачи оптимизации существенно отличается
от «экстремального метода» 121 I и его модификаций 121, в которых
все сводится к построению минимизирующей последовательности
по отношению к кинематическому функционалу вида
К(ЧР)=*1Ф(Чр)-г.\.	(6.23)
Для решения этой задачи применяют локальные алгоритмы скорей-
шего спуска, метода Ньютона 121, 281 или более эффективные ре
куррентные алгоритмы 121, в которых использованы идеи покоорди-
натного спуска Результатом является некоторая ветвь решения
обратной манипуляционной задачи по отношению к у равнению (6.6)
Недостатком «экстремального метода» является неучет динамики
манипулятора, описываемой соотношениями (6.1)—(6.3).
Описываемый ниже метод параметрической оптимизации ПД
свободен от этого недостатка. Проиллюстрируем основные идеи ме-
тода на примере оптимизации ПД манипулятора по отношению
к «энергетическому» функционалу качества вида
Ч
К1чР(-)\=-}' d4P(t)^ + \4P(t)V)dt.	(6.24)
Полное описание и обоснование этого метода приведены в рабо-
тах 155, 561. В основе метода лежит специальная параметризация
174
ПД ЧР в Рамках которой граничные условия (6.18), (6.19) авто-
матически удовлетворяются за счет выбора базисных функций.
В таком подходе заложен глубокий смысл: при отыскании приемле-
мых (в частности, оптимальных) параметров искомого ПД уже не
приходится специально заботиться об удовлетворении граничных
условий, как это принято, например, при использовании принципа
максимума Л. С. Понтрягина. Рассмотрим один из вариантов пара-
метризании ПД.
Будем искать ПД в /V-параметрическом классе функций
N
<lP V) = М') + £.	(0,	(6.25)
где at (t) — л-мерная вектор-функция; х, — n-мерные неизвестные
параметры; л, (!) — числовые базисные функции. Для того чтобы
параметрическое представление ПД (6.25) гарантировало выполне-
ние граничных условий (6.18) при любых х,, / = 1, ..., (V, наложим
на ав (t), а, (Z), j = 1, .... А' следующие условия:
flo(^o) — Qo'< flo(G) = 9iJ aj Цо) — aj (G) = 6-	(6.26)
Этим условиям удовлетворяют, например, функции вида
«о (0 = <7о +	(41 — </о);
(о 27)
«ДО а(0<Г/(0.
где а (/0) = а (/т) = 0; ф/ (Z) — заданные функции из некоторой
полной системы функций. В качестве a (t) и <р, (/), допускающих
простую схемную или программную реализацию, можно взять,
например, функции
а (!) -Ц- t0) Цт — t) или a (Z) == sin л f ; j
M/-zo)	(628)
(fj (!) — l1 ИЛИ <r, (/) — COS 7 у-.	|
Параметры x, ПД (6.25) должны удовлетворять при всех I С
С (Zo, ZT1 неравенствам-ограничениям (6.20), (6.21). Разрешимость
этих неравенств связана с существованием ПД в виде (6.25). В са-
мом деле, если существует ПД, удовлетворяющее ограничениям
(6.20), (6.21), то в силу выбора базисных функций aj (/) найдется
соответствующее ему параметризованное ПД вида (6.25) при некото-
ром достаточно большом А. Но если для фиксированного N и задан-
ного набора {а, (/)}/ ( существует ПД вида (6.25), удовлетворя-
ющее (6.20)—(6.21), то неравенства-ограничения разрешимы отно-
сительно искомых параметров х,, ..., xv.
Таким образом, задача построения ПД свелась к решению си-
стемы неравенств, определяемых ограничениями (6.2) (или (6.20),
(6.21) ] относительно параметров х,.хх. На практике часто мпо-
175
жества Qq, Qt являются шарами. В этом случае ограничения (б.н
для ПД вида (6.25) имеют вид
|а0 (0 + A (t) х| < сч при всех t £ [/0, /т|;	(6.29,
|ао(0 +Д(/)х|<с4 при всех |/0. 0|,	(6.и),
где cQ, Сц— соответственно радиусы множеств Qq, Q4, x = |x/|\1,
А (/) = \aj (/)I,Lt. Предположим, что неравенства (6.29), (6.30)
разрешимы при некотором х = хф соответственно о запасами б
и б4. Это означает, что ПД вида (6.25) существует. Для фактического
построения ПД можно воспользоваться градиентными алгоритмами,
дающими решение неравенств (6.24), (6.30) за конечное число шагов.
Примером такого алгоритма может служить следующий рекуррент-
ный алгоритм решения (6.29):
xft+i = xft + б.|Л(/Л)Г2Лт(М-^^-,	Л=0, 1.....(6.31)
где 1К — очередной момент нарушения неравенств (6.29) при х =
= х„, t > 4, qp (4) — значение (6.25) при х = х,,, t = 4-
Совершенно аналогично записывается рекуррентный алгоритм
решения (6.30). Композиция этих алгоритмов после конечного числа
шагов дает решение системы неравенств-ограничений (6.29), (6.30)
в целом 155, 62).
Достоинством описанных конечных алгоритмов настройки пара
метров ПД являются простота реализации, быстрота сходимости
и адаптивный характер, который проявляется в последовательном,
шаг за шагом улучшении оценок параметров ПД в зависимости от
информации о нарушении неравенств-ограничений (6.29)—(6.30)
Кроме того, такие алгоритмы позволяют использовать в качестве
начального приближения х0 практически любую оценку. Это делает
их нечувствительными к накоплению вычислительных погрешностей.
Для выбора оптимального ПД в классе (6.25) воспользуемся кри-
терием оптимальности (6.24). После подстановки (6.25) в (6.24)
функционал качества превратится в квадратичную функцию вида
Ф(х) = К top (•)) = 4" (*• Як) + (ь> х) + с- (6-32)
4	4
где Н ~ 2 J |Д’ (/) А (!) + Д’ (0 Д’ (0) di-, b = 2 J [Д’ (t) а0 (0 +
4
4- Д’ (0 а0 (0) Л; с - J Ц<4(ОГ +(0П dt.
t.
Заметим, что ввиду линейной независимости базисных функций ма-
трица Н не вырождена.
Таким образом, вариационная задача оптимизации ПД свелась
к более простой задаче выпуклого программирования: найти опти-
176
Libiibie значения параметров ПД вида (6.25) исходя из условия
Ч' (х"...................х'Аг) — min Т .....,	хЛ)	(6.33)
X
н ограничений (6.21), (6.30).
Технология вычислений при параметрической оптимизации ПД,
хотя и проще классических схем теории оптимального управления
н вариационного исчисления, все же достаточно сложна и тру-
доемка. Дело в том, что стандартные методы нелинейного программи-
рования требуют, во-первых, модификации, связанной с учетом опре-
деленных ограничений, и, во-вторых, их реализация возможна
лишь на этапе предварительного, т. е. до начала движения робота,
расчета ПД на мощных ЦВМ.
। Особенности эксплуатации промышленных роботов налагают до-
полнительные органичения на алгоритмы оптимизации ПД. Важ-
нейшими из них являются следующие требования: простота вычис-
лении, минимизация .машинной памяти, возможность гибкой пере-
стройки и адаптации ПД в процессе оптимизации. В этом отношении
значительный интерес представляют рекуррентные алгоритмы гра-
диентного типа, которые служат для приближенного решения за-
дачи (6.33). Сконструируем оптимизационное неравенство
<f° (х) = е — | grad V (х) | = в — |/7х Ь| > 0,	(6.34)
где е — положительное число, характеризующее требуемую точ-
ность решения задачи (6.33). Это неравенство разрешимо с запасом е
при х = —Н~1Ь.
Рассматривая (6.34) в совокупности с неравенствами-ограниче-
ниями (6.29), (6.30), получим систему выпуклых неравенств в про-
странстве параметров ПД. Разрешимость этой системы означает, что
оптимальное ПД вида (6.25) существует. В этих условиях для факти-
ческого решения полученной системы неравенств применимы рекур-
рентные конечносходящиеся алгоритмы типа (6.31) (точнее, компо-
зиции таких алгоритмов). Подставляя найденное решение х° в фор-
мулу (6.25), получим аналитическое выражение для е — оптималь-
ного ПД, удовлетворяющего ограничениям (6.29), (6.30).
Зная оптимальное ПД qp (/), достаточно просто сконструировать
оптимальное программное управление вида (6.5), которое имеет
такую же сложность, что и уравнение динамики (6.1). Для его реали-
зации нужно точно знать параметры В- Но даже в этом случае робот,
управляемый по оптимальной программе (6.5), будет находиться
на границе устойчивости: неизбежные на практике возмущения могут
привести к автоколебаниям или к срыву устойчивости. Поэтому
приходится констатировать, что оптимальное программное управле-
ние (6.5) практически неприемлемо
Возникает необходимость в синтезе оптимального управления
по принципу обратной связи. Это управление легко конструируется
на основе (6.5) и имеет вид 142, 55, 56 I
u"\q, q]—A(q, t)qP-i-b(q, If, £).	(6.35)
177
Оно обеспечивает устойчивость оптимального ПД (/), т. е. обла-
дает стабилизирующим эффектом по отношению к возмущениях
начальных \словий.
Однако для надежного осуществления оптимального ПД
этого недостаточно. Важно, чтобы закон управления обеспечивал
асимптотическою устойчивость ПД qp (/). Искомый стабилизиру-
ющий закон оптимального управления имеет вид (43, 55, 56]
и (q, q) = A (q, £) ($“ + Г, (q - q°p) + Г2 (q - $)] 4- b(q, q, I), (6.36)
где Г,, Га — матричные коэффициенты усиления в каналах обрат-
ной связи, такие, что корни уравнения
det /А* Г(Х Г2| = 0	(6.37)
имеют отрицательные действительные части. Подставляя выраже-
ние (6.36) в (6.1), получим следующее уравнение замкнутой системы:
4 = $2 + Г,(ф-Й)4-Г2(<7 — qP)-	(6.38)
Из этого уравнения непосредственно следует, что оптимальное ПД
qP (t) асимптотически устойчиво, если робот управляется по закону
(6.36). Поэтому закон управления (6.36) будем называть идеальным.
На практике параметры £ зачастую неизвестны. Более того, в ряде
случаев они могут изменяться (дрейфовать) неизвестным образом
внутри некоторого множества В подобных случаях нельзя вос-
пользоваться законами оптимального управления вида (6.5), (6.35),
(6.36). Возникает потребность в синтезе адаптивного закона опти-
мального управления. Суть адаптивного управления заключается
в том, что неизвестные параметры £ в идеальном законе управления
(6.36) заменяются их оценками т. Эти оценки автоматически настраи
ваются с помощью некоторого алгоритма адаптации, обеспечивающего
приближение оценок т к неизвестным параметрам £. При синтезе
алгоритма адаптации обычно допускается использовать лишь сиг-
налы обратной связи о текущем состоянии робота. Методы конструи-
рования алгоритмов адаптации, а также явные формулы таких алго-
ритмов приводятся в следующем параграфе. Важное значение при
этом имеют вопросы оптимизации алгоритмов адаптации.
Алгоритмы адаптации и их оптимизация. Характерные для про-
изводственных условий неопределенность или непредсказуемый
дрейф параметров £ робота определяют необходимость дополнения
синтезированных законов оптимального управления вида (6.35),
(6.36) алгоритмами адаптации (АА). Идея адаптации проста. Она
состоит в автоматической коррекции параметров закона управления.
С этой целью неизвестный вектор £ заменяется оценкой т, которая
подлежит определению в силу некоторого АА:
т (0 = а |т0, q (/), q (/)], t t0.	(6.39)
Возникают естественные вопросы: как выбирать АА? Нельзя ли
оптимизировать АА?
В теории адаптивного управления разработано несколько пло-
дотворных подходов к синтезу дискретных и непрерывных АА
127, 55 , 62, 71). Рассмотрим два подхода: метод рекуррентных ко-
178
J <—1(к'ходя1цихся алгоритмов решения систем неравенств и метол
Врерывной адаптации, основанный на использовании функ-
 Ляпунова. Для иллюстрации первого метола сконструируем
.-ггему вспомогательных (эстиматорных) неравенств, нарушение
Жорых свидетельствует о необходимости коррекции параметров
| j^Diia управления.
Прежде всего заметим, что уравнение динамики (6.1) манипу-
ляционных роботов обладает свойством линейности по параметрам
1*171, т. е. левую часть уравнения (6.1) можно представить в виде
A(q, t)q + b(q. q. *) G(q. q, q)$.	(6.40)
|де G (q, i), q)— заданная матрица-функция размерностью n N.
Это важное свойство существенно облегчает алгоритмический синтез
лк>нов адаптивного управления. Переходя к такому синтезу,
Рассмотрим следующую систему эстиматорных неравенств 155):
<Г(т. t) = б — |м — G(q, q. ?)т|*>0, t tB. (6.41)
IX б — положительное число (параметр); и — закон адаптивного
управления вида
и = G |9. q, ft + Г. (q - ft) + Г2 (q - ft)] т (/).	(6.42)
Заметим, что неравенства (6.41) разрешимы (по построению) при
т = £ с запасом б. Кроме того, функция <р в левой части этих нера-
втств вогнута по т. Отсюда следует, что для фактического решения
эстиматорных неравенств можно использовать АА градиентного
типа 136, 55, 62 1.
Важный класс АА градиентного типа составляют дискретные
алгоритмы вида
т(/) = т*. /€!/*,**+).	4-6. *=0,1,2,...;
т*+| = х|т*. т*_ь ..т0, grad<p (г*. G)|,	(6.43)
где (i — первый момент нарушения эстиматорных неравенств (6.41)
при т = тл; 0 — время вычисления новой оценки т,.,, по старой
оценке т* по формуле (6.43).
Для определенности приведем пример дискретного АА, который
является аналогом метода наискорейшего спуска 1281. Этот А \
выглядит так:
, |сту;) чо ст«)а«)
Та+1 а |cmw)r
(6.44)
где G (G) ~G\q (ti,), q (G), q (G)|, A (/£) = и (IL) - G (IL) t*.
В качестве дискретных АА можно также использовать рекур-
рентные алгоритмы решения эстиматорных неравенств (6.41). Явные
формулы таких АА вместе с оценками числа коррекций приведены
в работе 1621. Все эти АА обладают свойством конечной сходимости:
решение неравенств (6.41) получается после конечного числа кор-
рекций оценок т (I) в ходе управления.
179
Особый интерес представляют оптимальные конечносходящцеСяи
ДА. Явные формулы таких АА как рекуррентных, так и много1уа.
говых (т. е. А А с «памятью») приведены в работе 136]. При э10Л
в качестве критерия качества адаптации был использован следу. |
ющнй критерий локальной оптимальности:
|Tfc+i-|P = min,	(6.4-) II
где минимум берется по параметрам А А (в случае градиентных 1
роль параметра играет шаг перемещения в направлении антцг а. 1
дпента). Смысл этого критерия — в качестве новой оценки т,+1; I
выбирают оценку, обеспечивающую наилучшее приближение к не- 1
известному вектору параметров & оптимального закона управления I
(6.36) в классе А А вида (6.43). Иначе говоря, АА. оптимальные I
в смысле (6.45), стремятся на каждом шаге как можно точнее идент; -
фицировать вектор истинных (но неизвестных) параметров Е робота. 1
Вопросы реализуемости и конечной сходимости локально оптц-
матьных АА рассматриваемого типа изложены в работе [55]. Здесь же
ограничимся лишь примером локально-оптимального рекуррентного
АА градиентного типа. Этот АА имеет внд
т(о = т»; /€16, /*+»); **-н = '; + в. *=0,1,...;
’>• = ’»+---------------------<6ЛЬ’
Явный вид оптимального многошагового АА приведен в работе
[36, 56]. Важно отметить, что число шагов такого АА не превы-
шает N. Это значит, что число коррекций параметров адаптивного
закона управления (6.42) с оптимальным многошаговым АА не
превышает размерности вектора параметров £.
Рассмотрим кратко метод непрерывной адаптации. В этом слу-
чае текущая оценка т (/) искомых параметров £ получается как ре-
шение дифференциального уравнения адаптации. Примером непре-
рывного А А градиентного типа может служить следующий алго-
ритм 117):
x = GT(q,q, q)[u — G(q, q. q) т]; т(/0) = т0, t as t0. (6.47)
,£Т1! реального движения q (I) робота и ПД q„ (/). Этот факт говорит
что для оптимального (точнее, субоптимального) управления
•в*ЖСН11ем Р°б°та в условиях отсутствия информации о параметрах
Драв(,ен,1я Динамики (6.1) точная идентификация параметров не-
обязательна.
Таким образом, благодаря коррекции параметров оптимального
ддкоиа управления с помощью синтезированных (в том числе опти-
мальных) АА гарантируется стабилизация и фактическое осуществ-
ление оптимального ПД робота. Заметим, что получить такой ре-
зультат в условиях неопределенности без адаптации принципиально
невозможно. Этим и оценивается практическая значимость адапта-
ции как эффективного средства оптимизации управления при не-
полной информации о характеристиках робота и условиях его экс-
плуатации.
Заметим, что правая часть АА (6.47) равна lz2 grad <р (т, t), где
величина определена соотношением (6.41). Легко показать (с по-
мощью функций Ляпунова специального вида 1171), что оценка I
т (/) в силу непрерывного АА (6.47) стремится к неизвестному век- 
тору параметров | оптимального закона управления (6.36).
Непрерывные АА удобно реализовывать на аналоговых преобра- I
зователях или специальных вычислителях. Для реализации ди-
скретных АА типа (6.44), (6.46) целесообразно использовать микро-
процессоры
Важно отметить, что АА рассмотренного типа, вообще говоря,
не обеспечивают точной идентификации неизвестных параметров
Однако этого и не нужно: выбором матриц «коэффициентов усиле-
ния» Г„ Г, и параметров 6, 8 всегда можно добиться требуемой бли-
180
Глава СИСТЕМЫ ПРАВЛЕНИЯ АДАПТИВНЫХ
*7 ПРЕЦИЗИОННЫХ СВАРОЧНЫХ РОБОТОВ
7.1.	Специфика прецизионной микросварки
Основным способом сборки микроэлектронных приборов
является ультразвуковая (УЗ) микросварка методом «нахлест-на.
хлест>. Сборку осуществляют микросваркой алюминиевой пров -
локой диаметром 20—500 мкм. контактных площадок кристаллов
размерами от 40 x 40 до 500 x 500 мкм, покрытых напыленным алю-
минием толщиной 0,6—1,2 мкм. Контактные площадки корпуса под
УЗ микросварку алюминиевой проволокой используются как с по-
крытиями (золото 2—4 мкм, алюминий 2—5 мкм), так и без покрытий
(никель, сплав ФЕНИ и др.).
Цикл образования электрического проволочного контакта между
контактными площадками кристалла и корпуса состоит из следу-
ющих операций.
Позиция 1 (рис. 7.1). Исходное положение. Микроинструмент 2
с поданной через его отверстие алюминиевой проволокой 3 (величина
подачи проволоки определяется длиной сварного соединения) уст, -
навлнвается над точкой первой сварки (контактная площадка кор-
пуса /).
Позиция II. Инструмент опускается на точку первой сварю ,
после чего включается УЗ колебания и осуществляется сварка.
Позиция HI. Мнкроннструмент перемещается от точки нервен
сварки к точке второй сварки (контактная площадка кристалла 4).
В этот момент алюминиевая проволока свободно вытягивается черед
направляющий канал в микроинструменте.
Позиция IV. Микроинструмент опускается па точку второй
сварки, после чего включаются УЗ колебания и производится сварка
В момент опускания микроинструмента на точку второй сварк i
алюминиевая проволока неподвижно фиксируется, что обеспечивает
образование проволочной перемычки требуемой конфигурации.
Позиция V. Производится обрыв алюминиевой проволоки и.
границе второй сварки.
Позиция VI Подъем микроинструмента вверх с одновременной
подачей алюминиевой проволоки на величину, необходимую для
первой сварки следующей перемычки.
Высокие требования, предъявляемые к надежности микроэлек
тронных приборов, вызывают необходимость полной автоматизации
их производства и в первую очередь микросварочных процессов
выполняемых до последнего времени с широким применением руч
182
кого труда. При этом технические характеристики и объемы выпуска
определяющим образом зависят от наиболее «узкой» технологиче-
ской операции — операции внутреннего проволочного монтажа мик-
роэлектронных приборов. Помимо этого полное исключение опера-
торов из процессов прецизионной сборки приборов обусловлено:
высокой трудоемкостью сборочных операций;
невозможностью сборки вручную приборов со сверх прецизион-
ной и неподдающейся запоминанию схемы внутренней коммутации,
насчитывающей сотни и тысячи соединений в одном приборе;
потребностью в решении социальной проблемы — высвобождение
людей при выполнении утомительной для зрения операции, связан-
ной с необходимостью совмещения под микроскопом прецизионных
элементов с точностью до нескольких микрон, причем оператор
вынужден выполнять эту операцию в течение смены не менее
25 тыс. раз;
частой сменой номенклатуры и величин партий собираемых
приборов.
Таким образом, презиционная сборка требует роботизации техно-
логического процесса. Для решения этой задачи создаются репрограм-
мируемые и адаптивные роботы. Этн типы роботов отличаются си-
стемами управления. Основными функциями систем управления
репрограммнруемых роботов (рис. 7.2) являются: управление пре-
цизионным шаговым электроприводом и оперативный контроль каче-
ства микросварки.
Системы управления репрограммнруемых роботов выполняют
функции управления всеми исполнительными механизмами, включая
автоматическую загрузку-выгрузку корпусов, а также совмещение
инструмента с контактными площадками приборов. Функции опера-
тора сводятся к первоначальному занесению эталонной программы
позиционирования и однократному выполнению операции коррекции
183
Рис. 7,1. непрограммируемый робот ОЗУН-! 0000, управляемый от микроЭПМ
Рис. 7.8. Адаптивный робот ОЗУН-12000 МЗ-! с датчиком ПЗС
реперных точек в случае неточной посадки кристалла в данном
корпусе. На остальных точках совмещение автоматическое. Произ-
водительность одного оператора зависит от числа соединений в при-
боре. Прн схеме с двумя постами обслуживания производительность
достигает 20 тыс. сварок в час Качество соединений практически
не зависит от субъективных факторов, так как специальная программа
обеспечивает автоматическое индивидуальное формирование каждой
проволочной перемычки. При этом требования к квалификации one
раторов резко с. ажаются.
К основным функциям систем управления адаптивных po6oion
(рнс, 7.3) можно еще добавить две функции адаптации: простран
ствениую на основе технического зрения; технологических режимов
мнкросваркн.
Техническое зрение построено на сочетании мнкроЭВМ с оптиче-
ской системой и оптоэлектронной твердотельной схемой. Оно рас-
познает образ кристалла и корпуса собираемого прибора, их реаль-
ное абсолютное и относительное пространственное расположение,
а также производит автоматическую коррекцию массива координат
эталонной программы позиционирования для топологии данного
типа прибора. Адаптивный робот исключает необходимость в опера-
торе как таковом. При этом необходим только один наладчик на
184
С—10 роботов. Наладчик эпизодически осуществляет смену мага-
зинов с приборами; его производительность составляет около 10 тыс.
сварок в час.
Система технологической адаптации робота обеспечивает его
реакцию на изменение технологических параметров исходных ма-
териалов и одновременно производит неразрушающин контроль
каждого соединения по электрическим, механическим н визуальным
характеристикам.
7.2.	Управление прецизионным приводом
манипуляторов
В сварочных роботах основными прецизионными механизмами
являются манипулятор вертикального перемещения сварочной го-
ловки и манипулятор позиционирования собираемого микроэлек-
тронного прибора по трем координатам в горизонтальной плоскости.
Кинематические схемы манипуляторов приведены на рис. 7.4.
Манипулятор вертикального перемещения сварочной головки
представляет собой закрепленные на единой оси ультразвуковой
преобразователь 3 и фиксирующий его положение в нерабочем со-
стоянии контакт запуска сварки 5. Перемещение вертикального
манипулятора осуществляется шаговым приводом 4.
Манипулятор горизонтального позиционирования представляет
собой плиту, перемещающуюся по координатам X, Y также с по-
мощью аналогичных шаговых приводов 6, 7. На плите установлен
механизм поворота рабочего столика 2, который имеет также шаго-
вый привод /. С помощью такой конструкции обрабатываемое изде-
лие совершает перемещение но координатам X, У н <р — поворот
вокруг оси г.
Совместная работа манипуляторов
осуществляется следующим образом.
После определения координат поло-
жения кристалла и корпуса горизон-
тальный манипулятор перемещает
рабочий столик с обрабатываемым
изделием так, чтобы точка первой
сварки находилась точно под микро-
инструментом вертикального манипу-
лятора, причем угол поворота вокруг
осн Z выбирается таким, чтобы пере-
мещение ко второй точке сварки могло
быть выполнено только изменением
координаты У в направлении, проти-
воположном направлению сси У на
рис. 7.4
По окончании отработки гори-
зонтальным манипулятором необ-
Рис. 7,4. Кинематические схемы мвнипулятороа
185
холимого премещения включается привод вертикального манипу-
лятора. Перемещение прекращается после срабатывания контакта
запуска сварки и УЗП, что свидетельствует о контакте инструмента
и проволоки со свариваемым изделием.
По окончании процесса сварки одновременная отработка гори-
зонтального манипулятора по оси У и вертикального по оси Z обес-
печивает формирование проволочного вывода необходимой конфи-
гурации. После второй сварки и обрыва проволоки вертикальный
манипулятор возвращается в исходное положение, а горизонтальный
по координатам X, У, <р перемещает изделие для сварки следующего
вывода.
В репрограммируемых и адаптивных роботах управление мани-
пуляторами осуществляет микроЭВМ, которая входит в состав си-
стем управления, являясь нх основной и определяющей частью.
В таких системах входная информация от объекта управления в виде
дискретных сигналов поступает на регистры входных дискретных
сигналов и через мультиплексор — в ЭВМ. Информация может
вводиться в ЭВМ в режимах последовательного ввода, прерывания
или прямого доступа в ОЗУ. Выбор режима определяется особен-
ностями технологического объекта, от которых зависит скорость
ввода информации, ее объем, минимальное значение времени реаги-
рования.
Выходная информация через мультиплексор поступает на ре-
гистры дискретных сигналов и далее через усилители мощности на
исполнительные механизмы технологического объекта. При необ-
ходимости получения аналогового сигнала информация от ЭВМ по-
дается на цифроаналоговый преобразователь. Число аналоговых и
дискретных входов и выходов не превышает 32 и 256’соответствен но.
Применяемая в системах управления роботами ЭВМ должна
иметь объем памяти (ОЗУ и ПЗУ) от 1 до 32 К слов, быстродействие
от 10 тыс. операций в секунду для медленных технологических
процессов до 300 тыс. операций в секунду для быстрых процессов,
систему прерывания и канал прямого доступа в ОЗУ, систему пере-
запуска программы при сбое по питанию. Габаритные размеры и кон-
структивное оформление ЭВМ должны быть такими, чтобы можно
было легко встраивать ее в технологическое оборудование. В робо-
тах используется микроЭВМ «Электроника-60», удовлетворяющая
указанным требованиям.
Одной из особенностей робота является отсутствие традиционных
реверсивных счетчиков и коммутаторов в каналах управления ди-
скретными двигателями (ДД). Работу каналов управления преци-
зионным дискретным приводом можно рассмотреть на примере ка-
нала управления ДД, перемещения сварочной головки в вертикаль-
ной плоскости (Z). Управляющие сигналы от ЭВМ через регистр
управляют работой силовых ключей, которые подключают или
отключают обмотки ДД,. Логический нуль в соответствующем раз-
ряде вызывает обесточивание обмотки, единица ставит ее под ток.
ЭВМ меняет информацию в выходном регистре всякий раз, когда
ДД заканчивает отработку одного шага. Период смены коммутируе-
186
’Mbi\ сбмотгк определяется по программе, хранящейся в ОЗУ ЭВМ.
Для согласования скорости ДД с ЭВМ в программе предусмотрено
Жпичие <жд\щего контура», жестко детерминированного по вре-
ни. В процессе отработки шаюв изменение в длине ждущего
контура позволяет согласовывать ускоряющие и замедляющие воз-
действия с различными значениями момента вращения, который
’изменяется пропорционально величине угловой скорости. Поскольку
ЯБыстродействие микроЭВМ «Электроника-60» значительно превы-
шает скорость работы ДД. то имеется возможность программно подо-
брать оптимальный закон разгона и торможения ДД. Работа каналов
•управления дискретными двигателями х, у. <р координатного стола
происходит аналогично работе канала управления ДД сварочной
головки.
Такая организация управления позволяет создать универсаль-
I ну ю систему и обеспечить необходимые предпосылки для модульного
I конструирования.
7.3.	Оперативный контроль качества микросварки
Составной частью систем управления роботами является система
I контроля качества сварного соединения. Автоматизация процесса
I проволочного монтажа привела к необходимости создания оператнв-
I нон системы контроля качества (СКК) процесса микросварки. Ма-
I тематическое обеспечение СКК состоит из управляющей программы-
| диспетчера, программы контроля качества микросварки и диагно-
стической про)раммы. Порядком выполнения операций управляет
программа-диспетчер. Поскольку контроль процесса микросварки
осуществляется в реальном масштабе времени, то алгоритм управле-
ния СКК должен обеспечивать минимальные задержки сигналов от
I роботов до начала их обработки в ЭВМ. Поэтому в качестве одного
из параметров управляющей программы-диспетчера введено время,
которое задается таймером.
В процессе работы программы-диспетчера ЭВМ последовательно
опрашивает шины запроса диагностической информации и шины
запроса запуска сварки. При нажатии кнопки запроса диагности-
ческой информации на шине запроса появляется сигнал, который
через мультиплексор принимает ЭВМ. ЭВМ по шине запуска сварли
дает разрешение на сварку. Затем па шине контроля появляется
аналоговый сигнал, который функционально зависит от процесса
образования микросварочного соединения. Этот сигнал преобра-
зуется АЦП в дискретную форму и передается в ЭВМ. Программа
контроля динамически обрабатывает поступающую информацию и
по окончании процесса сварки определяет качество образованного
соединения. Если качество сварки ниже допустимого, то ЭВМ дает
сигнал иа выключение робота. Диагностическая программа произво-
дит обработку накопленной статистической информации о ходе про-
цесса сварки данным роботом. Эта информация заносится в память
ЭВМ после каждого цикла сварки. Результаты обработки выводятся
на устройство отображения. После этого ЭВМ продолжает цикличе-
ский опрос входных сигналов.
187
7.4.	Адаптация иа основе технического зрения
Ренрограммируемые роботы позволяют резко повысить произво-
дительность труда, ио они не обеспечивают полной автоматизации
процессов микросварки. Эта проблема ретена путем создания и
широкого внедрения адаптивных роботов, способных распознавать
многоуровневые микротопологические образы и решать сложные
логические задачи, связанные с прецизионным пространственным
позиционированием и управлением процессами микроконтактиро-
вания.
Основой адаптивных роботов является система технического
зрения, построенная с использованием методов распознавания
изображении. Разработка специализированных методов распозна-
вания изображений применительно к автоматизации процессов микро-
сварки приборов связана с необходимостью выбора терминологиче-
ской схемы (языка описания изображении), создания эффективных
приемов фильтрации, сегментирования и координатного описания
изображения контактных площадок кристалла и минимизации вре-
мени обработки оптической информации в системе позиционирования.
Применение адаптивных алгоритмов при создании роботов-микро-
сварщиков позволяет скорректировать неточности посадки кри-
сталлов в корпус и фиксации корпуса, нестабильность технических
и аппаратурных факторов, т. е. полностью автоматизировать про
цесс микросварки микроэлектронных приборов.
Язык описания изображений. Растр R для поля оптической
системы представляет собой матрицу h (/), где / = {х, у) — бинар-
ная функция или изображение на растре R. h (/) £ {0, 1), где
единица соответствует положительному сигналу, а ноль обозначает
отсутствие отражения от прибора. Фигура на растре Фл = {(х, y)/h (л,
У) = О
Объединение h (J ht, пересечение h Г) ht, дополнение ft к h опре-
деляются традиционно и удовлетворяют соотношениям булевой
алгебры. Если й (х, у) ~ (J й (х, у), то ht — частичные по отноше-
I
нию к й изображения.
Функции К (й) = N, N £ {1, л) называют функциями класси-
фикации, а область определения К (h) — множеством значимых
или неприводимых изображений.
Если дано изображение й° (х, у), то величины //£, = й П й°,
Ifh, (й) ~ h П й° носят соответственно названия позитивной и нега-
тивной масок. В частности, Но называют позитивным окном, если
это оператор, соответствующий изображению й® (х, у) = 1, когда
а < х < Ь, с < у <. d и й" (х, у) = 0; в противном случае элементы
{a, d] называют расположением окна.
Множество {//□), где i — номер окна, называют покрытием П,
если каждый элемент й содержится хотя бы в одном окне этого мно-
жества.
Покрытие П называется сегментированием, если каждому окну
нз П оператор маски ставит в соответствие неприводимое изображе-
|8Я
-не Л. При этом h называют сегментом fi, выделенным окном Н^.
фтмеитированне имеет прикладную ценность лишь при простом
-аб<ре масок. Далее рассматривается задача позиционирования по
-^тультатам анализа изображения как частная задача сегментации,
результатом сегментирования является цепочка символов о(/1) =*
L ((5,. Л1,); (S„ Л/а). где — сегменты Л; Л),— соответ-
ствующие расположения.
