Автор: Иванов А.А.   Камышный Н.И.   Бансявичюс Р.Ю.   Костин А.Е.   Лобиков Л.В.  

Теги: детали машин   передачи (механические)   подъемно-транспортное оборудование   крепежные средства   смазка   кибернетика   инженерия   машиностроение   автоматизация   робототехника   инженерное дело   издательство машиностроение  

Год: 1985

Похожие

Проектирование и разработка промышленных роботов

Промышленные роботы: Справочник

Схваты промышленных роботов

Промышленные роботы. Конструирование и применение

Текст 
                    Под общей редакцией
члена-корреспондента АН СССР
Е.П. ПОПОВА
Редакционная коллегия
Е.П. Попов (председатель), ПН. Белянин (заместитель председателя),
М.С. Елисеев; В.В. Клюев, Ю:Г. Козырев, И.М. Макаров (заместитель
председателя), А.Г. Сазонов, AM. Титов, В.А. Чиганов,
Я.А. Шифрин, Е.И. Юревич, А.Е. Дубин (ученый секретарь)

Промышленные
роботы
для миниатюрных
изделий
Под редакцией
доктора технических наук
В. Ф. ШАНЬГИНА
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1985

П81
УДК 621.865.8
Л?1
gvo.i
Р. Ю. Бансявичюс, А. А. Иванов, Н. И. Камышный, А. Е. Костин,
Л. В. Лобиков, В. Г. Михеев, Т. Г. Никольская, К. М. Рагульскис,
В. Ф. Шаньгин
Рецензент Д-р техн, наук В. Н. БРЮНИН
Промышленные роботы для миниатюрных изделий/
П81 Р. Ю. Бансявичюс, А. А. Иванов, Н. И. Камышный и др.;
Под ред. В. Ф. Шаньгина. — М.: Машиностроение, 1985. —
264 с., ил. — (Автоматические манипуляторы и робототехни-
ческие системы).
В пер.: 1 р, 40 к.
В книге освещен опыт создания и применения Сверхлегких промышленные
роботов для манипулирования миниатюрными объектами. Рассмотрены управляемые
роботы, функционирующие в составе технологического оборудования и исследователь,
ския комплексов. Описаны варианты их структурной организации, особенности
исполнительных приводов, рабочих органов, устройств, управления, информацион-
ной системы и программирования.
Приведены сведения об алгоритмическом и программном обеспечении роботов
и робототехнических комплексов. Даны примеры действующих систем оборудования
и рассмотрены тенденции дальнейшего их совершенствования.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся авто-
матизацией технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.
2404000000-019 о_
П Q38 (01)-85	19'85
ББК 32.816
6Ф0.1
© Издательство «Машиностроение», 1985 г,

ОГЛА В.Л.Е Н_И Е
Предисловие ................................................. 7
Введение..................................................... 9
Глава 1. Структура промышленных роботов.............................. 12
1,1. Варианты структурной организации..................... 12
1.2. Классификация и основные характеристики роботов. . .	19
Глава Z. Исполнительное устройство роботов...................... 25
2.1.	Основные виды исполнительных приводов перемещения
и манипулирования . .................................. 25
2.2.	Многорежимные высокочастотные вибродвигатели ....	30
2.3.	Вибродвигатели с несколькими степенями подвижности . .	44
2.4.	Захватные устройства прецизионных роботов........ 53
2,5.	Системы точного позиционирования...........	64
Глава О. Информационная система прецизионных роботов и робототехни-
ческих комплексов....................................................  69
3.1,	Датчики внутренней информации,	70
3.2.	Датчики внешней информации........................... 66
3.3.	Информационные системы распознавания положения, формы
и ориентации миниатюрных изделий.......................... 95
Глава 4. Управляющая система роботов и робототехнических комплексов 109
4.1.	Структурная организация управлении................... 109
4.2.	Особенности управления прецизионными роботами. . .	114
4.3.	Аппаратные средства выполнении одно- и многоуровневых
систем управлении. Микропроцессоры в управлении робо-
тами .................................................... 129
4.4,	Групповое управление в робототехнических комплексах 139
Глава 5- Алгоритмическое и программное обеспечение роботов........... 144
5.1.	Структура программного обеспечения................... 144
5.2.	Операционные системы робототехнических комплексов . .	147
5.3.	Языки и системы программирования роботов............. 158
5.4.	Алгоритмы и программы восприятия внешней информации
и распознавания объектов............................ , , ,	172
5

Глава О. Роботы и сервисные устройства манипулирования................ 178
6.1.	Роботы для загрузки и сборки миниатюрных изделий . . .	178
6.2.	Прецизионные измерительные машины и системы........	189
6.3.	Сервисные устройства роботов......................... 194
Глава 7. Робототехнические системы и комплексы........................ 221
7.1.	Устройства робототехнических комплексов для перемеще-
ния и сборки изделий....................................... 222
7.2.	Роботизированные технологические комплексы в произ-
водстве миниатюрных изделий................................ 231
7.3.	Прецизионные робототехнические	комплексы............. 237
7.4.	Гибкое автоматизированное производство............... 246
Заключение ................................................ 251
Список литературы.......................................... 257
Предметный указатель....................................... 260

ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга посвящена актуальным вопросам созда-
ния промышленных роботов и робототехнических комплексов для
производства миниатюрных изделий. Она входит в серию книг
«Автоматические манипуляторы и робототехнические системы», вы-
пускаемую издательством «Машиностроение», под общей редак-
цией чл.-корр. АН СССР Е. П. Попова.
В настоящее время в условиях относительной стабилизации роста
спроса на промышленные роботы средней грузоподъемности четко
обозначилась тенденция увеличения спроса на легкие и сверхлегкие
роботы. Это объясняется главным образом тем, что обеспечение
точности и стабильности многих процессов и операций, в том числе
сборочных, в условиях расширяющейся номенклатуры и мелко-
серийное™ невозможно без использования промышленных роботов.
Автоматизация на основе промышленных роботов, несомненно,
является высшей ступенью творчества многих поколений людей
в их стремлении создать себе универсальных помощников.
По вопросам создания высокоточных механизмов и систем ро-
ботов для миниатюрных изделий технической литературы в настоя-
щее время практически нет. Многие методы обеспечения высокой
точности роботов до сих пор остаются в некоторой степени уделом
искусства в области технологии и механики. Все это подтверждает
актуальность и сложность задачи, поставленной авторами этой
книги.
Книга охватывает главные вопросы проектирования промышлен-
ных роботов, объектами манипулирования которых являются ми-
ниатюрные изделия, и рассчитана на широкий круг инженерно-
технических работников. Авторами не ставилась задача раскрыть
во всей глубине научные проблемы, связанные с созданием высоко-
точных сверхлегких роботов. Изложение этих вопросов, очевидно,
еще найдет свое отражение в соответствующей литературе.
Разносторонний и обширный материал книги базируется на мно-
гих отечественных и зарубежных источниках периодической пе-
чати, авторских свидетельствах и патентах, а также на личном
опыте авторов, причастных к созданию в нашей стране малых и
высокоточных промышленных роботов (ПР).
В первой главе книги рассмотрены основные варианты и особен-
ности кинематических структур промышленных роботов для ма-

нипуляций малыми и миниатюрными Изделиями, определены их
основные характеристики и даны методы их проверки.
Вторая глава посвящена организации исполнительной системы
ПР для миниатюрных изделий. В ней описаны основные виды вы-
сокоточных исполнительных приводов для перемещения и мани-
пулирования, а также многорежимные вибродвигатели с несколь-
кими степенями подвижности. Рассмотрены нетрадиционные спо-
собы захватывания и транспортирования миниатюрных изделий,
а также организация системы точного позиционирования.
Известно, что чем выше должны быть точность и маневренность
механизмов, тем больше значимость измерительных и информацион-
ных средств (датчиков) информации. Особенности организации инфор-
мационной системы прецизионных роботов изложены в третьей главе.
В четвертой главе описаны структура, различные варианты и
аппаратная реализация систем управления роботами.
Высокая точность манипулирования изделиями, определившая
необходимость развитой информационной и управляющей систем
робота, обусловила необходимость создания соответствующего алго-
ритмического и программного обеспечения. Эффективное управле-
ние роботами на основе микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ
непременно связано с развитием проблемно-ориентированных ма-
шинных языков высокого уровня и предполагает определенную орга-
низацию операционной системы, реализующей различные алго-
ритмы и программы «интеллекта» роботов. Описанию этих вопро-
сов посвящена пятая глава.
В шестой и седьмой главах рассмотрены отдельные конструкции
роботов и робототехнических комплексов (РТК), выполняющих
широкий диапазон различных операций.
Ближайшей перспективой в решении задачи комплексной авто-
матизации производства малых и миниатюрных изделий является
создание цехов и заводов-автоматов. Описанием гибких автомати-
зированных производств (ГАП) заканчивается последняя глава книги.
В книге нашли отражение также перспективные направления
развития промышленных роботов и робототехнических комплексов
для производства миниатюрных изделий.
Работа по созданию книги была разделена между авторами сле-
дующим образом:
В. Ф. Шаньгин — введение, заключение, п. 3.1. и общее редак-
тирование книги;
Р. Ю. Бансявичюс, К. М. Рагульскис — п. 2.1—2.4, 6.2;
А. А. Иванов —п. 2.4, 2.5, 3.2, 3.3, 4.3, 5.4, 6.3, 7.1, 7.3;
Н. И. Камышный — п. 6.3;
А.	Е. Костин — п. 5.1—5.3;
Л. В. Лобиков — п. 4.3, 6.1, 6.3, 7.2;
В.	Г. Михеев — п. 6.1;
Т. Г. Никольская — гл. 1, п. 4.1—4.4, 6.2, 7.2—7.4.
Авторы сознают, что содержание и качество книги со временем
могут быть улучшены, и заранее благодарны читателям, которые
пришлют им свои замечания и пожелания.
8

ВВЕДЕНИЕ
Общие тенденции развития многих отраслей промышлен-
ности характеризуются дальнейшей микроминиатюризацией изде-
лий, расширением номенклатуры, снижением"”серийности по от-
дельным видам продукции при одновременном росте общего объема
производства, ужесточением требований к качеству и стабилизации
его от изделия к изделию.
Стремление поднять производительность, улучшить и стабилизи-
ровать качество изделий требует серьезной перестройки производ-
ственных и технологических процессов. Решение этой задачи при-
вело к созданию новых средств автоматизации — промышленных
роботов.
За последние годы создано множество типов роботов первого
поколения в основном средней грузоподъемности. Первоочередное
появление таких роботов объясняется рядом объективных причин.
Во-первых, большая доля объектов манипулирования приходится
на изделия со средними массами; во-вторых, эффективность автома-
тизации этих операций в условиях современного производства тра-
диционными методами относительно низка; в-третьих, технические
решения при создании конструкций ПР первого поколения и систем
управления сравнительно просты, и, следовательно, возможны
быстрое внедрение и окупаемость затрат.
Опыт создания роботов первого поколения явился ценным вкла-
дом в развитие робототехники и показал, что для обеспечения основ-
ных технических характеристик роботов необходимо применение
комплексного подхода.
Автоматизация технологических процессов в ряде отраслей
промышленности (часовой, приборостроительной, радиотехнической,
электронной и др.), связанных с необходимостью манипулирова-
ния миниатюрными изделиями, поставила задачу создания особой
группы промышленных роботов, отличающихся небольшими ма-
териало- и энергоемкостью, высокой точностью и развитой информа-
ционной системой. В пределах этой группы роботов можно выделить
высокопрецизионные роботы, применяемые для манипулирования
микроизделиями, например, при сборке интегральных микросхем.
Первые сообщения о промышленных роботах рассматриваемой
группы появились в 1977 г. В 1978 г. на их долю приходилось ме-
нее 1 % общего количества роботов, составляющего всего 16 103
9

Рис. ВЛ. Распределение общего парка роботов для ми-
ниатюрных изделий по основным операциям:
/ — сборка (монтаж, сварка, пайка); II — контрольные,
измерительные, исследовательские операции; III —
прочие операции; IV — специальные операции (очи-
стка, промывка, нанесение покрытий); V — механиче-
ская обработка; VI — укладка, погрузка-разгрузка,
упаковка
штук, к 1980 г. насчитывалось около 3 % общего парка в 25-Ю3
штук. К концу 11-й пятилетки доля этих роботов должна составить
примерно 12 %. Такой ускоренный темп роста количества сверх-
легких роботов в первую очередь обусловлен необходимостью авто-
матизации многих видов производства. Внедрение автоматизации
не только обеспечит рост производительности, повышение и ста-
билизацию качества миниатюрных изделий, но и позволит перейти
к качественно новым структурам производства — гибким автома-
тизированным производствам (ГАП).
Распределение общего парка сверхлегких роботов по отдельным
операциям, характерное для настоящего времени, представлено
на рис. В.1, из которого видно, что больший процент (38 %) робо-
тизированных операций приходится на операции дифференцирован-
ной сборки и монтажа печатных плат.
Основными факторами, сдерживающими широкую роботизацию
производства миниатюрных изделий, являются неоправданное мно-
гообразие конструктивных форм и типоразмеров изделий, их ши-
рокая номенклатура, множество технологических процессов, не рас-
считанных на применение роботов, сложности с транспортной и тех-
нологической тарой и т. п. Именно поэтому представляется эффек-
тивным отраслевое упорядочение по всем указанным аспектам, на-
правленное на строгую регламентацию в области проектирования,
сферах производства и эксплуатации изделий.
Роботы для миниатюрных изделий отличаются экстремальностью
большинства основных технических характеристик, в частности,
минимальными погрешностью позиционирования, размерами, мас-
сой, потребляемой энергией и максимальными надежностью, произ-
водительностью. Роботы этой группы характеризуются также слож-
ной системой взаимодействия с различным технологическим и кон-
трольно-измерительным оборудованием, наличием микропроцессор-
ного управления [6], высокими требованиями к чистоте, темпера-
туре, а иногда и вакуумной гигиене производства и т. д.
Естественно, что создание этих роботов стало возможным лишь
на определенной стадии научно-технического прогресса.
Разработка роботов для миниатюрных изделий, как правило,
проводится с использованием накопленного опыта, на основе клас-
10

сических законов механики машин и механизмов, однако в ряде
случаев требуются новые, нетрадиционные методы конструирова-
ния роботов и их управления. Это в первую очередь связано с осо-
бенностями предметов производства, представляющих собой объекты
манипулирования роботов данной группы. Не претендуя на стро-
гость, т. е. условно, можно выделить три подгруппы рассматривае-
мых роботов в зависимости от максимальных размеров, объема и
массы объектов манипулирования и требуемой от робота точности
их позиционирования.
В первую подгруппу могут быть выделены роботы, манипули-
рующие изделиями, у которых либо площадь — порядка 5-10“3 м2,
либо объем — порядка 2,5-10“5 м3, а масса — менее 1 кг. Допусти-
мая погрешность позиционирования роботов этой подгруппы со-
ставляет 20—200 мкм. Примерами таких изделий являются печатные
платы, детали трансформаторов и электродвигателей, коммутацион-
ные и крепежные элементы, панели и т. п.
Ко второй подгруппе могут быть отнесены роботы, объекты ма-
нипулирования которых характеризуются следующими предельно
максимальными параметрами: площадь — порядка 1 • Ю 4 м2, объем —
порядка 1-Ю”6 м3 при массе, не превышающей 2,5-10“2 кг. Это
различные радиодетали, элементы электронной аппаратуры, микро-
калькуляторов, счетных приборов и т. п. Максимальная погреш-
ность позиционирования роботов этой подгруппы составляет 10—
100 мкм.
Наконец, в третью подгруппу следует выделить наиболее пре-
цизионные роботы. Минимальные размеры объектов манипулиро-
вания составляют примерно 5-10“6 м2 и объем 5-10~9 м3 при массе
порядка долей грамма; погрешность позиционирования 0,1—10 мкм.
К объектам манипулирования роботов третьей подгруппы отно-
сятся кристаллы интегральных схем, элементы фотошаблонов, де-
тали наручных часов и т. п. Для обеспечения столь высокой точ-
ности позиционирования механизмов на всех этапах их создания
необходимо предусматривать соответствующие меры, позволяющие
реализовать оптимальные технические решения всех основных
подсистем робота: исполнительной, информационной и управляющей.

Глава СТРУКТУРА ПРОМЫШЛЕННЫХ
1 РОБОТОВ
Функционально в структуре роботов для миниатюрных
изделий можно выделить следующие составные части: исполнитель-
ное и управляющее устройства, рабочий орган и информационную
систему.
Исполнительное устройство обеспечивает выполнение всех дви-
гательных функций робота, представляет собой совокупность под-
вижно соединенных звеньев и конструктивно состоит из следующих
основных узлов: несущих конструкций, приводов, передаточных
и исполнительных механизмов.
^Информационная система обеспечивает прием информации о со-
стоянии промышленного робота и внешней среды, преобразование
и передачу информации в устройство управления, а также обмен
информацией между роботом и другим совместно работающим с ним
устройством и оператором.
Устройство управления (система управления) обеспечивает воз-
можность программирования робота, хранения программы, а также
ее воспроизведения, корректировки и отладки. Оно предназначено
для формирования и выдачи управляющих воздействий исполни-
тельной системе в соответствии с заданной управляющей програм-
мой; организует работу информационной системы и синхронизирует
все процессы обмена информацией между роботом и различными
внешними устройствами.
Создание ПР для малых и миниатюрных изделий связано с раз-
витием и совершенствованием каждой из этих систем, а специфика
таких роботов определяется необходимостью обеспечения сравни-
тельно высоких требований к точности позиционирования и на-
дежности.
Описанию каждой составной части робота посвящена отдельная
глава книги.
1.1.	Варианты структурной организации
Структурная организация робота определяется схемой его при-
менения (при обслуживании оборудования или выполнении тех-
нологических операций), характером движений в рабочей зоне, а
также требованиями к точности позиционирования.
Сравнивая схемы применения сверхлегких и общемашинострои-
тельных роботов, можно заключить, что ввиду малости размеров
12

Рис. 1.1. Схемы применения роботов при индивидуальном обслуживании:
а — расположение робота у рабочей зоны; б — робот встроен в технологическое оборудо-
вание; 1 — технологическое оборудование; 2 — робот с одним манипулятором; 3 — входная
позиция; 4 — выходная позиция; 5 — робот с двумя манипуляторами
объектов манипулирования и рабочих ходов механизмов сверх-
легких роботов их используют главным образом для индивидуаль-
ного обслуживания технологического оборудования (рис. 1.1),
а также выполнения технологических и контрольных операций
(рис. 1.2).
Для индивидуального обслуживания характерно расположение
робота в непосредственной близости от рабочих зон технологического
оборудования. Такая организация используется на операциях
обработки резанием, холодной штамповки, обслуживания прессо-
вого оборудования. В случае, если один робот не может обеспечить
выполнение сложного и быстроменяющегося цикла работы обору-
дования, используются роботы с несколькими манипуляторами,
например «Ритм-01.02», или размещается несколько роботов.
Технологическое оборудование отдельных видов по своим па-
раметрам, уровню автоматизации и конструктивным особенностям
позволяет встраивать роботы непосредственно в это оборудование.
В рассматриваемом случае роботы выполняют операции по пере-
носу изделий из кассет и транспортной тары; закреплению их в при-
способлениях, технологической таре, спутниках; подаче изделий
в рабочие зоны технологических машин и обратной перегрузке из-
Рис. 1.2. Схемы применения роботов при выполнении технологических, транспортных
и контрольно-измерительных операций:
1 — технологическое оборудование; 2 — робот с двумя манипуляторами; 3,4 — входная
и выходная позиции; 5 — 7 — роботы с различными рабочими органами; 3 — транспортная
система; 9 — объект манипулирования
13

Делий. Такой принцип организации индивидуального обслужива-
ния характерен для сборочных роботов-автоматов, диффузионного
оборудования в производстве интегральных микросхем и т. п. [301.
Во всех случаях обслуживания оборудования объекты манипу-
лирования робота должны поступать на фиксированные позиции,
т. е. требуется строгая организация «технологической среды» ро-
бота.
Устройство управления роботами, используемыми для обслужи-
вания, — автономное, но предусматривается обмен информацией
между ним и системой управления основного технологического обо-
рудования.
Для выполнения роботом технологических операций, как пра-
вило, используют две схемы. Первая из них (рис. 1.2, а) предусма-
тривает выполнение одним роботом не только технологических пе-
реходов (установка клеевых точек, окраска, очистка и т. п.), но
и транспортных операций (перенос, ориентация, установка и т. п.),
путем поочередной работы то инструментом, то захватом. Обеспе-
чив автоматическую укладку и хранение деталей в магазинах-на-
копителях, подачу их на фиксированные позиции и выгрузку, та-
кую схему можно использовать для создания гибкой роботизирован-
ной позиции, например, для сборки гибридных интегральных схем.
Увеличивая затем число таких позиций и размещая их в определен-
ном порядке, можно создать роботизированный технологический
комплекс, являющийся основной структурной единицей ГАП.
Вторая схема (рис. 1.2, б) используется, когда на робот возло-
жены операции одного вида (сварка, пайка, сборка, разбраковка,
измерения). В этой схеме все транспортно-перегрузочные операции
выполняются обычно транспортерами и вспомогательными устрой-
ствами, описанными ниже, в гл. 6. На базе этой схемы формируются,
например, РТК сборки наручных часов, контроля и разбраковки
элементов радиоэлектронной аппаратуры и т. п. Промышленные
роботы, применяемые для выполнения технологических операций,
характеризуются наличием значительного числа внешних связей
с другим вспомогательным оборудованием, поэтому устройство
управления у этих роботов является общим для всех устройств РТК-
Подавляющее большинство роботов имеют стационарные кон-
струкции настольного типа. Механизмы роботов обычно реализуются
на базе кинематических пар класса V, каждая из которых обеспе-
чивает одну степень подвижности — либо возвратно-поступатель-
ное перемещение вдоль прямолинейной направляющей (поступа-
тельная пара класса V), либо вращение вокруг оси шарнира (вра-
щательная пара класса V). В других конструкциях, число которых
пока невелико, используются механизмы, реализующие более слож-
ные движения, например возвратно-поступательное перемещение
в сочетании с независимым вращением вокруг продольной оси (ци-
линдрическая пара класса IV) или независимое вращение вокруг
двух осей (вращательная пара класса IV) и т. п.
Для наглядности рассмотрения характера движений роботов,
определяющих их структурные особенности, целесообразно восполь-
14

зоваться условным делением роботов на три группы, указанные
во введении. Примеры кинематических схем основных исполнений
каждой из трех структурных групп, а также формы рабочих зон
роботов приведены в табл. 1.1. Преимущественное применение
каждой из групп определяется массо-габаритными параметрами и
точностными характеристиками манипулирования.
Первая структурная группа роботов — наиболее представи-
тельная. Создание и. внедрение роботов этой группы определило
начало роботизации производства маниатюрных изделий. Следует
отметить, что при разработке конструкций роботов первой группы
был максимально использован опыт проектирования общемашино-
строительных роботов.
В первую группу входят роботы консольных конструкций,
отличающиеся небольшими, но вполне приемлемыми для таких
роботов диапазонами перемещений и реализованные на основе
высокоточных направляющих для обеспечения движений подъема
и линейных перемещений. Поворот вокруг вертикальной оси осу-
ществляется пневмоцилиндрами или электродвигателями. Роботы
выпускаются обычно в двух исполнениях: с одним манипулятором
или двумя. Кинематические цепи содержат от двух до шести пар
класса V и обеспечивают движения в прямоугольной и цилиндри-
ческой системах координат. Большинство конструкций имеют ме-
ханизмы подъема и поворота, работающие по жестким упорам и
без останова в промежуточных (программируемых) позициях. В ка-
честве датчиков угловых перемещений и подъема используются
упоры и микропереключатели. В механизмах линейных переме-
щений (особенно в режимах многоточечного позиционирования)
используются датчики линейных перемещений, позволяющие полу-
чить высокую точность позиционирования.
В роботах первой структурной группы используются пневмо-
и электропривод, их комбинация, реже — гидропривод. Устройство
управления чаще обеспечивает жесткий цикл, иногда позиционное
управление, в отдельных образцах — адаптивное управление.
В первой структурной группе роботов можно выделить четыре
подгруппы в зависимости от числа степеней подвижности кинема-
тической цепи робота (см. табл. 1.1).
Представителями первой структурной группы являются роботы
моделей «Ритм-01.01», «Ритм-01.02», «Ритм-01.03» (см. рис. 6.1),
МРУ-901, РС-4 и другие, объекты манипулирования которых имеют
массу до 1 кг. Погрешность позиционирования этих роботов не пре-
вышает 30—200 мкм, а в отдельных случаях может составлять доли
микрометра [45].
При проектировании специализированных роботов консольной
группы все шире используется агрегатно-модульный принцип. Пре-
имущества этого принципа связаны с возможностью сокращения
сроков и трудоемкости проектирования, изготовления и внедрения
роботов.
В настоящее время наметились два подхода к созданию агрегат-
ных систем модулей: по одной принципиальной компоновочной схеме
15

Кинематические схемы роботов трех структурных групп
Таблица 1.1.
Структур - Число
на я	степеней
группа подвижности
Кинематические схемы и рабочие зоны
If?

рис. 1.3. Робот модели «Sigma», пред-
ставляющий вторую структурную группу
(однотипные роботы) и по раз-
личным схемам (разнотипные
роботы). Так, для выполнения
линейных перемещений, подъ-
ема и поворота используются
роботы типа ПРП-01 и «Ритм-01»
(СССР), агрегатная система мо-
дулей «Linearsystem» фирмы
«Феле» (Felss, ФРГ), а также
система модулей широкого
назначения «MHU-Minior» гру-
зоподъемностью до 1 кг, выпускаемая фирмами «Электролюкс» (Elekt-
rolux, Швеция) и «Роберт Бош» (Robert Bosch, ФРГ).
Агрегатные системы модулей позволяют оперативно изменять
функции робота, приспосабливая его к конкретным условиям без
неоправданной избыточности функций.
Агрегатные системы комплектуются пневмо- и электроприво-
дами.
Во вторую структурную группу входят роботы мостовых кон-
струкций, отличающиеся повышенной жесткостью и динамической
устойчивостью. Ввиду малости объектов манипулирования и неболь-
ших диапазонов их перемещения для мостовых конструкций вполне
приемлемо настольное исполнение. Примером может служить робот
«Sigma» (рис. 1.3) фирмы «Оливетти» (Италия). Характерным призна-
ком мостовой конструкции является наличие моста (передвигаю-
щегося по направляющим), по которому перемещается каретка
с манипулятором. Роботы выпускают в двух исполнениях — с одним
и двумя манипуляторами.
Среди роботов второй структурной группы можно выделить
две подгруппы, различающиеся кинематической структурой мани-
пулятора. К первой подгруппе относятся роботы мостового типа
с изменяемой длиной звеньев манипулятора. Кинематические цепи
таких роботов содержат три—пять пар класса V. Из них две-три
пары обеспечивают возвратно-поступательные движения и одна-
две пары — вращения. К этой подгруппе можно отнести также кон-
трольно-измерительные роботы на базе виброприводов, успешно
используемых для прецизионных перемещений.
Ко второй подгруппе относят мостовые роботы с'многозвенным
манипулятором, длина звеньев которого постоянна. Кинемати-
ческие цепи роботов этой подгруппы содержат вращательные пары
классов IV или V. Роботы с таким манипулятором (не только в мосто-
вом исполнении), например робот «Puma» фирмы «Эй-эм-эф» (AMF,
США), находят широкое применение ввиду компактности конструк-
ции руки и больших манипуляционных возможностей. Они работают
в сложных пространственных системах координат, имеют разви-
тую информационную систему, могут адаптироваться к различным
17

технологическим операциям и требуют сложного управления на
базе микроЭВМ. Роботы мостового типа часто оснащаются электро-
приводом и манипулируют изделиями с погрешностью 10—100 мкм.
Более высокую точность обеспечивает вибропривод.
В третью структурную группу объединены роботы, отличающиеся
наиболее высокой точностью и манипулирующие микроизделиями
при погрешности позиционирования 0,1—10 мкм. Роботы этой
группы с полным основанием можно назвать прецизионными. Для
их структуры характерно распределение функций, заключающееся
в разложении заданного уровня отклонений между всеми состав-
ляющими конструкции робота и вспомогательных устройств. Раз-
работке этих роботов должна предшествовать дифференциация тех-
нологического процесса (операции) на отдельные переходы (приемы)
с учетом возможности компенсации погрешностей позиционирова-
ния. Поэтому роботы рассматриваемой группы характеризуются
оптимальным (по критерию точности) распределением двигательных
функций между отдельными прецизионными механизмами и коорди-
нацией их действий с помощью информационной системы и управ-
ляющего устройства.
Роботы третьей группы используются для выполнения операций
с дискретным характером технологической обработки: фотолито-
графия, монтаж кристаллов, сборка интегральных микросхем и т. п.
Сопутствующими устройствами роботов прецизионной группы
являются координатные и оптико-телевизионные системы.
Координатные системы содержат устройства перемещений, элек-
тропривод и блок управления. Различают координатные системы
линейные и угловые, одно- и многокоординатные, разомкнутые и
замкнутые, с оптическими и лазерными датчиками перемещений.
Они обеспечивают скорости перемещения 0,2—0,3 м/с и ускоре-
ния 10—30 м/с3.
Совместно с координатными системами работают оптико-теле-
визионные системы, позволяющие автоматически распознавать
форму, положение, структуру объектов и выполнять такие опера-
ции, как ориентация, точное позиционирование, обработка, совме-
щение объекта с инструментом, контроль качества, измерения па-
раметров и т. п. Управляющие системы таких роботов строятся на
базе использования методов искусственного интеллекта. Все это
позволяет отнести роботы с распределением функций к интегральным.
Дальнейшим совершенствованием роботов второй и третьей
структурных групп является создание нескольких разновидностей
малогабаритных и высокоточных механизмов с управляемой струк-
турой для организации линейных и вращательных движений на
базе вибропривода. Конструктивное их исполнение несложное,
они просты в изготовлении. Изменение кинематической структуры
осуществляется соединением и разъединением звеньев путем скачко-
образного изменения силы или момента в кинематической паре.
Манипуляторы с такими механизмами могут иметь большое число
степеней подвижности и осуществлять одновременно два (кинема-
тические пары класса IV) или три (кинематические пары класса III)
18

движения, например поступательное движение по оси у и враща-
тельное вокруг оси z, перпендикулярной к плоскости ху. При этом
линейное перемещение осуществляется с помощью вибропривода,
что исключает необходимость использования сложных направляю-
щих. Это позволяет эффективно решать задачи позиционирования
на плоскости и в пространстве.
В заключение отметим, что для всех структурных вариан-
тов сверхлегких роботов наиболее типичны поступательные движе-
ния, реализуемые по осям прямоугольной декартовой системы
координат.
Для роботов первой структурной группы характерны линейные
перемещения по осям х (выдвижение звеньев манипулятора) и z
(подъем манипулятора); а для роботов второй и третьей струк-
турных групп — линейные перемещения по оси z и в плоскости ху,
последние выполняются либо с помощью кареток, на которых кре-
пится манипулятор (мостовой тип), либо с помощью координатной
системы (конструкции с распределением функций).
Движения вращения часто осуществляются вокруг вертикаль-
ной оси подъема z (угол ф), реже — вокруг оси манипулятора х
(угол а) и лишь в отдельных моделях выполняется качание (угол р)
вокруг оси, параллельной оси у базовой системы координат.
Для создания роботов всех рассмотренных структурных групп
весьма перспективен агрегатный подход, основой которого служат
унифицированные модули (узлы и блоки) линейных перемещений,
поворотов, подъема и т. п.
1.2.	Классификация и основные
характеристики роботов
На основании ГОСТ 25378—82 и общепринятых классификаций
роботов [23, 26] можно выделить следующие классификационные
признаки, наиболее характерные для трех описанных выше струк-
турных групп сверхлегких роботов, — это выполняемая функция,
степень специализации, число степеней подвижности, вид привода,
способ управления и программирования.
По выполняемой функции сверхлегкие роботы можно разделить
на вспомогательные и технологические, а по степени специали-
зации — на специальные и специализированные. Учитывая изло-
женное выше структурное деление роботов, можно отметить, что
роботы, относящиеся к первой структурной группе, являются спе-
циализированными вспомогательными и (или) технологическими.
Кроме того, они могут сочетать эти операции, работая поочередно
то захватом, то инструментом. Однако назвать их универсальными
нельзя, так как в отличие от универсальных общемашиностроитель-
ных роботов, выполняющих сложные разнородные технологические
и вспомогательные операции, в роботах рассматриваемого класса
используются лишь один простой захват и столь же простой инстру-
мент, т. е. они применяются для конкретной технологической и
вспомогательной операции. Например, захват-присоска переносит
19

и устанавливает объекты манипулирования, а инструмент-капел^
ница — окрашивает их.
Роботы второй структурной группы — специальные и специа-
лизированные, используются как технологические (в том числе
контрольно-измерительные или исследовательские).
Роботы третьей структурной группы, имеющие развитую инфор-
мационную систему и адаптивное управление, можно отнести к спе-
циальным технологическим (иногда в литературе именуемым
интегральными роботами с элементами искусственного интел-
текта).
Число степеней подвижности роботов, меняющееся в довольно
широких пределах, указано в табл. 1.1.
В сверхлегких роботах широкое применение находят электро-
приводы различного вида: линейный, шаговый, асинхронный, виб-
роприводы, а также пневмопривод и его комбинация с электропри-
водом (например, в роботах первой структурной группы). Гидро-
привод применяется редко.
По способу программирования роботы разделяют на програм-
мируемые аналитические и обучающиеся, причем первые распро-
странены более широко.
Для гарантированного выполнения всех функций, возложенных
на роботы для манипуляций миниатюрными изделиями, проводятся
их испытания, регламентированные ГОСТ 16504—81 и предусматри-
вающие проверку основных показателей, номенклатура которых
указана в ГОСТ 25378—82.
Испытания ПР данного класса обычно проводятся при нормаль-
ных условиях (по ГОСТ 15150—69), а для прецизионных роботов —
с учетом требований вакуумной гигиены.
Порядок проведения испытаний роботов зависит от этапа раз-
работки и стадии освоения производства. Однако предварительные,
приемочные и аттестационные испытания обычно проводят по еди-
ным программам и методикам.
Объем испытаний робота должен быть достаточно информатив-
ным, чтобы полученные результаты позволяли оценить степень
пригодности робота к эксплуатации в условиях производства, но
по возможности минимальным. Поэтому в число основных целесо-
образно включать следующие проверки роботов:
на соответствие конструктивно-кинематической организации тех-
ническим и эксплуатационным требованиям производства;
динамических характеристик робота;
возможности ввода программ и способности к программирова-
нию движений, их последовательности, а также скоростей и диапа-
зонов перемещения в регламентированных пределах;
взаимодействия робота с основным и сервисным оборудованием,
совместно функционирующим в технологической среде;
соответствия требованиям техники безопасности, вакуумной ги-
гиены, определяемыми областью применения робота.
Полный состав проверок обычно определяется конкретным испол-
нением робота и его назначением.
20

Для сверхлегких роботов наиболее критичными являются сле-
дующие технические характеристики: грузоподъемность, макси-
мальные значения абсолютной погрешности позиционирования,
перемещения, скорости и ускорения.
Особенность создания роботов для манипулирования миниатюр-
ными изделиями заключается не столько в сложности манипули-
рования такими объектами, сколько в обеспечении высокой точности
позиционирования. Поэтому первостепенное значение имеют расчет
всех возможных режимов и оптимальный выбор значений пере-
численных характеристик. Кроме того, информацию о характе-
ристиках роботов изготовители обычно предоставляют без учета
будущих условий их эксплуатации, изменение которых существенно
влияет на эти характеристики. Поэтому для роботов данной группы
необходимо уточнять и регламентировать условия, при которых
замеряются их характеристики. Единые методы, используемые
для проверки характеристик роботов изготовителями и пользова-
телями, позволят точнее определять возможности этих роботов.
Чтобы получить полную информацию о характеристиках роботов,
нет необходимости проверять их все без исключения. Например,
основные проверяемые характеристики прецизионных роботов
должны учитывать влияние на абсолютную погрешность позицио-
нирования их конструктивно-кинематических и динамических осо-
бенностей при выполнении типовых рабочих операций.
Влияние кинематики и конструктивных особенностей робота
на погрешность позиционирования проявляется в виде деформаций,
накапливающихся и возникающих как в подвижных звеньях (стой-
ках, манипуляторе, кисти и т. п.), так и в стыках его опор. Оценку
этих деформаций следует проводить перед каждой сменой, например,
путем измерения прямоугольности, параллельности и плоскост-
ности соответствующих осей и плоскостей конструкции робота,
организованной в прямоугольной, цилиндрической или сфериче-
ской системе координат (рис. 1.4).
Так, для роботов, выполненных в прямоугольной системе коор-
динат (рис. 1.4, а), измерения будут включать проверки горизон-
тальности основания, перпендикулярности оси 2 к основанию,
перпендикулярности оси 2 к осям х и у, а также определение парал-
лельности оси х плоскости основания.
Для роботов, выполненных в цилиндрической или сферической
системе координат (рис. 1.4, б), проверяют перпендикулярность
главной оси 2 к основной или воображаемой эталонной плоскости.
Кроме того, проверяют установку других осей, например, перпен-
дикулярность оси ВВ к эталонной плоскости — в шарнирных ро-
ботах, или параллельность оси ВВ к эталонной плоскости — в ро-
ботах со сферической системой координат. Учет допустимых откло-
нений от перпендикулярности и параллельности позволяет судить
о систематической составляющей общей погрешности.
К числу проверяемых динамических характеристик роботов
относятся скорость, ускорение (замедление) и переходная реакция.
Известно, что существует тесная взаимосвязь между скоростью
21

Рис. 1.4. Проверка влияния геометрии робота на точность:
а — в декартовой системе координат; б — в цилиндрической системе координат; в — схема
оценки отклонения осей робота: х, у, z — оси линейных перемещений; ВВ, СС — оси вра-
щения, Е — эталонная плоскость
движения и массой робота (массой объекта манипулирования робота
в данном случае можно пренебречь). Эту взаимосвязь необходимо i
учитывать при управлении роботом.	;
В целях упрощения вычислений и сокращения длительности испы-
таний робота при проверке влияния динамики на погрешность пози- |
ционирования можно воспользоваться следующими рекомендациями: j
1)	выбрать закон распределения исследуемого параметра (в дан- |
ном случае — погрешности позиционирования) с требуемым прибли- ?
жением;	•	I
2)	определить с помощью выбранного закона поле рассеяния А,
отвечающее достаточно близкой к единице вероятности нахожде- |
ния данного параметра в пределах этого поля;	|
3)	сопоставить полученное поле с допуском Т.	)
Говоря о функции распределения параметра в совокупности,
целесообразно рассмотреть суммарное распределение, которое скла-
дывается под действием меняющихся факторов, влияющих на точ-
ность позиционирования. Поэтому для оценки закона распределе- .
ния вначале следует выбрать число наблюдений п. Более полная |
информация о влиянии динамики на погрешность позиционирования |
робота получается в том случае, если для каждого из п наблюдений I
фиксируется пара сопряженных значений координат положения I
захвата робота, получаемых при движении его сначала в прямом, |
а потом в обратном направлениях,	:
( ?)** = ~ xij'> ( 1 ) xi — — У ХЧ’
i=\	/=1
где ( j ) Xij и (I) Xjj — сопряженные значения координат положе-
ния захвата в t-й точке при j-м наблюдении (j = 1 4-n); ( f) хь
(|) Xi — средние значения координат.
22

Рис. 1.5. Средний диапазон и средний допуск позиционирования робота
Отклонение значений координат в i-й точке иг = | ( f ) xt—(|) хг-1,
п
а среднее значение отклонения й = мг.
i
Для сокращения длительности испытаний и упрощения вычис-
лений выберем нормальный закон распределения параметра и п =
= 5. Тогда в качестве оценки характеристики рассеяния можно
использовать размах выборки
( | ) Дг ^ ( | ) max ( 1 ) %i mln’
Средний размах определится
1=1
Учитывая, что математическое ожидание отношения размаха
Rn к параметру o' (o' — среднее квадратическое отклонение) при
п = 5 составляет 1 Л4 («п/о) = 2,326, находим
о = «/2,326 = 0,5 [( f )сгг Д-( | )сгг].
Далее необходимо определить поле рассеяния А. При нормаль-
ном законе распределения А = 6о. Такой величине поля (при центре
рассеяния в середине) отвечает вероятность попадания в него зна-
чений измеряемого параметра, равная р = 0,9973. Эта вероятность
достаточно близка к единице, поэтому оценка поля будет иметь вид
6(5х <7 А <7 бух,
где Р> и у — коэффициенты, зависящие от числа наблюдений и при-
нятого для доверительной оценки о значения вероятности.
При п < 30 р = У~п — 1/у2 и у = уУп — 1/уд. Значения коэф-
фициентов xi = Vи у2 = выбирают по таблицам у2.
На «точностной» диаграмме (рис. 1.5) по оси абсцисс отложены
номера экспериментов, а по оси ординат — средние арифметические
1 Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Теория вероятностей и матема-
тическая статистика в механике. МЛ Физматгиз, 1965. 554 с.
23

значения параметра х, его максимальное и минимальное значения.
От средних значений вверх и вниз отложены отрезки, равные о,
и через концы этих отрезков проведены линии. Заштрихованная
полоса между этими линиями дает возможность судить о направ-
лении изменения погрешности позиционирования, а ширина по-
лосы характеризует изменение поля рассеяния А.
Из диаграммы видно, что поле рассеяния А = и + бег, а до-
пуск позиционирования Т = )x/max — xt min| + А.
Рассматриваемая диаграмма получена для робота типа ПРП-2-2
при контактном способе измерения погрешности позиционирования.
; Анализ динамики движения робота будет неполным, если не
оценить скорость и ускорение (замедление), с которым он движется.
Обычно для измерения скорости и ускорения сложное оборудова-
ние не требуется. Эти измерения могут быть выполнены как в усло-
виях настройки робота, так и в процессе его эксплуатации. Наи-
большее распространение получили два метода измерения скорости
и ускорения: дифференциальный и интегральный. Дифференциаль-
ный метод основан на использовании информации от потенциометров
и тахогенераторов, а интегральный — на определении скорости
движения посредством интегрирования выходного сигнала датчика.
Описание последовательности движения осей робота при выпол-
нении типовых рабочих операций позволяет установить стандарт-
ные рабочие циклы и подобрать для их реализации наиболее под-
ходящий робот. Анализ движения роботов требует деления диапа-
зона его перемещения на короткие, средние и длинные и сопряжен
с соблюдением определенных условий. Например, целесообразно,
чтобы каждая ось робота участвовала в движении в двух противо-
положных направлениях и чтобы в каждой второй программируе-
мой точке можно было остановить робот, измерить время его дви-
жения и погрешность позиционирования. Эти данные помогут не
только судить об эксплуатационных возможностях роботов, но и
позволяет провести оптимизацию их конструкций.
Заканчивая рассмотрение основных характеристик роботов, сле-
дует заметить, что при проектировании роботов необходимо:
1)	предусматривать возможность их быстрого и простого про-
граммирования и перепрограммирования;
2)	обеспечивать возможность расширения функций исполни-
тельной и управляющей систем робота за счет применения агре-
гатно-модульного принципа их построения;
3)	гарантировать сохранность рабочей программы в памяти
системы управления при отклонении питания как в случае сбоев,
так и при необходимости останова робота;
4)	учитывать и стремиться уменьшать шум, теплоизлучение
и другие воздействия, создаваемые роботом в окружающей среде;
5)	снижать затраты на обслуживание робота;
6)	обоснованно устанавливать необходимый комплект запас-
ных частей робота;
7)	предусматривать мероприятия по обеспечению безопасности
функционирования робота,

Глава ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Q РОБОТОВ
2.1. Основные виды исполнительных приводов
перемещения и манипулирования
Высокая точность роботов для миниатюрных изделий
определяет весьма жесткие требования, которые предъявляются
к их исполнительным устройствам. Это относится как к выбору
структуры и типа системы манипулирования, так и к точности испол-
нения отдельных звеньев манипулятора.
В существующих моделях рассматриваемых роботов в основном
находят применение пневматические, электрические и комбиниро-
ванные приводы. Пневматические приводы используют в роботах
с цикловым управлением, однако высокая точность обеспечивается
только в режиме управления по упорам. Так, в серии промышлен-
ных высокоточных роботов SMT фирмы «Дайни Сейкоша» (Япония)
используются пневматические приводы, обеспечивающие точность
манипулирования с погрешностью не более 0,02—0,05 мм при мак-
симальной массе перемещаемого объекта 0,05—0,2 кг.
Применение электроприводов для малогабаритных роботов сдер-
живалось отсутствием небольших высокомоментных электро-
двигателей с высоким динамическим качеством переходных режи-
мов движения. В последние годы появились компактные приводные
модули, в которых используются в основном трехфазные асинхрон-
ные электродвигатели, обеспечивающие требуемую точность некото-
рых видов роботов, например «Мотор-палец», «Мотор-рука», «Зажим»
и двухскоростные модули фирмы «Яскава Электрик» (Япония),
серия электромеханических модулей фирмы «Тосиба» (Япония)
и др. В СССР разрабатывается ряд унифицированных комплектных
электроприводов мощностью от 25 до 2,2-103 Вт на валу. Заметим,
что вопросы создания различных приводов и устройств управле-
ния ими достаточно хорошо освещены в отечественной литературе
(см., например, [1, 10]). Значительно меньше изучена проблема
создания приводов прецизионных роботов, погрешность позицио-
нирования которых не превышает десятых и даже сотых долей
микрометра. В то же время развитие микроэлектроники, телеме-
ханики, прецизионного приборостроения ставит задачи создания
прецизионных роботов, объект манипулирования которых весьма
небольшой — от отдельных биологических клеток до микросхем.
Примером такой системы может служить созданный в инсти-
туте биофизики и СКВ биологического приборостроения АН СССР
комплекс для микроэлектродных и микрохирургических исследо-
25

Рис. 2.1. Гидро- или пневмопривод с двумя или тремя степенями подвижности:
1 — корпус из магнитомягкого материала; 2 — поршень; 3 — обмотка возбуждения; 4
прокладка
ваний живой клетки, содержащий несколько видов микроманипу-
ляторов, в которых используются различные принципы передачи
движения от руки экспериментатора к инструменту — механи-
ческий, пневматический, электрический.
В данной главе основное внимание уделено состоянию и тенден-
циям развития перспективных высокоточных приводов, основан-
ных главным образом на применении высокочастотных вибрацион-
ных преобразователей движения.
Известный принцип последовательного наращивания степеней
подвижности не всегда приемлем для построения прецизионного
манипулятора вследствие снижения жесткости кинематической цепи.
Поэтому весьма важна задача создания многоподвижных привод-
ных узлов, обеспечивающих управляемое движение по нескольким
координатам. Однако успехи в создании таких многоподвижных
модулей пока невелики. Известны системы с линейными электро-
двигателями, обеспечивающие две и три степени подвижности и
предназначенные для позиционирования тел на плоскости, а также
двухкоординатная система с аэростатической опорой и линейным
электродвигателем с разнесенными координатами [12]. Макси-
мальное тяговое усилие указанной системы 34Н, дискретность пе-
ремещения 10 мкм.
На основе использования методов управления структурой меха-
низмов можно построить приводы с несколькими степенями под-
вижности, применяя разнотипные силовые и управляющие воздей-
ствия. На рис. 2.1 даны схемы пневмо-или гидроприводов с поршнем,
имеющим две (рис. 2.1, а) или три (рис. 2, б) степени подвижности.
Силовое воздействие осуществляется средой с повышенным дав-
лением р (t). Изменение структуры обеспечивается переходом от
26

трения скольжения к трению качения, при этом требуемые пло-
скости (рис. 2.1, а) или поверхности (рис. 2.1, б) качения задаются
возбуждением постоянного магнитного поля, замыкающегося че-
рез поршень. Таким образом, привод, показанный на рис. 2.1, а,
реализует два режима движения: поступательное движение со ско-
ростью х (магнитное поле не возбуждается); поворот с угловой ско-
ростью ±x/R, где знак «+» берется при возбуждении магнитного
поля в верхней опоре, а «—» — в нижней.
В случае сферического поршня (рис. 2.1, б) реализуются посту-
пательное движение и повороты поршня относительно двух взаимно
перпендикулярных осей.
Недостатком таких схем является взаимное влияние координат.
Пример схемы, в которой этот недостаток отсутствует, приведен
на рис. 2.2, где показан гидропривод, поршень которого кроме
очевидного поступательного движения совершает вращение, когда
в" гибком цилиндре 3 возбуждаются колебания типа бегущих изгиб-
j ных волн при
j	Pi (0 = Ро {1 + cos [о)х/ 4- (i — 1) (2л//г) sign ы2]},
;	п _ 3, i — 1, 2, . . ., п,
‘ где р0, — амплитуда и частота изменения давления; п — число
!1 камер; ю2 — угловая скорость поршня. Отличительной особен-
j ностью такой схемы является высокая разрешающая способность
I по углу, составляющая единицы секунд.
Интересным направлением развития исполнительных устройств
сверхлегких роботов является создание гибких манипуляторов
с эластичным звеном, обладающим бесконечным числом степеней
подвижности. Простейший манипулятор такого типа (рис. 2.3, а)
содержит несколько трехкамерных участков, расположенных по
длине звена. Плоскость и форма изгиба каждого участка задаются
подбором давлений рг (t), i — 1, 2, 3. Точность фиксации положения
повышается при использовании электрореологических жидкостей
с управляемой вязкостью [А. с. 617254 (СССР)]. Число камер мо-
жет быть значительно увеличено (рис. 2.3, б, в), что соответственно
увеличит число степеней подвижности эластичного звена. Однако
при этом усложняется система распределения давлений.
Рис. 2.2. Гидропривод с двумя степенями подвижности:
1 — корпус; 2 — поршень; 3 гибкий цилиндр; Р (t) — управляющий сигнал по коор**
динате
27

В качестве эластичного звена могут быть использованы силь-
фоны, допускающие значительные деформации изгиба. Сочетание
материалов с управляемой реологией (например, магнитореологи-
ческих жидкостей и многокамерных сильфонов) позволяет реали-
зовать эффективные манипуляторы с эластичными звеньями, управ-
ляемые как системой распределения давлений, так и магнитным
полем (рис. 2.3, г).
Возникающая в критических ситуациях структурная неустой-
чивость устраняется применением стабилизирующих звеньев, две
схемы и характеристики которых в виде зависимостей момента тре-
ния Мт и жесткости с1} в сочленении от углов взаимного поворота
звеньев и ср»-/ приведены на рис. 2.3, д—ж.
Принципы управления структурой механизмов могут быть при-
менены и при создании гибких манипуляторов. Одним из наиболее
легко управляемых параметров является коэффициент трения в зоне
контакта звеньев Д-, который можно изменять в широких пределах.
Если эффективность действия колебаний в зоне контакта оценить
коэффициентом
^=1-(Ш	(2.1)
где f'T — коэффициент трения без смазочного материала при воз-
буждении колебаний в зоне контакта, то характер изменения fg
от амплитуды колебаний g0 в зоне контакта будет зависеть от типа
Рис. 2.3. Схемы гибких манипуляторов:
1—эластичное звено; 2 — полость, заполненная электрореологической жидкостью; 3 — внеш-
няя оболочка; 4 — многомерный сильфон; 5 — обмотка возбуждения; 6 — звено для устра*
нення структурной неустойчивости
7 2 J
г)	,е)	ж)
28

Рис. 2.4. Зависимость коэффи-
циента эффективности действия
колебаний в зоне контакта / от ам-
плитуды колебаний:
1,2 — при тангенциальных и нор-
мальных колебаниях точечных и
линейных контактов; 3 — при
нормальных колебаниях плоско-
стного контакта
Рис. 2.5. Гибкий манипулятор с конечным числом степеней подвижности (система замы-
кания контакта между звеньями не показана)
колебаний (рис. 2.4). Для точечных и линейных контактов всегда
/э < 1, а кривая зависимости Д от амплитуды нормальных колеба-
ний имеет две зоны: I — колебания в пределах макро- и микроне-
ровностей, II — виброударные колебания, кратность которых может
быть больше 1. В случае чисто тангенциальных колебаний зона II
не наблюдается. Для плоскостных контактов в режиме сжимаемой
воздушной подушки наблюдаются значения Д, близкие к 1
(зона III) [3].
На рис. 2.5, а приведена схема гибкого манипулятора с конеч-
ным числом степеней подвижности, действие которого основано
на периодическом изменении структуры при влиянии внешнего
момента М (возбуждаемого, например, центробежными силами
вращающегося ротора с динамическим дисбалансом), вектор кото-
рого вращается в плоскости F—F с угловой скоростью и. Манипу-
лятор составлен из пассивных звеньев 1 (пустотелых сфер), сопря-
женных с вибропреобразователями 2 из пьезокерамики, колебания
которых возбуждаются генератором электрических сигналов 3.
Момент включения колебаний каждой пары задается углом у(,
продолжительность колебаний определяется углом рг (рис. 2.5, б).
Управляющее устройство 4 в зависимости от требуемой формы
изгиба г = r(t) синтезирует функцию управления Q [М, (у), (Р) ],
определяющую моменты включения колебаний в активных звеньях
сопряжения (рис. 2.5, в), т. е. решается обратная задача динамики,
которая при задании ограничений на векторы (Р) и М может быть
сведена к построению вектора
29

Рис. 2.6. Эпюры изменения вязкости гибкого
манипулятор! с бесконечным числом степе-
ней подвижности
Используя методы управления
'структурой, можно построить гиб-
кий манипулятор с бесконечным
числом степеней подвижности. Та-
кой манипулятор содержит пу-
стотелое эластичное звено, запол-
ненное материалом с управляемой
вязкостью т]ь. Как и в выше рас-
смотренном случае, к захвату при-
лагается внешний момент, вращающийся в плоскости, перпендику-
лярной оси гибкого звена в этой зоне. Изменением эпюры'распре-
деления вязкости как в сечении гибкого звена т]ь (а, /у) (рис. 2.6, а),
так и по его длине т]ь (а, I) (рис. 2.6, б) и согласованием моментов
изменения вязкости т]6 с вектором М формируется либо траекто-
рия захвата, либо задается форма нейтральной оси гибкого звена;
при этом алгоритм управления тот же, что и в рассмотренном вы-
ше случае.
2.2. Многорежимные высокочастотные
вибродвигатели
Особенности и типы. В последнее десятилетие бурно развиваются
прецизионные приводные механизмы нового вида, называемые
вибродвигателями [31 или пьезоэлектрическими двигателями [20].
Действие вибродвигателя основано на преобразовании высоко-
частотных многокомпонентных упругих колебаний твердых или
гибких тел в направленное (в среднем) многомерное движение под-
вижного звена — ротора, ползуна и т. п. Основное отличие вибро-
двигателей от известных механизмов для преобразования колеба-
тельного движения во вращение или линейное перемещение заклю-
чается в использовании упругих колебаний звеньев в виде стоячих
или бегущих волн, при этом частоты преобразуемых колебаний ле-
жат в ультразвуковом диапазоне (начиная от 20-Ю3 Гц). Высокие
частоты и малые амплитуды колебаний приводят к качественному
изменению ряда параметров привода, а также обусловливают но-
вые явления, не наблюдаемые в низкочастотных механизмах.
Исследования вибродвигателей [3, 20, 41 ] показали их большую
эффективность при использовании в качестве приводных узлов
манипуляторов и роботов для миниатюрных изделий. В настоящее
время вибродвигатели, видимо, являются единственным типом
привода для прецизионных манипуляторов, погрешность позицио-
нирования которых не превышает 0,1—0,01 мкм. Перечислим спе-
цифические особенности вибродвигателей, играющие важную роль
при использовании их в качестве привода роботов рассматриваемого
класса;
1.	Высокая разрешающая способность по перемещению, дости-
гающая 1—10 мкм в режиме преобразования колебаний и 0,01 мкм —
30

При использовании управляемых деформаций преобразовате-
лей.
2.	Высокое динамическое качество переходных режимов дви-
жения. Для большинства разработанных вибродвигателей время
разгона равно единицам миллисекунд, время торможения — на
30—50 % меньше.
3.	В выключенном состоянии подвижный элемент заторможен
силами трения, а зона нечувствительности близка к разрешающей
способности двигателя.
4.	Вибродвигатели обладают большим диапазоном регулиро-
вания скорости — до 106 (при применении комбинированной ампли-
тудно-частотной модуляции); это обеспечивает выбор оптимального
закона движения при подходе к координате и реализации скользя-
щих режимов движения.
5.	В зависимости от исполнения число степеней подвижности
вибродвигателей составляет 1—5 (в случае твердых звеньев) и беско-
нечно — при использовании эластичных звеньев, выполненных из
гибких пьезоактивных материалов.
6.	Сильные магнитные и радиационные поля почти не влияют
на работу вибродвигателей; температурный диапазон их начинается
от температур, близких к абсолютному нулю, а сверху ограничен
точкой Кюри пьезоактивных материалов (т. е. 250—350 °C для
большинства типов современной пьезокерамики).
К недостаткам вибродвигателей следует отнести повышенный
износ контактирующих поверхностей и необходимость применения
датчиков обратной связи по положению, так как отсутствует одно-
значная зависимость между числом периодов колебаний вибро-
преобразователя и положением подвижного звена вибродвигателя.
Как будет показано ниже, последний недостаток частично компен-
сируется возможностью сенсоризации, основанной на возбужде-
нии высокочастотных поверхностных волн в преобразователях,
что позволяет однозначно определить как положение, так и скорость
подвижного звена.
Рассмотрим типовую схему вибродвигателя (рис. 2.7), состоя-
щего из подвижного звена 4, к которому с помощью упругих эле-
ментов 2 и 3 (жесткость которых и с2,	с2) прижат вибропреоб-
разователь /, подключенный к блоку 5 — генератору электрических
колебаний j U (t)} — через блок
в зависимости от сигнала’ управ-
ления Н (X, X, t) задает виб-
ропреобразователю колебания
требуемой формы и вида. В зоне
контакта подвижного звена 4
и преобразователя 1 возбуж-
даются двумерные колебания,
приводящие к возникновению
постоянной составляющей сум-
Рис. 2.7. Типовая схема вибродвигателя
управления 6. Блок управления
31

a)
i)
[Рис. 2.8. Схемы вибродвигателей с косыми соударениями*
1 — вибропреобразователь; 2 — подвижное звено (Л, Б, В — электроды для возбуждения
соответственно продольных, крутильных и радиальных колебаний)
марной силы, действующей по оси х и приводящей звено 4 в дви-
жение. Возможна реализация различных обратных связей: по по-
ложению и скорости (с датчиками положения 7 или скорости 8),
по силам, действующим в зоне контакта (в этом случае датчиком
силы 9 может служить участок вибропреобразователя /), по ампли-
тудам колебаний вибропреобразователя (стабилизация процесса
возбуждения колебаний — цепь А на рис. 2.7) и т. д.
Рассмотрим схемы вибродвигателей, наиболее отвечающие тре-
бованиям, предъявляемым к приводам точных роботов.
Вибродвигатели с косыми соударениями. Эти двигатели основаны
на суммировании тангенциальных составляющих ударного импульса.
Согласно гипотезе вязкого трения, тангенциальная составляющая
ударного импульса не зависит от его нормальной составляющей
и определяется коэффициентом мгновенного трения при ударе /у,
зависящим от свойства и состояния соударяющихся поверхностей.
Колебания в зоне контакта могут совершать как одно звено,
так и оба звена. В случае одного активного звена его двумерное
движение определяет и нормальную и тангенциальную составляю-
щие скорости удара. В обобщенном случае двумерное движение
колеблющегося звена может быть представлено любой комбинацией
продольных, поперечных, радиальных, изгибных, крутильных и
сдвиговых колебаний. Наиболее распространены схемы с продольно-
крутильными (рис. 2.8, а), радиально-крутильными (рис. 2.8, б)
и продольно-изгибными колебаниями. Важными требованиями яв-
ляются совпадение хотя бы одного узла колебаний разных видов
(для выбора места крепления преобразователя) и возможность изме-
нения относительной фазы колебаний одной составляющей (для
изменения знака скорости). Как показывают эпюры распределения
амплитуд продольных колебаний бх и бу (по осям х и у) и крутиль-
ных колебаний <рх (относительно оси х), схемы, приведенные на
рис. 2.8, отвечают этим требованиям.
32

Ьис. 2,9. Схема линейного вибродвиГЯ*
теля с двумя активными звеньями в зоне
контакта (случай п2 = 2пгу.
1 — корпус; 2,5 — вибропреобразователи,
задающие нормальную составляющую
импульса удара в зоне контакта; 3 — по-
стоянный магнит; 4 — ферромагнитная
накладка;	6 — вибропреобразователь,
задающий	тангенциальную составля-
ющую импульса удара; 7 — ползун
В случае двух активных
звеньев в зоне контакта нор-
мальная и тангенциальная со-
ставляющие скорости удара
формируются отдельными преоб-
разователями, поэтому возможно раздельное регулирование их для
достижения оптимального соотношения амплитуд тангенциальных и
нормальных колебаний. Характерная конструктивная схема такого
двигателя приведена на рис. 2.9 [А. с. 595812 (СССР) ]. Вибродвига-
тели этого типа обладают высокими конструктивными и эксплуата-
ционными показателями, несмотря на необходимость подвода на-
пряжения к подвижному преобразователю. Как видно из рис. 2.9,
эпюры распределения амплитуд продольных колебаний бх', бх" и
бу по осям х и у дают возможность выбора мест закрепления пре-
образователей в узловых плоскостях. Важно тр, что нормальные
и тангенциальные колебания в зоне контакта возбуждаются преоб-
разователями продольных колебаний, при этом угол <р равен нулю
или л в зависимости от направления движения ползуна.
Волновые вибродвигатели. Они основаны на фрикционном взаимо-
действии колебаний типа бегущих волн упругого тела и приводи-
мого в движение звена. Наиболее’просто колебания в виде бегущих
волн возбуждаются в регулярных структурах. Так, возбудив в
кольцевом преобразователе изгибные колебания R = Ro П +
4- £ sin (nj-tpi—ы0], где £— относительная амплитуда колеба-
ний; — волновое число; <рх — угловая координата рассматри-
ваемого сечения (рис. 2.10, а), получим
d^xldt = —zrdq-Jdt,
где dq^ldt — угловая скорость волны, равная (при tix = 2) круговой
частоте генератора электрических колебаний. Если осуществить
упругий натяг в зоне контакта вибропреобразователя и ротора,
то угловая скорость ротора вследствие фрикционного взаимодей-
ствия его и вибропреобразователя будет меньше (1/7?0) (^€ /^0-
При конструктивном оформлении волновых вибродвигателей
следует обратить внимание на то, что узлы колебаний, в которых
обычно крепятся вибропреобразователи к корпусу, отсутствуют.
Для решения этой проблемы применяют либо демпфирующие про-
кладки, либо твердые волноводы, длина которых соответствует
резонансной длине основной формы продольных колебаний. Эффек-
тивное решение [А. С. 832627 (СССР)] основано на свойстве,вибро-
преобразователя в виде трубки передавать радиальные деформа-
2 Р. Ю. Бансявичус и Др.
33

Рис. 2.10. Принцип работы и конструктивная схема
волнового вибродвнгателя:
1	— корпус; 2 — пьезокерамический вибропреобразо-
ватель; 3 — ротор; 4 — втулки из износостойкого ма-
териала (ет и ef — тангенциальная и радиальная соста-
вляющие перемещений точек нейтральной линии кольца)
ю
ции с одного конца на другой со сдвигом фазы на л/2. В этом случае
среднее сечение преобразователя неподвижно и может быть исполь-
зовано для креплениякорпусу (рис. 2.10, б). Оптимальная форма
электродов в этом случае — треугольная (рис.' 2.10, в). Оптималь-
ный натяг в зоне контакта обеспечивается путем приложения к элек-
тродам преобразователя постоянного напряжения, приводящего
к бочкообразным деформациям трубки. Как видно из рис. 2.10, в,
волновое движение возбуждается с помощью двух напряжений оди-
наковой частоты, смещенных по фазе друг относительно друга
на л/2.
Кроме изгибных колебаний (поперечных по отношению к ней-
тральной оси волновода) могут быть реализованы сдвиговые или
крутильные колебания типа бегущей волны, а также продольные
колебания линейных вибропреобразователей.
Вибродвигатели с асимметричными циклами колебаний. Их
действие основано на использовании асимметрии инерционных воз-
действий, сил трения без смазочного материала или нелинейности
скорости деформации. С помощью этих вибродвигателей строят
приводы с ограниченными размерами по двум координатам, что
иногда важно для сверхлегких роботов. Простейший путь реали-
зации асимметричных колебаний — суперпозиция продольных ко-
лебаний кратных резонансных частот со сдвигом фаз Р> между ними
(рис. 2.11, а). Другой путь возбуждения асимметричных колебаний
иллюстрирует рис. 2.11, б. К ротору 1 вибродвигателя с натягом
прижат волновод 2, где смонтирован вибропреобразователь коле-
баний 3, возбуждение резонансныхшродольных колебаний которого
приводит к генерации устойчивых ц-кратных ударных режимов
34

движения. Возникающие в результате импульсы Sy (0 приложены
непосредственно к волноводу 2. Как показано в [3], при коэффи-
циенте восстановления скорости удара 7? = 0,8 -4-1 и п = 1 эти
импульсы с достаточной для практики точностью аппроксимируются
рядом
cos mat
где Qx-= f (mjrnz, R, 0); a — коэффициент пропорциональности;
0 — предварительный натяг контактной пары 2 и 3; т± и т2 — массы
звеньев 2 и 3.
Области существования и устойчивости n-кратных периодических
режимов движения определяются по видоизмененной модели Руса-
кова—Харкевича.
Преобразователи вибродвигателей. Функциональное назначение
преобразователя — формирование заданного закона распределения
в зоне контакта с подвижным звеном двумерного или трехмерного
вибрационного поля, обеспечивающего максимум вибрационной
силы, т. е. направленной (в среднем) силы, сопровождающей дей-
ствие вибрации на нелинейную механическую систему. Эта сила
действует по касательной к зоне контакта. Рабочая частота, меха-
ническая характеристика, мощность, динамическое качество пере-
ходных режимов движения вибродвигателей определяются преоб-
разователем.
В подавляющем большинстве случаев преобразователь'" пред-
ставляет собой резонансную систему, работающую на основном или
более высоких резонансах. Амплитуды колебаний весьма малы —
порядка 1—10 мкм, а их частоты лежат в диапазоне от 20 кГц, до
5 МГц и более. Для изготовления преобразователей, как правило,
применяют пьезоактивные материалы в виде промышленной пьезо-
керамики или магнитострикционных материалов. Характеристики
и свойства пьезокерамических материалов регламентированы стан-
дартом (ГОСТ 13927—80. Материалы пьезокерамические. Техни-
ческие требования и ГОСТ 12370—80. Методы испытаний). Очень
Рис. 2.11. Схемы вибродвигателей с асимметричными циклами колебаний;
2	— волновод; 5 — пьезокерамический преобразователь:	Ъх” «
амплитуд продольных колебаний второй и четвертой формы соот-
ветственно
1 — подвижное звено:
впюры распределения
35

UjCesut
U2 cos(ut + yi)
Рис. 2.12. Преобразователь с частичной де-
поляризацией для возбуждения изгибных ко-
лебаний в плоскости наименьшей жесткости
эффективны серийно выпускаемые
материалы серий ПКД и ПКР [20 L
Синтез требуемого вибрацион-
ного поля осуществляется выбором
как формы преобразователя, так
и геометрии его возбуждающих
более детально простейший случай,
зон (электродов). Рассмотрим
когда преобразователь с размерами IXbXh изготовлен из пьезо-
керамической пластинки с толщинной поляризацией. Такой преобра-
зователь используется для построения линейных и роторных вибро-
двигателей [А. с. 693493 (СССР)]. Первый компонент колебаний
дает возбуждение продольных колебаний, основная резонансная
частота которых /к определяется из решений известного дифферен-
циального уравнения
t (£51~3г) “~0,	(2-2)
где т — масса единицы длины преобразователя; g (х, f) — функция,
характеризующая форму колебаний; Е — модуль упругости ма-
териала преобразователя; Si — площадь сечений.
При I b имеем классическое выражение fK = (Л/2/) у'Е/р,
т (х) = const = SiP, р — плотность материала. Для более точных
расчетов необходимо учесть дисперсию модуля Юнга по теории
Похгаммера—Кри:
/« = -2Г V	—J’	(2>3)
где p — модуль Пуассона; Хв — длина волны в преобразователе.
Второй компонент колебаний дает возбуждение изгибных коле-
баний пластинки на той же частоте, что первый компонент. Выделим
два случая.
Случай 1. Вектор электрического поля П параллелен плоскости
изгибных колебаний. Способ реализации преобразователя в этом
случае заключается в дискретной частичной деполяризации кера-
мики. На рис. 2.12 деполяризованные участки обозначены бук-
вами А, А'; крайние электроды возбуждают резонансные изгибные
колебания, средние — продольные, Если частоты резонансных ко-
лебаний соответствующих гармоник кратны, то сдвиг фазы между
ними определяется углом фц при подключении напряжения часто-
той со к левым электродам и фд + л — при подключении напряже-
ния к правым электродам, т. е, реверс подвижного звена вибродви-
гателя осуществляется изменением фазы изгибных колебаний.
Случай 2. Вектор электрического поля П перпендикулярен
плоскости изгибных колебаний. Разные формы колебаний воз-
буждаются подачей напряжения резонансной частоты на различные
электроды, Если соблюдать условие равенства собственной частоты
36

