/
Автор: Спыну Г.А.
Теги: детали машин передачи (механические) подъемно-транспортное оборудование крепежные средства смазка кибернетика машиностроение робототехника учебное пособие автоматизация производства промышленные роботы
ISBN: 5-11-002474-Х
Год: 1991
Текст
ГА.СПЫНУ ПРОМЫШЛЕННЫЕ
конструирование
и применение
2-е издание, переработанное
и дополненное
Допущено
Министерством высшегр и среднего^*
специального образования УССР -
в качестве учебного пособия
для студентов машиностроительных*' '
специальностей вузов >
□
КИЕВ
«ВЫЩА ШКОЛА.
1W1
Kj -1
ББК 32.816я73
УДК 621.865.8(07)
Рецензент: д-р техн, наук проф.',?4 К. Нечаев (Киевский инже-
нерно-строительный институт) р 1
Редакция литературы по машиностроительному комплексу
Редактор А, С, Мнышенко
Спыну Г. А.
G74 Промышленные роботы. Конструирование и применение:
Учеб, пособие. — 2-е изд., перераб. и доп.— К.: Выща
шк., 1991. — 311 с. : ил.
, Д UU д . —- U1 1 V. . rwi
ISBN 5-11-002474-Х
Рассмотрены причины появления, принцип действия, устройство
современных промышленных роботов и роботизированных технологи-
ческих комплексов, их структура и основные узлы. Указаны области
применения промышленных роботов, приведены данные о техиико-
экономнческой эффективности, социальном и гигиеническом аспектах.
Даны расчеты точности позиционирования рабочих органов, некоторых
приводов и других агрегатов. Намечены перспективы развития робо-
тотехники.
Второе издание (1-е изд.— 1985 г.) доработано и дополнено с уче-
том последних достижений в области робототехники.
Для студентов машиностроительных специальностей вузов,
„ 2402020000-020
С М211 (04)-91 235’91
ББК 32.816я73
ISBN 5-11-002474-Х
© Издательское объединение
«Выща школа», 1985
© Спыну Г. А., 1991, с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время сформировалось и интенсивно развивает-
ся новое научно-техническое направление — робототехника. К не-
му приковано внимание специалистов, научно-исследовательских
организаций, промышленных предприятий Советского Союза и
ведущих фирм за рубежом.
Широкая роботизация в нашей стране началась в 1980 г.
По мнению специалистов, разработка и внедрение промыш-
ленных роботов, роботов II и III поколений позволит на новом,
более высоком научно-техническом уровне решить задачу созда-
ния систем комплексной автоматизации на промышленных пред-
приятиях, пересмотреть распределение функций между челове-
ком и машиной, существенно повысить производительность тру-
да. Это одна из движущих сил автоматизации и вместе с тем одно
из важнейших средств для глубоких социально-экономических
преобразований в сфере труда.
В СССР и за рубежом регулярно проводятся всесоюзные и меж-
дународные симпозиумы по робототехнике, созданы специальные
ассоциации и институты роботов, в различных странах устраиваются
международные выставки промышленных роботов, в специаль-
ной и популярной литературе, на страницах газет систематиче-
ски публикуются материалы по этой проблеме в ее научно-техни-
ческом, социальном и экономическом аспектах.
Мы стоим на пороге новой эры — эры человека и робота. Сей-
час мы видим только первые шаги этого нового вида машин, но
пройдет несколько десятков лет и роботы различных поколений
прочно войдут в промышленность и быт людей, осуществится дей-
ствительный симбиоз человека и робота. Человек будет управ-
лять роботами и направлять их деятельность, а роботы освободят
человека от утомительной, монотонной и опасной работы в экстре-
мальных условиях. Зримые, четкие шаги робототехники в этом
направлении видны уже сейчас.
Робототехника — молодая наука, существующая всего около
20 лет. И, как всякое новое направление, она еще не полностью
оформилась. До настоящего времени нет совершенно однознач-
ных понятий, терминологии, не всегда четка сложившаяся систе-
ма взглядов, ведутся горячие дискуссии по ряду вопросов. Как
и во всяком новом научном направлении, есть еще «белые пятна».
Автор не предполагает, что настоящая книга внесет ясность
во все спорные вопросы, но надеется, что его труд позволит
3
сделать еще один шаг вперед в понимании этого важного и актуаль-
ного научно-технического направления.
Второе издание учебного пособия существенно переработано
и дополнено новыми материалами и разделами.
Раздел «Динамика манипуляторов» написан в соавторстве с
доктором физико-математических наук О. Ф. Бойчуком, раздел
«Кинематический анализ» — с кандидатом технических наук
В. А. Ягодзинским, раздел «Надежность промышленных роботов
и РТК» — с кандидатом технических наук О. А. Хлобыстовой.
ВВЕДЕНИЕ 1 li. i ЦО
» ЭВК C&t. ; ч.
'Ч ' .у . - -
* . .г’ оетг. 1 , . 3 LLc -Ч
А - . • ,г’
' * ‘Ч ' - - '
( ' ... >•:, , * J;
. i < ' ' Н. Д А."
Идея создания устройств, автоматизирующих отдельные дей-
ствия человека, пришла из глубокой древности. Человек давно
мечтал создать искусственных механических слуг, которые имели
бы все достоинства человека и не страдали бы недостатками, при-
сущими живым организмам. Вся история развития роботов может
быть разбита на четыре основных этапа.
Первый этап. В глубокой древности были предприняты попыт-
ки создать различные человекоподобные механизмы, которые,
«поглотив» монету, открывали двери помещений, продавали воду,
выполняли различные несложные процедуры. Созданием таких
автоматов занимались Герои Александрийский (I в. н. э.) и дру-
гие известные деятели тех времен.
В 400 г. до н. э. греческий философ Акрит сконструировал
летающих орла, голубя и ползающую улитку. Во времена египет-
ского фараона Птолемея II Филадельфа (III в. до н. э.), согласно
свидетельствам древних папирусов, был создан механический
человек.
В известном произведении Гомера «Илиада» имеются такие
строки:
Навстречу ему золотые служанки вмиг подбежали,
Подобные девам живым, у которых с
Разум в груди заключен, н голос, н сила, ;
Которых самым различным трудам обучили
Бессмертные боги...
Оценивая эти скудные и не связанные между собой сведения,
можно сделать вывод, что в те далекие годы, на заре цивилизации,
не было достаточно развитой науки и технических возможнос-
тей для создания столь сложных человекоподобных устройств.
Скорее всего в этих преданиях отражены мечты людей, и поэтому
такие истории можно отнести к легендам.
Второй этап. В средние века в большом количестве создава-
вались различные человекоподобные механизмы, которые полу-
чили название «андроиды».
Первые андроиды изготовили швейцарский часовщик Пьер-Жак
Дро и его сын Анри Дро (1774 г.). Они показали изумленным со-
гражданам сконструированного ими механического писца. Он с
важным видом макал гусиное перо в чернильницу и ровным, кра-
сивым почерком писал длинную фразу, двигая при этом головой
и «любовно» оглядывая написанное. Кроме писца мастера сделали
5
механических рисовальщика и музыкантшу. Созданием таких
андроидов увлекались известные мастера во многих странах.
К андроидам следует отнести также произведения русского мастера
Кулибина, большое количество замысловатых часов с движущи-
мися фигурками людей и животных и т. д.
Трудные и, казалось бы, неразрешимые проблемы вставали
перед создателями первых андроидов. Прежде всего возникал
вопрос, где взять энергию, которая могла бы заменить силу чело-
веческих мышц. Обычно использовали одну достаточно мощную
пружину или систему пружин. Поскольку энергии пружин было
явно недостаточно, то, как только появились паровые машины,
они вторглись и в мастерские создателей андроидов.
Итак, стремясь дать общую характеристику второму этапу,
следует отметить, что все человекоподобные устройства отлича-
лись лишь внешним сходством с человеком, не имели связи с внеш-
ним миром, были игрушками, служили для развлечения публики
и практического значения не имели. Это были произведения выда-
ющихся механиков-умельцев тех лет.
Третий этап. Конец XIX и начало XX в. характеризуются
выдающимися открытиями в области науки и техники. Появи-
лись и начали широко применяться различные электрические
устройства, генераторы тока, электрические двигатели, аккумуля-
торы. Были изобретены телеграф и телефон. Все шире начала исполь-
зоваться электрическая энергия. В начале XX в. интенсивно
развиваются радиотехника и электроника.
Все достижения человеческой мысли не могли не повлиять на
создание нового научного направления — робототехники.
В 1920 г. чешский писатель Карел Чапек в своей социально-
фантастической пьесе «R. U. R» («Россумские универсальные
роботы») впервые употребил слово «робот», которое быстро полу-
чило признание во всем мире и олицетворяет теперь новое науч-
но-техническое направление. В эти же годы в ряде стран созданы
известные роботы «Альфа», «Эрик», советский робот ЕМ и др. При
этом широко использовались достижения в области электротех-
ники, электроники и автоматики. К этому времени относятся и
первые попытки использовать роботы для нужд человека. Появи-
лось большое количество научно-фантастических произведений,
в которых авторы пытались предугадать будущее роботов.
Американский ученый и писатель Айзек Азимов в одном из сво-
их произведений сформулировал так называемые законы робототех-
ники:
1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездей-
ствием допустить, чтобы человеку был причинен вред.
2. Робо г должен повиноваться всем приказам, которые отдает
человек, кроме тех случаев, когда они противоречат первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере,
в которой это не противоречит первому и второму законам.
Новые научные открытия и изобретения позволили проблему
создания роботов перевести на более совершенный фундамент.
6
Появились реальные возможности оснастить робот зрением —
фотоэлементами, слухом — микрофонами, речью — громкогово-
рителями.
В то же время появляются первые плоды науки, которая поз-
же стала называться кибернетикой. Ученые и инженеры начали
разрабатывать устройства, которые, хоть и скромно называли ки-
бернетическими игрушками, создавались отнюдь не для развле-
чения. Оли служили примером практического воплощения идей
автоматического управления и кибернетики, моделировали пове-
дение живых организмов.
Большую известность приобрели устройства, напоминающие
черепах, жуков, мышей и т. д. Первые простейшие схемы таких
устройств, способных двигаться в направлении света, разработал
известный американский ученый Н. Винер, сформулировавший
основные положения кибернетики. Наибольшую известность при-
обрели «черепахи», созданные английским биофизиком и нейро-
физиологом Г. Уолтером в 1950—1951 гг.
В устройствах, созданных на третьем этапе эволюции роботов,
впервые был использован принцип обратной связи, сформулиро-
ванный в конце XIX в.
Четвертый этап начался примерно в 1965 — 1970 гг. Мечта
о создании роботов — помощников человека становится реаль-
ностью. Сейчас мы стоим на пороге самого интересного этапа, зна-
чение которого трудно переоценить. Недаром символом и девизом
одного из международных симпозиумов по робототехнике был
«Эпоха людей и роботов». В настоящее время робототехника раз-
вивается бурными темпами во всех основных промышленно раз-
витых странах. Сравнительно недавно было сформулировано но-
вое понятие — искусственный интеллект. Теперь проблема робо-
тов тесно связана с искусственным интеллектом.
Итак, в середине XX в. возникло и сформировалось новое науч-
но-техническое направление — робототехника. К нему приковано
внимание многих специалистов, научно-исследовательских и опыт-
но-конструкторских организаций различных отраслей в промыш-
ленно развитых странах. Это направление в настоящее время счи-
тается одним из самых актуальных и перспективных.
Целесообразно отметить и сформулировать основные причи-
ны появления, такого бурного развития нового научно-техничес-
кого направления и главным образом создания нового типа обору-
дования — промышленных роботов.
Во-первых, это гуманное желание освободить человека от ра-
боты в так называемых экстремальных условиях. В настоящее
время, несмотря на относительно высокий уровень механизации
и автоматизации производственных процессов, еще очень много
операций человеку приходится выполнять в условиях высоких
температур, повышенной радиации, контактировать с токсичными
химическими веществами, работать при высоком уровне шумов
и вибраций. Совершенно необходимо освободить человека от уто-
мительного, монотонного и однообразного труда. =
7
Во-вторых, необходимость существенно повысить производи-
тельность труда и качество выпускаемой продукции. Промышленные
роботы, как это уже стало ясно всем исследователям, позволяют
эффективно автоматизировать вспомогательные и транспортные
операции в условиях мелкосерийного и серийного производства,
дают возможность на новом, более высоком уровне решать задачи
комплексной автоматизации, пересмотреть распределение функ-
ций между человеком и машиной. Промышленные роботы играют
важную роль в решении задачи создания гибких производствен-
ных систем. В настоящее время принято считать, что без примене-
ния роботов различного типа для автоматизации вспомогательных
и транспортно-складских операций создание современной гибкой
производственной системы невозможно.
В-третьих, так называемый демографический фактор. Дейст-
вительно, в последние годы в СССР ощущается дефицит рабочей
силы в некоторых отраслях народного хозяйства. Это объясняется
сложившейся и устойчивой тенденцией к повышению образова-
тельного ценза, бурно растущими темпами строительства промыш-
ленных предприятий, стремлением к освоению новых, необжи-
тых районов — в том числе прибрежного шельфа, северных рай-
онов и т. д. Отсутствие необходимого количества рабочих отрица-
тельно сказывается на масштабах и темпах строительства.
Нельзя не обратить внимание и на социальный аспект этого
важного вопроса. Рабочий не может существовать и нормально
работать без соблюдения ряда жизненно важных факторов. К ним
относятся жилье, система обеспечения питанием, ясли, детские
сады, культурные учреждения и т. д. Создание этого социально-
экономического комплекса требует больших капитальных затрат,
особенно в отдаленных районах нашей страны.
Для того чтобы лучше понять место и научные задачи созда-
ния промышленных роботов, целесообразно рассмотреть общую
постановку проблемы «робототехника» и так называемые три поко-
ления роботов. В настоящее время во всей специальной научной
и популярной литературе принято разделение роботов на три поко-
ления. Несмотря на то что это деление несколько условно, такой
прием позволяет четче отметить особенности различных типов
роботов и каким-то образом классифицировать их.
I поколение — промышленные роботы. По сложившемуся мне-
нию, промышленные роботы (ПР) представляют собой автомати-
ческие устройства, оснащенные одной или несколькими «руками».
Движение руки промышленного робота осуществляется по не-
скольким управляемым координатам (от двух до восьми) с задан-
ной программируемой скоростью и необходимой точностью. На
конце руки монтируют кисть с рабочим органом. Перемещение
рабочего органа происходит в пределах зоны обслуживания ПР.
Промышленный робот в общем случае состоит из манипулятора,
рабочего органа и переналаживаемого устройства управления
(рис. 0.1). Важнейшей отличительной особенностью промышлен-
ных роботов является то, что они, как правило, ие имеют
8
датчиков обратной свя- >
зи и не могут реагиро- ‘
вать на изменения внеш-
ней среды. Предполага- -
ется, что среда, окру-т
жающая робота, строго,
организована, детерми-
нирована и неизменна.
Эта особенность несколь-
ко ограничивает области
применения промышлен-
ных роботов. Програм-
мирование их движений
осуществляется в основ-
ном методом обучения,
а программа предусмат-
ривает запись всех дви-
жений манипулятора.
Наиболее эффектив-
но применение промыш-
ленных роботов для ав-
томатизации транспорт-
ных, вспомогательных и
некоторых технологиче-
ских операций в усло-
виях мелкосерийного и
серийного производства.
II поколение — адаптивные роботы. Адаптивные роботы, т. е.
роботы, управляемые устройством адаптивного управления, отно-
сятся к более совершенным роботам и, как это следует из названия,
могут реагировать на изменения внешней среды. Они оснащены
датчиками обратной связи — сенсорными устройствами, т. е. очув-
ствлены. Эта особенность и является главной, отличающей адап-
тивные роботы от роботов I поколения. Возможность корректи-
ровать программу в зависимости от изменения параметров внеш-
ней среды позволяет существенно расширить область применения
роботов этого поколения по сравнению с промышленными робо-
тами. Манипуляторы рабочих органов адаптивных роботов не име-
ют принципиальных отличий от таковых у роботов I поколения.
На адаптивных роботах применяются самые разнообразные дат-
чики обратной связи. В широком спектре этих датчиков насчиты-
вается несколько десятков типов, начиная от простейших контакт-
ных электромеханических и кончая стереоскопическими телеви-
зионными.
Системы управления адаптивными роботами, конечно, слож-
нее систем управления промышленными роботами. Программиро-
вание предусматривает запись основной программы и наличие в
системе управления соответствующих подпрограмм, включаемых
в зависимости от сложившейся ситуации в окружающей среде.
9
Как правило, система управления представляет собой специали»
зированную ЭВМ или управляющий вычислительный комплекс
(УВК). Часто адаптивные роботы называют системой «глаз— рука».
Структурная схема такого робота (рис. 0.2, а) включает в себя
собственно рычажный манипулятор 1, телевизионную камеру 2
и стол 3 с расположенными на нем различными предметами. Упро-
щенная блок-схема системы управления роботом типа «глаз —
рука» показана на рис. 0.2, б.
III поколение — роботы с искусственным интеллектом. Роботы
III поколения, наиболее сложные и совершенные, ранее называ-
ли интегральными. Следует отметить, что сейчас они находятся
в стадии разработки. Созданы отдельные, как правило экспери-
ментальные и опытные, образцы, а применение их в промышлен-
ности только начинается. Конструкция роботов с искусственным
интеллектом существенно отличается от ранее описанных тем,
что они весьма часто выполняются подвижными, оснащаются ко-
лесным или гусеничным ходом. Достаточно распространенным
научным направлением является создание шагающих роботов,
а также роботов, предназначенных для исследований космоса и
океана.
Роботы с искусственным интеллектом оснащаются мощными
ЭВМ и в целом сложнее и дороже роботов II поколения. Матема-
тическое обеспечение интегральных роботов весьма сложно. В па-
мять робота нужно занести математическую модель внешней
а
среды и общую цель, которую
необходимо достигнуть. Кон-
кретная программа действий
вырабатывается в процессе
движения робота на основа-
нии сопоставления модели
внешней среды, основной це-
5 ли и информации, получаемой
от органов очувствления.
Предполагается, что робот
Визуальная подсистема Подсистема одрадотки данных
Рис. 0.2. Схема (а) и блок-схема системы управления (б) адаптивного робо- £>
та (типа «глаз — рука») *’
10
оснащен устройствами, позволяющими вести непрерывную связь
(диалог) с человеком на естественном или специализированном
(проблемно-ориентированном) языке.
На рис. 0.3, а представлена упрощенная схема шагающего
интегрального робота. Робот может иметь несколько ног 1 (в дан-
ном случае — шесть), телевизионную камеру 2 (одну или две) и
предназначен для перемещения по сильно пересеченной местности.
Упрощенная блок-схема системы управления шагающим роботом
показана на рис. 0.3, б.
Вопрос об области применения роботов с искусственным интеллек-
том имеет научно-технический и социальный аспекты. Говоря о
возможных областях применения роботов с искусственным интел-
лектом, специалисты различных стран исходят из того, что есть
области, где человек не может существовать и выполнять полезную
работу без специальных мер защиты. К ним относятся океанские
глубины, космос, поверхность других планет, зоны высокого ра-
диоактивного излучения и некоторые подземные и т. д. Использо-
вание достаточно совершенных роботов, способных выполнять
целенаправленные действия в этих областях, вести поисковые
аварийные, сборочные, строительные и ремонтные работы, поз-
волит человечеству широко раздвинуть границы своего обитания,
освоить новые богатства, сделать еще один важный шаг вперед
в области научно-технического прогресса.
Го и на Земле имеется большое количество задач, которые
можно поручить роботам. Это сложные сборочные операции изде-
лий машиностроительной промышленности, процессы с повышен-
ной вероятностью травматизма, да и много различных операций,
где роботы могут работать лучше и производительнее людей.
11
Заслуживает внимания и социальный аспект применения ро-
ботов. За рубежом считают, что если роботы возьмут на себя всю
работу, то на заводах не будет людей. Наверное, это мнение непра-
вильное. Всегда можно будет установить разумное и целесообраз-
ное соотношение между количеством людей и роботов в различ-
ных условиях. Нам не кажется безвыходным этот путь.
Приведенная классификация была принята давно и отражает сло-
жившуюся точку зрения. Однако в соответствии с ГОСТ 25686 —
85 роботы классифицируются не по функциональному принципу,
а по назначению. Таким образом, адаптивный робот также следует
считать промышленным, если он применяется в производствен-
ном процессе, и называть его адаптивным промышленным роботом.
Соответственно робот с искусственным интеллектом, который
всегда относился к роботам III поколения, тоже можно именовать
промышленным роботом с искусственным интеллектом, если он
применяется в производственном процессе.
В ГОСТ 25686—85 промышленные роботы подразделяются
на роботы с программным и с адаптивным управлением. Таким
образом, промышленные роботы, т. е. роботы I поколения по ранее
принятой классификации, можно именовать роботами с программ-
ным управлением.
Следует полагать, что вместе с развитием робототехники бу-
дет совершенствоваться и терминология, что позволит достичь
однозначных, наиболее четких терминов и понятий.
'«И'*
з. е' а* ' хт. • щ т- х
Глава 1 . " • < -з. х'ий
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ X - ? х . /,
'if .. I
1.1. Причины появления и предпосылку *t *
создания промышленных роботов 4 г
В настоящее время в нашей промышленности еще очень вели-
ка доля ручного, немеханизированного труда, особенно на вспо-
могательных транспортных операциях.
В отдельных отраслях промышленности удельный вес рабочих,
выполняющих работу механизированным способом, во вспомога-
тельном производстве в несколько раз ниже, чем в основном. Зна-
чительная часть рабочих занята выполнением погрузочно-разгру-
зочных работ, транспортировкой грузов и в складском хозяйстве.
Эти работы, получившие в свое время название вспомогательных,
не менее важны для производства, чем основные. Поэтому их ко-
ренное преобразование следует рассматривать как одно из важных
направлений технической политики в предстоящие годы.
Несмотря на то что в течение многих лет внедряются методы
и технические средства механизации и автоматизации производст-
венных процессов, количество рабочих, занятых ручным трудом,
еще очень велико.
12
Улучшение условий труда следует считать одной из важней-
ших задач здравоохранения. Условия труда относятся к показа-
телям уровня жизни. С ними неразрывно связаны такие явления,
как травматизм, профессиональные заболевания, общее состоя-
ние работника — не только физическое, но и моральное. Влия-
ют они и на производительность и качество труда. Таким образом,
проблема условий труда имеет одновременно и социальные и
здравоохранительные аспекты.
К сожалению, недооценка всего этого в последние два-три де-
сятилетия способствовала росту негативных процессов в нашей
экономике. Казалось бы, сколько средств вложено в строительство
новых предприятий, сколько новой высокопроизводительной тех-
ники введено в строй, а ручным трудом у нас занято сейчас больше
людей, чем 30 лет назад. Деньги вкладывались без четких социаль-
ных приоритетов. Если бы из этих сумм хотя бы 10 % пошло на
ликвидацию тяжелого, монотонного, вредного труда, то успех
стал бы значительно большим. По имеющимся данным, в настоя-
щее время в нашей стране 50 % рабочих и колхозников заняты
ручным трудом. К 2000 г. этот показатель необходимо снизить
до 15...20 %, причем физически тяжелый, монотонный труд дол-
жен быть исключен полностью.
В нашей стране создалось напряженное положение с трудо-
выми ресурсами, сложилась тяжелая демографическая ситуация.
Вследствие этого стала совершенно ясной экономическая недопус-
тимость дальнейшего сохранения значительной доли ручного, не-
механизированного труда, которая только в промышленности до-
стигает 40 процентов и более.
Такое положение сложилось не потому, что важной проблеме
механизации и автоматизации вспомогательных, транспортных
операций не было уделено должного внимания. Дело объясня-
ется тем, что механизация и особенно автоматизация таких опера-
ций представляют собой чрезвычайно трудную научно-техничес-
кую задачу. Особенно это касается мелкосерийного и серийного
производства с часто изменяющейся программой.
Действительно, только за последние десятилетия усилиями
ученых, инженеров и рабочих было создано большое количество
совершенных машин-автоматов для выполнения основных техно-
логических операций. Наиболее ярким примером могут служить
металлообрабатывающие станки с числовым программным управ-
лением и обрабатывающие центры.
Современный фрезерный станок с числовым программным управ-
лением может за короткое время изготовить деталь такой
сложной формы, которую человек либо вообще не может сделать
на обычном универсальном металлорежущем станке с ручным
управлением, либо должен затратить на это много времени.
Однако часто приходится наблюдать, как на этот совершенный
станок вручную устанавливается заготовка и снимается гото-
вая деталь. Такое положение можно объяснить следующим
образом. , . , „7д01
13
г
Чтобы обучить человека такой простой операции, как, напри-
мер, взять заготовку из бункера, где они лежат «на?алом», не-
ориентированные в пространстве, необходимо весьма малое вре-
мя. И процедура эта одна из самых простых в производственном
цикле. Однако при автоматизации этой простой вспомогательной
операции возникают очень большие трудности, и до настоящего
времени эта задача не имеет общего решения. Объясняется это тем,
что тут в полном объеме возникает проблема распознавания обра-
зов, появляются большие сложности в создании математической
модели «сцены» и не менее большие трудности в разработке мате-
матического обеспечения такой автоматической системы. Решения,
полученные в настоящее время в различных организациях, поз-
воляют создавать такие устройства, вводя ряд серьезных ограни-
чений.
Таким образом, исторически сложился неравномерный уро-
вень автоматизации основных и вспомогательных, транспортных
операций. Такой «перекос», в частности, тормозит создание сис-
тем комплексной автоматизации мелкосерийного и серийного ма-
шиностроительного (дискретного) производства.
Указанные трудности достаточно успешно преодолеваются в
условиях крупносерийного и массового производства, где соз-
даны специализированные автоматы и транспортные устройства,
предназначенные выполнять один и тот же технологический про-
цесс на протяжении длительного времени. Однако применение
таких устройств в условиях мелкосерийного и индивидуального
производства невозможно, так как изменение типоразмера изде-
лия сопряжено с коренной переделкой конструкции транспорт-
ных и вспомогательных механизмов.
Как показал опыт создания и эксплуатации промышленных
роботов в различных странах, они используются главным обра-
зом для автоматизации именно вспомогательных, транспортных
операций в условиях мелкосерийного и серийного производства
и поэтому могут помочь в значительной степени устранить су-
ществующий «перекос» и создать автоматизированные транспорт-
но-складские системы (АТСС) и в целом системы комплексной
автоматизации, которые принято сейчас называть гибкими про-
изводственными системами (ГПС).
Создание гибких автоматизированных производств (ГАП) счи-
тается в настоящее время генеральным направлением развития
автоматизации мелкосерийного и серийного производства в ма-
шиностроении.
Важнейшая особенность ГПС заключается в возможности быст-
рой переналадки их на выпуск нового типа изделия. Такие сис-
темы наряду с управлением от центральной ЭВМ (что и обеспе-
чивает производственную гибкость) в своем составе должны иметь
роботы различных типов, без которых функционирование систем
невозможно. Роботы различного типа, в том числе стационарные
и транспортные, предназначены для автоматизации вспомогатель-
ных и транспортных операций, удельный вес которых весьма велик.
14
Таким образом, задача автоматизации мелкосерийного и се-
рийного производства — это вторая основная причина создания
и широкого применения промышленных роботов в последние
годы.
Немаловажным обстоятельством, обусловливающим расшире-
ние области применения промышленных роботов, является тан
называемый демографический фактор.
Известно, что в силу ряда исторических причин прирост чис-
ленности рабочих в нашей стране уменьшается. Это объясняется
в том числе и тем, что в настоящее время сократилась возможность
прироста численности рабочих и служащих за счет колхозников
и надежд оптимистического характера на будущее нет. Эти об-
стоятельства особенно проявляются в отдаленных районах на-
шей страны, где дефицит рабочей силы ощущается наиболее остро.
Необычайны по своим масштабам изменения в уровне образован-
ности населения. Постоянно растет удельный вес населения, име-
ющего среднее специальное и высшее образование, и, по-видимо-
му, эта тенденция будет развиваться.
Погрузочные, разгрузочные, транспортные и вспомогательные
операции относятся к числу «непрестижных» и поэтому сейчас
надо направить силы на создание методов и технических средств
для автоматизации таких операций. В этом заключается третья —
не главная, но все же достаточно четко обозначенная причина
появления и развития промышленных роботов.
Таким образом, проблема трудовых ресурсов в нашей стране
осложнилась. Это реальный факт, его нельзя недооценивать и с
ним необходимо считаться.
Учитывая изложенные соображения, можно сделать вывод,
что проблема создания и применения промышленных роботов при-
обретает еще более важное значение.
1 -
1.2. Промышленный робот — принцип действия, 1
характеристики
Определение понятия «промышленный робот» за истекшие
10...15 лет претерпело некоторые изменения.
Согласно ГОСТ 25686—85, промышленным роботом называют
автоматическую машину, стационарную или передвижную, состо-
ящую из исполнительного устройства в виде манипулятора, имею-
щего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого
устройства программного управления для выполнения в произ-
водственном процессе двигательных и управляющих функций.
Возможность оперативно перестраиваться с одной выполняе-
мой операции на другую — принципиальная особенность робота,
позволяющая определять его как универсальный автомат для
выполнения механических действий. Характеристика этих дейст-
вий как действий, подобных выполняемым человеком, занятым
физическим трудом, подчеркивает, в частности, эту универсаль-
ность робота путем сравнения с возможностями рук человека.
15
I
Для автоматизации крупносерийного и массового производ-
ства создавались и создаются сейчас автоматическое оборудование
и автоматические линии, работающие по жесткой программе. На
таких линиях применяется специальное оборудование, например,
манипуляторы типа механических рук или автооператоры, выпол-
няющие различного рода вспомогательные операции (перенос за-
готовок со станка, установка заготовок, съем готовых деталей
и т. д.). Такое оборудование предназначается для выпуска опре-
деленных видов продукции и при смене этих видов полностью за-
меняется. Для предприятий крупносерийного и массового произ-
водства такой принцип комплексной автоматизации наиболее целе-
сообразен.
Однако предприятия с крупносерийным и массовым выпусксм
продукции (автомобилестроительные, радиоэлектроники, шарико-
подшипниковые и т. д.) обеспечивают не более 20...25 % общего
объема выпуска промышленной продукции. Остальная продукция
выпускается главным образом предприятиями серийного и мелко-
серийного производства. К ним относится подавляющая часть
предприятий машиностроения, авиастроения, судостроения и дру-
гих отраслей, где задача создания систем комплексной автомати-
зации значительно сложнее.
Механические руки и автооператоры, создаваемые для мани-
пулирования конкретным видом заготовок или деталей с опре-
деленным заданным циклом движений, не могут служить эффектив-
ным средством механизации и автоматизации вспомогательных
и транспортных операций в мелкосерийном и серийном производ-
стве. Требованиям этих производств в полной мере отвечают про-
мышленные роботы не только в плане механизации и автоматиза-
ции вспомогательных, транспортных и складских операций, но
и автоматизации технологических операций (окраски, сварки, сбор-
ки и др.).
В серийном и мелкосерийном производстве наиболее рацио-
нально использовать технологическое оборудование с числовым
программным управлением, промышленные роботы и соответствую-
щие транспортные устройства, на базе которых следует создавать
роботизированные технологические комплексы (РТК), роботизи-
рованные участки и линии.
На основании анализа технологических операций, которые
могут быть автоматизированы с помощью промышленных робо-
тов, а также с точки зрения типа устройства управления ПР мож-
но подразделить на три типа.
Первый тип — роботы, выполняющие небольшой набор дви-
жений в одном цикле, с ограниченным количеством точек позицио-
нирования; при этом весь рабочий цикл кратковременен. В этом
случае для управления роботом целесообразно использовать цик-
ловые системы управления.
Второй тип — роботы, выполняющие большой набор движе-
ний в одном цикле, с большим количеством точек позиционирова-
ния по каждой координате, причем цикл может быть длительным.
18
Контролировать траекторию движения рабочего органа между
точками нет необходимости. Для подобных роботов применяют
позиционные устройства управления.
Третий тип — роботы, исполнительные органы которых долж-
ны перемещаться по заданной криволинейной траектории движе-
ния с определенной скоростью. Для таких роботов применяют
контурные устройства управления.
1.3. Термины и определения.
Классификация промышленных роботов
В робототехнике, как и во всякой новой отрасли науки, име-
ются некоторая неопределенность и даже противоречия в терми-
нологии и классификации. В процессе становления отрасли эта
неопределенность устраняется, термины приобретают четкость
и однозначность.
С целью унификации терминологии в области промышленных
роботов Государственным комитетом СССР по стандартам разрабо-
тан ГОСТ 25686—85 «Манипуляторы, автооператоры и промышлен»
ные роботы» взамен ранее существовавшего ГОСТ 25686—83 «Робо-
ты промышленные. Термины и определения». Этот стандарт устанав-
ливает применяемые в науке, технике и производстве термины и
определения основных понятий в области манипуляторов, автоопе-
раторов и промышленных роботов (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Термины и определения в области манипуляторов,
автооператоров и промышленных роботов
Гермин Определение
Манипуляторы и автооператоры
1. Манипулятор Управляемое устройство или машина для выполне-
ния двигательных функций, аналогичных функциям
руки человека при перемещении объектов в про-
странстве, оснащенное рабочим органом
2. Манипулятор с ручным Манипулятор, управление которым осуществляет
управлением оператор
3. Сбалансированный ма- Манипулятор с ручным управлением, содержащий
нипулятор систему уравновешивания устройства рабочего ор-
, га на
4. Автооператор Автоматическая машина, состоящая из исполни-
тельного устройства в виде манипулятора или сово-
купности манипулятора и устройства передвижения
и неперепрограммируемого устройства управления
Промышленные роботы
Б. Промышленный робот Автоматическая машина, стационарная или пере-
движная, состоящая из исполнительного устройства
. в виде манипулятора, имеющего несколько степеней
г. подвижности, и перепрограммируемого устройства
2 0—1922
17
Продолжение табл. 1,1
Термин Определение
программного управления для выполнения в произ- водственном процессе двигательных и управляющих функций. Примечание. Перепрограммируемость — свойство промышленного робота заменять управля- ющую программу автоматически или при помощи чел ове ка -опер атор а
•31.' - 1 •; < К перепрограммированию относится изменение по- следовательности и (или) значений перемещений по степеням подвижности и управляющих функций о помощью средств управления на пульте устройства управления
в. Промышленный робот с цикловым програм- мным управлением
(ПРЦПУ) 7. Промышленный робот с числовым програм- мным управлением (ПРЧПУ) 8. Адаптивный промыш- ленный робот (АПР) Промышленный робот, управляемый устройством ЧПУ с позиционным н (или) контурным програм- мным управленцем Промышленный робот, управляемый устройством адаптивного управления
Управление промышленных роботов
9. Управляющая про- грамма 10. Программное управле- ление промышленным роботом 11, Цикловое управление промышленным робо- том По ГОСТ 19781—83 Автоматическое управление исполнительным уст- ройством промышленного робота по заранее введен- ной управляющей программе Управление исполнительным устройством промыш- ленного робота, при котором осуществляется про* граммирование последовательности выполнения его движения
12. Позиционное управле- ние промышленным ро- ботом Управление исполнительным устройством промыва ленного робота, при котором движение его рабочего органа происходит по заданным точкам позициони- рования без контроля траектории движения между ними
18. Контурное управление промышленным робо- том Управление исполнительным устройством промыш- ленного робота, при котором движение его рабочего органа происходит по заданной траектории с уста- новленным распределением во времени значений скорости
14. Адаптивное управление промышленным робо- том Управление исполнительным устройством промыш- ленного робота с автоматическим изменением управ- ляющей программы в функции от контролируемы» параметров состояния внешней среды
1В. Программирование промышленного робота Составление, ввод и отладка управляющей програм- мы промышленного робота
И
Продолжение табл. 1,1
Термин Определение
16, Аналитическое про- граммирование про- мышленного робота Программирование промышленного робота, при ко» тором управляющую программу составляют иа ос- нове расчета и затем заносят в устройство управле- ния
17, Обучение промышлен- ного робота Программирование промышленного робота, при ко- тором составление и ввод управляющей программы осуществляет человек-оператор с помощью предва- рительного движения рабочего органа с занесением в устройство управления значений параметров это- го движения в виде управляющей программы
18. Исполнение управляю- щей программы промышленного робота Функционирование исполнительного устройства промышленного робота в соответствии с заданной управляющей программой
Составные части 19. Исполнительное устройство промыш- промышленных роботов, автооператоров Устройство промышленного робота (автооператора), выполняющее все его двигательные функции
ленного робота (авто-
оператора)
SO. Рабочий орган про- мышленного робота (автооператора) Составная часть исполнительного устройства про- мышленного робота (автооператора) для непосред- ственного выполнения технологических операций н (или) вспомогательных переходов Примечание, Примерами рабочего органа служат сварочные клещи, окрасочный пистолет, сборочный инструмент, захватное устройство
91, Устройство управле- ния промышленного робота (автооператора) Устройство промышленного робота (автооператора) для формирования и выдачи управляющих воздей- ствий исполнительному устройству в соответствии с управляющей программой
Характеристики манипуляторов, автооператоров и промышленных роботов
22, Номинальная грузо- подъемность манипуля- тора (автооператора, промышленного робо- та) 23, Рабочее пространство манипулятора (авто- оператора, промышлен- ного робота) 24, Рабочая зона манипу- лятора (автооператора, промышленного робо- та) 25, Зона обслуживания манипулятора (авто- оператора, промышлен- ного робота) Наибольшее значение массы предметов производст- ва или технологической оснастки, включая массу захватного устройства, при которой гарантируется их удержание и обеспечение установленных значе- ний эксплуатационных характеристик Пространство, в котором может находиться испол- нительное устройство при функционировании мани- пулятора (антооператора, промышленного робота) Пространство, в котором может находиться рабочий орган при функционировании манипулятора (авто- оператора, промышленного робота) Пространство, в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением манипу- лятора (автооператора, промышленного робота) и установленными значениями их характеристик
Г 19
Продолжение табл. 1.1
Термин
Определение
26. Число степеней под-
вижности манипулято-
ра (автооператора, про-
мышленного робота)
27. Скорость перемещения
по степени подвижности
28. Погрешность позицио-
нирования рабочего
органа манипулятора
(автооператора, про-
мышленного робота)
29. Погрешность отработ-
ки траектории рабоче-
го органа промышлен-
ного робота
Отклонение положения рабочего органа манипуля-
тора (автооператора, промышленного робота) от за-
данного управляющей программой
Отклонение траектории рабочего органа промыш-
ленного робота от заданной управляющей програм-
мой
Классификация промышленных роботов. Промышленные робо-
ты классифицируют по следующим признакам: специализация;
грузоподъемность; число степеней подвижности; возможность пе-
редвижения; способ установки на рабочем месте; вид системы коор-
динат; вид привода; вид управления; способ программирования.
По специализации промышленные роботы подразделяют на спе-
циальные, специализированные и универсальные.
По грузоподъемности промышленные роботы подразделяют на
следующие группы:
сверхлегкие — роботы номинальной грузоподъемностью до I кг;
легкие — « «
средние — « «
тяжелые — « «
сверхтяжелые — « «
« св. 1 до 10 кг;
« св. 10 до 200 кг;
« св. 200 до 1000 кг;
« св. 1000 кг.
По числу степеней подвижности промышленные роботы подраз-
деляются на:
роботы с двумя степенями подвижности; •
« с тремя « «
« с четырьмя « «
« со степенями подвижности более четырех.
По возможности передвижения промышленные роботы подраз-
деляются на стационарные и подвижные.
По способу установки на рабочем месте промышленные роботы
подразделяют на напольные, подвесные и встроенные.
По виду систем координат промышленные роботы подразделя-
ют на роботы, работающие в:
прямоугольной декартовой системе координат;
. цилиндрической системе координат;
'сферической « «
угловой « « ...
других системах координат. ,< >. .и
20
По виду привода промышленные роботы подразделяют на:
роботы с электромеханическими приводами',
« с гидравлическими «
« с пневматическими «
« с комбинированными «
По виду управления промышленные роботы подразделяют на
роботы с программным управлением (цикловым, позиционным и кон-
турным) и роботы с адаптивным управлением (позиционным и кон-
турным).
По способу программирования промышленные роботы подразде-
ляют на роботы, программируемые обучением, и роботы, програм-
мируемые аналитически.
Пояснения к классификации промышленных роботов по виду управления
1. К промышленным роботам с программным управлением относят роботы,
управляющая программа которых обладает совокупностью следующих призна-
ков:
содержит команды исполнительному устройству, относящиеся только к его
движениям, непосредственно связанным с выполнением роботом функций соглас-
но его назначению;
команды исполнительному устройству представляют собой заранее установ-
ленные задания, регламентирующие его движения по степеням подвижности;
последовательность выполнения команд исполнительным устройством по-
стоянна или изменяется в функции от контролируемых параметров внешней
среды, идентифицируемых по наличию или отсутствию сигналов одного или не-
скольких измерительных устройств или других входных сигналов (как правило,
релейного типа).
2. К промышленным роботам с адаптивным управлением относят роботы,
снабженные измерительными устройствами для восприятия внешней среды и с
управляющей программой, которая имеет какой-либо из следующих признаков
или их совокупность:
содержит команды исполнительному устройству, связанные не только непо-
средственно с выполнением функций робота согласно назначению, но и с целью
приспособления к изменяющимся условиям выполнения технологического про-
цесса (например, обхода нерегулярно появляющихся препятствий);
содержит команды, определяющие правила формирования заданий, кото-
рые регламентируют движения исполнительного устройства, по информации о
текущем состоянии внешней среды;
последовательность выполнения команд исполнительному устройству может
изменяться в зависимости от состояния внешней среды, идентифицируемого с по-
мощью специальных алгоритмов обработки информации с соответствующих из-
мерительных устройств.
3. Промышленные роботы, управляющая программа которых обладает при-
знаками, перечисленными в п. 1, но конструкция исполнительного устройства
обеспечивает возможность его приспособления к изменяющимся условиям внеш-
ней среды (например, самоориентация захватного устройства при взаимодействии
с неориентированным предметом), относят к группе «роботы с программным
управлением», но в документации указывают: «с элементами адаптации в кон-
струкции».
Для обозначения моделей промышленных роботов принята сле-
дующая система буквенных и цифровых индексов, определяющих:
1) вид оборудования: М — манипулятор; КМ — манипулятор
для кузнечно-прессового оборудования; ЛМ — манипулятор для
литейного оборудования;
21
2) грузоподъемность (кг) — числовое значение в соответствии
с принятым рядом;
3) тип системы программного управления: Ц — позиционная
цикловая (с ограниченным числом точек позиционирования); П —
позиционная числовая; К — контурная (непрерывная); У — ком-
бинированная (универсальная); в обозначении моделей манипуля-
торов, управляемых оператором, индекс типа системы управления
опускается;
4) компоновочная схема — двузначное число (00, 01, .... 99);
таблицы компоновочных схем и конструктивных исполнений мани-
пуляторов приведены в [33];
5) конструктивное исполнение (число рук, ходы, наличие допол-
нительных механизмов и т. п.) — двузначное число (00, 01, ..., 99).
Для обозначения промышленного робота агрегатно-модульной
конструкции после индекса вида оборудования (М) вводится ин-
декс А. Например, промышленный робот грузоподъемностью 40 кг,
с позиционной системой управления, работающий в цилиндрической
системе координат (компоновка типа 81) и имеющий конструктив-
ное исполнение 01, обозначается так: ПРМ40П81.01.
Приведенное выше обозначение моделей промышленных роботов
не распространяется на все образцы, выпускаемые нашей промыш-
ленностью, но все же охватывает значительную их часть.
1.4. Состояние в области создания
и применения промышленных роботов
Уровень механизации производственных процессов в машино-
строении в условиях мелкосерийного и серийного производства
остается до настоящего времени низким. Так, трудоемкость сбороч-
ных процессов в машиностроении и приборостроении составляет
20...70 % общей трудоемкости изготовления изделий. Уровень же
механизации сборочных операций на машиностроительных предпри-
ятиях составляет около 20...30 % и только в условиях массового,
поточного производства он достигает 70 %. Уровень автоматизации
сборочных процессов в машиностроении в настоящее время не пре-
вышает 10...15 %.
Учитывая сложившиеся обстоятельства, в промышленно разви-
тых странах стремятся более рационально использовать трудовые
и материальные ресурсы в машиностроении и значительно снизить
трудоемкость ручных операций, применяя различные средства авто-
матизации. Одним из основных путей автоматизации и механизации
вспомогательных и транспортных операций мелкосерийного и се-
рийного машиностроительного производств является применение
промышленных роботов и манипуляторов. Возросший интерес к их
использованию объясняется возможностью повысить с их помощью
производительность труда, улучшить качество выпускаемой про-
дукции, снизить ее себестоимость и освободить рабочих от выполне*
ния тяжелых монотонных операций.
22
Рис. 1.1. Промышленный робот
«Юнимейт»
Рис. 1.2. Промышленный робот
для дуговой сварки японской фир-
мы «Син-Мейва»
Применение современных ПР позволяет повысить коэффициент
сменности работы оборудования до двух раз и более, снизить себе-
стоимость и повысить производительность труда в 2...Зраза.
Первые промышленные роботы начали создаваться в США в
середине 50-х годов, а в 1960—1961 гг. в американской печати по-
явились сообщения о манипуляторах для автоматизации сборочных
и других работ. К I960—1962 гг. в США были созданы первые в
мире образцы промышленных роботов «Версатран» фирмы «АМФ
Версатран», «Юнимейт» (рис. 1.1) фирмы «Юнимейшт Инкорпорей-
тед». Наибольшее количество промышленных роботов выпускает
фирма «Юнимейшн», удовлетворяющая более 70 % спроса на миро-
вом рынке. Роботы этой фирмы выполняют операции точечной и
дуговой сварки, загрузки технологического оборудования, а также
обслуживания прессов, штампов и т. д.
В последние годы в производство промышленных роботов вклю-
чилось много различных компаний и фирм. К 1981 г. на предприя»
тиях «Дженерал моторе» работало уже 270 роботов, а в целом в
США их число превысило 3 тыс. шт. К 1986 г. число промыш-
ленных роботов в США составляло около 20 000 шт.
Япония начала заниматься роботостроением почти на 10 лет
позже, чем США. Однако японские фирмы очень быстро изучили
опыт США и сами приступили к созданию роботов. В 1967 г. Япо-
нией был приобретен робот «Версатран», а несколько позже концер-
ном «Кавасаки» — лицензия на изготовление робота «Юнимейт».
К этому времени многие японские фирмы были уже готовы к разра-
ботке собственных моделей роботов. Быстрому созданию собственных
моделей роботов способствовали проведенные в предшествующие
Годы теоретические и практические разработки исследовательских
центров фирм и университетов. Опираясь на достижения техники
в области электроники, гидравлики и пневматики, японские фирмы
«могли за короткий срок создать большое количество разных моде-
23
Рис. 1.3. Промышленный робот ASEA
Рис. 1.4. Промышленный робот «Траль-
фа»
лей ПР. В качестве примера можно привести роботы «Юнимейт»
фирмы «Кавасаки» и фирмы «Син-Мейва» (рис. 1.2).
В настоящее время в Японии насчитывается более 100 фирм,
занимающихся роботами. На выставке японских промышленных
роботов в Москве (1975 г.) сообщалось, что годовой выпуск роботов
в 1973 г. уже достиг 2500 шт. В настоящее время Япония занимает
первое место среди капиталистических стран по выпуску и коли-
честву установленных промышленных роботов на предприятиях.
Однако следует заметить, что по различным соображениям в
это число включены ^различные манипуляторы и автооператоры.
11арк собственно промышленных роботов зна-
чительно меньше и составляет около 35 тыс. шт.
Несколько позже Японии начали разви-
вать роботостроение Англия, ФРГ, Швеция,
Норвегия и Италия. В настоящее время вы-
пуском роботов занимается ряд известных
фирм в этих странах, созданы достаточно со-
вершенные образцы промышленных роботов,
такие как ASEA (рис. 1.3), «Тральфа»
(рис. 1.4), роботы западногерманской фирмы
КУКА, итальянских фирм «Фиат», «Комау»
Рис. 1.5. Количество промышленных роботов в капиталистических стра- '*
нах на коней 1988 г.
84
123000
Рис. 1.6. Общее количество
промышленных роботов в
Японии, США и Европе по
годам (1980—1988 гг.)
106000
Г128000-
120000 -
112000-
тооо-
36000
i 88000-
1 80000-
'В 72000-
Ч
64000-
Э 56000-
§ 48000-
ч
§ 40000-
32000-
24000-
16000-
8000-
0
87000
Япония
Европа
и др. Сейчас в мире (кромеСССР) 117фирм выпускают 458моделей
ПР (данные взяты из каталога «Промышленные роботы», изданного
в ФРГ в 1986 г.).
Ведущими изготовителями промышленных роботов являются
фирмы «Хитачи», «Кавасаки», «Мицубиси», «Фудзицу Фанук» (Япо-
ния); «Цинциннати милакрон», «Юнимейшн» (входящая сейчас в
корпорацию «Вестнигауз»), SMF, «ДеВилбисс», «Отометик», IBM
(США); ASEA (Швеция); «Фольксваген», КУКА (ФРГ); «Рено»
(Франция); «Комау», «Фиат» (Италия); «Тральфа» (Норвегия); SEC
и «Дайнити-Сикеси» (Великобритания).
Количество установленных промышленных роботов в капита-
листических странах, динамику их развития, распределение уста-
новленных промышленных роботов по отраслям промышленности
в ФРГ иллюстрируют рис. 1.5... 1.7 (данные взяты из журнала
«Roboter» № 3 за 1989 г., издающегося в ФРГ). Следует отметить,
что примерно такое распределение по отраслям характерно и для
других стран.
Можно отметить следующие особенности зарубежного опыта:
широкое применение промышленных роботов при контактной точеч-
ной сварке, нанесении покрытий, сборке, контроле и др.; сравни-
тельно ограниченное применение ПР для обслуживания станков
25
(10... 12 %) и прессов (2,6...14 %). В последние годы значительное
внимание уделяется созданию ПР для автоматизации дуговой сварки
плавлением и сборочных операций. Дуговая сварка плавлением
относится к одному из очень сложных технологических процессов, и
поэтому при создании роботов для ее автоматизации возникает ряд
серьезных трудностей.
В целом отмечается тенденция к увеличению выпуска техноло-
гических промышленных роботов по отношению к вспомогатель-
ным — манипуляционным. Объясняется это гораздо большей эконо-
мической эффективностью технологических ПР и тем, что в ряде
случаев они являются единственным средством автоматизации таких
процессов, как сборка, окраска и сварка в различных видах произ-
водства.
На рис. 1.8 показано распределение промышленных роботов
по основным отраслям промышленности в разные годы (1982... 1985)
во Франции. Это распределение весьма характерно и для других
капиталистических стран.
Высокая стоимость промышленных роботов, во многих случаях
связанная с их универсальностью, несколько ограничивает их
применение. Универсальный промышленный робот стоит 40... 100
тыс. дол., причем свыше 60 % составляет стоимость управляющих
устройств и приводов. Многие промышленные фирмы Японии, США,
Швеции проводят работы по снижению стоимости ПР. В Японии
в 1980 г. средняя цена робота была на 76 % ниже, чем в США. На-
₽ис. 1.7. Распределение промышленных роботов по отраслям промышленное^
а ФРГ К
26
Рис, 1.8. Распределение промышленных роботов по различным отраслям промыш-
ленности во Франции
иболее простые модели американских промышленных роботов —
«Мобот», «Ауто-Пейс», имеющие модульную конструкцию и простой
логический блок управления, стоят всего 3,2...3,9 тыс. дол.
Опыт использования роботов во многих странах свидетельствует
об их экономичности, несмотря на высокие начальные капитало-
вложения. Поданным фирм «Юнимейшн» и КУКА, затраты на эксп-
луатацию робота составляют лишь 30...32 % затрат на выполнение
той же работы вручную. В Англии срок окупаемости робота «Юни-
мейт» составляет восемь лет при условии двухсменной работы. Кри-
терием рентабельности ПР в Японии считается его полная аморти-
зация за три года при высвобождении двух рабочих.
При групповом использовании эффективность промышленных
роботов резко возрастает: производительность увеличивается не
менее чем в2...4 раза (в отдельных случаях — вб...8раз), несколь-
ко уменьшаются капиталовложения и эксплуатационные рас-
ходы.
Универсальность и гибкость промышленных роботов, с одной
стороны, позволяют использовать их в самых различных областях,
а с другой — обусловливают наличие весьма серьезных проблем
при их внедрении и эксплуатации. Масштабы применения ПР зави-
сят, прежде всего, от того, насколько полно они соответствуют
требованиям, предъявляемым фирмами-потребителями.
Промышленные роботы позволяют получить значительный эко-
номический эффект только при условии, что возможность и целесо-
образность их внедрения обоснованы, а также при условии прове-
дения целого комплекса различных организационно-технических
27
мероприятий. Сложность проблемы внедрения и эксплуатации робо-
тов вызвала появление во многих странах в 70-е годы большого
количества специализированных фирм, оказывающих услуги по
внедрению ПР.
Официальным началом работ по роботостроению в СССР можно
считать 1972 г., когда был утвержден первый координационный
план Государственного Комитета Совета Министров СССР по науке
и технике. В этом плане были предусмотрены конкретные исполни-
тели и сроки создания опытных образцов промышленных роботов
различного назначения. Однако исследования в области робото-
техники фактически начались значительно раньше. _
В Институте машиноведения АН СССР под научным руководст-
вом Героя Социалистического Труда академика И- И. Артоболев-
ского была создана школа, занимающаяся вопросами в области тео-
рии машин и механизмов, непосредственно имеющая отношение к
робототехнике. Фундаментальные исследования, выполненные на
протяжении ряда лет, создали теоретическую базу для развития
науки о манипуляторах. В течение многих лет академик И- И. Арто-
болевский возглавлял Научный совет АН СССР по проблеме «Робо-
ты и робототехнические системы».
В Московском высшем техническом училище им. Баумана под
руководством известного ученого члена-корреспондента АН СССР
профессора Е. П. Попова в течение многих лет велись фундамен-
тальные исследования в области теории автоматического управле-
ния, послужившие теоретической базой для создания роботов и
манипуляторов, развития робототехники в СССР.
В ОКБ технической кибернетики Ленинградского политехни-
ческого института многие годы проводились исследования по созда-
нию специальных манипуляторов под научным руководством док-
тора технических наук профессора Е. И- Юревича.
Существенный вклад в развитие отечественной робототехники
внесли член-корреспондент АН СССР И. М. Макаров, доктора тех-
нических наук М. Б. Игнатьев, В. И. Костюк, Ф. И. Кулаков,
А. Е. Кобринский, Ю. Г. Козырев, Н. А. Лакота, А. И. Корендясев,
кандидат технических наук Л- С. Ямпольский и многие другие.
Большую роль в создании новых промышленных роботов в СССР
сыграл член-корреспондент АН УССР П. Н. Белянин. В частности,
он автор первых наших монографий по этой проблеме (Промышлен-
ные роботы.— М..’ Машиностроение, 1975; Промышленные роботы
Японии,—М. : НИАТ, 1977; Промышленные роботы США.—М.:
НИАТ, 1978).
Значительный вклад в отечественное роботостроение внесли
лауреат Государственной премии СССР Б. Н. Сурнин, известный
специалист Я- А. Шифрин и др. С их именами связано внедрение в
производство первых промышленных роботов серий «Циклон» и
«Универсал».
Под руководством дважды Героя Социалистического Труда ака-
демика Б. Е. Патона и автора этих строк с 1972 г. в Институте элек-
тросварки им. Е. О. Патона АН УССР велись работы по созданию
28
Рис. 1.9. Промышленный робот «Универсал-5.02»
отечественных промышленных роботов для сварки. В 1^/7 г. была
издана монография «Промышленные роботы для сварки».
Кроме указанных, в ряде организаций Советского Союза прово-
дились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы
по этой проблеме, в которых участвовало много специалистов высо-
кой квалификации.
Теоретический задел в области робототехники, изучение, анализ
и обобщение зарубежного опыта позволили в относительно корот-
кие сроки добиться существенных результатов по созданию отече-
ственных образцов промышленных роботов различного назначения.
С целью координации научно-исследовательских и опытно-кон-
структорских работ по проблеме робототехники в 1972 г. была оп-
ределена головная организация — Особое Конструкторское бюро
при Ленинградском политехническом институте, а ее руководитель
доктор технических наук профессор Е. И- Юревич был назначен
научным руководителем — главным конструктором по этой пробле-
ме. В настоящее время это Центральный научно-исследовательский
и опытно-конструкторский институт робототехники и технической
кибернетики при Ленинградском политехническом институте
(ЦНИИРТК).
С некоторой условностью развитие роботостроения в СССР мож-
но разделить на четыре этапа.
Первый этап. С 1972 по 1975 г. было разработано и создано боль-
шое количество опытных образцов промышленных роботов различ-
ного назначения и грузоподъемности и разной конструкции. К луч-
шим образцам, созданным в эти годы, можно отнести ПР серий
«Универсал» (рис. 1.9, 1.10), ПР-5 (рис. 1.11), «Бриг-10» (рис. 1.12),
ИЭС-690 (рис. 1.13), МП-9С (рис. 1.14) и др.
В 1978 г. вышел в свет каталог «Промышленные роботы» (М.:
Минстанкопром СССР; Минвуз РСФСР; НИИМаш и ОКБ техн,
кибернетики при Ленингр. политехи, ин-те). В этом каталоге пред-
ставлены технические характеристики 52 моделей промышленных
роботов и двух манипуляторов (с ручным управлением). Описаны
подавляющее большинство моделей промышленных роботов, раз-
29
Рио. 1.10. Промышленный робот «Универсал-15»
работка которых была предусмотрена государственным планом,
а также ряд моделей, созданных по отраслевым планам.
Вместе с тем в этот каталог по разным причинам не представилось
возможным включить большое число моделей ПР, разработанных в
инициативном порядке многими организациями.
Второй этап. С 1975 по 1980 г. усилия разработчиков были на-
правлены в основном на организацию серийного производства про-
мышленных роботов и разработку роботов II поколения —адаптив-
ных. Эти задачи были успешно решены, и на многих промышленных
предприятиях нашей страны были установлены и пущены в эксплуа-
тацию отдельные роботы и целые участки.
Результаты работы многих организаций в известной степени
отражены в каталоге «Промышленные роботы и манипуляторы
в ручным управлением» (М. НИИМаш Минстанкопрома, 1982).
> Рис.Л.Н, Промышленный робот ПР-5
И
В этом каталоге приведены дан-
ные о 64 моделях промышлен-
ных роботов и 6 манипуляторах
о ручным управлением различ-
ного технического назначения,
разработанных и подготовленных
к серийному выпуску предприя-
тиями группы отраслей промыш-
ленности стран — членов СЭВ.
Кроме того, содержатся све-
дения об унифицированных систе-
мах управления промышленными
роботами, а также о некоторых
видах комплектующих изделий.
Третий этап. С 1981 по 1985 г.
Рис. 1.12. Промышлен-
ный робот «Бриг-10»
научно-исследовательские и опытно-конструкторские организа-
ции, целый ряд заводов и объединений сосредоточили силы
на дальнейшем совершенствовании ПР. Кроме того, в эти годы
была сформулирована и успешно решалась задача создания ро-
ботизированных технологических комплексов и робототехниче-
«1
ских систем. Это генеральное направление роботостроения в СССР.
В этот период особое внимание было обращено на необходимость
значительного увеличения парка промышленных роботов в СССР
и расширения области их применения. В 1982 г. на многих заво-
дах и предприятиях СССР успешно работали отдельные промыш-
ленные роботы, РТК и участки, роботизированные линии.
В этот же период были созданы промышленные роботы ТУР-10
(рис. 1.15), РМ-01 (рис. 1.16) и многие другие достаточно совершен-
ные модели.
В 1979 г. по решению Президиума СЭВ были начаты работы по
теме «Создание промышленных роботов для сварочного производст-
ва», в рамках которой создавался ПР для дуговой сварки плавле-
нием в среде защитных газов. Ведущей страной по теме был
определен Советский Союз, головной организацией — Институт
электросварки им. Е. О. Патона АН УССР.
Впервые в истории роботостроения были объединены усилия
стран — членов СЭВ для создания нового образца промышленного
робота. Эта работа на первом этапе была закончена в 1983 г.,
создан промышленный робот для дуговой сварки «Интерробот-1»
(рис. 1.17).
Третий этап развития роботостроения в СССР характеризуется
еще и тем, что в 1981 —1982 гг. начало развиваться новое научно-
техническое направление — разработка принципов и структуры
гибкого автоматизированного производства, в котором роботы раз-
личного типа призваны осуществлять вспомогательные и транспорт-
но-складские операции.
Четвертый этап. С 1986 г. по настоящее время интенсивно раз-
виваются теория робототехнических систем и роботостроение. На
многих предприятиях СССР накоплен опыт эксплуатации промыш-
ленных роботов и робототехнических систем. В этот период поя-
вился ряд ГОСТов, начали выпускаться Экспресс-информация «Робо-
тотехника» и реферативный журнал «Роботы и манипуляторы». На-
чала издаваться серия фундаментальных
монографий «Автоматические манипуля-
торы и робототехнические системы» под
общей редакцией члена-корреспондента
АН СССР Е. П. Попова, изданы содер-
жательная и полезная серия из девяти
Рис. 1.17. Промышленный робот «Интерробот-1»
* 0-1922
38
книг (учебных пособий) «Робототехника и гибкие автоматизирован-
ные производства» под редакцией, члена-корреспондента АН СССР
И. М. Макарова, учебник «Основы робототехники» Е. И. Юревича,
учебное пособие «Промышленные роботы» Г. А. Спыну (1-е изда-
ние) и др.
В 1984 г. опубликован каталог «Современные промышленные
роботы» (М.: Машиностроение, 1984). Каталог содержит технические
данные роботов, принятых к серийному производству в СССР (около
80 моделей и свыше 30 их модификаций), и зарубежных роботов
(более 210 моделей и 60 их модификаций). В нем указаны техниче-
ские параметры и характеристики основных комплектующих узлов
(гидро-, пневмо-, электроприводов и аппаратуры) и систем програм-
много управления.
Продолжает развиваться научное направление по созданию гиб-
ких автоматизированных производств и в более конкретном ви-
де — гибких производственных систем. Появились первые предста-
вители таких систем, накапливается опыт, совершенствуется обору-
дование.
По данным Госкомстата СССР, выпуск промышленных роботов
отражают следующие цифры:
г_ • Год Количество
роботов, шт.
1983 10 700 '
-чс • 1984 13 700
: , 1985 г. 15 200 с
;.:’i 1986 15 100 л ..
1987 14 700 :</ ' • Л-'7 - ’ • !
1988 9500 'А- 1 ,
Однако, как уже давно отмечают многие авторы, количество
/промышленных роботов не является единственным и тем более
главным показателем уровня роботизации. Существует еще много
факторов, характеризующих эту проблему.
Создание, появление и применение ПР, безусловно, можно от-
нести к числу крупнейших достижений науки и техники второй
половины XX в. Промышленные роботы позволили расширить
фронт работ по автоматизации технологических, вспомогательных,
транспортных процессов в машиностроении и других отраслях на-
родного хозяйства СССР, открыли широкие перспективы для соз-
дания гибких производственных систем.
Промышленные роботы с начала их появления были в центре
внимания научно-технической общественности, им досталось много
восторженных слов и похвал. Теме промышленных роботов и робо-
тизации производства много внимания уделялось в периодической
печати, в передачах радио и телевидения. В период с 1980 по 1985 г.
при горкомах крупных промышленных городов на общественных
началах создавались научно-методические советы по роботизации
производства, призванные разъяснять важность этого процесса,
помогать внедрению ПР, содействовать созданию их новых об-
разцов.
34 7* а
Казалось, что понимание безусловной перспективности примене-
ния промышленных роботов, внимание к этой проблеме со стороны
министерств и ведомств, партийных организаций должны были
обеспечить триумфальное шествие роботов, решение задач создания
автоматизированного производства, сокращения тяжелого ручного
труда и т. д. Однако пока таких результатов нет, и оптимистиче-
ские прогнозы, высказанные в начале 80-х гг., не оправдались.
Можно сказать, что роботизация производства переживает сей-
час критический момент, который выражается в явном несоответст-
вии между затраченными силами и средствами, с одной стороны, и
реальной их отдачей — с другой.
Анализ и некоторые обобщения позволяют сказать, что сложив-
шееся в 1985—1988 гг. положение объясняется рядом объективных
причин и факторов.
В период становления промышленных роботов (1975—1980 гг.)
они рассматривались не как важное средство повышения эффектив-
ности производства, связанное с ним органически, а как некий
«самостоятельный» заменитель человека на производстве, призван-
ный освободить его от монотонного, тяжелого физического труда.
Такая концепция самостоятельности роботов была ошибочной
и не способствовала успешному внедрению ПР и развитию роботи-
зации производства. В дальнейшем сформулирована, безусловно,
правильная и перспективная точка зрения о роботизированных
технологических комплексах, где промышленным роботам отводи-
лось обязательное и необходимое место. Кроме того, концепция
самостоятельности промышленного робота явилась источником мно-
гих трудностей и неудач сегодняшнего дня.
Сложившееся у многих идеализированное мнение о роботах,
которые якобы способны полностью заменить людей на производ-
стве и позволяют в обозримо короткие сроки осуществить техноло-
гическую революцию и создать безлюдное производство, оказалось
несостоятельным. Более того, такое представление о будущем про-
мышленных роботов и роботизации производства нанесло некото-
рый ущерб делу.
Превратное понимание роботизации, нацеленное не на решение
основных проблем повышения качества изделий и производитель-
ности оборудования, а на замену человека роботом, и предположение,
что все остальное решится само собой, также не столь безобидны,
как это может показаться на первый взгляд.
Генеральное направление комплексной автоматизации произ-
водственных процессов заключается не в замене человека, обслужи-
вающего ранее созданные машины и аппараты, а в создании высоко-
производительных средств производства и высокоинтенсивпых
технологических процессов, которые были бы невозможны при непо-
средственном участии человека и в которых роботы органически
занимали бы «обязательное» место. Правильное понимание техни-
ческой политики в области комплексной автоматизации производ-
ства неизбежно приведет к правильному пониманию роли роботиза-
ции. В частности, попытки установить промышленные роботы на
3*
35
ранее созданное и зачастую морально устаревшее оборудование,
как правило, к успеху не приводят.
В настоящее время опыт применения промышленных роботов
позволяет сформулировать некоторые общие, но достаточно важные
рекомендации и соображения, учет которых поможет существенно
повысить эффективность роботизации.
Задача применения промышленных роботов и роботизированных
технологических комплексов должна решаться на основе тщатель-
яого, глубокого изучения и анализа производства и его отдельных
звеньев квалифицированными коллективами, располагающими не-
обходимой и достаточной информацией. С этой целью можно рекомен-
довать создание на крупных промышленных предприятиях специ-
альных служб, отделов или групп, для которых названная задача
будет основной. Поручение внедрения роботов случайным специа-
листам, не имеющим достаточной подготовки, как правило, приво-
дит к отрицательным результатам. В этом плане значительная роль
отводится специальным отраслевым институтам.
Необходимо четко подразделять промышленные роботы, пред-
аазначенные для автоматизации транспортных и вспомогательных
операций, и так называемые технологические промышленные роботы,
предназначенные для автоматизации основных технологических
процессов (контактной точечной и дуговой сварки, окраски, сборки
и т. д.). Технологические роботы могут повысить качество и произ-
водительность технологического процесса, а роботы первой группы
только освобождают человека от утомительных и монотонных опе-
раций, а на качество изделий, как правило, не влияют.
К решению задачи роботизации производственных процессов
необходим комплексный, или, как сейчас принято говорить, систем-
аый, подход. Все составные части производства должны рассматри-
ваться на новом, более высоком уровне. Это относится к оборудо-
ванию, технологии, складскому хозяйству, планировке, уборке
отходов и т. д. Недостаточно глубокое изучение всего производства
неизбежно приводит к ошибкам и снижению эффективности роботи-
зации. Значимость промышленных роботов и роботизированных
технологических комплексов заключается в том, что они являются
звеном, позволяющим объединить разрозненное технологическое обо-
рудование в гибкие производственные системы, которым принад-
лежит будущее.
Опыт эксплуатации промышленных роботов принес еще один
новый и интересный результат. Технологический процесс и конст-
рукция изделия, разработанные людьми и для людей, не всегда
удобны для роботов. Можно сказать, что роботизация оказывает
влияние на конструкцию изделий и процесс их производства. Яркий
иример можно привести из области автомобилестроения. Так, вне-
сение непринципиальных изменений в конструкцию кузова легко-
вого автомобиля или кабины грузового автомобиля позволяет суще-
ственно упростить сварочные клещи и повысить эффективность
применения роботов. Эти соображения не могут быть однозначными
и рекомендованными во всех случаях, но учитывать их нужно.
36
Одним из неблагоприятных факторов, снижающих экономиче-
скую эффективность применения промышленных роботов, является
низкий коэффициент загрузки оборудования, который в некоторых
случаях меньше единицы, т. е. роботизированное оборудование
загружено не полностью даже при работе в одну смену. Такое
положение нетерпимо и свидетельствует о плохой организации
производства.
Что касается собственно промышленных роботов, серийно вы-
пускаемых в настоящее время, то нельзя не отметить невысокую '
надежность их работы и главным образом устройств управления —
электронной части.
В условиях хозрасчета отрицательно сказывается высокая стои-
мость отдельных образцов ПР, что, естественно, несколько ограни-
чивает возможности их приобретения.
Перечисленные недостатки роботизации промышленных пред- z
приятий имеют временный характер, отнюдь не снижают значения
всей проблемы и могут быть устранены в ближайшем будущем.
В 1986 г. на 41-м внеочередном заседании СЭВ в Москве была
принята Комплексная программа научно-технического прогресса
стран — членов СЭВ до 2000 года (КП НТП), включающая пять
приоритетных направлений: атомная энергетика, комплексная
автоматизация, биотехнология, новые материалы и электроника.
Второе направление предусматривает развитие робототехники
и роботизацию промышленных предприятий. Работу в этом направ-
лении гедут многие научно-исследовательские институты и пред-1
приятия в СССР, Болгарии, Венгерской Республике, ЧСФР,
Румынии. В результате совместных усилий специалистов этих
стран создан свободно программируемый промышленный робот с
сенсорным управлением — более точный, надежный и удобный в
эксплуатации, чем аналогичное оборудование на Западе.
Объединение творческих усилий и научного потенциала стран,
входящих в СЭВ, позволит найти новые конструктивные решения
и значительно повысить научный уровень выполняемых работ в
области робототехники.
Начало этому направлению было положено в 1979 г. постанов-
лением СЭВ о работах по созданию промышленного робота для
дуговой сварки плавлением в рамках международной программы.
Развитием комплексной программы КП НТП в 1986 г. стало
соглашение об учреждении международного научно-производствен-
ного объединения АНТК «Робот».
Можно с уверенностью утверждать: будущее — за промышлен-
ными роботами, роботами с адаптивными устройствами управления
и с искусственным интеллектом. Придет время, когда без промыш-
ленной робототехники трудно будет представить производство и
быт, как сейчас трудно представить жизнь без автомобиля и теле-
визора.
« 1!^,. ..
W
Глава 2 м> v ‘
МАНИПУЛЯТОРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
2.1. Кинематические схемы манипуляторов ; , к ? •>
Манипуляторы промышленных, роботов предназначены для пере-
мещения рабочего органа или предмета, находящегося в нем, из
одного положения в другое в пределах зоны обслуживания по
произвольной или заранее заданной траектории е необходимой
точностью. В ряде случаев закон движения, в том числе ускорение
и скорость на разных участках траектории, диктуется технологи-
ческими условиями и поэтому должен программироваться (харак-
терный пример такой технологии — дуговая сварка).
Кинематика манипуляторов робота — одна из основных его
характеристик. Используя принцип системного подхода, можно
осуществить синтез структуры манипуляторов, определить двига-
тельные, а следовательно, и функциональные возможности зоны
обслуживания, получить такую конструкцию манипулятора,
которая обеспечит оптимальные, по выбранным критериям, условия
взаимодействия систем «робот — инструмент — среда».
В табл. 2.1 сведены данные анализа промышленных роботов с
учетом их кинематики, т. е. совокупность движений робота пред-
ставлена в виде глобальных (межоперационных), региональных
' (внутриоперационных) и локальных (технологических) движений.
Глобальные (межоперационные) движения робота — это движения
от объекта к объекту на подвижном основании. Региональные дви-
жения выполняются рабочими органами стационарного робота в
пределах его зоны обслуживания. К локальным относят перемеще-
ние рабочего органа при ориентирующих движениях или при вы-
полнении технологических операций.
В зависимости от вида используемых в структуре манипулятора
ПР кинематических пар обеспечиваются поступательные, враща-
тельные и комбинированные движения, причем число комбинаций
пар обеспечивает 60 совокупностей индексов подвижности, а следо-
вательно, и 60 типов структур манипуляторов. Вместе с тем число
их кинематических структур намного больше, так как оно опреде-
ляется не только количеством кинематических пар, но и последова-
тельностью их расположения. В этом случае индекс подвижности
имеет направленный граф. Например, запись Вг — Ву — Пх обозна-
чает следующую структуру манипулятора промышленного робота:
вращающуюся стойку Вг, на которой установлен ротационный
привод Ву, где, в свою очередь, крепится привод поступательного
перемещения Пх. Таким образом, использование кинематических
пар в сочетании с теми или иными группами движений дает возмож-
ность создавать манипуляторы ПР с требуемыми зонами обслужи-
вания, работающие в определенной (заданной) системе координат:
прямоугольной Р, сферической (поверхность Ss), цилиндрической
С и сферической (объем Se).
38
Каждой из систем координат, в которых проектируется промыш-
ленный робот, соответствует определенный порядок перевода его
раб( ч 1х органов из одной точки рабочей зоны в другую что
учитывается при программировании движений ПР. В структуре
манипулятора с прямоугольной системой координат при кинема-
тической реализации П( — — Пг траектория РгР2 обеспечивается
за счет совокупности линейных приращений Ах, Ау и Аг по соот-
ветствующим координатам и определяется выражением
~Р^Р2 = /Ах2 +Ау2 + Аг2; ' (2.1)
в сферической (по поверхности) системе координат
PtP2 = R К [cos (ау + Д«у) cos (аг + Да2) — cos ау cos а2]2 +
+ [cos («у + А«у) sin (аг + Ааг) — cosay sin аг]2; (2.2)
в цилиндрической системе координат
Р^Р2 = /2 [А/?2 + (1 - cos Да) (/?AZ? + /?2)[ 1 (2.3)
при аг — 0; Zj = г = 0; Аг = АТ?; Аау = Аа2 = Ла;
в сферической (объемной) системе координат , *
РГР2 = /2 (Т?2 + /?А7?) sin2 Д₽ + АТ?2 „ ’ (2.4)
при Аг = 0; ау = 0; Да2 = Аау = Да.
Выбор системы координат при проектировании промышленных
роботов имеет первостепенное, определяющее значение, так как
наивысшая точность позиционирования при прочих равных условиях
(числе степеней подвижности, зоне обслуживания и др.) обеспечи- .
вается структурой в прямоугольной системе координат и не зависит
от исходного положения и хода рабочих органов ПР.
Каждый вариант кинематической структуры в соответствующей
системе координат иллюстрируется конфигурацией зоны обслужи-
вания. В пределах этой зоны рука робота может вывести рабочий
орган в любую точку. Возникающие там ограничения угловых и
линейных перемещений в парах, вызванные особенностями конст-
руктивного оформления руки, обусловливают запретные области,
в которые рабочий орган не может быть введен. Помимо системы,
координат, характерной для различных роботов, в литературе
принято разделять их по типу компоновки (главным образом мани-
пулятора).
Среди большого многообразия компоновок манипуляторов про-
мышленных роботов можно выделить шесть основных, наиболее:
часто применяемых (рис. 2.1): сферическая (рис. 2.1, а) — одна'
из первых компоновок, при которой устройство управления, как •
правило, объединено с корпусом манипулятора; цилиндрическая,
(рис. 2.1, б)—достаточно распространенная компоновка, часто -
встречающаяся в легких и средних промышленных роботах; рычаж-
ная (антропоморфная) (рис. 2.1, в) — перспективная компоновка,^
удельный вес которой постоянно возрастает; прямоугольная (рис.
2.1, г) — отличается относительно высокой жесткостью и точностью,",
. ffr- WTiII «i-l.ifbiai.iHaii, --ж»,. . ИМ,» и 'imwJi -to-- »-< —чкии- ч nW* - *•«* ^9
Таблица 2./. Кинематика манип}'ляторов промышленных роботов
Комбинированные движения (П,В)
Индекс подвижности (Пх-Пу-Пг) - -(Вл-Ву-Вг) (Пх~Пп, nx~nz > Пу ~П/)-(Вх, Bg,Bz) (Пх~Пу~Пг)~ (Bx,By,Bz) , (Пх,Пу,П2)- ~(Вх -By, Вх -В2, By -Bz) (Пх~Пу,Пх-П2, Пу -Пг)~(Вх~Ву, Bx-Bz, By-Bz) (Пх'Лу -nz)~ (Bx~ Ву-В2)
Номер подвижности 15...23 2У...32 33...35 Зб.М 45..33 60
Z Ч z z
Пример
движения 1 } 1 J \ 1 / > < <I^Z\ J If \ J 1 . Cl
& 1 •^*^1 г
BZinx Bz>Hz>Hk . Ну>Пх>Пу,Пг Bz>By>nx^^. e? <* co* Пх,Пу,Пг, By, Bj
Кинематическая
структура */Х||Н 1 r**’
примера 1
Рис. 2.1. Упрощенные схемы компоновок манипуляторов щ.
применяется для сварочных промышленных роботов; горизонталь-
но-плечевая (Scarа) (рис. 2.1, д') — компоновка, появившаяся не-
давно и отличающаяся повышенной жесткостью в вертикальной
плоскости; портальная (с рычажным манипулятором) (рис. 2.1,
е) — часто встречающаяся компоновка для промышленных робо-
тов, обслуживающих металлорежущие станки. Анализ существую-
щих компоновок с целью выяснения их положительных и отрица-
тельных качеств, определения областей их применения по технологи-
ческим и производственным признакам, прогнозирования их разви-
тия в будущем — интересная и важная задача, но рассмотрение ее
выходит за рамки настоящей книги. Поэтому приведем лишь некото-
рые критерии оценки существующих компоновок манипуляторов ПР.
Зона обслуживания. Легко проследить, что зоны обслуживаш я
э:их манипуляторов различны. Сферическая компоновка обеспечи-
вает зону обслуживания в виде усеченного или полного тора, ци-
линдрическая — дает усеченный или полный цилиндр, антропо-
морфная — объем, ограниченный двумя сферами, имеющими общий
центр, прямоугольная — зону обслуживания в виде параллелепипе-
да, горизонтально-плечевая — усеченный цилиндр и, наконец, пор-
тальная — усеченный цилиндр сложной формы с горизонтально
расположенной осью.