I Одним нз этапов сегментирования может служить фильтрация —
выделение фонового изображения негативной маскон. В задаче
н..хождения реперных контактов приборов фильтрация оптических
сигналов с рассматриваемых кристаллов приводит к прямоугольным
изображениям контактных площадок на нулевом фоне (без шумов).
| Для лучшей обозримости фона, идеализированного изображения
и объекта целесообразно описать предполагаемый результат идеали-
зации изображения, а затем определить процесс формирования по-
крытий с последовательным выделением сегментов.
Распознаваемые изображения подвержены различным искаже-
ниям и содержат множество помех, обусловленных разводкой и ско-
лами краев кристалла.
Для устранения влияния помех и искажений оптическая информа-
ция проходит ряд этапов фильтрации. При этом изображение кри-
сталла сравнивается побайтно с прямоуголннком, выбранным в ка-
честве маски (с трафаретом). Конечным результатом анализа геоме-
трической информации является определение координат центра
тяжести двух контактных площадок кристалла, условно принятых
аа реперные. Изображение реперной метки подвергается ряду пре-
образований: заполнению пустот внутри линий, соединению разорван-
ных частей, исключению случайных изолированных точек. Пустота
чаще всего вызывается присутствием следов от зонда на контактной
площадке, появляющихся на операции контроля статических пара-
м< троп приборов Появление затемненных областей различной
формы объясняется наличием скалов краев кристалла и загрязне-
нием его поверхности. Процесс заполнения пустот состоит в том,
что данная клетка (х, у) делается черной, h (х, у) = 1, если опре-
деленное, превышающее некоторый порог число соседних точек
является черным. Искажения типа «изолированные черные пятна»
удаляются аналогичным образом.
Средн всех обнаруженных прямоугольников выбирается тот,
который соответствует реперной метке. В результате неточности
посадки кристалла может оказаться, что выбранная контактная
площадка не попадает в поле зрения. В этом случае осуществляется
дополнительное сканирование за пределами поля зрения. Получен-
ная таким образом информация заносится в оперативное запоми-
нающее устройство (ОЗУ) ЭВМ и соответствует новому, идеализи-
рованному, более четкому изображению площадок кристалла.
Для определения величины смещения реального кристалла отно-
сительно эталонного необходимо провести калибровку и занести
в память ЭВМ координаты двух реперных меток эталонного кри-
сталла.
189
Алгоритмы анализа изображений (распознавание опорных црч.
моугольных площадок кристалла). Признаковая характеристика
прямоугольника (в данном случае — принадлежность фрагмента
изображения к распознаваемому классу) устанавливается следующие
образом. Предположим, что фрагмент изображения, содержащий
прямоугольник размером /Сх£) не является фоном. Тогда обнару.
жение достаточно большого черного пятна позволяет грубо локалу,
зовать компоненту связности изображения. Искомый прямоуголь-
ник обрисован достаточно плотным массивом единичных элементов
растра. Особенно отчетливо, без разряжений, задана центральная
часть прямоугольника. Следовательно, определение местоположения
прямоугольника основано на нахождении местоположения краев.
Максимальное удаление краев от центра не превышает некоторой
постоянной величины, поэтому для определения точного положения
края достаточно просмотреть фрагмент растра в виде некоторой
полосы, примыкающей к выделенной центральной области.
Опишем два алгоритма построения структурного кода, т. е.
вектора, указывающего местоположение опознанных компонент связ-
ности.
Алгоритм 1. Вход: Исходный растр R с цифровым бинар-
ным изображением (производная изображения).
Выход: Структурный код изображения на исходном растре.
К исходной информации также относятся константы К и D,
определяющие минимальный размер прямоугольника.
Шаг О. Переход от изображения на исходном растре R к изоб-
ражению на производном растре PR:
PR = {(z, у) (г, у) = {(х, у), (x-f- 1, у), (% + 2, у)...........................(*+ 7, */>})•
где х = 8z (х. у) — элемент растра R.
Применение алгоритмов, оперирующих элементом производного
растра, целесообразно в системах управления на основе ЭВМ с пря-
мым доступом в ОЗУ.
Шаг 1. Сканирование массива элементов производного растра
PR (/, J), / £ 1, /N, J £ 1, JNP. Порядок сканирования опре-
деляется следующим образом. Обозначим N (Л) порядковый номер
элемента растра А в последовательности. Тогда
A' (PR (/,/,)) < (PR (/.J,))	(/, < /,) и (J, = Jt) или
(Л - A);
N (PR (MJ) - N (PR (MJ) (/> = /,) и (J, = JJ.
Во всех остальных случаях N (PR (MJ) <- A (PR (MJ)-
Для прямоугольников co специальным местоположением (напри-
мер, центральным) может быть более целесообразной спиральная
развертка с заданным началом (например, в центре растра). Скани-
рование элементов производного растра производится до обнаруже
ния единичного элемента PR (/, J) = 1.
Шаг 2. Пусть PR (/, J) = 1. Очевидно, что принадлежность
PR (/, J) компоненте связности определяется следующими элемен-
тами: {PR (/ + К,, J + D,)}, где £ \K — минимальная ши-
190
L,h;i выделенной компоненты связности; Dt £ \D — минимальная
lfnna выделенной компоненты связности. В некоторых случаях для
Кределей ня принадлежности элемента PR (/. J) компоненте связ-
и»« тн достаточно проверить значения следмощих элементов: {PR (/ +
4-1. J), PR (/. J -г 1)... PR	d. J + D)J
I» Для некоторых реальных задач распознавания прямоугольника
Вфектнвно правило: если PR (/+!./)= О, то PR (/. J) не при-
надлежит прямоугольнику, в противном случае проверке подвер-
гнутся следующие элементы (два варианта).
Вариант I. PR (I, J) принадлежит компоненте связности, если
число единичных элементов среди PR (/, J 4- 1), .... PR (I, J + D)
не меньше Dh, где £>* зависит от D. Переходим к шагу 3. Порядок
просмотра указанных элементов произвольный. Если число нулевых
элементов больше N—D^, то просмотр заканчивается, PR (/, J)
не принадлежит компоненте связности. Переходим к шагу I.
Вариант 2. PR (/, J) принадлежит компоненте связности, если
PR (/, J + 1), PR (I, J + 2).... PR	(I, J + D — 1) = 1, PR (/,
J j-D) — 1. Переходим к шагу 3. Если среди указанных элементов
есть хотя бы один нулевой, переходим к шагу I. Этот вариант соот-
ствует случаю, когда помеха затрагивает лишь средние полосы
объекта. При более сложных критериях порядок просмотра элемен-
тов матрицы может быть определен методом динамического програм-
мирования, который позволяет сократить число операций для при-
нятия решения об отсутствии компонент связности с начальным
элементом PR (/, J).
Шаг 3. Выделение компоненты связности, соответствующей объ-
екту на производном растре. Производится поиск концов одной
из диагоналей прямоугольника на производном растре. Эта операция
включает фильтрацию, поскольку прн нахождении местоположения
компоненты используется признаковая характеристика изображения
(критерий принадлежности точки компоненте связности). Фрагмент
изображения, содержащий данную компоненту связности, идеали-
зируется, помехи устраняются.
Для некоторых типовых изображений эта операция не произво-
дится (например, в тех случаях, когда выделяется координата одной
из вершин прямоугольника на производном растре). Для выделения
компоненты связности нужно рассмотреть элементы PR (I, J 4- D +
4-1), PR (/, J 4- D 4- 2)..PR (f, J 4- D 4- A), ... Они просма-
триваются до тех пор, пока не встретятся два элемента подряд.
В этом случае переходим к шагу 4. Если до элемента PR (/. J 4-
4- D 4- Am„), где D 4- Ат»х— максимальный размер прямоуголь-
ника по вертикали, не встретятся два нулевых элемента подряд,
переходим к шагу 1.
Шаг 4. Опознание объекта на производном растре. Если ком-
понента связности относится лишь к одному классу значимых фраг-
ментов, то распознавание считается законченным. Когда классов
несколько, вычисляется номер класса, к которому относится выделен-
ный объект.
191
Шаг 5. Нахождение области дальнейшего поиска. При выппД
пенни поиска последующих значимых компонент целесообрач5л
использовать соотношение между расположениями значимых Ком°
понент связности. Эти соотношения ограничивают возможное ра«1
положение последующей значимой компоненты при условии, Чт*|
расположение предшествующих компонент вычислено.
В приложениях часто используются самые простые в вычнг^ы!
тельном отношении ограничения: из множества расположений, пере*
сматриваемых при дальнейшем поиске, исключаются элементу
компонент связности, выделенные на шагах I—4. Этому соответ,
ствует замена единичных элементов, указанных компонент на цу.
левые.
Шаг 6. По известному расположению каждого выделенного объ-
екта на производном растре уточняется его расположение на исход,
ном растре посредством сканирования области, непосредственно
примыкающей к выделенной компоненте. Конкретный вид операции
уточнения зависит от признаковой характеристики изображения.
Сканирование элементов в добавляемых полосах может произво-
диться и выборочно. Результатом является точное вычисление кон-
цов диагонали прямоугольника. Если просмотр всего растра не окон-
чен, то осуществляется переход к шагу 1. В противном случае работа
алгоритма заканчивается.
Алгоритм 2. Для сокращения объема вычисления при рас-
познавании многомерных объектов можно уменьшить размерность
изображений, используя метод разложения многомерного изобра-
жения на проекции. Обратная операция — восстановление изобра-
жения — в общем случае неоднозначна, поэтому метод проекций
применим только в специальном изображении, допускающем одно-
значное восстановление этого изображения по проекциям, или при
построении покрытия растра, в каждом окне которого выполнимо
восстановление изображения по проекциям.
Рассматриваемое изображение приборов относится к классу
изображений, имеющих покрытие, каждое из окон которого содер-
жит «ось видимости» — направление Z, совпадающее с одной из
координатных осей. При этом ни одна прямая, параллельная Z
(множество элементов растра с постоянной Z, где Z = х, если Z = у,
в Z = у, если Z — х), не содержит одновременно двух элементов
растра, принадлежащих различным компонентам связности. Таким
образом, в данном окне вдоль оси видимости никакая компонента
не затеняет другую. Если Z — ось видимости, то в данном окне проек-
ция позволяет найти расположение компонент связности на дан-
ной проекции. По Rz можно провести дальнейшее измельчение по-
крытия, так что результирующее покрытие будет иметь две оси
видимости в каждом окне. Для рассматриваемого класса изобра-
жений в окнах такого покрытия изображение однозначно восста-
навливается по проекциям.
Описание алгоритма. Вход: Исходный растр с циф-
ровым бинарным изображением на нем.
192
Выход: Структурный код изображения на исходном растре.
Шаг О. Переход от изображения на исходном растре к изобра-
иию на производном растре.
Шаг 1. Построение Х’-проекцин или множества
{^ШЖХ	_____ )
h.Whx(t)= Yi h(t,y), /Omm, Xra„ ~
J
на производном растре.
[ Шаг 2. Построение первого покрытия. В данном случае всякое
окно покрытия будет представлять собой полосу Pt : х £ xtl, xtl,
у € Утш. Утах. обладающую тем свойством, что 1гх (/) з* D, где
t € хч< И, хг1 — хи К.. Очевидно, дополнение системы по-
лос {Pt} до растра представляет собой систему полос, не содержа-
щую значимых элементов изображения, и поэтому нами в дальней-
шем рассматриваться не будет.
Шаг 3. Построение окончательного покрытия. При таком вы-
делении полос для каждой из Р, ось X является осью видимости. Это
характеризует данный класс изображений. В полосе Pt можно
построить окна окончательного покрытия, допускающие однозначное
восстановление изображения по проекциям. Для этого строится
У-проекция на исходном растре в каждой полосе Pt и определяются
окна Т, окончательного покрытия: х £ Хн, х*. у £ y\t, у'г, в соот-
ветствии со следующим условием: для t £ y\s, yis. hu (0 > К.
Шаг 3 может выполняться при необходимости на производном растре.
Шаг 4. Вычисление расположения компонент связности. Внутри
окна Т\ расположена компонента связности, для которой i/mln =
= yis. Ушах = Уг.- Для определения xmln и х|П1Х данной компоненты
необходимо рассмотрение х-нроекции в окне Т,. На этом работа
алгоритма заканчивается.
При разработке системы технического зрения возникла необ-
ходимость в специальном датчике, способном оценивать степень
смещения кристалла относительно эталонного положения. К такому
датчику предъявляются весьма высокие требования в отношении
разрешающей способности в поле зрения, контрастной чувствитель-
ности, геометрического подобия и других оптико-электрических
характеристик. Из существующих в настоящее время преобразова-
телей свет—сигнал в наибольшей степени удовлетворяет перечислен-
ным требованиям прибор с зарядовой связью (ПЗС). Твердотельный
оптикоэлектронный преобразователь ПЗС обладает рядом суще-
ственных преимуществ по сравнению с вакуумными преобразова-
телями. При этом некоторые из них являются определяющими.
К ним относится прежде всего геометрическое подобие, которое
обеспечивает полное соответствие электрических сигналов, полу-
чаемых на выходе ПЗС, считываемому оптическому рисунку. Дру-
гим существенным преимуществом является высокая стабильность
во времени геометрии светочувствительных рецепторов в отличие
от вакуумных преобразователей, у которых величина и смещение
7 Пр и. М. Макарова	193
растра в значительной степени зависят от напряжений источников
питания, температуры и других факторов. Можно отметить еще це.
лын ряд преимуществ, определяющих предпочтительность ПЗС,
это малые габаритные размеры и масса, низковольтные источники
питания и самосканпрование, т. е. отсутствие отклоняющих систгу
формирователей разверток и электрической фокусировки при точ*.
ной дискретизации электрических сигналов во времени. Весьма
полезной в данном применении оказалась высокая чувствительность
ПЗС к инфракрасному (ПК) излучению. Работа в ПК диапазоне
позволила значительно увеличить контраст считываемого рисунка.
В основе этого лежит свойство прозрачности кремния, служащего
телом кристалла в инфракрасном свете, что обеспечивает поглоще-
ние падающего излучения, в то время, как контактные площадки,
выполненные нз алюминия, отражают свет практически полностью.
Площадь светочувствительных рецепторов ПЗС лежит в преде-
лах 30 x 30 мм, что при шестикратном оптическом увеличении обеспе-
чивает цену деления одного рецептора порядка 5 мкм. При этсм
общая погрешность позиционирования с учетом механических по-
грешностей координатного стола не превышает ±10 мкм, что вполне
приемлемо для точного попадания сварочного инструмента в зону
контактной площадки с площадью 80 x 80 мкм. При выбранном
увеличении площадь обзора среднеформатного ПЗС с количеством
рецепторов 144x230 составляет 720X1150 мкм, что вполне доста-
точно для определения координат при смещении кристалла в ука-
занных выше пределах. Применение крупноформатных матриц
с числом рецепторов 290 X 360 позволяет увеличить площадь обзора
до 145x1800 мкм, или при той же площади повысить точность опре-
деления координат до ±2,5—3 мкм.
Структурная схема адаптивного робота изображена на рис. 7.5.
Работа робота осуществляется следующим образом. Исходный
объект, связанный с системой двумерного позиционирования, осве-
щается через оптическую систему инфракрасным и видимым светом.
Отраженный световой поток через оптическую систему поступает на
средства визуального отображения и через ИК фильтр проекти-
руется на светочувствительное поле ПЗС. От блока управления на
ПЗС поступают сигналы, необходимые для его нормального функ-
ционирования. Световой поток, падающий на исходный объект,
регулируется с помощью замкнутой системы регулировки яркости
до оптимальной величины. Световая информация преобразуется
ПЗС в серию электрических сигналов, дискретизированных по вре-
мени. Затем электрические сигналы квантуются во уровню и в виде
цифрового кода передаются в ЭВМ. В последней цифровая инфор-
мация обрабатывается по определенному алгоритму, в результате
чего по выделенным реперным меткам определяются истинные коор-
динаты положения кристалла прибора относительно некоторых
условных координатных осей. Правильность определения координат
контролируется по алгоритму контроля точности По разности ко-
ординат эталонного и исследуемого объекта определяются поправки
для каждой нз координат и вырабатываются сигналы для управле-
194
Рис. 7.5. Структурная схема адаптивного робота
ння системой позиционирования. После этого с учетом вычисленных
поправок производится перемещение координатного стола по же-
сткой программе, заложенной в машину в процессе начального
обучения.
Вначале система технического зрения была создана на базе одно-
строчного ПЗС с числом рецепторов в строке, равным 500 ПЗС
осуществлял развертку изображения в горизонтальном направлении,
сканирование по вертикали осуществлялось координатным столом.
В дальнейшем, в целях увеличения производительности была раз-
работана система технического зрения с использованием матричного
среднеформатного ПЗС с числом рецепторов 144x230, в котором
считывание информации осуществлялось при неподвижном коорди-
натном столе.
Для тех случаев, когда в целях полной автоматизации процессов
микросварки необходимо распознавание не только контактных пло-
щадок кристаллов, но н корпуса, создана двухканальная система
технического зрения, где в качестве датчиков используются види-
коны.
7.5.	Адаптация технологических режимов микросварки
В адаптивных роботах помимо системы технического зрения
имеется не менее важная система адаптации технологических ре-
жимов УЗ микросварки.
7*	195
Множество случайных и взаимосвязанных факторов, влияющих
на качество приборов в процессе их изготовления, а также массовый
характер производства, в значительной степени определили методы
управления качеством сварки, осуществляемой адаптивными р0.
ботами.
Основными принципами адаптивного управления процессом мик-
росваркн являются:
максимальное использование эффекта саморегулирования про-
цесса УЗ мнкросваркн;
оптимальное сочетание средств локального управления по де.
термированным и комплексного управления по статистическим
функциям;
организация неразрушаюшего контроля каждого соединения.
Реализация этих принципов привела к созданию следующей
системы адаптации и контроля режимов УЗ микросварки (рис. 7.6).
Объектами управления в системе являются: зона УЗ микро-
сварки, УЗ преобразователь (УЗП) и УЗ генератор (УЗГ). Спецналь-
ные контрольные средства микросварочного робота и ЭВМ прово-
дят анализ рабочих характеристик УЗП, УЗГ и обеспечивают вы-
дачу дискретных сигналов о качестве режимов сварки и позициони-
рования.
Рис.
7.а. Система ада и таи и и н контроля
режимов УЗ микросварки
11. Качество исходник материалов
SiHO ttapuu
УЗГ
иации
УЗП
Г инструментом
♦. Стабилизация тока УЗП
Г
1. Контроль импеданса УЗП
I___________________J
г? Качество позиционирования
I
--------1-----1--------ч Ь
1. СтаЬиоиэация частоты) ।
9. Качестве режима
] & Управление мощностью
 и временен
Параметры УЗС
[ г АЦП, ЭВМ. ЦАП I
•	| Катроль выработяс^
I	. ампли- I уравняю-.__
|	1 чудно щи я воз •
I	| временные. действий I
ч	। яараяте-' j--------------
;	! г ^,ПАМ4.
А Стабилизация величины Реформации
6. Управление ультразвуковой энергией в эоне сварки
'ч 1 а} элечпричеопю I
J | (сплошной) .—
I . в) мпашчесиш
i (выверенный) |
ч. [	'в) визуальный [
। >	।
________________I I_____________________________L
196
Система адаптации имеет несколько замкнутых контуров регули-
рования с независимыми обратными связями локального управления
отдельными параметрами (контуры 1—4) и комплексного управле-
ния группой параметров с более глубокими обратными связями
(контуры 5—7). Прн этом не все виды нестабильности исходных пара-
метров УЗ сварки (УЗС) компенсируются обратными детермини-
рованными управляющими воздействиями. Основная часть их, но-
сящая стохастический характер, выявляется и компенсируется сред-
[ ствами статистического управления (контур 8), а оставшаяся часть
в контурах 10 и 11.
К локальной системе управления режимами УЗ микросварки
роботов (контуры 1—4) следует отнести средства управления началь-
ной частотой, скоростью девиации частоты УЗГ; стабилизации тока
и оптимизации нагрузочной характеристики УЗП.
Таким образом, за счет введения обратной связи по источникам
питания скорость изменения частоты во времени в процессе сварки
автоматически, нелинейно и однозначно меняется в зависимости
от абсолютной величины разности резонансной частоты УЗП и
мгновенной — УЗГ. При этом резко сокращаются потери времени
на прохождение частотных диапазонов (до и после резонанса),
увеличиваются эффективность отдачи УЗ мощности в зону сварки
и стабильность процесса.
Стабилизация тока УЗП необходима для обеспечения аппаратур-
ной, временной и температурной стабильности акустической системы
УЗП—УЗГ и возможности контроля импеданса преобразователя по
напряжению на его обмотке (контур 7).
Оптимизация силовой характеристики УЗП имеет особенно
важное значение для обеспечения требуемого качества соединений
и их стабильности. Под силовой характеристикой УЗП понимается
зависимость амплитуды инструмента от величины касательной со-
ставляющей нагрузки, воздействующей на его рабочую часть со
стороны зоны сварки. В данной зависимости представляет интерес
область изменений нагрузки, эквивалентной реальной в зоне сварки.
Она выражается падающей характеристикой, крутизна которой
определяет условия протекания процесса саморегулирования в зоне
сварки. Кроме того, зона сварки в тех же координатах «ампли-
туда — усилие» имеет возрастающую нагрузочную характеристику,
которая отражает увеличение усилия схватывания в зоне сварки
при увеличении амплитуды инструмента.
Рабочая точка пересечения силовой и нагрузочной характери-
стики УЗП в зоне сварки определяет конечные условия динамиче-
ского равновесия системы источник—потребитель УЗ энергии.
Анализ информативности и степени контролируемости входных
параметров УЗ мнкросваркн позволил выделить основную группу
параметров, зависящих, в свою очередь, от целого комплекса других
параметров и с достаточной достоверностью характеризующих те-
чение процесса образования соединения. Комплексными параме-
трами выбраны: импеданс УЗП, деформация проводника и энергия
в зоне сварки.
197
Разработка алгоритмов контроля процесса микросварки по этим
параметрам и выработка управляющих воздействий средствами вы-
числительной техники позволили создать эффективную автоматиче-
скую систему контроля качества УЗ микросварки. Принцип ее ра.
боты заключается в следующем. На каждом из контролируемых ро-
ботов УЗ микросварки устанавливаются датчики для измерения
тока J (/) н напряжения U (<) УЗП, по которым с помощью ЭВМ
вычисляется импеданс R (/), а также деформация h (/) проводника.
Скорость деформации dh/dt определяется посредством дифференци-
рования в ЭВМ. В ОЗУ ЭВМ хранятся запрограммированные данные
о допустимых границах изменения во времени каждого из указан-
ных параметров. Эти области определяются экспериментально.
Математическое обеспечение содержит алгоритм выдачи управля-
ющих воздействий по отклонениям каждого из контролируемых
параметров для определенных интервалов времени сварки, в течение
которых управляющее воздействие детерминировано с достовер-
ностью не ниже 0,99.
Условием нормального течения процесса является совпадение
всех временных характеристик в заданном диапазоне. При откло-
нениях параметров от нормы формируются управляющие воздей-
ствия. которые через ЦАП передаются в УЗГ.
Рассматриваемая система контроля качества УЗ мнкросварки
имеет ряд преимуществ: простоту модификации программы контроля,
возможность накопления банка данных о ходе процесса сварки на
каждой установке, что в свою очередь позволяет определить систе-
матические отклонения в параметрах работы оборудования и свое-
временно предотвратить появление брака (контур 9).
Автоматическая система контроля качества УЗ мнкросварки
создана па базе серийно выпускаемого оборудования (микроЭВМ
<Электроннка-60» и АЦП). Система хорошо согласуется с типовым
оборудованием для проволочного монтажа и обеспечивает:
контроль качества процесса образования каждого микросвароч-
ного соединения;
диагностический контроль работы каждой единицы обору това-
ния с целью определения систематических отклонений в параме-
трах УЗ мнкросварки, которые в дальнейшем могут привести к по-
явлению брака;
сигнализацию о прекращении работы установки в случае появле-
ния брака;
выдачу необходимой информации по запросу обслуживающего
персонала.
Для проведения электрического контроля контактные площадки
корпуса прибора надежно закорачиваются через внешние выводы
с корпусом установки, тогда как сварочная головка вместе с микро-
проволокой изолируется от него. После первой сварки внутреннего
вывода и подъема сварочной головки через специальное устройство
проверяется наличие электрического контакта между сварочной
головкой и корпусом установки. Наличие контакта показывает, что
внутренний вывод приварен к корпусу и можно продолжать работу
198
дальше. После второй сварки, обрыва проволоки от образованного
внутреннего вывода и подъема сварочной головки устройство фикси-
рует отсутствие электрического контакта между сварочной головкой
и корпусом установки при правильном ходе процесса сварки.
Алгоритм работы роботов составлен таким образом, что в случае
отсутствия электрического контакта при первом опросе либо его
наличии при втором установка останавливается, включается сигна-
лизация, и под перекрестие проектора автоматически устанавли-
вается первая сварная точка вывода, на котором произошел сбой.
Это помогает наладчику быстро оценить причины сбоя и устранить их.
Для механического выборочного контроля соединений, выпол-
ненных с помощью роботов, приваренный проводник нагружается
под углом 30° к горизонтали нарастающим усилием, которое кон-
тролируется электромеханической системой, связанной с ЭВМ.
Система нагружения встроена в сварочную головку робота.
После сварки и обрыва единичных соединений на заырограмми-
рованных точках сварки ЭВМ фиксирует усилия разрушения всех
соединений, индицируя на световом табло их конкретные значения
и результаты статистического анализа.
В адаптивных роботах установлены специальные контрольные
телевизионные мониторы, позволяющие наладчику вести оператив-
ный визуальный контроль качества мнкросварки. Контроль прибора
проводится на дополнительной позиции автоматического транспорт-
ного тракта, куда он попадает сразу после сварки. Роботы имеют
специальный выход для подключения к контрольной телевизионной
системе внешнего монитора, что дает возможность организовать для
наладчика отдельный пульт одновременного контроля работы всех
обслуживаемых роботов.
7.6.	Программное обеспечение адаптивных роботов для
прецизионной сварки
Программное обеспечение предназначено для управления адап-
тивными роботами и включает ряд управляющих программ.
Особенностями управляющих программ адаптивных роботов
являются:
выполнение всех действий в реальном масштабе времени;
тесная взаимосвязанность подпрограмм между собой по после-
довательности выполнения и по входным и выходным параметрам;
наличие большого числа режимов работы управляющих программ
в соответствии с режимами работы роботов;
обеспечение возможности перестройки программ с помощью обу-
чения для сборки различных типов микроэлектронных приборов.
Управляющие программы адаптивного робота состоят из не-
скольких более или менее независимых подпрограмм, решающих
одну или несколько функциональных задач и выполняемых в опре-
деленной последовательности.
По функциональному назначению различают следующие под-
программы:
199
организации вычислительного процесса управления адаптивны*
роботом;
расчета траекторий движения исполнительных механизмов;
распознавания положений обрабатываемых изделий;
управления исполнительными устройствами;
восприятия обучающих действий оператора.
Все программы реализованы иа языке ассемблера. В качестве
инструментальной ЭВМ для подготовки программного обеспечения
использована ЭВМ «Электроника 100-25.» Программы готовятся
на языке макроассемблера в системах РАФОС или ФОДОС.
Объем программного обеспечения составляет от 400 до 3000
операторов языка, при этом стандартное математическое обеспече-
ние ЭВМ «Электроника-60» или «Электроника 100-25» в управля-
ющих программах не используется, так как оно не удовлетворяет
временным характеристикам выполнения программ в реальном мас-
штабе времени.
Подпрограмма организации вычислительного процесса управле-
ния адаптивным роботом выполняет функции начального пуска си-
стемы управления роботом, управления последовательностью вы-
Настройка программы
для реперных точек
Установление констант
ВРЯ. Считывание инфор-
мации с ПЗС
Аа
Да
Шаг ОВерх по Вертикали
от 1-й найденной площадки
Запоминание адреса
реперных площадок
Площадка
Нет
Найдена
Нет
Шаг Влево по горизонта^'
от 1- и найденной nvutafrut
Выбор нужной
реперной площадки
Пойся
реперных точек
Пойся единичного Войта по
спирали от центра масал
Площадка
байт найден
Да
Нет
Определение коордимнл
реперных точек
ПереВод координат
В шаги шагового
ддигателя
Нет
П/п определения
площадки
по горизонтали
иной площадки i
ВыхоВ
Площадка
Площадка
Да
Шаг Вниз по Вертикали
от 1-й найденной площадке
Рмс,
Нет
Площадка
7.7. Алгоритм подпро-
граммы распознавания
200
нения функциональных подпрограмм в соответствии с ин кле-
ммами режимов работы робота и динамикой работы в реальном
штабе времени, вывода на панель управления диагностических
бщений об отклонениях в работе отдельных модулей робота.
Подпрограммы расчета траекторий движения исполнительных
механизмов робота производят вычисление перемещений сборочного
|1нструмента и координатного стола при всех манипуляциях. Вид
траекторий движения определяется выполняемыми действиями при
сборке конкретных изделий.
I Подпрограммы распознавания определяют положения обрабаты-
ваемых изделий по задаваемым реперным точкам. В качестве репер-
ных точек выбираются характерные детали изделия, например
углы контактных площадок кристалла и корпуса прибора микро-
сварки. Задача определения положения сводится к нахождению
реперных точек на изображении реального изделия и определению
их координат. Алгоритмы решения данной задачи были описаны
в разд. 7.4.
Рис. 7.8. Алгоритм подпрограммы работы шагового двигатели
201
Алгоритм подпрограммы распознавания положения реперных
точек приведен на рис. 7.7.
Подпрограммы управления манипуляторами воздействуют на
электромагниты, пневмоклапаны, шаговые двигатели и специальные
электронные блоки.
Управляющие программы позволяют управлять шаговыми дви-
гателями, имеющими 4 обмотки, переключение которых происходит
202
четырехтактной и восьмитактной схеме в прямой или обратной
•ледовательности. Число двигателей, коммутируемых одновре-
менно, равно 3. Общее число двигателей зависит от конкретного
,сполнения робота.
В программах имеется возможность изменения числа шагов на
участках разгона и торможения, а также изменения частоты. Про-
граммы предусматривают работу шаговых двигателей в двух режи-
мах — быстром и медленном. Пример алгоритма подпрограммы
управления работой 4 шаговых двигателей робота мнкросварки
приведен на рис. 7.8.
Подпрограмма запоминания обучающих действий оператора поз-
воляет в течение короткого промежутка времени перестроить робот
на сборку нового изделия. Подпрограмма воспринимает задаваемую
оператором на панели управления робота информацию для пере-
стройки цикла работы робота, позволяет провести обучение системы
технического зрения, задать траектории движения сборочного
инструмента и координатного стола для выполнения конкретной
схемы сборки. Для перестройки цикла работы робота данная под-
программа получает из подпрограммы организации вычислитель-
ного процесса информацию о состоянии обучающих органов панели
управления и запоминает в ОЗУ ЭВМ вид действия, точку на изде-
лии или траекторию движения. Траектории перемещения сбороч-
ного инструмента и координатного стола при выполнении схемы
сборки изделия определенного типа задаются путем подвода коорди-
натным столом характерных точек прибора под центр оптической
системы (таких, как точки присоединения выводов микроэлектрон-
ных приборов, реперные точки н т. п.) и их автоматического запоми-
нания в ОЗУ ЭВМ.
Обучение системы технического зрения производится также по-
казом роботу типичных для распознавания и анализа фрагментов
изображений реального изделия. ЭВМ выделяет из показанных изоб-
ражений необходимые признаки и запоминает их.
Рассмотренные микросварочные роботы нашли широкое промыш-
ленное внедрение и позволяют в десятки раз повысить производи-
тельность труда при изготовлении изделий микроэлектроники.
Класс адаптивных роботов составляет основу для создания гиб-
ких автоматических производств (ГАП) прецизионной сборки микро-
электронных приборов. Для этого адаптивные роботы дополняются
манипуляторами (рнс. 7.9) для принудительной подачи микропри-
боров в зону обработки и микроскладами (рис. 7.10), что позволяет
в этом случае оборудованию работать в течение смены без участия
человека.
Глава ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
8 УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
КОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ МИКРОЭВМ
В РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
В настоящее время широкое распространение получи пи
серийно изготовляемые управляющие вычислительные комплексы
(УВК) на базе микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ. От обычных
универсальных ЭВА) УВК значительно отличаются, поскольку их
разрабатывают специально для совместной работы с разнообразным
обору зова и нем, которое, как правило, не относится к классу вы-
числительной техники. Благодаря такой особенности УВК соче-
тают в Себе основные возможности как обычных вычислительных
машин, так и технических средств, использующих принципы цифро-
вой обработки информации или цифрового управления.
В аппаратном отношении УВК выпускают в виде, готовом для
непосредственного встраивания в требуемые технологическое обо-
рудование или производственный процесс. Этому способствуют уст-
ройства связи с объектом (УСО). Программное обеспечение УВК
специально ориентируется на решение широкого класса задач управ-
ления.