основной формы продольных колебаний и частоты второй формы
изгибных колебаний, то можно осуществить независимое возбужде-
ние продольных и изгибных колебаний и тем самым обеспечить
выбор оптимальных амплитудных и фазовых соотношений между
отдельными компонентами колебаний в зоне контакта. Пример та-
кого преобразователя приведен на рис. 2.13, а, где электрод Б
служит для возбуждения продольных колебаний, а электроды А
и А' (при сдвиге фазы на л) — изгибных колебаний.
Оптимальные законы двумерных колебаний можно обеспечить
и путем возбуждения связанных колебаний обоих типов (рис. 2.13, б),
что упрощает схему питания преобразователя. Фазовый сдвиг ф0
(рис. 2.13, в) обеспечивается выбором сдвига А/ между резонанс-
ными частотами колебаний соответствующих форм, а рабочая ча-
стота /р обычно лежит между ними. Реверс движения происходит
при смещении фаз изгибных колебаний на л (штриховая кривая
на эпюрах распределения амплитуд продольных дх и изгибных 6г/
колебаний на рис. 2.13, б), что осуществляется переходом от элек-
тродов В к В'. Как показали экспериментальные исследования,
при fp = 204-25 кГц А/ = 0,5 кГц для преобразователя из пьезо-
керамики ЦТС-19 (ixbxh = 60Х 14X3 мм) и А/= 0,2 кГц для
преобразователя из пьезокерамики ПКР-6 тех же размеров, при
этом фо = л/4.
Большой интерес для решения задач робототехники представ-
ляют преобразователи с переменным вектором поляризации. Кон-
структивные схемы таких преобразователей отличаются большим
Рис. 2.13. Вибропреобразователь двумерных колебаний:
| , £изг~ амплитуды продольных и изгибиых колебаний частотой /; (5Пр)р’ (£изг)р~то
же, иа рабочей частоте; ф—* фаза колебаний
$)	в)
37

a)
Рис. 2.14. Вибропреобразователь с переменным вектором поляризации н схемы его при-
менения
разнообразием. В качестве примера рассмотрим преобразователь
с радиальной поляризацией (рис. 2.14, а), служащий для возбужде-
ния трехкомпонентных колебаний. Такой преобразователь содержит
центральный электрод 1; внешние его электроды 2 разделены на
несколько частей и служат для возбуждения изгибных колебаний
в любой плоскости, проходящей через ось симметрии преобразо-
вателя, и продольных колебаний, т. е. в зонах контакта (х — 0, /)
возбуждаются колебания
L = cos (n^t — фх); == fco/COS (я2со/ — ф2),
= U COS («3Ю/— ф3).
Наибольший интерес представляют следующие сочетания пара-
метров:
lox = 0, п2 — п3, ф3 — ф2 ®= ±л/2 — для быстроходных двига-
телей, в которых 5оу == > Дг, где Дг — зазор между ротором /
и вибропреобразователем 2 (рис. 2.14, б);
U = 0, п3/п2 = 0,5, приведенная фаза Фпр = Ф3 —- (п3/п2) X
Хф2 = л/2— для линейных вибродвигателей (рис. 2.14, в),
в которых зазор между ползуном 1 и вибропреобразователем 2
&у < Ъоу, а за время 2n/on3 совершаются два косых удара, танген-
циальные импульсы которых направлены в одну сторону и меняют
знак при фпр = 3/2 л; £Ох = 0, п3/п2 = %, ФПр = л/2, %оу = g02 —
для вибродвигателей вращательного движения, в которых за период
2л/(оп3 происходит четыре косых удара (реверс движения при фпр =
= 3/2л); gOx #= 0,	= п2 = и3 — для вибродвигателей с несколь-
кими степенями подвижности.
Приведем описание и технические характеристики некоторых
типов вибродвигателей серии ВИБ, которая создана в НИС «Вибро-
техника» Каунасского политехнического института. Серия вклю-
чает вибродвигатели линейного и вращательного движения, пово-
ротные платформы, устройства позиционирования на плоскости
38

Таблица 2.1. Характеристики вибродвигателй
вращательного движения ВИБ-16
Наименование параметра
Угловая скорость, рад/с
Максимальный момент на валу, Н-м
Разрешающая способность, мкр ад
Минимальный шаг, мкр ад
Максимальный шаг
Частота питания, кГц
Напряжение питания, В
Габаритные размеры, м
Масса, кг
Материал преобразователя		
ЦТС-19	ПКР-6	ПКР-10
6,0 0,05 23 80 0,0	8,5 0,10 0,7 1,0 Не ограничеь 24,5 60 84X0,076X0, 0,1	12,0 0,06 24 55 027
и в пространстве, сканирующие устройства и манипуляторы для
прецизионных операций.
Вибродвигатель ВИБ-16 (табл. 2.1) является автономным ревер-
сивным приводом широкого назначения, схема компоновки кото-
рого соответствует рис. 2.11, б. В вибродвигателе использован
преобразователь продольных и изгибочных колебаний, допуска-
ющий раздельное регулирование амплитуд и фаз тангенциальной
и нормальной составляющих колебаний в зоне контакта (см.
рис. 2.13, а), т. е. оптимизацию параметров колебаний по быстро-
действию с учетом значения и характера нагрузки. В схему вибро-
двигателя введено электромеханическое демпфирующее устройство,
предназначенное для управления добротностью преобразователя QM
в пределах (QM)max/(QM)min« (8 4-Ю). Устройство состоит из пре-
образователя колебаний в виде пьезокерамической пластинки,
упруго прижатой к основному преобразователю вибродвигателя.
Регулированием относительной фазы колебаний основного и допол-
нительного преобразователей осуществляется управление общей
энергией, поглощаемой в зоне контакта обоих преобразователей.
Таким образом, двигатель может работать как в шаговых режимах,
максимальное быстродействие которых зависит от добротности
системы, так и в режиме установившейся скорости.
Схемы преобразователей, приведенные на рис. 2.13, а, б, исполь-
зованы для построения серии вибродвигателей линейного и враща-
тельного движения (табл. 2.2, 2.3). Конструктивное исполнение
их несложное (рис. 2.15). Преобразователи не содержат дефицит-
ных материалов и просты в изготовлении. Приведем более детально
их характеристики, представляющие собой статистически усред-
ненные множества результатов измерений, проведенных на несколь-
ких вибродвигателях того же конструктивного исполнения [3 ].
На рис. 2.16 представлены механические характеристики вибро-
двигателей ВИБ-18 и ВИБ-19 при силовой (рис. 2.16, а) и инер-
ционной (рис. 2.16, б) нагрузках. Силовая нагрузка Вн характерна
для приводов гибких звеньев. Инерционная нагрузка тя более
39

Таблица 2.2. Характеристики вибродвигателей
линейного движения^серии ВИБ
Наименование параметра	ВИБ-18	ВИБ-19
Материал преобразователя	ПКР-6	ПКР-10
Номинальная скорость, м/с	0,1	0,15
Развиваемое усилие при номинальной скорости, Н	1,2	4
Разрешающая способность, мкм	0,02	
Минимальный шаг, мкм	4	0,05
Максимальный шаг	Определяется длиной	
	ползуна	
Напряжение питания при номинальной скорости, В	50	60
Частота питания, кГц	24	32
Максимальная нагрузка на ползун в плоскости, пер-	20	12
пендикулярной вектору скорости, Н		
Масса, кг	0,25	0,12
Таблица 2.3. Характеристики вибродвигателей
вращательного движении серии ВИБ
Наименование параметра	ВИБ-20	ВИБ-21	ВИБ-22	ВИБ-23	ВИБ-24	ВИБ-25
Номинальная угловая скорость, рад/с	30	20	12	27	18	10
Момент при номинальной скорости, Н-м	0,2	0,18	0,35	0,25	0,4	0,8
Разрешающая способность, мкрад	2	1,5	0,6	2	1,5	0,6
Минимальный шаг, мкрад Максимальный шаг Напряжение питания, В	5	5	3 Не ог 6	5 эаниче 0	5 {	3
Масса, кг		0,14	0,18	0,2	0,22	0,26
Рис. 2.15. Конструктивное исполнение вибродвигателей:
а — ВИБ-20; ВИБ-21; ВИБ-22; б — БИБ-23; БИБ-24; БИБ-25; 1 — корпус; 2 — внбро-
преобразователь; 3 — ротор; 4 — накладка нз износостойкого материала; 5 — ограничь*
тель-демпфер; 6 — пружина
40

рис. 2.16. Механические характери-
стики вибродвигателей при силовой
и инерционной нагрузках (преобра-
зователь ПКР-6,60 X 14 X 2 мм);
vK — скорость подвижного звена в зо-
не контакта
характерна для позициони-
рующих систем и сканирую-
щих устройств, а смешанная
нагрузка — для приводов,
работающих в узлах микро-
манипуляторов.
Ввиду того что преобразователи вибродвигателей являются
упругими системами с бесконечным числом собственных частот,
зависимости'скорости va от частоты питания f имеют вид ампли-
тудно-частотных характеристик (рис. 2.17). Как правило, выде-
ляется основная рабочая частота; имеются частоты, в области кото-
рых ии меняет знак.
На рис. 2.17, а приведена скоростная характеристика ВИБ-18
с преобразователем из пьезокерамического материала с высокой
добротностью (ПКР-6). Там же дана характеристика вибродвига-
теля ВИБ-10 (кривая /), имеющая один максимум (применяются
однокомпонентные колебания преобразователей).
Характер скоростной зависимости определяется и резонансными
свойствами преобразователей. На рис. 2.17, б сплошной линией
показана характеристика вибродвигателя ВИБ-19 с преобразова-
телем из ЦТС-19, имеющего низкую добротность. Из рисунка видно,
что стабильность частоты питающего генератора не играет большой
роли, так как ширина резонансных зон достаточно большая. На
рис. 2.17, б штриховой линией показана скоростная характеристика
вибродвигателя ВИБ-19 с преобразователем, зоны возбуждения
которого сформированы исходя из требования широкополосное™
частотной характеристики.
Рис. 2.17. Зависимости скорости v от частоты питания при const
41

Рис. 2.19. Области предельных значений разрешающей способности Дл? при инерционных
и силовых нагрузках вибродвигателей*.
1 ~ с косыми соударениями; 2 — при чисто силовой нагрузке; 3 — с асимметричными
циклами колебаний
Рис. 2.18. Скоростная характеристика подвижного звеиа в зависимости от частоты и ам-
плитуды колебаний преобразователей в зоне контакта
Скоростная характеристика контакта ик = vK [FtI, |г (Д, А{, |Зг)],
i = 1, 2, п, представляющая собой зависимость линейной ско-
рости подвижного звена в контактной зоне от силы нагрузки FH
и параметров (частоты /, амплитуды А и фазы (3) колебаний преоб-
разователей в зоне контакта, отражает процесс преобразования
колебательного движения в непрерывное. Снятие этой характерис-
тики затруднено тем, что в достаточно широком частотном диапазоне
невозможно поддержать постоянной амплитуду колебаний преобра-
зователей. На рис. 2.18, а приведены графики зависимости скорости
подвижного звена для трех нагрузок при фг = const = 4 мкм
(сплошные линии) для вибродвигателя ВИБ-18 с преобразователем
из пьезокерамики ПКР-7. Постоянство значений было обеспе-
чено только в резонансной области. При остальных частотах воз-
можный характер зависимости показан штриховой линией.
Графики зависимости скорости vK от амплитуды тангенциальной
составляющей колебаний в зоне контакта при £т/£н — const и Р =
const для вибродвигателя ВИБ-18 с преобразователем из пьезоке-
рамики ПКР-Ю приведены на рис. 2.18, б. Как видно из рисунка,
в узком диапазоне изменений зависимость щ (gT) носит почти
линейный характер.
Определение разрешающей способности сопряжено со значи-
тельными трудностями ввиду больших погрешностей измерения
и разброса ее значений даже для одного и того же вибродвигателя.
Поэтому приведенные на рис. 2.19 области предельных значений
разрешающей способности следует считать ориентировочными, слу-
жащими для оценки точности вибродвигателей, работающих в систе-
мах с обратной связью по координате. Как видно из рис. 2.19, наи-
большее влияние на разрешающую способность оказывает инер-
ционная нагрузка.
Увеличение разрешающей способности достигается в режиме
статического деформирования преобразователя, когда к нему при-
42

латается постоянное электрическое поле. Деформации преобразо-
вателя приводят к перемещению подвижного звена, при этом разре-
шающая способность зависит от типа сопряжения, но в среднем
повышается на два порядка.
Одной из важных характеристик вибродвигателей, работающих
в шаговых режимах, является частотная характеристика шаговых
режимов (рис. 2.20). Характеристика связывает предельную частоту
£2пр шагов и их размер бш, т. е. определяет область реализуемых
параметров Й, 6Ш (вниз от кривых). При снятии характеристики
частота й считалась предельной в том случае, если при ее увеличе-
нии отношение скоростей пк/пшах, в промежутках между шагами
становилось отличным от нуля.
Очувствление вибродвигателей. Важной особенностью вибродви-
гателей, применяемых в качестве приводных узлов роботов, является
возможность использования термо-, тензо-, массо- и гирочувстви-
тельности входящих в их состав пьезоэлектрических преобразова-
телей-резонаторов. При этом задача измерения координат положе-
ния, скорости, силы или момента сводится к измерению параметров
электрических величин — амплитуд, фаз или частот напряжений,
снимаемых со специально предусмотренных электродов.
Возможность измерения относительной скорости в зоне контакта
обусловлена самим принципом действия вибродвигателя: возника-
ющий при косом соударении в зоне контакта тангенциальный импульс
удара зависит от тангенциальной составляющей скорости удара.
Задача определения скорости сводится к измерению электрического
сигнала с электродов вибропреобразователя, пропорционального
тангенциальной составляющей импульса удара. Для различных
типов вибродвигателей существуют свои правила определения места
расположения скомпенсированных электродов. Сигнал, снимае-
мый с этих электродов (в большинстве случаев его амплитуда),
функционально зависит от относительной частоты вращения. Мето-
дика и примеры определения расположения этих электродов на
вибропреобразователе приведены в работе [3], там же даны схемы
для определения положения подвижного звена вибродвигателя,
основанные на зависимости между длиной пути, пройденной импуль-
сом в преобразователях, и временем, необходимым для прохожде-
ния этого пути. Для этой цели могут быть использованы как нор-
мальные, так и тангенциальные импульсы косых соударений, про-
исходящих в зоне контакта. Пройдя определенные расстояния,
импульсы поступают на специально
локализованные электроды, вклю-
ченные в мостовые схемы, позволяю- 10ч
Щие устранить наводки от основных
колебаний преобразователей. ю3
Точность измерения положения г
и чувствительность данного метода
—------------------------------------ щ
Рис. 2.20. Частотная характеристика шаговых
режимов (ВИБ-18 с преобразователем 1|з	'	е
ПК Р-Ю)	0,01 0,1	1	10	100 ,Чег,П^
43

невелики, поэтому основное применение метода фиксации положе-
ния подвижных звеньев — формирование траекторий движения
звеньев манипулятора с избыточным числом степеней подвижности,
а также управление манипулятором, в котором высокоточные дат-
чики координат фиксируют только положение захвата.
В последние годы проводятся работы по использованию поверх-
ностных акустических волн (типа волн Релея) в пьезоактивных
средах для измерения взаимного положения двух звеньев с высокой
точностью. Система измерения с поверхностными акустическими
волнами может быть основана на свойствах контакта двух пьезо-
электрических поверхностей, по одной из которых распространяется
поверхностная акустическая волна. Ее электрическое поле инду-
цирует в другой среде поверхностную волну, которая поступает
на приемный преобразователь. При фазовой скорости волны порядка
(1 4-5)-103 м/с на частоте 1 МГц погрешность измерения положения
не превышает 10—50 мкм соответственно, а на частоте 100 МГц —
погрешность не более 0,1—0,5 мкм; предельная точность метода
характеризуется погрешностью около 0,01 мкм.
Использование преобразователей вибродвигателей как датчиков
сил или моментов особенно актуально при разработке вибродвига-
телей для привода захватов, поэтому этот вопрос будет рассмотрен
более подробно.
2.3. Вибро двигатели с несколькими степенями
подвижности
Управление структурой механизмов с вибродвигателями. Рас-
смотренные выше принципы построения вибродвигателей можно
использовать для создания прецизионных приводов с конечным или
бесконечным числом степеней подвижности. Вибродвигатели с не-
сколькими степенями подвижности особенно перспективны для реше-
ния задач создания прецизионных роботов и манипуляторов, а также
захватов и пальцевых систем.
Существуют два направления построения многоподвижных при-
водных механизмов с вибродвигателями: управление структурой
механизмов и использование известных кинематических пар с не-
сколькими степенями подвижности, звенья которых выполнены
из пьезоактивных материалов (так называемые управляемые вибра-
ционные пары или вибропары). Рассмотрим оба направления с уче-
том специфических требований, предъявляемых к точным робо-
там.
Методы изменения кинематической структуры механизмов в сово-
купности с особенностями свойств вибродвигателей обеспечивают
создание ряда механизмов с переменной структурой, позволяющих
сравнительно просто решить ряд кинематических задач, связанных
с реализацией сложных движений.
При движении механизма с переменной структурой изменяются
число его подвижных звеньев и число кинематических пар. Это про-
исходит за счет объединения его подвижных звеньев со стойкой и
44

между собой при последующем их разъединении. Особенностью
рассматриваемых вибродвигателей с переменной структурой по
сравнению с уже известными являются малая постоянная времени
процесса переключения структуры (порядка 0,01 с) и совмещение
приводного или регулирующего механизма с устройством объеди-
нения или торможения.
Для примера рассмотрим вибродвигатель с переменной струк-
турой и с одним входным звеном. Известно, что для пространствен-
ной кинематической цепи число степенен подвижности W относи-
тельно звена, принятого за неподвижное,
5
W = 6/г - £ iph	(2.4)
г=1
где п — число подвижных звеньев; р, — число кинематических
пар t-го класса.
Соединение и разъединение звеньев основано на скачкообраз-
ном изменении силы или момента трения в кинематической паре
вибродвигателя. При этом моменту сопротивления движению в ки-
нематической паре М может быть задано любое значение в интер-
вале 0 < Л4 < Л4тр, где Л4тр — момент трения кинематической
пары при отсутствии колебаний, который должен быть меньше
максимального момента, развиваемого в кинематической паре при
работе механизма.
Управление структурой механизмов в ряде случаев позволяет
эффективно решать задачи позиционирования на плоскости и в про-
странстве. Примеры схем виброустройств с управляемой структу-
рой приведены на рис. 2.21. В качестве направляющих здесь служат
сами вибропреобразователи, т. е. исключается система сложных
направляющих [321. Столик 2 (рис. 2.21, а) закреплен неподвижно
в узловых точках преобразователей 1 и 3, которые охвачены с тор-
цов преобразователями 4 и 6. В свою очередь преобразователи 4
и 6 охвачены преобразователями 5 и 7. Преобразователи работают
Рис. 2.21. Манипуляторы с переменной структурой
45

йа второй форме резонансных колебаний и закреплены в двух узлах
колебаний.
Используются только продольные резонансные колебания пре-
образователей. При отработке координаты у совместно работают
преобразователи 1, 3 и 4, 6 (преобразователи 5 и 7 колебаний не
совершают), а при отработке координаты х — преобразователи 4,
6 и 5, 7 (преобразователи 1, 3 колебаний не совершают). Возможно
и одновременная отработка обеих координат у и <рг.
При использовании форм колебаний преобразователей, приве-
денных на рис. 2.21, а, длину преобразователей выбирают с по-
мощью формул
1	= 1 ]/~gT _ JL 1/~W
2/j V pj 2/а V р2 /з г Рз ’
где р; и Ei — плотность и модуль Юнга материала соответству-
ющего преобразователя, а максимальный ход по каждой координате
г	А' ^1 . г	A 2Z>2
max 2	’ max 4
Если вместо преобразователей 1 и 3 применить кольцеобразный
преобразователь, совершающий радиальные колебания, а фазы коле-
баний преобразователей 4 и 6 выполнить отличающимися на л,
получим двухподвижный манипулятор с переменной структурой,
осуществляющий линейное движение по оси у и поворот относительно
оси, перпендикулярной плоскости ху. Аналогично строятся и системы
с большим числом степеней подвижности-
По схемам, приведенным на рис. 2.21, построено несколько раз-
новидностей манипуляторов на плоскости, в которых роль направ-
ляющих играют сами преобразователи; фиксация координат в от-
ключенном состоянии обеспечивается силами трения в контактных
зонах. В табл. 2.4 даны технические характеристики двух устройств,
представляющих интерес при разработке манипуляторов малой
и средней грузоподъемности.
Таблица 2.4. Технические характеристики
устройств манипулировании на плоскости
Наименование параметра	ВИБ-12	ВИБ-26
Номинальная грузоподъемность	0,5	10
Число степеней подвижности	2	2
Наибольшее перемещение по осям х и у, мм Максимальная скорость перемещения, м/с	20	18
	0,1	0,25
Разрешающая способность по осям х и у, мкм Питание:	0,02	0,01—0,02
напряжение, В	60	100
частота, кГц	28	22
нагрузка, Ом	600	600
Габаритные размеры, мм	120Х 120X45	21X21X64
Масса, кг	0,8	4,2
46

Управляемые вибропары. Второй путь построения многоподвиж-
ных приводов манипуляторов — использование вибродвигателя в ви-
де кинематической пары, одно звено или оба звена которой выпол-
нены из пьезоактивного материала и обеспечивают возбуждение
требуемого вибрационного поля в зоне контакта этих звеньев. В рас-
сматриваемой вибропаре могут быть созданы управляемые силы или
моменты, приводящие к взаимному перемещению звеньев пары по
соответствующей координате.
Выбором метода возбуждения в звеньях вибропары как пере-
менных, так и постоянных деформаций можно управлять числом сте-
пеней подвижности вибропары. При этом используются резкий пе-
репад значений коэффициентов трения скольжения /с(трение I рода),
трения качения fK (трение II рода) и трения верчения Д. (трение
III рода). Так, если коэффициент трения скольжения в паре сталь—
сталь составляет 0,05—0,2, то коэффициент трения качения той же
пары равен 1-10'5 м, а коэффициент трения верчения — еще в 5—
10 раз меньше. Число степеней свободы вибропары Н = 6 — s (£),
где s — число условий связей, наложенных на относительное движе-
ние звена кинематической пары (1 < s < 6); £ — совокупность
параметров управления, изменяющих состояние условий связи.
В общем случае s = s (хг, х(, х,, F(,	t), где xt — обобщенные
координаты; F( — значения реакции связей.
Количество степеней свободы, по которым можно возбуждать
движение в вибропаре, называется числом степеней подвижности W
управляемой вибропары (W < Н).
Направление и модуль вибрационной силы или момента в управ-
ляемой вибропаре можно изменять путем выбора формы и типа
колебаний вибропреобразователей. Наиболее просто такое управле-
ние осуществляется в пьезоэлектрических преобразователях, вы-
полненных из пьезокерамики, путем секционирования электродов
(задающих зоны возбуждения) и соответствующего подключения их
к источнику электрических колебаний.
Другой метод синтеза требуемых характеристик вибрационного
поля в зоне контакта — применение пространственно-временных
функций возбуждения:
Лп==Ф(0Т(г, 0; Ф(0 = |Фк (01.	1, 2,..., т, (2.5)
где Ф (/) — периодическая функция времени; Т (г, t) — функ-
ция, характеризующая распределение мощности. Реализация функ-
ций возбуждения типа (2.5) осуществляется, например, разделением
электродов пьезопреобразователя на т симметричных частей. В слу-
чае дискретного перемещения
Т(гД)= ЕШГй),	(2.6)
j=i
где 6f — I -периодическая дельта-функция; jr;} — произвольная по-
следовательность вектора г, определяющая позицию возбуждающей
функции Вг (/) для времени возбуждения tl+l — tt и формируемая
Последовательной коммутацией электродов пьезоэлектрического
47

Рис. 2.22. Схема вибродвигателя, осуществ-
ляющего два поворотных движения
преобразователя. При уменьше-
нии площади электродов (s3 —<-0)
реализуется предельный случай,
сканирующий источник, скорость
которого g' (t)‘.
^(г, t) — 6t lx —g(t)l, g'(t)>0.
(2-7)
Другой путь построения подвижного источника возбуждения —
применение многофазных генераторов питания пьезоэлектрических
преобразователей.
Таким образом, синтез требуемого пространственного вибраци-
онного поля для одной или обеих поверхностей сводится к выбору
геометрических параметров электродов (в случае пьезоэлектриче-
ских преобразователей) и вида периодической функции времени.
При этом, как правило, применяются сопряжения поверхностей, со-
ответствующие кинематическим парам с несколькими степенями под-
вижности — плоскостей, цилиндрических и сферических поверх-
ностей, используют также случаи их вырождения в точку или линию.
Схемы много подвижных вибродвигателей. Множество схем управ-
ляемых вибропар целесообразно рассмотреть по их основному’ струк-
турному признаку — классу кинематической пары, на основе которой
построен вибродвигатель.
Управляемые вибропары IV класса. В парах IV класса на отно-
сительное движение каждого из входящих в нее звеньев налагаются
четыре ограничения (s = 4). Пары первого вида допускают два вра-
щательных движения, пары второго вида — одно вращательное и
одно поступательное. Рассмотрим примеры вибропар обоих видов.
Схема устройства вибродвигателя с двумя степенями подвижности
(два вращательных движения) представлена на рис. 2.22; его на-
значение — поворот захвата 1 вокруг двух перпендиклуярных осей %,
у'. Вибродвигатель состоит из сектора тороидального вибропреобра-
зователя 2 с тангенциальной поляризацией и цилиндрического
преобразователя 3 со вставкой 4, имеющей тороидальную внут-
реннюю поверхность. В невозбужденном состоянии зазор между
обеими тороидальными поверхностями равен нулю,а силовое замы-
кание контакта осуществляется упругим звеном 5. Преобразова-
тель 3 поляризован в осевом направлении и благодаря разделению
электродов может работать в режимах возбуждения радиальных и
изгибиых колебаний типа бегущей волны. Тип режима обеспечива-
ется коммутатором 6, управляемым сигналом управления су. Комму-
татор переключает электроды преобразователей и подключает их
к многофазному генератору 7.
В первом режиме движения, осуществляющем поворот <рх, ис-
пользуются тангенциальные колебания преобразователя 2 и ради-
альные колебания преобразователя 3 (вибродвигатель с двумя актив-
ными элементами). Реверсирование движения происходит при сме-

щении фазы колебаний преобразователя 3 на л. Во втором режиме
(поворот сру-) преобразователь 3 работает как волновой вибродвига-
тель с радиальными изгибными колебаниями типа бегущей волны.
Таким образом, налагаются конструктивные требования равенства
резонансных частот радиальных колебаний преобразователя 3
и тангенциальных колебаний преобразователя 2.
К вибропарам IV класса второго вида относится механизм,
показанный на рис. 2.23, а. Принцип работы основан на использо-
вании колебаний типа бегущей волны при отработке поворотов во-
круг оси х и сочетания продольных колебаний преобразователя 1
с радиальными колебаниями преобразователя 2 при перемещении
по оси х. Недостаток рассматриваемой схемы — трудность замыка-
ния контакта по всей поверхности касания звеньев.
К этой же группе относится и механизм, в котором ось z поворота
подвижного звена перпендикулярна направлению перемещения
(рис. 2.23, б). Кольцевой преобразователь 1, поляризованный по
высоте, работает в режиме резонансных радиальных колебаний,
частота которых равна частоте второй гармоники продольных коле-
баний стержневых преобразователей 2 и 3. При синфазной работе
обоих преобразователей происходит перемещение по оси у. При
сдвиге фаз на я (этот случай показан на эпюре распределения колеба-
ний) происходит вращение преобразователя 1. Силовой контакт обес-
печивается пружиной 4, а преобразователи 2 и 3 крепятся в узловых
плоскостях, что является преимуществом рассматриваемой схемы.
Управляемые вибропары III класса. В вибропарах III класса на
относительное движение каждого из. звеньев налагаются три ограни-
чения, т. е. вибродвигатели этой группы имеют три степени подвиж-
ности. Схема механизма, основанная на применении кинематической
пары первого вида, показана на рис. 2.24, а. Контакт звеньев не-
равномерен и имеет максимальную поверхность в областях, называе-
мых пятном контакта, причем форма и размеры пятна, а также рас-
пределение давлений в нем управляются источником постоянного
напряжения. Источник переменного напряжения возбуждает коле-
бания типа бегущих волн, приводящих к повороту подвижного звена
относительно мгновенной оси вращения.
Рис. 2.23. Схемы вибродвигателей с двумя степенями подвижности

49

Вид В
Рис. 2.24. Схемы вибродвигателей с тремя степенями подвижности:
1 — электроды; 2 — звено из пьезоактивного материала; 3 — сферическое звено; 4 — источ-
ник переменного напряжения; 5 — источник постоянного напряжения; 6 — блок упра-
вления
Технологически более совершенная схема показана на рис. 2.24, б.
Полый пьезокерамический шар, совершающий радиальные колеба-
ния, охвачен с трех сторон вибропреобразователями в виде стержней,
частота второй формы продольных колебаний которых должна быть
равной резонансной частоте сферического преобразователя, а также
частоте изгибных резонансных колебаний стержней в плоскости, ка-
сательной к сферическому преобразователю.
Один из преобразователей подпружинен, что обеспечивает сило-
вое замыкание звеньев. Как и в предыдущих схемах, преобразователи
прикрепляются в узлах колебаний. Преобразователи в каждой паре
работают со сдвигом фаз л.
Любые движения отрабатываются следующим образом: разде-
ленные электроды стержневых преобразователей, находящихся в пло-
скости, перпендикулярной заданной оси вращения, соединяются
между собой и подсоединяются к генератору электрических импуль-
сов. Эти преобразователи совершают продольные резонансные ко-
лебания, взаимодействующие с радиальными колебаниями сфери-
ческого преобразователя. Электроды преобразователей, параллель-
ных оси вращения, противофазно присоединяются к генератору,
обеспечивая изгибные резонансные колебания преобразователей в ка-
сательной плоскости, при этом фазы колебаний преобразователей от-
личаются на л. Преобразователи, пересекающие ось вращения, не
возбуждаются и вследствие точечного контакта служат опорой для
вращения (трение III рода).
Взаимное влияние перемещений по координатам в этой схеме
не превышает 1—2 %, уменьшаясь при уменьшении диаметра сфери-
ческого преобразователя, так как зависит от фактической площади
контакта неподвижных преобразователей со сферой [3].
59

Таблица 2.5. Технические характеристики
вибродвигателей для манипулирования на плоскости
Наименование параметра	ВИБ-6	ВИБ-11
Максимальный момент, Н-м	0,02	0,05
Номинальная грузоподъемность, кг	0,5	1,0
Линейные перемещения, мм	±5	±18
Максимальный угол поворота	Не ограничен	
Максимальное усилие, Н	1	1,5
Скорость при непрерывном перемещении, м/с	0,15	0,2
Угловая скорость при непрерывном перемещении, рад/с	4,6	6,5
Разрешающая способность, мкм	0,02	0,02
Разрешающая способность углового перемещения, мкр ад Питание:	20	20
частота, кГц	28	27
напряжение, В нагрузка, Ом	30 600	80
Габаритные размеры, мм	150X150X35	90X60X15
Масса, кг	2,1	0,2
Наиболее интересную с точки зрения робототехники группу
представляют вибродвигатели с тремя степенями подвижности, осно-
ванные на использовании трехподвижной плоскостной кинематиче-
ской пары III класса третьего вида и позволяющие решать задачи
позиционирования на плоскости. Подвижное звено такой вибропары
выполняется в виде пьезокерамического кольца, лежащего на опор-
ной поверхности. В кольце, в зоне контакта, путем локализации
зон возбуждения генерируется сочетание изгибных и сдвиговых коле-
баний, обеспечивающее независимые перемещения по каждой из
координат. В табл. 2.5 приведены технические характеристики виб-
родвигателей серии ВИВ для манипулирования на плоскости. Виб-
родвигатель ВИБ-6 обладает тремя степенями подвижности, а
ВИБ-11 — двумя степенями подвижности и выполнен по схеме, при-
веденной на рис. 2.23, б.
Управляемые вибропары 11 и / классов. Из управляемых вибропар
II и I классов наибольшее применение нашел манипулятор, при-
вод захвата которого представляет собой вибропару IV класса пер-
вого вида с выборкой зазоров [А. с. 541663 (СССР)]. Общий вид
его показан на рис. 2.25, а\ вариант с ограниченным перемещением
подвижного звена по направлении оси z — на рис. 2.25, б. Вибро-
двигатель способен поворачивать захват манипулятора в трех вза-
имно перпендикулярных направлениях и перемещать его в одном
направлении. Механическая рука 1 присоединена к сферическому
элементу 2, выполненному из пьезокерамического материала. Сфе-
рический элемент контактирует с тремя пьезокерамическими стерж-
нями 3—5, расположенными параллельно друг другу. Стержни 4 и 5
жестко закреплены в корпусе в узлах колебаний, а преобразователь 3
прижат пружиной к сферическому элементу и закреплен шарнирно
на корпусе в узле колебаний. Преобразователи 3—5 могут работать
51

tr)
Рис. 2.25. Схемы четырехподвижных манипуляторов
в двух режимах: в режиме возбуждения продольных резонансных
колебаний второй формы и в режиме изгибных колебаний в пло-
скостях, касательных к сфере. Режим движения задается блоком уп-
равления 6, соединенным с генератором электрических колебаний 7.
В местах контакта стержней со сферическим элементом проис-
ходят косые соударения, которые в каждом из трех контактов на-
правлены в сторону, определяемую соотношением между фазами ко-
лебаний элемента 2 и стержней 3—5. При равенстве фаз колебаний
всех стержней элемент 2 будет перемещаться либо вверх, либо вниз.
Вращение вокруг осей х и у достигается путем соответствующего
изменения фаз колебаний стержней 3—5.
Замыкание контакта между звеньями в вибродвигателе, пока-
занном на рис. 2.25, б, осуществляется присоединением управляю-
щих электродов к источнику постоянного напряжения. Как и в слу-
чае шарового шарнира (рис. 2.24, а), здесь возможно формирование
мгновенных осей поворота подвижного звена, лежащих в плоскости
Рис. 2.26. Схемы, иллюстрирующие принцип совмещения активных звеньев:
а — «7 == 3 + 3; {фх, фу, ф21 фх,, фу-, Фг'}7’; б - W = 2 + 3; {фу, фх, ф2, х', (рХ']т'>
в — UZ — 3 + 3; {фу, фх, фг, х, у, Фг'}7'; 1— выходное звено; 2 — звено из пьезоактив-
ного материала; 3 — основание
52

Рис. 2.27. Механизмы, в которых используются
свойства сопряжения активного (/) и пассивных
(2, 3) звеньев
ху. Отметим, что в обеих схемах,
приведенных на рис. 2.25, сфериче-
ское звено может быть выполнено
пассивным.
Совмещение звеньев. Сочетание
методов конечных элементов и метода
случайного поиска позволяет осу-
ществить синтез возбуждающих зон
поверхностей активных звеньев, .вхо-
дящих в две (или более) кинематиче-
ские пары. Совмещение звеньев кроме очевидного упрощения всей
конструкции повышает точность задания координат, так как число
контактирующих поверхностей уменьшается (рис. 2.26). Задача син-
теза активного звена сводится к определению возбуждающих зон,
приводящих к независимому перемещению по любому из возможных
направлений. При этом происходит резонансное взаимодействие из-
гибных форм колебаний преобразователей (при соблюдении требо-
вания близости по значению собственных частот) с одновременным
наложением продольных и сдвиговых колебаний преобразователей.
Принцип совмещения активных звеньев может быть использован
и для «дублирования» степеней подвижности вибропар (рис. 2.27),
которое осуществляется при 6 = 0.
2.4. Захватные устройства прецизионных
роботов
Захватные устройства являются важной частью робота; характе-
ристики их — универсальность, быстродействие, точность, надеж-
ность, уровень сенсоризации — сильно влияют на характеристики
робота в целом и на его работоспособность. Для малогабаритных робо-
тов важную роль играют также сложные рабочие органы, представ-
ляющие собой захваты с технологическими инструментами, выполня-
ющими разнообразные технологические операции.
Захватывание, установка и съем миниатюрных изделий осущест-
вляются с помощью вакуумных, магнитных, вакуумно-магнитных,
магнитно-механических, электростатических, адгезионных и других
видов захватов. Такое множество захватов связано с большим раз-
нообразием форм, размеров и поверхностных свойств деталей, а
также с различными требованиями, предъявляемыми к точности
и быстродействию процесса захватывания.
Учитывая, что в отечественной и зарубежной литературе [4, 27,
36, 40] достаточно широко представлены различные конструкции
механических захватов ПР, здесь рассмотрим лишь некоторые ва-
рианты специальных пневматических и магнитных захватов.
Пневматические и магнитные захваты. Поштучная выдача изде-
лий типа тонких пластин 1 из вертикального накопителя 2 может
53

Рис. 2.28. Схема поштучной выдачи тонких пластин из вертикального накопителя с по-
мощью робота с вакуумным захватом
осуществляться роботом с вакуумным захватом 6 (рис. 2.28). При
включении вакуума робот захватывает пластину и через вырез
в нижней части накопителя перемещает ее к неподвижному вакуум-
ному захвату 4. Остальные пластины удерживаются в накопителе
с помощью специального подвижного упора 7. В момент совмещения
захвата 6 с захватом 4 вакуум отключается, пластина присасывается
к захвату 4, а робот возвращается в исходное положение, в котором
вновь включается вакуум. После этого вакуум в захвате 4 отключа-
ется и включается сжатый воздух, который поступает в кольцевой
зазор 5 и сбрасывает пластину в специальный приемник (на рисунке
не показан). Если робот захватит две слипшиеся пластины, то при
перемещении его в зоне захвата 3 последний присасывает верхнюю
пластину, а нижняя пластина переносится роботом к захвату 4.
Неподвижные захваты 3 и 4 имеют одинаковую конструкцию.
Роторный вакуумный захват 1 (рис. 2.29) применяют для поштуч-
ной выдачи из магазина 4 цилиндрических изделий 3 (в том числе
с гибкими элементами) с целью обеспечить более высокую произво-
Рис. 2.29. Схема поштучной выдачи из магазина цилиндрических изделий с гибкими эле-
ментами с пбмощью вакуумноструйного захвата роторного типа
54

а)
Рис. 2.30. Схема работы магнитного захвата с ферромагнитным экраном
дительность по сравнению с обычным захватом, у которого запада-
ние изделий в гнезда происходит лишь под действием силы тяжести.
К гнездам 6 роторного захвата 1 подведены каналы 5, соединенные
с вакуумной сетью, и сопла 2, питаемые от магистрали сжатого воз-
духа. В зоне магазина 4 включаются вакуумные каналы 5, и под
действием вакуума и силы тяжести изделия надежно западают в
гнезда роторного захвата. Когда гнездо с захваченным изделием пере-
местится в зону над магазином, включается сжатый воздух, который
вытекая через сопло 2, сбрасывает лишние изделия из гнезда.
Использование магнитного поля для подачи изделий на техноло-
гическую позицию покажем на примере магнитного захвата с ферро-
магнитным экраном (рис. 2.30). В позиции приема (рис. 2.30, а)
магнит 1 захватывает изделие 2 из гнезда 3 и переносит его в пози-
цию выдачи (рис. 2.30, б). Здесь в зазор между магнитом 1 и прием-
ником 4 захвата, выполненного из немагнитного материала, вводится
ферромагнитный экран 5, шунтирующий магнитное поле. Благодаря
этому изделие под действием силы тяжести падает на штырь 6.
Для манипулирования плоскими изделиями, особо чувствитель-
ными к механическим воздействиям (хрупкие изделия, изделия с тща-
тельно отполированными поверхностями и т. п.), применяют бес-
контактный струйный захват х, который в отличие от захватов кон-
тактного типа полностью исключает повреждения изделий, так
как не соприкасается с их функциональными поверхностями. При
определенной конструкции струйный захват 1 позволяет одновре-
менно осуществлять угловую ориентацию изделий 5 (например, пря-
моугольной или квадратной пластины) и их базирование (рис. 2.31).
В этом случае подводящий сжатый воздух канал 2 заканчивается на-
клонным соплом 3, которое формирует плоский поток в зазоре между
торцом захвата и пластиной в направлении окна, образованного
двумя ограничительными стенками 4. Благодаря разрежению, воз-
никающему в зазоре при истечении потока воздуха, происходят за-
хватывание и удержание пластины на некотором расстоянии б
от торца захвата, причем ширина зазора устанавливается автомати-
чески из условия равновесного положения изделия. Произвольно
ориентированная пластина 5 на захвате (штриховой контур) под
1 Материал по конструкции схвата подготовлен совместно с В. В. Сафро-
Новым,
55

вид A
Рис. 2.31. Схема работы бесконтактного струйного захвата с ориентацией и базированием
детали
действием момента вязких сил М (Fx) будет поворачиваться вокруг
вертикальной оси захвата и одновременно перемещаться в диагональ-
ном направлении к окну, пока не окажется прижатой к боковым
стенкам 4. Ориентация и базирование изделий на захвате в процессе
перемещения руки робота позволяет отказаться от специального
сложного механизма центрирования в прецизионных технологиче-
ских автоматах и соответственно повысить их надежность и снизить
брак от механических повреждений изделий с низкими прочностными
характеристиками.
Определим условие равновесия пластинки на струйном захвате,
приняв с целью упрощения движение воздуха в зазоре б установив-
шимся и адиабатическим. В этом случае интеграл Бернулли имеет
вид
~ = №а,
а уравнение неразрывности W = Wa/(Sq'/k), где W = и/х, Ц7а =
— uju, q = р!ра, х = (/?а/ра)’/2, S = Rj/R — безразмерные вели-
чины; и, иа — скорости потока в зазоре п на выходе из зазора; р,
ра, Р, Ра —давления и плотности в потоке при тех же условиях;
Ri, R — промежуточное и максимальное значения радиуса торца
захвата (вписанной окружности); k — показатель адиабаты (для воз-
духа k = 1,4). Безразмерная скорость потока на входе в зазор Wo =
= го050/(2б0), где соо = uK/k\ So = rlR-, б0 — б/R; ик — скорость
потока в подводящем канале; г — внутренний радиус подводящего
канала. Результирующая сила, действующая на пластинку,
Ч 3 L (1-5'S) (1 - бтц) I1 г nJ »
где т| — 1 — </0 (при малом разрежении); q0 = prJpa, рп — давление
сжатого воздуха в подводящем канале; m = 2/7. Используя выра-
жение для Q, напишем уравнение равновесия пластинки
а Н- (1 - 2S0) (1 + Sg) (1 + бщт]) п - (1 + 2S0) ц = О,
где а = 3G/npaR2; G — сила тяжести пластинки.
<56

Используя теорему Дирихле, покажем, что равновеси&лластинки
будет устойчивым, если >0. Производная находится
дифференцированием уравнения силы Q с учетом величин первого
порядка малости относительно тр Таким образом, равновесие пла-
стинки на струйном захвате при адиабатическом движении воздуха
будет при
_ . у (4S„ - S,H- 2S> - 24ma (1 - 2S0) (1 + Sg)
'°	12/n (1 — 2S0) 1-f-S'g)
Так как q0 < 1, то должно выполняться неравенство So >0,5.
Если в числителе дроби выражения для q0 имеем
4S0 - + 2So > V 24ma(l - 2S0)’(1 + Sfij,
to будет вещественным.
Последнее неравенство при tn — 2/7 и малых а приближенно
выполняется для So >0,65)/а. Следовательно, условие устойчивого
равновесия пластинки имеет вид
0,65 |/a <S0< 0,5.
Не приводя детального решения, напишем аналогичное условие
при изотермическом движении воздуха:
0,18(1 + 2,7 Va) < S0<0,5.
В приведенных неравенствах верхние границы для адиабатиче-
ского (область I) и изотермического (область II) движения воздуха
одинаковы, а нижние — разные, хотя, как следует из графика 50 (а),
они достаточно близки (рис. 2.32). На рисунке области изменения
параметров So и ос, соответствующие устойчивому равновесию из-
делия, заштрихованы.
Как показано в работе [12], необходимым условием перемещения
пластины в плоскости захвата и ее базирования является смещение
центра масс пластины относительно оси сопла. Даже при малом
значении этого смещения пластина под действием сил вязкого тре-
ния FT будет удаляться от оси захвата со скоростью, возрастающей
во времени по закону гиперболического синуса. Поворот пластины
будет происходить, если центр сопла не лежит на одной из главных
осей инерции пластины или на оси ее симметрии. В этом случае
сумма проекций сил трения на прямую, соединяющую центр масс
пластины .и центр сопла, не равна нулю. С целью измерить силы,
прикладываемые при манипулировании легко деформируемыми
изделиями, в механический захват робота
встраивают различные преобразователи с
чувствительными элементами, обеспечи-
вающими захватывание нежестких изде-
лий с минимальным усилием.
Рис. 2.32. Области изменения параметров $0 и а при
адиабатическом и изотермическом движении воздуха в
зазоре между деталью и торцом струйного захвата
57

Рис. 2.33. Схемы магнитного, пьезоэлектрического и пневматического преобразователей
встраиваемых в захваты роботов
Преобразователь любого вида — электромагнитный (рис. 2.33, а],
электрический (рис. 2.33, б), пневматический (рис. 2.33, в) —
имеет контактный щуп 1, чувствительный элемент в виде электро-
магнита 2, пьезокристалла 4 или реле давления 6 и демпфирующую
вставку типа резиновой втулки 3 или упругой диафрагмы 5. Сигналы,
снимаемые с осязающих преобразователей, позволяют осуществлять
адаптивное управление захватом робота в процессах манипулиро-
вания объектом.
Для точного позиционирования объекта захват руки адаптив-
ного робота может быть снабжен системой искусственного зрения на
светоизлучающих элементах и фотодиодах (рис. 2.34). Модулирован-
ный поток инфракрасного излучения передается по двум световодам 2
на захват 4. Отразившись от исследуемой поверхности 3, лучи воз-
вращаются по параллельно расположенным световодам в детек-
торы 1. При интенсивности отраженного луча можно судить о место-
положении объекта и о требуемом повороте захвата.
Захваты с вибрационными преобразователями движения. Приме-
нение рассмотренных ранее вибродвигателей для приводов захватных
устройств роботов рассматриваемого класса представляет интерес
не только вследствие простоты конструктивного исполнения, лег-
кости управления и повышенной точности этих двигателей, но и
возможности использовать их вибропреобразователи в качестве так-
тильных датчиков захватов, регистрирующих также усилие, дей-
ствующее на объект манипулирования. При этом большое разнообра-
зие конструктивного исполнения вибропреобразователей дает воз-
можность создания как универсальных захватов, так и захватов спе-
циального назначения, которые могут выполнять некоторые техноло-
гические операции. Важной особенностью захватов с вибродвигате-
лями является возможность управления
усилием захватывания, а также нали-
чие нескольких режимов — дополни-
тельное ориентирование объекта, воз-
буждение колебательного движения
объекта манипулирования и т. д.
Рас. 2.34. Захват адаптивного робота с датчиком на
светоизлучающих диодах
58

Обычно захваты с виброприводом строят по классическим схемам
(рис. 2.35). Применяются вибродвигатели с асимметричными
циклами колебаний (рис. 2.35, а), обеспечивающие высокую плав-
ность движения, или вибродвигатели с двухкомпонентными колеба-
ниями вибропреобразователей (рис. 2.35, б) [А. с. 867647 (СССР)].
Фиксация положения изделия в отключенном состоянии обеспечива-
ется силами трения, действующими в зоне контакта губок и вибро-
преобразователя; управление максимальным усилием захватывания
осуществляется наложением колебаний управляемой амплитуды на
основные колебания вибропреобразователей. Находят также при-
менение вибродвигатели с двумя активными элементами в зоне
контакта (рис. 2.35, s). Здесь управление усилием захватывания обе-
спечивается изменением амплитуды либо радиальных, либо про-
дольных колебаний соответствующих- вибропреобразователей.
При измерении сил, действующих на захватываемый предмет,
используется тензочувствительность пьезоэлектрических резонато-
ров, т. е. зависимость их резонансной частоты от силы или деформа-
ций, определяемых силовым воздействием. Тензочувствительность
присуща всем типам пьезоэлектрических резонаторов и обусловлена
зависимостью частотноопределяющих параметров вибропреобразова-
теля от напряжений, создаваемых в теле пьезоэлемента. В режиме из-
мерения пьезоэлектрический резонатор работает как преобразова-
тель сила—частота и характеризуется коэффициентом силочувстви-
Рис. 2.35. Захваты высокой точности с виброприводом:
/ — корпус; 2 — губки; 3, 3' — пьезоэлектрические преобразователи; 4 —- опоры-демп-
феры; б — генератор электрических колебаний; 6 — переключающее устройство; 7 — ча-
стотомер (6z и 6г-- амплитуды продольных и радиальных колебаний преобразователей,
составляющих привод захвата; ^тах»	предельные размеры поверхностей обхвата)
<9	е) Y2
59

Рис. 2.36. Захваты с независимым приводом губок:
Л 2 — губки; 3 — пьезокерамический вибропреобразователь; 4 — пружина для обеспе-
чения упругого натяга в зоне контакта; 5 — объект (xlt хг и а, (3 — параметры, характе-
ризующие раскрытие и положение губок)
тельности KF — (Ш) dK/dF, где F — сила, и коэффициентом пре-
образования силы в частоту SF = дК/дР = /СД.
Для оценки силовой чувствительности вибропреобразователей
захватов можно использовать коэффициент Ратайского, однозначно
описывающий свойства тензопреобразователя независимо от его ра-
бочей частоты, формы колебаний и размеров:
л _ Dtl _ Ка
dF № А'Дф ’
где Ка (1/%) дМдо; о — механические напряжения в преобразо-
вателе; Кф — коэффициент формы, учитывающий особенности кон-
струкции преобразователя и схему его нагружения; N — частотная
постоянная, N « Mi/n; h — толщина, определяющая сечение, через
которое передается усилие F; п — иомер гармоники.
Пример использования вибропреобразователя захвата в качестве
тактильного датчика приведен на рис. 2.35, б. Преобразователь
продольных и изгибных колебаний 3 имеет дополнительные трансфор-
маторные электроды, служащие для определения сдвига частоты от
приложенной продольной нагрузки, зависящей от усилия, раз-
виваемого в зоне контакта губок 2 и объекта. Сдвиг частоты регист-
рируется частотомером 7.
Возможность управления формой и типом колебаний вибропреоб-
разователей позволяет создавать конструкции захватов с независи-
мым смещением губок. В захвате на рис. 2.36, а применен описан-
ный в п. 2.2 данной главы вибропреобразователь, контактирующий
с двумя губками захвата. Эпюры колебаний преобразователя при
отработке координаты хг (процесс зажима изделия) показаны на
рис. 2.36, а. В этом режиме губки движутся в противоположные сто-
роны. Направление движения губок определяется порядком присоеди-
нения электродов преобразователя 3 к генератору электрических
колебаний. В режиме совместного движения губок (отработка коор-
60

динаты z2) возбуждаются продольные и изгибные колебания более
высоких порядков, т. е. переход от одного режима к другому осуще-
ствляется изменением частоты питания генератора.
Другая схема захвата с независимым смещением губок приведена
на рис. 2.36, б. В режиме зажима (отработка координаты а) в коль-
цевом вибропреобразователе 3 возбуждаются изгибные колебания
в виде стоячих волн с управляемым положением узлов колебаний.
В режиме поиска (отработка координаты |3) в кольцевом вибропреоб-
разователе возбуждаются изгибные колебания типа бегущих волн,
при этом направление вращения картины деформации кольца опре-
деляет знак угловой скорости губок 1.
Колебания высокой частоты можно успешно применять для по-
строения специализированных захватов. На рис. 2.37, а показано
устройство захвата деталей типа шариков или роликов, основанное
на использовании эффекта заклинивания [А. с. 650666 (СССР)].
Съем детали 3 с захвата осуществляется возбуждением в волноводе
1 продольных колебаний в виде стоячей волны. Как показывают
эксперименты, для деталей типа шариков диаметром 5—10 мм ампли-
туда колебаний в зоне контакта = (1-нЗ) мкм. В захватах, дей-
ствие которых основано на применении электрических или магнит-
ных сил (в частности, в захватах, содержащих электреты), возбу-
ждение колебаний в момент съема особенно эффективно. Конструк-
тивно такой захват (рис. 2.37, б) выполняется в виде волновода —
концентратора колебаний 1, содержащего вибропреобразователь 2,
и магнита 4 (для немагнитных деталей — электрета). При захваты-
вании детали колебания не возбуждаются ([7 (£) = 0). Деталь осво-
бождается путем задания наконечнику волновода 1 ускорений, амп-
литуда которых превышает отношение суммарных магнитных (или
Электростатических) и гравитационных сил к массе детали.
Захваты с виброприводом характеризуются наличием режима
движения, в котором возможно наложение Колебаний с частотами
в диапазоне, начинающемся с нуля. Такой режим применяется для
некоторых сборочных и технологических операций (запрессовка
осей, центрирование деталей типа втулок, финишная обработка
отверстий), Он реализуется следующим образом: в преобразователях
вибродвигателя с двумя активными элементами в зоне контакта воз-
буждаются колебания с близкими частотами и со2 путем подачи
на них напряжений иг (0 =
= U01 cos (со^ — <рх) и 1/г (/) =
= [У02 cos (a>st — ср2), где co2>coi;
со2 — С “1. причем частоты сох,
со2 лежат в диапазоне одного из
максимумов характеристики vK (/)
(рис. 2.38, а), т. е. <о1/2л <
< (о2/2л < f2. Так как в зоне
контакта обоих преобразователей
Рис. 2.37. Захваты специального назначе-
ния! использующие колебания высокой
частоты;
61

Рис. 2.38. Характеристики колебательного режима захвата с виброприводом
происходит взаимодействие колебаний с разными частотами, при-
ближенно можно принять, что возбуждение осуществляется экви-
валентным напряжением типа биений U-, (t) — ийэ cos (<£>at — tpa),
где
Поз ~ V 1^01 4“ Uq2 Ч" 2UqiUq2 COS — £01) t — (<р2 — ф1)1>
l/Oll/O2 {sin [(co, — coj t — (<p, — Ф1)] —
m f — m 7 _1_ arefff ~ Sin (tP- ~	sin ~ 0>1 > f •
3 ~ 1 arClg C/Bi + У01У02 {co® l(®2 — O, ) / — (<p2 — Ф1)] + ’
+ cos (<p2 — Ф1)} + Uli cos (01. — сщ) t
m	„ I яrefer ________sin (фг ~ <Pl)____
cp3	<Pi 4- arctg (t/oi/t/o2) + cos (cp2 _ ф1) •
Тогда, учитывая зависимость знака скорости ик подвижного звена
в зоне контакта от фазы колебаний обоих преобразователей, эту
скорость можно выразить [3] следующим образом:
можно выразить [3] следующим образом:
УняихСоз '*" $ 'i'" если </"<I/oe(0 < Uо0 пи*;
, 0, если 0 < Uw (t) < U,,
о« =
или
О» = Питах COS
(2.8)
(2.9)
если t7oi #= П02,	~ 1Л, т. е. возбуждаются гармонические коле-
бания в частотном диапазоне, начинающемся от нуля (при сог = (щ,
vK = Ок max)- В (2.8) и (2.9) {7" — амплитуда питающего напря-
жения, определяющая начало границы зоны нечувствительности;
октах находят из характеристики ок (f) в сечении U = 2{7И.
Режим движения, определяемый выражениями (2.8) и (2.9),
реализуется во всех вибродвигателях, допускающих изменение
знака скорости. На рис. 2.38, б приведена амплитудно-частотная
характеристика данного режима движения. Характеристика не имеет
резонансных пиков, а для реальной конструкции ввиду ограничения
62

хода хк обеспечивается частотный диапазон от значения t(co2 —
— coj/^n ]mln. Однако на участке 0 с хк < хк шах возможна реали-
зация гармонических колебаний любой частоты.
Иногда целесообразным является использование колебательного
движения элементов захвата с известными эффектами, применяемыми
для построения захватных устройств роботов рассматриваемого
класса. Так, рис. 2.39, а иллюстрирует принцип действия захвата,
основанный на использовании адгезионных свойств электрореологи-
ческих жидкостей. Работа захвата происходит в несколько этапов.
На I этапе в волноводе 1 возбуждаются продольные резонансные
колебания с небольшими амплитудами; при прикосновении наконеч-
ника захвата к детали фаза электрического сигнала, снимаемого со
специального измерительного электрода, изменяется. Это служит
сигналом к переходу ко II этапу, характеризуемому увеличением
амплитуд колебаний на той же частоте, что приводит к подаче микро-
дозы электрореологической жидкости 2 в наконечник. На III этапе
в зону микродозы подается постоянное электрическое напряжение,
приводящее к затвердеванию жидкости между захватом и деталью.
На IV этапе — съем детали — постоянное напряжение выключается
и возбуждаются колебания на более высокой частоте, приводящие
к всасыванию микродозы жидкости обратно в полость, выполненную
в волноводе 1. Продолжительность полного цикла работы (включая
съем детали) — порядка сотых долей секунды [А. с 804426 (СССР)].
Используя автоколебательный режим работы, движение с на-
ложенными колебаниями можно реализовать и в пневмозахватах.
В этом случае (рис. 2.39, б) в губках захвата выполняются полости,
соединенные с системой сжатого воздуха. Можно выделить три ре-
жима работы захвата, зависящие от давления рср в полостях
(рис. 2.39, в): / — контактный режим; II — режим воздушной по-
Рис. 2.39. Захваты узкого функционального назначения:
1 — волновод; 2 — полость с электрореологической жидкостью; 3 — капилляр; 4 — пьезо-
электрический преобразователь; 5 — объект; 6 — губки; 7 — полость с повышенным да-
влением; 8 — контактирующие наконечники из эластичного материала
63

Душки, когда между захватом и деталью образуется тонкая воздуш-
ная прослойка (этот режим может быть использован для ориентиро-
вания деталей) и III — автоколебательный режим [А. с. 804426
(СССР)].
Иногда в специализированных роботах применяют захваты, со-
держащие разного рода датчики или зонды. Так, в роботе для про-
верки печатных плат, созданном в Каунасском политехническом ин-
ституте им. А. Снечкуса, используется электроконтактная головка —
игла, контролирующая параметры отдельных точек электронных плат
и схем. Для разрушения оксидной пленки в игле возбуждаются вы-
сокочастотные резонансные колебания, амплитуда которых в зоне
контакта иглы и контролируемой точки не превышает 0,5 мкм.
Зонды такого типа применяют и в биологических исследованиях.
2.5.	Системы точного позиционирования
Основной задачей управления приводом систем точного пози-
ционирования является точный останов рабочего органа (вращаю-
щегося вала или каретки) в заданном положении. Например, в робо-
тизированном обрабатывающем центре (рис. 2.40) при смене инстру-
мента 6 возникает необходимость ориентированного останова шпин-
деля станка в определенном угловом положении. Устройство управ-
ления непрерывным серводвигателем привода шпинделя 5 включает
блок ЧПУ 1, который выдает команду останова в блок последова-
тельного управления питанием 2, откуда сигнал подается в серво-
устройство 3 шпиндельного двигателя 4. На вход сервоустройства 3
через усилитель 8 поступает также информация от магнитного дат-
чика 7 обратной связи об угловом положении шпинделя 5. Торможе-
ние и останов шпинделя осуществляются бесконтактно электриче-
ским методом.
Система управления шаговым приводом (рис. 2.41) с замкнутым
контуром (с обратной связью) включает шаговый двигатель с регу-
лятором ШДР и регулятор скорости PC. Импульсы, задающие угол
ИЗУ, поступают в декодирующее устройство 3, а запускающий им-
пульс ЗИ и задержанные импульсы ЗДИ — на вход логического
устройства управления 1, откуда команды подаются на шаговый
64

Рис. 2.41. Схема управления шаговым
электродвигателем с обратной связью
ИЗУ
ШДР
двигатель 2. С выхода блока 3
импульсы обратной связи ИОС
попадают в устройство сравне-
ния скоростей 4 и через селек-
тор задержки 5 — в устройство
задержки 6, формирующее
ЗДИ. Одновременно на вход устройства сравнения скоростей по-
ступает задающая последовательность импульсов ЗПИ. Таким об-
разом, в этой системе декодирующее устройство генерирует импуль-
сы определенной частоты, которые с помощью фазового детектора
сравнива ются е последовательностью импульсов заданной частоты.
Выходнойсигнал устройства сравнения задерживается на время, необ-
ходимое, чтобы скорректировать скорость шагового двигателя до зна-
чения, при котором разность упомянутых частот будет минимальной.
Такая система с обратной связью может обеспечить точность позицио-
нирования, практически равную точности декодирующего устройства.
Для целей точного позиционирования применяют также рассмот-
ренные выше приводы с пьезокерамическими преобразователями вы-
сокочастотных механических колебаний в непрерывное движение
рабочего органа [3, 20]. Например, на операциях фотолитографии
суммарная погрешность совмещения элементов в рабочей зоне не
должна превышать 0,1—0,2 мкм. При этом в зоне перемещений
150X150 мм система позиционирования должна обладать высокой
чувствительностью, обеспечивать возможность независимого управ-
ления по координатным осям х, у и углу поворота ср, иметь высокую
стабильность и достаточное быстродействие. Высокоточные коорди-
натные системы с вибродвигателями для перемещения объекта в го-
ризонтальной плоскости описаны в работе [12], в которой приведены
их основные характеристики.
Кроме того, вибродвигатели могут найти применение в приводах
роботов. Например, миниманипулятор робота с четырьмя степенями
подвижности (без захвата) содержит один электродвигатель И
для вертикального перемещения руки 2 по оси z, два вибродвигателя
1, 7 для горизонтального перемещения ее по осям х, у и один виб-
родвигатель 9 для вращения руки вокруг вертикальной оси
(рис. 2.42). Рука 2, каретки 5, 8 и турель 4 перемещаются в направ-
ляющих качения 6. Измерение линейных и угловых перемещений
осуществляется измерителем, включающим оптические растровые
линейки 3, 10 и фотоэлектрический преобразователь.
В систему управления миниманипулятором (рис. 2.43) с вибро-
двигателями 10 входят: измерительный преобразователь 1, блок ин-
терполирования БИ, линейный блок управления ЛБУ по коорди-
натам х, у, генератор ВЧ напряжения 8 и блок автоматической под-
стройки частоты 9. При подаче ВЧ напряжения с генератора 8 на
вибродвигатель 10 последний возбуждается на резонансной частоте
и перемещает каретку 11 манипулятора по программе, записанной
3 Р. If . Еансявпчюс и др.
65

1
Рнс. 2.42. Конструкция минима-
нипулятора с линейными и уг-
ловыми вибродвигателями
66

в программном устройстве 5 ЛБУ. Модулированный световой поток,
проходящий через растры подвижной и неподвижной линеек измери-
тельного преобразователя 1, преобразуется в синусоидальный сигнал,
период которого соответствует перемещению каретки манипулятора
на один шаг. Фазовый делитель 2 и формирователь импульсов 3
БИ преобразуют синусоидальные сигналы в прямоугольные им-
пульсы, которые поступают в блок счета импульсов 4, а затем в блок
схемы сравнения 6 ЛБУ. Перемещение кареток осуществляется до
тех пор, пока имеется рассогласование между действительным и
записанным в программном устройстве 5 перемещением манипуля-
тора. При рассогласовании, равном нулю, через согласующий уси-
литель 7 подается команда на отключение генератора 8. Под дей-
ствием дестабилизирующих факторов резонансная частота вибро-
двигателя может изменяться, в результате чего изменится шаг и,
следовательно, скорость перемещения манипулятора. Для стаби-
лизации шага с электродов вибродвигателя снимается электрический
сигнал, пропорциональный амплитуде механических колебаний
(прямой пьезоэффект), который подается на вход генератора 8 че-
рез блок подстройки частоты 9. Шаговое перемещение каретки
осуществляется за счет возбуждения в пьезокерамической пластине
пакетов импульсов ВЧ колебаний. Шаг перемещения может быть рас-
считан по формуле
( аЧ I °н \ т2
\ 2 + 2gf3) ’
где аи — начальное ускорение; g~ ускорение свободного падения;
/а — эффективный коэффициент трения при затухании; т — про-
должительность импульса питания.
При изменении фазы колебаний пьезоэлемента на л рад вибро*
Двигатель реверсируется.
Шаг и погрешность перемещения каретки 4 с вибродвигателем 5
с высокой степенью точности могут быть измерены с помощью ла-
зерного интерферометра (рис. 2.44), включающего когерентный ис*
точник 1 с длиной волны X — 0,64 мкм. Луч света от источника 1
Попадает на светоделитель 2, где расщепляется на два луча. Один
Луч (так называемый информационный) направляется на подвижный
светоотражатель 3, связанный с ка-
реткой 4, а второй луч (опорный) —
на неподвижный светоотражатель
7. При перемещении каретки из-
меняется оптическая разность хо-
да лучей, отраженных от подвиж-
ного и неподвижного светоотраже-
телей, в результате чего в поле
фотоприемника 9 образуются ин-
терференционные полосы, которые
Рис. 2.43. Схема управления устройством
Точного позиционирования цд ВИбрО/ФИГа*
гелях
3*
67

Рис. 2.44. Схема лазерного интерферо-
метра для измерения минимального шага
и погрешности перемещения координат-
ной системы с приводом иа пьезодвига-
телях
преобразуются последним в
электрические сигналы. Эти сиг-
налы поступают в систему
управления 8, где они обраба-
тываются. Расстояние между
интерференционными полосами
составляет А./8. В результате на
табло системы управления вы-
свечивается результат переме-
щения каретки 4. Для опреде-
ления минимального шага smln каретки на вибродвигатель 5 с ВЧ
генератора 6 подаются единичные шагозадающие импульсы различ-
ной длительности /и. Предельная длительность шаговых импульсов,
при которой возбуждается пьезокерамическая пластина двигателя
и наблюдается движение каретки /и. п = 4,8 • 10~4 с, а стабильное
перемещение каретки при /и.и smin = 0,08 мкм.
Указанное значение smln определяет чувствительность данной
системы перемещения на вибродвигателях. Для определения по-
грешности перемещения каретки в систему управления вводится
необходимый диапазон ее движения. С генератора 6 на обкладки
вибродвигателя 5 подаются шаговые импульсы с длительностью,
равной /и. п, и частотой следования 1 кГц, а перемещение каретки
регистрируется лазерным интерферометром измерительной системы.
По результату сравнения импульсов программного устройства 8
системы управления и измерительной системы вибродвигатель от-
ключается, и каретка фиксируется. Погрешность перемещения ка-
ретки высвечивается на табло системы управления. Погрешность
перемещения В диапазоне движения каретки от нуля до 0,1 м состав-
ляет ±0,16 мкм при скорости движения порядка 210~8 м/с. Взаим*
ное влияние координат при перемещении не превышает 10 %.
Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими от-
клонение шага S каретки от его номинального значения, являются
изменение коэффициента трения на длине контакта пластины вибро-
двигателя с кареткой и изменение амплитуды колебаний пластины
в результате изменения длительности импульса питания и резонанс-
ной частоты_этого двигателя.