43
Размеры и конфигурация зон обслуживания определяются кине-
матической схемой манипулятора и длиной отдельных его звеньев.
Занимаемая площадь. Сопоставление различных типов манипу-
ляторов позволяет сделать вывод о том, что меньшая производст-
венная плсщадь основания требуется для рычажной, цилиндриче-
ской и портальной компоновок, а значительно большая при всех
прочих равных условиях — для прямоугольной. Этот вывод выте-
кает из особенностей манипуляторов и носит качественную оценку.
Однако можно получить и количественную оценку, если принять
равными объемы зон обслуживания и задаться некоторыми конст-
руктивными величинами. Производственная площадь цеха, зани-
маемая манипулятором, а точнее промышленным роботом,— очень
важный, а иногда и решающий фактор.
Возможность агрегатирования. Следует отметить, что создание
промышленных роботов агрегатной конструкции, в частности их
манипуляторов, значительно упрощается при использовании прямо-
угольной и портальной компоновок и несколько усложняется при
использовании остальных.
Особенности программирования. Если контролируются и прог-
раммируются только опорные или конечные точки траектории
перемещения рабочего органа (а это подавляющее количество слу-
чаев применения промышленных роботов), то тип компоновки ма-
нипулятора не сказывается на программном обеспечении. В том слу-
чае, когда предъявляются особые требования к точности перемеще-
ния рабочего органа вдоль всей траектории или ее отдельных участ-
ков, предпочтение следует отдавать прямоугольной компоновке.
Для такой компоновки манипулятора программирование осуще-
ствить несколько проще.
Конструктивные и технологические соображения. При решении
конкретных производственных задач может появиться ряд факторов,
Рис. 2.2. Упрощенная кинематическая
схема манипулятора сферической ком-
поновки
которые заметно повлияют на
выбор типа манипулятора, а сле-
довательно, и зоны обслужива-
ния. К числу таких факторов от-
носятся требуемая жесткость
манипулятора, точность позици-
онирования, доступность к от-
дельным точкам объекта, необхо-
димость установки манипулятора
в различных пространственных
положениях и т. д. В каждом
отдельном случае к выбору ти-
па манипулятора нужно подхо-
дить достаточно внимательно и
ответственно.
Кинематические схемы мани-
пуляторов содержат много ин-
формации и представляют боль-
шой интерес, хотя и не дают
44
Рис. 2.3. Кинематическая схема руки робота сферической
1 f компоновки: ‘
• - л .?.' а — со связанными координатами; б — с развязанными коорди-
ч , - ; натамн
ответов на все вопросы, которые могут возникнуть у читателя. Наи-
более полно кинематику манипуляторов, как и других механиз-
мов, характеризует, конечно, комплект технической документации.
Для примера приведем ряд кинематических схем. На рис. 2.2 по-
казана упрощенная кинематическая схема манипулятора сфери-
ческой компоновки промышлен-
ного робота И7С-690. Привод
осуществляется с помощью элект-
рических шаговых двигателей и
гидроусилителей моментов.
Двигатель Ml обеспечивает
поворот манипулятора вокруг
вертикальной оси. Двигатель М2
через редуктор передает враще-
ние промежуточному сектору,
который, в свою очередь, соеди-
нен специальной тягой с меха-
низмом поворота руки вокруг
горизонтальной оси. Двигатель
М3 с помощью реечной передачи
Рис. 2.4. Кинематическая схема мани-
пулятора прямоугольной колонной
компоновки
45.
Рис. 2.5. Кинема-
тическая схема ма-
нипулятора цилин-
дрической компо-
новки
перемещает внутренний меха-
низм руки по радиусу. Поворот
кисти вокруг горизонтальной оси
реализуется двигателем М4 через
коническую пару, шлицевой вал и
редуктор. Поворот рабочего орга-
на вокруг своей оси происходит с
помощью двигателя М5, редуктора
привода через шлицевой вал и ко-
ническую пару, соединенную втул-
кой с другой конической шестерней
и осью рабочего органа. Такой ме-
ханизм позволяет передавать вра-
щение на рабочий орган при лю-
бом его положении в пространстве.
Детальнее устройство привода
кисти показано на рис. 2.3. Нали-
чие дифференциала обеспечивает
вращение кисти вокруг горизон-
тальной оси без поворота рабочего
органа вокруг своей собственной
оси. Такая конструкция упрощает
программирование робота.
На рис. 2.4 изображена упро-
щенная кинематическая схема ма-
нипулятора ПР прямоугольной
компоновки. Эта компоновка бы-
вает колонной и портальной. Ма-
рис. 2.6. Кинематическая схема манипу-
лятора промышленного робота РМ-01
(1...6 — оси управляемых координат)
46
нипуляторы портальной компоновки занимают значительно мень-
шую производственную площадь. Опыт отечественного и зарубеж-
ного роботостроения свидетельствует о том, что манипуляторы
прямоугольной компоновки менее склонны к вибрациям, обеспечи-
вают высокую точность позиционирования и относительно легко
создаются по модульному принципу. В качестве примеров можно
назвать промышленные роботы фирм КУКА и «Син-Мейва».
Кинематическая схема манипулятора цилиндрической компонов-
ки представлена на рис. 2.5. Такая компоновка достаточно широко
применяется для промышленных роботов малой грузоподъемности с
цикловым управлением и пневмоприводом («Бриг-10», ЛШ9-С и др.).
В последние годы получила широкое распространение рычажная
антропоморфная компоновка промышленных роботов, например
РМ-01 (рис. 2.6), ASEA, КУКА и др.
Поскольку кинематические схемы всех существующих компоно-
вок рычажного типа привести невозможно,
схемы манипуляторов робота ТУР-10:
с цепной передачей (рис. 2.7) и пере-
дачей с помощью конических шесте-
рен (рис. 2.8). На схеме рис. 2.8 по-
казан шести координатный манипуля-
тор, в котором передача движения от
привода, расположенного в основа-
нии манипулятора, остальным звень-
по
от
то даем две типовые
ям манипулятора происходит
каждой координате независимо
пространственного положения.
Рис. 2.7. Кинематическая схема ма-
нипулятора рычажной компоновки с
цепной передачей
«4 11
Рис. 2.8. Кинематическая схема ма-
нипулятора рычажной компонозки
с коническими шестернями
47
Рис. 2.9. Типовые кинематические схемы двухрычажного манипуля-
тора:
а — е приводами, вынесенными на одну сторону; б — с приводами, располо-
женными по разные стороны первого рычага; в — е приводами, расположен-
ными вдоль первого рычага; г — с приводом второго рычага «по треуголь-
нику»
На рис. 2.9 изображены типовые кинематические схемы двух-
рычажного манипулятора, причем в качестве привода может исполь-
зоваться электрический двигатель со встроенным редуктором или
гидропривод, а на рис. 2.10 — схемы привода вращения кисти
вокруг горизонтальной оси.
2.2. Кинематический анализ •
Кинематический анализ манипуляторов — начальный этап про-
ектирования робототехнических систем, позволяющий затем перейти
к исследованию динамики и синтезу управления движением манипу-
ляторов. С этой целью механика целенаправленного движения
предполагает решение прямой и обратной задач кинематики.
4в (
6 г
Ри«, 2.10, Типовые кинематические схемы привода вращения кисти
манипулятора:
а — е червячной передачей: о — с коинчеекимн шестернями; в — со епецналь-
нымн тягами; г — е цепной передачей
Прямая задача кинематики заключается в определении положе-
ния и ориентации схвата в выбранной системе координат по задан-
ным значениям обобщенных координат манипулятора, однозначно
определяющим его положение как механической системы. Решение
прямой задачи всегда однозначно и может быть получено для лю-
бого числа звеньев, составляющих манипулятор.
Обратная задача кинематики состоит в определении значений
обобщенных координат по заданному состоянию схвата. В общем
случае эта задача не является однозначной. Так, для плоского двух-
ввенного механизма можно определить две конфигурации манипу.
лятора, реализующие заданное положение характерной точки схва.
та, в то время как для многозвенного манипулятора, имеющего,
4 0-1922
49
например, число степеней подвижности больше шести, получим мно-
жество решений, которые соответствуют выбранным значениям
избыточных обобщенных координат,
В настоящем подразделе изложены методы решения прямой и
обратной задач кинематики манипуляторов. Основные аспекты ки-
нематики многозвенных механизмов рассмотрены с единых и общих
позиций однородных преобразований, принятых в задачах робото-
техники. Это позволит будущему инженеру-разработчику получить
практические навыки в формировании требуемых алгоритмов реше-
ния прямой и обратной задач для произвольной кинематической
схемы манипуляторов.
2.2.1. Основные преобразования
Многозвенный механизм манипуляторов рассматривается как
система абсолютно твердых тел, образующих разомкнутую кинема-
тическую цепь *. Каждое такое тело, представляемое отдельным зве-
ном, может в действительности состоять из совокупности многих
деталей, соединенных кинематическими парами без зазоров. Общим
признаком их принадлежности к одному звену является относитель-
ная неподвижность деталей в процессе выполнения движения.
Звенья манипулятора образуют кинематические пары — со-
единения двух соприкасающихся звеньев, допускающие их относи-
тельное перемещение. Класс кинематической пары определяется
количеством связей, наложенных на относительное движение звень-
ев и характеризуемых числом s. Например, если s = 6, то звенья
взаимно неподвижны, если s = 0, то звенья взаимно свободны.
Таким образом, число степеней подвижности звена k в общем виде
определяется выражением
k = 6 — з.
Ограничимся рассмотрением кинематических пар V класса, по-
скольку кинематические пары более низких классов всегда можно
представить последовательным соединением звеньев, имеющих пары
V класса. В этом случае относительные перемещения звеньев мани-
пулятора, независимо от конструктивного исполнения, определя-
ются в механике либо как относительное вращение, либо как
относительное поступательное перемещение. Соответственно, кине-
матические пары V класса называют вращательными или поступа-
тельными. Кинематические пары более низких классов будем пред-
ставлять соответствующими им совокупностями вращательных и
поступательных пар V класса.
Движения в кинематических парах V класса вызывают соответст-
вующие изменения положения и ориентации последующих звеньев
* Подробнее вопрос о разомкнутых и замкнутых кинематических цепях ма-
нипуляторов рассмотрен в п. 2.3.
60
манипулятора. Указанные изменения состояния звеньев можно
описать с помощью преобразований переноса и поворота, которые
характеризуют изменения положения и ориентации систем коорди-
нат, жестко связанных со звеньями.
С этой целью введем сначала правила преобразования векторов
в однородных координатах. Представление вектора в однородных
координатах рассматривается в виде добавления такой дополнитель-
ной координаты (масштабного коэффициента) к вектору-столбцу,
которая умножает на постоянную величину (масштабный коэффи-
циент) каждую компоненту этого вектора. Например, если пр»
обычной форме записи вектор определяется выражением
F — at + bj -ф ck, (2.5)
где I, j, k — единичные векторы координатных осей х, у, г соответ-
ственно, то в однородных координатах указанный вектор имеет
вид матрицы-столбца:
(2.6)
_m J
где х = ат; у = Ьт; г = ст.
Таким образом, вектор 3/ -ф 4/ -ф 5k может быть представлен в
виде (3, 4, 5, 1Г, или [30, 40, 50, ЮГ, или [—6, —8, —10, — 2]т.
Здесь и далее индекс «т» означает математическую операцию тран-
спонирования матрицы.
Следовательно, нулевой вектор (вектор начала координат) запи-
сывается так: 10, 0, 0, т]т, а вектор вида 10, 0, 0, 0]т не определен.
Поскольку вектор 1а, Ь, с, 0Г представляег бесконечно удаленную
точку, то его удобно использовать для задания направлений в
проективном пространстве. Например, направления осей х, у и г в
прямоугольной системе координат определяются следующим обра-
зом:
[1, 0, 0, 0]т; [0, 1, 0, 0]т; [0, 0, 1, 0]т,
т. е. указанные векторы характеризуют положение бесконечно
удаленных точек на осях х, у и г соответственно.
Матричное однородное преобразование, соответствующее пере-
носу в проективном пространстве точки по направлению вектора F =
= ai -ф bj -ф ck, имеет вид
1 0 0 а
| tr (а, Ь, с) = 0 1 0 ь
0 0 1 с
_0 0 0 1
(2-7)
4»
51
Пусть дан вектор и — [х, у, г, <о1т. Тогда в результате преобра-
зования переноса (2.7) этого вектора получим вектор о:
(х/ш) I + (у/а) j 4- (z/(o) k и ai + bj + ck.
Отметим, что каждый элемент матрицы преобразования может
быть умножен на постоянную, отличную от нуля величину; преоб-
разование переноса при этом не изменится. Например, вектор
2i -f- 3/' + 4£, перемещенный по направлению 21 — 5/ + 8k, примет
зид
(2.9)
Если элементы матрицы этого преобразования умножить на 2, а
элементы матрицы-столбца (вектора) на 5, то в результате по-
лучим
"2 0 0
0 2 0
0 0 2
0 0 0
— 10
16
2
10"
- 15
— 20
— 5
~ — 40"
+ 20
— 120
— 10
(2.10)
4
Сопоставляя выражения (2.9) и (2.10), замечаем, что их правые
части определяют один и тот же вектор-столбец с масштабным ко-
эффициентом — 10.
Преобразование, соответствующее вращению тела вокруг взаим-
но перпендикулярных осей х, у, г на произвольный угол 0, опреде-
ляется матрицами вида
! ’ ' 7
"1 0 0 0'
Rot (х, 0) = 0 cos 0 — sin 0 0 (2.H)
0 sin 0 cos 0 0
_0 0 0 1_
И
COS0 0 sin0 0
Rot (у, 0) = 0 10 0 ; .. ' (2.12)
— sin 0 0 cos 0 0
0 0 0 1 _
"cos0 —sin 0 0 0~
Rot (г, 0) = sin 0 cos 0 0 0 (2.13)
0 0 10
0 0 0 1.
Рассмотрим указанные преобразования на конкретных примерах.
Пример. Пусть имеется вектор и = 71 + 3/ + 2k. Необходимо определить
его вид после преобразования — поворота вокруг оси г на 90°. Тогда из (2.13)
получим
Если полученный вектор v — — 3i + 7/ + 2k преобразовать в новый вектор
W, получаемый поворотом v на 90 вокруг оси у, то в соответствии с (2.12) преобра-
зование вращения определится следующим образом:
Совместив указанные преобразования поворота, запишем
откуда
w — Rot (у, 90°) Rot (г, 90°) и,
-0 0 10'
1 0 0 0 щ
0 10 0
-0 0 0 1-
(2.14)
Отметим, что поскольку математическая операция произведения матриц не
является коммутативной (АВ В А), то в результате изменения порядка враще-
ния Rot (г, 90°) X Rot (у, 90“) получим новый вектор ш', отличный от (2.14).
В этом результате легко убедиться самостоятельно после перемножения н обрат-
ном порядке матриц (2.12) и (2.13).
Если теперь скомбинировать преобразования вращения и линейного переме-
щения, то матрицу преобразования переноса — вращения можно записать в виде
тх пх рх
Ai = tr (а, b, с) Rot (х, 0) Rot (у, 0) Rot (г, 0) =
тг
- 0
пг
0
Рч
Рг
0
а
Ь
с
1-
(2.15)
53
Например,
tr (4, —3,7) Rot (у, 90°) Rot (z, 90°) =
Lo
0 1 4"
0 0—3
1 0 7
0 0 1-
(2.16)
и вектор и = 7i -f- 3/ -f- 2й после преобразования
(2.16) запишется в вяде
Таким образом, на примере (2.15)...(2.17) наглядно показано, что элементы
матрицы А однородного преобразования являются компонентами четырехмерных
ортогональных векторов, определяющих новые системы координат, расположен-
ные в проективном пространстве.
Использование однородных преобразований в кинематике ма-
нипуляторов. Рассмотренные однородные преобразования удобно
использовать для установления кинематических соотношений
исполнительных систем роботов-манипуляторов, описания положе-
ния отдельных звеньев как в абсолютной системе координат, так
и в относительных, неизменно связанных со звеньями.
Пусть матрица А(, имеющая вид (2.15), представляет собой од-
нородное преобразование, которое описывает относительный пере-
нос и поворот связанных.систем координат между соседними звенья-
ми, т. е. Л1 описывает положение и ориентацию первого звена
относительно абсолютной системы координат, Л2 — положение и
ориентацию второго звена относительно первого. Таким образом,
положение и ориентация второго звена относительно абсолютной
(базовой) системы координат описываются с помощью матрицы
Т2, равной произведению матриц:
Т = Аг Л2.
Аналогично для манипулятора из шести звеньев получим
Тй = А^АзА^А,..
Манипулятор, состоящий из шести звеньев, каждое из которых имеет
по одной степени свободы, обладает шестью степенями подвижности.
Три степени подвижности определяют положение характерной точ-
ки схвата в рабочем пространстве, а три другие обеспечивают за-
данную ориентацию схвата.
Таким образом, матрица Тв описывает положение и ориентацию
схвата, т. е. его состояние, в произвольный момент времени. Причем
система координат Овхвувгв связана со схватом манипулятора таким
образом, что ось гв определяет направление, в котором схват при-
ближается к объекту манипулирования, ось Уз, проходящая перпен-
дикулярно к губкам схвата,— направление оси захвата, а ось хв
дополняет оси гв, у$ до правой системы координат.
Для описания n-звенного манипулятора, имеющего вращатель-
ные кинематические пары V класса, введем такие системы коорди-
нат: О()х0уйгй — базовая система координат, связанная со стойкой
64
манипулятора, принимаемая в качест-
ве абсолютной; — подвижные
системы координат, неизменно свя-
занные с t-м звеном следующим обра-
зом (рис. 2.11).
Ось zt совпадает с осью кинема-
тической пары, имеющей тот же но-
мер v, ось xz определяется как пер-
пендикуляр к плоскости, образуемой
осями Zt-\ и гр и направлена в ту сто-
рону, откуда мысленный поворот оси
?(_1 к г, через меньший угол виден
против часовой стрелки; ось у( выби-
рается таким образом, чтобы система
координат была правой. На-
чало 0с полученной ортогональной
Рис. 2.11. Упрощенная кинема-
тическая схема п-звенного ма-
нипулятора
системы координат совмещено с центром i-й кинематической пары.
В качестве обобщенных координат, однозначно определяющих
положение п звеньев в произвольный момент времени, примем
углы 0г поворотов i-ro звена относительно (i — 1)-го, причем век-
тор обобщенной скорости 0( направлен вдоль оси 2/_j. Тогда вектор
обобщенных координат, описывающий состояние п-звенного мани-
пулятора, записывается в виде
6 = [0!, 62, .... 6„]т. (2.18)
Если известны начальное положение п-звенного механизма и
приращения обобщенных координат Д0<, то для нахождения ново-
го положения манипулятора необходимо последовательно, начиная
с п-го звена, выполнить повороты звеньев вокруг осей г<_1 на вели-
чину Д0,. Чтобы формализовать описание этого перемещения мани-
пулятора, установим аналитическую связь между введенными ранее
системами координат, удовлетворяющую определенным правилам.
Система координат Oxt—iyi—iZt—i может быть совмещена с
системой координат О^у^, если осуществить:
1) поворот на угол 0 вокруг оси Zi—i до тех пор, пока оси
Х;-1 и xt не станут параллельными;
2) перенос на величину dt вдоль оси г,_| до тех пор, пока оси
Xf—i и не совместятся;
3) перенос на длину звена at вдоль оси zt до совпадения начала
координат 0;_| с Оу,
4) поворот на угол at вокруг оси х( до совмещения координат-
ных осей 2,-1 с г(- и с у(.
Таким образом, правила 1...4 полностью обусловливают переход
от произвольной (i — 1)-й системы координат к i-й, определяемой
в пространстве однородных координат: угловой координаты 0г,
линейной координаты переноса расстояния переноса at и углг
закручивания at. Результирующее преобразование i-й системы
координат в (i — 1)-ю можно представить в виде произведения
55
четырех матриц однородных преобразований:
А( = Rot (г,, 0J tr (0, 0, di) tr (alt 0, 0) Rot(x, сс() =
~cos0£ —sin 0zcos at sinO/Sina, a(cos0/
_ sin 0г cos0(cosa( —cos 0f sin a, a(sin0;
0 sina( cosa( dx
0 0 0 1
Из четырех однородных координат 0(, d(, а{, параметрические
а{ и а, всегда постоянны, а их значения определяются конструктив-
ными особенностями манипуляторов. Совокупность перемещений
0, и dt однозначно определяет пространственную конфигурацию
механизма. Поэтому величины 0( и dt являются обобщенными коор-
динатами манипулятора.
После того, как для произвольной кинематической схемы мно-
гозвенного механизма введены связанные с каждым звеном системы
координат манипулятора, можно составить таблицу значений одно-
родных координат 0(, dt, at, at, описывающих движение многозвен-
ника. Поскольку конструкции манипуляторов однозначно опреде-
ляют параметры dt, at, at для кинематических вращательных пар
и параметры 0Р ич для кинематических поступательных пар, то в
общем случае матрица At (2.19) и является функцией одной из пе-
ременных: 0( или di в зависимости от типа кинематической пары.
Матрица Тп любого п-звенного манипулятора определяется в
результате перемножения Л-матриц: Тп = Л1Л2..Л„. По своей
структуре эта матрица размером 4x4 является блочной матрицей
вида
(2.20)
где
'Ci — Si cos a.i s( sin a(
т, = Si C{ cos a( — Ci sin CLi
О sina. cos
— матрица, определяющая ориентацию t-й системы координат в
осях абсолютной системы координат;
= [ciiCi, UiSi, di]T
— вектор-столбец, определяющий положение начала О{ i-ft системы
координат в абсолютном пространстве; с{ — cos 0(, = sin 0f;
0 — нулевая матрица 1 х 3; 1 — единичная матрица 1x1. Отме-
тим, что матрица описывает преобразование поворота, а матрица
It — преобразование переноса.
Матрица Ъ—,, являющаяся обратной по отношению к матрице
Т/, описывает обратное преобразование (t — 1)-й системы координат
в t-ю. Поскольку обе матрицы описывают преобразование одной
ортогональной системы в другую, то выполняется условие
Следовательно,
Ci S; О
— «с cos а,- с, cos a, sin at
s;sina( —ct sin a.i coscq
2.2.2. Описание типовых кинематических
схем манипуляторов
Унификация кинематических структур промышленных манипу-
ляторов позволяет создать широкую гамму робототехнических
средств, в основу конструкции которых могут быть заложены типо-
вые инженерные решения для разработки электромеханических
модулей, исполнительных приводов и отдельных звеньев. Рассмот-
Таблица 2.2. Параметры универсальных кинематических схем манипуляторов
Номер матрицы А, Обобщен- ная коор- дината (7, Угловая координа- та 0 Линейная координата d{, м Расстояние переноса <2., м У гол за- кручива- ния ° Новая система координат
1 01 0, Сферическая d1 0 90 Xii/jZx
2 0а 02 + 90 0 0 90 ;
3 0 d2 0 0 -^2.^2^2
4 d3 : 0 d3 0 0 хзУз2з
б 04 04 d. 0 0 • ЧУлЧ
1 0 Прямоугольная d, 0 0 Х1УЛ
2 0 d2 аг 90 х^1г1
3 — 90 0 0 90 хгУ^
4 d3 90 dg а3 90 . Х2У^2
5 —» 90 6 0 90
6 0 d4 0 0 xiUizi
7 05 05 ^5 0 0 хъУьЧ-
1 0! 91 А нтропоморфная 0 90 Х1УЛ
2 0а 02 0 аг 0
3 03 0з 0 аз -90
4 04 64 + 90 0 0 90
5 05 05 Ц. 0 0 хьУА
1 91 91 Цилиндрическая 0 0 Х1УЛ
2 0 d2 а3 90 хуУ]г\
3 90 0 0 90 Х2У?-^
4 ^3 0 dg 0 0 хзУзгз
5 04 04 d4 . 0 0 х«У^г
57
манипулятора сферической компоновки
Переходы между связанными с
рим универсальные кинемати-
ческие схемы манипуляторов
и их параметры (табл. 2.2),
лежащие в основе описания
кинематики любого манипу-
лятора с помощью матриц од-
нородных преобразований.
Сферическая структурная
схема манипулятора. Типо-
вая кинематическая схема ма-
нипулятора, имеющего сфери-
ческое построение, изобра-
жена на рис. 2.12, а его пара-
метры (однородные координа-
ты) представлены в табл. 2.2.
звеньями системами координат
{от предыдущего звена к последующему) описываются следующими
матрицами, получаемыми из выражения (2.19):
4 = ~сг 0 s4 0 Si 0 — 0 0 1 0 dr _0 0 0 1 _ ; д2 = — s2 0 с2 0 с2 0 s2 0 0 10 0 ООО 1-
_1 0 0 0
Ai л = 0 1 0 0
л 3,4 — 0 0 1 d2 + d3
0 0 0 1
4 = с4 — s4 0 0 s4 с4 0 0 0 0 1 d4 _0 0 0 1
Прямоугольная структурная схема манипулятора. Кинематика
конструкции такого манипулятора приведена на рис. 2.13, а его па-
раметры — в табл. 2.2.
А-матрицы перехода от тредыдущего звена к последующему
(в порядке воз застания нумерации звеньев) имеют вид
'1 0 С 0 " Г1 0 0 а2
4 = 0 1 С 0 ; А = ° ° -1 0 5' '
0 0 1 0 1 0 d2
_0 0 С 1 _ |_о 0 0 1 _
'0 0 1 0 1 г° ° 1 0 ~ -
А3 = 1 0 0 0 ; Л= 1 ° 0 а3 .
0 1 0 0 0 1 0 ds
_о о 0 1 [_о 0 0 1 _
~1 0 0 0 с5 s5 0 0
в= п 1 0 0 ; А, = 5б сБ 0 0
0 0 1 dt 0 0 1 d5
_1 0 0 1J Lo 0 0 1
&
Рис. 2.13. Типовая кинематическая схема манипулятора прямоугольной
компоновки
Рычажная (антропоморфная) структурная схема манипуля-
тора. На рис. 2.14 изображена кинематическая схема антропо-
морфного манипулятора, а в табл. 2.2 указаны ее однородные ко-
59
Цилиндрическая структурная схема манипулятора. Типовая
структурная схема манипулятора цилиндрической компоновки при-
ведена на рис. 2.15, а параметры, описывающие кинематическую
схему, указаны в табл. 2.2.
После подстановки табличных значений в (2.19) получим следу-
ющие А-матрицы:
с4 — s4 О О
А = st с4 О О
5 0 0 1 d4
_0 0 0 1 _
f? г
2.2.3. Планирование движений манипулятора
Рассмотрим метод приращений, позволяющий планировать тра-
ектории движения схвата манипулятора в реальном масштабе време-
ни. Этот метод применим к исследованию движения «от точки к
точке» схвата шестизвенного манипулятора типа УЭМ (рис. 2.16).
Схема управления движением манипулятора на тактическом
уровне в соответствии с методом приращений выглядит следующим
образом.
60
Введем вектор обоб-
щенных координат ма-
нипулятора
е = [бр еа.....ей]т,
а также вектор, опреде-
ляющий состояние схва-
та,
5 = [х, у, г, а, ₽, у]',
где х, у, г — координа-
ты рабочей точки схва-
та; а, 3, У — углы ори-
ентации схвата.
В соответствии с ки-
нематической схемой ма-
нипулятора имеем пре-
образование
§ = НО).
Продифференцировав это
(2.21)
выражение, получим решение для прямой скоростной задачи:
S = /(9)9,
а для обратной задачи —
9 = Г1 (9) S,
манипулятора
Рис. 2.16. Упрощенная ки-
нематическая схема шести-
звенпого
УЭМ-2
х5
(2.22)
где / (9) — /а — якобиан
механической системы
многозвенного манипу-
лятора.
Отметим, что 1~1 (9)
существует только в слу-
чае невырожденности
якобиана. Тогда для
приращений обобщенных координат на
основании (2.22) получаем
dO = Гх (9) dS. (2.23)
Если целевое состояние схвата в задан-
ной точке известно и определяется функ-
цией Sr (0, а исходное состояние опреде-
ляется из решения прямой задачи, то в со-
ответствии с (2.23)
9 (0 = J /“‘ (9) ISZ (/) - / (9)] dt. (2.24)
$9
61
Таблица 2.3. Параметры манипулятора УЭМ-2
Номер матри- цы А{ Обобщен- ная коор- дината Угловая координата Линейная ко- ордината мм Расстояние переноса мм Угол запру* чивання а^а
1 61 0! 275 0 —90
2 02 0,+ 90 0 360 0
3 Оз 03 + 90 0 0 90
4 01 61 360 0 —90
5 о5 05 0 0 90
6 0, О. 250 0 0
Последнее уравнение лежит в основе алгоритма управления дви-
жением манипулятора.
Решение прямой задачи кинематики. Параметры, описыва-
ющие кинематическую схему исследуемого манипулятора УЭМ-2
(см. рис. 2.16), приведены в табл. 2.3.
Положение схвата в абсолютной системе координат определя-
ется как
Хвх У&Х 2бх ГЗх
Т'в — <41^2 ^3^4 ^5 ^5 — Убу 2б» ГЗу , (2.25)
Х§2 Убг 2бг Г 62
_0 0 0 1
где первые три столбца — проекции единичных векторов xe, z/e, ze
на оси инерциальной системы координат, а в последнем столбце
представлены абсолютные координаты характерной точки схвата.
Для рассматриваемого типа манипулятора элементы Т-матриц
после перемножения Л-матриц, вычисленных по формуле (2.19),
записываются следующим образом:
Х1л = Cj у1х =0 21х = — Sj Г01^ = 0
“Л. = $i> У tv = 0, Z\y — Ci, roiy = 0;
Xu=0 у\г = 1 Zj2=O r0)2=d1
X%x — ^1x^2
X2y ==
%2z = — S2
Г3:
У lx — — XlxS2
Учу — — XlyS2,
У'Чг — C2
Zlx — 2tx T02x = в3Х2х
Z4y — Ziy, г$чу = а2Хчу’,
Z>z = 21г Г02г = Й2.Г.>г -f- foil
ХЗх — Хчхб'з -|- УЧх$3 ' УЗх — 22х
ХЗу = ХчуС^ УЧу83, у3у = Z?y,
X3z ==: ХчгС3 -|" У?г33 у3г — 22г
2-Зх — Х"х$3 УчхС3
23у — XzyS3 Учуб3,
23z ~ XizS3 УЗгС3
Г ОЗх = Г02>
ГОЗу — f 04 у',
Гозг = Г02г
(2.26)
62
т е
Х4х — Х3х^4 4~ 21*$4
X4tf = ХзуС^ 4~ 2] ySt,
Х4г = ХзгС±
У4х — 2зх
У4у — %3у,
У 4г — %3z
%4х = — X3xS^
24// = X3yS^
24г = — X3zS4
X04х — 2зх^г -Т ГОЗх
f 34у — Z3yd.i 4~ f 031/J
Г04z = 23/^4 4 <03/
~h Сд?!*
+ ^lyt-
Л»
Хбх =
Х^и = Х’уСь ^Зу^5>
Х5г “ ^зг$5
Тв’.
Хбх = X5xCg -|- Z4xSg
Хбу — Х5уСв Z4ySe,
Хбх = Хбг^д 242Se
Убх — “i\x
У$у = 241/,
y$z = Z4z
Z5x — -^4xS5 -f* Z3xCj
251/ = %4(/S5 4~ 2з^С5,
Z^z = XfaSb 4" 2згС3
<05* = <04*
< 05г/ = <04j/r
<05г = <04г
2бх — 2бл
26// = 25^/,
2 62 == 26z
У§х SeX5x *Т 24хС8
УЗу XtySft 4" Z4yCgf
УЗг = X5zS/j -j- Z4zCg
r06x = Zs.vdfl + <04х • '
<06i/ — 25.1/С?в 4~ г04у-
r 06z = Zfcdg + Г 04z
Решение обратной задачи кинематики. Скорость изменения
вектора состояния схвата S можно представить в виде .. . -
v
s =
Q
—> 6 —»
где v = £ сог х га-пб — вектор линейной скорости схвата; Q ==
f=i
б _» . —*
= V — вектор угловой скорости схвата; оу = 0/2/-_( — вектор
угловой скорости вращения i-го звена вокруг единичного вектора
Z/_t; /"(г-це — радиус-вектор характерной точки схвата в i-й си-
стеме координат.
Тогда уравнение (2.21) запише.м в матричной форме:
z0 X roe
Zi X Z'm 2g X Ггв X Гзв 2S X Г4| z5 X Г58
X
Zo
Zi
г2
Z3
z4
Z5
X [0г, ..., 06]г = [щ Я]т.
выражение можно переписать в приращениях для
Последнее
углов относительного положения звеньев 0( и изменения состояния
ба
«хвата:
AS = /А0.
Тогда получим
Zf-l X Г(/-1)Ь
Zl-1
-
A0t
_ Лбе
AR
АФ
где
AR = vdi = IARX, ARy, ARJT;
АФ = QAZ = (Аа, Afi, Ayl1;
Zi— = lz(1_|)x, Z(i—i)y, Z(i—t)z] >
Zi—t x Г(1—цб = {Z(i_1)i/r(!_i)6Z — Z(i_i)2r((-_i)6i/;
Z(f—l)z/'j—t)6x— Z(Z—1)хГ(1—i)6x! Z(Z—1)*Г(i—l)by Z(i —!)!//((—l)6z] •
Таким образом, система шести линейных уравнений (2.27) при
известных изменениях состояния схвата (ARX, ARy, ARZ, Aa, Ар,
Ay) позволяет определить искомые угловые приращения А0( от-
носительного поворота звеньев манипулятора.
Пример, Рассчитать приращения углов звеньев манипулятора типа УЭМ,
необходимые для перемещения схвата по оси Ог на 50 мм без изменения его ориен-
тации. Начальное положение (конфигурация) манипулятора задано следующими
значениями углов: 0. — 90°; 0, = —75,86°; = —34,3°; 04 = 0; 0Й = 20,17°;
«в = 180°.
Исходные кинематические параметры приведены в табл. 2.3.
Анализируя последнее выражение (.2.25) для матрицы Тв, описывающее со-
стояние схвата манипулятора, можно сделать вывод, чго в начальном положении
характерная точка схвата лежит в плоскости уОг, и схват ориентирован в прост-
ранстве таким образом, чго оси г6 и у0 совпадают, оси ув и х0, хв и г0 направлены в
противоположные стороны.
Исходя из информации, заключенной в Т-матрицах, вычислим элементы мат-
рицы Якоби / 6 X 6 по выражениям (2.26).
1. Определим ориентацию осей вращения звеньев манипулятора:
?о= [0; 0; 1]т ;
параметры ориентации остальных осей вращения находим из первых трех элемен-
тов третьих столбцов Т-матриц:
?! = [1; 0; 0]т; г2 = [1; 0; 0]т; 7, = [0; 0,939; — 0,344]т; '
?4 = [1; 0; 0]т; гй= |0; 1; 0]т.
2. Вычислим радиусы-векторы г[& характерной точки схвата в связанных сис-
темах координат OtxtyiZi. Проекции ради уса-вектор а характерной точки схвата
и радиусов-векторов начала связанных со звеньями систем координат определяем
по первым элементам четвертых столбцов /’-матриц (2.26):
7о„=[О; 588,04; -123.04]1; ’ "
64
Ge — Ge — Gi — [0> 588,04; — 373,84]'}
Ge e Ge — G2 e [0; 676,6; — 722,68] ;
Ge = Ge~G3=[0; 588,04; - 123,64]'}
Ge ~ rt>e ~~ Ge ~ I®» 250; 0]T;
Ge ~ Ge — Gs ~ 250; 0]T,
3, Определяем члены, стоящие в первой строке выражения (2,77):
G Xg, = [—588,04; 0; 0]т;
XG„ = [0; 373,84; 588,04]';
z2 X 72в = [0; 722,68 ; 676,6]TJ
G X Ge = [86; 0; 0] ; ,
z4XQe=[0; 0; 250]т; : ,
G X Go = [0; 0; 0]т.
Таким образом, матрица Якоби 6X6 окончательно принимает следую-
щий вид:
~ — 588,04 0 0 86 0 0“
О 383,84 722,68 0 00
, 0 588,04 676,6 0 250 О
= 0 1 1 0 1 0 *
О 0 0 0,939 0 1
1 0 0 0,344 0 0_
Решим обратную задачу в приращениях. В соответствии с выражением (2,27)
составим систему линейных уравнений относительно ДО; для случая поступатель-
ного перемещения схвага на 50 мм по оси Oz (\RX = 0; Д/?„ = 0; Д/?г = 0; Ad в
= 0; ДЗ = 0; Ду = 0):
— 588,04 • AOi + 86 • Д04 = 0;
383,84 • Д02 + 722,68 • Д03 = 0;
588,04 • Д02 + 676,6 = 0; (2.29)
Д02 ДОд -]- Д0д = 0;
0,939 . Д04 + Д0„ = 0;
Д©! — 0,344 • Д04 =0.
Решай совместно первое и шестое уравнения системы (2.29), получим нулевые
риращения искомых неизвестных:
Д0! = 0; Д04 = 0; Д0„ — 0.
Это решение полностью соответствует конструкционным особенностям кине-
матической схемы манипулятора. По рис. 2.16 можно заметить, что изменение уг-
лов при ротации звеньев (первого — относительно стойки, четвертого — относи-
тельно третьего звена, шестого — относительно пятого) не всегда приводит к из-
менению координаты характерной точки схвата.
5 0-1922
65
Для нахождения остальных неизвестных решим систему уравнений
383,84 • Д03 + 722,68 • Д03 = 0;
588,04 • Д02 + 676,6 • Д03 + 250 • Д05 = 50;
Д02 + Д03 + Д0б = 0,
откуда
Д03 = 0,058 рад; Д03 = — 0,175 рад; Д05 =0,177 рад.
Программирование движений схвата манипулятора. Для решения обратной
<адачи кинематики, как было изложено выше, нужно найти обратный якобиан
механической системы.
Выполнение этой операции в символьном виде требует сложных математи-
ческих преобразований, обусловленных нелинейностью кинематических связей.
Числовое обращение якобиана — также громоздкая процедура, не позволяющая
реализовать процесс управления движением в реальном’масштабе времени. С целью
автоматизации программирования движений схвата и использования его в систе-
мах управления реального времени будем определять 1~1 (0) методом аналити-
ческого обращения.
Решим задачу определения приращений обобщенных координат при движе-
нии схвата с постоянной ориентацией для кинематической схемы манипулятора
типа УЭМ (см. рис. 2.16).
Чтобы математическим путем решить матричное уравнение (2.27) относитель-
но искомых неизвестных ДО;, умножим векторно вторую строку на г46 и вычтем
результат из первой строки, учитывая, что в силу особенностей кинематической
схемы возникают следующие соотношения:
zo х Гое — zo X (roi + г4в) — z3 X г4з;
Z3 X Z3S — z3 X (г34 + Г46) = z3 X г4в;
Г5в “ ГЫ<
rle = г14 -|- г4в;
Г2в ~ Г24 + Г4в.
Окончательно получаем
Z0 X Г14 ?1 X г14 г2 X г2,
г0 Z1 г2
х [Д0ь ..., ДО;...........Д0в]т =
Теперь рассмотрим результаты уможения
на столбец:
i i х
z3 z4 ZS.
AR — ДФ X г4в . (2.30)
ДФ
первой строки уравнения (2.30)
(zo Х^14) A0j + (г4 х714) Д02 + (г2 х г24) Д03 = Дг, (2.31)
где Дг = \R — ДФ х г4в.
При движении схвата с сохранением ориентации ДФ = 0 и Дг — &R,
Далее выполним следующие операции.
1. Умножим (2.31) скалярно на z4:
(«6 X г14) • г4Д01 (Zi X г 14) • г4Д02 -j~ (z2 X г24) • z4A03 = Дг • zj.
66
Рассмотрим смешанные произведения векторов:
(?о X <14) • ?i = (zi X гв) • ri4 = • <14!
(Zi х714) • Zi = (?i X ?2) • <и = 0;
(г3 X 734) •'гх = (г, х г2) • <24 = 0.
Тогда при условии хг- г14 Ф 0 (векторы xt и г14 не должны быть взаимно пер-
пендикулярными) получим
ДФ_________Аг ?! _ Д<х • ?t4 Н~ Д<» • ?14 + Д<г • z12 (2.32)
1 *1-<14 XU ' Г14л + Г14г/ + *!z ' <!4г
где соответствующие приращения известны из условия задачи (указаны коорди-
наты и углы ориентации схвата в нулевой точке), а направляющие косинусы углов
определяются при решении прямой задачи кинематики.
2. Умножим (2.31) скалярно на <24:
(?о X Z14) • Г24Д0! + (Z! X <и) • <24'^2 + (z2 X Г24) <24Д03 = Дг • <24.
Имеем
(?0 х <14) • <24=0 V,.
(все три вектора лежат в одной плоскости);
(?2 X <24) . <24 = 0;
(?1 X <14) • Г24= (<24 X ?1) • <14 = [(<14— <12) X ?1] ' <14 =
= (<14 X ?1 -- <12 X ?1) • <14 = - (<12 X ?1) ‘ <14 = (<12 X z2) • <14 — ^21/2 * <14-
Тогда
Д< • <24 Дгх • '’24Х + ^ГУ • г24у + <24? очч
ДУо 1 ==s . . — । _ , -
°2^2 * <14 С!2 (У%х ' <!4х “Ь У'2у <Ну I" У'2г * <14z)
где Г24Х — r04x ~ r0Sx> r1iy = г04д ~ г<Плу < ~ r04z ~ <02z
(при условии у2 • <14 Ф 0).
3. Умножив (2.31) скалярно на <i4) получим
(?о X <14) • < 14АО1 + (?1 X <14) • <11Д02 + (?2 X <24) • <цД0з — Д< ' <14«
Рассмотрим смешанное произведение векторов:
(?о X <ц) • ?ц = 0;
(71 X <14) <14 = 0;
(z2 X <24) • <14 — [z2 X (<14 <12)I = (?2 X <i2) • <14 = а2 • у2 • <14,
откуда
д7 • <14 Д'х • 'ых + Д^ г142 + Д<г • г 142 „.
Z-IU3 ~ ———— .... —= - - (Z. 0^1
а2 • у2 • <14 а‘2 • г144 + Уау - г\4ц + ‘ г14г)
(при условии у2 • <14 0).
Для определения неизвестных Д04, Д0Й и Д0в рассмотрим результат умноже-
ния второй строки уравнения (2.30) на столбец, в котором уже известны первые
5* 67
Рис. 2.17. Блок-схема программы ав-
томатизированного расчета обратной
задачи
три элемента Д0Ь Д02, Д03. Учитывая,
что поставлена задача определить при-
ращения углов в сочленениях звеньев
при движении схвата без изменения
ориентации (ДФ = 0), получим
^дД04 + 21Д05 + 23Д0в =
= — г0Д91 — zjA02 — г2Д03. (2.35)
Решим уравнение (2.35) относитель-
но искомых неизвестных следующим
образом.
1. Умножим (2.35) скалярно нах5.
Поскольку г3 • х5 = с5; г4 . = 0;
г5 . х5 = 0, то при 05 ть 90° в резуль-
тате имеем
Д04 = Cg • (г0 ' *5^91 +
+ zj • х5Д02 4- г2 • х5Д03), (2.36)
где произведение г/ • х5 находится по
правилам векторной алгебры через из-
вестные направляющие косинусы углов
ориентации этих векторов в абсолют-
ной системе координат.
2. Умножим (2.35) скалярно на
Учитывая, что г3 • г4 = 0; г5 • г4 — 0;
г4 • г4 = 1, получим
Д9Й = — Zo • Z4A0! —
—?! г4Д02 — г2 • г4Д03. (2.37)
3. Умножим (2,35) скалярно на х4. Учитывая, что г3 г4 = 0; г5 • х4 = S5;
г<.х4=0, при выполнимости условия 9s¥=0 получим следующее выражение:
Д0в = - S~' (г0 • х4Д0! + г4 • х4Д02 + г2 • х4Д03). (2.38)
Соотношения (2.32) ... (2.38) позволяют по заданным параметрам кинемати-
ческой схемы манипулятора dlt d>, db d^, его начальному положению, заданному
через углы 0/, которые определяют направляющие косинусы х1х, ..., z(z, и требуе-
мому перемещению схвата Дгх, Дг^, Агг определить соответствующие приращения
углов относительного положения звеньев с учетом вырожденных состояний мани-
пулятора. По указанным соотношениям удобно проверять правильность вычисле-
ний приращений обобщенных координат путем определения элементов якобиана
и решения системы линейных уравнений вида (2.27).
Выражения (2.32) ... (2.34), (2.36) ... (2.38) служат основой для разработки
программных средств автоматизации движений схвата без изменения ориента-
ции, реализуемой на базе ЭВМ.
68
Блок-схема такой программы, рассчитывающей движение схвата в прираще-
ниях на основе линеаризированного алгоритма решения обратной задачи, изобра-
жена на рис. 2.17.
Результаты автоматизированного расчета, приведенного для числовых значе-
ний, указанных в примере, полностью совпадают с результатами, полученными
ручным способом приращениями углов взаимного положении звеньев манипулято-
ра УЭМ. Поэтому машинное моделирование может использоваться для контроля
правильности решений, найденных студентами ручным способом при различных
начальных положениях манипулятора и последующих его перемещениях.
2.3. Динамика манипуляторов
Манипуляторы современных промышленных роботов представ-
ляют собой активные многозвенные пространственные механизмы
с упругоинерционными звеньями и сложными кинематическими це-
пями с переменной структурой.
Под переменной структурой понимают разомкнутую кинемати-
ческую цепь, когда рабочий орган может свободно перемещаться в
пространстве, и замкнутую кинематическую цепь, когда рабочий
орган опирается на неподвижное основание. Второй вариант появ-
ляется в момент выполнения различных технологических операций,
например, сборки, контактной точечной сварки, сверления и т. д.
Его рассматривать не будем.
Схема реального двухзвенного манипулятора рычажной (разом-
кнутой) компоновки приведена на рис. 2.18. На схеме условно пока-
заны упругие звенья 1Г, 12, люфты во вращательных парах е1( е2,
демпфирующие звенья Д, Д, имитирующие трение, приведенный
момент инерции всего механизма JM, приведенные постоянные мас-
сы звеньев т,, т2 и переменная масса т3, которая имитирует мас-
су предмета, находящегося в схвате. В общем случае эта масса мо-
жет меняться в пределах от 0 до rnmax, где mmax — указанная для
каждого робота паспортная грузоподъемность.
Изучение динамики такой сложной системы аналитически в на-
стоящее время не представляется возможным, поэтому вводится ряд
ограничений. В дальней-
шем манипуляторы будут
рассматриваться как со-
стоящие из абсолютно
жестких звеньев, соединен-
ных кинематическими
парами без люфтов и зазо-
ров, без трения, приводи-
мые в движение двигате-
лями с идеальными харак-
теристиками.
Некоторые из этих огра-
ничений могут быть сняты
путем введения диссипа-
тивных функций в уравне-
ния, а также выражений
потенциально} энергии
69
деформации. Описание такого более сложного подхода выходит за
рамки настоящего учебного пособия.
Моделирование динамики управляемого движения манипулято-
ра может служить исходным материалом для проектирования уст-
ройств управления и синтеза их основных динамических характе-
ристик. Вычисление характеристик манипуляторов в процессе функ-
ционирования позволит повысить качество управления, а также ре-
ализовать заданный закон движения с требуемой точностью.
В связи с этим формулируются две основные задачи: 1) вычис-
ление так называемых эффективных моментов инерции, являющих-
ся массоинерционными характеристиками механизма; 2) определе-
ние моментов двигателей приводов на осях вращения звеньев в со-
членениях вращательного типа и усилий двигателей в сочленениях
с линейным переме ’ ением. Эти задачи решаются как на этапе про-
ектирования манипулятора, так и на этапе управления им с помощью
управляющего устройства.
В целом задачей динамики манипуляторов является разработка
эффективных алгоритмов для определения их основных статиче-
ских и динамических характеристик.
Решив прямую задачу динамики манипуляторов (нахождение
сил и моментов по заданному закону движения и положению),
можно определить динамические нагрузки на исполнительные дви-
гатели, выполнить обоснованный расчет двигателей и устройств уп-
равления, а также решить другие задачи механики роботов.
К обратной задаче динамики относятся вопросы составления и
интегрирования уравнений динамики механизмов при задании
внешних управляющих воздействий (сил и моментов). Это позво-
ляет определить такие характеристики манипуляторов, как точ-
ность, быстродействие, устойчивость и т. д.
Динамику механической системы манипулятора можно описать
различными способами, в том числе с применением принципа
Д’Аламбера, принципа наименьшего принуждения Гаусса, а также
в рамках голономных связей — методом уравнений Лагранжа 2-го
рода. Этот метод во многих отношениях имеет преимущества по
сравнению с другими методами при описании динамики манипуля-
торов.
Уравнения динамики манипулятора. Вычислим обобщенные
силы, действующие на звенья манипулятора и соответствующие его
обобщенным координатам. В качестве таких координат выбирают-
ся углы относительных поворотов звеньев в случае сочленений вра-
щательного типа и линейные перемещения — в случае сочленений
поступательного типа.
Полагая, что поле сил, воздействующих на механическую систе-
му, потенциально, определим кинетическую и потенциальную энер-
гию системы и ее лагранжиан.
Лагранжиан системы
I — Е ___р
к п»
где £к, Еа — соответственно кинетическая и потенциальная энергия
системы.
70
Обобщенные силы находят путем применения к лагранжиану L
оператора Лагранжа (уравнения Лагранжа 2-го рода):
('-1.2........") (2.39)
где qt — обобщенные координаты; Q( — обобщенные силы; п —
число степеней подвижности манипулятора.
Для определения положения точки в пространстве используем
однородные координаты.
Обозначим через г‘ радиус-вектор однородных координат про-
извольной точки t-го звена в связанной с этим звеном системе коор-
динат:
? = (?, у1, z, If (i = l,2.........п). (2.40)
В этом случае радиус-вектор г той же точки в абсолютной (базовой)
системе координат xz/z будет представлен в виде
г = т;г1,
где Tt (q) — матрица перехода от z-й подвижной системы коорди-
нат, связанной с z-м звеном, к абсолютной (неподвижной). Скорость
произвольно выбранной точки с радиусом-вектором г характеризу-
ется производной
' = 4 = (2.41)
\/=1 ' /
а квадрат скорости соответственно
I dr \ * — -т / ffp- ' \ “i f \ ]
' ' l\/=i ' / L«=t ! )
f y-i дТ( ~1~1т dTt . . \
“ tr I lb S ’ d?• Г Г ~d^~q'q4'
\/=ife=i ' /
Здесь tr обозначает след матрицы и использовано известное соотно-
шение для произведения векторов:
(а • b) = ат • b = tr (а • Ьт),
где индекс «т» означает транспонирование.
Найдем кинетическую энергию элемента i-ro звена массой dm,
характеризуемого радиусом-вектором г:
, г, 1 ( а? V ,
dEKl = -у-1 I dm =
. /=1 fc=! '
Общая кинетическая энергия z-го звена
г I Г '’ ' 'Т / г \ дТт
£KZ = J d£Kl.= — tr j V (A ?~rtTdm\ qiqi
mi L/=i*=i \mi /
(2.42)
(2.43)
71
Назовем матрицу Ht = j r'r^dm матрицей инерции i-ro звена
и распишем ее в виде
Ht = J =
~^(xiydm J xly(dm § xlzldm J x'dm
В § x‘yidm § § x‘zl dm § (y()2 dm § y'-z'dm y‘z‘dm (z‘)2dm y‘d^ § z‘dm
f xf dm f У‘dm f zldm J dm
или в общепринятых обозначениях
т(- - J x 4- J у 4- J2) Jxy Jxz
Я( = J xy -g- ( JX J у + Jz) Jyz
Jxz Jyz 1 2 Ux + Jy~
mxc • mzc
mxt~
myQ
mze
A)
m
(2.44)
(2.45)
где индекс l относится к t-му звену, a х£(, ylc Zct — координаты
центра масс i-ro звена в собственной (связанной со звеном) системе
координат, причем
Jx = j (№ + z2)dm; Jу = j (х2 4- z2) dm; Jz = J (x2 4- t/2) dm;
tn m m
. (2-4$
J xy = J xy dm-, Jxz = § xz dm; Jyz = J yzdm
m m m
— соответствующие моменты инерции, вычисленные в связанной
со звеном системе координат Х;у(г(.
Матрицу инерции i-ro звена можно представить через радиусы
инерции:
^-(— kX+k2y+ kl) kly kxz
~(kx — ky — kyz У О
& +k2y-k^
У о _ i
(2.47)
72
где mt — масса i-ro звена; k[x, kiy, kiz, kixy, kixz, kiyz — радиусы
инерции i-ro звена относительно осей xt, у(, г( соответственно. Если
в качестве осей выбраны главные центральные оси эллипсоида инер-
ции звена, то матрица будет иметь диагональный вид.
Кинетическая энергия n-звенного манипулятора (всей системы)
п nil / ОТТ \ п _
+ 4- V
i=l i=l /=! /г=1 ' ’ ' (=1
(2.48)
Здесь учтена энергия вращающихся частей двигателей, a Jt — при-
веденный к оси пары момент инерции двигателя i-ro звена. В мат-
рицу Ht входят также инерционные характеристики статора и ро-
тора двигателя, определенные при неподвижном их состоянии.
Вычислим теперь потенциальную энергию системы. Пусть центр
масс i-ro звена характеризуется вектором
Гс1 = Ус1> Zci’ U
в неподвижной (абсолютной) системе координат, а в подвижной, свя-
занной с i-м звеном, вектором
^ = (4 К ит- .
Тогда потенциальная энергия i-ro звена
£пг- = — т&гс.,
где mt — масса i-ro звена, а вектор gT = [0, 0, g, 0]т характеризует
ускорение свободного падения.
В однородных координатах i-ro звена (гС( = Т^) будем иметь
Еп< = — = — т{ [0, 0, g, 0] Tt
Общая потенциальная энергия манипулятора
Еп = £ Еп1 = - £ т^Т^. (2.50)
,=t i=i
Заметим, что кинетическая и потенциальная энергия манипуля-
тора вычисляется с учетом переносимого груза. При этом характе-
ристики груза, жестко связанного с последним n-м звеном, входят
в состав соответствующих характеристик этого звена.
Теперь на основании формул (2.48) и (2.50) можно записать
функцию Лагранжа (лагранжиан) системы и вычислить обобщенные
силы по формуле (2.39). Для обобщенной силы, приложенной к i-му
73-
звену, будем иметь
л ___ d dL dL v' v <Wk и \ •• , , “r" ,
Qt~ dt dq 1 ltr +
k=t i=' '
। V V V fr ( d27\ ,, dTk \ •
+ 2j Ъ L f \ dqidqm Hk dq P9"
k~i j~\ m—1
2, .... n). (2.51)
i*=i
Уравнение (2.51) можно представить в виде
Qt = S + Jfg( + £ £ Dijkqiqk + Dt. (2.52)
/=1 f=1 ft=1
Здесь введены обозначения для коэффициентов
п (ат дТт \ п
tr 1~д^~ Нр ~д^~) = У* tr (UpiHpUpiT'
p=max(z,p p«max(i,/)
п ( жт дТг \ п
Diih= £ tr dq dpqk Up ) = У, tr ((/pjkHpUpl);
p=max(i,/,i) ‘ p=max(Z,/,W
Di = — V mpg" dTp-r’ = — £ m.pg’Up^
P~i d4i 1 p=i p
а матрицы U вычисляются через матрицы А переходов от
ввена к другому с помощью формул
Upi = ^1^2 • • -4 _]// At .. . Ар;
UPjk — At ... A{~iHAj ... A^i H Ak ... Ap,
где
"0 —1 0 (Г
я = 0 000
О ООО
_0 0 0 0^
для сочленений вращательного типа и
"0 0 0 0“
н = О О О О
0 0 0 1 v
_0 О О 0^
для сочленений линейного типа.
В случае, когда имеет место движение по одной i-й координате
при заторможенных всех остальных координатах (7/ = const. / 7^
(2.53)
одного
(2.54)
(2.55)
(2.56)
74
=/= i), обобщенная сила Q{ будет очевидно подсчитана по формуле
Qi — Dnql + J+ D{ (z = 1, 2, .. . , n). (2.57)
Эти уравнения часто используются для вычисления и исследо-
вания динамических нагрузок на осях манипулятора, а также при
определении и расчете динамических характеристик системы уп-
равления.
Уравнения (2.57) принимают вид
Qi — JiQt “I* ^i (t = 1, 2, .. . , n), (2.58)
если использовать обозначения
Jt = D(l + Jt, (2.59)
где Jt — эффективный момент инерции звена.
Уравнение (2.58) — приближенное, однако оно удобно для
практической реализации полученных обобщенных сил в сервоси-
стеме (системе управления звеном). При этом Jt будет эффективным
коэффициентом усиления в цепи обратной связи z-го звена, a D{ —
статическая составляющая, идущая в качестве ошибки, если ее не
компенсировать. Величины Jt и Dt зависят от конфигурации звень-
ев манипулятора и могут изменяться в широких пределах (1 ...10),
причем достаточно быстро, что вызывает быстрое изменение динами-
ческих свойств сервосистемы. Чтобы этого избежать и вводятся пе-
ременный коэффициент усиления Jh а также компенсация статиче-
ской составляющей нагрузки Dt.
Программное движение манипулятора осуществляется с помо-
щью приводных устройств. Используют различные виды приводов:
пневматические, гидравлические, электрические и комбиниро-
ванные.
В робототехнических устройствах широко применяют электро-
двигатели постоянного тока, отличающиеся высокой надежностью,
широким диапазоном регулирования и другими положительными
свойствами. Управление скоростью выполняется с помощью раз-
личного рода усилителей (электрических, магнитных, электронных)
на основе корректирующих устройств с внутренней обратной свя-
зью. Могут применяться также электродвигатели переменного тока
и шаговые двигатели.
В манипуляционных роботах широко используют электрогидрав-
лические приводы (поршневые и лопастные гидроприводы), что сни-
жает стоимость системы управления. Эти двигатели отличаются
малым весом, высоким быстродействием и малой инерционностью
в широком диапазоне скоростей (без редуктора).
В роботах малой мощности применяют приводы пневматическо-
го типа совместно с другими корректирующими устройствами.
Для формирования управляющего воздействия на оси двигателя
проектируется следящая система управления. В следящих системах
приводов на вращательных сочленениях момент двигателя можно
75
записать в форме
Qt = Ъ (Р) (<7« — <?*"’) (Р = d/dt),
где Wt (р) — передаточная функция следящей системы; q(*} (0 —
программное (желаемое) значение обобщенной координаты; q{ (t) —
ее фактическое значение.
Назначение следящей истемы состоит в том, чтобы обеспечить
наилучшую близость фактического и программного значений коор-
динаты по какому-либо критерию качества. Если выходным сигналом
следящего устройства является скорость изменения координаты, то
момент двигателя (серводвигателя) в изображениях Лапласа будет
определяться равенством
Qi (S) = W((S)±(q( (S)-q^(S)).
Управление двигателем привода. Рассмотрим управление дви-
гателем по скорости в терминах операционного исчисления Лапла-
са. В этом случае для кинематической пары вращения входным сиг-
налом системы управления является заданная программная ско-
рость
<7 = On-
т. е. угол в единицу времени.
Входной сигнал умножается на коэффициент усиления привода
и за вычетом вязкого трения /, которое имеется как в гидравличе-
ских, так и в электрических двигателях, в качестве воздействия при-
кладывается к звену, представленному передаточной функцией в
виде 1/S • J, где J — эффективный момент инерции звена, вы-
численный по формуле (2.59).
Выходным сигналом произвольного звена является действи-
тельная скорость сочленения q = 0. Схема контура привода, учи-
тывающая трение (с коэффициентом /), имеет следующие характе-
ристики: ku — коэффициент усиления сигнала по скорости, km —
коэффициент усиления (жесткость управления).
Если, кроме того, ввести обратную связь по положению с ко-
эффициентами ke, то получим схему, передаточная функция которой
_9 ----------= £________!______ (2 601
0„(S) S*J+S(f + kvkm)+kekm * S» + 2g<oS + <o» '
Здесь
Ю==1/Л^_; (2.61)
Г J 2^ Jkekm K 1
где со — так называемая характеристическая частота системы; £ —
коэффициент демпфирования.
Если демпфирование мало (обычно 0,3 < | < 0,7), то система
достаточно хорошо и быстро отзывается на входной сигнал. Одна-
ко в манипуляторе не должно быть колебаний, поэтому следует
выбирать |>»1. Критическое значение демпфирования получим
76
при g = 1, когда о..,,
/ + М^ = 2Г7М;. (2.62)
У манипулятора для каждого сочленения имеется некоторая
резонансная (структурная) частота юс, которая изменяется с из-
менением конфигурации манипулятора:
®о = ю0К-70/^, (2.63)
где Jo — минимальный эффективный момент инерции (ненагружен-
ный манипулятор), а ®0 — соответствующая ему структурная ча-
стота; J = J (0) — текущее значение эффективного момента
инерции.
Чтобы не возникали резонансные явления, частота <о сервоси-
стемы должна быть меньше структурной соо. Если выбрать со <
< 0,5юс, т. е. ____ _____________
У kek^ < 0>5с0о у ,
ТО
kekm < O,52wo/0, •
а максимально допустимое значение
(^е^т)п'ах = 712/о^о (^0 = 2я/д).
Отсюда находим
Л2/; Л
ke<z—(2.64)
кт
Таким образом, постоянный коэ фициент усиления по положе-
нию выбирается согласно (2.64), а переменный коэффициент усиле-
ния по скорости kv — так, чтобы обеспечить критическое демпфи-
рование. Если kVo есть критический коэффициент демпфирования,
соответствующий Jo, т. е.
kVakm + f = 2 V J okekm ,
то kv для любого J вычисляете из уравнения
kv = [(kD,km 4- П У - f ] = (G V7 - ,
где _
С = +
Следовательно, коэффициент kv зависит от эффективного момента
инерции J звена. Если J неизвестен, то kv вычисляется для макси-
мального J. Тогда для всех остальных случаев будет выполняться
условие £ •< 1. Если J известен, то для всех случаев можно устано-
вить kv, равный критическому, при котором g = 1. Если J < Уо,
а выбран для максимального J, то система будет передемпфиро-
ванной.
Минимальное значение коэффициента kekm определяется из ус-
ловия установившейся ошибки в случае возмущающего момента
77
tn (<S). Ошибка E (S) для системы ;
p i c\ _ S [SJ 4~ (/4~ kykm)] fyi ($) ।_____m C$)_________ ?o cn
( ’ SV + (/ + Mm)« + Mm + SV+(/ + Mm)S+Vm ;• 1
Установившаяся ошибка 0e при m (S) = tn0S
0, = lira SE (S) = . (2.66)
S->0 кект
В этом случае выбирается
kekm > mo/0r (2.67)
Следовательно, ограничения жесткости управления находятся
из условия
тй/^е < kekm < О,25юоЛ- (2.68)
В случае, когда имеется обратная связь по интегралу, коэффи-
циент усиления звена находится из условия устойчивости системы.
Вычисление эффективных моментов инерции. Рассмотрим спо-
соб вычисления эффективного момента инерции, основывающийся
на формулах приведения моментов инерции к данным осям.
Пусть моменты инерции тела (звена) массой /п,- относительно его
главных (центральных) осей инерции х,, у], г, будут /Д
Моменты инерции звена относительно осей инерции Х[, у,, zt, па-
раллельных центральным,
Л"
! f J *- j
Jyj = mi (‘х* 4- 'Zc) 4- Д’;
> i 1 у!
= 'П/(1х'с 4- 4-
где <хс., >ус., >гс. — координаты центра масс звена с/ в системе х/,
у/, г,, связанной со звеном.
Моменты инерции /-го звена как твердого тела относительно про-
извольных осей х, у, z вычисляются через главные моменты
инерции:
ЛУ) = т/ (г? 4- ifc) 4- J(r> al 4- •/*'’«12 4-
Jy} = mi(Xc. 4- 2c} 4" 4" ^/'«22 4"
I 1 *i У, 2/
4Z) = m/ (xl 4- z/c,) 4- ^'0t3i 4- Л’азг 4- //«Зз-
' ' xi yi zi
Здесь ац — направляющие косинусы углов между осями X/, yt, z)
и х, у, z соответственно.
78
Момент инерции /-го звена относительно произвольной оси z бу-
дет вычисляться так:
№ = [Jx^j — ITlj (!yCj + 'Zc.)] °&31 + [Jyl — m.j{ XCj + 'zC/.)] «32 +
+ [jtf — trij ('x2. + 'y2c.)] O& + ms (xl. + Ус.). (2.69)
Если ось z является осью вращения i-ro звена (zz), то момент
инерции /-го звена относительно оси г{ (оси вращения t-ro звена)
с учетом принятых обозначений
= [Jx- -- т^ус. + Ц)]'^ + [//’ — т^'х2. + 'г2.)]‘п2г +
+ — т,(Ц + 'y2f)]'p2z + mj(lxc. + у2,). (2.70)
Здесь lxCj, iyCj, (zc. — координаты
ме координат х{, yt, z(, связанной
2
tp-jZ являются соответствующими
...А/, представленной в виде
‘tTlj
центра масс с/ /-го звена в систе-
с i-м звеном; величины 1т]г, 1п2и
элементами матрицы 1Т] = А{...
lmix
lT f — At ... =
Ч
lnjx
1п!у
lnlz
0
‘Pi
ipix ‘а,
lPiy
lPp 'ci
0 1
‘Щ/2
0
где матрицы A — это матрицы элементарных переходов между со-
седними звеньями.
Суммарный момент инерции Л = Du всех звеньев, начиная с
(i 4- 1)-го и кончая п-м вместе с грузом, определится теперь по фор-
муле
Л=Е>п = £ 4"= £ mt [(k2ix - Ц. - !у2с .)1т2г +
; = ;+1 /==f+l
+ (^/У — 'Xci — 'ZCj) П'г "Ь (kiz — >Хс1 — ’Уо/} Ру + XCj + Ус/1-
(2.71)
Здесь, как уже указывалось, <хс., >yCj, >zCj — координаты центра
масс /-го звена, т. е. точки q, в связанной с этим звеном системе ко-
ординат x^jZj, a {xCj, lyCj, l2Cj — координаты того же центра масс в
системе координат xzz/zzz, связанной с i-м звеном, в осях которого
вычисляется суммарный момент инерции J2.; kjx, kjy, kjz — радиу-
сы инерции /-го звена относительно соответствующей оси, связан-
ной со звеном, т. е. xjt у/, zt.
Координаты 1хс„ lyCj, lzCj центра масс С/ звена / в системе коорди-
нат Xiyfii, связанной с i-м звеном, находятся из соотношения
7Г
] [ 1Ус, = ‘т^Хс. + ‘п1у1уСу + lpivize/ + ‘bj.
(2.72)
Эффект вный момент инерции 4-го
звена
Л — Du -|- J( == Jz.J bi. (2.73)
Пример. Рассмотрим схему расчета эффективных моментов инерции для ба-
зового мобильного манипулятора (рис. 2.19). Манипулятор состоит из семи звень-
ев. Связи между звеньями осуществляются с помощью осевых шарниров, на ко-
торых установлены управляющие двигатели. Манипулятор может имитировать
движения руки, так как семь его степеней подвижности отражают свойства плече-
вого, локтевого и кистевого суставов. Поэтому такой манипулятор можно назвать
антропоморфным.
Матрицы перехода от звена к звену (A;, i— 1, 2, ..., 8) имеют вид
Здесь введены следующие обозначения: s! = sin 0jj = cos 0j и т. д.
Вычислим эффективный момент манипулятора J относительно оси вращения
6-го звена (без учета момента инерции двигателя 6-го звена). Для этого распишем
80
формулу (2.71); <4 - , С
где — моменты инерции 6, 7, 8-го звеньев относительно оси гй. Согласно (2.71),
J2„ = = me «4 - - 64)Ч2 + (4 - 4 - +
+ (kk - M. - еу2сХр^+4 + '°yl i + m« -4 - sy‘c^-mlz +
+ <kly - “4 - M/4 + (4 - 4 - 8^,)6P82 + 54 + 541-
где k^x, k^y, /гб2, kax, kSy, kaz — радиусы инерции звеньев относительно соответст-
вующих главных центральных их осей, кроме того, принято т7 = 0.
Предположим, что центры масс рассматриваемых звеньев характеризуются
координатами
“х = еус = ег. =0; sx = 6у =0; 8г — га '
или радиусами-векторами f ;
= |0, 0, 0, 1 ]т; г8 = [0, 0, г8, 1 ]т.
т. е. центр масс 6-го звена находится в точке 08 (начале координат системы
Оохвуог(1), а центр масс схвата смещен по оси г,. Тогда для эффективного момента
J2j (m7 = 0) будем иметь
[4*4 + 4’4 + 4’4 + Ч + Ч2.] +
- : + та 1(4- 8г2Св)Чг + (%у - 4/4 + k^plz + 4 + »41.
Найдем теперь матрицы lTf.
/ й'^. п 'Р‘<
„ , . ' — se с«
. sy __ д _ с« 0 se О
7. 8 8 oloo
*; ' _ . '1 [ о о о l
.</« ’ 6т8 Ч
р-п
'/(’Ж ’%
SgS7 SgC- dgSgC^ .Я .fib| V}
— CgS7 Sg CgC7 d8cec7 T
c7 0 s7 dgH,
.0 0.0 , 1 .
В соответствии с (2.72) получим:
Ч. — °; ЬУС. — °! 6zc. =
Ч, = 8,n8*4s + 8«8х8^я + !,Рах%. + Ч = — z8sec7 — d8sec, = — (z8 + dg) Sec,}
Ь-УС, = 6m8y4, + Ьп8у8Ус, + ЬР8уагсл + Ч = г»свс7 + d^c^c1 = (*8 + dg) CgC,.
Теперь, учитывая матрицы ST, и ^Тя, окончательно имеем
О55 — Jz* = mgkgy + тя | (kgx — ig) c'i -f- 4S7 4“ dg)* c^] = <,
= m^kly + "J8 1(4 + 2z8d8 + d's) 4 + /г2^].
Эффективный момент инерции манипулятора относительно оси г6 зависит от
конкретного распределения масс 6-го звена и схвата. В частности, при с7 =
0 (07 = 90°) момент инерции J2> определяется только осевым моментом инерции
6-го звена (радиус инерции k6y) и осевым моментом инерции схвата (радиус инер-
ции k9z):
4 me4 + m8^8z‘ Л, ГС
в 0-1-922
81
1.4. Рабочие органы промышленных роботов "
В настоящее время создано и находится в эксплуатации боль-
шое количество различных рабочих органов промышленных робо-
тов. Многообразие их моделей и конструкций определяется двумя
основными обстоятельствами: 1) большим количеством типоразме-
ров объектов, заготовок и изделий, которыми должен манипулиро-
вать робот; 2) различными физическими принципами действия ра-
бочих органов.
Объекты (заготовки и изделия) могут иметь различные разме-
ры, форму, массу, материал и обладать разнообразными физически-
ми свойствами. Как правило, современный промышленный робот
комплектуется очень ограниченным набором типовых рабочих ор-
ганов, которые не могут обеспечить все многообразие встречающих-
ся на производстве задач, поэтому разрабатывать рабочие органы
для конкретных условий приходится непосредственно на предпри-
ятии.
Как показал опыт эксплуатации промышленных роботов на мно-
гих предприятиях, эта задача оказалась весьма трудной. В настоя-
щее время формируется и интенсивно развивается новое научное
направление — автоматизация проектирования средств технологи-
ческого оснащения промышленных роботов. Это направление пре-
дусматривает разработку алгоритмов и программ для решения за-
дач на ЭВМ, определения рациональных (оптимальных) вариантов
и существенного повышения производительности проектирования.
К рабочим органам ПР относятся захватные устройства (ЗУ),
предназначенные для взятия и удержания детали или изделия.
К ним предъявляются требования общего характера и специальные,
связанные с конкретными условиями работы. Обязательные тре-
бования: надежность захвата и удержания объекта; стабильность
базирования; недопустимость повреждения или разрушения объ-
ектов захвата.
При обслуживании одним промышленным роботом нескольких
единиц оборудования применение широкодиапазонных ЗУ или их
автоматическая замена может оказаться единственным возможным
решением, особенно если одновременно обрабатываются заготовки
(детали) различных конфигурации и массы. Поэтому к захватным
устройствам ПР, работающих в условиях серийного производст-
ва, предъявляются дополнительные требования: широкодиапазон-
ность (возможность захвата и базирования деталей в широком диа-
пазоне их масс, размеров и форм); обеспечение захвата близко рас-
положенных деталей; легкость и быстрота замены. В ряде случаев
необходимо автоматическое изменение усилия удержания объекта
в зависимости от его массы.
В последнее время разрабатываются конструкции ЗУ, способ-
ные захватывать и базировать неориентированно расположенные
объекты.
В современных ПР часто применяются так называемые техноло-
гические рабочие органы, предназначенные для выполнения кон-
дя
кретных технологических процессов. К ним относятся, например,
клещи для контактной точечной сварки, горелка для дуговой сварки
плавлением, распылитель для окраски и т. д.
Составить классификацию, которая охватывала бы все сущест-
вующие рабочие органы ПР, очень трудно, и, кроме того, она была
бы неоправданно громоздкая. На рис. 2.20 приведена классификация
основных типов рабочих органов, а ниже дана их характеристика.
Зажимные ЗУ удерживают деталь благодаря кинематическому
воздействию рабочих элементов (губок, пальцев, клещей и т. д.) с
помощью сил трения или запирающих усилий.
Пршпяжные ЗУ обеспечивают силовое воздействие на объект
благодаря использованию различных физических принципов. Наи-
более распространены вакуумные и магнитные ЗУ.
Рабочие органы ПР в зависимости от их назначения могут ос-
нащаться дополнительными приспособлениями для выполнения
ориентирующих перемещений и некоторых технологических опе-
раций (гайковертом, сверлильным устройством и др.).
По числу рабочих позиций захватные устройства делятся на од-
нопозиционные и многопозиционные, а по характеру управления —
на следующие четыре группы.
Неуправляемые ЗУ с постоянными магнитами или вакуумными
присосками без принудительное разрежения. В таком ЗУ для сня-
тия объекта требуется приложить большее усилие, чем для его
удержания.
Командные ЗУ управляются только по командам на захват или
отпускание объекта. К ним относятся устройства с пружинным при-
водом, которые оснащаются стопорным механизмом, срабатываю-
щим через такт.
6’
S3
Жесткопрограммируемые ЗУ управляются системой числового
программного управления промышленным роботом. Перемещение
губок, взаимное расположение рабочих элементов и усилие зажима
в таких устройствах изменяются в зависимости от заданной прог-
раммы, по которой может осуществляться также управление рабо-
той вспомогательных технологических приспособлений.
Адаптивные ЗУ — программируемые устройства, оснащенные
различными датчиками внешней информации (формы изделия и со-
стояния поверхности, массы объекта, усилия зажима и т. п.).
По характеру крепления к руке промышленного робота все за-
хватные устройства можно разделить на четыре группы: несменя-
емые — являющиеся неотъемлемой частью конструкции робота, за-
мена которых не предусмотрена; сменные — самостоятельные узлы
с базовыми поверхностями для крепления к руке робота (крепление
таких устройств, например фланцевое с помощью болтов, не преду-
сматривает их быстрой замены); быстросменные, а в общем виде —
рабочие органы крепятся с помощью специальных механизмов, как
например, байонетный замок, и могут быстро заменяться; автомати-
чески заменяемые — оборудуются механизмами, позволяющими осу-
ществить их автоматическую замену.
2.4.1. Зажимные (механические) захватные устройства
При конструировании зажимных ЗУ промышленных роботов
необходимо учитывать конкретный тип детали или группы деталей,
их форму, материал и условия технологического процесса. Важные
критерии при этом — необходимая точность удержания детали и
допустимое усилие на губках. Перечисленные соображения приво-
дят к тому, что в настоящее время имеется большое количество
различных зажимных захватных устройств, отличающихся кинема-
тической схемой и другими конструктивными параметрами. Как пра-
вило, зажимные ЗУ приводятся в движение с помощью пневматиче-
ского или пневмогидравлического привода, расположенного в их
основании. В табл. 2.4 приведены некоторые наиболее распростра-
ненные типы зажимных захватных устройств и их расчетные
схемы.
Эластичное зажимное ЗУ предназначено для захвата и удержа-
ния легкодеформируемых изделий, например электрической лам-
ны, и несколько отличается от остальных механических ЗУ. Это
устройство приводится в действие давлением воздуха.
Расчет зажимных захватных устройств включает: нахождение
сил, действующих в местах контакта заготовки и губок; определе-
ние усилий привода; проверку отсутствия повреждений поверх-
ности детали при захватывании; расчет на прочность деталей
устройства (по методикам расчета деталей машин). Силы, действу-
ющие в местах контакта захватного устройства с объектами манипу-
лирования, рассчитываются по формулам табл. 2.5.
Различают следующие схемы удержания объектов в механиче-
ском ЗУ:
84
Таблица 2.4. Основные типы зажимных захватных устройств и
их расчетные схемы
Рычажное с
параллельным
перемещением
губок
Таблица 2.5. Схемы и расчетные формулы аажимных захватных устройств
Расчетная схема
№ п/п
Эскиз
Расчетные формулы
Для а
Ri=—^-—Q
Для б
Ri = —~^-Q
r* = —с-а
2
N. = (—sin (<р/ — фле)
1 И lsin (Ф1 — Фа) + s'n (<Р3 —
— <рз) + sin (ф3 — Ф1)]
где I, j, k = 1, 2, 3; i / ф k
N _ R,i (<Pj — Ц cos tpp
' sin (<pj + ip2) — 2ц cos (<pj + ф,)
где I, j = 1, 2; i =£ j
<Pi = 90°, cp2 = q,
.. n sin <p — p, cos ф
** 1 — An---------;—n---:----
COS ф + 2p, Sin ф
— Rn-------------»—q—
cos ф + 2p, sin ф
86
Продолжение табл. 2.5
Расчетная схема
№ п/п
Эскиз
Расчетные формула
Ф1 = ф2 = 90°
i.p :
— деталь поддерживается губками; силы трения мало влияют
на механизм удержания детали (схема 3 табл. 2.5);
— деталь удерживается благодаря запирающему действию гу-
бок при ограниченном влиянии сил трения (схема 4 табл. 2.5);
— деталь удерживается силами трения (схемы 2 и 5 табл. 2.5).
На практике обычно встречается сложное нагружение захват-
ных устройств, при котором имеет место комбинация описанных
случаев (см. схему 2 табл. 2.5). При этом в процессе манипулирова-
ния объектом характер нагрузки ЗУ и схемы удержания детали мо-
гут изменяться. Поэтому расчет должен вестись для критического
случая нагружения. В случае несимметричного распределения на-
грузок по ширине губок нагрузка на крайние сечения определяется
в соответствии со схемой 1 табл. 2.5.
Грузоподъемность захватных устройств должна соответствовать
одному из значений ряда RalO нормальных линейных размеров
(ГОСТ 6636—69): 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10;
12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400;
500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 4000; 5000; 6300;
8000 мм.