Целесообразно применять серийно-промышленные УВК для по-
строения систем управления роботами и технологическим оборудо-
ванием. При этом значительно сокращаются сроки разработок, сни-
жается стоимость аппаратуры, повышается надежность ее функциони-
рования и, самое главное, разработчик освобождается от существен-
ных затрат на создание дорогостоящего общесистемного програм-
много обеспечения.
Конечно, отдельным случаям применения УВК может препят-
ствовать определенная их функциональная избыточность. Однако
в современных УВК эта проблема решается за счет использования
блочно-модульных принципов компоновки и создания модульной
архитектуры.
8.1.	Принципы построения архитектуры УВК
В понятие архитектуры УВК входят как функциональные струк-
туры процессора, памяти, внешних устройств, так и возможности,
предоставленные программисту в виде способов адресации памяти,
сретств управления внешними устройствами, систем прерываний
и синхронизации, форматов команд, языковых средств программи-
рования.
204
 Одно из важнейших значений имеет способ организации связи
отдельными устройствами УВК, включая и управляемые
Объекты. До недавнего времени архитектура УВК базировалась
равным образом на вычислительных системах с автономно распо-
ложенными ЭВМ, при этом возникали трудности в стандартизации
внешних интерфейсов. Распространенным системным интерфейсом
Автономных ЭВМ стал магистральный интерфейс «Общая шина»
(ОШ), обеспечивающий унификацию связей всех устройств УВК
с центральным процессором через единую магистраль ввода-вывода.
В таких системах связь с управляемыми объектами осуществляется
так же, как и с любым периферийным устройством комплекса.
Однако магистраль ОШ не обеспечивает необходимой производитель-
ности обмена информацией при совместной работе большого числа
процессоров и блоков УСО.
С развитием микропроцессорной техники появились возможности
для создания однокристальных и одноплатных мнкроЭВМ, объеди-
няемых в многопроцессорные системы (МПС). Модульный принцип
разработки функциональных блоков УСО позволил унифицировать
их по конструкции с одноплатными мнкроЭВМ, что привело к объ-
единению процессорных модулей и модулей связи с объектами в одном
корпусе или каркасе. Таким образом, по существу отпала необхо-
димость в автономной управляющей ЭВМ и одновременно в значи-
тельной мере облегчилась задача стандартизации внешнего интер-
фейса УВК на основе магистрально-модульного принципа построе-
ния системных связей.
Существует целый ряд национальных и международных стандар-
тов на многопроцессорные магистрально-модульные системные интер-
фейсы: прежде всего — это международный стандарт КАМАК (и
его модификация КОМПЕКС), ЕВРОБАС, МУЛЬТИБАС, ФЛЕКС-
БАС, ФАСТБАС и др. К преимуществам таких стандартных интер-
фейсов следует отнести развитые средства параллельного взаимо-
действия устройств УВК по межмашинным магистралям, возмож-
ность организации географической адресации модульных блоков
с последующей программной генерацией комплексов, стандартиза-
ция параметров источников питания и линий цифровой пли анало-
говой информации, стандартизация конструктивов модулей и ком-
поновки систем.
Магистрально-модульная архитектура УВК весьма перспективна
для создания микропроцессорных локальных управляющих сетей,
которые в ближайшем будущем станут основой систем управления
роботизированных и гибкопереналаживаемых производств.
8.2.	Назначение и функции отдельных моделей УВК
Состав устройств однопроцессорных УВК показан на рис. 8.1.
Комплекс содержит процессорные модули, внешние устройства,
интерфейсы внешних устройств, модули УСО и вспомогательные
устройства расширения функций.
205
Рис. 8.1. Состав Ктро^,»
однопроцессорного упраал,
юцего вычислительного
плекса
Обычно процессорные модули выполняют в виде законченных
вычислительных устройств, имеющих микропроцессор, динамиче-
скую н постоянную оперативную память, контроллеры прерываний,
интервальные таймеры, последовательный и параллельный интер-
фейс с внешними устройствами. Микропроцессорные БИС в модуле
чаще всего имеют самостоятельные функции: обработки данных,
управления, хранения управляющих программ. Для увеличения
возможностей и производительности процессорных модулей широко
используют регистровые операции, гибкие системы адресации (по-
следовательную, индексную, косвенную, стековую), обработку про-
цессором как однобайтовых, так и двухбайтовых операций.
У большинства i ВК предусмотрены специальные математические
процессоры для повышения быстродействия и точности вычислений,
в частности арифметических операций над числами с фиксирован-
ной и плавающей запятой с 16 и 32 разрядами.
Одним из наиболее существенных ограничений УВК, построен-
ных на основе микро- и миннЭВМ, является относительно малый
объем оперативной памяти, который обычно не превышает двух-
трех сотен килобайт. Например, при 16-разрядиом слове максималь-
ный объем адресуемой памяти равен 64 К байт. Его расширение до
256 К байт выполняют путем программно-аппаратной сегментации
памяти и использования виртуальной адресации оперативного запо-
минающего устройства (ОЗУ). Таким способом осуществляется дина-
мическое перераспределение фактически доступных 64 К байт и
автоматическое поступление в ОЗУ по прерыванию дополнительных
данных из внешнего ЗУ. В результате программисту предостав-
ляется оперативная память увеличенного объема. Концепция сег-
ментированной памяти позволяет создавать микроЭВМ с адресуемой
памятью свыше 1 М байт.
Универсальный характер Ь ВК определяет возможность по-
строения как простых, так и усложненных управляющих систем.
Поэтому каждый комплекс ВК выпускают в различных комплек*
вОб
Кдцнях, что дает пользователю выбор нужной ему конфигурации
аппаратуры. Основные различия комплектаций связаны с количе-
ством и типами используемых внешних устройств, которые предна-
^ачены для ввода-вывода и хранения информации.
На первых этапах развития УВК широкое применение имели пер-
фоленточные устройства ввода-вывода. Однако сейчас они все больше
вытесняются более надежными и удобными в работе дисплейными,
магнитными дисковыми и ленточными средствами ввода-вывода и
долговременного хранения. Особенно популярными для техники
микропроцессорных УВК становятся гибкие магнитные диски оди-
нарной и двойной плотности двух стандартных размеров, а также
малогабаритные жесткие диски типа «Винчестер- Несмотря на не-
большие размеры, диски «Винчестер» обладают емкостью по 10, 20
М байт н более, имеют полностью закрытое от внешнего доступа
конструктивное исполнение и не требуют обслуживания в процессе
эксплуатации.
Для всех типов УВК алфавитно-цифровые дисплеи стали обяза-
тельным атрибутом, поскольку обеспечиваемый ими диалоговый
режим между пользователем и ЭВМ наиболее полно удовлетворяет
задачам, решаемым в управляющих системах. По этой причине
быстрое развитие получает графический способ ввода-вывода инфор-
мации с помощью черно-белых и цветных графических дисплеев,
многоцветных графопостроителей, оцифровывателей графики.
Главные отличительные особенности УВК определяются моду-
лями связи с управляемыми объектами или УСО. Современные
УСО представляют собой целые интерфейсные системы со своими
аппаратными и программными средствами. В простейших случаях
УСО служат для ввода и вывода сигналов контроля, измерения и
управления. В более сложных случаях УСО обеспечивают нормали-
зацию, фильтрацию, преобразование сигналов и генерацию новой
информации из исходной благодаря наличию в них собственных за-
поминающих и процессорных элементов. В качестве процессорных
элементов обычно используют микроконтроллеры. Собственный вы-
числительный ресурс значительно повышает гибкость УСО, точность
и надежность преобразования сигналов.
8.3.	Программное обеспечение УВК.
Операционные системы
Общесистемное программное обеспечение микропроцессорных
УВК существенно отличается от программных средств универсальных
вычислительных машин большой и средней производительности.
Основным преимуществом микропроцессорных систем является воз-
можность их встраивания в оборудование. Однако с точки зрения
разработки и использования программного обеспечения встраивае-
мые системы слишком ограничены по составу периферийного обо-
рудования, производительности и объему памяти. Поэтому програм-
мное обеспечение микропроцессорных УВК характеризует следующие
особенности:
207
ограниченные состав н возможности резидентных програ\МЫ1
средств;	*
отсутствие развитого периферийного оборудования для разра.
ботки программного обеспечения;
преимущественное применение символических языков программ^
рования относительно низкого уровня нз-за необходимости эка
немного использования памяти;
ориентация программных средств на задачи управления, контроля
и измерений;
ограниченные сервисные возможности программных средств.
Баагодаря таким особенностям разработка программного обеа
печения для микропроцессорных УВК выделена в специфический
раздел проектирования управляющих комплексов. При этом созда-
ние программных средств в основном ведется с привлечением допол-
нительной аппаратуры — больших и средних вычислительных ма-
шин или расширенных прототипов используемых микропроцессор,
ных ЭВМ.
В первом случае программное обеспечение является крос-
совым. Все разрабатываемые сейчас мпкроЭВ.М имеют кроссов ае
средства, реализуемые на ЭВМ серии ЕС или GM. Кроссовое про-
граммное обеспечение позволяет использовать широкий набор сер-
висных возможностей больших и средних ЭВМ. Во втором случае
программные средства являются вспомогательными или инстру-
ментальными, поскольку разработка их ведется с применением эму-
ляции аппаратуры отлаживаемых микропроцессорных систем.
Все три вида программных средств — кроссовые, вспомогатель-
ные и резидентные — определяют взаимодополняющие режимы ра-
боты УВК и базируются на использовании необходимых операцион-
ных систем.
Операционные системы для микроЭВМ. Операционные системы
(ОС) для вычислительных машин и микроЭВМ — это ядро их
программного обеспечения, на базе которого пользователь разра-
батывает прикладные программы.
Основные функции ОС позволяют:
реализовать определенную дисциплину выполнения программ
пользователя;
хранить информацию обо всех аппаратных ресурсах ЭВМ, их
состоянии н порядке информационного обмена;
обеспечить связь с внешними запоминающими устройствами
(ВЗУ) н устройствами ввода-вывода с реализацией протоколов об-
служивания этих устройств;
обеспечить реакцию на внешние события, которые служат сиг-
налами для начала выполнения определенных задач.
Как правило, все микроЭВМ обладают ограниченными ресурсами.
Поэтому при создании программного обеспечения разработчикам
приходится ориентировать систему на конкретное применение,
чтобы экономить память н добиться высокого быстродействия. Этим
также объясняется то, что для микроЭВМ, фактически, не создаются
универсальные ОС.
По функциональному назначению все ОС можно разделить на
следующие типы:
однопользовательские и многопользовательские ОС для разра-
ботки и отладки программного обеспечения;
прикладные или «встроенные» ОСРВ (реального времени);
информационно-поисковые ОС, которые используются для орга-
низации и ведения банков данных, организаций каталогов, картотек
и т. п.;
ОС для организации сетевой обработки информации, которые
Обеспечивают маршрутизацию, коммутацию информации в сети,
управляют потоками информации, обеспечивают преобразование
информации в соответствии с конкретными кодами и протоколами.
В зависимости от типа применяемой микроЭВМ ОС можно раз-
делить на ОС для 8-битных и 16-битных ЭВМ.
Для систем управления различными процессами, в том числе
производственными участками и роботами, для управления стан-
ками все большее применение находят прикладные или «встроенные»
ОСРВ, т. е. они представляют собой самый обширный класс ОСРВ.
В настоящее время начали появляться прикладные ОСРВ, реали-
зованные на интегральных схемах, которые содержат фиксирован-
ный набор системных вызовов и предоставляют программистам функ-
ционально законченную группу команд высокого уровня, выполняю-
щих задачи «низкого» уровня.
Однопользовательские и многопользовательские ОС для разра-
ботки и отладки программного обеспечения (как правило, для микро-
ЭВМ это также ОС реального времени) обычно работают с развитыми
микроЭВМ, оснащенными терминалом, клавиатурой, большими по
объему оперативными и внешньми запоминающими устройствами.
Информационно-поисковые ОС и ОС сетевой обработки информа-
ции для микроЭВМ только начинают появляться, обычно они ба-
зируются на однопользовательских и многопользовательских ОС
дтя разработки программного обеспечения.
Общая организация ОС. Основная функция ОС — обеспечение
Э(|>фективного управления общими ресурсами для многих пользо-
вателей либо программ, работающих с одним центральным процес-
сором. Сложность и совершенство ОС определяются числом и разно-
образием типов физических ресурсов, которыми она может управ-
лять, а также качеством алгоритмов, которые она реализует при
управлении. Одним из самых важных ресурсов при управлении
процессами выступает время. Часто «реактивность», т. е. быстрота
отклика не внешнее воздействие, становится одним из основных
параметров, характеризующих данную ОС.
При работе в условиях реального времени необходимо реализо-
вать выполнение нескольких задач на одном центральном процес-
соре так, чтобы с точки зрения конкретного применения системы
они выглядели как параллельные процессы. Кроме того, выполне-
ние задач в системе должно быть сопряжено с внешними со-
общениями, которые в общем случае поступают в систему слу-
чайным образом.
Основой ОС является средство управления многозадачным режи-
мом — планировщик задач. Остальные средства ОС строятся на базе
этого ядра и реализуют специфические требования конкретного
приложения.
Вокруг планировщика строятся таблицы (очереди) и их програм-
мы-администраторы для управления различными физическими ре-
сурсами. на которые может быть рассчитана ОС. Как правило, соз-
даются очереди задач (программ в ходе их выполнения), которые
готовы к выполнению на центральном процессоре, очереди задач,
ожидающих доступа к средствам ввода-вывода и т. д.
Эффективность ОС значительно определяется алгоритмом пла-
нирования. В современных ОСРВ реализуется циклический алго-
ритм выбора задач и каждая задача выполняется в течение некото-
рого конкретного кванта времени.
В более сложных системах реализуются несколько очередей
в соответствии с приоритетами задач. Задачам с более низким при-
оритетом выделяется меньше времени обслуживания. Приоритеты
могут быть фиксированными, либо система может допускать их смену
в ходе работы. В ряде применений задержки в обслуживании задач
высокого приоритета могут привести к катастрофическим последст-
виям, поэтому необходимо предусмотреть возможность приоста-
новки текущей задачи задачами с более высоким приоритетом.
Стременные ОС предусматривают возможность нахождения
задач в нескольких логических состояниях в зависимости от их
готовности к выполнению (задача выполняется на ЦП, задача «под-
вешена*, т. е. ее отложили из очереди, задача готова к выполнению
и находится в очереди и т. д.).
В распространенных операционных системах реального времени
RMX-80 и RMX-86 фирмы «Интел» (Intel, США), ОС VRTX фирмы
«Хантер энд Риди Инк». (Hunter and Ready Inc) и ОСВОСдля микро-
ЭВМ СМ-1800 эти возможности реализованы.
В ходе выполнения нескольких задач в системе могут возникать
конфликтные ситуации, когда задачам требуется одновременный
доступ к одному и тому же ресурсу.
В разных операционных системах реализуются по-разиому ме-
ханизмы синхронизации задач. Обычно они реализуются в виде мо-
ниторов, семафоров и так называемых «почтовых ящиков».
Секции программного кода, обращающиеся к важнейшим ре-
сурсам, называются критическими секциями. Механизм монитора
допускает в каждый конкретный момент времени только одну задачу
в критической секции, что не позволяет другим задачам обращаться
к этому ресурсу. Так, например, реализована защита в ОС MSP
фирмы «Хоменуэй Корпорейшн» (США) (Homenway Corp).
Сигналы семафора обеспечивают постановку в очередь тех про-
грамм, которым необходим занятый или отсутствующий ресурс,
и выпускают задачи из очереди, когда появляется нужный ресурс.
Для передачи более длинных сообщении в ОСРВ используются
почтовые ящики, которые по существу представляют собой сема-
форы с дополнительной памятью (обычно область ОЗУ).
210
Если одной из задач требуются данные от другой задачи, то они
могут быть получены только через почтовый ящик.
.Механизм почтовых ящиков реализован в ОСРВ RMX-80 и
RMX-86.
При работе ОСРВ возникает еще одна задача — распределение
памяти между задачами.
В простейшем случае за каждой задачей можно зарезервировать
отдельную область, которая будет за ней закреплена. Этот способ
называется статическим распределением памяти, который имеет
недостатки из-за трудностей прогнозирования режимов работы си-
стемы.
Динамическое распределение и перераспределение памяти —
относительно новая концепция. Естественно, это связано с допол-
нительными расходами, и, как правило, такое распределение выпол-
няет отдельная программа.
Дополнительные программы ОСРВ. Кроме основного.ядра ОСРВ
пользователям предоставляются средства, упрощающие написание
программ. Это программы-редакторы, компиляторы, которые по-
зволяют писать программы на языках высокого уровня; специальные
отладчики, которые позволяют отрабатывать программы «по шагам>,
а в многозадачных системах решать задачи по отдельности; карты
ОЗУ системы и т. д.
8.4.	Микропроцессорные УВК
Промышленность выпускает достаточно разнообразный набор
микропроцессорных средств управляюще-вычислительной техники.
К сожалению, попытки унифицировать микропроцессоры, мнкроЭВМ
и УВК на их основе наталкиваются па большие затруднения по мно-
гим причинам.
В частности, развитие технологии производства микропроцес-
соров ведет к расширению номенклатуры изготовляемых устройств.
Громе того, созданный задел программных средств к микроЭВМ и
УВК часто не позволяет без потерь переходить в их производстве
с одних моделей и типов на другие. Такое разнообразие техники
выдвигает серьезную проблему совместимости аппаратных и про-
граммных средств. Сложность ее решения обусловлена практической
невозможностью (по крайней мере, на настоящем этапе развития)
для определенного разработчика обеспечить совместимость своей
мотели микроЭВМ со всеми прежними или будущими моделями дру-
гих разработчиков. Поэтому данная проблема требует совместных
усилий и соглашений по стандартам всех разработчиков.
Как у нас в стране, так и за рубежом имеется несколько направ-
лений или идеологий построения микро- и мини ЭВМ. Главные их
отличия определяются выбором микроэлементной базы, а также
архитектуры ЭВМ и выражаются в электрических, конструктивных
и информационных несоответствиях микропроцессорных устройств
(по уровням напряжения источников питания, конструктивам плат
и интерфейса, форматам и составу команд, способам обмена данными).
211
В СССР преимущественное развитие получили два напг.а.
леиия в создании микропроцессоров и мнкроЭВМ: семейство ir.
разрядных моделей „Электроника" (мнкроЭВМ ,,Электроника-60‘*
и ряд машин „Электроника НЦ) и семейство моделей на базе 8-ра.
зрядного микропроцессорного набора КР580 (мнкроЭВМ СМ-1800
системы МС УВТ В7, КТС-ЛИУС-2). В последнем направлении а
дальнейшем будут использоваться 16-разрядные однокристальные
микропроцессоры. Характерно, что при этом для ЭВМ каждого
направления обеспечивается достаточно полная совместимость
аппаратных и программных средств, однако между моделями разных
направлений совместимость отсутствует. Последнее создает трудно-
сти для разработчиков микропроцессорных систем управления, по-
скольку УВК на основе мнкроЭВМ семейства «Электроника» и набора
КР580 широко используются в промышленных разработках. Кроме
того, часто возникает необходимость в совместном применении таких
мнкроЭВМ, например, в локальных сетях управления, при группо-
вых методах управления роботами или технологическим оборудо-
ванием с числовым программным управлением.
Рассмотрим подробно особенности отечественных и зарубежных
УВК в каждом из указанных направлений, поскольку их выбор для
робототехнических систем управления является довольно сложным
шагом, определяющим перспективу развития аппаратно-програм-
мных средств управления роботами. Необходимо отметить, что во-
прос совместимости аппаратуры и программного обесечения приоб-
ретает в робототехнике принципиальное значение ввиду того, что
комплексное, а не одиночное использование роботов в составе взаи-
мосвязанного и взаимодействующего технологического оборудования
признано сейчас наиболее эффективным подходом к роботизации
производства.
8.5.	Модели УВК на базе 8-разрядных микропроцессорных
наборов
По полноте разработки в классе УВК, комплексной обеспечен-
ности техническими и программными средствами представляют ин-
терес три модели УВК: СМ-1800, МС УВТ В7 (микросредства управ-
ляющей вычислительной техники В7) и КТС-ЛИУС-2 (комплекс
технических средств для локальных информационно-управляющих
систем).
В качестве процессорного устройства во всех моделях исполь-
зуют микропроцессоры типа К580ИК80 или расширенный вариант
КР580ИК80А, изготовленный по n-МОП технологии с разряд-
ностью 8 бит и временем цикла 2 мкс, поэтому проблема совмести-
мости таких моделей решается сравнительно просто.
Управляющий вычислительный комплекс СМ-1800. Основой УВК
является модульная мнкроЭВМ СМ-1800—модель ряда СМ ЭВМ вто-
рой очереди.
Аппаратные средства. Набор модулей УВК включает: цент-
ральный процессор, запоминающее устройство, интерфейсы внешних
212
jCTpoiicTB, интерфейсы УСО, функциональные расширители, внеш-
ние устройства.
Модель центрального процессора выполнен на микропроцессоре
КР580ИК80А.
Основные технические характеристики процессора
Число команд........................................................ 78
Разрядность данных, бит.............................................. 8
Время выполнения команд, мкс..................................... 2—8,5
Оперативная память статического типа, К байт.............	. . . .	1
Постоянная память для хранения программы монитора-отладчика или
| прикладных программ, К байт...	......................... 2
Максимальный объем адресуемой памяти. К байт...................... 64
Максимальное число регистров ввода-вывода.................. 256/256
Чтло уровней прерывания ...	............................... 8
Вместе с процессором в модуле размещены схемы обработки пре-
рываний и управления системным интерфейсом И41.
Отсчет программно-задаваемых интервалов времени осуществ-
ляется специальным модулем таймера МТР. Важным общесистем-
ным модулем является быстродействующий расширитель функций
центрального процессора МБРФ, который увеличивает произво-
дительность
процессора
при
выполнении различных функций, на-
пример, при интерполяции в системах позиционного и контурного
управления.
Внутренняя память СМ-1800 также имеет модульную структуру
и допускает произвольное сочетание модулей оперативной и посто-
янной памяти.
Имеются три типа модулей оперативной памяти емкостью 32,64 К
байт, где дискретность адресов составляет 4 К байт (это позволяет
при необходимости отключить по секциям часть памяти), и емкостью
8 К байт с автономным питанием.
Модули постоянной памяти применяют трех типов:
емкостью 4 К байт для постоянного не стираемого хранения про-
грамм;
емкостью 32 К байт — программируемое ПЗУ;
емкостью 16 К байт — сегментированное программируемое ПЗУ
с раздельным питанием сегментов памяти по 2 К байт.
Широкий набор внешних и ли периферийных устройств для СМ-1800
позволяет создавать УВК различных конфигураций с учетом тре-
бований решаемой задачи.
Периферия УВК компонуется на основе внешней памяти;
на магнитных дисках СМ 5400, емкостью 4,8 М байт;
на гибких магнитных дисках PLX-45D, емкость дискеты 256 К
байт;
на гибких мини-дисках (для персональных мнкроЭВМ);
на перфоленте;
а также на основе устройств ввода-вывода информации;
перфолентой ное СМ 6204;
видотерминалы алфавитно-цифровые ВТА-2000-30, ВТА-2000-13,
ВТА-500-13 и графический СМ-7316;
213
алфавитно-цифровые печатающие устройства DZM-180 (скорость
печати 180 знаков в секунду), DARO-1156 (скорость печати — loo
знаков в секунду);
пульт-программатор ПЗУ для микросхем памяти К556Р14.
Интерфейсные модули предназначены для связи СМ-1800 с о(х>
рудованием как принадлежащим УВК, так и расположенным на
удалении от них. Имеются несколько типов интерфейса для подклю-
чения СМ-1800 к внешним устройствам, другим ЭВМ, системам
передачи данных на расстоянии, управляемым объектам.
Непосредственная связь с внешними устройствами, необходи-
мая при создании УВК разных конфигураций, обеспечивается;
параллельным интерфейсом ИРПР, с помощью которого можно
подключить видеотерминалы ВТА-2000-30, перфоленточное устройство
СПТП-3, АЦПУ DZM-180 и DARO-1156 с удалением их до 15 м;
радиальным последовательным интерфейсом ИРПС с удалением
устройств (в частности видеотерминалов ВТА-2000-13, ВТА-500-13)
до 500 м и скоростью обмена от 50 до 9600 бит/с;
модулем связи с видеотерминалом МСВ-У с удалением дисплеев
до 7,5 км, при этом подключение осуществляется без модемов.
Интерфейс с другими ЭВМ необходим при построении на базе
УВК СМ-1800 многопроцессорных систем по иерархическому или
сетевому принципам. Предусмотрена возможность подключения как
однородных, так и разнородных ЭВМ. С этой целью можно исполь-
зовать:
устройство связи (УС) для двух СМ-1800 по каналу прямого
доступа со скоростью 200 К байт/с и с удалением ЭВМ до 10 м; та-
кой интерфейс необходим каждой из соединяемых ЭВМ;
устройство связи СМ-1800 с вычислительными машинами семей-
ства СМ ЭВМ, имеющими интерфейс «Общая шинам типа УСОШ
(режим и параметры обмена совпадают с данными для УС);
устройство связи СМ-1800 с вычислительными машинами ряда
ЕС ЭВМ;
линейный последовательный интерфейс ИЛПС, с помощью ко-
торого к СМ-1800 подключаются контроллеры пли другие ЭВМ со
скоростью обмена до 500 кбит/с и удалением до 3 км.
Интерфейс с системами телефонной и телеграфной передачи дан-
ных необходим при создании территориально распределенных управ
ляюще-вычислительных сетей. В таких сетях можно применять:
модуль связи с модемом МСМ, обеспечивающий подключение
СМ-1800 к телефонным каналам в синхронном и асинхронном режи-
мах, и скоростями обмена от 50 до 19 200 бит/с;
модуль связи с телетайпом МСТ, позволяющий выполнять обмен
данными со скоростью от 50 до 200 бит/с, и удалением телетайпов
на расстояние до 7,5 км.
Через модули УСО к СМ-1800 подключают управляемые объек-
ты, измерительную аппаратуру, унифицированные интерфейсы в
стандарте КАМАК. Эти модули имеют важное значение в робототех-
нических системах управления, проектируемых на базе УВКСМ-1800.
Номенклатура моделей УСО постоянно развивается и включает:
214
модули ввода-вывода (МВД) дискретных сигналов МВВД-8,
МВВД-16, с 8 или 16 входными и 8 выходными каналами (состояния
входных каналов опрашиваются и фиксируются; выходные каналы
коммутируются с частотой 10 кГц);
модули ввода (МВВА)-вывода (MBA) аналоговых сигналов с 16
входными и 4 выходными каналами (время преобразования сигнала
н j входе — 100 мс с разрядностью 12 бит, на выходе — 10 мкс
о разрядностью 10 бит);
модуль ввода число-импульсных сигналов МВВЧ с двумя кана-
лами с максимальной частотой счета 20 кГц;
модуль компаратора уровня МКУ с 8 входными каналами для
сравнения сигналов с программно заданным значением (время пре-
образования 15 мкс с разрядностью 10 бит);
модуль аналогового питания МАП с двумя гальванически раз-
вязанными выходными каналами для питания четырех аналоговых
устройств;
модуль сопряжения с интерфейсом КАМАК (МС КАМАК) для
управления модулями крейта КАМАК (частота обмена с магистра лью
КАМАК от 20 до 300 кГц).
Расширение УВК СМ-1800 возможно в двух направлениях:
путем добавления специализированных модулей пользователем и
соединением нескольких стандартных блоков элементов между со-
бой. Эти задачи выполняют следующие устройства:
вспомогательный модуль МВ в виде типовой печатной платы с
разъемами и отверстиями под микросхемы;
блок расширения (БР) для подключения к микроЭВМ СМ-1800
дополнительных кассет с печатными платами в случае переполне-
ния двух стандартных кассет с 20 платами в автономном комплекте.
Базовые модели СМ-1800 имеют три разновидности: СМ-1801,
СМ-1802, САМ 803. Минимальная конструктивная единица — печат-
ная плата по международному стандарту МЭК-480 (С) 12 размером
233,4 X 220 мм. Десять печатных плат образуют кассету, а две кас-
сеты — автономный комплектный блок (АКБ). Тумбовый вариант
компоновки УВК содержит два АКБ, а стоечный — три АКБ или
бопее. Интерфейс И-41 (близок к магистально-модулыюму стандарту
«Мультибас» (MULTIBUS) фирмы «Интел» (Intel. США)1 реализо-
ван в монтажной схеме кассеты и имеет раздельные линии: адресов —
20. данных— 16. управления—21; два режима прерываний (век-
торное и по радиальным линиям), а также арбитраж двух типов
(через радиальные линии или последовательный поблочный). В кас-
сете из 10 мест одно принадлежит арбитру, два — процессорам,
остальные семь — модулям по выбору.
Программные средства. Программное обеспечение УВК СМ-1800
разработано для различных конфигураций системы — от одного
центрального процессора до полностью укомплектованного УВК,
что позволяет разрабатывать программы как на самом УВК, так и на
кроссовых или вспомогательных средствах.
Наибольшей автономностью обладает резидентное программное
обеспечение (РПО), располагаемое непосредственно в памяти СМ-1800,
215
Таблица g।
Функции РПО	Состав РПО
Управление УВК	Мон нтор-отла дчн к Базовая резидеитная система реального времена
Ввод-вы вод и изменение инфор- мации	Редактор текстов
Трансляция программ	Транслятор с Ассемблера Интерпретатор БЕЙСПКа Компилятор ПЛ/М
Обслуживание	Сервисные программы для системных библиотек Тест-мониторная система
но требующее обязательного минимума в составе внешних устройств
ХВК—дисплея, накопителя иа гибких магнитных дисках и ал-
фавитно-цифрового печатающего устройства. В такой конфигурации
программы пользователя могут создаваться на рабочем экземпляре
УВК без привлечения других ЭВМ.
Резидентное программное обеспечение выполняет ряд функций
(табл. 8.1):
управление функционированием УВК;
ввода-вывода н изменения информации;
трансляции программ с языков низкого и высокого уровня;
обслуживания системных библиотек, а также тестового контроля
аппаратуры.
Эти функции реализуются определенными взаимосвязанными про-
граммными компонентами. Разработку программ можно вести иа
языке ассемблера и на языках высокого уровня БЕЙСИК и ПЛ/М.
Язык программирования БЕЙСИК интерпретирующего типа, по-
этому он очень удобен при редактировании и отладке программ.
Системные библиотеки создаются на гибких магнитных дисках
двух видов; библиотеки исходных текстов; комплекты программ в аб-
солютных адресах, пригодных для непосредственной загрузки и
выполнения. Отдельные программные модули связываются автома-
тически на уровне исходных текстов в процессе компиляции.
Базовая операционная система реального времени обеспечивает
управление асинхронными процессами при связи процессора с внеш-
ним оборудованием и управляемыми объектами. Если конфигурация
УВК не располагает минимумом внешних устройств или она соз-
дается индивидуально под решаемую задачу, программы можно
разрабатывать на прототипе УВК с помощью вспомогательной си-
стемы со схемной эмуляцией (инструментальной системы).
Инструментальное программное обеспечение дополнительно вклю-
чает операционную систему ИОС-1800, мультипрограммную систему
реального времени и программы управления внутрисхемным эму-
лятором микропроцессорной аппаратуры.
216
система разработки кросс-режима СЕРИ на базе операционной си-
стемы ОС ЕС. Для ЭВМ АСВТ М 4030 разработана кросс-система
СКПО на базе операционной системы ДОС АСВТ-2. Кросс-система на
ЭВМ СМ-4 и СМ-1420 базируется на операционных системах РАФОС
и ДОС КП.
Кроссовое программное обеспечение позволяет программно ими-
тировать аппаратуру СМ-1800, использовать в кросс-режиме все
компоненты ее резидентного программного обеспечения, имитировать
в виде файловой системы периферийное оборудование СМ-1800.
Управляющий вычислительный комплекс МС УВТ серии В7.
Комплексы на базе микросредств ) правляющей вычислительной тех-
ники серии В7 (МС УВТ В7) предназначены для построения различ-
ных систем управления технологическими процессами, оборудова-
нием и устройствами. Характерной для УВК данного типа является
проблемная ориентация на управление системами цифровогоэлектро-
(оборудования. В частности, их можно эффективно применять в си-
стемах управления роботами с электрическим приводом и станками
с числовым программным управлением.
Аппаратные средства. В состав УВК серии В7 входят следующие
устройства: одноплатная микроЭВМ с центральным процессором,
спецпроцессор расширения математических функции, плата расши-
рения памяти и средств ввода-вывода, внешние устройства, интер-
фейс внешних устройств, интерфейс УСО.
Одноплатная микроЭВМ МПВ01 имеет центральный процессор
на базе БИС микропроцессора К580ИК80, запоминающие устройства,
интерфейс ввода-вывода, интервальный таймер, схему прерывания
со следующими характеристиками.
Основные технические характеристики процессора
Быстродействие, тысяч коротких операций в секунду
Разрядность данных, бит ...........................
Разрядность команд, бит
Число команд.................. ....................
Максимальная емкость адресуемой памяти, К байт . ,
Емкость динамического оперативного ЗУ, К байт . . .
Емкость постоянного ЗУ, К байт ....................
11араллельный интерфейс ввода-вывода, число лнннн . ,
Последовательный интерфейс ввода-вывода с синхрон-
ным н асинхронным режимом, число линий.............