Глава ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА
3 ПРЕЦИЗИОННЫХ РОБОТОВ
И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Информационная система промышленного робота предназ-
начена для получения и обработки информации о состоянии как
самого робота, так и внешней среды. Состояние робота характеризу-
ется такими параметрами, как положение и скорость звеньев мани-
пулятора, усилия, возникающие в его звеньях. Состояние внешней
среды характеризуется следующими параметрами: формой, поло-
жением и ориентацией в пространстве объектов манипулирования ро-
бота, специфическими свойствами внешней среды и параметрами воз-
мущений, влияющими на выполнение роботом технологической опе-
рации.
Для определения указанных параметров в состав информацион-
ной системы промышленного робота входят комплексы датчиков
внутренней и внешней информации. Датчики внутренней информации
служат для выявления величин, характеризующих внутреннее
состояние робота, т. е. для определения положения и скорости двш
жения звеньев манипулятора, а также усилий в его звеньях. С помо-
щью этих датчиков осуществляются обратные связи й реализуются
Корректирующие воздействия в системе управления роботом с целью
обеспечить требуемое качество й точность его действий. Датчики
внешней информации предназначены для выявления параметров.
Характеризующих состояние внешней среды робота, для контроля за
состоянием объекта манипулирования промышленного робота. На
рис. 3.1 приведена схема размещения системы датчиков сборочного
робота. Для обеспечения выполнения сборочных операций робот
содержит комплекс датчиков внешней и внутренней информации: так-
тильный датчик зоны касания 1; ультразвуковой дальномер 2;
датчики положения, скорости и ускорения 3; резервный датчик безо-
пасности 4; ультразвуковой датчик безопасности 5, срабатывающий,
если какой-либо посторонний предмет попадает в заранее заданную
зону вокруг манипулятора; телевизионный датчик 6 для анализа
условий сборки; силовые датчики 7 с несколькими степенями под-
вижности; датчик захватного усилия 8; датчик 9 с контактной пру-
жиной для определения касания захвата. Указанная схема не исчер-
пывает всех возможных вариантов размещения датчиков внешней и
внутренней информации робота.
К промышленным роботам для миниатюрных изделий предъявля-
ются повышенные требования по точности позиционирования мани-
69

Рис. 3.1. Схема размещения датчиков инфор-
мации на сборочном манипуляторе
пулятора и захвата. Качество и точ-
ность отработки роботом задаваемых
программой действий существенно
зависят от датчиков положения и
скорости движения звеньев манипу-
лятора, поэтому к датчикам внут-
ренней информации рассматриваемых
роботов предъявляются высокие точ-
ностные требования. Очувствление
робота датчиками внешней информа-
ции, в частности тактильными, локационными и визуальными, по-
зволяет решать задачу повышения точности позиционирования ма-
нипулятора на основе использования адаптивного принципа построе-
ния системы управления робота.
3.1.	Датчики внутренней информации
Датчики внутренней информации представляют собой в основном
преобразователи механических параметров в электрические сигналы.
По виду выходного сигнала датчики внутренней информации
делят на аналоговые и дискретные. В аналоговых датчиках выходной
сигнал представляется в виде непрерывно изменяющихся значений
напряжения или тока (потенциометры) или в виде непрерывно
изменяющейся фазы напряжений переменного тока (вращающиеся
трансформаторы, редуктосины, индуктосины, растровые интерполя-
торы и др.). В дискретных датчиках выходной сигнал представляется
В цифровом коде (цифровые датчики) или в виде релейного сигнала.
Выходной сигнал релейного вида получают от датчиков положения
Типа путевой выключатель в момент, когда звено достигает предвари*
тельно установленных точек позиционирования. Путевыми выклю-
чателями являются микровыключатели, бесконтактные переключа-
тели, герконы (магнитоуправляемые контакты).
По виду измеряемого механического перемещения датчики делят
на линейные и вращательные,
По методу измерения входной величины различают датчики
с абсолютным и относительным отсчетами. Выходной сигнал датчика
перемещения с абсолютным отсчетом однозначно определяется зна-
чением входного перемещения. Такая однозначность отсутствует
у датчиков с относительным отсчетом. Выходной сигнал этих дат-
чиков представляется в виде последовательности периодических
сигналов или импульсов.
Датчики положения и скорости звеньев манипулятора использу-
ются в качестве датчиков обратной связи в сервомеханизмах, осуще-
ствляющих отработку роботом задаваемых программой действий.
Характеристики датчиков обратной связи (точность, линейность
их характеристик, динамические показатели) существенно ЗЛИЯЮТ
70

На качество й точность работы сервомеханизмов. Кроме того, При
выборе датчиков обратной связи необходимо учитывать также ряд
требований, предъявляемых к датчикам промышленных роботов [27 ]:
высокая надежность и помехоустойчивость, включая возмож-
ность эксплуатации в условиях электромагнитных помех, колебаний
напряжений и частоты;
малые габариты и простота конструкции, приспособленность для
размещения на захватах и других частях манипуляторов с жесткими
ограничениями на площадь и объем пространства размещения;
устойчивость к изменениям параметров окружающей среды (ви-
браций, температуры, влажности);
развязка (независимость) входных и выходных цепей;
простота юстировки и обслуживания в условиях ограниченной
площади обслуживания;
малая стоимость;
возможность абсолютного отсчета перемещений.
При выборе типа датчика следует учитывать вопросы обеспечения
питания датчика первичной обработки сигнала, связи с управляю-
щим устройством, а также связи с подвижным звеном, перемещение
которого измеряется.
Таким образом, выбор датчика обратной связи является одной
из важных и сложных задач при проектировании робота.
Основные варианты конструктивных схем связи датчика со зве-
ном манипулятора приведены на рис. 3.2. На практике обычно
отдается предпочтение вращательным датчикам перемещений, так
как они более технологичны, отличаются относительной легкостью
подсоединения к измеряемому звену и обеспечивают хорошую раз-
решающую способность. Датчики перемещения либо непосредственно
подсоединяются к подвижному элементу, либо соединяются с ним
посредством механической передачи того или иного типа [8]. На
рис. 3.2, а приведен вариант связи поступательно перемещающегося
звена 1 с вращательным датчиком 3 с помощью зубчатого колеса 4
Рис. 3.2. Основные варианты схем связи датчика с подвижным звеном манипулятора:
1 — подвижное звено; 2 — подшипник качения или скольжения; 3 — датчики информа-
ции; 4 — зубчатое колесо; 5 — зубчатая рейка; 6 — ходовой винт; 7 — ведущая гайка|
8 — шкив; 9 — гибкий тросик; 10 — устройство натяга тросика; 11 — соединительная
муфта
71

И зубчатой рейки 5. Точность измерения перемещения х определяемся
в первую очередь погрешностью зубчатого зацепления и качеством
механической сборки. В схеме на рис. 3.2, б вращение ходового
винта 6 вызывает линейное перемещение х гайки 7. к которой кре-
пится подвижное звено /. С ходовым винтом связан вал вращатель-
ного датчика 3, измеряющего угол поворота ходового винта 6, а
следовательно, и перемещение х звена 1. Точность измерения этой
схемы зависит от механического преобразователя вращательного
движения в линейное, что определяется точностью ходового винта,
гайки, опорных подшипников 2 и качеством сборки механической
передачи. Более точную передачу движения на вращательный дат-
чик 3 можно обеспечить (рис. 3.2, в) с помощью гибкого тросика 9,
шкивов 8 и устройства натяга 10. Следует отметить, что при изме-
рении линейного перемещения подвижного звена предпочтительным
с точки зрения результирующей точности является вариант непо-
средственного подсоединения к подвижному звену линейного дат-
чика перемещения (рис. 3.2, г), так как механическая передача
между подвижным звеном 1 и датчиком 3 лишь увеличивает погреш-
ность измерения перемещения.
Аналогично при измерении углового перемещения ср подвижного
звена 1 предпочтителен вариант подсоединения к нему вращательного
датчика 3 либо непосредственно, либо с помощью соединительной муф-
ты 11 (рис. 3.2, д). Если конструкция манипулятора не позволяет осу-
ществить такой вариант, то ось подвижного звена 1 можно связать с
входным валом вращательного датчика 3 механической передачей,
в частности, в виде шкивов 8 и гибкого тросика 9 (рис. 3.2, е).
Из широкого спектра разновидностей датчиков вращательного
и линейного перемещений наибольшее применение нашли следующие:
аналоговые датчики с абсолютным отсчетом (потенциометры,
вращающиеся трансформаторы, индуктосины) [2, 33];
цифровые датчики с абсолютным отсчетом (циклические преобра-
зователи типа перемещение—фаза—код и преобразователи считы-
вания с кодовой шкалы) [37];
цифровые накапливающие датчики с относительным отсчетом [8,37].
Потенциометры применяют в простых устройствах управления
позиционного типа. Потенциометр является электромеханическим
преобразователем, выходное напряжение которого является, как
правило, линейной функцией угла поворота его вала, или точнее,
функцией положения х подвижного контакта (движка) относительно
резистивного элемента (рис. 3.3). К крайним выводам резистивного
элемента (точки 1 и 2) приложено напряжение питания [/БХ. Вы-
ходное напряжение [/вых снимается с участка между подвижным кон-
тактом 3 и одним из крайних выводов (точка 2 или /). При ненагру-
женном потенциометре напряжение Йвых определяют по формуле
II ___ ^Вх Г>
О' вых —	; Х,
где /?„ — полное сопротивление потенциометра между точками 1 и 2;
—сопротивление участка потенциометра между точками 2 и 3;
72

Рис. 3.3. Схема включения потенциометра
материала резистивного
Так как зависит от положения х
подвижного контакта 3, то и (/вых являет-
ся функцией положения х подвижного
контакта.
Потенциометры характеризуются про-
стотой конструкции, малыми габаритными
размерами, дешевизной. В зависимости от
элемента потенциометры делят на проволочные, пленочные, плас-
тиковые и др.
Проволочный потенциометр представляет собой намотку прово-
локи из специальных резистивных сплавов на изолированном кар-
касе. По намотке перемещается подвижный токосъемный контакт.
В промышленных роботах применяют однооборотные и многооборот-
ные проволочные потенциометры с погрешностью ~0,05 %. Однако
проволочные потенциометры имеют ряд недостатков, обусловлен-
ных применением намотанного из проволоки резистивного эле-
мента:
ограниченная разрешающая способность вследствие ступенчатого
характера выходного напряжения при перемещении подвижного
контакта с витка на виток;
сравнительно малая износоустойчивость — до (14-10) 10е по-
воротов оси;
ограниченная частота вращения — до 100—200 об/мин из-за ви-
браций движка при переходе с витка на виток.
Пленочные потенциометры имеют преимущества перед проволоч-
ными. Они обеспечивают высокую разрешающую способность и боль-
шой срок службы (до 30 • 106 поворотов оси), допускают эксплуатацию
при высокой температуре окружающей среды (до +60 °C). Такие по-
тенциометры можно использовать в различных по структуре устрой-
ствах управления робота.
Однако следует учитывать, что контактный съем напряжения
в потенциометрах приводит к повышенному моменту трения на валу
потенциометра, износу контакта, относительно высокой чувствитель-
ности к помехам (вибрациям, загрязнению). Указанные недостатки
ограничивают применение потенциометров.
Перспективными для применения в промышленных роботах явля-
ются вращающиеся трансформаторы (ВТ). Они обладают малыми раз-
мерами, хорошей разрешающей способностью, высокой помехоза-
щищенностью. ВТ представляет собой индукционную электрическую
машину неявнополюсного типа, у которой выходное напряжение
является функцией угла поворота ротора. На статоре и роторе ВТ,
собранных из листов электротехнической стали или пермаллоя, име-
ются равномерно распределенные пазы, в которых размещают по
две одинаковые взаимно перпендикулярные обмотки. На статоре
располагают обмотку возбуждения и квадратурную обмотку, на
роторе — синусную и косинусную обмотки,
73

a)	5)
Рис. 3.4. Фазовращатель на основе синусно-косинусного вращающегося трансформатора:
а — с вращающимся полем; б — с фазосдвигающей 7?С-цепочкой в роторной обмотке; Г —
генератор; ФР — фазорасщепитель
Для работы в качестве датчика положения ВТ обычно включают
в режиме фазовращателя. При построении фазовращателя на основе
ВТ реализуются два основных принципа:
создание потока возбуждения в виде вращающегося кругового
магнитного поля;
суммирование выходных напряжений ВТ с помощью фазосдвига-
ющих 7?С-цепочек.
Для получения вращающегося магнитного поля на статорные
обмотки ВТ подают синусоидальные напряжения (рис. 3.4, а) с оди-
наковой амплитудой Ucm и сдвигом по фазе л/2 рад:
Uci = Ucm sin at;
Uc2 = Ucm sin (at ji/2).	(3.1)
Напряжение роторной обмотки UBbK связано с напряжениями
t/cl и Uc2 зависимостью
ЩЬ1Х = k (Ucl cos а + l/c2 sin а),	(3.2)
где k — коэффициент трансформации, равный отношению числа эф-
фективных витков роторной обмотки к числу эффективных витков
статорной обмотки.
Учитывая выражения (/с1 и t/c2, получаем
i-^вых = ^ап sin (at а).	(3’3)
Из уравнения (3.3) следует, что при изменении угла поворота
ротора а соответственно изменяется фаза выходного напряжения
(/Вых- Следует отметить, что уравнение (3.3) точно выполняется
только при равенстве амплитуд квадратурных напряжений питания
и строгом соблюдении для них сдвига по фазе на л/2 рад. Для полу-
чения фазовой погрешности выходного сигнала не более 0,05—0,1 %
необходимо, чтобы отклонение ортогональности напряжений питания
не превышало единиц минут по фазе, а неравенство их амплитуд не
было более десятых долей процента.
На рис. 3.4, б приведена схема однофазного фазовращателя на
ВТ. Достоинством данной схемы является ее питание от однофазной
сети переменного тока. На одну из статорных обмоток подается на-
пряжение питания Uo = Ucm sin at- Параметры фазосдвигающей
74

ЯС-цепочкй выбирают тйк, Чтобы выполнялось условие Р =
= (1/ыС) > г, где г — активное сопротивление роторной обмотки.
При выполнении этого условия, а также соотношения Ra > 2R
выходное напряжение фазовращателя
Иных = kUcm sin (ш/ — а + ф0),
где ф0 — некоторый постоянный фазовый сдвиг, определяемый пара-
метрами ВТ. '
Частоту напряжения питания статора f = и/2 л, выбирают в ди-
апазоне 400—4000 Гц.
Существующие ВТ с одной парой полюсов в режиме фазовраща-
теля имеют погрешность не более ± (15 ±25)'. В несколько раз боль-
шую точность обеспечивают многополюсные синусно-косинусные
ВТ, что позволяет создать точные датчики угла поворота, совмещая
в одном корпусе трансформаторы с одной и несколькими парами
полюсов. Например, синусно-косинусный трансформатор двухот-
счетный типа СКТД-6465Д имеет погрешность ±Г, а многополюс-
ный фазовращающийся трансформатор БК.СТ-12865 с четырьмя
парами полюсов дает погрешность не более ±30" [2, 36].
На базе ВТ можно построить цифровые датчики угла поворота
вала в виде циклических преобразователей угол—фаза—временный
интервал—код. На рис. 3.5 представлена схема такого преобразо-
вателя. Генератор счетных импульсов Г И выдает импульсы на
«-разрядный двоичный счетчик СТ2. Выходные сигналы с триггеров
двух старших разрядов счетчика подаются на фазорасщепительный
блок ФР Б, с выхода которого снимаются два синусоидальных квад-
ратурных напряжения для питания статора фазовращателя ФВ
на базе ВТ. Напряжение с выхода фазовращателя, несущее информа-
цию в виде фазового сдвига а, поступает на нуль-орган НО, стро-
бирующий импульс с которого подается на вентили И1, И2, ..., Ип.
Эти вентили управляются потенциалами, снимаемыми с единичных
выходов триггеров счетчика. Управляющие потенциалы представ-
ляют собой как бы кодовую маску двоичного кода, развернутого
во времени. Стробирующий импульс с выхода НО считывает с венти-
лей И1, И2, ..., Ип, управляемых счетчиком, двоичное число N,
пропорциональное входному углу а. Число N, считанное со счет-
чика, связано с входным углом фа-
зовращателя соотношением
N = (а/2л) (fr//n),	(3.4)
где fr — частота импульсов генера-
тора Г И; fn — частота питания фа-
зовращателя.
Так как R = 2nfn, получаем
N = (а/2л) 2п.	(3.5)
Рис. 3.5. Циклический преобразователь угол —-
фаза — временной интервал —. код
75


w
ПЛЛППЛЛЛЛ ПЛ
<5 Ugb/x °--- -I 1 1
Й)
ь u2
5)
Рис. 3.6. Обмотки линейного индуктосина:
а — измерительная шкала с однофазной обмоткой; б — сканирующая головка с двумя об-
мотками
Чтобы избежать неопределенности считывания на числовой гра-
нице вследствие неодновременности переброса триггеров счетчика,
вводят цепь синхронизации (на схеме не показана) от генератора Г И
на схему нуль-органа НО, которая смещает фазовый ипмульс от
числовой границы.
Рассматриваемый преобразователь угол—фаза—временной интер-
вал—код может выдавать информацию без временного запаздывания,
что является его несомненным достоинством. При использовании
двухотсчетного ВТ схема преобразования содержит два цифровых
отсчета — точный и грубый, построенных по одному принципу,
с соответствующим их согласованием. В частности, преобразователь -
вал—код на базе двухотсчетного синусо-косинусного трансфор-
матора СКТД-6465Д имеет погрешность цифрового измерения угла
равную 4/314.
Значительно более высокую разрешающую способность и точность
обеспечивают индуктосины. По принципу действия индуктосины
подобны ВТ, развернутым в плоскости. Обмотки статора и ротора ин-
дуктосина наносят в виде плоских проводящих цепей в форме меанд-
ров на пластины или диски из изоляционного материала (рис. 3.6, 3.7).
Для измерения линейных перемещений применяют линейные ин-
дуктосины. Они состоят из длинной измерительной шкалы с пло-
ской проводящей обмоткой в форме меандра (рис. 3.6, а) и короткой
сканирующей головки, содержащей две одинаковые и меньшие по
размерам обмотки (рис. 3.6, б). Шаг w укладки проводников под-
держивается постоянным как для обмотки шкалы, так и для обмоток
сканирующей головки. Обычно шаг составляет около 2 мм. В ска-
нирующей головке две обмотки взаимно смещены на шага. В ра-
бочем положении измерительную шкалу и сканирующую головку
располагают параллельно с небольшим воздушным зазором между
ними. Обмотки сканирующей головки являются первичными, а об-
мотки измерительной шкалы выполняет роль вторичной обмотки.
Обмотки сканирующей головки питаются двумя синусоидальными
напряжениями и U2 (обычно частоты 400 Гц), сдвинутыми ме-
жду собой по фазе на п/2 рад.
В режиме фазовращателя в обмотке измерительной шкалы индук-
тосина индуцируется синусоидальное напряжение Дьых, фаза ко-
76

К торого е связана со смещением s сканирующей головки в пределах
I шага ьу следующим соотношением:
I	е = (2л/ау) s.	(3.6)
Г Используя описанные выше методы, можно измерить фазовый
I сдвиг е напряжения С/пых индуктосина и получить двоичный код,
I пропорциональный смещению s сканирующей головки индуктосина.
I Линейные индуктосины имеют измерительную шкалу длиной
I ~250 мм и погрешность 1—2 мкм. Возможны и более длинные шкалы,
f Для измерения угловых перемещений используют поворотные
J индуктосины (рис. 3.7). Основыми деталями поворотного индуктосина
I являются два диска (ротор и статор) из изоляционного материала
I (керамика, стекло и т. п.). Ротор соединяется с валом, угловое по-
I ложение которого подлежит измерению, а статор неподвижен
I (рис. 3.7, а). На торцовых поверхностях, обращенных друг к другу,
I диски несут плоские печатные обмотки (рис. 3.7, б, в).
I Поворотный и линейный индуктосины различаются по конструк-
I ции, однако по принципу измерения перемещения и преобразования
| непрерывного сигнала в цифровую форму они аналогичны ВТ.
I Одному обороту ротора ВТ в поворотном индуктосине соответствует
I поворот ротора на угол 2л/р, где р — число пар полюсов. Обычно
Г при использовании двоичного кода р = 64,128 и 256, иногда берут
I р = 90, 180 и 360. Максимальное значение р = 1000 [33].
| Фаза ф выходного напряжения поворотного индуктосина, име-
। ющего р пар полюсов, связаны с углом поворота а ротора соот-
| ношением
I	ф = ра.	(3.7)
I При измерении угла поворота вала разрешающая способность
( поворотных индуктосинов составляет 2—5", что обусловлено возмож-
I ностью выполнения индуктосина с большим коэффициентом электри-
s ческой редукции, а также интегральным эффектом — статистическим
! усреднением погрешностей изготовления отдельных проводников
[ обмоток.
? При использовании индуктосинов в качестве высокоточных пре-
образователей линейных и угловых перемещений следует иметь
в виду, что для получения абсолютного значения измеряемого пере-
мещения необходимо либо обеспечить подсчет числа шагов w с по-
Рис. 3.7. Поворотный индуктосин:
а — конструкция; б — однофазная обмотка; в — секторная двухфазная обмотка
77

Рис. 3.8. Растровые преобразующие звенья:
1 — источник света; 2 — конденсор; 3 — индикаторный растр; 4 — измерительный парал-
лельный пропускающий растр; 5 — измерительный радиальный пропускающий растр; 6 —
измерительный отражающий растр
мощью электронного реверсивного счетчика, либо механически
соединить с индуктосином цифровой датчик грубого отсчета, имеющий
квант младшего разряда, равный w, и согласовать этот грубый от-
счет с точным отсчетом индуктосина. Недостатком преобразователей
перемещение — код на базе индуктосинов является относительная
сложность электронного блока обработки сигналов, а также опре-
деленное снижение точности измерения при увеличении скорости
движения измеряемого элемента.
Высокой разрешающей способностью характеризуются фото-
электрические растровые преобразователи линейных и угловых пере-
мещений в цифровой код [8, 37 ]. В состав фотоэлектрического раст-
рового преобразователя входит растровое преобразующее звено, ос-
новными элементами которого являются блок осветителя, создающий
параллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного
измерительного и неподвижного индикаторного растров и блок фо-
топриемников (рис. 3.8).
Растр представляет собой совокупность подобных элементов,
образующих периодическую структуру и воздействующих на поток
лучистой энергии как единое целое. В зависимости от характера
воздействия на лучистый поток различают растры, пропускающие и
отражающие. Пропускающие растры представляют собой систему
прозрачных и непрозрачных элементов. Отражающие растры вы-
полняются в виде решеток с элементами, зеркально отражающими
свет. Геометрическая структура элементов, образующих растр,
78

может быть различной. В зависимости от геометрии элементов раз-
личают растры параллельные, сеточные, радиальные, кольцевые,
спиральные и др. Для измерения линейных перемещений обычно
используют сопряжения двух плоских параллельных растров, а для
измерения угловых перемещений — сопряжения плоских радиаль-
ных растров.
Параллельный растр (рис. 3.8, а) представляет собой совокуп-
ность параллельных непрозрачных штрихов, нанесенных на поверх-
ность прозрачного материала с шагом да. Отношение t = a/w ширины
прозрачного штриха а к шагу w характеризует пропускающую спо-
собность растра и называется пропусканием растра. Шаг да и про-
пускание t растра являются основными оптическими характеристи-
ками измерительных растров.
В радиальном центральном растре (рис. 3.8, б) непрозрачные
элементы расходятся в виде лучей из одного центра с постоянным
угловым шагом. Радиальный растр может быть и нецентраль-
ным.
Растровое сопряжение получают при наложении двух растровых
решеток с малым постоянным зазором между ними. При таком нало-
жении темные штрихи одного растра, накладываясь на прозрачные
штрихи другого, уменьшают площадь прозрачных участков сопря-
жения. При пересечении темных штрихов за счет их совмещения пло-
щадь прозрачных штрихов растров остается без изменения. Возника-
ющие прозрачные и темные участки сопряжения весьма малы, од-
нако они группируются и образуют легко различимые широкие по-
лосы. Эти полосы называют комбинационными или муаровыми.
Положение, форма и шаг комбинационных полос зависят от парамет-
ров сопрягаемых растров и их взаимного расположения [37].
Растровое звено, работающее в проходящем свете и применяемое
для преобразования линейных перемещений, показано на рис. 3.8, а.
Источник света 1 с конденсором 2, индикаторный параллельный
растр 3 и блок фотоприемников ФП1—ФП4 закрепляют на опорных
частях манипулятора, а измерительный параллельный растр 4
закрепляют на подвижных частях манипулятора. При перемещении
измерительного растра в направлении х происходит модуляция
светового потока сопряжением измерительного и индикаторного
растров, которая фиксируется фотоприемниками ФП1—ФП4. Моду-
лирующие свойства растрового сопряжения характеризуются пропу-
сканием т = Ф/Фо, где Фд и Ф — значение лучистого потока, соот-
ветственно падающего на растровое сопряжение и прошедшего через
сопряжение в пределах эффективного зрачка фотоприемника. Про-
пускание т растрового сопряжения меняется в зависимости от от-
носительного смещения индикаторного и измерительного растров.
Соответствующим выбором параметров сопрягаемых растров [37]
можно получить синусоидальный характер изменения пропускания
лучистого потока для четырех фотоприемников:
тг = т0 {1 + tn sin [0 + (л/2) (/ — 1) ],
i = 1, 2, 3, 4,	(3.8)
79

где т0 — постоянная составляющая пропускания; т — коэффициент
глубины модуляции; 0 = (2/л/а>) х — пространственная фаза комби-
национной полосы; х — относительное линейное смещение измери-
тельного растра в пределах шага w.
Следует отметить, что на каждый фотоприемник поступает лу-
чистый поток, сдвинутый по пространственной фазе на л/2 рад от-
носительно потока предыдущего фотоприемника. Включая фотопри-
емники попарно через один, т. е. ФП1 с ФПЗ и ФП2 с ФП4 по баланс-
ной схеме, можно получить с выходов балансных пар два сигнала
синусоидальной формы UT и Un, сдвинутых по пространственной
фазе на л/2 рад и несущих информацию об измеряемом перемеще-
нии х.
Аналогичные сигналы, несущие информацию об угловом пере-
мещении а, можно получить с блока фотоприемников растрового
преобразующего звена с сопряжением радиальных растров
(рис. 3.8, б). В этом случае подвижное звено манипулятора, угол
поворота которого нужно измерить, соединяют с измерительным ра-
диальным центральным растром 5. Индикаторный растр 3 представ-
ляет собой также радиальный растр. При сопряжении растров 3 и 5
образуются муаровые комбинационные полосы, модулирующие лу-
чистый поток, проходящий на фотоприемники. Для данной схемы
растрового преобразующего звена пространственная фаза комбина-
ционной полосы определяется выражением
0 = (2я/щ) а,	(3.9)
где а — относительное угловое смещение измерительного радиаль-
ного растра в пределах углового шага w.
На рис. 3.8, в приведена схема растрового преобразующего звена
с отражающей растровой решеткой 6. Отражающая решетка нано-
сится на ленту или пластину из коррозионно-стойкой стали. Лу-
чистый поток от источника света 1 с конденсатором 2 проходит через
индикаторный растр 3 на решетку 6, отражается от нее, снова про-
ходит через индикаторный растр 3 и попадает на фотоприемники
ФП1—ФП4. Оси падающего и промодулированного отраженного
пучков света находятся в плоскости, нормальной к плоскости из-
мерительного растра и параллельной штрихам индикаторного растра.
Отражающие решетки на металлической основе позволяют создавать
надежные датчики даже при измерениях больших перемещений.
Кроме того, в этом случае изменение температуры окружающей среды
меньше влияет на точность измерения, поскольку измерительную
шкалу можно делать металлической, как и детали манипулятора.
С выходов фотоприемников растрового звена с отражающей раст-
ровой решеткой (рис. 3.8, в), как и в предыдущих схемах, снимаются
сигналы синусоидальной формы со сдвигом по пространственной
фазе на л/2 рад.
При перемещении измерительной растровой решетки в одном
направлении первый квадратурный сигнал L/j, создаваемый парой
фотоприемников ФП1 и ФПЗ, отстает на четверть периода от вто-
рого квадратурного сигнала /7П, создаваемого парой фотоприемников
89

г
ФП2 и ФП4, а при перемещении в противоположном направле-
F- нии — второй квадратурный сигнал отстает от первого также на
I четверть периода. Таким образом, знак фазового сдвига между квад-
|. ратурными сигналами характеризует направление измеряемого пере-
|. мещения. Синусоидальные квадратурные сигналы могут быть пре-
Ц образованы, например, с помощью триггеров Шмитта, в прямоуголь-
к ные сигналы. В результате измеряемое перемещение представляется
Ц последовательностью однородных прямоугольных импульсов, при-
ll чем каждый импульс соответствует перемещению измерительного
| растра на один шаг w. Число импульсов подсчитывается электрон-
к ным реверсивным счетчиком. С помощью такого простейшего на-
 капливающего устройства, в котором непосредственно отсчитываются
К- периоды измерительного растра, обеспечивают разрешающую eno-
в. собность в несколько микрометров, причем в качестве сопрягаемых
В растров используются дифракционные решетки.
L Причинами, препятствующими применению в накапливающих
К преобразователях дифракционных решеток с более мелким шагом
К являются соизмеримость шага решетки с длиной волны излучения,
В используемого для считывания, технологические трудности изготов-
ж ления высококачественных дифракционных решеток с мелким шагом,
JB ограниченное быстродействие фотоприемников. Поэтому для повы-
В шения разрешающей способности растровых накапливающих преоб-
В разователей не идут по пути применения дифракционных решеток
В. с более мелким шагом, а используют способы дробления шага сопря-
В гаемых растров на 4—20 частей.
В На рис. 3.9 представлены схема и диаграммы работы отсчетной
К части накапливающего преобразователя с реверсивным счетчиком.
К Преобразователь позволяет получить четыре импульса на каждую
В муаровую полосу.
От фотоприемников балансных пар синусоидальные сигналы
^ВП; и Uu, сдвинутые по фазе на л/2 рад, поступают в формирова-
^Втели Ф1 и Ф2. Каждый из формирователей имеет по два выхода.
ВС одного выхода формирователя снимается прямоугольное напря-
^Вжение с той же фазой, что и входной синусоидальный сигнал, а
Ис другого выхода — прямоугольное напряжение с фазой, сдвинутой
^Ина л рад по отношению к входному сигналу. Обычно формирователи
^представляют собой последовательное соединение триггера Шмитта
^и потенциального инвертора. В результате на выходах формирова-
ли телей Ф1 и Ф2 образуются четыре прямоугольных напряжения А,
В и А, В, три из которых сдвинуты относительно каждого преды-
^В дущего по фазе на л/2 рад. Эти напряжения служат для управления
^В блоком реверса счетчика полос.
^В Для формирования импульсов сложения используются четыре
^В схемы совпадения И1—И4, с выхода которых импульсы поступают на
^В схему собирания ИЛИ. Для формирования импульсов вычитания слу-
^В жат схемы совпадения И5—И8, с выхода которых импульсы посту-
^В пают на схему собирания ИЛИ. Все схемы совпадения имеют один
^В потенциальный и один импульсный входы. На потенциальные входы


схем И подаются прямоугольные напряжения А, В, А и В, а на
импульсные входы — импульсы а, Ь, а и 5, полученные диффе-
ренцированием положительных фронтов прямоугольных напряжений
дифференцирующими цепочками Д1—Д8. Из диаграммы работы
(рис. 3.9, б) видно, что при движении измерительной растровой
решетки в направлении (+х) на реверсивный счетчик РСч поступают
сигналы сложения
V = a-BA-b-A-\-a-B~\-b-A.
При движении измерительной растровой решетки в обратном на-
правлении (—х) на реверсивный счетчик РСч поступают сигналы
вычитания
R = aB-\-b-A а-В -\-Ь-А.
При перемещении измерительной решетки на один шаг на счетчик
подаются четыре импульса, т. е. данное накапливающее устрой-
ство обладает разрешающей способностью, соответствующей х/4
шага растра.
Если из схемы, представленной на рис. 3.9, а, исключить диф-
ференцирующие цепочки Д2, Д4, Д6, Д8 и схемы совпадения И2,
И4, И6, И8, то получим накапливающее устройство с разрешающей
способностью, соответствующей шага растра. Путем некоторого
82

усложнения блока выработки счетных импульсов можно НоЛуЧйТЬ
восемь импульсов на один шаг растра.
Выпускаемые промышленностью линейные и цифровые интеграль-
ные схемы позволяют создавать растровые накапливающие преобра-
зователи с делением шага на восемь, удовлетворяющие всем требо-
ваниям в отношении точности интерполяции и надежности ра-
боты.
Рассмотренные растровые накапливающие преобразователи по-
зволяют получить разрешающую способность в 2 мкм или 1 мкм,
если применять растры с шагом w = 8 мкм, и делить шаг растра
на четыре или восемь частей.
Накапливающие преобразователи можно построить на основе ла-
зерного интерферометра. Принцип действия такого преобразователя
был описан в п. 2.5.
К достоинствам накапливающих датчиков можно отнести доста-
точно простую конструкцию, малые размеры и массу. Однако следует
учитывать и недостатки накапливающих датчиков: возможность
накопления ошибок сбоев и помех в цепях на входе реверсивного
счетчика, потерю информации о перемещении при отказе в цепи пи-
тания датчика, необходимость периодической фиксации нулевого
отсчета датчика для получения достоверного абсолютного значения
измеряемого перемещения.
Отмеченные выше недостатки накапливающих датчиков отсутст-
вуют у цифровых датчиков с абсолютным отсчетом, к которым отно-
сятся циклические преобразователи с промежуточным преобразова-
нием типа перемещение— фаза— код и преобразователи считыва-
ния информации с кодовой шкалы. Циклические преобразователи
типа перемещение—фаза—код на базе фазовращателей были рас-
смотрены ранее.
Преобразователи считывания информации с кодовой шкалы, как
и циклические преобразователи перемещение—фаза—код, харак-
теризуются однозначным определением действительного значения
перемещения, значительной независимостью сигналов от воздействий
окружающей среды, восстанавливаемостью показаний после сбоя
в цепи питания.
Широкое применение находят фотоэлектрические преобразова-
тели считывания, обеспечивающие высокую разрешающую способ-
ность и сравнимые по надежности
Схема фотоэлектрического преоб-
разователя считывания углового пе-
ремещения в код приведена на
рис. 3.10. На кодируемом валу 2,
угловое положение которого преоб-
разуется в цифровой код, жестко за-
креплен кодированный диск 1. Этот
Диск представляет собой стеклянное
Рис. 3.10. Фотоэлектрический преобразователь
считывания угол — код
с индуктивными датчиками.
83

основание, на которое нанесена кодовая маска, образованная опре-
деленным числом концентрических кодовых дорожек с прозрачны-
ми и непрозрачными для лучистого потока сегментами. Кодовая
маска является отображением того двоичного кода, который ис-
пользуется в преобразователе. Для устранения неопределенности
считывания информации в фотоэлектрическом преобразователе при-
меняют маски позиционного двоичного кода с V-способом считыва-
ния, отраженного двоичного кода, двоично-десятичного кода и не-
которые другие. Наиболее широко используется отраженный двоич-
ный код Грея, обеспечивающий минимальное число фотоприемников
и простую оптическую схему считывания.
Осветитель, состоящий из лампы 3 и конденсора 4, формирует
лучистый поток, падающий на кодированный диск 1. В момент съема
информации луч света, проходя через прозрачные сегменты кодовых
дорожек диска и ограничивающую целевую диафрагму 5, освещает
фотоприемники 6, усиленные сигналы с которых принимаются за
двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фотоприемников,
перекрытых непрозрачными сегментами кодовой маски, соответ-
ствует двоичным нулям. В результате каждому углу соответствует
определенная комбинация двоичных единиц и нулей, являющаяся
цифровым кодом данного угла.
Достоинством фотоэлектрического преобразователя углового пе-
ремещения в код, работающего по методу считывания, является
высокая разрешающая способность, соответствующая 12—16 двоич-
ным разрядам на один оборот входного вала, т. е. от 5' до 20".
Следует отметить, что осветительная лампа является наиболее
вероятным источником отказов в фотоэлектрическом преобразова-
теле. Надежность фотоэлектрических преобразователей может быть
повышена при использовании в качестве источников света полупро-
водниковых светоизлучающих диодов.
Разрешающую способность фотоэлектрических преобразователей
можно повысить введением дополнительного точного растрового от-
счета [8, 37]. На рис. 3.11 показана функциональная схема двух-
отсчетного фотоэлектрического преобразователя угла поворота вала
в код с разрешающей способностью, соответствующей 19 двоичным
разрядам. Показания грубого отсчета (ГО) снимаются с 14 старших
разрядных дорожек кодовой шкалы. Показания точного отсчета (ТО)
в виде пяти младших двоичных разрядов снимаются с разрядной до-
рожки кодового диска, нанесенной с шагом ю = 2л/215 рад, посред-
ством растрового интерполятора. В канал ТО входят четыре пары
фотоприемников (на рис. 3.11 условно показаны только две пары).
Эти фотоприемники размещают попарно в четырех точках внешней
разрядной дорожки через 90°. Такое расположение фотоприемников
позволяет при соблюдении некоторых условий устранить влияние
эксцентриситета и эллиптичности измерительного растра — раз-
рядной дорожки ТО. Фотоприемники каждой пары воспринимают
лучистый поток, прошедший измерительный растр, через неподвиж-
ные индикаторные растры, которые сдвинуты друг относительно друга
на четверть шага измерительного растра. Поэтому согласно выраже-
84

ййю (3.8) с фотоприеМников ТО снимают электрические сигналь!
соответственно с синусоидальной и косинусоидальной переменными
составляющими. С sin/cos датчиков ТО сигналы поступают в схемы
усреднения и далее в интерполятор. Интерполятор, выполненный по
схеме потенциометрического фазовращателя в виде резисторного
моста, формирует 32 синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе
на 360° : 32 = 11,25°, причем в данном случае 360° соответствует
одному шагу измерительного растра ТО. Каждая из 16 пар противо-
фазных сигналов подается на соответствующий триггер Шмитта.
При вращении измерительного растра ТО сигналы с выходов триг-
геров будут иметь вид прямоугольных меандров, сдвинутых по фазе
на 11,25°. Шифратор на логических схемах кодирует состояния триг-
геров Шмитта в пятиразрядный двоичный код ТО, пропорциональный
перемещению измерительного растра ТО в пределах шага. Растро-
вый интерполятор ТО формирует также синхроимпульс считывания
выходных сигналов с разрядных дорожек ГО, обеспечивая тем самым
необходимое согласование грубого отсчета с точным. Рассмотренный
фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код обе-
спечивает разрешающую способность, соответствующую 2,5". Опи-
санный принцип преобразования позволяет получить разрешающую
способность 0,6—1,2" при внешнем диаметре кодового диска 127—
254 мм.
К датчикам внутренней информации относятся также датчики
скорости движения звеньев манипулятора, применяемые для повы-
шения точности и поддержания скорости привода. Датчиками ско-
рости обычно служат тахогенераторы постоянного тока. Информацию
о скорости движения звена можно получить от датчиков перемещения
накапливающего типа и с абсолютным отсчетом посредством опреде-
ления пройденного пути за фиксированный интервал времени.
Датчики усилий, устанавливаемые в звеньях манипулятора, по-
зволяют автоматизировать тонкие технологические операции, для
Рнс. 3.11. Двухотсчетный фотоэлектрический преобразователь угол — коде растровым
точным отсчетом
85

2
У
х
Рис. 3.12. Шестикомпонентный датчик усилий!
1 — внутреннее кольцо; 2 — тензодатчики; 3 — наружиоё
кольца
выполнения которых требуются дозирование уси-
лия взаимодействия с объектом, малые перемеще-
ния захвата, анализ ситуации в зоне контакта
деталей при сборке. Кроме того, эти датчики обе-
спечивают защиту конструкции от аварийных пе-
регрузок. В качестве датчиков усилий обычно
используют тензометрические датчики. Чтобы про-
мышленный робот мог манипулировать как жест-
кими, так и легкодеформируемыми объектами,
необходимы установка датчика усилия в захвате
руки робота и организация контура управления
усилием захватывания. Типичным примером ис-
пользования датчика усилия является автомати-
зированная сборка деталей, например посадка штифта во втулку
при зазорах 20 мкм и менее 143]. На рис. 3.12 представлен шести-
компонентный датчик усилия, измеряющий три составляющих уси-
лия вдоль координатных осей и три момента относильно этих осей.
Анализ полной картины силового взаимодействия позволяет оце-
нить условия контакта сопрягаемых деталей, организовать направ-
ленный поиск оси сопряжения и избежать заклинивания деталей при
произвольном начальном расположении осей. Другие варианты кон-
струкций тензодатчиков усилий с шестью степенями подвижности
приведены в работе [43].
При использовании электромеханических приводов находят при-
менение схемы измерения их нагрузки по току якоря электродви-
гателя для защиты привода и манипулятора от аварийных пере-
грузок.
3.2.	Датчики внешней информации
Датчики внешней информации предназначены для контроля за
состоянием объекта манипулирования промышленного робота. С по-
мощью этих датчиков можно определять положение объекта, его
форму и другие признаки. Если для роботов, работающих по жест-
кой программе, вполне приемлемы сравнительно простые датчики,
то для интеллектных роботов, обладающих способностью адаптации
к внешней обстановке за счет соответствующего выбора программы
действий, необходим развитый аппарат очувствления. Датчики внеш-
ней информации должны иметь высокие точность, надежность и боль-
шой ресурс работы. Кроме того, они должны быть малогабаритными
для удобства установки в захвате робота, иметь минимальную массу
для снижения негативного влияния на динамические характеристики
привода робота и обладать достаточной жесткостью, обеспечивающей
высокую точность определения положений [27].
Можно выделить три основных вида устройств очувствления —
слуха, осязания и зрения. Сигналы, получаемые с помощью этих
86

устройств, представляют собой информацию, соответствующую ка-
кому-то образу. В результате обработки этой информации можно
выявить особенности объекта и провести его измерение.
При распознавании объектов с помощью слуховых сенсорных
устройств можно воспринимать сигналы от самого объекта и непо-
средственно от оператора, подаваемые голосом. Устройства слуха
чаще используют для целей измерения и обнаружения объекта, чем
для распознавания образов.
Простейшими осязательными датчиками внешней информации,
служащими для обнаружения момента соприкосновения руки ро-
бота с объектом, являются контактные датчики (переключатели,
предельные выключатели). С их помощью определяется положение
объекта и осуществляется управление движением захвата. Помимо
выполнения простейших действий (захватывание объекта, измене-
ние направления движения) путем соответствующей установки пере-
ключателей на руке и в захвате с использованием логической схемы
, можно также оценивать относительное положение робота и объекта,
управлять приводом руки для обхода препятствий и т. п. Примене-
. ние легких и малогабаритных микропереключателей обеспечивает
более высокие точность и возможность взаимодействия с неметалли-
ческими объектами. Однако микропереключатели не могут работать
 в условиях повышенной температуры и имеют меньшую надежность,
так как для них опасны удары при соприкосновении с объектом.
В качестве микроминиатюрных предельных выключателей вме-
сто микропереключателей можно использовать полупроводни-
ковые датчики давления при соответствующем выборе порога их
срабатывания. Устройства осязания позволяют получить тактиль-
ную информацию, которую можно использовать для распознавания
состояния поверхности предметов и их свойств (массы, эластичности
и др.). Манипулятор (механическая рука), оснащенный тактильными
датчиками, обладает в определенной мере «чувством осязания». Это
особенно важно при манипулировании объектами с малой жест-
костью, когда кроме датчиков, фиксирующих соприкосновение с из-
делием, необходимы датчики непрерывной информации о значении
усилия захватывания.
Процесс распознавания образа манипулятором с тактильным
анализатором включает следующие этапы: количественное опреде-
ление размеров или формы объекта; качественное определение ха-
рактера поверхности объекта; описание объекта по полученной ин-
формации. Простая модель тактильного анализатора может быть по-
лучена из рассмотрения соответствующего физиологического анали-
затора. Опа включает рецептор Р и преобразователь давления ПД
в электрические сигналы (рис. 3.13). Рецептор, представляющий со-
бой блок пьезоэлектрических элементов, реагирует только на распре-
деление давлений, причем конструкция его такова, что он допускает
возникновение больших деформаций при низких значениях напря-
жений. Область, окружающая пьезоэлектрический элемент, запол-
нена полуэластичным материалом. Поэтому, когда объект приходит
в соприкосновение с поверхностью руки, напряжение, вызванное

Объект
d)	б)
Рис. 3.13. Тактильный анализатор:
а — физическая модель; б — схема
упругой деформацией материала, преобразуется пьезоэлементом
в электрический сигнал. В анализаторе происходит выделение кон-
туров тактильного образа аналогично тому, как это происходит при
восприятии зрительного образа (так называемый феномен Маха)
[14, 15]. Внутренний потенциал рецептора в устройстве управления
порогом УП сравнивается с заданным уровнем, и в случае его превы-
шения выход рецептора становится выходом генератора функций ГФ.
Тактильный анализатор может быть выполнен из порошкооб-
разного графита, пенопластов с графитовым наполнением, кремние-
вой резины, армированной графитом или металлом. Недостатком
графитовых материалов является изменение их электрического со-
противления при поглощении влаги и газов. Датчик, выполненный
на основе токопроводящей резины, содержит множество контактных
элементов, располагаемых на пальцах захвата, общий контакт кото-
рых представляет собой гибкую герметичную оболочку из токопро-
водящей резины с низким электрическим сопротивлением. Ответные
контакты нанесены на поверхность пальцев в виде металлических
пленок, изолированных от основания пальцев. При захватывании
объекта наружная резиновая оболочка прогибается, обеспечивая
многоточечный контакт элементов в соответствии с профилем изде-
лия, а информация об усилии захватывания направляется в устрой-
ство управления манипулятором. Наряду с пьезоэлектрическими
пленочными датчиками за рубежом применяют тактильные элек-
третные сенсорные устройства, обладающие высокой линейностью.
Электрет относится к материалам, перманентно сохраняющим элек-
трический заряд. Его можно создавать из полимерных пленок 3
(например, тефлона толщиной 13—15 мкм), металлизированных
алюминием 2 (рис. 3.14). В процессе изготовления пленочной мем-
бране сообщается электрический заряд до 100 В с помощью электрон-
ного луча, коронного разряда или термическим путем. Мембрана
из металлизированной пленки 3 размещается в захвате 5 робота
между эластичным защитным слоем 1 и проводящей пластиной 4 на
расстоянии 70 мкм от нее. Таким образом, датчик по принципу дей-
ствия напоминает конденсатор. При изгибании мембраны изменяется
емкость датчика, а вместе с ней — напряжение, обусловленное за-
рядом конденсатора.
88

Сигналы тактильных датчиков могут быть введены в ЭВМ для
управления усилиями и моментами, развиваемыми роботом при вы-
полнении технологических операций [11].
К датчикам внешней информации бесконтактного типа относятся
электромагнитные, ультразвуковые, струйные и оптические. Основ-
ным их преимуществом по сравнению с контактными датчиками яв-
ляется исключение возможности удара о поверхность объекта или
ненадежного контакта. Из перечисленных бесконтактных датчиков
внешней информации остановимся более подробно на струйных дат-
чиках, работа которых аналогична работе фотоэлектрических и элек-
тромагнитных датчиков. Например, пневматические микрометры,
широко используемые для измерения очень малых зазоров, можно
применять в качестве бесконтактных выключателей. Однако при
общей высокой чувствительности они не позволяют обнаружить
объект, если он удален более чем на 1 мм. При определенных усло-
виях с помощью струйных датчиков можно измерять расстояния,
превышающие диаметр сопла примерно в.50 раз. В этом случае пнев-
моструя ведет себя подобно световому пучку. Следует отметить, что
чувствительность струйных датчиков может быть даже выше, чем
оптических, хотя при измерении движущихся объектов их размеры
могут оказаться значительными вследствие движения воздуха во-
круг самих объектов.
Работа струйных датчиков основана на взаимодействии потока,
вытекающего из питающего (формирующего) сопла, с объектом.
Датчик типа сопло—заслонка имеет питающее сопло 1, межсопло-
вую камеру 2, выходной канал 3, измерительное сопло 4 (рис. 3.15, а).
Обычно диаметр dn питающего сопла значительно меньше диаметра
d„ измерительного сопла, и поэтому давление рк в камере 2 опре-
деляется зазором 6 между торцом сопла 4 и заслонкой (объектом) 5.
Расход воздуха через выходное сопло 3 является нагрузкой датчика,
однако при подаче выходного давления рв та рк на мембранный или
сильфонный усилитель расход воздуха может отсутствовать. При
перемещении заслонки (объекта) вдоль оси сопел струйный преобра-
зователь сопло—заслонка может работать как аналоговый измери-
тель расстояния, а при перемещении заслонки в перпендикулярном
направлении — как датчик положения
(наличия объекта). Если пренебречь из-
менением коэффициентов расхода сопел и
сжимаемости воздуха, то выходной сигнал
датчика сопло—заслонка можно опреде-
лить по приближенной формуле
I Pd = 1 +	’	(3-1 °)
(которая справедлива при условии б « dn/4.
При невыполнении этого условия площадь
Рис. 3.14. Схема тактильного датчика электретного
типа
89

сечения измерительного сопла оказывается минимальной, и зазор
не будет влиять на рв. В реальных условиях вследствие непостоянст-
ва коэффициентов расхода сопел зависимость (3.10) несколько ис-
кажается и оказывается справедливой при значении б, несколько
большем da/4. Чувствительность датчика определяется как произ-
водная от рв по б:
ь dPa _ 32j>nd^*8
d6 (1 Н- 166d2d-l):
(3.11)
где dB == da.
На характеристике чувствительности датчика рабочим является
прямолинейный участок, на котором k = const (рис. 3.16). Макси-
мальная чувствительность при измерении по методу зазоров имеет
место при рв = 0,75рп; 4 dnbm/di = 0,58, и тогда формула (3.11)
принимает вид km за 2,6рп dB/dB. Таким образом, при заданных da
и dB максимальная чувствительность датчика сопло—заслонка про-
порциональна рп. Выходной сигнал для прямолинейного участка
характеристики рв = (0,6-нО,9) рл.
Явление прерывания струи движущимся объектом используется
в дискретных датчиках перемещения, аналоговых измерителях чисел
оборотов и др. Датчик типа сопло—сопло состоит из питающего 1
и приемного 2 сопел и прерывателя (объекта) 3 (см. рис. 3.15, б).
К соплу 1 подводится сжатый воздух давлением рп, а приемное соп-
ло 2 соединяют с пневмоусилителем или преобразователем выходного
сигнала рв в электрический импульс. В результате периодического
прерывания струи на выходе возникает
сигнал 0 или 1. При наличии в преры-
вателе отверстия на выходе можно по-
лучить сигнал рв различного уровня в
зависимости от диаметра d0 отверстия
и его положения относительно оси со-
пел. В этом случае датчик сопло —
сопло можно использовать для распоз-
Рис. 3.16. Характеристика чувствительности струй-
ного датчика
90

1
навания положения изделия с определением (в некоторых пределах)
значений признака ориентации. Диаметр dB выбирают из условия
получения максимальной мощности потока на выходе dB = 0,59Rc,
где 7?с — полуширина струи в зоне торможения потока. Уровень
сигнала рв линейно растет с увеличением рп, da и падает (нелинейно)
с увеличением расстояния I между соплами. Чувствительность дат-
чика сопло — сопло выражается отношением
 k = Арв/(А d0),
где Арв — изменение давления на выходе; A d0 — изменение размера
контролируемого параметра (например, диаметра отверстия do).
Характеристика & (Арв/А d0) нелинейна.
Экспериментально установлено, что при сравнительно низком
значении рп (порядка 60 кПа) минимальное значение контролируе-
мого параметра, которое чувствует датчик, dj = 50 мкм. В этом слу-
чае на расстоянии I = 3 мм выходной сигнал ра стабилен и равен
150 Па. Такой уровень сигнала достаточен для надежного срабаты-
вания пневмоэлектрического преобразователя мембранного типа.
Сигналы более низкого уровня предварительно необходимо усили-
вать. В многоструйных датчиках сопло — сопло, используемых
при распознавании положения объекта сложного профиля, для
расчета оптимального шага S между приемными соплами можно
рекомендовать эмпирическую формулу (с учетом параметров объекта)
где а — угол раствора струи, вытекающей из сопла питания.
Если значение s выбрано меньше рекомендуемого, то при тормо-
жении смежной струи питания (dn2, рп2) объектом возникает ра-
диальный поток, отклоняющий основную струю (d„i, рп1), соосную
с опознаваемым отверстием, и датчик начинает работать в режиме
усилителя, реализуя зависимость ръ[ = р™\ — сру, где pTi — мак-
симальное значение рв1 в основном приемном канале; ру == рпа;
с — коэффициент усиления.
Многоструйные датчики типа сопло — сопло можно использо-
вать для решения достаточно сложных логических задач по распозна-
ванию положения объекта при манипулировании. Динамическая
характеристика струйных элементов представляет собой функцио-
нальную зависимость изменения во времени сигнала рв в результате
изменения рп и выражается дифференциальным уравнением
;	dQ   V dpB	/о 1
1	dt ~ RT dt ’
где Q = (V/RT) рв — массовый расход воздуха в проточной камере
элемента; V — объем проточной камеры; R — газовая постоянная;
Т — абсолютная температура.
Считая, что входной и выходной дроссели проточной камеры
струйного элемента работают в ламинарном режиме и характеристика
91


их линейна, постоянную времени т элемента можно выразить форму-
лой
— v
- RT (ср <?в) ’
где ср, св — коэффициенты расхода входного и выходного дросселей.
Стабильная работа датчика обеспечивается в области выше гранич-
ной частоты <вг <20 Гц. Это соответствует предельно допустимой
скорости перемещения контролируемого объекта в зоне струи уп <
< 0,083 м/с (при размере параметра b ж 0,5 мм).
Из систем очувствления, воспринимающих информацию от внеш-
ней среды, наиболее важной является зрительная, так как она обес-
печивает восприятие основной доли информации, лежащей за пре-
делами возможностей тактильных датчиков. В последнее время
в СССР, а также в ряде развитых зарубежных стран проводятся ин-
тенсивные исследования по созданию систем технического зрения
для транспортных, технологических и других интеллектных робо-
тов, так как возможности автоматических систем, оснащенных уст-
ройствами визуального восприятия информации, резко возрастают
[14, 30].
Анализ и распознавание изображений осуществляется с помощью
телевизионно-вычислительной системы, важной частью которой яв-
ляется телевизионный датчик, преобразующий световое изображение
наблюдаемого объекта в видеосигнал, содержащий информацию,
необходимую для определения параметров объекта с заданной точ-
ностью. Из телевизионных датчиков интегрального и растрового
типа рассмотрим последние, так как они позволяют компоновать си-
стемы искусственного зрения для решения достаточно сложных тех-
нологических задач, таких как выделение нужного объекта среди
Множества других независимо от их положения, размера, ориента-
ции; определение координат центра масс и угла поворота Выделен-
ного объекта относительно заданного положения. Так как точность
преобразования изображения объекта в видеосигнал в значительной
степени определяет точность всей системы распознавания, то к теле-
визионному датчику как к входному элементу предъявляются сле-
дующие требования: малые геометрические искажения, высокая ли-
нейность развертки, высокая стабильность размеров и центровок
растра; высокая линейность и устойчивость усилительного тракта;
работа в заданном диапазоне освещенностей. Только при соблюде-
нии перечисленных требований от телевизионных датчиков могут
быть получены многократно повторяемые идентичные и достоверные
данные. Наиболее рациональным является не самостоятельная раз-
работка телевизионных датчиков, а применение в качестве датчика
серийной телекамеры на основе видикона, основные параметры ко-
торого лежат в следующих диапазонах: разрешающая способность
150—500 линий; минимальная освещенность 30—350 лк; геометри-
ческие искажения растра ~3 %; нелинейные искажения растра
±4 %. Стандартная телекамера на видиконе укомплектована объек-
тивами со следующими характеристиками: фокусное расстояние 37—
92

85 мм; угол поля в пересчете на формат растра видикона 8,5—19,5
по горизонтали и 6,5—14,5° по вертикали; пределы фокусирования
от 0,5 мм до оо. При выборе объектива и места установки телекамеры
можно пользоваться формулой
Аа = Anf/iE/(S/iE),
где Ап, Аэ — соответственно линейные размеры наблюдаемого пред-
мета и его изображения на экране; [ — фокусное расстояние объек-
тива; S — расстояние от передней линзы объектива до предмета;
hK и ha — высота растра соответственно в кинескопе и видиконе.
Освещенность фотослоя мишени видикона £м можно ориентиро-
вочно определить по освещенности Еа предмета:-
Еп = 4£'м/(рт62),
где р — коэффициент отражения предмета (р = 0,01 4-0,95); т—'
коэффициент пропускания объектива (т = 0,64-0,8); 6 — относи-
тельное отверстие объектива.
Предельно допустимая скорость движения объекта в плоскости,
перпендикулярной оси камеры (при четкости изображения порядка
300 линий) Пд = 3-10'3 (L/f), где L — расстояние от камеры до
объекта наблюдения.
В японских системах визуального датчика в зависимости от ха-
рактера задачи в качестве телевизионных датчиков используют
трубки различных типов. Наиболее широкое применение находит
трубка типа видикон. Однако при восприятии видиконом информации
о цвете объектов возникают проблемы, связанные с большим значе-
нием темнового тока. Меньший темновой ток имеют передающие
трубки типа пламбикона. Высокой чувствительностью отличается
ортикон с переносом изображения, которое хорошо воспринимается
человеческим глазом. Диссектор изображения при очень высокой
чувствительности имеет высокий уровень шумов, и эта трубка сложна
в обращении. И наконец, трубки с запоминанием изображения весьма
перспективны в связи с возможностью кратковременной экспози-
ции электронным затвором, однако вследствие высокого уровня
шумов их нельзя использовать в качестве устройств ввода и обра-
ботки изображений [36].
Для примера рассмотрим телевизионный датчик на видиконе,
'используемый в тактильно-оптическом устройстве очувствления
робота, созданного в Массачусетском технологическом институте
(США). В этом устройстве эластичная основа внутренних поверхно-
стей захвата робота покрыта расположенными в ряд отражателями
малого размера. Эластичная поверхность захвата под действием
объекта деформируется, что приводит к искажению светового потока,
соответствующему распознаваемому образу. Световой поток прохо-
дит через оптические волокна, телекамеру и попадает на экран теле-
монитора, на котором форма объекта определяется по чередованию
светлых и темных участков. Возможно, с помощью этого метода
удастся осуществлять непрерывное распознавание формы предме-
тов [36]. Следует отметить, что при измерении координат положения
93

От когерентного
источника
Изображение
От объекта
(некогерентный
источник)
1
видиконных камер
в отличие от
Рис. 3.17. Схема датчика изображения
на жидком кристалле

объекта наиболее существен-
ны геометрические искажения
телевизионного датчика. В
этом смысле предпочтитель-
нее разработанные в послед-
нее время телекамеры на
матрице приборов с зарядо-
вой связью (ПЗС), в которых
;ствляется жесткая привязка
координат объекта к элементам разложения (см. Фридман А. Н., Яков-
лев А. Н. Датчики изображения на основе приборов с зарядовой
связью. — «Техника кино и телевидения», 1977, № 8, с. 51—57).
Необходимо отметить, что современные телевизионные датчики на
основе приборов с зарядовой связью не достигли пока уровня наи-
более совершенных передающих телевизионных трубок по чувстви-
тельности и разрешающей способности, кроме того, мала еще их
чувствительность в области синего света.
Для визуализации объектов при манипулировании разработан
датчик изображения на жидком кристалле (США), работающий в ре-
жиме отражения когерентного пучка с оптической адресацией
(рис. 3.17). Механизм преобразования изображения заключается
в индуцированном двойном лучепреломлении света в слое жидкого
кристалла 4. Распределение интенсивности записывающего пучка
(некогерентный источник), проходящего через прозрачное окно 1,
преобразуется в пространственное распределение потока электронно-
дырочных пар в светопроводнике 2 из CdS с сопутствующим про-
странственным перераспределением приложенного к прозрачным
электродам 5 переменного напряжения смещения U. Напряжение
U индуцирует двойное лучепреломление света, пропорциональное
локальной интенсивности записывающего сигнала. Линейно поляри-
зованный луч считывания, проходя через жидкий кристалл, отра-
жается от диэлектрического зеркала 3, пересекает еще раз жидкий
кристалл и выходит из устройства в виде эллиптически поляризо-
ванного пучка. Анализатор, расположенный на пути луча, пропу-
скает только ту компоненту луча, поляризация которой перпенди-
кулярна направлению первоначальной поляризации луча считыва-
ния. Пространственное распределение интенсивности луча считы-
вания после выхода из анализатора оказывается пропорциональным
пространственному распределению интенсивности входного изобра-
жения. Этот процесс реверсируется, так как распределение напря-
жения исчезает, когда перекрывается входной свет, без которого
луч считывания остается линейно поляризованным и перпендику-
лярным анализатору, и поэтому выходной сигнал не пропус-
кается,
94

3.3.	Информационные системы распознавания
положения, формы и ориентации
миниатюрных изделий
Для решения задачи распознавания образов и управления про-
цессом манипулирования объектами может быть использована сим-
биотическая система, в которой осуществляется обработка тактиль-
ной и визуальной информации.
Структурой симбиотической системы с обратной связью преду-
сматривается подача выходного сигнала тактильного датчика 1 на
вход зрительного устройства очувствления 2 через преобразователь
тактильной информации 5 и смеситель 6 (рис. 3.18). Влияние так-
тильной информации на выходной сигнал зрительного устройства
очувствления может быть сведено, например, к контролю над уров-
нем контрастности изображения или выбору способа сканирова-
ния. Результирующий сигнал обусловливает появление на экране
дисплея 7 конкретного изображения. Одновременно сигналы с обоих
датчиков поступают в управляющую вычислительную машину 3, ко-
торая выдает команды в устройство 4 запуска двигателя манипуля-
тора или координатной системы [14, 15].
Формирователи сигналов изображения зрительной системы очув-
ствления непрерывно совершенствуются в направлении уменьшения
размеров, повышения стабильности и экономичности работы, улуч-
шения качества формируемого изображения и эксплуатационных
параметров. Характерная черта современного этапа развития пере-
дающих телекамер — смена поколений приборов. Для камер с види-
коном черно-белого изображения созданы малогабаритные трубки
диаметром 18 мм с растром 6,6x8,8 мм, обеспечивающие снижение
коммутационной инерционности, абсолютной величины и неравно-
мерности темнового тока, что весьма существенно для качества пере-
даваемого изображения. В то же время 18-миллиметровые видиконы
при малом расходе мощности на фокусировку и отклонение пучка
значительно повышают разрешающую
камер. Достигнуто разрешение 600—700
электродах в пределах 600 В. Более чем
в 2 раза уменьшена выходная мощность,
что позволяет снизить потери на высо-
ких частотах при передаче сигнала на
видеоусилитель. Номинальным является
сигнал 150 нА вместо 200 нА; диапазон
освещенности 1—80 лк, чувствитель-
ность 160/1—240/05 нА/лк, геометриче-
ские искажения 4—6 %. Производство
таких видиконов уже освоено промыш-
ленностью. Новая серия видиконов бу-
дет иметь важное значение для миниатю-
Рис. 3.18. Структурная схема зрительно-тактильной
системы с обратной связью
способность миниатюрных
линий при напряжении на
95

J	Ч
Рис. 3.19. Структурная схема телевизион-
но-вычислительной системы
!	ризации цветных телекамер. В
7	р д последние годы интенсивно раз-
s рабатываются полупроводнико-
вые матричные формирователи
сигналов изображения на основе фотодиодных матриц, приборов с ин-
жекцией зарядов, приборов с зарядовой связью (ПЗС) с кадровым и
строчно-кадровым переносом зарядов. Твердотельные формирователи
сигналов изображения обладают недостижимыми для видиконов
свойствами: жестким растром — привязкой элемента изображения
к фотоячейке с высокой точностью (до 0,5 мкм), отсутствием геомет-
рических искажений, безынерционностью, низким питающим напря-
жением и др., уступая им лишь по разрешающей способности. Разра-
ботаны крупноформатные полупроводниковые матричные формирова-
тели сигналов изображения с чувствительностью до 5-10'4 лк, с числом
элементов от 244x320 до 800x800, размером элемента от 30x30до
15х 15 мкм, размером светочувствительной области от 9,6X12,7 до
5,9 X 7,8 мм. Основные параметры лучших зарубежных полупроводни-
ковых телекамер с матричными формирователями сигналов изобра-
жения следующие: разрешающая способность от 280x280 до 400 X
Х250 линий; минимальная освещенность на объекте 50—100 лк; от-
ношение сигнал/шум 43—55 дБ; потребляемая мощность 3—8 Вт;
габаритные размеры от 58x100x155 до 96x 114x241 мм. Достигну-
тые успехи в создании полупроводниковых матричных формирова-
телей сигналов изображения с повышенной чувствительностью
в синей области спектра видимого излучения и другими улучшен-
ными качественными показателями позволили разработать полу-
проводниковые телекамеры цветного изображения. Рассмотрим более
детально методы преобразования и обработки видеоинформации,
поступающей с визуального устройства очувствления промышлен-
ного робота.
Кроме телевизионного датчика 3 с оптической системой 2, вос-
принимающего изображение объекта 1, телевизионно-вычислитель-
ная система включает устройство обработки 4, осуществляющее
амплитудно-временную селекцию видеосигнала, измерение информа-
тивных параметров и преобразование результатов измерения в циф-
ровую форму; вычислительное устройство 5 (специализированное
или ЭВМ), накапливающее и обрабатывающее поступающую инфор-
мацию по заранее определяемым алгоритмам распознавания
(рис. 3.19). Для измерения координат и размеров объекта применяют
телевизионные автоматы с время-импульсной базой. При перемеще-
нии сканирующего луча в направлении оси времени границы изме-
ряемого объекта будут последовательно пересекаться в точках х} и х2
в моменты времени и t2, т. е. каждому размеру будет соответство-
вать видеоимпульс определенной длительности. Точность способа
в основном определяется линейностью развертывающей функции и
стабильностью размера развертки. Искомый размер объекта I =
96

= ktit где k — коэффициент пропорциональности, связывающий раз*
мер оптической проекции I' измеряемого объекта на фотослое преоб-
разователя свет-сигнал с длительностью видеоимпульса t,.
Задача измерения размера объекта, например, в процессе сорти-
ровки или ориентации изделий может быть решена путем сравнения
длительности видеоимпульса от контролируемого объекта с длитель-
ностью заданного импульса. В этом случае передний фронт видео-
импульса запускает триггер анализирующего устройства, который
формирует импульс эталонной длительности t3, подаваемый в проти-
вофазе на схему сравнения (рис. 3.20, а). На входе этой схемы в за-
висимости от соотношения сравниваемых импульсов будут возникать
импульсы различной полярности, характеризующие размер кон-
тролируемого объекта. Более точные результаты могут быть полу-
чены путем сравнения временного положения видеоимпульса от
контролируемого объекта с временным положением этого же импуль-
са, но прошедшего через линию задержки (рис. 3.20, б). Если время
задержки t3 сделать равным длительности искомого видеоимпульса,
то при его возникновении через промежуток времени оба импульса
будут существовать одновременно. При подаче этих импульсов
на вход схемы совпадения на ее выходе в течение времени Д/2 будет
сигнал об обнаружении объекта с размером, превышающим за-
данный.
Следует отметить, что задержку видеосигнала на часть или целый
период строчной развертки часто используют при построении раз-
личных устройств телевизионных анализаторов изображения, напри-
мер для вычисления длины периметра объекта, для буферизации
данных при записи кодированного изображения в запоминающее
устройство вычислителя (или ЭВМ). Задержку видеосигнала можно
реализовать средствами микроэлектронных цифровых устройств,
используя в качестве элемента задержки регистр сдвига. Его приме-
нение дает возможность избежать некоторых недостатков, присущих
устройствам с ультразвуковой линией задержки. Кроме того, приме-
нение регистра сдвига сводит к минимуму погрешность задержки
видеосигнала, возникающую вследствие нестабильности периода
строчной развертки.
Рис. 3.20. Временные диаграммы, поясняющие способ выделения импульсов заданной
длительности:
/ — анализируемые импульсы; 2 — импульсы заданной длительности; 3 — выходные им*
пульсы; 4 ~ задержанная серия импульсов
4 Р. Ю, Баисявичюс и др.