Коэффициенты трения губок захвата с заготовкой для различ-
ных материалов выбираются по табл. 2.6.
Таблица 2.6. Коэффициенты трения губок захвата с заготовкой для различных
материалов
Соприкасающиеся поверхности U
Дерево по резине Сталь по стали: 0,8
для незакаленных губок без насечки из сталей 45, 50 для закаленных губок с острой насечкой из сталей 65Г, 60С2, 48А, У10А при 56 HRC3 Латунь по стали Стекло по резине 0,12...0,15 0,3...0,35 0,12 0,6
Дуралюмин по стали _ 0,1
87
В общем случае усилие, развиваемое приводом ЗУ, определя-
ется по формуле
т .....
к,^ у Pi ____; _
F =-------£=!--- -
Т]
где К, — коэффициент запаса (Ki = 2...3); К2 — передаточный ко-
эффициент механизма; Д — усилие зажима на t-й губке; т — чис-
ло губок захвата; г) — коэффициент полезного действия механизма.
Для симметричных губок усилие, развиваемое приводом, опре-
деляется по формуле
F =
>1
Усилие зажима на i-й губке схвата можно рассчитать по фор-
муле
k
pt = 'L NiC°s4>t,
1=1
где N{ — усилие контактирования, определяемое по формулам
табл. 2.5; <pz — угол контакта; k — число точек контакта.
Коэффициент К2 рассчитывается в соответствии с выбранной ти-
повой схемой захватного устройства (см. табл. 2.4). Определение
К2 для одной из типовых схем приведено в примере расчета.
Пример. Рассмотрим расчет типовой схемы захватного устройства (табл. 2.7,
вариант 1). Поскольку устройство симметричное, то рассматриваем схему нагру-
жения одной из губок.
Рабочие губки 2 соединены тягами с зубчатыми секторами 3, которые нахо-
дятся в зацеплении с рейкой 4, связанной с тягой 1 привода. При перемещении
рейки 4 под действием усилия F привода происходят поворот губок 2 к центру на
равные углы и захват объекта манипулирования.
Таблица 2.7. Расчетные схемы механических захватных устройств
Номер
вариан-
?нп передаточного
механизма
Расчетная схема
кпд
88
Продолжена е табл. 2.7
Номер вариан- та Тип передаточного механизма Расчетная схема кпд
3 Рычажный с па-
раллельным пере-
мещением губок
Рычажный
0,9-..0,95
Рассчитаем усилия контактирования между деталью и губкой для схемы удер-
жания 3, а табл. 2.5. В качестве объекта манипулирования примем деталь в виде
стального цилиндра массой т = 3 кг. Реакция на одну из губок захвата
7? = mg ж 30 II, .; '• . '> "
где g—ускорение свободного падения. ‘ л
Грузоподъемная сила захватного устройства 32 Н, .
8»
'Усилие контактирования между деталью и губкой определим по формуле из
табл. 2.5
sin ф, — U COS ф,
N; = R-------------!---!-----i-------.
sin (<Р) + <р2) — 2u cos (<pi + ф2) . ,
При фу — (рх = ф2 = 30° получим
C0S3S ° 12,72 И. '
sin 60 — 2|.i cos 60
Усилие зажима на губке захвата
Р = 2Л' cos <р = 2 . 12,72 cos 30° = 22 Н.
Усилия, возникающие в звеньях при работе устройства, показаны на рис. 2.21,
Передаточный коэффициент механизма можно найти из условия
F = К:Р.
Для определения этой зависимости составим условие равновесия системы отно-
сительно точки А (см. рис. 2.21). В общем виде оно имеет вид
т. е. сумма проекций всех сил на произвольно выбранные оси декартовых коорди-
нат х и у и сумма моментов этих сил относительно точки А равны нулю.
Для данного примера условие равновесия системы относительно точки А
имеет вид
1 Л4д — FI — N (I — с) Qa — Р (а Ь) — 0;
> G=F — iV = 0; .Л : s
ll/=Q-P = 0.
Таблица 2.8. Исходные данные для расчета захватных устройств
Форма детали Масса Де- тали, кг Материал де- тали Схема удер- жания (табл. 2.4) Материал губок Размер за- хватываемой поверхности, мм
Куб 0,5 Дерево 5 Резина 100
•Цилиндр 2,0 Сталь 3 Сталь 60
» 1,0 Латунь 4 » 50
» 0,3 Стекло Резина 60
Куб 4,0 Сталь .. <5 Сталь 80
Цилиндр 0,6 Дуралюмин з 40
90
Решив систему относительно Р и F, получим следующее уравнение; . ->
Fl = F (/ — с) + Ра — Р (а ф- Ь) = 0.
В результате преобразования имеем
h . -./.MM
F = — Р, или F = ’>
а
Аналогично рассчитываются передаточные коэффициенты К2 для всех типо-
вых схем ЗУ.
После выбора конструктивных параметров Ь, с по формуле для симметричных
губок производится расчет усилия, развиваемого приводом. В табл. 2.8 приведены
примеры и исходные данные для расчета захватных устройств.
В соответствии с выбранными конструктивными параметрами ЗУ, размерами
объекта манипулирования и результатами расчета производится эскизная прора-
ботка конструкции.
2.4.2. Притяжные захватные устройства д
Вакуумные захватные устройства. Для удержания стеклянных
и хрупких предметов, как, например, кинескоп телевизора, приме-
няют вакуумные захватные устройства (рис. 2.22). Резиновый раст-
руб в них укреплен на шаровом соединении, обеспечивающем само-
установку и плотное прилегание по всему контуру. Основной пара-
метр — усилие F захвата — зависит от площади S контакта
с объектом и разрежения (давления) р, Па. Усилие F, Н, определя-
ют по формуле
р nD2
F = -^—P'
где D — диаметр отверстия раструба, см.
Пример. Если с одной стороны схвата будет полное атмосферное давление, а
с другой — разрежение в 13 Па, г. е. форвакуум, то при диаметре отверстия раст-
руба D = 10 см получим
F = (98 066 - 13) = 78,5 • 38 053 « 770 Н.
Следует отметить, что добиваться высокого вакуума нецелесообразно, так
как после получения форвакуума усилие F увеличивается незначительно.
Электромагнитные захватные устройства используют для за-
хвата объектов из магнитных материалов. Эти ЗУ обладают рядом
преимуществ: несложны
при конструировании и
в эксплуатации, не тре-
буют специальных при-
водов, могут захваты-
вать листовой материал ,
в стопке.
Наибольшее распро-
странение получили
круглые электромагнит-
ные ЗУ (рис. 2.23), со-
стоящие из корпуса /
и сердечника 3 из элек-
Рнс. 2.22. Конструк-
ция вакуумного за-
хватного устройства
Рис. 2.23. Конструк-
ция круглого электро-
магнитного захватного
91
тротехнической стали, образующих кольцевую полость, в которую
помещена катушка 2.
Усилие F захвата электромагнитов может быть определено с по-
мощью выражений, полученных на основании формулы Максвел-
ла:
для электромагнитов постоянного тока
F=4-(WH04-; .
для электромагнитов переменного тока ' > • Ф1
f=4-(Wh04-’ ' .. "'X-
где / — сила тока, A; N — число витков катушки; ц0 — магнитная
проницаемость воздуха, Гн/м; S — площадь рабочего зазора, см2;
6 — рабочий зазор, мм.
Ниже приведена сравнительная характеристика электромагнит-
ных и вакуумных захватных устройств.
Электромагнитные ЗУ
Пригодны только для намагничиваю-
щихся материалов
Возможна большая сила притяжения
на единицу поверхности
Высокая точность базирования благо-
даря жесткой конструкции
Высокое быстродействие
Простота конструкции, катушка и сер-
дечник могут быть легко изготовлены
потребителем
Катушка электромагнита, может на-
греваться, но конструкция долговечна
Вакуумные ЗУ
Пригодны для всех материалов, имею-
щих необходимую геометрию и поверх-
ность
Сила притяжения на единицу площади
ограничена
Пониженная точность базирования из-
за эластичности конструкции
Требуется некоторое время для созда-
ния вакуума
Конструкция более сложная J
Срок работы ограничен
В последнее время появились и получили определенное распро-
странение струйные захватные устройства, применяющиеся в элек-
тронной и приборостроительной промышленности для перемещения
легких изделий.
2,4.3. Технологические рабочие органы /" 7 с!7 ,:7 z ,6
Клещи для контактной точечной сварки. Контактная точечная
сварка объединяет большую группу способов, многие из которых
широко применяются в промышленности. Основные отличительные
их особенности — надежность соединений, высокий уровень меха-
низации и автоматизации, высокая производительность процесса и
культура производства. Около 30 % всех сварных соединений вы-
полняются контактной сваркой. Область применения контактной
сварки чрезвычайно широка — от космических аппаратов до мини-
атюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем.
92
Рис. 2.24. Клещи для контактной точечной сварки
Рис. 2.25. Горелка для
дуговой сварки
Точечная контактная сварка осуществляется двумя электрода-
ми, в которых зажимаются свариваемые листы и затем пропускает-
ся сварочный ток. Время сварки колеблется в зависимости от ряда
параметров от 0,01 до 0,5 с. По окончании цикла сварки клещи пере-
носятся в другую точку изделия, и процесс повторяется снова.
В условиях массового и крупносерийного производства приме-
няют так называемые многоточечные (многоэлектродные) свароч-
ные машины. Однако в условиях мелкосерийного или серийного
производства такие установки нерентабельны и поэтому не исполь-
зуются. В этих случаях экономически эффективно применять про-
мышленные роботы. Уместно отметить, что именно с автоматизации
процесса контактной точечной сварки начался победный путь про-
мышленных роботов. И в настоящее время на контактной точечной
сварке, главным образом в автомобильной промышленности, рабо-
тает около 15...20 % всех промышленных роботов.
Чтобы обеспечить среднюю производительность, робот должен
сварить от 20 до 50 точек в 1 мин. Сварка осуществляется специаль-
ными клещами, которые крепятся на кисти робота (рис. 2.24).
К клещам подводятся сварочный ток и охлаждающая электроды
вода. Клещи изготавливают из алюминиевых сплавов с целью мак-
симально уменьшить массу и снабжают пневмогидравлическим при-
водом. В зависимости от конкретных свариваемых швов и формы из-
делия клещи могут иметь разную форму и конструкцию.
Горелка для электродуговой сварки. Электродуговая сварка
плавлением — наиболее распространенный вид сварки, широко
применяемый в народном хозяйстве нашей страны. Такое положение
дуговой сварки объясняется высокой концентрацией тепловой
энергии, универсальностью процесса, возможностью выполнять со-
единения в различных пространственных положениях и условиях,
простотой, надежностью и относительно низкой стоимостью обору-
дования, стабильностью прочности соединения. В последние годы
93
появилась возможность использовать промышленные роботы для
дуговой сварки сложных изделий в условиях индивидуального,
мелкосерийного и серийного производства.
Промышленный робот для дуговой сварки состоит из трех основ-
ных частей: собственно манипулятора рабочего органа, устройства
управления перемещением и технологией и сварочной аппаратуры.
Один из основных элементов сварочной аппаратуры — свароч-
ная горелка (рис. 2.25). Через нее подаются электродная проволо-
ка, соответствующий ток, защитный газ и охлаждающая вода. При
всей относительной внешней простоте конструкции горелка являет-
ся очень ответственным и сложным устройством.
Особенность установки сварочной горелки на руке робота —
наличие кронштейна, позволяющего наклонить горелку под углом а
к оси руки (кисти) робота. Это необходимо для того, чтобы обес-
печить поворот горелки вокруг оси без изменения угла ее наклона к
плоскости свариваемых деталей.
Очень важно периодически очищать горелку от нагара и брызг
расплавленного металла. Эта операция должна осуществляться ав-
томатически с помощью специальных приемов и устройств.
Разработка и конструирование совершенных рабочих органов
промышленных роботов для дуговой сварки — серьезная и доста-
точно сложная задача.
Распылитель для окраски, устанавливаемый на руке промыш-
ленного робота, ничем принципиально не отличается от обычных
распылителей, применяемых при ручной окраске. Краска подается
по шлангу под небольшим давлением, воздух — по специальному
шлангу под давлением 0,4...0,6 АШа. Управление подачей краски
осуществляется специальным золотником с электромагнитным при-
водом. Сейчас возникла задача применения промышленного робота
для окраски в электростатическом поле, но это относится уже не к
конструкции рабочего органа, а к «окружающей среде».
Специальный инструмент. Для выполнения некоторых техно-
логических операций, в первую очередь при сборке, на промышлен-
ный робот могут быть установлены инструменты для выполнения
сверления, зенкования, развертывания, полирования и т. д. Все эти
операции и соответствующие инструменты хорошо отработаны в
машиностроении. При создании рабочих органов такого типа для
роботов необходимо учитывать некоторые особенности, в частности
предусматривать возможность центрирования и самоустановки для
исключения перекосов и заклинивания. В каждом отдельном слу-
чае нужно учитывать специфику технологического процесса и осо-
бенности изделия или группы изделий.
2.5. Точность позиционирования промышленного робота.
Основные положения
Точность позиционирования промышленного робота — одна из
важнейших его характеристик, в значительной степени определяю-
щая возможность его использования для автоматизации конкрет-
94
Рис. 2.26. Точность позиционирования манипу-
лятора
ного производственного
процесса и область при-
менения.
Количественной ве-
личиной, определяющей
точность позициониро-
вания промышленного
робота, является ошиб-
ка (погрешность) пози-
ционирования, под кото-
рой будем понимать раз-
ницу между фактиче-
ским положением услов-
ной точки рабочего орга-
на и точкой, заданной
программой.
Ошибки позициони-
рования манипулятора
любой компоновки мо-
гут выражаться линей-
ными величинами Ах,
Ду и Дг (рис. 2.26). Очевидно, что для рычажной и цилиндриче-
ской компоновок манипулятора ошибки позиционирования можно
представить как угловые (Д0) в том случае, если рука робота по-
ворачивается на некоторый угол 9.
Помимо ошибок позиционирования могут возникать ошибки ори-
ентирования рабочего органа в пространстве.
Рассмотрим основные причины ошибок позиционирования ра-
бочего органа ПР.
Ошибки за счет устройств управления. Движение рабочего ор-
гана ПР в общем случае определяется работой устройства управ-
ления, следовательно, ошибки управления неизбежно приведут к
оши бкам положения рабочего органа в пространстве. К сожалению,
существующие стандарты содержат недостаточное количество ин-
формации об ожидаемых первичных погрешностях, из которых
складываются ошибки управления. Эта задача требует серьезного
изучения и обобщения.
Иногда в литературе высказывается предположение, что данные
ошибки весьма малы и ими можно пренебречь. По мнению автора,
этого не следует делать, так как надежность работы электронных
схем еще недостаточно велика. Можно разграничить ошибки
устройств управления и ошибки механической системы и считать
их отдельно, но исключать первые не следует.
Ошибки за счет приводов. Источником ошибок позиционирова-
ния промышленного робота может служить привод. Это положение
' сохраняется и в том случае, если устройство управления работает
’ идеально, без ошибок. Ошибки привода возникают в результате не-
’ точной остановки движущегося звена (например, поршня пневма-
тического или гидравлического цилиндра), неточности работы
95
электромеханических конечных выключателей, дискретности ша-
говых механизмов и, наконец, неточности остановки в заданном по-
ложении якоря электродвигателя. Ошибки такого типа легче мо-
гут быть измерены, обработаны методами математической статис-
тики и обобщены. В общем случае методика измерения ошибок
привода заключается в следующем: на вход привода подается стро-
го стабилизированный сигнал, а на выходном звене измеряется
ошибка.
Ошибки за счет технологических погрешностей изготовления
элементов и узлов манипулятора зависят от технологии изготовле-
ния механических частей манипулятора и оборудования. В резуль-
тате различного рода погрешностей фактические размеры звеньев,
определяющие положение рабочего органа в пространстве, будут от-
личаться от идеальных (расчетных). Истинные размеры могут быть
определены путем измерения изготовленной конструкции и учтены
в расчетах. Однако такой путь целесообразен лишь в редких слу-
чаях, когда речь идет об уникальных, высокоточных роботах. Обыч-
но же приходится определять ожидаемую точность разрабатывае-
мой конструкции, опираясь на ту информацию, которая содержит-
ся в рабочих чертежах.
Как известно, технологические погрешности нормируются спе-
циальными стандартами, ограничивающими их максимальные зна-
чения.
Эффект влияния каждой из первичных ошибок можно опреде-
лить независимо от влияния других ошибок, а их суммарное воз-
действие на точность позиционирования вычисляется согласно
существующим теориям точности. Что касается,^методов суммирова-
ния и определения результирующей погрешности, то в теории точ-
ности они подробно рассмотрены главным образом для плоских
замкнутых механизмов. Определение ошибки положения рабочего
органа как звена пространственного, разомкнутого многозвенного
механизма — специфическая задача теории манипуляционных систем.
Заметим, что изложенные соображения следует учитывать при
расчете ожидаемой точности позиционирования для партии роботов
одной модели, так как для конкретного образца робота эти данные
будут стабильны, хотя могут монотонно изменяться при износе ки-
нематических пар в течение определенного времени эксплуатации
робота.
Ошибки, обусловленные упругими свойствами кинематических
звеньев манипулятора. Эта группа ошибок позиционирования робо-
та определяется тем, что в процессе его работы манипулятор ока-
зывается разомкнутой системой, образует упругосочлененную из
нескольких звеньев консоль с большим вылетом и приобретает зна-
чительную податливость. Следует отметить, что эта группа причин
в ряде случаев имеет большой удельный вес в общем балансе вы-
ходной ошибки позиционирования.
Изучая влияние этих факторов на точность позиционирования
ПР, следует рассматривать отдельно задачи статической и динами-
ческой точности. К первой из них приходят в тех случаях, когда
96
приложенные к манипулятору робота внешние силы можно считать
постоянными. Вторая задача — определение динамической точнос-
ти — значительно сложнее и выходит за рамки данной книги.
Ошибки за счет люфтов и зазоров в кинематических парах су-
щественно влияют на точность позиционирования промышленного
робота. Люфты и зазоры вносят дополнительную «малую» подвиж-
ность в систему, сообщая ей двигательную избыточность.
Если по условиям нагружения допустйм статический подход и
если, кроме того, можно пренебречь трением в кинематических па-
рах, считая накладываемые ими связи идеальными, тогда, зная ха-
рактеристики зазоров, можно определить действительное положе-
ние манипулятора и вычислить действительное положение рабочего
органа. Во всех других случаях, когда приходится рассматривать
динамическую картину и учитывать трение, задачу динамической
точности удается рассмотреть лишь при ряде допущений. Главная
трудность заключается в том,что при нескольких кинематических па-
рах движение системы сопровождается ее «разрывами» и последу-
ющими соударениями в различных кинематических парах. В ре-
зультате этого движение системы не поддается какому-либо «упоря-
дочению».
Следует отметить, что влияние люфтов и зазоров можно в из-
вестных условиях снизить до нуля, если система движется в одном
направлении.
Погрешности позиционирования, зависящие от условий экс-
плуатации промышленого робота, можно разделить на несколько
типов.
1. Погрешности, вызванные нестабильностью условий смазы-
вания трущихся поверхностей. Есть все основания считать, что эти
погрешности такого же типа, как и в других механизмах и машинах,
и зависят от конкретного типа смазки, температуры окружающей
среды, степени загрязнения трущихся поверхностей, изменения
вязкости смазки во времени и т. д.
2. Погрешности, вызванные изменением линейного и кругово-
го перемещений робота, в первом приближении прямо пропорцио-
нальны значению основного перемещения, но для точного расчета
их необходимо вводить соответствующие коэффициенты. Это легко
можно проиллюстрировать на примере вращательного движения
руки робота. Совершенно очевидно, что при увеличении радиуса /?
поворота руки и при постоянной угловой погрешности Да погреш-
ность Д/ будет увеличиваться прямо пропорционально увеличению
радиуса. Заметим, что для малых углов Да дугу Д/ можно считать
прямой.
3. Погрешности, вызванные изменением массы удерживаемого
груза, существенно влияют на точность позиционирования. Номи-
нальной грузоподъемностью промышленного робота считается такая
грузоподъемность, при которой обеспечиваются установленные зна
чения эксплуатационных характеристик. При увеличении массы пе-
реносимого изделия, особенно если она выше номинальной, погреш-
ность позиционирования резко увеличивается, а точность позици-
7 0-1922
97
онирования соответственно уменьшается. Это объясняется изме-
нением динамических характеристик системы, переходных про-
цессов, увеличением вибрации и т. д. Уместно отметить, что зависи-
мость между массой переносимого изделия и погрешностью хорошо
определяется экспериментальным путем.
Некоторые теоретические положения точности позициониро-
вания промышленных роботов. Ошибки позиционирования, вызыва-
емые ошибками работы устройств управления, приводов, техноло-
гическими погрешностями и упругими свойствами кинематических
звеньев, будем считать независимыми случайными величинами с из-
вестным законом распределения.
В науке, технике и массовом производстве изделий часто при-
ходится встречаться с опытами, операциями или явлениями, мно-
гократно повторяющимися в неизменных условиях. При этом, не-
смотря на постоянство основных условий, тщательно соблюдаемых
при отдельных опытах, результаты их всегда в той или иной степе-
ни отличаются, т. е. они испытывают случайное рассеяние или под-
чиняются ему.
Классическим примером могут служить отклонения размеров
валов или отверстий деталей, изготавливаемых в машиностроении.
Эти детали, выпускаемые миллионами штук, никогда не могут быть
сделаны абсолютно одинаковыми. Кроме того, измерения одного
и того же объекта, выполненные с помощью одного и того же из-
мерительного инструмента и с одинаковой тщательностью не дают
одинаковых данных. Хотя результат каждого отдельного измерения
или фактический размер детали, получаемый в процессе обработки,
невозможно заранее предсказать, это еще не означает, что повтор-
ные измерения не обнаруживают никакой закономерности. Эта за-
кономерность хорошо изучена и описывается так называемой нор-
мальной кривой распределения.
Особое место занимают ошибки, возникающие в результате люф-
тов и зазоров. В первом приближении их можно отнести к детерми-
нированным, известным ошибкам, которые поддаются прогнозиро-
ванию и расчету.
Нормальному закону распределения случайных величин будет,
как правило, следовать всякая случайно варьируемая величина,
представляющая сумму большого числа независимых случайных ве-
личин. Это положение определяется и подтверждается центральной
предельной теоремой.
Теоретическое решение важнейших вопросов, относящихся к
композиции большого числа распределений, было дано в работах
советских математиков С. Н. Бернштейна, А. Я. Хинчина,
А. Н. Колмогорова, Б. В. Гнеденко и других, установивших, в
частности, что распределение суммы слабо зависящих друг от дру-
га случайных величин также асимптотически нормально. Это важ-
нейшее положение распространяется на подавляющее большинство
процессов в машиностроении.
На практике довольно часто встречаются случайные процессы,
протекающие в вероятностном отношении однородно при изменении
98
какого-либо параметра, например
времени. Такие случайные про-
цессы называют стационарными.
Примером стационарной в широ-
ком смысле функции или по
А. Я. Хинчину могут служить
случайные составляющие погреш-
ностей показаний измерительных
приборов. К таким приборам отно-
сится, например, индикатор часо-
вого типа, широко применяемый
в машиностроении для измерения
линейных величин. Можно было бы
привести еще ряд различных при-
Рис. 2.27. Нормальный закон рас-
пределения случайных величин
меров такого типа.
Нормальный закон распределения случайных величин показан
графиком рис. 2.27. Величина т называется центральной средней
величиной (математическим ожиданием), которой соответствует
неизвестная «истинная» величина измеряемого объекта, а величина
о — средним квадратическим отклонением ошибки. Эти величины т
и о называют параметрами нормальной кривой распределения, или
кривой Гаусса.
Если в тех же условиях, тем же прибором и с той же точностью
многократно измерять другой объект со значением mlt большим
т, то математическое ожидание результатов повторных измерений
сместится вправо в точку с абсциссой (рис. 2.28, а), причем фор-
ма кривой не изменится.
Если изменится характеристика объекта или метод измерений,
то рассеивание результатов измерений будет происходить около
центра с прежней абсциссой т, но форма нормальной кривой изме-
нится, так как среднее квадратическое отклонение о, зависящее от
характеристик объекта или точности измерений, будет иметь дру-
гое значение.
Если новый метод измерений будет более точным, то новое зна-
чение параметра о будет меньшим. Иными словами, среднее квад-
ратическое отклонение характеризует размах случайных колеба-
ний измеряемой величины, присущий данному методу измерений
(рис. 2.28, б).
Рве, 2.28. Изменение кривой распределения при разных значениях т и о
99
Нормальная плотность вероятности для любого значения слу-
чайной величины х (— оо < х < оо) определяется равенством
Р(х) = —-р=~е , (2.74)
а У 2л
где т и а — произвольные числа (параметры распределения), при-
чем о положительно.
Вероятность нахождения случайной величины х, подчиненной
нормальному закону распределения с параметрами т и о, в интер-
вале (Xj, х?)
х, । Xs _ (*—,п>
Р(х1<х<х2) = j(x)dx р 2а‘ dx =
*1 :..Ц*
Xt—tn
f ' >
х^—т
где z = —~w — вспомогательная линейная функция, для ко*
торой
Р(Z<г) = Рx~m <z) = Р(х<т + za),
где Z — сложное событие; z = х -у у.
Однако неопределенный интеграл вида
гг
р 2 dz
не выражается через известные элементарные функции, но в неко-
торых пределах может быть тем или иным приемом вычислен с ка-
кой угодно степенью точности.
Определенный интеграл с переменным верхним пределом вида
г ti*
р г dv, (2.75)
о
Ф(г) =-т=
’ V 2л
выражающий площадь под кривой Р (г) в промежутке от 0 до г
(рис. 2.29), называют функцией Лапласа.
Заметим, что Фо (0) == О, Фо (— оо) = , Фо (+ оо) = ,
Фо (—z) = —Фо (z), т. е. площадь в промежутке (0; —г) равна
площади в промежутке (0; г), но считается отрицательной.
Интегральную функцию нормального распределения можно вы-
разить через функцию Лапласа следующим образом:
о
N (г; 0, 1) = J п (г; 0;
—-ОО
1) dz + J п (г; 0; 1) dz = 0,5 + Фо (г),
о
100
' P(Z-,O;f)-
-3-2-1 0 I 2 3 Z
Рие. 2.29. Геометрическая интер-
претация функции Лапласа Фо (z)
Рис. 2.30. Схема сборки пары «ци-
линдр-отверстие» (а) и график ве-
роятности сборки в функции зазо-
ра (б)
Если теперь воспользоваться функцией
Лапласа, то эта формула примет вид
—т
Р(х1<х<хг) - J X
хх—т
__Z1 о za
Хе 2 dz-------т=- { е 2 dz —
/2Й J
= • (2-76>
Используя соотношение (2.76) и соот-
ветствующую таблицу приложений, можно легко определить веро-
ятность попадания нормально распределенной величины в интер-
валы (т — а, т ф- о), (т — 2а, т ф- 2а) и (т — За, т ф- За).
Вероятность нахождения случайной величины в интервале (т —
— За, т ф За) весьма близка к единице (0,9973). Поэтому «трех-
сигмовые» границы принимают за границы практически предель-
но возможных значений нормально распределенной случайной ве-
личины. Иначе говоря,
Р(т — За< x<Z т ф- За) a; 1.
Зная хтах и xmin, можно приблизительно определить, среднее квад-
ратическое отклонение:
х max *mln
Рассмотрим на простейшем примере (рис. 2.30) зависимость ве-
роятности сборки от бокового зазора
д, — ~ ’
°б.з — 2 .
где dj, — диаметр вала; dt — диаметр отверстия.
101
При отсутствии такого зазора сборка без применения специаль-
ных приспособлений невозможна. Сборка в условиях посадок с на-
тягом требует особого рассмотрения и в рамках этой книги не осве-
щается.
Построим кривую, показывающую зависимость вероятности
сборки от зазора (рис. 2.30, б). Значения зазора бб.з будем откла-
дывать в средних квадратических отклонениях ар, а вероятность
сборки, т. е. вероятность попадания цилиндра в отверстие,— в про-
центах.
При боковом зазоре бб.з = ар вероятность попадания цилиндра
в отверстие РСб = 68 %, при бб3 = 2ор РСб = 96 % и при бб3 —
= Зор Рсб = 99 %.
Следовательно, боковой зазор Зор обеспечивает почти 100 % ве-
роятность сборки. На практике эта величина может оказаться чрез-
мерно большой и тогда надо будет принимать специальные меры для
повышения вероятности сборки, например использовать специаль-
ные технологические направляющие, устройства, обеспечивающие
сканирование вводимой в отверстие детали, и т. д.
Обработку результатов измерений рекомендуется выполнять в
следующем порядке.
1. Весь диапазон наблюдаемых значений случайной величины
х — погрешности выдвижения рук робота — разбить на k частич-
ных интервалов. Число таких интервалов при числе наблюдений по-
рядка 200...300 и более рекомендуется выбирать в пределах от 10
до 20. Если число наблюдений меньше 50... 100, то интервалов мо-
жет быть 5... 15. При слишком большом числе интервалов картина
распределения будет искажена случайными зигзагами частот. При
слишком малом числе интервалов будут сглажены и затушеваны ха-
рактерные особенности распределения.
Таблица 2.9. Интервалы и значения частоты
№ п/п Интервал зна- чений X ~х> mi п (Xj — х)' mj
1 [x0> Xj] ”1 m-Jn. (Xi — x)2 mt
2 [xJ( x2] «2 mjn (xs — x)2 m,
• • • • в •
• • • • • •
• • • • 1 •
k [x*_l> XftJ k ~ n i=l m^/n k i—i (x* — x)2 mk k S (*/-*)’«/ Mi
Примечание, п — общее количество наблюдений; х,- — среднее значе-
ние интервала; х — среднее арифметическое значение х; m.j — частота попадания
к в /-й интервал; trijln — частость попадания х в /-й интервал.
102
Длину частичного интервала определить по формуле
I, х max Xmin
П--------k '
Полученную шкалу интервалов занести в табл. 2.9.
2. Определить середины интервалов
3. Подсчитать частоты пг/ и частости т,-/п попадания случайной
величины в частичные интервалы.
4. Построить гистограмму и полигон частостей (рис. 2.31).
5. Вычислить среднее арифметическое
k
6. Вычислить среднее квадратическое отклонение
/к ~ - т,
7. Для выражения (2.74) принять тх ~ х и выдвинуть гипотезу
о том, что исследуемая случайная величина х подчиняется нормаль-
ному закону распределения.
8. Аналогично обработать данные эксперимента по случайной
величине 0, пересчитав ее в линейную величину.
Пример. При испытании точности позиционирования промышленного робота
по координате х (выдвижение руки) получены следующие показания индикатора:
1,82; 2,46; 2,25; 2,68; 2,05; 1,61; 2,62; 2,30; 2,28; 2,22, 2,74; 1,84; 2,17; 2,63;
2,47; 2,26; 2,28; 2,29; 2,48; 2,36. Всего сделано 20 измерений. Необходимо опреде-
лить математическое ожидание, среднее арифметическое х и среднее квадратиче-
ское отклонение ох.
Математическое ожидание (среднее арифметическое)
k
X X,
----= .46’^8 = 2,324 «2,32.
п 20
С целью упрощения вычислений и исключении дробных чисел вычтем ия по
лученных данных постоянную составляющую 1,6 мм и переведем их в целые числа.
103
Таблица 2,10. Интервалы и частоты примера
№ п/п Интервал значений Середина интервала Частота Частость
1 1...23 12 2 0,10 (12—72)2 2
2 23...45 35 1 0,05 (35—72)2 1
3 45...67 57 3 0,15 (57—72)2 3
4 67...89 79 8 0,40 (79—72)2 8
5 89...111 101 3 0,15 (101—72)2 3
6 111...133 122 2 0,10 (122—72)2 2
Тогда данные примут следующий вид: 22; 86; 66; 108; 45; 1; 102; 70; 68;
132; 114; 24; 57; ЮЗ; 87; 66; 68; 69; 88; 76.
Тогда
k 1
Для построения гистограммы и расчета ох весь диапазон значений xj разобьем
на 6 частичных интервалов:
Хтах хт1п 132—1 "
п =-------s------=-----г----fa лл.
6 6 •:>: V
Полученные данные заносим в табл. 2,10. ; ’,i
Определяем ох:
°* = l/^E V = 20-'эд'— = /ТоСТ- 31,73 ММ.
Г /=]
Таким образом, погрешность позиционирования
Зо- = +• 3 • 0,3173 Ч- 0,952 мм.
X
Строим гистограмму (рис. 2.32). . ' * , Л
Ошибки позиционирования за счет неточности изготовления и
сборки. Предположение о том, что точность позиционирования про-
мышленного робота определяется только ошибкой его позициони-
рования, а изделие изготовлено и установлено абсолютно точно, яв-
ляется частным случаем системы «робот — инструмент — деталь»
(РИД). В действительности существуют и другие ошибки, существен-
но влияющие на точность позиционирования.
Для пояснения сказанного приведем примеры. Допустим, что
промышленный робот должен взять заготовку 1, находящуюся в
приспособлении, и перенести ее в другую позицию, например, в
пресс (рис. 2.33). Это классическая задача роботизации производ-
ственных процессов, называемая иногда «взять — перенести — по-
ложить». Заготовка расположена в приспособлении не абсолютно
точно. В зависимости от конкретной конструкции приспособления
ошибка установки заготовки может колебаться в большом диапазо-
не — от 0,01 мм до нескольких миллиметров. Если заготовка нахо-
104
j Рис. 2.33. Движение робота по схеме «взять — перенести—положить»
дится на периодически движущемся конвейере или вращающемся
столе, то точность ее позиционирования будет определяться и точ-
ностью транспортного устройства.
Если робот берет заготовку с того места, куда ее положил пре-
дыдущий робот 2, а специальные меры по повышению точности ее
позиционирования не приняты, то погрешность установки заготов-
ки можно считать равной погрешности работы первого робота.
В производственной практике предприятий машиностроитель-
ного профиля часто имеют место ошибки изготовления заготовки.
Допустим, что необходимо совместить деталь, которую подает робот,
с отверстием, имеющимся в корпусной детали. В общем случае сле-
дует учитывать допуск на отклонение центра отверстия, который ус-
тановлен чертежом и зависит от точности обработки отверстия на
конкретном станке. Вероятность того, что центр отверстия точно со-
впадает с заданным, ничтожно мала.
Наиболее яркий пример можно привести из автомобилестроения,
где промышленные роботы все шире применяются для контактной
точечной сварки кузовов легковых автомобилей и кабин грузовых
автомобилей. С помощью специальной методики и довольно сложно-
го измерительного устройства установлено, что одна кабина может
отличаться от другой весьма значительно. Это объясняется неточ-
ностью заготовок, износом штампов и пресс-форм, неточностью сбо-
рочного приспособления.
Сказанное поясняет рис. 2.34. Как бы точ-
но ни было установлено основание кабины на
платформе измерительного устройства, верх-
ние и средние части каждой кабины имеют от-
клонения в вертикальной и горизонтальной
плоскостях, достигающие иногда А =
= ±0,5 мм. Следовательно, значительное
отклонение кромки от вертикали и горизон-
тали не обеспечивает нормальную работу про-
мышленного робота, ведущего контактную
точечную сварку, и требует применения либо
специальных самоустанавливающихся кле-
щей, либо адаптивного робота.
Рис. 2.34. Схематиче-
ский разрез автомо-
бильной кабины и воз-
можные ошибки сборки
105
Рис. 2.35. Ошибки позиционирования:
а — идеальный случай; б — ошибка позиционирования робота;
в — ошибка изготовления детали; г — ошибка установки детали
На рис. 2.35, а показан идеальный случай, когда оси всех трех
элементов системы РИД совпадают и сборка легко осуществляется
при движении захватного устройства вниз. На рис. 2.35, б показано
положение ЗУ (инструмента), когда он отклонился от оси РИД
вправо (или влево) на величину Это и есть ошибка позициониро-
вания робота. На рис. 2.35, в показан случай, когда, кроме того,
деталь изготовлена неточно. Сдвиг 62 оси отверстия от оси изделия
представляет собой ошибку изготовления изделия. И, наконец, на
рис. 2.35, г показано положение, когда изделие по отношению к ос-
нованию установлено неточно. Эта ошибка обозначена 63. На всех
рисунках для наглядности ошибки расположены так, что складыва-
ются по величине и составляют максимальную ошибку:
2S = S, + 62 + б3. (2.77)
Очевидно, что такое распределение — это частный случай.
На основании изложенных соображений можно сказать, что пе-
речисленные ошибки — случайные, независимые друг от друга и
имеют вероятностный характер.
Как уже было показано ранее, ошибки изготовления и позицио-
нирования (установки) изделия также подчиняются нормальному
аакону распределения:
(Xj—m)1
| 2а^
"" • (2 78>
где Ри.и (х) — плотность вероятности величины х; ои.и — среднее
квадратическое отклонение ошибок изготовления изделия (откло-
нение центра отверстия от математического ожидания т).
Плотность вероятности распределения величины х
<*/—'пи.и)’
2 2а2
: - = Р'“ ’ . (2<79)
10в
где Ор.н — среднее квадратическое отклонение расположения изде-
лия; X,- — отклонение оси изделия от математического ожидания
/п'; тн.и — математическое ожидание случайных ошибок изделия.
Необходимо произвести композицию этих двух законов, т. е.
найти закон распределения
Р (х) = Рр.и (х) + Ри.и (х). (2.80)
Применим общую формулу для композиции двух законов распреде-
ления:
<7(z)= J fi(x)f2(z~x)dx, (2.81)
—со
откуда
_ (*-^”р.н>* _ U—X—<пи.и)'
{ е 2<и 20ии dx, (2.82)
4 ' ’ 2я°р.иаи.н '
где /Ир.и — математическое ожидание расположения изделия. Если
раскрыть скобки в показателе степени подынтегральной функции и
привести подобные члены, получим
’<г,=-Я5ГА7ИЛ‘'+М"‘,Х’ (2'83)
—00
где
, 1 ^р.и + ^.и .
2 ар.иаи.и ’
D тр.и , г—ти.и
„2
г _
2°р.и
2aL
<г~ ти.н)-
Подставим эти выражения в формулу
ас—в*
А
и после преобразования получим
[z—(/пр,н4"тИ.и)11
д(г)= ____!--------~е Ч-иЧ.и> , (2.84)
V J +а2
Г Vp.H Г ии.И
а это есть не что иное, как нормальный закон распределения с ма-
тематическим ожиданием
Щ == //1р.и "ф /77и.и (2.85)
и средним квадратическим отклонением
о = ]/"ор.и + с/и.и. . • (2.86)
107
Выражение (2.86) можно записать
о2 = ^.и + о1н (2.87)
или
D = Dp.h + Dh.„, : (2.88)
где D, Dp.„ и DHM — дисперсии.
В общем виде мы пришли к следующему правилу: при компози-
ции нормальных законов получается нормальный закон, причем ма-
тематические ожидания и дисперсии суммируются.
Правило композиции нормальных законов может быть обоб-
щено на случай произвольного числа независимых случайных ве-
личин. Если имеется п независимых случайных величин xlt х2, ..., хп,
подчиненных нормальным законам с математическими ожидания-
ми mXl, тх„ ..., mXft и средними квадратическими отклонениями aXii
ах„ ...» ох^ то величина
z = £ mxf (2.89)
тоже подчинена нормальному закону с параметрами
п
(2.9°)
/=i
<Тг = £ <4,. (2.91)
;=1
Мы рассмотрели частный случай, когда ошибки позиционирова-
ния и ошибки изготовления изделия были равны 0. В общем виде
решение задачи усложняется.
Для строгости изложения и упрощения математических преоб-
разований будем считать, что есть всего две ошибки, две независи-
мые случайные величины: Рр — вероятность ошибки робота; Ра —
суммарная вероятность ошибки изготовления изделия и его разме-
щения.
Такое допущение совершенно корректно, так как одна из со-
ставляющих может быть равна 0.
Тогда
(X—тр)«
1
р • <2-92>
' ' (X—ти)»
1 2^
Ри(х) = —~е 2ои , , (2.93),
Ои у 2л
где ffp и <ти — средние квадратические отклонения робота и изделия
соответственно.
Ошибки позиционирования за счет люфтов в кинематической
схеме манипулятора. В достаточно сложных механизмах, как пра-
вило, имеются люфты, которые появляются за счет зазоров, если не
108
Рис. 2.36. Кинематическая схема привода промышленного робота
ИЭС-690 (а) и диаграмма люфтов до модернизации (6)
были приняты специальные меры по их устранению. Эти люфты в ки-
нематических парах суммируются и существенно ухудшают точ-
ность работы механизма. Задача обнаружения, измерения и уст-
ранения люфтов очень хорошо изучена и освещена в многочислен-
ных публикациях.
Обратим внимание на те специфические особенности, которые
присущи промышленным роботам. С этой целью рассмотрим кон-
кретный механизм азимутального поворота манипулятора промыш-
ленного робота ИЭС-690 (рис. 2.36, а). На схеме указано количест-
во зубьев на всех шестернях, что позволяет посчитать передаточ-
ные числа. Расчет, выполненный для конкретных условий изго-
товления конических и цилиндрических шестерен, дает следующий
суммарный люфт, приведенный к концу невыдвинутой руки:
6г|/г=н5о = 1,682 мм,
а соответственно суммарный люфт при полностью выдвинутой руке
|д=21бо — 3,145 мм.
. Перед тем как принимать решение о применении тех или иных мер
по снижению или устранению люфтов, целесообразно определить со-
ставляющие суммарного люфта в отдельных звеньях механизма.
На рис. 2.36, б представлена диаграмма люфта Сп, приведенного
к 'концу руки робота, наглядно иллюстрирующая составляющие
суммарного люфта в трех шестеренных передачах, приведенных к
выходному валу редуктора азимутального поворота (указаны в ра-
дианах и процентах). Из диаграммы следует, что максимальный люфт
наблюдается в последнем звене (85,24 %) и поэтому в первую оче-
редь выбирать его необходимо здесь (zlt z2). Если в этом звене уст-
ранить люфт путем установки разрезной шестерни на валу III
(рис. 2.37, а), то величина 62 соответственно уменьшится
(рис. 2.37, б):
6s |д=п5о = 0,252 и 6s |r=215o = 0,640 мм.
На рис. 2.38 приведен график люфтов до модернизации и после.
На основании изложенного можно сделать вывод, что люфт в дан-
109
Рис. 2.38. Сравнительный график
люфтов до модернизации (/) и посла
(2)
Рис. 2.37. Кинематическая схема
привода робота ИЭС-690 с установ-
ленной pa-резной шестерней (а) и
диаграмма люфтов после модерни-
зации (б)
ном редукторе с механизмом выборки на последнем звене будет
0,252 мм и 0,640 мм при вдвинутой и полностью выдвинутой руке
соответственно.
Пользуясь приведенной методикой, можно рассчитать суммарный
люфт любого манипулятора, точность позиционирования и при-
нять соответствующие решения о способах его снижения.
. ЛГ'П' ,
Глава 3
ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
3.1. Классификация приводов, особенности, требования
Приводы промышленных роботов в значительной степени оп-
ределяют динамические характеристики манипуляторов — ускоре-
ние, скорость движения рабочего органа, точность позиционирова-
ния и т. д. От типа и конструкции привода зависят эксплуатацион-
ные показатели, габаритные размеры, потребление энергии, уро-
вень шумов, возможность эксплуатации роботов в различных сре-
дах.
Существует ряд показателей, по которым можно классифици-
ровать приводы ПР. Задаче создания совершенного, экономичного
и компактного электропривода посвящено много специальной ли- Ц
тературы, поэтому не будем останавливаться на общеизвестных >
положениях и постараемся отметить только те специфические сторо- j
ны приводов, которые характерны для промышленных роботов. I
Уместно отметить, что задача создания приводов для роботов имеет
много общего с задачей создания приводов для металлорежущих
станков с числовым программным управлением.
ПО
По виду используемой энер- У
гии приводы можно разделить
на пневматические, гидравличе-
ские, электромеханические и ком-
бинированные.
Один из важных параметров
привода промышленного робо- f Q $ -
та — его способ отсчета коорди- о , п , ,
„ , Рис. 3.1. Принцип относительного (а)
нат. Существуют два способа от- и абсолютного (б) отсчета координат
счета координат (рис. 3.1) — от-
носительный (по приращениям) и абсолютный (эти понятия отно-
сятся главным образом к дискретным приводам).
При относительном способе (рис. 3.1, а) отрезки ух, у2 и у3 тра-
ектории пропорциональны соответствующим отсчетам импульсного
датчика. Если на одном из участков появится ошибка Ду и переме-
щение произойдет на величину уь то эта ошибка скажется и на по-
следующих участках отработки программы. Как это будет показано
далее, импульсный датчик не дает информации о положении рабо-
чего органа по отношению к началу координат.
Отличие абсолютного отсчета координат (рис. 3.1, б) заключа-
ется в том, что датчик обратной связи всегда дает отсчет перемеще-
ния от начала координат. Для этого применяют так называемые ко-
довые датчики обратной связи. Если на одном из участков по-
явится ошибка, то она не скажется на дальнейшей отработке про-
граммы, так как отсчет идет всегда от начала координат.
К приводам с относительным отсчетом координат (по приращени-
ям) относится шаговый привод, с абсолютным — большинство
электроприводов с обратной связью по положению.
Выбор типа привода — часть общей задачи проектирования и
создания/Промышленного робота новой конструкции. При этом не-
обходимо учитывать много различных факторов и соображений:
— характер нагрузки на рабочий орган манипулятора и его
промежуточные звенья;
— кинематические характеристики манипулятора, т. е. необ-
ходимые угловые и линейные перемещения, скорости, ускорения,
законы движения рабочего органа и переходные процессы разгона
и торможения;
— число точек и точность позиционирования, или точность вос-
произведения криволинейной траектории, и точность стабилизации
контурной скорости;
— условия эксплуатации робота и прежде всего характеристики
окружающей среды — давление воздуха, температуру, влажность,
пожароопасность, загрязнение, а также механические воздействия,
необходимый ресурс, желательный КПД и другие факторы.
Определенных границ использования приводов различного ти-
па не существует. Пневматические приводы предпочтительно при-
менять для простых роботов с цикловым управлением и небольшой
грузоподъемностью (до 10 кг). Для роботов средней и большой гру-
аоподъемности, как правило, используют гидропривод. В послед-
111
ние годы все более широко применяется электромеханический при-
вод. Выбор типа привода во многом определяется существующим
или предполагаемым к использованию устройством управления.
Перечисленные приводы широко используются в различных об-
ластях техники. Однако применение приводов в промышленной ро-
бототехнике обусловлено рядом специфических особенностей и тре-
бований.
1. Современные промышленные роботы имеют большое коли-
чество управляемых координат (от 3 до 7), сложную кинематиче-
скую структуру, каждая из координат управляется отдельным при-
водом.
2. Для выполнения заданной технологической операции необ-
ходимо обеспечить групповое управление приводами координат.
3. Особое значение имеет задача обеспечения высокой точности
позиционирования по каждой координате при напряженном ди-
намическом режиме работы и большом количестве кинематических
пар.
4. Широко изменяется диапазон нагрузок на привод с преоб-
ладанием инерционных усилий. Этот фактор в значительной степени
определяет выбор типа привода.
5. К приводам промышленных роботов, в частности к исполни-
тельным элементам, предъявляются жесткие требования по мини-
мальным габаритным размерам и массам.
6. Приводы промышленных роботов должны длительное время
работать в неподвижном, заторможенном состоянии.
7. Требуются большой ресурс работы и высокая надежность
при значительных динамических нагрузках и безрегламентной экс-
плуатации.
3.2. Пневматический привод
Пневматические приводы промышленных роботов широко при-
меняются в простейших роботах с цикловым устройством управле-
ния. По статистике 40..50 % всех моделей промышленных роботов
снабжены пневматическим приводом. Как уже было сказано, пнев-
матические приводы применяют только для роботов небольшой гру-
зоподъемности — до 10 кг.
Основные преимущества пневматических приводов ПР:
— простота и надежность конструкции;
— высокая скорость выходного звена (до 1000 мм/с при ли-
нейном перемещении, до 60 об/мин при вращении);
— использование сжатого воздуха в качестве энергопереда-
ющего рабочего тела, что обеспечивает экологическую чистоту всех
приводов робота;
— возможность использования сжатого воздуха из заводской
пневмосети с давлением 0,5...0.6 МПа;
_ — высокая точность позиционирования при работе по жестким
упорам;
112
— возможность применения в агрессивной и пожароопасной
средах;
— высокий коэффициент полезного действия (до 0,8);
— простота компоновки элементов;
— низкая стоимость конструкции и малые затраты на обслужи-
вание.
Недостатки пневматического привода:
— невозможность осуществить принцип программного переме-
щения без упора (исключение — цифровые пневмоприводы);
— нестабильность скорости выходного звена при изменении на-
грузки (вследствие сжимаемости воздуха);
— ограниченность числа точек позиционирования (чаще всего
две) в приводах с цикловым управлением;
— увеличение числа точек позиционирования требует приме-
нения специальных конструкций позиционирующих устройств;
— необходимость демпфирования движения выходного звена
привода в конце хода, так как при больших скоростях движения
выходного звена при подходе к упорам возможны сильные удары
рабочего органа робота по упорам;
— наличие шума при работе.
Наиболее широко в пневмоавтоматике применяется силовое
исполнительное устройство — цилиндр двустороннего действия
(рис. 3.2). С помощью обычного поршня можно осуществить как по-
ступательное линейное перемещение по соответствующей коорди-
нате манипулятора, так и вращательное, если установить поворот-
ные пневмодвигатели, в которых используется тот же принцип порш-
ня. На рис. 3.2 поршень цилиндра показан в момент движения
вправо. Положение поршня отмечается текущей координатой х, от-
считываемой от условного нуля; х0 — начальная координата порш-
ня, которая характеризует минимальный объем рабочей полости
в исходном положении поршня, причем здесь учитывается расчет-
ный объем, а не фактический, поэтому
Vp mln
*0 = —5?—
где F — эффективная площадь
поршня; Ио— объем вредного
пространства цилиндра со сто-
роны рабочей полости; Ирл —
расчетный объем подводящего
воздухопровода на участке от
рабочей полости до воздухорас-
пределителя. Учитываются так-
же Иов — объем вредного про-
странства полости выхлопа;
^р.т.в — расчетный объем вы-
хлопного трубопровода; FB —
эффективная площадь поршня в
V о + V р.т
Рис. 3.2. Схема пневматического ци-
линдра двустороннего действия
8 0-1922
113
полости выхлопа; т — приведенная к штоку масса подвижных
частей координаты.
Рассмотрим случай, когда поршень под действием поступающе-
dx ,
го слева воздуха движется направо со скоростью % = — (мгновен-
ное значение), преодолевая силу сопротивления R. Величина R
включает в себя силу трения, полезную нагрузку, вес подвижных
частей, учитываемый в случае, если пневмоцилиндр расположен
вертикально или под некоторым углом к горизонту.
Каждому моменту движения соответствует определенное состо-
яние воздуха в полостях цилиндра, характеризуемое такими пара-
метрами, как давление р и рв, температура Т и Т9 и удельный вес
у и ув. Рабочая полость во время движения соединена с источником
питания через воздухопровод с эффективной площадью сечения /в,
а полость выхлопа — с атмосферой через выхлопной воздухопро-
вод с эффективной площадью сечения /в.э. На схеме также показа-
ны: диаметр поршня О; диаметр штока d\ длина хода S и сигналы
переключения воздухораспределителя Yt и Y.2.
Представляет интерес время перемещения поршня из одного
крайнего положения в другое. Определяют это время, находя период
наполнения минимального расчетного объема рабочей полости '/р min
от атмосферного давления ра до давления движения рд и период
опорожнения расчетного объема полости выхлопа Кр.в от давления
Ртах до давления рв в конце выхлопа. Если найденные значения вре-
мени не равны между собой, то принимают большее из них, т. е. вре-
мя процесса, лимитирующего движение поршня. Необходимые для
расчета этих процессов давления движения находят из условия рав-
новесия сил, действующих на поршень привода в момент начала
движения:
Paf — Рв^в — R = о. (3.1)
Поскольку в уравнении два неизвестных, то оно имеет множество
решений, из которых только одно правильное. Решают это уравне-
ние методом подбора.
Период движения поршня наиболее сложен как по характеру
протекающих при этом процессов, так и по расчету. Процесс дви-
жения описывается системой дифференциальных уравнений, вклю-
чающей уравнение движения поршня и два уравнения, которые
характеризуют изменение давлений в полостях:
. .. m-~ = p„F -pB — R’
< ц» dp________k Г /эКДмФ (о) VJTK _ dx 11
dt % + x0 L F p dt J*
dp, k Г dx_________fB.3KP,><V (о) ! =
dt S + хОв — x Рв dt FB J ’
где К = j/”; Pm — давление питания; рв— давление выхло-
па; ср (а) —функция расхода; Тм — температура воздуха на входе.
Эти уравнения не учитывают теплообмен с окружающей средой,
а также утечки и перетечки воздуха из полостей привода.
Проведя некоторые преобразования, можно записать систему
(3.2) в виде, удобном для интегрирования:
х = ~rr^pF ~ P*F»~
. k Г ЦХРмФ (о) У7Г„
Р — г Л. г. \ F
(3.3)
/г
Рв “ 3 + хОв-
3fr—1
/В.Ж * <Р(о)Ц77м
р^х
>г—I
г _ 2k
Г-p.,
В общем виде система уравнений (3.3) решения не имеет. Ее мож-
но решить только численным интегрированием. Применение ЭВМ
позволяет получить требуемую точность при небольших затратах
времени.
Изложенная методика дает численные значения параметров та-
кого широко распространенного устройства, как обычный поршень.
Для вращательного движения используется поворотный пневмо-
двигатель (рис. 3.3). Расчет такого механизма проводится по из-
ложенной методике с некоторыми упрощениями, так как обе рабо-
чие полости цилиндра совершенно одинаковы.
Управление золотником-воздухораспределителем осуществля-
ется с помощью различных кулачков и упоров. Наиболее целесо-
образно обеспечить управление от электромагнитов, включенных
в цепь устройства циклового программного управления.
К числу промышленных роботов с пневматическим приводом
относятся следующие отечественные модели: РФ-201М, МП-9С,
ПР-4, «Универсал-5», «Циклон-ЗБ» и «Бриг-10». Харьковским ин-
ститутом ВНИИгидропривод разработан и серийно выпускается
комплекс пневматических и гидравлических приводов и аппарату-
ры, позволяющий успешно решать задачу создания новых моделей
ПР с использованием агрегатного принципа. В состав комплекса
входят цилиндры пневматические (гидравлические) типа ЦРГП и
поворотные пневмодвигатели ГЩП.
Цилиндры пневматические (гидравлические) типа ЦРГП раз-
работаны в двух исполнениях: с нерегулируемым ходом поршня и
регулируемым. Цилиндры с нерегулируемым ходом поршня пред-
назначены для осуществления линейных перемещений механизмов
промышленных роботов с пневмо- или гидроприводом; цилиндры с
регулируемым ходом поршня — для меха-
низмов, требующих на ।
работы различного хода поршня. Пневмо
цилиндры работают на сжатом воздухе с
температурой 0...60 °C и степенью очистки
не грубее 10-го класса загрязненности по
ГОСТ 17433—80. , , „
разных режимах Ilf
поршня. Пневмо-
Рис. 3.3. Схема поворот-
ного пневмодвигателя
8*
115
Таблица 3.1. Габаритные и присоединительные размеры цилиндров
с нерегулируемым ходом поршня
50 X 63
ЦРГП 1000 01 70 98 1394 30 20 20 М16Х1.5 1350
63 X 40
ЦРГП—goo” 01 76 111 896 38 25 25 М16Х1.5 844
63 X 40
ЦРГП )000 01 76 111 1396 38 25 25 М16Х1.5 1344
80+ 56
ЦРГП ~250— 01 95 130 778 42 32 32 М24Х1.5 710
D X d
Примечание. В формуле цилиндра типа ЦРГП —— 01 (02) обозна-
чения те же, что и приведенные ранее (см. текст), 01 — с нерегулируемым ходом
поршня, 02 — с регулируемым.
Цилиндр с нерегулируемым ходом поршня крепят с помощью
проушин, одна из которых навернута на резьбовой конец штока, а
другая выполнена совместно с задней крышкой цилиндра. Ци-
линдр с регулируемым ходом поршня крепят с помощью хомутов в
любом месте гладкой наружной поверхности. Рабочее положение
цилиндров в пространстве произвольное. Габаритные и присоеди-
нительные размеры цилиндров с нерегулируемым ходом поршня
приведены в табл. 3.1.
Цилиндры с регулируемым ходом поршня бывают следующих
моделей: ЦРГП 02; ЦРГП 538оО45 О2; ЦРГП ^<11 02;
ЦРГП 02 и ЦРГП —Тпал56~ 02. Для цилиндров этого типа
Оии I (JUU
используется давление воздуха от 1,0 (номинальное) до 1,6 (макси-
мальное) МПа. Номинальная скорость перемещения поршня
1,5 м/с, КПД = 95 %.
Поворотные пневмодвигатели ПДП предназначены для осущест-
вления неполноповоротных вращательных движений механизмов
промышленных роботов. ПДП бывают одинарными и сдвоенными.
В качестве рабочей среды следует применять сжатый воздух с тем-
116
Таблица 3.2. Характеристики поворотных пневмодвигателей
Тип двигателя Крутящий момент, Н-м Диаметр цилиндра, мм Угол пово- рота, ° Рабочий объем иа один градус пово- рота, см3
ПДП.1—1.040.180 10 40 180 0,4
ПДП.1С—2.040.180 20 40 180 0,8
ПДП.2—3.2050.180 32 .. 50 180 0,8
ПДП.2С—6,3.050.180 ез 50 180 1,6
ПДП .2—8.063.180 80 63 180 2,0
ПДП.2—8.063.270 80 63 270 2,0
ПДП.2С.16.063.180 160 63 180 4,0
ПДП.2С.063.180 160 63 270 4,0
ПДП.2—25.100.180 250 100 180 6,3
ПДП.2—25.100.270 250 100 270 6,3
ПДП.2С.40.100.180 400 100 180 12,0
ПДП.2С.40.100.270 '4 , 400 , 100 270 12,0
Примечание. Расшифровка обозначений: ПДП — пневматический
двигатель поворотный; 1 — без торможения; 2 — с торможением; С — сдвоен-
ныи; 1; 2; 3; ... — крутящий момент, Н • угол поворота, °. м; 040 — диаметр поршня, мм; 180 —
пературой 0...60 °C и степенью очистки не грубее 10-го класса за-
грязненности по ГОСТ 17433—80. Характеристики различных ис-
полнений поворотных пневмодвигателей приведены в табл. 3.2.
Как уже было сказано ранее, обычный пневмопривод не может
перемещаться по программе, так как передающая среда — воз-
дух — обладает упругими свойствами. Поэтому обычный пневмо-
привод, как правило, работает от упора до упора либо с использо-
вгнием р зличных к нечных выключателей, т. е. в режиме циклово-
го управления, что, конечно, сужает его возможности и область
применения.
В настоящее время создан и достаточно широко применяется циф-
ровой пневмопривод, который лишен указанного недостатка.
Цифровые многопозиционные линейные пневмоприводы. Рас-
ширение функций промышленных роботов в значительной мере обес-
печивается благодаря использованию многопозиционных (много-
поршневых) пневмоприводов. При этом удается совместить в
одном исполнительном устройстве высокую точность позиционирова-
ния и возможность обслуживания многономенклатурного произ-
водства без существенных затрат времени на перекомпоновку РТК.
Цифровой позиционный пневмопривод с внутренним располо-
жением п поршней 2, находящихся в зацеплении между собой (ход
i-ro поршня в два раза превышает ход (i — 1)-го), показан на
рис. 3.4. Число дискретных положений такого привода W =2", а
дискретность составляет величину i хода штока второй секции,
определяемого конструктивными характеристиками полости первой
секции. Привод воспринимает «-разрядные параллельные двоичные
входные сигналы. Последний га-й поршень выполнен совместно со
штоком, и штоковая полость соединена с магистралью противодавле-
117
Рис. 3.4. Цифровой многопозиционный линейный пневмопривод с внутренним
расположением поршней \
ния, которое служит для возврата поршней привода в исходное по-
ложение при снятии входных сигналов.
Управляющее устройство содержит каналы // и III подвода,
сообщенные с продольным отверстием 1 в корпусе 1 цилиндра, а
также каналы IV отвода рабочего тела из поршневых полостей.
Кроме того, в управляющее устройство входят эластичные заслонки
3, установленные в продольных отверстиях, и прижимы 4, связанные
механической передачей в виде рычагов 10 с запорными клапанами
8 распределителей 9. Поршни выполнены в виде стержней 7 с ди-
сками 6 на торцах.
Работа привода заключается в следующем. Рабочее тело, на-
пример сжатый воздух, подается в отверстие /. При подаче управ-
ляющего сигнала на один или несколько распределителей 9 их за-
порные клапаны 8 открывают каналы IV отвода и посредством ры-
чагов 10 воздействуют на соответствующие прижимы 4, которые
прижимают эластичную заслонку 3 к соответствующим каналам
11 подвода, перекрывая их. При отсутствии управляющего сигнала
на распределителе 9 эластичная заслонка 3 под действием воздуха
деформируется и отжимает прижим 4 от канала // подвода. Прижим
4 через рычаг 10 воздействует на запорный клапан 8, который за-
крывает канал отвода.
Таким образом, обеспечивается одновременное открытие кана-
лов подвода и перекрытие соответствующих каналов отвода при от-
сутствии управляющих сигналов на распределителе, а также
одновременное закрытие каналов подвода и открытие соответствую-
щих каналов отвода при подаче управляющих сигналов Перемеще-
ние выходного штока 5 зависит от комбинации двоичных сигналов
на распределителях 9. В общем случае для «-секционного привода
п
максимальное перемещение L выходного штока As = £ Ч = (2” —
iil
— 1) I, где I — дискретность привода.
К разновидностям цифрового пневмопривода относят также
пневмопривод с внешним расположением поршней (рис. 3.5), что обу-
словливает его технологичность при сборке.
118
Работа привода заключается в следующем. Координаты пози-
ционирования и момент начала демпфирования заранее програм-
мируются в системе управления. При подаче рабочего тела из ма-
гистрали в секцию (секции) гидропневмодвигателя 1 шток 2, пере-
мещаясь, например вправо, увлекает за собой через связь 3 шток 4
демпфера. Управляемый источник 7 электрического поля обесто-
чен, сообщающим каналом 6 обеспечивается рабочая скорость што-
ка 2.
При достижении штоком 2 критического положения, обуслов-
ленного программой координаты позиционирования и моментом на-
чала демпфирования (формируется датчиком предельных положе-
ний, например сопло — заслонка, или герконами), в блоке про-
граммного управления устройства 8 формируется требуемый закон
нарастания напряжения, которое поступает на управляемый ис-
точник электрического поля 7. Под воздействием этого поля изме-
няется вязкость жидкости рабочего тела с электрореологическим
эффектом в сечении канала, где расположен источник 7. При этом
сужается проходное сечение канала 6 и уменьшается скорость пере-
текания рабочего тела из правой полости цилиндра демпфера 5 в
левую.
В программном управляющем устройстве 8 закон нарастания на-
пряжения формируется таким образом, чтобы обеспечить плавное
(либо дискретное) снижение рабочей скорости перемещения штока 2
до ползучей, а затем и до полной остановки его в заданной програм-
мой координате. После окончания торможения обесточивается ис-
точник 7 электрического поля и восстанавливаются начальные свой-
ства жидкого рабочего тела, т. е. подготавливаются условия для
перемещения штока 2 на рабочей скорости в новую координату,
предусмотренную программой, в том числе и реверсирование.
При необходимости аналогично описанному может формиро-
ваться закон управления разгоном штока 2 до рабочего значения
скорости на начальных этапах движения. Математическая модель
Противодавление
---- & Рис. 3.5. Схема цифрового ли- •»
От guCfhehbl нейного пневмопривода с внеш-
упрйолеНия ним расположением поршней
и9
такого привода представляет собой замкнутую систему дифферен-
циальных уравнений, описывающих изменение во времени давле-
ний в полостях управления и движение поршней. В основу динами-
ческого расчета таких приводов может быть положена гипотеза об
устойчивой группе поршней, под которой понимают совокупность
находящихся в контакте друг с другом и в данный момент времени
движущихся как одно целое (под действием внешних к данной сово-
купности сил) поршней. Устойчивая группа в течение переходного
процесса может видоизменяться в результате изменения внутрен-
них (между элементами группы) и внешних сил, а также в резуль-
тате соударения отдельных устойчивых групп. При этом могут об-
разовываться новые устойчивые группы.
Исходя из допущения о наличии устойчивости группы порш-
ней, находим ускорение звеньев группы ч ; г .
= ' <3-4)
/=1 1=1 ,
и уравнение движения t-го звена этой группы
тл = /=( + — ; (3.5)
Здесь F{ — результирующая внешняя сила, воздействующая на 1-е
звено, без учета сил взаимодействия между звеньями; ft — сила,
воздействующая на t-e звено со стороны (1 + 1)-го звена; — мас-
са 1-го звена.
Поскольку группа звеньев устойчива, следовательно, avs а{.
Из уравнения (3.5) получаем
— (3.6)
Выражение (3.6) определяет итерационный процесс вычисления
сил в звеньях, находящихся в зацеплении.
Для читателей, желающих подробнее ознакомиться с матема-
тической моделью цифрового ротационного привода, можно реко-
мендовать книгу [33].
Цифровые многосекционные ротационные пневмоприводы.
Флажковые ротационные механизмы, которые в технической ли-
тературе известны также под названием поворотных моментных
цилиндров, отличаются простотой конструктивного исполнения,
технологичностью в изготовлении и сборке, обеспечивают высокую
точность углового позиционирования вала ротора. Именно пос-
ледняя положительная особенность предопределила интерес разра-
ботчиков промышленных роботов к данному классу ротационных ме-
ханизмов.
Вместе с тем стремление расширить технологическую и функци-
ональную универсальность промышленных роботов без сущест-
венного снижения других основных характеристик, в частности,
надежности функционирования, быстродействия, точности пози-
ционирования рабочих органов, а для процессов сборки многоэле-
ментных соединений — дискретности позиционирования (как ли-
нейного, так и углового) рабочих органов, привело к созданию циф-
120 , . •
ровых ротационных приводов, аналогичных по принципу действия
цифровым линейным приводам, но выполненных на элементной ба-
зе, за основу которой взят ротационный флажковый механизм.
Процессы, характеризующие работу такого привода, могут быть
рассмотрены на основании его математической модели, для чего
удобно воспользоваться обобщенной схемой цифрового многосек-
ционного ротационного привода (рис. 3.6).
Цифровой ротационный привод состоит из нескольких секций —
флажковых ротационных механизмов, соединенных последователь-
но так, что выходной вал предыдущего привода вращает корпус по-
следующего. Дискретность поворота выходного вала 4 последней
секции определяется возможностями (диапазоном) ротации вала 1
первой секции, которые в изображенном приводе задаются предель-
ными значениями угла а поворота вала 1.
Если за основу увеличения углового хода валов последующих
секций принята геометрическая прогрессия с основанием 2, то вто-
рая секция конструктивно выполнена таким образом, чтобы обес-
печить предельные значения угла поворота вала 2, вдвое большие,
чем для вала 1, т. е. а2 = 2ах. Соответственно в третьей секции
обеспечивается ротация вала 3 на угол аа = 2а2 = 4ах и т. д. Тог-
да угол поворота n-й секции an = 2n—!ах, а суммарный угол пово-
рота выходного вала, обеспечиваемый приводом при одновремен-
ной работе всех секций,
ах = £ а< = (2" — 1) ах.
i=i
Комбинируя подачу рабочего тела (рх, р2, рп) в секции, мож-
но получить 2П различных положений выходного вала. В частнос-
ти, изображенный на рис.3.6 привод обеспечивает 8 угловых коор-
динат позиционирования выходного вала 4. Возврат (реверс) сек-
ций привода, не участвующих в обеспечении требуемого угла пово-
рота выходного вала в исходное положение, осуществляется со-
зданием постоянного и противоположно направленного момента
четвертой секции с рабочим давлением в ее полости, обеспечива-
ющим половину крутящего момента, развиваемого нижними сек-
циями. При этом выходной вал 4 соединен с валом 3 третьей секции.
121
Динамика цифрового привода определяется силовыми фактора-
ми, воздействующими на его подвижные части, а также протекаю-
щими в камерах секций термодинами1 е'кими процессами и комби-
нацией включения поворотных камер. Поэтому математическая мо-
дель цифрового ротационного привода представляет собой систе-
му уравнений, описывающих движение и соударение флажков, из-
менение температуры и давления в полостях секций.
3.3. Гидравлический привод
Анализ и обобщение данных о парке отечественных и зарубеж-
ных промышленных роботов позволяет сделать вывод о том, что гид-
равлические и электрогидравлические приводы используются при-
мерно в 39 % моделей. Как правило, гидравлические приводы при-
меняются для роботов средней, большой и сверхбольшой грузо-
подъемности.
Широкое распространение гидропривода в робототехнике обус-
ловлено следующими его достоинствами:
— использование в качестве рабочего тела несжимаемой жид-
кссги, что позволяет осуществить управление по заданной програм-
ме, получить высокую стабильность скорости выходного звена при
изменении нагрузки в широком диапазоне и высокую точность по-
зиционирования;
— бесступенчатость регулирования скорости выходного звейа;
— большой коэффициент усиления по мощности и большие пе-
редаваемые усилия;
— относительно малая масса исполнительных устройств;
— большой опыт разработки и эксплуатации гидроприводов в
различных областях техники;
— широкая номенклатура элементов гидроприводов, выпуска-
емых отечественной промышленностью.
Недостатки гидравлических приводов, в том числе применяе-
мых в робототехнических устройствах:
— использование в качестве рабочего тела жидкости требует
создания специальных насосно-аккумуляторных установок (НАУ);
для сохранения мобильности и автономности роботов эти установки
должны монтироваться в конструкции робота, что резко увеличи-
вает его массу;
— использование рабочей жидкости в основном на нефтяной
основе исключает возможность применения роботов с таким при-
водом в вакууме (космосе), в пожаро- и взрывоопасной среде;
— ресурс рабочей жидкости ограничен, что приводит к частой
замене всего объема жидкости, фильтров и т. д.;
— при гсех прочих равных условиях коэффициент полезного
действия гидропривода меньше, чем у пневмопривода;
— применение в качестве рабочего тела различных масел, вяз-
кость которых зависит от температуры, требует предварительного
прогрева всей системы; кроме того, с изменением температуры жид-
кости в процессе работы изменяется скорость;
122
— возможность подтекания сальниковых уплотнений и других
устройств при эксплуатации.
Основной исполнительный орган всякого гидравлического при-
вода — гидроцилиндр. В таких устройствах, как гидромоторы, то-
же, в известной степени, используется принцип гидроцилипдра.
Размеры гидроцилиндров выбирают на основании статического
расчета. Исходными данными для этого являются принятое давле-
ние, заданная технологическая нагрузка, требуемая длина хода
и максимальная скорость движения. При статическом расчете
определяют также размеры сечений трубопроводов для подвода и от-
вода рабочей жидкости, условные проходы распределительных и
регулирующих устройств, потребные расходы рабочей жидкости.
Быстродействие, действительные скорости движения и развива-
емые усилия определяют в динамическом расчете.
При динамическом анализе устройств непрерывного действия
на первом плане стоят вопросы устойчивости и качества переход-
ных процессов для дискретных устройств (к ним относится пор-
шень), обладающих, как нрагило, большим загасом устойчивости.
Основное же значение для гидроцилиндра имеют динамика процес-
сов разгона и торможения подвижных устройств исполнительных
органов при их включении и остановке, а также параметры устано-
ви ипегося режима движения и их стабильность. Решая дифферен-
циальные уравнения, описывающие динамику дискретных испол-
нительных устройств, находят их динамические характеристики.
Для получения точных результатов расчета в уравнениях следует
с максимальной полнотой учитывать факторы, влияющие на харак-
тер движения. Решающее значение при этом имеет учет изменения
сил сопротивления движению, давлений в полостях исполнительных
устройств, а также расходов жидкости в линиях подвода и отвода.
На характер движения исполнительных устройств значительно
влияет работа аппаратуры
устройств. Обычно эта аппарату-
ра включает в себя (рис. 3.7): гид-
розолотник 7; манометр 2\ гид-,
роаккумулятор 3; регулируемый
дроссель 4; сливной бак 5; слив-
ной трубопровод 6', заборный
трубопровод 7; электродвигатель
гидронасоса 8\ гидронасос 9; ре-
гулируемый предохранительный
клапан 10; масляный фильтр 11.
Гидроаккумулятор необязатель-
но входит в состав насосно-акку-
муляторной установки.
Давление в рабочей полости
цилиндра и перепад давлений на
линии привода, которые опреде-
ляют развиваемое исполнитель-
ным устройством усилие и ско-
управления и вспомогательных
Рис. 3.7. Схема гидравлического ци-
линдра двустороннего действия с на-
сос.но-аккумуляторной станцией (НАУ)
123
рость перемещения поршня,— величины переменные, зависящие от
нагрузки У? на штоке поршня, сил трения и противодавления.
Если пренебречь некоторыми величинами, то с достаточной для
инженерных решений точностью расчет гидросистемы с цилиндром
можно провести по упрощенной методике.
Для сообщения исполнительному органу движения вправо нуж-
но создать на поршне цилиндра такую силу Р, которая могла бы
преодолеть сумму полезных сил и вредных сопротивлений:
Р = /? + Тн + 7’ш + 7’п + 7’0 + 7’и = /? + ST, (3.7)
где R — нагрузка на шток, возникающая при перемещении деталей
механизма манипулятора; Тя — сила трения нагрузки, приведен-
ная к штоку; Тш — сила трения штока в уплотнении; Тп — сила
трения поршня в корпусе цилиндра; То — сила, возникающая под
действием давления рс масла в обратной полости цилиндра; Ти —
сила инерции, возникающая при разгоне рабочего органа робота;
ST — суммарная сила сопротивления.
Для создания силы Р в левой полости цилиндра необходимо со-
здать рабочее давление рр, следовательно,
T = ppFi=pp^-, . '' (3.8)
где D — диаметр цилиндра. s-i< - ’
Зная полезные силы и вредные сопротивления, можно опреде-
лить давление в цилиндре:
При расчетах, как правило, нагрузка R известна, а силы сопротив-
лений нужно определить.
Узнав рабочее давление в цилиндре, можно определить и дав-
ление рн, которое должен развить насос:
Рн = РР + Ар.
Здесь Др — потери давления на пути от насоса к цилиндру:
Др = Дрт + Дрк + Дрг, (3.1 о)
где Дрт, Дрк, Дрг — потери давления в трубопроводах, клапанах
и гидрораспределителе соответственно.
Зная давление рр, можно определить также толщину стенок ци-
линдра.
Чтобы поршень развил скорость v (х) в цилиндре, необходимо
подать определенный объем жидкости (воздуха):
<2 = Fv.
При расчете гидро- или пневмосистемы робота задают минималь-
ные и максимальные скорости движения и определяют наибольший
объем масла, который нужно подать в цилиндр, чтобы получить
максимальную скорость перемещения рабочего органа робота:
Стах = Ft?max.
124
По этому объему выбирают производительность насоса:
Qh ~ QmaxAlo. (3.1 1)
где т]п — объемный КПД гидросистемы.
Определив QB и зная ря, выбирают насосную станцию соответ-
ствующего типа.
Как уже было сказано, на динамические характеристики гид-
равлических исполнительных устройств влияют аппаратура уп-
равления и вспомогательные устройства, в частности пневмогид-
равлические аккумуляторы.
Гидроаккумулятор выполняет две функции: обеспечивает до-
полнительную подачу рабочей жидкости в систему в те моменты ее
работы, когда потребление жидкости резко возрастает, например,
при одновременном включении нескольких исполнительных
устройств (приводов координат), и выполняет роль демпфера, гасяще-
го резкие колебания давления при переключении распределителей.
Помимо цилиндра в гидросистемах имеются предохранительные
клапаны, регуляторы скорости, гидромоторы различных типов,
гидроусилители и т. д. Подробно ознакомиться с этой аппаратурой
можно в курсе «Гидропривод».
К промышленным роботам с гидроприводом относятся отечест-
венные модели А97-20, ЛП-30, УПР-11, Р13-50.
Гидравлическая аппаратура входит в состав комплекса пневма-
тических и гидравлических приводов, разработанного ВНИИГид-
роприводом. Из них серийно выпускаются: поворотные гидродви-
гатели типа ДПГ, цилиндры гидравлические типа ЦРГ (см. п. 3.2),
гидростанции типа СР.
Поворотные гидродвигатели типа ДПГ предназначены для осу-
ществления неполноповоротных вращательных движений механиз-
мов промышленных роботов. В качестве рабочей жидкости в них
следует применять минеральные масла вязкостью (12...250) 10~4 м2/с;
температура масел 0...60 °C, а окружающей среды 0...50 °C; сте-
пень очистки масла не грубее 14-го класса по ГОСТ 17216—71.
Технические данные двигателей ДПГ приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3. Технические данные двигателей ДПГ
Параметр ДПГ-16 дпг-бз ДПГ-125 ДПГ-200 1 ДПГ-400 ДПГ-630
Давление нагнетания, МПа: поминальное 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 предельное 18,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 Давление страгивания без нагруз- ки, МПа 0,029 0,029 0,039 0,039 0,049 0,049 Номинальный крутящий момент, Н м 160 630 1250 2000 4000 6300 Угол поворота выходного вала, ° 270 270 270 270 270 270 Максимальная скорость поворота, °/с 180 180 180 180 180 180 Масса, кг ' 3,5 12,0 35,0 40,0 90,0 100,0
-J25
Гидростанции типа СР предназначены для очистки, охлажде-
ния и подачи рабочей жидкости в гидросистемы промышленных ро-
ботов.
Емкость бака гидростанции принята за основной параметр. По
нему различают гидростанции четырех базовых моделей — 40; 63;
10; 160 дм3.
Гидростанции имеют следующие исполнения: по номинальному
давлению — 6,3; 12,5; 16,0 МПа; по подаче насоса — 25; 35; 50;
100 л/мин; по регулируемости насоса — регулируемые, нерегули-
руемые.
Основа гидростанций — гидробаки, на которых монтируют все
элементы насосной установки — фильтры, контрольно-регулиру-
ющую и распределительную аппаратуру. Устанавливать гидростан-
ции следует так, чтобы обеспечивался удобный доступ к рукояткам
регулирования аппаратуры. Все подводы и отводы в гидростанциях
выведены на заднюю стенку, указатель уровня — на переднюю, ма-
нометры и рукоятки регулировки и включения — на боковую. Что-
бы предотвратить передачу вибраций от насосной установки в си-
стему, подводящие и отводящие трубопроводы нужно выполнять
в виде гибких шлангов или предусматривать наличие прямых их
отрезков. Подробнее об аппаратуре комплекса см. [38]. _
гдн ’
3.4. Электрогидравлический привод '
Электрогидравлический привод — наиболее распространенный
привод промышленных роботов. В соответствии с ранее принятой
классификацией устройства управления промышленных роботов
разделяют на цикловые, позиционные и контурные. Эта классифи-
кация накладывает значительные особенности на принцип работы
и конструкцию любого привода, в том числе и электрогидравличе-
ского. Сложность электрогидравлического привода возрастает от
циклового типа к контурному.