Число таймеров с разрядностью 16 бит . ............
Число уровней векторных прерываний.................
Режимы прерываний.............................  .	.
600
8
8—24
78
64
16
До 16 (4, 8, 16)
♦8/48
4 (после коммутации)
6
1Б
Вложенный, цикличе-
ский, маскирование,
опрос
Структурная схема МПВ01 приведена на рис. 8.2.
Одноплатная мнкроЭВМ МПВ01 связана с системной межмашин-
ной магистралью параллельной передачи информации и является
ведущим устройством, способным инициировать работу других ве-
домых или вед у ще-ведомых устройств, подключаемых к межмашин-
217
Рнс. H.l. Структурная схема ПМВ01
ной магистрали. Ведуще-ведомые устройства имеют в своем составе
двухпортовую оперативную память для связи по запросу ведущего
устройства.
Спецпроцессор расширения математических функций ПСВ01
выполнен на основе быстродействующего микропроцессорного на-
бора серии К589 с микропрограммным управлением.
Основные технические характеристики спецпроцессора
Ра<1 ядность данных с фиксированной запятой . . . . 10 и 32 (без знака и
со знаком в дополни гель
ном коде)
Ра «рядность данных с плавающей запятой ......	32
Общее число операций...............................  16	(5 — с фиксированной
запятой, II — с плава-
ющей)
Время выполнения простой операции (умножение с <]ик-
енрованной запятой), мкс ........................... 15
Время выполнения сложной операции (извлечение ква-
дратного корня с плаваюшеп запятой), мкс............ 205
Емкость памяти микрокоманд, 32-разрядных слов. . .	1024
Спецпроцессор ПСВ01 подключается к межмашинной магистрали
и является ведомым по отношению к центральному процессорному
устройству.
Операнды и коды операций передаются к спецпроцессору по ко-
мандам центрального процессора через межмашинную магистраль
Плата расширения памяти и средств ввода-вывода М ВО 1 по струк-
туре близка к плате микроЭВМ ПМВ01, ио не содержит процессор-
ного элемента.
218
Основные характеристики МВ01
Ьсративиое ЗУ, К байт .........................
Kiпоя и ное ЗУ, К байт.........................
раоаллельный интерфейс, линий..................
рследовательиый интерфейс с синхронным или асии-
х ройным режимами, линий ........................
Контроллер невекторных прерываний, число уровней . .
Программируемый таймер, число частот импульсов . .
Интервальный таймер, мс ..........................
16
До 16 (4, 8, 16)
48 (6X8 — разрядных
порта)
4 (после коммутации)
8 (с режимом опроса)
8
1
Плата расширения МВ01 подключается через межмашинную ма-
гистраль. Все запросы прерываний могут передаваться независимо
на магистраль или поступают по единой линии прерывания.
Плата МВ01 является ведомой по отношению к центральному
процессору.
Интерфейс внешних устройств выполнен в виде адаптера ввода-вы-
вода ИВВ01, обеспечивающего последовательную передачу информа-
ции от микроЭВМ ПМВ01 или платы расширения МВ01 через их соот-
ветствующие последовательные интерфейсы к внешним устройствам
типа магнитофон, телетайп, дисплей. Адаптер гальванически раз-
вязан от микроЭВМ.
Основные технические характеристики адаптера
Число каналов связи (телетайп, дисплей, магнитофон). ...	3
Режим обмена........................... ................. Последователь-
ный, асинхронный
Единица обмена, байт..................................... 1
Скорость обмена, бод.
с телетайпом.................................................. 110
с дисплеем................................................   1200
с магнитофоном.............................................. 1200
Максимальное удаление от микроЭВМ, км............................ 1
В адаптере имеются передатчики и приемники данных от микро-
ЭВМ и внешних устройств, усилителя мощности для сигналов на
внешние устройства, усилители сигналов от внешних устройств,
генератор частот, модулятор и демодулятор.
Интерфейсы УСО включают разнообразные устройства ввода-
вывода аналоговых, двухпозиционных, время-импульсиых, частот-
ных сигналов, а также средства обработки информационных сигна-
лов по заданным программам. Интерфейсы выполнены в виде отдель-
ных печатных плат. Имеется возможность формирования магистрали
УСО, к которой с помощью устройств расширения можно подклю-
чить дополнительные объекты. Разработано несколько типов интер-
фейсных модулей, осуществляющих:
простое преобразование сигналов;
преобразование сигналов с нормализацией;
преобразование сигналов с предварительной обработкой.
Печатные платы ввода-вывода аналоговых сигналов АВВ01,
АВВ02, ВА01 и АВ02 сочетают модули простого преобразования и
преобразования с нормализацией. Их характеристики приведены
в табл. 8.2.
219
Таблиц» 8 j
Модуль	Число каналов		Время преобра- зования, мкс		Погрешность преобразо- вания. %		Дн.п.зон сигналов. В		Гальва. инвеста, развязка вход. ВЫХОД
	ввода	вы- вода					на входе	на вы- ходе	
	АЦП	ЦАП	АЦП	ЦАП	АЦП	ЦАП.	АЦП	ЦАП	
Ввода- вывода ABB0I	32 (16 диф- фереи- цналь- иых)	2	170	20	0.3	0,2	±5	0-5 0-10 ±5 ±10	—
Ввода- вывода АВВ02	32 (16 диф- ферен- циал ь- ных)	2	170	20	о.з	0,2	±5	0-5 0-10 ±5 ±10	+
Вывода ВА01	—	8	—	20	—	0.2	—	±5 ±10 0-5 0-10	+
Ввода А ВО?	4	—	100 мс	—	0.3	—	±0.1	—	+
Таблица 83
МиД> ль	Число двухпози- цнонных каналов		Гальвани- ческая развязка	Программное распреде- ление каналов	Емкость ПЗУ. К байт
	ввода	вывода			
Ввода-вывода ЦВВ01	32	16	Оптрониая	Есть	—
Ввода-вывода ЦВВОЗ	До 72	До 72			До 8
	Время-импульс- иых, временных н частотных до 12				До 8
Печатные платы ввода-вывода дискретных сигналов ЦВВ01 и
ЦВВОЗ обеспечивают связь микроЭВМ с обьектами, оперирующими
двухпозиционными, время-импульсными н частотными сигналами
Обеспечена возможность инициативного ввода сигналов через меж-
машинную магистраль и контороллер прерываний УВК.
Характеристики устройства ЦВВ01 и ЦВВОЗ приведены в табл .8.3.
Предварительная обработка аналоговых и дискретных сигналов
с коррекцией погрешностей, цифровым интегрированием, фильт-
220
рацией и т. п. осуществляется микроконтроллерами ПАВ01 иПВВ01.
Микроконтроллер ПАВ01 предназначен для ввода и обработки по
16 каналам аналоговых сигналов постоянного тока с диапазонами
±0,1-5-±Ю В и ±5н-±10МЛ ±1 В (погрешность 0,1 %) и перемен-
рого тока о диапазоном 0,1; 0,1; 10 В (погрешность 1 °о). Обработка
сигналов в основном связана с коррекцией погрешности преобразо-
вания.
[ Микроконтроллер ПВВ01 обеспечивает инициативный прием по
48 каналам двухпозиционных сигналов релейного типа с фильтра-
цией помех, возникающих при переключениях контактов реле.
Программные средства. Общее программное обеспечение (ПО)
МС У ВТ В7 состоит из резидентного, кроссового и вспомогательного
ПО. По составу аппаратуры резидентное ПО используется в УВК,
имеющем микроЭВМ В7, пишущую машинку типа «Консул», перфо-
ленточное устройство, кассетный магнитофон. Для отладки необхо-
димы также осциллограф и логический анализатор. Кроссовое про-
граммное обеспечение разработано для использования совместно
с ЕС ЭВМ, однако легко переносится и на другие ЭВМ благодаря
применению языка програмирования ФОРТРАН. Вспомогательное
ПО требует прототипа МС УВК В7 с полным набором внешних уст-
ройств: гибких дисков, быстрых печатающих устройств, дисплеев,
кассетных магнитофонов, программаторов ППЗУ, внутрисхемных
эмуляторов.
Резидентное программное обеспечение выполняет следующие
функции:
управление функционированием УВК;
ввод-вывод информации и ее изменение при подготовке программ;
трансляция программ с языка низкого уровня в машинные коды;
обслуживание тестового контроля, дистанционной магистрали,
файловых систем;
управление программаторами ППЗУ;
управление графическими средствами отображения информации.
Кроссовое программное обеспечение имеет кросс-трансляторы о
' языков программирования ассемблер и ПЛ/М. Отладка программ ве-
дется с помощью кросс-интерпретатора. Кроссовые средства рабо-
тают на базе операционных систем ОС и ДОС ЕС ЭВМ.
В состав вспомогательного программного обеспечения входят
следующие компоненты:
дисковая операционная система;
редакторы текстов и внешних связей;
транслятор с макроассемблера, компиляторы для языков ПЛ/М и
ФОРТРАН;
перемещающий загрузчик;
внутрисхемный эмулятор;
программатор ППЗУ.
Управляющий вычислительный комплекс на базе агрегатного
комплекса КТС-ЛИУС-2. Агрегатный комплекс КТС-ЛИУС-2 пред-
назначен для использования в различных системах управления
технологическим оборудованием и процессами. Его можно приме-
221
Ряс. 8.3. Комплекс КТС-ЛМУС-2
нить в качестве автономного управляюще-вычислительного устрой
ства, располагаемого на локальных уровнях иерархических и
распределенных систем. Но наиболее эффективно применение
КТС-ЛИУС-2 в качестве активного средства связи (УСО) управляю
щих вычислительных комплексов на базе микро- и мини-ЭВМ
с технологическими объектами.
Благодаря собственным микроконтроллерным устройствам актив
ное УСО значительно повышает гибкость управления.
Аппаратные средства построены по агрегатно-модульному прин
ннпу и включают: процессорные элементы, запоминающие и внеш-
ние устройства, интерфейсы обмена с внешними устройствами, интер
фейсы УСО, специализированные средства программного и логи-
ческого управления.
Внешний вид комплекса КТС-ЛИУС-2 показан на рис. 8.3
Структура локального блока агрегатного комплекса КТС-ЛИУС-2
показана на рис. 8.4 Ее характерная особенность — наличие внутри
блочной и межблочной асинхронных параллельных интерфейс-
ных магистралей. К межблочной магистрали можно подключить
до 7 подобных локальных блоков.
Процессорные элементы выполнены на базе микропроцессор-
ного набора серии К580 с характеристиками, подобными рассмот
ренным в УВК СМ-1800 и МС УВТ В7. Благодаря межблочному
объединению общая емкость адресуемой памяти достигает 224 К
байт. Максимальное число регистров ввода-вывода внутри блока —
256 256, а на межблочном уровне — 1024 1024.
К периферийным устройствам КТС-ЛИУС-2 относится набор
устройств из номенклатуры СМ ЭВМ и ряд специализированных уст-
ройств внешней памяти:
накопитель на компактных магнитных кассетах;
222
Рис. в.4. Структурная схема локального блока КТС-ЛИУС-2:
КЛС — контроллер линейной связи бнт-параллельный; МК — микропроцессорный кон-
троллер; ОП — оперативное запоминающее устройство; ПЗУ — программируемое и пере-
программируемое постоянное запоминающее устройство: Т — таймер; ЛК — логический
контроллер; А — адаптер виутриблочной магистрали; ИАПД — интерфейс с аппаратурой
передачи данных: ВУ — интерфейсы к внешним устройствам; УСО — интерфейсы УСО:
КСР — контроллер радиальной связи; КОШ — контроллер связи с СМ — ЭВМ; К МЭК —
контроллер связи с приборным интерфейсом типа 1ЕЕЕ-488 (МЭК); КСП — контроллер
последовательного интерфейса
перфоленточные накопители;
сменные элементы программируемой и перепрограммируемой
памяти, поставляемые по заказу пользователя в дополнение к рези-
дентной памяти;
устройств ввода-вывода информации:
перфоратор и считыватель с перфолент;
программатор ПЗУ;
программатор перепрограммируемого ПЗУ;
алфитно-цифровыс видеотерминалы;
псевдографические черно-белые и цветные телевизионные мони-
торы;
пульты управления, средства отображения и индикации, уст-
ройства ручного ввода информации, станции управления;
алфавитно-цифровые печатающие устройства.
Благодаря агрегатно-модульному построению КТС-ЛИУС-2 можно
компоновать разнообразной периферийной аппаратурой и создавать
рассредоточенные информацнонпо-управляющие системы с переда-
чей данных на удаленные станции обработки или вычислительные
комплексы. Для связи модулей комплекса между собой и с внешней
аппаратурой предусмотрены несколько типов интерфейса;
223
интерфейс внутриблочный паралельный ИК1, с помощью которого
связаны вдвижные платы локальных блоков, и интерфейсы внешних
устройств, расположенные на расстоянии до 0,75 м; максимальное
число подключаемых систем до 60;
устройство связи КТС-ЛПУС-2 с вычислительными машинами
СМ ЭВМ, имеющими интерфейс типа «Общая шина>;
устройство связи с микроЭВМ «Электрон и ка-60>;
интерфейсные карты для межблочнной или внутрисистемной
связи радиального типа, обычно применяемые при малом числе объе-
диняемых комплексов (1—2);
интерфейс с аппаратурой передачи данных по коммутируемым
телефонным каналам на стыках С2 и СЗ или через усилители КТС-
ЛИУС-2; единицей обмена служит байт, минимальная длительность
цикла обмена — 1 мкс; адресуемое пространство 64 К бант;
интерфейс межблочный, параллельный ИК1, служащий для
объединения нескольких локальных блоков между собой на рассто-
янии до 10 м; имеет аналогичные внутрнблочному интерфейсу ха-
рактеристики, но адресное поле соответственно расширяется при
подключении максимального количества локальных блоков до 224 К
ба йт;
интерфейс внутрисистемный, последовательный ИКЗ предназ-
начен для удаленного подключения КТС-ЛИУС-2 к вычислительным
системам или рассредоточенным устройствам агрегатного комплекса
по коаксиальному кабелю; удаление устройств —до 3 км, скорость
обмена — до 500 К бит/с.
Наибольшее внимание прн разработке КТС-ЛИУС-2 уделено
интерфейсам УСО, обеспечивающим связь агрегатного комплекса
с разнообразными измеряемыми или управляемыми технологиче-
скими объектами.
Интерфейс УСО включает
модули ввода-вывода непрерывных сигналов (постоянного тока
и напряжения, частотных, время- и фазо-нмнульспых);
модули ввода-вывода дискретных сигналов (позиционных, число-
импульсных, кодированных);
устройства преобразования, нормализации, гальванического раз-
деления цепей, усилители мощности;
интерфейс приборный по международному стандарту IEEE 488
(МЭК), принятому в нашей стране для агрегазных средств электро
измерительной техники (АСЭТ).
Характеристики сигналов, передаваемых по интерфейсам УСО,
приведены в табл. 8.4. К специализированным средствам програм-
много управления относятся однобитовые контроллеры, расшнри
тели, локальные регуляторы, станции управления, а также инди-
каторы: сигнальное табло, мнемосхемы, задатчики сигналов.
Минимальной конструктивной единицей является вгвнжная пе-
чатная плата размером 235 X 160 мм (близкими к стандарту МЭК —
ТК 48Д (с) 12 233, 35 X 160 мм! Применяются также платы умень
шейного размера: 155 х 160 и 155 х 100 мм. Из 23 вдвижных пе-
чатных плат образуется локальный блок, или каркас, обеспеченный
224
Таблица 84
Характер сиги лов •	Тнп сигналов			
	входи ые		выходные	
	непрерывные	дискретные	непрерывные	дискреты ыс
Постоянного тока и на- пряжения: низкие	± 10ч-± 100 мВ			
средине	±5ч-±20 мА ±10 В		'(О 10 в До 20 мА	
высокие			До 20 А; 0—220 В	
Частотные, кГц	0-8 4—8		0—8 4—8	
От импульсных датчиков	0—100 кГц			
От реостатных датчиков	0—500 Ом			
Изменения длительности импульсов	От 0,004 с до 24 ч		От 0,065 с до 18,2 ч	
Позиционные сигналы: переменного тока		127 В; 50 Гц		24—220 В
постоянного тока		110-220 В 0-2,4 В; 0—4.8 В		30; 48 В
Кодированные: параллельный код (раз- рядность)		8-32		8—32
число импульсов — по- следовательный код		21*—1; 10 кГц		2»—1 2“-1 10 кГц
8 П/Р Ч. М. Макарова
225
внутриблочной интерфейсной магистралью ИК1. Основные стацио-
нарные конструкции (столы, подставки, шкафы и стойки) состоят
из нескольких локальных блоков-каркасов, объединенных межблоч-
ной интерфейсной магистралью. Только конструкции в виде настен-
ных или встраиваемых кожухов имеют от 3 до 7 печатных плат,
а не 23, как в каркасе, поскольку в ряде применений достаточно
иметь ограниченный состав плат.
Программные средства состоят из резидентного и кроссового
обеспечения. Предусмотрена возможность модульного построения
общего программного обеспечения, что позволяет создавать его
в два этапа. На первом этапе проводится неавтоматизированная
разработка стандартных подпрограмм — модулей, многократно ис-
пользуемых затем в различных программах. На втором этапе про-
граммные модули собираются в библиотеку. В этом случае к ним
применены средства автоматизированной сборки и компоновки.
Резидентное программное обеспечение в полном объеме может
функционировать лишь на специальных комплексах программирова-
ния, включающих локальный блок агрегатной системы КТС-ЛИУС-2
с объемом оперативной памяти не менее 16 К байт и внешние уст-
ройства — АЦПУ матричного типа, перфоратор и перфосчитыва-
тель, телевизионный алфавитно-цифровой индикатор, пульт управ-
ления с символьной клавиатурой, кассетный накопитель на магнит-
ной ленте, панель контроля и отладки.
Функции и состав резидентного программного обеспечения
КТС-ЛИУС-2 приведены в табл. 8.5
Разработка относительно простых программ ведется преимущест-
венно на языке ассемблера, что вызвано необходимостью экономно
использовать память системы и оправдано в условиях широкого
тиражирования самих комплексов и их программ. Для сложных
программ используют яоык программирования высокого уровня
ПЛ М. Элементы автоматизированного проектирования программ
реализуются в рамках операционной системы ОСПР.
Таблица 8.5
Ф)ыкии11 РПО	Состав РПО
Управление комплексом	Системный монитор Операционная система для программирования Операционная система реального времени
Ввод-вывод и изменение инфор- мации	Редактор текстов
Трансляция программ	Транслятор с языка ассемблера Транслятор с ПЛ/М
Обслуживание	Тест-программы
226
Таблица 86
Функции КПО	Сотт»» КПО	Кросс ЭВМ	Поддержива- ющее прогрей* ос обеспечен челне (ПО)
Трансляция про- грамм В машин- ные коды	Кросс-ассемблер (М-6000)	М-6000 (комплект 0)	Абсолютный загрузчик
	Кросс-ассемблер (СМ ЭВМ)	М-7000; СМ-2 (с дисками)	ДОС АСПО
	Кросс-макрогенератор (СМ ЭВМ)	М-7000; СМ-1, СМ-2 (с дисками)	ДОС АСП
	Кросс-ассемблер (ЕС ЭВМ)	ЕС-1022	ДОС ЕС
Отладка программ	Кросс-компнлятор (ЕС ЭВМ)	ЕС-1022	ДОС ЕС
	Кросс-симулятор (М-6000)	M-6W0 (комплект 0)	Абсс л устный загрузчик
	Кросс-инт рпретатор (ЕС ЭВМ)	ЕС-1022	ДОС ЕС
Кроссовое программное обеспечение (КПО) КТС-ЛИУС-2 раз-
рабатывается достаточно длительное время, поэтому оно было перво-
начально ориентировано на малые вычислите.’’ьные машины пред-
шествующих поколении: М-6000, М-7000, СМ-1, СМ-2, а также ма-
шины типа ЕС-1022. С появлением новых моделей, особенно СМ ЭВМ,
возникла необходимость развития кроссового программного обес-
печения для работы его в условиях модифицированной аппаратуры
и новых операционных систем.
Основные функции и состав кроссового программного обеспе-
чения КТС-ЛИУС-2 приведены в табл. 8.6.
8.6.	Модели УВК на базе 16-разрядиых микроЭВМ
Рассмотрим две модели 16-разрядных УВК — «Мера-60» и «Ми-
крон-2000». В первой модели в качестве процессора использована ши-
роко распространенная в нашей стране микроЭВМ «Электроника-60».
Модель «Микрон-2000» интересна тем, что имеет в качестве централь-
ного процессора широко применяемый микропроцессор. 1-8086,
разработанный фирмой «Интел» (Intel, США).
Управляющий вычислительный комплекс «Мера-60» (рис. 8.5)
изготовляется в ПНР на предприятии «Мера—Штер». Он предназ-
начен для создания быстроналаживаемых и легко перестраиваемых
систем автоматизированного сбора данных от внешних устройств,
обработки данных и выдачи управляющих сигналов.
8’	227
Рие. а.В. Комплеже <Мера-еОа
УВК «Мера-60» могут слу-
жить для автоматизации на-
учных исследований, работы
в составе испытательного
и контрольно-измерительного
оборудования, управления
сложным оборудованием,
в том числе и для управления
роботами в лабораторных
условиях.
I Аппаратные средства.
УВК «Мера-60» конструк-
тивно выполняется в стойке,
где располагаются: шасси
микроЭВМ «Электроннка-60»,
два накопителя на гибких
магнитных дисках, перфора-
тор и перфосчитыватель,
крейт КАМАК.
Вне стойки размещаются
видеотерминал и алфавитно-
цифровое печатающее устрой-
ство (АЦПУ) DZM 180
МикроЭВМ «Электроника-60» построена по модульному прин-
ципу. В шасси микроЭВМ располагаются платы: 16-разрядного
процессора М2 с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ)
4 К байт 16-разрядных слов, ОЗУ 16К 16-разрядных слов, контро-
ллера накопителей на гибком магнитном диске МДЭ 60. конт-
роллера перфоратора и перфосчитывателя МЛП 60Б, модуля
связи с крейтом КАМАК МЦМ 60, контроллера видотерминала
МД К 60-1, контроллера АЦПУ МЛП бОАс, аппаратного загруз-
чика МПБ 60.
Информационный обмен между модулями внутри микроЭВМ
«Электроника-60» осуществляется по единому каналу обмена, который
физически представляет собой 72 линии для передачи данных,
адресов, управляющих сигналов, цепей электропитания и резер-
вных линий.
Связь с внешними объектами может осуществляться через мо-
дули крейта КАМАК. Возможен также информационный обмен
через платы последовательного (И1, ИЗ) или параллельного (И2)
интерфейса, которые могут устанавливаться в свободные позиции
внутри микроЭВМ (платы И1—ИЗ в комплект ИВ К «Мера-60»
не входят).
Центральный процессор М2 является 16-разрядным процессо-
ром, работающим в двоичной системе счисления.
228
Основные технические характеристики процессора
Система команд..................................бс адресная, одноадресная,
двухадресная
Виды адресации . ...............................уегипуад я, косвенпо-регнетро-
гяя. ав1оиикрс.ме|пная, кос-
венно-автоинкрементная, авто-
декре' пная, косвенно-декре-
ментная, индексная, косвенно-
Чнсло регистров о  ю на  ч<  я..............
Число каналов п< i .	- и.............
ЧИСЛО уровней 	• Г BHel Ч|’М|> ’СТ[ 1Й-
ствами.......................................
Число уровней запроса капала, на которых воз-
можно прерывание программы....................
нндс > пая
8
I
3
2 (в том чнел, одни уровень
3j । 'оса от л<..м<| с иостояи-
Чнсло команд.................................
Число двухадресных команд....................
Число команд расширенной арн',метики (РА) . ,
Емкость ОЗУ на план М2 ......................
Время обращения к ОЗУ, нс ...................
Длительность цикла рабл-ы ОЗУ, мкс...........
Время выполнения дичча’^есных ком.ид типа
*Сло . ше» при |«п <Т|Сом методе адресации,
мкс........................................
Вр<мя г.-польи.пч очне; сных кс* лид типа
«Оч . । •» при косвенно-pi 1 нстрс см хи юдс адре-
сации, м с...................................
Время выполнения и • .чтд типа «Сложсгне» с пла-
вающе,. запито .. мт.........................
Время выполнения команд тина «Умножение»
с плавающей запятой, мкс.....................
ныы адресом тпктора преры-
вания)
81
8
4
4К (1(-разрядных) слов
II. бс.не ~00
Не боле< 2.4
7,6
Не более 218
Не более 360
4
К внешним устройствам УВК «Мера-60» относятся:
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), в которых
использованы стандартные диски диаметром 203 мм; на одном диске
размещается 256 К байт данных; накопители соединяются с единым
каналом информационного обмена «Электроника-60» при помощи
специального контроллера МДЭ 60;
перфоратор и перфосчитыватель СМ-6204, могут работать с бумаж-
ными лентами, имеющими пять и восемь информационных дорожек;
видеотерминал СМ-7209;
алфавитно-цифровое печатающее устроства DZM-180, макси-
мальная скорость печатания составляет 180 знаков в секунду; для
связи с мнкроЭВМ используется контроллер МЛП 60А;
крейт КАМАК является основным устройством для организа-
ции информационных связей с внешними объектами; контроллер
связи с крейтом МЦП 60 выполнен таким образом, что ряд старших
адресов микроЭВМ «Эл> t троника-60» зарезервированы за регистра-
ми крейта; большое разнообразие модулей, выполненных в стан-
дарте КАМАК (таких как АЦП, ЦАП, релейные модули, модули свя-
ви с телемониторами, магнитофонами, модулями ОЗУ, мнкроЭВМ
229
и др.), позволяет быстро строить необходимые управляющие си-
стемы.
Программные средства. В распоряжении пользователя имеется
операционная система реального времени RT-60, которая представ-
ляет собой модифицированную операционную систему RT-1I.
В состав RT-60 входят две управляющие программы (мониторы);
однозадачный монитор SJ (занимает 8К слов ОЗУ) монитор двух
вадач FB.
При работе с монитором FB одна из задач имеет более высокий
приоритет. Когда прерывается выполнение первостепенной аадачи,
управление передается второй задаче.
Оба монитора совместимы. Благодаря наличию монитора FB
можно одновременно осуществлять компиляцию программ, написан-
ных на языках высокого уровня (ФОРТРАН, БЕЙСИК и др.), и на
переднем плане производить сбор и анализ данных от внешних уст-
ройств.
Мониторы осуществляют также: доступ к системным програм-
мам и программам пользователей, функции ввода-вывода, управ-
ление первостепенными и второстепенными задачами (монитор FB).
В RT-60 можно сгруппировать вместе, в качестве файла, комп-
лекс команд для последовательной обработки данных. Этот файл назы-
вают файлом промежуточных команд. Таким же образом могут приме-
няться последовательности команд, которые часто используются.
Компоненты программного обеспечения операционной системы
RT-60 включают:
монитор для управления и контроля системы, создания файлов,
библиотек, модификации драйверов устройств, развития програм-
много обеспечения, запуска программ;
редактор текста (EDJT) для создания и модификации исходных
файлов на языке макроассемблера или ФОРТРАН
программу обмена между внешними устройствами (PIP), для
передачи файлов или их частей между устройствами системы;
программу обслуживания файлов (DUP);
программу вывода каталогов (DIR)
транслятор с языка ассемблера (макроассемблера MACRO);
компоновщик (LINK), осуществляющий конверсию файла объек-
тных модулей в загрузочный файл; поиск и присоединение библио-
течных файлов; формирование карты загрузки; разделение больших
программ на загружаемые модули; создание файлов для исполнения
с высоким приоритетом;
библиотечная программа (LIBR) для загрузки и хранения биб-
лиотеки файлов и процедур;
программу печати для проверки частей файла (DUMP) в виде
восмеричных слов, восмеричных байтов, знаков ASCII или RADI Х-50;
программу сравнения исходных файлов (SRCCOM) в коде ASCII;
программу помощи пользователю при поиске и устранении ошибок
в программах после компиляции и связывания (ODT) с распечаты-
ванием и изменением содержимого, выполнением программы или
ее частей, пошаговым проходом программы;
£30
программу внесения небольших изменений (PATCH) в формате
изображения памяти;
программу внесения изменении в объективных файлах (РАТ)
после компиляции.
Операционная система RT-60 обладает двумя системными библио-
теками:
программных запросов и макроопределений SYSMAC, SML,
в которой макроопределения позволяют использовать различные
свойства подпрограмм, мониторов SJ и FB;
фортрановских программ SYSLIB, OBJ. Обе библиотеки должны
находиться на системном устройстве.
В составе RT-60 в настоящее время имеются транслятор с языка
ассемблера и компиляторы с языков высокого уровня ФОРТРАН
и БЕЙСИК.
Ассемблер MACRO — двухпроходный транслятор с языка ас-
семблера микроЭВМ «Электроника-60>. Занимает около 10 К слов
ОЗУ. Эго машинно-ориентированный язык, который позволяет со-
здавать оптимальные программы, что особенно важно для микроЭВМ
с ограниченными ресурсами.
В язык введены возможности написания многоуровневых макро-
команд, условная трансляция, рекуррентные обращения. При на-
писании программ можно пользоваться системной библиотекой.
Ассемблер MACRO обеспечивает:
перемещаемый объектный модуль;
глобальные символы для связывания объектных модулей;
спецификации устройств и файлов для входа и выхода;
системные макроопределения и макроопределения пользова-
теля;
директивы условной трансляции;
директивы секций программ;
управляющие функции трансляции;
алфавитную форматированную распечатку таблицы символов;
распечатку ошибок;
распечатку таблицы взаимных ссылок.
По сравнению со стандартной версией в язык ФОРТРАН-4
дополнительно включены:
массивы, имеющие размерность не более 7;
условная компиляция;
свободный формат ввода с терминала;
дополнительные инструкции ввода-вывода;
логические операции с целочисленными переменными;
дополнительные типы данных.
Для выполнения программ, программисту предоставляются сле-
дующие файлы:
FORTRAN. SAV — компилятор с языка ФОРТРАН-4;
FORLIB. OBJ—системная библиотека ФОРТРАНа;
SYSLIB. OBJ—системная библиотека, которая обеспечивает
использование свойств системного монитора, операции с различными
данными (логические, текстовые и др.).
231
Рнс. 8.*. Комплекс «Мя«рои-2000>
В составе RT-60 имеются компилятор с языка БЕЙСИК и интер-
претатор БЕЙСИК, который позволяет пользоваться микроЭВМ
как калькулятором в непосредственном режиме.
Управляющий вычислительный комплекс «Микрон-2000»
(рис. 8.6) Изготовитель УВК—фирма «Микрон» (Мусгоп, Норвегия).
Система «Микрон-2000» может использоваться в качестве управ-
ляюще-информационного вычислительного комплекса высокой про-
изводительности. Благодаря наличию аппаратных и программных
средств, позволяющих производить обработку информации несколь-
кими процессорами в рамках одного устройства, возможно существен-
ное ускорение времени обработки информации.
Фирма «Микрон» большое внимание уделяет средствам сетевой
обработки информации, возможно создание сетевых структур на
базе микроЭВМ «Микрон-2000» благодаря наличию протоколов связи
с ЭВМ фирм ИБМ, «Хониуэл Билл» (Honeywell Bill, США) и др.
МикроЭВМ «Мнкрон-2000» находят широкое применение в систе-
мах автоматизации сложных объектов для создания автоматизи-
рованных банков данных и построения автоматизированных рабочих
мест проектирования.
Аппаратные средства. Конструктивно микроЭВМ «Микрон-2000»
выполняют трех видов:
в виде стойки на 18 позиций для плат с блоком питания и с мес-
тами для размещения накопителей на гибких магнитных дисках
(НГМД, емкостью 1 М байт), на фиксированных дисках типа «Вин-
честер» емкостью 10, 20 или 40 М байт или на компакт-кассетах;
232
в виде тумбы на восемь позиций для плат с блоком питания и
тремя местами для накопителей НГМД, «Винчестер» или на ком-
пакт-кассетах;
в виде шасси с блоком питания, которое может быть располо-
жено под видеотерминалом с позициями для трех плат, одного НГМД
и одного накопителя типа «Винчестер» емкостью 20 М байт.
Процессор, ОЗУ, АЦП ни ЦАП выполняются на платах разме-
ром 233,4 X 220 мм (двойной европейский стандарт) и имеют выход
на общую шину высокого уровня (High Lexel Bus).
Фирма «Микрон» предтагает пользователям процессоры DIM-2001
и DIM-2003 (на базе МП 1-8086, 1-8087).
DIM-2001 выполнен на плате, которая имеет три разъема (два
с одной стороны и один с другой) и выходит на шину высокого уровня
и на локальную шину (Local Bus). Шина высокого уровня проходит
около задней стенки микроЭВМ и включает восемь линий данных
и столько же линий для адресов устройств, а также пять управляю-
щих линий. Таким образом, теоретически на шине можно одновремен-
но расположить 2е = 256 модулей — арифметические процессоры,
коммуникационные процессоры и другие устройства.
Скорость передачи данных по шине составляет около 0,2 М байт/с,
а период сканирования адреса устройства около 200 нс.