Цифровой код
Ьис. 3.21. Структурная схема устройств^
задержки фрагмента строки
Число разрядов регистра сдвига У, используемого в качестве
элемента задержки, определяют по формуле У = Тл. Х/Тт. и, где
Тп.х — минимально возможное время прямого хода строчной раз-
вертки; Тт. и — период следования тактовых импульсов. Запись
информации в регистр сдвига осуществляется с помощью тактовых
импульсов, создающих квантованное поле. Емкость счетчика тактов
равна числу разрядов регистра сдвига. При таком методе задержки
в любой момент времени в сумматор (схему вычитания) поступает
видеоинформация двух смежных строк из точек, равноудаленных
от начала строк. Часто для уменьшения погрешностей измерения,
обусловленных несовершенством оптического и телевизионного ка-
налов (нелинейные искажения, неравномерность освещения и уровня
фона и др.), применяют принцип центрального поля. В этом случае
измерение проводится не по всему растру, а только в центральной
части, размер которой определяется допустимыми погрешностями.
Использование части растра позволяет сократить объем регистра
сдвига.
На рис. 3.21 приведена структурная схема устройства, задержи-
вающего часть строки, находящуюся между i-м и i + 1-м тактами.
В исходном состоянии триггер Тг сброшен. Уровень логического
нуля, снимаемого с прямого выхода триггера, запрещает прохожде-
ние двухуровневого видеосигнала ВС и тактовых импульсов ТИ на
регистр сдвига РгС через схемы совпадения И1, И2. В начале строки
задний фронт строчного синхроимпульса ССИ сбрасывает счетчик Сч,
после чего он начинает подсчет тактовых импульсов, осуществляю-
щих дискретизацию видеосигнала вдоль строки. В момент прихода
г-го тактового импульса с соответствующего выхода дешифратора Дш
снимается сигнал, устанавливающий триггер в возбужденное состоя-
ние. В результате на вход регистра сдвига поступают продвигающие
импульсы ПИ и подается видеосигнал, значения которого в моменты
tt последовательно записываются в разряды регистра. С поступле-
нием i + 1-го импульса триггер сбрасывается, запрещая дальнейшее
98

продвижение информации в регистре сдвига. Записанный цифровой
код фрагмента строки между i-м и i + 1-м тактами может быть счи-
тан параллельно для ввода в вычислительное устройство или последо-
вательно для нахождения межстрочной разности.
В устройстве преобразования интервалов времени в эквивалент-
ный цифровой код (схема измерения площадей) на один вход элемента
И подаются измерительные импульсы от генератора тактовых им-
пульсов ГТИ, на другой вход в процессе обработки видеосигнала ВС
поступают импульсы от генератора сигнала изображения ГСИ, не-
сущие информацию об исследуемом изображении. Третий вход слу-
жит для пространственной фильтрации объектов в поле телевизион-
ного датчика, а также для ограничения интервала времени, предна-
значенного для выполнения измерений (рис. 3.22). Выход элемента
И подключается к суммирующему счетчику Сч. Для выделения
объекта (или фрагмента изображения) в поле зрения телевизионного
датчика используется генератор стробирующего сигнала ГСС (элек-
тронного визира).
Стробирование изображения объектов может осуществляться
рамкой прямоугольной формы. В этом случае схема содержит две
идентичные группы счетчиков Сч1—Счб соответственно горизон-
тальных и вертикальных координат (рис. 3.23).В каждой группе
имеется по одному счетчику текущих значений координат Сч2, Счб
и по два счетчика фиксации координат объекта на растре Сч1, СчЗ,
Сч4, Счб. Интервалы отсчета координат вдоль строк растра (коорди-
наты х) определяются частотой генератора Г, а начало отсчета за-
дается строчными синхронизирующими импульсами ССИ. Верти-
кальные координаты у опреде-
ляются по номеру текущей стро-
ки, отсчитываемому от начала
кадрового синхронизирующего
импульса КСИ.	5
В процессе сканирования
изображения осуществляется
сравнение текущих значений
координат с координатами, за-
писанными в счетчиках коор-
динат объекта в элементах срав-
нения ЭС1—ЭС4. ' В момент
совпадения сопоставляемых ко-
ординат импульсы с выходов со-
ответствующих схем совпадения
И1—И4 переключают триггеры
Тг1 и Тг2. На выходах этих
триггеров образуются импуль-
сы, соответствующие интервалу
времени, определяемому раз-
Рнс. 3.23. Функциональная схема ге»
нератора стробирующего сигцэд$
4*

Рис. 3.24. Структурная схема устройства
для выделения изотропных контуров с ис-
пользованием линий задержки
ностью координат, записанных
в счетчиках фиксации коорди-
нат объекта по у и х соответст-
венно. Результирующий сигнал,
снимаемый с выхода элемента
И5, образует серии стробирующих импульсов, создающих прямо-
угольное «окно» заданных размеров на сканирующем растре. Стро-
бирующие импульсы используются в качестве разрешающих в
измерительной части устройства, ограничивая таким образом ана-
лизируемый участок растра.
Обработка телевизионного сигнала стандартной системы затруд-
нена значительным объемом телевизионного сообщения, состоящего
из (2 4-3)-10е бит. Естественно, что выполнение операций обработки
и передачи такого объема информации даже для современных ЭВМ
является делом трудновыполнимым вследствие ограниченности их
быстродействия и объема памяти. Поэтому используют методы сжа-
тия сообщений, позволяющие существенно уменьшить объем инфор-
мации, вводимой в ЭВМ. Одним из эффективных методов сжатия
информации является выделение контуров изображения объектов,
которое может быть осуществлено как аппаратными, так и про-
граммными средствами. Например, для выделения изотропных кон-
туров, не зависящих от направления развертки, используют линии
задержки на время, кратное длительности строки УЛЗ и длитель-
ности элементов разложения ЛЗЭ (рис. 3.24). Выделение внешнего и
внутреннего контуров преобразованного изображения в поле памяти
ЭВМ осуществляется с помощью функций
f — ЯЧ ($1, /+1 V Яг, 1-1 V Яг+1,1 V Qi-l,})i
(3.13)
f - qt. i (Qi. >+i V it, J-1 V Ям, 1V Ям. /)-
где^щ —- элементы двумерной матрицы изображения Qs; i — 1,2, ...
..., m\ j — 1, 2... n; m, n — соответственно число вертикальных
и горизонтальных строк. Рассмотрим процесс выделения контуров
с помощью этих функций. Искомая матрица Se может быть получена
из матрицы Q, поэтапно с помощью ряда логических операций, вы-
полняемых в ЭВМ параллельно над совокупностями элементов qit]
а = 8).
1.	Выделение правых граничных точек строк q} — единиц, справа
от которых стоят нули, а также последних единиц в строках. Вы-
полняем сдвиг всех 7; влево на один элемент и затем отрицание.
Полученный результат логически умножаем на исходное значение
q}-. Выполнив эти операции над всеми строками Qs, получим проме-
жуточную матрицу S(1>, элементы которой соответствуют пра-
вым граничным точкам и определяются соотношением
100

2.	Выделение левых граничных точек строк qj. Выполняем сдвиг
всех qj вправо на один элемент и отрицание, логически умножаем
результат на исходное значение. Получаем матрицу S<2>, состоящую
Г	(2)
из элементов р}, /, соответствующих левым граничным точкам,
Р» > / = 7i, i A Q!+1> г
3.	Выделение верхних граничных точек — единиц в строках qs,
выше которых находятся нули. Для этого каждую строку qj, кроме
первой, логически умножаем на отрицание j — 1-й строки. Получаем
матрицу S<3), образованную элементами
4.	Выделение нижних граничных точек — единиц в строках qj,
ниже которых находятся нули. Для этого каждую строку qj, кроме
последней, логически умножаем на отрицание / + 1-й строки. Полу-
чаем матрицу S<4), состоящую из элементов
pA/ = 7f,7 Д?М+1-
5.	Объединяя промежуточные матрицы, получаем матрицу, опи-
сывающую контур изображения,
Se = V S<0,
t=i
где i = 1, 2, 3, 4.
В результате действия различных помех выделенный контур
может содержать точки, не соответствующие действительному кон-
туру изображения объекта. Однако их можно выявить путем про-
верки граничных точек на соответствие геометрии анализируемого
объекта. Например, контуры многих реальных объектов состоят из
отрезков прямых и дуг окружностей, которые описываются уравне-
ниями
у = кх + Ь\ х2 + у2 — R2.
Рис. 3,29. Реализация оператора выделения контуров изображения!
401

ты центра
Рис. 3.26. Схема электронного визирова-
ния и стробирования изображения объ-
екта:
/, // — точки выборки видеосигнала соот-
ветственно за 1-й и 2-й кадры; хг> хг+пг
и Уь, У^+п ~ соответственно границы
электронного визира по горизонтали и
вертикали
Если выделенные точки (напри-
мер, точки с экстремальными коор-
динатами) не удовлетворяют при-
веденным уравнениям, то их
отбрасывают и выбирают новые.
Использование геометриче-
ских соотношений для опреде-
ления параметров положения ана-
лизируемого объекта рассмотрим
на примере распознавания объекта простой формы — прямоуголь-
ника со сторонами а, b и центром в точке С (рис. 3.26). Координа-
хс — (xi + х2)/2; ус — (г/± + г/2)/2.
Угол ориентации ср относительно осей координат при этом может
быть определен лишь с точностью до знака плюс или минус. Так как
проекции объекта на координатные оси х, у
х — a cos [ ср | 4- b sin ] ср |; у = b cos] ср | Д- a sin | ср |,
то угол
ср = ± arcsin
ах — Ьх
а2 — Ь2
(3.14)
Знак модуля угла ср введен вследствие того, что возможно второе
положение объекта, при котором получаются те же размеры проек-
ций, но угол имеет противоположный знак. Очевидно, что данный
метод определения угла ориентации объекта можно применять лишь
в тех случаях, когда знак угла известен заранее или его можно опре-
делить с помощью каких-либо дополнительных устройств. Основным
достоинством рассмотренного метода является его простота.
Оценим точность получаемых результатов в зависимости от мак-
симально допустимых значений углового отклонения Дер объекта и
шага квантования h вдоль осей координат. На основании этой оценки
можно определить соотношение между | Дер | и h. и таким образом
сформулировать требования к разрешающей способности телеви-
зионного датчика. Учитывая погрешности, на основании выражения
(3.14) получаем
Sin (<р + | Дср|) - sin ср = 'a|AyJ2Z6JAx| "•	(З-15)
Из самого способа получения проекций объекта на координатные
оси вытекает, что длина проекции может быть получена с погреш-
ностью от 0 до Самое неблагоприятное сочетание погрешностей
102

Аф|, | Ax ] и | Az/1 получается при минимальном значении выраже-
ния (3.15). В этом случае при изменении угла ср + | Дер | от 0 до л/2
и Ах = Az/ = 2h получаем
1) SID .
Оценим точность определения угла ориентации при использо-
вании в качестве телевизионного датчика промышленных телекамер
с стандартными развертками (312,5 и 625 строк в кадре). Для изобра-
жения объекта, покрывающегоДольшую часть растра, имеем /гшах
5г (2Ь/п). Для прогрессивной развертки (п = 300, /гшах 7-10“3&),
| Дер 20', а для чересстрочной развертки (п = 600), погрешность
| Дер 10'. Для ввода в ЭВМ полутонового изображения с телеви-
зионной установки необходимо согласовать ее информационные ха-
рактеристики с характеристиками канала ввода ЭВМ и параметрами
ОЗУ. Поскольку сигнал от неподвижных изображений периодиче-
ский, для понижения скорости поступления информации удобно
применять стробирование видеосигнала. Стробирующий импульс,
с помощью которого осуществляется выборка значения видеосигнала,
формируется цифровым генератором. Для устранения избыточной
информации служит генератор сигналов электронного визира, ко-
торый разрешает формирование стробирующего импульса только
в пределах растра, ограниченного прямоугольным электронным ви-
зиром, положение и размеры которого устанавливаются оператором
по наблюдению на экране телевизионного индикатора (см. рис. 3.26).
Для этого на смеситель видеосигналов подаются сигнал с телевизион-
ного датчика и сигнал от генератора сигналов электронного визира.
Когда сканирующий луч оказывается в пределах участка растра,
ограниченного электронным визиром, цифровой генератор строби-
рующего импульса формирует первый импульс на строке ув в точке
с координатой хг и на протяжении этого кадра создает последова-
тельно на каждой строке (вплоть до строки z/B+n) стробирующие им-
пульсы в точке с координатой хг. Для этого блок управления посыл-
кой кадрового синхроимпульса записывает единицу в счетчик-ре-
гистр х, а в генератор стробирующего импульса, начиная с момента
хг, подаются импульсы дискретизации по х от генератора дискрети-
зирующих импульсов X.
Для изменения шага выборки по х служит переключаемый дели-
тель частоты. Код генератора стробирующего импульса сравнивается
с кодом счетчика-регистра х, и в момент их совпадения генерируется
импульс, который подается на стробируемый каскад и обеспечивает
выборку видеосигнала, поступающего на этот каскад. Выборка видео-
сигнала подается на аналого-цифровой преобразователь и преобра-
зуется им в код яркости. Счетчик-регистр у, подсчитывая строчные
синхроимпульсы, создает код выборки по оси у (номер строки, на
которой осуществлена выборка). С началом каждого нового кадра
кадровый синхроимпульс увеличивает на единицу число в счетчике-
регистре х, обеспечивая тем самым сдвиг стробирующего импульса
по оси х. Стробирующие импульсы формируются в пределах элек-
103

тронного визира, определяемого координатами хг, хг+т по оси х И
ув, Уи+п по оси у (см. рис. 3.26).
Для визуального контроля за процессом формирования строби-
рующего импульса последний подается на сместитель видеосигнала.
В процессе преобразования на экране телевизионного индикатора
наблюдается белая вертикальная полоса в пределах электронного
визира, смещающаяся слева направо. Как только будет сформиро-
ван стробирующий импульс с координатами xr+m, уа+п, блок управ-
ления останавливает работу устройства. Преимуществом описанного
метода ввода телевизионного изображения в ЭВМ является возмож-
ность использования программного канала обмена с ЭВМ. Однако
низкая скорость ввода не позволяет осуществлять распознавание
в реальном масштабе времени, что затрудняет использование подоб-
ных устройств в промышленных установках. При бинарном кванто-
вании видеосигнала скорость ввода изображения в память ЭВМ
можно существенно увеличить за счет одновременного считывания
кодов группы выборок строки, предварительно накопленных в буфер-
ном запоминающем регистре. Количество одновременно считывае-
мых выборок определяется разрядностью слова ЭВМ (например,
длина слова может составлять 12 или 16 разрядов). Таким образом,
в течение одного полукадра в ЭВМ будет считан фрагмент изображе-
ния, имеющий форму вертикальной полосы шириной в 12 или 16
элементов разложения.
Рассмотрим работу устройства преобразования видеосигнала по
функциональной схеме (рис. 3.27). Видеосигнал ВС с телекамеры ТВ
подается на амплитудный дискриминатор АД, имеющий регулировку
порога срабатывания РД. Проквантованный на два значения 0 и 1
видеосигнал поступает на вход регистра фрагмента РФ, представляю-
щего собой регистр сдвига на 12 разрядов. Вытеснение поступающей
информации происходит под действием продвигающих импульсов
ПИ, подаваемых на регистр сдвига с тактового генератора ГТИ
через схему И4. Занесенный фрагмент строки из регистра фрагмента
через выходные ключи ВД по команде ДЗ считывается в микро-ЭВМ.
Выбор фрагмента строки, подлежащего вводу в микро-ЭВМ в данном
полукадре, осуществляется схемой выбора фрагмента, состоящей из
трех счетчиков: полукадров СП, фрагментов СФ, выборок СВ и циф-
рового компаратора ЦДР.
Строка разбивается на фрагменты с помощью счетчика выборок,
который через каждые 12 импульсов тактового генератора выдает
единицу на счетчик фрагментов. Номер вводимого фрагмента должен
соответствовать номеру текущего полукадра, который фиксируется
в счетчике полукадров. При совпадении кодов, занесенных в счет-
чики, на выходе компаратора появляется низкий уровень (сигнал:
«конец преобразования» — ДП). Сигнал ДП запрещает прохождение
тактовых импульсов через схему И4, в результате чего вытеснение
информации прекращается и код фрагмента фиксируется в регистре
РФ. Сформированный из сигнала ДП импульс ИДП формирователя
Ф возбуждает триггер Тг4 «Разрешение считывания», с инвертирую-
щего выхода которого в микро-ЭВМ подается сигнал «Требование
им

105

прерывания» — ТП. Синхронизация ввода-вывода СВВ информации
осуществляется’с помощью команд К1—Кб, выдаваемых с дешифра-
тора команд ДшК. При обращении микро-ЭВМ к контроллеру теле-
визионного датчика программа опрашивает кроме регистра фраг-
мента еще два триггера: триггер Тг1 «Выбор поля» и триггер Тг2
«Измерение». Переход триггера «Измерение» в нулевое состояние
сигнализирует об окончании цикла ввода изображения. Сброс триг-
гера происходит в том случае, если к моменту прихода строчного син-
хроимпульса ССИ сигнал КП отсутствует. Такая ситуация возникает
только на правой границе регистра, если последний фрагмент содер-
жит меньше 12 элементов разложения. Использованные в качестве
датчика телекамеры с чересстрочной разверткой делает необходимым
введение в устройство ввода изображения специальной схемы для
идентификации полукадра. Для этой цели служит схема выбора по-
лей. Четному полукадру соответствует возбужденное состояние триг-
гера «Выбор поля», нечетному — сброшенное.
Важнейшей задачей при создании систем преобразования видео-
сигнала является построение оптимальной схемы управления фор-
мированием и обработкой видеосигнала. Известно, что от формы
тактовых импульсов, степени их перекрытия, крутизны фронтов
зависит эффективность переноса. На выход формирователя видео-
сигнала проникают импульсные наводки (например, от транзистора
сброса), и от степени их подавления зависит качество телевизионного
изображения [281. Телекамера на среднеформатной матрице ПЗС,
содержащей 288x232 элемента разложения, включает два тактовых
генератора, состоящих из синхрогенераторов и формирователей фаз-
ных напряжений, а также усилитель-формирователь видеосигнала
(рис. 3.28). Один тактовый генератор, работающий на частоте 280 кГц,
предназначен для управления секциями накопления СП и памяти СП,
а другой высокочастотный (до 14 МГц) — для управления выходным
регистром ВРг. Камера работает на телевизионное воспроизводящее
устройство без чересстрочной развертки. Растры обоих полей иден-
тичны и имеют по 288 строк на прямом ходе кадровой развертки и по
24 строки на обратном. В этом случае снижаются требования к ка-
честву кадровой синхронизации, а отличие кадровой или строчной
частоты от стандартных составляет не более 0,2 %. Для передачи
изображения в первом поле используются нечетные строки, а четные
гасятся, во втором поле — наоборот. Во время обратного хода ка-
дровой развертки осуществляется 144 переноса заряда из секции на-
копления в секцию памяти. Информация из секции памяти выводится
с интервалом в две строки во время обратного хода строчной раз-
вертки. При этом частота всех переносов в этих двух секциях одина-
кова и составляет примерно 94 кГц.
Для повышения эффективности переноса заряда и улучшения
контрастно-частотной характеристики в камере использована опти-
ческая инжекция фонового заряда, осуществляемая в близкой инфра-
красной (ПК) области спектра с помощью двух ПК излучателей.
Чтобы получить нелинейную световую характеристику (т. е. осуще-
ствить гамма-коррекцию) и передавать яркие детали без ухудшения
106

Уст„ню
„010
„110*
ФФН
ин
излучатели
УИ
-ММг
ПУ„
* Й5|
PH
питания ПУ:
обогащения-ь-г
и „„„ подмята
Матрииа пзс 0ре3кнш^.
жшда «*—
хранения
I бы деда
I переноса
\cr,90„,W„^-
\Г,ФРр,УС ----
+18В
~ЬУВ^
+SB
он
Уст.
„110"
—1077J
- да*
да Im 1
СП
ПУр
ФФр
ВРе
сброс
Синхроимпульсы
Гасящие импульсы
Рис. 3.28. Функциональная схема телекамеры на среднеформатной матрице ПЗС:
УИ — управление излучателями; PH — распределитель напряжения; ФФН, ФФр—
формирователи фазных напряжений секций накопления, памяти и выходного регистра;
ЛУД, ЛУП. ЛУр— преобразователи уровня секций; ВУ — выходное устройство; УС —
усилнтель-смеснтель; Г — генератор; СГ — синхрогенератор
качества передачи темных участков, в камере обеспечивается измене-
ние емкости потенциальной ямы в процессе накопления заряда.
Гамма-коррекция одноступенчатая. В конце каждого поля на время,
равное 1/13 его длительности, переходят от накопления заряда под
электродами одной фазы к накоплению заряда под электродами двух
фаз (первой и второй). Это позволяет уменьшить темновые токи в сек-
ции накопления (в течение основной части времени подается более
низкое напряжение) и выполнить установку секции накопления в со-
стояние, идентичное состоянию секции памяти и необходимое для
последующего синхронного переноса заряда.
Формирователи фазных напряжений выполнены по схеме кольце-
вого распределителя импульсов на D-триггерах и допускают началь-
ную установку в три состояния: 100, 010 и НО. Первое состояние
необходимо для накопления заряда в одном поле, второе — для на-
копления заряда в другом поле, третье — для хранения заряда в сек-
ции памяти или гамма-коррекции в секции накопления. Перекрытие
между импульсами разных фаз обеспечивается собственными задерж-
ками интегральных схем.
В рассмотренной телекамере подавление тактовых наводок осу-
ществляется путем использования дифференциального выхода.
Уменьшить наводки можно также с помощью двойной коррелирован-
107

ной выборки, позволяющей, кроме того, компенсировать шумы узЛй
считывания.
Описанные выше методы связаны лишь с некоторыми вопросами
преобразования и обработки видеоинформации. При решении прак-
тических задач распознавания возникает необходимость применения
дополнительных мер для повышения достоверности преобразования
светового поля изображения в электрический сигнал. К ним отно-
сятся рациональный выбор освещения; применение светофильтров и
амплитудных корректоров; ограничение анализируемой области изо-
бражения в пределах линейного участка растра телевизионного дат-
чика. При соблюдении этих условий указанные методы позволяют
минимизировать аппаратные и программные средства. Кроме того,
использование алгоритмов, не требующих сложных и трудоемких
вычислений, позволяет создавать распознающие устройства с повы-
шенным быстродействием. Последнее обстоятельство является опре-
деляющим требованием при разработке систем распознавания техно-
логических автоматов-роботов для сборки и кассетирования элемен-
тов в производстве с’ритмомД,0—1,5 с и менее. С применением рас-
смотренных схемных решений и алгоритмов созданы устройства ав-
томатического распознавания положения объектов по топологии,
меткам и геометрическим микроключам. Пространственная ориен-
тация ряда объектов может быть определена по выделенным харак-
терным элементам топологии, для чего необходим анализ всего поля
изображения объекта. Для решения этой задачи целесообразно при-
менение микропроцессора. При определении объектов по располо-
жению геометрического ключа видеосигнал, соответствующий изоб-
ражению ключа, отличается от видеосигналов, соответствующих
другим элементам объекта, и поэтому он может быть выделен с по-
мощью несложного анализирующего устройства.

Глава
4
УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА РОБОТОВ
И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
4.1. Структурная организация управления
Широкие, возможности промышленных роботов обеспе-
чиваются не только совершенством механизма самих роботов, но
в значительной степени гибкостью и разнообразием функций их
управления.
В настоящее время появились фундаментальные работы, посвя-
щенные методам исследования динамически сложных систем робо-
тов [23], проектированию приводных систем манипуляторов [10],
описанию систем управления исполнительными устройствами ро-
ботов [39] и алгоритмов управления [26], изложению основ созда-
ния интеллектных роботов [14, 15]. В ряде других-монографий
[1, 4, 13, 19] также рассматриваются вопросы управления роботами
и приведены интересные примеры построения устройств управле-
ния.
Основная цель данной главы заключается в том, чтобы, используя
научный потенциал указанных выше работ, дать общие представле-
ния о составе и функциях устройств управления роботов и на кон-
кретных примерах перспективных разработок показать устройства
управления, характерные для той или иной их структурной группы и
различающиеся своей организацией, типом функционирования и
способом технической реализации.
Создание более совершенных информационных средств и реали-
зация микропроцессорного управления — способствуют дальнейшему
развитию систем управления промышленных роботов (СУ ПР).
Обобщенная функциональная схема системы управления промышлен-
ным роботом (рис. 4.1) иллюстрируют принцип работы и возможности
СУ всех типов, в том числе гибкого и адаптивного управления.
Получив исходную информацию от устройства ввода-вывода 4,
блок 5 проводит анализ информации. От видеодатчика И через пре-
образователь 10 поступает информация о ситуации в технологиче-
ской среде 12, от сенсоров и датчиков 3 через преобразователь 2
поступает информация о состоянии робота и особенностях его взаимо-
действия с объектом.
В результате анализа блок 5 вырабатывает алгоритм управления
рабочими органами робота 8, корректирует содержимое ЗУ данных 1
и ЗУ операций 9.
Сформированный алгоритм обеспечивается контурами регулиро-
вания 6 и отрабатывается исполнительными двигателями 7 робота.
109

Рис. 4.1. Обобщенная функциональна!! схема
УУ ПР
Не вдаваясь в частные особенности
отдельных роботизируемых производств
и не стремясь к жесткой расстановке
задач по уровням иерархии, выделим
три основные задачи, которые должна
решать каждая СУ ПР: во-первых,
управлять последовательностью различ-
ных операций, установленных техноло-
гическим или производственным про-
цессом; во-вторых, управлять каждой
отдельной операцией и, в третьих, управлять взаимодействием со
средой.
Управление последовательностью операций включает: органи-
зацию порядка следования операций в алгоритме (цикле) и чередова-
ния циклов; синхронизацию по быстродействию с другими видами
оборудования и роботами; оптимизацию обслуживания (сокращение
простоев, времени обработки заявок и т. п.).
Управление операцией охватывает управление движением и про-
цессом захватывания, в том числе удержанием и манипулированием
инструментами и объектами.
Управление движением, в свою очередь, охватывает широкий
круг задач. Сюда входят перемещение в заданные точки зоны и по
определенному контуру, управление скоростью, ускорением, мо-
ментами и т. д. Управление захватом связано с выполнением как
простых действий типа открыть-закрыть, так и сложных. Например,
очувствленным взаимодействием захвата с объектом манипулирова-
ния (ОМ) путем констатации факта касания, измерения давления,
массы, формы, размеров, параметров ориентации или адаптивным
манипулированием объектом путем приспособления захвата ПР
к массо-габаритным, физическим и другим особенностям объектов.
Управление взаимодействием со средой строится на взаимном
обмене информацией и сигналами с оборудованием, другими робо-
тами, датчиками внешней информации, устройствами ввода-вывода,
а также оператором.
Наиболее простые цикловые устройства управления обеспечивают
выполнение перечисленных задач по минимальному объему, т. е.
последовательность операций — короткий цикл, число операций —
минимально, управление операциями сводится к перемещению от
одной точки рабочей зоны к другой, манипуляции захвата типа от-
крыть-закрыть, взаимодействие со средой ограничено вводом инфор-
мации с пульта и обменом сигналами с технологическим оборудо-
ванием о его готовности к началу операции, ее окончании, аварии
и т. п.
В более сложных устройствах возможности расширяются. Уве-
личиваются число операций в цикле и число циклов, усложняются
требования к обслуживанию операций, возрастает число точек пози-
110

клонирования захвата в рабочей зоне или требуется перемещение по
контуру. Манипуляции с объектами проводятся очувствленным за-
хватом с распознаванием их особенностей или приспособлением к ним,
усложняется внешнее взаимодействие ПР с оборудованием.
Наиболее сложные СУ ПР адаптируются при решении каждой
из перечисленных задач.
Задача управления операциями принципиально отличается от
двух остальных тем, что результат ее решения воплощается в работу
исполнительных механизмов (электродвигателей, пневмоцилиндров,
гидромоторов и т. д.). Поэтому основное внимание при''проектиро-
вании этого нижнего (исполнительного) уровня должно уделяться
качественному и прецизионному управлению динамикой приводов
роботов.
Управление динамикой роботов связано с формированием алго-
ритмов, расчетом программ управления, параллельной обработкой
данных о состоянии робота и другими операциями. Все указанные
операции выполняются на средних уровнях, которые принято назы-
вать тактическим и стратегическим 126]. Однако учитывая, что при
определенной организации СУ ПР стратегический уровень может
отсутствовать, а функции этих уровней тесно переплетаются, такое
деление до некоторой степени представляется условным. Поэтому
воспользуемся их общим характерным признаком — наличием алго-
ритмического и программного обеспечения и условимся называть
средний уровень СУ ПР алгоритмическим. Подробное описание алго-
ритмического уровня дано в гл. 5.
В настоящее время среди двухуровневых СУ ПР большая доля
приходится на устройства, работающие по жестким программам,
заданным в координатах рабочей зоны, и меньшая — на устройства
с гибкой и адаптивной программой. Однако с полным основанием
можно утверждать, что соотношение в ближайшее время изменится
в сторону увеличения ПР с адаптивным управлением. Такие работы
необходимы на сборочных операциях, где осуществляются поиск и
сочленение деталей, требующие сложных движений.
Эксплуатация прецизионных роботов возможна лишь при нали-
чии развитой информационной системы (см. гл. 3), что в значитель-
ной мере определяет сложность задач управления. Появляется необ-
ходимость анализа состояний внешней среды, распознавания объек-
тов, планирования их поведения [37 ], «конструирования/» механиз-
мов движения под конкретную операцию (см. гл. 2), а также выпол-
нения диспетчерских операций, редактирования программ, коорди-
нации работы интегральных роботов и т. д.
Перечисленные действия, свойственные системам с искусствен-
ным интеллектом, выполняются многоуровневыми управляющими
системами и присущи верхнему уровню, который можно считать ко-
мандным.
Таким образом, обобщенной моделью управления ПР является
многоуровневая система, содержащая динамический, алгоритмиче-
ский и командный уровни (рис. 4.2). Чтобы оценить возможные раз-
новидности структурной организации СУ ПР, выделим признаки,
111

Рис. 4.2. Иерархическая структура УУ ПР:
I — программное управление последовательностью операций
робота; 2 — обучение робота (ручное); 3 — программное упра-
вление процессами перемещения и захватывания объектов; 4 —
адаптация к изменению параметров движения включением кор-
ректирующих звеньев в САУ приводами; 5 — формирование
алгоритмов управления; 6 — расчет траектории Движения; 7 —-
расчет скоростей и ускорений; 8 —обработка информации с дат-
чиков; 9 — модель среды; 10 — модель процессов; 11 — модель
робота; 12 — модель состояния (среды, процесса, робота
наиболее характерно влияющие на изменение
структуры. К числу таких признаков относятся
метод управления и его реализация, способ
ввода, хранения и формирования программы,
а также способ согласования структуры упра-
вляющей программы и программы движения.
В зависимости от того, как осуществляется управление перемен-
ными (положением, скоростью, ускорением и т. д.) — непрерывно
в течение всего цикла или дискретно — выделяют три типа СУ ПР:
позиционные (дискретные), контурные (непрерывные) и многопози-
пионные (квазинепрерывные).
Позиционные СУ отличаются прецизионностью отработки опреде-
ленных позиций (точек) пространства. Управление в этом режиме
организуется последовательно от точки к точке, т. е. в программе
должны быть заложены координаты всех точек в ограниченном рабо-
чем пространстве, заданном определенной системой координат. Если
координаты позиций описать векторами, то можно построить систему
абсолютного отсчета, а если координаты позиций задать прираще-
ниями векторов, то получим систему относительного отсчета. Так
как вектор положения характеризуется абсолютной величиной и еди-
ничным вектором направления, то такое задание позиций сразу дает
информацию и о диапазоне, и о направлении перемещения. Про-
грамма управления, представленная последовательностью векторов,
содержится в памяти. Запрос векторов осуществляется по времени
или определен логикой и условиями процесса.
Контурные СУ характеризуются воспроизведением заданных
траекторий в пространстве. В этих системах помимо задач позицион-
ного управления добавляются такие, как отслеживание заданной
траектории, управление по оптимальному закону в периоды разгона
и торможения, а в некоторых случаях — синхронизация движений
робота и объекта. В контурных СУ ПР нет необходимости задавать
большое число координат точек, достаточно указать начальную и
конечную позиции, а все промежуточные позиции можно описать
функцией, характеризующей вид траектории.
Многопозиционные (квазинепрерывные) СУ ПР отличаются тем,
что в них сочетаются элементы движения как позиционных, так и
контурных систем. Истинное значение координат положения робота
формулируется в режиме обучения и передается в запоминающее
устройство (ЗУ) большой емкости.
По реализации метода управления различают программные и
функциональные СУ,
112

Подготовку программ либо проводят на рабочем месте программи-
ста, а затем вводят в ЗУ и апробируют, либо предусматривают ее
формирование непосредственно в ходе технологического про-
цесса.
По способу ввода и хранения информации выделяют аналоговые
и цифровые СУ ПР. Наибольшее распространение получили цифро-
вые системы.
Информация (команды, логические условия и координаты) может
накапливаться как в общем ЗУ, так и в разных: команды и коорди-
наты записываются отдельно, а программа формируется по запросам.
В обоих случаях запрос информации и команд выполняется шагами
по времени или логическим условиям технологического про-
цесса.
Кроме задания координат большое значение имеет указание в про-
грамме логических связей и условий. Часто связи реализуются аппа-
ратно, однако большую гибкость обеспечивает программируемая
память, позволяющая изменять команды, связи, координаты, пере-
ходы и др. Для объединения программных и аппаратных средств
управления в единую систему служат интерфейсы.
В системах программного управления логические связи опреде-
ляются технологическим или производственным процессом, уста-
навливаются временными сигналами или строятся комбинированным
способом, причем условия технологического процесса могут подчи-
няться временным условиям. Структуру логических условий управ-
ления иллюстрирует рис. 4.3.
Логические условия либо заложены в самой программе движения
робота и отрабатываются на каждом шаге, либо они являются про-
граммами прерывания и активируются лишь определенными собы-
тиями, например выравниванием допусков при сборке. Для обеспе-
чения адаптивного управления структура управляющей программы
должна быть согласована с программой движения. Определяющими
факторами согласования являются организация ЗУ, условия пере-
мещения, логические условия, характеристика движения, а также
диагностирование и безопасность функционирования.
Для обеспечения безопасности эксплуатации робота необходимы
знание и запрещение аварийных ситуаций, возникающих при не-
исправностях механизмов и устройств управления, т. е. требуется
согласование программы управления и программы движения кон-
кретного робота.
Выбор типа ЗУ зависит прежде всего от объема данных и среднего
времени их обращения. Объем данных определяется числом коорди-
нат и пополняется дополнительной информацией, влияющей на усло-
вия перемещения. Например, число функционально управляемых
координат зависит от того, под каким углом к поверхности должен
быть ориентирован захват, вдоль какой плоскости он должен пере-
мещаться и какую кинематическую структуру имеет робот. Допол-
нительная информация, поступающая в СУ от датчиков внешней
информации, согласуется со структурой программы и влияет на вы-
работку управляющих сигналов,
113

Рис. 4.3. Структура логических условий
4.2, Особенности управления прецизионными роботами
Организация управления начинается с определения числа управ-
ляемых координат и способа управления ими (позиционное или
контурное). Табл. 4.1 показывает, каким образом может быть орга-
низовано управление роботами с различными кинематической струк-
турой и характером перемещения захвата в пространстве операций
[18]. Например, можно реализовать простую систему управления
роботом — позиционную с тремя управляемыми координатами, если
система координат, в которой организована кинематическая струк-
тура робота, и система координат пространства операций совпадают
и не требуется ориентация захвата. При несовпадении (система коор-
динат операции цилиндрическая, а кинематическая структура робота
организована в прямоугольной системе) появляется необходимость
контурного управления.
Промышленные роботы первой структурной группы (см. гл. 1)
в основном используются для операций, при которых система коор-
динат пространства совпадает с кинематической структурой робота.
Это позволяет организовать позиционное управление [39]. Если
манипулятор — многозвенный с шарнирным соединением звеньев,
движения робота производятся в сложной пространственной системе
114

Таблица 4.1. Изменение числа управляемых координат
и способа управления ими в зависимости
от кинематических структур роботов
и применения их в различных операциях
Система коор- динат простран-	Способ ориентации захвата	Системы координат и способ управления роботом							
		Прямо- угольная		Цилиндри- ческая		Сфериче- ская		Произволь- ная про- странствен- ная	
ства операции		Позицион- ный	Контурный	Позицион- ный	Контурный	Позицион- ный	Контурный	Познцнон- I ный	1 Контурный |
Прямоуголь-	Без ориентации	3	—.	1	2	—	3		3
ная	По нормали	4	—	1	3	—	4	——•	4
	По бинормали	5	—	2	3	—	5	—	5
	По касательной	6	—-	3	3	—	6	—	6
Цилиндрнче-	Без ориентации	1	2	3	—	I	2	1 1	2
ская	По нормали	1	3	4	—	1	3		3
	По бинормали	2	3	5	—	2	3	2	3
	По касательной	3	3	6	—-	3	3	3	3
Сферическая	Без ориентации	—	3	1	2	3	—	1	2
	По нормали	—•	4	1	3	4	——	1	3
	По бинормали	—.	5	2	3	5	—	2	3
	По касательной	—•	6	3	3	6	—	3	3
Произвольная	Без ориентации	—	3	—	3	—	3	—	3
	По нормали	—-	4	—	4	—	4	—	4
	По бинормали	—_	5	—-	5	—	5	—	5
	По касательной	—	6	—	6	—	6	‘—	6
координат. При этом необходим расчет положений, скоростей и уско-
рений для согласованного управления роботом.
Исследования движения реального исполнительного механизма
выполненного по закону, близкому к оптимальному, показывают,
что тахограмма движения всегда имеет характерные периоды: раз-
гон /р, установившееся движение LCT и торможение tT с доводкой на
«ползучей» скорости (рис. 4.4). Управление системой привода на
каждом из рассмотренных периодов преследует различные цели.
Для установившегося периода цель управления — стабилизация
характеристик движения исполнительных механизмов, основанная
на автоматическом поддержании в системе фиксированного значения
усиления. Для переходных периодов целью является предельное
управление движением, которое сводится к настройке всей системы
115

Рис. 4.4. Тахограмма движения робота:
а — режим стабилизации ?т <^уСТ): б—режим предельного управления (/р, ^т^уСТ);
/р, ^уСТ. — время разгона, установившегося движения и торможения соответственно
привода на максимальное (минимальное) усилие. Движение робота
в этом случае характеризуется скачкообразными перемещениями на
малые расстояния, т. е. время установившихся периодов почти соиз-
меримо со временем разгона и торможения.
Для описания законов управления роботами, выполняющими
самые разнообразные движения, можно воспользоваться вторым за-
коном Ньютона:
F — Мх Сх + Кх,
где F — внешняя сила; М — масса; С — коэффициент демпфиро-
вания; К — коэффициент упругости; х, х, х— положение, скорость и
ускорение соответственно. Наиболее характерные законы управле-
ния сгруппированы с учетом значимости управляемых переменных
х, х, х соответственно в группы I, II, III и представлены на рис. 4.5.
В группу I объединены законы управления 2, 3, 4 роботов, основ-
ная задача которых сводится к отработке заданного положения при
различных изменениях скорости х или ускорения х. В группу II
объединены законы 6, 7, 8. Основной задачей управления для этой
группы является управление ускорением х. В группу III объединены
законы 10, И, 12, обеспечивающие управление скоростью х в раз-
личных положениях и при изменяющихся нагрузках. Следует заме-
тить, что законы 1, 5, 9 характеризуются равнозначимостью двух
переменных управления хи х, хих, хих и могут быть организованы
соответственно в I (II), I (III) и II (III) группах.
Для реализации законов группы I используются позиционные
следящие системы, группы II — скоростные следящие системы, а для
реализации законов группы III — следящие системы по ускорению
или моменту.
Для позиционного управления роботом с высокой точностью
позиционирования характерно быстрое движение с постоянной ско-
ростью (грубо) сразу после пуска, а затем переключение на малую
скорость, движение на этой скорости (точно) и останов в заданном
положении. Этот закон движения (см. рис. 4.5), с равной значи-
мостью переменных управления х и х может быть организован и по-
116

Рис, 4.5/Законы управления (1—12) исполнительными приводами и способы организации
системы управления приводом:
I — позиционная система; II — следящая система момента вращения; III — скоростная
следящая система
зиционной и скоростной системами. Уравнения, определяющие алго-
ритм при позиционном и скоростном способах управления, иден-
тичны [23]. Однако наилучшие результаты дает позиционно-ско-
ростная система управления. График 2 на рис. 4.5 соответствует не-
прерывному отслеживанию положения х по командам ПУСК, УСКО-
РЕНИЕ, ТОРМОЖЕНИЕ, СТОП — что реализуется обычно при
контурном управлении, а также на участках разгона-торможения
при выполнении сложных движений, например, в процессе сборки
Деталей. График 3 иллюстрирует состояние «баланса». Основной
переменной в этом случае является положение х, задаваемое по
команде. С этого положения робот начинает запуск, разгон, реверс
и т. п. График 4 отражает удержание робота в определенной позиции
за счет приложения больших усилий. Останов в определенном по-
ложении при изменяющейся нагрузке иллюстрирует график 5. Этот
закон характеризуется равной значимостью переменных х и х. Оста-
нов робота за счет сил реакции вращающего момента в запрограмми-
117

рованном положений х показай на графике 6. Здесь значимость пере-
менной х выше значимости х.
При выполнении операции сжатия за счет вращающего момента
на операциях типа завинчивания шурупа (график 7) значимость
переменной х выше значимости переменной х, поэтому для реализа-
ции этого закона необходима следящая система по моменту.
Удар под действием силы инерции характеризует график 8.
На операциях проталкивания (протягивания) вначале выпол-
няется вращение с ускорением, а затем — торможение за счет сжа-
тия или удара (график 9 на рис. 4.5). Здесь значимость переменных
управления х и х практически одинакова, поэтому может быть реа-
лизована как скоростная следящая система, так и следящая система
по моменту.
Движение с постоянной скоростью при изменяющейся нагрузке,
характеризуемое наибольшей значимостью переменной х, иллюстри-
рует график 10. Движение с изменением скорости в заданных точках
отражает график 11. На графике 12 изображено движение, аналогич-
ное движению, показанному на графике /, с той разницей, что зна-
чимость переменной управления х в этом случае выше, чем х.
Заканчивая рассмотрение основных законов движения и способов
организации управления ими, необходимо отметить, что для роботов
второй структурной группы (мостовых) и прецизионных роботов
третьей группы почти всегда необходимо управлять ускорением (гра-
фики 5—9). Законы с равной значимостью переменных х и х, х и х
(графики 5 и 9) могут быть выполнены следящими системами по по-
ложению и ускорению или скорости и ускорению соответственно.
Двигатели исполнительных устройств роботов должны удовлетво-
рять ряду специфических требований, основное из них — увеличение
отношения момента вращения к моменту инерции. В настоящее время
это обеспечивается путем уменьшения габаритных размеров ротора
(миниатюризация двигателя), использования вместо якоря провод-
ников ротора (в печатном и емкостном двигателях), а также органи-
зации особого движения ротора (в эпициклическом и волновом дви-
гателях). Другое важное требование относится к компоновке двига-
теля, который должен быть компактным и иметь плоскую или про-
долговатую форму для удобства размещения его на звеньях робота.
Рассмотрим особенности позиционно-скоростного управления
многозвенным манипулятором.
При выполнении операций с помощью манипулятора (рис. 4.6),
когда одно из звеньев поворачивается на больший угол, чем другие,
и движется с большей скоростью, возникают «пики» ускорений на
захвате. Снизить влияние ускорений можно, ограничив значения
скорости линейного и вращательного движений до предельных зна-
чений, определяемых путем расчета.
Наиболее сильно влияние ускорения сказывается на участке
пуска (см. рис. 4.4). Так как ускорение пуска определяется углом
вращения ср, угловой скоростью со, ускорением со и его изменением,
то следует задавать законы изменения этих величин и обеспечить их
с помощью цифровых регуляторов [26].
118

Рис. 4.6. Шарнирный робот
Для определения оптималь-
ного времени позиционирова-
ния вектора а ускорения,
действующего на захват, можно
разложить на три составляю-
щие [48]: нормаль ап, бинор-
маль аь и касательную af в
системе координат, связанной с
захватом (см. рис. 4.6). В де-
картовой системе координат эти
векторы совпадают с осями ко-
ординат. В случае произволь-
ной системы координат вектор
пространственной траектории
перемещения захвата из точки
тц, тг) имеет вид
Ро (фо> т)о> то) в точку (ср!,
Г = /[ф(У), Tj(/), т(/)].
(4-1)
Векторы скорости г и ускорения г являются соответственно пер-
вой и второй производными вектора г.
Выражая вектор ускорения а через компоненты векторов г, г и г
в той же системе координат, получим
di = Р ~ | Р | Т2
= 2рт + I р (ir
а =
(4-2)
где
| а | = ' dln 4- di + dj.
(4.3)
р, z, т—составляющие вектора г в цилиндрической системе координат.
Таким образом, если заданы значения функций ф (/), т] (f) и т (f),
можно найти ускорения (замедления) в период разгона (торможения).
Выражения функций ф (/), т] (t), х (/) можно определить из тахо-
граммы движения (см. рис. 4.4.) Так как
t
ф (/) = j а (/) М,	(4.4)
о
то, разбив интервал 0 — / на три периода: разгон, установившееся
Движение и торможение (включая доводку на «ползучей» скорости) —
и заменив интегралы суммами, запишем выражение
n=tjtb.t
ф (0 = jj +
п—1
n=t2f&i
+ S ®0Д/+ 2	(®0 — <b2/„) Л/ф0.	(4-5)
п=я р,/АП 4-1	n={t?/4/)4-i
119

Значения пределов суммирования вычисляют из выражения для
угла перемещения захвата:
ДФ = | ЧЧ ~ Фо I-	(4-6)
Тогда решая интегральное выражение (4.4), получим
4<₽=4|-й-|+Ы('!-у+“Ш1'	<4-7)
Из выражения (4.7) можно определить время установившегося
движения
(4'8>
Тогда при (<2 — /1) is О
j I I • У / I Лф | | 1 I Г 1 I 1 I	/Л ПЛ
ы — ~ 11 А — А 1— “1—i—F ~о-	~~— I'	(4.9)
I «1 I	| <0о I ' 2 I 0 L ®1	0)2 J I	'	'
Такой расчет времени потребуется для управления движением
каждого звена.
Уравнение (4.4) позволяет определить скорость ®0, если известны
характер функции со (0 и приращение скорости
I Аф | = (4 - ф0/ф) Фо	(4.Ю)
Скорости остальных звеньев могут быть найдены из квадратичных
уравнений
По -	+ I Ал I Л = 0;	(4.11)
•to — /ктот 4-1 Дт ( т = 0;	(4-12)
Фо = 4“	~~ ^Ф2 — 4|Лф|ср|.	(4.13)
Аналогично рассчитывают значения л0 и т0.
Таким образом, снизить влияние ускорений на захвате можно,
изменяя параметры контуров регулирования. Для позиционно-ско-
ростного управления можно рекомендовать точный метод ограниче-
ния значений скорости [48], который хотя и не позволяет полностью
компенсировать влияние ускорений, но вполне приемлем. Основные
вычисления сводятся к решению линейных уравнений вида (4.11) и
(4.12).
Если в соответствии с характером выполняемой операции тре-
буется полное исключение влияния ускорений, можно использо-
вать «прямоугольный» метод, основанный на ограничении скорости
с помощью прямоугольных функций. Ошибка приближения в этом
случае зависит от параметров Дф и tK (причем tK зависит от Ат и Дф),
а любое отклонение от задаваемой скорости ведет к росту машинного
времени для расчетов.
Наиболее простой метод расчета — «пропорциональный». Им
можно пользоваться при управлении роботом от ЭВМ в реальном
масштабе времени. Однако при перемещении звеньев робота на малые
120

Рис. 4.7. графики изменений ускорения шар-
нирного робота:
/ — при позиционном управлении; 2 — при огра-
ничении максимального значения скорости; —
нормальное ускорение; а2 — вертикальное уско-
рение ;	— тангенциальное ускорение; t —
время движения
углы ускорение компенсируется не-
значительно. Это объясняется осо-
бенностью данного метода: скорость
движения отдельных звеньев делится
пропорционально диапазону пере-
мещения. Поэтому возможны боль- а
шие отклонения скорости на малых	t
перемещениях. По сравнению с точ- о
ным методом приближенные (прямо-
угольный и пропорциональный) ме-
тоды требуют меньшего машинного времени для вычислений и
позволяют получить хорошие практические результаты (кривые 2
на рис. 4.7). Применение позиционно-скоростного управления по-
зволяет выполнить сложные операции, требующие управления
положением руки робота и ориентацией захвата с высокой точно-
стью.
Фундаментальное изложение теории управления роботами и ис-
следование их динамики, проиллюстрированное различными вариан-
тами структурных схем, дано в работе [23]. Поэтому, опуская опи-
сание теоретических аспектов, рассмотрим сразу структурную схему
управления роботом (рис. 4.8, а). Значение выходной величины,
определяющей переходный процесс в ^системе,
Wxf (р) __ W°xl (р) wuf (р) Wxu (р)
14-Г(р)	1 + Г(р)^	14-Г(р)
(4-14)
где W (р) — передаточная функция разомкнутой системы; №%/ (р) —
передаточная функция, определяющая связь выходной величины х
Рис. 4.8. Структурные схемы устройства управления промышленного робота:
Q- — с регулированием по отклонению и возмущению; б — с простыми обратными связями;
в — с дополнительными обратными связями; 1 — объект; 2 — датчик; 3 — блок преобра-
зователя; 4 — компаратор; д — задающее воздействие; f — возмущение; и — управля-
ющее воздействие; х — выходная величина
121

с возмущением /;	(р), Wxu (р) — передаточные функции компёй*
сационного воздействия по /.
В дифференциальной форме выражение (4.17) будет иметь вид
D (р)х - [М (р) + Л4к(р)1/,	(4.15)
где D (р) — многочлен вида D (р) = аорп + «1РП-1 Н-----F ап_ур +
+ ап-, М (р) — соответствует первому слагаемому выражения (4.14);
Mk (р) — второму слагаемому.
Переходя к выражению Лапласа, для выходной величины имеем
../м. [M(s)+ MK(s)]F(s)+MH(s)G(S) _ М (s) 4- Мк (s)	,
+	(4.16)
и \Ъ)
где Л4Н (s) — многочлен, определяемый ненулевыми начальными
условиями, AfB(s) = —s2J, J — изменяющийся в широких пределах
обобщенный момент инерции; F (s), G (s) — изображения Лапласа
соответственно для возмущения и входного задающего воздействия;
D (s) = s2J 4* skv + kv
Тогда
X (*) = ~ГГZ, a— G (s) + -r .- F (s).	(4.17)
' ' siJ + skv Ц- fen ' ' 1 sV 4- sfeB 4- fen ' '	'	'
Подавление влияния внешних возмущений при одновременном
сохранении желаемого соотношения вход-выход может быть осуще-
ствлено с помощью замкнутой комбинированной САУ с каналами об-
ратной связи (рис. 4.8, б) по положению и по скорости kv. В этой
схеме для форсирования реакции отклика обратной связи при раз-
гоне и компенсации инерционного запаздывания введено дифферен-
цирующее звено s, а отрицательная обратная связь позволяет умень-
шить инерционность, улучшить устойчивость и подавить колебания.
Уравнение, определяющее переходный процесс в системе при
торможении, будет иметь вид
ЙР = 2/ТГП.	(4.18)
Из уравнения (4.18) видно, что реакция системы существенно за-
висит от меняющегося момента инерции J, поэтому для компенсации
этого влияния в схему необходимо добавлять дополнительную об-
ратную связь — канал J (рис. 4.8, в). Тогда
х =s^sfe^fe;G <s) + TOv+feT F	<4-19)
При этом условие критического торможения
kv = 2 V ka	(4.20)
показывает, что реакция системы уже не зависит от конфигурации
руки. Для компенсации отклонений сигнала задания G (s) в схему
(рис. 4.8, в) введено звено s2, а для исключения влияния силы тя-
122
жести груза добавлено воздействие Fg (s), равное по модулю и про-
тивоположное по знаку этой силе. Для большинства случаев исполь-
зования роботов для манипулирования миниатюрными изделиями
влиянием массы изделий можно пренебречь. Однако в общем случае
это влияние нужно исключать. Поэтому окончательно уравнение
системы будет иметь вид
+X+g; F-T-	(42l>
Из уравнения (4.21) следует, что введением корректирующих
устройств по возмущению можно уменьшать установившиеся ошибки
любого типа, не влияя на устойчивость системы. Однако устранить
влияние ошибок настолько, чтобы обеспечить микронную точность
позиционирования роботов для прецизионных операций, нельзя,
поскольку исключение установившихся ошибок выполняется лишь
для возмущающих воздействий заданной формы, а ошибки от других
форм возмущений полностью не компенсируются.
Таким образом, управление роботами, сочетающее в себе прин-
цип программного управления и принцип обратной связи, реализо-
ванной по отклонению и возмущению, не обеспечивает точности,
необходимой для роботов данного класса. Поэтому целесообразен
адаптивный подход к организации САУ ПР с использованием иден-
тификатора в;.цепи обратной связи.
В последнее время в задачах управления и идентификации часто
используются представления объекта линейной моделью состояния
z-A(z, U, а); |	(4 22)
x = f2(z, u, а), J
где г — вектор состояния; f\,	— линейные функции; и — вектор-
ная входная переменная; х — векторная выходная переменная; а —
вектор параметров.
В частном случае модель (4.22) можно представить линейной
стационарной моделью в пространстве состояний, которая однознач-
но задается матрицами А, В, С, D.
z=Az+Bu;|
х = Cz + Du. j
Параметрическая модель (4.23) связана с представлением объекта
передаточной и весовой функциями, которые полностью описывают
управляемую часть системы, определяемую по экспериментальным
входным и (0 и выходным х (0 данным.
Микропроцессорная система управления (рис. 4.9) с идентифика-
тором в цепи обратной связи содержит центральный процессор /,
оперативное запоминающее устройство 2 объемом 32К слов, дисплей
3, запоминающее устройство на гибких дисках 4, интерфейс ввода-
вывода 5 и 6, четыре сервоконтроллера 7 для управления двигате-
лями (х, 0Ж, г, 0J, блок управления захватом 8, датчики пределов 9
И Панель обучения робота 10 [45]-
123


Рис. 4.9. Структурная схема микропроцессорного УУ ПР
Наиболее ответственным устройством,
обеспечивающим высокую точность пози-
ционирования и повторяемости, является
сервоконтроллер 7.
Основными функциональными устрой-
ствами сервоконтроллера (рис. 4.10) яв-
ляются блок функционального/управле-
ния I и блок обратной связи II.
Блок функционального управления
по командам скорости пр и положения
при разгоне хр, выдаваемым микропро-
цессором, вырабатывает текущее положе-
ние х.г робота во времени и ускорение аг, позволяющее нейтра-
лизовать рост ошибки в цепи обратной связи. Блок// содержит
компаратор 2, который сравнивает заданное значение.скорости vp
с текущим значением vr и в зависимости от имеющегося рассогла-
сования (пр >v,r, vp < v-,, vp = vt) посылает импульсы из так-
тового генератора 1 в реверсивный счетчик приращения 4. В слу-
чае равенства ир = ит переключатель Sy занимает центральное
положение. При этом импульсы в счетчик не передаются, и он по-
казывает постоянное значение, соответствующее движению руки
с постоянной скоростью. В период торможения скорость плавно
уменьшается по оптимальному закону. Значение оптимальной ско-
рости vb как функции пройденного пути (хр — хт) хранится в ОЗУ 3.
Дискретное значение скорости от компаратора 5 передается через
переключатель S2 на преобразователь цифра-аналог 6 для последу-
ющего дифференцирования в блоке 7 и получения сигнала ускоре-
ния ат, необходимого для разгона двигателя и формирования отклика
из блока //. Кроме того, сигнал ат позволяет уменьшить ошибку
позиционирования. Для формирования значения пройденного пути
предназначены АЦП 8 и счетчик 9.
Рис. 4.11. Схема идентификатора
Отслеживание двигателем ис-
ходного сигнала осуществляется бло-
ком обратной связи II, который
содержит датчик обратной связи 12,
фильтр 15, интегратор 16, идентифи-
катор 17, оптимальный регулятор 18
и другие устройства. Блок II позво-
ляет точно отработать любое рассо-
гласование (хр — хт) благодаря возможности накапливать текущую
информацию о параметрах и константах, немедленно определять
скорость и ускорение в любой момент движения, а также формиро-
вать оптимальные значения скорости и ускорения. При этом в
цепях управления не происходит насыщения в виду того, что сиг-
нал ошибки изменяется в небольшом динамическом диапазоне. Фо-
тоэлектрический растровый датчик угол — код 12 вырабатывает
двухфазные импульсы, накопление которых в счетчике 13 позволяет
определить текущую позицию. После вычитания текущего значения
хт из заданного хр разность поступает в ЦАП 14, где формируется
ступенчатый сигнал ошибки положения, управляющий двигателем.
Таким образом, в отдельные периоды имеет место такое положе-
ние, когда двигатель вращается, но сигнал не меняется и сигнал по-
ложения в цепи обратной связи в течение этих периодов не выра-
батывается. Для сглаживания ступенчатого сигнала используется
линейный фильтр 15. Интерполированный сигнал характеризует
вращение двигателя, а непрерывная его форма позволяет точно опи-
сать положение руки робота в любой момент.
Работа сервопривода робота основана на использовании инфор-
мации о скорости. Из известных методов измерения скорости, полу-
чивших широкое распространение (применение; тахогенератора; пре-
образование выходного сигнала с датчика в скорость с помощью пре-
образователя частота — напряжение; дифференцирование сигнала
положения), ни один не применим для получения прецизионного сиг-
нала скорости. Действительно, тахогенератор должен быть уста-
новлен на одной оси с двигателем, что приводит к увеличению раз-
меров и снижает техническую эффективность малого робота; преоб-
разователь частота — напряжение не позволяет обнаружить изме-
нения скорости в случае возрастания колебательности при снижении
скорости; использование информации о положении осложняется ее
чувствительностью к шумам. Поэтому в данном случае наиболее
приемлем идентификатор (рис. 4.11), который моделирует статиче-
скую характеристику системы двигателя и формирует значения пере-
менных состояния:
Хц (s)
UK (s)
1 1
= Р1~ Р2 —,
(4.24)
где Хк — выходная ошибка положения; UK — входная ошибка по
Току, рх, р2 — константы, определяемые особенностью двигателя.
125
124

Для решения задачи идентификации объекта (см. рис. 4.10),
включающего усилитель 10, двигатель 11, механизм передачи движе-
ния и датчик 12, матрицы А, В, z преобразуем к виду
где, z2 — переменные состояния, являющиеся скоростной ошиб-
кой и ошибкой положения соответственно.
Дополнительные условия могут быть введены заданием всех
компонент транспонированного вектора Сг, например (7 = (1,
0, ... 0). Тогда каноническое представление модели объекта можно
записать
— = Az + BUK + D (Хк - (7z) = (А — DC7) z + BUK + DXK, (4.25)
где z — условное математическое ожидание;
Вектор D определяется из равенства (4.25).
Так как под идентификацией понимают формирование (по вход-
ным и выходным переменным, полученным в реальных условиях
работы объекта) оптимальной оценки А* истинной модели К объекта
из данного класса моделей, то в данном случае поиск оценки К*
сводится к многокритериальной оптимизации, которая проводится
по минимуму условных математических ожиданий скоростной ошиб-
ки и ошибки положения г2, а также минимума времени реакции
интегратора z3. Поэтому задачу оптимизации можно свести к нахо-
ждению такого оптимального значения коэффициента обратной
связи k = (kx, k2, k3), при котором имел бы место минимум среднего
квадрата ошибок.
Для идентификации в классе линейных стационарных моделей
оптимальная по критерию минимума среднего квадрата ошибки
оценка
00
= J {[£М)]2 +Ы’|Л,	(4.26)
о
где g — весовая константа.
Оптимальные законы управления всеми параметрами: и
формируемыми идентификатором, и z3 — выходным сигналом с инте-
гратора, вырабатывает оптимальный регулятор. Выражение (4.26)
позволяет найти компромиссное решение при определении значе-
ния g. Увеличение g означает рост влияния параметра z3, т. е. сокра-
щение времени реакции интегратора.
Оптимальный закон управления может быть представлен выра-
жением
1Д = —kx = - [k& +	4- ^z3],	(4,27)
где х =	z2, z^T,
126
Для вычисления вектора к решается рекуррентное дифференциаль-
ное уравнение методом Рунге—Кутта.
Если ранее рассматривались СУ ПР, в которых требуемое зна-
чение управляющего воздействия либо было постоянным и задава-
лось программно, либо изменялось по программе во времени, либо
задавалось извне в процессе работы робота, то адаптивная СУ ПР
с помощью идентификатора проводит поиск оптимального закона
изменения управляющих воздействий для каждого момента времени
при изменяющихся условиях работы.
Описанная микропроцессорная система управления использована
для организации четырех движений робота: поступательных по осям х
и z и вращательных вокруг этих же осей 0Х и 02. Движение 0Х осу-
ществляется с помощью серводвигателя постоянного тока, так как
для этого не требуется большой крутящий момент. Для движения
вокруг оси 02 необходимо увеличивать момент кручения, поэтому
используется редуктор понижающего типа с серводвигателем по-
стоянного тока. Для обеспечения движения по х и z используется
механизм винт—гайка, соединенный с серводвигателями постоян-
ного тока. Захват открывается и закрывается пневматически.
Фотоэлектрический датчик угол—код, непосредственно соединенный
с двигателем, определяет положение осей. Он компактен, надежен
и согласуется с цифровыми логическими схемами микропроцессора.
Датчики положения х, z и 0Z одинаковые, вырабатывают 1000 им-
пульсов за оборот, а датчик 0Х — 100 импульсов за один оборот.
Для повышения разрешающей способности этого датчика проводится
электронное интерполирование с коэффициентом дробления шага,
равным Ух. Это позволяет обеспечить позиционирование с погреш-
ностью не более 0,6 мкм по осям х и z. Угловая погрешность 0г
составляет 10", что вполне соизмеримо с линейной погрешностью для
осей х, z. Такие малые погрешности позволяют выполнять сложные
и точные работы.
Рассмотренная выше микропроцессорная СУ ПР обеспечила
управление только двигательными функциями. Однако этого не-
достаточно для автоматического выполнения роботом сложных сбо-
рочных операций, где сначала надо «видеть» или «осязать», а по-
том — действовать.
Рассмотрим структурную схему управления роботом, в составе
которого имеется система восприятия информации о внешней среде.
Характер работы ПР предполагает манипулирование с неориентиро-
ванными объектами, поэтому его захват очувствлен.
Система управления роботом с очувствленным захватом (рис. 4.12)
содержит устройство ввода информации Г, микропроцессорную
систему (или группу микроЭВМ) I, в состав которой входят централь-
ный процессор 2, запоминающее устройство 3 и интерфейс 4; ЦАП 5;
блок прерываний 6; АЦП 7; коммутатор 8; блоки логики 9 и 10',
сервосистему II, включающую операционный усилитель 13, усили-
тель мощности 14, ограничитель напряжения 15 и двигатели^ 16',
и захват III с датчиками положения 11, давления 12 и аварийной
блокировки 17.
127

Для управления роботом
необходимо осуществлять его
плавные поисковые движения
на небольшие расстояния до
момента обнаружения объекта.
Затем следует управлять захва-
том, сжимая и разжимая его,
чтобы обеспечить мягкое каса-
ние объекта в одной плос-
кости.
В качестве исходной инфор-
мации в центральный процессор
вводят значения углов сгиба
захвата, моментов в каждом его сочленении и признак состоявше-
гося касания (контакт — неконтакт).
Программа, определяющая характер работы захвата, заносится
в оперативную память микропроцессорной системы и занимает объем
в 1К слов (слово 12 бит). Для обработки внешней информации ис-
пользуется объем оперативной памяти ЗК слов.
Информация о наличии касания с контактных датчиков положе-
ния поступает непосредственно в область прерывания микропро-
цессора и используется для управления прерыванием. В зависи-
мости от числа таких датчиков на рабочих поверхностях захвата,
меняется объем информации, поэтому передача данных ведется
в несколько этапов по одному слову.
Информация о положении захвата, соответствующая форме объ-
екта манипулирования, фиксируется потенциометрическими датчи-
ками и поступает на коммутатор, затем на АЦП, где формируется
информационное слово, и далее в виде цифрового кода поступает
в микропроцессорную систему.
Информация об усилии захватывания объекта воспринимается
датчиком силы (давления, момента), преобразуется в напряжение
и через АЦП также поступает в микропроцессорную систему. По
мере поступления, накопления и обработки информации процессор
формирует алгоритм работы робота при манипуляциях с неориенти-
рованными объектами.
В микропроцессорной системе должны быть записаны программы
управления манипулятором и его очувствленным захватом, позво-
ляющим распознавать форму и положение объектов и классифици-
ровать их по критериям. Работа каждой из программ должна осу-
ществляться в определенной последовательности, задаваемой про-
граммой-диспетчером. Эти обстоятельства требуют согласованной
работы в одной многоуровневой системе нескольких микропроцессоров
или (микроЭВМ), обеспечивающих два режима пользования: рас-
четно-вычислительного и управляющего в реальном масштабе вре-
мени.
Еще большие возможности открывает использование роботов
с изменяемой (под конкретную операцию) структурой. Точную
сборку-стыковку деталей можно выполнить даже без использования
128
обратной связи по усилию и при Наличии незначительных Погреш-
ностей в размерах сочленяемых деталей. Для этого необходим точно
спроектированный механизм «скольжения». Робот с управляемой
структурой может выполнить самые разные операции, если система
управления обеспечит моделирование «механизмов движения», опти-
мизацию структуры робота (например, по минимуму управляемых
сочленений) и управление сформированным механизмом.
4.3.	Аппаратные средства выполнения одно-
и многоуровневых систем управления.
Микропроцессоры в управлении роботами
Опыт проектирования и использования роботов первого поколе-
ния позволил создать элементную базу аппаратных средств управ-
ления, содержащую следующие устройства: задания; хранения
управляющей программы, диапазонов перемещения исполнительных
устройств, времени движения, переходов на другие программы;
интерполирования; преобразования; кодирования; модуляции; рас-
пределения информации по входам сервосистем; связи с опера-
тором.
В цикловых устройствах управления наибольшее распростране-
ние получили электромеханические средства задания и хранения
информации: коммутационные панели, наборные поля, шаговые
искатели, упоры, датчики путевого контроля, потенциометры. Рас-
чет времени в этих системах осуществляется с помощью сдвиговых
регистров, логических счетчиков, а также специальных таймеров.
В позиционных устройствах управления наиболее широко ис-
пользуются электрические и электронные устройства: преобразова-
тели АЦП и ЦАП, пленочные потенциометры, дискретные генера-
торы ШИМ (широтно-импульсной модуляции), тахогенераторы, про-
граммируемые контроллеры и т. п.
В многопозиционных и контурных системах управления широко
применяются электронные устройства: интерполяторы линейные и
круговые, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), магнит-
ные ОЗУ (МОЗУ), электронные коммутаторы, микроЭВМ типа
«Электроника-60», «Электроника-НЦ», СМ-1800 и др.
Основные требования к аппаратным средствам можно сформули-
ровать следующим образом: высокая надежность (безотказность,
ремонтопригодность и долговечность); высокая точность; высокое
быстродействие; малые размеры и масса; низкая стоимость.
Рассмотрим три основных варианта аппаратной реализации
управления роботами:
1.	На основе специализированных программируемых контрол-
леров и элементарных агрегатированных модулей, выполненных на
интегральных схемах (ИС) серии К155, —для цикловых устройств.
2.	На базе микропроцессоров — для позиционных, многопози-
ционных, контурных систем и систем группового .управления.
3.	На основе однородных управляющих структур — в перспек-
тиве для адаптивных роботов.
5 р. ю. Б ансявичюс и др.	129

Рис. 4.13. Графы элементарных циклических последовательностей операций:
а — 4-шаговой; б — 8-шаговой; в — первой 6-шаговой; г — второй 6-шаговой
Для цикловых устройств применяют отечественные [30 ] ориги-
нальные и высокоэффективные специализированные программируе-
мые контроллеры и элементарные агрегатированные модули, каждый
из которых содержит два или три исполнительных устройства.
С использованием перечисленных устройств реализовано управле-
ние роботами типа ПРП-1-2, ПРП-2-1, ПРП-2-2 и других, пред-
назначенных для манипуляций изделиями, транспортной и техно-
логической тарой в производстве ИС. Разработка специализирован-
ных контроллеров и агрегатных модулей явилась этапом дальней-
шего совершенствования элементной базы роботов.
При разработке любой машины, состоящей из большого числа
исполнительных устройств (ИУ), можно выделить группы этих
устройств по степени их функциональной взаимосвязи. Взаимодей-
ствие ИУ в группе представляет собой элементарную циклическую
последовательность операций (ЭЦПО).
ЭЦПО можно представить в виде двух- или трехмерных графов,
ребра которых соответствуют переходу ИУ из начального положе-
ния в конечное и обратно, а вершины — совокупному позицион-
ному состоянию всех ИУ. Поскольку заданная последовательность
операций циклическая, т. е. исходное положение ИУ совпадает
с положением после выполнения программы, то может быть только
четыре варианта обхода вершин трехмерного графа: одна 8-шаговая,
две 6-шаговых и одна 4-шаговая последовательности операций (пос-
ледний случай — обход вершин одной из граней — для группы из
двух ИУ). Все остальные варианты сводятся к рассмотренным по-
средством замены переменных и смещения начальной точки цикла.
Предлагаемые алгоритмические модули осуществляют четыре
ЭЦПО исполнительных устройств, входящих в группу, образующую
агрегатированный модуль: одну 8-шаговую, две 6-шаговых и одну
4-шаговую (рис. 4.13).
Каждый из модулей имеет информационные входы и выходы для
объединения нескольких алгоритмических модулей и связи с внеш-
ними источниками информации, а также входы, позволяющие моди-
фицировать каждый из четырех модулей, для обеспечения возмож-
ности управления ИУ различных типов (например, электромеханиче-
130

рис. 4.14. Структурная схема элементарного
агрегатированного модуля для трех ИУ
скими или пневматическими приво-
дами) и реализации реверса ЭЦПО
в пределах каждого модуля по коман-
де извне. На основе описанных мо-
делей выполнены четыре специализи-
рованных контроллера для цикловых
устройств управления (рис. 4.14). В
составе модуля имеется контроллер и
два или три ИУ. Управляющие вхо-
ды 3 и 4 контроллера соединены со
входами ИУ, определяющими соот-
ветственно прямой и обратный ход,
а информационные входы 5 и 6 —
с датчиками начального и конечного
положения ИУ. На входы Но — Н7
контроллера подаются стартовые
сигналы, позволяющие прерывать и
возобновлять цикл в точках, совпадающих с вершинами графа,
описывающего соответствующую ЭЦПО (см. рис. 4.14).
Входы Ко — Д? контроллера обеспечивают получение информа-
ции о нахождении ИУ в состояниях, совпадающих с одной из вер-
шин графа. Входы и выходы К, используются для связи одного
контроллера с другими при проектировании систем из нескольких
агрегатированных модулей. Вход 1 предназначен для реверса после-
довательности, а вход 2 — для прерывания ее в любом положении
(аварийный «стоп»).
Необходимость программирующих входов 7 контроллера вы-
звана тем, что по реакции на управляющие воздействия ИУ могут
быть представлены двумя моделями. Для первой модели необходимым
условием перехода из одного фиксированного состояния в другое
являются наличие управляющего сигнала в момент перехода и его
исчезновение при достижении устройством нового состояния (на-
пример, механизмы с реверсивным и нереверсивным электропри-
водом). Ко второй модели относятся устройства, для которых не-
обходимым условием перехода из одного фиксированного состояния
в другое является сохранение значения управляющего сигнала
в течение времени от начала перехода в одном направлении до на-
чала перехода в обратном направлении (например, пневмоцилиндры).
На основе ЭЦПО реализована программа работы робота для
переукладки деталей с конвейера в кассету (рис. 4.15). Робот имеет
механизмы вертикального и горизонтального перемещения и за-
хват, снабженные датчиками начального и конечного положения.
Анализ алгоритма работы робота показывает, что его циклограмма
отождествляется с 8-шаговой ЭЦПО. Для структурной организации
агрегатированного модуля достаточно соединить входы датчиков
начального и конечного положения со входами контроллера, реали-
5*
131