Гидропривод широко применяется в металлорежущих станках,
автоматических линиях и другом оборудовании . Он позволяет су-
щественно упростить их конструкцию, повысить их точность и на-
дежность, снизить металлоемкость оборудования. Эти положитель-
ные качества гидропривода дают возможность сравнительно просто
автоматизировать технологические процессы, механизировать тя-
желые и трудоемкие операции, упростить управление оборудова-
нием и снизить его себестоимость. Средства гидроавтоматики обес-
печивают оптимальные по выбранным критериям регулирование
технологических процессов в пределах установленной мощности,
программное и дистанционное управление, высокое быстродействие,
возможность работы в напряженных динамических режимах и дру-
гие эксплуатационные показатели.
Однако гидропривод не свободен от некоторых недостатков.
О них уже было сказано ранее. Эти недостатки несколько ограни-
чивают области применения гидропривода. Поэтому в последние
г 126
годы все шире и шире для про-
мышленных роботов начали при-
менять электромеханический
привод.
Электрогидравлический при-
вод позиционного типа. Гидро-
схема привода промышленного
робота для позиционного управ-
ления по трем координатам
(рис. 3.8) обеспечивает возврат-
но-поступательное (вращатель-
ное) движение поршня 5 цилинд-
ра по каждой координате и оста-
новку в любом положении. Элек-
тродвигатель 2 приводит в дви-
жение насос 10, засасывающий
масло из бака 12 по трубе 1 и по-
дающий его под давлением че-
рез фильтр 7 в электрогидрав-
лические преобразователи 6.
Рис. 3.8. Гидросхема привода промыш-
ленного робота для управления по трем
координатам с насосно-аккумулятор-
ной станцией
Давление в гидросистеме регулируется предохранительным кла-
паном// и контролируется манометром 9. Если давление жидкости
в клапане // превысит допустимое, то жидкость будет проходить
через клапан обратно в бак 12,
К магистрали, ведущей к электрогидравлический преобразова-
телям, подключен гидроаккумулятор 8, который позволяет полу-
чить необходимый режим гидросистемы при одновременной работе
по нескольким управляемым координатам и минимально возмож-
ной мощности двигателя. В гидросистеме предусмотрен специаль-
ный кран 3, который позволяет остановить ее работу. В этом слу-
чае рабочая жидкость свободно сливается в бак. Дроссель 4
представляет собой регулируемое гидравлическое сопротивление, с
помощью которого можно изменить количество жидкости, проходя-
щей из гидроцилиндра в единицу времени, и, следовательно, ско-
рость движения поршня. В многокоординатной системе такой
дроссель нужно устанавливать на каждой координате.
В рассмотренной системе применены обычные элементы, обеспе-
чивающие ее работу в заданном режиме и хорошо описанные в ли-
тературе. Достаточно сложным элементом в ней является электро-
гидравлический преобразователь, который преобразует электриче-
ский сигнал от устройства управления в количество подаваемой в
цилиндр рабочей жидкости. Такой преобразователь представляет
собой устройство со свободно плавающим золотником, имеющим об-
ратную (упругую пружинную) связь на заслонку. Основные досто-
инства таких электрогидропреобразователей — высокое быстро-
действие, отсутствие центрирующих пружин, которые могут вы-
звать перекос золотника и увеличить его трение, а также, что очень
важно, стабилен >сть характеристик при изменении температуры в
широком диапазоне.
127
электрогидравлического преобразо-
вателя «Муг»
Из зарубежных образцов извест-
на модель преобразователя амери-
канской фирмы «Муг». Расходная
характеристика этого преобразова-
теля при давлении р а* 6,9 МПа
приведена на рис. 3.9. В СССР со-
здан преобразователь ПЭГ-СМ
16/160 разработки ОКБ «Тепло-
автомат».
Высокое быстродействие и ста-
бильность характеристик электро-
гидравлического преобразователя
с пружинной обратной связью по
сравнению, например, с преобразователями статического типа мож-
но объяснить тем, что суммарный момент, действующий на заслонку
с пружинной обратной связью, складывается из момента сопро-
тивления пружины и момента гидравлических сил, воздействую-
щих на заслонку, причем доля второго момента весьма незначи-
тельна. Быстродействие преобразователя определяется постоян-
ной времени:
(с К \
+ + ), (3.12)
.с . с j
где Тгу —постоянная времени гидроусилителя с жесткой единичной
обратной связью; сэмп — коэффициент жесткости статической ха-
рактеристики преобразователя; с0.с — коэффициент жесткости
пружины обратной связи, приведенный к оси сопел; /<а.с — коэффи-
циент жесткости «гидродинамической пружины» заслонки.
Как следует из формулы (3.12), постоянная времени тем меньше,
чем больше жесткость пружины обратной связи. Однако для уве-
личения со.е нужно увеличивать тяговое усилие электромагнита.
Из сказанного можно сделать вывод: при прочих равных усло-
виях точность остановки поршня, т. е. рабочего органа робота, в
большой степени зависит от работы электрогидропреобразователя.
При поступательном движении рабочего органа, например при ради-
альном перемещении руки робота, точность остановки поршня рав-
на точности остановки собственно рабочего органа. При вращатель-
ном движении, когда привод от гидроцилиндра осуществляется
через кинематическую пару «рейка — шестерня», ошибка пози-
ционирования
/>=_^РЦИЛ, (3.13)
где Рср — средняя ошибка позиционирования на конце руки при
среднем ее радиусе; гш — радиус шестерни, которая зацеплена с
рейкой; Рцил — средняя ошибка остановки поршня.
Работа гидросистемы происходит в следующем порядке. После
включения двигателя насоса и по достижении необходимого давле-
ния включают устройство управления, которое в зависимости от
записанной программы подает постоянное напряжение заданной
128
полярности на соответствующий электрогидропреобразователь.
Масло поступает в нужную полость цилиндра и перемещает пор- ,
шень. Максимальная скорость перемещения зависит от регулиров-
ки дросселя. Когда напряжение снимается, поршень, а следователь-
но, и рабочий орган робота останавливаются в заданной точке. Об-
ратное движение по данной координате выполняется тогда, когда
на электрогидропреобразователь подается напряжение противо-
положной полярности. В таком режиме можно управлять движе-
нием манипулятора по всем координатам. В описании опущены та-
кие подробности непринципиального характера, как, например,
работа гидроаккумулятора, автомата'Нагружения-разгрузки насос-
ной станции и т. д.
В заключение следует отметить, что промышленный робот с
электрогидравлический приводом позиционного типа будет рабо-
тать точно при условии, что привод охвачен обратной связью по по-
ложению. В качестве датчиков обратной связи можно использовать
кодовые датчики, соединенные с исполнительным, рабочим орга-
ном робота. Такое решение позволяет получить точность позицио-
нирования ± (0,5... 1,0) мм.
Электрогидравлический шаговый привод отличается от ранее
описанного тем, что в качестве управляющего звена в нем использу-
ется шаговый электродвигатель, соединенный с гидроусилителем
моментов. В качестве такого серводвигателя применяют серийно вы-
пускаемый шестифазный шаговый двигатель ШД-5Д1, работающий
с гидроусилителем моментов Г18. Поскольку привод такой кон-
струкции по своему принципу работы относится к дискретным, то
строится он по разомкнутой схеме, без датчиков обратной связи.
Из этого следует, что вся конструкция привода проще, чем конструк-
ция привода, построенного по замкнутой схеме, с датчиками обрат-
ной связи.
Нужно отметить, что шаговый электрогидравлический привод
применяется в металлорежущих станках с числовым программным
управлением и в этой области показал хорошие эксплуатационные
характеристики. Обычно одним из аргументов против такого при-
вода является возможность накопления систематической ошибки.
Однако хорошо сконструированный шаговый привод обладает до-
статочно высокой надежностью, а возможные ошибки погашаются
в конце цикла и в очередной цикл не переходят.
Каждый из существующих ныне приводов имеет определенные
преимущества и недостатки и поэтому может эффективно применять-
ся в соответствующих условиях. Уместно отметить, что в последние
годы в Японии, НРБ и других странах появились силовые шаговые
двигатели, которые обладают высоким быстродействием и большим
моментом на валу и не требуют установки гидроусилителей. Си-
ловые шаговые двигатели можно успешно применять в приводах
роботов, но рассматривать такой вариант следует в разделе «Элек-
трический привод».
На рис. 3.10 представлена упрощенная схема электрогидрав-
лического шагового привода пятикоординатного промышленного
9 0-1921
129
Рис. 3.10. Упрощенная схема электрогндравлического шагового привода
робота ИЭС-590 (на рисунке показаны только три координаты). На-
сосно-аккумуляторная установка может быть любого типа, удовлет-
воряющего требованиям по давлению, производительности и т. д.
Ее состав ничем не отличается от станции, приведенной на рис. 3.8.
Рабочая жидкость под нужным давлением подается по гибким шлан-
гам высокого давления в корпусы гидроусилителей и после исполь-
зования стекает по другим шлангам малого давления в бак. Для по-
вышения эффективности работы гидросистемы в некоторых слу-
чаях целесообразно устанавливать 2—3 гидроаккумулятора.
Рассмотрим агрегаты привода — шаговый двигатель и гидро-
усилитель моментов.
Шаговый двигатель ШД-5Д1 представляет собой реактивную ма-
шину с шестью фазовыми обмотками. Управление его движением
заключается в коммутации токов фаз с последовательностью
12—123—234... при правом вращении и 71—561—56—456... при
левом. Номинальный режим — работа двигателя на любой частоте
до частоты приемистости и на фиксированной частоте 8000 Гц. Ос-
новные технические параметры двигателя следующие:
Число фаз 6
Число тактов коммутации 12
Шаг при двепадцатитактной коммутации, “ 1,5
Число шагов на оборот 240
Ток фазы, А 2,8
Сопротивление фазы двигателя, Ом 1,1 '
Частота приемистости, Гц 2000
Максимальная частота при плавном разгоне по
линейному закону, Гц 8000
Время разгона, с (не более) 0,4
Номинальная приемистость двигателя обеспечивается включе-
нием последовательно с каждой его фазовой обмоткой (рис. 3.11) до-
бавочного форсировочного резистора R2, R4, R6, R8, R10, R12 со-
противлением 16 Ом, шунтированного бумажным конденсатором
Cl ...С6 емкостью 20 мкФ; при этом напряжение источника посто-
янного тока, питающего двигатель, составляет 48 В. Необходимость
увеличивать сопротивление фазовой обмотки, приводящая к боль-
шим потерям мощности, обусловлена значительной ее индуктив-
ностью. Коммутация фаз производится подачей импульсов напря-
жения прямоугольной формы. Ток в фазовой обмотке при этом
£ 130
Рис. 3.11. Принципиальная схема силового питания шагового двигателя ШД-5Д1
нарастает постепенно с постоянной времени
/-Ф
Х = Яф + £д '
где Лф — индуктивность фазовой обмотки; — сопротивление
фазовой обмотки; /?д — добавочное сопротивление форсировочно-
го резистора.
Таким образом, введение добавочного сопротивления позволяет
снизить постоянную времени на полтора порядка и тем самым по-
высить рабочую частоту двигателя.
Всплески напряжения в переходном процессе при выключении
тока фазы могут привести к^пробою коммутирующих транзисторов,
поэтому параллельно фазовой обмотке предусматривают демпфи-
рующую цепь, состоящую из резистора (Rl, R3, R5, R7, R9, R11)
и диода (VD1 ... VD6).
Форсировочные и демпфирующие цепи, силовые транзистор-
ные ключи и источник питания фаз составляют силовую часть уп-
равления шаговыми двигателями. Источником питания служит вы-
прямитель, собранный по шестифазной схеме и состоящий из по-
нижающего трансформатора Т, кремниевых вентилей VD7 ...VD12
типа ВЛ-50 и сглаживающего конденсатора С7. Выпрямитель рас-
считан на ток 42 А при напряжении 48 В. Для контроля токов в
фазах шаговых двигателей параллельно форсировочным резисто-
рам включают индикаторные лампочки HL1...HL6.
Вторым агрегатом привода является гидроусилитель моментов.
На примере гидроусилителя моментов Г18-2 (рис. 3.12) рассмот-
рим его работу. Выходной вал 8 привода поворачивается синхрон-
но с входным валом гидроусилителя, т. е. валом шагового электро-
двигателя 7, при подаче одного импульса на его вход. Управляю-
щий распределитель 3, размещенный в гильзе, заключен в корпус,
в осевом направлении жестко связан с резьбовым валиком 4, кото-
рый может поворачиваться вокруг своей оси. Резьбовой валик 4
*
8*
131
может также свободно перемещаться в радиальном направлении от-
носительно управляющего распределителя 3, что компенсирует воз-
можные неточности в расположении распределителя-золотника и
резьбового валика. Шлицевой втулкой 2 этот валик связан с валом
гидромотора /.
Когда управляющий распределитель 3 находится в среднем от-
носительно гильзы положении, в обе полости гидромотора поступа-
ет одинаковое количество масла и вал 8 не вращается. При повороте
входного вала, жестко связанного со втулкой 5, которая имеет вин-
товую нарезку, валик 4 вместе с управляющим распределителем 3
перемещаются в осевом направлении и соединяют полости гидромо-
тора с гидросистемой так, что вал 8 вращается в том же направлении,
что и входной вал. Вращаясь, вал 8 гидромотора 1 шлицевой втул-
кой 2 поворачивает валик 4, который, ввертываясь или вывертыва-
ясь из втулки 5, перемещается вместе с управляющим распредели-
телем 3 в обратном направлении до тех пор, пока не займет среднее
положение относительно гильзы, при котором вал гидромотора ос-
тановится. Вал шагового двигателя 7 связан с входным валом гидро-
усилителя муфтой 6, которая состоит из поводка, закрепленного на
валу винтами, и хомутика.
Уравнение вращения выходного вала имеет вид
Jip 4- М — М„ = 0, (3.14)
где J — момент инерции привода; <р — угловое ускорение выход-
ного вала; М — момент вращения на входном валу привода; Ма —
момент вращения нагрузки. В свою очередь,
М ™ (Pi—Pt)>- (3.15)
где р1г р2 — давление масла па входе и выходе соответственно; q —
удельная постоянная гидромотора. х
132
Наибольший момент, разви-
ваемый гидромотором,
Мтах=^-Р, (3.16)
Рис. 3.13. Структурная схема шагово-
го привода по одной координате
где р — давление масла.
Область применения промыш-
ленных роботов с шаговым при-
водом достаточно определена.
Отличительной и важной особенностью этого привода является то,
что в зависимости от вида устройства управления можно осущест-
вить и позиционное, и контурное управление. Как известно, дли-
на пути, пройденного рабочим органом,
L = Д/ы/,
где А/ — элементарный шаг (линейная величина); и — передаточ-
ное отношение механизма привода.
Если устройство управления позволяет изменять частоту сле-
дования импульсов /, то на выходном звене привода можно полу-
чить переменную управляемую скорость движения. Таким образом,
электрогидравлический шаговый привод может использоваться и
в роботах с контурным управлением.
Методика расчета электрогидравлическо-
го шагового привода. Общий расчет электрогидрав-
лического привода включает в себя кинематический, силовой рас-
чет и рекомендации по выбору насосно-аккумуляторной установки.
Приведем укрупненную методику расчета, в которой не станем ос-
танавливаться на общеизвестных положениях и детальных расче-
тах отдельных звеньев, подробно описанных в литературе.
В качестве примера рассмотрим структурную схему электро-
гидравлического привода, обеспечивающего линейное перемещение
по одной координате (рис. 3.13). На схеме ЭК — электронный ком-
мутатор, ШД — шаговый двигатель, ГУ — гидроусилитель, РЕД —
редуктор.
Исходные данные для расчета: ШД-5Д1 — тип шагового двига-
теля; Да = 1,5° — дискретность вращения ШД; /тах = 8000 Гц —
максимальная частота ШД; /Пр = 2000 Гц — частота приемистости;
О = 50 мм —диаметр начальной окружности; отях = 1600 мм/с —
максимальная линейная скорость перемещения руки; рн min — ми-
нимальное давление на выходе НАУ.
/. Кинематический расчет. 1. Проверяем элементарное линей-
ное перемещение руки:
Кп — Рт1|х _ 1600 мм/с _ о 9 мм
Щ ftm* 8000 Гц °’2 М'
Поскольку точность позиционирования современных промышлен-
ных роботов обычно составляет ± (0,5... 1,0) мм, такое значение эле-
ментарного шага можно считать приемлемым.
133
2. Определяем частоту вращения ведущей шестерни:
Ив.ш
^шах
Л°в.Ш
1600 мм/с
3,14 • 50 мм
= 10 об/с.
3. Находим количество элементарных шагов в одном обороте
шагового двигателя:
К = = 240.
4. Определяем частоту вращения шагового двигателя:
_ 8000 имп/с
Пш.д 240 шаг/об
= 33 об/с.
5. Исходя из принципа работы гидроусилителя считаем, что
= «гу-
6. Таким образом, передаточное отношение редуктора
пш.д ___ 33 об/с ____п о
Р ” «в.ш “ *0 об/с - •
Это число неприемлемо по конструктивным соображениям. Поэтому
принимаем ир = 3,2.
Остальной расчет звеньев кинематической цепи, выбор парамет-
ров редуктора и т. п. не представляют трудностей. Желательно
устранить мертвый ход в редукторе, чтобы повысить точность пози-
ционирования.
II. Силовой расчет, 1. Вначале нужно определить максималь-
ную нагрузку по оси перемещения руки. Для робота сферической
компоновки составляющая за счет массы движущихся частей не-
значительна. Для робота цилиндрической и прямоугольной компо-
новок эта составляющая велика и поэтому ее иногда различными
способами уравновешивают.
2. С учетом всех нагрузок находим приведенный к входному
валу крутящий момент /Их.
3. Задаемся коэффициентом запаса
, тах
3 ~ Mj ’
где /И1 max — максимальный момент гидроусилителя. Обычно реко-
мендуемый k3 = 2,5.
4. Определяем наибольший момент на валу гидроусилителя:
А41 max “ Л4Х£3.
По каталогу «Современные промышленные роботы» (М. : Маши-
ностроение, 1984) выбираем соответствующий тип гидроусилителя.
В этой методике мы не останавливались на динамике ^гидроси-
стем такого типа и точности позиционирования, так как такие рас-
четы не вписываются в объем настоящего учебного пособия.
///. Выбор типа НАУ должен основываться на согласовании
требуемого давления масла и производительности станции. Обыч-
Ш
но конструкция гидроусилителей рас-
считана на такое давление, которое
дают отечественные станции, поэтому
особых трудностей здесь не возни-
кает. Несколько сложнее определить
требуемую производительность стан-
ции. Это объясняется тем, что в про-
мышленном роботе в различные мо-
менты времени работает различное
количество координат (гидроусилите-
лей), поэтому расход масла во време-
ни переменный.
Выбор НАУ по максимальному
расходу нерационален, так как в сред-
нем работает меньшее число коорди-
нат. Если же выбирать НАУ по ми-
нимальному или близкому к нему рас-
ходу, то в наиболее тяжелых режи-
мах промышленный робот не сможет-
работать. Естественно, что задача су-
щественно облегчается при наличии
Рис. 3.14. Графоаналитический
метод определения рациональ-
ного режима НАУ
в станции гидроаккумулятора.
Степень нагрузки по координатам зависит от назначения робо-
та. К трудным (с точки зрения количества одновременно работаю-
щих координат) можно отнести промышленные роботы, установлен-
ные на прессах, в штамповочном производстве, на обслуживании
металлорежущих станков и в литейном производстве, где рука
робота движется по нескольким координатам одновременно и о
достаточно большой скоростью. К легким режимам промышленных
роботов относят дуговую сварку и окраску, когда скорости переме-
щения низки.
Поясним методику рационального выбора НАУ на примере
(рис. 3.14). На рис. 3.14, а показан идеализированный расход масла
гидроусилителем по первой координате, на рис. 3.14, б — соответ-
ственно по второй. Результат графоаналитического сложения этих
расходов виден на рис. 3.14, в. Если же при этом в приводе не бу-
дет аккумулятора, то рассчитывать производительность НАУ при-
дется по максимальному расходу + Qs, что, естественно, не-
рационально. Наличие аккумулятора позволяет выбрать насоо
меньшей производительности, например Qop. Одно из разумных ре-
шений можно получить из условия
SV = SW.
Разумеется, следует учесть потери различного характера и принять
определенный коэффициент запаса.
Электрогидравлический привод с двигателями постоянного то-
ка. В некоторых отечественных промышленных роботах (например,
«Универсал-15») установлен электрогидравлический привод с ма-
ломощными двигателями постоянного тока и гидроусилителями мо-
135
ментов. Такой привод работает по замкнутой схеме — охвачен об-
ратной связью и имеет соответствующие датчики.
Двигатели постоянного тока могут применяться различные.
Привод таких двигателей осуществляется от тиристорного преоб-
разователя и представляет собой классическую схему системы ав-
томатического управления. Электрогидравлический привод с дви-
гателями постоянного тока состоит из серийно выпускаемых, хо-
рошо отработанных комплектующих и поэтому отличается высокой
надежностью. В сочетании с соответствующим устройством управ-
ления, таким, например, как УКМ-772, и кодовыми датчиками мо-
жет применяться для промышленных роботов с контурным управ-
лением. К недостаткам такого привода относятся общие недостатки
гидропривода.
3.5. Электромеханический привод
Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышлен-
ных роботов в отечественной и зарубежной робототехнике показы-
вает, что все большее распространение получает электромеханиче-
ский привод промышленных роботов. В последние годы применяют
электромеханические приводы с высокомоментными двигателями
постоянного тока, асинхронными двигателями с частотным управ-
лением, бесколлекторные двигатели постоянного тока и силовые
шаговые двигатели. Электроприводы этих серий обеспечивают ре-
гулирование скорости в большом диапазоне и имеют хорошие пока-
затели по габаритным размерам и массам.
Особенности электроприводов — расширенный (до 0,05 Н • м)
диапазон малых моментов, повышенная (до 15 • 10s об/мин) макси-
мальная частота вращения, уменьшенная инерция двигателей,
возможность встраивать в двигатели электромагнитные тормозы и
различные датчики, а также механические и волновые передачи.
Основные достоинства электромеханического привода следую-
щие:
— высокое быстродействие;
— широкий диапазон регулирования частоты вращения;
— компактная конструкция двигателей и возможность встра-
ивать датчики скорости и положения;
— равномерность вращения;
— большой крутящий момент на максимальной скорости;
— высокая надежность;
— высокая точность позиционирования за счет применения циф-
ровой измерительной системы с высокоточными датчиками в цепи
обратной связи;
— низкие уровни шума и вибрации;
— широкие возможности взаимозаменяемости двигателей;
— компактная конструкция преобразователей;
— удобство подвода энергии (по стандартным проводам).
К недостаткам можно отнести:
— наличие щеток в коллекторах двигателей постоянного тока;
186
— ограниченность использования во взрывоопасных средах;
— наличие дополнительной кинематической цепи между элек-
тродвигателем и рабочим органом робота.
Основной элемент, непосредственно преобразующий электри-
ческую энергию в механическую, в электроприводе — электриче-
ский двигатель. Управляется последний чаще всего с помощью со-
ответствующих преобразовательных и управляющих устройств, ко-
торые формируют статические и динамические характеристики
электропривода, отвечающие требованиям производственного ме-
ханизма. Речь идет не только о сообщении вращательного или по-
ступательного движения, но главным образом об обеспечении оп-
тимального режима работы механизма или машин, при котором до-
стигается наибольшая производительность при высокой точности.
По степени управляемости электропривод может быть:
1) нерегулируемый — для приведения в движение исполнитель-
ного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью; парамет-
ры привода изменяются только в результате возмущающих воздей-
ствий;
2) регулируемый — для сообщения переменной или постоянной
скорости движения исполнительному органу машины; параметры
привода могут изменяться под воздействием управляющего уст-
ройства;
3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с
заданной программой;
4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение ис-
полнительного органа рабочей машины с определенной точностью
в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом;
5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или
параметры системы управления при изменении условий работы ма-
шины для достижения оптимального по выбранным критериям ре-
жима.
Электроприводы можно классифицировать и по роду передаточ-
ного устройства. В этом соответствии они делятся на:
1) редукторные — электродвигатель передает вращательное дви-
жение рабочему органу через редуктор ;
2) безредукторные — передача движения от электродвигателя
осуществляется непосредственно рабочему органу либо через пере-
даточное устройство, не имеющее редуктора.
По уровню автоматизации различают следующие электропри-
воды:
1) неавтоматизированный с ручным управлением; в настоящее
время такой привод встречается редко, преимущественно в уста-
новках малой мощности, бытовой и медицинской технике и т. п.;
2) автоматизированный, управляемый автоматическим регули-
рованием параметров;
3) автоматический, в котором управляющее воздействие выра-
батывается автоматическим устройством без участия оператора.
Два последних типа электропривода применяются в подавля-
ющем большинстве случаев. В настоящее время различают вамк-
137
нутый электропривод (охваченный обратными связями) и разомк-
нутый.
В структурной схеме замкнутого автоматизированного электро-
привода (рис. 3.15, а) можно выделить три основные составные
части:
1) механическую часть привода МЧ, включающую в себя ра-
бочий механизм, или исполнительный орган ИО, и передаточное
устройство ПУ (редуктор), предназначенное для передачи механи-
ческой энергии от электродвигателя к исполнительному органу ра-
бочей машины, для изменения вида, скорости движения и усилия
(момента вращения);
2) электродвигатель ЭД, предназначенный для преобразования
электрической энергии в механическую;
3) систему управления СУ, состоящую из силовой преобразова-
тельной части П, управляющего устройства У, задающего устрой-
ства ЗУ и датчиков обратных связей ДОС1, ДОС2.
Преобразователь предназначен для питания двигателя и созда-
ния управляющего воздействия. Он преобразует род тока, напря-
жение или частоту либо изменяет иные показатели качества элект-
рической энергии, подводимой к двигателю. Устройство У, управ-
ляющее преобразователем, командные сигналы получает от задаю-
щего устройства, а информацию о текущем состоянии электропри-
вода и технологического процесса — от датчиков обратных связей.
С помощью этих датчиков ток, напряжение, скорость вращения, мо-
мент и положение (перемещение) исполнительного органа преобра-
зуются в пропорциональные этим параметрам электрические сигна-
лы, которые и подаются в управляющее устройство. В нем текущие
состояния электропривода и технологического процесса сравнива-
ются с заданными, и при наличии рассогласования вырабатывает-
ся управляющий сигнал, воздействующий через преобразователь
на электропривод в направлении устранения возникшего рассогла-
сования с требуемыми точностью и быстродействием.
В промышленных роботах достаточно широко применяется ав-
томатизированный электропривод замкнутого типа с двигателями
иостоянного тока.
Рис. 3.15. Структурные схемы замкнутого (а) и разомкнутого (6) авто»
матизированиых электроприводов
138
В структурной схеме разомкнутого электропривода (рис. 3.15, б)
можно выделить три основные составные части:
1) механическую часть привода МЧ, включающую в себя ра-
бочий механизм, или исполнительный орган ИО, и передаточное
устройство ПУ (редуктор). В некоторых случаях в механическую
часть привода включают дополнительно гидроусилитель ГУ момен-
тов. Это делают тогда, когда электродвигатель имеет малую мощ-
ность. Однако такую схему следует относить к электрогидравличе-
ской;
2) электродвигатель ЭД; в данном случае показан шаговый
Дискретный электродвигатель, применяющийся в разомкнутых схе-
мах электропривода;
3) систему управления СУ, которая состоит из электронного
коммутатора ЭК, преобразующего входной сигнал в соответствую-
щее по числу фаз напряжение, и усилителя мощности У, обеспечи-
вающего соответствующий ток по фазе.
Шаговый дискретный разомкнутый привод с различными типа-
ми шаговых двигателей достаточно широко применяется в промыш-
ленных роботах. Этот привод не имеет датчиков обратных связей,
что значительно упрощает структуру и функциональную схему при-
вода и устройства управления. Шаг двигателя можно выбрать по
условиям требуемой точности произвольно малым, поэтому шаго-
вый привод воспроизводит все виды механического движения, до-
ступные непрерывным системам приводов.
Перечисленные особенности позволяют определить дискретный
приводе шаговым двигателем как синхронно-импульсный следящий
привод, ссч’тающий в себе возможности глубокого частотного ре-
гулирования угловой скорости (до 0) С ВОЗМОЖНОСТЯМИ ЧИСЛОВОГО
задания пути.
Остальные типы разомкнутых электроприводов пока в промыш-
ленных роботах применения не нашли.
Замкнутый электропривод в последние годы все шире приме-
няется в промышленных роботах благодаря своим очевидным преи-
муществам перед другими типами приводов.
Для промышленных роботов необходимы малогабаритные
электродвигатели мощностью 100 Вт ... 2 кВт. В настоящее время
создаются двигатели с печатным ротором, гладким ротором и т. д.
Весьма желательно иметь в таком двигателе встроенный датчик ско-
рости — тахогенератор, что позволяет получить более компактную
конструкцию привода.
В приводе роботов можно применять отечественные электродви-
гатели постоянного тока серий ДП, ДПУ, ДК1, ДК2 и ПБВ. Дан-
ные этих двигателей приведены в табл. 3.4...3.6, данные электро-
двигателей переменного тока — в табл. 3.7.
Особого внимания заслуживает создание обратной связи в элек-
троприводе замкнутого типа.
Обратную связь по скорости осуществляют, как правило, с по-
мощью датчика обратной связи — тахогенератора, установлен-
ного на валу электродвигателя. Наличие такой обратной связи
13S
Таблица 3.4. Характеристика электродвигателей постоииного тока серий ДП и
ДПУ (СССР)
Тип Двига-
теля
Схема
е *
h
S *
S« х
О 3 •
-г- “ -т>
Размеры.
мм
ДП-35
ДП-40
ДП-50
ДП-60
0,06 0,025 3,6 0,008 136 35 0,9
0,09 0,04 4,5 0,019 145 40 1,1
0,24 0,06 5,8 0,025 167 50 2,0
0,21 0,09 7,5 0,055 187 60 2,0
0,5 0,18 5,0 0,17 172 130 13,0
1,7 0,55 5,0 0,81 180 180 18,0
3,5 1,1 5,0 1,33 170 230 23,0
Примечание. Номинальная частота вращения для всех типов двига-
телей 3000 об/мин.
позволяет стабилизировать скорость вращения электродвигателя, а
следовательно, и скорость перемещения исполнительного органа
робота. Схемные решения этой задачи подробно рассмотрены в
учебниках по электроприводу и поэтому тут не описываются.
Таблица 3.5. Характеристика электродвигателей постоянного тока серий ДК1
и ДК2 (СССР)
Тип двига-
теля
Размеры,
мм
Схема
ДКЫ.7
ДК1-2.3
Д К.1-3,5
ДК1-5.2
0,17 4,1
0,23 4,1
0,35 5,2
0,5 6,0
1,1 375
1,55 408
1,95 441
2,0 507
140 12,7
140 15,5
140 18,2
140 23,7
Л §
о 3 *
X вХ
L D
ДК2-1.7
ДК2-2.3
ДК2-3.5
ДК2-5.2
0,17 4,1
0,23 4,1
0,35 5,2
0,5 6,0
1,0 390
1,2 430
2,0 470
2,8 510
123 12,5
128 17,0
132 21,0
143 25,0
140
ПБВ
Таблица 3.6. Характеристика электродвигателей
постоянного тока серии ПБВ (СССР)
Тип двигателя Номинальный момент, Н • м Номинальная мощность, кВт Номинальная частота вра- щения, об/мин Перегрузка по моменту Момент инерции, г-м. 8.8» <и г; я я q „ s к к я я Нх х Размеры, мм Масса, кр
L D
ПБВ-ЮООМ 7,16 0,75 1000 9 10 60 476 192 29
ПБВ-IOOL 10,5 1,1 — 9 13 70 536 192 35
ПБВ-1125 14,0 1,1 750 9 35 60 515 220 45
ПБВ-112М 17,5 1,1 600 10 42 70 555 220 51
ПБВ-112Б 21,0 1,1 500 10 49 80 595 220 57
Таблица 8.7. Характеристика асинхронных двигателей
серии 4А (СССР)
Тип двигателя Номинальный момент, Н • м । Номинальная । мощность, 1 кВт Номинальная частота вра- щения, об/мнн Перегрузка по моменту Момент инер- ции, г«м* Температур- ная постоян- ная, мин Размеры, мм Масса, кг
D
4А50А2УЗ 0,30 0,09 4,0 0,095 60 174 104 3,?
4А50В2УЗ 0,40 0,12 4,0 0,107 60 174 104 3,5
4А56А2УЗ 0,60 0,18 4,0 1,66 60 194 120 4,5
4А56В2УЗ 0,83 0,25 4,0 1,86 100 194 120 4,5
4А63А2УЗ 1,23 0,37 4,5 3,05 100 216 130 6,3
4А63В2УЗ 1,83 0,55 4,5 3,6 100 216 130 6,3
4А71АУ23 2,50 0,75 3000 5,5 3,9 100 285 170 15,1
4А71В2УЗ 3,66 1,1 5,5 4,2 100 285 170 15,1
4А80А2УЗ 5,00 1,5 5,5 7,3 120 300 186 17,4
4А80В2УЗ 7,33 2,2 6,5 8,5 120 320 186 20,4
4А90Б2УЗ 10,00 3,0 6,5 14,0 120 350 208 28,7
4А10052УЗ 13,33 4,0 7,5 23,7 120 365 235 36,0
4А100Е2УЗ 18,33 5,5 г 7,5 30 120 395 235 42,0
4А50А4УЗ 0,40 0,06 2,5 0,115 40 174 104 3,3
4А50В4УЗ 0,60 0,09 2,5 0,13 40 174 104 3,3
4А56А4УЗ 0,80 0,12 3,5 1,8 60 194 152 4,5
4А56В4УЗ 1,20 0,18 3,5 3,1 60 194 152 4,5
4А63А4УЗ 1,67 0,25 4,0 4,9 60 216 164 6,3
4А63В4УЗ 2,47 0,37 4,0 5,5 100 216 164 6,3
4А71А4УЗ 3,67 0,55 1500 4,5 5,6 100 285 201 15,1
4А80А4УЗ 7,33 1,1 5,0 12,9 100 300 218 17,4
4А80В4УЗ 10,00 1,5 5,0 13,3 120 320 218 20,4
4А90Б4УЗ 14,33 2,2 6,0 22,4 120 350 243 28,7
4А10054УЗ 20,00 3,0 6,0 34,7 120 365 263 36,0
4А10014УЗ 23,33 4,0 6,0 45 120 395 263 42,0
4А112М4УЗ 36,67 6,6 7,0 70 120 452 260 56,0
141
Рис. 3.16. Датчики обратной связи: 3
а — импульсный фотоэлектрический; б — кодовый
Сложнее обстоит дело с обратной связью по положению, при-
званной обеспечить остановку исполнительного органа в заданной
точке зоны обслуживания и с требуемой точностью. Датчик обрат-
ной связи по положению следует устанавливать в конце кинемати-
ческой цепи исполнительного органа. Это позволит корректировать
все ошибки механической части, включая мертвые ходы механизма,
люфты и упругие деформации. Привод датчика обратной связи не
должен иметь люфтов. Достаточно хорошо в этих условиях работает
привод с тонким стальным тросом, обеспечивающий безлюфтовую
передачу движения на относительно большие расстояния.
Датчики обратной связи по положению бывают трех типов: им-
пульсные, кодовые и аналоговые.
Импульсные датчики применяются в системах отсчета коорди-
нат по приращениям, так как не могут дать информацию в непод-
вижном состоянии. Естественно, что в устройстве управления дол-
жен быть счетчик для регистрации поступающих от датчика импуль-
сов и их хранения. Импульсные датчики могут быть различного
принципа действия, в том числе фотоэлектрические, индуктивные и
т. д. Наиболее распространены фотоэлектрические датчики
(рис. 3.16, а), состоящие из диска с нанесенными на периферии деле-
ниями и фотоэлектрического устройства, которое формирует им-
пульсы и выдает их в устройство управления. Датчик этого типа дол-
жен быть рассчитан так, чтобы один импульс соответствовал эле-
ментарному перемещению исполнительного органа, обеспечиваю-
щему заданную точность остановки. Рекомендуемое элементарное
перемещение — 0,1...0,2 мм. Конструкции импульсных датчиков
обратной связи многочисленны.
Кодовый датчик обратной связи отличается тем, что на его выхо-
де формируется код, позволяющий с необходимой точностью опре-
делять положение исполнительного органа в любой точке заданного
перемещения, в том числен в неподвижном состоянии. Кодовый дат-
чик обратной связи (рис. 3.16, б) состоит из специального диска (од-
142
ного или нескольких, соединенных передачей), на котором нанесен
соответствующий код, в данном случае код Грея.
К достоинствам фотоэлектрических датчиков следует отнести!
малую инерционность, определяемую только инерционностью фо-
тоэлементов и переходными процессами в выходной электрической
цепи; пригодность этого принципа для преобразования как очень
больших, так и очень малых перемещений (10-3 мм и менее); воз-
можность обходиться ничтожными усилиями на входе.
Преимущественное распространение получили кодирующие ди-
ски с разновидностями двоичного кода, исключающими возникно-
вение ошибок при переходе через границы различных дискретных
участков, когда некоторые разряды могут считываться по одну
сторону границы, а некоторые — по другую (из-за неточной уста-
новки считывающего устройства или из-за неодновременного счи-
тывания кода в процессе вращения).
Разрядность кодового диска должна соответствовать требовани-
ям точности остановки исполнительного органа. Так, при среднем
значении перемещения исполнительного органа робота 1000 мм и
необходимой точности остановки А = 0,1 мм нужно иметь 14-раз-
рядный датчик, так как 214 = 16 384 и
А 1000 А ПС1
Д =16384- = °’061 ММ’
что отвечает требованиям,
датчик, то
Если же установить 13-разрядный
. 1000
А =
Ю00 А ,оо
218 ~ 8192 —0’122 мм>
т. е. в этом случае элементарный шаг будет больше заданной точно-
сти остановки, что неприемлемо.
В последние годы появились кодовые датчики небольшого диа-
метра, в которых вместо одного диска большого размера установ-
лены несколько маленьких, соединенных точной механической пе-
редачей.
Существует несколько типов аналоговых датчиков, выпускае-
мых серийно в СССР. К ним нужно отнести многооборотный потен-
циометр типа ППМЛ, имеющий следующие характеристики: раз-
решающую способность — не менее 0,01 %; быстродействие— не
менее 200 об/мин; надежность — 1000 ч при вероятности отказа
0,92.
Для определения перспективы развития отечественных потен-
циометрических датчиков сравним их параметры с зарубежными
аналогами. Разрешающая способность последних модификаций дат-
чиков «Helipot» (США)—0,003...0,002 %, а датчиков «Ariport»
(ЧССР)—0,002...0,004 % при идентичных с ППМЛ показателях
по надежности и быстродействию. Разрешающая способность таких
датчиков составляет 216 дискрет при цене дискреты 0,4 мм, измерен-
ной на схвате робота при максимальном выдвижении руки. Такую
точность обеспечивает также индуктивный датчик, работающий в ре-
14»
Рис. 3.17. Элек-
трическая схема
включения ти-
ристора в сеть
переменного то-
ка
жиме фазовращателя и имеющий электрическую
редукцию фазы точного отсчета 32. Его разрешаю-
щая способность 0,5'.
Следует отметить, что подавляющее большинст-
во устройств управления промышленных роботов
относится к цифровым. Поэтому применение дис-
кретных датчиков обратной связи предпочтитель-
нее, так как отпадает необходимость в преобразо-
вании сигнала из аналоговой формы в цифровую.
Несмотря на то что существует очень большое ко-
личество преобразователей «аналог — код», такой
процесс, как правило, приводит к некоторой поте-
ре точности измерения.
Тиристорные преобразователи, широко применяемые как мощ-
ные усилители в электроприводах с двигателями постоянного тока,
являются управляемыми выпрямителями, выходное напряжение ко-
торых в широких пределах пропорционально входному управляю-
щему сигналу постоянного тока. Основной элемент любого тири-
сторного преобразователя — тиристор. Это мощный полупроводни-
ковый управляемый вентиль, в котором с помощью импульса тока
Uy, подаваемого на управляющий электрод, можно изменять момент
начала прохождения через него тока при условии подачи напря-
жения Ес (рис. 3.17). Изменяя этот момент, можно изменять среднее
значение выпрямленного тока iu в нагрузке /?„. Ток через тиристор
может протекать не только при подаче управляющего импульса,
но и без него — при достаточно высоком напряжении питания, ко-
торое называется напряжением переключения.
Тиристоры характеризуются рядом параметров, главные из ко-
торых следующие: номинальный ток — среднее значение выпрям-
ленного тока; номинальное напряжение — максимально допусти-
мое напряжение, которое длительно прикладывается к тиристору в
прямом и обратнохМ направлениях; ток управления — наименьший
постоянный ток в цепи управления, обеспечивающий открытие ти-
ристора. Кроме этих параметров используются и другие: падение на-
пряжения в прямом направлении при номинальном токе; ток вклю-
чения, т. е. прямой ток при разомкнутой цепи управления, ниже
которого тиристор выключается; время включения и выключения;
допустимые скорости нарастания тока и напряжения и т. д.
Отечественные тиристоры серии ПТЛ (тиристор лавинный) вы-
пускаются на токи 100, 150 и 200 А при прямом падении напряжения
на нем около 1 В и при рабочем (обратном) напряжении 300...1000 В.
При этом отпирающий ток составляет 0,15... 1,3 А, что соответствует
напряжению отпирания 0,3...0,8 В. Характеристики тиристоров и
режимы их работы приводятся в соответствующих справочниках.
Рассмотрим схему тиристорного преобразователя ТПЗР, раз-
работанную в ЭНИМСе (рис. 3.18). Она состоит из двух групп вен-
тилей (VI...V3 и V4...V6), образующих трехфазные управляемые
выпрямители, которые могут работать как инверторы. Вентили
включены последовательно с дросселями L1 и L2, работающими на
144
Рис. 3.18. Схема тиристорного преобразователя ТПЗР:
БУ — блок управления; БПН — блок пилообразных напряжений} УПТ —
усилитель постоянного тока; ВТО — блок токоограничення: БЗС — блок
задания скорости; БП — блок питания: БПДТ блок питания обмоток
возбуждения двигателей и тахогенератора
один двигатель, который подключен между средней точкой А
дросселей и общей точкой В вторичной обмотки трехфазного транс-
форматора.
При небольшом открытии вентилей обоих выпрямителей через
дроссели идет уравнительный постоянный ток 2...4 А. Переменная
составляющая этого тока ограничивается дросселями. При увели-
чении открытия вентилей одной группы и одновременном уменьше-
нии открытия другой (за счет управляющего сигнала) на выходе
тиристорного преобразователя между точками А и В возникает на-
пряжение вследствие разности напряжений выпрямителей. Двига-
тель начинает вращаться в ту или иную сторону в зависимости от
того, у какого из выпрямителей напряжение больше. Если при
установившейся скорости двигателя снизить управляющий сигнал
на входе, то одна из групп вентилей (в зависимости от направления
вращения двигателя в этот момент) переходит в инверторный режим
вследствие того, что ЭДС двигателя больше выпрямленного напря-
жения. При этом направление тока, проходящего через двигатель,
меняется, и он начинает тормозиться до скорости, соответствующей
заданной для нового значения управляющего сигнала.
В настоящее время разработано несколько схем тиристорных
преобразователей, обеспечивающих управление различными дви-
10 0-1922
145
гателями. Управляющий сигнал, подаваемый на схему тиристор-
ного преобразователя, равен ±10 В.
Разомкнутый шаговый электропривод промышленных роботов.
Как уже было показано (см. раздел «электрогидравлический шаго-
вый привод»), разомкнутый шаговый электропривод имеет опреде-
ленные преимущества. Это простота структурной схемы, отсутствие
датчиков обратной связи и большой диапазон регулирования по ско-
рости. Вместе с тем такой тип привода имеет некоторые недостатки,
В том числе невозможность устранить методическую ошибку в пре-
делах одного цикла, малую мощность шагового двигателя, что, как
правило, приводит к необходимости вводить промежуточные уси-
лители.
В настоящее время наша промышленность серийно выпускает
шаговый двигатель ШД-5Д1, описание которого, технические дан-
ные и схема управления приведены ранее (см. разд. «Электрогид-
равлический шаговый привод»), и шаговый двигатель ШД-5Д1
МУЗ (рис. 3.19).
Технические данные шагового двигателя
ШД-5Д1 МУЗ
Напряжение питания постоян-
ного тока, В 48
Ток в цепи фазовой обмотки, А 3±0,1
Единичный шаг, 0 1,5
Момент нагрузки, Н • м 0,1
Момент инерции нагрузки, кг-ма 4 • 10*
Приемистость (не менее), шаг/с 2000
Максимальный статический син-
хронизирующий момент, Н • м 0,4
Максимальная частота отработ-
ки шагов, шаг/с:
при резисторной фокусировке 8000
при электронной фокусировке 16 000
Таблица 3.8. Основные данные отечественных силовых шаговых двигателей
Параметр Тип двигателя
Ш-2,65/20-0! Ш-2,65/50-01 Ш-2,65/150-01
Шаг, ° 2,65 2,65 2,65 Номинальный ток фазы, А 3,2 4,0 8,0 Номинальный вращающий момент, Н • м 2,0 5,0 15,0 Максимальный статический синхроии- , зирующий момент при двух включен- ных фазах, Н • м 3,5 12,0 38,0 Момент инерции робота, кг • ма 2,58 • 10—7 20,0 10~7 33,3 . 10~7 Номинальная частота управления, Гц 300 130 180 Частота приемистости холостого хо- да, Гц 550 400 400 Максимальная частота управления хо- лостого хода, Гц 850 620 600 Сопротивление фазы, 0м 3,0 3,1 1,9 Постоянная времени фазы, в 0,019 0,045 0,032
146
потв. ФЮ
Ьз1
Тип двигателя bi df &20 дц, di5 dso tr ha hi ho Zj/ hs h n Масса,kb
Ш-2,65/20 -01 3 100 10 127 143 107 ita 20 7 8 215 31 3 11,2 1,8 4 8
Ш-2,65/50 -01 5 127 16 /34 200 161 170 40 7 10 290 51 5 19 3 6 20
Ш-2,65/150-01 6 127 20 /34 200 161 170 50 7 10 472 59 6 22,5 3,5 6 45
Рис, 3.20. Отечественные силовые шаговые двигатели
Следует отметить, что двигатель ШД-5Д1 можно применять и
без гидроусилителей, но только на механизмах с малым моментом
вращения. Опыт показывает, что это такие механизмы, как манипу-
ляторы роботов малой грузоподъемности (до 5 кг) либо вспомога-
тельные, ориентирующие движения роботов средней грузоподъем-
ности. В каждом частном случае решению о применении двигателя
ШД-5Д1 должны предшествовать расчеты по моментам и мощности.
Безусловно, интересна и перспективна задача создания так на-
зываемых силовых шаговых двигателей, применение которых не
требует установки гидроусилителей. В этом направлении в СССР и
за рубежом ведутся научно-исследовательские и опытно-конструк-
торские работы, получены первые результаты. В настоящее время
серийно выпускаются отечественные силовые шаговые двигатели
(рис. 3.20, табл. 3.8). Дальнейшее развитие шаговых двигателей в
направлении увеличения момента и быстродействия откроет благо-
приятные перспективы в создании разомкнутого шагового привода
промышленных роботов.
3.6. Сравнительные двнные приводов
В гл. 3 «Приводы промышленных роботов» кратко рассмотрены
лишь некоторые вопросы, характерные для робототехники. Задача
охватить все возможные аспекты создания и применения приводов
автором не ставилась. Интересующихся отсылаем к специальной
литературе.
В заключение приведем сравнительные данные (табл. 3.9), по-
зволяющие ориентировочно оценить преимущества и недостатки
ю* 147
Таблица 3.9. Свойства гидро-и электропривода
Гидравлический привод
Технические данные и составные части следящий шаговый (ком- бинированиый) Электрический привод
Силовой элемент Габаритные размеры и масса (при той же мощ- ноетн) КПД системы Редуктор Орган управления Вспомогательные уст- ройства Движущиеся части при- вода Распределительная сеть Наличие масла Фильтры Время готовности Операции при введении в действие Обелуживающий персо- нал Уровень шума Гидроци- Гидроуснли- линдр тель Малые Малые Низкий Низкий Нет Есть Электрогнд- Шаговый равлическнй двигатель с золотник электронным коммутатором Насосная станция со стан- дартным оборудованием Двигатель гидронасоса, гидронасос, гидромотор, золотник Трубы и шланги высокого давления Есть Необходима смена с про- стоем для промывки систе- мы Необходим начальный про- грев Промывка гидросистемы Электрик, механик, гид- равлик Высокий Электродвигатель Большие Высокий Есть Двигатель постоянного тока с тиристорным уси« лителем Нет Двигатель постоянного тока и редуктор Электрические провода Нет Нет Немедленно Нет Электрик, механик Низкий
различных типов приводов промышленных роботов. Эти данные
имеют качественный характер и могут быть полезны на первом эта-
пе выбора типа привода. Далее необходимо провести сравнительные
расчеты по выбранным критериям оценки и лишь затем можно сде-
лать вывод и окончательный выбор типа привода.
Глава 4
УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМРГХМБОТАМИ
4.1. Классификация устройств управления
i В настоящее время создано много разнообразных устройств уп-
равления промышленными роботами, начиная от простейших элек-
тромеханических и кончая очень сложными в функциональном отно-
шении с использованием интегральных схем. Чтобы внести ясность
в широкий спектр устройств управления (УУ), выделим наиболее
148
Тип
привода
Признак
классификации
Характер
выполняемых
операций
Способ
управления
Наличие
обратной
связи
Тип
используемых
сигналов
Рис. 4.1. Классификация устройств управления промышленными роботами
важные признаки и приведем классификацию этих устройств
(рис. 4.1).
Следует отметить, что при разработке, создании и применении
устройств управления ПР возникают все традиционные требова-
ния, предъявляемые к устройствам управления другими произ-
водственными процессами и оборудованием, как, например, к уст-
ройствам управления металлорежущими станками с числовым про-
граммным управлением. В частности, это касается надежности,
быстродействия, объема памяти, элементно-конструктивной базы
и стоимости. Подробное рассмотрение всех параметров не входит
в задачу данного учебного пособия, так как обстоятельно изложено
в соответствующих курсах. Здесь приведены в основном отличи-
тельные особенности устройств управления ПР.
Помимо приведенных признаков классификации (см. рис. 4.1)
существуют признаки, отличающие устройства управления про-
мышленными роботами от других, известных в настоящее время.
Один из таких признаков — уровень управления (рис. 4.2).
I уровень (рис. 4.2, а). Каждую единицу технологического обо-
рудования дополняют соответствующим промышленным роботом,
выполняющим простые циклические операции — установку в обо-
рудование заготовок, снятие деталей и т. д.
II уровень (рис. 4.2, б). Технологически объединенную группу
оборудования оснащают стационарным или подвижным промышлен-
ным роботом, который осуществляет установку и съем деталей, вы-
полняя другие вспомогательные операции (измерение, контроль и
т. д.); при этом поведение ПР определяется запросами от единицы
оборудования и условиями выполнения программы обслуживания.
149
к асуп^
>
эвн
Рис. 4.2. Уровни управления промышлен-
ными роботами:
•— I; б - II; в - ш
III уровень (рис. 4.2, в). Высокая степень автоматизации на ос-
нове группового управления оборудованием и роботами от распре-
деленной системы управления оборудованием или центральной
ЭВМ, решающей также задачи диспетчеризации, управления скла-
дом, транспортными средствами и т. д.
С некоторым приближением можно сказать, что I уровень — это
управление отдельным роботом или простейшим роботизированным
технологическим комплексом, II — управление роботизированным
технологическим комплексом средней и высокой сложности, III —
управление гибкой производственной системой.
Наконец, различные устройства управления могут классифи-
цироваться по степени сложности решаемых задач. Эта классифика-
ция в известной степени связана с методами обучения и дистанцион-
ным управлением роботами (рис. 4.3). На рисунке представлены
четыре уровня взаимодействия человека-оператора с устройством
управления роботом: интеллектуальный, стратегический, тактиче-
ский и исполнительный (штриховкой показано качественное соот-
ношение объемов информации).
Все три приведенные классификации не только не противоре-
чат друг другу, но в известной степени и дополняют.
Можно сказать, что первая классификация отражает элементно-
конструктивную базу, структуру и внутренние связи в устройствах
управления, вторая — степень сложности в зависимости от количе-
ства единиц технологического и вспомогательного оборудования,
третья — показывает уровень интеллектуальности устройств уп-
равления. Заметим, что III и IV уровни относятся к адаптивным ро-
ботам и роботам с искусственным интеллектом.
Стремление создать единую, всеобъемлющую классификацию
устройств управления неизбежно приводит к неоправданному уве-
личению ее сложности, что значительно затрудняет восприятие и
понимание такой классификации, поэтому автор приводит три клас-
еификации, отличающиеся в методическом плане.
Существующие в настоящее время устройства управления про-
1М
мышленными роботами (кроме цикловых) относятся к классу си-
стем числового программного управления (ЧПУ).
В зарубежной и отечественной литературе системы числового
программного управления принято делить на следующие типы:
— NC (Numerical control) — числовое программное управление
обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифро-
вом коде. Эти устройства работают по «жесткой логике», программа
вводится, как правило, на перфоленте или магнитной ленте;
— HNC (Hand NC) — разновидность устройств ЧПУ с ручным
заданием программы с пульта управления (на клавишах, переклю-
чателях и т. д.). В последнее время эти системы получили дальней-
шее распространение и теперь выпускаются следующие их типы:
TNC (Total NC) и VNC (Voice NC). Устройства типа TNC имеют в
своем составе внешнюю память на гибких дисках (для хранения уп-
равляющих программ) и дисплеи для организации общения опера-
тора с устройством ЧПУ. В устройствах ЧПУ типа VNC управля-
ющая программа вводится непосредственно с голоса. Принятая ин-
формация затем отображается на дисплее, что обеспечивает визу-
альный контроль правильности ввода;
Fbc. 4.3, Уровни взаимодействия человека-оператора с устройствами управления
151
Рис. 4.4. Обобщенная структурная схема устройсгва управления промышлен-
ным роботом:
1 — управляющий модуль; 11 — ииформационный; 111 — исполни ельный; IV — программе*
задающий; ———— основные сигналы программного управления; — сигналы адаптаЬ»
ного управления
— SNC (Speicher NC) и (или) MNC (Memory NC) — разновид-
ность устройств ЧПУ, имеющих память для хранения всей управ-
ляющей программы;
— CNC (Computer NC) — автономное устройство ЧПУ, содер-
жащее ЭВМ или процессор;
— DNC (Direct NC) — устройство для управления группой обо-
рудования от ЭВМ, осуществляющее хранение программ и распре-
деление их по запросам от локальных устройств управления обо-
рудованием (на оборудовании могут быть установлены устройства
типа NC, SNC, CNC). Устройства ЧПУ типа NC и HNC имеют по-
стоянную структуру, а устройства типа SNC и CNC — переменную.
Несмотря на то что эта классификация была создана для уст-
ройств числового программного управления металлорежущими
станками, сейчас она применяется и для устройств управления про-
мышленными роботами.
Описывая устройства числового программного управления про-
мышленными роботами, следует хотя бы кратко остановиться на их
структурной (функциональной) схеме.
В ряде опубликованных статей, монографий и учебных пособий
встречаются разнообразные структурные схемы устройств управ-
ления роботами, но при внимательном рассмотрении оказывается,
что между ними нет принципиальных различий. Как правило, они
отличаются лишь степенью детализации модулей, связей и графиче-
ской компоновкой.
На рис. 4.4 приведена обобщенная структурная схема устройст-
ва управления промышленным роботом.
Далее мы переходим к рассмотрению устройств управления ПР
различного типа.
1В2
4.2. Цикловые устройства управления
В большинстве случаев перемещения манипулятора промышлен-
ного робота представляют собой определенную последовательность
операций, направленных на выполнение заданной производствен-
ной, технологической задачи. Конечную последовательность дви-
жений рабочего органа манипулятора, после выполнения которой
он занимает начальное положение, называют циклом, а устройства,
обеспечивающие циклическую работу исполнительных, рабочих
органов,— цикловыми.
Большое количество промышленных роботов предназначено для
выполнения относительно простых операций, сводящихся к процес-
су «взять — перенести — положить», и поэтому цикловые устрой-
ства управления различного типа широко применяются в промыш-
ленной робототехнике.
Работа цикловых устройств управления имеет дискретный ха-
рактер. Рабочий цикл можно разбить на несколько интервалов —
тактов, представляющих собой интервалы времени, в течение ко-
торых выполняется определенное перемещение по ранее заданно-
му закону. Цикловые устройства многотактны и имеют обычно жест-
кую последовательность тактов. Применение в управляющей части
специальных программных задающих устройств позволяет при не-
обходимости изменять рабочий цикл, дает основание называть
цикловые устройства устройствами программного управления. Цик-
ch ch ch ch ch ch ch
5
18»
ловые устройства программного управления часто монтируют вме-
сте с приводами и подчас трудно отделить собственно управляющую
часть от исполнительной.
По виду используемой энергии в приводной части устройства
циклового программного управления могут быть пневматические,
гидравлические, электрические и комбинированные.
Основное назначение задающего программного устройства —
обеспечить последовательность выполнения технологических опе-
раций в соответствии с заданной программой, которая может перио-
дически изменяться. В относительно простых случаях в качестве
программного устройства используют штекерную панель (рис. 4.5, а).
Рабочий цикл изменяют, переставляя штекеры. Таким образом,
перекоммутируют линии связи между логическими элементами в
соответствии с новым циклом. В более сложных случаях программное
устройство может иметь вращающийся барабан (рис. 4.5, б) в виде
кулачкового вала, воздействующего при вращении на командные
элементы, или многоканальное золотниковое устройство. В качестве
носителей программы могут использоваться также перфокарты
или перфолента. Команды, заданные программным устройством,
поступают на привод соответствующей координаты. Линейное пере-
мещение рабочего органа определяется положением конечного вы-
ключателя (рис. 4.5, в).
В большинстве случаев программные задающие устройства —
это оригинальные узлы в цикловых устройствах программного уп-
равления, хотя иногда их можно построть и на нормализованных
элементах гидро- и пневмоаппаратуры.
4.3. Устройство управления УЦМ-663
В последние годы, по предложению нескольких организаций)
принято обозначать тип устройства числового программного управ-
ления соответствующим образом. Например, УЦМ-663 расшифровы-
вается так: У — унифицированное; Ц — цикловое; М — модульное,
в — шестикоординатное; 6 — в том числе управляющее всеми шестью
координатами одновременно; 3 — цифра, поясняющая выход на
привод циклового устройства. УЦМ-663 предназначено для управ-
ления манипуляторами промышленных роботов с позиционирова-
нием по упорам и соответствующим технологическим оборудова-
нием.
Техническая характеристика УЦМ-663
Тип устройства - циклово»
’ Число управляемых координат 6
Число одновременно управляемых координат 6
Число точек позиционирования:
по двум координатам 8
по четырем координатам 4
Число координат с режимом торможения 6
Число управляемых захватных устройств 6
Число выдаваемых технологических команд о возможностью
подтверждения исполнения 12
164
Число одновременно выдаваемых технологических команд
Число воспринимаемых устройством внешних блокировочных
сигналов
В том числе:
от манипулятора
от технологического оборудования
от ограждения манипулятора
от датчика давления гидропневмосети
Объем запоминающего устройства (количество единичных команд)
Количество программ, одновременно размещаемых > памяти
(в пределах объема запоминающего устройства)
Число разветвлений в программе
Число условных обращений к подпрограммам
Число циклов в программе
Число повторений цикла
Число каналов управления золотниками манипулятора
Число каналов управления внешним оборудованием
Число каналов управления золотниками привода захватных
устройств
Напряжение питания датчиков манипулятора и технологиче-
ского оборудования, В
Питание устройства осуществляется от сети переменного тока:
напряжение, В
частота, Гц
Масса устройства, кг
Габаритные размеры устройства, мм:
высота
ширина
глубина
2
20
12 t
6
1
1
224
4
8
4
2
10
28
12
4
24±2
38
380±57:
1221
480
475
При сохранении технических характеристик устройство до-
пускает непрерывную работу в течение 16 ч.
Работает устройство УЦМ-663 по принципу синхронного авто-
мата с жестким циклом управления. Состоит УЦМ-663 из следующих
основных функциональных блоков (рис. 4.6), которые осущест-
вляют:
— блок управления — обработку информации по заданной
программе и выдачу управляющих воздействий на манипулятор и
технологическое оборудование;
— запоминающее устройство — хранение требуемой програм-
мы работы робота;
— встроенный пульт оператора — задание режимов работы
устройства, выполнение операций включения — выключения пита-
Рис. 4.6, Структурная схема устройства управления УЦМ-ябЗ
1Н
ния, запуск в работу, а также ручное управление звеньями мани-
пулятора;
— выносной пульт ручного управления — ручное управление
звеньями манипулятора в наладочном режиме;
— блок усилителей — выдачу управляющих команд необхо-
димой мощности на золотники манипулятора и технологическое обо-
рудование;
— блок питания — питание электронного оборудования, дат-
чиков обратной связи манипулятора и технологического оборудо-
вания;
— блок трансформаторов — включение и преобразование на-
пряжения сети 380 В, подавление индустриальных помех, прони-
кающих по каналу питания в устройство.
Основные режимы работы устройства УЦМ-663 следующие:
«Ручной», «Наладка», «Кадр», «Команда», «Цикл», «Автомат», «За-
дание программы».
В ручном режиме команды управления звеньями манипулятора
задают с пульта оператора или с ручного пульта. При этом блок
управления выдает управляющую информацию на блок усилителей,
включающих требуемые комбинации золотников манипулятора.
Отрабатываются команды по получении сигналов от соответствую-
щих датчиков манипулятора.
В режиме «Наладка» команды на манипулятор задают с пультов
оператора или ручного управления. В отличие от ручного режима,
выдача команд управления звеньями манипулятора прекращается
после отпускания соответствующих кнопок на пульте оператора и
ручного управления.
В режиме «Команда» устройство отрабатывает текущую коман-
ду кадра, хранящуюся в запоминающем устройстве. После отра-
ботки команды устройство останавливается.
Таблица 4.1. Система команд устройства УЦМ-663
Команда Обоз- начение на кно- пках 7 1 6 5 1 4 1 3 2 | 1
Движение 0 Направ- ление движе- ния Ном ер координаты
Номер точки
Схват 1 открыть Схв. 1 откр. 1 1 10 0 0 0 0
Схват 1 закрыть Схв. 1 закр. 1 1 0 0 1 1 1
Схват 2 открыть <*' Схв. 2 откр. 1 1 0 1 0 0 0
Схват 2 закрыть Схв. 2 закр. 1 1 0 1 1 1 1
Внешнее оборудо- вание 1 ВО1 1 1 0 0 Номер техкоманды
Внешнее оборудо- вание 2 ВО2 1 1 0 1 Номер тех команды
Выдержка времени вв 1 0 1 Выдержка времени/
IS6
Продолжение табл. 4.1
Команда Обоз- 7 6 5 1 4 1 3 2 | 1
наче-
ние Направ-
Движение иа кноп- 0 ление движе- Номер координаты Номер точки
ках НИЯ
Совместная обра- ботка со 1 1 1 1 Число ре команд в кад-
Условный переход УП 1 0 0 1 Номер внешнего уо
ЛОБНЯ
Конец программы КП 1 0 0 0 0 Номер про- граммы
Обращение к под- ОПП 1 0 0 0 1 Номер под-
программе Конец подпро- программы
граммы КПП 1 1 1 0 1 1 0
Начало цикла нц 1 1 1 0 0 1 № СЧЦ
Конец цикла КЦ 1 1 1 0 < о 0 № СЧЦ
Модификация мод 1 1 1 0 1 0 № СЧЦ
Останов ост 1 1 1 0 1 1 1
В режиме «Кадр» отрабатывается один кадр программы, храня-
щейся в запоминающем устройстве. После отработки кадра прог-
раммы (т. е. отработки всех команд в кадре) устройство останавли-
вается.
МАСШТ. ЦИКЛЫ СХВ-1 СХВ-2
ВВ 0 1 О 3 О 3
1 1 1 1 1 1 1
СНЯТИЕ БЛОКИРОВКИ
I IboiI ImahI, |огр
t |вог| |ип
ОТМЕНА
I |В01
| |В02
Рис. 4.7. Вид пульта оператора УЦМ-663
157
В режиме «Цикл» однократно отрабаты-
ваются все кадры программы.
В режиме «Автомат» многократно отра-
батывается рабочий цикл робота.
В режиме «Задание программы» осуще-
ствляются занесение в память команд про-
граммы и контроль информации, записан-
ной в памяти.
В устройстве используется кадр пере-
менной длины, состоящий из одной или
нескольких команд. Система команд при-
ведена в табл. 4.1.
Конструктивно устройство выполнено в
виде напольного шкафа. Внутри шкафа раз-
мещены блоки транформаторов, вентилято-
ров, питания и контейнер с платами блока
управления, блока входных усилителей и
Рис. 4.8. Вид пульта руч- запоминающего устройства. В верхней ча-
иого управления УЦМ-663 сти шкафа расположен пульт оператора
(рис. 4.7), предназначенный для набора про-
граммы работы устройства, ее контроля, индикации состояния
устройства и ручного управления звеньями манипулятора.
Пульт ручного управления (рис. 4.8), предназначенный для уп-
равления звеньями манипулятора в наладочном режиме, кон-
структивно размещен в отдельном переносном корпусе и соединен
со стойкой кабелем длиной 10 м.
Устройство УЦМ-663 выпускается серийно и является достаточ-
но совершенным устройством этого класса.
4.4. Устройство управления ИЭС-690
Устройство управления ИЭС-690 — первое в СССР устройство
для сварочного робота (1975 г.). Оно относится к типу универсаль-
ных разомкнутых устройств, имеет выход на шаговые двигатели
ЩЦ-5Д1, обладает широкими возможностями и достаточно простое.
Рассмотрение этого устройства позволит читателю уяснить
принцип работы всех устройств управления с записью программы
на магнитной ленте.
Структурная схема ИЭС-690 по одной из координат представлена
на рис. 4.9. В режиме автоматической работы управляющие импуль-
сы поступают непосредственно от
на шаговый привод ШП, переме-
щающий исполнительный ор-
ган ИО. Значение перемещения,
определяемое количеством им-
Рис. 4.9. Структурная схема устрой-
ства управления ИЭС-690 по одной иэ
координат
запоминающего устройства
158
пульсов, и скорость движения, зависящая от частоты их следова-
ния, полностью заданы расположением импульсов на магнитной
ленте. Это устройство пригодно для позиционного способа управ-
ления, позиционного с регламентацией скорости и для контурного.
Различие заключается лишь в процессе обучения.
Чтобы обучить промышленный робот позиционному движению,
достаточно подавать управляющие импульсы от генератора импуль-
сов ГИ с помощью ключа на ШП и ЗУ одновременно. Недостатком та-
кого способа является сложность ручного управления роботом при
обучении и то, что все ошибки, совершаемые при обучении, повто-
ряются в каждом рабочем цикле. Поэтому обучение приходится вы-
полнять в очень замедленном темпе, и все же одновременное дви-
жение по всем координатам программировать трудно.
Задать требуемый закон изменения скорости в принципе можно,
применив ручное пропорциональное управление частотой генератора
импульсов. Однако точно выдержать желаемый закон движения
практически невозможно. Выйти из положения удается, если ввести
специальное устройство обучения УО, состоящее из промежуточ-
ной памяти небольшой емкости и управляемого генератора импуль-
сов с задающими блоками. При обучении импульсы от генератора
ГИ, управляемого вручную, подают на шаговый привод ШП, кото-
рый перемещает исполнительный орган ИО, и одновременно — на
реверсивный счетчик РСч, где они алгебраически суммируются. За-
метим, что информация о скорости движения при этом теряется,
так как кодовое число, образующееся в реверсивном счетчике,
говорит лишь о значении перемещения. После выхода в заданную
позицию это число следует перевести в ЗУ, но в унитарном коде,
введя добавочно информацию о желаемом законе измен шия скоро-
сти. Для этого после отключения шагового привода переключателем
S по команде «Запись» включают лентопротяжный механизм ЗУ и
блок формирования сигнала скорости БФС. Последний выдает тре-
буемый сигнал на вход множительного устройства « х», в то время
как на его втором входе установлен уровень, пропорциональный
перемещению, который получен в цифровом аналоговом преобразо-
вателе ЦАП преобразованием кодового числа от РСч. Выходной сиг-
нал перемножителя задает искомое изменение частоты следования
импульсов генератора ГИ. Теперь импульсы от генератора ГИ по-
ступают в ЗУ на запись и в РСч на вычитание. Опустошение счет-
чика РСч послужит сигналом остановки генератора ГИ и лентопро-
тяжного механизма, после чего устройство готово к программиро-
ванию следующей позиции.
Оператор может перемещать рабочий орган по каждой из коор-
динат раздельно и в любом порядке. Перезапись из реверсивных
счетчиков в основное ЗУ произойдет одновременно, и при воспроиз-
ведении перемещения робота произойдут одновременно по всем ко-
ординатам по закону, заложенному в БФС.
Блоки УО используются только при обучении. Их случайный
выход из строя никак не отразится на надежности работы робота в
его основном автоматическом режиме. Более того, УО целесообраз-
15&
Рис. 4.10. Конструктивное исполнение ИЭС-690
но не вводить в конструкцию робота, а выполнять автономным и
подключать к устройству управления лишь на время обучения. Это
значительно упростит и удешевит электронную часть промышлен-
ного робота без снижения качества его работы. Автономное же УО
способно обслужить большую группу роботов.
Конструктивно ИЭС-690 оформлено в консольном шкафу
(рис. 4.10), устанавливаемом на общем основании робота. Устрой-
ство состоит из пяти блоков: запоминающего устройства /; блока
управления 5; блока усилителей мощности 2; блока стабилизиро-
ванного питания 4 и панели управления 6. Предусмотрены штеп-
сельные разъемы 3 для подключения выносного пульта управле-
ния, дублирующего органы управления роботом, устройства обу-
чения и связи с аппаратурой управления клещами.
Все органы управления, за исключением кнопки предваритель-
ного включения сети, находящейся на дверце распределительного
шкафа, сосредоточены на панели управления, размещенной в верх-
ней части шкафа управления под откидывающейся крышкой. Для
вспомогательных операций с лентопротяжным механизмом преду-
смотрена панель управления ЗУ.
Устройство управления позволяет осуществить автоматическое
и ручное управление, обучение при замедленном движении и про*
граммирование с помощью устройства обучения. ИЭС-690 обеспе-
чивает одновременное движение рабочего органа ПР по пяти коор-
динатам и выдачу технологической команды на включение свароч-
ных клещей.
Запоминающее устройство (рис. 4.11) выполнено на базе серийно
выпускавшегося магнитного считывающего устройства УСМ-1.
160
Рис. 4.11. Запоминающее устройство
ИЭС-690
Рис. 4.12. Схема лентопротяжного ме-
ханизма запоминающего устройства
ИЭС-690
Устройство УСМ-1 предназначено для воспроизведения програм-
мы, записанной на магнитную ленту в виде однополярных импуль-
сов, и широко применялось в системах числового программного
управления станками. Носитель информации в устройстве — маг-
нитная лента шириной 35 мм.
Предусмотрена работа устройства в трех режимах: воспроизве-
дение программы, обратная перемотка магнитной ленты, ускорен-
ная перемотка магнитной ленты вперед. Номинальная рабочая ско-
рость движения ленты при воспроизведении равна 0,2 м/с, скорость
обратной и ускоренной перемотки ленты вперед — 5,6 м/с, что при
емкости бобины 1000 м позволяет осуществить полную перемотку
в течение 3 мин.
Конструктивно устройство выполнено в виде двух блоков: уни-
фицированного лентопротяжного механизма и комбинированного
блока.
Лентопротяжный механизм (рис. 4.12) необходим для переме-
щения магнитной ленты. Все узлы механизма смонтированы на го-
ризонтальной плите. На верхней стороне плиты размещены: съем-
ные бобины 1 для магнитной ленты; направляющие ролики 6\ обре-
зиненный прижимной ролик 7; рычаг 2 прижима магнитной ленты
к головке и отвода ее при перемотке; магнитная головка 9 в пер-
маллоевом экране; стирающая магнитная головка 10 и фотодатчик,
закрытый кожухом, состоящий из фотодиода 4, осветительной лам-
почки 3 и зеркала 8. На нижней стороне плиты смонтированы элек-
тродвигатели, узел ведущего вала 5 с маховиком, электромагниты
с рычажной системой и каркас, в котором размещены вспомога-
тельные элементы устройства и комбинированный блок.
4.5. Устройство числового программного
управления УПМ-772
Обозначение устройства числового программного управления
УПМ-772 расшифровывается так: У — универсальное; И — пози-
ционное; М — модульное; 7 — предназначенное для управления
/-координатным манипулятором; 7 — в том числе всеми семью
11 0-1822 „
координатами одновременно; 2 — с выходом на замкнутую систему
привода с двигателями постоянного тока. Если в конце поставлена
цифра 1, это значит, что устройство предназначено для управления
разомкнутым шаговым приводом, например, с двигателями
ШД-5Д1. Если вторая буква будет «К», например УК.М-772, это
значит, что данное устройство контурного типа.
Устройство числового программного управления УПМ-772 пред-
назначено для управления манипулятором ПР при автоматизации
различных технологических процессов производства, которые тре-
буют позиционного управления. Основная область применения уст-
ройств такого типа — управление манипуляторами ПР-35 и «Уни-
версал-15» при автоматизации транспортных и вспомогательных,
загрузочно-разгрузочных операций, связанных с обслуживанием
группы металлорежущих станков (до четырех), прессов, штам-
пов, установок для контактной точечной сварки и др.
Устройство УПМ-772 позиционное, с отсчетом в абсолютных ве-
личинах, имеющее 15 двоичных разрядов; программоноситель —
кассетный накопитель на магнитной ленте с объемом хранимой ин-
формации примерно 600 тыс. бит (до 3000 кадров).
Устройство УПМ-772 предназначено для программирования ме-
тодом обучения; выбор требуемой программы можно осуществить по
сигналу от объекта или с пульта управления. На пульте управле-
ния предусмотрены цифровая индикация номера зоны и кадра и сиг-
нализация служебной информации.
Обмен технологической информацией с манипулятором и внеш-
ним оборудованием осуществляется: выдачей команд по 19 каналам
(15 команд с четырьмя сопровождающими признаками объектов);
приемом ответных технологических сигналов — по 15 каналам;
приемом сигналов условий выполнения программы — по 32 кана-
лам; приемом запросов выбора программы от объекта управления —
но 4 каналам.
Устройство рассчитано на следящий привод (цифра 2 в конце
обозначения); выходной сигнал на привод представляет собой сиг-
нал постоянного напряжения -фЮ...—10 [В при токе нагрузки
5 мА. Для организации обратной связи от манипулятора можно ис-
пользовать 15-разрядные кодовые датчики ДПК-IM или ФЭП-15.
В некоторых вариантах устройств в качестве датчиков обратной
связи используют двухсчетные синусно-косинусные вращающиеся
трансформаторы СК.ТД-6465Д Элементно-конструктивная база уст-
ройства — интегральные микросхемы серии К-155; габаритные раз-
меры шкафа 470 X 650 X 1700 мм.
Устройство числового программного управления построено по
принципу синхронного микропрограммного автомата управления в
конечным числом состояний и жестким циклом управления. Оно
содержит (рис. 4.13): кассетный накопитель на магнитной ленте
(КНМЛ), блок управления кассетного накопителя; блок разметки
магнитной ленты; полупроводниковое оперативное запоминающее
устройство; блок ввода-вывода технологической информации; пульт
управления; пульт обучения; операционно-логический блок; мик-
' j g,2 ®81"' U
Рис. 4.13. Упрощенная структурная схема устройства управления
УПМ-772
ропрограммный автомат управления; блок синхронизации; измери-
тельную схему; блок управления приводом. Устройство оперирует
с информационными словами в 1 байт.
Кассетный накопитель на магнитной ленте — основной про-
граммоноситель. Совместно со своим блоком управления он осущест-
вляет прием, хранение и выдачу программы по запросу из микро-
программного автомата. На магнитной ленте по зонам могут быть
записаны одна или несколько программ: если для размещения про-
граммы объема одной зоны недостаточно, программу записывают
поочередно в нескольких зонах с обеспечением связи частей програм-
мы с помощью команд условного или безусловного переходов. Для
обеспечения надежных записи и считывания информации предва-
рительно с помощью блока разметки проверяется качество ленты и
«разметка» ее на зоны, т. е. расстановка маркеров зон на участках
ленты, пригодных для хранения информации. Эту операцию про-
водят один раз с каждой новой лентой, после чего блок разметки от-
ключается и не участвует далее в работе устройства.
Полупроводниковое запоминающее устройство предназначено
для оперативного хранения рабочей программы, размещаемой в од-
ной зоне и используемой непосредственно для автоматического уп-
равления или для записи программы на магнитную ленту в режиме
обучения. Информационная связь полупроводникового запомина-
ющего устройства, построенного на интегральных микросхемах, с
другими блоками осуществляется по шинам А (чтение) и С (запись).
Управляющие сигналы формируются в микропрограммном автома-
те; адресная информация поступает из счетчика адресов памяти
операционно-логического блока.
Операционно-логический блок совместно с микропрограммным
автоматом управления является по существу управляющим вычис-
лительным устройством, обеспечивающим взаимодействие всех функ-
циональных блоков и выполняющим функции центрального управ-
ления и логической обработки информации. В состав операционно-
11*
163
логического блока входят следующие основные функциональные
узлы: узел памяти; операционные регистры; арифметико-логический
узел; счетчик адресов памяти; узел индикации.
Микропрограммный автомат управления физически реализует
алгоритм работы манипулятора и формирует команды управления
для блоков устройств. Автомат работает по жестким, «машинным»
циклам-состояниям; для хранения текущего состояния использу-
ется рабочий регистр состояния, новое состояние подготавливается
в буферном регистре. Регистры состояний контролируются узлом
Контроля и снабжены узлом индикации.
Блок синхронизации формирует временные сигналы управле-
ния, необходимые для синхронизации работы блоков устройства,
а также для формирования опорных напряжений питания датчи-
ков (/ = 400 Гц), измерения временных интервалов (/ = 100 кГц)
и т. п. Состоит блок из задающего кварцевого генератора частотой
5 МГц, делителя частоты, узлов формирования синхроимпульсов и
сигналов проверки работы устройства в режиме «Проверка».