На плате DIM-2001 расположены:
микропроцессор 1-8086 ............................................... I
влектрически программируемое ПЗУ 8 К байт с программой системного
монитора ........................................................... 1
ОЗУ 128 К байт......................................................   1
схемы управления шиной высокого уровня;
независимые счетчики — таймеры......................................   4
схемы обработки прерываний (8 уровней);
каналы параллельного ввода-вывода с процедурой «рукопожатиях (8 бит) 2
каналы последовательного синхронного или асинхронного ввода-вывода,
которые подготовлены для организации приема-передачи информации
в соответствии со стандартами RS-232C................................. 6
регистр общего назначения (8 бит) ................................... I
информационные светодиоды............................................ 10
контроллер накопителей на гибких магнитных дисках ................... 1
контроллер прямого доступа к памяти................................. I
Микропроцессор 1-8086 выполнен по n-канальной технологии
(HMOS) на кристалле кремния, который заключен в керамической
корпус с 40 выводами.
Основные технические характеристики микропроцессора 1-8086
тактовая частота, МГц................................................... 5
адресация, байты...................................................16-бнтиые
слова
минимальный размер сегментов для наращивания ОЗУ, Кбайт................ 128
число регистров (16 бит)............................................... 14
число режимов адресации к операндам.................................... 24
аппаратное умножение и деление	—
Быстрый арифметический процессор DIM-2003 в целом повторяет
процессор DIM-2001 за исключением центрального процессорного
элемента, где используется комбинация элементов 1-8086 и 1-8087
расширителя арифметики. При этом сохраняются все команды, ко-
233
торые присущи микропроцессору 1-8086 и достигается програм-
мная совместимость с программами для DIM-2001 но арифметичес-
кие процедуры экспонирования и логарифмирования могут выпол-
няться аппаратно на 1-8087
Микропроцессор 1-8087 позволяет обрабатывать восемь различ-
ных типов данных:
целочисленные переменные для 8, 16, 32, 64 бит;
вещественные переменные с плавающей точкой длиной 32, 64 бит,
переменные двоично-десятичиого представления длиной 18 бит;
Микропроцессор 1-8087 содержит стек из восьми 80-бнтных слов,
выполняет семь встроенных функций. Все это позволяет примерно
в 100 раз повысить производительность процессора при работе с про-
граммами, в которых производится большое число арифметических
операций.
Оперативное запоминающее устройство D1M-2010 может иметь
от 128 до 512 К байт памяти с шагом 128 байт в зависимости от числа
микросхем, которые располагаются на плате. Каждое слово может
иметь длину 16 или 18 бит и располагает дополнительно 5 битами
проверки, что позволяет исправлять ошибки, если они возникают
только в одном бите, и обнаруживать ошибку, если она возникает
в 2 битах. Исправления омуществляются аппаратно, и микросхемы
располагаются на той же плате ОЗУ.
С процессором ОЗУ стыкуется при помощи «локальной шины»,
которая включает адресною шину, шину данных и управляющие
шины Конструктивно шина представляет собой отдельный кабель
с разъемами и размещается с противоположной стороны от разъемов
стыковки с «шиной высокого уровня». При использовании платы
D1M-20I0 емкостью 512 К байт вместе с ОЗУ 128 К байт, которые
устанавливаются на плате процессора, система имеет ОЗУ емкостью
640 К байт.
Интерфейсный процессор DIM-2032 для связй с накопителями
большой емкости расширяет возможности системы. Эта плата раз-
гружает центральный процессор системы от функций ввода-вывода.
Интерфейсный процессор выполнен на базе микропроцессора 1-8086-2
(тактовая частота 8 МГц). На плате размещено 16 или 32 К байт
электрически программируемого ПЗУ и 128 К байт ОЗУ. ОЗУ яв-
ляется двухвходовым; один порт выходит на процессор 1-8086-2,
другой — на «локальную шину», по которой коммуникационный про-
цессор DIM-2032 может связываться с арифметическим процессором.
Интерфейсный процессор имеет восемь уровней векторных пре-
рываний и четыре независимых канала прямого доступа к памяти.
К DIM-2032 могут быть подключены дополнительные диски, нако-
пители на магнитной ленте, НГМД, другие устройства.
Коммуникационный процессор DIM-2002 служит для расширения
возможностей системы и подключения дополнительных периферий-
ных устройств.
На плате располагаются микропроцессор 1-8086, микропроцес-
сор ввода-вывода 1-8089, ОЗУ емкостью 128 К байт и электрически
перепрограммируемое ПЗУ емкостью 16 К байт.
234
Коммуникационный процессор обеспечивает связь с 8 внешними
устройствами в стандарте RS-232 или RS-422 при скорости информа-
ционного обмена до 9600 бод.
Плата аналогового ввода-вывода DIM-2045 имеет тако” же раз-
мер, как и все предыдущие (двойной европейский стандарт)
Основные технические характеристики аиатоговых входов
Число аналоговых входов ...	  16
Число разрядов .......................................................   12
Диапазон входных напряжений, В .....................................10	или 21
Токовые входы, м\.................................................. 0—20
Входное сопротивление, ГОм............................................. 100
Время АЦП преобразования, мкс......................................
Эффективный период преобразования, мкс................................. 62
Период быстрого преобразования с потерей точности, мкс............. 35
Основные технические характеристики аналоговых выходов
Число выходов............................................................ 4
Число разрядов.......................................................... 12
Уровень выходных	напряжений, В..........................................±10
Время преобразования,	мкс............................................... 5
Уровень выходных токов, мХ..............................................0—20
Плата цифрового ввода-вывода, DIM-2023 имеет по 24 цифро-
вых входа и выхода, а плата компараторов и счетчиков DIM-2025
8 входов компараторов и 8 входов счетчиков импульсов.
К периферийным устройствам относятся. 1. Видеотерминалы:
буквенно-цифровые типа TDV-2215 с возможностью знакоге-
нерации больших и малых, как латинских, так и русских букв;
графический типа VT-100 с разрешением 480 X 640 точек растра
и аппаратной схемой преобразования в растр с разрешением 780 х
X 1024 точек, что позволяет использовать пакеты программ для
графической обработки информации фирмы «Тектроникс (TEKTRO-
NIX, США). К видеотерминалу VT-I00 через специальную плату
можно подключить мозаичное печатающее устройство TI-825 для
распечатки содержимого экрана.
2.	Алфавитно-цифровые печатающие устройства:
мозаичной последовательной печати TI-825 фирмы «Тексас Ин-
струменте» (Texas Instruments, США);
последовательной печати с головкой типа «ромашка» DIABLO
фирмы «Ксерокс» (Xerox, США); допускает смену печатающей го-
ловки и распечатку текстов на латинском либо на русском языке;
десятицветный графопостроитель с рабочим полем 381 X 254 мм
WX-4633 фирмы «Ватанабе» (Watanabe, Япония). Работает как с ка-
пиллярными карандашами, так и со специальными фломастерами
и шариковыми карандашами. В устройстве управления рисующей
головкой запрограммирован целый набор типовых действий: пере-
мещение головки, вычерчивание отрезков прямых, окружностей,
дуг, прямоугольников, а также цифр и букв различных стандарт-
ных шрифтов. Связь с микроЭВМ осуществляется по линии после-
довательного интерфейса.
Программные средства. Основу программного обеспечения си-
стем составляет операционная система реального времени СР/М-86,
235
или ее многопользовательский вариант МР/М-86, которые первой-),
чально были созданы фирмой «Диджитал Рисерч» (Digital Research
США). Но программисты фирмы <Микрон» постоянно провот -т
модификацию операционных систем в соответствии с изменениями
аппаратной части систем.
Операционная система СР/М-86 базируется на системном мони-
торе MYCROP, который записан в электрически программируе ое
ПЗУ и занимает 256 байт. Монитор MYCROP инициализируется
после включения питания па плате процессора.
Возможности монитора MYCROP:
инициализация накопителей (НГМД, «Винчестер>);
загрузка программ и операционной системы с диска;
инициализация приемников-передатчиков при использовании нес-
кол> кнх процессоров на одной общей шине;
< брабогка стандартных прерываний (деление на ноль, перено i-
неннс и др.).
Операционная система реального времени СР/М-86 в основе пов-
торяет ОС СР/М-80, которая была написана для 8-битных микро-
процессоров (I 8080, 1-8088).
Цель разработки СР М-86 и МР/М-86 — создание такой ОС,
которая допускала бы преемственность программ для ОС СР/М-80
с небольшими изменениями и доработками, и в дальнейшем совмести-
мость с многозадачной операционной системой CP/NET-86.
Непосредственно с операционной системой работают следующие
программы-утилиты: распечатки каталога внешнего запоминающего
устройства, инициализации, распечатки программ, обмена инфор-
мацией между внешними запоминающими устройствами, удаления
файла
Файловая система SNOGG состоит из нескольких уровней, до-
ступных пользователю. На нижнем уровне расположена ОС СР/М-86
или МР/М-86.
Уровень записей представляет пользователю дополнительные
возможности по управлению записями на диск и их размещению
Можно записать на диск информационные массивы в любом порядке
и считывать нх в прямой или обратной последовательности млн после-
довательности физического расположения на диске Система поддер-
живает также временные файлы, которые могут быть удалены
либо обновлены. Записи могут иметь разную длину
Уровень индексов позволяет осуществлять обращение к записи
по ключам. Таблицы ключей организуется в виде двоичного дерева.
Каждый индекс определяет свой набор записей. Ключ можно раз-
местить в любом месте файла, что определяет набор записей без их
пересортировки на диске.
Система представляет целый набор сервисных возможностей по
организации файловых структур, обеспечивает многопользователь-
ский режим работы.
Система подготовки текстов МУТЕKST занимает около 100—120 К
байт ОЗУ. Эта система предоставляет целый ряд возможностей по
созданию текстовых файлов и работе с ними. Она работает в двух
236
режимах: экранного редактора, в котором можно создавать обыч-
ный МР/М файл (программу), и страничном, т. е. с текстом в виде
страниц, каждая из которых может быть записана на диск и считана
с диска. Ширина страницы может составлять 250 символов.
Система для создания баз данных 1NFO-2000 базируется на
файловой системе SNOGG и предоставляет пользователю допол-
нительные возможности по созданию таблиц, бланков, информаци-
онных массивов. Имеется версия системы INFO-2000 для работы
с базами данных на русском языке.
Для работы с языками программирования разработан пакет
программ, включающих:
загрузчик RUN. EXE
компилятор с языка Ассемблер (Макроассемблер) MASM. EXE;
редактор связей LINKER. ЕХЕ
библиотеку объектов модулей LIB. EXE
файл для формирования таблицы перекрестных ссылок (для от-
ладки программ на языке Ассемблер) CREF. ЕХЕ;
компилятор с языка ФОРТАН FORI. ЕХЕ
вторую фазу компиляции с языка ФОРТАН PAS2. ЕХЕ
компилятор с языка PASCAL PAS1. EXE
вторую фазу компиляции с языка PASCAL PAS2. EXE
Дл.я получения объектного кода в схеме быстрого аппаратного
арифметического расширителя (I = 8087) (только в случае исполь-
зования платы процессора D1M-2003) необходиомо использовать
другие модули компиляции, которые имеют то же назначение:
компилятор с языка КОБОЛ;
компилятор с языка BASIC: имеется также интерпретационный
вариант транслятора MBASIC. CMD, который очень удобен при
написании коротких программ. Он позволяет работать с ЭВМ как
с калькулятором. Объектный код можно сгенерировать из уже от-
лаженной с помощью интерпретационного транслятора программы,
для этого нужно перейти к использованию компилятора CBASIC.
CMD;
компилятор с языка PL/M-86 весьма удобен для системного про-
граммирования, так как в язык включены возможности работы с ре-
гистрами, флагами и другими устройствами, что обычно является
привилегией языка Ассемблер. В то же время это язык высокого
уровня с развитыми возможностями структурного программиро-
вания. Наличие эффективного оптимизирующего компилятора с языка
PL/M-86 позволяет многим пользователям разрабатывать эффектив-
ные системные программы. Несколько ограничивает применение
языка отсутствие аппарата вещественных переменных, однако в слу-
чае системного программирования это не имеет особого значения.
8.7. Управление роботами от УВК
В практике роботостроения чаще всего используют индивиду-
альные системы управления для каждой модели робота, или несколько
классов роботов объединяют и создают для них унифицированную
237
систему управления. С появлением промышленных УВК, имеющих
кроме центрального пооцессора широкий набор периферийных и
интерфейсных средств, развитые устройства связи с управляемыми
объектами, эффективное общесистемное и специализированное про-
граммное обеспечение, средства автоматизированной разработки
программ, создались условия для комплексной поставки систем уп-
равления роботами в соответствии с требованиями заказчика. Преи-
мущества такого способа создания «системы под ключ» очевидный
позволяют более рационально и оптимально решить многие аппаратно-
технические или программно-математические задачи по сравнению
со случаем полностью индивидуальной разработки роботостроиге-
лями микропроцессорной системы управления без использования
богатого опыта специализированных (в области разработки ЭВМ)
организаций. Этот путь находит в последнее время все большее рас-
пространение.
В перспективе микропроцессорные УВК будут иметь такие же
возможности, какими сейчас располагают средние и даже боль-
шие ЭВМ. Поэтому будет упрощаться решение задач управления
роаотами, оборудованием, и в то же время значительно повысятся
сервисные возможности программных средств УВК. Кроме того,
уж< сейчас начался процесс проектирования и «.оздания УВК,
пре тназначенных специально для робототехники
Ниже рассмотрен пример использования стандартных УВК для
решения задач роботизированной сборки.
Многоуровневая система группового управления сборочным ро-
бот<техническим комплексом. В настоящее время в связи с быстрым
ра итием гибкой технологии производства промышленной продук-
цгн задачи группового управления робототехническими средствами
и технологическим оборудованием, модульного программного обес
печения робототехнических систем, сопряжения управляющих вы-
числительных средств, роботов, вспомогательного и технологического
оборудования приобретают первостепенное значение. Рассмотрим
пример решения указанных задач с помощью сборочного робото-
технического комплекса. Функционально комплекс делится на от-
дельные подсистемы: сортировки, сборки, транспортную и моде-
лирующую. В состав подсистем сортировки и сборки входят уст-
ройства технического зрения.
Система управления комплексом построена по иерархическому
принципу и включает два уровня управления (рис. 8.7). Первый
(нижний) управляющий уровень УУ1, построенный на УВК типа
«Мера-60» и «Электроника-60», осуществляет управтенне подсисте-
мой, группой устройств подсистемы или одним нз ее функциональных
элементов. Сопряжение первого уровня управления УУ1 с техни-
ческими средствами комплекса организуется на базе УСО, выпол-
ненных в стандарте КАМАК, и специализированных платах ввода-
вывода, обеспечивающих опеделенную независимость системы уп-
равления от управляемых технических средств. На втором (верхнем)
уровне управления УУ2 реализуются собственно принципы группо-
вого управления, обеспечивающие согласованное функциониро-
вав
Рис. 8.7. Многоуровневав система группового управлении сборочный робототехинчесвим вомплевсом
239
ванне всех устройств и подсистем комплекса. Управляющий комп-
лекс СМ-4 второго уровня УУ2 укомплектован видеотерминалом,
предназначенным для оперативного ввода и модификации рабочих
программ Подсистема сборки имеет трехуровневое управление.
УВК «Электронпка-60», принадлежащий промежуточному уровню
управления УУПр, является центральным процессором сборочной
подсистемы
Подсистема сортировки включает устройство технического зрения
и три цикловых ПР с целью идентификации и сортировки деталей
до десяти наименований, впоследствии используемых для сборки
узлов Детали, подаваемые питающим накопителем в случайном
порядке, переносятся ПР типа МП-9С иа рабочую площадку, где
происходит их распознавание. В зависимости от результатов рас-
познавания идентифицированная деталь переносится в соответству-
ющий накопитель тем или иным захватом одного из двух ПР типа
РФ-202, имеющих по два манипулятора.
Фу икиионирование транспортной подсистемы, образованной двумя
ПР и транспортной линией, начинается по запросу сборочной под-
системы. Позиционный ПР обеспечивает загрузку ячеек транспорт-
ной линии сборочными деталями, выбирая их из определенных на-
копителен в соответствии с запросом сборочной подсистемы. Раз-
грузка ячеек транспортной линии осуществляется цикловым ПР
типа МП-9С по сигналу фотоэлемента, свидетельствующем о наличии
детали в ячейке. Все устройства транспортной подсистемы работают
синхронно, т. е. движение транспортной линии осуществляется дис-
кретным образом с интервалом времени, достаточным для загрузки
и разгрузки очередной ячейки.
Сборка готовых узлов из комплектующих деталей, подаваемых
на сборочную площадку цикловым ПР типа МП-9С транспортной
подсистемы, происходит под контролем устройства технического
зрения, входящего в состав сборочной подсистемы. В процессе сборки
участвуют два контурных робота П РАМЭ-5 и ТУР-10. Управление
каждой степенью подвижности сборочных роботов производится
отдельным микропроцессором первого уровня управления УУ1,
что позволяет улучшить рабочие характеристики роботов без из-
менения их механических характеристик.
В состав технических средств подсистемы моделирования входят
графический дисплей, видеомагнитофон и телевизионный монитор,
предназначенные для моделирования средствами машинной графики
различных сборочных процессов.
Анализ структуры комплекса управления и моделирования пока-
зывает, что подобные системы позволяют производить комплексную
отработку и отладку методов группового управления, а также ре-
шать задачи создания модульного программного обеспечения робото-
технических систем, проверки эффективности различных средств
управления, распознавания и отыскания оптимальных способов со-
пряжения управляющего и технологического оборудования.
Глава
9
СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ
РОБОТАМИ
9.1.	Технические проблемы разработки и отладки
микропроцессорных систем
Внедрение микропроцессоров со временем практически во все
отрасли народного хозяйства вовлечет в работу с ними массового
пользователя, часто не имеющего высокой квалификации в области
цифровой вычислительной техники. В то же время возросшая слож-
ность микропроцессорной техники: компонент и систем иа их основе
ставит новые проблемы перед разработчиками, производителями и
обслуживающим персоналом микропроцессорных систем (МПС).
Успешное решение встающих проблем возможно только на основе
широкого набора инструментальных средств для разработки, наладки
и проверки МПС. Каждая из работ с МПС должна обеспечиваться
оптимальными по своим технико-экономическим характеристикам
инструментальными средствами.
Повышение степени интеграции, значительное увеличение функ-
циональных возможностей БИС и конструктивных узлов на их основе
приводят к уменьшению числа точек схемы, физически доступных
для непосредственного воздействия на них и контроля их состояния.
Изменяется и схемная реализация функционального узла — за-
частую он входит как часть в состав одной или нескольких БИС.
Физически локализовать, отделить для проверки функциональный
узел от других частей схемы оказывается невозможным. Воздействие
на нужную точку схемы или функциональный узел и контроль их
состояния принимают косвенный характер. Это требует подачи слож-
ных последовательностей сигналов на доступные для воздействия
точки схемы и анализа данных последовательностей состоянии в Гюль
шом числе точек, доступных для прямого контроля.
Важной особенностью процесса отладки и проверки МПС явля-
ется необходимость совместной отладки аппаратуры и протрамм
даже на самых ранних этапах разработки и наладки. Это обусловлено
так тесной взаимосвязью аппаратуры и программного (микропро-
граммного) обе.печения МПС — программная настраиваемость на
выполнение заданных функций является одним из фундаментальных
евойств микропроцессорной техники, так и указанной спецификой
проверки функциональных узлов схемы — при невозможности пря-
мой подачи воздействия на входы функционального узла от внешнего
источника част- единственной альтернативой является генерация
требуемой последовательности другими функциональными узлами
схемы под действием nporj аммного управления. Контроль и наст-
241
ройка МПС как сложного аппаратно-программного комплекса предъ-
являет повышенные требования к квалификации настройщика и об-
служивающего МПС персонала.
Неотъемлемой частью процесса настройки и контроля МПС яв-
ляется ее проверка при рабочих быстродействиях. Высокое быстро-
действие микропроцессоров предъявляет жесткие требования к вре-
менным характеристикам вырабатываемых сигналов Даже незна-
чительные отклонения этих параметоов огуг приводить к отказам
системы, не наблюдаемым иа более низких частотах. Кроме того,
для ряда используемых в МПС БИС диапазон рабочих частот огра-
ничен снизу — на частотах ниже номинальных они просто не рабо-
тоспособны. Высокие требования по быстродей твию к подаче воз-
действий на испытуемую МПС, к наблюдению и анализу результатов
этих воздействий значительно усугубляют другие, указанные выше
проблемы работы в МПС.
Выявление в ходе практической работы новых технических про-
блем, связанных с особенностями микропроцессорной техники,
поставило вопрос о создании для их решения специальных инстру-
ментальных средств — устройств, приборов и систем. Появившись
через год после выпуска первых микропроцессоров, они постоянно
развиваются и совершенствуются.
Схемотехнические, конструктивные и технологические особен-
ности МП БИС позволяют выделить их в особый класс цифровых уст-
ройств. Поэтому для контроля работоспособности БИС и систем на
их основе необходима разработка специальных процедур [331.
9.2.	Особенности разработки тестовых процедур для МПС
Тестом называют совокупность входных воздействий, предна-
значенных для определения работоспособности МПС, и выходных
реакций, соответствующих этим входным воздействиям. Упорядо-
ченную последовательность тестов называют тестовой программой.
Процедура контроля МПС складывается из разработки тестовой про-
граммы, генерации входных воздействий, наблюдения выходных реак-
ций н анализа полученных результатов в целью установления работо-
способности контролируемой системы.
Существует два .юдхода к созданию тестовой программы: в соот-
вестствии с этим различают два вида контроля: функциональный
и структурный. При функциональном контроле в качестве исходной
информации для построения тестовой программы используется алго-
ритм функционирования МПС. Функциональный контроль, как пра-
вило, не позволяет выявить значительную часть возможных неис-
правностей и применяется при отсутствии информации о причинах
и характере последних, при повышенной сложности контролируе-
мой системы или при невысоких требованьях к полноте контроля.
При структурном контроле в процессе разработки тестовой про-
граммы используют данные о структуре МПС и характере возможных
неисправностей. Структурный кс hi роль, как правило, обеспечивает
достаточно полную проверку работоспособности цифровых уст-
242
ройств. Однако для МПС методы структурного контроля малоэффек-
тивны из-за весьма большого числа элементов схемы и отсутствия
адекватных моделей для ряда характерных МПС неисправностей.
В зависимости от детализации объема контроля при разработке
тестовой программы различают системный и модульный методы конт-
роля. При системном подходе МПС рассматривают как единое уст-
ройство, для которого и разрабатывают тестовую программу. При
модальном контроле МПС рассматривают как совокупность функ-
циональных узлов (модулей), при этом дтя каждого из них разраба-
тывают свою тестовую программу. Эти программы объединяют в про-
грамму проверки всей системы Процедура построения тестовых
программ для отдельных модулей, как правило, значительно проще,
чем для МПС в целом. Однако следует отметить, что работоспособ-
ность всех частей системы не гарантирует работоспособность системы
в целом.
При системном и модульном подходах к построению тестовых
программ используют как функциональные, так и структурны ме-
тоды. Для формализации методов построения тестовых программ
необходимо создание математических моделей МПС с учетом возни-
кающих в них неисправностей. До настоящего времени такие модели
еще ие разработаны по следующим причинам:
большое разнообразие МП БИС, отличающихся технологией из-
готовления, структурной организацией, функциональными возмож-
ностями, назначением и т. п., что затрудняет получение единой для
всех МИ модели неисправности:
высокая степень интеграции МП БИС, приводящая к появлению
неисправностей в виде взаимного влияния элементов схемы, что
препятствует использованию традиционных методов построения мо-
делей цифровых устройств; если для последних основное значение
имели «катастрофические» отказы, описываемые моделью констант-
ных логических неисправностей, то для МПС на первый план вы-
ступают постепенные отказы в результате изменения электрических
параметров и перемежающиеся сбои, связанные с взаимным влия-
нием элементов БИС;
сравнительное малое, по отношению к цифровым устройствам
иа ИС малой интеграции, число точек МПС, физически доступных
для подключения контрольной аппаратуры; это обстоятельство
затрудняет разбиение МПС на отдельные модули, описываемые до-
статочно простыми математическими моделями, а также усложняет
выдачу на модули тестовых воздействий и наблюдение выходных
реакций;
тесная связь аппаратуры и программного обеспечения в МПС,
что требует учета в моделях неисправностей влияния программного
обеспечения, так как неисправности могут быть вызваны как отка-
зами аппаратуры, так и ошибками в программе или совокупностью
этих причин:
жесткие ограничения иа временные соотношения между электри-
ческими ст налами в МПС, нарушение которых может привести
к сбоям, что ведет к усложнению модели неисправности.
243
По этим причинам процесс построения адекватной модели МП(3
до настоящего времени не завершен, что приводит к использовани е
эмпирических и эвристических 'методов при разработке тестовых
программ.
9.3.	Средства отладки аппаратуры МПС управления
роботами
Системы, основанные на однокристальных микропроцессорах,
отличаются в наладке аппаратуры от систем, построенных на микро-
программируемых секциях. Для первых, в связи с ограниченным
числом выводов корпуса БИС, характерно временное мультиплек-
сирование сигналов на шипах микропроцессора в течение одного
периода частоты синхронизации и наличие двунаправленных шин.
Это обстоятельство в значительной степени затрудняет интерпре-
тацию измеренных последовательностей логических состояний ука-
занных шин, повышает требования к избирательности контрольной
аппаратуры при выборе анализируемой информации. Но примене-
ние однокристального микропроцессора определяет архитектуру
системы, оставляя у разработчика МПС весьма мало возможностей
для <вариаций». Кроме того, все основные шины МПС связаны с кри-
сталлом центрального процессора. Эти два обстоятельства опре-
деляют возможность разработки контрольно-измерительной аппара-
туры со специальными средствами стандартного подключения к конт-
ролируемой системе, что снижает затраты на подготовку к измере-
ниям и способствует полному устранению ошибок оператора при
подключении аппаратуры контроля. Примером таких специальных
средств могут служить измерительные клипсы, надеваемые на БИС
центрального процессора или кабели с разъемом, вставляемые в
разъем МП БИС. Кроме того, однокристальные МП, как правило,
имеют аппаратно-реализуемую систему команд и разработанные
языки символьного программирования — ассемблеры. Это позво-
ляет создавать контрольную аппаратуру, которая отображает за-
регистрированные управляющие сигналы испытуемой МПС в сим-
вольных обозначениях языка программирования. Такое представ-
ление результатов измерения увеличивает их наглядность и повышает
производительность процесса отладки. Массовый выпуск и приме-
нение однокристальных микропроцессоров оправдывает затраты на
разработку такой специальной контрольной аппаратуры.
Что касается секционных микропроцессоров, то основной осо-
бенностью МПС на их основе является большее число шин, состоя-
ние которых необходимо контролировать в процессе отладки Так,
для микропроцессора К.58О ИК80 число основных шин равно 36
(16 адресных. 8 данных и 12 для управления и синхронизации)»
а для 8-разрядной микроЭВМ, построенной на основе комплекта
серии К589, это число составит как минимум 70 ( 5 информационных
шин по 8 разрядов, 9 разрядов микропрограммного адреса, 18 раз-
рядов микрокоманды и не менее 3-х для управления и синхрони-
зации). Следует заметить, что разрядность МПС на базе микропро-
244
цессорных секций, как правило, больше восьми, а длина микроко-
манды значительно превышает 18 бит. Поэтому системы проектирова-
ния, предназначенные для разработки МПС на основе биполярных
секции, снабжаются средствами для имитации микропрограммного
ПЗУ б длиной микрокомадны до 128 бит и средствами для лот-
ческого анализа с числом каналов 80 бит Весьма высокая тактовая
частота таких МПС требует от контрольно-измерительной аппара-
туры высокого быстродействия.
Характерной особенностью процесса отладки микропрограмми-
руемых МПС является необходимость разработки структуры микро-
команды, средств автоматизации микропрограммирования и некото-
рого набора микропрограмм уже на самом раннем этапе отладки
аппаратуры
Задача проектирования и отладки МПС на основе секционных
МП при равной сложности реализуемых алгоритмов, как правило,
более трудоемка, чем создание и отладка '’ПС на основе однокри-
стального МП с готовой системой команд.
Логические анализаторы. Развитие цифровой техники — услож-
нение систем, повышение разрядности данных и быстродействия,
широкое распространение принципов программного управления в
цифровых устройствах привело к серьезным затруднениям при от-
ладке этих устройств с помощью траципионной аппаратуры: гене-
раторов сигналов, осциллографов, вольтметров. Особенно остро
эта проблема встала при появлении МПС. Причинами этих затруд-
нений явились следующие особенности контроля сложных цифровых
и, особенно, микропроцессорных систем:
необходимость наблюдения последовательностей логических со-
стояний одновременно и синхронно сразу во многих точках системы:
необходимость контроля последовательностей состояний в связи
• редкими и однократными событиями;
необходимость наблюдения последовательностей на протяжении
значительного временного интервала;
необходимость наблюдения состояния контрольных точек в не-
котором интервале времени, предшествующем выбранному опера-
тором событию;
необходимость оперативного представления результатов изме-
рении в различных форматах, удобных для оператора и не отличаю-
щихся от основных форм документирования;
необходимость выявления событий, выражающихся в появлении
заданных комбинаций логических состояний в контролируемых
точках схемы или в появлении заданной последовательности таких
комбинацию.
Технические предпосылки, позволившие создать приборы, от-
вечающие изложенным требованиям — широкое применение стан-
дартных серий цифровых интегральных микросхем и появление
быстродействующих интегральных запоминающих устройств большой
емкости. Первое позволило не интересоваться истинной формой и
амплитудой сигналов в исследуемой схеме, а контролировать лишь
принадлежность сигнала к уровням логического нуля или единицы,
245

Рнс. l.t. Упрошенная функциональная схема логического анализатора!
БР — Слея регистрации: БФ — блок формирования; БУ — блок управления; ПУ — пульт
управления: ФТ — формирователь тактов: ФЗ — формирователь запуска; БИ — блок
индикации
а наличие быстродействующих ЗУ позволило регистрировать изме-
ренные логические значения с высокой тактовой частотой.
Таким образом, логические анализаторы (ЛА) стали приборами,
предназначенными для измерений потоков двоичных данных, так
же как электронно-лучевой осциллограф предназначен для измере-
ния периодических электрических сигналов
Упрощенная функциональная схема ЛА показана на рис. 9.1.
ЛА состоит из четырех основных блоков: управления, регистрации,
индикации и входных усилителей — компараторов. ЛА во время ра-
боты может находиться в трех режимах: настройки, регистрации и
индикации.
В режиме настройки оператор согласно плану измерений подклю-
чает щупы прибора к выбранным точкам контролируемой схемы и
с помощью органов управления на передней панели устанавливает
выбранный режим регистрации, после чего включает этот режим.
В режиме регистрации ЛА через входные усилители-компараторы
принимает с заданной частотой последовательности логических со-
стояний контрольных точек в ЗУ блока регистрации. В функции
входных усилнтелей-компараторов входит помимо квантования вос-
принимаемых сигналов по логическим уровням электрическая раз-
вязка контролируемых и входных цепей прибора. Входное сопро-
тивление зонда лучших моделей ЛА превышает I МОм при емкости
10—15 пф Это позволяет пренебрегать действием зонда на электри-
ческие сигналы в контролируемой цепи практически во всех циф-
ровых схемах, реализованных на стандартных цифровых ИС. По-
роговый уровень входных компараторов устанавливается в завпеи-
246
мости от элементной базы контролируемых схем Как правило, в луч-
ших моделях ЛА его можно установить в помощью специатьного
I тумблера для стандартных уровнен ТТЛ или ЭСЛ-логики, или
плавно регулировать в пределах ±12 В для других типов цифровых
! ИС
Разрядность, объем и быстродействие ЗУ блока регистрации
определяют главные технические характеристики ЛА — число ин-
формационных каналов, длину последовательности логических со-
стояний и максимальную тактовую частоту. В современных ЛА чи-
сло каналов может достигать 104 (DAS 9100), длина логической по-
следовательности 2048 бит на канал (8200-D), а максимальная такто-
вая частота регистрации данных 660 МГц (DAS 9100). Средние зна-
чения этих параметров составляют соответственно 16—48 каналов,
256—1024 бит на канал и 50 МГц 1331.
Тактовые сигналы записи в ЗУ могут вырабатываться внутрен-
ним генератором ЛА или поступать от контролируемой схемы. Эти
режимы соответственно называют асинхронной и синхронной реги-
страцией. В случае синхронной регистрации тактовый сшнал мо-
жет стробироваться другими внешними сигналами или их логиче-
ской комбинацией. Эти сигналы носят название квалификаторов за-
писи. В случае превышения числа тактов записи объема ЗУ запись
продолжается циклически с нулевою адреса, а наиболее «старые»
данные теряются. Таким образом, в ЗУ блока регистрации в каждый
момент времени содержатся N последних принятых слов данных,
где N — объем ЗУ.
Режим регистрации продолжается до появления заданного опе-
ратором события, вызывающего запуск режима индикации. В ка-
честве такого события могут выступать: внешний сигнал, комбинация
логических состояний на информационных входах, комбинация логи-
ческих состоянии на информационных и дополнительных входах,
называемых квалификаторами запуска, или заданная последователь-
ность таких комбинаций.