зующего алгоритм 8-шаговой последовательности, а выходы кон-
троллера — со входами ИУ. Так как все ИУ пневматические, то
на входы 7 (см. рис. 4.14) необходимо подать сигнал «1», а на все
входы Я1 — Н7 — сигнал «О». Вход Но соединяется с датчиком,
фиксирующим прохождение детали по конвейеру. К этому сводится
процесс проектирования, сборки и наладки модуля.
Примером реализации более сложного циклового управления
с применением агрегатированных модулей может служить устрой-
ство, используемое в роботе ПРП-2-2. Этот робот имеет шесть ИУ
и выполняет цикл из 26 шагов. Для реализации такого цикла ис-
пользованы три ЭЦПО (рис. 4.16): 8-, 6- и 4-шаговые. Чтобы пред-
ставить заданную последовательность операций в виде стандартных
ЭЦПО, использован следующий прием. Одно из ИУ в 8-шаговой
последовательности (ИУ г') имитируется 6- и 4-шаговыми последова-
тельностями: вместо сигналов с датчиков начального и конечного
положения на соответствующие входы контроллера подаются сиг-
налы:
Аналогично в 6-шаговой последовательности в качестве ИУ z" ис-
пользована 4-шаговая последовательность.
Рассмотренный метод [30 ]
позволил проектировать слож-
ные цикловые структуры из ;
стандартных агрегатированных
модулей, реализующих элемен-
3
t
S
6
Рис. 4.15. Промышленный робот для загрузки деталей:
1 — захват; 2 — механизм горизонтального перемещения; 3 — механизм вертикального
перемещения; 4 — деталь; 5 — конвейер; 6 — кассета с деталями
Рис. 4.16. Пример реализации сложного цикла с помощью трех ЭЦПО:
1 — опускание; 2 •— смена захвата; 3 — подъем; 4 — опускание крышки; 5 — опускание
кассеты; 6 — выключение расфиксатора; 7 — захватывание крышки; 8 — захватывание
кассеты; 9 — захватывание носителя
132

Рис 4.17. Микропроцессорный комплект
Н	БИС:
— тактовый генератор; ЦП — цен-
тральный процессор; СК — системный
контроллер; ППЗУ — программируемое
постоянное запоминающее устройство;
ОЗУ — оперативное запоминающее уст-
ройство; ПрИ, ПсИ — параллельный
и и последовательный интерфейсы
тарные алгоритмы, соединение
которых описывается простыми
алгебраическими выражениями.
Применение отработанных
алгоритмических модулей, опи-
сывающих взаимодействие двух
или трех ИУ, позволяет использовать категории повышенной раз-
мерности и обеспечивает возможность взаимодействия ИУ в доста-
точно сложных системах.
Описанные аппаратные средства приемлемы для роботов с же-
сткой циклограммой работы и используются для реализации авто-
номных устройств управления нижнего (динамического) уровня
в сложных иерархических системах.
Для реализации более сложных систем управления используются
микропроцессоры и микроЭВМ. В основу построения микроЭВМ
может быть положен микропроцессорный комплект больших инте-
гральных схем (БИС). Комплект кроме центрального процессора
Включает ряд БИС для подключения переферийных устройств и
БИС для расширения системных возможностей микроЭВМ (рис. 4.17).
Например, БИС последовательного интерфейса может использо-
ваться в качестве приемо-передатчика в системах телеграфной связи
й при построении контроллеров видеотерминалов; БИС параллель-
ного интерфейса — при построении контроллеров практически всех
Типов внешних устройств с параллельным способом обмена инфор-
мацией и в качестве универсального программируемого коммутатора
Параллельных потоков информации; БИС программируемого тай-
мера —- как времязадающее устройство или программируемый гене-
ратор в системах автоматики; БИС контроллера прямого доступа
к памяти — для организации режимов прямого доступа к памяти как в
вычислительных системах, так и для построения контроллеров накопи-
телей на магнитных дисках, лентах; наконец, БИС программируемого
контроллера прерываний — для построения устройств прерывания,
дискретных вычислительных устройств и устройств автоматики.
При построении СУ, базирующихся на микроЭВМ, необходимо
правильно распределить функции между программными и аппарат-
ными средствами с целью обеспечить оптимальные значения пара-
метров управления. Разбиение СУ на модули облегчает их обслужи-
вание в процессе промышленной эксплуатации. В модульной СУ
центральный микропроцессор решает задачи программного управле-
ния, а периферийные устройства (контроллеры) осуществляют на-
копление и элементарную обработку быстро меняющейся входной
информации,
133

В качестве примера рассмотрим структурную схему системы
управления технологическим роботом, которая выполняет следу-
ющие функции: управление циклом робота; определение параметров
и положения объектов; контроль и индикация правильности выпол-
нения технологических операций распознавания, ориентации и
кассетирования элементов (рис. 4.18). Ядром системы является
центральный процессор ЦП. Программы управления робота, ввода
и обработки изображения хранятся в перепрограммируемом постоян-
ном запоминающем устройстве ППЗУ емкостью 4К. 16-разрядных
слов. Связь элементов системы с каналом процессора осуществляется
через устройство параллельного обмена УПрО, имеющего 16 входных
линий для ввода данных из внешнего устройства в ЭВМ, 16 выход-
ных линий и 4 управляющие линии.
На вход УПрО через усилители-формирователи УФ поступают
сигналы ИС информационной системы от органов управления ОУ,
контрольно-измерительных КИД и путевых ПД датчиков. Видео-
сигналы ВС с телевизионного датчика ТВД и импульсы дискрети-
зации ИД поступают из накопительного регистра НРг. Выходные
сигналы управления поступают на усилители мощности УМ и в виде
цифрового кода перемещения ЦЦП — на контроллер позиционера,
в который входит схема обработки заданных перемещений СОП,
схема И2, генератор управляемого напряжения ГУН и распредели-
тель импульсов РИ для шаговых двигателей. Для увеличения числа
линий и управления обменом информации служит расширитель
ввода-вывода, включающий: схему логики прерывания с дешифра-
Рис. 4.18. Структурная схема системы управления технологическим
роботом:
ЭИ — элементы нидикацни; БП1, БП2 — блоки питания
134

тором субадреса ЛПДС; селектор-мультиплексор СМ; регистры
управляющих сигналов РгУС. При таком построении интерфейса
обращение ЦП к внешним устройствам происходит следующим
образом. Сначала в два разряда регистра состояния УПрО зано-
сится код субадреса, а затем адресуются входной или выходной бу-
ферные регистры УПрО. При этом число адресуемых линий связи
возрастает с 32 до 128.
Рассмотрим первую функцию — управление циклом работы ро-
бота. Таймерные импульсы ТИ с частотой сети /с осуществляют
прерывание выполнения программы ЦП. При этом, во-первых, про-
исходит увеличение содержимого программного счетчика, работа-
ющего в реальном масштабе времени, во-вторых, с входных реги-
стров считывается информация и выдаются рассчитанные значения
управляющих сигналов. Если входная информация не совпадает
с информацией, введенной в предыдущем такте, то определяются
сработавшие датчики и в соответствии с циклограммой рассчиты-
ваются следующие значения управляющих сигналов, которые в виде
сформированного цифрового кода выдаются в последующем такте.
Для того чтобы во время ввода изображения объекта управление
циклом робота не приостанавливалось, в схеме ЛПДС предусмотрено
подключение к каналу прерывания вместо тактовых импульсов ка-
дровых синхроимпульсов ЦСИ, вырабатываемых схемой строби-
рования видеосигнала СВС контроллера телевизионного дат-
чика .
Синхронизация выдачи управляющих сигналов с частотой сети
дает возможность включать через усилители мощности исполни-
тельные механизмы ИМ переменного тока в моменты перехода
сетевого напряжения через ноль, что обеспечивает снижение уровня
помех и уменьшение коммутационных перегрузок силовых ключей.
Такой способ организации управления приемлем лишь в случае,
если задержка в реакции СУ на время тактового интервала (при-
мерно 20 мс) не существенна для нормального функционирования
управляемых механизмов робота. Например, для прямого управле-
ния от ЭВМ многокоординатным позиционером на шаговом приводе
требуется программным путем формировать тактовые интервалы
с частотой повторения до 2—3 кГц и выше. В таком случае целесооб-
разнее разделить функции управления между микропроцессором и
контроллером, т. е. специализированным устройством управления.
Требуемая программа позиционирования хранится в памяти микро-
процессора, и в соответствии с ней перед началом движения послед-
ний выдает в контроллер позиционера на шаговый привод коды пере-
мещений по линейным и угловым координатам. Формирование сиг-
налов включения фазных обмоток шаговых двигателей и отработка
заданных перемещений осуществляются соответствующими электрон-
ными устройствами контроллера.
Второй функцией СУ является определение параметров положе-
ния объекта. При поштучной выдаче объектов из неупорядоченной
массы последние могут занимать одно из восьми фиксированных по-
ложений (с учетом предварительного базирования по боковым гра-
135

ням). Ориентация объектов в пространстве осуществляется последо-
вательно по линейным и угловым координатам. Изображение топо-
логии объекта формируется с помощью сканирующего телевизион-
ного датчика. Применение телекамеры с использованием матричного
формирователя сигналов позволяет получить высокую равномерность
видеосигнала по полю изображения и малые геометрические иска-
жения. Поэтому для получения двухградационного изображения
можно использовать амплитудный дискриминатор АД без следящего
порога. Камера работает в режиме телевизионного стандарта: ча-
стота кадров 50 Гц, частота строк 15 625 Гц, число строк в кадре 312.
Для ввода изображения в память ЦП служит контроллер теле-
камеры, выполняющий следующие функции: квантование видео-
сигнала на два уровня и его дискретизацию вдоль строки на 128
интервалов; последовательную запись в выходной регистр цифровых
кодов фрагментов изображения (в процессе сканирования изобра-
жения); синхронизацию ввода данных в ЦП. Для ввода изображе-
ния использован программный канал обмена данными. При таком
способе во время кадра в микроЭВМ вводится часть изображения,
представляющая собой вертикальную полосу шириной в 16 элемен-
тов разложения. Для ввода всего изображения необходимо 0,16 с,
причем во время ввода кадровые синхроимпульсы используются
в качестве таймерных. В телевизионной системе использован способ
«электронного увеличения» изображения с целью обеспечить резерв
времени на отработку программы управления циклом робота в пре-
делах тактового интервала. При этом область объекта, подлежащая
анализу, проецируется лишь на часть поверхности матричного фор-
мирователя видеосигнала. Чтобы не потерять полезную информа-
цию, число вводимых в ЦП строк растра остается неизменным.
Время, в течение которого сканируется неинформативная часть
изображения, используется для управляющей программы. Это
возможно при условии, что для анализа требуется вводить все 312
строк телевизионного кадра. В рассматриваемом случае увеличение
оптической системы выбрано таким, что изображение объекта по-
крывает 2/3 растра. Таким образом, примерно 30 % от длительности
кадра используется для управления циклом технологического ро-
бота.
Описанная система управления может быть использована для
различных технологических роботов аналогичного назначения. При
этом вновь разрабатывать необходимо лишь программное обеспече-
ние, а аппаратные средства меняются незначительно. Использова-
ние микроЭВМ в контуре управления сложным комплексом, состоя-
щим из нескольких подсистем, изменяет и расширяет его функцио-
нальные возможности по сравнению с организацией на универсаль-
ных ЭВМ [21 ]. В каждую подсистему может входить большое число
абонентов, взаимодействие которых синхронизируется службой еди-
ного времени. Подсистемы обмениваются информацией между собой
и комплексом, находящимся на более высокой ступени иерархии.
Сравнительно невысокая стоимость и массовое производство микро-
ЭВМ позволяют решать задачу управления самым нижним уровнем
136

рис. 4.19. Схема управления группой програм'
маторов от центральной ЭВМ
технологических процессов. Вмес-
те с тем низовые устройства управ-
ления, поддерживающие заданный
технологический регламент, долж-
ны работать в рамках общей иерар-
хической структуры ' управления
[24]. Например, одна центральная
ЭВМ через устройство согласова-
ния УС может управлять работой
целой группы программаторов П1,
П2, I7N (рис. 4.19). Подобная
базе автономных программаторов,
система может быть собрана на
работающих от перфолент ПЛ,
причем наиболее удобным является построение системы с двухпро-
водными линиями связи.
На рис. 4.20 представлена схема двухуровневой системы управ-
ления группой из N технологических автоматов, объединенных еди-
ной транспортной системой в автоматическую линию. Каждый авто-
мат линии имеет свой блок управления БУ1, БУ2, ... БУ^
на основе микропроцессора, который более детально показан на
рис. 4.18. Блок управления технологическим автоматом кроме мик-
ропроцессора Л4П с аппаратурой сопряжения АС включает ППЗУ,
устройство обмена данными УО, блок датчиков КИД, выходные
устройства ВУ и пульт оператора ПО. Блоки КПД и ВУ помимо
двухпозиционных датчиков и силовых ключей содержат датчики
растрового типа и устройства цифрового регулирования. Микро-
Рис. 4.20. Схема двухуровневой системы управления группой технологических автоматов
I37

процессор в составе нижнего уровня управления выполняет задачи
программного управления различными приводами и вырабатывает
управляющие коды для регулирования технологических режимов.
Блоки управления технологических автоматов через общий канал
связи соединены с микроЭВМ верхнего уровня, обладающей расши-
ренным набором периферийных устройств ввода-вывода информации.
В микроЭВМ входят МП (аналогичный МП БУТ) с интерфейсными
устройствами ИУ, ОЗУ и ПЗУ, накопитель на гибких магнитных
дисках НГМД, фотосчитыватель ФС, перфоратор П, электрическая
пишущая машинка ЭПМ и дисплей Д для оперативного управления
автоматической линией (ЛЛ).
МикроЭВМ верхнего уровня управления решает системные задачи,
оптимизируя работу технологических автоматов, входящих в авто-
матическую линию, с целью достижения оптимальных выходных
параметров и режимов. Кроме обработки контрольно-учетной ин-
формации микроЭВМ верхнего уровня решает также диагностические
задачи и осуществляет прогнозирование временных интервалов без-
отказной работы автоматической линии. При наличии интегрирован-
ной АСУ цехового уровня в СУ АЛ должен быть предусмотрен выход
на центральный вычислительно-управляющий комплекс.
Многоуровневые СУ позволяют упростить разработку математи-
ческого обеспечения за счет модульного построения операционных
систем. Важным обстоятельством является то, что разделение функ-
ций управления по уровням дает возможность наращивать и модифи-
цировать модули управления без существенной переработки про-
граммных и аппаратных средств. А это в свою очередь позволяет
сократить сроки и стоимость разработки СУ.
Перспективным средством управления роботов являются однород-
ные управляющие структуры (ОУС), аппаратно реализующие новые
принципы построения управления [30]. Основу ОУС составляют
ячейки, реализующие фазовое пространство объекта управления
и моделирующие его положение и перемещение.
Каждая ячейка удовлетворяет следующим требованиям: генери-
рует собственный сигнал возбуждения, передает, задерживая, или
блокирует сигналы от соседних ячеек и запоминает информационную
связь от первого пришедшего сигнала возбуждения. Булева функ-
ция, описывающая перечисленные возможности одной ячейки,
имеет вид
— 1) &С0,
где Y (t) — функция выхода ячейки; п — число степеней подвиж-
ности робота; а — индекс соседней ячейки; — вход ячейки, под-
ключенный к выходу соседней ячейки с индексом ст; В — сигнал
генерации возбуждения (В = 1); D — сигнал блокировки (D = 0)
и сигнал передачи (D = 1); Со — сигнал возврата ячейки в исходное,
невозбужденное, состояние.
Универсальность управления на основе ОУС позволяет исполь-
зовать одну и ту же схему для самых разных задач управления ро-
138
[/ ли
( \/xa(t~ 1)	1)
\ сг=1

ботами. Экспериментальная проверка работы ОУС проведена на
макете манипулятора, действующего в трехмерной рабочей зоне
с препятствиями [30]. В составе системы управления было задей-
ствовано 960 ячеек, выполненных на ИС серии К 134.
Ввиду высокой однородности ОУС и простоты отдельных ячеек
вполне оправдано изготовление фрагментов ОУС в виде БИС и на
базе гибридной технологии.
4.4. Групповое управление в робототехнических
комплексах
Структурная организация систем группового управления может
быть представлена несколькими вариантами, различающимися чис-
лом каналов передачи информации и способами подключения уст-
ройств. Наиболее широко используются следующие три варианта
систем: последовательная с радиальными каналами; с общей шиной;
с индивидуальными шинами.
Последовательная система (рис. 4.21) является наиболее простой
и содержит центральную мини-ЭВМ, к которой подключено несколько
периферийных микроЭВМ по собственным линиям связи. Каждая
периферийная микроЭВМ имеет оперативные и постоянные запоми-
нающие устройства (ОЗУ, ПЗУ) и др. Поэтому отказ любой перифе-
рийной микроЭВМ не приведет к отказу всей системы, но функции
отказавшей машины другими машинами не могут быть выполнены.
Центральная мини-ЭВМ одновременно может вести обмен информа-
цией только с одной периферийной микроЭВМ.
Систему с общей шиной (рис. 4.22) применяют в случае недоста-
точной мощности одного микропроцессора для решения требуемых
задач или при необходимости одновременного выполнения несколь-
ких взаимосвязанных задач. В этом случае все микропроцессоры
используют общие шины данных и адресов, работают с одним уст-
ройством памяти и устройствами ввода-вывода. Такой асинхронно
действующий канал позволяет одновременно управлять движениями
Рис. 4.21. Схема группового управления с последовательными линиями связи:
1 — центральная мннн-ЭВМ; 2,4 — периферийные микроЭВМ или процессоры; 3,7,8—
устройства ввода-вывода; 5, 6 — роботы
Рис. 4.22. Система группового управления, организованная по принципу «общей шины>:
1 — устройство ввода с перфоленты; 2,3,4 — исполнительные приводы; 5,6,7— микро-
процессоры; 8, 9 — шины для передачи данных н адресов соответственно; 10 — схема
прерываний; 11 — устройство памяти
139

Рис. 4.23. Система группового управлений
с индивидуальными шинами:
1 — общая память; 2 — память систем-
ного диспетчера; 3 — устройство ввода-
вывода; 4 — устройство формирования ад-
реса; 5 — формирователь данных; 6 —
периферийные устройства ввода-вывода;
7 — ОЗУ индивидуального модуля; 8 —
микропроцессор; 9, 10, 11 — общие шины
адреса, чтения (записи) и данных соот-
ветственно; I, II — микропроцессорные
модули
по нескольким координатам,
т. е. обеспечивает не только по-
зиционное, но и контурное
управление. Важным преиму-
ществом такой структуры является то, что несколько недорогих мик-
ропроцессоров могут заменить один сложный, дорогостоящий. Суть
работы системы сводится к периодическому доступу каждого микро-
процессора к общей шине, поэтому общее число подключаемых мик-
ропроцессоров ограничивается возможностью использования шины.
К недостаткам этой структуры относится необходимость совместного
размещения процессоров и снижение производительности всей систе-
мы вследствие их взаимодействия.
Система с индивидуальными шинами построена на базе микро-
процессорных модулей. Каждый модуль содержит ОЗУ и ПЗУ,
с которыми он взаимодействует по индивидуальным шинам. В то же
время каждый модуль имеет доступ по общей шине к общей памяти
и периферийным устройствам (рис. 4.23). Таким образом, эта струк-
тура сочетает в себе достоинства рассмотренных выше структур
и позволяет использовать модульный принцип для построения
аппаратных средств управления. (Под модулем понимают автоном-
ное, логически завершенное и конструктивно оформленное устрой-
ство, выполняющее определенные функции).
Три варианта организации микропроцессорных модулей при-
ведены на рис. 4.24.
В первом варианте (рис. 4.24, а) функции сравнения положения
объекта и координат звеньев робота передаются ЭВМ, а контроллер
отрабатывает сигнал ошибки путем обработки приращений координат.
Рис. 4.24. Три варианта организации микропроцессорных модулей;
а — с разделением памяти и ввода-вывода; б — без интерфейса центрального процессора?
в — высоконадежная и высокоскоростная структура; 1 — центральный процессор; 2 — за-
поминающее устройство; 3 — постоянное запоминающее устройство; 4 — интерфейс цен-
трального процессора; 5,6 — интерфейсы ввода-вывода; 7 — устройство ввода-вывода
информации
140

Во втором варианте (рис. 4.24, б) функция сравнения положения
объекта с текущими положениями звеньев робота возлагается на
контроллер. ЭВМ выполняет дополнительные операции: распозна-
вание образов, расчет усилий захватывания и т. п.
В третьем варианте (рис. 4.24, в) контроллер робота вычисляет
положения звеньев робота и выполняет ряд функций памяти, а ЭВМ
указывает начало и конец операций, изменение характера работы
робота и выполняет ряд операций по сбору и обработке статистиче-
ских данных.
Совмещение работы модулей обеспечивается программными ме-
тодами, при этом большое значение приобретает выбор стратегии
обработки информации. Модульный принцип позволяет воспользо-
ваться концепцией структурного синтеза для построения цифровых
систем управления различной степени сложности, ориентированных
на высокоуровневые языки программирования. Модули могут зна-
чительно различаться по степени сложности — от простых интер-
фейсных устройств до сложных процессоров. Это позволяет строить
различные управляющие структуры.
 На рис. 4.25 показана модульная структура системы управле-
ния конвейерным комплексом, работающая в производстве изделий
электронной промышленности, выполненная на основе мини-ЭВМ
PDP 11/10 и организованная по иерархическому принципу подчине-
ния. Система работает в реальном масштабе времени. Обучение и
отладка системы осуществляются с помощью телетайпа. Программа
работы записана на специальном проблемно-ориентированном языке
высокого уровня ALFA и предусматривает три режима — «Обуче-
ние», «Контроль» и «Работа» [44].
Модульная структура СУ, реализующая принцип группирования
вокруг центрального процессора, приведена на рис. 4.26. Эта си-
стема также позволяет управлять ПР
в реальном масштабе времени, а все
диспетчерские функции миниЭВМ
выполняет в режиме разделения вре-
мени. Естественно, что наиболее от-
Рис. 4.25. Модульная система управления конве]
PDP 11/1
1 — память на магнитных дисках; 2 — датчики
ЭВМ; 4 — микропроцессор (исполнительный); 5 — пульт управления; 6 — телетайп; 7 —
Устройство ввода с магнитной ленты; 8 — система сервоприводов; 9 — промышленный
робот
Рис. 4.26. Модульная система управления с группированием вокруг центрального процес-
сора;
/ — память емкостью 8 — 32К слов; 2 — мини-ЭВМ UPL-12; 3, 4, 11, 12 — панели упра-
вления; 5, 6, 9, 10 — интерфейсы ввода-вывода; 7, 8, 13, 14 — промышленные роботы
141

Рис. 4.27. Матричная структура
системы группового управления
роботами:
Algy, Муу — модули памяти и
управления; УСО — устройство
связи с объектом; РТК. — робото-
технический комплекс; s — число
строк в матрице; п — число столб-
цов в матрице; а, с, k — индексы,
соответствующие алгоритму дви-
жения, среде и координате
ветственной частью всей
системы является блок па-
мяти. В зависимости от
числа управляемых робо-
тов объем памяти может
nyu-птл z	изменяться в диапазоне
1——I /	8К—32К слов (слово 16-
разрядное). Использова-
ние ЭВМ в качестве центрального блока имеет большие преимущест-
ва и позволяет добиться высокой гибкости и возможности дальней-
шего расширения системы за счет дополнения программного обес-
печения и практически без изменения аппаратной части системы
управления.
Ярким примером группового управления роботами является
крупный робототехнический комплекс (РТК) одного из часовых
заводов. В комплексе линии роботы различного назначения и уровня
сложности. СУ представляет собой сложный вычислительный ком-
плекс — микропроцессорную сеть. Элементы сети — процессоры со-
единены между собой линиями связи и работают согласованно.
В составе математического обеспечения пакеты программ диспетчер-
ского (оперативного) уровня и семейства операционных систем.
Структура базы данных имеет два уровня и полностью размещена
в магнитном оперативном запоминающем устройстве (МОЗУ) мини-
ЭВМ. Первый уровень управляет станциями и блоками данных
в МОЗУ. Второй уровень — база данных, которые хранятся и вы-
полняются в виртуальной среде на первом уровне
Перспективой развития структуры систем управления РТК
являются однородные структуры, системы с переменной структурой
и высокопараллельные структуры. Эти структуры в практике робо-
тотехники пока не нашли применения, но не вызывает сомнений,
что именно на их основе будут создаваться системы управления
роботами и комплексами следующих поколений. Такие системы могут
быть созданы на основе широко применяемой в настоящее время
ЭВМ «Электроника-60», а также «Электроника 60-1», «Электроника
НЦ-80-01 ДМ», «Электроника 80-20/2», «Электроника 80-20/3» и др.
Матричные системы, известные как однородные структуры, позво-
ляют оперативно изменять структуру СУ в зависимости от условий
задачи. На развитие модульных СУ ПР, как и на создание матрич-
ных вычислительных сред, огромное влияние оказывают достиже-
ния в области микроэлектроники, например создание одноплатных
142

микропроцессоров, узлов микроЭВМ и т. п. Модульную структуру
СУ можно представить в виде комплекса самостоятельных и взаимо-
действующих между собой модулей, образующих матрицу (рис. 4.27).
Причем модули одного функционального назначения (модули обра-
ботки сенсорной информации, алгоритмов движения, координат
управления и т. п.) образуют столбец, а модули одной строки фор-
мируются в соответствии с фазами решения задачи. (Каждая фаза
в этом случае реализуется несколькими модулями). Модули одного
функционального назначения могут иметь связь как между собой,
так и с модулями другого функционального назначения
Такая организация позволяет реализовать гибкое многофункцио-
нальное управление, необходимое для развития и совершенствова-
ния СУ роботами.

Глава АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РОБОТОВ
Совершенствование промышленных роботов, направлен-
ное на повышение их функциональной гибкости и упрощение про-
граммирования, привело к необходимости использования ЭВМ и
потребовало создания развитого программного обеспечения промыш-
ленных роботов. Программное обеспечение робототехнических ком-
плексов содержит многие компоненты, характерные для современных
вычислительных систем реального времени. Рассмотрению сущности
и состава программного обеспечения, языковых средств и способов
восприятия роботами информации об окружающей среде и посвя-
щена данная глава. Следует отметить, что излагаемый в ней ма-
териал относится в первую очередь к прецизионным промышленным
роботам, однако он без труда может быть распространен также на
промышленные роботы и робототехнические системы общего на-
значения, управляемые с помощью ЭВМ. Специфика алгоритмиче-
ского и программного обеспечения прецизионных роботов может
проявляться в некоторых операторах языка программирования
этих роботов, а также в организации и функционировании програм-
мных драйверов приводов.
5.1. Структура программного обеспечения
В состав программного обеспечения промышленных роботов,
управляемых от ЭВМ, могут входить следующие компоненты: 1) опе-
рационная система реального времени; 2) язык управления робо-
том; 3) системные и сервисные программы; 4) функциональные
программы. &.
Операционная система является ядром программного обеспече-
ния промышленного робота, управляемого с помощью ЭВМ. Эта
система представляет собой совокупность специальных программ,
предназначенных для управления системными, сервисными и функ-
циональными программами, облегчения процесса создания новых
функциональных программ, обработки разнообразных прерываний
(в том числе прерываний от сенсорных устройств робота), реализации
операций ввода-вывода, организации и доступа к файловой системе
и повышения производительности труда персонала, занятого про-
граммированием промышленных роботов. Как правило, операцион-
ная система робота функционирует в режиме реального времени,
И4

Более подробное описание операционных систем промышленных робо-
тов приводится в следующем параграфе.
Язык управления служит основным средством для программи-
рования задач робота и управления всем робототехническим комплек-
сом в целом. Соответственно своему назначению язык управления
содержит два компонента — язык программирования задач робота
и командный язык, или язык директив. Язык программирования
роботов характеризуется определенным уровнем (низким или вы-
соким) и по своим функциям подобен обычному языку программиро-
вания ЭВМ соответствующего уровня, дополненному операторами,
специфичными для промышленных роботов. К таким операторам
относятся, например, операторы перемещения руки робота, откры-
тия и закрытия захвата, опроса состояния сенсорных устройств,
выдержки заданного интервала времени и т. п. Нередко в язык
программирования включают операторы для организации парал-
лельного выполнения и синхронизации задач, что особенно важно при
программировании роботов с двумя и более руками.
Второй компонент языка управления роботом — командный
язык, или язык директив, — предназначен для организации диало-
говой связи человека-оператора с роботом. Командный язык дает
возможность устанавливать режим функционирования робото-
технического комплекса, вмешиваться в процесс выполнения
задачи роботом, приостанавливать робот в критических или
необычных ситуациях, осуществлять дистанционный контроль дейст-
вий робота и т. п. Командный язык обычно существенно отли-
чается от языка программирования по своей синтаксической струк-
туре.
В состав системных и сервисных программ робототехнического
комплекса, управляемого от ЭВМ, могут входить системный загруз-
чик, компилятор или интерпретатор языка программирования, ре-
дактор текста, компоновщик транслированных программ, отладчик
программ, программы организации файлов и доступа к файлам,
тестовые программы и т. п. Обычно состав системных и сервисных
программ определяется разработчиками робототехнического ком-
плекса и остается неизменным в процессе эксплуатации робота, если
не считать исправления выявленных ошибок.
Функциональные программы предназначены непосредственно для
реализации функциональных задач робота (таких, как приварка
выводов к контактным площадкам микросхем, сборка микросхем,
упаковка деталей и т. д.). Эти программы обычно разрабатываются
пользователями в зависимости от конкретных условий применения
роботов. В состав функциональных программ могут быть включены
одна или несколько демонстрационных программ, дающих возмож-
ность оперативно проверить работу робота на некоторых стандарт-
ных задачах.
Состав и иерархия основных компонентов программного обеспе-
чения роботов, управляемых от ЭВМ, а также связь программного
обеспечения с оборудованием робота и с человеком-оператором (или
программистом)-показаны на рис. 5.1.
Ц5

Рис. 5.1. Основные компоненты программного обеспечения промышленных роботов, упра-
вляемых от ЭВМ, и их связь с человеком-оператором и оборудованием робота
Важным вопросом организации и сопровождения программного
обеспечения робота является выбор подходящего машинного носи-
теля. В простейшем случае в качестве носителя программного обес-
печения робота может служить перфолента. Перед началом каждого
запуска робота с этой перфоленты должны быть введены в основную
память ЭВМ необходимые компоненты программного обеспечения.
Так как с экономической точки зрения для управления роботом целе-
сообразно применять микроЭВМ, имеющие ограниченный объем
основной памяти, то при наличии достаточно развитого программного
обеспечения не всегда удается поместить в основную память микро-
ЭВМ все компоненты программного обеспечения. Это, в частности,
означает, что смена режима функционирования робота может обус-
ловить необходимость ввода с перфоленты новых компонентов
программного обеспечения. Кроме того, для длительного хранения
создаваемых программ их требуется выводить на перфоленту. Следо-
вательно, использование перфоленты в качестве носителя программ-
ного обеспечения сопряжено с большими затратами ручного труда
человека-оператора и поэтому может быть рекомендовано лишь
в наиболее простых и дешевых роботах.
Более совершенным носителем программного обеспечения робота
является кассетный накопитель на магнитной ленте. В этом случае
отпадает необходимость в утомительных ручных операциях по
вводу и выводу перфолент и в управлении ненадежным перфолен-
точным хозяйством. Будучи достаточно дешевым, надежным и
компактным, кассетный накопитель в то же время характеризуется
невысоким быстродействием, что может затруднить или даже исклю-
чить его применение в роботах, требующих частого и быстрого
обмена программ и данных между основной памятью и магнитной
лентой. Кроме того, кассетный накопитель на магнитной ленте
имеет малый объем памяти.
В настоящее время наиболее перспективным носителем программ-
ного обеспечения промышленных роботов являются гибкие магнит-
146

йые диски. Накопители иа гибких магнитных дисках, характеризуе-
мые довольно большим объемом памяти, малым временем доступа,
простотой применения, компактностью и малой стоимостью, дают
возможность создавать весьма развитое программное обеспечение
роботов. Таков, например, отечественный накопитель на гибких
магнитных дисках «Электроника ГМД-7012» с двумя дисководами.
На каждый из дисководов можно устанавливать гибкий диск, ем-
кость которого составляет 256 256 байтов. При скорости передачи
данных порядка 50 К байт/с требуется в среднем не более 0,5 с на
передачу блока данных объемом 128 байтов, причем почти все это
время тратится на механические перемещения головки чтения-
записи.
Используя накопитель на гибких магнитных дисках, можно соз-
дать достаточно развитую файловую систему (см. рис. 5.1), в которой
могут храниться все компоненты программного обеспечения робота.
По мере необходимости те или иные компоненты загружаются в основ-
ную память управляющей ЭВМ, что обеспечивает должное функцио-
нирование робота в различных режимах его применения.
5.2. Операционные системы робототехнических
комплексов
Как известно, операционная система является основным компо-
нентом программного обеспечения промышленного робота, управ-
ляемого от ЭВМ. Она служит той «средой», в которой создаются
и функционируют все остальные программные компоненты робота.
Кроме того, операционная система реализует требуемое взаимодей-
ствие, или интерфейс, этих программных компонентов друг с дру-
гом, а также с аппаратурой ЭВМ и оборудованием робота [48].
Следует отметить, что приводы (двигатели) и датчики робота, входя-
щие в состав его оборудования и связанные с управляющей ЭВМ,
можно рассматривать как особые внешние устройства ЭВМ, допол-
няющие набор стандартных устройств вычислительной машины
(рис. 5.2).
Рис. 5.2. Структура оборудования ЭВМ, управляющей роботом
На исполнительные
устройства ророта
147


Операционная система необходима не только для обеспечения
взаимодействия функциональных программ управления роботом, но
и для создания и отладки новых программ, осуществления разно-
образных операций над файлами, поддержания диалоговой связи
с человеком-оператором и т. п. В ее состав входят относительно ком-
пактное ядро, нередко называемое монитором, и набор системных
программ и данных. Монитор предназначен для организации диало-
говой связи человека-оператора с управляющей ЭВМ, запуска и
контроля выполнения программ управления роботом и системных
программ, диспетчирования программных задач и реализации их
взаимодействия друг с другом, запуска и отслеживания операций
ввода-вывода (в том числе — операций управления приводами ро-
бота), распределения основной памяти ЭВМ и манипулирования
файлами. Таким образом, с функциональной точки зрения монитор
подобен управляющей программе в операционной системе общего
назначения.
Как правило, весь монитор или некоторая его часть, называе-
мая резидентной частью, с момента загрузки и запуска операцион-
ной системы постоянно находится в основной памяти управляющей
ЭВМ. Компоненты монитора, на входящие в резидентную часть, за-
гружаются в основную память ЭВМ по мере необходимости, а после
выполнения требуемых функций освобождают занимаемые ими об-
ласти памяти для других компонентов монитора, системных про-
грамм управления роботом. Следует еще раз подчеркнуть, что мони-
тор операционной системы робота обеспечивает диалоговый режим
взаимодействия человека с управляющей ЭВМ. Такой режим осу-
ществляется с помощью определенного набора команд, вводимых
человеком с системной консоли (например, с дисплея), и сообщений
самой операционной системы. Он позволяет человеку немедленно
вмешиваться в действия робота, запускать и приостанавливать же-
лаемые программы, получать сведения о текущем состоянии робота
и его компонентов, оперативно создавать и отлаживать новые про-
граммы. Поэтому диалоговый режим является типичным режимом
связи человека с робототехнической системой, управляемой от ЭВМ.
В группу системных программ и данных операционной системы
робота могут входить редактор текстов, компилятор для некоторого
языка программирования задач робота, интерпретатор компилиро-
ванных программ, совокупность программ для реализации файло-
вых операций, отладчик программ, драйверы внешних устройств
и приводов робота, тестовые программы, библиотека программных
модулей, написанных на языке управления роботом, и т. д. В эту
же группу могут быть включены и компоненты общего программного
обеспечения данной ЭВМ (например, трансляторы с языков ассемб-
лера и ПАСКАЛЬ), которые используются для создания разнооб-
разных программ, не связанных непосредственно с управлением ро-
ботом.
Оснащенный датчиками промышленный робот (в особенности —
многорукий) является весьма сложным электронно-механическим
объектом управления, который не только получает управляющие
148

воздействия от ЭВМ, но и посылает в ЭВМ непрерывно или в слу-
чайные моменты времени сигналы с разнообразных датчиков о своем
состоянии и о состоянии окружающей среды. Вследствие этого опе-
рационная система робота, которая в конечном счете обеспечивает
выдачу управляющих воздействий и обработку информации с дат-
чиков (в том числе и обработку сигналов прерывания), должна функ-
ционировать в условиях многочисленных и разнотипных событий,
возникающих независимо друг от друга в непредсказуемые моменты
реального времени. Поэтому операционная система робота, управ-
ляемого от ЭВМ, должна быть, как-правило, операционной системой
реального времени (ОС РВ). Рассмотрим особенности организации
и функционирования таких систем.
Основной единицей работы ОС РВ служит задача. Под задачей
здесь следует понимать процесс, который определяется некоторой
программой, выделенными ресурсами ЭВМ, а также другими про-
цессами, которые могут развиваться одновременно с данным про-
цессом. Как правило, ОС РВ обеспечивает параллельное выполнение
многих задач. Применительно к промышленному роботу такими
задачами могут быть задачи управления руками робота (по крайней
мере по одной задаче на каждую руку), задачи сбора информации
с датчиков и т. п. В однопроцессорной управляющей ЭВМ парал-
лелизм выполнения задач реализуется достаточно частым переклю-
чением процессора с одной задачи на другую. Последовательность
таких переключений процессора, а также интервалы занятости про-
цессора выполнением каждой из задач до переключения на какую-
нибудь другую задачу регулируются с помощью приоритетов, на-
значаемых задачам. В простейшем случае однажды выбранный при-
оритет задачи остается фиксированным при каждом ее выполнении.
В более общей ситуации приоритет задачи изменяется во времени
в ходе ее выполнения. Характер изменения приоритета может за-
висеть от времени пребывания задачи в очереди к процессору, вре-
мени использования процессора, числа интервалов занятости про-
цессора задачей и т. д.
Каждая задача на интервале своего выполнения проходит ряд
состояний, число которых может быть очень большим, если учиты-
вать все переменные, влияющие на задачу. Однако операционная
система различает обычно следующие укрупненные состояния задачи:
1) активности, или выполнения; 2) приостановки или ожидания
некоторого события; 3) готовности к началу или продолжению
выполнения. Кроме того, для более полной картины следует учесть
также состояние, в котором задача только создается, и состояние
завершенности или прекращения выполнения. На рис. 5.3. пред-
ставлена диаграмма важнейших состояний задачи, выполняемой
под управлением операционной системы. На этом рисунке состояния
задачи обозначены цифрами в кружках. Ориентированные дуги
указывают направления возможных изменений состояния, причем
символы Al, А2, А7 обозначают группы причин, вызывающих
изменение состояния задачи. Группа А1 обычно содержит един-
ственную причину — завершение создания задачи операционной
149

Рис. 5.3. Диаграмма состояний задачи
в операционной системе:
/ — задача создается; 2 — готова к вы-
полнению; 3 — завершена или прекращена;
4 — выполняется; 5 — ждет события или
приостановлена
системой. В группу А2 могут входить такие причины, как освобож-
дение процессора от выполнения более приоритетных задач или на-
ступление момента для выделения данной задаче кванта процессор-
ного времени (при циклическом обслуживании набора задач). Ти-
пичные причины из группы АЗ — это запрос задачей операции ввода-
вывода или приостановки выполнения на определенный промежуток
времени. Причинами из группы А4 могут стать, например, готов-
ность к выполнению более приоритетной задачи или истечение фик-
сированного кванта выделенного процессорного времени до того,
как задача завершилась. В группы А5 и А6 может входить одна
и та же причина — наступление события, ожидаемого задачей или
выводящего задачу из состояния приостановки. Если выполняемая
в этот момент задача имеет более высокий приоритет, то задача
с закончившимся ожиданием перейдет в состояние «готова к выпол-
нению». В противном случае задача с закончившимся ожиданием
может сразу перейти в состояние выполнения, прервав при этом
выполнение менее приоритетной задачи. И наконец, причинами из
группы А7 могут быть нормальное завершение задачи или возник-
новение в ней неисправимой ошибки, требующей немедленного пре-
кращения задачи.
В составе ОС РВ, применяемых в робототехнических комплексах,
как и в ОС РВ общего назначения, можно выделить следующие
основные компоненты: 1) планировщик задач; 2) диспетчер; 3) об-
работчик прерываний; 4) программа отслеживания времени; 5) су-
первизор ввода-вывода.
Планировщик задач и диспетчер образуют управляющую про-
грамму операционной системы. При этом планировщик задач осу-
ществляет выбор задач, которые должны быть подготовлены к вы-
полнению. Функция диспетчера состоит в том, чтобы инициировать
выполнение задачи, выбранной планировщиком, либо продолжить
ее выполнение из состояния готовности или ожидания. Задача, полу-
чившая управление от диспетчера, занимает процессор до своего
нормального завершения, прекращения (например, при возникнове-
нии ошибки в программе или вмешательстве человека-оператора)
или перехода в состояние ожидания. После освобождения процес-
сора от выполнения текущей задачи управление возвращается в ко-
нечном счете планировщику для выбора другой задачи, подлежащей
выполнению. Отметим, что в начале своей работы планировщик
в некоторых случаях может использовать обработчик прерываний.
150

Следующим компонентом ОС РВ служит обработчик прерываний,
который представляет собой программное ядро системы прерываний
в управляющей ЭВМ. Система прерываний предназначена для того,
чтобы при возникновении особых событий, возникающих в процес-
соре или другом оборудовании робота, немедленно или по истече-
нии некоторого времени переключить процессор на выполнение
другой задачи. Непосредственной причиной такого переключения
процессора является сигнал прерывания, причем характер новой
задачи, выполняемой процессором после переключения и называемой
задачей обработки прерывания, зависит от источника сигнала пре-
рывания.
Все прерывания, которые возникают в управляющей ЭВМ,
в зависимости от их источника можно разделить на следующие
классы:
1.	Внутрипроцессорные прерывания, определяемые некоторыми
событиями в самом процессоре (например, прерывания вследствие
сбоя аппаратуры или вызванные попыткой процессора выполнить
команду с ошибочным кодом операции).
2.	Общесистемные прерывания, вызываемые событиями во внеш-
них устройствах ЭВМ и оборудовании робота (например, прерывания
от таймера, от устройства ввода-вывода ЭВМ в момент его готов-
ности к передаче очередного байта данных, от захвата робота после
выполнения захватом команды открытия, от датчика в момент при-
косновения захвата к объему сборки и т. п.).
3.	Прерывания, запланированные в программе (например, пре-
рывание при так называемом обращении к супервизору, возника-
ющее в результате выполнения специальной команды ЭВМ).
4.	Межпроцессорные прерывания, возникающие при коммуника-
ции разных процессоров в многопроцессорной системе, управля-
ющей роботом или их группой.
В каждой системе прерывания обычно имеется возможность авто-
матически или по желанию программиста временно запретить,
или замаскировать, прерывание процессора. Для маскирования пре-
рываний нередко используют маски, которые могут храниться в осо-
бых программно-доступных регистрах ЭВМ. Не останавливаясь
на более подробном описании системы прерываний, перечислим лишь
основные, неравные по длительности, этапы в обработке прерыва-
ния: 1) идентификация источника прерывания; 2) сохранение те-
кущего состояния прерванной задачи; 3) маскирование, или запрет,
повторных прерываний того же класса, к которому относится обра-
батываемое прерывание; 4) выполнение программы обработки пре-
рывания; 5) восстановление состояния и продолжение прерванной
задачи.
Этап 1 осуществляется обычно аппаратными средствами. Этапы 2,
3 и 5 выполняются непосредственно обработчиком прерываний.
Этап 4 обеспечивается соответствующей программой обработки
прерывания, которая может и не входить в состав обработчика.
На этом этапе обработчик осуществляет лишь выбор нужной про-
граммы и передачу ей управления.
151

Важным компонентом ОС РВ является программа отслеживания
времени. Она осуществляет периодическое наращивание абсолют-
ного времени по прерываниям от таймера, а также обеспечивает
запрашиваемые различными задачами интервалы временной за-
держки. Как правило, соответствующая этой программе задача имеет
наивысший приоритет в системе и выполняется немедленно при
каждом прерывании от таймера.
И наконец, последним из основных программных компонентов
ОС РВ служит супервизор ввода-вывода. Он предназначен для
реализации операций ввода-вывода, запрашиваемых в выполняемых
задачах. В робототехнической системе супервизор ввода-вывода
должен управлять не только традиционными внешними устройствами
ЭВМ (таким, как системная консоль, печатающее устройство, на-
копитель на магнитном диске и т. п.), но и приводами робота, а также
контролировать работу многочисленных датчиков. При наличии
супервизора запросы на ввод-вывод выражаются в программах
обычно в форме макрокоманд, с каждой из которых ассоциируется
соответствующий ей список параметров, определяющих тип устрой-
ства, а также адреса и объем данных, которые подлежат вводу или
выводу. Обеспечивая должную буферизацию данных, супервизор
полностью освобождает разработчика функциональных программ ро-
бота от необходимости детального программирования операций
ввода-вывода и тем самым существенно облегчает его труд.
Создание ОС РВ для робототехнической системы представляет
собой довольно сложную проблему, если начать решать ее «с нуля».
Однако работу можно существенно упростить, если воспользоваться
соответствующей ОС РВ общего назначения и дополнить ее программ-
ными компонентами, специфичными для роботов. Для отечественных
микроЭВМ одной из таких ОС РВ общего назначения является,
например, так называемая базовая резидентная система реального
времени (БРС РВ), применяемая на микроЭВМ СМ-1800. Ориенти-
рованная на создание прикладных микропроцессорных систем
реального времени на языке ассемблера и языке программирования
высокого уровня ПЛ/М [21 ], БРС РВ обеспечивает удобные сред-
ства коммуникации между задачами, доступ к системным ресурсам
с учетом приоритетов задач, развитые возможности обработки
прерываний и управления внешними устройствами, отслеживание
времени и выполнение целого ряда других функций. Поэтому БРС РВ
с успехом может быть использована как основа при построении опе-
рационной системы и всего программного обеспечения промышлен-
ного робота, управляемого от микроЭВМ. Приведем краткое опи-
сание БРС РВ.
БРС РВ содержит следующие компоненты: ядро, драйверы внеш-
них устройств, программу отслеживания времени, эмулятор терми-
нала. Ядро — центральный компонент БРСРВ, объединяющий в себе
функции планировщика задач и диспетчера. Оно обеспечивает ра-
боту в реальном времени, поддерживает взаимодействие задач друг
с другом, осуществляет управление основной памятью микроЭВМ
и обменом данными между основной памятью и внешними- устрой-
15?

ствами. Связь прикладных задач с ядром реализуется с помощью
макрокоманд, называемых операциями ядра. Ядро невелико по раз-
меру: оно занимает 2К. байтов в постоянном запоминающем устрой-
стве (ПЗУ) микроЭВМ и требует дополнительно около 250 байтов
в основной памяти. Размещение ядра в ПЗУ снимает необходимость
осуществлять его загрузку с внешнего запоминающего устройства
и упрощает разработку и применение небольших систем реального
времени без внешней памяти.
Драйверы внешних устройств — это программы, обеспечивающие
обмен данными между основной памятью микроЭВМ и внешними
устройствами по запросам задач, выполняемых в БРС РВ. Драй-
веры освобождают разработчика системы реального времени от
необходимости программирования операций ввода-вывода на физи-
ческом (т. е. самом детальном) уровне. В состав БРС РВ включены
драйверы системного терминала, печати, аналогового ввода-вы-
вода, дискретного ввода-вывода и драйвер число-импульсных
сигналов. Отметим, что для управления приводами робота и кон-
троля состояния датчиков можно применять три последних из пере-
численных драйверов. Во время работы БРС РВ каждый из драй-
веров представлен соответствующей задачей.
Программа отслеживания времени предназначена для отсчета
астрономического времени в пределах суток (в часах, минутах и
секундах). Прикладная задача может как читать, так и устанавли-
вать текущее время с помощью специальных запросов.
Эмулятор терминала — особый компонент БРСРВ, применяемый
для организации межмашинного обмена данными при сопряжении
микроЭВМ СМ-1800 с другой ЭВМ, в качестве которой может вы-
ступать такая же микроЭВМ или мини-ЭВМ типа СМ-4.
Как и во многих других ОС РВ, основной единицей'работы
БРС РВ служит задача. БРС РВ обеспечивает параллельное реше-
ние многих задач, причем в процессе выполнения каждая задача
проходит некоторую последовательность состояний в соответствии
с диаграммой, подобной той, которая представлена на рис. 5.3.
Каждой задаче присвоен приоритет, определяющий меру неотлож-
ности ее выполнения. В БРС РВ предусмотрена возможность исполь-
зования 256 приоритетных уровней со значениями от 0 до 255, при-
чем значение 0 соответствует высшему приоритету, а значение 255 —-
самому низкому приоритету, присваиваемому так называемой «хо-
лостой» задаче. Эта задача запускается ядром всякий раз, когда нет
никакой другой задачи, готовой к выполнению, и переводит про-
цессор в состояние ожидания внешнего прерывания. Приоритеты со
значениями от 0 до 128 назначаются задачам обработки прерываний
от высокоскоростных устройств. Значения приоритетов прочих задач
рекомендуется выбирать в диапазоне от 129 до 254.
Взаимодействие задач друг с другом поддерживается в БРС РВ
с помощью механизма сообщений. Сообщение — это совокупность
данных, которую одна задача посылает другой. Передача сообщений
осуществляется через так называемые обменники. Обменник пред-
ставляет собой некоторую область памяти и по своей функции по-
153

БРО РВ
БРО РВ
В)
Рис, 5.4. Основные схемы коммуникации между задачами через обменники в /БРС кФв
добен «почтовому ящику», в который одна задача помещает сообще-
ние (точнее, указатель, или адрес, сообщения), другая — извлекает
его. Задача, посылающая сообщение, указывает лишь обменник,
в который оно должно попасть, а не имя той задачи, для которой
предназначено посылаемое сообщение. Таким образом, передача
данных между задачами с помощью сообщений осуществляется
анонимно, что способствует ослаблению связей между соответству-
ющими программами и в конечном счете увеличивает взаимную не-
зависимость программных компонентов системы и ее надежность
в целом.
На рис. 5.4 приведены три основные схемы коммуникации между
задачами через обменники. В схеме на рис. 5.4, а задача 1 посылает
сообщение в обменник, где оно будет находиться до тех пор, пока
задача 2 не запросит его, обратившись к этому же обменнику. В схеме
на рис. 5.4, б задача 2 ожидает сообщение от задачи 1 в обмен-
нике до тех пор, пока оно не поступит или пока не истечет некоторый
заданный интервал времени. Если за этот интервал времени сооб-
щение не придет, то задача 2 перестает ждать его в данном обмен-
нике. Схема на рис. 5.4, в иллюстрирует обработку прерывания как
передачу сообщения. В этом случае сигнал прерывания (например,
с устройства ввода-вывода) трансформируется в сообщение, которого
ожидает в обменнике задача 1. Получив сообщение, эта задача вы-
полняет необходимую обработку прерывания. Отметим, что при-
оритет задачи 1 должен соответствовать уровню прерывания.
В БРС РВ предусмотрено пять различных по значению уровней
прерывания. Для каждого из этих уровней, кроме первого, про-
граммист может по своему усмотрению задать произвольное число
подуровней.
Каждый из описанных объектов — задача, сообщение и обмен-
ник — представлен в БРС РВ соответствующей структурой данных.
Применительно к задаче такая структура данных называется дескрип-
тором задачи в системе. Каждый такой дескриптор формируется
ядром БРС РВ при инициализации системы реального времени или
динамически по требованию некоторой выполняемой задачи создать
новую задачу.
154

Сообщению соответствует особая структура данных, создаваемая
задачей в основной памяти микроЭВМ и состоящая из заголовка
и тела. Заголовок имеет фиксированный формат размером 9 байтов
и содержит адрес обменника, куда должно быть послано сообщение,
адрес обменника, в который надо послать ответ на данное сообще-
ние, длину и тип сообщения, а также указатель для включения
сообщения в очередь к нужному обменнику. Тело сообщения
имеет произвольную длину и используется для передачи дополни-
тельных данных.
Каждый обменник представлен своим дескриптором. В БРС РВ
используются два типа обменников — обычный и прерывания.
Обычный обменник предназначен для отслеживания ассоциирован-
ных с ним задач и сообщений. Обменник прерывания используется
для программной интерпретации аппаратных прерываний. Деск-
риптор обычного обменника занимает в основной памяти 10 байтов
и содержит четыре указателя для адресации начала и конца двух
списков — списка сообщений и списка задач к данному обменнику —
и поле связки для включения обменника в общий список обменни-
ков. Ядро БРС РВ модифицирует списки сообщений и задач, ассо-
циированных с обменником, всякий раз, когда некоторая задача
выдает запрос на ожидание сообщения в данном обменнике или
в обменник поступает новое сообщение. Дисциплина обслуживания
сообщений и задач в обменнике основана на принципе «первым при-
шел — первым обслуживаешься». Например, если список сообще-
ний в обменнике содержит три сообщения иДсли некоторая задача
выдает запрос на ожидание сообщения в этом же обменнике, то она
немедленно получит головное из трех сообщений, после чего это
сообщение исключается ядром из списка. Если спустя некоторое
время эта же или какая-нибудь другая задача попытается получить
сообщение из того же обменника, тоХей^будет выдано очередное
сообщение из списка двух оставшихся сообщений.
Дескриптор обменника прерывания кроме полей, имеющихся
в дескрипторе обычного обменника, содержит три дополнительных
поля: ссылку на список системных сообщений о прерываниях,
длину сообщения о прерывании и тип сообщения. Эти три поля
с общей длиной 5 байтов формируются в обменнике при возникнове-
нии прерывания и должным образом используются задачей, ждущей
в данном обменнике сообщения о прерывании.
Кроме рассмотренных дескрипторов в БРС РВ можно использо-
вать еще и так называемые дескрипторы подуровней прерывания,
предназначенных для программного расширения числа аппаратных
уровней прерывания. Все дескрипторы формируются ядром БРС РВ
в тех областях основной памяти микроЭВМ, которые зарезервиро-
ваны программистом при описании конфигурации прикладной
системы реального времени.
Создавая на основе БРС РВ ту или иную прикладную систему
реального времени (в частности, систему программного управления
роботом), разработчик должен использовать в программах этой
системы операции ядра, играющие роль системных макрокоманд и
155

доступные для программирования на языке ассемблера и языке
ПЛ/М. Операции ядра дают возможность динамически создавать и
уничтожать задачи и обменники, приостанавливать или продолжать
выполнение ранее приостановленных задач, посылать, получать и
ждать прихода сообщений и осуществлять ряд других функций.
Проиллюстрируем в качестве примера применение операции ядра
RQSEND для передачи сообщения некоторой задаче. Пусть
PRINT — имя обменника, ассоциированного с задачей, ждущей
сообщение, a TEXT — имя передаваемого сообщения. Тогда тре-
буемую функцию можно выразить в виде следующего оператора
на языке ПЛ/М: CALL RQSEND (.PRINT, .TEXT);
Отметим особенности разработки прикладных систем реального
времени (ПС РВ) в среде БРС РВ. Любая ПС РВ включает ядро
БРС РВ, необходимые драйверы и произвольное число прикладных
программ, предназначенных для реализации требуемых функций
данной ПС РВ. Состав и характер взаимодействия прикладных
программ определяются разработчиком ПС РВ на стадии проекти-
рования системы. Программы записываются на языках ассемблера
и ПЛ/М. Кроме этих программ разработчик ПС РВ должен сформи-
ровать конфигурационный модуль системы, представляющий собой
набор таблиц, в которых содержится информация о задачах, обмен-
никах и подуровнях прерываний разрабатываемой ПС РВ. Конфигу-
рационный модуль оформляется разработчиком сначала на стандарт-
ном бланке конфигурации системы. В этот бланк включаются только
те задачи, обменники и подуровни прерываний, которые определены
разработчиком для этапа инициализации ПС РВ. Информация
о создаваемых динамически задачах, обменниках и подуровнях пре-
рываний в конфигурационном модуле (т. е. и в бланке) отсутствует.
На основе информации, содержащейся в заполненном бланке
конфигурация, программист должен записать на языке ассемблера
программный модуль, отражающий всю эту информацию в строгом
соответствии с фиксированным форматом конфигурационного мо-
дуля ПС РВ. В частности, при кодировании дескрипторов задач про-
граммист обязан сохранять правильные последовательность и размер
полей.
Транслированный конфигурационный модуль используется ядром
БРС РВ в качестве управляющей структуры данных на этапе ини-
циализации ПС РВ, соответствующей данному конфигурационному
модулю. К этому времени должны быть написаны, транслированы
и загружены в основную память микроЭВМ программы для всех
задач, указанных в конфигурационном модуле. В процессе инициа-
лизации формируются перечисленные в этом модуле дескрипторы
задач, дескрипторы подуровней прерываний и обменники. После
этого ядро БРС РВ передает управление задаче с высшим приори-
тетом, т. е. осуществляет старт ПС РВ. В дальнейшем, в ходе работы
ПС РВ, ее конфигурация может изменяться, т. е динамически
могут быть созданы новые задачи, обменники и подуровни прерыва-
ний или уничтожены некоторые исходные задачи, обменники и под-
уровни прерываний,
156

При использовании достаточно простых роботов может оказаться
так, что управляющая ЭВМ, даже если это малопроизводительная
микроЭВМ, в процессе управления единственным роботом большую
часть времени находится в состоянии ожидания. В такой ситуации
с экономической точки зрения целесообразно возложить на эту
ЭВМ функции одновременного управления несколькими роботами.
Операционная система для управления группой роботов усложняется,
но и в этом случае она может быть построена на основе подходя-
щей ОС РВ общего назначения, подобной, например, БРС РВ [50].
Наиболее проста ситуация, когда роботы, входящие в одну группу,
относятся к одному и тому же классу и независимо друг от друга
выполняют одинаковую работу, находясь в разных местах произ-
водственного участка. При этом в памяти управляющей ЭВМ доста-
точно иметь единственную копию общей программы, определяющей
функционирование каждого из роботов. Операционная система
такого робототехнического комплекса должна создать задачу для
каждого из роботов, входящих в группу. Поскольку роботы неза-
висимы друг от друга и выполняют одну и ту же работу, то создан-
ные задачи могут иметь одинаковый приоритет и не поддерживать
связи друг с другом.
Если однотипные роботы должны независимо друг от друга
одновременно выполнять разную работу, то, очевидно, и программы
управления ими будут различными. В зависимости от организации
операционной системы программы управления могут размещаться
в основной памяти ЭВМ полностью или загружаться операционной
системой по мере необходимости с внешнего устройства (например,
с гибкого магнитного диска). Механизм создания задач для роботов
при этом будет такой же, как и для роботов, выполняющих одина-
ковую работу. Рассмотренная ситуация справедлива и для группы
разнотипных независимых роботов с тем лишь отличием, что услож-
няется и возрастает по объему программное обеспечение комплекса
вследствие, например, возможной разнотипности исполнительных
устройств в разных роботах.
В общем случае роботы, входящие в группы, должны функциони-
ровать согласованно, совместно используя некоторые ресурсы и
обеспечивая различные стадии технологического процесса при ма-
нипулировании одними и теми же объектами. В такой ситуации
между задачами, создаваемыми операционной системой для роботов,
должна постоянно поддерживаться связь. Необходимость в коорди-
нации действий роботов существенно усложняет программное обеспе-
чение комплекса и требует применения более развитой операцион-
ной системы. В частности, в состав такой операционной системы
кроме уже рассмотренных в этом параграфе компонентов должен
входить распределитель общих ресурсов робототехнического ком-
плекса. Если, например, два робота должны забирать одинаковые
Детали с одной и той же позиции на подающем конвейере, то в каче-
стве общего ресурса можно трактовать конвейер. Для того чтобы
предотвратить столкновение роботов, в программе управления каж-
дого робота должна быть предусмотрена операция запроса на моно-
ft	157

польное использование конвейера. Этот запрос реализуется опера-
ционной системой. После того как робот возьмет деталь с конвейера,
в программе следует выполнить запрос на освобождение конвейера,
чтобы к нему мог затем обратиться другой робот. Оба типа запросов
могут быть оформлены в виде макрокоманд, подобных по смыслу
макрокомандам ENQ и DEQ в операционной системе ОС ЕС.
5.3. Языки и системы программирования роботов
В робототехнической системе, содержащей ЭВМ, для программи-
рования задач (действий) робота и контроля всей системы в целом
используется входной язык, или язык управления. Как уже отме-
чалось в п. 5.1, язык управления состоит из двух компонентов —
языка программирования робота и командного языка. В данном
параграфе рассмотрены особенности организации и применения
некоторых из наиболее известных языков программирования про-
мышленных роботов. Командный язык, будучи средством оператив-
ной коммуникации человека-оператора с робототехнической системой,
в гораздо меньшей степени, чем язык программирования, отражает
специфику роботов, и потому подробно обсуждаться не будет.
Прежде чем перейти к описанию языков программирования робо-
тов, остановимся на общей схеме системы для реализации произ-
вольной программы управления промышленным роботом, написан-
ной на некотором исходном языке (рис. 5.5). Такая программа в об-
щем случае выражает определенную последовательность деклараций,
действий робота, вычислительных операций, операций управления
датчиками и т. п. Готовая программа на исходном языке должна
быть сначала скомпилирована, в результате чего получается ее не-
которое внутреннее, или машинное, представление, которое запоми-
нается в ЭВМ. В случае необходимости (например, с целью после-
дующей модификации) запоминается и исходная программа. Ввод
исходной программы в робототехническую систему, а также кор-
рекция программы осуществляются, как правило, в диалоговом
режиме взаимодействия программиста с системой. Вследствие этого
компилятор должен обеспечивать пошаговую, или пооператорную,
Рис. 5.3. Схема реализации программы управления промышленным роботом
158

компиляцию исходной программы с немедленной выдачей сообще-
ний о выявленных в ней синтаксических ошибках.
При всем разнообразии форм внутреннего, или машинного, пред-
ставления программ можно выделить два крайних случая. Первый
из них соответствует способу «чистого» выполнения скомпилиро-
ванной программы. Для этого случая характерно то, что исходная
программа преобразуется компилятором в последовательность ма-
шинных команд, соответствующую, например, объектному модулю
в ОС ЕС. Такая последовательность может быть немедленно или
после дополнительной обработки редактором связей использована
для непосредственного выполнения на ЭВМ. Способ чистого выпол-
нения скомпилированных программ, будучи обычным для пакетного
режима работы больших и средних ЭВМ, редко применяется в управ-
ляемых от ЭВМ робототехнических системах, так как затрудняет
оперативную связь человека с роботом (например, приостановку
робота в незапланированных позициях его перемещения, текущий
контроль состояния системы, пуск робота после приостановки и т. п.).
Другая крайняя форма машинного представления программ со-
ответствует способу чистой интерпретации. При этом исходная
программа преобразуется компилятором в такую структуру данных,
которая может находиться во взаимно однозначном соответствии
с исходной программой и, следовательно, допускает ее полное вос-
становление.'’Возможность восстановления имеет важное значение,
так как, во-первых, позволяет обойтись для хранения в библиотеке
системы единственной формой представления программы и, во-вто-
рых, упрощает оперативную модификацию скомпилированной про-
граммы, поскольку все необходимые сведения о модифицируемой
программе система выдает при этом в терминах исходной программы.
В простейшем случае внутреннее представление программы может
совпадать с ее исходной формой, и на компилятор возлагаются лишь
задачи лексического и синтаксического анализа исходной программы.
Чаще, однако, с целью повысить быстродействие системы исполь-
зуется'отличная от исходной форма машинного представления,
например форма обратной польской записи [15]. Важнейшей отли-
чительной особенностью способа интерпретации является то, что
компилированная программа не может быть непосредственно вы-
полнена на ЭВМ. Ее можно лишь интерпретировать, причем эта
задача возлагается на особый системно-программный компонент,
называемый интерпретатором. Для интерпретатора компилирован-
ная программа играет роль исходных данных. Средства, необходимые
для установления и поддержания оперативной (диалоговой) связи
человека с программой на стадии ее интерпретации, могут быть за-
ложены в интерпретатор и другие компоненты системы, причем это
Делается во время разработки ситемы и поэтому не требует усилий
со стороны пользователя системы.
Время, необходимое для интерпретации программы, больше
времени ее «чистого» выполнения, причем степень замедления за-
висит от формы представления скомпилированной программы.
Поэтому способ интерпретации экономически невыгоден для боль-
159

Таблица 5.1. Языки и системы программирования
промышленных роботов
Язык (система)	Год раз- работки или пер- вой пуб- ликации	Страна	Язык (система)	Год раз- работки или пер- вой пуб- ликации	Страна
РОКОЛ	1976		ML	1975	США
ЯДРО	1972	СССР	MPL	1977	ФРГ
Язык директив	1977		PAL	1981	
ADL	1978	Англия	RAIL	1981	США
AL	1974		RAPT	1978	Англия
ALFA	1974	СТП А	ROBOTLAN	1974	Япония
AML	1981	к .111А	RPL	1979	ФРГ
AUTOPASS	1977		RTM	1982	США
EHOS	1971	Япония	SICiLA	1975	Италия
INDA	1979	Англия	TEACH	1980	
LAMA	1976	США	VAL	1977	США ,
LAMA—S	1979	Франция	WAVE	1974	
MAL	1977	Италия			
ших и средних ЭВМ. В робототехнических системах этот недостаток
способа интерпретации не имеет существенного значения, так как
робот является относительно медленным механическим устройством
и даже в малой управляющей ЭВМ (например, микроЭВМ) коэффи-
циент загруженности процессора обычно невелик. При этом допол-
нительные расходы времени на интерпретацию программ обычно не
оказывают заметного влияния на быстродействие системы в целом.
Обратимся теперь к языкам программирования роботов. Один
из первых языков такого рода — язык MANTRAN — создан в конце
60-х годов в Массачусетском технологическом институте (США)
[27, 35]. К настоящему времени в нашей стране и за рубежом раз-
работан целый ряд языков программирования роботов. Перечень
некоторых из наиболее известных таких языков приведен в табл. 5.1.
По степени детальности описания задач роботов все языки про-
граммирования роботов можно разделить на следующие три класса:
1) языки манипуляций руками и захватами робота; 2) языки ма-
нипуляций объектами, с которыми должен иметь дело робот; 3) языки
спецификации задач.
Языки первого из перечисленных классов наиболее многочис-
ленны. Они обеспечивают возможность описания действий роботов
в терминах движений его рук, захватов, а также в терминах состоя-
ний устройства очувствления. Достоинство языков первого класса
заключается в относительной простоте их реализации, а существен-
ный недостаток — в необходимости тщательного изучения всей по-
следовательности действий робота при выполнении той или иной
задачи и разложения этой последовательности на элементарные дви-
жения робота. К языкам первого класса можно отнести, например,
такие языки (см. табл. 5.1), как РОКОЛ, ALFA, MAL, ML, SIGLA,
VAL, WAVE и др.
160

Языки второго класса обычно основаны на Использовании м0>
делен тех объектов внешней среды, которыми должен манипулиро-
вать робот. Степень детальности моделей различна в разных языках
данного класса. Наличие моделей существенно усложняет реализа-
цию языков второго класса по сравнению с языками первого класса,
но зато упрощает программирование роботов, так как каждая задача
робота в этом случае может быть достаточно естественно выражена
в терминах манипулирования объектами, т. е. в терминах более
крупных «строительных блоков», чем движения рук и захватов.
В качестве примеров языков второго класса можно назвать языки
AL, AUTOPASS и RAPT.
И наконец, языки третьего класса относятся к высшему уровню
языков программирования роботов. Будучи весьма сложными в реа-
лизации, эти языки дают возможность описывать задачи роботов
в наиболее естественной и компактной форме, причем в таком описа-
нии специфицируется содержание задачи («что делать»), а не способ
ее выполнения («как делать»). Для обеспечения такой возможности
система программирования робота должна содержать детальные
модели внешней среды, в которой функционирует робот, а также
развитые средства планирования действий робота в соответствии со
спецификацией каждой выполняемой задачи.
Языки третьего класса создаются на основе теории искусствен-
ного интеллекта. В настоящее время из-за сложности разработки
и реализации эти языки пока еще не нашли широкого применения
для промышленных роботов и используются главным образом при
исследовании проблем искусственного интеллекта в лабораторных
условиях. К таким языкам относятся CONNIVER, PLANNER,
MICROPLANNER, POPLER, QLISP, SAIL и др. [38]. Ниже будут
рассмотрены два языка для программирования промышленных робо-
тов — SIGLA и AL, являющиеся типичными и весьма развитыми
представителями языков программирования роботов первого и вто-
рого классов соответственно. Сведения о других языках читатель
может получить из литературных источников [35, 38, 39, 47, 48].
Язык SIGLA * разработан фирмой «Оливетти» (Olivetti, Ита-
лия) и предназначен для программирования промышленных роботов
обширного их семейства «SIGMA», в которое входит ряд различных
типов роботов. Базовый робот этого семейства имеет две руки с тремя
степенями подвижности каждая (поступательные движения вдоль
трех осей координат). Управление осуществляется общим для всех
степеней подвижности устройством, главными аппаратными компо-
нентами которого служат микроЭВМ LSI-11, модули АЦП и ЦАП,
модули управления шаговыми двигателями (с шагом 0,05 мм) и кон-
соль оператора. Путем добавления дополнительных стандартных
Модулей число степеней подвижности каждой руки робота может быть
увеличено до 8.
Язык SIGLA предназначен для диалогового взаимодействия
человека-оператора с управляемой от ЭВМ робототехнической систе-
* Название происходит от слов. SIGma LAnguage.
6 Р. Ю. Бансявичюс и др.
161