Измерительная схема, используемая в устройстве,— двухот-
счетная с применением датчиков обратной связи. Схема состоит из
блока питания датчиков, формирователей фаз датчиков, преобразо-
вателей фазы в цифру. Блок питания датчиков обеспечивает форми-
рование и выдачу синусоидального напряжения амплитудой 18 В
и частотой 400 Гц. В качестве входного сигнала используется «кван-
тованное» напряжение частотой 400 Гц из блока синхронизации.
Формирователи фаз устанавливаются непосредственно вблизи дат-
чиков на манипуляторе и формируют сигналы обратной связи.
Блок ввода-вывода технологической информации предназначен
для выдачи на исполнение технологических и вспомогательных
команд, приема ответных сигналов, запросов на выбор программы и
условий ее выполнения от объектов управления и манипулятора.
С пульта управления можно задать режимы работы устройства,
набрать технологические команды, значения временных выдержек,
откорректировать некоторые виды работ, задать цифровую инди-
кацию зоны и кадра, получить световую сигнализацию состояния
устройства и т. д. Пульт обеспечивает работу устройства в одном из
следующих режимов: «Программа» — автоматическая обработка
программы в цикле или по кадрам; «Поиск кадра» — нахождение
требуемого кадра программы в данной зоне; «Ручное управление» —
управление движением манипулятора от органов ручного управ-
ления пульта; «Обучение» — ручное управление манипулятором с
последующей записью набранного на переключателях кадра про-
граммы в полупроводниковое запоминающее устройство, а затем
перепись массива информации на магнитную ленту; «Разметка
ленты» — контроль качества магнитной ленты и расстановка сиг-
'налов зон на рабочих участках ленты.
Пульт обучения (см. п. 4.7) предназначен для управления пере-
мещением манипулятора в режиме «Обучение». Это выносной при-
бор, содержащий кнопки управления движением манипулятора и
технологических команд. -
164 - »• Е
4.6. Устройство числового программного ,
управления УКМ-772 i
Устройство числового программного управления (УЧПУ)
УКМ-772 предназначено для управления манипулятором и сварочным
оборудованием при автоматизации технологического процесса ду-
говой сварки в различных отраслях промышленности; может быть
использовано для автоматизации окрасочных работ. Это устройство
весьма совершенно, серийно выпускается с 1982 г., может успешно
конкурировать с аналогичными зарубежными образцами.
Устройство управления УКМ-772 — контурное, с системой от-
счета в абсолютных размерах, имеет 15 двоичных разрядов и зна-
ковый разряд для обработки информации, с линейной интерполя-
цией. Метод программирования — обучение; программоноситель —
кассета МК.-60 с магнитной лентой по ГОСТ 20492—87.
УКМ-772 обеспечивает:
1) управление, в том числе одновременное, семью следящими
электрогидравлическими приводами координатных перемещений;
2) выдачу на привод управляющего сигнала постоянного на-
пряжения (4-Ю ± 0,5) ... (—10 ± 0,5) В при токе нагрузки не бо-
лее 5 мА;
3) выдачу ряда рабочих скоростей 2,8...31,5 мм/с с коэффици-
ентом ряда 1,12;
4) точность поддержания контурной скорости ±5 %;
5) выдачу на оборудование шести восьмиразрядных групп тех-
нологических команд в виде сигналов постоянного тока не более
0,1 А напряжением ±24 В;
6) прием ответов о выполнении технологических команд в виде
сигналов постоянного тока не более 0,03 А напряжением ±24 В;
7) прием сигналов от оборудования на выбор одной из четырех
программ управления в виде сигналов постоянного тока не более
0,03 А напряжением ±24 В;
8) задание десяти режимов работы;
9) формирование выдержек времени с точностью ±5 % в диа-
пазоне О...9,9 с дискретностью 0,1 с;
10) алфавитно-цифровую и знаковую информацию о режимах
работы, номерах программы, номерах кадров и данных, характе-
ризующих работу комплекса «манипулятора — УЧПУ»;
11) дискретную световую индикацию работы и сбоя устройства.
Смонтировано УЧПУ УКМ-772 в отдельном шкафу размерами
620 X 725 X 1665 мм (рис. 4.14).
В состав устройства входят (рис. 4.15): микроЭВМ «Электроника-
60 М», кассетный накопитель КНМЛ «Искра 005-33»; пульт опера-
тора; пульт обучения (выносной); блок логический; аппаратура
электропитания и вентиляции. УКМ-722 построено на базе мик-
роЭВМ, задача которой — обработать информацию, принятую с
пульта оператора или кассетного накопителя, выдать сигналы уп-
равления на следящие приводы манипулятора и в шкаф электро-
автоматики оборудования в режиме обработки программы. Мате-
165
Рис. 4.14. Устройство управле-
ния УКМ-772
матическое обеспечение УКМ-772 вво-
дится с помощью перфоленты.
Управляющие программы форми-
руют в режиме «Обучение» по кадрам,
текущую технологическую и вспомо-
гательную информацию кадра задают
на переключателях пульта обучения
(подробнее процесс обучения и описа-
ние пульта обучения см. в п. 4.7).
По окончании перемещения испол-
нительного органа информация о зна-
чении координат точек считывается с
датчиков обратной связи (ДОС) и за-
носится в оперативное запоминающее
устройство. Распределение сформиро-
ванной информации и управление ее
перезаписью в кассетный накопитель
осуществляет микроЭВМ.
При отработке управляющей про-
граммы информация о траектории дви-
жения, скоростях исполнительных
органов манипуляторов, подготови-
тельных и технологических функци-
ях, представляющая собой последова-
тельность кадров, считывается с лен-
ты кассетного накопителя, с помощью
микроЭВМ обрабатывается в блоке
логики и передается на исполнитель-
ные органы манипулятора и оборудование. Обмен информацией
между центральным процессором, периферийными узлами устрой-
ства и внешними объектами осуществляется через канал ЭВМ и
внутреннюю магистраль устройства. Последние связаны между
собой шинным согласователем и адаптером, который согласует со-
ответствующие шины, дешифрует адреса периферийных узлов,
трансформирует передаваемую информацию и формирует сигналы
прерывания работы центрального процессора.
1«6
Связь внутренней магистрали с пультом оператор*, культов
обучения и датчиками обратной связи осуществляется через соот-
ветствующие интерфейсные платы. Передача информации на при-
вод происходит через цифроаналоговый преобразователь, где циф-
ровая информация от центрального процессора преобразуется в уп-
равляющее напряжение. Гальваническая развязка и согласование
по уровням сигналов устройства и внешних объектов обеспечивают-
ся модулями ввода и вывода.
Устройство УКМ-772 обеспечивает работу в следующих режи-
мах: «Разметка МЛ» — автоматическая разметка магнитной ленты
на зоны определенной длины; «Вывод» — вывод информации из
оперативного запоминающего устройства на магнитную ленту;
«Ввод» — ввод информации с магнитной ленты в оперативное
запоминающее устройство; «Выбор программы» — задание с
пульта оператора номера программы для обучения или отра-
ботки; «Обучение» — управление с пульта обучения перемещением
исполнительных органов и задание на нем технологической
информации с записью точек траектории перемещения и заданной
технологической информации в оперативное запоминающее
устройство; «Автоматическая работа» — многократная автома-
тическая отработка программ; «Автоматическая работа однократ-
ная» — однократная отработка программ; «Покадровая отработ-
ка» — отработка программы последовательно по кадрам с останов-
кой после отработки каждого кадра программы; «Поиск кадра» —
задание номера кадра с пульта оператора с выводом содержания
кадра на индикационное табло пульта оператора; «Контроль» —
тестовое диагностирование устройства.
На пульте оператора имеются специальное индикационное таб- г
ло и большое количество кнопок (переключателей) с хорошо отра- г
ботанными символами, что позволяет осуществить диалог «чело-
век — робот» на высоком уровне. На табло выводятся такие,
например, тексты, как «Ошибка», «Нет», «Про», «НА», «МЛ», «Нару-
шено ОЗУ», «Разметка МЛ», «Разметка Зона», «Поиск М Ошибка»,
«Мало своб. Зон» и др. На пульте оператора установлены переклю-
чатели с достаточно понятными символами. Все это обеспечивает
хорошие эксплуатационные показатели устройства УКМ-772.
В конце 80-х годов были созданы несколько устройств управ-
ления промышленными роботами, построенных по иерархическому
принципу с языками управления более высокого уровня. К ним от- ,
носятся устройства управления «Сфера-36», «Прогресс 1-8» и др.
- »•
4.7. Программирование промышленных роботов
В соответствии с ГОСТ 24836—81 «Устройства программного уп-
равления промышленными роботами. Методы кодирования и про-
граммирования» программирование промышленных роботов мо
жет осуществляться одним из следующих методов (рис. 4.16).' .
обучение, аналитическое и комбинированное программирование-
167
Метод обучения нашел самое широкое применение в различных
конструкциях промышленных роботов и в настоящее время наибо-
лее распространен. Суть метода заключается в том, что необходи-
мые движения руки робота воспроизводятся оператором, а соответ-
ствующая им информация записывается при этом в память устрой-
ства управления. Затем робот переключают на автоматический
режим, и он начинает воспроизводить всю последовательность движе-
ний до тех пор, пока не появится необходимость заменить програм-
му. Как правило, современные устройства управления ПР позво-
ляют хранить несколько программ, и поэтому записанную ранее
программу при необходимости можно воспроизвести вновь. Этот
способ прост, доступен рабочему соответствующей квалификации и
не требует никаких дополнительных устройств.
Вместе с тем процесс обучения связан с появлением субъектив-
ной ошибки, возникающей за счет неточного позиционирования ин-
струмента в процессе обучения. Эта ошибка войдет в качестве со-
ставляющей в полную ошибку позиционирования, так как ПР может
воспроизвести только те позиции, которые заданы ему при обуче-
нии. Ошибка при обучении зависит от возможностей человека, про-
водящего обучение робота. Даже у опытного оператора она может
оказаться существенной, если динамические свойства ПР таковы,
что оператору тяжело управлять роботом вручную. Динамика ро-
бота в режиме ручного управления должна быть согласована с фи-
зиологическими свойствами человека.
В процессе обучения промышленного робота человек, управля-
ющий им вручную, составляет совместно с роботом следящую сис-
тему, являясь ее замыкающим звеном. Входным воздействием этой
системы служит рассогласование в положении рабочего органа
робота относительно заданной позиции, которое воспринимается
оператором.
Структурная схема системы обучения робота по одной из коор-
динат (рис. 4.17, а) состоит из двух звеньев: первое звено Ко вместе
с элементом сравнения отражает свойства человека-оператора,
управляющего роботом, второе Кв — динамику промышленного
робота.
Действия человека в системе обучения можно представить се-
бе, анализируя некоторую математическую модель. В нашем слу-
168
Рис. 4.17. Структурные схемы системы обучения робота (я) и модели опе-
ратора (6)
чае для этого удобно воспользоваться квазилинейной моделью
(рис. 4.17, б), которая состоит из линейного звена с передаточной
функцией /(0 (/<») и некоторого шумового генератора N. Послед-
ний представляет те компоненты выхода звена, которые нельзя по-
лучить как следствие действия линейного оператора Ко на входной
сигнал ввиду их линейной природы.
Участвуя в работе системы ручного управления, человек изме-
няет свое поведение вполне определенным образом, как бы проводя
самонастройку. Самонастройка есть суть освоения человеком тон-
костей управления и состоит из процесса адаптации, а затем опти-
мизации системы. Адаптация соответствует выбору оператором част-
ного вида своей характеристики и производится им так, чтобы си-
стема оказалась стабильной. Оптимизация состоит в подгонке
параметров выбранной характеристики таким образом, чтобы улуч-
шить заданный критерий качества. Существенно, что в конкретной
ситуации управления характеристики различных операторов, про-
шедших предварительное обучение, практически совпадают.
Оператор проявляет себя, как низкочастотное звено с гранич-
ной частотой до 1 Гц. На низких частотах (менее 0,1 Гц) резко
возрастают «шумы», т. е. нелинейные эффекты. Оптимальная поло-
са частот воздействующего сигнала, при которой субъективно опе-
ратор ощущает легкость в управлении, а объективно совершает
наименьшие ошибки, находится в пределах 0,5...0,6 Гц. Это обстоя-
тельство позволяет найти диапазон желаемых скоростей перемеще-
ния робота при его обучении.
Имея передаточную функцию промышленного робота и учитывая
свойства самонастройки человека-оператора, можно найти ошибку
позиционирования при обучении, соответствующую выбранному
воздействию. Затем следует свести эту ошибку к минимуму сред-
ствами коррекции динамики робота.
Переход от автоматического управления к ручному означает из-
менение структуры системы управления. Некоторые звенья систе-
мы не используются и отключаются, в систему вводятся новые
звенья, необходимые для осуществления ручного управления. По-
следние и могут быть использованы для введения коррекции.
Промышленный робот в режиме обучения — сложная динами-
ческая система, параметры которой изменяются в процессе работы.
Так, частоты собственных колебаний в угловых координатах зави-
сят от значения перемещения по радиальной координате. Домини-
рующим звеном, определяющим вид передаточной функции ПР, яв-
ляется механическая его часть — манипулятор.
169
робота при обучении (одна коорди-
ната)
На рис. 4.18 приведена типич-
ная логарифмическая амплитудная
частотная характеристика (ЛАЧХ),
относящаяся к одной из угловых
координат промышленного робота.
Существенно, что область частот,
где сказывается влияние колеба-
тельного звена, здесь лежит выше
диапазона частот, доступного опе-
ратору, и при правильном выборе
коэффициента /<н оператор при об-
учении будет воспринимать дина-
мическую нагрузку, соответствую-
щую простому интегрирующему
звену.
В большинстве случаев программа записывается на магнитных
носителях программ (магнитной ленте, магнитных барабанах и ди-
сках) на замедленной скорости с любыми перерывами во времени.
Это обеспечивает более точное обучение робота. Несмотря на кажу-
щуюся простоту этого метода, обучение требует создания специаль-
ных блоков в устройстве управления ПР и соответствующего мате-
матического обеспечения.
Существуют три вида обучения — ручное, полуавтоматическое
и автоматизированное.
Ручное обучение можно применять для тех конструкций ПР, ко-
торые имеют так называемый обратимый привод. Под обратимым
понимают такой привод, при котором движение может быть переда-
но от двигателя к руке робота и наоборот. Иначе говоря, робот с
обратимым приводом позволяет перемещать руку сравнительно не-
большим усилием оператора. Разумеется, при перемещении руки
робота в пространстве вращаются приводные звенья кинематической
схемы и, что особенно важно, вращаются датчики обратной связи,
установленные на каждой координате манипулятора. Если это тре-
бование не будет соблюдаться, то осуществить ручное обучение
невозможно. Такой вид обучения, как правило, осуществляется в
реальном масштабе времени, хотя остановка носителя программы
возможна, и тогда наступает перерыв в обучении на любое время.
Опыт эксплуатации промышленных роботов с ручным обучени-
ем показал, что это наиболее простой метод. Однако ему свойствен-
ны и недостатки, в том числе низкая точность позиционирования
или ведения по заданной траектории и невозможность управлять
несколькими технологическими параметрами. Эти недостатки ог-
раничивают возможности ручного обучения. Наиболее распрост-
ранено ручное обучение при автоматизации окрасочных операций,
так как в этом случае не требуется высокая точность, а технология
сводится к одному параметру — включение и выключение распы-
лителя.
Типичным примером промышленного робота с ручным обучени-
ем может служить робот «Тральфа».
170
Рис. 4.19. Схема системы обучения промышленных роботов «Юнимейт» (а) ...
и ИЭС-690 (б)
Полуавтоматическое обучение — на сегодняшний день самый
распространенный и очень удобный вид обучения. Суть его заклю-
чается в том, что оператор, управляя роботом от специального пуль-
та обучения, последовательно выводит рабочий орган в нужное по-
ложение (точку) и лишь затем, нажимая специальную кнопку, да-
ет сигнал на запись. В этот момент записываются все координаты
манипулятора, однозначно определяющие положение рабочего ор-
гана в пространстве. После этого манипулятор переводят в следую-
щую позицию и т. д. Перевод можно осуществить на любой, как пра-
вило, медленной скорости. В нужной точке позиционирования опе-
ратор может многократно перемещать манипулятор, добиваясь
необходимой точности. Все эти движения записаны не будут и в про-
грамму автоматического цикла не попадут, что очень важно. Таким
образом, можно получить достаточно хороший и рациональный ав-
томатический режим робота.
Рассмотрим обучение промышленного робота «Юнимейт»
(рис. 4.19, а) по одной координате, в данном случае по радиальному
перемещению руки.
В режиме «Обучение» оператор, нажимая соответствующую
кнопку на пульте обучения 3, подает сигнал на блок сервоклапа-
нов 1. Открывается соответствующий клапан, и масло гидронасо-
сом 2 подается по магистрали, например, в правую часть цилиндра,
вызывая перемещение руки робота влево. Кодовый датчик положе-
ния 7 вращается и через переключатель 4 передает сигналы на за-
писывающие головки блока памяти 6. По достижении необходимо-
го положения руки оператор нажимает кнопку «Запись», и инфор-
мация об этом положении записывается на барабане. Оператор
переходит к следующей точке и так последовательно записывает
все точки цикла по всем координатам.
После окончания обучения переключатель 4 переводят в положе-
ние «Автоматический режим». Из начального положения, в кото-
рое робот устанавливают, он должен переместиться в первую точ-
ку. Координаты этой точки считываются с барабана и передаются в
171
блок сервоклапанов, что влечет за собой открытие соответствующе-
го клапана. Рука робота перемещается влево с заданной скоростью;
от кодового датчика положения информация поступает на блок
сравнения 5, где сравнивается с заданным значением координаты.
По достижении нужного положения, когда заданное и фактическое
положения равны, подается сигнал на блок сервоклапанов и пре-
кращается подача масла в цилиндр.
Так осуществляется последовательное автоматическое переме-
щение манипулятора из одной позиции в другую. Закон разгона
и торможения задается аппаратурными средствами, предусмотрен-
ными устройством управления. Как следует из приведенного опи-
сания, траектория движения рабочего органа в пространстве не
контролируется и не управляется, из чего следует, что такое обу-
чение может быть осуществлено для промышленного робота с пози-
ционным устройством управления.
Принцип полуавтоматического обучения можно реализовать для
промышленных роботов с разомкнутым устройством управления.
Рассмотрим этот принцип на примере промышленного робота
ИЭС-690, разработанного и созданного Институтом электросварки
им. Е. О. Патона АН УССР и Горьковским автозаводом.
Упрощенная схема обучения ИЭС-690 представлена на рис. 4.19, б.
На схеме 1 — ручка управления, позволяющая изменять частоту
и полярность импульсов, вырабатываемых генератором импуль-
сов 2. Частота импульсов пропорциональна углу поворота ручки. От
генератора импульсы через усилитель записи 3 попадают на записы-
вающую головку 4 блока памяти и записываются на дорожке, со-
ответствующей данной координате. Одновременно через переклю-
чатель 8 импульсы попадают на электронный коммутатор 9, затем
на шаговый двигатель 10 (ШД-5Д1). Вращение двигателя усилива-
ется гидроусилителем моментов 11 и через редуктор 12 перемещает
руку 13 робота. По достижении заданной точки ручку управления
переводят в нейтральное положение, движение руки робота и за-
пись импульсов прекращаются. Так записывают все движения по
всем координатам. После обучения лента перематывается, переклю-
чатель устанавливают в режим «Автомат», и робот начинает рабо-
тать в автоматическом режиме. При этом команды с дорожки счи-
тываются воспроизводящей головкой 6 и усиливаются в усилителе
воспроизведения 4.
Устройство управления ПР по такому принципу (см. рис. 4.19, б)
может быть достаточно простым, но тогда все движения операто-
ра, в том числе и излишние, записываются на ленту и, естественно,
воспроизводятся в автоматическом режиме. Этого можно избежать,
если установить специальный промежуточный блок памяти, что и
сделано в устройстве управления робота ИЭС-690. Такое мероприя-
тие позволяет сделать программу значительно совершеннее.
Следует отметить, что описанное устройство управления с полу-
автоматическим обучением от пропорциональной ручки дает воз-
можность перемещать рабочий орган ПР по криволинейной прост-
ранственной траектории и его можно назвать «квазиконтурным».
172
К числу недостатков этого устройст-
ва управления (как и всякой разомкну-
той схемы) можно отнести возможность
появления ошибки позиционирования,
которая внутри цикла устраняться не
будет. Промышленный робот с таким
устройством управления обязательно
должен в конце каждого цикла возвра-
щаться в некую начальную точку — на-
чало координат с установленными ко-
нечными выключателями. Это исключит
перенос появившейся ошибки в следую-
щий цикл. Работа такой схемы отлича-
ется достаточно высокой надежностью,
что подтверждается многолетним опытом
эксплуатации станков с ЧПУ с шаговы- Рис. 4.20. Пульт обучения
ми двигателями. „ ^7? управления
Представляют значительный интерес
пульт и процесс обучения, разработан-
ные и применяемые для достаточно совершенных устройств по-
зиционного программного управления УПМ-772 и контур-
ного программного управления УКМ-772. Пульт обучения
(рис. 4.20) размерами 150 х 250 х 40 мм соединен с устройством
многожильным кабелем длиной до 20 м, что позволяет оператору
взять пульт в руки и осуществлять обучение непосредственно в ра-
бочей зоне робота. Пульт обучения предназначен для ручного уп-
равления перемещением (режим «Обучения») и задания негеомет-
рической (технологической) информации. На пульте имеются:
1) 14 переключателей управления координатными перемеще-
ниями робота, расположенных слева (—I,—II, ...) и справа (+1,
+ 11, •••) в Две колонки;
2) 2 переключателя задания скорости движения манипулято-
ра (VI, V2);
3) переключатели задания негеометрической (технологической)
информации (группа 1/F, .... 0/N);
4) переключатель конца обучения кадра и записи информации
в ОЗУ (К);
5) индикация пульта — 11 светоизлучающих диодов для све-
товой индикации символов (V, N, ..., F) и 3 цифровых индикатора.
Процесс обучения осуществляют следующим образом. Для ра-
боты с переключателями координатных перемещений нажимают пе-
реключатель VI (или V2), выбирая соответствующую скорость. На-
жимая соответствующий переключатель управления координатным
перемещением, переводят рабочий орган (или имитатор) в очеред-
ное положение. Прекращение движения манипулятора происхо-
дит при повторном нажатии выбранного переключателя. Для зада-
ния негеометрической (технологической) информации повторно
нажимают переключатель VI (или V2). Первое нажатие переключа-
теля группы 1/F, 2/R, ..., 0zN воспринимается как символ функции,
173
три последующих — как цифра. Для записи заданной информации
оператор нажимает переключатель К. Этим заканчивается обуче-
ние в данном положении.
После обучения всего цикла манипулятор возвращается в ис-
ходное положение, устройство управления переключают на режим
«Автомат», и робот готов к работе. В соответствии с установив-
шейся практикой обычно один-два раза робот пропускают в автома-
тическом режиме, но «вхолостую», чтобы проверить правильность
обучения.
Обучение по принципу «от точки к точке». При обучении про-
мышленных роботов, рабочий орган которых должен перемещаться
по криволинейной пространственной траектории, целесообразно
применять принцип обучения, получивший название «от точки к
точке». Такая задача часто возникает при использовании ПР для
дуговой сварки плавлением.
Наиболее яркий пример конструкции, где траектория манипу-
лятора имеет пространственный характер» приведен на рис. 4.21, а.
Это широко распространенный класс изделий, где кривая линия
образуется пересечением двух цилиндров разных диаметров. На
рис. 4.21, б показана произвольная кривая в плоскости ху. Для уп-
рощения рассмотрим пример в плоскости, так как это упрощение
не меняет существа задачи. Условимся, что рабочий орган ПР, в
данном случае горелка для дуговой сварки, должен перемещаться
по заданной траектории, чтобы обеспечить дуговую сварку стыка
двух деталей. Эта задача может быть решена, например, с примене-
нием устройства контурного управления типа УКМ-772, включа-
ющего в себя блоки интерполирования. Обучение осуществляют по
заданному контуру, причем оператор устанавливает рабочий ор-
ган (или имитатор) последовательно в каждую точку и по достиже-
нии требуемого положения нажимает кнопку «Запись».
Самостоятельное значение приобретает так называемый интер-
вал квантования (рис. 4.22). При увеличении интервала кван-
тования уменьшается количество точек на заданной кривой, а
следовательно, и время обучения, но снижается точность А4 воспро-
изведения контура. При уменьшении интервала квантования увели-
чиваются количество программируемых точек, время обучения и
точность воспроизведения контура А3.
Чтобы упростить процесс обучения «от точки к точке», было
предложено (впервые — в Японии) применять специальную лип-
кую ленту шириной 4 мм с
Рис. 4.21. Примеры пространственной (а)
и плоскостной (б) траекторий
поперечными рисками кван-
тования, которая наклеивает-
ся на свариваемый стык. По-
скольку обучение по принципу
Рис. 4.22. Квантование точек обу-
чения
174
«от точки к точке» применяется в различных случаях, отличающих-
ся требованиями к точности, времени обучения и т. п., то и ленту
применяют с разными интервалами квантования — от 4 до 20 мм.
Обучение «от точки к точке» широко используют в програм-
мировании промышленных роботов для дуговой сварки плавлени-
ем. Однако основным недостатком этого способа остается относитель-
но большая трудоемкость обучения. Опыт эксплуатации таких
роботов свидетельствует, что время обучения колеблется от несколь-
ких десятков минут для простых деталей до нескольких часов для
сложных.
Развитие методов обучения, по-видимому, будет идти в направ-
лении создания специальных проблемно-ориентированных форма-
лизованных языков и организации диалога между человеком и
роботом, но это уже относится скорее к роботам второго и высших
поколений.
Метод аналитического программирования. Управляющая про-
грамма подготавливается с применением расчетных параметров в
основном без участия оператора. Этот метод широко применяется
в станках с ЧПУ и поэтому рассмотрим его подробнее.
За последние годы выработались два способа подготовки про-
грамм для оборудования с ЧПУ: ручной и автоматизированный.
Ручная подготовка программ очень трудоемка, и поэтому в насто-
ящее время применяется в основном автоматизированная подго-
товка.
Автоматизированная подготовка программ. Чтобы сократить
время на подготовку управляющих программ, в последние годы при-
меняются автоматизированные комплексы, в состав которых вхо-
дят достаточно совершенные средства вычислительной техники и
соответствующее математическое обеспечение. Такой подход по-
зволяет автоматизировать следующие этапы:
1) определение числа проходов и всех требуемых режимов об-
работки;
2) определение эквидистанты;
3) аппроксимацию и интерполяцию элементов траектории;
4) автоматический разгон, торможение и поддержание постоян-
ной скорости вдоль контура;
5) автоматическое введение коррекции перемещений исполни-
тельных устройств;
6) автоматическое определение команд стандартных циклов об-
работки.
Для использования универсальных ЭВМ при подготовке про-
грамм разработаны табличные или текстовые формализованные
языки. В символах этих языков задают исходные данные и алго-
ритмы поставленной задачи, поэтому их часто называют алгорит-
мическими языками. Однако, применяя конкретные ЭВМ, нужно
переводить информацию с формального языка на машинный, что
осуществляется с помощью трансляторов.
За последние годы в СССР широко распространились системы
автоматического программирования (САП). В настоящее время
; 175
создано многоразличных САП. Они отличаются по функционально-
му признаку и предназначены для контурных и позиционных уст-
ройств с ЧПУ. При наличии такой системы автоматического рас-
чета программирование сводится к правильному заданию исходной
информации по операции.
Собственно САП представляет собой комплекс вычислительных
программ, находящихся на машинных йоейтелях информации (маг-
нитных лентах, перфолентах, перфокартах). При необходимости
взести систему в действие вычислительные программы заносятся'.в
оперативную память ЭВМ и по ним осуществляются ввод исходных
программ на языке программирования, расшифровка их содержа-
ния, выполнение необходимых вычислений, кодирование резуль-
татов расчета и запись их на соответствующий носитель для станка.
Сложность и трудоемкость расчета управляющих программ, а сле-
довательно, и создания соответствующих САП резко возрастают с
усложнением форм деталей и с увеличением количества координат,
управляемых по программе.
В методическом плане опыт подготовки программ для станков
с ЧПУ может и должен быть использован при подготовке программ
для промышленных роботов. Однако следует помнить, что сущест-
вующие проблемно-ориентированные формализованные языки со-
здавались для металлообрабатывающих станков и вряд ли могут
быть использованы для промышленных роботов без переделки. Та-
ким образом, возникает задача реконструкции существующего язы-
ка или, скорее всего, создания новых языков.
Трудности аналитического программирования могут поставить
под сомнение целесообразность применения этого метода для про-
граммирования промышленных роботов, особенно по сравнению с
таким относительно простым методом, как обучение. Однако это
преждевременный и ошибочный вывод.
Во-первых, существуют такие процессы, когда наряду с боль-
шим объемом геометрических команд необходимо программировать
и множество технологических. К таким процессам относится элек-
тоодуговая и электронно-лучевая сварка. Получение достаточно ра-
п циональной программы обучением здесь иногда невозможно.
Во-вторых, аналитический метод, в частности применение САП,
позволяет оптимизировать управляющую программу по ряду кри-
териев, в том числе ее структуру, некоторые режимы, последова-
тельность обработки и т. д. Эти важные соображения обязывают со
вниманием отнестись к задаче применения метода аналитического
программирования для промышленных роботов.
4.8. Языки программирования роботов
Приведенные выше методы ручного и полуавтоматического обу-
чения могут быть с успехом применены для программирования
промышленных роботов, выполняющих относительно простые опе-
рации, но они не позволяют программировать сложные технологи-
ческие операции. Языковое программирование более перспектив-
176 '
но, так как практически не имеет ограничений по уровню сложнос-
ти создаваемых программ и допускает интерактивное управление
роботами. Примером такого сложного процесса может служить опе-
рация сборки изделия.
Языковая форма — текстовое описание задачи — является ло-
гическим продолжением и развитием аналитического метода про-
граммирования. Следует, однако, отметить, что в период формиро-
вания понятия «аналитический метод программирования» предпо-
лагалось осуществлять программирование предварительное, вне
робота, с использованием соответствующего математического аппа-
рата. Языковая форма программирования позволяет осуществлять
связь с роботом непосредственно в процессе его функционирования.
Таким образом, применение текстового описания имеет большие
возможности по сравнению с аналитическим методом программиро-
вания.
Языки программирования роботов можно классифицировать по
способу задания и содержания командной и ситуационной инфор-
мации.
1. Уровень отдельных степеней подвижности (исполнительный).
На этом уровне устройства управления человек-оператор задает
движение манипулятора в терминах либо управляющих сигналов
на каждую степень подвижности, либо значений обобщенных коор-
динат. Последовательность этих данных соответствует некоторой
траектории в зоне обслуживания ПР, обеспечивающей выполнение
требуемой операции. Объем информации, передаваемый от операто-
ра к роботу,— максимальный и достаточно подробный.
2. Уровень манипулятора (тактический).На этом уровне пользо-
ватель оперирует уже в рабочем пространстве (зоне обслуживания)
манипулятора, он не должен заботиться о состоянии отдельных сте-
пеней подвижности, а должен задавать координаты и ориентацию
рабочего органа манипулятора в узловых точках траектории. Ра-
зумеется, объем передаваемой информации будет меньше, чем в пер-
вом случае.
3. Объективный уровень (стратегический). На этом уровне за-
дание формируется путем указания операций, которые необходи-
мо выполнить роботу над объектом манипулирования.
4. Целевой уровень (интеллектуальный). На этом языке высше-
го уровня формулируется задание в целом, без детализации дей-
ствий на низших уровнях. Объем передаваемой информации в та-
ком варианте минимальный.
Графическая интерпретация перечисленных уровней представ-
лена на рис. 4.3.
Принципиальные преимущества программирования роботов с
помощью текстового описания операций на специализированном
языке заключаются в возможности независимой подготовки про-
грамм, их корректировки и расширении при изменении условий
задачи. При включении в состав языка операторов обработки сигна-
лов датчиков и передачи управления такие языки становятся сред-
ством программирования адаптивных роботов, для которых непри-
12 0-1922
177
емлем способ непосредственного обучения. Кроме того, текстовая
форма языка с использованием меток и включением комментариев
обеспечивает доступность и понятность программ для пользователя.
К недостаткам языкового программирования пространственных пе-
ремещений манипулятора относятся высокие требования к квали-
фикации программистов — разработчиков языка и его системной
поддержки, а также большой объем вычислительных ресурсов, не-
обходимых для реализации соответствующих программ.
Возможны два различных подхода к созданию языков програм-
мирования роботов. Один из них состоит в разработке нового, спе-
циально предназначенного для программирования робототехни-
ческих задач языка. Представители языков такого типа — AL,
AML, VAL, SIGLA, PAL — имеют синтаксис, приспособленный к
описанию поведения робота, т. е. понятный и экономичный, на-
сколько это возможно.
Второй возможный подход — использование традиционных уни-
версальных языков программирования высокого уровня для реше-
ния задач робототехники при условии, что выбранный язык позво-
ляет определять необходимые структуры данных и управляющие
команды манипулятора. Такой подход связан с создан :ем проблем-
но-ориентированной надстройки для некоторого широко исполь-
зуемого языка универсального типа.
Первые промышленные роботы программировал! с,, по принци-
пу «обучение — повторение» без использования текстовых языков
программирования для относительно простых операций, как, на-
пример, окраска и контактная точечная сварка. Первая попытка
создания языка для промышленного робота была предпринята
фирмой «Юнимейшн» (США). Управляющая программа состояла из
.последовательности команд с указанием некоторых дополнитель-
- ных функций, которые должны выполняться после каждого шага.
Последовательные точки траектории задавались шестикомпонент-
, ным вектором значений обобщенных координат. Команды содер-
жали управляющие сигналы по степеням подвижности,1'функции —
открытие и закрытие захватного устройства, временные задержки
и т. д.
В настоящее время создан и имеется целый ряд языков програм-
мирования роботов. Однако даже краткое их описание заняло бы
большой объем, который не вписывается в рамки настоящей книги,
поэтому кратко остановимся на языке VAL.
Язык VAL предназначен для программирования промышлен-
ного робота «Пума» фирмы «Юнимейшн». Структура системы про-
граммирования представлена на рис. 4.23. Базовая часть языка
VAL реализована на микроЭВМ LSI-Н. Алгоритмы трансляции
исходных данных программ хранятся в перепрограммируемом запо-
минающем устройстве (EPROM), а прикладные пользовательские
программы — в запоминающем устройстве с произвольным досту-
пом (RAM).
Программы управления роботом на языке VAL составляются
пользователем в диалоговом режиме. Ниже приведена программа,
.. 178 -•
в соответствии с которой робот должен взять (команда PICK) де-
таль в заданном месте, перенести ее и поставить в другое указанное
место (команда PLACE) рабочего пространства. Значение и направ-
ление перемещений рабочего органа задаются с помощью команды
MOVE. Чтобы избежать возможного столкновения, в языке VAL
предусмотрена команда APPRO ach (приближение), с помощью ко-
торой рабочий орган вблизи детали поднимается на некоторую
безопасную высоту по оси г и занимает исходное положение для вы-
полнения операции взятия детали. После того, как нужная деталь
оказалась в захватном устройстве робота, выполняется команда
DEPART иге (удаление). Она аналогична команде APPRO ach и пред-
назначена для безопасного перемещения детали вблизи стола. На
достаточном удалении от препятствий управление движением мани-
пулятора к следующей рабочей точке может вновь осуществляться
с помощью команды MOVE.
Программная секция | :
------------------- , ; .;; и
• EDIT DEMO 1 у,<,
1. OPEN - ' ,&‘rt
2. APPRO PICK, 50 ;
3. SPEED 30
Os z h I.:
4. MOVE PICK! . '
5. CLOSE I T
6. DEPART 70
Провести редактирование программе
с именем DEMO 1
Раскрыть пальцы схвата и перейти к
следующему шагу программы
Переместить схват в точку, находя-
щуюся над точкой PICK на высоте
50 мм
Выполнить один следующий шаг про-
граммы со скоростью, составляющей
30 % нормальной
Опустить схват в точку PICK (!) — те-
кущему положению схвата присвоить
имя PICK
Сжать пальцы схвата и перейти к сле-
дующему шагу программы
Поднять схват на 70 мм над точкой
PICK
12*
179
। 7. APPROS PLACE, 70
8. SPEED 20
9. MOVE PLACE
10. OPEN I
11. DEPART 50
12. E
Секция обучения |
HERE PLACE
X/JT i Y/JT 2 Z/JT 3....
225.66 618.84—131.94
CHANGE?
[ Секция исполнения
SPEED 30
EXEC DEMO 1,3
SPEED 100
EXEC 10
Переместить схват по прямолинейной
W траектории в точку, находящуюся над
‘ точкой PLACE на расстоянии 70 мм
. Выполнить один следующий шаг про-
граммы со скоростью, составляющей
20 % нормальной
Опустить схват в точку PLACE
Раскрыть пальцы схвата и перейти к
следующему шагу программы
Поднять схват на 50 мм над точкой
PLACE
КОНЕЦ. Выйти из режима редакти-
рования
Текущему положению схвата присво-
ить имя PLACE
Индикация на экране дисплея коорди-
нат текущего положения схвата
В режиме обучения и отладки про-
граммы уменьшить скорость до 30 %
нормальной
Выполнить программу DEMO 1 • 3 ра-
за
В рабочем режиме установить нормаль-
ную скорость
Перейти к безостановочному выполне-
нию программы. (Если количество
повторов задается отрицательным чис-
лом, робот повторяет заданную про-
грамму до поступления внешнего сиг-
нала прерывания.)
Язык VAL предоставляет пользователю возможность осуществ-
лять программирование в символических адресах, т. е. вместо
точных координат узловых точек допускается указывать только сим-
волические названия этих точек. Такой порядок значительно облег-
чает процесс программирования, а также позволяет без модифика-
ции программы использовать ее для всех роботов семейства «Пума».
Перед началом работы символические данные вводятся в память
конкретного робота, после чего оператор производит обучение ро-
бота, проводя рабочий орган через необходимые точки, координаты
которых записываются в память. Таким путем символические на-
звания получают числовые значения абсолютных координат. По
команде HERE PLACE, которую оператор набирает на терминале
управляющей ЭВМ, текущее состояние руки робота сопоставляется
сточкой, обозначенной в программе под именем PLACE. Как видно
из программы, координаты, хранящиеся в памяти, высвечиваются на
дисплее и в случае необходимости могут быть откорректированы.
Последняя часть текста программы имеет непосредственное от-
ношение к ее исполнению. Подготовленная программа перед пуском
180.
в рабочем режиме робота проходит текстовую проверку, причем все
движения выполняются на замедленной скорости, после чего робот
начинает двигаться в нормальном режиме.
Язык VAL предназначен преимущественно для роботов, основ-
ные движения которых описываются в прямоугольной системе коор-
динат. Помимо описаний траектории движения рабочего органа в
языке предусмотрены такие управляющие команды, как условный
оператор IF, соответствующие подпрограммы и оператор выбора.
Для облегчения редактирования и отладки программ существует
специальная система управления.
Представляет интерес разработанный в СССР язык низкого уров-
ня РОКОЛ для управления роботом. Этот язык является расширен-
ным вариантом языка операционной системы EHOS.
Язык РОКОЛ предназначен для облегчения процессов состав-
ления и отладки программ функционирования робота, так как обес-
печивает возможность пошаговой трансляции программ и исполне-
ния программы в режиме диалога с оператором и их редактирова-
ния, а таки е для выполнения программ в реальном масштабе време-
ни. Процесс трансляции не снижает быстродействия робота.
Язык РОКОЛ имеет гибкую структуру, допускающую возмож-
ность его расширения.
Есть основание считать, что создание и совершенствование про-
блемно-ориентированных языков программирования роботов и ро-
ботизированных технологических комплексов будет продолжаться.
4.9. Групповое управление промышленными роботами
Групповое управление промышленными роботами необходимо
при организации совместного управления роботами в составе робо-
тизированных технологических комплексов (РТК) и гибких произ-
водственных систем и является одним из основных вариантов
управления ПР и технологическим оборудованием автоматических
(автоматизированных) производств.
Простейшим вариантом группового управления является управ-
ление автономно действующими роботами. В этом случае задача
группового управления сводится к распределению мощности управ-
ляющей ЭВМ между несколькими пользе вателями.
В последние годы наметилась четкая тенденция объединения
оборудования в комплексы с управлением от центральной ЭВМ. На-
ряду с многочисленными примерами применения АСУТП и АСУП
заслуживает внимания разработка в СССР и за рубежом автомати-
ческих линий станков с ЧПУ. Поскольку между металлорежущими
станками с ЧПУ и промышленными роботами много общего, то и
аналогия в целесообразности применения методов группового
управления закономерна.
Как известно, существует несколько схем управления металло-
режущими станками с ЧПУ. Схемы предусматривают подготовку
программ на ЭВМ и передачу этой информации, записанной на
соответствующем носителе, на станок. В качестве примеров можно
181
привести схемы «ЭВМ — программоноситель — интерполятор —
магнитная лента — станок», «ЭВМ — перфолента — интерполятор —
станок» и «ЭВМ — станок». Первая и вторая схемы не позволяют
реализовать принцип группового управления, так как между ЭВМ
и станком нет прямой проводной связи. Такая возможность возник-
ла при появлении третьей схемы управления.
Качественный скачок в развитии систем ЧПУ стал возможен
лишь с появлением вычислительных комплексов, работающих в
режиме разделения времени. Важная особенность этих комплек-
сов — обособление центрального вычислителя и памяти машины,
а также разрешение обращения к памяти от большого количества
раздельных, не связанных друг с другом каналов ввода-вывода.
Другими словами, у ЭВМ появилась эффективная возможность
почти одновременно обслуживать большое количество потребите-
лей и работать в реальном масштабе времени. Интенсивный рост
быстродействия ЭВМ, продолжающийся и в настоящее время, от-
крывает новые возможности и стал одной из основных предпосылок
появления метода группового управления.
Другой важной предпосылкой появления систем группового
управления (СГУ) станками от ЭВМ было значительное увеличение
емкости оперативной памяти. Это открыло возможности размещения
в ней достаточного объема информации, из которой выбирается
управляющая информация для непосредственной передачи большому
количеству станков. Появлению и развитию СГУ способствовало
также существенное повышение надежности ЭВМ.
По принципу работы СГУ пригодны как для позиционного
управления, так и для контурного. Разница состоит лишь в объеме
информации, передаваемой на каждый запрос станка, и в частоте
этих запросов или в скорости передачи информации. Если ограни-
чений в скорости передачи информации нет, то в СГУ от ЭВМ могут
одинаково успешно управляться станки с позиционной системой
ЧПУ, с контурной системой ЧПУ со встроенным интерполятором,
а также с контурной системой ЧПУ, управляемой с помощью деко-
’дарованной информации.
Применение ЭВМ в системах группового управления открыло
новые возможности для управления станками с ЧПУ, в частности
для организации адаптивного управления и оптимизации режимов
обработки. Необходимо также отметить наметившуюся в разраба-
. тываемых СГУ тенденцию все более полной автоматизации различ-
ных вспомогательных процессов обслуживания станков. В настоя-
щее время есть принципиальная возможность управления от ЭВМ
большинством механизмов для автоматизации вспомогательных
операций, например, транспортными средствами для передачи заго-
товок, приспособлений, инструментов и готовых деталей. Это еще
раз подчеркивает аналогию в применении группового управления
станками и промышленными роботами, целесообразность обобще-
ния, перенесения и использования накопленного опыта.
Возможности СГУ определяются набором задач, решаемых систе-
мой. Все задачи можно разбить на два уровня: первый (низший) —
182
обеспечение протекания технологического процесса и второй (выс-
ший) — повышение эффективности системы в целом.
При управлении линиями промышленных роботов можно выде-
лить такие задачи первого уровня:
1. Координатное управление манипулятором робота.
2. Управление динамикой манипулятора. Этот режим необхо-
дим для обеспечения высокой точности перемещения рабочего ор-
гана при большой скорости движения манипулятора. Выбор того
или иного алгоритма для управления определяется устройством и
характеристиками робота (типом привода, наличием обратной свя-
зи, зависимостью моментов инерции от положения рабочего орга-
на и др.).
3. Управление рабочим органом робота. Этот режим управления
нужен для обеспечения требуемых характеристик обрабатываемого
изделия, таких, как качество и прочность сварного соединения, со-
блюдение необходимых режимов и т. д.
4. Управление конвейером и позиционерами.
К задачам второго уровня относятся следующие:
1. Обучение (или другие методы автоматического программиро-
вания). Этот процесс обеспечивает универсальность роботов как
технологических инструментов и позволяет формировать массивы,
описывающие траектории перемещения рабочих органов всех ро-
ботов, в результате процедуры, проводимой оператором. Вопросу
обучения промышленного робота ранее в книге уделено достаточно
внимания, однако в СГУ с центральной ЭВМ эта задача имеет опре-
деленные специфические особенности.
2. Контроль качества выполняемых работ. Несмотря на про-
граммное управление рабочими органами роботов, могут возник-
нуть неуправляе?иые изменения технологического режима (напри-
мер, при случайном изменении параметров питающей сети, в резуль-
тате изнашивания рабочего инструмента и т. п.). Контроль качества
обработки позволяет разбраковывать (сортировать) изделия при
разомкнутой по качеству системе или даже оперативно изменять
режим обработки для компенсации искажений при замкнутой
системе.
3. Распределение во времени энергопотребления роботов с целью
минимизации затрат энергии. В промышленных роботах основным
потребителем энергии является рабочий орган. Например, при
контактной точечной сварке мощность, потребляемая для сварки
одной точки, равна десяткам киловатт, в то время как для переме-
щения манипулятора нужна мощность порядка единиц киловатт.
При независимой работе сварочных клещей каждого из роботов пи-
тающая сеть должна быть рассчитана на суммарную мощность, по-
требляемую в импульсном режиме. Программное распределение во
времени моментов сварки различными роботами позволяет сущест-
венно снизить требования по мощности к питающей сети и в опреде-
ленной степени стабилизировать нагрузку. Введение этого режима
дает возможность значительно удешевить и упростить систему пи-
тания линии.
183
4. Оперативный контроль состояния механического и другого
оборудования на линии. Анализ производства линий сварки дверей
и крышек капота и багажника на Волжском автомобильном заводе
показал, что примерно 40 % рабочего времени линии простаивают,
причем более половины потерь связаны с неисправностью механи-
ческого оборудования линий и их устранением. Проведение эффек-
тивного оперативного контроля состояния оборудования с выдачей
рекомендаций о порядке проведения профилактических работ и
устранения неисправностей в периоды запланированных остановок
линий позволит существенно (до 20 %) повысить производительность
основного оборудования без дополнительных затрат.
5. Адаптация. Ранее уже упоминалось о задаче адаптации про-
мышленных роботов при контактной точечной сварке, поэтому за-
метим только, что адаптация при наличии центральной ЭВМ может
рассматриваться в более широком плане.
Одной из целей создания СГУ может быть повышение надежнос-
ти путем перераспределения функций вышедшего из строя робота
или группы роботов между остальными исправными роботами. Та-
кой режим работы линии позволит ремонтировать один или не-
сколько роботов без остановки технологического потока лишь при
некотором снижении производительности. Подобный подход к СГУ
линий промышленных роботов отражает один из основных принци-
пов проектирования АСУ — использование средств вычислитель-
ной техники для решения задач, которые до внедрения АСУ даже
не ставились из-за невозможности их решения имевшимися ранее
средствами. Специфика этого принципа при создании СГУ линий
промышленных роботов состоит в использовании роботов как уни-
версальных технологических устройств и в организации технологи-
ческого потока с высокой производительностью, высоким качеством
выпускаемой продукции и минимальными затратами.
Оригинальным принципом построения. СГУ линий промышлен-
ных роботов является использование системного подхода. Основные
части любой АСУ — аппаратное и программное обеспечение. Си-
стемный подход предполагает иерархическую структуру аппарат-
ных средств и модульную структуру математического обеспечения.
Основная задача проектирования при таком подходе — рационально
Рис. 4.24. Схема группового управления линии контактной точечной сварки
184
распределить функции между аппаратным и математическим
обеспечением системы, а также между ее различными уровнями.
Функции системы группового управления можно рассмотреть
на примере линии контактной точечной сварки (рис. 4.24). На этой
схеме ......Р-п — манипуляторы, Иъ ..., И5 — интерфейсы робо-
тов, Ил — интерфейс транспортного оборудования (линии), Ит.о —
интерфейс технологического оборудования. Система группового
управления может обеспечить:
1) координатное управление перемещением манипуляторов всех
роботов (каждый робот имеет 5 степеней подвижности) по индиви-
дуальным программам;
2) управление технологическим режимом сварки каждого робо-
та (длительностью импульса, пауз, количеством импульсов, фазой
поджига, длительностью сжатия и проковки);
3) обучение роботов (задание траектории перемещения свароч-
ных клещей от позиции к позиции);
4) сокращение расхода энергии для сварки по сравнению с си-
стемами индивидуального управления сваркой;
5) контроль качества сварки;
6) контроль состояния сварочного и механического оборудова-
ния линии, прогнозирование выхода оборудования из строя и выда-
чу рекомендаций на профилактические работы;
7) автоматическое отключение вышедшего из строя робота и за-
мену его резервным путем перераспределения рабочих программ
без остановки линии;
8) управление скоростью перемещения манипуляторов в зависи-
мости от изменения динамических характеристик при изменении
их положения (при любых перемещениях система обеспечивает си-
нусоидальное изменение скорости при переходе от одной позиции
к другой по каждой из координат, но максимальное ускорение уста-
навливается в зависимости от текущих координат манипуляторов);
9) управление конвейером и кантователями;
10) контроль основных параметров питающих сетей — электри-
ческой, гидравлической и пневматической;
11) снижение затрат на управляющее оборудование по сравне-
нию с индивидуальными системами управления.
Аппаратурная часть системы содержит: модули управления ро-
бот .ми, обеспечивающие отработку заданных перемещений, разгон
и торможение манипулятора по синусоидальному закону, необхо-
димую фазу поджига игнитронов при сварке, а также отработку про-
граммных режимов сварки и сжатия, перемещение манипуляторов
в режиме обучения; модуль обучения, обеспечивающий пропорцио-
нальное управление скоростью перемещения обучаемого робота и
задание начальных, промежуточных и конечных точек траектории.
Программное обеспечение включает в себя такие программы:
обучения, координат управления, управления технологическими
режимами, организации диалога с оператором, диагностики меха-
нического и технологического оборудования линии, распределения
электроэнергии в системе.
185.
4.10. Устройства управления '
с применением микропроцессоров
Существующие устройства управления промышленными робо-
тами, наряду с несомненными достоинствами, имеют некоторые не-
достатки.
Во-первых, они, как правило, располагаются в шкафу наполь-
ного исполнения, размеры которого 1500 X 500 X 300 мм и поэто-
му занимают ощутимую часть производственной площади цеха.
Такие значительные размеры устройств управления не позволяют
встраивать их в корпус манипулятора, что дало бы возможность
успешнее решить задачу компоновки ПР и существенно снизить
занимаемую им площадь. Особенно актуальна задача миниатюриза-
ции устройств управления для подвижных роботов различных по-
колений.
Во-вторых, функциональные возможности существующих уст-
ройств управления недостаточны. Даже такое совершенное устрой-
ство, как УКМ-772, не может обеспечить управление адаптивным
роботом, например для дуговой сварки, без некоторых переделок.
Целесообразно и совершенно своевременно поставить вопрос о зна-
чительном расширении функциональных возможностей устройств
управления.
В-третьих, надежность работы существующих устройств управ-
ления невысока. Особенно это относится к устройствам долговремен-
ной памяти, ввода информации и т. д.
В настоящее время успехи отечественной науки и техники в об-
ласти создания больших интегральных схем (БИС) позволили на
их основе создать микропроцессоры. Последние имеют малые раз-
меры, большую надежность и являются прогрессивной и перспек-
тивной элементно-конструктивной базой для создания весьма со-
вершенных устройств управления роботами различных поколений.
Микропроцессорная техника быстро развивается и революцио-
низирует большинство областей науки и техники, промышленности
и быта людей. Ее внедрение в народное хозяйство будет иметь ве-
сомые социальные последствия — уменьшатся объемы ручного и
рутинного нетворческого труда, увеличится эффективность произ-
водства, науки и техники, автоматизируются многие процессы. Мик-
ропроцессорная техника совместно с мини-ЭВМ является базой для
• создания нового поколения средств и систем вычислительной техни-
ки, средств автоматизации.
Введение микропроцессорной техники в состав вычислительных
средств обеспечивает: «малую автоматизацию», т. е. автоматизацию
приборов, устройств и технологических процессов, которая ранее
казалась невозможной из-за высокой стоимости средств автомати-
зации; повышение «интеллекта» роботов и других приборов, т. е.
увеличение их возможностей в обработке информации; перемещение
средств обработки информации непосредственно к местам ее полу-
чения, переход от централизованных к более надежным распреде-
ленным структурам систем обработки данных.
186
Особое значение микропроцессорная техника приобретает при
создании роботов различных поколений и гибких автоматизирован-
ных производств (ГАП).
Отечественная промышленность выпускает много микропроцес-
сорных комплексов: К589, К1802, KJ45 и др. На их базе созданы
и выпускаются несколько семейств микроЭВМ, например «Электро-
ника-60» (250 тыс. опер./с), «Электроника-606» (600 тыс. опер./с),
«Электроника МТ-70» (3 млн опер./с), «Электроника НЦ-05»
(1,3 млн опер./с) и др. Налажен серийный выпуск комплекса сред-
ств микропроцессорной техники «Прокат-Нейрон», системы автома-
тизации разработки микропроцессорных устройств СО-01, СО-04 и
т. д. Все эти средства построены на основе микропроцессорного ком-
плекта К580 и представляют собой комплекс конструктивно закон-
ченных модулей с магистральной организацией связей между ними,
что позволяет при неизменной архитектуре модернизировать модули
и расширять их номенклатуру. Ускорение сроков внедрения комп-
лекса обеспечивается тем, что в его состав входят автоматизирован-
ные системы отладки, позволяющие автоматизировать процесс
отладки как аппаратных блоков, так и программного обеспечения
разрабатываемых приборов и систем со встроенными микропроцес-
сорами.
Перспективные направления развития микропроцессорной тех-
ники на ближайшее время следующие:
1) расширение производства микропроцессорных комплектов;
2) создание новых совершенных унифицированных комплектов
модулей БИС, в том числе: однокристальных универсальных управ-
ляющих микроЭВМ и микропрограммируемых контроллеров с по-
стоянными и сменными программами: запоминающих устройств
большой емкости (64...256 Кбит) и др.;
3) создание семейств мини- и микроЭВМ с разрядностью 8...32;
4) разработка аналого-цифровых процессоров (с цифровыми и
аналоговыми входами);
5) управление (работа в реальном времени), обработка сигналов
(с повышенной надежностью и достоверностью результатов обра-
ботки).
.Микропроцессорный комплект БИС серии КР580 предназначен
для построения широкого класса микропроцессорных средств вы-
числительной техники, устройств локальной автоматики, микро-
ЭВМ для управления технологическими процессами. В наибольшей
степени он подходит для создания устройств управления роботами
различных поколений. Комплект характеризуется архитектурным
единством, которое обеспечивается автономностью и функциональ-
ной законченностью отдельных БИС, унификацией их интерфейса,
программируемостью и универсальностью применения, их логиче-
ской и электрической совместимостью.
Базовый микропроцессорный комплект включает в себя шесть
типов логических БИС: КР580ИК80А — центральный процессор;
КР580ИК51 — программируемый последовательный интерфейс;
КР580ВИ53 — программируемый таймер; КР580ИК55 — програм-
187
мируемый параллельный интерфейс; КР580ИК57 — программируе-
мый четырехканальный контроллер прямого доступа к памяти;
КР580ВН59 — программируемый контроллер прерываний.
Наличие в составе базового комплекта 8-разрядного централь-
ного процессора и пяти типов интерфейсных и контроллерных БИС
позволяет реализовать оптимальные по стоимостным, массовым и га-
баритным характеристикам микропроцессорные системы с достаточ-
но высокой производительностью. Чтобы обеспечить нагрузочную
способность внутрисистемных и межсистемных магистралей и сфор-
мировать сигналы внутрисистемного и межсистемного обмена ин-
формацией, совместно с БИС серии К580 используют совместимые
БИС серий 589 и 580: К589АП16— шинный формирователь;
К589АП26— шинный формирователь с инверсией; К589ПР12—
многорежимный буферный регистр; КР580ГФ24 — генератор так-
товых импульсов; КР580ВК28 — системный контроллер.
Микросхемы базового комплекта серии КР580 выполнены по
стандартной n-канальной МОП-технологии и конструктивно объе-
динены в пластмассовых корпусах типа Д1Р с двухрядным располо-
жением выводов. Функциональная законченность, универсальность,
программируемость больших интегральных схем микропроцессор-
ного комплекта серии 580 позволяют применять их не только в со-
ставе комплекта, но и автономно, а также в составе других микро-
процессорных комплектов.
Перед тем, как создавать устройство управления роботом на базе
микропроцессорной техники, нужно четко сформулировать задачи
управления, иметь ясное представление об информации, поступаю-
щей в робот, технических данных манипулятора и типе привода.
После этого можно приступать к составлению ТЗ и проектированию
устройства управления.
При внедрении микропроцессорной техники и создании
устройств управления роботами обязательно возникает одна сущест-
венная трудность — программное обеспечение. Необходимо обес-
печить перевод всего процесса функционирования робота на язык
ЭВМ и микропроцессоров. Чем проще и дешевле задуман микро-
процессор, тем сложнее будет его программное обеспечение, и это,
в известной степени, приводит к новому уровню программирования.
Задача овладения новым уровнем программирования конечно раз-
решима. С самого начала нужно ориентироваться на стандарты,
модули и создавать такую систему, чтобы из отдельных модулей
можно было составлять любую, даже очень сложную программу.
В заключение можно сказать, что широкое внедрение микропро-
цессорной техники позволит существенно повысить уровень «интел-
лектуальности» роботов и создавать значительно более совершенные
роботы различных поколений.
188
Глава 5
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
{РТК)
5.1. Структура, состав, назначение РТК
В этой главе приведены материалы, в которых содержатся от-
веты на три основных вопроса: что такое роботизированный техно-
логический комплекс и какое место он занимает в общей проблеме
автоматизации; какие бывают РТК с точки зрения их структуры;
где и в каких условиях машиностроительного производства они при-
меняются. В конце главы помещены данные об испытаниях, эконо-
мической эффективности применения и надежности промышленных
роботов п РТК.
Опыт 'оздания и применения промышленных роботов в СССР
и за рубежом однозначно свидетельствует о том, что один отдельно
установленный промышленный робот может использоваться только
с целью изучения его технических характеристик, для демонстра-
ции, обучения обслуживающего персонала и т. д. Никакого значе-
ния в производственном плане такой робот не имеет.
Главная идея роботизированного технологического комплекса
заключается в том, что промышленный робот должен использовать-
ся в сочетании с определенным технологическим оборудованием,
как, например, пресс, металлорежущий станок, сварочная установ-
ка и т. д., и предназначен для выполнения одной или нескольких
конкретных технологических операций.
Впервые понятие роботизированный комплекс появилось в спе-
циальной литературе примерно в 1980 г. Некоторое время употреб-
лялись термины робототехнические или роботизированные систе-
мы, роботизированные технологические и роботизированные произ-
водственные комплексы и др.
В 1985 г. издан ГОСТ 26228—85 «Системы производственные гиб-
кие. Термины и определения», в котором сказано:
«Роботизированный технологический комплекс (РТК) — сово-
купность единицы технологического оборудования, промышленного
робота и средств оснащения, автономно функционирующая и осу-
ществляющая многократные циклы.
Примечания.
1. РТК, предназначенные для работы в ГПС, должны иметь ав-
томатизированную переналадку и возможность встраиваться в си-
стему.
2. В качестве технологического оборудования может быть ис-
пользован промышленный робот.
3. Средствами оснащения РТК могут быть: устройства накопле-
ния, ориентации, поштучной выдачи объектов производства и дру-
гие устройства, обеспечивающие функционирование РТК»-
В этой формулировке обращает на себя внимание категоричность
определения: «... единицы технологического оборудования, промыш-
189
ленного робота...», т. е. подразумевается одна единица технологи-
ческого оборудования и один промышленный робот.
Если количество промышленных роботов и единиц технологиче-
ского оборудования больше, то тогда это будет роботизирован ный
технологический участок (РТУ) (ГОСТ 26228—85) — совокупность
роботизированных технологических комплексов, связанных между
собой транспортными средствами и системой управления, или не-
сколько единиц технологического оборудования, обслуживаемых
одним или несколькими промышленными роботами, в которой
предусмотрена возможность изменения последовательности исполь-
зования технологического оборудования.
Рассмотрим проблему автоматизации машиностроения с целью
установить место, которое занимают в ней роботизированные техно-
логические комплексы.
В книге «Роботизированные производственные комплексы»
Ю. Г. Козырева и др. (М. : Машиностроение, 1987) приводятся сле-
дующие пять уровней автоматизации:
— первый уровень — автоматизация цикла обработки, заключа-
ющаяся в управлении последовательностью и характером движений
рабочего инструмента с целью получения заданной формы обраба-
тываемой детали. Наиболее полное воплощение автоматизация это-
го уровня получила в станках с ЧПУ;
— второй уровень — автоматизация загрузочно-разгрузочных
операций (установки и снятия детали со станка), позволяющая
рабочему обслуживать несколько единиц технологического обору-
дования, т. е. перейти к многостаночному обслуживанию. Наиболь-
шей универсальностью и быстротой переналадки характеризуются
промышленные роботы, используемые для автоматизации вспомога-
тельных и транспортных операций. Второй уровень автоматизации
все чаще обеспечивается созданием роботизированных технологи-
ческих комплексов;
— третий уровень — автоматизация контроля, ранее выпол-
няемого человеком: состояния инструмента и своевременной его за-
мены; качества обрабатываемых изделий; состояния станка и уда-
ления стружки, а также подналадки технологического процесса
(адаптивное управление). Такая автоматизация освобождает чело-
века от постоянной связи с машиной и обеспечивает длительную ра-
боту оборудования по обработке деталей одного типоразмера при
минимальном участии или далее без участия человека в течение
одной-двух смен.
Третий уровень автоматизации обеспечивается созданием адап-
тивных РТК, а также гибких производственных модулей. Согласно
ГОСТ 26228—85, гибкий производственный модуль (ГГТМ) — единица
технологического оборудования для производства изделий произ-
вольной номенклатуры в установленных пределах значений их ха-
рактеристик с программным управлением, автономно функциони-
рующая, автоматически осуществляющая все функции, с язанные
с их изготовлением, имеющая возможность встраивания в гибкую
производственную систему;
190
Рис. 5.1. Роботизированные технологические комплексы:
а — однопозиционный: о — групповой: ч — многопознционный
— четвертый уровень — автоматизация переналадки оборудова-
ния. На существующем оборудовании переналадка осуществляется
вручную, что требует значительного времени. Поэтому важной зада-
чей является совершенствование систем переналадки оборудова-
ния — применяемых приспособлений, инструмента и оснастки, а
также методов задания циклов и режимов обработки. В идеале сле-
дует стремиться к созданию автоматических систем переналадки
оборудования для выпуска новых изделий;
— пятый уровень — гибкие производственные системы (ГПС).
Поскольку описанию ГПС специально посвящена гл. 6, то отметим
только то, что, по существующему мнению, такая форма организа-
ции производственного процесса является высшей.
Приведенная классификация не претендует на исчерпывающую
полноту и стройность, но очень четко показывает место роботизи-
рованных технологических комплексов в общей проблеме автома-
тизации машиностроительного производства.
В состав роботизированного технологического комплекса входят:
1) технологическое оборудование (пресс, металлорежущий ста-
нок, установка для термообработки и т. д.);
2) промышленный робот;
3) вспомогательное, транспортное оборудование.
Роботизированные технологические комплексы бывают: однопо-
виционные (рис. 5.1, а), имеющие наиболее простую структуру
(ТО — технологическое оборудование, ПР — промышленный ро-
бот, ВО — вспомогательное оборудование); групповые (рис. 5.1, б)
и многопозиционные (рис. 5.1, в).
Эта классификация не охватывает всех возможных структур РТК
и может рассматриваться как классификация типовых структур.
Следует отметить, что, несмотря на относительную простоту од-
нопозиционных РТК, они весьма распространены, поэтому рас-
смотрим их подробнее.
РТК работает следующим образом. Заготовка, предварительно
ориентированная во вспомогательном оборудовании (ВО), захва-
191
тывается рабочим органом промышленного робота, переносится в
рабочую зону технологического оборудования и устанавливается
в нужном положении. Иногда этот процесс достаточно активный,
как, например, при обработке заготовки на токарном станке. Нужно
остановить шпиндель станка, дать команду на открытие зажимного
приспособления (патрона, цанги и т. д.), точно установить заго-
товку в зажимное приспособление, зажать его, отвести рабочий ор-
ган робота и включить станок на обработку детали. По окончании
цикла обработки необходимо остановить станок, взять обработан-
ную деталь и перенести во вспомогательное оборудование ВО2. Об-
работанные детали либо устанавливаются ориентированными в про-
странстве, либо помещаются в тару навалом.
Технологическое оборудование, рекомендо-
ванное для применения в составе РТК, должно быть достаточно
распространенным и перспективным с точки зрения конструкции,
технологичности, эксплуатационных параметров и степени автома-
тизации. Этот самостоятельный вопрос широко освещен в соответ-
ствующей литературе и поэтому не будем на нем останавливаться.
Отметим лишь одно важное соображение. Технологическое обору-
дование должно иметь устройство числового программного или хотя
бы циклового управления. Если это условие не соблюдено, то могут
возникнуть непредвиденные трудности при стыковке ТО с промыш-
ленным роботом, которые приведут к неоправданным затратам вре-
мени и средств.
Вспомогательное оборудование предназна-
чено для:
1) накопления определенного количества ориентированных за-
готовок на начальной позиции комплекса;
2) поштучной выдачи заготовки в определенную точку простран-
ства для взятия ее схватом робота (при необходимости);
3) транспортирования заготовок и изделий между последова-
тельно расположенным оборудованием внутри комплекса с сохра-
нением ориентации;
4) переориентации заготовок и изделий, если это нужно;
5) хранения межоперационного задела и задела между комплек-
сами.
Вспомогательное оборудование, входящее в состав транспортно-
накопительной системы, как правило, не имеет между собой ни кон-
структивных, ни информационных связей и все команды получает
от технологического оборудования и промышленных роботов. В ка-
честве накопительных устройств в комплексе могут применяться
лотки (скаты, склизы), шаговые конвейеры различного типа, цеп-
ные конвейеры, круговые накопительные устройства, тупиковые
накопители, роликовые конвейеры и многоместная тара. Соответ-
ствующий тип транспортно-накопительного устройства выбирают,
тщательно анализируя заготовку и изделия, особенности техноло-
гического оборудования и промышленных роботов.
В литературе часто встречается термин «бункерные загрузочно-
ориентирующие устройства», который точнее определяет назначе-
192
tz-p, р',
t л,и
и
Условные обозначения:
© (О - Изделия
О= -Манипулятор
- Р - Робот К - Контейнер
Р'- Вспомогательный г И-Изделия
манипулятор уф- Координатные
оси раскладка
Рис, 5.2. Стационарные бункерные вспомогательные.устройства РТК
ние этих устройств в функциональном плане, но не охватывает все
возможные варианты, и поэтому в дальнейшем будем пользоваться
термином «вспомогательные устройства». Вспомогательные устрой-
ства РТК можно разделить на несколько типов [8].
Стационарные вспомогательные устройства, жестко устанавли-
ваемые в определенном положении, предназначены для подачи
ориентированных заготовок в зону обслуживания промышлен-
ного робота.
Во вспомогательных устройствах лоткового или бункерного типа
(рис. 5.2) изделия могут предварительно загружаться оператором,
подаваться в рабочую позицию под собственным весом или с по-
мощью специальных устройств.
Подвижные (сменные) технологические приспособления, как
правило, имеют прямоугольную, плоскую форму, на их верхней
поверхности располагаются изделия в специальных гнездах (рис. 5.3).
Рис,
ские
5,3. Подвижные (сменные) технологиче-
приспособления — палеты
13 0-1922
193
Такие устройства позволяют производить загрузку вне РТК»
например на складе, и могут быть поданы в рабочую зону автома-
тически, скажем с помощью робокара.
Вращающиеся вспомогательные устройства представляют собой
вращающийся круглый стол с шаговым приводом. Заготовки распо-
лагаются по периферии стола в специальных гнездах или на штырях
в зависимости от ее конфигурации. На рис. 5.4 показаны различные
варианты компоновки таких накопителей. Недостаток накопителей
такого типа — их ограниченная емкость.
Транспортные вспомогательные устройства представляют собой
цепной, многозвенный конвейер, перемещающийся в горизонталь-
ной плоскости на двух звездочках, одна из которых — ведущая —
с шаговым приводом (рис. 5.5). Преимущество таких накопителей —
о С? а
относительно большая емкость и
возможность соединения с дру-
гим РТК или иным оборудова-
нием.
Несмотря на то, что такие
бункерные загрузочно-ориенти-
рующие устройства (в этом слу-
чае термин соответствует их
функциональному назначению)
характеризуются высокой сте-
пенью автоматизации и освобож-
дают рабочего от процедуры
установки изделий, они не могут
применяться во всех случаях
из-за хрупкости и повышенной
сцепляемости заготовок, требо-
ваний к качеству поверхности
и т. д. Как правило, эти устрой-
ства осуществляют первичное
ориентирование и поштучное от-
деление заготовок.
Существует несколько спосо-
бов выноса деталей из навала,
г'р'
у-к,р-,1-р^к
Ёращеащкс* чаковители
Рис. 5.5. Транспортные накопители
(конвейеры) РТК
О 5
S о <г>
о °
в том числе карманчиковый, крючковый (штырьевой), секторный,
лопастной, щелевой, отбор под действием собственного веса и т. д.
Достаточно широко применяются вибрационные бункерные устрой-
ства, которые наряду с рядом преимуществ имеют и некоторые недо-
статки (вибрации, повышенный шум, сложность настройки и т. д.).
5.2. РТК в кузнечно-прессовом производстве
Промышленные роботы давно и успешно применяются в кузнеч-
но-прессовом производстве. Это объясняется тем, что процессы куз-
нечно-прессового производства весьма кратковременны и промыш-
ленный робот достаточно полно загружен. Кроме того, в кузнечно-
прессовом и штамповочном производстве очень велик удельный
объем вспомогательных и транспортных операций, особенно когда
изделие обрабатывается последовательно на нескольких прессах.
Наконец, одной из важных причин широкого применения промыш-
ленных роботов в этом производстве является желание понизить
опасность и травматизм, связанные с особенностями производст-
ва. Нельзя не отметить и тот факт, что заготовки часто имеют высокую
температуру и острые края, повышающие трудность и опасность их
транспортирования. Гуманное желание освободить человека от од-
нообразной, монотонной и трудной работы требует от разработчи-
ков особого внимания к этому типу производства.
Роботизированные технологические комплексы в кузнечно-прес-
совом и штамповочном производстве создают для автоматизации
следующих операций: холодной листовой штамповки; горячей и хо-
лодной объемной штамповки; ковки; штамповки изделий из пласт-
масс и порошков.
Методом холодной листовой штамповки выполняются некоторые
разделительные и формообразующие операции. Поскольку для раз-
делительных операций исходной заготовкой, как правило, служит
непрерывный материал (ленты, рулоны, полосы, прутки и т. д.),
с которым использование современных конструкций промышленных
роботов пока нецелесообразно, создание роботизированных техно-
логических комплексов предусматривается только для формообра-
зующих штамповочных операций, выполняемых на штучных заго-
товках.
При создании РТК в листоштамповочном производстве промыш-
ленные роботы должны выполнять вспомогательные и транспортные
операции по переносу заготовки из подающего устройства в рабочее
пространство штампа пресса и удалению изделия после штамповки
в приемное устройство или в последующий пресс. Исходными заго-
товками для листоштамповочных РТК могут быть плоские и объем-
ные штучные заготовки, имеющие правильную геометрическую
форму и позволяющие использовать подающее устройство с поштуч-
ной выдачей заготовок в соответствующий схват робота.
Процесс объемной штамповки включает в себя следующие опе-
рации: получение исходной заготовки; нагрев ее до температуры
13*
195
ковки; штамповку; отделение отходов от поковки, термообработку
поковки; очистку ее поверхности, а иногда и калибровку.
Автоматизация технологического процесса горячей штамповки
предусматривает организацию ориентированной передачи заготов-
ки и полуфабриката по всем позициям, установку заготовки в штам-
пы, включение пресса, а также нанесение технологической смазки
на рабочую поверхность штампа. Весь перечисленный объем вспо-
могательных операций может выполняться современными промыш-
ленными роботами при условии обеспечения ориентированной по-
дачи заготовки на исходную позицию пресса в положении, удобном
для захвата роботом и выталкивания изделия после выполнения
каждого перехода с соблюдением тех же условий.
В качестве исходного материала при объемной штамповке ис-
пользуются штучные заготовки, отрезанные из проката круглого,
квадратного или прямоугольного сечения, которые могут захваты-
ваться и удерживаться универсальными устройствами, используе-
мыми промышленными роботами.
Захват и перенос деталей промышленным роботом после штам-
повки возможен при наличии у детали соответствующего располо-
жения базовых поверхностей. Это накладывает ограничения на но-
менклатуру деталей, штамповка которых может быть автоматизиро-
вана с использованием промышленных роботов. Применение
промышленных роботов может вызвать и некоторые изменения фор-
мы детали— введение технологических прибылей, платиков и т. д.
В свою очередь, к промышленным роботам, применяемым на опера-
циях объемной штамповки, предъявляются специальные требования
по тепло-, пыле- и виброзащищенности, которые должны обеспечи-
вать надежность работы комплекса. Планировка робототехнического
комплекса в кузнечно-прессовом и штамповочном производстве
должна осуществляться с учетом типа пресса, модели промышлен-
ного робота, конкретных конструкций вспомогательных механиз-
мов и формы изделия. Для этих целей часто используются двурукие
роботы.
Составные части РТК должны иметь:
1) возможность управления работой прессов, роботов и вспомо-
гательного оборудования с помощью системы программного управ-
ления;
2) возможность переналадки на штамповку различных изделий;
продолжительность переналадки желательно иметь не более 60...
90 мин, что позволит использовать комплексы в серийном и даже
мелкосерийном производстве;
3) обезжиривание перед загрузкой на исходную позицию листо-
вых заготовок из немагнитного материала в о избежание их слипания;
4) минимальные заусенцы во избежание сцепления заготовок;
5) искривление заготовок из плоскости, не превышающее 2 %
длины и ширины заготовки.
Промышленные роботы должны иметь: возможность быстрой
смены ЗУ при переходе на штамповку нового изделия; регулировку,
обеспечивающую быструю перестройку на работу с новыми изделия-
196
ми, а также разъемы и места
подключения энергоносителя и
линий связи с технологическим
оборудованием и вспомогатель-
ными устройствами.
Типичная компоновка робо-
тизированного технологического
комплекса в кузнечно-прессо-
вом производстве приведена на
рис. 5.6. В состав такого РТК
входят: магазинное устройство 7,
выдающее плоские заготовки на
исходную (загрузочную) пози-
цию промышленного робота; дву- Рис. 5.6. Типовая компоновка РТК в
рукий промышленный робот 5 С кузнечно-прессовом производстве
цикловым программным управ-
лением, загружающий заготовки в штамп и снимающий с него от-
штампованные полуфабрикаты; пресс 1, выполняющий собственно
технол; гпческую операцию; ЗУ 2 манипулятора пневматического
или электрического типа (для плоских заготовок); приемная тара 3
с тележкой; устройство 6 циклового программного управления ком-
плексом и ограждение 4, исключающее возможность проникновения
человека в опасную зону во время работы РТК-
5.3. РТК в механообработке
Механическая обработка — это завершающий этап производ-
ственного процесса перед сборкой. Поэтому механическую обработ-
ку проходит большинство заготовок и полуфабрикатов.
Отличительные особенности процессов механообработки с точки
зрения роботизации:
1) относительно большое машинное время обработки изделий (от
десятков секунд до нескольких десятков минут);
2) отсутствие высоких температур нагрева заготовок;
3) достаточно точная форма заготовок и особенно изделий.
Номенклатура деталей, обработка которых технически возмож-
на и целесообразна на автоматизированных комплексах «станок —
робот», определяется следующими факторами:
1) конструктивными параметрами деталей;
2) видом и состоянием заготовки, поступающей на обработку;
3) техническими требованиями, предъявляемыми к детали;
4) габаритными размерами и массой детали.
Детали, предназначенные для обработки в системе «станок —
робот», должны иметь следующие параметры:
1) однородные по форме и расположению поверхности для ба-
зирования и захвата, позволяющие без дополнительной проверки
устанавливать их на станок, где для базирования и закрепления
используется широкоуниверсальная технологическая оснастка (цен-
тры, патроны, пневмотиски и др.);
19.’
2) ясно выраженные базы и признаки ориентации, позволяющие
организовать транспортирование и складирование заготовок около
станков в ориентированном виде с использованием стандартной
вспомогательной оснастки;
3) возможность унифицировать процессы обработки и типы обо-
рудования для применения группового метода обработки.
В методических рекомендациях «Автоматизированные техноло-
гические комплексы «оборудование — робот» (М-: НИИМаш, 1981.—
104 с.) приведены подробная классификация и номенклатура де-
талей, рекомендуемых для обработки в роботизированных техноло-
гических комплексах. Ограничения по геометрической форме дета-
лей диктуются не столько применением промышленных роботов,
сколько трудностями транспортирования деталей, сохранения их
ориентированного положения при использовании стандартной тары
и приемопередающих механизмов.
Автоматизация механообработки за счет применения промыш-
ленных роботов может развиваться по пути создания: 1) роботизи-
рованных технологических комплексов на базе имеющегося обору-
дования и 2) отлаженных комплексов на заводах-изготовителях на
базе современного технологического оборудования. Оба направле-
ния могут развиваться параллельно, но второй путь нам кажется
перспективнее.
Автоматизация станков методом стыковки их с роботами требует
обязательно некоторой модернизации станков-автоматов и упоря-
дочения хранения и транспортирования заготовок и изделий. По-
этому особенно важно проводить предварительный технологический
анализ и создавать технологическую и техническую документацию
для подготовки и применения промышленных роботов.
Технологический процесс обработки деталей в роботизирован-
ном технологическом комплексе характеризуется:
1) максимально возможной концентрацией операций на станках
с ЧПУ, что позволяет сократить число остановок в процессе произ-
водства, улучшает качество изделия за счет повышения точности,
сокращает время производственного цикла;
2) оснащением станков легко переналаживаемой оснасткой, обес-
печивающей без значительной переналадки высокоточное базирова-
ние и надежное крепление детали в процессе обработки;
3) тщательной подготовкой баз на обрабатываемых изделиях,
гарантирующей получение и сохранение заданных чертежами тех-
нических требований.
Для роботизированных тех-
нологических комплексов в пер-
вую очередь нужно использо-
вать станки с ЧПУ и цикло-
вым программным управлением,
а также станки-полуавтоматы.