При появлении сигнала запуска индикации ЛА прекращает ре-
гистрацию данных в разные моменты времени в зависимости от вы-
бранного оператором положения данных относительно момента за-
пуска.
В первом режиме регистрация прекращается через несколько
тактов записи после появления условия запуска. При этом в ЗУ
сохраняется последовательность слов логических состояний, пред-
шествующих выбранному событию; слово, соответствующее самому
моменту появления события, и несколько слов после этого момента.
Длительность предшествующего запуску временного интервала со-
стояния весьма близка к N тактам, где А — объем ЗУ блока реги-
страции.
Во втором режиме регистрация прекращается через N/2 тактов
записи после запуска. При этом в ЗУ сохраняется N/2 слов состояния
предшествующих запуску, и N/2 слов, следующих за ним.
В третьем режиме регистрация прекращается через число так-
тов, весьма близкое к А' после запуска. При этом в ЗУ сохраняется
247
несколько слов, пре чествующих запуску, слово, соответствующее
самому моменту запуска, и близкое к N число слов после запуска.
В четвертом режиме запуск происходит с заданной задержкой^
превышающей N тактов, после появления указанного события'
Возможность задавать различные условия запуска является
важной технической характеристикой ЛА.
В режиме индикации собранная информация выводится на ин-
дикатор в выбранном оператором формате. Поскольку ЛА обладают
памятью, то режим индикации не зависит от условий регистрации.
Ии тикация может длиться сколько угодно долго, при этом оператор
может менять режимы индикации и форму представления информа-
ции, выводить результаты измерений с разной степенью подробности,
сравнивать результаты измерений с эталонными и т. п.
Тип индикатора и формы представления результатов измерений
также являются важной характеристикой ЛА.
Осциллографы. В процессе отладки аппаратуры МПС неизбежно
встречаются измерения, характерные для настройки любых радио-
электронных устройств. К таким проверкам в первую очередь от-
носятся проверки работы источников питания и тактового генера-
тора устройства. Для выполнения этих работ наиболее подходящим
прибором является электронно-лучевой осциллограф. Этот прибор
может оказаться полезным на первых этапах отладки аппаратуры
МПС в процессе создания макетного образца изделия. С его помощью
можно проверить правильность функционирвання микропроцессора,
наблюдая осциллограммы на выходных шинах при циклическом по-
вторении несложной последовательности из нескольких команд.
Основные характеристики цифрового осциллографа определя-
ются качеством используемых в нем АЦП.
Для анализа реальной формы логических сигналов в современной
цифровой системе, как правило, достаточной является точность
0,05—0,1 В, что требует 6—7 двоичных разрядов для представления
амплитуды сигнала. Такая точность достижима для современных
АЦП.
Более жесткие ограничения на применение цифровых осцилло-
графов при контроле однократных процессов в МПС накладывает
быстродействие АЦП (частота выборок). Для наблюдения фронтов
импульсов, временных соотношений между сигналами МПС и выяв-
ления кратковременных импульсных помех требуется частота выбо-
рок порядка 200—300 МГц. Быстродействие современных цифровых
осциллографов пока составляет 20—50 МГц, что позволяет наблю-
дать сигналы частотой 1—5 МГц. Это сдерживает применение циф-
ровых осциллографов для контроля МПС.
В настоящее время с их помощью можно контролировать только
периодические процессы, воспроизводя форму исследуемого сигнала
за несколько периодов развертки.
Особенности конструктивного исполнения МПС. Для повышения
контролепригодности МПС как в процессе отладки, так и на этапах
производственного контроля и эксплуатации необходимо принять
ряд специальных мер еще в процессе разработки МПС. В первою
248
очередь это меры, связанные с облегчением подключения контрольно-
испытательной аппаратуры. В этом плане целесообразно выводить
важнейшие цепи МПС на краевой разъем платы устройства. Дтя
МПС, основанных на однокристальном микропроцессоре, — это
'шины данных, адреса и управления и все другие цени, связанные
с кристаллом МП; для МПС на базе микропроцессорных секции —
шины микропрограммного адреса и микрокоманды, а такж< цепи
синхронизации. Если вывести сигналы на основной разъем платы
невозможно, то желательно предусмотреть дополнительный разъем
или другие средства подключения внешней аппаратуры. Обычно
удобна установка микросхем с помощью специальных разьемов,
имеющих от 8 до 64 контактов. В аппаратуре общего назначения на
разъемах устанавливают, как правило, дорогостоящие БИС. ИС
ПЗУ и интерфейсные схемы. ИС многократно программируемых
ПЗУ целесообразно устанавливать только на разъемах.
Самоконтроль и самодиагностика в МПС. Самоконтроль в МПС
возможен ввиду:
способности МП под действием программ (микропрограмм) срав-
нительно небольшого объема (единицы килобайтов), генерировать
тестовые последовательности очень большого объема;
способности МП к логической обработке информации, что по-
зволяет сравнивать отклики проверяемых узлов с эталонными без
применения дополнительной аппаратуры;
сосредоточения функций программного (микропрограммного)
управления и обработки информации в одном или нескольких кри-
сталлах БИС, что дает возможность при построении тестовых про-
грамм разделить систему на «проверяемую и «проверяющую» части;
программной доступности всех узлов МПС, что позволяет цен-
тральному МП выдавать на эти узлы управляющие сигналы и оп-
рашивать их состояние;
использования для написания программ (микропрограмм) само-
контроля языка программирования испытываемой МПС, хорошо
знакомого разработчику, в то время как для программироапня
внешней контрольно-испытательной аппаратуры используются спе-
циальные языки.
Эталонные отклики определяются вручную при программирова-
нии и хранятся в тестовой программе или генерируются под дей-
ствием тестовой программы узлами системы, работоспособность кото-
рых была проверена ранее.
Наиболее удобным способом включения тестовой программы
(микропрограммы) самоконтроля в систему является постоянное
размещение этой программы в ПЗУ системы вместе с рабочими про-
граммами. Аппаратурные затраты при этом, как правило, невелики —
1—2 кристалла ППЗУ на ИС.
Если же включение тестовой программы в состав системы нецеле-
сообразно, например, ввиду экономии адресного пространства
ЗУ или ограничений на потребляемую мощность, то не плате МПС
оставляют свободные разъемы и организуют отдельный дешифратор
адреса, который активизируется специальным внешним сигналом
249
«тест». При этом соответствующий дешифратор адреса основн го
ЗУ должен блокироваться. Если и такие дополнения на плате не.
допустимы, то необходимо предусмотреть средства подачи на плату
сигнала блокировки декодирования адреса соответствующей области
3i и возможность подключения генератора тестовой программы
к шинам адреса и данных МПС.
Таким образом, можно «наложить» программу самоконтроля на
рабочую программу МПС. Недостатком рассматриваемого способа
является то, что область памяти, занятая программой самоконтроля,
не проверяется
При решении задачи самоконтроля МПС достаточно просто ор.
ганизовать диагностику неисправностей на уровне фу нкциональных
узлов систем. Программы самодиагностики строят по принципу
последовательной проверки ресурсов системы. Для начала работы
программы самодиагностики необходимо Предположить, что опреде-
ленные узлы МПС исправны. Прежде всего это относится к источни-
кам питания и синхронизатору МПС. Кроме того, полагают исправ-
ными несколько регистров ЛАП, и правильными несколько команд
включая хотя бы одну команду условного перехода, и цепи адреса-
ции тестовой программы. Если какие-либо из указанных элементов
системы неисправны, то результаты диагностики могут оказаться
неправильными.
Используя указанные ресурсы, которые были положены исправ-
ными, программа самодиагностики начинает последовательно пр<
верку всех остальных узлов процессора. После успешной проверки
некоторого узла программа может использовать его для проверки
других узлов.
В первую очередь проверяются ресурсы МП — работоспособ
ность всех внутренних регистров, всех команд и всех внутренних
магистралей передачи информации. Эти проверки осуществляются
путем записи-считывания информации во все регистры, исполнением
всех команд процессора с известными данными и т. д.
Контроль ПЗУ осуществляется, как правило, с помощью под-
счета контрольной суммы содержимого ПЗУ и сравнения с заранее
известным верным значением.
Существует довольно много способов функционального контроля
ОЗУ 140), которые отличаются временем выполнения, объемом тес
товой программы, полнотой проверки и точностью диагностики
Проверка клавиатуры и дисплея системы часто требует участия
оператора. Например, оператор должен набрать на клавиатуре опре-
деленную команду, при этом на экране дисплея должно появиться
некоторое сообщение или одновременно засветиться все элементы
индикатора и т. п. Если индикатор исправен, оператор вводит с по-
мощью клавиатуры определенный символ.
Проверка портов ввода-вывода осуществляется чаще всего прн
замкнутых цепях ввода н вывода, т. е. когда информация, выдавае-
мая портом,'им же и принимается. В таком режиме, как правило,
достаточной является проверка с помощью циклической пересылки
всех унитарных кодов.
250
(Проверка специализированных функциональных блоков зависит
прежде всего от их назначения и устройства. Так, для блоков ре-
кхизании элементарных функций МП вычисляет эталонный резуль-
тат программным способом н сравнивает его с полеченным из специ-
ализированиого блока. Аргументы при этом генерируются с помощью
программного датчика псевдослучайных чисел. Как правило, в сло-
жных МПС программа самоконтроля с некоторыми простейшими
диагностическими возможностями выполняется всегда при включении
питания. Кроме того, у многих систем имеется режим самодиагно-
стики, позволяющий иногда достаточно точно локализовать не-
исправность
|Для более точной локализации и устранения неисправности,
как правило, приходится использовать дополнительную аппаратуру:
логический анализатор, сигнатурный анализатор, осциллограф и т. п.
В этом случае подпрограмму самопроверки соответствующего функ-
ционального узла целесообразно использовать в качестве генератора
стимулирующих тестовых воздействий. Для этого полезно обеспечить
возможность многократного непрерывного исполнения любой из
подпрограмм самодиагностики. Такой режим необходим также при
поиске причин перемежающихся слоев. Если некоторые модули
рабочей программы выполнены в виде подпрограмм, то программа
самодиагностики может обращаться к ним, экономя объем программ-
ной памяти. Наиболее распространенным примером является ис-
пользование подпрограмм управления вводом-выводом из основной
программы.
9.4.	Программные средства разработки математического
обеспечения
Программные средства разработки математического обеспечения
представляют собой комплекс программ, используемых в ходе раз-
работки математического обеспечения микропроцессорных систем.
Поскольку стоимость разработки такого математического обеспе-
чения составляет до 80 % общих затрат на проект, то качество, стои-
мость и время разработки всей системы в значительной степени
определяются используемыми средствами разработки математиче-
ского обеспечения.
Программное обеспечение, реализованное на самой МПС (для
разработки математического обеспечения которой его используют)
или на программно-совместимой с ней системе, называют резидент-
ным программным обеспечением разработки математического обе-
спечения.
Для разработки математического обеспечения МПС широко ис-
пользуют и программное обеспечение, реализованное на микропро-
цессорных системах, не совместимых программно с той системой,
для которой ведется разработка, а также на вычислительных маши-
нах других классов — больших, средних и мини-ЭВМ. Такое про-
граммное обеспечение называют кроссовым ПО разработки.
Например, транслятор с языка ассемблера 8080 в машинные
коды 8080, реализованный на ЕС-1020, является кроссовым ассемб-
251
лером этого типа. В то же время, программное обеспечение, исполь-
зуемое для отладки микропрограмм микропроцессорной системы 3
базе Intel 3000, реализованное на микропроцессорном отладочном
комплексе MDS-800, построенном на элементной базе 8080, является
кроссовым программным обеспечением относительно разрабатывае-
мой микропроцессорной системы.
Кроссовое программное обеспечение часто реализуется на каком-
либо широко распространенном языке программирования, например,
на языке ФОРТРАН, что обеспечивает высокую мобильность про!
грамм. Разработчик математического обеспечения микропроцес-
сорной системы, получив в свое распоряжение кроссовое программ-
ное обеспечение, написанное на некотором алгоритмическом языке,
может работать с ним па любой доступной ему ЭВМ, имеющей тран-
слятор с этого языка. Полученное после трансляции с алгоритмиче-
ского языка кроссовое программное обеспечение в виде объектных
программ для той машины, на которой оно будет использоваться,
м >жет быть либо включено в состав системных программ, либо пу-
скаться в режиме задачи пользователя (рис. 9.2).
Кроссовое программное обеспечение может предоставляться раз-
разработчику МПС крупными вычислительными центрами в систел ах
разделения времени. На таких вычислительных центрах обычно
имеются обширные библиотеки кроссового программного обеспе-
чения для самых различных МПС.
Для того чтобы можно было использовать существующее рези-
дентное программное обеспечение, микропроцессорная система дол-
жна обладать некоторым минимально необходимым объемом опера-
тивной памяти и комплектом внешних устройств. Если она не об-
ладает необходимыми характеристиками, то разработчик должен
либо укомплектовать свою систему дополнительным объемом памяти
и внешними устройствами специально для целей разработки мате-
матического обеспечения, либо построить или купить так назыв?
Рнс. 9,2. Схема использования кросс-ассемблера ЯСНО, написанного на языке ФОРТРАН,
на ЦВМ ЕС-1020
252
ыую «прототппную» МПС, т. е. МПС, программно совместимую с раз-
рабатываемой, обладающую необходимыми параметрами. Во всех
эт их случаях ра1работчик должен затратить определенные средства на
аппаратуру прежде, чем он сможет вести разработку математического
'обеспечения с помощью резидентного программного обеспечения.
К достоинствам использования кроссового программного обе-
спечения, обычно относят:
низкую начальную стоимость использования;
возможность использования развитою сервисного программного
обеспечения и быстрых периферийных устройств той машины, на
которой реализуется кроссовое программное обеспечение;
возможность вести разработку математического обеспечения до
появления аппаратных средств, пригодных для реализации рези-
дентного программного обеспечения, и образца разрабатываемой
микропроцессорной системы.
К достоинствам использования резидентного программного обе-
спечения разработки можно отнести:
низкую общую стоимость использования резидентных средств
при значительном объеме работ по созданию математического обе-
спечения (за счет невысокой стоимости микропроцессорных систем
по сравнению с ЦВМ других классов);
невозможность во многих случаях полностью смоделировать на
другой ЦВЧ реальные временные соотношения и условия внешнего
окружения микропроцессорной системы, т. е. невозможность пол-
ностью заменить резидентную отладку на отладку с помощью крос-
сового обеспечения;
отсутствие необходимости освоения разработчиками работы на
двух машинах: на машине, реализующей кроссовое обеспечение,
и на самой МПС.
Исходя из реальной ситуации, обычно останавливаются на не-
котором компромиссе в использовании кроссовых и резидентных
программных средств. Так, часто используется трансляция программ
на кроссовом трансляторе, а отладка — с помощью резидентных
средств на прототипний или самой разрабатываемой МПС (рнс. 9.3).
В соответствии с выполняемыми функциями программное обе-
спечение разработки математического обеспечения может быть под-
разделено на четыре основных класса программных средств: транс-
ляторы, загрузчики, системы отладки, сервисные программы Каж-
дый из этих классов облегчает некоторый этап разработки математи-
ческого обеспечения.
Трансляторы преобразуют исходную программу, написанную на
некотором входном языке (ассемблере, высокого уровня или макро-
ассемблере), в результирующую, так называемую объектную, про-
грамму на языке команд или микрокоманд МПС.
Кроме объектной программы, трансляторы выдают листинг про-
граммы, содержащий распечатку исходной и объектной программы,
таблицы использованных идентификаторов, сообщения об обнаружен-
ных ошибках и другие виды диагностической информации, необ-
ходимой для отладки и документирования программ.
253
Рмс. 9.3. Совместное использование кроссового и реждснтного программного обеспечения
Компиляторы и ассемблеры могут быть кроссовыми или рези-
дентными. Макроассембтеры практически всегда реализуются в крос-
сов >м программном обеспечении.
Исходя из возможностей по формированию объектной програм-
мы. желательно, чтобы транслятор обладал двумя свойствами:
возможностью формировать перемещаемую объектную программу;
средствами формирования внешних связей между программными
модулями.
Формируемый таким транслятором объектный модуль затем об-
рабатывается загрузчиком, который настраивает его на конкретные
адреса и удовлетворяет содержащиеся в программе данного модуля
указания данных и команд, расположенных и других модулях.
Для МПС характерно наличие постоянного запоминающего уст-
ройства (ПЗУ), в котором целиком или частично записывается
программа. В то же время часть программы и данные, формируемые
программой в процессе работы, должны храниться в оперативном
запоминающем устройстве (ОЗУ). Следовательно, при перемещении
объектных программ последние должны размещаться не в едином ли-
нейном сегменте адресов, а как минимум в двух, из которых один
соответствует неизменяемой части программы и данных и может
быть записан в ПЗУ, а другой изменяемой части программы данных
и должен храниться в ОЗУ. Этот факт находит отражение как во
входном языке, так и в трансляторах и в структуре формируемых
объектных модулей.
В языке Ассемблера вводятся псевдокоманды, указывающие,
в какой сегмент должны помещаться следующие за ней команды и
данные.
Языки высокого уровня, используемые для программирования
МПС, как правило, не содержат явных операторов указания сегмен-
тов размещения. Трансляторы автоматически производят назначе-
ние объектного кода в тот или иной сегмент.
254
Для обеспечения разработчика вспомогательной информацией
для отладки и документирования математического обеспечения же-
лательно чтобы транслятор под управлением директив выдавал:
разделенный на страницы листинг, содержащий распечатку
исходной и объектной программы;
алфавитно-упорядоченною таблицу идентификаторов, исполь-
зованных в программе, в которой были бы указаны числовые значе-
ния, связанные с этими идентификаторами;
алфавитно-упорядоченною таблицу перекрестных ссылок, в ко-
торой были бы перечислены все идентификаторы программы, ука-
зано место их определения и использования;
сообщения об ошибках, обнаруженных транслятором в про-
грамме, желательно в виде ясных и недвусмысленных предложений,
понятных программисту.
В структуре трансляторов с языков микропрограммирования
находят отражение этапы, относящиеся к процессу трансляции с язы-
ков микроассемблера (рис. 9.4).
На первом эгапе, соответствующем фазе определения языка
микропрограммирования, транслятор настраивается па работу со
специфицируемыми языком микрокомандиых кодов и языком его
символического аналога —микроассемблером. При этом транслятору
сообщается длина микрокоманды, составляющие ее поля, коды мик-
роопераций и их символические обозначения, значения полей по
умолчанию и т. д. Кроме того, могут использоваться стандартные
обозначения и коды операций, сопоставляемые с тем микропроцес-
сорным набором, на работу с которым рассчитан данный трансля-
тор. Этан определения языка может выполняться однократно, при
настройке транслятора на конкретную объектную МПС, или каждый
раз при трансляции программы иа языке микроассемблера. В по-
следнем случае спецификация языка входит в текст исходной про-
граммы на языке микроассемблера.
Рис. Р.4. Этапы работы транслятора с яаыжа мпароассемб.кра
Обозначения и коды
операций БИС базового
микропроцессорного набора
] зтоп-
спецификация вредного
языка микроассемблера и
кодов микрокоманд
Встроены В
транслятор
Внутренние г~
твблицы
Обоектный
код ,
формирование
Карты
програм
[команд
иск и обоек-
S яыыи языки
В заюп~
-М трансляция исков
И ной программы В
*4 коды микрокоманд
Листинг
корт программа!---
родамВЯ.НПЗУ ми,- '
С—------------ ПЗУ, ППЗУ
или ПАМ
На систему •
т/ моделирова иЯ'

•3 =>

§
В


Пос тужет из исмЗиой лрогранмы
255
На втором этапе собственно исходная микропрограмма трансли-
руется в объектные коды микрокоманд. При этом формируется также
листинг, содержащий распечатку исходной программы, объектные
коды в каком-либо символьном формате (двоичном, восьмеричном,
шестнадцатеричном) и сообщения об ошибках.
Формируемые на втором этапе объектные коды затем могут посту-
пать непосредственно на вход системы моделирования для отладки,
подаваться на вход программ формирования карт программирования
ПЗУ, ППЗУ (программируемых ПЗУ) или программируемых логи-
ческих матриц (ПЛМ). Эти программы часто входят в состав тран-
сляторов с языков микропрограммирования и составляют третий
этап их работы — этап преобразования и подготовки загрузки в кри-
сталлы ПЗУ, Г1ПЗУ или ПЛМ объектных кодов микрокоманд.
Практически все трансляторы с языков микроассемблера явля-
ются кросс-трансляторами, поставленными па ЭВМ общего назначе-
ния или на специальных системах проектирования микрокомпью-
теров и их математического обеспечения.
Загрузчики — это совокупность программ, переводящая объект-
ные программы к виду, готовому к выполнению на МПС, и занося-
щая эти программы в память последней.
Перевод объектной программы к виду, непосредственно готовому
к выполнению, состоит в преобразовании перемещаемого варианта
объектной программы в вариант программы в абсолютных адресах.
Программа, реализующая такое преобразование, называется раз-
мещающей программой.
Может возникнуть необходимость установления связи отдель-
ными объектными и программными модулями путем настройки их
ссыпки друг на друга. Этот процесс называют редактированием внеш-
них связей, а программу, реализующую данное действие — «редакто-
ром связей». Если при этом еще происходит объединение объектных
модулей в единый модуль, то реатчз^ющую такое объединение про-
грамму называют «объединителем».
Особенности загрувчнков МПС определяются наличием в объект-
ных модулях, формируемых трансляторами с языков программиро-
вания, нескольких сегментов, ориентированных на разные режимы
использования хранимой в нн.х информации. Одни сегменты ори-
ентированы на хранение в них только считываемой информации и
могут быть помещены в ПЗУ. Другие сегменты ориентированы на
хранение считываемой и записываемой информации и должны обяза-
тельно размещаться в ОЗУ. Для размещающих программ это прояв-
ляется в работе с несколькими атресными пространствами и с таб-
лицей межсегментных ссылок, также формируемой трансляторами.
Размещающие программы и объединители для МПС часто реали-
зуются как кроссовые средства программного обеспечения или как
часть программного обеспечения специальных аппаратно-програм-
мных комплексов отладки. Фаза формирования объектного модуля,
пригодного для непосредственной загрузки в память МПС, обычно
отделяется от фазы фактической загрузки, н они могут реализо-
ваться на различных вычислительных средствах. В частности, за-
256
несение программ в ПЗУ (на этапе изготовления БИС ПЗУ) или
в ППЗУ (на этане изготовления микропроцессорной системы) реали-
зуется на базе специальных аппаратурных средств и программного
обеспечения.
Загрузка объектного модуля в оперативную память МПС произ-
водится с внешнего носителя (перфоленты, магнитной ленты, гиб-
кого магнитного диска и т. п.) программой абсолютного загрузчика
или вручную с клавиатуры инженерного пульта. Если программа
абсолютного загрузчика не располагается в ПЗУ, то она должна быть
предварительно занесена в ОЗУ, например, с инженерного пульта
МС.
Формат предоставления объектного модуля программы, воспри-
нимаемый абсолютным загрузчиком конкретной МПС, может не сов-
падать с форматом объектного модуля, формируемого программами
универсальной системы разработки математического обеспечения
МПС, построенных на базе одного и того же микропроцессора. В этом
случае необходимо предварительно обработать объектный модуль
сервисной программой преобразования форматов.
Отладчики. Средн комплексов программ, предназначенных для
облегчения отладки математического обеспечения, имеются и ре-
зидентные, и кроссовые системы. Широко используются для отладки
математического обеспечения МПС специальные аппаратурно-про-
граммные отладочные комплексы.
Резидентные программы, облегчающие отладку программ МПС —
«отладчики», как правило, являются диалоговыми системами. В за-
висимости от сложности отладчика, последний может выполнять раз-
личные действия. Минимальный набор выполняемых отладчиком
функций обычно включает:
вывод на устройство печати или пульт оператора содержимого за-
даваемой области памяти;
вывод на устройство печати или пульт оператора содержимого
регистров процессора;
изменение содержимого оперативной памяти или регистров про-
цессора;
запуск программы на выполнение с указанного адреса;
приостановка выполнения программы по достижении одной из
заданных команд или при выполнении заданного условия.
Более сложные отладчики позволяют распечатывать текущую
информацию о ходе выполнения программы 1121, адреса проходи-
мых контрольных точек, число проходов контрольной точки, теку-
щее содержимое регистров процессора, областей памяти, верхних
кадров стека и т. п., задавать более сложные управляющие условия,
контролировать действия выполняемой программы на допустимость
и т. д.
Для того чтобы кроссовое программное обеспечение разработки
математического обеспечения МПС позволило проводить весь цикл
разработки математического обеспечения, в его состав должна вхо-
дить система моделирования и отладки, состоящая из имитатора
МПС и программы управления отладкой.
9 П/р И. М Макарова	257
Имитатор позволяет моделировать выполнение объектной про.
граммы на МПС. Кроме того, моделирующие программы часто пре-
достав пяют некоторые виды диагностической информации, такие,
например, как указание о переполнении стека или о попытке про-
граммы записать информацию в постоянное ЗУ.
Программы управления отладкой, позволяя выполнять над об-
разом МПС, реализуемым имитатором, те же действия, что и рези-
дентные отладчики над реальной МПС, обладают обычно значительно
большими возможностями, чем резидентные отладчики. Возможности
задания множеств контрольных точек, сложных условий останова,
задания трассировки, сохранения текущего состояния имитируемой
системы и т. п. типичны для кроссовых систем моделирования и от-
ладки.
Наиболее широкие возможности для отладки программного обе-
спечения МПС предоставляют специальные аппаратно-программные
комплексы отладки.
9.5.	Совместная отладка аппаратуры и программного
обеспечения МПС
Весьма важно то, что в большинстве случаев МПС работают
в режимах, требующих практически предельного быстродействия.
Это налагает жесткие ограничения на временные соотношения между
адресами, данными, сигналами управления и другими электриче-
скими сигналами в МПС. Поэтому проверка работоспособности МПС
на пониженных тактовых частотах может не выявить некоторые
тонкие аппаратурно-программные неисправности. Кроме того, Л\ПС
могут содержать динамические элементы, которые вообще нерабою-
способны на частотах ниже некоторого предела. Отсюда следует,
что для получения достоверных данных о работоспособности МПС
необходимо проводить испытания на рабочей частоте системы.
По этим же причинам испытание программною обеспечения МПС
с помощью кроссовых моделирующих систем отладки не позволяет
выявить все ошибки. Такие системы пригодны лишь для логической
отладки программы, так как моделирование сложных временных со-
отношений в МПС не представляется возможным. Окончательная от-
ладка программного обеспечения МПС возможна лишь прн проверке
его на реальной аппаратуре, на частотах, близких к рабочим. В этом
случае окончательный вариант МПС отлаживается в составе реальной
аппаратуры комплекса или с помощью достаточно сложной имита-
ционной и измерительной аппаратуры. Необходимость этапа отладки
программного обеспечения МПС в реальной аппаратурной среде
в реальном масштабе времени потребовала создания специальных
аппаратно-программных средств, выполняющих функции имитации
программных и внешних воздействий на испытываемую МПС, функ-
ций управления ходом вычислительного процесса в ней, а также
сбора и индикации информации о состоянии МПС. Кроме того, как
уже отмечалось, отладка аппаратуры МПС выполняется с помощью
тестовых программ (микропрограмм), начиная с самых ранних эта-
258
пов разработки. В качестве тестовых программ могут быть исполь-
зованы фрагменты рабочих программ разрабатываемой МПС, кото-
рые, таким образом, тоже будут проверяться.
Вообще отладка аппаратуры и программного обеспечения МПС
представляет единый и неразрывный комплекс работ, причем нельзя
говорить о работоспособности аппаратуры без испытания ее с по-
мощью рабочих программ или о готовности программного обеспече-
ния без ее испытания на реальной аппаратуре.
Средства совместной отладки аппаратуры н программного обеспе-
чения МПС. Основным требованием к средствам совместной отладки
аппаратуры и программного обеспечения МПС является организация
взаимодействия макета разрабатываемого изделия и отлаживаемых
программ (микропрограмм). Для этого необходимо передать объект-
ные коды программ (микропрограмм), полученные с помощью крос-
совых средств автоматизации программирования, на шину команды
(микрокоманды) разрабатываемого изделия в заданном формате и
в последовательности, определенной ходом вычислительного про-
цесса отладки. Эти функции выполняются с помощью различных
устройств. Выбор того или иного способа задания программных воз-
действий зависит от способа управления разрабатываемой МПС,
конструктивных особенностей макета, объема отлаживаемого про-
граммного (микропрограммного) обеспечения и наличия испытатель-
ных средств.
Для задания программных воздействий могут использоваться
программируемые БИС ПЗУ (ППЗУ), имитаторы n3i и внутри-
схемные эмуляторы микропроцессорных БИС (ВСЭ). Кроссовые
средства автоматизации разработки программного (мнкропрограм-
ного) обеспечения чаще всего реализуются с помощью специальных
мнкроЭВМ, называемых системами проектирования МПС (СПМ).
Современные СПМ снабжаются устройствами программирования
П113У, имитаторами ПЗУ, ВСЭ и соответству ющим программным обе-
спечением для работы с этими устройствами. Это создает условия
для комплексировання аппаратуры и программного обеспечения раз-
рабатываемой МПС с помощью СПМ.
В первые годы после своего появления СПМ были ориентированы
только на отладку программного обеспечения и предоставляли раз-
работчику соответствующие кроссовые средства. Основным назна-
чением первых СПМ было выполнение следующих функций;
ввод, редактирование и хранение во внешней памяти (как правило,
на накопителях на гибких магнитных дисках) программ, разрабаты-
ваемых МПС;
трансляция этих программ с выдачей соответствующих листин-
гов и получением объективных кодов программ;
подготовка и выдача объективных модулей в соответствующих
форматах иа внешние ЗУ, перфоленту или специальные программа-
торы программируемых постоянных ЗУ на ИС.
Отладка аппаратуры МПС и испытание программ на макете про-
ектируемой системы проводились автономно и контролировались
с помощью логического анализатора.
S*	259
При дальнейшем совершенствовании СПМ, в результате снабже-
ния их ВСЭ и средствами логического анализа, создались условия
для непосредственного комплексирования аппаратуры и программ-
ного обеспечения МПС с помощью СПМ. При этом появилась возмож-
ность использования всех ресурсов СПМ (памяти, устройств ввода-
вывода).
Кроме имитации программных воздействий на этапе комплекс-
ной отладки появляется еще ряд проблем. При высокой степени
интеграции БИС и, следовательно, при невозможности прямого до-
ступа к подавляющему большинству точек схемы МПС в первую
очередь встает задача инициализации начальных состояний элемен-
тов МПС: установки начальных адресов программ пользователя, оп-
ределения начальных состояний управляющих регистров процессор-
ных БИС и других подобных действий, без которых невозможна от-
ладка отдельных частей программы (подпрограмм и других струк-
турных модулей программного обеспечения).
Второй важной задачей является просмотр состояния внутренних
элементов памяти БИС после выполнения определенных фрагментов
отлаживаемой программы. Эти задачи решаются с помощью специ-
альных аппаратурно-программных средств: мониторных систем или
внутрисхемных эмуляторов микропроцессорных БИС (ВСЭ).
Кроме того, возникает задача организации пошагового испол-
нения программ или запуска программы до выполнения некоторого
условия (появление определенного адреса, появление определенной
комбинации сигналов на шинах МПС и т. п.). После каждого шага
программы или после появления заданного условия необходимо
прервать выполнение программы пользователя и передать управление
программам индикации и инициализации состояния разрабатывае-
мой МПС.
В процессе отладки МПС разработчика может интересовать со-
стояние элементов схемы после каждого шага выполнения программы.
Это, как правило, необходимо для быстрого поиска неисправности
илп ошибки в аппаратуре или программе. Можно, конечно, испол-
нять программу пользователя по шагам, переходя в режим опроса
(т. е. передавая управление программам индикации состояния эле-
ментов МПС) после каждого шага. Однако в этом случае программа
будет исполняться не в реальном времени и некоторые ошибки могут
остаться невыявленными. Для решения этой задачи служит память
логических последовательностей (ПЛП) или память трассы, в кото-
рую заносится состояние контрольных точек схемы на каждом шаге
исполнения программы. После прерывания программы при выпол-
нении заданного условия (в случае внутрисхемного эмулятора)
илп прекращения записи последовательности в память запуска ин-
дикации (в случае логического анализатора) разработчик может
проанализировать содержимое этой памяти (трассу программы),
сравнить ее с некоторой эталонной таблицей и, таким образом, обна-
ружить место неисправности. Так как отладка ведется в реальном
времени, то время записи для этой памяти должно быть не больше
длительности такта МПС. В случае же, когда необходимо наблю-
260
дать временные соотношения между сигналами МПС внутри такта,
частота записи в ПЛП должна быть на порядок выше. Высоким бы-
стродействием должны обладать и схемы распознавания ус ловий пре-
рывания программы (запуска индикации).
Для быстрого поиска неисправностей трасса должна охватывать
довольно большое число контрольных точек (от 32 до 64 точек для
однокристальных и в 2—3 раза больше — для секционных микро-
процессоров) при достаточной длине трассы, соответствующей вре-
менному интервалу порядка нескольких сотен тактов.
Контролировать состояние внутренних элементов БИС в реаль-
ном времени можно только в случае применения внутрисхемного
эмулятора. Аппаратура контроля логических последовательностей
может входить в состав внутрисхемного эмулятора или может
быть выполнены в виде автономного контрольно-измерительного
прибора — логического анализатора.