1
мой. Важнейшие свойства этого языка — простота команд и опера-
торов, возможность параллельного выполнения нескольких задач
(например, для одновременного координированного управления
разными руками робота), использование режима интерпретации
программ на этапе их выполнения и расширяемость по желанию
пользователя. SIGLA состоит из двух основных частей — команд-
ного языка и языка программирования. Кроме того, программисту
доступны особая группа команд для целей указания и редактирова-
ния текста, а также пультовые операции микроЭВМ LSI-11,
совпадающие с пультовыми операциями отечественной микроЭВМ
«Электроника-60».
Командный язык необходим для описания конфигурации робото-
технической системы, ввода в память ЭВМ программ управления
роботом, получения сведений о наличии свободной памяти и содер-
жимом файлов, загрузки перфолент и занесения данных в основную
память ЭВМ, проверки выполнения рабочего цикла роботом и выпол-
нения других функций. Предложения командного языка называются
командами. Команды могут вводиться в систему с телетайпа в ответ
на сообщение системы OPER?. Печать этого сообщения может быть
инициирована человеком-оператором с пульта управления или осу-
ществляться автоматически после выполнения предыдущей команды.
Каждая команда должна быть представлена при вводе в следу-
ющем формате:
(имя команды) {(список параметров)};
причем имя команды состоит из двух латинских букв, а список
параметров содержит один или несколько числовых параметров,
разделенных запятыми. Выражение в фигурных скобках для неко-
торых команд может быть повторено несколько раз (в общем случае
с различным списком параметров в каждом выражении ) или совсем
отсутствовать. Состав команд языка SIGLA приведен ниже:
Имя команды	Назначение команды
MD	Получение сведений о распределении памяти ЭВМ
IN	Ввод операторов языка программирования
LI	Печать файла
DU	Перфорация файла
ST	Ввод данных в файл с перфоленты
MA	Выполнение рабочего цикла одной или не- сколькими руками робота
SA	Последовательное выполнение нескольких ра- бочих циклов
AU	Последовательное автоматическое выполнение нескольких рабочих циклов
CA	Описание конфигурации системы
LM	Чтение данных с внешнего устройства в основ- ную память
SM	Печать и перфорация данных из основной памяти
162

Сразу после включения системы человек-оператор должен на-
брать на пульте управления определенный код и ввести его в систему
с помощью соответствующей кнопки. Вслед за этим на телетайпе
будет напечатано сообщение OPER?, на которое оператор может
ответить с клавиатуры телетайпа именем требуемой команды и,
если надо, списком ’ или списками параметров. Дальнейшие дей-
ствия определяются .в зависимости от требуемых функций си-
стемы.
Обратимся теперь к языку программирования, образующему
второй компонент полного языка SIGLA. Этот компонент, который
для краткости будем иногда называть просто языком SIGLA, пред-
назначен непосредственно для программирования задач, выполняе-
мых роботом. Предложения языка программирования называются
операторами. Последовательность операторов, специфицирующая
некоторую задачу робота, представляет собой программу, или файл.
Во многих операторах языка SIGLA могут быть использованы опе-
ранды, или параметры, которые записываются в виде символических
имен и числовых констант. Параметры отделяются от имени опера-
ции наклонной чертой, а друг от друга запятой. Список параметров
завершается точкой с запятой. В целом предложения языка програм-
мирования имеют такую же синтаксическую структуру, как и пред-
ложения командного языка.
Символическое имя параметра должно начинаться с латинской
буквы Р, вслед за которой записывается номер в виде целого числа
от 1 до 16 (например, Р5 или Р14). Такое правило ограничивает число
различных параметров, используемых в одном файле, значением 16.
Один и тот же параметр может быть записан в нескольких различ*
вых операторах.
Каждому используемому параметру должно быть присвоено
некоторое числовое значение со знаком или без знака. Для этой
цели предназначен оператор установки значения SE. Например,
оператор
SE/P4.200;
присвоит параметру Р4 положительное значение 200.
В языке SIGLA вся доступная для данных основная память управ-
ляющей ЭВМ трактуется как набор именованных счетчиков. Имя
счетчика начинается с латинской буквы М, за которой должен сле-
довать номер в диапазоне от 1 до 1023. Каждый счетчик занимает
одно 16-разрядное слово основной памяти и может хранить любое
целое число, которое помещается в таком слове. Объем основной
памяти, резервируемой под счетчики, определяется наибольшим
используемым в файле номером счетчика, даже если фактически
требуется всего несколько счетчиков. Имена счетчиков могут запи-
сываться в операторах наряду с параметрами. Например, оператор
JU/M7 обеспечит безусловный переход к оператору, номер метки
которого хранится в счетчике М7.
Язык SIGLA содержит средства косвенной адресации счетчиков.
Косвенная ссылка в операторе обозначается латинской буквой I,
б"	163

за которой записывается номер от 1 до 16. Она ассоциируется в файле
с параметром, номер которого совпадает с номером косвенной ссылки.
При этом значение параметра интерпретируется как номер некото-
рого счетчика, а значение этого счетчика и есть та величина, которая
необходима для выполнения оператора. Если, например, Р5 = 2
и М2 = 1000, то оператор МО/1,15 эквивалентен по своей конечной
цели оператору М.О/1, 1000 (оба оператора обеспечивают выполнение
1000 шагов двигателем 1).
Состав операторов языка SIGLA, разделенный на восемь групп,
приведен в табл. 5.2. В первую группу входят три общих оператора
управления двигателями и вспомогательными компонентами ро-
бота. Каждая пара операндов A,, N, в операторе ЛЮ специфицирует
перемещение двигателя, определяемого величиной А,, на число
шагов, задаваемое величиной N;, причем максимальное значение
индекса i равно числу рук у робота и не превышает 8. Оба операнда
в каждой паре можно записывать в виде целого числа или имени
параметра. Кроме того, операнды Nj можно задавать и с помощью
косвенных ссылок. Операндами в следующем операторе ОМ служат
номера двигателей (целые числа или параметры). И наконец, в опе-
раторе АХ операнды представляют собой номера вспомогательных
компонентов робота, выбираемые в соответствии с фиксированной
таблицей. Типичный характер управления — активация или деак-
тивация захвата (в зависимости от знака, стоящего перед его но-
мером).
Два оператора следующей группы предназначены для приоста-
новки на неопределенное или заданное время той руки, которой
управляет соответствующая программа или файл. Движение руки,
приостановленной на неопределенное время, может возобновить
человек с пульта управления.
Единственный оператор третьей группы РР обеспечивает про-
верку наличия некоторого внешнего сигнала и переход на метку С2
при наличии сигнала. Номер и проверяемая полярность сигнала
задаются первым операндом.
Четвертая группа операторов предназначена для реализации
пространственных операций руками робота. Например, типичный
оператор этой группы SI позволяет для некоторой фиксированной
позиции, номер которой определяется первым операндом Е, ука-
зать желаемые состояния двигателей, задаваемые числом шагов
относительно исходного положения с помощью операндов А1(
А2, ..., Ад.
Операторы пятой группы обеспечивают спецификацию счетчиков,
установку и модификацию значений параметров и счетчиков. Наи-
более часто используемый оператор этой группы — оператор SE,
который устанавливает для переменной, соответствующей первому
операнду, значение, задаваемое вторым операндом. Пример записи
этого оператора приводился раньше. Другим часто используемым
оператором пятой группы является оператор IC, осуществляющий
наращивание значения, соответствующего первому операнду, на
значение, задаваемое вторым операндом,
164

Таблица 5.2. Состав операторов языка программирования S1GLA
Имя опера- тора	Список операндов	Назначение оператора
МО	Ai> Nj, A8,fN8	Управление шаговыми двигателями
ом	Ai> A2, As j	Установка двигателей в исходное состоя-
	^9	ние
АХ	Bl, B2,	Bn	Управление вспомогательными компонен- тами
HL	—	Приостановка руки робота
WA	T	Приостановка руки на заданное время
РР	Ci, c2	Проверка внешнего сигнала
II	—	Повторное управление двигателями от- носительно текущего положения
QA	D	Предотвращение коллизии рук
SI	E, Ai, Ag	Установка «нуля» двигателей для заданной позиции
CI	E	Управление двигателями со ссылкой на
		соответствующий оператор SI
SE	Fi, F2	Установка значения («присваивание»)
IC	Ft, F2 G	Наращивание значения
NE		Отрицание значения
AM	Hi, Ji, .... Hn, Jn	Наращивание счетчиков
DM	HX, Jj, • ••» Hn, Jn	Спецификация счетчиков н их значений
NT	K1	 Кп. н	Вывод счетчика на телетайп
NU	L	Порождение (спецификация) метки для следующего оператора
JU	L	Передача управления на помеченный опе- ратор
ES	M	Спецификация события для оператора EW
EW	M	Ожидание события, порожденного опера- тором ES
BE	Pi, p2> p8	Переход при условии Pj = Р2
BG	Pi, p2, p2	Переход при условии Pj > Р2
BL	Pi, Pt, p2	Переход при условии Pj < Р2
EX	R> Sj	sn	Обращение к другому файлу (подпрограм- ме)
RP	А, В, C, D, E, F, G, H	Перемещение до касания поверхности
MT	А, В, C	Запоминание сигнала с датчика
165

Оператор шестой группы NT реализует печать на телетайпе
алфавитно-цифровых знаков Кх,  , Кк (не более 8) и содержимого
счетчика, задаваемого последним операндом Н.
Седьмую группу образуют операторы управления выполнением
программы. Первый оператор этой группы формирует числовую
метку для следующего за ним оператора. Созданная метка может быть
использована для передачи управления помеченному оператору
от операторов JU, BE, BG, BL. Операторы ES и EW предназначены
для генерации событий и ожидания этих событий соответственно и
представляют собой средства для синхронизации параллельно вы-
полняемых процессов. И наконец, оператор ЕХ необходим при обра-
щении к другой программе или файлу. Первый операнд при этом
представляет собой номер вызываемого файла, а остальные опе-
ранды — список присваиваемых значений. Этот список может и
отсутствовать.
В восьмую группу входят две команды: RP и МТ. Первая из них
позволяет контролировать момент прикосновения руки робота к не-
которой поверхности и должным образом реагировать на это собы-
тие. Операнды в этой команде имеют следующий смысл: А — номер
датчика, который должен регистрировать факт прикосновения;
В — шаг движения по соответствующей оси; С — ожидаемое усилие
соприкосновения; D — максимальная длина проходимого пути;
Е — номер двигателя; F — время ожидания между соседними ша-
гами перемещения; G — номер метки ветвления, если соприкосно-
вение не произошло; Н — номер метки ветвления при наличии со-
прикосновения. Вторая команда МТ обеспечивает запоминание сиг-
нала с датчика, причем А — номер датчика, В представляет собой
счетчик для запоминания сигнала, а С — время ожидания между
моментами установки датчика и его считыванием.
Ниже приведен пример программы, написанной на языке SIGLA:
NU/6;
SE/M1.0;
АХ/—15,—1;
МО/1,500,2,3000;
NU/5;
МО/3,2500;
RP/3,40,45,40,3,1,2,3;
NU/2;
МО/3,1500;
IC/M1.1;
BG/M1,3,4;
JU/5;
СОЗДАТЬ МЕТКУ 6
ОЧИСТИТЬ СЧЕТЧИК Ml
ПРОДВИНУТЬ ШТОК ВПЕРЕД,
ОТКРЫТЬ ЗАХВАТ
ДВИГАТЕЛЬ 1 — ВПЕРЕД НА
500 ШАГОВ
ДВИГАТЕЛЬ 2 —ВПЕРЕД НА
3000 ШАГОВ
ЦИКЛ ПОИСКА ДЕТАЛИ
’ДВИГАТЕЛЬ 3 —ВВЕРХ НА
2500 ШАГОВ
ОПУСКАТЬ РУКУ ВНИЗ
НЕТ КОНТАКТА С ДЕТАЛЬЮ
ПОДНЯТЬ РУКУ
ПРИРАЩЕНИЕ СЧЕТЧИКА Ml
ПРОВЕРИТЬ ЧИСЛО ПОПЫТОК
ПОВТОРИТЬ, ЕСЛИ МЕНЬШЕ ТРЕХ
попыток
16S

NU/4;
МО/3,1500;
АХ/15;
HL;
JU/6;
NU/3;
АХ/1;
WA/5;
МО/3,1500;
АХ/15;
FI
БЕЗУСПЕШНЫ ТРИ ПОПЫТКИ
поднять РУКУ
ВЕРНУТЬ ШТОК НАЗАД
ОСТАНОВ
РУЧНОЙ ЗАПУСК НА новый цикл
ЕСТЬ КОНТАКТ С ДЕТАЛЬЮ
ЗАКРЫТЬ ЗАХВАТ (ВЗЯТЬ ДЕТАЛЬ)
ЖДАТЬ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАХВАТА
(ОЛ С)
ПОДНЯТЬ ДЕТАЛЬ НА 1500 ШАГОВ
ВЕРНУТЬ ШТОК НАЗАД
Программа управляет работой одной руки робота, состоящей
из штока и захвата, причем шток имеет номер 15, а захват — номер 1.
Задача состоит в том, чтобы захватить прямоугольную деталь из
стопки одинаковых деталей, расположенной на площадке с гори-
зонтальными координатами X = 500 и Y = 3000, заданными в еди-
ницах шагов двигателя. Координате X соответствует двигатель 1,
координате Y — двигатель 2, а координате Z — двигатель 3. Текст
программы достаточно подробно прокомментирован и не нуждается
в дополнительных пояснениях. Отметим лишь, что ввод операторов
программы следует завершить командой FI, как показано в при-
мере.
Перед началом ввода операторов программы должна быть подана
команда IN с параметром, специфицирующим числовое имя, или но-
мер, создаваемой программы в памяти управляющей ЭВМ. Создан-
ная программа может быть использована любой другой программой.
Для этого в вызывающей программе должен быть оператор ЕХ,
в котором первый (или единственный) операнд представляет имя
вызываемой программы. Например, если в вызывающей программе
параметр Р4 имеет значение 5, то оператор ЕХ/Р4 в этой программе
обеспечивает обращение к программе с номером 5.
Для выполнения той или иной задачи роботом может потребо-
ваться несколько разных программ. Первая, или головная, из них
может быть запущена человеком с системной консоли любой из трех
команд: МА, SA или AU. Остальные программы вызываются автома-
тически в процессе выполнения головной и других запущенных ею
программ.
Операторы ES и EW в языке SIGLA дают возможность организо-
вать параллельно выполняемые программы. Максимальное число
таких программ 64. Степень параллелизма, а также необходимые
точки синхронизации параллельно выполняемых программ задаются
самим программистом.
Рассмотрим теперь один из наиболее развитых языков второго
класса — язык AL. Язык и система AL разработаны в Стэнфорд-
ском университете (США) применительно к роботу с двумя руками,
предназначенному для выполнения сборочных операций. Система
используется с 1975 г. и к настоящему времени прошла целый ряд
167

модификаций. Не останавливаясь на детальном описании этой си-
стемы, отметим лишь, что в ее состав входят две ЭВМ — фоновая и
управляющая. Фоновая ЭВМ образует основу подсистемы, с помощью
которой в диалоговом режиме создаются, компилируются и накап-
ливаются в библиотеке на магнитном диске программы для задач
робота. Фоновая ЭВМ аппаратно связана с управляющей микроЭВМ,
основной функцией которой является выполнение в интерпретирую-
щем режиме компилированных AL-программ, т. е. непосредственное
управление роботом.
Перейдем к более подробному обсуждению языка AL. По своей
синтактической структуре этот язык подобен универсальному языку
программирования АЛГОЛ-60, вобрав из него блочную организацию
программ, способ декларации (описания) типов данных, операторы
перехода и цикла, условный оператор, способы записи арифметиче-
ских и логических выражений, стандартные математические функ-
ции, а также аппарат процедур. В язык AL включены следующие
новые типы данных, отсутствующие в языке АЛГОЛ-60: EVENT
(событие), FRAME (фрейм, или система координат), PLANE (плос-
кость), ROT (вращение относительно заданного вектора),
SCALAR (простая переменная), TRANS (преобразование) и VECTOR
(вектор). Среди перечисленных типов данных особое значение имеет
тип EVENT, который позволяет специфицировать в программе так
называемые событийные переменные и затем использовать их в опе-
раторах SIGNAL и WAIT для синхронизации параллельных про-
цессов. Весьма важен также тип FRAME, который позволяет с каж-
дым объектом манипулирования робота, а также с руками и захва-
тами самого робота ассоциировать поименованные индивидуальные
системы координат, или фреймы. Все движения, необходимые роботу
для выполнения требуемой задачи, выражаются в программе в тер-
минах перемещения соответствующих фреймов.
В программе на языке AL можно применять два типа блоков —
обычный и распараллеливаемый. Обычный блок по своей структуре
полностью совпадает с блоком языка АЛГОЛ-60. Внутри блока мо-
гут быть другие блоки, декларации, обращения к подпрограммам
и процедурам, комментарии (в фигурных скобках) и прочие операторы
языка AL.
Распараллеливаемый блок характеризуется тем, что может быть
запущен на выполнение одновременно с некоторым другим или дру-
гими блоками. В отличие от обычного блока, в распараллеливаемом
блоке в качестве блочных скобок используются ключевые слова
COBEGIN и COEND.
Важной сообенностью языка AL является возможность задавать
не только тип, но также размерность и единицы измерения декла-
рируемых объектов данных. Для указания размерности объекта дан-
ных служат ключевые слова TIME (время), MASS (масса), ANGLE
(угол). Этот стандартный список ключевых слов можно расширить
с помощью оператора DIMENSION.
Единицу измерения объекта данных можно указать с помощью
ключевого слова из стандартного списка СМ (сантиметр), GM (грамм),
168

SEC (секунда) и DEG (градус). Программист может расширить этот
список с помощью оператора DEFINE.
Рассмотрим те операторы языка AL, которые определяют его
специфику как языка программирования роботов. Первым из таких
операторов является основной оператор движения MOVE. Доста-
точно общая форма этого оператора такова:
MOVE (фрейм1) ТО (фрейм 2)
VIA (позиции)
WITH (требования)
ON (условия),
где «фрейм 1» и «фрейм 2» — имена исходного и целевого фреймов
соответственно; «позиции» — последовательность фраз, специфи-
рующих некоторые особые положения исходного фрейма на траекто-
рии его перемещения (возможно, с указанием скорости в каждом
из таких положений); «требования» — фразы, конкретизирующие
параметры перемещения исходного фрейма (например, длительность
перемещения); «условия» — перечисления некоторых условий и до-
пустимых действий в случае возникновения этих условий. Пример
оператора'MOVE:
MOVE BRACKET ТО POS
VIA PLACE WHERE VELOCITY= 10*CM/SEC
WITH DURATION = 5 * SEC
ON FORCE(ZHAT)>50* GM
DO STOP;
Данный оператор задает перемещение фрейма BRACKET в по-
зицию фрейма POS через позицию PLACE, в которой скорость пере-
мещения должна быть равна 10 см/с. Длительность перемещения
составляет 5 с. Если в процессе движения усилие вдоль оси ZHAT
превысит 50 г, то необходимо прекратить движение.
Для управления движением рук робота существуют еще два опе-
ратора — SEARCH и CENTER. Первый из них удобен в том случае,
если робот должен осуществить поиск некоторого объекта по спирале-
видной траектории на плоскости. В этом операторе, как и в основном
операторе движения, можно записывать условия и выполняемые
действия при возникновении определенных условий. Кроме того,
в операторе SEARCH можно записать блок, конкретизирующий
характер движения в процессе поиска. Второй из названных выше
В операторов — оператор CENTER — применяется для того, чтобы
приблизить захват робота к заданному объекту и сцентрировать
пальцы относительно этого объекта с помощью датчиков прикосно-
вения.
Для управления захватами робота в языке AL предусмотрен ряд
f операторов таких, например, как OPEN, GRASP, DRIVE, SCREW
। и RELEASE.
I Как уже отмечалось выше, объектам действий робота, а также
рукам и захватам самого робота в программе назначается тип
Е FRAME, специфицирующий некоторую индивидуальную систему
I	J69

1
координат, или фрейм. Если в ходе выполнения задачи роботом
положение объекта изменилось, то автоматически модифицируется
соответствующий этому объекту фрейм. Одно из достоинств языка AL
состоит в том, что он позволяет устанавливать жесткую или гибкую
связь между фреймами разных объектов, причем характер связи
может быть при необходимости выражен в форме некоторого преобра-
зования. Для этой цели используется оператор AFFIX, имеющий
следующую общую форму:
AFFIX (фрейм1) ТО (фрейм2)
BY (преобразование)
(связь),
где «фрейм 1» и «фрейм 2» — имена соединяемых фреймов; «преоб-
разование» — характер преобразования, переводящего фрейм 1 во
фрейм 2; «связь» — тип связи соединяемых фреймов. Связь может
быть жесткой (RIGIDLY) или нежесткой (NONRIGIDLY). При
указании жесткой связи любое перемещение одного из соединенных
фреймов автоматически модифицирует второй фрейм. В случае не-
жесткой связи любое движение фрейма 2 модифицирует и фрейм 1,
но движение фрейма 1 не влияет на фрейм 2.
Аппарат соединения фреймов очень удобен для записи операторов
спецификации движений. Например, если движущаяся рука робота
захватила требуемый объект, фрейм которого был затем присоеди-
нен к фрейму этой руки, то в оставшейся части программы движе-
ния можно определять в терминах схваченного объекта. При необ-
ходимости соединенные фреймы можно разъединить, т. е. сделать
их независимыми друг от друга. Для этого достаточно применить
оператор UNFIX, записываемый в следующей форме:
UNFIX (фрейм1) FROM (фрейм2),
в котором операндами являются имена разъединяемых фреймов.
Заканчивая обсуждения языка AL, отметим еще одно его важное
достоинство — наличие достаточно развитых средств для органи-
зации параллельных процессов и их синхронизации. Параллельность
выполнения процессов можно задавать путем обрамления програм-
мных блоков, соответствующих распараллеливаемым процессам,
«скобками» COBEGIN и COEND, о чем уже упоминалось раньше.
Для синхронизации параллельных процессов следует внутри бло-
ков COBEGIN ... COEND применять операторы SIGNAL и WAIT,
операндом которых должна быть переменная типа EVENT, или со-
бытийная переменная. По своим функциям операторы SIGNAL
и WAIT аналогичны макрокомандам POST и WAIT в операционной
системе ОС ЕС. Разумеется, каждая событийная переменная должна
быть глобальной по отношению ко всем параллельным блокам,
в которых она используется. При необходимости в программе
на языке AL можно указать временной порядок выполнения по-
меченных операторов. Для этого следует применить оператор вида
PREREQUISITE OF (метка2) IS (метка!),
который обеспечивает выполнение оператора с меткой 2 только после
170

того, как оператор с меткой 1 завершится. Оба оператора могут на-
ходиться в разных параллельных блоках. Программист имеет воз-
можность также задавать слабую или строгую синхронизацию
траекторий движения обеих рук робота. При слабой синхронизации
достаточно потребовать одновременного прохождения рук через
некоторые особые точки траекторий. Для этой цели в операторе
движения следует везде, где записан один операнд, заменить его
двумя величинами, разделенными двоеточием. При этом обе вели-
чины определяют положение левой и правой рук в точке, соответ-
ствующей данному операнду. Строгую синхронность обеих рук робота
можно задать с помощью фразы COORDINATING в операторе дви-
жения. Вслед за этой фразой следует записать выражение, связы-
вающее фреймы двух рук в ходе их движения.
Ниже приведен фрагмент программы на языке AL, предназначен-
ной для управления процессом несложной механической сборки:
FRAME BEAM,BRACKET,BOLT;
FRAME BRACKET. BORE,BEAM BORE;
FRAME BOLT GRASP,BRACKET, HANDLE;
AFFIX BEAM. BORE TO BEAM RIGIDLY
AT TRANS (ROT(Y,90*DEG),VECTOR (0,1.5,6));
MOVE‘ARM’ TO BRACKET HAHDLE;...................
GRASP;
AFFIX BRACKET TO ARM;
MOVE BRACKET, BORE TO BEAM BORE;
RELEASE;
UNFIX BRACKET;
MOVE ARM TO BOLT, GRASP;
GRASP;
AFFIX BOLT TO ARM;
MOVE BOLT TO BEAM BORE;
SCREW;
RELEASE;
UNFIX BOLT;
MOVE ARM TO PARK;
Задача робота состоит в том, чтобы на прямоугольной призме
(BEAM), имеющей резьбовое отверстие (BEAM, BORE), разме-
стить уголок (BRACKET) с отверстием (BRACKET, BORE) и закре-
пить этот уголок на призме с помощью винта (BOLT). Уголок следует
захватывать за ту из его двух плоских стенок, в которой нет отвер-
стия (BRACKET-HANDLE), а винт надо брать из магазина
(BOLT, GRASP). Перечисленные объекты действий робота специфи-
цируются как данные типа FRAME первыми тремя операторами
фрагмента. Следующий за ними оператор AFFIX жестко соединяет
фрейм резьбового отверстия с фреймом призмы’ и специфицирует
при этом его точное положение на призме. Оператор MOVE пере-
мещает неявно определенный фрейм руки ARM к фрейму захваты-
ваемой стенки уголка, а оператор GRASP обеспечивает захватывание
171

уголка. Следующий оператор AFFIX присоединяет фрейм уГолка
к фрейму руки. Так как фрейм отверстия уголка жестко связан
с фреймом уголка (это не отражено во фрагменте), то следующий
оператор MOVE обеспечивает перенос уголка к призме и совмещение
отверстия уголка с резьбовым отверстием призмы. По оператору
RELEASE захват освобождает уголок, и оператор UNFIX отсоеди-
няет фрейм уголка от фрейма руки. Аналогичная последовательность
операторов применена для того, чтобы взять винт из магазина, сов-
местить его с резьбовым отверстием призмы и завинтить (см. опера-
тор SCREW). Последний оператор в фрагменте обеспечивает отвод
руки в позицию PARK-
5.4. Алгоритмы и программы восприятия внешней
информации и распознавания объектов
Из систем очувствления современных роботов наиболее интен-
сивно в настоящее время развиваются две: тактильная и зрительная.
При тактильном распознавании формы объектов используется блок
первичной обработки информации, чувствительным элементом ко-
торого является рецептивная тактильная матрица (см. п. 3.2).
Точность распознавания с помощью тактильной матрицы составляет
95—100 %, причем ответ ЭВМ содержит признак принадлежности
поверхности к определенному классу, вектор ориентации ее относи-
тельно матрицы и радиус кривизны (для криволинейных поверхно-
стей).
Более информационно емким является зрительный канал связи
автоматической системы с внешней средой, поэтому он играет ре-
шающую роль в процессах выработки управляющих воздействий СУ
робота. Можно назвать два способа реализации зрительной информа-
ции [26]: с предварительной обработкой данных телевизионного
изображения и последующим управлением роботом при разорван-
ной связи с внешней средой; с постоянной зрительной связью со
средой, обеспечивающей непрерывную коррекцию управляющих
воздействий в соответствии с поступающей зрительной информацией.
Система обработки зрительной информации анализирует изображение
и выдает его описание, вид которого существенно зависит от решае-
мой роботом задачи. В простейшем случае описание сводится к ут-
верждению: «в поле зрения нет объектов» или «в поле зрения есть
объект», что характерно при операциях с однотипными деталями.
Следующий уровень сложности описания заключается в выделении
из совокупности объектов требуемого объекта. Для этого робот
должен уметь регистрировать наличие объектов и, используя какие-
либо признаки, отличать их друг от друга. В настоящее время
наиболее отработаны системы распознавания двухмерных форм,
так как исторически первым этапом в решении проблемы автомати-
ческого распознавания образов с помощью искусственного зрения
были задачи распознавания плоских изображений [13].
Рассмотрим алгоритмы зрительного распознавания образов при-
менительно к технологическим задачам разбраковки и ориентации
172

Рис. 5.6. Укрупненные схемы алгоритмов
зрительного распознавания образов при-
менительно к технологическим задачам:
а — разбраковки; б — ориентации плос-
ких объектов
по топологии плоских объек-
тов. В общем (укрупненном)
виде алгоритмы распознавания
двухмерных изображений для
указанных задач представлены
на рис. 5.6. Развернем укруп-
ненный алгоритм распознава-
ния применительно к задаче
пространственной ориентации
объекта, топология одной из
плоскостей которого представ-
ляет собой регулярную струк-
туру с зачерненными угловыми
областями различной площади;
Fr > F'r (рис. 5.7, а). Из раз-
вернутой схемы алгоритма вво-
да изображения’в память ЭВМ
видно, что для синхронизации	flj
обмена данными использованы
два канала прерывания программы: «Требование А» и «Требо-
вание Б» (рис. 5.8). Начало ввода очередного столбца фиксируется
с помощью кадрового синхроимпульса, поступающего по каналу
«Требование Б». Когда очередной фрагмент строки записан в буфер-
ный регистр, по каналу «Требование А» подается сигнал, извещаю-
щий ЭВМ о том, что данные готовы к передаче.
Область изображения, подлежащая анализу, выделяется с по-
мощью «окна», формируемого ЭВМ в процессе ввода изображения.
Увеличение оптической системы и размеры программного «окна»
Рис. 5.7. Топология объекта и расположение диафрагмирующей рамки в локализованной
е	области изображения
173

Рис. 5.8. Схемы алгоритма ввода изображения в память ЭВМ:
а — обработка прерывания по каналу «Требование Б»; б — то же, по каналу «Требова-
ние А»
выбраны из условия анализа % Ап (А„ — площадь’проекции объ-
екта). В этом случае для однозначного определения положения
объекта необходимо установить ориентацию «гребенки» (см.
рис. 5.7, а) в системе координат х, у и знак угла путем подсчета за-
черненных площадей Fr, F'r в пределах диафрагмирующего окна D
(рис. 5.7, б). Алгоритм формирования окна D должен обладать адап-
тацией к смещению объекта в поле зрения оптической системы,
вызванного неточностями изготовления и наличием зоны нечувстви-
тельности в звеньях механизма ориентации.
Для определения ориентации «гребенки» и выделения границ
изображения применен метод поперечных сечений [31 ], при котором
анализ проводится не по всей площади изображения, а лишь вдоль
174

измерительных линий Н, и L, (см. рис. 5.7, б). При программном
сканировании изображения вдоль линий Hit L; получаем серии
черных и белых отрезков, которые после сглаживания могут быть
идентифицированы и промаркированы, так как расположение из-
мерительных линий на чертеже объекта известно. По координатам
отрезков рассчитывается ряд значений координат нижних границ
изображения хшщ, f/mm и после усреднения определяются коорди-
наты точек пересечения линий Я;, Lt с границами изображения.
Разброс значений координат этих точек не должен превышать допу-
стимого, в противном случае достоверность распознавания снизится.
Координаты других границ окна D определяются соотношениями
-^тах = Хт)ц Ц- Dx\ Утах — Уmin 4“ Dy,
где Dx, Dy заранее определены. Путем сравнения числа отрезков при
сканировании «гребенки» в продольном и поперечном направлениях
определяем ее ориентацию с точностью до рад. Окончательное
заключение о положении объекта делается после сравнения пло-
щади F4 с измеренной площадью Кчи в зоне изображения,’ограничен-
ной окном D. Развернутая схема алгоритма обработки и анализа
изображения объекта представлена на рис. 5.9.
При распознавании трехмерных тел функции зрительной системы
значительно сложнее, так как она должна быть чувствительной
к различным уровням детализации окружающей среды и иметь воз-
можность отбирать из избыточной нужную информацию для дости-
жения поставленной цели. Как показано в работе [14], зрительное
восприятие общей сцены и распознавание образов предполагает
поэтапную детализацию (анализ фрагментов) с последовательным
переходом с низших на более высокие уровни. Например, оценивая
интенсивность и распределение цвета, можно получить информацию
о текстуре, ребрах и углах объемных тел. Эта информация в свою
очередь позволяет выделить зоны, которые можно ассоциировать
в трехмерные тела. Затем тела идентифицируются как объекты
(призма, параллелепипед, цилиндр и т. п.) и выявляются взаимо-
связи между ними, т. е. компонуется сцена. Из сказанного вытекает
следующая последовательность процесса зрительного восприятия:
точки—линии—зоны—тела—объекты—общая сцена [14, 15].
В настоящее время при машинном зрительном восприятии трех-
мерных объектов применяются две программы: построение контур-
ных рисунков и определение местоположения основных, не закры-
вающих друг друга объектов с их идентификацией. В первом случае
с помощью локальных операций выделяется контурное изображение
фрагмента среды (сцены), анализ которого последовательно выпол-
няется ЭВМ. При этом используется дискретное изображение, ко-
торое запоминается в вычислительной машине в виде структуры,
состоящей из 120x120 элементов. В каждый из элементов может
быть записано 16 уровней (4 бита) информации об интенсивности
света. Однако при построении контурного рисунка часто возни-
кают искажения, существенно усложняющие анализ местоположе-
ния и идентификацию объектов. Вторая программа включает накоп-
175

Рис. 5.9. Схема алгоритма обработки и анализа изображения объекта:
ИМ — исполнительный механизм: Frn, ^ги— измеренные площади большой и малой за»
черненных областей; F^, F^, Fj, F' — предельные значения площадей
176

ление и интерпретацию признаков, получаемых с помощью локаль-
ных операторов. Она состоит из двух частей: списка локальных
операторов и процедуры исполнения. Локальные операторы обра-
батывают изображение с градациями яркости для осуществления раз-
личных проверок, например, проверки существования линии между
точками, нахождения всех линий, исходящих из данной точки и т. п.
Процедура исполнения исследует сцену, вызывая локальные опера-
торы и оценивая результаты на базе проведенных проверок и уже
накопленной информации о внешней среде [15, 25}. Поле зрения тела
камеры делится на 4096 точек (64X64), яркость каждой из которых
преобразуется в цифровой сигнал, направляемый в ЭВМ. На основе
полученной информации определяется местонахождение предмета.
Затем с целью более детального изучения формы предмета выявлен-
ная зона делится снова на 4096 участков и осуществляется сканиро-
вание этой зоны с последующим аналого-цифровым преобразованием
полученных сигналов. Если объект больше выделенной зоны, то
последняя перемещается по нему подобно тому, как взгляд человека
скользит по предмету [27].

Глава
РОБОТЫ И СЕРВИСНЫЕ
УСТРОЙСТВА МАНИПУЛИРОВАНИЯ
Основной тенденцией в развитии робототехники в настоя-
щее время является значительное увеличение выпуска и внедрения
в производство роботов и сервисных устройств для подачи, хранения
и ориентации изделий, являющихся основными структурными эле-
ментами АЛ, РТК и ГАП.
Для производства изделий микроэлектроники на базе свыше со-
рока моделей точных специализированных роботов [30] разработаны
и внедрены в промышленность автоматические линии операций диф-
фузии, окисления, очистки и др.
На операциях сварки и пайки микросхем, полупроводниковых
приборов, сборки кварцевых резонаторов, наручных часов, радио-
деталей и других изделий работают прецизионные специальные ро-
боты с элементами адаптации к нестабильностям технологических
факторов, режимов и т. п. Адаптивные роботы должны заменить че-
ловека, работающего с микроскопом и выполняющего операции, от-
личающиеся высокой точностью и стабильностью.
Применение роботов и сервисных устройств манипулирования
позволяет повысить коэффициент использования основного обору-
дования, улучшить и стабилизировать качество изделий.
6.1. Роботы для загрузки и сборки
миниатюрных изделий
Промышленные роботы, используемые в составе АЛ и РТК, как
правило, выполняют операции по захватыванию деталей из накопи-
тельных, ориентирующих, измерительных и других устройств и
установку их в изделие, тару. Поскольку номенклатура изделий
весьма обширна, возникает необходимость создания гибкого, легко
собираемого конструктивного набора механизмов и унифицирован-
ных элементов (приводов, датчиков, элементов пневмоавтоматики
и т. д.), из которых можно было бы компоновать роботы различных
модификаций.
Промышленные роботы с цикловым программным управлением
нашли шйрокое применение при создании тех РТК, в которых,
несмотря на недостатки роботов рассматриваемого класса, сущест-
венное значение приобрели их преимущества. Простота конструкции
178

таких роботов создает предпосылки их надежной работы и удобства
эксплуатации; обслуживание не требует привлечения высококвалифи-
цированного персонала. Низкая стоимость и высокое быстродей-
ствие в сочетании с высокой точностью установки объектов в места
позиционирования, приемлемые соотношения между размерами,
грузоподъемностью и скоростными показателями во многом опреде-
ляют эффективность применения роботов с цикловым управле-
нием.
В совокупности перечисленные факторы создают выигрышную
технико-экономическую ситуацию при выборе роботов данного класса
для использования при автоматизации.
Ограниченные манипуляционные возможности таких роботов
с обеспечением программирования лишь небольшого числа точек по-
зиционирования в пространстве, необходимость наличия в составе
РТК конструктивно сложных и трудоемких в изготовлении магази-
нов и приемно-передающих устройств — те особенности, которые
определяют узкую область их применения. В основном — это ма-
шины специального и специализированного назначения.
Наибольшее распространение в ПР с цикловым управлением
получил пневмопривод. Однако область его эффективного приме-
нения ограничивается грузоподъемностью роботов, равной 10—
15 кг. Это доказано многочисленными примерами отечественного
и зарубежного роботостроения [4, 36].
Кинематическая структура робота должна удовлетворять усло-
виям его сопряжения с технологическим оборудованием РТК- Из
анализа такого сопряжения вытекают требования к грузоподъем-
ности, точности, перемещениям захвата робота по всем координатам,
его размерам, динамическим параметрам, числу точек позициони-
рования по каждой из координат и т. д.
С учетом главного параметра — грузоподъемности — проводится
обоснование размерного ряда роботов, которые должны наиболее
полно и с наименьшими затратами обеспечивать в зависимости от
поставленных задач автоматизацию конкретных технологических
процессов.
Повышение степени универсальности робота усложняет его
конструкцию, что приводит к увеличению трудоемкости изготовле-
ния, повышению стоимости, снижению надежности и эксплуатацион-
ных качеств машины. Ограничение технологических возможностей
приводит к необходимости создания большого количества роботов
Для решения комплекса задач по автоматизации технологических
процессов.
Одним из прогрессивных направлений в развитии роботострое-
ния является создание роботов модульной конструкции. В каждом
отдельном случае степень универсальности с учетом принципа
модульности должна быть обоснована технико-экономически и рас-
смотрена во взаимосвязи с другими моделями роботов, образующих
размерный ряд.
Методический подход к обоснованию размерного ряда отечествен-
ных роботов с цикловым управлением и пневмоприводом, созданных
179

в одной из отраслей, изложен в работе [29]. Указанный отраслевой
размерный ряд включает роботы моделей «Циклон-5» грузоподъем-
ностью до 5 кг, «Ритм-05» грузоподъемностью до 0,5 кг. ПР модели
«Ритм-01» дополняет этот ряд и закрывает его со стороны наимень-
шей грузоподъемности.
ПР «Ритм-01» предназначен для автоматизации технологических
процессов штамповки, механической обработки и сборки и представ-
лен в трех модификациях (рис. 6.1). Каждая из рассматриваемых
модификаций — это комплекс, состоящий из манипулятора, устрой-
ства программного управления (УПУ) модели АС-2611 [А. с. 807213
(СССР) ] и модуля силового блока, объединенных электрокабелями
и пневматическими трубопроводами. Если УПУ и модуль силового
блока каждой из модификаций ПР «Ритм-01» имеет единое исполне-
ние, то манипуляторы конструктивно отличаются друг от друга.
Кинематическую схему манипулятора ПР «Ритм-01.01» опреде-
ляют пять степеней подвижности (рис. 6.1, а). Из них четыре сте-
пени являются транспортными: подъем-опускание руки, ее поворот
вокруг вертикальной оси манипулятора, поперечный сдвиг и выдви-
жение-втягивание руки. Поворот захвата вокруг горизонтальной оси
руки определяет единственную ориентирующую степень подвиж-
ности.
В манипуляторе ПР «Ритм-01.02» (рис. 6.1, б) на специальном
кронштейне закреплены две руки, а поперечный сдвиг руки отсут-
ствует. Одна из рук аналогична по конструкции двухстепенной
руке, устанавливаемой на манипуляторе ПР «Ритм-01.01». Вторая
рука — одностепенная. В ней отсутствует ориентирующая степень
подвижности.
180

рис. 6.2. Схема РТК механической
обработки заготовок с примеиеиием
ПР «Ритм 01.01»
В третьей модификации ма-
нипулятора ПР «Ритм-01.03»
(рис. 6.1, в) также отсутствует
поперечный сдвиг руки, а
рука по конструктивному ис-
полнению является двухсте-
пенной и закреплена на спе-
циальном кронштейне.
В каждой из модификаций
манипуляторов предусмотре-
на установка клещевых и
вакуумных захватов, кото-
рыми комплектуется робот.
Если кинематическая
схема манипулятора ПР
«Ритм-01.01» позволяет наи-
более удачно вписывать его
в РТК механической обработки, то исполнение манипулятора
ПР «Ритм-01.02» рассчитано на его предпочтительное при-
менение при автоматизации технологических процессов холодной
листовой штамповки на соответствующем прессовом оборудо-
вании.
ПР «Ритм-01.03» может быть использован при автоматизации
штамповки, механической обработки и сборки. При автоматизации
технологических процессов несложной сборки находит применение
и ПР «Ритм-01.02».
На рис. 6.2 в качестве примера показано применение ПР
«Ритм-01.01». Штрихпунктирными линиями изображена траектория
переноса манипулятором 5 заготовок 1 из исходного положения А
к шпинделю 6 токарного станка 4, к приемному 3 и бункерному 2
устройствам. Пояснение перемещений захвата манипулятора при
загрузке и разгрузке станка с наименованием переходов приведено
в табл. 6.1, где положение 1 заготовки соответствует исходному по-
ложению захвата манипулятора на рис. 6.2.
С примерами структурных схем РТК холодной листовой штам-
повки с применением ПР «Ритм-01.02» и «Ритм-01.03» можно озна-
комиться в работе [29].
Краткая техническая характеристика ПР «Рнтм-01»
Номинальная’грузоподъемность, кг...................................... 0,1
Число программируемых координат:
«Ритм-01.01»	  5
«Ритм-01.02»	  5
«Ритм-01.03»	  4
5 Число точек позиционирования:
по повороту руки (рук) вокруг вертикальной оси манипулятора	3
; по остальным координатам.............................................. 2
181

Таблица 6.1. Перемещения захвата манипулятора
Перемещения захвата (захватов) манипуляторов ПР «Ритм-01.01»,
«Ритм-01.02» иллюстрирует рис. 6.3.
В манипуляторе ПР «Ритм-01.02» предусмотрена возможность
регулировки взаимного расположения рук как в вертикальной, так
и в горизонтальной плоскостях. Регулируемое смещение рук в вер-
тикальной плоскости составляет 0—40 мм. Смещением осей рук
в вертикальной и горизонтальной плоскостях и поворотом каждой
руки в горизонтальной плоскости достигается компоновка манипуля-
тора ПР «Ритм-01.02», показанная на рис. 6.3, в.
Ось захвата одностепенной руки (рис. 6.3, б) может быть сме-
щена в вертикальной плоскости относительно горизонтальной оси
руки. Предусмотрена также компоновка захвата с осью, перпенди-
кулярной оси руки.
Число управляемых по программе от УПУ координат равно 8.
Способ задания программы — предварительный посредством запаи-
вания диодов на соответствующие позиции печатных плат задания
программы. Емкость программоносителя составляет 608 бит. Обмен
информацией с манипулятором и технологическим оборудованием
осуществляется путем выдачи 24 управляющих команд на манипуля-
тор и приема 14 ответных сигналов от датчиков положения, а также
15 технологических команд управления, опроса состояния оборудо-
вания и приема ответных сигналов. Выход технологических команд
на оборудование — релейный. Элементная база устройства програм-
много управления — интегральные микросхемы в сочетании с диск-
ретными элементами.
Приводы всех степеней подвижности манипуляторов ПР «Ритм-01»
пневматические. Они включают исполнительную часть, состоящую
из пневмоцилиндров с тормозными устройствами и передач с твер-
дыми звеньями, а также систему подготовки сжатого воздуха, рас-
пределительную аппаратуру, трубопроводы.
Компактность манипулятора определяется рациональным выбо-
ром диаметров поршней пневмоцилиндров и пропускных способно-
стей подводящих и выхлопных пневмолиний. Простота конструкции
механической части ПР «Ритм-01» позволила использовать для про-
ведения проектного и поверочного расчета пневмоприводов методы
динамического анализа и синтеза [9]. Пропускная способность не-
которых пневмоэлементов выбрана экспериментально.
Разработанные для ПР «Ритм-01» конструкции пневмоприводов
обеспечили необходимое быстродействие робота, компактность кон-
струкции манипуляторов, технологичность изготовления пневмо-
цилиндров. При этом обеспечен 50 %-ный запас по нагрузке, который
существенно не отразился на размерах манипулятора, что харак-
терно для конструкций механизмов с пневмоприводом с малыми зна-
чениями полезных нагрузок.
Узел «рука» представляет собой сборную конструкцию. На
рис. 6.4 изображена кинематическая схема двухстепенной руки. По
направляющим качания 7 перемещается скалка 17 квадратного се-
чения. Перемещение скалки обеспечивается поступлением сжатого
воздуха в поршневую или штоковую полость пневмоцилиндра, жестко
183

OSl-
Рис. 6.3. Конструктивные схемы манипуляторов:
а _ «Ритм-01.01»;^б, в — «Ритм-01.02»
184

Рис. 6.4. Кинематическая схема узла «рука»
закрепленного в корпусе руки. Шток-поршень 4 пневмоцилиндра 6
соединен со стороны захвата руки со скалкой. Внутри скалки в под-
шипниках 18 расположен вал 16 для передачи вращения на захват
руки. Угол поворота захвата регулируется с помощью набора ша-
риков, ограничивающих перемещение упора 19. На одном конце
скалки смонтирован пневмоцилиндр 11 поворота захвата. Поступа-
тельное перемещение поршня пневмоцилиндра со штоком преобра-
зуется во вращательное с помощью втулки 9, имеющей винтовые
прорези на цилиндрической стенке, в которые входит штифт, жестко
соединенный со штоком 10. Штифт фиксируется относительно скалки,
что исключает его поворот и обеспечивает только поступательное
перемещение. На рисунке эта пара с целью упрощения кинематиче-
ской схемы изображена как винт—гайка (шток 10 — втулка 9).
На другом конце скалки установлен пневмоцилиндр 1 зажима-
разжима захвата. При перемещении поршня пневмоцилиндра 1
вперед подпружиненные губки 2 и 3 захвата совершают плоско-
параллельное перемещение. Возврат в исходное положение осу-
ществляется пружиной. Торможение при выдвижении-втягивании
скалки гидравлическое. Тормозное устройство 14 состоит из корпуса,
в который вмонтированы поршни со штоками 13 и дроссель 15.
Эффективность торможения в конце хода достигается настройкой
дросселя на необходимый расход масла, перетекаемого из одной
полости тормозного устройства в другую. Окончание перемещения
скалки контролируется с помощью датчиков положения 5 (герко-
нов). Воздействие на штоки тормозного устройства осуществляется
регулируемыми упорами 12. Герконы срабатывают при контактиро-
вании с постоянными магнитами 8.
В конструкции руки предусмотрено применение клещевого и
вакуумного захватов. Вакуумный захват работает от эжектора,
устанавливаемого непосредственно перед присоской и работающего
от того же пневмораспределителя, что и клещевой захват. Размеры
и число присосок на захвате зависят от массы и конструкции объекта
манипулирования. Штатный вакуумный захват с одной присоской
входит в комплект поставки робота и рассчитан на работу с объектом
массой до 0,1 кг.
185

Устройство программного управления модели АС-2611, входя-
щее в состав ПР «Ритм-01», предназначено для управления манипуля-
тором, основным и вспомогательным оборудованием РТК- УПУ
работает в режиме одиночного цикла в автоматическом, шаговом
и наладочном режимах.
Конструктивно устройство представляет собой отдельный мо-
дуль, имеющий настольное исполнение. Оно включает блоки управ-
ления и питания, а также пульт управления.
Задание на отработку в кадре той или иной команды дости-
гается запаиванием диодов в требуемые точки пересечения команд-
ных шин и шин номеров кадров.
Разработан конструктивный набор [30], предназначенный для
серии роботов типаПРП01. В этот набор входят модуль горизонталь-
ного и вертикального перемещений, модуль поворота, неподвижное
основание (устанавливаемое вместо механизма поворота), а также
электромагнитные, электромеханические, пневматические и вакуум-
ные захваты.
Элементная база представлена следующими наборами: элементы
пневмоавтоматики (распределители, блоки распределителей —
пневмопанели, дроссели, штуцеры); датчики (фотодатчики и герко-
новые магнитоуправляемые); модули (платы), составляющие блоки
управления и согласования с внешними устройствами управле-
ния.
Роботы серии ПРП 01 выполняются в виде отдельных модулей
и унифицированных узлов, что обеспечивает выпуск их различных
модификаций с разными функциональными возможностями. Напри-
мер, роботы этой серии изготовляют с одним или двумя посадочными
фланцами для захватов, а также роботы с неподвижным основанием
вместо механизма поворота.
Основной модуль пневмоавтоматики — пневмопанель (блок
пневмораспределителей) — выпускается в виде отдельных секций
с двумя и тремя малогабаритными пневмораспределителями. Такое
построение позволяет собирать пневмопанель с любым (кроме од-
ного) числом распределителей. Соединение пневмопанелей между
собой для подвода и отвода сжатого воздуха — бесштуцерное, что
существенно сокращает их размеры. В соответствии с конструктив-
ными требованиями пневмопанели могут быть оснащены дросселями
с обратными клапанами, штуцерами, заглушками либо комбинацией
этих элементов. Устанавливаемые на пневмопанелях пневмораспре-
делители при необходимости оснащаются электронными усилителями
для управления переключающими электромагнитами.
Для фиксации крайних положений исполнительных устройств
используются датчики на базе сдвоенных герконов (герметичных
магнитоуправляемых контактов). Для контроля положения манипу-
лируемых объектов робот оснащен вынесенным датчиком на базе
фото- и светодиодной пары со встроенным усилителем.
Роботы, как правило, имеют встроенные или выносные блоки
управления, но, если предусмотрено управление от ЭВМ или другой
внешней системы управления, эти блоки в них отсутствуют.
186

Рис. 6.5. Робот ПРП 01-2:
I — механизм горизонтального и вертикального пере-
мещений; 2 -т- фланец для крепления верхнего захвата;
§ — фланец для крепления нижнего захвата; 4 — меха-
низм поворота; 5 — пневмопанель; 6—блок управления
1
Электронные блоки могут комплекто-
ваться различным набором алгоритмиче-
ских модулей для реализации как типовых
(стандартизированных) циклограмм рабо-
ты, так и более сложных, построенных на
их базе. Эти модули обеспечивают авто-
матический контроль датчиков и блоки-
ровку цикла при любой неисправности, имеют встроенный аппарат
самодиагностики и позволяют объединять отдельные роботы в еди-
ную систему, подключать внешние исполнительные механизмы, со-
прягать с внешним контуром управления на базе ЭВМ.
Малогабаритный робот ПРП 01-2 (рис. 6.5), выполняющий за-
грузочно-разгрузочные операции и сборочные работы, оснащен
двумя пневмопанелями (с двумя и тремя пневмораспределителями).
Робот оборудован двумя захватами (верхним и нижним), которые
могут одновременно перемещаться по вертикали, а также поворачи-
ваться вместе с рукой на заданный угол. Кроме того, верхний за-
хват может перемещаться относительно нижнего в горизонтальном
направлении. Технические характеристики робота ПРП-01 приве-
дены в табл. 6,2. Система координат — цилиндрическая. Робот имеет
регулировку в двух крайних положениях горизонтального хода и
в нижнем положений вертикального хода; верхнее положение —
нерегулируемое. При повороте вокруг вертикальной оси оба крайних
Положения регулируются,
На базе этого малогабаритного робота циклового действия в аг-
регатном исполнении можно создавать достаточно сложные системы
такие, например, как линия сборки дисковых мини-аккумуляторов.
Автоматизация мелкосерийных и многономенклатурных произ-
водств решается с помощью роботизированных технологических
ячеек (РТЯ), из которых строятся участки и комплексы. РТЯ —
производственная единица автоматизированных участков механиче-
ской обработки — содержит станок с числовым программным управ-
лением (ЧПУ) и ПР для загрузки-выгрузки заготовок.
Для выполнения сборочных работ разработан фирмой «Юни-
мейшн» (США) и используется в автоматизированной линии ПР
«Puma», имеющий пять степеней подвижности, обеспечивающий по-
зиционирование деталей с погрешностью не более ±0,1 мм. Робот
«Puma» манипулирует объектами массой до 3,5 кг при скорости пере-
мещения до 1 м/с [30].
Итальянская фирма «Оливетти» применила промышленный ро-
бот «Sigma-МТА» для сборки миниатюрных деталей (см. рис. 1.4).
Конструктивно этот робот представляет собой основание порталь-
ного типа, на котором подвешены два манипулятора, действующие
независимо друг от друга. Обработка; сборка и монтаж деталей вы-
187

Таблица 6.2. Основные технические характеристики роботов для манипулирования миниатюрными изделиями

%
05
188

полняются манипуляторами на рабочем столике, размещенном на
основании, содержащем также крепежные устройства, магазины,
кассеты и детали [47].
Робот типа FM разработан и используется японской фирмой
«Фудзи дэнки сэйдзо» в линии контроля и разбраковки диодов, опи-
санной ниже.
6.2.	Прецизионные измерительные машины
и системы
В середине семидесятых годов начинается интенсивное развитие
особого типа точных устройств — прецизионных координатно-изме-
рительных машин, предназначенных для автоматического высоко-
точного комплексного измерения линейных и угловых размеров,
погрешностей формы и взаимного расположения поверхностей пре-
цизионных корпусов, блоков, штампов и других деталей сложной
формы, включая миниатюрные. По своей структуре и методам управ-
ления координатно-измерительные машины (измерительные роботы)
аналогичны точным роботам. Однако измерительный робот, иногда
обладающий возможностями целой измерительной лаборатории,
имеет свои особенности построения, в числе которых можно упомя-
нуть следующие:
1.	Вместо захвата в измерительном роботе смонтирована спе-
циальная сенсорная головка (щуп), фиксирующая момент касания
измерительного наконечника головки аттестируемой поверхности.
Сенсорные головки должны обеспечить измерение координат и раз-
меров объектов без остановки движения (измерение «в полете»),
а также в труднодоступных местах.
2.	Число степеней подвижности системы позиционирования сен-
сорной головки обычно равно трем и соответствует эталонной си-
стеме координат. При измерении сложных многогранных объектов
или объектов с осевой симметрией применяются поворотные столы.
Таким образом, с учетом сенсорной головки общее число степеней
подвижности измерительного робота равно обычно семи. Роботы
с повышенной универсальностью имеют большее число степеней под-
вижности, достигающее 9—10.
3.	Ввиду большого числа измеряемых точек или сечений поверх-
ностей измерительный робот должен обладать большим быстродей-
ствием при высокой точности работы. Эти противоречивые требова-
ния обычно удовлетворяются путем выбора оптимальной фазовой
траектории движения между двумя последующими измерениями.
4.	Система управления измерительного робота не должна обеспе-
чивать совмещение координатных осей робота и измеряемого объекта,
т. е. не требуется пространственное центрирование объекта в начале
процесса измерения. Измерительный робот содержит набор измери-
тельных программ, позволяющих решать практически все возмож-
ные задачи измерения и аттестации объектов и поверхностей.
1	Материал параграфа подготовлен совместно с канд. техн, наук А. Каспа-
райтисом,
189

в Вильнюсском Филиале
Рис. 6.6. Схема измерительного робота
ВЕ-155 (узлы и измерительные системы
координатных перемещений показаны
только для портала):
1 — основание; 2 — стол для установки
объекта измерения; 3 — аэростатические
опоры; 4 — портал; 5 — каретка; 6 — пи>
ноль; 7 — измерительная головка; 8 —
измерительный преобразователь; 9 —
электромеханический привод; 10 —
пульт управления; И — устройство цнф>
ровой индикации; 12 — управляющая
ЭВМ; 13 — устройство, регистрирующее
результаты измерений; 14 — дисплей;
15 — блок управления электроприво-
дами
Рассмотрим подробнее кон-
струкцию координатно-измери-
тельной машины ВЕ-155, со-
ЭНИМС. Машина состоит из ба-
зовой части и управляющего вычислительного комплекса (рис. 6.6)
и предназначена для применения в лабораторных условиях. Ком-
поновка базовой части машины — портальная с вертикальным по-
лзуном. Перемещение подвижных узлов по всем координатам осу-
ществляется на воздушных подшипниках.
В состав управляющего вычислительного комплекса входят ЭВМ,
алфавитно-цифровой дисплей, алфавитно-цифровое печатающее
устройство, ленточное устройство ввода-вывода и блоки цифровой
индикации. Управление машиной может осуществляться как в руч-
ном (механизированном), так и в автоматическом режимах.
Во время наладки применяется ручное управление координат-
ными перемещениями, которое осуществляется с помощью удобно
управляемых штурвалов с пульта управления машины. В процессе
измерения управление всеми координатными перемещениями произ-
водится автоматически по заданной программе.
Процесс измерения заключается в перемещении по программе
сигнальной головки по поверхностям детали. Сигнальная головка
перемещается потрем координатам. Отсчет координат точек касания
измерительного наконечника сигнальной головки с измеряемой по-
верхностью объекта и их передача в ЭВМ осуществляются автома-
тически на ходу подвижных узлов машины. На основании получен-
ных в результате измерения координат точек ЭВМ производит рас-
чет геометрических элементов и параметров их взаимного располо-
жения. Результаты измерений — действительные измеряемые раз-
меры и их отклонения от номинальных значений — выдаются на ал-
фавитно-цифровой дисплей и алфавитно-цифровое печатающее уст-
ройство.
По своим точностным и динамическим параметрам машина
ВЕ-155 является универсальной прецизионной системой с широкими
функциональными возможностями. В ВЕ-155 применены оригиналь-
ные сенсорные головки, основанные на возбуждении высокочастот-
ных упругих стоячих волн и последующем измерении параметров
колебаний при расстройке резонансной системы датчика в момент
касания наконечника поверхности измеряемого объекта. Подобный
190

Рис. 6.7. Схема и общий вид резонансных сенсорных головок
принцип очувствления представляет интерес и для роботов общего
назначения, поэтому рассмотрим варианты схем построения резо-
нансных сенсорных датчиков подробнее.
В качестве материалов для вибровозбудителей высокочастотных
упругих колебаний применяется промышленная пьезокерамика об-
ладающая высокой добротностью (например, марок ПЦР-Ю, ЦТС-23,
ПЦР -22 М). Еще большее повышение добротности упругой системы
головки дает применение волноводов специальной формы (концентра-
торов колебаний). На рис. 6.7 приведена конструкция сенсорной
головки со ступенчатым концентратором, обладающим наибольшим
усилением [А. с. 819567 (СССР)]. Пьезоэлектрический преобразова-
тель 1 с осевой поляризацией и волновод 2 представляют собой еди-
ную колебательную систему, соединенную с корпусом 3 головки по-
средством подвижного торцового зубчатого соединения, при этом
средняя линия зацепления проходит через узел продольных резо-
нансных колебаний волновода (рис. 6.7, а, б). В режиме измерения
191

а)
Рис. 6.8. Схемы сенсорных головоК:
1 — держатель; 2 — волновод; 3 — пьезоэлектрический преобразователь; 4 — фазометр;
5 — управляющее устройство; 6‘ — генератор электрических колебаний
генератор электрических колебаний 4 возбуждает продольные резо-
нансные колебания волновода 2 небольшой интенсивности, а фазо-
метр 6 определяет разность фаз между сигналом возбуждения и сиг-
налом, снимаемым с измерительного электрода пьезопреобразова-
теля 1. В момент касания наконечником головки объекта измерения
добротность системы снижается, что приводит к резкому скачку
измеряемой фазы.
В головке предусмотрен режим восстановления положения на-
конечника относительно корпуса, когда происходит отклонение на-
конечника от вертикального положения и зацепление торцовой зуб-
чатой пары нарушается. В этом режиме управляющее устройство 5
задает частоту колебаний генератора 4, соответствующую второй
форме резонансных колебаний упругой системы головки, при ко-
торой в зоне зацепления торцовой зубчатой пары происходят коле-
бания с амплитудой (рис. 6.7, в), способствующие возврату
наконечника в исходное положение с погрешностью не более
0,1 мкм.
Аналогично строятся головки для измерения параметров плос-
костей, профилей зубьев н т. п. Так, в сенсорной головке для изме-
рения ступенчатых поверхностей [А. с. 887928 (СССР)] используется
пьезоэлектрический возбудитель в виде кольца из пьезокерамики
с разделенными зонами возбуждения и измерения, совершающий
изгибные колебания с управляемой формой (рис. 6.8, а), зависящей
192

от принятой схемы измерения (при измерении по методу трех точек
возбуждаются изгибные колебания кольца третьей формы, что соот-
ветствует электродам возбуждения, показанным на рис. 6.8, а).
В головке с изменяемым положением щупа (рис. 6.8, б) кроме основ-
ного режима — измерения момента касания — используется режим
поворота, возникающий при возбуждении в сферическом преобразо-
вателе двухкомпонентных колебаний, взаимодействующих со сфери-
ческим элементом волновода 2.
Отметим, что резонансные сенсорные головки, обладая простотой
конструкции и технологичностью, обеспечивают фиксацию коорди-
нат с погрешностью 0,2—0,5 мкм. Важной особенностью этих го-
ловок является возможность их миниатюризации, что необходимо
при использовании их в координатно-измерительных машинах для
аттестации миниатюрных изделий. Кроме того, резонансные сенсор-
ные головки могут быть выполнены в виде сложных волноводов
(включая криволинейные), расширяющих функциональные возмож-
ности измерительных средств.
Пятищуповая резонансная головка, созданная в Вильнюсском
филиале ЭНИМС, обеспечивает фиксирование координат с погреш-
ностью не более 0,5 мкм, при этом используется одна схема измере-
ния для всех пяти наконечников.
В прецизионном оборудовании для производства микроминиатюр-
ных изделий используются системы различных типов одно-, двух-
и трехкоординатные, линейные и угловые, разомкнутого и замкну-
того типов.
Однокоординатные разомкнутые системы строят в основном на
базе шаговых двигателей. В этих системах точность позициониро-
вания определяется разбросом шага двигателя и отклонениями пере-
даточного отношения трансмиссии.
В процессе работы оборудования наблюдаются также отклоне-
ния по осям х и у. Отклонения по оси, вызванные погрешностями из-
готовления, зазорами, нежесткостью направляющих и другими фак-
торами. особенно ощутимы в оборудовании для производства ИС.
Примером одноконтурных разомкнутых систем могут служить си-
стемы типа ЭМ-215 для резки дисков и ЭМ-490 для монтажа меж-
соединений. Один из путей снижения погрешности этих систем до
нескольких микрометров состоит в исключении трансмиссии в ре-
зультате использования линейных шаговых двигателей. Другой
путь — использование датчиков линейных перемещений, т. е. соз-
дание замкнутых однокоординатных систем, точность которых во
многом зависит от датчика. В однокоординатных замкнутых линей-
ных системах нашли применение дифракционные решетки и шкалы,
а также интерферометрические датчики. Погрешность таких систем
не превышает 0,1 мкм. При необходимости повышения точности от-
счета датчика исключают систематическую составляющую ошибок
путем ввода в память ЭВМ функции ошибок и вычисления их в про-
цессе работы. Субмикронную точность гарантируют прецизионные
замкнутые линейные координатные системы с линейным шаговым
двигателем постоянного тока магнитоэлектрического типа.
J/a7 Р. Ю. Бансявичюс и др.
193

Угловые координатные системы строятся двух типов. Системы
первого типа позволяют осуществлять повороты на большие углы,
например наборной диафрагмы в генераторах изображений, типов
ЭМ-549, ЭМ-559 и др. [30]. Вспомогательные однокоординатные
системы осуществляют поворот на небольшие углы для ориентации
изделия относительно осей двухкоординатной линейной системы.
В качестве датчиков здесь используются диски с радиальными штри-
хами или цилиндры со штрихами по образующей.
Двухкоординатные замкнутые линейные системы реализуются
в виде совокупности двух однокоординатных линейных систем или
в виде крестовых столов типа ЭМ-539Б с интерферометрическими дат-
чиками. Точность этих систем субмикронная.
Примером трехкоординатных замкнутых систем могут служить:
1) установки совмещения и экспонирования, мультипликации, ба-
зирования фотошаблонов и др.; 2) зондовые установки типа ЭМ-680,
ЭМ-584, ЭМ-589, ЭМ-599 с быстродействием до 200 м/с и погрешностью
до 0,1 мкм: 3) сборочное оборудование типа ЭМ-220, ЭМ-4060 и др.
с быстродействием до 300 м с и погрешностью не более 5 мкм.
6.3.	Сервисные устройства роботов
В робототехнический комплекс кроме промышленных роботов
и технологического оборудования входят, как правило, различные
сервисные устройства, обеспечивающие эксплуатационную гибкость
роботизированных систем. К ним относят накопители с предваритель-
ной ориентацией изделий, механизмы поштучной и групповой их
выдачи из накопителей в зону захвата, дополнительные ориенти-
рующие и сортирующие устройства, системы перемещения и стапе-
лирования изделий с сохранением их первичной ориентации. Рас-
смотрим перечисленные устройства, действующие преимущественно
по принципу бесконтактного силового воздействия на изделия и
предназначенные в основном для подачи деталей, практически
исключающих жесткий механический контакт с рабочими органами
робота.
Вибро-механические устройства. Роботы первого поколения мо-
гут манипулировать только теми деталями и изделиями, которые
предварительно ориентированы и точно спозиционированы в неход-
ком положении, поэтому они должны быть оснащены сервисными
устройствами. Такими устройствами являются бункерно-ориенти-
рующие загрузочные устройства (БОЗУ), вибрационные загрузоч-
ные устройства (ВЗУ), магазинные загрузочные устройства (МЗУ),
устройства для укладки в магазины-касеты.
Таким образом, основной функцией сервисных устройств явля-
ются поштучная или групповая выдача первично ориентированных
деталей и их точное позиционирование в исходном положении ра-
бочего цикла.
Наиболее сложная задача — автоматическое ориентирование де-
талей. Первичное ориентирование деталей в сервисных устройствах
осуществляется двумя основными способами [16]: 1) по их внешнему
194

контуру и 2) по внутреннему контуру. Ориентирование по первому-
способу обеспечивается западанием детали в щель, трубку или в тра-
фарет (фасонный вырез по внешнему контуру заготовки), а во втором
случае — надеванием детали на штырь или крючок. Вторичное (окон-
чательное) ориентирование осуществляется либо при прохождении
детали через трафареты — калибры (например, профильные калиб-
рованные губки), либо специальными способами: оптическим, в элек-
тромагнитном поле, в.электростатическом поле, в электромагнитном
поле высокой частоты. Асимметричные объекты вторично ориенти-
руют путем поворота на различных опорах за счет смещения центра
тяжести [16].
Первыми из сервисных устройств были разработаны и внедрены
в промышленность механические магазинные и бункерно-ориенти-
рующие загрузочные устройства. Магазинное загрузочное устрой-
ство МЗУ представляет собой лоток-накопитель с отсекателем для
поштучной выдачи деталей, которые укладываются в лоток в ориенти-
рованном положении вручную. В рабочем положении лоток может
быть расположен либо вертикально, либо наклонно, либо горизон-
тально. В первых двух случаях детали перемещаются под действием
собственного веса, в последнем — с помощью специальных толка-
телей.
Бункерно-ориентирующие загрузочные устройства представляют
собой сочетание магазинных загрузочных устройств с бункерно-
ориентирующим устройством (БОУ).
БОУ осуществляет поштучную выборку, ориентирование и ук-
ладку в магазинное загрузочное устройство деталей, накопленных
в бункере. Выборка заготовок в БОУ производится механическим
подвижным захватно-ориентирующим органом при прохождении
его через массу деталей, хаотически расположенных в бункере. По
виду движения захватного органа БОУ подразделяются на следую-
щие группы: с вращающимися захватными органами (фрикционные,
щелевые, карманчиковые и барабанные); с захватными органами, со-
вершающими возвратно-поступательное или качательнсе движение
(шиберные и секторные). Магазинное загрузочное устройство служит
для накопления запаса ориентированных деталей, необходимого для
синхронизации производительности БОУ и робота, и непосредствен-
ной подачи детали в зону обслуживания робота.
Данные устройства нашли широкое применение в промышленности
для ориентирования и подачи обычных изделий, но оказались не-
пригодными для миниатюрных. Основную номенклатуру миниатюр-
ных изделий составляют изделия электронной, электротехнической
и часовой промышленностей (рис. 6.9). Характерными особенностями
этих изделий, кроме малых размеров, являются малая масса, низ-
кие жесткость и прочность, высокая сцепляемость друг с другом.
Для миниатюрных изделий рассмотренные выше магазинные за-
грузочные устройства неприемлемы, так как в них изделия уклады-
ваются вплотную друг к другу, а малые размеры и прочность таких
изделий исключают возможность их поштучного отделения от об-
щего потока и выдачу. Малая масса миниатюрных изделий не поз-
\27*	19g