Совместная работа станка с про-
мышленными роботами требует
доработки его электрической схе-
Рис. 5.7 Схема РТК с горизонтальной
компоновкой направляющей робота
198
Рис. 5.8. Схемы компоновок РТК для обслуживания металлорежущих
станков
мы, чтобы обеспечить возможность обмена необходимой информа-
цией между станком и роботом. Обмен осуществляется с помощью
команд (ответов).
В механообработке существует много различных компоновок
роботизированных технологических комплексов. Горизонтальная
компоновка направляющей робота, расположенной над станками,
показана на рис. 5.7. Три варианта компоновок РТК с обычными
напольными промышленными роботами, обслуживающими один или
несколько станков, приведены на рис. 5.8.
5.4. РТК в сборочном производстве
Сборка изделия — завершающий этап производства, во многом
определяющий качество и стоимость продукции. В различных от-
раслях машиностроения трудоемкость сборочных работ составляет
от 40 до 50 % общей трудоемкости изготовления изделий, что объяс-
няется большим объемом операций и низким уровнем их автомати-
вации и механизации.
В условиях серийного и мелкосерийного производства, удельный
вес которого составляет около 75 %, стоимость сборки существенно
выше, чем в крупносерийном и массовом производстве, главным
образом вследствие большого объема пригоночных и доводочных
операций и значительной трудоемкости межоперационного и межце-
хового транспортирования.
Для более глубокого понимания процесса сборки как объекта
роботизации рассмотрим некоторые основные положения, которые
характеризуют этот производственный процесс.
Каждое изделие в машиностроении с технологической точки зре-
ния состоит из элементов различной сложности, узлов и отдельных
деталей. Деталью называют часть изделия, выполненную из одно-
родного материала и являющуюся первичным звеном сборки. Узлом
называют часть изделия, представляющую собой любое соединение
некоторого количества деталей, выполненное любым способом. Да-
лее по степени сложности выделяют подгруппы и группы.
Различают конструктивные и сборочные элементы изделий.
199
Конструктивные элементы определяются функциональным на-
значением их в машине независимо от порядка выполнения сборки,
сборочные — представляют собой узлы и детали машин, которые
могут быть собраны отдельно и независимо от других элементов из-
делия.
Схему изделия средней сложности можно представить в виде
иерархической структуры, на нижнем уровне которой расположе-
ны отдельные детали, а на верхнем — готовое изделие.
Все многообразие выполняемых при сборке соединений можно
разделить на следующие четыре типа:
1) неподвижные разборные соединения;
2) неподвижные неразборные соединения;
3) подвижные разборные соединения;
4) подвижные неразборные соединения.
Неподвижные соединения обеспечивают неизменное взаимное по-
ложение собранных деталей или узлов. Подвижные соединения обес-
печивают возможность определенного взаимного перемещения дета-
лей. Разборными называют соединения, которые могут быть разоб-
раны без особых затруднений и без повреждения сопряженных или
крепежных деталей. Неразборными называют соединения, разборка
которых в процессе эксплуатации не предусмотрена, а потому край-
не затруднительна, требует больших усилий или сопровождается
повреждением сопряженных деталей.
Анализ изделий машиностроения и технологических процессов
их сборки показал, что около 70...90 % соединений деталей, выпол-
няемых в процессе сборки,— типовые. Технологическая структура
сборки, а точнее соединительных операций представлена ниже:
Виды соединений Удельный вес, %
С зазором 30...35
Резьбовые 30...40
Прессовые 10... 15
Прочные (клепка, склеивание,
развальцовка и т. д.) 10...20
В процессе сборки человеку приходится выполнять весьма боль-
шой перечень разнообразных работ, в том числе обрубку, опилива-
ние, шабрение, притирку, отделку абразивным инструментом, раз-
личную обработку отверстий (сверление, нарезание резьбы, зенко-
вание, развертывание и др.), промывку и очистку деталей. Кроме
того, при сборке применяются клепка, контактная точечная и ду-
говая сварка, склеивание деталей, соединение с натягом, разнооб-
разные винтовые соединения.
Помимо перечисленных операций сборщик выполняет большое
количество транспортных, вспомогательных операций, перемещая *
мелкие и крупные детали в пространстве — главным образом от лот-
ков-накопителей к собираемому изделию.
В машиностроении различают три основных вида сборки:
1) по принципу индивидуальной пригонки;
2) по принципу полной взаимозаменяемости;
3) по принципу ограниченной взаимозаменяемости. ' J
200 г
Кроме того, применяется так называемая селекционная сборка,
которая осуществляется методом непосредственного подбора, ме-
тодом предварительной сортировки деталей на группы и комбини-
рованным методом.
Организационные формы сборки зависят от типа производства,
размера выпуска, трудоемкости процесса сборки и других факторов.
С точки зрения роботизации можно выделить три основные органи-
зационные формы сборки.
Стационарная сборка (рис. 5.9, а) выполняется на одном сбороч-
ном посту, к которому подаются все необходимые детали, узлы и
материалы. Таким образом собирают самолеты, тяжелые изделия
Типа турбин, металлорежущие станки и т. д. Транспортировка та-
ких изделий по цеху либо невозможна, либо трудноосуществима
и совершенно нецелесообразна.
Подвижная сборка (рис. 5.9, б) выполняется при перемещении
собираемого изделия от одного сборочного поста к другому; на каж-
дом из таких постов рабочие выполняют только одну определенную
и повторяющую операцию. Детали, узлы и материалы подаются к
соответствующим рабочим местам сборочного поста, оборудованно-
го соответствующими инструментами и приспособлениями, необхо-
димыми для выполнения работы.
Наиболее ярким и характерным примером подвижной сборки
может служить сборка легковых и грузовых автомобилей на кон-
вейере, широко распространенная на большинстве автомобилестрои-
тельных заводов всех стран. Кузова легковых и кабины грузовых
автомобилей укреплены на специальном конвейере, который пере-
5
Рис. 5.9. Основные орга 'изационные формы сборки:
а —- стационарная; б — подвижная; & — транспортная; / — собираемое изделие; 2
комплектующие детали; 3 — конвейер; 4 — вона сборки; 5 — транспортный робот —
робокар
201
мешается вдоль цеха. Рабочие-сборщики выполняют соответству-
ющие операции, и с конца конвейера сходит готовая машина. Таким
образом производят контактную точечную сварку кузовов.
Следует обратить внимание на то, что подавляющее количество
таких конвейеров движется непрерывно с определенной скоростью.
И сследования, проведенные социологами, показали, что на постоян-
но движущемся конвейере рабочий работает лучше, чем на пульси-
рующем. Фиксированное время, отведенное для выполнения опе-
рации сборки, способствует излишнему утомлению человека.
Обобщение опыта применения роботов на сборочных и сварочных
операциях позволило сделать однозначный вывод: для успешного
функционирования роботов значительно лучше пульсирующий кон-
вейер. Программирование робота в движущейся системе координат
возможно, но значительно сложнее. Кроме того, уменьшается точ-
ность позиционирования робота.
Транспортная сборка (рис. 5.9, в). В последние годы некоторые
передовые автомобилестроительные фирмы отказываются от тради-
ционных принципов подвижной сборки с применением конвейеров.
Объясняется это тем, что сам принцип конвейерной сборки ограни-
чивает возможности предприятия и затрудняет его перестройку на
выпуск новой модели автомобиля.
Взамен традиционного конвейера создаются отдельные посты
сварки и сборки, а изделие перемещается между ними по программе
с помощью специальных транспортных роботов — робокаров. Вся
система управляется единой ЭВМ, а на каждом робокаре есть своя
бортогая ЭВМ. Такая многопостовая транспортная система сборки
обладает высокой мобильностью и может быть в кратчайшие сроки
переведена на выпуск другого типа изделия. Примером может слу-
жить известная система «Робогейт», созданная автомобильным кон-
церном «Фиат» совместно со станкостроительной фирмой «Комау».
Во всех вариантах сборочного производства особое значение
имеет разработка операционной и м;рпрутной технологии.
В настоящее время имеются совершенно очевидные достижения
робототехники и роботостроения, но уровень использования робо-
тов в сборочном производстве существенно ниже, чем в других про-
изводственных процессах. Такое положение, по-видимому, опреде-
ляется некоторыми особенностями сборочных процессов, которые
сводятся к следующим:
1) необходимость высокой точности ориентирования и позицио-
нирования сопрягаемых деталей;
2) многовариантность технологического процесса сборки;
3) необходимость иметь постоянную обратную связь в ходе про-
цесса сборки;
4) высокий уровень манипулирования деталями;
5) необходимость приложения фиксированных усилий в некото-
рых операциях;
6) необходимость определения базовых поверхностей;
7) большое количество специальных приспособлений и оснастки,
применяемых в процессе сборки.
S02
Можно сказать, что роботизация сборочных процессов связана
с разработкой достаточно совершенной манипуляционной системы,
заменяющей руки человека при осуществлении сложных координи-
рованных движений. Однако это обстоятельство не единственное,
усложняющее применение роботов в сборочном производстве.
При выполнении сборочных операций робот часто должен делать
выбор между запланированной последовательностью действий и
последовательностью, обусловленной сложившимися в данный мо-
мент условиями сборки. Такие ситуации можно разделить на два
класса.
К первому относятся те случаи, когда выбор связан с обна-
ружением допущенной при сборке ошибки, например взятие другой
детали, и исправлением этой ошибки. Второй класс образуют те си-
туации, когда выбор последовательности действий связан с коорди-
нацией и синхронизацией процесса. Так, например, при заверше-
нии очередного этапа сборки робот может подать соответствующий
сигнал внешним устройствам и продолжать операцию или может
ожидать внешний сигнал о дальнейшей работе.
Если при сборке робот выполняет одну определенную последо-
вательность операций, которая может быть прервана при возникно-
вении ошибки или другой непредвиденной ситуации, то такой по-
рядок будет называться фиксированным-
Можно представить себе режим с переменным порядком, когда
последовательность операций определяется не только общей техно-
логией сборки, но и сложившейся ситуацией, что позволяет роботу
выбрать рациональный или даже оптимальный по выбранным кри-
териям качества вариант. Конечно, при таком режиме работы робо-
та требуется большой объем внешней информации и высокий уровень
интеллекта робота. Такой режим позволяет роботу изменить план
проведения сборки или перейти к сборке другого узла, если воз-
никла непредвиденная задержка, а не ждать, когда придет опе-
ратор.
В стратегическом плане можно выделить два подхода к приме-
нению роботов на сборочных операциях.
Первый подход предусматривает строгую дисциплину подготов-
ки производства и высокий уровень его управления. Необходимо
обеспечить точную синхронизацию работы всего сборочного участ-
ка, своевременную подачу деталей и материалов в строго ориенти-
рованном пространственном положении, иначе говоря, предельно
высокую организацию окружающей (внешней) среды робота. При
соблюдении этих требований возможно и оправдано применение
промышленных роботов, т. е. роботов первого поколения или про-
стейших адаптивных роботов, например с тактильными датчиками.
Конечно, такие роботы должны отвечать требованиям по точности
позиционирования, манипуляционным характеристикам, грузо-
подъемности и соответствующим параметрам ЗУ.
Следует отметить, что такой подход может потребовать сущест-
венной перестройки производства, он возможен и экономически
оправдай при изготовлении изделий крупными партиями. Для
203
мелкосерийного и индивидуального производства такой путь вряд ли
приемлем, так как расходы на организацию внешней среды могут
оказаться весьма значительными.
При втором подходе, когда детали отличаются некоторой неста-
бильностью размеров и форм и когда нельзя предусмотреть все
возможные ситуации, следует применять адаптивные роботы или ро-
боты с искусственным интеллектом, оснащенные системами техни-
ческого зрения, тактильными и другими датчиками. Это позволяет
имитировать аналогичные действия человека-сборщика и принимать
решения в зависимости от сложившейся ситуации.
Необходимо отметить, что автоматизация предъявляет к объек-
там сборки специфические требования по их технологичности: вза-
имозаменяемость сборочных единиц, которые, в свою очередь, могут
быть собраны независимо друг от друга; возможность проведения
последовательной сборки, характеризуемой наличием одной или
нескольких базовых деталей, с которыми последовательно сопряга-
ются присоединяемые детали; минимальное число направлений сбор-
ки, простота траекторий движений соединения; максимальная сво-
бода доступа сборочного инструмента.
К деталям, предназначенным для автоматической сборки, предъ-
являют следующие требования: простота конструкции, обеспечива-
ющая удобство складирования и ориентации; наличие на сопрягае-
мых поверхностях направляющих элементов, облегчающих соеди-
нение за счет самоустановки деталей; наличие ярко выраженных
базовых поверхностей, размеры которых, а также расположение
относительно сопрягаемой поверхности должны быть выдержаны о
необходимой точностью; стойкость к повреждениям при воздействии
сборочного инструмента и оснастки; унифицированность и стан-
дартность; гарантированное качество.
Тип и конфигурация базовой детали определяют конструкцию
сборочного приспособления и схему базирования. Условия собирае-
мости, выбор базовых поверхностей при за-
хватывании и установке присоединяемой де-
тали, а также последовательность сборки за-
висят от пространственного расположения по-
верхностей сопряжения. Наиболее подготов-
лены к автоматической
сборке две типовые груп-
пы комплектов, которые
могут быть разделены в
процессе расчленения
сложного собираемого
объекта на составные
части в соответствии со
схемой сборки.
Одна из таких групп
(рис. 5.10, а) представ-
ляет собой комплект о
охватывающей базовой
Рис, 5.10. Комплект сборочной
единицы:
а — с охватывающем базовой де-
талью; б — с базовой деталью типа
«вал>
204
деталью, в которую последовательно устанавливаются распорные
втулки, уплотнительные манжеты, пружинные кольца и Другие де-
тали или предварительно собранные комплекты или изделия, напри-
мер подшипники качения. В качестве базовых могут служить детали
коробчатой формы, фланцы, блоки зубчатых колес и т. п.
Вторая группа комплектов представляет собой сборочную еди-
ницу (рис. 5.10, б) с базовой деталью типа вала, втулки, на которую
устанавливаются отдельные детали или предварительно собранные
комплекты и изделия.
Выделение из изделий типовых комплектов позволяет применить
методы групповой технологии и повысить эффективность автомати-
зации сборки в серийном производстве.
В современном машиностроении наметились тенденции к увели-
чению удельного веса сборки в общей трудоемкости изготовления
изделия и приближения к серийному и мелкосерийному производ-
ству. Такое положение требует перехода от специализированного
оборудования к легко переналаживаемому автоматическому обору-
дованию. Один из видов такого оборудования — сборочные роботи-
зированные технологические комплексы, оснащенные промышлен-
ными роботами.
Применение промышленных роботов в составе РТК для автома-
тической сборки изделий предусматривает выполнение роботами ос-
новных и вспомогательных операций процесса сборки. К огновным
относят операции соединения деталей различного типа, нарезание
резьбы, завинчивание, зенкование и т. д., к вспомогательным — все
операции транспортирования и перемещения деталей в пространстве.
Одна из характерных задач процесса сборки — сопряжение двух
детаяей типа «вал — втулка». При выполнении этой операции не-
избежно возникает необходимость относительного ориентирования
этих деталей.
На рис. 5.11 представлена классификация различных способов
относительного ориентирования сопрягаемых деталей. В соответ-
ствии с этой классификацией все многообразие различных способов
сборки можно разделить на две большие группы: 1) сборка при
жестком базировании; 2) сборка при плавающем базировании.
К первой группе относится способ с использованием базиру-
ющих устройств и способ непосредственного ориентирования детали
в захватном устройстве робота.
Способ с использованием базирующих устройств применим в тех
случаях, когда гарантированный зазор между валом и отверстием
втулки, установленной в базирующем устройстве, удовлетворяет
условию
S6> 61 + 62 + 63, (5.1)
где 6Х — погрешность позиционирования робота; 62 — погрешность
установки втулки в приспособлении; б3 — погрешность изготовле-
ния приспособления.
В теоретическом плане эти положения подробно рассмотрены
в гл. 2. Способ ориентирования сопрягаемых деталей при таких
205
Относительное ориентирование
с использованием
жесткого базирования
С использованием] В захватных
базирующих устройствах
устройств робота
относительное ориентирование с использованием
плавающей базы
Сканированием
Направленное
Рис, 5.11. Классификация способов относительного ориентирования сопрягае-
мых детален
условиях наиболее прост и не требует применения специальных мер.
Однако этот способ предусматривает использование роботов с высо-
кой точностью позиционирования рабочих органов и применим для
сборки узлов, имеющих большие зазоры между сопрягаемыми де-
талями. Заметим, что приведенные соображения относятся не толь-
ко к деталям типа тел вращения, но и к прямоугольным деталям
призматической формы. Очевидно, что в этом случае необходимо
учитывать еще одну координату — взаимный угол поворота сопря-
гаемых деталей, что несколько усложняет задачу.
Способ непосредственного ориентирования деталей применяют
в тех случаях, когда условие (5.1) не выполняется, т. е. ошибки по-
зиционирования робота и установки детали превышают суммарный
зазор и вероятность правильного сопряжения резко уменьшается.
В этих случаях целесообразно использовать соответствующие спо-
собы с плавающей базой или специальные технологические приемы.
Специфика условий выполнения с помощью промышленных
роботов операций соединения разнообразных по конструкции
деталей обусловливает необходимость создания специализирован-
ного сборочного инструмента достаточно широкой номенклатуры.
Инструменты снабжаются устройствами, обеспечивающими выпол-
нение необходимых для соединения деталей движений: поисковых,
силовых, контрольных.
Наибольшее применение находят сборочные инструменты для
выполнения типовых операций. К таким инструментам относятся:
— захватные устройства для перемещения и установки деталей
без точного их ориентирования, с большими зазорами (для уста-
206
новки базовых деталей в приспособление, укладки прокладок,
удаления собранных изделий);
— инструмент для захватывания, перемещения и присоедине-
ния деталей с малыми зазорами или небольшими натягами (в том
числе инструменты со встроенным механизмом компенсации по-
грешности взаимного положения сопрягаемых поверхностей);
— инструмент для захватывания, перемещения и установки
нежестких деталей (например, резиновых манжет);
— инструмент для захватывания, перемещения и установки
упругих деталей, например пружинных колец (в том числе инстру-
менты со встроенным механизмом предварительной деформации);
— инструмент для выполнения резьбовых соединений (в том
числе с контролем крутящего момента или других параметров);
— инструмент для установки деталей на вал, включая инстру-
мент со встроенным механизмом дополнительной ориентации при-
соединяемой детали по базовой;
— инструмент для сборки с пластической деформацией детали
(клепки, развальцовки и др.);
— контрольно-измерительные головки различного типа.
Как уже было сказано ранее, важным направлением при робо-
тизации процессов сборки является применение адаптивных ро-
ботов.
В качестве примера дадим описание роботизированного техно-
логического сборочного комплекса для сборки неразъемных со-
единений [41, с. 2301.
Как следует из приведенных выше соображений, неразъемные
соединения получают различными способами, в том числе за счет
клепки.
На рис. 5.12, а представлена схема РТК для сборки узла «ры-
чаг» (рис. 5.12, б), входящего в состав путевого переключателя
серии ВК-200, основанного на использовании двух промышленных
роботов РС-5 и РО-7.
Собираемый узел состоит из трех деталей — оси, ролика и план-
ки. Два варианта исполнения узла, нестабильность размерных
параметров и конфигурации планки, затрудняющая использование
традиционных и простых средств автоматического ориентирования,
как, например, трафареты, направляющие втулки и т. д., обуслов-
ливают целесообразность включения в РТК ориентирующего ро-
бота РО-7.
В основе РТК заложена представленная на рис. 5.12, в схема
непрерывной сборки деталей с предварительным наклоном осей.
Последовательность сборки следующая. Робот РС-5 захватывает
по большому диаметру ось, извлекает ее из выходного лотка загру-
зочно-ориентирующего устройства 2 движением в направление v
и перемещает под выходным лотком ориентирующего устройства 3.
Вследствие вибрации захватного устройства 4 ролик наживляется,
а затем и полностью надевается на ось (см. рис. 5.12, а). При на-
личии в захватном устройстве двух деталей (оси и ролика), обра-
зующих подузел, оно перемещается до остановки под лотком 1.
207
Рис, 5.12, Общий вид РТК (а) для узла «рычаг» (б) и схема его сборки (в)
Если подузел не укомплектован роликом или не произошла под-
сборка, встроенный в захватное устройство струйный датчик фик-
сирует его отсутствие и после временной выдержки выдает команду
на сброс несобранных деталей и начало нового цикла сборки.
Укладка в лоток / планки осуществляется роботом // (РО-7),
рука 8 которого, находясь над выходным лотком ориентирующего
устройства 9, захватывает планку, поступившую после первичного
ориентирования на позицию распознавания 10, и при необходимос-
ти передает ее второй руке 12, находящейся над лотком 1, для до-
ориентирования. Если планка расположена на позиции 10 должным
образом, рука 8 сразу выгружает ее в лоток 1.
Затем поворотом руки робота 7 планка, которая удерживается
в процессе транспортирования на позиции клепки электромагни-
том захватного устройства 4, извлекается концом оси из лотка 1.
208
Укомплектованный узел поворотом промышленного робота уста-
навливается в рабочей зоне пресса 6 и перехватывается за планку
электромагнитом, установленным на конце штока пневмоцилинд-
ра 5; происходит операция клепки. Сброс готового узла осущест-
вляется за счет его собственного веса.
Несмотря на то, что изделие «рычаг» состоит всего из трех дета-
лей и процесс сборки его весьма прост, этот РТК достаточно на-
глядно иллюстрирует основные характерные особенности сбороч-
ных комплексов.
5.5. РТК в сварочном производстве
Особенности процессов сварки с точки зрения применения про-
мышленных роботов. Сварка — технологический процесс, широко
применяемый во всех отраслях народного хозяйства для изготовле-
ния новых и ремонта эксплуатируемых механизмов, конструкций
и оборудования. Преимущества сварных конструкций общепри-
знаны, их повсеместно применяют взамен литых, клепаных и кова-
ных. Эти преимущества позволяют уменьшить расход металла,
снизить затраты труда, упростить конструкцию оборудования и
сократить сроки изготовления. Значительно расширяются воз-
можности механизации основных технологических операций, по-
являются благоприятные перспективы автоматизации.
Разработано и внедрено множество различных видов и спосо-
бов сварки (рис. 5.13). Сваркой соединяют различные металлы,
их сплавы, некоторые керамические материалы, пластмассы и раз-
нородные материалы. Широко применяется сварка металлов и их
сплавов при сооружении новых конструкций, ремонте различных
изделий, машин и механизмов, создании двухслойных материалов.
14 0-1922
209
Сваривать можно металлы любой толщины. Сварку можно выпол-
нять на земле, в космосе и под водой в любых пространственных
положениях.
В настоящее время одной из наиболее актуальных является
задача разработки, создания и внедрения систем комплексной авто-
матизации процессов сварочного производства. Значительная роль
в решении этой задачи отводится промышленным роботам. На пер-
вом этапе выбор видов и способов сварки, где применение про-
мышленных роботов наиболее целесообразно и оправдано, должен
проводиться с учетом предварительно сформулированных крите-
риев и оценок. К ним следует отнести: степень распространенности
данного вида и способа сварки; невозможность пребывания челове-
ка в зоне сварки; гигиеническую оценку работы человека, в том
числе и степень утомляемости; наличие вредной радиации, токсиче-
ских выделений, высокой температуры и т. п.; технико-экономиче-
скую эффективность автоматизации; предпосылки создания систем
комплексной автоматизации; необходимость выполнения комплекса
движений и динамические характеристики (скорость, точность,
перемещаемые массы и т. д.); обеспеченность предприятия кадрами
специалистов.
Проведение исследования в этом плане вызывает определенные
трудности. Некоторые критерии определяются чрезвычайно просто.
Примером может служить электронно-лучевая сварка (ЭЛС), ко-
торая выполняется в вакууме 0,133...0,013 Па, так что пребывание
человека в этих условиях невозможно. Некоторые критерии могут
быть определены только соответствующим, иногда довольно слож-
ным расчетом. К таким относятся технико-экономическая эффек-
тивность и предпосылки создания систем комплексной автомати-
зации. Обеспеченность предприятия кадрами специалистов от-
носится к социальным факторам и должна оцениваться соответ-
ственно.
Приведенные соображения позволяют в настоящее время при-
близительно оценить перспективность применения промышленных
роботов для автоматизации процессов сварки. Не исключено, что
в ходе развития и решения этой проблемы появятся новые сообра-
жения, которые сейчас не попадают в поле зрения. На основании
же изложенного можно сделать следующие выводы: 1) применение
промышленных роботов целесообразно во всех случаях, когда чело-
век не может находиться в зоне сварки без специального защитного
оборудования (электронно-лучевая сварка, сварка взрывом, сварка
в космосе и под водой), при этом технико-экономическая эффектив-
ность отойдет на второе место; 2) применение промышленных робо-
тов целесообразно для автоматизации контактной точечной, дуговой,
дуговой точечной и электронно-лучевой сварки.
Контактная и дуговая точечная сварка могут быть автоматизи-
рованы промышленными роботами с позиционными устройствами
управления, а дуговая и электронно-лучевая — требуют создания
устройств контурного управления. В условиях индивидуального
и мелкосерийного производства механизировать и автоматизиро-
210
вать процессы сварки целесообразно с применением групповых
технологических процессов.
Узлы и изделия сварочного производства целесообразно предва-
рительно классифицировать по следующим признакам: материал
сварной детали; сортамент заготовки; форма сварной детали; ее
масса; вид сварки; тип сварного соединения. Следует отметить, что
сварные детали, а в целом и сварочное производство имеют ярко
выраженный отраслевой характер и поэтому нецелесообразно соз-
давать единый классификатор для всех отраслей.
Весь комплекс операций сварочного производства можно разде-
лить на шесть этапов: заготовительные, сборочные, сварочные,
отделочные, вспомогательные (транспортные) и контрольные. Автома-
тизировать собственно сварочные операции наиболее трудно, осталь-
ные операции можно автоматизировать на основании опыта, полу-
ченного в других типах производств. В настоящее время наиболее
широко применяются промышленные роботы для автоматизации
контактной точечной и дуговой сварки.
Контактная точечная сварка. В тех случаях, когда свариваемые
детали имеют небольшие размеры и массу, применяют стационарные
одноточечные машины. Рабочий вводит деталь между электродами
и перемещает ее, осуществляя сварку по заданному контуру. Если
же изделие имеет большие размеры и массу, например кузов легко-
вого или кабина грузового автомобиля, сварку выполняют с по-
мощью подвесных сварочных клещей, которые сварщик перемещает
по заданному контуру.
При создании роботов для контактной точечной сварки необхо-
димо учитывать требования к сварному соединению, опоеделяемые
ГОСТ 15878—79.
Уровень автоматизации процесса контактной точечной сварки
весьма высок. Однако суммарное время собственно процесса сварки
не превышает 20...30 % продолжительности всего цикла. Все ос-
тальное время приходится на вспомогательные операции, связанные
с перемещением сварочных клещей (изделия). Из этого следует,
что для уменьшения общей продолжительности сварки, т. е. для по-
вышения производительности труда, нужно сосредоточить усилия
на автоматизации именно вспомогательных операций.
Уровень механизации и автоматизации вспомогательных опера-
ций в условиях мелкосерийного производства очень низок. Как
правило, они выполняются вручную, связаны с затратами значи-
тельной мускульной энергии и относятся к категории тяжелого фи-
зического труда. Качество сварных соединений при ручном переме-
щении клещей часто не соответствует предъявляемым требованиям.
Вспомогательные движения при контактной точечной сварке
(перемещение электрода в пространстве) как объект автоматизации
можно охарактеризовать несколькими параметрами. Производи-
тельность этого процесса в первую очередь определяется количест-
вом точек, сваренных в единицу времени при заданном качестве
сварного соединения. В отличие от других способов, при контактной
точечной сварке вспомогательные операции не совмещены во време-
14*
211
Рис. 5.14. Двухпози-
ционная компоновка
для контактной точеч-
ной сварки промыш-
ленным роботом
ни с собственно процессом сварки. Можно
сказать, что перемещение при этом способе
сварки осуществляется по позиционному ме-
тоду — от точки к точке. Значение и соблю-
дение всех параметров этого перемещения
(скорости, ускорения, траектории движения)
желательны, но не обязательны, важен ко-
нечный результат.
Как известно, успешное применение пер-
вых промышленных роботов началось именно
с контактной точечной сварки кузовов легко-
вых автомобилей. Для изготовления кузова
современного легкового автомобиля нужно
сварить 5000...12 000 точек в зависимости
от модели и конструкции кузова. Если в усло-
виях крупносерийного и массового производ-
ства эффективно применение многоэлектродных (многоточечных)
машин, то в условиях серийного и мелкосерийного производства
использование такого специализированного оборудования нецеле-
сообразно. Поэтому сварка кузовов осуществлялась специальными
подвесными сварочными клещами вручную. Все попытки автомати-
зировать эту утомительную и тяжелую операцию успеха не имели
и только применение промышленных роботов позволило добиться
блестящих результатов. В настоящее время в СССР и за рубежом
есть автоматизированные производства с применением промышлен-
ных роботов для контактной точечной сварки.
Если деталь имеет небольшие размеры и массу, то обычно про-
мышленный робот берет деталь из накопителя (предварительно
ориентированную) и ведет сварку на стационарной сварочной ма-
шине, поворачивая и передвигая ее, чтобы получить заданную по
программе сварку точек.
Если деталь имеет большие размеры и массу, затрудняющие ее
переориентацию в пространстве, то деталь устанавливают в спе-
циальном устройстве — позиционере, а робот, оснащенный спе-
циальными сварочными клещами, ведет ее сварку по заданной про-
грамме. Поскольку замена детали требует некоторого времени, це-
лесообразно создавать двухпозиционную компоновку (рис. 5.14).
Замена детали в одной позиции происходит в то время, когда идет
сварка в другой.
Сварка кузова легкового или кабины грузового автомобиля пред-
ставляет собой очень сложный технологический процесс, который
невозможно выполнить в одной позиции одним (или двумя) робота-
ми и одним типом сварочных клещей. Необходимы специализация
инструмента и разделение всего процесса на серию последователь-
ных этапов. Заметим, что и при ручной сварке применяется конве-
йер, который перемещает изделие в пространстве, а рабочие выпол-
няют разные, в известной степени специализированные, операции
сварки последовательно. Так организованы и роботизированные
автоматические линии. Конвейеры применяют пульсирующие, из-
212
делие в каждой позиции должно быть зафиксировано в точном по-
ложении специальным позиционером, весь процесс сварки кузова
делится на отдельные этапы, конечно равные по времени. В каждой
позиции устанавливают два робота (слева и справа), а иногда и бо-
лее (снизу и сверху), применяют специализированные клещи.
Использование непрерывно движущегося конвейера для созда-
ния таких линий не исключено, но на сегодняшний день нецелесооб-
разно. Это приведет к необходимости программировать процесс пе-
ремещения в движущейся системе координат, что значительно слож-
нее. Кроме того, при непрерывно движущемся конвейере сущест-
венно усложняется обеспечение необходимой точности позициони-
рования.
Целесообразность создания автоматических роботизированных
линий подчеркивается еще и тем, что идеально решается задача
транспортирования изделия от одной позиции к другой. Обеспечи-
вается и весьма высокий экономический эффект применения таын
линий. На рис. 5.15 показан один из вариантов удачной компоновки
автоматической роботизированной линии, когда роботы располо-
жены на разных уровнях, что повышает эффективность их приме-
нения и позволяет экономить производственные площади, сокращая
длину линии. Создание и применение автоматических линий такого
типа отнюдь не исключает применения промышленных роботов для
контактной точечной сварки в более простых вариантах для сварки
несложных изделий.
Дуговая сварка плавлением — один из наиболее распростра-
ненных видов сварки, широко применяемый во всех отраслях на-
родного хозяйства при изготовлении металлоконструкций. Сваркой
плавлением можно соединять практически все используемые для
изготовления конструкций металлы и сплавы любой толщины.
Дуговая сварка плавлением сложна с точки зрения происходя-
щих в ней процессов и возможности автоматизации. Действительно,
при сварке протекают электрические и тепловые процессы, проис-
ходят перенос жидкого металла, остывание и кристаллизация ме-
талла, могут появляться различные дефекты сварного соединения,
имеют место так называемые сварочные (тепловые) деформации. До
настоящего времени не разработана адекватная математическая
модель этого процесса, что затрудняет создание методов его автома-
тизации и, в частности, роботизации
213
Для осуществления дуговой сварки с помощью промышленного
робота нужно иметь определенное оборудование, которое и соста-
вит роботизированный технологический комплекс в наиболее про-
стом исполнении. На рис. 5.16 показан такой комплекс, причем для
лучшего понимания структуры его составные части показаны не-
объединенными в блоки. Так, источник питания и блок управления
процессом сварки, как правило, объединяют в один шкаф. РТК
создан на базе серийного манипулятора рабочего органа (горелки)
«Универсал-15», устройства управления УКМ-772 и манипулятора
изделия, который устанавливает и поворачивает изделие в положе-
ние, удобное для сварки.
В последнее время четко обозначилась тенденция создания спе-
циального манипулятора изделия с рациональным распределением
координат управления между манипулятором рабочего органа и
манипулятором изделия.
Разработано несколько вариантов компоновок РТК для дуго-
вой сварки. Самый простой состоит из одного робота и специализи-
рованного сварочного приспособления. Такая позиция проста в
организации и требует минимальных изменений на предприятии,
однако плохо использует рабочее время робота. Избавиться от этого
недостатка можно размещением
нескольких однотипных приспо-
соблений в пределах зоны обслу-
живания робота. В этом случае
установка изделия на одной по-
зиции происходит во время свар-
ки изделия на второй. Достаточ-
но перспективно применение по-
воротных столов различного типа,
которые позволяют максимально
использовать время работы про-
мышленного робота (рис. 5.17). j
Рис. 5.17, Роботизированный техноло-
гический комплекс для дуговой свар-
ки с поворотным столом
214
Дальнейшим совершенствованием роботизированных техноло-
гических комплексов для автоматизации дуговой сварки плавле-
нием будет совмещение рабочих позиций с транспортными устрой-
ствами, подающими и убирающими изделие из зоны сварки. В боль-
шинстве случаев целесообразно РТК снабжать техническими сред-
ствами и программным обеспечением пространственной адаптации,
что связано со случайным отклонением линии стыка свариваемых
кромок от заданного чертежом положения. В некоторых случаях
необходимы также технические средства и программное обеспече-
ние технологической адаптации — корректировка режима сварки
для компенсации случайных отклонений параметров свариваемого
соединения (сечения разделки, зазора, превышения кромок и т. д.)
от расчетных значений.
5.6. РТК в литейном производстве
Процессы литейного производства сопряжены с перемещением
больших масс (ковша и металла), температура расплавленного ме-
талла очень высока, труд рабочего весьма утомителен и однообра-
зен, уровень механизации и автоматизации, особенно в условиях
мелкосерийного и серийного производства, весьма низок. Все это,
естественно, привлекает внимание специалистов в области робото-
строения и требует конструктивного решения.
За последние годы выпуск литья под давлением возрос в 10 раз.
Среднегодовой прирост производства литья под давлением в 1,5...
2 раза опережает прирост всей промышленной продукции. Пер-
спективы развития этого литья требуют создания комплексно-ме-
ханизированных и автоматизированных установок на базе машин
литья под давлением. Все это обусловило целесообразность созда-
ния роботизированных технологических комплексов в составе: ма-
шины литья под давлением (кокильной машины); промышленного
робота для заливки металла; манипулятора для обдувки и смазки
пресс-форм и пресс-поршня и промышленного робота для съема от-
ливок.
Автоматизация процессов литейного производства на основе
использования промышленных роботов — качественно новый этап
автоматизации этого производства. Роботизированные технологи-
ческие комплексы в литейном производстве впервые были созданы
для литья под давлением. Это объясняется тем, что рабочие, обслу-
живающие машины литья под давлением, кроме управления маши-
ной выполняют несколько трудных ручных, так называемых вне-
машинных, операций — заливку металла, обдувку и смазку пресс-
форм, установку отливки в пресс. Производительность машин литья
под давлением очень велика — примерно 120 заливок/ч. В то же вре-
мя утомляемость рабочего ведет к нарушению технологического ре-
жима, ухудшению качества литья, снижению производительности
оборудования.
Технологический процесс литья в кокили очень похож на процесс
литья под давлением. Он также включает заливку металла вручную,
215
съем и передачу изделия для очистки и обрубки. В настоящее время
ведутся работы по роботизации этих процессов.
В литейном производстве широко применяют машины с холод-
ной камерой прессования. Жидкий металл в такие машины заливают
вручную. Работы по механизации и автоматизации этих процессов
ведутся давно, однако полностью были автоматизированы лишь
машины, на которых отливали сравнительно легкие детали с массой
до нескольких десятков граммов. Более крупные машины переобо-
рудованы для полуавтоматической работы с сохранением ручных
операций. Задача заключается в том, чтобы роботизировать и этот
тип машин, перейти на автоматический цикл.
Конструктивное выполнение машин для литья под давлением с
точки зрения расположения и характера зоны заливки металла и
съема отливки довольно однотипно, что позволяет находить общие
решения для их стыковки с манипуляторами и промышленными
роботами. К заливочным манипуляторам и промышленным роботам
предъявляются следующие требования:
1) доза не должна зависеть от изменения уровня металла в печи;
2) металл должен заливаться непосредственно в заливочное ок-
но, без применения длинных желобов и чаш;
3) в камеру прессования металл должен заливаться без значи-
тельных переналадок при переходе от центрального к нижнему
литью;
4) в ковш металл должен набираться чистым, без шлаковых пле-
нок;
5) механизмы манипулятора должны быть надежно защищены
от брызг расплавленного металла.
Уже накоплен некоторый опыт по созданию и применению ма-
нипуляторов и промышленных роботов для автоматизации процес-
сов литья, выработаны типовые компоновки. На рис. 5.18 показана
одна из типовых компоновок РТК для литья. Комплекс состоит из:
манипулятора 1 для смазки пресс-форм; электропечи 2 (САГ-0,25-Х);
манипулятора 3 (А97.40) для заливки металла; шкафа 4 с электро-
оборудованием; пульта управления 5; промышленного робота 6
Рис. 5,18. Типовая компоновка РТК с
машиной литья под давлением А97
Рис. 5.19. Типовая компоновка автома-
тической линии для литья под давле-
(А97.20); блокировочной площадки 7; установки 8 для охлаждения;
пресса 9 и машины 10 (71111) для литья под давлением. Отдельные
агрегаты связаны общим устройством управления. Элементы авто-
матики и органы управления размещены в общем для комплекса
электрошкафу и центральном пульте управления. Промышленный
робот имеет пять управляемых координат и движение зажима.
Типовая компоновка автоматической линии для литья изделий
10 под давлением на базе пресса 711Б08 приведена на рис. 5.19.
В состав линии входят: манипулятор 9 (ЛМ-35) для заливки метал-
ла; механизм 6 обдува и смазки пресс-форм и пресс-плунжера; пресс
4 (П-16) для обрубки облоя; бак 2 охлаждения; электропечь 8 (САГ-
0,16); машина 1 (711Б08) для литья под давлением; манипулятор 3
(РМ-2); насосная установка 5; электрошкафы 7, 11, 12, 13.
Создание роботизированных технологических комплексов и ро-
ботизированных линий для автоматизации различных технологиче-
ских процессов — важный этап в создании роботизированных участ-
ков, цехов и заводов.
Можно с уверенностью утверждать, что этот путь приведет к
созданию гибких автоматизированных производств (ГАП), способ-
ных обеспечить высокую экономическую эффективность в условиях
мелкосерийного и серийного производства.
5.7. Роботизированные технологические линии
Промышленные роботы достаточно широко применяются в авто-
матических линиях. Прежде всего это относится к контактной то-
чечной сварке кузовов легковых автомобилей и кабин грузовых
машин, но постепенно распространяется и на процессы гальвано-
стегии, окраски и сборки.
Первая автоматическая линия промышленных роботов (1970 г.)
была создана для сварки кузовов легкового автомобиля «Вега» на
одном из заводов фирмы «Дженерал моторе» в г. Лордстауне (США).
В составе линии 26 роботов «Юнимейт», которые выполняют кон-
тактную точечную сварку кузова автомобиля, перемещающегося
на пульсирующем конвейере. Каждый робот имеет индивидуальное
управление и может сваривать по нескольким программам. Выби-
рается программа по специальному магнитному маркеру на подхо-
дящем очередном кузове. Такая система позволяет пустить по кон-
вейеру несколько моделей кузовов. Перед сваркой кузов фиксирует-
ся в строго определенном положении. По данным фирмы, роботы
работают более чем 2 смены в день, заменяя около 50 чел. и окупая
себя в течение 18 мес. Точность постановки сварных точек ±1,5 мм,
производительность сварки около 60 точек/мин.
В 1970—1971 гг. западногерманская фирма КУКА спроектиро-
вала, изготовила и установила на заводе «Даймлер-Бенц» в
г. Штутгарте автоматическую линию промышленных роботов
для контактной точечной сварки боковин легкового автомо-
биля «Мерседес». Эта линия состоит из двух параллельных по-
токов для сварки правой и левой боковин и включает в себя 12 ро-
21Т
Рис. 5.20. Участок роботизированной технологической линии на Запорож-
ском автомобильном заводе
ботов фирмы «Юнимейшн», закупленных в США. Отличительная
особенность этой линии — сочетание пульсирующего конвейера со
специальными кантователями, поворачивающими и фиксирующими
боковину в вертикальном положении, наиболее удобном для свар-
ки. Так была решена задача точного позиционирования изделия
перед сваркой. Весь технологический процесс сварки боковин раз-
бит на шесть участков, причем на каждом из них сваривается не-
сколько десятков точек с темпом 15...20 точек/мин частично специа-
лизированными клещами.
В 1988 г. на Запорожском автомобильном заводе (ЗАЗ) пущены
в эксплуатацию несколько роботизированных технологических ли-
ний в кузовном производстве (рис. 5.20). Эти линии созданы сов-
местно с фирмой «Комау».
Научно-исследовательский, конструкторско-технологический и
проектный институт робототехники Минавтопрома (г. Киев) сов-
местно со специалистами ПО АвтоКРАЗ разработал и внедрил три
роботизированных технологических комплекса для контактной то-
чечной сварки типа РТК-1, оснащенных промышленными роботами
ПР-601/60 производства ПО АвтоВАЗ, для доварки кабины грузо-
вого автомобиля КРАЗ (рис. 5.21). РТК. обеспечивает сварку 700
точек в цикле длительностью 14 мин, т. е. работает с производитель-
ностью приблизительно 50 точек/мин.
Одно из необходимых условий создания роботизированной ли-
нии — пульсирующий конвейер. Возможность создания роботизи-
218
Рис. 5.21. РТК
бины грузового
Кременчугском
заводе
рованной линии на базе непрерывно движущегося конвейера не ис-
ключена, но тогда необходимо обеспечить работу робота в движу-
щейся системе координат, что создает дополнительные и серьезные
трудности при программировании и вряд ли оправдано.
Второе необходимое условие создания роботизированной линии
с пульсирующим конвейером — обеспечение необходимой, задан-
ной точности позиционирования изделия в момент остановки кон-
вейера. Как правило, это требование удовлетворяется применением
специальных устройств, именуемых позиционерами.
219
Рис. 5.23. Схема устройства позицио-
нера
на три группы, или три типовые
1. Роботизированную линию,
Создание и применение робо-
тизированных линий — важней-
шее направление робототехники,
открывающее большие перспек-
тивы в производственном и эко-
номическом отношениях.
Автоматические роботизиро-
ванные линии можно разделить
схемы.
состоящую из пульсирующего
конвейера и последовательно расположенных возле него роботов,
каждый из которых выполняет свою технологическую операцию
(рис. 5.22, а). Особенность этой схемы состоит в том, что изделие
с конвейера не снимается. Такая схема широко применяется при
контактной точечной сварке кузовов легковых автомобилей и кабин
грузовых машин.
2. Роботизированную линию, состоящую из пульсирующего кон-
вейера, последовательно расположенных роботов и технологиче-
ского оборудования (рис. 5.22, б). При этой компоновке изделие
с конвейера снимается роботом и переносится на технологическое
оборудование. Такая компоновка, требующая очень четких и со-
гласованных действий конвейера, роботов и технологического обо-
рудования, применяется в металлообработке.
3. Роботизированную линию, не имеющую конвейера, которая
состоит из последовательно расположенного технологического обо-
рудования и промышленных роботов (рис. 5.22, в). Такая схема
близка к схеме роботизированного технологического комплекса
(особенно при малом количестве технологического оборудования)
и может применяться в различных процессах машиностроительной
промышленности.
В тех случаях, когда нужно обеспечить весьма точную установ-
ку изделия, а конвейер не соответствует этим требованиям, приме-
няют специальные позиционеры. Принцип работы позиционера
заключается в том, что изделие снимается и приподнимается над кон-
вейером в специальном приспособлении, которое, поддерживая из-
делие на базовых поверхностях, обеспечивает его ориентирование с
высокой степенью точности (рис. 5.23). Высота подъема изделия не-
велика, конструкция конвейера может быть создана с использова-
нием электромеханических или гидравлических приводов.
5.8. Испытания промышленных роботов
В нашей стране создано много промышленных роботов различ-
ного типа. Серийное производство их и широкое внедрение на раз-
личных предприятиях требуют унификации методов приемки, ис-
пытаний и экспериментальных исследований. В связи с этим в
ЭНИИМСе Минстанкопрома совместно с Государственным научно-
исследовательским институтом машиноведения разработана мето-
дика испытания промышленных роботов. Эта методика должна слу-
220
жить основой при разработке программ и методик испытаний кон-
кретных моделей промышленных роботов с учетом их конструктив-
ных особенностей. Она должна использоваться и при составлении
разделов «Правила приемки», «Методы контроля» технических усло-
вий на опытные и серийные образцы промышленных роботов.
Промышленным роботам, как новому классу машин, присущи
особенности, которые значительно отличают их от традиционных
средств автоматизации производственных процессов. Основные
особенности и требования к контролю следующие:
1. Возможность быстрой переналадки последовательности, ско-
рости и содержания манипуляционных действий при перемещении
предметов. Вследствие этого необходимо проверять: время перепро-
граммирования; время смены ЗУ; усилие захватывания; чистоту
поверхности детали после ее зажима в ЗУ.
2. Возможность выполнения основных технологических опера-
ций производственного процесса, операций «взять — перенести —
положить» (вспомогательные, транспортные) или тех и других.
Следовательно, нужно проверять погрешность позиционирования,
технологические и другие характеристики.
3. Сложность исполнительных устройств, представляющих со-
бой пространственные механизмы со многими степенями подвиж-
ности и незамкнутой кинематической цепью, небольшая жесткость
исполнительных устройств в сравнении с обслуживаемым оборудо-
ванием и напряженные динамические режимы работы (скорости до
1,5 м/с при относительно небольших перемещениях, интенсивные
разгоны и торможения). Соответственно этому особенно требова-
тельно нужно проверять и исследовать динамические свойства ма-
нипуляторов, в том числе влияние на функциональные возможности
промышленных роботов вибраций и колебаний исполнительных ор-
ганов. Целесообразно определять оптимальные, по выбранным кри-
териям, соотношения между грузоподъемностью, точностью пози-
ционирования и скоростью перемещения рабочих органов.
4. Возможность одновременной отработки движений по несколь-
ким степеням подвижности, в том числе при перемещении предметов
по заданной пространственной траектории. Такая особенность тре-
бует проверять параметры промышленных роботов при одновремен-
ном выполнении движений по нескольким координатам, в том чис-
ле погрешности отработки криволинейной пространственной траек-
тории.
5. Промышленный робот — источник повышенной опасности.
В силу этого необходимо весьма жестко проверять все блокировки
устройства, обеспечивающие безопасную и безаварийную работу
и проведение испытаний.
Виды испытаний. Промышленные роботы подвергаются испыта-
ниям, регламентированным ГОСТ 26053—84 «Роботы промышлен-
ные. Правила приемки. Методы испытаний». Устанавливаются сле-
дующие виды испытаний:
— для опытных образцов (опытных партий) — приемочные,
предварительные (по ГОСТ 15.001—88);
221
— для установочной серии (первой промышленной партии) —
квалификационные (по ГОСТ 15.001—88);
— для ПР серийного производства — приемосдаточные, перио-
дические, типовые.
Объем и содержание основных контрольных испытаний ПР при-
ведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Объем и содержание основных контрольных испытаний ПР
(по ГОСТ 26053—84)
Наименование этапа ис- пытаний Номенклатура осуществляемых прове- рок и проверяемые параметры Виды испытаний
Приемоч- ные Приемо- сдаточ- ные Периоди- ческие
Подготовка к проведе- Условия проведения испытаний 4- 4- 4-
иию испытаний Наличие необходимых средств из- + + +
Проверка технической мерений, проверка правильности их подсоединения Комплектность технической доку- + X X
документация Проверка ПР в исход- ментации Комплектность образца 4- 4- +
иом состоянии Габаритные размеры ПР + +
Масса ПР + + ——
Точность изготовления ПР, обра- 4- + 4-
i ботка основных деталей Качество сборочно-монтажных ра- 4- 4- +
бот Отделка образца 4- 4- 4-
Сопротивление изоляции + + 4-
Сопротивление заземления + + +
Электрическая прочность изоля- 4- 4- 4-
ции Правильность подключения к эле- 4- 4- -1-
ктро-, гидро- и пневмосетп Проверка системы смазки 4- + 4-
Испытания на холостом Возможность перемещений по сте- 4- 4- 4-
ходу пеням подвижности Действие механизмов, обеспечива- ющих безопасную и безаварийную работу Проверка возможности работы во + + 4-
4* 4- 4-
всех режимах, обеспечиваемых системой управления Число программируемых точек 4- 4-
Максимальные перемещения + 4- 4-
Испытания под нагруз- Номинальная грузоподъемность + + 4-
КОЙ Усилие захватывания + — ——
Время перемещения по степеням + 4- 4-
подвижности Время захватывания, время опус- 4- 4- 4-
кания Максимальные скорости + +
Максимальные ускорения + —- 4-
222
Продолжение табл, 5.1
Наименование этапа ис- пытаний Номенклатура осуществляемых прове- рок и проверяемые параметры Виды испытаний
Приемоч- ные Приемо- сдаточ- ные Периоди- ческие
Максимальная абсолютная по- грешность позиционирования: по степеням подвижности; + +
всего ПР + +
Погрешность отработки траекто- + + +
рии Уровень радиопомех +
Уровень шума + —
Испытания на безотказность + X
Проверка правильности выполне- + +
ния технологических операций Нагрев подшипников + . о
Давление рабочего тела + — —
Нагрев рабочей жидкости + X —
Герметичность гидро- и пневмо- + + + '
Составление заключе- системы + + 4-
ния по результатам ис- пытаний
Примечание. «+» — испытание проводят в полном объеме; «X» — ис-
пытание каждого ПР проводят в ограниченном объеме, согласно программам и
методикам испытаний конкретных ПР; «О» — испытание проводят выборочно,
согласно программам и методикам испытаний конкретных ПР; «—»— испытание
не проводят.
По месту и условиям проведения различают лабораторные, стен-
довые, полигонные (испытания на опытных роботизированных участ-
ках) и эксплуатационные испытания; по продолжительности прове-
дения и объему — расширенные, нормальные, ускоренные (форси-
рованные и сокращенные). Промышленные роботы могут подвер-
гаться сравнительным испытаниям — испытаниям аналогичных или
одинаковых образцов, проводимым в идентичных условиях для
сравнения их параметров и характеристик.
В зависимости от поставленной цели испытания промышленных
роботов могут быть контрольными или исследовательскими. Кон-
трольные испытания проводят для проверки качества промышлен-
ного робота, исследовательские — для экспериментального изуче-
ния различных свойств.
Объем контрольных испытаний должен быть минимальным, но
достаточным для оценки качества испытываемых образцов. Испыта-
ния проводят при наиболее неблагоприятном сочетании проверяе-
мых параметров (максимальные скорости и вылеты исполнительных
устройств, максимальная грузоподъемность и т. д.) и, как правило,
с использованием простейших измерительных средств.
Объем исследовательских испытаний обычно определяется за-
дачами, для решения которых эти испытания проводят. Они преду-
223
сматривают более детальное исследование основных параметров и
технических характеристик для уточнения паспортных данных ПР,
установления оптимальных соотношений между ними и разработки
рекомендаций по совершенствованию конструкций. Исследователь-
ские испытания выполняют с помощью различных измеритель-
ных средств, включая измерительные преобразователи и реги-
стрирующую аппаратуру, а также измерительные системы и ком-
плексы.
Контрольные испытания. Все параметры, проверяемые в про-
цессе контрольных испытаний, можно разделить на шесть групп!
1) параметры назначения и применения; 2) основные параметры и
размеры; 3) параметры безопасной и безаварийной работы; 4) экс-
плуатационные параметры; 5) параметры надежности; 6) технологи-
ческие параметры.
Программа контрольных испытаний ПР в общем случае включа-
ет в себя следующие основные этапы: 1) проверку подготовки к про-
ведению испытаний; 2) проверку технической документации; 3) ис-
пытания промышленных роботов в трех состояниях — а) при
неподвижных механизмах и отсутствии нагрузки на выходных эле-
ментах; б) при движении механизмов и отсутствии нагрузки на вы-
ходных элементах; в) при движении механизмов и наличии нагруз-
ки на выходных элементах.
В настоящее время значительную часть промышленных роботов
выпускают в составе роботизированных комплексов, что существен-
но ускоряет и облегчает внедрение ПР в производство. Общие тре-
бования к испытаниям роботизированных комплексов аналогичны
требованиям к испытаниям промышленных роботов. Как правило,
в состав роботизированного комплекса входят оборудование и про-
мышленные роботы, выпускаемые серийно или рекомендованные к
серийному производству. Поэтому испытания комплекса должны
включать в себя проверку тех параметров, которые характеризуют
свойства комплекса в целом, несерийного вспомогательного обору-
дования, входящего в состав комплекса, устройств технологического
оборудования, модернизированных при создании комплекса.
К основным параметрам, характеризующим свойства роботизи-
рованного комплекса, относятся: количество единиц обслуживае-
мого оборудования, в том числе основного технологического;
выполняемые операции, производительность; время загрузки-раз-
грузки, не перекрываемое временем работы основного оборудова-
ния; максимальные и минимальные характерные размеры обраба-
тываемых изделий; время переналадки; коэффициент технического
использования; занимаемая площадь; масса составных частей.
Перечень параметров, которые характеризуют несерийное вспо-
могательное оборудование, входящее в роботизированный комп-
лекс, и модернизированные устройства технологического оборудова-
ния, зависит от состава входящего в комплекс оборудования и объ-
ема работ по модернизации.
Исследовательские испытания. Программа исследовательских
испытаний включает следующее: подготовку опытного образца к
224
испытаниям; статические испытания; сокращенные и расширенные
динамические испытания; испытания на надежность.
Статические испытания предусматривают определение жесткос-
ти исполнительных органов и несущих систем, люфтов и зазоров в
кинематических цепях механизмов.
Динамические испытания наиболее трудоемки и предусматрива-
ют определение наибольшего числа характеристик и параметров по
сравнению с другими видами испытаний. В зависимости от объема
проводимых исследований и их сложности динамические испытания
подразделяют на сокращенные и расширенные. К числу параметров,
определяемых в процессе динамических испытаний, относятся: быст-
родействие, быстроходность; грузоподъемность; погрешность по-
зиционирования; погрешность отработки траектории; нагрузки на
детали механизмов и привода; ходы исполнительного органа; зона
обслуживания; воспроизводимость заданного закона движения;
вибрационные характеристики и уровни шума; температурные поля
и деформации; расход энергии, сжатого воздуха, охлаждающей и
рабочей жидкости; ресурс и другие характеристики надежности.
Испытания на надежность промышленных роботов проводятся
для определения фактических значений показателей надежности.
Программа и методика этих испытаний должны разрабатываться
на основе ГОСТ 27.410—87 «Надежность в технике. Методы конт-
роля показателей надежности и планы контрольных испытаний на
надежность».
Основные разделы испытаний:
1) входной контроль; приводятся перечни нормируемых пока-
зателей, деталей и соединений для контроля износа и определения
ресурса;
2) испытание на безотказность; приводятся критерии отказов,
порядок их регистрации и анализа, методы обработки данных по
отказам;
3) испытание на ремонтопригодность с указанием перечня узлов
и деталей, по которым необходимо провести разборочно-сборочные
работы и операции технического обслуживания для оценки ремон-
топригодности;
4) ресурсные испытания с указанием количества и периодичнос-
ти измерений остальных параметров, износа деталей и соединений;
методы определения характера и распределения износа;
5) календарный план испытаний;
6) перечень средств испытаний.
Проведение соответствующих испытаний промышленных робо-
тов и роботизированных комплексов позволяет определить их па-
раметры, качество и эксплуатационные характеристики и, как след-
ствие, область применения.
?'» ад
• tXp
• . ,<Пе я -Л’У'л ? • г-- "Щ 'йю: ,
0-1922
222
5.9. Экономическая эффективность
применения промышленных роботов
Экономическая эффективность промышленных роботов — очень
важный, хотя и не единственный показатель возможности и целесо-
образности применения промышленных роботов в промышленности
и народном хозяйстве СССР.
Рассмотрим методику расчета экономической эффективности от
внедрения промышленных роботов на предприятиях машинострои-
тельной промышленности.
Внедрение промышленных роботов в машиностроении требует
выполнения определенных технических и организационных меро-
приятий, затраты на которые должны учитываться при расчете эко-
номической эффективности. К ним относятся:
1) предварительная технологическая подготовка (анализ изде-
лий, технологических процессов и оборудования);
2) модернизация основного технологического оборудования а
целью подготовки его к применению промышленных роботов;
3) создание специального или специализированного оборудова-
ния для ориентированного хранения (либо транспортирования) за-
готовок и деталей;
4) создание специальной или специализированной оснастки и
инструмента;
5) перепланировка производственных участков.
Расчет экономической эффективности и выбор баз сравнения еле- !
дует проводить с учетом принадлежности ПР к роботизированному , ’
технологическому комплексу. JI
Основными источниками экономической эффективности промыш- .
ленных роботов и РТК являются:
1. Повышение производительности оборудования, т. е. объема !
выпускаемой продукции с основного технологического оборудова- >
ния, обслуживаемого роботом, или повышение производительности
труда на операциях, выполняемых промышленным роботом. ;
2. Повышение производительности труда в результате замены i
ручного труда на вспомогательных, транспортных операциях (за-
грузка-разгрузка деталей и инструмента, транспортирование дета-
лей и т. д.) и основных технологических операциях (сварка, сборка,
окраска и пр.).
3. Повышение ритмичности производства. 1
4. Повышение коэффициента сменности оборудования без уве-
личения численности рабочих.
5. Уменьшение потерь, связанных с субъективными особенностя- )
ми человека (постоянство режима работы в течение смены).
6. Снижение процента брака и повышение стабильности качест-
ва продукции.
7. Уменьшение размеров оборотных средств в незавершенном
производстве.
Применение промышленных роботов, кроме того, позволяет ре-
шить в народном хозяйстве ряд социальных задач, а именно: изме-
226
нить характер труда и создать новые условия труда рабочего в про-
мышленности; снизить травматизм и возможность возникновения
профессиональных заболеваний; уменьшить текучесть кадров; об-
легчить общую демографическую проблему нехватки рабочей силы
в народном хозяйстве; уменьшить затраты на жилищное и культур-
но-бытовое строительство и т. д.
При расчете экономической эффективности нужно правильно
выбрать базовый, сопоставимый вариант. Сравнивать необходимо
по объему и качеству выпускаемой продукции, режиму работы,
уровню цен, используемым тарифам и комплексу специальных фак-
торов. Сопоставляют варианты по годовому объему продукции, как
правило, при условии двухсменной работы оборудования. В особых
случаях, связанных с непрерывным технологическим процессом,
а также для случая, когда число смен оговорено заданием заказчи-
ка, экономический эффект определяют для заданного режима про-
изводства.
Оптовую цену оборудования действующего производства (базо-
вый вариант) для сопоставимости нужно привести к современному
уровню цен (с 01.01.1982 г.) применением следующих коэффициен-
тов: 1,6—к оборудованию, изготовленному до 1967 г.; 1,2 — к
оборудованию, изготовленному в 1968—1972 гг. Цены базового
оборудования, которое изготовлено в 1973—1981 гг., но не вошло
в прейскуранты, введенные в действие с 01.01.1982 г., принимают
с коэффициентами по справочнику «Изменение средних оптовых цен
в связи с введением 01.01.1982 г. новых прейскурантов» (М., 1981)
или по иным нормативным документам.
Определение экономической эффективности разработки и со-
здания промышленных роботов и роботизированных технологи-
ческих комплексов. При создании новых роботов и РТК расчет
экономической эффективности проводят на следующих этапах:
1) разработка технико-экономического обоснования создания
ПР и РТК; V. . .
2) разработка технического задания (ТЗ); Л
3) разработка технического проекта; ,..
4) разработка рабочей документации;
5) приемка опытного образца.
Расчеты на первом и втором этапах носят предварительный ха-
рактер. На всех последующих этапах проводят уточненные расчеты
в связи с изменением некоторых параметров и уточнением цен. При
приемке опытного образца расчет должен учитывать сравнитель-
ную производительность, указанную в акте приемки, и проектируе-
мую оптовую цену.
В качестве базового варианта для сравнения на этапе создания
промышленного робота принимают лучшие образцы, выпускаемые
серийно в СССР или за рубежом, которые имеют сопоставимые тех-
нические показатели и технологические возможности. В случае от-
сутствия аналога в СССР или за рубежом в качестве базы принима-
ют: 1) для производственных роботизированных комплексов — пере-
довое специальное технологическое оборудование, используемое
15*
227
для аналогичных операций в СССР (с ручными операциями); 2) для
технологических роботизированных комплексов, рассчитанных на
работу с технологическим оборудованием определенного назначе-
ния,— то же оборудование с ручным обслуживанием. При этом из
номенклатуры оборудования, которое может обслуживать промыш-
ленный робот, нужно выбрать одну модель со средними показателя-
ми или модель, занимающую значительный удельный объем в вы-
пуске.
Для универсальных промышленных роботов расчет должен про-
водиться в условиях преимущественного использования роботов
с назначением соответствующих баз сравнения. Для РТК в качест-
ве базы сравнения принимают основное технологическое оборудова-
ние, входящее в состав данного комплекса, который обслуживает-
ся другим промышленным роботом, выпускаемым серийно в СССР
или за рубежом, либо то же оборудование с ручным обслуживанием.
При создании роботизированных комплексов, в состав которых вхо-
дят технологические роботы (сборочные, сварочные и др.), в качест-
ве базы сравнения принимают лучшее аналогичное оборудование
или действующий технологический процесс, реализуемый с приме-
нением ручного труда.
При создании промышленных роботов экономический эффект рас-
считывают с учетом использования их в составе соответствующего
роботизированного комплекса. Известно, что применение РТК по-
зволяет сократить организационные потери и время простоев обо-
рудования, повысить равномерность выпуска продукции, упорядо-
чить планирование и диспетчеризацию. В связи с этим коэффициент
загрузки оборудования принимают равным 0,85, а для базового
варианта — 0,6...0,7.
При создании полностью автоматизированных комплексов, снаб-
женных системой автоматической диагностики и устранения неис-
правностей, смены инструмента, контроля и т. д., которые обеспе-
чивают безотказную работу в течение трех смен, в расчетах прини-
мают трехсменный режим работы, а для базового варианта в этом
случае — двухсменный.
Решение о целесообразности создания промышленного робота
или роботизированного технологического комплекса принимают на
основании расчета экономического эффекта от производства и ис-
пользования выпуска этого оборудования в расчетном году:
Э = ЭедЛ2, (5.2)
где Э — годовой экономический эффект, р.; Эед — экономический
эффект от производства и использования одного (единицы) промыш-
ленного робота или роботизированного технологического комплек-
са, р.; А2 — выпуск промышленных роботов в расчетном году, шт.;
индексы «1» и «2» в формуле (5.2) и в последующих формулах отно-
сятся соответственно к базовому и новому оборудованию, а величи-
ны без индексов относятся к обоим вариантам.
Если экономический эффект определяют для серийно выпускае-
мых промышленных роботов, то за расчетный год принимают второй
228
год с начала их промышленного производства, а для очень сложных
моделей роботов — третий. Начало серийного производства исчис-
ляют от первого года включения роботов в план производства и,
как правило, после изготовления установочной серии.
Экономический эффект от производства и применения одного
промышленного робота определяют по формуле
~ у, В2 Pj + ^h . (И, — Ий)—£н (К2—К,) г, о.
э'«"ц>ТГрйТГ +--------------р—йй------------<Ы)
где Ц1( Ц2 — стоимость оборудования, р.; B2/Bj — коэффициент,
учитывающий рост производительности единицы нового оборудова-
ния по сравнению с базовым; Blt В2 — годовой объем продукции,
производимой при использовании единицы базового и нового обору-
дования, в натуральных единицах; Рт, Р2 — доля отчислений от
балансовой стоимости на полное восстановление базового и нового
оборудования, р. (рассчитывают как величину, обратную сроку
службы оборудования, определяемому с учетом морального износа
оборудования); £и — нормативный коэффициент эффективности ка-
питальных вложений, равный 0,15; -f1 ---коэффициент уче-
*2 i”
та изменения сроков службы нового оборудования по сравнению
с базовым, как правило, Рх = Р2, тогда
дс - -
Р1 + £и
P2+Z?H ’ •
Pi и Р2 могут иметь разное значение только в тех случаях, когда
изменение этих параметров обусловлено требованиями заказчика
в его заявке на разработку новой продукции и отражено в норма-
тивно-технической документации; Рам — доля (коэффициент) от-
числений на реновацию (амортизацию) при использовании потреби-
телем нового оборудования, р. (рассчитывают как величину, обрат-
ную сроку службы Тс нового оборудования, определяемому с уче-
том морального износа; средние прогнозируемые сроки службы
промышленных роботов составляют 8 лет, при этом Рам = 0,0874);
И| и И2 — годовые эксплуатационные издержки потребителя при
использовании базового и нового оборудования в расчете на годо-
вой объем продукции, производимой с помощью нового оборудова-
ния, р. (амортизационные отчисления на оборудование учитывают-
ся в этих издержках только в части, предназначенной на его капи-
тальный ремонт, т. е. без учета средств на реновацию; в издержках
учитываются также амортизационные отчисления по соответствую-
щим капитальным вложениям потребителя); К1; К2 — соответству-
ющие капитальные вложения потребителя (без стоимости оборудо-
вания) при использовании базового и нового оборудования в расче-
те на годовой объем продукции, производимой с помощью нового
оборудования, р.
Сопутствующие капитальные вложения К' представляют собой
«умму единовременных затрат потребителя новой техники .на основ-
229
ные и оборотные фонды (без стоимости новой техники):
К' = Км 4- Кзд 4" Кел + Кнз 4" Кпр 4" Лп.у 4" Ктех 4* Кж, (5.4)
где Км — затраты по установке и доставке оборудования; 'Кзд —
стоимость помещения, занимаемого оборудованием; Ксл — стои-
мость служебно-бытовых помещений; Кнз — оборотные средства в
незавершенном производстве; Кпр — стоимость специальных при-
способлений; Кп.у — стоимость программ управления; Ктех — за-
траты на проектные работы по привязке промышленного робота и
роботизированного технологического комплекса к условиям заказ-
чика; Кж — стоимость жилищного и культурно-бытового строитель-
ства.
Расчет сопутствующих капитальных вложений ведут на единицу
нового оборудования и эквивалентное количество оборудования
базового варианта.
Годовые эксплуатационные издержки потребители И определя-
ют суммированием изменяющихся прямых затрат и расходов на со-
держание и эксплуатацию оборудования:"
И = Ииз -f- Ип.у 4* Ипр 4- Иу.с.п 4- Им 4* Ипл 4* Исл 4- Ир 4-
4-Иу 4-Иэ 4-Ив, (5.5)
где Ииз — годовая зарплата условно высвобождаемых рабочих (со
всеми начислениями); Ип.у — годовые затраты на подготовку и
возобновление программ управления; Ипр — годовые затраты на
амортизацию и ремонт специальных приспособлений; Иу.с п — го-
довые затраты на прокат универсально-сборочных приспособлений;
Им — годовые амортизационные отчисления на полное восстанов-
ление по сопутствующим капитальным вложениям (затраты по до-
ставке и установке оборудования); Ипл — годовые затраты на амор-
тизацию и содержание помещения, занимаемого оборудованием;
Исл — годовые затраты на амортизацию и содержание служебно-
бытовых помещений; Ир — годовые затраты на ремонт (включая ка-
питальный) и техническое обслуживание оборудования (кроме
устройств ЧПУ); Иу — годовые затраты на техническое обслужива-
ние и «ремонт ЧПУ; Иэ — годовые затраты на силовую электроэнер-
гию; ИЕ — годовые затраты на сжатый воздух. Для отдельных типов
промышленных роботов некоторые статьи могут быть исключены
или добавлены в зависимости от конкретных производств.
Основная статья экономии эксплуатационных издержек при ис-
пользовании промышленных роботов, роботизированных комплек-
сов и линий — заработная плата условно высвобождаемых рабочих,
которую можно определить умножением среднегодовой заработной
платы одного рабочего на количество высвобождаемых рабочих.
В расчетах экономической эффективности следует учитывать реаль-
ную заработную плату по профессиям и разрядам с учетом коэффи-
циентов выполнения норм, премий, дополнительной заработной
платы и отчислений на соцстрах. На стадии создания промышлен-
ного робота заработную плату рабочих целесообразно рассчитывать
230
на основании нормативов. При отсутствии таких нормативов, а так-
же на этапе внедрения заработную плату принимают по данным
конкретных предприятий. К расчетному фонду основной и дополни-
тельной заработной платы (без отчислений на соцстрах) по сравни-
ваемым вариантам на всех этапах расчета вводят коэффициент k =
— 1,49, учитывающий общественные фонды потребления.
Определение экономической эффективности внедрения робо-
тизированных комплексов. Основной экономический эффект может
быть получен при внедрении промышленных роботов и роботизиро-
ванных комплексов на конкретных заводах и предприятиях-потре-
бителях. Экономическую эффективность внедрения рассчитывают
для следующих этапов:
1) определение целесообразности внедрения;
2) определение фактического экономического эффекта от внед-
рения.
В случае, когда внедрение происходит в порядке модернизации
существующего технологического процесса и сопровождается заме-
ной устаревшего оборудования, экономическую эффективность оце-
нивают сравнением показателей по трем вариантам производства:
роботизированный комплекс; технологическое оборудование, вхо-
дящее в состав комплекса с ручным обслуживанием; заменяемое
оборудование. Решение о целесообразности внедрения той или иной
новой техники принимают по минимуму приведенных затрат в
сравниваемых вариантах. Фактическую экономию определяют
сравнением с заменяемой техникой.
На этапе внедрения расчеты экономического эффекта выполняет
завод, приобретающий промышленные роботы, или по его поруче-
нию организация-разработчик и утверждает главный инженер это-
го завода.
На всех этапах внедрения годовой экономический эффект опре-
деляют по формуле
Э2 = (3, - 32) = (Сх + £НКХ) - (С2 + £нК2), (5.6)
где Э2 — экономический эффект от использования промышленных
роботов и роботизированных комплексов за один год эксплуатации;
— приведенные затраты потребителя по базовому варианту, рас-
считанные на годовой выпуск продукции, которая производится при
использовании роботизированного комплекса; 32 — приведенные
затраты потребителя при использовании роботизированного комп-
лекса; Сг — себестоимость по базовому варианту, рассчитанная на
годовой выпуск продукции, которая производится при использова-
нии роботизированного комплекса; С2 — себестоимость годового
выпуска продукции, производимой на роботизированном комплек-
се; Ki — капитальные вложения потребителя по базовому вариан-
ту, рассчитанные на годовой выпуск продукции, которая произво-
дится при использовании роботизированных комплексов; К2 —
капитальные взожения потребителя при использовании роботизиро-
ванного комплекса; Еи — нормативный ^коэффициент эффективно-
сти, равный 0,15.
231
Эффективность внедрения будет иметь место в случае положи-
тельной разности приведенных затрат Зх — 32. При этом срок оку-
паемости должен быть менее 6.,.7 лет.
Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений
определяют по формуле
«. - <б-7>
Капитальные вложения потребителя определяют так:
К = Кб + Кзд 4* Кол 4* Кнз 4~ КПр 4* Кп.у 4* КТех 4* Кж, (5.8)
где Кб — балансовая стоимость оборудования.
Если в качестве базового принимают современное оборудование,
то балансовую стоимость рассчитывают по формуле
Кб =
где Ци — оптовая цена конкретной модели базового оборудова-
ния; а — коэффициент, учитывающий затраты на доставку и уста-
новку оборудования, включая пусконаладочные работы; Рпг — при-
нятое количество оборудования.
Если в качестве базового принимают оборудование действующего
предприятия, то при расчете Кб не учитывают, а под ним понимают
балансовую стоимость конкретной модели базового оборудования
по данным заказчика.
Балансовую стоимость роботизированного комплекса Кб2 опре-
деляют либо умножением его стоимости Ц2 на коэффициент а, либо
по фактическим данным предприятия (если комплекс введен в экс-
плуатацию).
Себестоимость годового выпуска продукции определяют по фор-
муле
С = Из 4- Ип.у 4" Ипр 4- Иу.с.п 4- Иб 4- Ипл 4- Исл 4-ИР4-
+ Иу 4- Иэ + Ив, (5.9)
где Иб — годовые амортизационные отчисления на полное восста-
новление оборудования,
Иб = К6Р. (5.10)
Здесь Р — амортизационные отчисления на полное восстановление
оборудования в долях единицы.
В настоящей методике, как и в методике для станков с числовым
программным управлением, годовые амортизационные отчисления
от стоимости оборудования учитывают следующим образом:
— на полное восстановление оборудования — в процентах к
балансовой стоимости по формуле (5.10);
— на капитальный ремонт — в зависимости от ремонтной слож-
ности оборудования и разработанных нормативов годовых затрат
на единицу ремонтной сложности по всем видам ремонта, включая
капитальный.
Определяя целесообразность приобретения промышленных ро-
ботов и роботизированных комплексов, используют расчетные пока-
232
затели (годовую программу выпуска деталей, количество наимено-
ваний обрабатываемых деталей и т. д.) и нормативные данные. Стои-
мость проектных работ по привязке промышленных роботов к кон-
кретным условиям заказчика принимают по смете к договору либо-
по данным заказчика.
Чтобы рассчитать фактическую экономическую эффективность
внедрения промышленных роботов и роботизированных комплек-
сов, нужно иметь данные, характеризующие фактическую номен-
клатуру деталей, обрабатываемых на этом оборудовании, факти-
ческую годовую программу выпуска каждой детали. Фактические
данные по эксплуатации роботизированного комплекса в сравнении
с базовым вариантом должны быть утверждены заводом-заказчи-
ком.
Стоимость роботизированного комплекса принимают по балан-
совой стоимости по данным бухгалтерии завода с учетом фактиче-
ских затрат на проектные работы.
Чтобы рассчитать экономическую эффективность промышленных
роботов, можно пользоваться «Инструкцией по оценке экономиче-
ской эффективности создания и использования автоматических
манипуляторов с программным управлением (промышленных робо-
тов)» (М. : НИИМаш Минстанкопрома, 1983.— 84 с.).
Полезные материалы приведены в «Межотраслевой методике
определения экономической эффективности новых направлений тех-
нического прогресса на примере внедрения гибких производствен-
ных систем», подготовленной межотраслевым советом по роботам
в области экономики и выпущенной в серии «Межотраслевая эконо-
мика и совершенствование хозяйственного механизма» (Вып. 1., М.,
1986).
'
5.10. Надежность промышленных роботов и РТК
Общие положения. Надежность промышленных роботов — это
свойство сохранять во времени в установленных пределах значения
всех параметров, характеризующих способность выполнять двига-
тельные и управляющие функции с заданной точностью позициони-
рования.
Известно, что надежность — сложное свойство, характеризую-
щееся четырьмя составляющими: безотказностью, ремонтопригод-
ностью, сохраняемостью и долговечностью. Каждой составляющей
надежности соответствует некоторая пара взаимно исключающих
состояний. Для безотказности и ремонтопригодности такими состоя-
ниями являются работоспособное и неработоспособное состояния,
для долговечности — допредельное и предельное состояния, для
сохраняемости — состояния сохранности и несохранности. Кон-
кретное состояние робота определяется с помощью набора парамет-
ров, причем для каждой составляющей надежности это должен быть
(в общем случае) свой набор параметров.
Перейдем к более подробному рассмотрению каждой составляю-
щей надежности. Начнем с самой важной — безотказности.
233
Известно, что безотказность есть свойство объекта непрерывно
сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени
или некоторой наработки.
Промышленные роботы, как правило, функционируют в цикли-
ческом режиме. Время одного цикла может быть представлено в
виде двух интервалов: интервала ожидания tox и интервала непо-
средственного выполнения своих функций /ф.
Выше было отмечено, что безотказность связана с двумя состоя-
ниями: работоспособным и неработоспособным. Событие, заключаю-
щееся в переходе от работоспособного состояния к неработоспособ-
ному, называется отказом.
Отказы робота могут быть классифицированы по различным
признакам. Качественно отказы делятся на два вида: отказы вида
«прекращение функционирования» и отказы вида «неправильное
функционирование». По способу проявления отказы делятся на яв-
ные и скрытые. Отказы вида «прекращение функционирования»
считаются явными, если они произошли на интервале ^ф, и скрыты-
ми, если они произошли на интервале /Ож- Отказы вида «неправиль-
ное функционирование» являются скрытыми только в том случае,
если их проявление заключается в увеличении погрешности пози-
ционирования. В остальных случаях эти отказы явные.
По скорости проявления отказы делятся на внезапные и посте-
пенные. Внезапные отказы заключаются в мгновенном переходе от
работоспособного состояния к неработоспособному (например, по-
ломка некоторого звена кинематической передачи манипулятора).
При постепенном отказе процесс изменения состояния робота рас-
тянут во времени (например, постепенный износ зубьев зубчатых
передач и, как следствие, появление ошибок позиционирования ро-
бота).
Из всего изложенного выше следует:
1) описание безотказности должно проводиться для каждого
вида отказов отдельно;
2) возможность скрытых отказов побуждает ввести в техническое
обслуживание такие процедуры, которые способствовали бы выяв-
лению этих отказов и дальнейшему их устранению;
3) возможность постепенных отказов диктует необходимость пе-
риодической подрегулировки и восстановления тех узлов и меха-
низмов, для которых свойственны эти отказы.
Теперь перейдем к номенклатуре показателей безотказности для
промышленных роботов.
Наиболее универсальным показателем безотказности является
вероятность выполнения заданной процедуры L (w). Считается, что
процедура может быть выполнена, если промышленный робот был
работоспособен в момент поступления запроса на его действия и
оставался работоспособным во время выполнения требуемых опера-
ций *.