Таким образом, для решения задач совместной отладки аппара-
туры и программного обеспечения могут применяться различные ком-
плексы аппаратуры и программных средств:
ППЗУ и ЛА;
СПМ, снабженная ВСЭ;
СПМ, снабженная имитатором ПЗУ и средствами логического
анализа.
Программируемые ПЗУ. При отладке программного обеспечения
небольшого объема (1—2 К байт), при наличии в разрабатываемой
МПС определенных отладочных средств (мониторных систем и пуль-
тов-ввода-вывода), а также в случае, когда другие средства от-
ладки недоступны, на этапе совместной отладки МПС используют
программируемые ПЗУ (ППЗУ). При этом вычислительная машина,
на которой поставлены кроссовые средства автоматизации программи-
рования разрабатываемой МПС, должна располагать специальным
устройством вывода информации в такие ППЗУ — программатором
ППЗУ. Как уже отмечалось, рассматриваемый способ отладки эф-
фективен только при наличии в проектируемой МПС мониторных
систем и готовых УВВ. Примером таких систем явдяются выпуска-
емые за рубежом наборы для макетирования МПС типа SDK, кото-
рые представляют собой одноплатные микроЭВМ, снабженные ПЗУ
с программой монитора, простейшим дисплеем на светодиодных инди-
каторах и клавиатурой на 16—32 клавиши. Дисплей и клавиатуру
устанавливают непосредственно на плате. Кроме того, на плате есть
макетная часть для системы пользователя, где и располагается
ППЗУ с отлаживаемой программой.
В случае, когда монитор и пульт отсутствуют, эти средства при-
ходится разрабатывать самостоятельно. В простейшем случае можно
разработать средства запуска программы с заданного адреса, а ход
ее выполнения контролировать с помощью ЛА.
Программирование в ППЗУ осуществляется однократно серией
мощных импульсов, длительность которых постепенно нарастает.
После каждой серии импульсов производится проверка программи-
руемого бита. Для этого микросхема переводится в режим считыва-
261
пня. Если проверка дает положительный результат, то процесс
записи данного бита прекращается. В противном случае программи-
рование продолжается до получения удовлетворительного резуль-
тата или до превышения установленного максимального времени
программирования. В этом случае ИС признается непригодной.
Так как запись информации, соответствующей неразрушенной
перемычке, на место разрушенной невозможна, то такие ошибки
в программе исправить нельзя. Кроме того, появление первой ошибки
в отлаживаемой программе может препятствовать испытанию ос-
тальной части программы. Эти обстоятельства приводят к тому,
что для окончательной отладки МПС может понадобиться слишком
большое количество ИС ППЗУ. Поэтому для отладки МП целесооб-
разнее использовать ППЗУ с возможностью многократного програм-
мирования — репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ), а ППЗУ исполь-
зуются, как правило, для хранения отлаженных программ (микро-
программ) МПС.
Наиболее распространенными приборами такого типа являются
ИС ПЗУ с электрической записью информации и ее стиранием с по-
мощью ультрафиолетового излучения. В корпусе таких приборов
имеется специальное окно, закрытое кварцевым стеклом, позволяю-
щее облучать кристалл ИС с помощью специальной лампы.
Широкое применение находят также РПЗУ с электрической пе-
резаписью информации.
Имитаторы постоянной памяти. Имитаторы ПЗУ позволяют за
менить ППЗУ на этапе отладки МПС функционально эквивалент-
ными (по разрядности, объему, быстродействию и логике управле-
ния) оперативными ЗУ. Структурная схема имитатора ПЗУ показаны
на рис. 9.5.
Основой имитатора является ОЗУ, которое выполняют на бы-
стродействующих БИС ОЗУ, изготовленных по ТТЛД1П или ЭСЛ
технологии. Для логического, электрического и конструктивною
Рис. ».3 Гтруатуриаа схема имитатора ПЗУ, входящего в состав СИМ
262
согласования имитатора н разрабатываемой МПС служит буфер-
адаптер. Буфер-адаптер может быть сменным; его выбирают в за-
висимости от конструктивного исполнения МПС и типа применяемых
в ней ИС ППЗУ.
Для выполнения функций загрузки и изменения кодов микро-
программы имитатор ПЗУ должен иметь средста для подключения
к внешнему устройству. Как правило, в качестве такого устройства
выступает СПМ, основанная иа микроЭВМ. Для организации об-
мена между СПМ и ОЗУ имитатора, а также для электрической раз-
вязки цепей СПМ и имитатора служит буфер данных. Имитатор
ПЗУ может работать в двух режимах: загрузки, просмотра и из-
менения кодов микропрограммы; прогона микропрограммы.
Для организации адресации и управления ОЗУ имитатора в обоих
режимах служит мультиплексор адреса и управления. При появлении
обращения СПМ к ОЗУ имитатора мультиплексор подает на ОЗУ
адрес и сигналы управления с шины СПМ. При этом буфер данных
настраивается на передачу в том или другом направлении в зависи-
мости от вида обращения — чтения или записи. При отсутствии об-
ращения со стороны СПМ буфер данных выключается, ОЗУ имита-
тора работает только в режиме чтения, а на его адресный вход через
мультиплексор подается адрес с шины микропрограммного адреса
разрабатываемой МПС.
Функции логических схем разрешения выборки имитируемой
ИС ПЗУ выполняет буфер-адаптер.
Основными характеристиками имитатора ПЗУ являются объем
ОЗУ и время задержки выхода кода микрокоманды от входа микро-
программного адреса.
Время задержки имитатора определяется выражением
Gil = ^3\Б + ^Зм + ^ЗОЗУ + ^ЗДБЛ*
где /зав — время задержки микропрограммного адреса в буфере-
адаптере; /зм — время задержки микропрограммного адреса
в мультиплексоре; /зозу — время задержки данных ОЗУ от адреса;
6дг»а — время задержки кода микрокоманды в буфере-адптере.
В современных имитаторах объем ОЗУ может достигать 16 К
байт (102X128 бит), а время задержки составлять не более 35 нс
1481.
Применение логических анализаторов на этапе совместной от-
ладки аппаратуры и прогрммиого обеспечения МПС. При отладке
аппаратуры МПС ЛА применяют в комплексе с отлаженными тесто-
выми программами, причем в качестве тестовых могут выступать
фрагменты рабочих программ МПС. Однако, как уже отмечалось,
основной областью применения ЛА является этап разработки МПС,
когда отсутствуют проверенная аппаратура и отлаженные программы
(микропрограммы). Именное этих условиях проявляются преимуще-
ства ЛА как универсального и гибкого в применении прибора, поз-
воляющего разработчику находить причины сложных аппаратурно-
программных неисправностей.
263
Следует отметить, что современные СПМ снабжаются средствами
анализа логических последовательностей в той или иной форме.
Однако возможности этих средств чаще всего ограничиваются анали-
зом логических состояний, т. е. работают они в синхронном режиме
регистрации. Кроме того, возможности распознавания событий в ре-
альном масштабе времени у современных СПМ хуже, чем у ЛА.
По этим причинам СПМ не способны заменить ЛА в области анализа
временных и логических соотношений сигналов внутри тактового
интервала МПС. Поэтому ЛА выделяют в отдельный класс прибо-
ров — микропроцессорные анализаторы [64 I.
Основные особенности микропроцессорных анализаторов (МПА)
состоят в следующем:
стандартные средства подключения к контролируемой МПС
(контактный зажим типа <клипсы», устанавливаемый на БИС цен-
трального процессора);
широкие возможности ассоциативной и условной регистрации;
большое разнообразие условий запуска по последовательности
событий;
наличие режима отображения информации в мнемонических обо-
значениях символьного языка программирования контролируемой
МПС.
Стандартные средства подключения к МПС выполняют, как
правило, в виде сменного блока-адаптера, предназначенного для
контроля конкретного типа МП. Напрнмер, анализатор 7D02 фирмы
«Тектроиикс» (Tektronix) может снабжаться сменными блоками для
МП 6800, 6802 и 68000 фирмы «Моторола» (Motorola), 8085 и 8086
фирмы «Интел» (Intel) и Z-80, Z-8001 и Z-8002 фирмы «Заилог»
(Zilog).
Сменный блок реализует заданные форматы данных, адресов и
мнемонических обозначений управляющих сигналов для конкретного
типа МП.
Следует отметить, что ЛА могут быть использованы только в комп-
лекте с устройствами генерации программных воздействий. Кроме
того, в разрабатываемой МПС должны быть предусмотрены хотя бы
самые примитивные средства задания начального адреса программы
пользователя.
Внутрисхемные эмуляторы микропроцессорных БИС. Как уже
отмечалось, одним из главных обстоятельств, затрудняющих отладку
МПС, является недоступность внутренних элементов БИС для непо-
средственного контроля состояний и испытательных воздействий.
Контроль и изменение состояний внутренних элементов БИС осуще-
ствляются косвенно, путем передачи информации под действием
программного (микропрограммного) управления от внутренних эле-
ментов БИС к ее выводам при контроле и в обратном направлении
при изменении состояния элементов. Учитывая функциональную сло-
жность БИС, а также необходимость сохранить текущее состояние
МПС и восстановить его по окончании диагностических процедур,
указанные программные (микропрограммные) воздействия отли-
чаются значительной сложностью; для реализации этих последова-
2Ь4
дельностей часто требуются дополнительные аппаратурные
затраты.
Такие программно-аппаратурные средства часто называют мони-
торными системами. Для работы мониторной системы необходимы
инженерные пульты или устройства ввода-вывода, через которые осу-
ществляется диалог с оператором.
Большое разнообразие проектируемых МПС приводит к тому,
что даже для МПС, реализованных иа основе МП одного типа, при-
менение готовых мониторных систем затруднительно и требует спе-
циальной настройки программ. При отсутствии достаточно полной
программной документации такая настройка по трудоемкости может
приблизиться к разработке новых программ.
В подавляющем большинстве случаев МПС предназначаются для
работы во встроенном состоянии в составе сложных аппаратурных
комплексов. При этом в процессе эксплуатации различного рода
устройства, позволяющие вести эффективную отладку программ
(мониторные системы, инженерные пульты, устройства ввода-вывода),
представляются излишними 111 1. Мониторные программы займут
значительный объем памяти МПС, которую целесообразно целиком
выделить для решения основной задачи, а объем аппаратуры ин-
женерного пульта или устройства ввода-вывода может в несколько
раз превысить объем аппаратуры самой МПС, что сведет иа нет
все преимущества от использования микропроцессоров. Кроме того,
увеличение объема аппаратуры часто невозможно, как, например,
в бортовой аппаратуре или в портативных приборах. Следует также
отметить, что программы мониторных систем достаточно сложны,
и затраты иа их разработку могут приблизиться к стоимости про-
грамм решения основной задачи, а подчас и превысить ее. Поэтому
для узкоспециализированных МПС, в которых не предусматривается
наличие большого числа рабочих программ, разработка мониторных
систем отладки нецелесообразна. Возможности же программной пре-
емственности для таких МПС, как упоминалось выше, весьма огра-
ничены. Таким образом, подавляющее большинство разрабатывае-
мых МПС сами по себе не имеют никаких средств для отладки про-
грамм. Исключение составляют только серийные микроЭВМ общего
назначения.
Указанные причины и привели к поиску способа избавить раз-
работчика МПС от необходимости заново создавать отладочные сред-
ства для каждой новой МПС. Наиболее удачным решением этой про-
блемы является ВСЭ микропроцессорной БИС.
ВСЭ, входящий в состав СПМ, предназначен для организации
комплексной отладки аппаратуры и программного обеспечения МПС
в процессе разработки. Кроме того, ВСЭ может быть выпущен в виде
автономного прибора или может входить в состав различных тестеров,
предназначенных для функционального контроля МПС в процессе
производства и эксплуатации изделия.
ВСЭ включается вместо управляющей микропроцессорной БИС
и выполняет в разрабатываемой системе ее функции. Кроме того, при
отладке ВСЭ осуществляет:
2«5
управление ходом вычислительного процесса в макетном об-
разце МПС, т. е. инициализацию начального состояния управляющих
и информационных регистров МП БИС и запуск программы (микро-
программы) отлаживаемой МПС по шагам или до выполнения задан-
ного условия;
сбор информации о ходе вычислительного процесса в отлажи-
ваемой МПС и передаче ее в СПМ для преобразования, анализа, отоб-
ражения и документирования;
для однокристальных МП с фиксированной системой команд,
кроме того, задание программных воздействий на макетный образец
непосредственно из ОЗУ СПМ.
Для микропрограммируемых МП для выполнения этой функции
кроме ВСЭ необходим имитатор ПЗУ.
Эмулятор чаще всего подключается к макетному образцу с по-
мощью специального кабеля с разъемным в виде корпуса БИС с двух-
рядным штыревым расположением выводов. Этот разъем вставляют
непосредственно в разъем МП БИС макета.
ВСЭ включает:
замещаемый МП или его функциональный аналог, выполненный
на схемах меньшей интеграции или в виде БИС с дополнительными
выводами;
устройства, повторяющие отдельные внутренние узлы эмули-
руемой БИС, что делает эти узлы доступными управлению и конт-
ролю со стороны СПМ;
специальные схемы распознавания событий, вызывающие преры-
вание выполнения программы (микропрограммы) пользователя;
намять логических последовательностей (ПЛП), предназначен-
ную для логического анализа состояний шин разрабатываемой МПС
в режиме выполнения программы в реальном времени;
средства связи с шиной системы проектирования;
буферные и мультиплексирующие схемы.
БИС МП или ее функциональный аналог предназначены непо-
средственно для выполнения функций замещаемой схемы. Реализация
этих фу нкций на схемах меньшей интеграции пли разработка специ-
альной БИС с дополнительными выводами требуется для обеспечения
доступа к внутренним узлам схемы МП Это необходимо для у правле-
ния и контроля состояния узлов, программно недоступных в реальной
МП БИС, или для контроля логического состояния внутренних
узлов БИС в реальном масштабе времени.
В случае, когда во ВСЭ устанавливается обычный кристалт
МП БИС, программнонедоступные узлы в узлы, состояние которых
надо контролировать в реальном времени, дублируются с помощью
специальных внешних схем. Схемы распознавания событий во ВСЭ
принципиально ничем не отличаются от схем запуска индикации логи-
ческих анализаторов. Разница состоит лишь в том, что в ЛА выходные
сигналы этих схем прекращают регистрацию данных в память логи-
ческих последовательностей, а во ВСЭ, кроме того, вызывают пре-
рывание выполнения программы разрабатываемой МПС. Управление
при этом передается центральному процессору СПМ.
206
Память логических последовательностей (ПЛП) позволяет про-
сматривать состояния шин разрабатываемой МПС на протяжении
ряда последних тактовых интервалов перед моментом прерывания.
Как правило. ПЛП ВСЭ работает в синхронном режиме регистрации.
После прерывания программы пользователя содержимое ПЛП может
быть преобразовано в любой удобный оператору формат, в том числе,
например, в мнемонические обозначения языка ассемблера, отобра-
жено на экране дисплея, задокументировано устройством печати,
записано во внешнюю память СПМ В этом смысле СПМ предостав-
ляет разработчику больший сервис, чем многие ЛА.
Средства связи с шиной системы проектирования обеспечивают
обмен информацией между ВСЭ и другими устройствами СПМ и пе-
редачу управления от центрального процессора СПМ ВСЭ и обратно.
Это дает возможность использовать в процессе отладки ресурсы СПМ
так, как будто они входят в состав макетного образца разрабатывае-
мой системы. В рассматриваемом случае ОЗУ и УВВ СПМ могут
выполнять роль соответствующих устройств разрабатываемой МПС,
которых еще нет в составе макета. Эго позволяет начинать совместные
испытания аппаратуры и программного обеспечения задолго до
окончания изготовления аппаратуры всех устройств разрабатывае-
мой МПС, что сокращает сроки разработки. Аппаратные средства
вводятся в макетный образец последовательно по мере их изготовле-
ния и в порядке важности. При этом соответствующие ресурсы СПМ
отключаются от комплекса, и их функции начинает выполнять ре-
альная аппаратура макета МПС.
Последовательный характер включения в систему аппаратных
блоков позволяет быстро обнаруживать ошибки разработчика и де-
фекты аппаратуры. Когда испытания аппаратуры и программного
обеспечения считаются законченными, ВСЭ отключают от разраба-
тываемой МПС и на его место устанавливают БИС микропроцессора.
Таким путем получается работоспособная система, функционально
не отличающаяся от будущей серийной МПС.
Буферные и мультиплексирующие схемы служат для организации
взаимодействия ВСЭ с СПМ и с макетом разрабатываемой МПС,
для электрического и программного согласования ВСЭ с макетом
и для электрической развязки шин макета и СПМ.
Режим работы ВСЭ. ВСЭ может работать в следующих режимах
1341:
опроса;
пошагового исполнения программы (микропрограммы) пользо-
вателя;
пошагового исполнения программы (микропрограммы) пользова-
теля с автоматическим контролем состояния разрабатываемой МПС;
эмуляции исполнения программы (микропрограммы) пользова-
теля в реальном масштабе времени.
В режиме опроса программа (микропрограмма) пользователя
остановлена. Управление передается центральному процессору СПМ,
который, выполняя диагностические программы под действием команд
оператора, задаваемых с системной консоли, может индицировать
267
и изменить состояние внутренних регистров эмулируемой МП БИС.
В гом числе могут быть проконтролированы и изменены состояния
внутренних узлов, которые в обычной МП БИС программно недо-
ступны. Эта возможность появляется за счет использования функци-
онального аналога эмулируемой МП БИС, в котором указанные узлы
доступны, или за счет дублирования внутренних узлов с помощью
специальных внешних схем. Кроме того, в режиме опроса может
быть проанализировано содержимое ПЛП, и, таким образом, опре-
делено состояние шин разрабатываемой МПС на последних шагах
программы (микропрограммы) В режиме опроса оператор может
установить новые условия прерывания программы (микропрограммы)
пользователя.
В пошаговом режиме исполняется одна команда (микрокоманда)
разрабатываемой системы на каждую команду «Пуск», заданную опе-
ратором с пульта СПМ. После исполнения каждой команды (микро-
команды) СПМ переходит в режим опроса эмулятора В режиме по-
шагового исполнения с автоматическим контролем результаты опроса
ВСЭ. проводимого после каждого шага программы пользователя,
анализируются автоматически по заранее заданной программе.
После каждого шага определенная информация о ходе вычислитель-
ного процесса в разрабатываемой МПС может отображаться на экране
дисплея, формироваться в информационные массивы в ОЗУ СПМ
и проверяться на появление заранее определенных событий. После
выполнения заданного числа шагов программы (микропрограммы)
пользователя или появления некоторого заданного события испол-
нение программы пользователя прекращается, и СПМ переводит
ВСЭ в режим опроса.
Режим пошагового исполнения с автоматическим контролем яв-
ляется мощным средством логической отладки МПС, позволяя, на-
пример, производить формирование логических последовательностей
состояний внутренних регистров МП БИС при исполнении программы
пользователя, индицировать события, связанные с появлением
определенной последовательности таких состояний и т. п. Недостат-
ком этого режима является то обстоятельство, что испытуемая про-
грамма исполняется не в реальном времени, и ошибки, связанные
с нарушением временных соотношений между электрическими сигна-
лами, вырабатываемыми разными командами, могут остаться необ-
наруженными.
Для испытаний программы (микропрограммы) при рабочих быст-
родействиях разрабатываемой МПС используется режим эмуляции
исполнения в реальном времени. В этом режиме управление переда-
ется процессору ВСЭ и он выполняет программу (микропрограмму)
пользователя так, словно процессора СПМ не существует. Прекра-
щение эмуляции исполнения происходит при появлении заданного
события, которое прерывает программу пользователя и передает
управление центральному процессору СПМ для исполнения про-
грамм режима опроса. События, вызывающие прерывание программы
пользователя, аналогичны событиям, вызывающим запуск индикации
ЛА:
2СН
Рис. ».в. Структурная схема СПМ Intellec, снабженная ВСЭ:
I — универсальный блок прямого Доступа в намять: 2 — универсальный интерфейс ввода-
вывода; J — центральный процессор 8080: 1 — оперативная память 64 X 8 бит; 5 — внутри-
схемный эмулятор н память логических последовательностей; 6 — лицевая панель: 7 —
накопитель на гибком диске: 8 — программатор ПЗУ; 9 — телетайп; 10 — печатающее
устройство; II — ввод-вывод на перфоленту; 12 — дисплей с клавиатурой
выполнение заданного числа шагов;
появление заданной комбинации логических состояний на ши-
нах МПС;
появление заданной последовательности таких комбинаций.
Поскольку обнаружение заданного события при исполнении про-
граммы в реальном времени происходит аппаратно, то возможности
анализа событий в этом режиме меньше, чем при пошаговом испол-
нении с автоматическим контролем, где эти функции выполняются
программно. Кроме того, в режиме исполнения в реальном времени
можно контролировать состояние только физически доступных то-
чек ВСЭ, поэтому контроль состояния внутренних регистров в этом
режиме не осуществляется.
Первые ВСЭ были разработаны фирмой «Интел» (Intel) в 1975 г.
и предназначались для эмуляции МП 8080 и блока мнкропро! рамм-
ного управления (БМУ) 3001 из комплекта биполярных микропро-
цессорных секции серин 3000 (зарубежный аналог отечественной
серии К589). Эти ВСЭ были разработаны для включения в состав
СПМ Intellec и получили наименование 1СЕ-80 и ICE-30 * соот-
ветственно.
Структурная схема СПМ Intellec, снабженная ВСЭ—на рис. 9.6.
Комплексная отгадка аппаратуры и микропрограмм МПС,
основанных на секционных микропроцессорах (СПМ). В некоторых МП
коплектах функции управления реализованы в нескольких корпусах
БИС. В таких комплектах, как правило, предполагается возможность
наращивания разрядности устройства управления, что позволяет
ICE — in-circuit emulator (внутрисхемный эмулятор).
269
Систем прлекптробания
Микрмрыраммируенаг система
Гнс. 9.7. Структурны схема СИМ для разработки МПС на секционных МП:
ПчУ — печатающее устройство; ПУ — пульт управления; СПМ — секционный микро-
компрессор; БУ — блок управления
пользователю разрабатывать систему с объемом управляющей памяти,
соответствующим его задачам. Такая реализация устройства управ-
ления характерна для МП на основе мнкроирограммируемых би-
полярных секций. Применение принципов внутрисхемной эмуляции
для отладки МПС на основе таких МП затруднительно по следующим
причинам:
необходимо эмулировать одновременно и синхронно несколько
БИС;
необходимо обеспечить связь между макетом МПС и СПМ по
большому числу шин, что конструктивно весьма сложно.
Поэтому СПМ для отладки таких систем строятся с применением
типовых макегных плат. СПМ состоит из двух частей — управляю-
щей и микропрограммируемой систем. Структурная схема такой
МПС показана на рис. 9.7. Управляющая система представляет собой
микроЭВМ с широким набором устройств ввода-вывода, операционной
системой, ориентированной на работу с диалоговом режиме и раз-
витым программным обеспечением. Центральный микропроцессор
СПМ служит адаптером пользователя дтя микропрограммируемой
системы.
Микропрограммпруемая система содержит имитатор управляющей
памяти разрабатываемой МПС, блок управления и анализа, контрол-
лер микропрограммы и макет разрабатываемой системы.
Блок управления и анализа выполняет функции управления ре-
жимом выполнения микропрограммы, т. е. обеспечивает режим ис-
полнения микропрограммы по шагам или запуск микропрограммы
в реальном масштабе времени до выполнения заданного условия.
Кроме того, блок содержит П.1П, позволяющую проводить логиче-
ский анализ состояния шин макета.
270
Контроллер микропрограммы выполняет функции микропрограм-
много устройства управления в макете разрабатываемой МПС и
после окончания отладки заменяется реальным устройством.
Макет разрабатываемой ЛШС изготовляют на типовых макетных
платах, которые устанавливают непосредственно на шасси СПМ и
используют источники питания комплекта отладки. Правильное
соединение макета с устройством СПМ обеспечивается оговоренной
разводкой краевых разъемов макетных плат.
Первой системой проектирования, основанной на таких прин-
ципах, была система System 29 фирмы AM (США),предназначенная
для проектирования МПС на основе биполярных МП AM 2900
1471. Структурная схема Sy>tem 29 приведена иа рис. 9.8. Роль
центрального процессора в МПС выполняет 8-разрядный МП 8080.
Для обеспечения процесса отладки СПМ содержит накопитель на
гибких магнитных дисках, системный пульт — дисплей с клавиа-
турой, устройство печати, УВВ на перфоленту и программатор ПЗУ.
В системе принята страничная организация памяти. Эти функции
выполняет регистр базового адреса (РБА). МП 8080 может прямо
адресовать 64 К байт ЗУ. Младшие 32 К байт пространства адре-
сов занимает ОЗУ, в котором хранится дисковая операционная
система AMDOS'29. Старшие 32 К байт адресного пространства от-
Рис. *.8. Структурная схема СПМ System 2Я:
/ — ОЗУ 32к X 8 бит; 2, 3, 5 — последовательный интерфейс; 4, 6 — парат тельный ин-
терфейс; 1 — контроллер lit МД; 8 — регистр базового адреса; 9. 10 — имитатор ПЗУ?
// — контрольно-измерительный блок; /2 — контроллер микропрограммы; 13 — блоки*
разрабатываемые МПС
27*
водятся в системе для различных функций и адресуются с помощью
РБА. Используя 8-разрядный регистр, можно адресовать до 256
страниц по 32 К бант каждая. Например, имитатору ПЗУ объе-
мом 4 КХ128 бит отводится две страницы, контрольно-измеритель-
ному блоку — одна страница и т. д.
Программное обеспечение СПМ. Дисковая операционная система
(ДОС) позволяет открывать, закрывать, переименовывать, считы-
вать с диска, записывать на диск файлы, искать их по имени, выво-
дить на экран или печать на списки файлов или их содержимое.
Кроме того ДОС включает директивы отображения и изменения со-
держимого имитатора ПЗУ, позволяет выводить содержимое имита-
тора на диск или на перфоленту, сравнивать блоки данных.
Для разработки программного обеспечения управляющей си-
стемы в программном обеспечении СПМ имеется: ассемблер 8080,
отладчик и редактор текста.
Для разработки микропрограмм проектируемой СПМ система
имеет мнкроассемблер AMDASM/29, который настраивается на кон-
кретные мнемонические обозначения и формат микрокоманды,
разработанные пользователем. Кроме того, имеется ряд вспомога-
тельных программ, позволяющих подготовить коды для программи-
рования ИС ПЗУ заданного типа и формировать контрольные
разряды в кодах микрокоманд.
Микропрограммируемая система. Микропрограммируемая си-
стема СПМ System 29 содержит имитатор ПЗУ, контрольно-управ-
ляющий блок, контроллер микропрограммы и свободные разъемы
шасси для установки птат макета разрабатываемой МПС.
Имитатор ПЗУ в базовой конфигурации содержит блок ОЗУ
объемом 32 К байт, реализованный на ИС статистических ОЗУ
объемом 4 К бит и временем доступа не более 300 нс. Этот блок
может использоваться как имитатор с конфигурацией 2 К X 128 бит
или 4 К X 64 бит. В случае применения системного контроллера
микропрограмм объем имитатора может быть удвоен до 4 К X 128
бит. Кроме того, возможно применение быстродействующего ими-
татора объемом 1 К X 64 бит со временем доступа 50 нс.
Контрольно-измерительный блок содержит программно управля-
емый синхронизатор макета разрабатываемой МПС, который поз-
воляет выполнять микропрограмму по шагам или запускать ее в ре-
альном времени до заданной точки. Этот блок содержит ПЛП объе-
мом 256 X 100 бит, что дает возможность анализировать логические
состояния 100 контрольных точек макета на протяжении последних
256 шагов микропрограммы. В качестве условия прерывания микро-
программы используется появление заданного 12-разрядного микро-
программного адреса.
Микропрограммное устройство управления в МПС на основе
комплекта БИС АМ2900 реализуется с помощью 4-разрядных эле-
ментов микропрограммного управления АМ2909 и АМ2911. Струк-
турная схема АМ2909 приведена на рис. 9.9.
Структурная схема контроллера микропрограммы, входящего
в состав СПМ System 29, приведена на рис. 9.10.
272
Put. 9.9. Структурная скема мик-
ропрограммного управляющего эле-
мента AM 2909
Виод К ЦпЬадление tthtKM
Выеод адреса
Рис. 9. to. Контроллер микропро-
граммы МУЗ — микропрограммный
vnnaMflioi(iHfl элемент
Шина данные СПИ 7/
273
Микропрограммный адрес формируется с помощью блока из од-
ного прибора АМ2909 и двух приборов АМ2911. Адрес содержит
12 разрядов, что позволяет адресовать до 4 К слов микропрограммы.
Источником адреса могут служить:
счетчик микропрограммы, который содержит инкремент адреса
текущей микрокоманды;
стековое ЗУ, которое может хранить до 5 адресов;
внутренний регистр /?;
внешний вход D.
При каждом переходе источник адреса указывается с помощью
блока выбора следующей микрокоманды АМ29811. При безусловных
переходах может указываться любой источник адреса, при условных
переходах — один из двух.
Четыре младших разряда адреса можно модифицировать с по-
мощью 16-канального блока управления переходами АМ29803, ко-
торый подключается ко входу «или жприбора АМ2909.
На вход D приборов АМ2909 2911 поступают сигналы с шины
адреса команды. Источником этого адреса является специальный
имитатор ПЗУ, функцией которого является преобразование кода
команды, поступающего из регистра команд, в начальный адрес со-
ответствующей микропрограммы. Поскольку содержимое этого ими-
татора доступно СПМ для записи и считывания, разработчик может
вести эффективную отладку системы команд разрабатываемой МПС,
оперативно изменяя распределение микропрограммной памяти
между отдельными командами системы.
Контроллер микропрограммы по существу является аналогом
ВСЭ управляющей БИС (например, 1СЕ-30), только эмулирует он
микропрограммное устройство управления, реализованное на не-
скольких ИС, и из-за большого числа связей с другими узлами си-
стемы стыкуются с макетом через краевой разъем печатной платы.
С помощью специальных команд оператор может с системного
пульта устанавливать любой микропрограммный адрес, определяя,
таким образом, начальный адрес отлаживаемой микропрограммы.
Управляющая система взаимодействует с микропрограммируемой
в трех режимах: опроса, пошагового исполнения микрокоманд и
исполнения микропрограммы в реальном времени. Эти режимы такие
же, как и соответствующие режимы работы ВСЭ.
Описанный подход к построению СПМ для проектирования МПС
на основе биполярных секций является весьма удачным. Новые СПМ
этого класса отличаются только техническими параметрами имита-
торов и Ш1П и усовершенствованиями программного обеспечения.
Глава
10
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ
РОБОТАМИ
10.1. Общие направления развития систем управления
промышленными роботами
Общее направление развития систем управления промышленными
роботами способствует более эффективному выполнению всех видов
производственных операций, на которые роботы в основном ориенти-
рованы: сборка механических, электромеханических » электронных
узлов, обслуживание обрабатывающего оборудования, выполнение
сварочных и контрольных операций и т. и. Роботы современных мо-
делей обеспечивают высокою стабильность цикла, возможность
работы более одной смены и эффективность при выполнении различ-
ных операций. Однако зачастую роботы уступают человеку в гиб-
кости, умении работать в условиях неполной информированности и
возможности приспосабливаться к изменениям в технологическом
процессе.
Точность и быстродействие роботов повышаются с каждой новой
разработкой. Образцы роботов начата 70-х годов имели ошибки по-
зиционирования захвата 1,5—3 мм для позиционных роботов и
0,05—0,1 мм для роботов с позиционированием по жестким упорам.
В настоящее время появились роботы с позиционным и контурным
управлением и ошибкой позиционирования 0,05—0,1 мм (роботы
ПУМА. «Скалам», «Прагма», RJ 65). Эти роботы успешно вып л-
ияют операции сборки и сварки, требующие высокой точности. По-
вышение точности систем управления роботов связано с применением
кодовых и индукционных датчиков, двухотсчетных систем измерения,
а также с расширяющимся применением систем относительного от-
счета, включающих, например, импульсные датчики, встроенные
в привод. Последнее решение, при достаточно качественном выпол-
нении механической части робота, позволяет получить ошибку по-
ложения рабочего органа манипулятора ие более 0,02—0,05 мм.
Быстродействие роботов непосредственно определяет их произво-
дительность и целом повышается благодаря применению более
качественных приводов. При оценке повышения быстродействия ро-
ботов за последние годы следует иметь в виду следующие факторы.
I. Для роботов, в работе которых главным обстоятельством явля-
ется перемещение детатей или орудий труда, тяжелых для человека,
а точность имеет второстепенное значение, увеличение быстродейст-
вия определяется в основном энергетическими характеристиками
привода. Скорости перемещения вследствие совершенствования
приводов увеличились за десятилетне на 40—60 %. Следует отметить
275
значительный прогресс электромеханических приводов, которые в на-
стоящее время успешно конкурируют по быстродействию с гидро-
приводами в моделях роботов средней грузоподъемности (20—40 кг).