Рис. 6.9. Миниатюрные детали электронных приборов:
а — полуфабрикаты ИС; б — трубчатые катоды радиоламп; в — элементы выпрямителей?
г — световые диоды; д — выводы
воляет в общем случае использовать для их ориентирования силу
тяжести и смещение центра тяжести. Кроме того, такие детали могут
попадать в зазоры между подвижным захватным органом и стенками
бункера и повреждаться, подвергаясь интенсивному ворошению, что
также приводит к повреждениям. Из всего многообразия конструк-
ций бункерно-ориентирующих загрузочных устройств для автома-
тического ориентирования и подачи микроизделий нашли приме-
нение только шиберные и секторные, а также пневматические устрой-
ства, выполненные на базе бункеров-воронок [16].
На рис. 6.10 представлено многошиберное бункерно-орпентирую-
щее загрузочное устройство, предназначенное для подачи тонких
стержней, например заготовок трубчатых катодов электронных
ламп. Устройство состоит из корпуса Г2, к которому прикреплен
набор пластин 6—11 и предбункер 1. Каждая из пластин имеет вы-
рез такой формы, что весь их набор образует рабочий бункер с по-
степенно сходящимися вертикальными стенками 21 (при этом ши-
рина выреза в пластине 11 несколько больше длины заготовки)
и со ступенчато поднимающимся дном, причем каждая ступенька
196


гг	23
Рис. 6.to. Многошиберное ориентирующее устройство
7 Р. Ю. Бавсявичюо и др.
197

имеет скос 3 и кромку 2. В пластине 6 выполнено окно, через которое
бункер сообщается с предбункером. Четыре пластины 7 имеют боль-
шую толщину, чем пластины 8 и 9. В пластинах 6—9 выполнены пазы
для пяти шиберов 19 одинаковой толщины, а в пластинах 10 и 11 —
пазы для более тонких шиберов 16 и 17. Толщина шибера 17 незначи-
тельно больше диаметра заготовки. Верхние концы шиберов срезаны
под углом 45° и образуют кромку 4 и скос 5. Все шиберы установлены
на общей оси 15, закрепленной в отверстиях кронштейна 14, опираю-
щегося на ролик 18, который получает возвратно-поступательное дви-
жение вдоль вертикальной оси от кулачка, закрепленного на валу
привода. Кронштейн 14 перемещается по двум цилиндрическим вер-
тикальным направляющим 23, установленным в расточках стоек 22,
закрепленных на основании устройства.
Заготовки засыпаются навалом в предбункер 1 и через окно
в пластине 6 поступают в бункер. При движении кронштейна 14
по направляющим вверх шиберы 16, 17, 19 поднимаются из нижнего
положения в крайнее верхнее (показано на рисунке). При этом за-
готовки, запавшие в полость, образованную скосами 5 шиберов и
стенками 20 пластин 7—10, транспортируются вверх и в момент до-
стижения шиберами крайнего верхнего положения скатываются
в полость, образованную скосами 3 пластин и плоскими вертикаль-
ными стенками шиберов. При опускании шиберов в нижнее положе-
ние заготовка, находящаяся в полости между скосами пластины 8
и стенкой шибера 17, западает в полость между скосами шибера 17
и стенкой пластины 9. Следующим ходом кронштейна 14 вверх эта
заготовка переносится в полость между скосом пластины 9 и стенкой
шибера 16. Ширина этой полости такова, что в ней не могут помес-
титься две заготовки. В течение следующего цикла заготовка пере-
носится к кромке 2 пластины 10 и по ее скосу и скосу пластины 11
скатывается в лоток 13, из которого она поступает в зону обслужива-
ния робота.
Пневматические бункерно-ориентирующие загрузочные устрой-
ства (рис. 6.11) имеют по сравнению с шиберными и секторными такое
преимущество, как отсутствие подвижных механических узлов. Ра-
бота этих устройств основана на интенсивном ворошении сжатым
воздухом деталей, накопленных в бункере. В процессе ворошения
детали западают в ориентирующую трубку и поступают в лоток-
накопитель. Подачу сжатого воздуха в бункер осуществляют либо
импульсами, либо непрерывно. Пневматическое бункерное устрой-
ство импульсного типа, используемого для подачи деталей мини-
атюрных радиоламп, показано на рис. 6.11. Устройство состоит из
корпуса 2, бункера и накопителя 1. Бункер включает основание 3,
сменную прокладку 4, купол 5, закрытый подпружиненной крыш-
кой 7, и установлен на верхней плоскости корпуса 2.
Основание бункера 3 имеет коническую расточку, переходящую
в коническое отверстие в корпусе 2, которое заканчивается цилин-
дрическим отверстием диаметром, исключающим одновременное
западание в него двух деталей. Это отверстие стыкуется с каналом
накопителя 1. Сменой прокладки 4 можно регулировать объем ниж-
198

ней части бункера. Купол 5 имеет конусную расточку, сужающуюся
к верху и переходящую в канал с малой конусностью отверстия.
В нижней части купола по кругу выполнены отверстия 8, диаметр
которых несколько больше диаметра подаваемых деталей. Наклонные
отверстия 6 в верхней части купола предназначены для выхода воз-
духа. К основанию бункера подсоединен штуцер 9 для подачи сжатого
очищенного воздуха. На магистрали подачи воздуха, непосред-
ственно у бункера, установлен трехходовой клапан 10, обеспечиваю*
щий импульсную подачу воздуха.
Детали навалом засыпают в верхнюю часть бункера, т. е. на дно
купола б. При открытии клапана 10 струи воздуха проходят через
отверстия 8 в дне купола и подбрасывают всю массу деталей, находя*
Щихся на нем. После перекрытия воздуха детали падают на дно ку-
пола, западают в отверстия 8, через них попадают в нижнюю часть
бункера и, скользя по конусным поверхностям основания 3 и кор-
пуса 2, западают в цилиндрическое отверстие корпуса, продолже-
нием которого является канал накопителя 1. В случае одновремен-
ного попадания в нижнюю часть бункера сразу нескольких дета-
лей возможно их взаимное заклинивание перед входом в канал нако-
пителя. Однако при подаче следующего импульса воздуха они вы-
носятся в верхнюю часть бункера через центральное отверстие ку-
пола 5. Производительность устройства — до 60 штук в минуту.
Для автоматического ориентирования и подачи микродеталей
широко применяют вибрационные бункерно-ориентирующие загру-
зочные устройства, причем наибольшее распространение получили
устройства с круговыми бункерами и наклонными упругими подвес-
ками (рис. 6.12). Работа такого устройства основана на перемещении
заготовок по спиральному лотку 1, расположенному на внутренней
цилиндрической поверхности чашеобразного бункера 4 под действием
сил инерции, возникающих при одновременных круговых и верти-
Т*	199

; Рис. 6.12. Миниатюрное вибрационное бункерио-
рВО?	i	ориентирующее загрузочное устройство
г-	кальных колебаниях бункера. Эти ко-
♦.	,	 лебания создаются упругими наклон-
*	ними подвесками 3, на которых установ-
лен бункер, и электромагнитом, цент-
рально расположенным относительно
бункера.
Ориентирование деталей в вибра-
‘	’ ционных бункерно-ориентирующих [за-
грузочных устройствах осуществляется
.	"	в процессе их прохождения через тра-
фареты-калибры, выполненные на лотке
бункера в виде щелей, уступов 2, пазов
или скосов. Большим преимуществом
этих устройств является то, что они осуществляют выборку деталей
без подвижных захватных органов, что предотвращает повреждение
поверхностей деталей и позволяет автоматизировать ориентирование
и подачу хрупких иТнежестких деталей.
Первые вибрационные бункерно-ориентирующие загрузочные
устройства были разработаны для производства изделий машино-
строения. Однако перечисленные выше преимущества сделали их
основным средством автоматизации процесса подачи и ориентиро-
вания миниатюрных изделий. Показанное па рис. 6.12 устройство
применяют для автоматической подачи таких миниатюрных дета-
лей, как полуфабрикаты ИС (с размерами 0,5x0,5X0,3 мм), камни,
используемые в качестве подшипников в механизме ручных часов,
и т. п. Вибропривод этих устройств (рис. 6.13) выполнен с одним
электромагнитом 4, установленным вертикально в центре основа-
ния 5 устройства, и трех наклонных плоских подвесок 3. Здесь ис«
пользуется только один электромаг-
нит, так как требуются незначитель-
ные тяговые усилия. Нижние концы
подвесок закреплены в основании 5,
а верхние — в платформе 2. На ниж-
ней поверхности платформы закреп-
лен якорь электромагнита 4, а на
верхней — установлен цилиндриче-
ский бункер со спиральным лотком 1.
Для виброизоляции устройство осна-
щено тремя амортизаторами 6.
Функциональные элементы данного
устройства и компоновка их являют-
ся типовыми.
Рис. 6.13. Конструкция привода вибрационного
загрузочного устройства для подачи миниатюр-
на деталей
200

Вибрационные бункер но-ориентир ующие загрузочные устройства
очень просты по конструкции, но их проектирование связано с вы-
полнением сложных расчетов и требуется высокая точность изготов-
ления всех функциональных элементов этих устройств, особенно де-
талей вибропривода. Незначительные отклонения параметров и не-
достаточная жесткость последних часто вызывают местные паразит-
ные колебания, которые препятствуют вибротранспортированию де-
талей на некоторых участках спирального лотка бункера. Возник-
новение местных паразитных колебаний значительно усложняет
наладку этих устройств. С целью повышения их производительности
и упрощения наладки к настоящему времени создана гамма вибро-
приводов с раздельным возбуждением крутильных и вертикальных
колебаний. Раздельное возбуждение колебаний позволяет получить
высокие скорости транспортирования деталей (до 1,2 м/с) в безотрыв-
ном режиме, что особенно важно при подаче миниатюрных, хрупких
и нежестких деталей. Такое устройство с раздельным возбуждением
крутильных и вертикальных колебаний, предназначенное для авто-
матической подачи изделий микроэлектроники, представлено на
рис. 6,14. Устройство состоит из бункера, внбропривода и корпуса 3.
Бункер образован конической расточкой основания 1 и цилиндриче-
ской обечайкой 2, закрепленной на нем. Вибропривод устройства
расположен внутри корпуса 3, закрытого крышкой 4, и состоит из
трех электромагнитов 9 крутильных колебаний, одного магнита 6
вертикальных колебаний и трех упругих цилиндрических подвесок 11.
Электромагниты 9 крутильных колебаний расположены танген-
циально и закреплены на верхней плоскости основания 1, а их яко-
ри 14 — на кронштейнах 12, установленных на кольце 13. Электро-
магнит 6 вертикальных колебаний установлен на цилиндрической
стойке 10, закрепленной вертикально в цилиндрической расточке
основания 1, а его якорь 5 — в пазу крышки 4. Зазоры между элек-
тромагнитами и их якорями регулируются следующим образом:
201

у вибропривода крутильных колебаний — путем перемещения элек-
тромагнитов 9 относительно основания 1, у вибропривода вертикаль-
ных колебаний — подбором прокладок 7.
Цилиндрические упругие подвески закрепляются по окружности
с равным шагом друг от друга одним концом в стойке 10, а другим —
в кольце 13, к которому, в свою очередь, крепится корпус 3 со спи-
ральным лотком, выполненным по его наружной цилиндрической
поверхности. Эти подвески имеют жесткость, одинаковую во всех
направлениях, и сообщают корпусу как крутильные, так и вертикаль-
ные колебания. Для виброизоляции устройство оснащено амортиза-
торами 8.
Питающее напряжение на электромагниты вибропривода подается
от специального блока управления, выполненного в виде тиристор-
ного регулятора напряжения, что позволяет в широком диапазоне
регулировать скорость подачи деталей и подбирать режимы вибро-
транспортирования. Характерной особенностью данного устройства
является то, что вибрациям в нем подвергаются только те детали,
которые находятся на лотке, что особенно важно для хрупких и
нежестких изделий микроэлектроники.
Одним из недостатков вибрационных бункерно-ориентирующих
загрузочных устройств является непостоянство его производитель-
ности вследствие изменения скорости вибротранспортирования по
мере выгрузки деталей из бункера. Это вызвано тем, что с уменьше-
нием общей массы деталей в бункере возрастает собственная угло-
вая частота колебаний р и уменьшается коэффициент демпфирующей
силы &. Это приводит к изменению коэффициента динамичности
Д" = / (со) и амплитуды колебаний А, связанных с величинами р
и 6 соотношениями:
А = 6еЖ (со);
Ж(со) =
/(
“ СО2 \2 ' 7 с°2^' ’
р2 j Т
(6.1)
где со — угловая частота вынужденных колебаний; 60т — статиче-
ский прогиб за счет действия тягового усилия электромагнита.
Изменения амплитуды колебаний с уменьшением массы деталей
зависит от настройки устройства. При (ы/р) <1, т. е. при дорезо-
нансной настройке (точка а на рис. 6.15), по мере выгрузки деталей
вследствие уменьшения массы колеблющихся частей амплитуда коле-
баний должна уменьшаться (от точки а до точки Ь, рис. 6.15, а),
так как увеличивается собственная частота р и происходит отстройка
от резонанса. При этом уменьшается коэффициент демпфирующей
силы вследствие уменьшения потерь от трения деталей о дно чаши,
и рабочая точка переместится на новую резонансную кривую с мень-
шим затуханием (бх < 62) и большим значением коэффициента ди-
намичности (от точки b до точки с). В итоге изменение амплитуды по
мере уменьщения количества деталей в чаше будет сравнительно
небольшим, если w/р колеблется в пределах 0,91—0,98, что соответ-
ствует изменению собственной угловой частоты р — (320-г346) рад/с,
202

fi При зарезонансной настройке (точка а1, рис. 6.15, б) по мёрё
Р выгрузки деталей происходит резкое возрастание коэффициента ди-
bl намичности как за счет приближения к резонансному пику (от
Иточки а' к точке Ь’), так и за счет уменьшения 6 (переход на новую
г резонансную кривую в точку с'), что приводит к значительной не-
г стабильности амплитуды колебаний (ЛЛ2 > Д^42). Кроме того, при
t зарезонансной настройке возмущающее усилие и вынужденные коле-
бания находятся в противофазе, что требует дополнительных энерге-
 тических затрат, поэтому на практике стараются обеспечить доре-
зонансный режим работы устройства. Чтобы нестабильность ампли-
туды колебаний ДДх не превышала 5 %, необходимо обеспечить со-
отношение
Кзаг = ^«0,25,	(6.2)
где Кзаг — коэффициент загрузки ВВОЗУ; тзаг — масса загружен-
ных деталей; т — масса активной части ВВОЗУ.
Производительность вибрационных бункерно-ориентирующих за-
грузочных устройств можно повысить путем увеличения Кзаг и
стабилизации амплитуды колебаний введением отрицательной об-
ратной связи в цепь питания вибропривода.
На рис. 6.16, а показано устройство с автоматической стабили-
зацией амплитуды колебаний. Конструктивно все функциональные
элементы устройства выполнены в едином блоке БУ. Малые размеры
вибродатчика БД позволяют без конструктивных изменений создать
гамму сервисных устройств с автоматической стабилизацией ампли-
туды колебаний как с раздельным приводом, так и с наклонными
подвесками.
Функциональная схема данного устройства представлена на
рис. 6.16, б. Механические колебания бункера преобразуются в элек-
трические с помощью вибродатчика БД, выполненного на базе тензо-
резисторов или пьезоэлементов. С помощью усилительно-преобра-
зующего устройства УПУ выходной сигнал БД усиливается и пре-
Рис. 6.15. Амплитудно-частотные характеристики вибрационных загрузочных уст-
ройств:
а — при дорезонансной настройке; б — при зарезонансной настройке
203

ВВОЗУ
Рис. 6.16. Вибрационное буикерно-ориентирующее устройство ^автоматической стабили-
зацией амплитуды колебаний
образуется в напряжение постоянного тока £70С, которое сравни-
вается с заданным напряжением £/зад, соответствующим определен-
ной скорости вибротранспортирования. При изменении амплитуды
колебаний по мере выгрузки деталей на выходе устройства сравне-
ния УС появляется сигнал управления £7упр =	— t/oc, ко-
торый, воздействуя на исполнительное устройство ИУ, выполненное
на базе тиристорного регулятора напряжения, вызывает соответ-
ствующее изменение тягового усилия электромагнита вибропривода.
Таким образом обеспечивается автоматическая стабилизация ампли-
туды колебаний.
Применение вибрационных бункерно-ориентирующих загрузоч-
ных устройств с автоматической стабилизацией амплитуды коле-
баний позволяет повысить их производительность за счет увеличе-
ния коэффициента загрузки (Кзаг = 1,54-2,0) и времени непрерыв-
ной работы. Это подтверждается экспериментальными данными [16],
приведенными на рис. 6.17.
Так как большинство миниатюрных изделий обладают малой
жесткостью, большой сцепляемостью и хрупки, очень часто исполь-
зовать рассмотренные выше БОЗУ или МЗУ для их подачи на по-
зицию захвата робота не представляется возможным. В этом случае
используют специальные кассеты, в которых каждая деталь лежит
в отдельном гнезде. Из кассет робот осуществляет выборку деталей
.	захватом либо поштучно (при этом
в течение каждого цикла кассета
подается на шаг, равный расстоя-
нию между гнездами), либо груп-
повым захватом, например вакуум-
ным (рис. 6.18), сразу из всех
гнезд кассеты [16]. Сложные по
Рис. 6.17. График зависимости амплитуды
колебаний от коэффициента загрузки;
1 — при наличии обратной связи; 2 = без
обратной связи
204

конфигурации детали укладывают в гнезда кассеты вручную, а бо-
лее простые — с помощью специальных кассетирующих устройств.
Применение кассетирующих устройств значительно повышает
производительность укладки деталей в кассету. Данные устройства
весьма разнообразны по конструкции, но наибольшее применение
среди них получили вибрационные и пневматические.
Наиболее универсальными являются вибрационные устройства:
что объясняется их конструктивной простотой, мобильностью, вы-
сокой производительностью и долговечностью. Различают три ос-
новных способа вибрационного кассетирования микродеталей [12]:
без направленного перемещения потока изделий по кассете (детали
просто встряхиваются); с направленным перемещением потока де-
талей по кассете (детали перемещаются по кассете прямолинейно
либо по окружности); комбинированный с вращением кассет (кас-
сета и бункер с деталями вращаются относительно вибростола).
Конструктивно вибрационные кассетирующие устройства выпол-
няются в виде вибростолов, вибролотков и вибробункеров без спи-
рального лотка.
На рис. 6.19 представлено универсальное вибрационное устрой-
ство для групповой укладки микродеталей в кассету. Устройство
предназначено для группового ориентирования и кассетирования
деталей с габаритными размерами от 0,1 до 10 мм при автоматической
сборке приборов в электронной и часовой промышленности и выпол-
нено в виде вибролотка с независимыми виброприводами продоль-
ных, поперечных и вертикальных колебаний.
Продольные и поперечные колебания создаются электромагни-
тами 8, 12 и вертикальными цилиндрическими упругими стержнями 1,
закрепленными в основании 10, вертикальные колебания — электро-
магнитом 9 и плоскими подвесками 2, установленными на консоли
стержней 1. Кассету 4 устанавливают в паз лотка 5, фиксируют в нем
штифтами И и накрывают сверху трафаретом 6, выполненным в виде
откидывающейся на оси коробки со съемным дном. В рабочем поло-
Рис. 6.18. Групповой вакуумный захват:
1 — корпус захвата; 2, 5 — сопрягаемые детали; 3 — кассета; 4 — гнездо
?Q5

Рис. 6.19. Вибрационное уст-
ройство для групповой уклад-
ки миниатюрных деталей в кас-
сету
жении трафарет удерживают пружинные зажимы 3. Кассетируемые
детали засыпают в емкость трафарета навалом в количестве, превы-
шающем число гнезд кассеты в 5— 7 раз. Регулируя амплитуду и
изменяя фазу напряжения, подаваемого на электромагниты вибро-
приводов от блока питания, подбирают оптимальную скорость и тра-
екторию вибротранспортирования деталей по трафарету, в процессе
которого они западают в отверстия трафарета, а через них — в гнезда
кассеты. После заполнения кассеты незапавшие детали перемещают
в бункер 7, образованный стенкой трафарета, расположенной у его
оси поворота, отжимают зажимы 3, поднимают трафарет, снимают
кассету и устанавливают другую (незаполненную).
Устройство позволяет реализовать все известные способы вибра-
ционного кассетирования деталей: детали могут просто встряхи-
ваться, перемещаться поступательно в любом направлении по поверх-
ности трафарета или по любой замкнутой траектории. По сравнению
с другими устройствами оно обладает более высокой производитель-
ностью, обеспечивает большую степень заполненности кассеты.
Кроме того, рассматриваемое устройство универсально и мобильно,
так как легко и быстро переналаживается на кассетирование деталей
другой формы или других размеров путем смены дна трафарета и
подбора режима и траектории вибротранспортирования.
Пневмомагнитные устройства. Альтернативой обычному бункер-
ному загрузочному устройству является магнитный накопитель,
206

Рис. 6.20. Магнитный накопйтёЛЬ
обеспечивающий предвари-
тельное упорядочение изде-
лий и. гарантированное за-
хватывание при выборке их
из емкости без интенсивного
ворошения, что очень важно
для легко повреждаемых из-
делий. Магнитный накопи-
тель содержит основную маг-
нитную систему 4, в межпо-
люсном пространстве которой
размещается емкость 6 из не-
магнитного материала для хранения деталей 3, дополнительную маг-
нитную систему 7 для предотвращения слипания деталей в зоне загруз-
ки, манипулятор 2 с загрузочным лотком 1 и устройство выдачи дета-
лей из накопителя 5 (рис. 6.20). Такие системы позволяют накапливать
в ориентированном положении от десятков до сотен деталей с любой
пространственной ориентацией плоскости их размещения (горизон-
тально, вертикально, наклонно). Большим преимуществом магнит-
ных накопителей является отсутствие контактов размещаемых дета-
лей между собой (и, следовательно, натиров) благодаря их взаимному
отталкиванию в магнитном поле за счет одинаковой намагниченности
концов. Если для удлиненных деталей за основу принять дипольную
схему намагничивания [12], то сила взаимодействия двух стержневых
деталей с концевыми магнитными массами Шг и т2 (рис. 6.21, б)
F = Focp (60, /i0, /0),
Рис. 6.21. Схема взаимодействия стержневых деталей в однородном магнитном поле и гра-
фик зависимости силы взаимодействия F от взаимного смещения и расстояния h между
деталями.
1 — h0 = 0,42; 2 — h0 = 0,62; 3 — hQ = 0,82; 4 — h0 = 1,02
207

Рис. 6.22. Схемы захватов для селективной выборки плоских деталей нз накопителя:
а — вакуумного; б — магнитного; 7 — деталь не захвачена; 77 — деталь захвачена
где Fo = пг^В’2!^^) — сила воздействия магнитного поля на полу-
бесконечное пространство, площадь которого равна площади попереч-
ного сечения стержня; г — полудлина стороны основания стержня;
В — магнитная индукция; ц0 = 4л-10-’ — магнитная проницае-
мость вакуума; б0 = б/r; h0 = h/r; /0 = Z/r; б — взаимное смещение
деталей в направлении поля; h — расстояние между деталями; I —
длина детали.
Функция <р, содержащая безразмерные величины, включает пара-
метры деталей, связанные довольно сложной зависимостью. Как
показывает график на рис. 6.21, а, сила F существенно зависит от
расстояния h0 между деталями и взаимного смещения б0. Из графика
видно ,что с увеличением б0 сила F падает и при некотором критиче-
ском значении меняет знак. Следовательно, в области малых б0
детали отталкиваются друг от друга, а в области больших б0 притяги-
ваются. С ростом расстояния hg между деталями точка перехода
(где F = 0) сдвигается по оси абсцисс вправо. Абсолютное значение
силы взаимодействия уменьшается с увеличением h0. Зависимость
F (б0) для пустотелых деталей проявляется слабее, чем для сплошных
деталей. Так, значение б0 для тонкостенных трубок в 3—5 раз больше
значения б0 для сплошных стержней [11, 12]. Для предотвращения
слипания деталей типа сплошных стержней, толстостенных трубок
и пластин их выборка из магнитного накопителя должна осуществ-
ляться захватными устройствами, перемещающимися перпендику-
лярно направлению магнитного поля накопителя. Детали в магнит-
ном накопителе размещаются с предварительной их ориентацией,
поэтому большой практический интерес представляют захватные
устройства, обеспечивающие селективную выборку из накопителя
правильно ориентированных деталей.
Селективную выборку из накопителя плоских деталей 1 с различ-
ной площадью опорных поверхностей можно осуществлять вакуум-
ным захватом 2 с микропористой крышкой 3 (рис. 6.22, а). Разреже-
ние в вакуумной камере захвата устанавливают таким, чтобы деталь
к крышке присасывалась только большей опорной поверхностью.
Аналогичную функцию выполняет магнитный захват 6 применительно
к ферромагнитным плоским деталям 4 с односторонним немагнитным
покрытием 5 (рис. 6.22, б). В этом случае усилие электромагнита
208

Г
Подбирают таким, чтобы захватывание детали осуществлялось только
за непокрытую поверхность. Вакуумный захват чувствителен к от-
носительной разнице в площадях ~10 %, а магнитный — соответ-
ственно к немагнитному слою толщиной менее 100 мкм.
Магнитный захват 5 для селективной выборки из накопителя 2
стержневых деталей 1 состоит из электромагнита 4 с полюсными на-
конечниками 3, 6 и гнезда, выполненного из немагнитного материала
по форме детали (рис. 6.23). Электромагнит 4 создает постоянное маг-
нитное поле той же полярности, что и магнитное поле накопителя.
Деталь 1, попавшая в гнездо плоским концом вниз, замыкает по-
люса 3, 6 электромагнита 4 без зазора, и поэтому остается в гнезде
захвата при выходе его из накопителя (рис. 6.23, а). Деталь при за-
падании в гнездо захвата плоским концом вверх замыкает полюса
электромагнита через воздушный зазор из-за наличия в гнезде спе-
циального выступа 7 и остается в накопителе (рис. 6.23, б). Благодаря
смещению 6 оси захвата относительно средней линии межполюсного
пространства возникает момент, отрывающий верхний конец любой
детали, попавшей в гнездо, от зауженного полюсного наконечника 3
захвата. Однако этого момента оказывается недостаточно, чтобы отор-
вать деталь от захвата при замыкании ею полюсов без зазора. В про-
тивном случае деталь отрывается от захвата, хотя магнитное поле
накопителя несколько слабее поля захвата. Кроме наличия воздуш-
Рис. 6.23. Магнитный захват для селективной выборки стержневых деталей из на-
копителя
209

3
ного зазора, этому способствует срез торца нижнего полюсного
наконечника 6 захвата в направлении наклона детали при ее разме-
щении в гнезде плоским концом вверх. Условие надежного захваты-
вания и выборки деталей из магнитного накопителя имеет вид F3 >
> Fu, где F3 = 16-105p0S3B3 — сила притяжения магнитного зах-
вата; F,, = V grad В«х — сила, удерживающая деталь в накопителе;
V — объем детали В3, Вн — значения магнитной индукции соответ-
ственно в межполюсном пространстве захвата и накопителя; S3 —
площадь полюсов магнита захвата; х= ц — 1 —магнитная восприим-
чивость детали; ц — магнитная проницаемость материала детали.
Описанный захват улавливает разницу в размерах концов детали
не менее 100 мкм.
Конструкция захвата робота упрощается при условии работы
с магнитным накопителем, в котором размещены полностью ориенти-
рованные изделия. В этом случае ориентация изделий осуществ-
ляется перед загрузкой их в накопитель. В частности, в системе
ориентации по полярности стержневых изделий 1 с аксиальными
гибкими элементами однородное магнитное поле используют для
накопления сориентированных изделий (рис. 6.24). После рихтовки
гибких элементов изделия 1 поштучно подаются в электроконтакт-
ный орган 3, по сигналу которого включается один из электромаг-
нитов 2, когда изделие попадает на их полюсные наконечники.
Включенный электромагнит удерживает соответствующий конец
изделия, которое под действием силы тяжести разворачивается на
наклонном лотке 4 в направлении продольной оси. По наклонному
лотку изделия, ориентированные плюсовым концом вперед, попадают
в магнитный накопитель 5 и располагаются вертикально.
Выдача деталей из магнитных накопителей может осуществляться
с помощью магнитного поля без применения каких-либо контактных
захватных устройств. В горизонтальном магнитном накопителе
(рис. 6.25) перемещение плоских деталей 2 сложного профиля от
зоны загрузки к зоне выдачи происходит за счет градиента напряжен-
ности магнитного поля, которое изменяется вдоль накопителя
210

(по оси х) по линейному закону. Это достигается за счет выбора спе-
циального, выполненного по закону sh контура полюсных наконеч-
ников 1 магнитной системы. Загрузка деталей осуществляется с ши-
рокой части накопителя, а выгрузка — с противоположного конца,
где поле максимальное. На участке выдачи деталей над полюсами 1
основной магнитной системы размещены два электромагнита 3,
которые включаются по сигналу фотодатчика (на рисунке не показан)
при наличии в их зоне детали и выключаются после перемещения ее
за магниты. При включении магнитов 3, поле которых направлено
навстречу основному полю, происходит надежная отсечка крайней
детали от общего потока за счет локального ослабления поля в зоне
этих магнитов. В результате детали располагаются по обеим сторо-
нам магнитной ямы на участках с В > Вот (где значение Вот соответ-
ствует моменту отсечки). Бесконтактное управление обеспечивает
абсолютную неповреждаемость деталей с покрытием из драгоцен-
ных металлов. Перемещение деталей происходит под действием маг-
нитной силы
где V — объем детали; N — размагничивающий фактор.
Потенциальная энергия детали, которую можно представить
в виде диполя,
Гм =----J-(PMB0),
где Рм — магнитный момент твердого тела; Во — магнитная индук-
ция на поверхности подложки. За счет наличия магнитной подушки
детали 2 плавают над поверхностью ферромагнитной подложки 4
транспортного лотка накопителя, не соприкасаясь друг с другом.
Левитация деталей объясняется одноименной намагниченностью
Рис. 6.25. Иллюстрация принципа действия горизонтального магнитного накопителя с бес-
контактной поштучной выдачей плоских деталей сложного профиля
А-А
211

последних и подложки, как это показано на рис. 6.25. Условие рав-
новесия детали при левитации имеет вид
Fm + G = 0,	(6.4)
где Fm — вертикальная магнитная сила (направлена по оси у);
G — вес детали. Силу Fm рассчитывают по формуле (6.3).
В рассматриваемом случае деталь может быть представлена в виде
сплюснутого сфероида, для которого 1121
где X = a/b; а, b — соответственно малая и большая полуоси эллипса.
Учитывая, что деталь находится в поле вертикальных сил и
дВ _	__ п
дх ~ dz
получим
grad В2 = 25 ~.
Используя полученное соотношение и условие равновесия, со-
ставим дифференциальное уравнение, которое после некоторых пре-
образований и разделения переменных приведем к виду
h
G j dz =
о
kKV
2Мо
Bh
J 2BdB,
в»
(6.5)
где kM = x/(l + Ух); h — высота левитации; Bt) = Яр, Вп — зна-
чения магнитной индукции соответственно на поверхности под-
ложки и на расстоянии h от нее; Я — напряженность магнитного
поля. Значения Во и В,. могут быть замерены тесламетром. Решая
уравнение (6.5) относительно h, получим
2p0G
Таким образом, высота левитации конкретной детали зависит от
магнитной индукции в межполюсном пространстве и магнитной
проницаемости подложки. Зависимости В (у) и h (Во) представлены
на рис. 6.26.
Если считать предварительную ориентацию деталей в накопи-
теле первичной, то после отсечки для деталей сложной конфигура-
ции необходимо осуществить
операцию по вторичной
ориентации. Рассмотрим маг-
Рис. 6.26. Характеристики магнитного
накопителя:
а — изменение магнитной индукции
над ферромагнитной подложкой
вдоль оси у, б — зависимость высоты
левитации детали от индукции на по-
верхности подложки
?!2

А-А
нитно-пневматическую систему вторичной ориентации плоских де-
талей 1 с небольшой несквозной полостью. Система состоит из
транспортного лотка 2, сопел 3, 4, 5 для подачи сжатого воздуха и
электромагнитов 6 (рис. 6.27, а). Деталь подается в позицию ориен-
тации по плоскости, где она удерживается над соплами с по-
мощью магнитного поля, причем сопло 4, создающее вертикаль-
ную воздушную струю, оказывается под полостью детали со смеще-
нием относительно ее центра масс. Если деталь в позицию ориента-
ции приходит полостью вниз (рис. 6.27, б, положение /), то при
выключении электромагнитов 6 она под действием вертикальной
струи поднимается вверх, причем вследствие смещения сопла 4
один край детали оказывается выше и струей из сопла 3 прижи-
мается к боковой стенке лотка 2. Одновременно противоположный
край детали попадает под действие воздушной струи из сопла 5,
благодаря чему она поворачивается в вертикальной плоскости на
угол л рад. В случае размещения детали над ориентирующими соп-
лами полостью вверх (положение //) вертикальная струя взаимодей-
ствует с гладкой поверхностью и при снятии магнитного поля за
счет эжекции не обеспечивает подъема детали на высоту, необхо-
димую для ее переворота. Поэтому деталь поступает далее на сборку
с первоначальной ориентацией. В первом случае вертикальная
струя создает силу Ра = pQu (1 + cos а), а во втором Рд = pQw sin (3,
?13

Рис. 6.28. Экспериментальный график Рп(<^с) Для дета,
лей различной массы т
где р — плотность воздуха; а — угол меж-
ду боковой стенкой полости детали и на-
правлением отраженного потока; |3 —
угол между осью струи и поверхностью
взаимодействия [12]. Так как а = 0, а
|3 = л/2, то, следовательно, Рд = 2Рд.
Индукция магнитного поля должна
быть такой, чтобы усилие Гм, с которым
поле фиксирует деталь над соплами, было
больше силы давления Рд вертикальной струи на деталь. Условиерав-
новесия детали определяется уравнением (6.4) с добавлением силы FM,
которую рассчитывают по формуле (6.3). С учетом этих выражений
по формуле для высоты левитации детали можно определить мини-
мальное значение градиента магнитного поля, необходимого для
удержания в равновесии детали весом G при давлении на нее воздуш-
ной струи с силой Рд. Необходимое давление подводимого к системе
сжатого воздуха рп определим из формул скорости истечения потока
из сопла:
и — Q/S,
и расхода сжатого воздуха через сопло с площадью сечения S:
Q = kSg V 2р Др,
где k — коэффициент расхода (для данных условий k т 0,6); g—•
ускорение свободного падения; Др — перепад давлений. Решая
эти равенства, получим
Рп == s.G/dc,
где е = (nP2p3g2)-1; dc — диаметр сопла.
Как видно из графика на рис. 6.28, экспериментальные кривые
Рп {d^, снятые для деталей различной массы, хорошо иллюстрируют
указанную теоретическую зависимость.
Более производительными являются системы ориентации деталей
в процессе их перемещения по транспортеру. Рассмотрим процесс
активной ориентации деталей, движущихся в неоднородном магнит-
ном поле, на примере ферромагнитных круглых стержней с концами
различных сечений. Стержень 4, движущийся лопаточкой вперед,
в зоне соленоида 1 поднимается, стремясь занять вертикальное
положение на транспортере 2 (рис. 6.29). Поднимаясь, стержень
разворачивается на призматическом желобе транспортера 2 вокруг
своей продольной оси, и его лопаточка западает в прорезь 3. При
дальнейшем движении по транспортеру стержень продолжает вра-
щаться в вертикальной плоскости вокруг точки D (место перехода
лопаточки в цилиндрическую часть). Происходит переориентация
стержня, в результате чего он сходит с транспортера круглым кон-
цом вперед. Стержень, входящий в зону соленоида круглым концом,
не западает в прорезь, так как диаметр стержня больше ширины
214

Рис. 6.29. Схема активной ориентации асимметричного ферромагнитного стержня в не-
однородном магнитном поле
прорези. Стержень приподнимается над поверхностью желоба, опи-
раясь на круглый конец. Напряженность магнитного поля выби-
рают такой, чтобы в этом случае стержень не проходил через верти-
кальное положение. Поэтому после прохождения зоны соленоида
стержень вновь занимает горизонтальное положение и сходит с транс-
портера также круглым концом вперед.
Определим параметры магнитной системы, представив селеноид 1
в виде диполей, магнитные массы которых непрерывно распределены
по основаниям цилиндра, радиус которого R и длина L. Проекции
вектора напряженности Я на оси хх, в области s определяются
интегралами [12]:
Hxi =а И {~l^-^ + Oi + ^ + n2]372')^^’
Hyi = У {[(*!-К)2 + ^ + пТ2 ~ [я1-?)2 + о1+Л)2 + п213/2
(6.6)
где о = В7ро — плотность распределения магнитных масс диполя;
В' — магнитная индукция однородного поля внутри соленоида;
£, т] — переменные интегрирования. Интегралы (6.6) вычисляют
при условии замены области интегрирования в виде круга радиуса R
на квадрат со стороной 27? с учетом введения обозначений: х = x-JR,
У = У-JR, I = L/R.
Чтобы скомпенсировать увеличение площади распределения ма-
гнитных масс при замене круга на квадрат, следует уменьшить ве-
личину о, приняв ее равнойллВ'/(4р0). Проекции сил Хс, Yc и
Хв, У в, действующих на ферромагнитный стержень-диполь с ма-
215

Г'ййтнЫми массами т0 ila ёГо концах, определяют, йспользуя вели'
чины НХ1 и НУ1, полученные из (6.6). Безразмерные координать
концов стержня С, В и точки D — хс — xlc/R, ус = ylcIR, хв =
= x1B/R, ув= y1B!R, xD = x1d/R — связаны соотношениями: хс —
== xD — а0 cos ф, ус = h± — а0 sin ф, хв = xD + ay cos ф, ув =-
= гу + аг sin ф, где ф — угол наклона оси стержня к горизонталь
ной поверхности желоба транспортера; а = A/R; а0 = Ao/R; а± =-
= а—а0; hx = h/R; А — длина стержня; Ло — длина лопаточки:
h — расстояние от верхнего конца соленоида до поверхности же
лоба транспортера. Магнитную массу диполя т0 выразим чере;
магнитное насыщение I и площадь поперечного сечения стержня S:
т0 = IS. Применяя теорему об изменении кинетического момента,
вводя новую переменную £ = xjb и учитывая xD — 0, получим
уравнение для определения угла ф:
J V2
-да-ф'' + Fi^ ф)-0,	(6.7)
где уд — скорость движения стержня; Fx (£, ф) = с cos ф +	ф);
с = const;
fi (£, ф) = aQ (хс sin ф — ус cos ф) + aL (хв sin ф — ув cos ф);
X = 2ISB"/y0G — параметр, характеризующий действие магнитного
поля на стержень; В" — индукция магнитного поля над соленоидом.
Здесь и ниже штрихом обозначены производные по t- Для пере-
ориентации стержня необходимо, чтобы в момент £ = 0 (ось стержня
совпадает с осью соленоида) выполнялись условия
ф(0) = -=-; ф'(0)>0,	(6.8)
а в момент £ = 1 (горизонтальное положение стержня) — соот-
ветственно условия
Ф (1) = 0; Ф' (1) = 0.	(6.9)
Так как в горизонтальном положении стержня момент магнитных
сил относительно точки D равен моменту силы тяжести, то
Fi (1, 0) = 0,	(6.10)
вследствие чего
Ф"(1) = 0.	(6.11)
При £ = 0 и ф = л/2 выполняется равенство Fx (0, л/2) = 0, сле-
довательно,
Ф" (0) = 0.	(6.12)
Решение (6.7), удовлетворяющее условиям (6.8), (6.9), (6.11),
(6.12), найдем по методу Б. Г. Галер кина. В результате получим
J
(То - Ы + vFx (±) +	(А) + ?F1	= о, (6.13)
где у0 = 0,0390; у = 0,0224; ух = 0,2281; а = 0,0406; р = 0,0115 —
значения определенных интегралов, входящих в выражения <р"бф
и Fx (£) 6ф.
216

:	Постоянные b и k определяются из (6.10) и (6.13). Наименьшей
' значение X, при котором еще происходит переориентация стержня,
: найдем, считая, что в вертикальном положении его угловая скорость
равна нулю, т. е. <р' (0) = 0. Используя для ср первое приближение
и учитывая последнее допущение, получим k = л/2, и, следовательно,
 ф = (л/2) (1 — £3) (1 + 3£ + 6£2). В этом случае F (1/2) = 0. Введя
обозначение / (£, b) = fx [£, ф (£) I, запишем (6.10) в форме
с + Щ1,Ь) = 0.	(6.14)
Исключая из (6.13) и (6.14) параметр X, получим трансцендентное
’ уравнение, которое решим относительно b итерационным методом.
 В первом приближении решение будет таким:
. h — v 1 /~	'/р(л/2?1 —Т1)/(В 0)
;	1 к I/ gcfl[(acos<p1/4 + Pcos<p3/4)f (1, 0) — af(l/4, 0) — pf (3/4, 0)] ’
где ф1/4 = ф (1/4); ф3/4 = ф (3/4).
Подставляя Ьх в (6.14), определим наименьшее значение X = Хх.
Максимальное значение X = Х2, при котором происходит переори-
ентация стержня при движении его круглым концом вперед, опре-
деляется из приведенных соотношений, в которых нужно положить
а0 = 0, ах = а, с = а/2. Условие нормальной работы системы имеет
вид Хх с X < Х2 или Вх с В" < Въ где Вг = 1,25- IQ^d^l^Ra-,
В2 ~ 1,25-iO^d^I^Ra— границы изменения магнитной индукции
ориентирующего соленоида; d — удельный вес стержня.
Характер зависимости Вх (а) для конкретной системы с пара-
метрами: R = 30 мм; h — 2/3; Z = 2; I = 50 мТл; d = 0,872 мН/м3
показан на рис. 6.30. Значение В2 определяют по значению Вх при
а0 ~ 0. График Вх (а) показывает, что магнитная индукция нели-
нейно зависит от признака асимметрии тела, причем с уменьшением
последнего диапазон изменения индукции сужается, и при некото-
ром его критическом значении стабильность работы системы' нару-
шается. В производстве широко используют системы ориентации,
работающие по принципу сортировки деталей на два канала (в за-
висимости от занимаемого деталью положения). Такие системы при-
меняют для питания одновременно ряда технологических ма-
шин из одного загрузочного устройства при подаче на сборку
двух одинаковых деталей с зеркальным
расположением их относительно друг
друга, а также для отбраковки из
транспортного потока дефектных дета-
лей. В системах сортировки механизм
переориентации деталей ^может ’'отсут-
ствовать. Сортировка пластинчатых де-
талей 1 с односторонним токопроводя-
щим немагнитным слоем осуществляется
в магнитном поле 'высокой частоты,_соз-
Рис, 6,30. График зависимости магнитной индукции
от безразмерных параметров деталей и системы
217

1
Рис. 6.31. Сортировка пластинчатых деталей с односторонним токопроводящим немагнит-
ным слоем в высокочастотном магнитном поле
даваемом в межполюсном зазоре С-образного магнита 2 (рис. 6.31).
При движении детали через переменное магнитное поле благодаря
смещению слоя с более высокой электрической проводимостью отно-
сительно максимума поля возникает электродинамическая сила FM,
действующая в ту или иную сторону в зависимости от исходного по-
ложения детали. Механизм возникновения сил FM основан на взаи-
модействии внешнего поля с индуцированным (наведенным) полем,
создаваемым самим телом. Для удлиненных токопроводящих деталей
мгновенное значение момента силы FM [12]
Т/О2
М (FM) =----5—sin 2а (х — /х') е2'и<,
•‘М’О
где а — угол между продольной осью детали и направлением поля;
х, х' — соответственно составляющие магнитной восприимчивости
от гистерезиса и вихревых токов; / — объемная плотность тока;
со — круговая частота электромагнитного поля.
Если электрическая проводимость тела отлична от нуля чох
магнитная проницаемость детали р = 1 + х + х'. При достатоно,
высоких значениях и магнитная проницаемость р может быть умень-
шена до значения р0. При этом ферромагнитное тело начинает вести
себя в магнитном поле как диамагнитное, т. е. выталкивается из
зоны более сильного поля. Аналогично ведет себя и немагнитное
токопроводящее тело. Сортировка деталей указанного класса в пе-
ременном магнитном поле осуществляется в диапазоне частот 0,5—
200 кГц. В частотном диапазоне 50—80 кГц мощность генератора
ультразвуковой частоты должна быть порядка 100 Вт. С-образный
магнит изготовляют из кольцевого ферритового сердечника. Длина
межполюсного пространства составляет около 3 мм.
Для создания устройств сортировки в непрерывном режиме
плоских деталей сложной формы с неглубокими односторонними
выемками или небольшими выступами используют эффект Бернулли,
проявляющийся в подсасывающем действии воздушной струи на
деталь [12]. Пусть детали 3 поштучно транспортируются по лотку 5
в вертикальном положении на ребре (рис. 6.32). В зоне сортировки
деталь испытывает подсасывающее действие со стороны сопла 2
или 4, к которому она обращена гладкой плоскостью. Благодаря
этому деталь отклоняется влево или вправо (соответственно пози-
ции I и II), причем надежность отклонения обеспечивается также
218

системы,
Рис. 6.32. Сортировка деталей сложной формы с использованием пневматической
основанной на эффекте Бернулли
A
J действием противоположной струи, вытекающей из сопла со стороны
J выемки. Сжатый воздух к соплам 2, 4 подводится из общего пита-
I ющего канала 1. В случае необходимости детали из наклонного
I положения за счет специального профиля лотка переводятся в гори-
I зонтальное, например выемкой вверх (позиция III), и в определен-
I ном положении подаются в рабочую зону технологической машины
| или захвата робота. Давление подводимого к соплам сжатого воз-
I духа рц 3-105 Па.
f Используя данные
I работы сортирующей
работы [101, напишем условие нормальной
системы
эффекта f Бернулли представ-
рисунке заштрихована). Зна-
струи из сопла со скоростью
I где уя — скорость движения детали; Др = рк — рл‘, рк, рл — со-
I ответственно давление воздуха в канале сопла и атмосферное;
I	— sin а) „	,
t & = ----~:G, J — сила тяжести и момент инерции
I	lndc sin а	г
* детали; I — длина детали; п — расстояние от точки приложения
I давления струи до центра масс детали; а — угол наклона стенки
j лотка; dc — диаметр сопла.
i Качественные границы области стабильной работы системы сор-
| тировки деталей с использованием
[ лены на рис. 6.33 (эта область на
I чение Дрк соответствует истечению
! звука.
f Пневматические системы сорти-
I ровки более сложных деталей выпол-
1 няют обычно с разделением функций
f опознавания, управления и исполне-
; ния. Для управления исполнитель-
ной струей в процессе сортировки
различных деталей применяют также
двух- и трехструйные пневматические
Рис. 6.33. Границы области стабильной работы
системы сортировки деталей с использованием
Эффекта Бернулли

элементы, взаимодействующие с исполнительной струей непосред-
ственно или через усилитель.
Транспортная система. В состав задачи комплексной автомати-
зации входит задача автоматизации вспомогательных технологи-
ческих процессов таких, как транспортирование, накопление и
хранение изделий, организация межучастковых и межцеховых свя-
зей. Применение автоматизированной транспортной системы в про-
изводстве изделий микроэлектроники позволило сократить время
межоперационного хранения и транспортирования, упорядочило
грузопотоки и увеличило выход годных изделий.
Транспортная система [30] обеспечивает доставку партий дета-
лей на технологические участки, управление движением материаль-
ных потоков при многономенклатурном производстве, возможность
применения накопительных устройств и требуемый ритм работы
участков, а также высокую вакуумную гигиену.
Примером транспортной системы, обеспечивающей комплекс-
ное выполнение этих требований, является линия диффузии
АПЛ-Д-18-100, предназначенная для проведения процессов физико-
термической обработки полупроводниковых пластин. Для транспор-
тирования пластин от пульта управления к реакторам диффузион-
ных печей применяется рельсовая трасса, по которой со скоростью
0,2 м/с скользит носитель с кварцевой кассетой, толкаемый карет-
кой-автооператором.
Разработаны и изготовлены конвейерно-адресные системы уча-
стков диффузии, в которых для межагрегатных связей применен
пространственный цепной конвейер, транспортирующий партии по-
лупроводниковых пластин в транспортных кассетах или кварцевых
«лодочках» со скоростью 0,1 м/с.
Представляют интерес также автоматические транспортно-диспет-
черские системы многоцелевого назначения, в которых груз в раз-
нообразных контейнерах, закрепленных на самодвижущихся те-
лежках по самонесущему алюминиевому треку, автоматически до-
ставляется по различным адресам производственного помещения.
Малогабаритная гибкая автоматизированная транспортная си-
стема разработана для производства БИС и СБИС с организацией
межучастковых, межцеховых связей посредством пространственной
трассы, расположенной на разных производственных этажах. Си-
стема предназначена для автоматической доставки кратчайшим путем
в соответствии с заданной программой пластин в специальных
контейнерах с помощью подвижных тележек с автономным приводом,
движущихся по самонесущей трассе к технологическим участкам.
Система выполнена по принципу структурно-модульного и кон-
структивного агрегатирования. В состав транспортной системы
входят трасса, комплект тележек, посты приема-отправления, си-
стема опознавания и адресования партий изделий, комплект контей-
неров. Трасса системы комплектуется по принципу агрегатирования
из участков: горизонтальных прямых, вертикальных прямых, гори-
зонтальных поворотных и вертикальных радиусных выпуклых и
вогнутых, а также площадок стрелочных переводов.
§20

f л а в a
1
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
И КОМПЛЕКСЫ
Необходимым условием эффективности современного про-
изводства становится высокая гибкость, т. е. возможность быстрой
перестройки на выпуск новых видов продукции различной серий-
ности. Такая перестройка требует мобильности от всех производ-
ственных служб: конструкторско-технологической, планирующей,
основной, инструментальной, подготовительной, транспортно-склад-
ской и др. Новым направлением в этой области является создание
гибкого автоматизированного производства (ГАП). Основной струк-
турной единицей ГАП являются роботизированные технологические
комплексы (РТК), сочетающие автоматизированное технологическое
оборудование и промышленные роботы, объединенные транспорт-
ными системами.
При массовом и крупносерийном производстве миниатюрных
изделий в составе РТК чаще используются специализированные ПР
на операциях обслуживания и специальные — для выполнения тех-
нологических операций. Основными требованиями к ПР в этих
условиях являются: высокие точность, надежность, быстродействие,
возможность работы в жестком цикле, простая, но быстроперена-
лаживаемая конструкция. Такие ПР позволяют эффективно пере-
страиваться на новые виды изделий.
При мелкосерийном производстве миниатюрных изделий исполь-
зуются главным образом специальные ПР, отличающиеся высокой
точностью и надежностью, выполняющие технологические операции
в сочетании с обслуживающими. Рост производительности в этих
условиях обеспечивается за счет групповых методов обработки из-
делий, использования высокоавтоматизированного универсального
технологического оборудования, интенсификации режимов и т. п.
Характерная для этого вида производства многономенклатурность
требует быстрой переналадки оборудования (иногда в течение одной
смены). Поэтому структурной единицей ГАП при мелкосерийном
производстве являются роботизированные комплексы, в ко-
торых основной функцией роботов является выполнение опера-
ций технологического процесса (сборки, сварки, окраски
и т. п.).
221

7.1. Устройства робототехнических
комплексов для перемещения
и сборки изделий
Перемещение изделий в ориентированном положении существенно
улучшает качество технологических процессов обезжиривания, трав-
ления, окраски, сушки и т. п., а также позволяет практически
исключить брак от механических повреждений хрупких и мало-
жестких изделий. В зависимости от компоновки робототехнического
комплекса изделия могут транспортироваться по прямолинейной
и круговой траектории с вертикальной, наклонной и горизонтальной
(в том числе радиальной) ориентацией их относительно поверхности
транспортера. Применение различных модификаций сложного ма-
гнитного поля, образованного наложением переменного или пуль-
сирующего поля на постоянное, позволяет осуществлять бескон-
тактное управление движением изделий, помещенных в определенное
ограниченное пространство, в частности направленное перемещение
изделий в заданную зону с регулированием параметров движения
на трассе.
Рассмотрим магнитную транспортную систему РТК, которая
позволяет плавно регулировать скорость поступательного пере-
мещения ориентированных изделий и амплитуду их угловых коле-
баний, обеспечивая режимы транспортирования с ускорением,
замедлением, с равномерной скоростью, включая реверсирование
движения. Наличие угловых колебаний при поступательном пере-
мещении изделий позволяет интенсифицировать технологические
процессы обработки миниатюрных ферромагнитных изделий с тон-
кослойным покрытием в различных средах.
Сложное магнитное поле может быть получено с помощью си-
стемы, содержащей сборный С-образный магнитопровод 5, концевые
соленоиды 1, питаемые постоянным током, средние соленоиды 4,
питаемые пульсирующим током, и транспортный лоток 2 для дета-
лей 3, выполненный из диамагнитного материала, например латуни
(рис. 7.1, а). Соленоиды 1 создают между параллельными полюс-
ными наконечниками стационарное однородное магнитное поле,
характеризуемое вертикальным вектором В, а соленоиды 4 — пуль-
сирующее поле, обозначенное горизонтальными векторами Вх и В2

(рис. 7.1, б). В результате наложения полей (при определенной по-
лярности концевых и средних соленоидов) на активных полуперио-
дах вдоль лотка возникает градиент напряженности сложного ма-
гнитного поля, направленный в сторону соленоидов с одинаковой
полярностью. Детали, поступающие на транспортер, взвешиваются
и ориентируются своей продольной осью вдоль вектора В. В случае,
когда направление питающих токов /х, 12 и полярность соленоидов 1,
4 не совпадают, неоднородное поле, возникающее вдоль транспортера
в моменты /х = —/2 #= 0, имеет одинаково направленный градиент В
у обоих концов детали. В эти моменты деталь будет двигаться по-
ступательно в направлении grad В под действием равнодействующей
магнитных сил (перемещение на шаг Ах)
FM = 2FoA (g) гр,
где Fo — постоянная, зависящая от параметров возмущающих со-
леноидов; fx (£) — функция, зависящая от соотношения £ координат
детали и размеров возмущающих соленоидов; ф (t) — периодиче-
ская функция, характеризующая частоту пульсаций поля В по оси
времени t. В моменты, когда Л = /2 = 0, деталь движется по инер-
ции. Уравнения плоскопараллельного движения детали в симме-
тричной транспортной системе имеют вид
тхс = 2F0/i © Ф (0 - F (хс); 1
Jca + Mc(ac)-MM(a) = 0, )
где т, х,. — соответственно масса и координата центра масс детали
по оси абсцисс; Jc — момент инерции детали относительно ее центра
масс; R (хс) — сила сопротивления среды (газа или жидкости),
пропорциональная поступательной скорости детали; Мс (а) — момент
сил сопротивления, пропорциональный угловой скорости детали;
Мм (а) — восстанавливающий момент поля В; а — угол между
продольной осью детали и вектором В.
Второе уравнение системы (7.1) описывает свободные колебания
детали вокруг центра масс, которые, вообще говоря, быстро зату-
хают, так как их амплитуда зависит от случайных причин, например
неровностей стенок транспортного лотка. Средняя скорость деталей
йд зависит от силы токов llt /2 и частоты пульсаций ф (/). В несим-
метричной транспортной системе (при условии Л =0= /2) детали со-
вершают сложное движение. На активных полупериодах, когда
/х > 0 и /2 > 0, магнитное поле будет неоднородным не только
в продольном, но и в поперечном направлении (вдоль детали). Вслед-
ствие чего точка приложения результирующей магнитных сил Fx
и F2 смещается относительно центра масс с, и детали одновременно
с поступательным движением начинают совершать угловые колеба-
ния вокруг центра масс с амплитудой а (рис. 7.2). Максимальная
амплитуда колебаний а имеет место при = 0 или /3 = 0. Приве-
223

Рис. 7.2. Магнитная транспортная система с несимметричным включением соленоидов
1 — 4 — соленоиды; 2 — транспортный лоток; 3 — деталь; 5 — магннтопровод
дем уравнения движения детали при одном включенном соле-
ноиде:
- R(xc);
тус = N — G;
Fob (g) ф (/) — Mc (a) + Л4М (a),
где yc — координата центра масс детали по оси ординат; N — нор-
мальная реакция стенки лотка; G — вес детали; /2 (?) — функция,
аналогичная /у (£).
Приближенный график скорости центра масс детали имеет вид
Линейно-ступенчатой функции, а скорости верхнего и нижнего кон-
цов этой детали vK = vc =F (1/2) а и противоположно направлены
(а — угловая скорость детали). В этой формуле плюс надо брать для
ближнего к возмущающему соленоиду конца, а минус — для даль-
него. Характер движения стержневых (сплошных и полых) и пло-
ских деталей при различной пространственной ориентации магнит-
ной транспортной системы качественно одинаков. Реверсирование
движения деталей осуществляется путем изменения полярности
возмущающих соленоидов.
В зависимости от технологических условий и компоновки РТК
предварительно ориентированные детали доставляют в зону сборки
либо транспортной системой, либо захватом ПР. В том и в другом
варианте большое значение имеет размещение в зоне сборки спе-
циальной системы автопоиска, существенно повышающей вероят-
ность точного совмещения элементов при сравнительно невысоких
требованиях к точности позиционирования манипулятора ПР. Ука-
занная система и применение метода неполной взаимозаменяемости
при автоматической сборке позволят значительно снизить себестои-
мость изготовления изделий. Как известно, средний допуск на со-
ставляющий размер при реализации метода неполной взаимоза-
меняемости [12]
§ = ______ 63
Р	[F^ср (m	I)
224

где 8., — допуск монтажный замыкающего (исходного) звена; kp =
— 63/2сГз — коэффициент риска, с помощью которого оценивают
долю возможных нарушений сборки за счет погрешности замыка-
ющего звена; о3 — среднее квадратическое отклонение замыкающего
звена при установлении больших допусков на соответствующие
звенья; Хср — коэффициент, зависящий от характера распределения
погрешностей (для закона Гаусса Хср 'Х, 0,11; для неизвестного
закона распределения Хср яз 0,33); т — общее число звеньев раз-
мерной цепи.
В основу построения систем автопоиска могут быть положены
методы, основанные на использовании вибраций или локальных
силовых полей. Для вибрационных методов вероятность динамиче-
ского совмещения элементов определяется выражением
q = qcef (v),
где qc = тр (1 — р)"! 1 — вероятность статического совмещения;
' р = (S — So)/S; S, So — соответственно площади базового отвер-
стия сборочного узла и детали; т — число испытаний (попыток);
f (v) — некоторая функция частоты колебаний базового элемента
; сборочного узла. При v = 0 функция f (v) = 0, а при некотором
v = ут эта функция имеет максимум. Наиболее простое выражение
для f (v) будет
f (v) = ay — by2,
где a > 0, b > 0 — коэффициенты параболы. Для параболической
* функции ут = а/2Ь,
i Решение дифференциальных уравнений сложного движения де-
; тали в зоне сборки под действием гармонических колебаний и ма-
гнитного стимулятора дает следующие значения радиусов области
эффективного захватывания детали (соответственно малая и большая
полуоси эллипса):
р	7 (g + g)	л<в’ . р' 2/ (g.+ с)
где / —- коэффициент трения детали о поверхность базовой плиты
без смазочного материала; g — ускорение свободного падения;
А, ю— амплитуда и круговая частота колебаний; Ь, с — коэффи-
циенты, характеризующие магнитную силу при дипольной схеме
намагничивания (определяются экспериментально).
Для автопоисковой системы с вибропневматическим стимуля-
тором эффективные радиусы области захватывания
D ° — fg Лш3 . п, _ a — fg
Но < —-ь-----, Ко < —-ь—.
Специальные стимуляторы автопоисковой системы сборки могут
обеспечивать в процессе совмещения одновременно вторичную ори-
ентацию деталей. Например, плоская деталь 2, предварительно
сориентированная в стационарном поле магнита 4, попадает в сбо-
рочный узел левым или правым концом в зависимости от полярности
; стимулирующего магнита 3 (рис. 7.3). Если магнит 3 имеет поляр-
225

2
a)	5)
Рис. 7.3. Схемы сборки изделий с магнитным стимулятором процесса совмещения и вто-
ричной ориентации плоской детали
ность, указанную на рис. 7.3, а, то образующееся при этом сложное
магнитное поле обеспечивает западание детали в оправку 1 левым
концом. Если полярность магнита 3 будет соответствовать схеме
на рис. 7.3, б, то деталь попадает в оправку правым концом. Поляр-
ность магнита 3 переключается по сигналу фотодатчика системы
опознавания положения детали (на рисунке не показан).
Сборка стержневых изделий с точной соосной установкой гибких
выводов 2, 5 относительно корпуса 3 осуществляется путем воздей-
ствия на концы сопрягаемых элементов локальными магнитными
полями соленоидов 1, 4, 6, размещенных на определенном расстоянии
друг от друга (рис. 7.4, а). Соленоиды 1 и 4 обеспечивают удержание
дальних концов гибких выводов 2, 5, а соленоид 6 —- соосное рас-
положение их ближних концов в корпусе 3. После совмещения
концов выводов внутри соленоида 6 напряженность поля, созда-
ваемого им, увеличивают до значения, обеспечивающего отрыв
дальнего конца вывода 5 от соленоида 4 (рис. 7.4, б). После сборки
изделие удаляется путем отключения соленоидов 1, 6 и увеличения
напряжения на соленоиде 4. В результате этого изделие притяги-
вается к опоре соленоида 4, и последний поднимается в верхнее
исходное положение (рис. 7.4, в). Магнитодвижущую силу соленои-
дов 1, 4, 6 выбирают из расчета, чтобы соленоид 6 обеспечивал четкую
фиксацию нижнего конца вывода 5 относительно сопрягаемого конца
вывода 2 и отрыв вывода 5 от опоры соленоида 4. Описанная магнит-
ная система обеспечивает качественную сборку изделий при невы-
сокой точности изготовления сопрягаемых элементов [А. с. 392856
(СССР) ].
Оснащение руки робота измерительными преобразователями
позволяет проводить коррекцию взаимного положения деталей,
необходимую для точной ориентации их на сборочных операциях.
Покажем это на примере сопряжения типа вал — отверстие, при
котором угол опрокидывания а вала 2 может быть использован
для управления операций сборки (рис. 7.5, а). В зависимости ОТ
226

Рис. 7.4. Схема сборки стержневых изделий с магнитными стимулированием процесса соос-
ной установки гибких элементов
эксцентриситета е (или в конечном счете угла а) можно корректи-
ровать посадочное усилие F вала 2 в отверстие базовой детали 1.
Угол опрокидывания может быть измерен бесконтактным индуктив-
ным преобразователем 3 (рис. 7.5, б). Корректирующее перемещение
вала в горизонтальной плоскости обеспечивается с помощью двух
шаговых двигателей 8, ходовых винтов 9 и спиральных пружин 7.
Усилие сопряжения F через двухшарнирную подвеску 6 передается
на измерительный преобразователь давления 5, который управляет
Рис. 7.5. Корректирующие устройства робота для сборочных операций типа вал— отвер-
стие с индуктивным и тензометрическим преобразователями
227

Рис. 7.6. Схема компонойки сборочного комплекса
с ПР, снабженным телевизионной камерой и
мини-ЭВМ
двигателем 4 для вертикального пере-
мещения вала 2. В конструктивных
модификациях описанного преобразо-
вателя могут применяться плоские
пружины, тензометрические чувстви-
тельные элементы и микродвигатели, использующие обратный пьезо-
эффект [12].
Полупроводниковые тензодатчики в виде кремниевых пленок 10
наносят на поверхность упругих стержней И захвата робота
(рис. 7.5, в). Сигналы тензометрических преобразователей демоду-
лируются, усиливаются и через блок связи поступают в микро-
процессор, который вычисляет заданные параметры движения (путь
и скорость). Управляющие сигналы подаются через промежуточный
блок в устройство управления роботом. Для измерений показаний
тензодатчиков применяют лазерный интерферометр, который позво-
ляет одновременно считывать три усилия и три момента.
Неточность совмещения деталей и узлов может быть скомпен-
сирована при сборке, если в сборочном комплексе используются
роботы с системой адаптации, включающей органы восприятия
изображений. Такие системы не представляют строгих требований
к условиям сборки и допускают значительно большую неопределен-
ность в расположении сопрягаемых деталей, приспособлений и т. д.
Примером может служить комплекс, осуществляющий установку
коллекторных щеток в гнезда щеткодержателей при сборке микро-
двигателей постоянного тока. Щетки 4 из бункера 5 подаются в на-
копитель (рис. 7.6). Питатель 6 осуществляет поштучную выдачу
щеток из накопителя. Затем робот 2 берет щетку с помощью видео-
камеры 3, размещенной в захвате, ориентирует щетку требуемым
образом, переносит к технологической машине 7 и устанавливает
в соответствующее гнездо щеткодержателя. Собранные узлы из
машины 7 передаются роботом в межоперационный накопитель 8.
Мини-ЭВМ 1 управляет автоматическим комплексом, обеспечивая
включение и выключение шаговых электродвигателей, приводов
питателя и исполнительных органов технологической машины, пере-
вод в числовые величины показаний видеокамеры, перенос изобра-
жения на экран телемонитора.
Элементарный цикл сборки любого узла с помощью робота
состоит из ряда переходов: опускание руки и захватывание 1-й де-
тали; перенос и установка ее в позицию сборки; захватывание и
установка 2-й детали и т. д. Время элементарного цикла сборки
п	т
Тц = tM + U tni + 2 £у/,
1=1	/=1
где — основное технологическое (или машинное) время; tni,
tyj — соответственно время единичных поступательного и поворот-
228

кого движений'руки;'/!, tn — число единичных поступательных и
поворотных движений.
Цикловые потери определяют по формуле
Т] = (1	100%.
Так как время зависит от типа соединения, технологии сборки
и характеристик деталей, то возможности регулирования tM неве-
лики, причем в каждом конкретном случае для этого необходим
специальный эксперимент. Следовательно, увеличение производи-
тельности сборочного роботизированного комплекса путем умень-
шения 1] может быть достигнуто за счет уменьшения значений tni
и tYj, т. е. увеличения скорости холостых ходов робота, а также
выбора оптимальных значений технологических скоростей. Выбран-
ный вариант оптимальной компоновки комплекса должен быть
проверен на надежность, которая определяется вероятностью р
безотказной работы сборочной системы:
Р = РдРс,
где — вероятность подачи на сборку качественных деталей;
рс = Пр1рырт — вероятность безотказной работы оборудования;
Пр; — произведение вероятностей безотказной работы ориентиру-
ющих, подающих и других устройств; рм, рт — вероятности безот-
казной работы соответственно механизмов робота и выполнения им
технологических операций.
Особенно следует провести тщательный учет всех факторов
(технологических, конструктивных, эксплуатационных и др.), влия-
ющих на величину рт, которая определяет технологическую на-
дежность сборочного робота и в конечном счете его фактическую
производительность фф.
Допустимые режимы 'работы сборочного робота определяются
зависимостями обобщающих показателей системы рт и Qj, от ско-
рости dm срабатывания исполнительных механизмов робота (рис. 7.7).
Параметры исполнительных механизмов с учетом заданного быстро-
действия можно оценивать величиной [36]
4б<рм7м
Сп "...	_	ж
а параметры режима работы
коэффициентами
— м .	_ ___ ?п .	- _ 1 / ty
tp ~ с ’ Тр “ ty ’ ТР - V tc ’
где 6<рм — предельный угол поворота вы-
ходного вала исполнительного механизма
за время управления £у;	— момент инер-
Рис. 7.7. Зависимость обобщающих показателей сбо-
рочного роботизированного комплекса от скорости
v срабатывания исполнительных механизмов робота
229