* Возможна, конечно, и такая ситуация, когда в момент поступления запро-
са робот находился в неработоспособном состоянии, но за короткое время отказ
234
В зависимости от условий и продолжительности времени ожида-
ния и времени выполнения функций этот показатель может транс-
формироваться в следующие показатели: вероятность безотказной
работы за время — если вероятность отказа за время ожидания
запроса tox практически равна нулю; коэффициент готовности kr —
если продолжительность t$ настолько мала, что если запрос застал
робота в работоспособном состоянии, то вероятность отказа во вре-
мя запроса практически равна нулю.
Теперь перейдем к рассмотрению следующей составляющей на-
дежности — ремонтопригодности.
Ремонтопригодность определяется как свойство объекта, заклю-
чающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению
причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и
восстановлению работоспособного состояния путем проведения тех-
нического обслуживания и ремонтов.
Ремонт — это комплекс операций по восстановлению исправ-
ности или работоспособности робота. Время восстановления опре-
деляется как сумма трех слагаемых:
Т и = Т об + Т рем + Тпров, (5.11)
где Тоб — время обнаружения отказа; Т^ем — время непосредст-
венного проведения восстановительных работ; Тпров — время про-
верки восстановленного робота.
Следует отметить, что если Трем и ТпрОв определяются в основ-
ном конструкцией робота, т. е. закладываются при проектировании,
то Тоб определяется главным образом режимом функционирования
робота. Эта составляющая ремонтопригодности может корректиро-
ваться выбором режима и параметров технического обслуживания.
Для описания ремонтопригодности используют следующие по-
казатели: среднее время восстановления Тв\ вероятность восстанов-
ления за заданное время т — в тех случаях, когда перерыв в функ-
ционировании робота не должен превышать время т — Рв (т).
Техническое обслуживание (ТО) — это комплекс операций по под-
держанию работоспособности или исправности робота.
Основными характеристиками ТО являются его периодичность
Тп и длительность ТЛ.
Для совместного описания показателей безотказности и ремон-
топригодности могут быть использоваты такие показатели, как ко-
эффициент готовности
kp = -=Т°=- ,
Р Jo + Л,
где То — наработка на отказ; Тв — среднее время восстановления
и коэффициент технического использования
k
Т'И Го + ТТ + Тд ’
был устранен, и робот сумел выполнить заданную процедуру. Также возможна
ситуация, когда отказ наступает в период функционирования, ио оперативно
устраняется, и робот выполняет свою задачу,
?35
где Тд — средняя продолжительность всех сеансов технического
обслуживания за время То.
Сохраняемость робота определяет его способность к хранению
и транспортированию. Роботы, как правило, транспортируются в
упакованном состоянии, на месте производится монтаж и включе-
ние в работу. Поэтому эта составляющая надежности существенного
значения для роботов не имеет.
Долговечность роботов в основном ограничивается моральным из-
носом и должна быть не менее 6 лет.
Итак, основными составляющими надежности роботов являют-
ся безотказность и ремонтопригодность, и поэтому в дальнейшем
речь будет идти в основном об этих составляющих.
С надежностью непосредственно связана еще одна важная со-
ставляющая качества роботов — безопасность. С одной стороны,
применение промышленных роботов освобождает человека от учас-
тия в сложных технологических операциях, протекающих в агрес-
сивных или вредных средах либо выполняющихся в темпе, недоступ-
ном для человека. С другой стороны, в процессе эксплуатации про-
мышленных роботов иногда могут возникнуть ситуации, представ-
ляющие опасность как для человека, так и для расположенного
поблизости оборудования. К основным причинам таких ситуаций по-
вышенной опасности относятся:
1) неправильные (непредусмотренные) движения манипулятора;
2) отказ технологического оборудования;
3) ошибочные действия оператора во время наладки и ремонта;
4) появление человека в рабочей зоне манипулятора при его
работе в автоматическом режиме;
5) превышение номинальной грузоподъемности робота;
6) неудобное или недостаточно свободное размещение техноло-
гического оборудования, пультов управления, накопителей и транс-
портных средств;
7) отсутствие специального ограждения манипулятора и разме-
щение пультов управления внутри его рабочего пространства;
8) отключение (в случае аварийной остановки манипулятора)
устройств, перерыв в работе которых может вызвать травмы у об-
служивающего персонала;
9) отсутствие своевременной и четкой информации об аварийных
ситуациях и причинах возникновения неполадок.
Все эти причины могут быть сгруппированы следующим обра-
зом: I группа — ошибки обслуживающего и оперативного персона-
ла (3, 4, 5); II группа — конструктивные недоработки (5, 6, 7, 9),
III группа — отказы промышленного робота (1, 2, 8).
Среди всех перечисленных выше причин наиболее важны при-
чины, относящиеся к III группе, так как они инициируются самим
роботом. Если не предприняты соответствующие меры безопасности,
то развитие ситуации повышенной опасности может привести к зна-
чительному материальному ущербу или к травмированию обслу-
живающего персонала. Назовем такой отказ опасным. (Сказанное
236
выше относится в первую очередь к промышленным роботам сред-
ней и большой грузоподъемности.)
Меры безопасности по отношению к опасным отказам должны
закладываться на этапе проектирования промышленных роботов.
Алгоритм обеспечения безопасности может быть представлен сле-
дующим образом:
— составляется перечень ситуаций повышенной опасности, ко-
торые могут возникнуть из-за отказов в промышленном роботе или
роботизированном технологическом комплексе;
— определяется перечень оборудования, отказы которого мо-
гут привести к такой ситуации, и создается модель «угрозы опас-
ности»;
— конкретизируются виды отказов по названному выше обору-
дованию и в соответствии с моделью «угрозы опасности» определяет-
ся вероятность возникновения опасного отказа за некоторое рас-
четное время (например, за год, квартал и т. д.). Если полученное
расчетное значение не удовлетворяет нормативам по безопасности,
то принимаются меры по повышению надежности вышеназванного
оборудования либо по защите персонала и оборудования от ава-
рии.
Для описания надежности роботов по опасным отказам исполь-
зуют показатели, характеризующие:
— опасность возникновения ситуации в течение некоторого за-
данного интервала времени нормального функционирования ро-
бота;
— опасность возникновения ситуации в результате воздействия
на робот внешнего экстремального фактора.
К этим показателям относятся:
— средняя наработка робота до возникновения /-й ситуации по-
вышенной опасности при нормальных условиях функционирования
робота Топ/’,
— вероятность возникновения /-й ситуации повышенной опас-
ности в течение заданного времени т при нормальных условиях
функционирования Q, (т);
— вероятность возникновения /-й ситуации повышенной опас-
ности в результате воздействия s-ro экстремального фактора Ф8 —
- Q/ (<DS)-
В заключение отметим, что от надежности роботов в значитель-
ной степени зависит эффективность их эксплуатации. С другой сто-
роны, обеспечение надежности также всегда связано с определенны-
ми затратами. Поэтому, чтобы иметь возможность сопоставлять эти
два показателя, предлагается воспользоваться следующими коэффи-
циентами: коэффициентом снижения производительности из-за не-
надежности робота
где JV0, Np — производительность абсолютно надежного и реаль-
ного роботов соответственно.
237
• Коэффициент снижения экономичности из-за ненадежности ро-
бота
и — ^р" с»
w9 - р 1
'“‘О
где Со, Ср — стоимость обработки i-й детали с помощью абсолютно
надежного и реального роботов соответственно.
Оценка надежности промышленных роботов. Промышленный
робот представляет собой совокупность исполнительного механизма
(механическая часть) и устройства управления. Рассмотрим каждую
из этих составных частей с позиций надежности.
Механическая часть. По функциональному признаку механи-
ческую часть делят на несущую и исполнительную.
Три основных компонента несущей части — кисть, рука и стой-
ка — в общем случае соединены под разными углами. Соединение
их происходит за счет шарниров или направляющих, контактная
жесткость которых меньше, чем жесткость других стыков. Из-за
этого в узлах соединения возникают люфты, которые влияют на
точность позиционирования манипулятора.
В исполнительной части снижение точности и увеличение време-
ни позиционирования происходят из-за деформации механической
системы под воздействием инерционной нагрузки. Деформация под
действием инерционной нагрузки приводит к возникновению зату-
хающих механических колебаний, ухудшающих качество позицио-
нирования.
Таким образом, основными видами отказов механической части
робота являются постепенные отказы, ухудшающие характеристики
позиционирования робота.
При испытаниях робота «Универсал-50М» были выявлены сле-
дующие причины появления постепенных отказов:
— низкое качество изготовления отдельных элементов — раз-
рушение зубчатого колеса привода поворота, утечка масла из соеди-
нений, люфт в механизме качания руки, низкая точность изготов-
ления шариковой муфты передачи крутящего момента;
— низкое качество комплектующих изделий — утечка азота
из гидроаккумуляторов, самопроизвольное движение золотников
гидроусилителей;
— недостатки конструкции — отвинчивание стопорных гаек на
штоке привода ЗУ, большое время прогрева масла.
Внезапные отказы, появляющиеся в механической части робо-
та, в основном могут быть отнесены к категории отказов-сбоев, или
самоустраняющихся отказов. К ним относятся: нестабильная ра-
бота клапанов, самопроизвольная остановка в точках позициони-
рования и т. д.
Показателем безотказной работы по постепенным отказам для
механической части робота следует выбрать Р (т) — вероятность
безотказной работы за некоторое фиксированное время т. В качест-
ве т могут быть использованы: продолжительность смены; продол-
жительность обработки одной партии деталей; время между двумя
сеансами технического обслуживания и т. п.
238
Поскольку на точность позиционирования, как было показано
выше, влияет большое количество факторов, причем изменения
точности, вызываемые этими факторами, могут не только суммиро-
ваться, но и взаимно компенсировать друг друга, аналитическая
оценка надежности по постепенным отказам практически нереальна
и поэтому наиболее доступный способ оценки надежности — прове-
дение специальных испытаний.
Наиболее эффективный способ повышения надежности в отноше-
нии постепенных отказов — проведение технического обслужива-
ния. Техническое обслуживание механической части заключается
в настройке и регулировке, устранении люфтов, замене изношенных
деталей и т. д. Периодичность ТО, конкретная программа работ,
выполняемых во время ТО, и его длительность для каждого вида
робота определяется экспериментальным путем на этапе опытно-
промышленной эксплуатации с учетом информации об изделиях-ана-
логах.
Теперь перейдем к устройствам управления.
Устройства управления (УУ) промышленного робота предназ-
начены для формирования и выдачи управляющих воздействий ис-
полнительному устройству в соответствии с управляющей програм-
мой.
Можно выделить два самостоятельных режима функционирова-
ния УУ — режим программирования и режим передачи управляю-
щей программы на исполнение.
В режиме программирования выполняются ввод и отладка уп-
равляющей программы. Управляющая программа может быть со-
ставлена на основании расчета либо с помощью человека-оператора,
осуществляющего обучение робота, при котором программа вводит-
ся в устройство управления.
В режиме передачи управляющей программы осуществляется
управление исполнительным устройством в соответствии с заданной
программой.
Режим программирования, как правило, заканчивается про-
веркой записанной программы путем изготовления опытного образ-
ца или выполнения проверочной операции, по которой судят о ка-
честве записанной программы, поэтому можно считать, что как в
режиме программирования, так и в режиме передачи управляющей
программы задействовано все устройство управления.
Отказом устройства управления считается невыработка управ-
ляющего воздействия либо выработка ложного управляющего воз-
действия, т. е. в УУ существует два вида отказов: отказы типа «не-
срабатывание» и отказы типа «ложное срабатывание».
Для отказа типа «несрабатывание» конкретный выбор номенкла-
туры показателей надежности зависит от режима функционирова-
ния промышленного робота. Так, если на робот возлагается задача
выполнить некоторую операцию (осуществить перемещение детали,
произвести сварку в нескольких точках и т. д.), то устройство уп-
равления должно обеспечить выработку соответствующего управ-
ляющего воздействия, и поэтому безотказность данного устройства
239
описывают показателем L (w) — вероятностью выполнения требуе-
мой процедуры при поступлении запроса, где под запросом пони-
мают сигнал, поступивший в УУ либо от датчиков, либо от опера-
тора. Этот показатель следует понимать как вероятность того, что
устройство управления будет работоспособным в момент поступле-
ния запроса на выполнение работы и сохранит работоспособность ’
на протяжении всего времени отработки управляющего воздействия.
В зависимости от условий функционирования этот показатель
может принимать вид Р (/) или ko.r. Если запросы поступают прак-
тически непрерывно и устройство управления должно быть работо-
способным в течение вполне определенного времени (например, на
протяжении смены или времени между сеансами технического об-
служивания основного технологического оборудования и т. п.), то
безотказность такого устройства следует описывать показателем
Р (t). Если время ожидания запроса значительно превышает время
его выполнения, то в качестве показателя, совместно характеризу-
ющего безотказность и ремонтопригодность УУ, может быть выбран
коэффициент оперативной готовности k0,r или коэффициент готов-
ности kr.
Безотказность по отказам типа «ложное срабатывание» может
описываться таким показателем, как средняя наработка на «ложные
срабатывания» Тл.с, а ремонтопригодность УУ — показателем
Рр (/) — вероятностью восстановления за время t, где t — время
перерыва между сменами, циклом работы и т. д.
Если время восстановления не ограничено каким-то интерва-
лом, связанным с режимом работы технологического оборудования |
и т. п., то возможно использование показателя Тъ — среднего вре-
мени восстановления УУ. >
Для оценки показателей безотказности УУ используют все три *
группы методов: аналитические, статистического моделирования и >
экспериментальные (методы испытаний на надежность). В настоя-
щем разделе остановимся на первых двух группах методов.
Исходными данными при использовании как аналитических ме-
тодов, так и методов статистического моделирования служат данные
о структуре УУ, надежности отдельных элементов структуры и
условиях функционирования, если они отличаются от записанных
в паспорте на элемент (например, УУ работает при повышенной тем-
пературе).
В основе двух названных разновидностей методов оценки надеж-
ности лежит понятие надежностно-функциональной схемы (НФС),
представляющей собой ориентированный однонаправленный граф. i
Узлы графа — это элементы рассматриваемой системы (прямоуголь- (
ники) и выполняемые системой функции (окружности). Ребра графа
отображают взаимодействия элементов при выполнении заданной
функции. В графах выделяются узлы высшего и низшего рангов:
узел имеет высший (низший) ранг, если все связанные с ним ребра
графа направлены только к нему (от него).
Путем в графе называется произвольная траектория движения от
240
«2 из 3»
одного узла к другому вдоль ориентированных ребер. Узел графа
проходим для путей, если соответствующий элемент УУ находится
в состоянии работоспособности. Если элемент находится в нерабо-
тоспособном состоянии, то соответствующий узел закрыт для путей
в графе. Данный узел имеет путь наверх, если существует хотя бы
один путь, соединяющий его с одним из узлов высшего ранга. Так,
функция, изображенная на рис. 5.24, будет выполняться, если в
работоспособном состоянии будут элементы 3...7 и один из двух
элементов 1 или 2.
С помощью НФС можно отобразить и более сложные структуры,
например соединение «2 из 3» (рис. 5.25).
Структура неработоспособна по отказам типа «несрабатывание»
только в случае отказа всех трех элементов. В то же время струк-
тура устойчива к отказам типа «ложное срабатывание» — сигнал
пройдет на выход только в том случае, если он появится не менее,
чем в двух каналах.
Для НФС такой структуры вводятся так называемые «равноко-
довые» элементы. Структура «2 из 3» с помощью равнокодовых эле-
ментов представлена на рис. 5.26. 1 и Г — равнокодовые элементы.
Физически это один и тот же элемент, поэтому отказы 1 и Г насту-
пают одновременно (аналогично 2 и 2', 3 и 3').
Оценка надежности УУ аналитическими методами может быть
получена в том случае, если известно математическое выражение
(или система математических выражений), связывающее значение
искомого показателя надежности всего устройства с известными
значениями показателей надежности его элементов.
Проиллюстрируем это на простейшем примере.
Пример. Определить значения показателей надежности для типового уст-
ройства управления.
Оцениваемые показатели надежности: вероятность безотказной работы по от-
казам типа «несрабатывание» в режиме «управление» за время t = 8 ч (продолжи-
тельность одной смены) Pj (/); вероятность безотказной работы по отказам типа
«несрабатывание» в режиме «программирование» за время t = 1 ч (продолжитель-
16 0-1922 24[
Таблица 5,2. Данные по ность записи программы) Р2 (0; средняя нар а-
безотказности элементов ботка на «ложное срабатывание» Тл 0 (табл. 5.2),
Номер эле- мента ^неср» 4 ^Л.С* 4 - Полагаем, что для всех элементов закон рас*- пределения времени безотказной работы — экспо- ненциальный. В этом случае вероятность безот*
1 2 3 4 5 6 7 2200 2000 10 000 5000 1000 2000 30 000 ‘ 1000 ' 5000 4000 • 2000 ляется по формуле t_ ' ? Pf(0=e т . ". . Введем обозначения: 1 при t = 8 Pt (f) = Pj; Л- (5.12)
при/=1 ^(0 = 4
Тогда = ‘U-
Рх (О = [1 -*(1-Р[)(1-Р’)]Р^Р^;
ф: Л- ‘ /\(0 =
' 8 8 8 8 8 8 8
I, , '• —’2200’ ‘ -"2000 — 10 000 5000 1000 2000 3000
ая Д — (I — е )(l —е )J е е е е е j
- ' v - ' /\ (/) = 0,985; '•*- • ;
w ..л '•♦ft; Р2 (/) = Р\Р1р\\ vVtll -г
- ' 1 11111 . ,
„ 2200 10 000 5000 1000 2000 3000 7 '„.i ;
, ;' pt (/) = е е е е е < е ; Л»»
, Р2 (/)= 0,998;
Т =—-------------------!------------;
л’с _2_ + _2_ + _L_ + _^
<Т» I гр | Гр j fp s »,
* л.с2 1 л.с4 1 л.сб 1 л.сб .
•м: т ' 1 ' '
?. 1 1 1 1 W, , -
Л< "J 1000 + 5000 + 4000 + 2000 «у.
”......... P.c = 5l34- ' '
В данном примере не учтено большое количество факторов, о
которыми приходится сталкиваться в реальных системах (проведе-
ние технического обслуживания, наличие скрытых отказов и т. д.).
В случае более сложной модели исследуемого процесса функциони-
рования устройства управления пользуются методом статистиче-
ского моделирования на ЭВМ.
В основе метода статистического моделирования лежит модели-
рование на ЭВМ различных случайных величин, характеризующих
исследуемый процесс. В результате моделирования на основании
полученного статистического материала дается количественное опи-
сание исследуемых случайных величин.
242
Количественная оценка надежности может быть использована
для решения следующих задач:
1) выбор наилучшего (с позиций надежности) конструктивного
варианта промышленного робота;
2) определение эффективности использования промышленного
робота;
3) необходимость мероприятий по повышению надежности ро-
бота.
На последней задаче остановимся более подробно.
Методы повышения надежности промышленных роботов. Из-
вестны следующие основные методы повышения надежности:
1) использование более надежных комплектующих;
2) улучшение условий функционирования промышленных ро-
ботов; •
3) введение различных видов резервирования;: . ь
4) использование технической диагностики; ' ЧЩ"н .
5) проведение технического обслуживания.
- Достоинства первых двух методов очевидны и, как правило, на
этапе проектирования они используются в максимально возможной
степени. В качестве примера можно упомянуть следующий факт.
Наибольшая часть отказов промышленных роботов приходится на
места сопряжения манипулятора с электронной системой управле-
ния и датчиками. Для повышения надежности вместо электронных
линий связи используют оптические и волоконно-оптические.
Остановимся более подробно на третьем, четвертом и пятом ме-
тодах.
Резервирование. Возможны следующие виды резервирования:
временное, структурное, информационное.
Временное резервирование заключается в наличии некоторого
временного запаса, в течение которого может осуществляться ре-
монт отказавшего оборудования.
Информационное резервирование предполагает использование
резерва информации (например, неоднократную передачу управляю-
щего воздействия).
Структурное резервирование заключается в применении резерв-
ных элементов структуры объекта.
Резерв может быть нагруженным и ненагруженным. Нагруженный
резерв — это резерв, который содержит один или несколько резерв-
ных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Ненагру-
женный резерв — это резерв, который содержит один или несколько
элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала
выполнения ими функций основного элемента.
Использование технической диагностики. Техническая диагнос-
тика является мощным средством повышения эффективности про-
мышленных роботов. Анализ исследований электромеханических
и механических систем показывает, что приблизительно 90 % отка-
зов возникает вследствие скрытых внутренних дефектов и лишь
10 % — из-за неправильной эксплуатации. К дефектам, вызываю-
щим отказы, относятся технологические погрешности изготовления
16*
243
и сборки, дефекты, появляющиеся в процессе эксплуатации, в ре-
зультате старения и износа, воздействия вибраций, температуры
и т. д.
Диагностика технического состояния промышленного робота
должна проводиться как в процессе производства, так и в процессе
эксплуатации. На этапе сборки могут быть допущены следующие
технологические погрешности: отклонение формы; локальные де-
фекты; зазоры; разноразмерности.
Поэтому в процессе сборки должны контролироваться: дисба-
ланс; отклонения размещения элементов; перекосы; несоосности;
биения.
В процессе эксплуатации проводится контроль следующих па-
раметров; энергетических потерь; характеристик упругости; соб-
ственных вибраций.
Эффективный способ диагностирования — анализ тенденции из-
менения контролируемого параметра. Этот параметр может быть
выбран: в механической части; в электромагнитной системе; в
смазке.
Для диагностирования может использоваться так к анализ со-
става рабочей жидкости в гидросистеме.
Нормальное отклонение перечисленных параметров составляет
1...3 % за 3...7 тыс. ч. В случае аварийной ситуации такое отклоне-
ние наблюдается через несколько десятков часов. Поэтому быстро-
течное нарастание дефекта служит признаком аварийной ситуации.
Для механической части дефекты узлов могут быть выявлены
с помощью эталонных осциллограмм крутящих моментов.
Режущий инструмент контролируется виброакустическим мето-
дом с синхронизацией измерений по частоте вращения заготовки
или инструмента.
Задача распознавания технического состояния робота может
решаться как с прекращением функционирования, так и без прекра-
щения функционирования. Второе направление — особенно важ-
ное. В литературе описан один из подходоз к диагностированию ме-
ханизмов, основанный на использовании объективных оценок их
состояния, которые рассчитываются по значениям основных кине-
матических и динамических параметров, определяемых в ходе экс-
периментальных исследований.
В основу метода положено утверждение о том, что каждое техни-
ческое состояние промышленного робота характеризуется своим
эталоном хЭ1 (0 выбранного диагностического параметра и допуском
на отклонение от него. В качестве диагностического параметра мо-
гут быть использованы скорость, ускорение, усилие, давление и т. д.
Задача определения технического состояния сводится в этом случав
к задаче экспериментального определения текущей реализации ди-
агностического параметра х (t) и отнесения его к одному из состоя-
ний диагностируемого объекта.
Изменение состояния механических и электромеханических уст-
ройств можно контролировать по изменению частот их собственных
колебаний.
244
Из всего изложенного выше следует, что процедура диагности-
рования робота — это трудоемкий процесс, усложняющийся тем,
что неисправность любого узла непосредственно сказывается на ра-
боте связанных с ним элементов и, как правило, приводит к много-
уровневому наложению последствий одного отказа. Поэтому для
упрощения процедуры обслуживания и ремонта роботов в Японии
была разработана автоматизированная диагностическая система.
Перечислим ее основные достоинства.
1. Структурированное представление априорной информации
о неисправностях и связанных с ними симптомах в виде правил
вывода; использование методов искусственного интеллекта для по-
иска неисправностей.
2. Организация взаимодействия с оператором в интерактивном
режиме. Система диагностики проверяет предположения оператора
об источнике неисправности, формирует запрос на дополнительное
выполнение тестовой процедуры или управляет ходом выполнения
этой процедуры, а также выдает собственные предположения и за-
ключения о виде неисправности.
3. В отличие от большинства подобных систем рассматриваемая
диагностическая система может использоваться непосредственно в
режиме «оп — line», что дает возможность проводить дополнитель-
ное тестирование реального робота в процессе диагностики.
Реализованная диагностическая система представляет собой ап-
паратно-программный комплекс, состоящий из трех основных час-
тей: собственно системы диагностики, сервоконтроллера и проверя-
емого робота с интерфейсными схемами. Экспертная диагностиче-
ская система ориентирована на работу с современными промышлен-
ными роботами, управляемыми от микроЭВМ. Процесс диагностики
управляется оператором в режиме диалога. Структура данных ди-
агностической системы используется при анализе состояний «откло-
нение от заданной траектории» и «неподвижность руки робота».
Техническая диагностика, определяя реальное состояние про-
мышленного робота, позволяет рационально выбрать режим, пара-
метры, а также перечень работ по восстановлению утраченных на-
дежностных свойств робота. Среди этих работ важнейшей является
техническое обслуживание.
Техническое обслуживание (ТО) заключается в проведении работ
по восстановлению на еще не отказавшем объекте и делится на пла-
новое и неплановое.
Плановое ТО заключается в проведении мероприятий по регули-
ровке, корректировке систем позиционирования, смазке трущихся
поверхностей, замене жидкости в гидроприводах и т. д. Для плано-
вого ТО заранее известен перечень работ, их периодичность и дли-
тельность.
Внеплановое ТО проводится по результатам диагностирования.
Его характерной особенностью является то, что как периодичность,
так и конкретный перечень работ, как правило, заранее неизвест-
ны. Тем не менее, для внепланового ТО также должно быть спрог-
нозировано соответствующее материальное обеспечение (объем ЗИП,
245
состав обслуживающего персонала, перечень необходимого обору-
дования для проведения ТО).
Отметим, что наибольший эффект в повышении надежности ро-
ботов может быть получен в том случае, если все перечисленные
выше способы используются совместно, т. е. речь идет о создании
рациональной системы технической эксплуатации робота, в которую
составными частями входят следующие подсистемы: эксплуатацион-
ный персонал; техническое диагностирование; система ремонта и
технического обслуживания робота; ЗИП (состав, размещение, по-
рядок пополнения).
Надежность роботизированных технологических комплексов
в целом должна описываться по основной их функции, заключаю-
щейся в выполнении требуемой технологической операции. Для каж-
дого вида оборудования РТК должно быть сформулировано свое
понятие функции и по отношению к этой функции должны быть пока-
затели надежности.
Основной показатель надежности РТК — вероятность успеш-
ного выполнения требуемого цикла работ L (w). Разновидности
этого показателя: Р (t) — вероятность успешного функционирова-
ния РТК в течение некоторого временного интервала, например,
смены — если РТК на протяжении смены работает практически не-
прерывно; коэффициент оперативной готовности k0.T = kT Р (AZ) —
если время ожидания запроса на выполнение некоторой операции
превышает А/ (время непосредственного выполнения этой операции).
Эти показатели надежности непосредственно зависят от показа-
телей надежности всех видов оборудования, входящего в РТК-
Поэтому гри задании показателей надежности отдельных видов
оборудования необходимо осуществлять выбор показателей надеж-
ности таким образом, чтобы с помощью этих показателей можно бы-
ло определить показатель надежности РТК в целом. Поясним это
на некоторых примерах.
Для РТК, применяемого в кузнечно-прессовом производстве
(см. рис. 5.6), можно отметить следующее. Время непрерывного
функционирования РТК определяется продолжительностью раз-
грузки магазинного устройства 7. В период загрузки магазинного
устройства при необходимости могут быть выполнены некоторые
работы, относящиеся к ТО для РТК.
Приемную тару 3 и ограждения 4 можно считать практически аб-
солютно надежными элементами. Таким образом, для данногоРТК
основным показателем надежности является Р (т) — вероятность
безотказной работы РТК в течение времени т, где т — продолжи-
тельность разгрузки магазинного устройства 7. Этот показатель
определяется по формуле
Р (т) = Р5 (т) Рг (т) Р2 (т) Р, (т),
где Р5 (т), Р± (т), Р2 (т), Ре (т) — вероятности безотказной работы за
время т двурукого промышленного робота, пресса, схвата манипуля-
тора, устройства управления соответственно.
Для роботизированных технологических комплексов, приме-
ре
няемых в механообработке, характерны (с точки зрения надежнос-
ти) следующие особенности:
1) РТК некоторое время обрабатывает определенную разно-
видность деталей, а потом наступает период переналадки техноло-
гического оборудования;
2) при механообработке очень высокие требования предъяв-
ляются к точности позиционирования промышленного робота.
Отсюда следует: безотказность РТК характеризуется показа-
телем Р (т) — вероятностью безотказной работы за время т, где т —
продолжительность обработки деталей из одной партии (без перена-
ладки станка)*.
К основным видам отказов РТК относятся постепенные отказы
по точности позиционирования. Поэтому должен быть обязательно
исследован показатель Р1Ю„ (т) — вероятность безотказной рабо-
ты ПР за время т, который в данном случае определяется как вероят-
ность сохранения точности позиционирования.
Оценку показателей надежности РТК, как правило, осущест-
вляют аналитическим методом или методом статистического моде-
лирования и выполняют в два этапа. На первом этапе определяют
показатели надежности отдельных видов оборудования. На втором
этапе вычисляют значение показателей надежности для всего РТК
в целом.
Повышение надежности РТК может осуществляться методами,
описанными в разделе «Методы повышения надежности промышлен-
ных роботов».
Глава 6 - - 1 -
ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ ’ •
6.1. Классификация, общие положения
Гибкие производственные системы (ГПС) — новая, весьма со-
вершенная форма автоматизации мелкосерийного и серийного маши-
ностроительного производства. В рамках этой новой проблемы име-
ется много спорных вопросов по научным, техническим, экономи-
ческим, социальным и терминологическим аспектам. Несмотря на
отсутствие единой, установившейся системы взглядов, существует
достаточно четкое определение: «Гибкая производственная система —
это совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, робо-
тизированных технологических комплексов, гибких производствен-
ных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и
систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме
в течение заданного интервала времени, обладающая свойством авто-
матизированной переналадки при производстве изделий произволь-
* В некоторых случаях переналадка технологического оборудования осу-
ществляется автоматически, по метке на заготовке, в соответствии с которой
выбирается программа в устройстве управления. Тогда в качестве т может быть
выбрана продолжительность одной смены.
247
ной номенклатуры в установленных пределах значений их харак-
теристик» (ГОСТ 26228—85).
По организационным признакам гибкие производственные си-
стемы подразделяются на гибкие автоматизированные линии (ГАЛ),
гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и гибкие автоматизи-
рованные цехи (ГАЦ).
Гибкая автоматизированная линия — это ГПС, в которой тех-
нологическое оборудование расположено в принятой последова-
тельности технологических операций.
Гибкий автоматизированный участок — это ГПС, функциони-
рующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена
возможность изменения последовательности использования техно-
логического оборудования.
Гибкий автоматизированный цех — это ГПС, представляющая
собой в различных сочетаниях совокупность гибких автоматизиро-
ванных линий, роботизированных технологических линий, гибких
автоматизированных участков, роботизированных технологических
участков для изготовления изделий заданной номенклатуры.
В соответствии с ГОСТ 26228—85 в состав ГПС входят:
— гибкий производственный модуль (ГПМ) — единица техноло-
гического оборудования для производства изделий произвольной
номенклатуры в установленных пределах значений их характерис-
тик с программным управлением, автономно функционирующая,
автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изго-
товлением, имеющая возможность встраивания в гибкую произ-
водственную систему;
— роботизированный технологический комплекс (РТК) — сово-
купность единицы технологического оборудования, промышлен-
ного робота и средств оснащения, автономно функционирующая и
осуществляющая многократные циклы;
— система обеспечения функционирования ГПС — совокупность
в общем случае взаимосвязанных автоматизированных систем, обес-
печивающих проектирование изделий, технологическую подготовку
их производства, управление гибкий производственной системой
при помоши ЭВМ и автоматическое перемещение предметов произ-
водства и технологической системы.
В общем случае основные составляющие системы обеспечения
функционирования ГПС:
— автоматизированная транспортно-складская система (АТСС);
— автоматизированная система инструментального обеспече-
ния (АСИО);
— автоматизированная система удаления отходов (АСУО);
— автоматизированная система управления технологическими
процессами (АСУТП);
— автоматизированная система научных исследований (АСНИ);
— система автоматизированного проектирования (САПР);
— автоматизированная система технологической подготовки про-
изводства (АСТПП);
— автоматизированная система управления [АСУ] и т. д.
248
На рис. 6.1 приведена обобщенная структурная схема гибкой
производственной системы.
На современном этапе развития машиностроительного комплек-
са наметились следующие главные тенденции:
1) широкое применение концентрации (совмещения) операций,
способствующее повышению производительности обработки при
снижении ее трудоемкости и стоимости;
2) применение ресурсосберегающих (малоотходных и безот-
ходных) технологий, повышающих коэффициент использования
металла и сокращающих расход энергии;
3) агрегатно-модульный принцип построения станков и другого
технологического оборудования, станочных модулей, автомати-
ческих станочных систем и их элементов, что повышает степень уни-
фикации и надежность работы оборудования, качество его изготов-
ления и сборки, сокращает сроки и затраты на изготовление;
4) сокращение кинематических цепей, замена механических
цепей электрическими за счет средств ЧПУ, что повышает жест-
кость и точность станков, качество обработки деталей и снижает
металлоемкость оборудования при тех же и более высоких мощ-
ностях;
5) стремление к так называемой «безлюдной технологии» за счет
комплексной гибкой автоматизации, широкой роботизации, приме-
нения диагностических систем, что повышает коэффициент сменности
и гибкость станков, станочных модулей и систем;
6) миниатюризация систем управления и контроля;
7) эффективное использование станков с ЧПУ в массовом много-
номенклатурном производстве.
Первые две тенденции предопределяют работы, связанные с
поиском новых технологических принципов, замену дробной тех-
нологии обработки па мн гих однооперасионных станках (прин-
цип дифференциации) концентрацией операций за счет использова-
ния многооперационных станков.
Актуальность вопросов экономного расходования материаль-
ных ресурсов и энергии обусловлена большим ростом производства
продукции машиностроения, который вызывает необходимость во-
влечения в производство огромных сырьевых, топливно-энергети-
ческих и других материальных ресурсов. Решение этой проблемы
связано с применением заготовок, приближающихся по форме к го-
товым деталям, что во многих случаях требует замены резания дру-
гими видами малоотходной обработки.
Планируется взамен ежегодного выпуска одноцелевых станков
соответствующего качества перейти к выпуску многоцелевых стан-
ков, что позволит существенно снизить расход металла.
Третья и четвертая тенденции требуют изменения структуры,
компоновки и схемных решений станков с ЧПУ.
Пятая тенденция в настоящее время особенно четко просматри-
вается в том, что на смену развития механизации и жестких систем
автоматизации пришла роботизация производственных и технологи-
ческих процессов с компьютеризацией управления, позволяющая
24»
Рис, 6,1. Обобщенная структурная схема ГПС
существенно сократить затраты ручного труда и автоматизировать
умственный труд человека.
В этом плане особую роль должны сыграть гибкие автоматизи-
рованные производства и гибкие производственные системы, осна-
щенные самым современным технологическим оборудованием, вы-
числительной техникой и роботизированными технологическими
комплексами. В общем эти понятия близки между собой, хотя поня-
тие «гибкое автоматизированное производство» больше отражает тип
производства, а понятие «гибкая производственная система» опре-
деляет конкретный тип системы, ее состав и назначение.
Развитие автоматизации производственных процессов в исто-
рическом плане рассмотрено в гл. 5 «Роботизированные технологи-
ческие комплексы», где, в частности, было сказано, что гибкие про-
изводственные системы являются высшей формой комплексной ав-
томатизации машиностроения.
С целью уточнения основных положений по гибким производст-
венным системам и формулированию некоторых перспектив их раз-
вития на ближайшие годы рассмотрим эту проблему по следующим
основным критериям: научно-технический аспект; производствен-
ные показатели; технико-экономическая эффективность; социаль-
ный аспект.
Научно-технический аспект ГПС, Гибкие производственные
системы, а в дальнейшем и гибкие автоматизированные производ-
ства — это качественно более совершенный этап комплексной авто-
матизации производства. Благодаря быстрому научно-техническому
прогрессу в таких областях, как автоматика, радиоэлектроника,
вычислительная техника, информатика, появилась возможность
рассматривать комплексную автоматизацию производственных про-
цессов по-новому — как систему автоматизации, охватывающую
все производства от проектирования изделий и технологии до изго-
товления продукции и ее упаковки. Это автоматизация инженерного
труда и процесса изготовления изделий. Такая качественно новая
постановка задачи автоматизации позволяет получить рациональ-
ные, а в некоторых случаях и оптимальные по выбранным критериям
качества инженерные решения.
Системы автоматизированного проектирования (САПР), исполь-
зуемые в ГПС, охватывают две фазы проектирования — конструиро-
вание изделий и проектирование технологии его обработки. На пер-
вых стадиях создания САПР автоматизации подвергались отдель-
ные задачи проектирования, в основном расчетного характера,
затем — функционально законченные фрагменты проектных работ,
такие, как конструирование детали, узла или изделия.
Современный этап развития САПР характеризуется информа-
ционной и технической интеграцией проектно-конструкторских ра-
бот в единую цепочку «исследование — конструирование — тех-
нологическая подготовка». Основа информационной интеграции
в САПР — машинная графика. Под машинной графикой понимают
применение ЭВМ для восприятия, хранения, преобразования и вы-
дачи информации в графическом виде. Специфика машинной графи-
251
ки САПР заключается в тесной взаимосвязи ее с геометрическим мо-
делированием объектов проектирования. Это объясняется тем,что
чаще всего любое проектирование опирается на язык графических
образов.
Поэтому в современном понимании технический комплекс
САПР — это компьютерная система, оснащенная развитыми про-
граммными и техническими средствами машинной графики, инже-
нерных расчетов, математического моделирования и документиро-
вания проектной информации.
Производственные показатели ГПС. Основные показатели гиб-
ких производственных систем предназначены для определения про-
изводственных возможностей ГПС в машиностроении и объективного
сравнения различных вариантов их исполнения и включают в себя:
тип и габаритные размеры обрабатываемых изделий; технологиче-
с ие возмс жгости ГПС; станкоемкость ГПС; стоимость часа работы
каждой единицы основного технологического оборудования; степень
безлюдности ГПС; гибкость и степень оснащенности ГПС высоко-
автоматизированными элементами системы АСУ (САПР, АСУП,
АСТПП, АСУ ТП).
В каждом изделии габаритные размеры основных деталей (кор-
пусов, валов, фланцев нт. п.) находятся в определенном соотноше-
нии. Поэтому оборудование ГПС целесообразно подбирать или
создавать новое под определенные типоразмеры узлов. Необходимо
по возможности использовать принцип групповой обработки деталей.
На заводах, имеющих небольшой объем производства и широкую
номенклатуру обрабатываемых деталей, целесообразно применять
ГПС смешанного типа, состоящие из нескольких типов оборудования
для полной комплексной обработки деталей узлов определенного
типоразмера. В этом случае связующим звеном ГПС является склад,
в котором могут находиться спутники для корпусных деталей и па-
леты для валов и фланцев.
Многоцелевые модули ГПС должны иметь высокую производи-
тельность при максимальной гибкости, т. е. возможность обраба-
тывать широкую номенклатуру деталей без вмешательства обслужи-
вающего персонала. Это достигается за счет широкого применения
модулей со встроенными шпиндельными головками, контроля эле-
ментов детали в процессе обработки и стабильности качества
инструмента.
Гибкость достигается автоматизацией, дающей возможность
легко переходить от обработки одной детали к другой благодаря
применению устройств числового программного управления. Гиб-
кая производственная система операционного типа должна иметь
от 5 до 122 многоцелевых модулей, имеющих магазины на 30...40
инструментов. При однотипных модулях возможно создание в не-
которых случаях централизованной системы замены инструмента
в магазинах модулей.
Автоматизированная транспортно-складская система (АТСС) —
это система взаимосвязанных, автоматизированных, управляе-
мых от ЭВМ транспортных и складских устройств для укладки,
W2
хранения, временного накопления, разгрузки и доставки деталей
и технологической оснастки. Предметы перемещаются АТСС уло-
женными в стандартную тару (спутники, поддоны).
Применяют АТСС трех типов: с накопителями, с центральным
складом и комбинированные. Транспортирование грузов может
осуществляться по линейной, многорядной и кольцевой схе-
мам.
К вспомогательному оборудованию относятся моечные машины,
установки ТВЧ, машины для клеймения, контрольно-измеритель-
ные машины и т. д. Все это оборудование должно охватываться об-
щей транспортной системой и работать в автоматическом режиме.
В зависимости от технологического процесса и требований к качест-
ву обработки деталь может поступать на мойку 1...3 раза за весь
процесс обработки.
Гибкие производственные системы механообрабагызающих про-
изводств обязательно должны иметь отделения для хранения и ком-
плектации ГПС инструментом и приспособлениями. Отделения со-
держат стеллажи для режущего и вспомогательного инструмента и
технологической оснастки, приборы для настройки инструмента вне
станка, стенды для сборки и проверки приспособлений, тележки для
транспортировки собранных инструментов и приспособлений.
При проектировании приспособлений необходимо стремиться
к тому, чтобы установка и зажим деталей в приспособлении произ-
водились роботом.
Узлы и отдельные детали, предназначенные для обработки и
сборки на высокоавтоматизированных ГПС, должны быть тщатель-
но отработаны на технологичность по изготовлению и сборке. Кон-
струкция детален должна учитывать возможности металлорежущих
станков с ЧПУ, при этом надо стремиться к уменьшению количест-
ва деталей в узле.
При создании ГПС особое внимание необходимо уделять заго-
товительным системам, в которых желательно шире применять прог-
рессивные методы получения заготовок для малоотходных техноло-
гических процессов (литье под давлением, литье по выплавляемым
моделям, жидкую штамповку с последующей чеканкой, поперечно-
винтовую прокатку, радиальный обжим и т. п.). Обязательное ус-
ловие — стабильность качества заготовок как по размерам, так и по
структуре материала.
В ГПС необходимо использовать прогрессивные технологические
процессы с широким внедрением лазерной техники для обработки
поверхностей, закалки элементов деталей и контроля обработанных
деталей. Инструмент для ГПС должен отвечать таким требованиям по
стабильности качества, как взаимозаменяемость, отсутствие ско-
лов и трещин, стабильная стойкость. Для этого целесообразно при-
менять твердосплавный инструмент с покрытием, минералокера-
мику и сверхтвердые материалы.
Степень автоматизации ГПС должна быть тщательно обоснова-
на. Наличие обслуживающего персонала иногда позволяет в значи-
тельной степени упростить систему в части механики и управления,
253
1
повысить ее надежность и соответственно увеличить эффективность
эксплуатации.
Гибкие производственные модули, вспомогательное оборудо-
вание и элементы АТСС должны иметь стандартные сопрягающие
устройства для соединения их между собой и с управляющими ЭВМ.
С этой целью предусматривается опережающая разработка норматив-
но-технической документации. Для сокращения числа спутников
в системе целесообразно малотрудоемкие детали обрабатывать в пер-
вую смену, а наиболее трудоемкие — во вторую и третью.
ГПС найдут наибольшее применение на тех предприятиях, где
характер производства требует смены продукции, выпускаемой пре-
имущественно повторяющимися партиями. Степень гибкости опре-
деляется в первую очередь частотой смены продукции.
Габаритные размеры изделий, которые могут быть рекомендова-
ны для обработки в ГПС, находятся в пределах 60... 1200 мм, габа-
ритные размеры корпусных деталей — 100... 1000 мм, длина валов —
50... 1250 мм, диаметры валов — 20...320 мм.
Технико-экономическая эффективность ГПС. Эффективность
ГАП и ГПС определяется на основании:
— общего анализа затрат и потерь для существующих способов
производства;
— общего анализа затрат и экономии, получаемых в результате
перехода на гибкое производство;
— сравнительного количественного анализа ГПС по экономи-
ческим критериям;
— анализа риска и чувствительности экономических реше-
ний.
Анализ существующего способа производства связан с опреде-
лением показателей себестоимости продукции, степени использо-
вания технологического оборудования, качества продукции, затрат
ручного труда, производительности оборудования, уровня запасов
материалов, сырья и т. д. Он необходим в качестве отправной точки
для последующего обоснования капиталовложений в новую техно-
логию.
Анализ затрат и экономии от внедрения гибкой технологии осно-
ван на оценке количественных и качественных показателей произ-
водства. Имеется несколько основных категорий таких оценок:
— показатели прямой экономии, в основном имеющие количест-
венный характер;
— показатели косвенной экономии, сочетающие количественные
и качественные оценки;
— факторы экономии, имеющие качественный характер.
Показатели прямой экономии обычно рассчитываются просто
и связаны главным образом с результатами автоматизации произ-
водства, сопровождаемой заменой существующего оборудования
на автоматически действующее. Как правило, новое оборудование
более высокопроизводительно, что и приводит к увеличению объ-
емов производства. Использование автоматического управления спо-
собствует безоператорной работе с увеличением сменности функцио-
254
‘нирования оборудования. Многофункциональность оборудования
уменьшает его общее количество и занимаемую им площадь.
Главными статьями экономии становятся меньшие затраты:
— на прямую оплату труда;
— на обеспечение производства энергией, топливом, обслужи-
ванием;
— на движение материалов, сырья, обработку отходов;
— на амортизацию помещений и оборудования.
В ГПС автоматизируются не только оборудование и технологи-
ческие процессы, но и обработка информации, организационное
управление, обслуживание производства. Поэтому более значи-
тельной оказывается косвенная экономия, основные статьи которой
являются результатом:
— ускорения производственного цикла с уменьшением глав-
ным образом межоперационных и транспортных запаздываний;
— снижения уровня незавершенного производства в связи с
увеличением производительности и ускорением произвэдственн го
цикла;
— снижения уровня складских запасов и затрат на их хране-
ние;
— уменьшения затрат на оплату труда в сфере ремонта, об-
служивания и эксплуатации меньшего парка станков, хотя оплата
труда может возрасти в связи с необходимостью использования при
диагностике, контроле, обслуживании более высококвалифициро-
ванного персонала (инженеров и квалифицированных техников-
операторов, программистов и специалистов по электронной техни-
ке);
— повышения эффективности обработки информации, проекти-
рования, планирования, организационного управления, всех видов
инженерного труда;
— снижения затрат на реконструкцию и модернизацию произ-
водства.
Наиболее сложны для квантификации качественные факторы
экономии, так как их влияние не поддается оценке в чисто экономи-
ческих терминах, а проявляется в форме воздействий, имеющих
главным образом социальное значение. В данной категории оценок
экономия появляется в результате:
— улучшения качества продукции, повышения ее конкуренто-
способности и возможностей для удовлетворения потребительско.'о
спроса на более высоком уровне;
— повышения гибкости производства к быстрым изменениям про-
изводимых изделий, а также серийности изготовления продукции;
— улучшения условий труда за счет автоматизации физических
работ и устранения таких форм труда человека, которые необходи-
мо совершать в тяжелой, опасной или вредной для здоровья произ-
водственной среде;
— повышения эффективности межотраслевых связей и коопе-
рации на основе более динамичных дисциплин взаимных поставок
сырья, материалов, готовых изделий;
255
— снижения затрат в социальной сфере по мере углубления ав-
томатизации производства и уменьшения численности работающих.
Анализ эффективности ГАП по экономическим критериям нап-
равлен главным образом на определение себестоимости продукции,
производительности труда, сроков окупаемости капиталовложений
и других показателей производства. Оценка производится на осно-
вании стандартных методик, имеющих законодательную силу для
отдельных предприятий одной отрасли, для групп отраслей или на-
родного хозяйства в целом. Стабильность методик оценки связана со
стабильностью способов и методов производства, поэтому методики
пересматриваются только после тщательного исследования и апро-
бирования на практике.
В условиях интенсификации производства и перевода его на
гибкие способы автоматизации приходится существенно изменять
методики оценки эффективности, добавляя новые критерии и кор-
ректируя их взаимосвязи (особенно критерии оценки показателей
косвенной экономии).
Анализ риска и чувствительности экономических решений необ-
ходим для выявления сильнодействующих факторов, способных
усиливать или ослаблять ожидаемые эффекты от крупных капитало-
вложений в производство. При экстенсивных методах развития
социалистического способа производства анализ риска не имеет
большого значения и практически не применяется, так как плано-
вое регулирование инкрементально наращиваемой экономики ис-
ключает в значительной степени риск при принятии экономических
решений.
Однако с переходом к интенсивным методам хозяйствования и,
в частности, к гибким автоматизированным производствам происхо-
дит резкое ускорение темпов ввода новых или модернизированных
мощностей. При этом, во-первых, техника и способы производства
подвергаются не частичным изменениям, а полностью вытесняются
новой техникой и технологией и, во-вторых, значительно повышает-
ся доля прогрессивной техники и автоматизированных методов уп-
равления, что ведет к существенному увеличению начальных капи-
таловложений.
_ В соответствии с такими новыми тенденциями даже при плановом
регулировании инвестиций начинает возрастать риск отвлечения
средств на неоптимальные варианты и направления развития. По-
этому анализ риска и чувствительности становится необходимым зве-
ном в определении и тщательной проверке главных факторов, воз-
действующих на эффективность капиталовложений в новые формы
автоматизации производства,
В частности, контролю подлежат факторы, влияющие на умень-
шение ожидаемого объема производства, затягивание по времени
ввода производственных мощностей, увеличение затрат на реали-
зацию и внедрение средств автоматизации новых поколений. Дей-
ственный инструмент анализа чувствительности — имитационное мо-
делирование гибкого производства в сочетании с экономическими мо-
делями балансового типа.
256
На различных этапах создания и развития ГПС и РТК возникает
ряд трудностей и ошибок. Основные из них могут быть сформулиро-
ваны в виде проблем, к решению которых подключаются различные
специалисты, инженеры и ученые, контрукторы-станкостроители,
технологи, математики-программисты, механики, но меньше эконо-
мисты и организаторы производства.
В развитии техники можно наблюдать периодическую смену
эволюционных и революционных периодов. Цикличное обновление
техники осуществляется в форме смены машин. Скачок — массо-
вость применения оборудования, оснащенного микропроцессором,
станков с ЧПУ, многооперационных станков и т. д.
Одна из ошибок при внедрении ГПС на ряде предприятий — не
революционный, а эволюционный подход, т. е. создание ГПС на базе
старых производственных структур с заменой части технических
систем новыми, присоединения транспортно-накопительных систем
и ЭВМ. Среди причин можно отметить:
1) отставание экономистов, неумение проектировщиков и произ-
водственников перестраивать структуру производств с учетом со-
временных принципов организации;
2) отсутствие методов групповой организации и технологии;
3) отсутствие должного учета и проработки важных вопросов
концентрации и специализации производства, современных методов
оптимизации структур ГПС, календарного планирования, опера-
тивного обслуживания и управления.
При создании ГПС должны учитываться факторы, определяющие
перевод структуры организации и управления в новое качество;
1) увеличение многообразия, сложности и масштабов разработ-
ки объектов новой техники;
2) частая сменяемость изделий, возрастание многономенклатур-
ности обращающихся в производстве изделий и их частей;
3) снижение серийности выпуска отдельных изделий при уве-
личении общих объемов производства.
Под воздействием указанных факторов увеличиваются объем
и потоки используемой информации.
Примером эволюционного подхода может служить создание
ГПС в виде участков из специализированных токарных или фрезер-
ных станков с ЧПУ, реализующих принцип дифференциации опера-
ций и не позволяющих получить на этих участках конечный продукт.
Надо создавать программно-целевые участки обработки валов,
втулок, шестерен, цанг, подшипников и т. д. В настоящее время
нужен не экстенсивный путь развития, а интенсивный.
Среди проблем создания ГПС можно выделить неравномерность
развития различных типов изделий в механообработке: преиму-
щественно в обработке корпусных деталей, затем тел вращения и
листовых материалов. Это объясняется временем цикла обработки:
для корпусных деталей оно больше, что уменьшает необходимость
накопления большого запаса деталей на входе в модуль.
Основная проблема ГПС для обработки корпусных деталей свя-
аана с расширением номенклатуры продукции, обусловливающим
17 0—1922
257
повышенные требования к разнообразию инструмента и необходи-
мому запасу палет. При использовании модулей для обработки тел
вращения из-за малого времени обработки повышаются требования
к создаваемым на входе заделам деталей и увеличиваются затраты на
загрузочно-разгрузочные работы. Главное внимание сконцентриро-
вано на разработке универсальной оснастки и загрузочно-разгру-
зочных устройств.
Социальные аспекты применения ГПС. Социальные причины не-
обходимости создания ГПС можно разделить на две основные груп-
пы: дефицит трудовых ресурсов (в особенности станочников), имею-
щий тенденцию к росту, и необходимость освобождения работников
от физически тяжелого, монотонного, непривлекательного труда.
Анализ названных причин показывает, что приемлемым решением
является ориентация на быстро переналаживаемые производства,
базирующиеся на новых организационных и технологических прин-
ципах (групповые технологические процессы) и объединении робо-
тизированных обрабатывающих и транспортно-складских комплек-
сов методами и средствами вычислительной техники.
Реализация проектов ГПС в условиях среднесерийного и мелко-
серийного производства, как показывает зарубежный и отечествен-
ный опыт, позволяет:
— обеспечить быструю перестройку производства на выпуск
новой продукции за счет гибкости производственной системы, пол-
нее удовлетворить запросы заказчиков;
— интенсифицировать технологический процесс — повысить
коэффициент сменности (Асм) и коэффициент загрузки (Азаг) обо-
рудования, оптимизировать режимы обработки, оперативно коррек-
тировать технологические процессы, исходя из текущей ситуации,
сократить производственный цикл и «омертвленные» производствен-
ные запасы, существенно повысить производительность труда и эко-
номию трудовых ресурсов;
— улучшить социальные условия труда — сократить число
занятых во вторую и третью смены, сократить общий объем моно-
тонного, тяжелого, ручного и другого непривлекательного труда за
счет высвобождения кладовщиков, контролеров, стропальщиков,
грузчиков и других вспомогательных рабочих;
— повысить качество продукции — размерно-геометрическую
стабильность обработанных деталей, а также технологичность
сборки;
— сократить объем документации (чертежей, технологических
карт, рабочих нарядов, материальных карт и т. п.).
Вместе с тем создание автоматизированных (малолюдных) и ав-
томатических (безлюдных) производств в условиях мелкосерийных
и среднесерийных производств в 1,5...2 раза дороже, чем использо-
вание отдельных многоцелевых станков или другого программно-
управляемого оборудования, и требует проведения разнообраз-
ных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ,
всестороннего научно-технологического обеспечения и подготовки
кадров.
£68
При широком внедрении ГПС требуется освоение методов си-
стемного проектирования, взаимоувязанной отработки технологи-
ческих объектов, интегрированных систем автоматизированного
управления и подсистем внешнего обеспечения ГПС, создания ин-
дустриальной базы централизованного обеспечения и эксплуата-
ционного сервиса.
6.2. Гибкая производственная система токарной обработки
Гибкая производственная система токарной обработки предна-
значена для автоматизированной обработки деталей типа тел вра-
щения, имеющих наружные и внутренние цилиндрические поверх-
ности со ступенчатым и фасонным профилем и резьбой. ГПС позволя-
ет изготовлять детали из сталей любых марок и сплавов в условиях
мелкосерийного и единичного производства при изменяющейся
номенклатуре и исключает необходимость частой переналадки тех-
нологического процесса.
ГПС, показанная на рис. 6.2, создана Украинским филиалом
НИАТ, КПО им. Артема (г. Киев), станкостроительным заводом
«Комсомолец» (г. Бердичев) и другими организациями.
ГПС включает в себя: гибкие производственные модули токарной
обработки в количестве 6 шт.; автоматизированную транспортно-
складскую систему; систему управления ГПС; систему авто-
матизированного проектирования технологических процессов
(САПР ТП) и управляющих программ.
Гибкий производственный модуль состоит из токарно-револь-
верного станка модели 1В340Ф30, промышленного робота «Электро-
ника НЦТМ-01», устройства смены кассет и системы управления
модулем.
Оборудование модуля обеспечивает снятие кассеты с заготов-
ками с транспортного робота-робокара, обработку деталей по за-
данной технологии, укладку их в кассеты с помощью промышлен-
ного робота и погрузку кассет на платформу робокара в автомати-
ческом режиме.
Обеспечивается обработка деталей, имеющих следующие харак-
теристики (рис. 6.3): максимальный диаметр 150 мм; максимальная
длина обработки 100 мм; максимальная масса заготовки 3 кг.
В основу построения системы положена групповая технология
механической обработки. При малой серийности деталей применя-
ется высокая степень концентрации технологических переходов,
последовательно выполняемых в операции, а при большой серий-
ности — высокая степень дифференциации операций с одновремен-
ным совмещением переходов во времени.
Токарно-револьверный станок модели 1В340Ф30 оснащен кре-
стовым суппортом с вертикальной осью револьверной головки, позво-
ляющим производить все виды токарной обработки. Конструкция
8-позиционной револьверной головки обеспечивает высокую жест-
кость и быстродействие фиксации.
17*
259
Рио. 6.4. Структур-
ная схема модуля
обработки
Промышленный робот «Электроника НЦТМ-01» имеет 5 степеней
подвижности, двухкистевое захватное устройство и обеспечивает
выбор заготовок из кассеты по двум координатам х и у с перемеще-
нием до 300 мм вдоль каждой из них и перенос заготовки в зону об-
работки с подъемом по оси z до 160 мм,съем обработанных деталей и
укладку их в кассету.
Устройство смены кассет дает возможность автоматизировать
прием (или выдачу) с транспортной платформы робокара и ориента-
цию кассет на станке.
Система управления модуля выполняется на базе микроЭВМ
«Электроника-60» и позволяет модулю функционировать как в со-
ставе ГПС, так и в автономном режиме. Структурная схема модуля
обработки показана на рис. 6.4.
Автоматизированная транспортно-складская система включает
в себя модуль складирования, модуль транспортирования и систему
управления.
Модуль складирования выполнен на базе роботизированного
складского комплекса РСК-50 и имеет в своем составе: складской ро-
бот, стеллаж и устройство программного управления.
Основные технические характеристики модуля складирования»
Габаритные размеры, мм
Размеры ячейки стеллажа, мм
Грузоподъемность робота, кг
Количество ячеек, шт.
8250X1712X 3300
53QX395X 315
50
154
862
Транспортирование заготовок и деталей осуществляется с по-
мощью транспортного робота-робокара «Вираж-500» (рис. 6.5). Ро-
бокар смонтирован на шасси, имеющем 4 обрезиненных колеса, два
из которых — ведущие, а два — рулевые с приводом от системы уп-
равления на базе микроЭВМ «Электроника-60». Слежение за трас-
сой из наклеенных на пол алюминиевых полос производится индук-
тивными датчиками. Связь с центральной ЭВМ СМ 1420 осуществ-
ляется посредством оптоэлектронных разъемов, закрепленных в
портах — устройствах, фиксирующих положение робокара в ко-
нечных положениях. Порты обеспечивают высокую точность пози-
ционирования робокара и фиксацию транспортной платформы о
кассетами.
Основные технические характеристики робокара «Вираж-500»:
грузоподъемность 500 кг; регулируемая скорость движения не более
1 м/с; время работы без подзарядки аккумуляторной батареи не менее
4 ч; высота подъема пассивной грузовой платформы 80 мм; источники
питания — три аккумуляторные батареи; бортовое напряжение 24 В.
Система управления ГПС (рис. 6.6) выполнена на базе мини-
ЭВМ СМ 1420. Связь системы управления с основными составными
частями ГПС осуществляется посредством стандартного интерфей-
са ИРПС.
На уровне управления комплексом система осуществляет сле-
дующие функции:
— получение суточного задания от автоматизированной системы
уиравления производством (АСУП) или от оператора, хранение и
контроль за его выполнением в течение суток;
— обмен информацией и управляющими программами с систе-
мами модулей токарной обработки и транспортно-складской систе-
мой;
263
— диспетчеризацию, оперативный контроль состояния и опера-
тивное управление системами нижнего уровня;
— создание и ведение информационной модели роботизирован-
ного склада и архива управляющих программ;
— хранение информации о состоянии технологического обору-
дования и систем управления.
Система визуального контроля, предназначенная для наблю-
дения за ходом перегрузочных операций на складе и процессов ме-
ханической обработки, выполнена на базе стандартных телевизион-
ных установок ПТУ-46 и ПТУ-52.
Подготовка техпроцессов для ГПС осуществляется посредством
системы автоматизированного проектирования технологического
процесса САПР ТП, которая представляет собой человеко-ма-
шинную систему, позволяющую разрабатывать операционную
технологию обработки на модулях деталей типа тел вращения.
В функции человека входит чтение чертежа и формирование тех-
нологического маршрута с указанием геометрических данных обра-
батываемых деталей.
Мини-ЭВМ обеспечивает выдачу необходимой информации о тех-
нологических операциях, режимах обработки, технологических пе-
реходах.
Подготовка управляющих программ реализуется системой
автоматизированного проектирования управляющих программ
(САПР УП), которая обеспечивает взаимодействие технолога с си-
стемой в режиме диалога с помощью видеотерминалов, а также рас-
чет данных для технологического оборудования ГПС.
Применение САПР УП сокращает сроки подготовки управляю-
щих программ в 2...3 раза по сравнению с обычными методами, по-
зволяет получить рациональные решения и снизить трудоемкость
подготовки в 3...5 раз.
Гибкая производственная система создана на основе следующих
системотехнических принципов:
— агрегатно-модульного построения из переналаживаемых ком-
понентов;
— принципа интеграции;
— принципа иерархического построения и совместимости;
— возможности последующего наращивания (развития) си-
стемы.
Принцип агрегатно-модульного построения заключается в типи-
зации, унификации и стандартизации компонентов и отдельных
функциональных элементов ГПС, инвариантных к изготовляемым
деталям. Такой принцип позволил сформировать состав техниче-
ских и программных средств на основе применения стандартного
аппаратно-программного интерфейса и скомпоновать систему на
единой конструктивной базе и основании типовых проектных ре-
шений.
Принцип интеграции заключается в соединении систем проек-
тирования деталей (САПР ТП) и управления технологическим про-
цессом (АСУ ТП) в единый комплекс.
265-
Рие, 6,7. Общий вид ГПС
Принцип иерархичности состоит в соподчинении функциональ-
ных элементов, составных частей и автоматизированных средств
управления различных уровней и обеспечивает сочетание централи-
зации управления и автономности функционирования отдельных
составных частей.
Принцип совместимости, основанный на унификации сигналов,
интерфейсов, присоединительных размеров и т. д., состоит в том, что
языки, коды, информационные, программные, технические, мето-
дологические, энергетические и другие характеристики сопрягае-
мых элементов ГПС и структурных связей обеспечивают их совмест-
ное функционирование без доработки и необходимости внесения из-
менений.
Принцип развития состоит в обеспечении возможности попол-
нения, совершенствования и обновления системы и ее компонентов,
возможности поэтапного развития ГПС как с точки зрения ее масш-
табов и организационной структуры, так и уровня автоматизации.
В дальнейшем предполагается подключение новых модулей обра-
ботки на базе токарных станков ТПК-125, включение устройств конт-
роля износа и поломки режущего инструмента и расширение номенк-
латуры изготовляемых изделий.
Контрольно-измерительные функции технологического процесса
обработки деталей осуществляются за счет оснащения ГПС специ-
альной щуповой головкой БВ, аналогичной щуповой головке, поме-
щенной в револьверную головку станка. Измерения основаны на
£66
том, что устройство ЧПУ НЦ-31, управляя перемещением рабочих
органов станка, получает сигнал от датчика в момент касания его
наконечника с поверхностью измеряемой детали. Информация о
координатах этих точек считывается с измерительного преобразова-
теля и используется для расчета размеров и геометрической формы
детали. Общий вид ГПС показан на рис. 6.7.
По результатам эксплуатации внедрение гибкой производствен-
ной системы такого типа обеспечивает:
— увеличение выпуска продукции в 2,5...3 раза;
— повышение коэффициента сменности работы оборудования /ССм
До 2,4;
— повышение коэффициента загрузки станочного оборудования
К.3 ДО 0,8...0,9;
— сокращение потерь рабочего времени;
— повышение качества продукции;
— быстрый переход от обработки деталей одной конфигурации
и типоразмера к другой в пределах реализуемого банка управляю-
щих программ и технологических возможностей оборудования.
Глава 7
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
7.1. Промышленные роботы агрегатного типа
История развития техники свидетельствует о том, что степень
универсальности оборудования неразрывно связана с видом про-
изводства. Рассматривая машиностроительное производство (по
свсей природе дискретное) в такой последовательности — индиви-
дуальное, мелкосерийное, серийное, крупносерийное, массовое,
можно заметить, что целесообразность применения универсального
оборудования падает от начала к концу этой последовательности, а
целесообразность применения специализированного оборудования,
наоборот, увеличивается.
Действительно, многолетний опыт создания и эксплуатации уни-
версального и специализированного оборудования однозначно го-
ворит о том, что специализированное оборудование обладает значи-
тельно большей производительностью, чем универсальное, но тре-
бует большего времени на разработку и значительных капитальных
затрат. Кроме того, существенным недостатком специализированно-
го оборудования является малая эксплуатационная гибкость, что i е
позволяет использовать его в условиях многономенклатурного про-
изводства. Универсальное же оборудование менее производительно,
но зато обладает большими эксплуатационными возможностями и
поэтому широко применяется в индивидуальном, мелкосерийном и
серийном производстве.
Возникает естественный и своевременный вопрос: как объеди-
нить преимущества универсального и специализированного обору-
дования и примирить их противоречия? История развития техники
267
показывает, что такой путь есть — это так называемый агрегатный
(модульный) принцип построения оборудования.
Модульный принцип основан на системном подходе, который
должен предусматривать одновременный анализ и обобщение боль-
шинства известных задач по автоматизации данного производства.
На этой основе разрабатывается комплекс технических средств,
функционально взаимодополняющих друг друга и позволяющих
компоновать из них широкую номенклатуру автоматизированного
оборудования, которое обеспечивает выполнение любой из рас-
смотренных частных задач. Одновременно должен быть разработан
комплекс организационно-технических мероприятий, создающих
возможность изготовления, комплектации, эффективной эксплуата-
ции и ремонта этих технических средств.
Разработка агрегатного комплекса технических средств значи-
тельно сложнее разработки отдельных моделей оборудования. Это
положение может вызвать соблазн приступить к решению только
конкретных задач и не нести затрат на создание агрегатного комп-
лекса. Такая сиюминутная выгода оборачивается большими поте-
рями в течение многих последующих лет, так как новые задачи
повлекут за собой новые разработки, мало использующие то, что бы-
ло создано ранее. Агрегатный комплекс технических средств может
и должен развиваться как непрерывно совершенствуемая и наращи-
ваемая система, и это, несомненно, даст большой экономический
эффект.
Создание агрегатных комплексов — основа технической поли-
тики многих передовых отраслей промышленности СССР. Наиболь-
шее количество агрегатных комплексов создано или создается в рам-
ках Государственной системы приборов и средств автоматизации
(ГСП): АСВТ, КТС, ЛИУС, АСЭТ, АСАТ, АСКР, АСИВ, АСИП
и др. По такому же пути идет создание Единой серии ЭВМ (ЕС ЭВМ).
Большие успехи в области разработки агрегатных технических
средств достигнуты станкостроением СССР. В настоящее время боль-
шинство многооперационных станков и автоматических линий со-
бирается из агрегатных узлов и устройств управления.
Японская фирма «Мицубиси» ведет работы в этом направлении
и опубликовала материалы в 1974 г. Робот этой фирмы создан по
агрегатной (модульной) схеме (рис. 7.1). Каждый элемент его движе-
ния (модуль) в значительной степени самостоятелен. Элементы мож-
но объединять в различные варианты. Фирма приводит следующие
преимущества робота агрегатной конструкции:
1) элементы всех движений имеют модульную конструкцию,
что позволяет по желанию потребителей выбрать конструкцию оп-
тимального типа;
2) обеспечивает взаимозаменяемость двухпозиционного гидрав-
лического и пневматического сервоприводов;
3) возможна конструкция робота, скомпонованного в прямо-
угольно-цилиндрической системе координат;
4) диапазон перемещения руки широк благодаря телескопи-
ческой конструкции;
268
7.1. Агрегатный комплекс «Мицубиси»
Таблица 7.1. Технические характеристики координатных модулей робота
фирмы ! «Мицубиси»
Координатный модуль Рабочий диапазон Максимальная скорость •
Горизонтальный ход руки 1350 мм 1000 мм/а
Вертикальный ход руки 500 мм 500 мм/а
Поворот руки относительно горизонтальной оси ±30° 60%
Поворот руки относительно вертикальной оси 250° 1007с
Движение кисти ** 180° 1007а
Фиксированное основание — —
Перемещения основания 500 мм 500 мм'а
* Дополнительное регулируемое время на ускорение-замедление — 1 с.
** Можно использовать кистевые координаты сгибания, поворота и вра-
щения.
5) существует реальная возможность упрощения робота при
использовании только одной или двух координат;
6) обеспечивается высокая точность позиционирования;
7) упрощается ремонт робота в процессе эксплуатации.
Конечно, в приведенном перечне значительная доля преиму-
ществ имеет рекламный характер, а в некоторых случаях и не явля-
ется характерной именно для робота агрегатной конструкции, как,
например, утверждение о высокой точности позиционирования. Од-
нако было бы неверно преуменьшать ценность этой работы. Техни-
ческие характеристики модулей робота фирмы «Мицубиси» приведе-
ны в табл. 7.1.
Агрегатная гамма роботов «Юнимейт» фирмы «Кавасаки» (Япо-
ния) отличается широким разнообразием основных технических ха-
рактеристик, причем допускается комплектование всех модифика-
ций манипуляторов различными типами устройств управления.
Роботы имеют однотипную компоновку механических систем боль-
шой, средней и малой грузоподъемности; их основные технические
характеристики приведены в табл. 7.2.
Таблица 7.2. Основные технические характеристики модулей механических
систем
Модуль механической системы
Показатели тяжелый | средний | легкий
Грузоподъемность, кг
Число степеней подвижности
Погрешность позиционирования, мм
Объем рабочей зоны, м3
Продольный ход руки, мм
Скорость линейных перемещений, м/б’
Угловые перемещения, °/(°/с):
а/со
р/<ов
у/<о
ф/(0
45...135 6 35...75 4...6 10...20 <8
±2,0 ±1,0 ±0,25
23,0 9,0 4,0
До 1320 800...1041 500...800
0,915 0,762 1,2
25/35 30/30 30/60
25/35 27/30 30/60
230/110 220/110 220/110
360/110 360/110 360/110
270
Система агрегатного построения МНИ, выпускаемая фирмами
«Электролюкс» (Швеция) и «Роберт Буш» (Германия) содержит три аг-
регатные гаммы промышленных роботов со сквозной унификацией
отдельных узлов. Все роботы имеют пневмопривод и работают по
упорам.
Разработаны агрегатные системы на базе промышленных робо-
тов типа «Пирин» (НРБ), PR-02 (РП), «Рено» и «Сиаки» (Франция).
До сих пор рассматривался только один аспект создания робота
агрегатной конструкции — компоновка кинематики робота и со-
всем не упоминалось о втором, может быть более важном — создании
агрегатной конструкции систем управления. Эта часть задачи, по
мнению автора, более сложная.
Опыт, накопленный в промышленности, развитие методов и
технических средств автоматического управления технологически-
ми процессами, создание станков с программным управлением, ана-
лиз и обобщение опубликованных работ по созданию и эксплуата-
ции промышленных роботов создают предпосылки для пересмотра
некоторых концепций и выдвижения конструктивных предло-
жений по дальнейшему совершенствованию промышленных роботов
для автоматизации производства на основе агрегатного принципа.
Одним из важнейших факторов, определяющих состав агрегат-
ного комплекса и количество возможных компоновок, является тип
координатной системы базового манипулятора.
Как уже отмечалось, большинство современных промышленных
роботов, предназначенных для транспортирования изделий, имеет
сферическую, рычажную и цилиндрическую систему координат ре-
гиональных движений. Достоинства этих систем — малые метал-
лоемкость и занимаемое пространство, удобный доступ к механиз-
мам для подвода коммуникаций и обслуживания. Первые опыты по
применению промышленных роботов такого типа для выполнения
технологических операций (окраска, точечная и дуговая свар-
ка) показали следующее. Манипуляторы со сферической, рычаж-
ной и цилиндрической системами координат можно эффективно при-
менять для обработки изделий сложной формы, требующих не менее
пяти степеней подвижности инструмента при позиционном перемеще-
нии и записи программы методом непосредственного обучения.
При обработке более простых изделий при необходимости пере-
мещения по прямым, параллельным одна другой, отчетливо прояв-
ляется недостаток сферической и цилиндрической систем —
невозможность упростить кинематическую структуру и систему уп-
равления при движении по простейшим траекториям (прямым, ок-
ружностям), которые составляют подавляющее большинство тре-
буемых траекторий движения инструмента.
Прямоугольная система допускает применение наиболее прос-
тых одно-, двух- и трехкоординатных компоновок механизмов ре-
гиональных движений и позволяет оснащать любую из этих ком-
поновок необходимыми механизмами локальных перемещений ин-
струмента. Прямоугольная система координат позволяет приме-
нить устройство управления любой сложности — от простейших
271
I—
Датчики
положения
и состояния
объекта
Временные
задающие
устройства
Путевые
задающие
устройства
Средства
циклового
управления
Средства
позиционного
управления
Средства
непрерывного
устройства
Специальные
вычислительные
устройства
однокоординатных путевых устройств, используемых в силовых уз-
лах агрегатных металлорежущих станков, до устройств управления
контурного типа. К числу недостатков прямоугольной системы сле-
дует отнести большие металлоемкость и занимаемую площадь цеха.
Разработка номенклатуры агрегатного комплекса представляет
собой наиболее ответственную часть начального этапа создания
комплекса. Номенклатура определяется диапазоном технологиче-
ских задач и видов производства. Целесообразно разрабатывать
агрегатный комплекс, ориентируясь на более сложный вариант.
В остальных, более простых вариантах некоторые узлы попросту не
будут использоваться. Из технологических промышленных робо-
тов наиболее сложен робот для дуговой сварки плавлением. Таким
образом, необходимо создавать агрегатный комплекс с учетом спе-
цифики технологии.
Номенклатура агрегатного комплекса технических средств про-
мышленных роботов для сварки представлена на рис. 7.2. В основу
комплекса было положено следующее:
1) прямоугольная система координат региональных движений;
2) максимальное использование технических средств из агре-
гатных систем других отраслей машиностроения и приборострое-
ния, и в первую очередь средств управления станками;
3) возможность создания манипуляторов целесообразной кине-
матической структуры с оптимальной по выбранным критериям
системой управления для решения различных конкретных техноло-
гических задач;
4) возможность непрерывно наращивать номенклатуру техни-
ческих средств и совершенствовать их.
172
Рис, 7.2, Номенклатура агрегатного комплекса для еварки
Как видим, агрегатный комплекс состоит из девяти групп тех-
нических средств, каждая из которых состоит из ряда подгрупп.
Деление на группы и подгруппы осуществлено по функциональным
признакам.
В СССР разработана достаточно совершенная гамма электроме-
ханических роботов модульного типа РПМ-25. Система модулей,
приведенная на рис. 7.3, содержит: два транспортных модуля гло-
бальных перемещений — напольного Тн и подвесного Тп исполне-
ния; шесть модулей региональных движений — поперечного сдвига
С, подъема П, качания К, вращательных перемещений В, двойного
качания Д и радиального хода РХ; три модуля локальных ориен-
тирующих движений — с одной Р1, двумя Р2 и тремя РЗ степенями
подвижности. Кроме того, в агрегатную систему входят модуль не-
подвижного основания Н, а также операционные модули с захват-
ными устройствами ЗУ1, ЗУ2 и ЗУС — одинарный, двойной и с
поперечным сдвигом.
Возможные комбинации стыковки модулей показаны на
рис. 7.3 направленными связями. В частности, комбинация из трех
модулей прямолинейного перемещения позволяет получить компо-
новку робота РПМ-25, работающего в декартовой системе координат;
использование модуля вращения В — компоновку с обслужива-
нием рабочей зоны в цилиндрической системе координат, использо-
вание модулей качания К и двойного качания Д — соответственно
компоновки в сферической системе координат и антропоморфной
шарнирной структуры.
Конструктивные особенности модулей таковы: модули прямо-
линейных перемещений С, П и РХ выполнены на основе планетар-
18 0-1922
273
Рис. 7.3. Агрегатный комплекс типа РПМ-25
них роликовых винтовых передач качания, отличающихся от обыч-
ных шариковых винтовых передач более высокой жесткостью и
несущей способностью, а также возможностью работать с более
высокой частотой вращения (что особенно важно для роботов с
электроприводами). В качестве направляющих в модулях С и П при-
меняются цилиндрические скалки с шариковыми сепараторами,
в модуле РХ используются роликовые направляющие, закреплен-
ные в базовом корпусе, по которым перемещается подвижное звено
модуля, что обеспечивает компактность и легкость конструкции
модулей.
В модуле П обеспечивается частичная разгрузка за счет исполь-
вования вертикального телескопического пневмоцилиндра. Для
, 274
повышения безопасности работы в модулях П и РХ применены само*
тормозящиеся муфты дискового типа. В модулях с вращательным
движением, а также в модулях Тв и Тп используются комбинирован-
ные червячно-зубчатые редукторы. Червячная ступень редуктора
обеспечивает бесшумность работы при высоких оборотах двигателя
и возможность самоторможения в необходимых случаях (в модулях
В и Р применяются четырехзаходные червяки). В ступени редук-
тора с зубчатым зацеплением элементов используются безлюфто-
вые передачи по принципу замкнутого энергетического потока.
При этом передаточное число второй ступени редуктора с зубча-
тым зацеплением выбирается из условий обеспечения минимального
значения максимального люфта в червячной передаче, приведенного
к исполнительному звену. Это минимальное значение не должно
превышать дискретности применяемого датчика обратной связи и
таким образом не будет оказывать влияния на точность работы меха-
низма в целом.
В модуле двойного качания Д используются раздельные инди-
видуальные приводы для каждой из степеней подвижности, причем
в качестве первой ступени редукции используется однозаходная
червячная самотормозящаяся передача. Кинематические связи’в этом
модуле подобраны таким образом, что при работе двигателя качания
первого исполнительного звена (второй двигатель заторможен) вто-
рое исполнительное звено совершает поступательное движение, не
изменяя своей ориентации.
Привод основных движений робота РПМ-25 — электрический,
постоянного тока, следящий, с обратной связью по положению и
скорости. В качестве исполнительных используются двигатели
постоянного тока МИ2 мощностью 3 кВт и 4МИ12 мощностью
980 Вт. Управление — тиристорное (тиристорное преобразователь-
ное устройство ЭПТ-9М расположено в отдельной стойке). Привод
операционных механизмов — пневматический с подводом воздуха
под давлением через стыковочные поверхности модулей.
Технические характеристики модулей основных движений робо-
та РПМ-25 приведены в табл. 7.3.
7.2. Адаптивные роботы
Общие положения. Промышленные роботы, или роботы перво-
го поколения, отличаются тем, что имеют жесткую программу дей-
ствия и не могут реагировать на изменения окружающей среды.