2. Для роботов, выполняющих сложные в информационном от-
ношении операции (сборку, контроль и т. д.), важным является бы-
строта переработки роботом информации. Это качество системы управ-
ления может оцениваться величиной двоичного логарифма отношения
скорости перемещения рабочего органа робота к ошибке позициони-
рования. В последнее время наблюдается значительное увеличение
(в 2—3 раза) этой величины для систем управления сборочных ро-
ботов. Лучшие образцы систем управления позволяют программиро-
вать разгон и торможение звеньев, что обеспечивает оптимальную
динамику движения манипулятора (роботы <Скилам», «Мото-
мен-Л 10»).
Быстродействие очувствительных роботов, например, с техниче-
ским зрением в известной степени сдерживается временем обработки
видеоинформации. В системах технического зрения достаточное бы-
стродействие обеспечивается в настоящее время только прн анализе
несложных изображений. Например, видеосистема «фирмы «Фудзи»
(Япония) обеспечивает выполнение до 10 простых контрольных опе-
раций в секунду. Решение сложных задач визуального контроля и
распознавания в реальном времени потребует применения сверхбы-
стродействующих вычислительных систем и методов параллельной
обработки видеоинформации.
С каждым годом в общем парке роботов увеличивается число
моделей с более совершенными системами управления — позицион-
ными и контурными, которые практически не имеют ограничений по
числу точек позиционирования в рабочей зоне в отличие от робо-
тов с цикловым управлением. Роботы с позиционными и контурными
системами управления и памятью в 500—1000 точек могут выполнять
широкий класс манипуляционных задач. Например, роботы модели
ПУМА применяют на различных операциях сборки и контроля;
они выполняют дуговую сварку и могут обслуживать практически
любое производственное оборудование сборочных, монтажных и
механообрабатывающих производств.
Большими возможностями облачает перспективное устройство
управления фирмы «Фанук» (Япония», разработанное на базе при-
менения совершенной микровычпслительной техники. Устройство
можно подключать к манипуляторам с самой различной кинематикой.
При этом необходимые пересчеты с учетом системы координат кон-
кретного манипулятора осуществляются однокристальными микро-
ЭВМ. Оператору нужно лишь задать код кинематики данного мани-
пулятора. Устройство обеспечивает также адаптивное управление
от 5—6 сенсорных устройств. Благодаря применению однокристаль-
ных микроЭВМ устройство выполнено всего на трех платах.
Прн широком применении микропроцессорной техники появля-
ется возможность существенного улучшения характеристик систем
управления вплоть до получения качественно новых решений. Та-
ким примером является система управления промышленного робота
276
IPI (США). Робот имеет пневматические приводы с управлением ка-
ждым приводом от отдельного микропроцессора (МГ1). Последний
обрабатывает сигналы цифровой обратной связи и оптимизирует
параметры пневмопривода, обеспечивая экономию энергии и адапта-
цию к нагрузке Для координации движении по пяти степеням под-
вижности используют отдельный МП, управляющий одновременно
и тормозным устройством каждой степени подвижности. Управление
приводами осуществляется в широтно-импульсном режиме. Для уп-
равления позиционированием изменяют ширину импульсов давления,
а для управления скоростью — частоту их следования
В системе использован микрокомпьютер, имеющий память
128 К бант. Компьютер обеспечивает общее управление роботом и
его программирование, которое выполняется на специальном языке
робота IPI либо на языках ФОРТРАН и ПАСКАЛЬ. Важной харак-
теристикой систем управления промышленными роботами является
гибкость, определяемая в основном совершенством методов про-
граммирования. В настоящее время используют следующие мето-
ды 131: обучения, аналитический и формирования программы в
процессе функционирования робота в диалоге с оператором.
Программирование методом обучения получило наибольшее рас-
пространение в конструкциях роботов семидесятых годов. Оно на-
иболее отвечало простым системам роботов в условиям их единич-
ного применения. В настоящее время связи с основным направле-
нием — создание типовых роботизированных комплексов, включа-
ющих группы роботов и другое оборудование, перспективными ста-
новятся аналитический расчет программы и методы формирования
ее в диалоге оператор — робот для систем очувствтенных роботов.
Переходным этапом является применение программаторов как
отдельных устройств, облегчающих формирование программ. Про-
стейшие программаторы выполняют функции накопления программ,
частичной обработки данных (сжатие информации), хранение и за-
пись программ в память роботов. Расчета программы здесь еще нет,
так как оператор формирует ее методом обучения.
Программаторы, разработанные для сборочных роботов, обладают
большими возможностями. Они включают эффективные средства
общения операторов с системой управления роботом: телетанп, пи-
шущую машинку, дисплей. В этом случае программирование ведется
на специальном языке терминов и команд, соответствующих програм-
мируемому технологическому процессу. Так, например, сборочный
робот <Скилам» (Япония) программируется на проблемно-ориенти-
рованном языке СЕРФ Программирующее устройство включает
дисплей, печатающее устройство и кассетный накопитель. Сборочный
©чувствительный робот ПРАГМА (Италия) программируется на
проблемно-ориентированном языке ХЕЛП. Для отладки программ
используется пишущая машинка либо дисплей.
Программирование на программаторах, как правило, ведется
в координатах рабочей зоны и в абсолютной системе отсчета. Вы-
числительные средства программатора (на микропроцессорах, микро-
ЭВМ) осуществляют пересчет данных с учетом кинематической схемы
277
манипулятора и особенностей измерительной системы. При этом име-
ется возможность редактирования программ,вывода их на печать либо
магнитную ленту и записи сформированных программ в рабочую
память устройств управления типа ППЗУ (с электрической записью).
Все это освобождает оператора от рутинной работы, позволяет со-
средоточить внимание на алгоритме функционирования робота, а
также эффективно разрабатывать сложные программы.
Программирование промышленных роботов, включенных в робото-
технические комплексы, должно осуществляться в автоматическом
режиме. Технолог-программист формулирует задачу системе на вход-
ном языке, задавая геометрические размеры детали, последователь-
ность обработки и прохождения детали через оборудование участка.
Система автоматического программирования по введенной информа-
ции рассчитывает оптимальные траектории перемещения детали,
определяет временные параметры программы и условия синхрони-
зации роботов и технологического оборудования. Рассчитанные и
подготовленные для отработки программы по каналу связи переда-
ются в систему управления комплексом и далее в автономные уст-
ройства управления роботами. Эффективность разработки программ
здесь обеспечивается всем комплексом средств аппаратного и про-
граммного обеспечения ЭВМ.
Создание адаптивных систем для управления очувствленными
роботами является важнейшим направлением развития систем уп-
равления. Разработка систем управления с повышенной точностью
н быстродействием, большим объемом памяти и средствами гибкого
программирования на микропроцессорной основе является шагом
к созданию систем для очувствленных роботов, оснащенных сенсор •
ними устройствами.
Совершенные сенсорные устройства — основа очувствленных ро-
ботов с адаптивным управлением. Исследования в области создания
и применения систем очувствления для промышленных роботов
выявили три основных типа систем: технического зрения, измерения
усилий и моментов, тактильной информации. Наиболее перспектив-
ным представляется применение первых двух видов очувствления и
особенно технического зрения. Система технического зрения, ана-
логичная глазу человека, обладает высокой универсальностью и
обеспечивает измерение координат, идентификацию известных пред-
метов, распознавание по некоторым признакам новых предме-
тов. Указанные функциональные возможности обеспечивают в
перспективе широкую область применения устройств технического
зрения на сборочных, контрольных и измерительных опера-
циях.
Технический уровень систем обработки визуальной информации
в значительной мере зависит от прогресса микровычислительной тех-
ники и оптоэлектроники. Современные устройства технического зре-
ния не обладают достаточным быстродействием, разрешающей спо-
собностью и имеют большие габаритные размеры. Их применяют для
анализа несложных изображении. В ряде случаев используют системы,
ориентированные на определенные параметры. При этом необходимо
278
специальное отрешение для подчеркивания контрактное™ изобра-
жений.
Существенный прогресс в создании систем технического зре-
ния возможен:
при создании малогабаритных и быстродействующих телекамер
с высокой линейностью и разрешающей способностью и стабильным
видеосигналом;
при применении для обработки видеоинформации микровычисли-
тельных средств с более высоким быстродействием, и степенью ин-
теграции БИС памяти.
Использование таких технических средств позволит принципи-
ально изменить методы обработки визуальной информации — перейти
от последовательной обработки частей видеоинформации к опериро-
ванию полными образами анализируемой схемы как единицами видео-
информации.
Повышение качества оптоэлектронных устройств позволит при-
менять миниатюрные видеодатчики на фотоматрицах, которые мо-
жно устанавливать на манипуляторе, встраивать в захват, палец.
Высококачественные световолокна позволят практически без потерь
передавать видеоинформацию от различных точек поверхности зах-
вата к отдельно размещенной телекамере для последующей обработки.
Силометрические сенсорные устройства и методы управления
по усилию начинают широко применяться в сборочных и других
роботах с адаптивным управлением. Прогресс в угой области связан
с повышением точности силометрических устройств и разработкой
алгоритмов управления по информации об усилиях и моментах.
Применение систем с очувствлением по усилию кроме операций
сборки будет связано с созданием роботов с повышенной автономно-
стью действия, перемещающихся по производственным помещениям,
осуществляющих контроль, а в отдельных случаях и устранение мел-
ких производственных неполадок, несложный ремонт путем замены
сменных компонентов и т. п. Эти роботы будут манипулировать с ши-
роким кругом предметов производства, органами регулирования
и контроля, с которыми обычно взаимодействует рабочий или опера-
ратор.
В исследуемых решениях многомерных силометрических устрой-
ройств, измеряющих 3—6 составляющих силового воздействия,
существенная доля погрешности вносится вследствие взаимного
(перекрестного) влияния усилий но различным координатам. По-
строение схем обработки сигналов с снлометрического устройства
на микропроцессорном узле позволяет учесть взаимное влияние раз-
личных каналов и благодаря соответствующей корректировке сиг-
налов «развязать» каналы, значительно повысить точность измерения
усилий и моментов, улучшить линейность характеристики.
Применение тактильных датчиков, а также датчиков ближней
локации ограничивается следующими причинами:
датчики при относительно высокой точности измерения расстоя-
ния до предмета имеют низкую избирательность (точность определе-
ния направления на предмет) и небольшой диапазон измерения;
279
результаты измерения для локационных датчиков обычно зави-
сят от материала предметов, фактуры поверхности, цвета, а также
внешних условий;
для получения высокой точности позиционирования в зоне изме-
рения скорость движения робота должна быть минимальной, но
это снижает его быстродействие. Однако в сочетании с другими си-
стемами измерения тактильные и локационные датчики применяют
для контроля наличия детали в подающем механизме, захвате и дру-
гих устройствах, а также для защиты конструкции робота и техно-
логического оборудования от столкновений при незапрограммпро-
ванных движениях и т. п.
Б области разработки алгоритмов управления роботами наиболь-
шее внимание будет уделяться методам группового управления про-
мышленными роботами и алгоритмам адаптивного'управления очув-
ствленными роботами.
Очувствленные роботы получат дальнейшее развитие при при-
менении сенсорных устройств с возможностью корректировки про-
граммы робота при манипулировании неопределенно расположенными
или подвижными предметами. Особое внимание будет уделяться
способам управления с использованием алгоритмов идентификации
и распознавания предметов на основе применения устройств техниче-
ского зрения. Для сложных задач управления, когда невозможно
конкретно запрограммировать все действия робота, найдут приме-
нения методы управления, включающие элементы искусственного
интеллекта. В этом случае системе управления формулируется об-
щий принцип решения определенного класса задач. Система анали-
зирует условия работы но информации с сенсорных устройств и
в соответствии с текущей задачей вырабатывает программу функцио-
нирования робота.
Реализация алгоритмов управления очувствленными роботами
н управления с использованием элементов искусственного интелле-
кта требует включения в систему мощного вычислительного устрой-
ства или комплекса вычислительных устройств с соответствующим
матобеспечением.
Важной характеристикой систем управления промышленными
роботами является их надежность. При эксплуатации промышленных
роботов в составе участка необходимо предусмотреть в системе
управления различные блокировки как при возможных сбоях техно-
логического процесса, так и при отказе отдельных частей оборудова-
ния. Обеспечение надежной работы комплекса в этих условиях тре-
бует также наличия развитой системы контроля и диагностики.
Серийно выпускаемые устройства управления промышленными
роботами обычно не имеют резервированных узлов. Контроль функ-
ционирования устройства ограничивается контролем питания, пере-
дачи информации и сохраняемости программы (перед началом ра-
боты), а также контролем исходного состояния манипулятора. При
отказе осуществляется индикация причины отказа и останов системы.
Локализация отказавшего узла, как правило, не обеспечивается,
и средства автоматического восстановления работы отсутствуют.
280
Наиболее совершенные системы управления, построенные на
базе микровычислнтельной техники, имеют средства контроля и диаг-
ностики с расширенными возможностями. Так, система управления
робота «Мотомен-Л10» (Япония) контролирует до 20 видов неисправ-
ностей и сбоев: отказ датчиков положения, тахогенераторов, выход
степени подвижности на граничною зону, ошибку привода, превы-
шение температуры внутри устройства, ошибку порядка действий,
программную ошибку и т. д. Обеспечивается четкая локализация
неисправного узла и соответствующая индикация на пульте системы.
В перспективных системах управления высокая надежность и
ремонтоспособность будут обеспечиваться:
резервированием наиболее критичных в отношении функциони-
рования узлов системы;
наличием глубокого контроля функционирования частей системы
и диагностирования неисправностей программным путем с локали-
зацией вышедшего из строя узла;
осуществлением перестройки структуры системы управления
с отключением неисправного узла и переключением на исправный
или распределением функций средн работающих узлов.
Технической основой высоконадежных систем является модуль-
ный принцип построения и мультипроцессорная структура средств
обработки информации на базе микропроцессоров и микроЭВМ.
10.2. Развитие структуры систем управления роботами
В перспективных системах управления роботами получит разви-
тие принцип иерархической организации структуры управления.
Применение микровычислнтельной техники приведет к дальнейшему
совершенствованию структуры систем управления.
Возможность построения малогабаритных и быстродействующих
вычислительных узлов позволит локализовать обработку информа-
ции в узлах непосредственно сопряженных с источниками информа-
ции и организовать для каждого потока информации свой процес-
сор. При этом более четко определяются уровни обработки информа-
ции.
Мультипроцессорное структурное построение наиболее плодо-
творное направление развития вычислительных и управляющих
систем.
В настоящее время для построения устройств управления при-
меняются микропроцессоры, работающие с 8- и 16-битными данными
и емкость памяти 8—32 К байт. Следующим этапом развития явится
применение 16-разрядиых микропроцессоров с встроенной постоян-
ной памятью емкостью 32—256 К байт. Это позволит накапливать
значительное программное обеспечение в микровычислительных
устройствах.
Дальнейшим развитием явятся микропроцессоры (МП) 16- или
32-разрядные с расширенной системой команд в возможностью вы-
полнения операций над данными, представленными в формате с пла-
вающей запятой. Объем памяти МП этого класса от 128 К байт
281
до 1 М байт, что позволит встраивать в МП ядро операционной
системы и другие программные средства, включая средства защиты
памяти.
И, наконец, высшим классом микропроцессорных средств в пер-
спективе будет 32- разрядная микросуперЭВМ с встроенной памятью
объемом от 256 К байт до 8 М байт. Система команд этого МП в от-
личие от'МП предыдущих классов не предусматривает использования
языка ассемблера. Программирование будет осуществляться только
на языке высокого уровня, что примерно на порядок уменьшит
нагрузку на программистов.
Перспективно применение аналоговых микропроцессоров, т. е.
БИС, где в одном кристалле объединены микропроцессор, аналого-
цифровые и цифроаналоговые преобразователи и схемы управления
периферийными устройствами. Первый аналоговый МП типа 2920
уже разработан фирмой «Интел> (США) 146). Применение подобных
БИС может коренным образом преобразовать системы обработки
аналоговой информации и является чрезвычайно перспективным для
систем управления и систем обработки сенсорной информации ро-
ботов с адаптивным управлением.
Для создания высоконадежных систем управления роботами ши-
рокое применение найдут адаптивные МП и адаптивные БИС памяти.
Устройства данного типа содержат резервные узлы, схемы комму-
тации, средства диагностики отказов и самовосстановления. Исполь-
зование адаптивных внутренних связен позволяет на порядок уве-
личить наработку на отказ МП и БИС памяти.
Использование перспективных структур систем управления и
микропроцессорной элементной базы позволит создавать эффектив-
ные системы управления для промышленных роботов автоматиче-
ских производств будущего.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1	Адаптивное управление манипулятором с шаговыми приводами В. М. Ла-
чииов, В. Г. Самарский, А. В. Тимофеев, В. А. Якубович. — В ки.: Робототех-
ника. Л.: ЛПИ, 1976, с. 66—74.
2.	Алгоритмы построения программных движений роботов-маиипуляторов
с учетом ограничений и препятствий/В. А. Малышев, А. В. Тимофеев. — Изв. АН
СССР. Техническая кибернетика, 1978, № 6, с. 64—72.
3.	Андрианов Ю. Д., Юревич Е. И. Программирование промышленных ро-
ботов. т— В ки.: Робототехника. Л.: ЛПИ, 1979, с. 3—10.
4.	Архитектура параллельных вычислительных систем и тенденции их
развития/И. А. Мамэелев. — Зарубежная радиотехника, 1980, К» 11, с. 3.
5.	Ахметжанов А. А. Высокоточные системы передачи угла автоматических
устройств. М.: Энергия, 1975. 287 с.
6.	Ахметжанов А. А., Лухиных Н. В. Индукционный редуктосин. М.: Энер-
гия, 1971. 78 с.
7.	Баканов М. В., Лыска В. А., Алексеев В. В. Информационные микро-
машины следящих и счетио-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сель-
сины). М.: Советское радио, 1977. 88 с.
8.	Балашов Е. П., Киоль А. И. Многофункциональные запоминающие уст-
ройства. Л.: Энергия, 1972. 143 с.
9.	Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные
системы. М.: Радио и связь, 1981. 326 с.
10.	Баранов С. И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1974.
216 с.
II.	Бауме А. К., Гуртовцеа А. Л., Зазновз Н. Е. Микропроцессорные сред-
ства. Рига: Зинатне, 1977. 235 с.
12.	Бекасов А. А., Кисельииков В. М., Шейнин Ю. Е. Система трассировки
программ для микропроцессора К580ИК80. — В ки.: Алгоритмы. АН УзССР, 1979,
вып. 37, с. 27—32.
13.	Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регули-
рования. М.: Наука, 1972. 767 с.
14.	Борзов М И Индуктивные преобразователи угла в код. М.: Энергия,
1970. 73 с.
15.	Воронов А. А. Основы теории автоматического управления (Часть 3.
Оптимальные, многосвязиые и адаптивные системы). М.: Энергии, 1970. 328 с.
16.	Глейзер Л. Я., Киауэр И. Б. Проектирование электрического сервопри-
вода промышленных роботов. — В кн.: Научно-технический реферативный сборник
«Оборудование с числовым программным управлением!. М.: НИИМАШ 1977,
вып. 2. с. 10—11.
17.	Динамика манипулятора и адаптивное упрявлеиие/В. А. Малышев, А. В. Ти-
мофеев. — Автоматика и телемеханика, 1981, № 8, с. 90—98.
18.	Динамика цифровых следящих систем/Под ред. Б. К. Чемодаиова. М.:
Энергия, 1970. 496 с.
19.	Донской А. С., Королев В. А., Сергеев С. М. Позиционный пневмопривод
со струйной системой управления. — В ки.: Промышленные роботы и их примене-
ние. Л.: ЛДНТП, 1980, с. 22—26.
20.	Елимелех И. М., Сидоркин Ю. Г. Струйная автоматика (пневмоника),
Л.: Лсниздат, 1972. 211 с.
283
21	Игнатьев М. Б., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управле-
ния роботами манипуляторами. Л.. Машиностроение, 1972. 247 с.
22.	Каган Б. М., Сташин В. В. Микропроцессоры в цифровых системах. М.:
Энергия. 1979. 102 с.
23.	Карданский Л. Л., Найдии Ю. В., Чудаков А. Д. Централизованное упра-
вление машиностроительным оборудованием от ЭВМ. М.: Машиностроение, 1977.
24.	Козлов В. В., Тимофеев А. В., Юревич Е. И. Построение и стабилиза-
ция программных движений автоматического манипулятора с электрическими при-
водами. — В кн.. Робототехника. Л.: ЛПИ. 1979. с. 76—86.
25.	Козырев Ю. Г., Каиаев Е. М., Чигаиов В. А. Унифицированные устрой-
ства программного управления промышленными роботами. М.: ЭНИМС, 1980,
с. 3—6
26	Комп текс технических средств для локальных информационно-управля-
ющих систем на базе микросхем с повышенной степенью интеграции и микропроцес-
соров (КТС-ЛИУС-2). — В кн.: Отраслевой каталог № 10, т. 4, вып. 4. М.:
ЦНИИТЭИ приборостроения, 1981. 32 с.
27.	Красовский А. А., Буков В. Н., Шеидрик В. С. Универсальные алго-
ритмы оптимального управления непрерывными процессами. М.: Наука, 1977.
28.	Красовский Н. К. Теория управления движением. М.: Наука, 1968. 476 с.
29.	Маноров С- А., Новикоа Г. И. Структура электронных вычислительных
машин. Л.: Машиностроение, 1979. 394 с.
30.	Малые ЭВМ и их примеиение'Под ред. Б. Н. Наумова. М.: Статистика
1980. 231 с.
31	Малышев В. А., Тимофеев А. В. Представление среды, планирование,
построение и адаптивная стабилизация программных движений роботов. — В кн.:
11 Всесоюзная межвузовская конференция «Робототехнические системы». Тезисы
докладов. Киев: КПП. 1980, с. 138—142.
32.	Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления ма-
нипуляционных роботов, Под ред. Е. П. Попова. М. Наука, 1978. 426 с.
33.	Методы тестового контроля микропроцессорных устройств/А. Ю. Гобземис,
В. И. Удалов. — Автоматика и вычислительная техника, 1978, Л» 6, с. 18—26
34.	Микропроцессорные вычислительные системы. Под ред. В. А. Торгашева.
Л.: ЛЭТИ, 1979. 118 с.
35.	Мясников В. А., Игнатьев М. Б., Покровский А. М. Программное упра-
вление оборудованием. Л.: Машиностроение, 1974, с. 33с—339.
36.	Оптимальные коиечно-сходящиеся алгоритмы адаптивной стабилизации
программных движений, А. В. Тимофеев. — Вопросы кибернетики. Адаптивные си-
стемы управления. АН СССР, 1977, с. 38—41.
37.	Основы проектирования следящих систем Под ред. Н. А. Лакоты. М.:
Машиностроение. 1978. 391 с.
38.	О сопряжении грубого и точного каналов при преобразовании угол —
фаза — код Ю. Д. Сверкунов, Ю. В Третьяков. — Вопросы радиоэлектроники,
1962, сер. ХН, вып. 22, с. 38—42.
39.	Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движе-
нием робота-манипулятора. М.: Наука, 1976. 103 с.
40.	Полупроводниковые запоминающие устройства и их прнменение/Под ред.
А. Ю Гордонова М.: Радио и связь. 1981. 344 с.
41.	Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные ро-
боты Динамика и алгоритмы. М.. Наука, 1978. 398 с.
42.	Попов Е. П., Тимофеев А. В. Принцип скоростного управления в задаче
аналитического синтеза автоматов стабилизации. — В кн.: Доклады АН СССР,
1981 т. 256. № 5. с. 1073—1076.
43.	Построение программных движений и управление роботом-манипулятором
С учетом его кинематической избыточности и дннамики'А. В. Тимофеев — Автома-
тика, 1976, № I, с 71—81.
44.	Прецизионные датчики угла с печатными обмотками Л Н. Сафонов,
В. Н. Волнянскнй, В. И. Окулов и др. М.: Машиностроение, 1977. с. 152.
45.	Промышленная робототехника/А В Бабич, А. Г. Баранов, И. В. Калабин
и др.; Под ред. Я. А. Шифрина. М.: Машиностроение, 1982. 415 с.
284
46.	Сверхбольшие интегральные схемы: проблемы создания и ожидаемые ре-
вультаты'П В. Нестеров.—Зарубежная радиоэлектроника, 1980. № 12. с. 3.
47.	Система проектирования обеспечивает упрощение отладки двухпроцессор-
ных микрокомплексов/К. П Зннг. — Электроника, 1980 W 7. с. 32.
48	Система с эмуляцией 35 нс памяти/Электроника, 1980, № 24, с. 93.
49.	Следящие приводы Под ред. Б. К. Чемоданова. М.: Энергия, 1976. 480 с.
50.	Соботка 3., Стары Я Микропроцессорные системы. Пер. с чешек. М.:
Энергоиздат, 1981 496 с.
51.	Сатин Ю В. Организационно-технологические основы совершенствования
производства на базе использования промышленных роботов М.: НИИМАШ, 1982.
46 с.
52.	Средства автоматизации управления электрс техническими системами и из-
делиямз'Под ред. Н. Н. Шереметьевского. М.: ВНИИЭ.Ч. 1980. ПЗ с.
53.	Табуис Г. В. Аппаратный имитатор управляющей памяти. — В кн.: Циф-
ровые устройства и микропроцессоры. Рига: Зинатне, 1980, вып. 4, с. 61—67.
54.	Тимофеев А. В. Принципы и алгоритмы построения адаптивных систем
управления роботов. — В ки.: Робототехника. Л.: ЛПИ, 1977, с. 35—43.
55.	Тимофеев А. В. Построение адаптивных систем управления программным
движением. Л.: Энергия, 1980. 88 с.
56	Тимофеев А. В. Параметрическая оптимизация программных движений
и адаптивное терминальное управление. — В кн.: Доклады АН СССР, 1981, т, 256,
№ 2, с. 310—313.
57.	Удермаи Э. Г. Метод корневого годографа в теории автоматических систем, >
М.: Наука. 1972. 448 с.	’
58.	Управление роботами от ЭВМ Е. И. Юревич, С. Н. Новаченко, В. А. Па-
влов и др Пот ред. Е. И. Юревича. Л : Энергия, 1980. 264 с
59.	Управляющий комплекс УВКМ 200 на базе микроЭВМ СМ-1800/Инфэрма-
ционный листок о научно-техническом достижении. Львов: Львовский ЦНТИ,
1983, с. 3.
60.	Устройство промышленных роботов Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков, О. Б. Ко-
рытко и др. Л.: Машиностроение, 1980. 330 с.
61.	Филипов В. Г. Цнфраторы перемещения. М.: ВоениЗдат, 1965. 236 с.
62.	Фомин В. К., Фрадков А. Л, Якубович В. А. Адаптивное управление
динамическими объектами. М.: Наука, 1981. 448 с.
63.	Фотоэлектрический преобразователь <угол-код> в цифровых СПУ про-
мышленных роботов/С. В. Коидрашкин и др. — В кн.: Перспективы применения
промышленных роботов. М.: НИЛТ, 1975, с. 12—14
64.	Хавкин В Е., Баранников Б. В., Вершинин В. О. Контроль и диагностика
микроЭВМ. М.: ЦНИИ Электроника, 1979. 82 с.
65	Технологическая классификация промышленных роботов Е. П. Чернов,
Е. И. Юревич. — В ки.: Промышленные роботы. Л : Машиностроение, 1982,
с. 3-12.
66.	Четыриадцати-разрядиый преобразователь сельсни — код с уменьшен-
ными размерамн/П. Гамильтон.—Электроника, 1980, № 3, с. 78—81.
67	Чигаисв В. А., Смирнов Н. А. Некоторые практические результаты алго-
ритмического построения устройства позиционного числового программного упра-
вления для промышленных роботов. — В ки.: Промышленные роботы. Л.: Машино-
строение. 1977. 157 с.
68	Чиликин М. Г., Саидлер А. С Общий курс электропривода. М.: Энерго-
издат. 1981. Ь76 с.
69.	Шмидт Н. Н., Тнкеджи В. Д., Шмелев Л. Ф. Применение пневмоники
для высокочастотных закалочных установок. — В кн.: Приборы и устройства
струйной техники. Л.: ЛДНТП, Знание, 1980, с. 68—73.
70.	Цифровая адаптивная система управления координатно-измерительной
машиной/Ю. К. Зотов, А. В. Тимофеев, Ю. В. Экало. — В кн.: Станки с ЧПУ,
участки и автоматические линии иа их основе. М.: МДНТП, 1980, с. 46—50.
71.	Цыпкин Я- 3. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Энер.
гия. 1973. 399 с.
72.	Эрглис К. Э. Магистрально-модульные многопроцессорные измерительно-
управляющие системы. — Приборы и техника эксперимента. 1983. № 2, с. 7—20,
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Адаптация 11, 188
— на основе технического зрения 188
—	технологических режимов 195
Алгоритм адаптивный 178
—	оптимальный 164, 168
—	уравнения 18, 141
—	анализа изображений 190
Аналого-цифровой преобразователь
(АЦП) 105
Арнфметическо-логнческий узел (АЛУ)
24
Б
Блочно-модульиая структура 24, 67,
284
Г
Гибкое автоматизированное произ-
водство 23, 84
—	програ-мнрезание 17, 24
Д
Датчики 110
—	положения 112
—	скорости 119
—	касания НО
—	усиления НО
Динамика работы, уравнения 34
3
Запоминающее устройство 07
---постоянное (ПЗУ) 77
---оперативное (ОЗУ 77
---полу постоянное (НПЗУ) 68
И
Иерархические уровни управле-
ния 14
Измерительная система 75. Н(
---с потенциометрическими датчи-
ками 112
----с индукционными датчиками 114
----с кодовыми датчиками 118
----с импульсными датчиками 119
К
Кадр программы управления 155
Кинематические звенья манипулятора
34
----,системы координат 35—40
Классификация промышленных ро-
ботов 17, 25
— систем управления 17, 20, 21
Команды управлении 59
----захватами манипулятора 64
---- звеньями манипулятора 72
---- технологическим оборудова-
нием Г.5
Л
Логические анализаторы 245
М
Микропрограммный автомат 59
Микропроцессорные системы, сред-
ства разработки и отладки 241, 259
Микропроцессорная техника 12, 241,
276
МнкроЭВМ 12, 77, 186, 229
Мзду ль 17
—	исполнительный 99
—	интерфейса 68, 119
—	HHtj лрмационный 110
—	программно-задающнй 95
—	управляющий 87
Мультипроцессорная система 80, 84
О
Обработка информации параллельная
71 84
----последовательная 71
Операционная система 207
п
У
Привод 30
— гидравлический 32, 104
— пневматический 30
—	структура контура уравнения 30
—	электрический 33, 109
Программирование движений 165
Программное обеспечение 141, 226 235
—	— вспомогательное 208
--- кроссовое 221
---микропроцессорных систем упра-
вления 207, 251
--- резидентное 213
---управляющих вычислительных
комплексов 207
Программоносители 57
—	БИС ОЗУ 95
—	БИС ППЗУ 96
—	внешние 77
—	«жесткие» 95
Р
Робот 79, 50, 72, 184
— адаптивный 11, 178, 188
—	загрузочно-разгрузочный 24
— сборочный 24
— специального назначения 24, 184
— промышленный 9
Робототехнический комплекс 83—85
С
Сенсоры 10
— тактильные 10
— сило-моментиые 10
— технического зрения 11. 188
Система адаптивного управления 188
— группового управления 83
— программного управления 9
Г
Техническое зрение 11, 183
Управление 9
— в режиме реального мае
мени 12	'|
— позиционно-контурное— '
— приводом 99	»
— программное 10	1
— универсальное 80
— цикловое 21, 52, 121
— цифровое 12
Управляющие вычнслнтел>
плексы (УВК' 13. 204	'.
-------КТС-ЛИУС-2 221 \
-------МГ.РА-60 227
-------МИКРОН-2000 23»
-------МС УВК В7 217
-------СМ-1800 212
Устройство связи с объекту
Устройство управления У( L
----ЭЦПУ-6030 122	all
	УЦМ 10 123	1
------------------------у Ц М-30 125
------------------------УЦМ-663 127
------------------------УЦМ-100 129
------------------------УПМ-331 131
------------------------УПМ-772 133
------------------------УК М 552 135
------------------------5КМ 772 136
------------------------УПКМ 138
Ц
Ц< и ральный вычислитель
Цифро-аналоговый 4pewzi
•ЦАП) 105	|>
Ш
Широтно-импульсная моду
Эмулятор микропроцессор)
внутрисхемный 264
Л
Язык программирования 0
Юрий Дмитриевич Андрианов,
Леонид Яковлевич Глейзер,
Михаил Борисович Игнатьев и др.
УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Редактор Л П Строганов
Художественный редактор С. С. В о Д ч н ц
Переплет художника А. Я Михайлова
Технический редактор Е. П. Смирнова
Корректор А. М. Усачева
ЦБ № 3789
Сдано в набор 28.04.84. Подписано в печ ть 13.08.84 Т-12175.
Формат 60 x 90’/,». Бумага типографская Nt ?. Гарнитура литературная.
Печать высокая. Усл. печ. л. 18.0. Усл. кр.-отт. 18,0- Уч.-изд. л. 20.96
Тираж 21 000 »кз. Заказ № 126. Цена I р 40 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение»
1О7и76. Москва, Стромынский пер., 4
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» нм. Евгении Сокотовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по <елам издательств, полиграфии и книжной торговли
193'41, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.