ции механизма; Л4 см—статический момент нагрузки механизма; Л4м —
максимальный момент на выходном валу, необходимый для воспро-
изведения заданного закона движения; ta, tc — соответственно
время работы механизма с постоянной скоростью и с учетом стоянки
(паузы). При условии Л4С. м = const значение М™ рассчитывают
по следующей формуле:
_______еи^с. м__
м О-^0-4)'
Варьируя значения коэффициентов еп, еР, тр, Тр, можно миними-
низировать значения ty, Л4м и др.
Современные достижения в области технологии, роботизации
и средств вычислительной техники обеспечивают реальные пред-
посылки создания автоматических производств в ряде отраслей
промышленности и в том числе в приборостроении. Особенно ак-
туальной является задача создания автоматических сборочных
производств, так как трудоемкость сборочных процессов все еще
значительна (от 30 до 40 % полной трудоемкости изделия), а уровень
их механизации и автоматизации не достаточно высок (порядка
40 %).
В настоящее время центр тяжести от массового производства
с узкой номенклатурой изделий все более смещается к многономен-
клатурным производствам с быстрой сменяемостью программы,
в результате чего среднее время жизни изделия уменьшается с 7—8
до 2—3 лет. Сборку многоэлементных изделий с большой номен-
клатурой и малой стабильностью выпуска необходимо осуществлять
на базе автоматических линий, построенных по принципу модульного
конструирования и унификации основных узлов с целью обеспече-
ния переналаживаемости линий на основные типоразмеры приборов.
Такие автоматические линии могут явиться основой для создания
автоматических сборочных участков и цехов, реализующих идею
малолюдной, а впоследствии безлюдной технологии. Аналогичный
подход при создании сборочного оборудования характерен для
ведущих зарубежных фирм: «Фанук» (Япония), «Бош» (ФРГ), «Сор-
мель» (Франция). Для обеспечения нормальной работы автоматиче-
ской линии необходимо создание автоматического участка, состоя-
щего из комплекта автоматов кассетирования элементов изделий.
Без решения вопроса создания сервисного оборудования эффектив-
ность автоматической сборочной линии снижается, так как трудо-
емкость на указанных операциях сохраняется достаточно высокой,
что не позволяет в полной мере решать задачу сокращения числен-
ности на операциях сборки. На выходе кассетирующих авто-
матов должны применяться унифицированные узлы: накопитель
и робот, а на входе — индивидуальные средства манипулирова-
ния.
230

7.2. Роботизированные технологические
комплексы в производстве миниатюрных
изделий
Для рассмотрения структурных вариантов робототехнических
комплексов целесообразно выделить некоторые первоначальные ро-
ботизированные позиции, варианты которых с роботами для об-
служивания и выполнения технологических операций были рас-
смотрены ранее. В настоящее время известны четыре варианта
формирования РТК на основе этих структурных единиц: линейный,
последовательный, параллельный и смешанный.
Особенностью структур РТК линейного типа (рис. 7.8, а) яв-
ляются прямые связи между отдельными роботизированными пози-
циями РП согласно технологическому процессу. РТК этого типа
повышают ритмичность процессов, позволяют сократить длитель-
ность операций, но имеют худшие показатели надежности по сравне-
нию с другими структурами.
Наиболее простые линейные РТК комплектуются одинаковыми
роботами и однотипным технологическим оборудованием, отличаются
высокой взаимозаменяемостью, приблизительно одинаковой про-
изводительностью, возможностью быстрого перехода на выпуск
новых изделий, отсутствием внутрилинейных оборотных заделов.
Линейные РТК этого вида эффективны в условиях серийных про-
изводств.
Линейные РТК с различными по составу структурными едини-
цами (один или несколько роботов, разнотипное оборудование)
применимы для массового производства. Они отличаются сложностью
подбора номенклатуры изделий с одинаковой технологией обра-
ботки и оборудования с одинаковой производительностью и т. п.
Примером организации линейной структуры РТК является линия
сборки дисковых аккумуляторов [30].
Увеличить гибкость линейных РТК позволяют структуры после-
довательного типа (рис. 7.8, б). Особенностью последовательных
структур является наличие единой транспортной системы с автома-
тическим адресованием, которая позволяет сокращать или полностью
а — линейная; б — последовательная: в — параллельная; г
смешанная; д — матричная
231

Рис. 7.9. Структура линии сборки дисковых аккумуляторов
исключать индивидуальные магазины-накопители и другое вспомо-
гательное оборудование. РТК последовательного типа повышают
компоновочную гибкость и увеличивают возможности использования
оборудования. Недостатком такой структуры являются большие
затраты на переналадку РТК- Поэтому последовательные структуры
целесообразно использовать при значительных масштабах выпуска
изделий. Примером такой организации является линия производства
полупроводниковых структур на пластинах, линия сборки электро-
двигателей, испытания диодов и др.
Получили распространение РТК параллельного типа (рис. 7.8, в)
с ПР, обслуживающими технологическое оборудование. Такие
структуры целесообразны для мелкосерийных и многономенклатур-
ных производств. Функционирование параллельных РТК не нарушает
сложившейся системы оперативного планирования, так как неза-
висимая работа отдельных структурных единиц комплекса позво-
ляет останавливать любую из них для переналадки на выпуск новой
продукции, ремонт и т. п. Увеличение экономии при такой органи-
зации РТК достигается за счет высвобождения рабочих, перехода
на многостаночное обслуживание, совершенствования вспомога-
тельных служб и т. п.
Наиболее сложным, но и совершенным вариантом организации
гибких структур являются структуры смешанного типа (рис. 7.8, г).
Этот вариант позволяет формировать любые связи как между струк-
турными единицами внутри комплексов, так и между самостоятель-
ными РТК в составе ГАП. Смешанная структура позволяет гибко
менять производственную программу и переходить на другие струк-
туры.
Распространенной разновидностью РТК смешанного типа яв-
ляется матричная структура (рис. 7.8, д). Такая структура наиболее
удобна для размещения в цехах, сочетает в себе преимущества
параллельной и последовательной структур: максимальную гибкость
с возможностью реализации самых различных потоков перемещения
изделий.
Примеры реализации роботизированных структур описаны ниже.
Линия сборки дисковых аккумуляторов. Эта линия организована
по типу линейного РТК с различающимися по составу структурными
единицами. Прямые связи между структурными единицами реали-
зованы по ходу технологического процесса. Линия (рис. 7.9) скон-
струирована из агрегатных модулей и содержит модули загрузки,
232

сборки и герметизации. В состав каждого модуля входят малогаба-
ритные роботы модели ПРП-01-2 [30]. В модуль загрузки I объеди-
нены устройства 3 и 4 ориентированной подачи корпуса и положи-
тельного электрода, устройства 5 и 6 заливки электролитом и вы-
рубки, укладки сепаратора.
В состав модуля сборки II входят устройства 7—10 ориентиро-
ванной подачи: прокладки из вибробункера, отрицательного элек-
трода, пружины-компенсатора, крышки аккумулятора.
Из модуля герметизации III, содержащего устройство гермети-
зации Им два робота /, объекты сборки 2 выдаются на контроль
выходных параметров.
На модуле загрузки осуществляются ориентация корпуса акку-
мулятора, подача его в рабочую зону робота и заливка электролита.
Затем робот переносит корпус аккумулятора на позицию контроля
наличия корпуса, расположенную в последующем модуле.
На модуле сборки производятся ориентация устанавливаемой
детали и подача ее в рабочую зону робота, который оснащен двумя
взаимно перемещающимися захватами. Одним захватом робот берет
корпус аккумулятора, а другим — устанавливаемую деталь, пере-
носит их на следующий модуль сборки, совмещая ось детали с осью
корпуса аккумулятора, укладывает деталь в этот корпус и устанав-
ливает его на датчик наличия корпуса.
Робот последнего модуля сборки устанавливает аккумулятор
в гнездо карусели модуля герметизации. Операция осуществляется
путем трех последовательных опрессовок, после чего робот снимает
аккумулятор с карусели и подает его на другую установку.
Промышленные роботы, применяемые в линии сборки, выпол-
нены на базе кинематической схемы с двумя поступательными и од-
ним вращательным движением. Такая схема создает цилиндрическую
рабочую зону, допускает хорошую маневренность роботов и обеспе-
чивает компактность их конструкции.
Использование АЛ сборки дисковых аккумуляторов на базе ПР
позволило сократить сроки проектирования и изготовления обору-
дования, снизить трудоемкость сборки, а также повысить качество
собираемых изделий.
Автоматическая поточная линия диффузии (рис. 7.10). Эта линия
предназначена для групповой обработки полупроводниковых пла-
стин диаметром 76—100 мм на операциях диффузии и окисления и
8 Р. Ю. Бансявичюс и Др.
233

йредставляет собой гибкую последовательную структуру. В основу
построения автоматической поточной линии диффузии и окисления
положен принцип объединения одинаковых по организации техноло-
гических процессов в комплекс с автоматизацией всех вспомога-
тельных операций и перемещения обрабатываемых пластин в пыле-
защитном коридоре.
Линия диффузии комплектуется трехтрубными диффузионными
однозонными электропечами 6 с устройствами газораспределения
УГ-2. Каждые две печи объединяются системой пылезащиты в ше-
ститрубный агрегат АДС-6-100. В состав линии могут входить три
и более агрегатов 5. Кроме того, линия диффузии содержит системы
газораспределения, автоматической загрузки, .транспортирования,
автоматического адресования, пылезащиты; устройства пере-
укладки пластин, накопители партий пластин и систему управ-
ления.
Конструктивно линия выполнена в виде «стенки», отделяющей
зону 1 обслуживания технологического оборудования — диффу-
зионных печей — от зоны 16 «чистого» коридора, в составе которого
модули пылезащиты 2 и устройство транспортирования 9 открытых
полупроводниковых пластин от рабочего места оператора 12 к тех-
нологическому оборудованию 6 и обратно, а также другие устрой-
ства.
Зона, обслуживаемая оператором («чистый» коридор), форми-
руется из модулей и блоков. Технологическое оборудование со всеми
коммуникациями помещается с одной стороны стены коридора,
вдоль которой в чистой зоне расположена транспортная система для
перемещения партий обрабатываемых пластин в технологических
кассетах от оператора к реакторам оборудования и обратно. На ли-
цевой части стены коридора монтируется устройство автоматической
загрузки кассет с пластинами в реакторы, блоки управления за-
грузкой с регуляторами скорости, роботы, транспортная система,
пульты оперативной информации и управления технологическими
процессами, центральный пульт управления с механизмами группо-
вой переукладки пластин.
Робот 8, входящий в состав загрузочной системы 3, обеспечивает
автоматический прием партий пластин с транспортного устройства 9
на любую из шести площадок роторного устройства 4. Кроме того,
робот-8 выполняет операции выдачи пластин на транспортное уст-
ройство. Доставка пластин к загрузочным системам 3 и обратно
в накопитель 15 обеспечивается двумя самодвижущимися карет-
ками 7 и 10 по трассе 9, армированной пластмассой. Каретка 10,
размещенная у центрального пульта управления 13, обеспечивает
перемещение носителей с пластинами к загрузочным системам 3,
каретка 7, расположенная в противоположном конце трассы, — от
загрузочных систем к центральному пульту 13.
Робот 14t входящий в состав центрального пульта управления,
по команде оператора отрабатывает программу приема носителей
с трассы и установку их на стол 11 оператора и выполняет обратные
действия.
234

Партии пластин, поступающие на обработку, размещаются
в ячейках накопителя 15. Очередность обработки их в реакторах
задается технологическим маршрутом.
Оперативное управление линией осуществляет один оператор.
Он вызывает технологическую тару с соответствующего реактора,
формирует партию пластин, устанавливает ее на позицию и осуще-
ствляет с помощью механизма перегрузки переукладку пластин из
технологической тары, в транспортную.
Центральный пульт оснащен цветным видеоконтрольным устрой-
ством, на экраны которого поступает информация о времени обра-
ботки пластин в реакторах, наличии охлаждаемой кассеты на пло-
щадке роторного устройства, состоянии загрузочных систем, пло-
щадок приема-выдачи и т. п.
Оператор может задать и скорректировать программу техноло-
гического процесса в реакторах основного оборудования; прокон-
тролировать расход газов по показаниям приборов, установленных
на пульте управления; проследить ход выполнения программы и т. д.
Конструкция линии позволяет подключать комплекс технических
средств К.ТС-1Е для организации оперативного- контроля за ходом
технологического процесса с помощью ЭВМ. Наличие автономных
систем управления оборудованием и связь их с общей ЭВМ обеспе-
чивают выполнение сложных алгоритмов управления процессами
с корректировкой длительности режимов окисления и диффузии
в зависимости от отклонения текущих значений стабилизируемых
параметров и результатов контроля обрабатываемых пластин.
Конструктивное исполнение линии и принцип построения си-
стемы автоматического управления позволяют без существенных
изменений наращивать линию как по числу, так и по номенклатуре
агрегатов обработки пластин. Наиболее легко линия может быть
укомплектована установками типа «Изотрон 1» и «Изотрон 2» для
осаждения слоев поликристаллического кремния, нитрида кремния
и фосфоросиликатных стекол, агрегатами термокомпрессионного
окисления типа «Термокоп» и установками ПХО-150 для плазмохи-
мической очистки пластин. Все указанные установки имеют гори-
зонтальные трубчатые реакторы для групповой обработки пластин
в кварцевых кассетах и близкие по конструкции системы автомати-
ческой загрузки и выгрузки.
Разработка и внедрение описанных автоматических линий одно-
временно с решением ряда технических задач, связанных с повыше-
нием эффективности работы оборудования, позволит создать робо-
тизированные комплексы технологического оборудования с пол-
ностью замкнутым циклом производства структур для БИС и СБИС.
Автоматическая линия контроля и разбраковки диодов. Исполь-
зуемая фирмой «Фудзи дэнки сэйдзо» (Япония) [46] автоматическая
линия является примером последовательной организации гибких
структур. На линии применены роботы, позволяющие манипули-
ровать изделиями, габаритные размеры которых не превышают
(4x15x4) мм, а масса 2 г. Расположение агрегатов линии пока-
зано на рис. 7.11 • В состав ЛИНИИ входят три измерительных уста-
8*	235


новки 6, 7, 9 для испытания диодов при высоком и низком напряже-
нии, питатель 1, три цепных конвейера 2, 12, 14, устройство авто-
матической упаковки 16, фиксирующие устройства 5, 10 со спе-
циальными захватами для подключения диодов при измерениях
и извлечения их после испытаний. Все эти устройства связаны
в процессе функционирования четырьмя роботами 4, 8, 11, 15 и
манипулятором 13.
Двурукий робот 4 выполняет операции установки и снятия диодов
с измерительных позиций. Однорукие роботы 8, 11 проводят раз-
браковку диодов после испытания напряжением. Четырехрукий
робот 15 проводит разбраковку, упаковку и транспортировку.
Цикл работы линии составляет 1,0 с. Общая производительность
в смену 25 1 03 диодов. Линия заменяет труд 20 человек. При изме-
нении способа контроля, испытаний, типа изделий и т. п. каждый
агрегат может быть использован отдельно.
Принцип действия автоматической линии сводится к следую-
щему. При прохождении позиции низковольтной проверки 3 диоды
ориентируются по полярности и с интервалом в 1 с подаются цеп-
ным конвейером 2 на позицию проверки их годности к двурукому
роботу 4, который подает диоды по одному к приборам 6, 7. При этом
установка и извлечение диодов осуществляются с помощью фикси-
рующих устройств захватами 5, 10. После испытания диодов высо-
ким напряжением в течение 1—2 с роботы 8, И проводят их раз-
браковку на три группы. Годные диоды передаются на позицию А
и далее на конвейер 12.
Манипулятор 13 собирает группы диодов по 10 штук и пере-
дает на позицию 9 для последней проверки под высоким напряже-
286

Внием. По окончании этой проверки годные диоды транспортируются
К конвейером 14 на позицию В, где по одному снимаются четырех-
Е рукими роботами 15 и, пройдя счетчик, установленный на заданное
I число, поступают в устройство упаковки 16.
[. Для обслуживания линии необходим один человек, выполняющий
К загрузку питателя 7, съем готового пакета с упакованными диодами
I и наблюдение за процессом. Эффективность использования автомати-
I ческой линии с роботами типа FM, подтверждается такими позитив-
I ными факторами, как оперативное управление процессом измерений
I даже при изменении критериев отбора типов приборов; увеличение
I достоверности испытаний, так как оператор непосредственно не
I принимает решения; высокая стабильность цикла работы; безотказ-
I ность работы для операторов; гибкость и универсальность обору-
I дования.
к	7.3. Прецизионные робототехнические
В	комплексы
। Существует ряд технологических задач, при решении которых
L возникает необходимость в активном приспособлении робота к ме-
f няющимся внешним условиям. К таким задачам в полной мере от-
| носится прецизионная сборка, автоматизация которой возможна.
| лишь при использовании совершенных адаптивных роботов, яв-
| ляющихся сложными самонастраивающимися системами, работа-
г ющими по гибкой программе. Для таких роботов системе управления
I задается только конечная цель процесса, а метод решения задачи
1 определяется в процессе работы.
I Адаптивные роботы оснащаются устройствами, которые могут
I выполнять функции, свойственные человеку (осязания, слуха, зре*
|- ния и т. п.). Структура робота с элементами искусственного интел-
I лекта, предназначенного для реализации процесса автоматической
в сборки, рассчитана на выполнение следующих основных функций:
I анализа окружающей среды и распознавания местоположения и
I пространственной ориентации компонентов сборки, выработки по*
I следовательности действий для осуществления сборки с учетом
Г заданной команды и взаимного расположения компонентов. Такая
| система, имитирующая функции глаза, руки и мозга человека,
। анализирует с помощью визуального устройства очувствления струк-
I туру сборки и необходимые компоненты и определяет процедуру
| сборки. Поэтому робот такого типа можно представить как компо-
I зицию из трех подсистем: зрительного восприятия, принятия реше-
I ния («мозг»), управления манипулятором. Промышленные роботы,
I снабженные органами искусственного зрения, уже становятся стан-
! дартной продукцией ряда ведущих отраслей промышленности как
у нас в стране, так и за рубежом. Так, в Японии и США созданы
сборочные ПР, способные выбрать нужную деталь среди множества
других и поместить ее в соответствующее место, т. е. выполнить опе-
рацию совмещения элементов.
Для автоматизации прецизионных сборочных операций (к кото-
рым можно отнести крепление кристаллов к цоколям выводов,
237

Рис. 7.12. Структурная схема робото-
технического комплекса для крепления
кристаллов:
Ml, Mf, Мп — идентичные рабочие
посты; СУ — система управления;
КС — координатный столик; ТВ —
телевизионная система с микроскопом;
Р — рабочая позиция
крепление проволочных выводов, монтаж проводов между электро-
дами, посадку микроприборов на печатную плату и т. п.) разрабо-
таны и совершенствуются РТК, содержащие систему позициониро-
вания; систему технического зрения, являющуюся ключевым устрой-
ством автоматизации подобных сборочных операций; ЭВМ; обору-
дование для микросварки и вспомогательные устройства перемеще-
ния и ориентации изделий.
Основными структурными элементами прецизионных РТК обычно
являются специальные или специализированные ПР, системы рас-
познавания объектов, микроЭВМ, сервисное и специальное техно-
логическое оборудование.
К числу таких комплексов можно отнести автоматизированную
систему для крепления проволочных выводов транзисторов с при-
менением телекамер; автоматизированную систему сборки мощных
транзисторов; сборочную систему на базе группы малых роботов;
Комплекс «Сигма» на сборке гибридных интегральных схем [47 ];
сборочную систему с роботом фирмы «Ниссан» [46] и др.
В составе комплекса для крепления проволочных выводов тран*
зисторов имеется несколько идентичных рабочих постов Mt
(рис. 7.12), включающих устройство крепления кристаллов методом
Эвтектического сцепления, телевизионную камеру с микроскопом,
координатный стол и систему управления. Перемещение кристал»
ЛоВ в рабочей зоне осуществляется координатным столом с пря-
моугольными осями координат и шаговыми двигателями для пере-
мещения кристаллов по осям х и у. Прием данных и их передача
к ЭВМ осуществляются с помощью специальных схем управления.
Чтобы телевизионные камеры обеспечивали возможность наблюде-
ния за отражением света от кристалла, осветители размещают под
углом 30°. Цифровое преобразование производится на поле 192X
X192 мм.
Принцип работы комплекса в групповом режиме сводится к сле-
дующему. Как только кристалл попадает в поле зрения телевизион-
ной камеры (видикона), система управления посылает запрос в цен-
тральную мини-ЭВМ, которая выявляет запрос и дает заключение
о порядке выполнения операций, затем считывает изображение и
анализирует его.
Поле зрения видикона позволяет увидеть одновременно до четы-
рех кристаллов, ЭВМ определяет положение вертикальных и горИ’
238

Зонтальных кромок каждого кристалла, подсчитывает йХ длййу,
удаляя слишком большие и слишком малые кристаллы, и выявляет
дефектные пятна, сколы, трещины. Изделия без дефектов по очереди
устанавливаются в требуемое положение и закрепляются. После
крепления четырех кристаллов столик получает команду на ввод
в поле зрения видикона следующей группы кристаллов. Управление
постами осуществляется в реальном времени.
Группа программ, обеспечивающих крепление кристаллов, реа-
лизуется с помощью системы управления поста и состоит из про-
граммы управления в реальном времени и вспомогательной про-
граммы. Первая является программой группового управления, а вто-
рая содержит различные подпрограммы измерений и статистической
оценки.
Время крепления кристаллов одного транзистора на каждом
посту занимает 1—2 с.
В другой автоматической системе для присоединения проволоч-
ных выводов к контактам транзисторов в качестве датчиков визуаль-
ного обследования используются телевизионные камеры 4, микро-
ЭВМ 1 с ЗУ емкостью 16-Ю3 слов. Система может включать до
50 индивидуальных монтажных устройств 5 (рис. 7.13). Каждая
группа из нескольких монтажных устройств соединена с микропро-
цессором обработки изображения 3, работающим в режиме разделе-
ния времени, телевизионными камерами, а также с линейным кон-
троллером 2, который с помощью серводвигателей управляет пере-
мещением рассматриваемого образца по осям х и у. Монтажное
устройство осуществляет пайку выводов и обеспечивает необходимое
натяжение выводов транзисторов. Допустимая погрешность при
установке координат +0,15 мм (по осям х и у) и +15° (по углу ср).
При попадании изображения контактной площадки в поле зрения
телевизионной камеры воспроизводится определенный зрительный
образ. Процессор обработки изображения идентифицирует рас-
сматриваемый участок и преобразует аналоговую форму сигнала
в цифровую в виде матрицы из 12X12 элементов изображения для
сравнения с хранящимся в памяти эталоном. Время идентификации
изображения образца составляет в среднем 15 с; эффективность
определения изображения — 99,9 % (расчетная) и 99,0 % (практи-
ческая). МикроЭВМ помогает распознавать зрительный образ,
оценивая расстояние между линиями наблюдаемого рисунка и угло-
вые координаты рассматриваемого об-
разца.
Роботизированная установка японской
фирмы «Токио Сокухан» для монтажа
кристаллов полупроводниковых приборов
методом эвтектической пайки имеет
устройство распознавания образа, бла-
Рис. 7.13. Структура системы технического зрения
ПР для присоединения проволочных выводов к кон-
тактам транзисторов
239

Рис. 7.14. Схема адаптивного робота для прецизионной сборки миниатюрных изделий (ва-
риант с ориентацией деталей в захвате манипулятора)
годаря чему автоматически обнаруживает неполадки, бракованные
кристаллы и неправильное захватывание кристалла. Адаптивный
робот при прецизионной сборке миниатюрных изделий одновременно
выполняет сборку корпуса прибора и посадку кристалла в корпус
«на эвтектику» [42]. Сборка прибора осуществляется на линейном
транспортном тракте 13, в который из плоского многорядного ма-
газина 15 подается первая деталь, являющаяся основанием сбороч-
ной единицы (рис. 7.14). Вторая деталь подается на сборку манипуля-
тором 5 с транспортера 2, на который детали поступают из магнит-
ного накопителя 1. В позиции перед захватыванием с помощью
телевизионной камеры. 4 с осветителем 3 контролируется правиль-
ность положения каждой детали, так как в магнитном накопителе
обеспечивается лишь предварительная ориентация деталей. По
команде видеодатчика манипулятор 5 в процессе переноса осуще-
ствляет окончательную ориентацию детали. В случае нераспознания
детали (в том числе брака) последняя сбрасывается манипулятором
в изолятор брака, и сборка приостанавливается до следующего
цикла. Совмещение двух деталей осуществляется в следующей
позиции с помощью механизма 6. В этой же позиции предусмотрены
контроль правильности совмещения и возможность его коррек-
ции.
Третья деталь (кристалл) подается манипулятором 10 с транс-
портера 11, на который кристаллы поступают предварительно
ориентированные из бункерного устройства 14. Как и в случае со
второй деталью, перед захватыванием с помощью телевизионной
камеры 12 контролируется правильность положения кристалла, и
при необходимости манипулятор 10 в процессе транспортирования
однозначно ориентирует кристалл перед совмещением с ранее уста-
новленными компонентами сборки. Посадка кристалла производится
в предварительно нагретый в зонной печи 7 корпус, причем в про-
цессе совмещения захват манипулятора совершает быстрые прямо-
угольные или круговые движения, обеспечивающие необходимое
240

смачивание и контакт кристалла. Цикл присоединения завершается
за 1 с при погрешности совмещения ±50 мкм.
Манипуляторы 5, 10 аналогичны по конструкции и различаются
лишь захватами. Собранный узел перемещается по транспортному
тракту нагревательного устройства 7, на выходе из которого он
попадает в канал магазина 9, идентичного магазину 15. Управле-
ние адаптивным сборочным роботом осуществляется микроЭВМ 8.
Рассмотрим более подробно систему управления адаптивным
роботом. Из блока информации 1 сигналы поступают в блок усили-
телей-формирователей 2, а синхроимпульсы и видеосигнал — на
вход контроллера телевизионного датчика 12 (рис. 7.15). Из блока 2
информация через мультиплексор 4 поступает в устройство парал-
лельного обмена микроЭВМ 5 и одновременно в устройство управле-
ния вводом-выводом 11 и блок индексации 3. МикроЭВМ через
распределитель 6 и усилитель мощности 7 выдает управляющие
сигналы для включения исполнительных механизмов системы. На
вход контроллера 9 манипуляторов из блока 11 поступают сигналы
на разрешение движения, а из распределителя 6 — код перемещения.
Контроллер 9 подает в усилитель мощности 7 фазовую последова-
тельность импульсов для двигателей перемещения руки манипу-
лятора по соответствующим координатам. Устройство ввода-вы-
вода 11 вводит в мультиплексор 4 и распределитель 6 код субадреса.
Блоки питания 8 и 10 предназначены соответственно для усилителя
мощности 7 и выработки тактовых импульсов, подаваемых на вход
блока 11.
Программируемые манипуляторы прецизионного сборочного ро-
бота — это достаточно сложные системы, обеспечивающие пози-
ционирование объекта по двум управляемым координатам с’одно-
временной ориентацией его в горизонтальной и вертикальной”’пло-
скостях. Манипулятор имеет пять степеней подвижности (не считая
движения губок захвата) и работает в цилиндрической системе коор-
динат. Дополнительно к основным движениям манипулятора робота
его захват 1 может поворачиваться вокруг горизонтальной и верти-
кальной оси с помощью механизмов 2, 3 (рис. 7.16, а). В сборочной
системе, на вход которой подаются полностью ориентированные
компоненты, используется более простой манипулятор с неподвиж-
ным струйным захватом 4, закрепленным на штанге 5, скользящей
в направляющих поворотного звена 6 (рис. 7.16, б).
В такой системе базовые
компоненты поступают на глав-
ный транспортный тракт 3 из
магазинов 4, 5, а кристаллы 12
снимаются с пленочного носи-
теля 2, обеспечивающего сохра-
нение их взаимной ориентации
(рис. 7.17), Видеодатчик 7 рас-
Рис. 7.15. Схема управления адаптивным
сборочным роботом
241

Рис. 7.16. Манипуляторы прецизионного робота с вращающимися и неподвижными за-
хватами
познает бракованные кристаллы по ранее нанесенным маркировоч-
ным меткам и дает команды на шаговые двигатели координатного
стола 1 с закрепленным на нем пленочным носителем и на двига-
тели манипулятора 8 с бесконтактным струйным захватом 10. От-
деление годного кристалла от адгезионного носителя 2 существенно
облегчается с помощью механизма подкола 13, а посадка кристалла
в нагретый корпус 9 — за счет скруббирующего движения захвата
10. Механизм 6 совмещения деталей и магазин 11 для собранных
приборов те же, что и в предыдущей системе (см. рис. 7.15).
Необходимую точность совмещения кристалла с подложкой
можно определить из условия прочности соединения его контактных
площадок с траверсами выводной рамки корпуса в случае предель-
ного сдвига, равного 0,3 ширины контактной площадки кристалла.
Точность совмещения в относительных единицах оценивается по-
грешностью
60 < ± [0,5 — (0,2//s) ],
где t, s — соответственно ширина контактных площадок кристалла
и подложки.
242

На последующей сборочной операций в память ЭВМ вводятся
стандартные координаты контактных площадок эталонного крй-
сталла, а поправки на фактическое значение координат любого
присоединяемого кристалла вычисляют по формулам (с учетом ма-
лости угла разворота кристалла <р)
хг = Хг-Уг.ф + ДХ;
Hi — Yi ф-	ДУ,
где х{, yt; Xi, Yt — соответственно векторные координаты i-й пло-
щадки произвольно выбранного и эталонного кристаллов.
Реализация алгоритма, описываемого приведенными формулами,
выполнена, в частности, в установке присоединения проволочных
выводов, разработанной швейцарской фирмой «X. Зайер».
Адаптивные роботы обладают способностью работать в условиях
неточной посадки кристаллов в корпус и неточной фиксации кор-
пуса. Они могут приспосабливаться к различающимся по высоте по-
ложениям контактных площадок микроприбора, а также к неста-
бильности технологических и аппаратурных факторов.
При монтаже выводов БИС относительное движение инструмента
в плоскости прибора осуществляется уже не по двум, а по трем
координатам х, у, <р. Управление прецизионным комплексом, со-
держащим пять—восемь постов, осуществляет центральная микро-
ЭВМ, на которую возложены следующие функции: управление
сканирующими устройствами; определение положения каждого ми-
кроприбора; согласование режимов работы и управления обработ-
кой видеоинформации; формирование признаков приоритетов: сбор
и систематизация данных для управления производством.
Структурная схема адаптив-
ного ПР, предназначенного для
ультразвуковой микросварки,
представлена на рис. 7.18. Ро-
бот функционирует в трех ре-
жимах: наладки, обучения и
рабочем режиме. В режиме на-
ладки проводится юстировка
Рис. 7.18. Структурная схема адаптивного робота:
1 — УЗГ; 2 — сварочная головка; 3 — микроЭВМ «Электроника-60»; 4 — интерфейс; 5 —
блок управления шаговыми двигателями; 6 — усилитель видеоимпульсов; 7 — ПЗС; 8 — •
оптическая система; 9 — координатный стол; 10 — блок управления ПЗС; 11 — устройство
загрузки-выгрузки; 12 — устройство контроля
Рис. 7.19. Схема управления робототехническим комплексом для монтажа БИС:
1 — препроцессор; 2 — центральный процессор; 3 — пульт управления; 4 — интерфейс
сканирования; 5 — интерфейс памяти; 6, 7, 8 — системы сканирования; 9, 10, 11 — блоки
памяти; I, II, III — монтажные посты
16'
243

Рис. ?.2О. Схема MohfaiKa Соединения микро-
приборов
всех систем и в память микроЭВМ
заносятся данные об исходном по-
ложении механизмов и эталонная
программа управления. В режиме
обучения робота в оперативном
запоминающем устройстве (ОЗУ)
формируется информация о поло-
жении центра вращения коорди-
натного стола, точек коррекции
программы и точек сварки. В ра- •
бочем режиме осуществляется канирование точек коррекции —
диагональных контактных площадок, характеризующих положе-
ние ИС.
Центральная микроЭВМ имеет память емкостью ЮК байт (ОЗУ)
и 6К байт (ППЗУ) и связана с постами (рис. 7.19) через интерфейсы.
Каждым постом управляет отдельный микропроцессор. Его функ-
циями является управление работой инструмента, последователь-
ностью соединения контактов, а также управление пересылкой
запросов от постов в центральный процессор микроЭВМ и инфор-
мации из него о точном положении контактов.
Основное назначение системы технического зрения в РТК сводится '
к коррекции программы относительного позиционирования свароч-,
ного инструмента в процессе монтажа.
Устройство обработки изображений проверяет одновременно
несколько контактных площадок в режиме мультиконтроля. В целях
упрощения обработки видеоинформации организовано ее сжатие.
Подложка с микроприборами показана на рис. 7.20. Размер
сканирующего «окна» может изменяться в зависимости от размера
ИС. Минимальный размер «окна» составляет 2,56x8 мм2, а раз-
решающая способность 10 мкм.
Информацию1 со сканирующих устройств принимает препро-
цессор и определяет отклонения в положении контактов микро-
приборов. Эта информация передается затем в центральный про-
цессор.
Центральный процессор принимает информацию от процессоров
постов, устанавливает приоритеты и обслуживает посты согласно
выработанной последовательности, передавая им информацию о дей-
ствительном положении контактов. Используя эту информацию,
каждый процессор управляет инструментом, выводя его в точно
определенную позицию путем перемещения по трем координатам:
х, у и q>.
Алгоритм обработки изображений и определения отклонений
контактов микроприборов включает следующие переходы:
1.	Поочередный опрос постов, запись исходной информации
о положении контактных площадок и преобразования входного изо-
бражения в растровую картину.
244

2.	Выбор сегмента картины, похожего на контакт, и йосстанойЛё-
ние картины этого сегмента с устранением «шумовых» искажений.
3.	Вычисление ширины, высоты и координаты сегмента.
4.	Определение расположения линии для одной координаты:
у = aY -j- a2x\
п .
1	т(Ехг)2-(£хг)2
Xtyt)— Xi £ yi
Здесь суммирование всякий раз проводится до n (i = 1 ~п, где п —
номер сегмента картины; х;г/; — координаты центра i-ro сегмента).
5.	Определение положения центра i-ro сегмента
Дер = (tg ±)^.
6.	Вычисление отклонений Дх и Дг/:
' Дх
. Аг/.
хф	Г cos Дер — sin Д<р Г xs '
t/ф J [ sin Дф - - cos Дф J ys _
где xw, yv — координаты сегмента, обнаруженного при сканиро-
вании; xs, ys — координаты соответствующего стандартного кон-
такта.
Основные преимущества данного метода состоят в том, что со-
кращается объем информации, подлежащей обработке, так как
анализируется только часть картины подложки. Кроме того, обеспе-
чивается высокая точность, поскольку для определения отклонения
используется много сегментов картины.
Сборочный комплекс, функционирующий подобным образом,
обеспечивает выполнение разводки выводов ИС площадью 6 мм2.
Отклонения по координатам Дх и Дг/ могут составлять ±0,6 мм,
Дер = ±5°. Погрешность распознавания не превышает ±10 мкм,
время распознавания равно 0,9 с.
Воспроизводимость комплекса более чем 99,9 % ИС. Точность
работы всего комплекса ±20 мкм. Время разварки одного кон-
такта 0,3 с.
В отечественных сборочных РТК типа ОЗУН-12000 М3 [301
используется микроЭВМ «Электроника-60», на основе которой ре-
шены не только задачи управления, но и задачи контроля качества
микросварки. В группу параметров, достоверно характеризующих
качество микросварки, включены импеданс ультразвукового пре-
образователя, деформация проводника и энергия в зоне сварки.
Для фиксации значений этих параметров на каждом роботе уста-
новлены датчики для измерения тока I (Z) и напряжения U (i),
ультразвуковой преобразователь, по показаниям которых ЭВМ
рассчитывает импеданс R (i) и деформацию h (/) проводника.
245

Организация контроля качества ультразвуковой сварки йозвб'
ляет не только обеспечить высокий процент выхода годных микро-
приборов, но и установить оптимальное соответствие между надеж-
ностью микроприборов и сложностью оборудования.
Из рассмотренных примеров видно, что, если для обслуживания
процессов в большинстве случаев достаточно использовать простей-
шие ПР, работающие по жесткой программе (ПР первого поколения),
то для сборочных операций необходимы, как правило, роботы с боль-
шей информационной мощностью, обладающие способностью адапта-
ции к внешним условиям (ПР второго поколения), а в ряде случаев
ПР с высокоорганизованными средствами очувствления и элемен-
тами искусственного интеллекта (ПР третьего поколения). Поэтому
намеченные к разработке и внедрению в 12-й пятилетке роботы по
своему техническому уровню будут в значительной мере относиться
к роботам второго поколения с управлением от микроЭВМ (или
микропроцессоров) и иметь более развитой сенсорный аппарат,
обеспечивающий работу по принципу «ситуация—действие» с целью
выбора оптимального алгоритма работы робота в зависимости от
реального состояния технологического процесса.
7.4. Гибкое автоматизированное производство
Общей тенденцией развития промышленного производства яв-
ляется рост номенклатуры изделий и снижение серийности по каж-
дому виду. Широкие возможности роста производительности в этих
условиях обеспечивает гибкая автоматизация на основе широкого
использования промышленных роботов, станков с ЧПУ, обрабаты-
вающих центров и встроенных систем автоматического управления
в микропроцессорном исполнении.
Создание гибких автоматизированных производств (ГАП) —
комплексный процесс, требующий системного подхода к решению
многих сложных задач на всех уровнях автоматизации производства.
Большая роль в создании ГАП принадлежит отраслевой стандарти-
зации, унификации и нормализации, позволяющим подготовить все
подсистемы производства: обработки, планирования, транспортиро-
вания и складирования предметов производства, инструментального
и материального снабжения, контроля, управления, информации
и учета и др.
Учитывая, что все подсистемы тесно связаны в «большом меха-
низме» производства, а любое решение, принятое по одной из них,
накладывает определенные требования к остальным, необходимо
знать эти взаимосвязи и управлять ими.
Рассмотрим организацию ГАП, предназначенного для выпуска
малогабаритных двигателей [46], на примере взаимодействия четы-
рех подсистем: обработки и сборки; транспортирования и склади-
рования; управления и планирования производства.
В состав подсистемы обработки и сборки (рис. 7.21) входят шесть
автоматических линий, выполняющих соответственно обработку:
зубчатых передач — АЛ1, валов — АЛ2 и роторов — АЛЗ, сборку
двигателей — АЛ4, проверку — АЛ5 и окраску — АЛ6.
246

Рис. 7.21. Подсистемы ГАП механической
обработки и сборки деталей, транспорти-
рования и складирования
TCZ.
Линии механической обработки (зубчатых передач, валов и рото-
ров) позволяют изготовить отдельные детали непосредственно перед
сборкой, что сокращает количество типоразмеров деталей, храня-
щихся на складе АС.
На линию сборки поступают все необходимые детали. Первый
поток их идет непосредственно с автоматического склада — это
стандартные и унифицированные детали и узлы. Второй поток —
детали с линий механической обработки. На сборочной линии АЛ4
используются двухрукие роботы консольного типа. Одна рука обес-
печивает загрузку, а другая — разгрузку деталей с конвейера.
Роботы оснащены многопальцевыми захватами, позволяющими ма-
нипулировать деталями и изделиями разных размеров и форм и осу-
ществлять захватывание с высокой точностью.
Подсистема транспортирования и складирования содержит авто-
матический склад АС, оснащенный секциями стеллажей и штабеле-
ром, а также три транспортные системы.
Транспортные системы обеспечивают автоматическую передачу
стандартных деталей со склада — ТС1, доставку изготовленных
деталей на сборку — ТС2 и выдачу готовых изделий на склад —
тез.
Чтобы увеличить эффективность операций приема изделий на
склад и выдачи стандартных деталей со склада, используется авто-
матический конвейер, который позволяет в одном направлении
производить выгрузку, а в другом — погрузку. Это обусловливает
наличие в ТС1 и ТСЗ специальных площадок выдачи и приема.
Управляющая подсистема ГАП, организованная на базе ЭВМ
«HIDIC 100» и микропроцессорной системы управления (рис. 7.22),
имеет трехуровневую структуру, работает в режиме реального вре-
мени и непосредственно управляет оборудованием, аппаратурой,
роботами, складом, транспортерами и т. п.
Нижний уровень управления организован на основе микропро-
цессорных устройств МПУ, управляющих отдельными единицами
оборудования, роботами, аппаратурой и т. п. После получения
программы, заданной верхними уровнями, микропроцессорные уст-
ройства обеспечивают выполнение операций по замкнутому циклу
и информируют следующий уровень об окончании программы или
аварийных ситуациях.
Средний уровень управления, реализованный на основе микро-
процессорных систем МПС, обеспечивает согласованную работу
247

звм
Рис. 7.22. Управляющая подсистема ГАП:
УВИ — устройство ввода информации
отдельных микропроцессорных устройств в составе роботизирован-
ной технологической ячейки PTfl, представляющей собой объеди-
нение автоматизированных технологических комплексов «оборудо-
вание — робот» с общей системой управления (см. Ю. Г. Козырев.
Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983 г.).
Микропроцессорные системы цифрового управления принимают
информацию от верхнего уровня, а дальнейшее управление PTfi
осуществляют автономно с периодическим сообщением в верхний
уровень о ходе функционирования.
Отдельная микропроцессорная система обеспечивает управление
группой роботов в координации с работой конвейера и PTfl. В па-
мяти этой системы могут храниться дополнительные программы,
что обеспечивает высокую гибкость всей системы. Для удобства
синхронизации работы каждая микропроцессорная система РТЯ
снабжена устройством связи с площадками загрузки и выгрузки.
Такая организация обеспечивает безаварийную работу транспорт-
ной системы.
Централизованное управление конвейером и площадками за-
грузки-выгрузки деталей может осуществляться с центрального
пульта управления конвейерами.
Верхний уровень управления оборудованием организован на
базе ЭВМ «HIDIC 100», работающей в режиме реального времени
и обеспечивающей контроль положения деталей на конвейере,
управление операциями, формирование программ манипулирования,
обработки и т. п.
248

Подсистема планирования производства выполнена на базе ЭВМ
«Н1ТАС 8400», работающей в режиме распределенного времени,
и функционирует следующим образом (рис. 7.23). Получив заявку
на выполнение заказа (тип изделий, их количество, параметры,
стоимость и т. п.), ЭВМ запрашивает массив данных (список изде-
лий, хранящихся на складе, очередность изготовления деталей,
состояние всех подсистем ГАП, условия протекания производ-
ственного процесса и т. п.) и проводит его первоначальную обра-
ботку, выделяя и анализируя информацию, требуемую Для органи-
зации производства изделий по заявке. Этот первый этап заканчи-
вается подготовкой списка данных по заявке.
На втором этапе осуществляется обработка деловой информации
и предусматривается составление полного перечня необходимых
деталей, анализ роботоспособности оборудования, выработка сроков
сборки и подготовка сообщений и заказов. Заканчивается этот
этап формированием сменного графика, который служит исходной
информацией для расчета графиков выполнения всех производствен-
ных операций, а следовательно, планирования (работы всего
ГАП.
Вначале на основании сменного графика и анализа условий хода
процесса поступления материалов составляется график сборки.
По графику сборки рассчитываются графики работы каждой струк-
турной единицы ГАП: автоматических линий, транспортных систем,
устройств управления оборудованием, циклограмм работы роботов,
приборов автоматического контроля и т. п.
Сформированная ЭВМ «Н1ТАС 8400» информация передается
в ЭВМ «HIDIC 100», и на этом завершается планирование работы
ГАП. По полученной информации управляющая ЭВМ «HIDIC 100»
составляет программу управления оборудованием для реализации
заявки.
Рассмотрение основных подсистем гибкого автоматизированного
производства наглядно показывает, что такая организация обеспе-
чивает решение практически всех задач современного производства
миниатюрных изделий, особенностями которого являются:
обширная и постоянно изменяющаяся номенклатура изделий,
множество комплектующих элементов;
большой диапазон изменения серийности изделий: от малых
партий уникальных изделий до массового выпуска изделий широкого
потребления (например, радиоэлектронных элементов, микросхем);
многообразие технологических процессов, конструкционных ма-
териалов и сред производства (от сверхчистых производств с вакуум-
ной гигиеной до запыленных и радиоактивных);
постоянно возрастающие объемы выпуска миниатюрных изделий,
необходимых практически всем отраслям народного хозяйства,
имеющим тенденцию к снижению материало- и энергоемкости из-
делий.
В частности, система фирмы «Фанук» по производству электриче-
ских серводвигателей, работающих на переменном и постоянном
тоце и предназначенных для эксплуатации в роботах, имеет произ-
249

Рис. 7.23, Подсистема планирования производства
250

1
 W	I. . .1	i«u-.
ббдстбеййую мдщность 10 тыс. Изделий в Месяц. Ойа размещаемся
в двухэтажном здании площадью 13,8-103 м2. На первом этаже из-
готовляются детали, а на втором — выполняется сборка. Этажи
соединены между собой вертикальным складом с 2640 складскими
ячейками. На первом этаже размещены 60 роботизированных тех-
нологических ячеек, укомплектованных 52 роботами и восемью
погрузчиками поддонов. На втором этаже имеется 25 сборочных
участков. Каждый из них обслуживается одним или тремя роботами.
Завод выпускает электродвигатели 40 моделей, и на нем занято
60 человек: 20 инженеров-программистов, 20 сборщиков и 20 на-
ладчиков и уборщиков стружки. На заводе автоматизировано при-
мерно 90 % сборочных операций; оставшаяся часть наиболее трудоем-
ких и точных операций сборки выполняется людьми. Завод может
работать 24 ч в сутки.
Анализ статистики за период до 1983 г. показал, что применение
ГАП позволило повысить производительность труда в среднем при-
мерно на 120 %, повысить качество продукции на 140 %, сократить
сроки от начала проектирования до выпуска первой серии изделий
на 60 %, уменьшить время выполнения заказов на 45 %, повысить
загрузку оборудования в 3 раза и сократить складское хозяйство
на 75 %.
Основной тенденцией развития ГАП в странах СЭВ является
комплексная и гибкая автоматизация производства с применением
роботов и систем управления на базе современной микроэлектро-
ники. Создание ГАП проводится с учетом экономного использования
сырья, введения прогрессивных способов изготовления и сборки
изделий, сокращения потребляемой энергии, создания условий замк-
нутого кругооборота применяемых материалов, интеграции про-
цессов изготовления и контроля качества.
Гибкие производственные системы, управляемые на основе мини-
и микроЭВМ, действуют на ряде отечественных предприятий.
Работы по комплексной автоматизации мелко- и среднесерий-
ного производства проводятся в ГДР и НРБ. Так, на заводе им.
Г. Костова в НРБ (г. София) создаются автоматизированные участки
механической обработки и сборки по выпуску электродвигателей
постоянного тока мощностью от 0,4 до 15 кВт. Участок механической
обработки включает однорядный склад стеллажного типа на 120 ячеек.
Вместительность ячейки — четыре транспортных поддона. Склад
обслуживается краном-штабелером, который осуществляет грузо-
обмен поддонами с заготовками, полуфабрикатами и деталями.
Используются робот типа RB241 со станками и технологическое
оборудование с ЧПУ. Весь участок управляется от ЭВМ.
На участке сборки работают две поточные линии. Заканчивается
участок контрольно-испытательным комплексом. Позиции сборки
связаны транспортером, имеющим длину 15 м и ширину 0,8 м. Ско-
[ рость движения транспортера — 3 м/мин. Выдача деталей с транс-
[ портера осуществляется вилочными погрузчиками.
Основные трудности создания ГАП определяются их высокой стои-
| мостью, недостаточной функциональной надежностью, сложностью

Программного обеспечения. К недостаткам современных ГАП сле-
дует отнести недостаточно полный учет специфики производства,
приспособленность к выпуску изделий определенного вида и в оп-
ределенных объемах и т. п. Перечисленные факторы определяют
необходимость разработки специальных методов проектирования
ГАП с широким привлечением средств автоматизации проектирова-
ния, экономическим обоснованием планирования и поэтапного вне-
дрения.
Важное значение приобретают методы математического модели-
рования, применяемые при проектировании ГАП. Среди математиче-
ских моделей ГАП можно выделить их разновидности: функциональ-
ную и информационную. Эти модели имеют иерархическую структуру.
Функциональная модель позволяет достаточно полно определить
критерии качества и объединить их посредством установленных
связей. С помощью информационной модели исследуется функцио-
нирование автоматизированной базы данных; она позволяет также
идентифицировать и классифицировать поступающую информацию.
Моделирование ГАП предполагает анализ номенклатуры и формиро-
вание групп деталей, анализ процессов изготовления, учет требова-
ний к оборудованию, изучение технологических процессов и приемов
изготовления, анализ затрат, обработку статистических данных о
выполнении отдельных операций с учетом режимов, вида инстру-
мента и т. п.
Информационные и функциональные модели ГАП позволяют
учесть тип, марку оборудования, срок эксплуатации, тип системы
управления, уровень автоматизации, степень гибкости, время под-
готовки, надежность, точность, затраты на обслуживание и ремонт,
квалификацию персонала, характер средств транспортирования и
общую стоимость.
Большое значение приобретает контроль качества, который в на-
стоящее время еще не удовлетворяет требованиям функционирова-
ния ГАП. Основное внимание должно уделяться не только исследо-
ванию собственно качества изделий, но и контролю за поведением
всей системы ГАП.
В целях проверки концепций программы автоматизации промыш-
ленного производства создаются специализированные комплексы
автоматизированных средств научно-технических исследований, об-
рабатываются технологии интегрированных производств.
Планирование ГАП существенно зависит от объема выпуска из-
делий.
В случае единичного и мелкосерийного производства при плани-
ровании исходят из учета ограниченных производственных мощно-
стей. Это обусловливает раздельное планирование материально-
технического снабжения и производственных мощностей.
В случае серийного производства необходимо сбалансированное
планирование материально-технического снабжения и производствен-
ных мощностей. Это обусловлено наличием «узких мест» на разных
стадиях производства; особенностями технологических процессов,
выполняемых на обрабатывающих центрах, поточных линиях, в замк-
252

йутых циклах производства; отсутствием жесткого временного раз-
деления (по неделям и месяцам) между материально-техническим снаб-
жением и планированием производственных мощностей, ибо производ-
ственная программа и программа сборочных работ в условиях се-
рийного производства часто изменяются; необходимостью парал-
лельного планирования и подготовки «структуры» изделия, когда для
каждой позиции можно указать распределение единиц производствен-
ных мощностей.
Создание ГАП требует поэтапного внедрения и учета критериев
риска, затрат, гибкости для конкретного производства. Действитель-
но, формы и способы реализации ГАП определяются, с одной стороны,
конкретными характеристиками технологических процессов и эконо-
мических требований, а с другой — техническими возможностями.
Поэтапный переход должен обеспечивать максимальное использо-
вание имеющегося оборудования, зданий, сооружений; постепенное
увеличение парка оборудования с ЧПУ и интеграцию информацион-
ных задач.
Можно выделить два перехода поэтапного внедрения гибких про-
изводств: постепенное увеличение уровня автоматизации при одно-
временном улучшении основных производственных характеристик
и создание принципиально новых решений на основе автоматизации
загрузочных, транспортных, управляющих и контролирующих функ-
ций.
В настоящее время осуществляются первые шаги в создании и
использовании ГАП, за которыми последуют безлюдные производ-
ства — качественно новый этап развития техники.

3АКЛЮЧ ЕНИЁ
Появление промышленных роботов служит стимулом к развитию
новых научных исследований и экспериментов в экстремальных
средах, тяжелых и опасных для человека условиях; способствует
разработкам в области кибернетики и управления автоматами
с учетом законов, имеющих место в живых организмах; приводит
к созданию новых методов проектирования оборудования и органи-
зации производства.
Резкое увеличение спроса на промышленные роботы для мани-
пуляций миниатюрными изделиями требует дополнительного изуче-
ния механизмов адаптации при выполнении человеком прецизионных
операций; содействует разработкам нового поколения систем ма-
шинного зрения, которые совместно с промышленными роботами
обеспечивают выполнение таких сложных операций, как сварка,
сборка. Увеличение точности распознавания и локализации микро-
объектов .обусловливает необходимость применения быстродейству-
ющих процессоров с параллельной архитектурой для обработки
изображений.
Использование промышленных роботов, управляемых микро-
процессорами, легко переналаживаемых и перестраиваемых с одной
операции на другую, выполняющих разнообразные действия с вы-
сокой точностью и стабильностью, не только радикально преобра-
жает облик промышленного производства, позволяет перестраивать
процессы в соответствии с конкретными требованиями и эффективно
решать производственные задачи, но и влияет на дальнейшее раз-
витие многих отраслей науки, техники, изменяет место и роль чело-
века в системе производства, позволяет осуществлять крупнейшие
социально-экономические преобразования в труде и воплотить
в жизнь гениальное предвидение В. И. Ленина — достичь каче-
ственно более высокого типа общественной организации труда и
нового отношения к нему самих работников. Яркой иллюстрацией
такого положения является создание автоматизированных рабочих
мест, где оператор, работая совместно с ЭВМ, освобождается от
рутинного труда и становится творцом на производстве.
Становление робототехники как новой отрасли машиностроения
предъявило новые высокие требования к элементной базе основных
систем промышленных роботов: исполнительной, управляющей и
информационной. Созданы и внедрены различные приводные устрой-
ства, захваты, преобразователи информации, системы управления и
254

необходимое сервисное оборудование. Успехи в этой работе в зна-
чительной степени определяются правильным выбором принципов
проектирования — модульности, унификации, агрегативности.
В исполнительных устройствах промышленных роботов для
манипулирования миниатюрными изделиями нашли применение
различные типы двигателей, и среди них пока наибольшее распро-
странение получили электродвигатели, основными требованиями
к которым являются большая перегрузочная способность, высокое
значение отношения момента кручения к моменту инерции, устой-
чивая работа на низких скоростях, постоянство скорости в пределах
одного оборота, возможность остановки в любом угловом положении,
малая постоянная времени, большие ускорения, малое потребление
энергии, оптимальные конструктивно-габаритные соотношения и т. п.
Даже краткое перечисление требований показывает, что робото-
строение нуждается в принципиально новых типах двигателей.
Положительным результатом разработок таких двигателей явились
электродвигатели постоянного тока с гладким якорем и дисковым
ротором, линейные магнитоэлектрического типа, двухкоординатные
линейные шаговые двигатели на магнитовоздушной подвеске, а также
пьезо- и виброприводы.
Эффективность использования ПР может быть существенно уве-
личена благодаря их адаптации к меняющимся условиям технологи-
ческой среды, что обеспечивается информационной и управляющей
системами роботов. Кроме того, точность работы роботов в значи-
тельной степени определяется также возможностями датчиков.
Разработка информационной системы ПР для манипулирования
миниатюрными изделиями продолжается в направлении создания
датчиков внутренней информации, позволяющих управлять с высо-
кой точностью приводами, и разработки средств очувствления.
Разработка средств очувствления'ПР данного класса направлена
на оснащение техническим зрением и тактильной чувствительностью.
В большинстве систем технического зрения используется обрабаты-
вающий двоичные изображения «информационный модуль». Однако
уже в настоящее время разрабатывается новое поколение систем
технического зрения. Сдерживающим фактором дальнейшего раз-
вития этих систем'?'является необходимость"создания специального
освещения^рД высококонтрастного фона.”Для повышения точности
распознавания в перспективных”’системах ожидается применение
специализированных процессоров с параллельной архитектурой для
обработки изображений с большим числом градаций контрастности.
Ожидается применение в ПР малогабаритных датчиков на основе
фотодиодов из аморфного кремния, имитирующих спектральную
чувствительность человеческого глаза. Два типа этих датчиков:
полного видимого спектра и трехцветного (красный, зеленый и си-
ний) — можно использовать при очень низких уровнях освещенности.
Большие перспективы открывает волоконная оптика, реализу-
ющая тактильно-кинестетическую чувствительность захватов и яв-
ляющаяся высоконадежным средством передачи сигналов в слож-
ных системах управления.
255

Общими принципами организации систем очувствления яв-
ляются инвариантное восприятие (сенсорное и двигательное), пере-
стройка порогов чувствительности в широком диапазоне и много-
уровневая структура обработки информации, когда на нижнем
уровне выделяются лишь простейшие признаки, а на более высоких
уровнях — более сложные их комбинации. Такая организация
позволяет сокращать объем передаваемой и перерабатываемой ин-
формации, ее запоминание, а следовательно, рационально органи-
зовать управление.
В управляющих системах для выполнения перечисленных функ-
ций все более широко используются микропроцессоры, микро- и
мини-ЭВМ. Поэтому дальнейшее их распространение связано с со-
вершенствованием и миниатюризацией элементов ввода-вывода, при-
менением волоконной оптики, созданием управляющих модулей и
модулей памяти на основе сверхбольших интегральных схем, внеш-
них устройств памяти на гибких магнитных дисках или на платах,
общение на языке речи и т. д.
Эффективное решение комплексной автоматизации на основе
РТК уже привело к созданию новых сервисных устройств и авто-
матических транспортных систем, организации различных структур
комплексов, в основе которых модуль — роботизированная техноло-
гическая ячейка. Однако совершенствование роботов продолжается.
Проектируются новые варианты конструкций, обладающие боль-
шими функциональными возможностями и гибкостью, организуются
и исследуются принципы построения комплексов, встают также
задачи еще более сложные и перспективные — создание гибких
автоматизированных производств.
Таким образом, развитие робототехники показывает, что раз-
работка и внедрение промышленных роботов — лишь часть задачи
комплексной автоматизации производства. Чтобы полнее использо-
вать промышленные мощности, необходимо сделать само произ-
водство способным быстро перестраиваться и приспосабливаться
к требованиям времени, отодвинуть момент морального старения
оборудования и повысить его окупаемость. Иными словами, автома-
тизированные производственные системы должны быть построены
на том же принципе, который заложен в роботах, станках с ЧПУ,
микропроцессорных системах — гибкости. Такие производства —
уже реальная действительность, а в перспективе — «безлюдная»
технология, цеха и заводы-автоматы.
Таким образом, автоматизация на основе промышленных роботов
при социализме органически сочетает в себе практическое решение
задачи повышения экономической и социальной эффективности про-
изводства и является действенным фактором развития многих обла-
стей науки, техники, технологии и производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Андреенко С. Н., Ворошилов М. С., Петров Б. А. Проектирование при-
водов манипуляторов. М.: Машиностроение. Леиингр. отд-ние, 1975. 312 с.
2.	Баканов М. В., Лыска В. А., Алексеев В. В. Информационные микро-
машины следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы,
сельсины). М.: Сов. радио, 1977. 88 с.
3.	Бансявичюс Р. Ю., Рагульскис К. М. Вибродвигатели. Вильнюс: Мокс-
лас, 1981. 192 с.
4.	Белянин П. Н. Промышленные роботы. М/. Машиностроение, 1975. 400 с.
5.	Блехман И. И., Джанелидзе Г. Ю. Вибрационное перемещение. М.: На-
ука, 1974. 412 с.
6.	Блинов И. Г., Никольская Т. Г., Шаньгин В. Ф. Тенденция роботизации
в микроэлектронике. — В кн.: Автоматизация производственных процессов в микро-
электронике. М.: МИЭТ, 1982, с. 24—30.
7.	Боренштейн Ю. П. Исполнительные механизмы захватывающих устройств.
М.: Машиностроение, Леиингр. отд-ние, 1982. 232 с.
8.	Вульфет Дж. Датчики в цифровых системах; Пер. с англ/Под ред. В. В. Ма-
лова. М.: Энергоатомиздат, 1981. 200 с.
9.	Герц Е. В., Крейнии Т. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие.
М.: Машиностроение, 1975. 212 с.
10.	Егоров Ю. Н. Системы привода роботов. Л.: Изд. ЛГУ, 1982. 336 с.
11.	Иванов А. А. Автоматизация сборки миниатюрных и микроминиатюрных
изделий. М.: Машиностроение, 1977. 248 с.
12.	Иванов А. А. Проектирование систем автоматического манипулирования
миниатюрными изделиями. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.
13.	Игнатьев М. Т., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управле-
ния роботами-манипуляторами. — Л.: Машиностроение, Ленинград, отд-ние. 1977.
248 с.
14.	Интегральные роботы. Вып. 1. Сборник статей; Пер. с англ/Под ред.
Г. Е. Поздняка. М.: Мир, 1973. 420 с.
15.	Интегральные роботы. Вып. 2. Сборник статей; Пер. с аигл./Под ред.
Г. Е. Поздняка. М.: Мир, 1975. 528 с.
16.	Камышный Н. И. Автоматизация загрузки станков. М.: Машиностроение,
1977. 284 с.
17.	Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем; Пер. с аигл./Под
ред. С. Д. Пашкеева. М.: Мир, 1980. 572 с.
18.	Козырев Ю. Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение,
1983. 376 с.
19.	Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуля-
торами. М.: Энергия, 1971. 304 с.
257

20.	Лавриненко В. В., Карташев И. А., Вишневский В. С. Пьезоэлектри-
ческие двигатели. М.: Энергия, 1980. 112 с.
21.	Левенталь Л. А. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение,
аппаратные средства, программирование; Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983.
450 с.
22.	Либенсон М. Н., Хесин А. Я., Янсон Б. А. Автоматизация распознава-
ния телевизионных изображений. М.: Энергия, 1975. 160 с.
23.	Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления мани-
пуляционных роботов. М.: Наука, 1978. 416 с.
24.	Микропроцессорные БИС и микроЭВМ. Построение и примепение/Под ред.
А. А. Васеикова. М.: Сов. радио, 1980. 279 с.
25.	Павленко И. И. Кинематика кисти промышленных роботов. — «Вестник
машиностроения», 1979, № 1, с. 28—30.
26.	Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные ро-
боты. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. 398 с.
27.	Пособие по применению промышленных роботов; Пер. с япон./Под ред.
Капухико Нода. М.: Мир, 1975. 452 с.
28.	Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью.
М.: Радио и связь, 1981. 136 с.
29.	Промышленная робототехника/Под ред. Я. А. Шифрина. М.: Машиностро-
ение, 1982. 415 с.
30.	Промышленные роботы. Тематический сборник. — Электронная промыш-
ленность. 1981, № 10/106, 112 с.
31.	Прэтт У. Цифровая обработка изображений; Пер. с англ. М.: Мир, 1982,
Кн. 2, 480 с.
32.	Рагульскис К- М., Бансявичюс Р. Ю., Курыло П. Э. Позиционирование
в плоскости при помощи высокочастотных колебаний. — В кн.: Труды IV между-
народного конгресса по теории машин и механизмов. Т. 2. Англия. 1975, с. 18—24.
33.	Сафонов Л. Н., Волнянский В. Н., Окулов А. И. Прецизионные дат-
чики с печатными обмотками. М.: Машиностроение, 1977. 152 с.
34.	Соботка 3., Стары Я. Микропроцессорные системы; Пер. с чешского/Под
ред. В. В. Сташина. М.: Энергоатомиздат, 1981. 495 с.
35.	Управление роботами от ЭВМ/Е. И. Юревич, С. И. Новаченко, В. А. Па-
влов и др.; Под ред. Е. И. Юревича. Л.: Энергия, 1980. 261 с.
36.	Управляющие системы промышленных роботов/Ю. Д. Андрианов,
Л. Я. Глейзер, М. Б. Игнатьев и др. М.: Машиностроение. 1984. 288 с.
37.	Фотоэлектрические преобразователи информации/Л. Н. Преснухин,
В. Ф. Шаньгин, С. А. Майоров, И. В. Меськин; Под ред. Л. Н. Преснухина.
М.: Машиностроение, 1974. 376 с.
38.	Щепин В. С. Языки программирования для систем управления интеграль-
ными роботами и задач искусственного интеллекта (Обзор); Пер. с англ, и япон/Под
ред. Г. Е. Поздняка. — В кн.: Интегральные роботы. Вып. 2., с. 513—526.
39.	Юревич Е. И. Настоящее и будущее промышленных роботов. — ЭКО,
1982, № 2, с. 25—39.
40.	Янг Дж. Ф. Робототехника. М.: Машиностроение, 1979. 304 с.
41.	Bansevichus R., Ragulskis К- Piezoeletric drives with several degrees of
freedom for micromanipulators. — In: Papers of V World Congress on Theory of
Machine and Mechanisms. Montreal (Canada), 1979, p. 827—830.
258

42.	Circuits Manufacturing, 1981, N. 11, p. 34—36.
43.	Drake S. H. High speed robot assembly of precision parts using compliance
instead of sensory feedback, «Proceedings 7th International Symposium on Industrial
Robot», Tokyo, Japan, 19—21 Oct., 1977.
44.	Mujtaba M. Sh. Current Status of the Al Manipulator Programming Sys-
tem. 10th International Symposium on Industrial Robot —Milan, 1980, p. 119—127.
45.	Nishimoto K-, Uchiyama T., Akita T. Development of a Robot for Precise
Assembly. Fujitsu Scientific & Technical Journal 18, 4, pp. 487—506, Decem-
ber, 1982.
46.	Norbedo R. A. A structured Software System for Industrial Automation.
International Symposium on Industrial Robots. — Tokyo, 1977, p. 139—144.
47.	Salmon M. SIGLA: The Olivetti SIGMA Robot Programming Language.
8th International Symposium on Industrial Robots — Stuttgart, 1978, p. 358—373.
48.	Spur G. Industrieroboter: Steuerung. Programmierung und Daten von flexi-
biten Handhabungseinrichtungen. — Munchen: Hanser, 1978, S. 196—198.
49.	Townzen D. A. A Task — Scheduling Executive Programm for Microcom-
puter Systems. — Computer Design, 1977, vol. 16, p. 194—202.
50.	Tyridal P. New Ideas in Multi-Task Real — Time Control System for Indu-
strial Robots. International Symposium on Industrial Robots — Milan, 1980,
p. 659—670.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автоматическая линия 138, 233
----диффузии 233
---- контроля и разбраковки диодов 235
---- сборки дисковых аккумуляторов 232
Агрегатно-модульный принцип проектирования роботов 15
Адаптивные роботы 237
Алгоритм зрительного распознавания образов 172
— обработки изображения 244
Алгоритмическое обеспечение роботов 144
Аппаратные средства систем управления 129
Б
Большие интегральные схемы (БИС) 133
Буикерио-ориеитирующие загрузочные устройства 195
В
Вибродвигатели высокочастотные 30, очувствление 43
---- волновые 33
----вращательного движения 38
----линейного движения 38
----с асимметричными циклами колебаний 34
----с косыми соударениями 32
----с несколькими степенями подвижности 44
Вибропары управляемые 47
Г
Гибкое автоматизированное производство 246
-------,подсистема планирования производства 249
-------, подсистема управляющая 247
Групповое управление в робототехнических комплексах 139
Д
Датчики внешней информации 86
-------струйные 89
-------тактильные 88
260

------ телевизионные 92
------ультразвуковые 69
------ электромагнитные 89
Датчики внутренней информации 70
------аналоговые 72
------дискретные 72
------перемещений 72
------ скорости 85
------ усилий 86
3
Запоминающее устройство
----постоянное 153
---- оперативное 244
Захватные устройства роботов 53
----вакуумные 53, 181, 208
----клещевые 181
----магнитные 53
----пневматические 54
---- с виброприводом 58
----струйные 242
И
Идентификатор 125
Иерархические уровни управления 111, 247
Иерархическая система управления 112
Индуктосины 76
— линейные 76
— поворотные 77
Информационная система робота 69
Интерферометр лазерный 68
Исполнительное устройство робота 25
Испытания роботов 20
К
Кинематические пары 14
Классификация промышленных роботов 19
Команды 162
Командный язык 145
Компилятор 148, 159
Конструкция робота 14
----консольная 15
---- мостовая 17
Контроллер 131, 133, 134, 140
Координатная система робота 18
Манипуляторы 18, 180
гибкие с эластическим зреиом 27
26J

м
Микропроцессор 129, 133
Микропроцессорная система управления 123, 248
Микропроцессорные комплекты БИС 133
МикроЭВМ 133
Миниатюрные изделия 10
----, загрузка 178, 187
---,. сборка 178, 187
Модель управления ПР 111
Монитор 148
О
Обучение промышленного робота 112
Объект манипулирования 11
Операторы языка программирования 163
Операционные системы робототехнических комплексов 147
---- реального времени 149
Основные характеристики роботов 19
П
Погрешность позиционирования рабочего органа 22
Позиционирование точное 64
Потенциометры 72
—	пленочные 73
—	проволочные 73
Прерывания 151
Прецизионные измерительные машины и системы 189
Привод исполнительный 25
---- гидравлический 26
“ — пневматические 26
-	—» пьезоэлектрический.30
—	— электрический 25
Программа управления промышленным роботом 166
Программное обеспечение роботов 144
Р
Распознавание образов 95
Растровые преобразователи перемещение — код 78
Робот промышленный 7, 9, 12
----загрузочно-разгрузочный 178, 187
----сборочный 187
Робототехнические комплексы (РТК) для миниатюрных изделий 231
---- прецизионные 237
Робототехнические системы 221
------ перемещения ориентированных изделий 222
---- сборки 224
Роботизированные технологические ячейки (РТЯ) 187
262

с
Сервисные устройства роботов 194
----бункерно-ориентирующее 195
---- вибромеханические 194
----магазинное загрузочное 195
----пневмомагнитные 206
---- транспортная система 220
Сервопривод робота 125
Системы координат робота
----прямоугольная (декартова) 21, 115
----сферическая 21, 115
----цилиндрическая 21, 115
Системы программирования роботов 158
Системы управления роботов 109
----контурные 112
----многопозиционные 112
------ позиционные 112
----программные 112
----функциональные 112
Структурная организация промышленных роботов 12
Структурная организация управления 109, ПО
Т
Техническое зрение 238, 239, 244
Трансформаторы вращающиеся 73, 74
----двухполюсные 73
----многополюсные 75
У
Управление промышленным роботом ПО
-------, законы 117
-------, структурная организация 109, ПО
------- групповое 139
Уровни управления
----алгоритмический 111
----динамический 111
----командный 111
Число степеней подвижности 15, 16
ц
Центральный процессор 127, 133, 134, 141
Я
Язык директив 145
Язык управления роботом 144
Языки программирования роботов 144, 145, 158
263