Эта особенность ограничивает их возможности и несколько сужает
область применения. В настоящее время успешно разрабатывают-
ся и находят применение более совершенные роботы второго поколе-
ния, или, как чаще их называют, адаптивные роботы. Роботы этого
типа имеют соответствующие датчики внешней информации, более
сложную систему управления и поэтому могут реагировать на изме-
нения окружающей среды и вырабатывать ответную реакцию или
действие. Иногда приходится слышать такое мнение» «Если роботы
первого поколения менее совершенны, то следует вместо них приме-
18*
275
<з
а
с
к S S го й О S S о S =г S л С кодовым датчиком »0I -tfed WW
Точность по С аналоговым датчиком sOI -йв<1 WW
pj ‘gtfoxt40 ен BLTHO ЬВНЧ1ГВНИЮ0Н
w Н ‘ЭЙ'ОХИЫ вн XH9W0W Ц1ЧНЧ1Г8НИИ0Ц
Скорость пе- ремещения модуля 3/W э/tfecl
1 t 1 S Е ремещення 1 модуля W ‘эн -Hlftf он ‘Biodoaon KitjX oh
Характер движения
ZK,! наименование модуля •
я
©
-Н
| © © © о о ©
•н -н -н -н -н -н
276
нять более совершенные — адаптивные роботы». В большинстве слу-
чаев это мнение ошибочное по следующим соображениям:
— во-первых, в большом количестве технологических процессов
окружающая робот среда хорошо организована и не меняется. При-
мером может служить штамповочное производство, где детали, как
правило, совершенно одинаковы и условия выполнения процесса
во времени не меняются. Применение промышленных роботов
для автоматизации таких процессов полностью оправдано и целесо-
образно;
— во-вторых, адаптивные роботы имеют специальные датчики
внешней информации и значительно более сложную систему управ-
ления. Это приводит к тому, что адаптивные роботы значительно
сложнее промышленных, а следовательно, и дороже. Обслуживание
таких роботов требует специалистов высокой квалификации.
Из этого следует вывод, что промышленные и адаптивные роботы
будут существовать независимо и каждый тип роботов найдет (и уже
нашел) свою рациональную область применения. Возможно, что по
мере совершенствования адаптивных роботов, повышения надеж-
ности работы и снижения стоимости удельный вес их в промышлен-
ности будет увеличиваться.
В настоящее время область применения адаптивных роботов
более-менее четко очерчена и проблема их создания и совершенство-
вания сформулирована. Проблему создания адаптивных роботов
можно разделить на пять частных задач:
1) определение понятия «окружающая среда», ее состава и пара-
метров;
2) выбор из числа имеющихся или создание новых датчиков
внешней информации;
3) использование серийных или создание новых технических
средств — устройств управления;
4) разработка математического обеспечения функционирования
робота — алгоритмов и программ;
5) использование существующих или создание новых манипу-
ляторов.
Окружающая среда. В настоящее время понятие «окружающая
среда» или «внешняя среда» достаточно установилось. Под этим
понимают воздух, водные бассейны, леса, живую природу и процес-
сы, происходящие в ней. Такое представление об окружающей
среде формировалось человеком, его глазами, его образом жизни
и взглядами в течение многих сотен лет. Стремительное развитие ро-
бототехники вызывает необходимость определить и сформировать
понятие внешней среды для роботов, а она, как это будет показано,
существенно отличается от общеизвестного понятия.
В качестве примера опишем внешнюю среду адаптивного робота
для дуговой сварки — ее состав, основные параметры и особен-
ности. Выбор такого примера обоснован тем, что окружающая среда
для адаптивного дугового робота достаточно сложна, все или почти
все другие варианты промышленного применения проще. Поэтому
перейти от сложного к простому методом исключения параметров не
277
Таблица 7 А. Основные параметры внешней среды для адаптивных роботов (дуговая сварка) со — ——
Параметр Влияние на работу робота Формализованная модель Ограничения, нормиро- ванные условия эксплуа* танин Язык описания примечания
Освещенность — — Для нормальной рабо- ты фотоэлектрических и телевизионных прибо- ров необходим достаточ- ный уровень освещен- ности Может быть пред- ставлена количествен- но в люксах Подлежит рассмот- рению при наличии в системе робота фо- тоэлектрических и телевизионных при- боров
Влажность Возможно изменение коррозионной стой- — 98 % при температуре 35 °C и более низких Может быть пред- ставлена количест- Создание роботов для эксплуатации в
кости и изоляцион- ных свойств температурах без кон- денсации влаги и 100 % с конденсацией влаги венпо в процентах условиях водной среды является са- мостоятельной и важной проблемой
Давление ‘ , л Возможно изменение фрикционных свойств материалов В условиях вакуума гидросистема неприме- нима. Должно быть 1... 300 кПа Может быть представ- лена количественно в килопаскалях —
Температура окружающей среды Возможны измене- ния: статических и динамических харак- теристик СУ; стати- ческой точности; фрикционных свойств материалов Для всеклиматического исполнения +55„, —60 °G Может быть представ- лена количественно в градусах
Помехи Могут вызвать сбои в СУ робота и, как следствие, нарушение программы Могут быть представ- лены количественно в децибелах относитель- но 1 мкВ Защита от помех яв- ляется актуальной и трудной задачей
Колебания напряжения электропита- ния Могут вызвать: сбои в работе; изменение статических и дина- мических характерис- тик СУ + 10,..—15% Могут быть представ- лены в процентах от номинального напря- жения
Транспортные устройства и манипуляторы изделий Определяют: точность позиционирования, быстродействие и про- изводительность ком- плекса Общей модели нет. — Существуют модели для некоторых кон- кретных задач
Сварные сое- динения изде- лия . . Определяют: степень сложности програм- мы; длительность цикла сварки; коли- чество проходов; спо- соб сварки; сварочное оборудование; значи- тельные отклонения осн стыка от заданной требуют применения следящих систем
Технология сварки Ж Позволяет выбрать: режим сварки; тех- нологический прием сварки Уравнение регрес- Для существующей мо- сии относительно дели: однопроходная толщины сваривав- сварка СО2; низкоугле- мых материалов, родистые и низколеги- зазора и диаметра рованные стали; 3... электродной прово- 10 мм (толщина ме- локи талла); плоское распо- ложение шва Таблица коэффициен- тов регрессии
Тепловые сварочные де- формации Могут вызвать необ- ходимость в коррек- ции программы Уравнения связи Приводящие к измене- между компонента- нию параметров техио- ми напряженного логин сварки состояния и дефор- маций Линейные и угловые изменения в милли- метрах или радианах
Человек-опе- ратор Определяет: точность позиционирования робота; рациональ- ное построение про- граммы Существуют не- Необходима соответст- сколько моделей в вующая квалификация зависимости от спо- оператора-сварщика соба обучения Соответствие класса сложности изделия классу квалификации оператора. Необхо- дим язык диалога че- ловека и робота
Технология сварки
для роботов непре-
рывно развивается и
совершенствуется
Приращения могут
быть исчислены при
знании картины тем-
пературного поля
В каждом конкрет-
ном случае должен
быть решен вопрос
выбора рациональ-
ного освещения
составит больших трудностей. Обобщенное описание внешней среды
позволит создать фундамент для разработки' адаптивных роботов
различного типа и сделать важный шаг в создании теории адаптив-
ных роботов.
Чтобы изложить материал компактно и наглядно, примем таб-
личную форму (табл. 7.4). По вертикали перечислим основные пара-
метры внешней среды адаптивного робота для дуговой сварки, по
горизонтали —• некоторые характеристики, дающие представление
о формализованной, математической модели, ограничения и возмож-
ный язык описания, позволяющий ввести данные в устройство уп-
равления роботом.
Все параметры внешней среды можно разделить на две группы.
К первой относятся те параметры, которые не зависят от поведения
робота и корректировка которых не всегда возможна. Это осве-
щенность, влажность, давление, температура, помехи и колебания
напряжения электропитания. Ко второй группе отнесены параметры,
которые робот или человек-оператор может менять. Это конструкция
транспортных устройств, тип заготовки под сварку, технология
сварки, тепловые деформации и, конечно, человек-оператор.
Подробный анализ данных, приведенных в табл. 7.4, уточнение
и сравнение их с конкретными, имеющимися в предлагаемом для
автоматизации технологическом процессе, позволит сделать цен-
ные выводы, в том числе определить тип, принцип работы и конструк-
цию датчиков внешней информации, желаемый или требуемый уро-
вень автоматизации и общую структуру робота.
В литературе по робототехнике часто употребяются понятия
детерминированной — хорошо организованной, упорядоченной и
недетерминированной —- плохо организованной окружающей
среды.
Под детерминированной понимают такую среду, в которой все
окружающие робот предметы неподвижны и положение их во вре-
мени не меняется. Кроме того, неизменны такие параметры внеш-
ней среды, как, например, температура, освещенность, уровень ра-
диации, помехи и т. д. Такая внешняя среда, или «сцена», может быть
однажды описана и модель ее введена в память робота заранее.
Недетерминированная, неорганизованная внешняя среда харак-
теризуется непредсказуемыми изменениями во времени параметров,
внешней обстановки и расположением предметов. Информация о
такой внешней среде должна вводиться в память робота постоянно,
иначе он не сможет в ней ориентироваться.
Сказанное выше относится к роботу, который в пространстве
неподвижен. Если же робот перемещается, то, естественно, будет
меняться окружающая среда (хотя сама по себе она может быть
хорошо упорядоченной), и в такой ситуации необходимо постоянно
вводить информацию в память робота.
Возможен такой случай, когда параметры внешней среды и рас-
положение окружающих робот предметов изменяются предсказуе-
мо, т. е. по известным законам. В качестве примера можно привести
изменение освещенности на планете в зависимости от ее вращения
280
Рис. 7.4. Классификация датчиков информации адаптивных роботов
вокруг оси. Такая ситуация требует более глубокого изучения и в
рамках настоящей книги ее мы не рассматриваем.
Обязательное условие успешного функционирования адаптив-
ного робота — связь с окружающей средой. Если окружающая
среда имеет неупорядоченный характер, т. е. не строго организова-
на и меняется во времени, а в контуре управления присутствие
человека невозможно либо нежелательно, то возникает необходи-
мость в самостоятельной обработке роботом информации об окружаю-
щей среде и принятии решения. При этом особая роль отводится
задаче очувствления робота, т. е. создания специализированных
датчиков внешней информации и разработки способов ее обработки.
Датчики информации. Возможность активно взаимодействовать
с внешней средой, измерять ее параметры, необходимые для качест-
венного выполнения технологической операции, позволяет сущест-
венно снизить затраты на подготовку производства и расширить
область применения адаптивных роботов.
Наиболее перспективные области применения адаптивных ро-
ботов — механическая сборка, электродуговая и, иногда, контакт-
ная точечная сварка, кислородная резка, абразивная зачистка и
шлифование, операции упаковки, установка и съем деталей с кон-
вейера, операции распознавания и сортировка изделий, разбор
неориентированных деталей и контроль качества изделий.
Создание и серийный выпуск адаптивных роботов для автомати-
зации перечисленных процессов немыслимы без своевременной раз-
работки и производства средств очувствления. — датчиков, пригод-
ных для различных условий эксплуатации роботов в промышлен-
ности.
Датчики адаптивных роботов (рис. 7.4) можно условно разде-
лить на две группы: 1) датчики информации о параметрах внешней
среды и выполняемых операциях; 2) датчики состояния узлов само-
го манипулятора. Первая, наиболее многочисленная группа средств
очувствления сформирована на основании анализа технологии вы-
полнения перечисленных процессов. Основными классификацион-
281
Рис. 7.5- Специальное захватное
устройство, оснащенное тактиль-
ными датчиками
ными признаками приняты физиче-
ские параметры окружающей среды.
В соответствии с принятой классифи-
кацией первая группа разделена на
пять основных типов систем — сило-
моментные, технического зрения, ло-
кационные, тактильные и контроля
качества изделия.
Следует отметить, что датчикам
технического зрения часто отдается
предпочтение как наиболее информа-
тивному и совершенному методу по-
лучения информации. Общий прин-
цип действия таких систем состоит
в том, что телевизионная камера
(одна или несколько) обозревает рабочее пространство и передает
информацию в ЭВМ, которая ее обрабатывает и выдает описание
сцены, попавшей в поле зрения камеры. Это описание может
сравниваться с имеющейся в памяти ЭВМ математической моделью
и использоваться в дальнейшем для целенаправленного действия
исполнительного устройства робота по соответствующей про-
грамме.
Это наиболее совершенный и сложный вариант. Существует
большое количество различных решений и конструкций, которые
относятся к адаптивным роботам, но не имеют искусственного
зрения.
Примером может служить специальное захватное устройство,
оснащенное тактильными датчиками, построенными на основе мик-
ропереключателей (рис. 7.5). На наружных сторонах его губок
установлены шесть датчиков, с помощью которых фиксируется сопри-
косновение с объектом. На внутренних поверхностях губок уста-
новлены датчики давления 1, которые позволяют определить усилие
удержания предмета. Два фотодиода 2 обеспечивают локацию объек-
та и наведение на него захватного устройства. Такое устройство осу-
ществляет поиск, некоторое опознавание объекта и его удержание.
Изящное решение внешнего устройства, дающего возможность
«видеть» двухмерное изображение предмета, основано на применении
специального дискретного поля (рис. 7.6), или, иначе говоря, мат-
рицы. Эта матрица установлена в зоне действия робота и выполняет
роль сетчатки искусственного глаза. Использование в качестве
чувствительных элементов электроконтактных, фотоэлектрических,
пневматических и электромагнитных датчиков позволяет «видеть»
двухмерное изображение объекта, т. е. поверхность объекта, которая
соприкасается с чувствительным полем.
Точность «изображения» объекта зависит от количества чувстви-
тельных элементов. Информация о включенных элементах передает-
ся в устройство управления, обрабатывается и на рабочий орган
робота подается команда управления с учетом позитивного положе-
ния объекта. Если чувствительные элементы будут бесконтактными,
ЗЬ2
с к дисплею Кустррйстбу*
управления
Рис. 7.6. Двухмерное ди-
скретное поле
например фотоэлементы, то можно создать трехмерное очувствлен-
ное устройство и получить объемное изображение.
К датчикам информации о состоянии узлов и систем манипуля-
тора в первую очередь относится комплекс измерительных средств,
обеспечивающих высокую точность позиционирования приводных
систем манипулятора. Среди них наиболее часто применяются цифро-
вые датчики углового и линейного положения звеньев манипулято-
ра, датчики скорости и датчики крутящего момента.
Правильный выбор типа датчика определяет успех в создании
адаптивного робота.
Устройства управления адаптивными роботами можно отнести
к классу мини-ЭВМ или к специализированным вычислительным
машинам в зависимости от сложности алгоритма управления, не-
обходимого быстродействия, объема памяти и т. д. В некоторых
случаях, например при создании адаптивного робота типа «глаз —
рука», может появиться необходимость использования средних
ЭВМ со стереотелевизионным датчиком. В каждом случае выбору
283
типа ЭВМ должен предшествовать тщательный анализ исходных
данных.
Использование серийных ЭВМ (или их отдельных блоков) для
управления адаптивными роботами наиболее целесообразно, так как
позволяет применять отработанные модели и экономит время на
разработке и создании специальной ЭВМ.
Наиболее распространены в нашей стране и странах — членах
СЭВ мини-ЭВМ серии СМ ЭВМ. В основу машин этого типа положен
так называемый принцип общей шины. Общая шина включает в се-
бя провода для параллельной передачи адреса, данных и управляю-
щих сигналов. К этой шине подключают центральные процессоры,
оперативные запоминающие устройства и все периферийные уст-
ройства. Каждое периферийное устройство, как и оперативное запо-
минающее устройство, снабжается так называемым буферным ре-
гистром, который включается в общее поле памяти ЭВМ.
В минимальный комплекс машины СМ-3 входят (кроме процес-
сора с быстродействием около 200 тыс. опер./с) оперативное запоми-
нающее устройство емкостью 16 К, внешняя память (на магнитных
дисках и лентах) емкостью в несколько М-байт и четыре устройст-
ва ввода-вывода. СМ-4 комплектуется двумя центральными процес-
сорами и соответственно обладают расширенными возможностями
оперативной и внешней памяти. Описания и технические данные ма-
шин этого типа имеются в соответствующих справочниках.
В некоторых случаях могут быть оправданы разработка и созда-
ние устройства управления специального типа для адаптивного
робота. Примером может служить созданное НПО ЛЭМЗ устройст-
во УКМ-772 для процесса дуговой сварки плавлением (см. гл. 4).
Это устройство имеет встроенную микроЭВМ «Электроника-60»,
много вводов внешней информации и выводов каналов управления.
Благодаря наличию микроЭВМ устройство может управлять адап-
тивным роботом по довольно сложной программе. Естественно, что
должно быть разработано соответствующее программное обеспе-
чение.
Разработку и создание специализированного устройства управ-
ления следует тщательно обосновать и аргументировать.
Разработка математического (пограммного) обеспечения адап-
тивного робота — центральная, наиболее сложная задача. Ей
посвящено множество исследований, опубликованных работ, дру-
гих материалов, поэтому подробно останавливаться на этой задаче не
будем. Однако следует все же отметить, что разработке математиче-
ского обеспечения адаптивных роботов должны предшествовать
формулирование параметров окружающей среды, разработка адек-
ватной математической модели управляемого процесса, выбор из
числа существующих или разработка нового проблемно-ориентиро-
ванного языка для описания процесса и ввода исходных данных,
выбор математического аппарата и, в частности, формулирование
задачи оптимизации по выбранным критериям качества. Выполнение
всех этих работ требует специалистов высокой квалификации и со-
ответствующего времени.
284
Манипуляторы адаптивных роботов. Как уже отмечалось
(см. гл. 2), в настоящее время разработано много манипуляторов,
отличающихся компоновкой, количеством управляемых координат,
точностью позиционирования и приводом. Нет сомнений, что изло-
женные ранее соображения о кинематике и динамике манипуляторов
можно использовать и при создании адаптивных роботов. Однако не
следует думать, что не может возникнуть и новых соображений
и идей.
К числу новых положений, не рассмотренных в гл. 2, относится
задача создания манипулятора, подвижного в пространстве. При-
нято считать, что подвижные роботы принадлежат к роботам с ис-
кусственным интеллектом. Однако жизнь вносит свои коррективы
и уже сейчас есть образцы промышленных роботов, корпус которых
перемещается по программе вдоль направляющих. Такое конструк-
тивное решение позволяет расширить область применения робо-
тов. Для решения задачи создания подвижного в пространстве мани-
пулятора нужно выбрать способ перемещения робота, тип привода
этой координаты и обеспечить управление. Перемещение всего ро-
бота в пространстве приведет к усложнению его динамики и, воз-
можно, к уменьшению точности позиционирования.
Второй особенностью манипуляторов адаптивных роботов мо-
жет быть усложнение конструкции схвата, в частности, оборудова-
ние его соответствующими датчиками.
В итоге можно сказать, что манипулятор конкретного адаптив-
ного робота следует выбирать из числа имеющихся или создавать
новый в зависимости от конкретных технических требований.
7.3. Роботы с искусственным интеллектом
Роботы с искусственным интеллектом — это роботы третьего
поколения, которые ранее назывались интегральными.
Основная задача робота с искусственным интеллектом — целе-
направленное поведение в сложной, плохо организованной внешней
среде. С помощью искусственного интеллекта целенаправленное
поведение робота можно организовать путем преобразования зна-
ний о текущем состоянии окружающей среды, полученных с помощью
датчиков внешней информации (сенсорных систем), в последователь-
ность действий, направленных на достижение поставленной цели.
Такое преобразование должно опираться на предварительное знание
окружающей среды и методов преобразования этой информации.
Очень важная особенность робота с искусственным интеллектом
заключается в том, что сбор и преобразование информации должны
протекать в реальном масштабе времени, иначе робот будет просто
«отставать» от изменения окружающей среды. Уместно отметить,
что это условие предопределяет большие требования к быстродейст-
вию ЭВМ — интеллекту робота.
Обобщенная функциональная структура робота с искусственным
интеллектом изображена на рис. 7.7. В ней указаны три основные
системы: восприятия внешней информации; представления знаний;
285
Рис. 7.7. Обобщенная функциональная структура робота а искусст*
венным интеллектом
планирования и исполнения действий. Рассмотрим подробнее эти
системы.
Система восприятия внешней информации осуществляет связь
искусственного интеллекта с внешним миром. Конечная цель этой
системы — построение модели текущего состояния окружающего
мира. Первичными источниками информации о внешнем мире явля-
ются датчики-сенсоры различного типа: приемники визуальной и
звуковой информации, тактильные, локационные и др. Несколько
сужая границы рассмотрения этого направления, мы подробнее
ознакомимся с проблемой распознавания образов.
Распознавание образов. Проблема распознавания образов —
одна из центральных проблем в создании роботов с искусствен-
ным интеллектом. Следует отметить, что она весьма многогранна и
многовариантна. Человек в состоянии узнать свое имя, произноси-
288
мое разными людьми, разными голосами. Когда врач ставит диаг-
ноз, он должен определить, принадлежит ли этот пациент к классу
пациентов, которым показано лечение препаратом X. Оператор ра-
дара должен решить, является ли изображение на дисплее искомой
целью или это фоновые шумы и помехи. Примеров такого типа мож-
но привести бесчисленное множество, так как понятие «распознава-
ние образов» весьма широко.
Автор не ставит задачу изложить проблему распознавания об-
разов в широком плане, так как это потребовало бы специальной
книги, а может быть и нескольких. Он сосредоточивает внимание на
более узкой задаче — проблеме распознавания зрительной инфор-
мации, ибо этот аспект в первую очередь интересен при создании
роботов с искусственным интеллектом.
Проблема распознавания зрительной информации роботами
имеет весьма важное значение, так как возможность восприятия и
переработки большого объема информации в неорганизованной
внешней среде в значительной степени определяет автономность
робота. Чем больше информации о внешней среде может получить
робот, чем лучше она будет обработана, тем выше будет уровень
интеллекта робота. Сказанное выше можно подтвердить тем, что
человек приблизительно 85 % необходимой информации о внешней
среде получает именно визуально. Поэтому весьма важной задачей
является выбор рациональной структуры системы технического
зрения, определение ее основных параметров, а также создание само-
настраивающихся систем, обладающих свойством адаптации к из-
меняющимся характеристикам внешней среды.
В общем виде последовательность действия системы техническо-
го зрения робота сводится к следующим операциям;
1) поиск объектов окружающей среды путем изменения ориен-
тации «глаза» робота;
2) измерение дальности до объекта наблюдения одним из сущест-
вующих методов или по данным автоматической фокусировки;
3) автоматическая подстройка чувствительности видеодатчика
в соответствии с освещенностью объекта;
4) выделение контуров, изображений объектов и их анализ;
5) распознавание объектов.
Эти операции можно выполнять с помощью различных функ-
циональных блоков, связанных с ЭВМ.
Можно выделить три уровня организации системы визуальной
информации.
Во-первых, в простейшем случае описание сцены может быть
таким: «В поле зрения нет объекта» или «В поле зрения есть объект».
Во-вторых, описание сцены позволяет выделять из совокупности
объектов в поле зрения камеры представителей требуемого класса:
«В поле зрения камеры есть объект данного класса». При такой
постановке задачи робот должен уметь различать признаки объектов
и классифицировать объекты по этим признакам.
В-третьих, роботы с высоким интеллектуальным уровнем обла-
дают способностью не только распознавать и выделять из совокуп-
287
ности объект с определенными признаками, но и получать информа-
цию о взаимном расположении объектов, попавших в поле зрения
камеры. Для таких сцен описание может выглядеть следующим об-
разом: «В поле зрения есть объекты типа пирамиды, шара, цилинд-
ра, причем цилиндр располагается за шаром и лежит на горизон-
тальной поверхности». Описание может быть детализировано до-
полнительными характеристиками. Необходимо отметить, что все
изображение, характеризуемое перепадами яркости, переводится
в цифровую, дискретную форму.
Представление знаний и их преобразование. Эта система пред-
назначена для представления знаний о внешнем мире, их накоп-
ления, корректировки и использования в достижении поставленной
цели. Представление знаний (т. е. форма их выражения) выбирается
с учетом конкретного класса задач, на решение которых ориентиро-
ван искусственный интеллект; формы представлений знаний могут
быть различными. Систему представления знаний можно рассмат-
ривать как совокупность четырех блоков: абстрактные знания, зна-
ния о целях, модель окружающей среды, накопление и корректи- 1
ровка знаний. *
Абстрактные знания — это сведения о некоторых общих законо-
мерностях, действующих как во внешней окружающей среде, так •
и во внутренней среде робота, которые, как правило, не меняются •
во времени. К ним можно отнести, например, физические законо- '
мерности'внешнего мира.
Знания о целях — это информация о глобальных целях, кото-
рые должны быть достигнуты в процессе функционирования.
Модель окружающего мира робота — это формальное описа»
ние знаний о среде, в которой функционирует робот. Эти сведения
носят априорный характер в том смысле, что сформулированы и
сообщены роботу заранее. В ряде случаев не удается построить
заранее модель окружающего мира требуемой точности и информа-
ционной полноты. Это особенно касается роботов, предназначенных
для функционирования в малоизученных средах. Текущая информа-
ция, которую получает робот в процессе функционирования, может
и должна быть использована для повышения точности и расширения
знаний о мире.
Знания в искусственном интеллекте должны иметь особенности,
перечисленные ниже.
1. Интерпретируемость. Данные, находящиеся в памяти ЭВМ,
могут содержательно интерпретироваться, толковаться лишь с по-
мощью соответствующей программы. Если такой программы нет,
то д шные не содержательны. В отличие от данных, знания, имею-
щиеся в памяти ЭВМ, отличаются тем, что в них возможность со-
держательной информации всегда присутствует.
2. Наличие классифицирующих отношений. Несмотря на раз-
нообразные формы хранения данных, ни одна из них не обеспе-
чивает компактного описания всех связей между различными ти-
пами данных. Знания отличаются наличием соответствующих вза-
имосвязей.
288
3. Наличие ситуативных связей. Эти связи определяют ситуа-
тивную совместимость отдельных событий или фактов, хранимых
или вводимых в память, а также такие отношения, как одновремен-
ность, расположение в данной области пространства и т. д. Ситуа-
тивные связи помогают строить процедуры анализа знаний на сов-
местимость, противоречивость и другие, которые трудно реализовать
при хранении традиционных массивов данных.
Центральный вопрос при создании базы знаний — выбор спо-
соба их представления (описания). Совокупность модели представ-
ления знаний и связанных с ней процедур преобразования образует
систему представления знаний.
Для описания внешнего мира робота и нахождения решений
в искусственном интеллекте широко используются язык и аппарат
исчисления предикатов. Предикат (одно из фундаментальных по-
нятий математической логики) — это условие, сформулированное в
терминах некоторого точного логико-математического или нефор-
мального языка. Предикат содержит обозначения для произвольных
объектов некоторого класса. При замещении переменных именами
объектов данного класса предикат задает точно определенное выска-
зывание.
Исчисление предикатов представляет собой развитие исчисления
высказываний и включает его полностью.
Представление знаний может быть осуществлено с помощью
М-сетей, разработанных кандидатами технических наук Л. М. Касат-
киной и А. М. Касаткиным под руководством академика АН УССР
Н. А. Амосова. Этот язык моделирования развит на основе пред-
ставления о мышлении как о направленном процессе взаимодействия
множества корковых информационных моделей объектов внешнего
и внутреннего мира человека. Искусственные системы, строящиеся
на основе этого представления, реализуются в виде специфических
сетей, названных М-сетями. С помощью этих сетей можно представ-
лять взаимосвязанные системы образов и понятий, предположи-
тельно используемые человеком в ходе мышления.
Планирование поведения. Способность человека к разумному,
целенаправленному поведению сформировалась в результате дли-
тельного процесса эволюции. В ходе этого процесса последовательно
формировались все более сложные уровни управления поведением.
Появление новых программ переработки информации мозгом обес-
печивало усложнение и совершенствование форм взаимодействия че-
ловека с окружающей средой. При этом каждый новый уровень,
новый механизм управления формировался на базе уже существую-
щих, дополняя и корректируя их деятельность. Если говорить об
искусственном интеллекте, то такой процесс самоорганизации для
него невозможен.
В отличие от искусственного интеллекта, например ЭВМ, имею-
щей соответствующее матобеспечение, робот с искусственным ин-
теллектом, как правило, может перемещаться в пространстве и с
помощью манипулятора активно воздействовать на окружающую
среду.
19 0-1922
289
В настоящее время можно сформулировать несколько задач, ре-
шение которых возможно для робота с искусственным интеллектом.
1. Выбор маршрута движения для достижения заданной цели.
В качестве примера можно привести движение робота по подготов-
ленной и неподготовленной поверхности с препятствиями для пе-
реноса груза из одной точки пространства в другую. К этому же типу
задач относится перемещение робота по заданному маршруту с ис-
следовательскими целями (например, для определения степени ра-
диоактивной загрязненности местности) и др.
2. Манипулирование предметами. Это широкий класс задач для
роботов, в него входит подавляющее количество процессов обслу-
живания, выполнения вспомогательных и транспортных операций
и в наиболее сложном варианте — выполнение процесса сборки.
Задачи такого рода могут частично выполняться и роботами первого
поколения (промышленными роботами), но с обязательным услови-
ем — программа движений манипулятора должна быть введена в ро-
бот извне человеком-оператором. В этот же класс задач входит и вы-
полнение таких технологических процессов, как, например, окрас-
ка распылением, контактная точечная и дуговая сварка и др.
3. Обеспечение гибких производственных систем. Этот класс за-
дач значительно сложнее относительно простых задач, которые дол-
жны выполнять транспортные роботы, так как необходимо дать ро-
боту возможность оценивать ситуацию, принимать соответствующее
решение и выполнять его. Иначе говоря, транспортный робот с ис-
кусственным интеллектом должен «знать» о том, есть ли на складе
заготовки, закончился ли процесс обработки изделия на данном стан-
ке нт. д.
Возможны и другие аспекты планирования целесообразного по-
ведения робота.
В целом эта задача сводится к формированию программы дви-
жения самого робота (или его манипулятора) и корректировке ее
в процессе выполнения. Дальнейшее углубление знаний в области
технических средств искусственного интеллекта требует привлече-
ния специальных разделов формальной логики, подробного ознаком-
ления с исчислением предикатов и т. д. Понимание этих вопросов
требует специальной подготовки.
Описывая принцип действия и структуру робота с искусственным
интеллектом, необходимо хотя бы кратко остановиться на самом
понятии «искусственный интеллект».
Создание искусственного интеллекта относится к числу наиболее
сложных проблем нашего времени. По ней велись и ведутся много-
численные дискуссии, широкая полемика в специальной и научно-
популярной литературе.
Автор не ставит своей задачей последовательное и исчерпываю-
щее изложение всех вопросов, входящих в эту проблему, так как, во-
первых, это не вписывается в объем настоящей книги и, во-вторых,
эта проблема интересует нас только в одном аспекте — применение
искусственного интеллекта для создания роботов третьего поколе-
ния — интеллектуальных роботов.
290
Сейчас трудно предсказать, как повлияет на развитие общества,
да и на весь прогресс человечества решение проблемы искусствен-
ного интеллекта, но с уверенностью можно сказать, что влияние
«той проблемы в будущем легче недооценить, чем переоценить.
Первые исследования были выполнены математиками в области
автоматизации интеллектуальной деятельности человека при дока-
зательстве теорем и решении игровых задач. Вскоре была понята
необходимость более широкой постановки задач, привлечены эв-
ристические приемы и методы, которые применяются и в настоящее
время. Однако в проведенных разработках сохранилась тенденция
воспроизведения функций с хорошо выраженной логической струк-
турой. Создано достаточно большое количество программ для реше-
ния формально-логических задач одного класса. Вместе с тем вос-
произведение менее формальных аспектов человеческой деятельности
по-прежнему вызывает серьезные затруднения. Прежде всего это
касается обычных, простых на первый взгляд форм поведения. Од-
нако структура решения таких простых задач на самом деле весьма
сложна. Можно сказать, что мыслительные процессы, ответственные
за решение таких задач, составляют неотъемлемую часть процессов,
организующих любое, действительно сложное поведение человека.
Уместно попытаться ответить на главный вопрос — какова гло-
бальная цель исследований в области создания искусственного
интеллекта. Наряду с естественным стремлением человека узнать,
как устроен его мозг и как происходит сам процесс мышления, су-
ществует еще одна наиболее важная задача, носящая практический,
прикладной характер.
; Ставится задача создания искусственных систем, способных
выполнять не хуже, а возможно и лучше, человека ту работу, кото-
рую люди издавна относят к сфере интеллектуального труда. Эта
проблема развивается необычайно быстрыми темпами и характери-
зуется высоким динамизмом изменения понятий и представлений.
। В чисто научном плане результатом развития идей создания ис-
кусственного интеллекта роботов явится принципиально новое тех-
ническое устройство, которое, обладая двухсторонним активным
взаимодействием с окружающей средой, может получить на опре-
деленном этапе своего развития способность к самоусовершенство-
ванию и вступит в эволюционный процесс, темпы которого могут
быть выше, чем темпы эволюции естественной живой природы, при-
ведшей к созданию человека. Границы такого процесса пока очер-
тить весьма трудно. Следует полагать, что подобное определение бу-
дет меняться со временем точно так же, как изменяется наше пред-
ставление о «думающей» машине по мере развития науки и техники,
Поскольку эта проблема искусственного интеллекта по существу
беспредельна.
Одним из наиболее распространенных способов реализации
искусственного интеллекта является его представление в виде про-
грамм для ЭВМ. Широкое использование этого способа определяется
тем, что в качестве технических средств реализации сложных ин-
формационных моделей ЭВМ обладает рядом ценных свойств, в
19*
291
частности алгоритмической универсальностью. Перспективы ис-
пользования ЭВМ для реализации искусственного интеллекта свя-
заны в первую очередь с дальнейшим совершенствованием конструк-
тивно-элементной базы и математического обеспечения.
Мозг человека, согласно существующим представлениям,—
это система, воспринимающая, хранящая и перерабатывающая
информацию. В качестве информационной системы мозг человека
может быть описан путем перечисления реализуемых им программ.
Понятие программ — весьма общее и применимо для описания лю-
бой сложной системы. Основная задача искусственного интеллекта —
создание таких технических систем, программы которых частично
или полностью совпадали бы с программами мозга.
Операции, выполняемые техническим устройством, должны
обеспечить тот же результат, который получается у человека. При
этом операции, выполняемые человеком и машиной, могут быть
различными как в отношении их организации, так и в отношении
характера отдельных операций, но требуется лишь функциональная
эквивалентность поведения человека и машины, т. е. совпадение ко-
нечных результатов поведения в обоих рассматриваемых случаях.
Естественно, что функциональная эквивалентность поведения чело-
века и, например, робота с искусственным интеллектом может быть
достигнута только в определенных рамках. Конкретные условия и
ограничения зависят прежде всего от объема и степени сложности
решаемых задач.
При рассмотрении круга задач, которые могут выполнять робо-
ты с искусственным интеллектом, возникает важнейший, очень спор-
ный и сложный вопрос.
Что могут и чего не могут делать такие роботы?
Можно сказать, что это центральный, проблемный вопрос теории
искусственного интеллекта и робототехники. Одновременно воз-
никает смежный и не менее важный вопрос о правомерности понятия
«искусственный интеллект».
Автор вносит конструктивное предложение разделить все функ-
ции головного мозга на две группы. К одной отнесем эмоции, вдох-
новение, озарение и любовь. Оставим эти функции человеку и пока
не будем на них посягать, применяя технические системы. Для ис-
кусственного интеллекта отнесем проблемы распознавания окружаю-
щей обстановки, в том числе речи на естественном языке, синтез
речи для ответов, все математические вычисления и расчеты, со-
знание «я» и «не я», перемещение в пространстве (в том числе по по-
верхности), активное воздействие на окружающую среду, игры и
прогнозы в разных областях. Наверное, такое разделение функций
не вызовет особых возражений ни у кого и пока ни к чему не обя-
зывает.
Возможно, ожесточенные споры встретит толкование слова
«творчество». Автор настаивает на том, чтобы эту функцию отнести и
к области искусственного интеллекта, а также постарается доказать,
что это справедливое решение. На рис. 7.8 эти соображения приве-
дены в удобной форме. Начиная сверху и вниз расположены раз-
292
личные процессы, которые
могут быть отнесены к ин-
теллектуальным и свойст-
венны человеческому разу-
му. В верхней части распо-
ложены наиболее сложные
и до настоящего времени
не формализованные,- На-
чиная от творчества и ни-
же выписаны процессы,
которые поддаются форма- г-
лизации и в значительной |
степени уже реализованы.
Особое место занимает
процесс творчества. Нель-
зя не отметить, что уже
есть программы, позволяю-
Пюбознательность
Талант
Любовь
Змоиии
ТЬорчество
ыоаспозноние образов (
Речь на естественном языке
Паслена тические вычисления
щие автоматизировать про-
цесс конструирования ку-
зова автомобиля и других
сложных изделий. Такие
процессы всегда относили
к творческим, хотя это по-
нятие формулировалось в
научно-техническом аспек-
те. Следует думать, что
границы таких творческих
возможностей искусствен-
ного интеллекта со време-
нем будут расширяться.
Итак, что же можно
Проектно-конструкторские] работы
|О ООО] ; _______________ ___
|0 О о oj )________
Перемещение в пространстве ”...
!° о I '---1----
^BosdeuciTioue на окружающую среду
игры разные
прогнозы
Научно-технические
ожидать от искусственного рис y.g. распределение функций человече-
интеллекта в обозримом ского мозга и искусственного интеллекта
будущем.
В настоящее время между машиной и человеком, который хочет
вступить в диалог с ней, находится программист. Он должен пере-
вести мысли и пожелания пользователя на доступный для понимания
ЭВМ язык. Эта процедура, как уже было показано ранее, выпол-
няется на каком-либо формализованном языке. Проведение такой
работы требует от программиста определенных знаний, навыков и,
конечно, усложняет процесс диалога между человеком и машиной.
Исследования, которые ведутся в этом направлении, предусматри-
вают создание метода непосредственного диалога человека с машиной
на естественном языке. Конечно, интеллектуальные возможности
ЭВМ должны резко возрасти. Такое решение существенно упростит
общение человека с машиной и позволит пользоваться машиной каж-
дому, кто захочет.
Можно ожидать, что в ближайшие годы будут получены хорошие
результаты по совершенствованию систем распознавания внешней
293
зрительной информации, включая объемные сцены сложной формы,
печатный текст, машиностроительные и другие чертежи, геогра-
фические карты, аэрофотоснимки и т. д. Устройства для распо-
знавания образов должны иметь достаточно высокую разре-
шающую способность, возможность различать глубину сцены и
расцветку.
Что касается математических вычислений, то уже сейчас достиг-
нуты очень большие результаты. Уместно напомнить, что в настоя-
щее время ЭВМ может выполнять математические операции в та-
ком объеме и с такой скоростью, которые совершенно непосильны
•естественному интеллекту. Можно предполагать, что это направле-
ние будет постоянно развиваться главным образом за счет повыше-
ния быстродействия ЭВМ. Как ни странно, громадное быстродей-
ствие существующих ЭВМ оказывается недостаточным в тех ситуа-
циях, когда вычисления должны выполняться в естественном
масштабе времени для быстро протекающих процессов.
Автоматизация проектно-конструкторских и технологических
работ осуществляется достаточно эффективно с помощью систем
автоматизированного проектирования (САПР). Следует отметить,
что уровень автоматизации проектно-конструкторских работ по-
стоянно увеличивается. Как показал академик В. М. Глушков, пере-
ход к безбумажной информатике возможен и реален уже сейчас.
Таким образом, можно исключить все графические и текстовые до-
кументы и передать результаты САПР прямо в цех на станки с чис-
ловым программным управлением.
Значительно сложнее автоматизировать ту часть проектно-
конструкторских работ, где зарождается идея устройства или ма-
шины, формируется техническое задание. Автор полагает, что и
этот этап, который сейчас относят к сугубо творческому процессу,
в обозримом будущем будет автоматизирован.
Перемещение в пространстве и активное воздействие на окру-
жающую среду — прерогативы робота с искусственным интеллек-
том. Возможности искусственного интеллекта в области различных
игр практически беспредельны, так как это полностью формализу-
емые процессы. Сдерживающие факторы для некоторых игр — не-
достаточное быстродействие ЭВМ и отсутствие эффективных мето-
дов решения сложных задач.
Научно-технические прогнозы — одно из важнейших направ-
лений развития искусственного интеллекта. Надо полагать, что на
разработку этого научного направления будут направлены боль-
шие усилия ученых и инженеров, что позволит получить в обозримом
будущем хорошие результаты. Один из вариантов этого направле-
ния — исследование явлений, экспериментальное изучение кото-
рых невозможно, например экологические последствия крупных
инженерных проектов (таких, как переброска стока больших рек и
др.). Необходимые параметры либо нельзя воспроизвести в земных
условиях, либо это может сопровождаться риском нанесения необ-
ратимого ущерба для Земли. В этом плане очень интересна работа по
изучению биосферы нашей планеты как единого организма, ведуща-
294
яся в Вычислительном центре АН СССР под руководством академи-
ка Н. Н. Моисеева. Называется эта система «Гея».
Недавно в американском журнале «Ньюс уик» были опублико-
ваны материалы о том, что в настоящее время ведутся работы по
созданию принципиально новых вычислительных систем, имити-
рующих принципы работы человеческого мозга. Специалисты на-
деются получить новое поколение машин, которое пока называют
<нервными системами». Эти машины будут обладать способностью к
самообучению, адаптации, смогут предсказывать поведение человека
в различных ситуациях. Уже проведена первая международная кон-
ференция специалистов-математиков, биологов, электронщиков,
работающих над созданием таких систем.
Первые созданные исследовательские образцы нового поколения
уже проявили способность «опознавать» людей с измененной внеш-
ностью (приклеенные усы, очки), так как они ищут образец, состоя-
щий из совокупности признаков, а не определяют отдельные де-
тали.
Особенно примечательна способность новых систем к обучению.
Один такой компьютер самостоятельно научился читать вслух
по-английски. В него был введен образец печатного текста и его фоно-
грамма. Сначала компьютер пытался читать текст путем произволь-
ной привязки звуков к буквам с последующей сверкой с фонограм-
мой. Из первоначальной неразберихи компьютер выделил затем не-
большие слова. Система непрестанно повторяла этот процесс, каж-
дый раз меняя внутреннюю программу, чтобы получить вариант,
более подходящий к фонограмме. Проработав несколько часов, ком-
пьютер добился вполне понятного на слух воспроизведения анг-
лийского текста.
Предполагается, что новое поколение компьютеров позволит
значительно ближе подойти к изучению функционирования челове-
ческого мозга и моделированию его деятельности. Если ученые-
смогут уверенно освоить эту область, то многие задачи искусствен-
ного интеллекта, которые кратко изложены в этой книге, получат
новую интерпретацию, а то, что сейчас кажется фантазией, станет
реальностью.
В настоящее время существует много направлений исследова-
ния и создания роботов с искусственным интеллектом. Разнообраз-
ны и области их применения: космос, океан, сборочное производст-
во, транспортные операции, сельское хозяйство, зоны высокой ра-
диоактивности, вождение автомобилей, домашнее хозяйство, охрана
помещений, демонстрация экспонатов выставки, игра на фор-
тепиано (по нотам) и т. д. Список этих областей постоянно
растет.
В настоящей книге кратко остановимся на описании кос-
мических, сборочных роботов и транспортных роботов —
робокаров.
1
»!>
7.3.1. Космические роботы
С незапамятных времен человек интересовался космосом, воз-
можностью жизни на других планетах и установлением контактов
с иными цивилизациями, если они существуют. Эта мечта челове-
чества обрела реальную основу XX век характеризуется большими
достижениями в завоевании космоса. Человек не только впервые
оторвался от Земли, но и уверенно покоряет околоземное прост-
ранство, делает успешные попытки изучить ближайшие планеты и
«блуждающие странницы» космоса — кометы.
В наше время, после запуска искусственных спутников земли,
орбитальных станций и дальних разведчиков вселенной типа сис-
темы «Вега», появились серьезные исследования, посвященные
научному диализу этой увлекательной проблемы, бывшей до этого
только сюжетом научно-фантастических повестей.
Наблюдая стремительный темп исследований космоса, можно
утверждать, что существует минимум три принципиально отличных
пути исследования космического пространства: направление челове-
ка в специальных летательных аппаратах; посылка в космос полуав-
томатических телеуправляемых устройств; переброска в космос
автоматических устройств, действующих автономно.
Первый путь дает возможность получить наибольший объем
информации, хорошо исследован при запуске и эксплуатации на
орбите космических кораблей с космонавтами на борту, но сопря-
жен с большой опасностью для человека и может быть использован
только после проведения длительных и всесторонних предвари-
тельных исследований. Вспомним, как много было проделано
предварительных опытов и полетов, прежде чем Ю. Гагарин
смог подняться в космос и сделать только один виток вокруг
Земли.
Второй и третий пути не сопряжены с риском для человека и
поэтому могут смело применяться на первых этапах исследования
космического пространства. Второй путь проложили отечественные
телеуправляемые роботы «Луноход-1» и «Луноход-2» — плането-
ходы, как назвал их А. Л. Кемурджиан, автор книги «Планетохо-
ды» (М.: Машиностроение, 1982). Третий путь — переброска в кос-
мос автоматических, действующих автономно устройств, которые и
являются роботами с искусственным интеллектом в полном понима-
нии этого термина.
Современный уровень развития робототехники пока еще не со-
ответствует требованиям, предъявляемым к космическим роботам,
главным образом из-за ограниченных возможностей существующих
роботов с точки зрения обработки информации. Поэтому в настоящее
время ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские
работы, рассчитанные на поэтапное создание таких роботов, которые
могли бы решать сложные манипуляционные, управленческие и
транспортные задачи, доступные сейчас только человеку.
В обозримой перспективе, может быть в 2000 или даже в 2010 г.,
можно ожидать появление космических роботов с высоким уровнем
296
искусственного интеллекта, которые могли бы выполнять различные
работы:
— переброску научной аппаратуры, грузов и космонавтов по
поверхности других планет с помощью специальных транспортных
роботов-планетоходов;
— выполнение в космосе сварочных работ с помощью контакт-
ной, дуговой и электронно-лучевой сварки (заметим, что сварку
в космосе уже неоднократно проводили космонавты аппаратурой,
созданной в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР);
— сборку и монтаж конструкций орбитальных космических
станций, состоящих из отдельных элементов, доставляемых с Земли;
— проверку и ремонт станций, включая контроль состояния ее
поверхности с помощью специальных датчиков, а также различные
процедуры по заделке повреждений, трещин и устранению других
дефектов;
— обслуживание и ремонт искусственных спутников Земли,
орбитальных станций, включая технический уход, изъятие или за-
мену вышедших из строя устройств, их периодическую очистку и
заправку топливом;
— выполнение различных производственных процессов в кос-
мосе, научно-исследовательских работ и т. д. Глубокий вакуум,
невесомость, отсутствие загрязнения создают идеальные условия для
выполнения некоторых технологических процессов, как, например,
электронно-лучевая сварка, плавка и т. д.
Основной принцип, который, по-видимому, будет прослежи-
ваться во всех технологических направлениях развития космиче-
ских роботов, состоите постепенном сокращении пребывания космо-
навта в открытом космосе за бортом станции и повышении уровня
интеллектуальности роботов. Как следствие этого, будут постепенно
усложняться их функциональнаэ возможности.
Для выполнения этой сложной программы исследований мож-
но наметить следующие основные направления работ:
— разработка совершенных методов обучения космических ро-
ботов, в том числе специальным проблемно-ориентированным язы-
ком;
— создание точных и надежных манипуляторов, способных ра-
ботать длительное время в условиях невесомости и глубокого ваку-
ума;
— совершенствование систем технического зрения, высокоточ-
ных дальномеров и методов обработки получаемой информации;
— разработка широкой гаммы быстросменных рабочих органов;
— создание программного обеспечения для моделирования и
управления, планирования действий роботов;
— разработка совершенных источников энергопитания роботов;
— создание сборочных роботов, требующих обобщения данных,
поступающих от датчиков внешней информации (оптических, так-
тильных, усилия, моментов и т. д.).
Особое внимание должно уделяться архитектуре систем уп-
равления автономных и телеуправляемых роботов. Она должна быть
20 0-1922
297
Риа. 7.9. Обслуживающий космический робот
организована по иерархическому принципу, в котором команды
высокого уровня могут постепенно преобразовываться до уровня
элементарных команд для двигателей приводов.
Сборка и монтаж конструкций орбитальных станций. Сбороч-
ные работы в космосе, их проверка, ремонт и обслуживание искус-
ственных ступников Земли имеют много общего с точки зрения об-
щей схемы выполнения этих операций.
Роботы, предназначенные для сборочных и ремонтных работ,
не должны входить в состав и конструкцию искусственного спут-
ника, так как это нецелесообразно. Ведь такой робот с системой
управления будет использоваться весьма редко, а масса его будет
достаточно велика. Примерно такие же соображения, хотя может
быть не столь очевидные, можно высказать и по отношению к орби-
тальным космическим станциям. Таким образом, можно сформули-
ровать идею, что космические обслуживающие роботы должны
существовать отдельно и могут быть использованы для разных объ-
ектов по мере необходимости в ремонте и обслуживании. По-види-
мому, такой обслуживающий робот будет сложнее, нежели робот,
установленный непосредственно на спутнике, но зато он может
обслуживать несколько объектов. Такой принцип технического об-
служивания давно принят в земных условиях и хорошо себя заре-
комендовал.
Обслуживающий робот может иметь различный внешний вид.
Один из вариантов [531 представлен на рис. 7.9. Робот состоит иэ
298
цилиндрической оболочки 8, в центре которой имеется стыковочный
узел 3, обеспечивающий точное и неподвижное соединение робота е
обслуживаемым объектом. Следует отметить, что обеспечение жест-
кого взаимного расположения робота и обслуживаемого объекта
совершенно необходимо, так как в условиях невесомости даже не-
большое усилие может повлечь за собой разъединение их в прост-
ранстве и последующее неуправляемое движение. Кроме того, об-
служивание объекта всегда в одном и том же положении существенно
упрощает задачу управления манипулятором.
На оси штыря расположен манипулятор 2 рычажной компонов-
ки с пятью-шестью управляемыми координатами, несущий быстро
сменный рабочий орган 1. Внутри цилиндрической оболочки рас-
положены гнезда, в которых находится система управления манипу-
лятором, набор рабочих органов различного назначения, запасные
блоки 6 и модули 7 для замены вышедших из строя, прямолинейные
направляющие 4, механизм крепления сменных модулей 5. По-ви-
димому, такой обслуживающий робот должен иметь свою систему
управления и бортовые двигательные установки для некоторого пе-
ремещения его в пространстве.
Конечно, такой принцип обслуживания и ремонта космических
объектов предъявляет к конструкторам большие требования по
созданию взаимозаменяемой модульной конструкции, например,
спутников. Ведь замена вышедшего из строя блока должна быть
достаточно простой в технологическом отношении. Заметим, что
модульный (агрегатный) принцип давно получил распространение
в промышленности всех стран, является единственным целесооб-
разным путем создания широкой гаммы конструкций из ограничен-
ного набора стандартных модулей и, несомненно, найдет широкое
применение и в конструкциях космических объектов.
Проблема создания и применения специальных обслуживающих
космических роботов находится на первом этапе своего развития,
когда обсуждаются основные принципиальные вопросы. Возможно,
что мы еще станем свидетелями появления первых эксперименталь-
ных образцов таких роботов.
7.3.2. Роботы для сборочного производства
В последние годы во многих странах интенсивно развивается
роботизация сборки. Эго становится одним из ведущих направлений
применения роботов в промышленности. Прежде всего надо сразу
уточнить, что речь идет о роботизации мелкосерийного и серийного
производства. В условиях массового и крупносерийного произ-
водства, удельный вес которого составляет примерно 25 %, приме-
нение роботов, в том числе и для автоматизации сборки, неце-
лесообразно — там могут быть использованы другие автома-
тические устройства и системы, имеющие жесткие системы управ-
ления.
Удельный вес сборки в общем цикле изготовления изделия ко-
леблется в широких пределах — от 20 до 60 % (чаще 30 %).
20*
299
Рис. 7.10. Экспериментальный образец робота «Хитачи К4* 0 мху**
ственным интеллектом для сборки сложных изделий
Характеристика и особенности сборочного производства приве-
дены в п. 5.4. Можно сформулировать три основных правила робо-
тизации сборки:
1) простое решение задачи роботизации возможно в условиях
высокоорганизованной внешней среды, повторяющихся размерных
характеристик и пространственных положений деталей и собирае-
мых изделий при отсутствии существенных различий в их форме и
конструкции;
2) сложность проблемы роботизации сборки может быть сниже-
на, если создать условия, при которых робот сможет оперировать
деталями или узлами по одному и тому же алгоритму, считая, что
все поступающие детали строго одинаковы;
3) для определения всех изменений, возникших в процессе сбор-
ки, необходимо, чтобы робот был оснащен соответствующей адап-
тивной системой и искусственным интеллектом для перестройки ра-
боты механической системы манипулятора.
На основании изложенного можно с уверенностью утверждать,
что применение роботов первого поколения (промышленных робо-
тов) для сборки возможно только при соблюдении ряда очень серь-
езных требований.
Приведенные выше соображения позволяют автору сформули-
ровать следующие основные требования к роботам с искусственным
интеллектом применительно к процессам сборки!
зоо
1. Робот может быть стационарным или подвижным. Стацио-
нарный робот должен иметь зону обслуживания, гарантирующую
доступ ко всем точкам собираемого изделия. Подвижный робот
необходим только при сборке изделия с большими габаритными раз-
мерами, например, самолета.
2. Робот должен иметь совершенный манипулятор (один или
несколько), обеспечивающий выполнение всех технологических про-
цессов сборки во всех точках собираемого изделия.
3. Робот должен быть оборудован системой технического зре-
ния, способной дать необходимую информацию об окружающей
среде, собираемом изделии и деталях к нему.
4. Робот должен иметь искусственный интеллект, который обес-
печит принятие решений в любой сложившейся ситуации.
5. Программирование процесса сборки желательно осущест-
влять с помощью сборочного чертежа изделия. Заметим, что такой
сборочный чертеж, по-видимому, будет несколько отличаться от
обычных сборочных чертежей, которые выполняются для челове-
ка-сборщика.
6. Робот должен быть оборудован быстросменными рабочими
органами, которые обеспечат выполнение всех операций сборки
(взятие детали, ее удержание, обработку отверстий, сварку и т. д.).
В качестве примера на рис. 7.10 показан экспериментальный
образец робота фирмы «Хитачи К°» с искусственным интеллектом
для сборки сложных изделий. Робот имеет два манипулятора с раз-
ветвленной системой восприятия информации с семью телекамерами.
Роботом управляют две ЭВМ.
7.3.3. Робокары д: ' я
Робокаром называют подвижный робот, предназначенный для
автоматизации транспортных средств в гибких автоматизированных
производствах и гибких производственных системах.
Задача создания подвижного робота типа робокара не входит
непосредственно в проблему роботов с искусственным интеллектом,
но тесно к ней примыкает и может рассматриваться как первый
шаг на этом пути. Поэтому автор считает возможным познакомить
читателя с этими интересными устройствами.
Робокары предназначены для перемещения заготовок и деталей
в ГПС между технологическим оборудованием — металлорежу-
щими станками разного типа, в том числе обрабатывающими цент-
рами, автоматизированными складами и другими видами оборудо-
вания. Робокары могут перемещаться по заранее обозначенным
трассам, например, вдоль проложенных металлических полос на по-
лу цеха либо в произвольных направлениях по соответствующим
маршрутам, диктуемым требованием технологии. Движение робо-
кара определяется специальными бесконтактными датчиками; они
имеют автономное питание от аккумуляторных батарей и бортовую
ЭВМ, которая связана с центральной ЭВМ, управляющей работой
всей ГПС.
301
Рис. 7.11. Общий вид робокара и схема располо-
жения датчиков внешней информации:
Датчики: 1 — взятия груза; 2 — определения нали-
чия тары на исходной позиции; 3 — открытия захват-
ного устройства манипулятора; 4 — определения на-
личия тары в ячейках платформы; 5 — остановки
робокара; б — коррекции положения робокара на
рабочем месте: 7 — опознавания объектов! 8 —- связи
в ЭВМ; 9 — слежения за направляющей полосой!
10 — безопасности движения (на бампере)
В качестве примера
можно привести описа-
ние робокара, разрабо-
танного и изготовленно-
го в НИАТ и демонстри-
ровавшегося на Выстав-
ке достижений народно-
го хозяйства в Киеве в
1986 г. (рис. 7.11).
Грузоподъемность ро-
бокара составляет 500 кг,
регулируемая скорость
движения не более 1 м/с,
точность остановки ро-
бокара относительно по-
зиции загрузки-выгруз-
ки не менее ± 2 мм, га-
баритные размеры 2000 х
X 700 X 400 мм.
В настоящее время
существуют и другие
варианты использования робокаров, когда он несет на себе изде-
лие, например, кузов легкового автомобиля, предварительно со-
бранный в специальном кондукторе и предназначенный для кон-
тактной точечной сварки и последующей окраски. В начале своего
пути робокар с кузовом автомобиля проходит специальное измери-
тельное устройство и затем начинает двигаться по цеху, поочеред-
но проходя посты, где выполняются соответствующие технологи-
ческие операции. Так организована автоматизированная система
«Робогейт», созданная концерном «Фиат» совместно со станкострои-
тельной фирмой «Комау».
Авторы этой разработки соглашаются с тем, что такая система
сложнее и дороже, чем традиционный конвейер, но показывают ее
преимущества, главное из которых — высокая гибкость в условиях
мелкосерийного и серийного производства. В системе «Робогейт»
устройство управления робокара достаточно сложное, так как, кро-
ме задачи транспортирования изделия, робокар несет большой
объем информации конструктивного и технологического харак-
тера.
Следует полагать, что в будущем робокары будут совершенст.
воваться в направлении повышения уровня искусственного Интел,
лекта для решения навигационных, технологических и информа*-.
ционных задач.
7.4. Будущее роботов
Картина мира, где роботы свободно перемещаются по всей Зем-
ле, активно помогают людям и готовы взяться за любую опасную и
»яжелую работу, способна увлечь воображение каждого; однако
802
прежде, чем она станет реальностью, ученым потребуется преодо-
леть множество серьезных преград и решить несколько важных
проблем. В том, что такое будущее наступит, предположительно в
XXI в., у автора нет никаких сомнений. Существует много причин,
приводящих к неизбежности такого будущего. Вот одна из них.
Сейчас численность роботов на предприятиях невелика, но их
применение непрестанно расширяется и с течением времени станет
массовым явлением. Они будут также необходимы и привычны, как
сейчас телевизор или автомобиль.
Причина тому проста, но весома — они нужны человеку. В свою
очередь, и человек необходим им для нормального функционирова-
ния. Такая ситуация оценивается как симбиоз. Под симбиозом по-
нимают, как известно, совместную жизнь двух различных видов
живых организмов при взаимовыгодной связи. Можно ли это поня-
тие применить в нашем случае к таким слишком уж различным ка-
тегориям, как человек и сравнительно примитивный автомат — про-
мышленный робот?
Рассмотрим в качестве примера участок цеха, где на контактной
точечной сварке работает несколько роботов. Человек определяет
их нагрузку, программирует, удовлетворяет их нужды в обслужива-
нии, проверяет работу, обучает их и заботится о них. Роботы в этой
симбиотической связи освобождают человека от тяжелого, монотон-
ного и часто утомительного физического труда. Не вызывает сомне-
ния целесообразность и взаимная полезность такой связи. Совершен-
ствование и распространение роботов неизбежно приведут к укреп-
лению и расширению этих связей.
Можно было бы привести и другие причины, в частности исклю-
чение фактора опасности при проведении исследований в экстре-
мальных ситуациях: в космосе, под землей, в океанских глубинах,
вонах высокой радиоактивности и т. д.
Можно определить проблемы, которые надо решить в обозри-
мо короткое время для того, чтобы робот действительно стал дру-
гом и активным помощником человека. К ним относятся разработка
органов чувств, создание искусственного интеллекта высокого уров-
ня, разработка движущихся роботов и обучение роботов различным
профессиям. Последняя задача — одна из самых близких и реаль-
ных, роботы нашего времени умеют выполнять множество работ,
некоторые из них они выполняют лучше и быстрее человека.
Проблема создания искусственного интеллекта очень сложна,
о ней говорилось в разделе «Роботы с искусственным интеллектом»
и повторяться нет оснований. Остальные две требуют пояснений.
Для того чтобы робот стал достойным помощником человека,
необходимо снабдить его органами чувств, обеспечивающими прием
внешней информации об окружающей среде. Только в этом случае
можно создать предпосылки для превращения промышленных ро-
ботов, которые пока действуют чисто механически, подчиняясь при-
казам человека, в устройства, действительно обладающие способ-
ностью к адаптации и элементами интеллекта, т. е. умением само-
вгоятельно «мыслить», реагировать на изменения в окружающем
зоз
мире и принимать хотя бы простейшие решения. В перспективе не-
обходимо создать роботы, которые могли бы воспринимать явле-
ния окружающей среды так же, как и люди: такие роботы должны
обладать зрением, слухом, осязанием и, может быть, даже обоня-
нием. Некоторые классы или типы роботов должны обязательно
оснащаться специальными датчиками радиоактивного излучения.
В лучшем варианте роботы должны общаться с людьми на обычном,
естественном языке. Можно предположить, что между собой роботы
будут общаться на «своем», специальном языке.
В настоящее время проблема создания движущихся роботов
находится в начале своего развития. Роботы малоподвижны, не-
уклюжи, тихоходны. Несмотря на весьма скромные успехи в этой
области, движущиеся в пространстве устройства обладают удиви-
тельной притягательной силой. По какой-то необъяснимой логике
они кажутся более «живыми», чем стационарные, даже очень совер-
шенные автоматические устройства. Ведь всегда наибольший инте-
рес вызывают рассказы о путешествиях и живых существах, спо-
собных передвигаться в пространстве и времени. И это вовсе не
пустая прихоть человеческой психологии, а отражение некоего
фундаментального принципа. Окружающий нас мир отличается ог-
ромным разнообразием, и именно путешественник непрерывно по-
падает в новую обстановку, сталкиваясь с необходимостью по-ново-
му реагировать на вызов, который бросает ему природа. Те механиз-
мы, которые способны перемещаться, как правило, имеют дело с
более разнообразными условиями, чем те, которые находятся всег-
да на одном месте.
Жизнь на Земле можно рассматривать, как грандиозный экс-
перимент по отбору различных видов и их эволюции. Можно сказать,
что разум (интеллект) человека возник благодаря подвижности ор-
ганизма. Такой же отбор, по-видимому,' будет определить и эво-
люцию роботов, и может быть именно движущиеся роботы позволят
лучше справиться с некоторыми неразрешимыми в настоящее время
проблемами искусственного интеллекта. К числу таких проблем
относится вопрос о целенаправленных логических рассуждениях
и процесс обучения на основе накопленного опыта.
Движущийся робот способен производить свободный поиск в
окружающем его мире и выполнять сложные целенаправленные
действия.
Немалые трудности вызывает задача создания компактных и
достаточно мощных приводов, которые могли бы обеспечить движе-
ние роботов в пространстве и перемещение его рабочих органов —
«рук» и «ног». Вряд ли при серьезном научном и инженерном под-
ходе эта задача может оказаться неразрешимой. В настоящее время
в нашем распоряжении имеются громоздкие гидро- и пневмоприводы,
насосные станции и двигатели относительно больших размеров.
Эти типы приводов не могут быть базой для создания совершенных
кинематических механизмов, обладающих необходимым быстродей-
ствием, точностью и мощностью. Однако уже созданы электродви^
гатели малых размеров, позволяющие получить нужные параметры.
304
Можно полагать, что в ближайшие годы в этом направлении будут
достигнуты значительные успехи.
Несмотря на то, что проблема создания и применения роботов
различных поколений находится в начале своего развития и сегодня
еще трудно предвидеть все последствия в будущем, жалеть усилий,
времени и средств на ее развитие нельзя, это было бы недально-
видно.
Следует полагать, что роботы с искусственным интеллектом
будут развиваться по пути создания профессиональных, проблем-
но-ориентированных моделей. Нет никакого сомнения в том, что
среда обитания робота будет накладывать свей неизгладимый от-
печаток на форму, конструкцию робота и методы управления им.
В этом просматривается принципиальная разница в качестве пре цес-
са эволюции человека и робота.
Человеку свойственно приспосабливаться к окружающей среде
в значительной степени, но у роботов границы приспособления к
экстремальным условиям обитания будут значительно шире. Робот
может и должен приобретать новые формы, механизмы и конструк-
тивные ссобенности. Можно сказать, что робототехника конца XX в.
развивается во многих направлениях, идет поиск наиболее целе-
сообразных областей применения роботов и, конечно, их кон-
струкций.
В стратегическом плане успехи в развитии робототехникф’будут
в значительной степени зависеть от того, как скоро определятся эти
главные направления и области применения интеллектуальных ро-
ботов.
Уместно отметить, что сейчас иногда говорят о роботах следую-
щих поколений, особенно когда описывают появившиеся недавно в
Японии робот-гид по выставке, робот-художник, который рисует с
натуры, и другие интересные образцы. Автор не склонен считать
правильным такой подход. Не в увеличении количества поколений
задача. Такой подход только усложнит терминологию и не принесет
конкретной пользы.
Один из важных факторов, которые будут решающим образом
влиять на развитие робототехники в будущем,— миниатюризация
средств вычислительной техники, увеличение быстродействия и
существенное повышение надежности их работы. Если в этом на-
правлении не будут достигнуты решающие результаты, то робототех-
ника будет развиваться только в теоретическом плане и в виде соз-
дания лабораторных и экспериментальных образцов, малопригод-
ных для широкого использования.
Большое влияние на проблему создания роботов с искусственным
интеллектом может оказать бионика. Изучение принципов построе-
ния и функционирования биологических систем с целью создания
новых машин и устройств может оказаться плодотворным направ-
лением в области робототехники. Особое место занимает нейробио-
ника, которая изучает и реализует в технических устройствах
принципы переработки информации в нервной системе человека и
животных.
305.
В частности, следует отметить такое важное обстоятельство.
В современных робототехнических системах преобразование дис-
кретной информации в аналоговую, непрерывную происходит с по-
мощью специальных преобразователей «аналог — код» или «код —
аналог», причем иногда при таком преобразовании уменьшается
точность измерения сигнала.
С этой задачей успешно, без всякого труда, справляются живые
организмы. Тут есть над чем подумать разработчикам систем уп-
равления роботов. Проблема взаимодействия человека с роботом
привлекает внимание специалистов и считается очень важной и
перспективной задачей в робототехнике. Если говорить о взаимо-
действии человека с роботом первого поколения, то эта задача реше-
на достаточно полно. Симбиоз человека и робота первого поколения
привел к частичному перераспределению обязанностей и сфер дея-
тельности. Человек оставил за собой право творца роботов, обучает
роботы и обслуживает их. Что касается последней обязанности, то
автор совершенно уверен в том, что это временное явление. Прой-
дет немного времени и роботы будут обслуживать себя сами.
Существует мнение, и его придерживается автор, что создание и
применение роботов вообще и роботов с искусственным интеллектом
в частности принесет человечеству большую пользу. Однако не сле-
дует думать, что социальные и другие последствия таких исследова-
ний будут только положительными.
Прежде всего, нельзя забывать о том, что исследования в этом
направлении требуют больших капиталовложений, которые должны
поступать из общественных фондов и которые могут быть использо-
ваны в других направлениях, может быть более нужных. Кроме того,
нельзя не думать и о том, что исследования в области роботов с ис-
кусственным интеллектом могут быть успешно использованы в воен-
ных целях, о чем встречаются краткие сообщения.
В книге «Творец и робот» известный ученый Норберт Винер пи-
сал: «Будущее оставляет мало надежд для тех, кто ожидает, что
роботы создадут для нас мир, в котором мы будем освобождены от
необходимости мыслить. Помочь они нам могут, но при условии, что
наша честь и разум будут удовлетворять требованиям самой высокой
морали».
Нет сомнений, что время откроет новые, увлекательные страницы
такой перспективной, интересной и полезной проблемы, как робото-
техника.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ V .
И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1, Автоматизированные технологические комплексы «оборудование—робот».—
М. : НИИМаш Минстанкопрома, 1981.— 104 с.
2. Автоматы и разумное поведение / Н. М. Амосов, А. М. Касаткин, Л. М. Ка-
саткина и др.— К. : Наук, думка, 1973.— 260 с.
8, Артоболевский И. И., Кобринский А. Е. Знакомьтесь — роботы! — М. : Мол.
гвардия, 1977,— 238 с.
4. Артоболевский И. И., Кобринский А. Е. Роботы//Машиноведение.— 1970.—
№ 5,— С. 14.
5. Белянин П. И. Промышленные роботы.— М. : Машиностроение, 1975.— 397 с,
6. Белянин П. Н. Промышленные роботы Японии.— М. : НИИАТ, 1977.—
454 с.
7, Белянин П. Н. Робототехнические системы для машиностроения: Автомат,
манипуляторы и робототехн, системы.— М. : Машиностроение, 1986.—
256 с.
8, Бурдаков С. Ф., Дьяченко В. А., Тимофеев А. Н. Проектирование манипуля-
торов промышленных роботов и робототехнических комплексов.— М. : Высш,
шк., 1986.— 264 с.
9. Воробьев Е. И., Козырев Ю. Г., Царенко В. И, Промышленные роботы агрегат-
но-модульного типа / Под ред. Е. П. Попова,— М. : Машиностроение, 1988,—
240 с.
10. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы: Пер. с
англ.— М. : Мир, 1976.— 540 с.
11. Гусев А. П., Евгеньев Г. Б., Рапопорт Г. И. Групповое управление станками
от ЦВМ.— М. : Машиностроение, 1974.— 204 с.
12. Заренин Ю. Г., Збырко М. Д., Крединцер Б. Б. Надежность и эффективность
АСУ.— К. : Техн1ка, 1975.— 368 с.
13. Инструкция по оценке экономической эффективности промышленных робо-
тов.— М. : НИИМаш Минстанкопрома, 1983.— 84 с.
14. Испытания промышленных роботов: Метод, рекомендации.— М. : НИИМаш
Минстанкопрома, 1983.— 100 с.
15. Катыс Г. И. Визуальная информация и зрение роботов.— М. : Энергия,
1979,— 175 с.
16, Качура А. С., Титаренко В. И. Опыт внедрения гибкой производственной
системы токарной обработки на КПО им. Артема.— К.: О-во «Знание» УССР,
1988 — 19 с.
17. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы : Справ.— 2-е изд., перераб. и доп.—
М. : Машиностроение, 1988.— 392 с.
18. Костюк В. И., Ямпольский Л. С., Иваненко И. В. Промышленные роботы в
сборочном производстве.— К. : Техшка, 1983.— 180 с.
19. Костюк В. И., Ямпольский Л. С., Карлов А. Г. Промышленные роботы и их
применение.— К. : О-во «Знание» УССР, 1980.— 64 с.
20. Красников В. Ф., Лымарь И. И. Надежность структуры промышленных ро-
ботов И Вести, машиностроения.— 1983.— № 18.— С. 10—13.
21. Криницкий И. А. Алгоритмы и роботы.— М. : Радио и связь, 1983,—
108 с.
22. Манипуляционные системы роботов / А. И. Корендясев, Б. Л. Саламандра,
Л. И. Тывес и др,; Под ред, А, И. Корендясева,— М, ; Машиностроение,
1989,— 472 с.
307
23, Металлорежущие станки и автоматы / А. С. Проников, И. И, Камышный,
Л. И. Волкович и др.— М. : Машиностроение, 1981.— 479 с.
24. Механика промышленных роботов: В 3 кн. / Под ред. К. В. Фролова,
Е. И. Воробьева. Кн. 1 : Кинематика и динамика / Е. И. Воробьев, С. А. По-
пов, Г. И. Шевелева.— М. : Высш, шк., 1988.— 304 с.
25. Мишкинд С. И., Ефремов Е. В. Развитие робототехники за рубежом : Обзор.—
М. : НИИМаш Миистанкопрома, 1976.— 86 с.
26. Патон Б. Е., Спыну Г. А., Тимошенко В. Г. Промышленные роботы для свар-
ки.— К- : Наук, думка, 1977.— 224 с.
27. Планетоходы! А. Л. Кемурджиан, В. В. Громов, И. Ф. Кожукало и др.—
М. : Машиностроение, 1982.— 314 с.
28. Подготовка производства к применению промышленных роботов.— М, :
НИИМаш Миистанкопрома, 1980.— 44 с.
29. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы :
Динамика и алгоритмы.— М. : Наука, 1978.— 398 с.
30. Пособие по применению промышленных роботов / Под. ред. К. Нода.— М,:
Мир, 1975.— 451 с.
31, Проектирование и разработка промышленных роботов / С. С. Аншин, А. В. Ба-
бич, А. Г. Баранов и др.; Под общ. ред. Я. А. Шифрина, П. Н. Белянина.—
М. : Машиностроение, 1989.— 272 с.
32. Промышленная робототехника / А. В. Бабич, А. Г. Баранов, И. В. Калабин
н др.; Под ред. Я. А. Шифрина.— М. ^Машиностроение, 1982.— 415 с.
33. Промышленная робототехника / Л. С. Ямпольский, В. А. Якимович,
Е. Г. Вайсман и др.— К. : Техника, 1984.— 264 с.
34. Промышленные роботы в машиностроении: Альбом схем и чертежей / Ю. М. Со-
ломенцев, К. П. /Ку'ков, Ю. А. Павлов и др.— М. : Машиностроение, 1986.—
140 с.
35. Промышленные роботы: Внедрение и эффективность: Пер. с яп. / К. Асаи,
С. Кнгами, Т. Кодзима и др.— М. : Мир, 1987.— 384 с.
36. Промышленные роботы/В. И. Костюк, А. П. Гавриш, Л. С. Ямпольский и
др.— К. : Вища шк. Головное изд-во, 1985.— 359 с.
37. Промышленные роботы и манипуляторы с ручным управлением: Каталог.—
М. : НИИМаш Миистанкопрома, 1982.— 100 с.
38. Промышленные роботы : Каталог.— М. : НИИМаш Миистанкопрома, 1987,—
109 с.
39. Роботизированные производственные комплексы / Ю. Г. Козырев, А. А. Ку-
динов, В. Э. Булатов и др.— М. : Машиностроение, 1987.— 272 с.
40. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: В 9 кн. / Под
ред. И. М. Макарова.— М. : Высш, шк., 1986.— Кн. 1—9.
41. Робототехнические системы в сборочном производстве / Под. ред. Е. В. Паш-
кова.— К. : Вища шк. Головное изд-во, 1987.— 272 с.
42. Система обучения промышленного робота для контактной точечной сварки /
Г. А. Спыну, В. Г. Тимошенко, В. С. Федоров и др.// Автоматич. сварка.—
1976.— № 2,— 10 с.
43. Системы технического зрения на базе полупроводниковых лазеров / Д. Е. Охо-
цнмский, А. К- Платонов, В. А. Веселов и др.//Проблемы машинного виде-
ния в робототехнике.— М. : Ин-т прнкл. мат. АН СССР, 1981.— С. 10—35.
44. Современные промышленные роботы: Каталог.— М. : Машиностроение,
1984.— 150 с.
45. Спыну Г. А. Методические указания по курсу «Промышленные роботы»____
К. : Киев, политехи, ин-т., 1981.— 52 с.
46. Спыну Г. А. Роботы с искусственным интеллектом.— К. : Тэхника, 1989.—
108 с.
47. Спыну Г. А., Тимошенко В. Г., Антоненко В. Т. Автоматизация сварочного
производства : Роботы И Сварка : В 10 т.— М. : ВИНИТИ АН СССР, 1978.—
Т. 10,—С. 108.
48. Станки с числовым программным управлением / Под. ред. В. А. Лещенко.—
М. : Машиностроение, 1979.— 592 с.
49. Управляющие системы промышленных роботов / Ю. Д. Андрианов, Л. Я. Глей-
зер, М. Б. Игнатьев и др.; Под общ. ред. И. М. Макарова, В. А. Чиганова.—
М,: Машиностроение, 1984.— 288 с,
308
БО, Устройство промышленных роботов / Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков, Р. Б. Ко-
рытко и др.— Л. : Машиностроение. Ленингр, отд-нне, 1980.— 333 с,
51. Федорец В. А., Петченко М. Н., Кухарец А. В. Расчет пневматических и пнев-
могидравлических цикловых систем.— К- : Техшка, 1981.— 184 с.
52. Чвертко А. И., Патон В. Е., Тимченко В. А. Оборудование для механизиро-
ванной дуговой сварки и наплавки.— М. : Машиностроение, 1981.— 264с.
53. Эйрис Р., Миллер С. Перспективы развития робототехники.— М. : Мир,
1986,— 326 с.
54. Юревич Е. И. Основы робототехники,—Л.; Машиностроение, Ленингр. отд-
нив, 1985,-271 с,
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие....................................................... *
Введение ........................................................... 5
Глава 1. Общие вопросы ............................................. 12
1.1, Причины появления и предпосылки создания промышленных роботов 12
1.2. Промышленный робот— принцип действия, характеристики ... 15
1.3. Термины и определении. Классификации промышленных роботов ... 17
1.4. Состояние в области создания н применения промышленных роботов 22
Глава 2. Манипуляторы промышленных роботов ........................ 38
2.1. Кинематические схемы манипуляторов.......................... 38
2.2. Кинематический анализ ..................................... . 48
2.2.1. Основные преобразования................................. 50
2.2.2. Описание типовых кинематических схем манипуляторов ... 57
2.2.3. Планирование движений манипулятора...................... 60
2.3. Динамика манипуляторов ..................................... 69
2,4. Рабочие органы промышленных роботов........................... 82
2.4.1. Зажимные (механические) захватные устройства............ 84
2.4.2. Притяжные захватные устройства .................. 91
2.4.3. Технологические рабочие органы.......................... 92
2,5. Точность позиционирования промышленного робота. Основные поло-
жения ............................................................. 94
Глава 3. Приводы промышленных роботов ...............................ИО
3.1. Классификация приводов, особенности, требования ...............ПО
3.2. Пневматический привод . .......................................П2
3.3. Гидравлический привод ..................................... • 122
3.4. Электрогидравлический привод ............................... 126
3.5. Электромеханический привод ...................................136
3,6. Сравнительные данные приводов ................................147
Глава 4. Устройства управления промышленными роботами .............148
4.1. Классификация устройств управления ......................... 148
4.2. Цикловые устройства управления ............................. 153
4.3. Устройство управления УЦМ-663 .............................154
4.4. Устройство управления ИЭС-690 ............................... 158
4.5. Устройство числового программного управления УПМ-772 ........ 161
4.6. Устройство числового программного управления УКМ-772 ...... 165
4.7. Программирование промышленных роботов ........................167
4.8. Языки программирования роботов ...............................176
4.9. Групповое управление промышленными роботами...................181
4.10. Устройства управления с применением микропроцессоров.........186
310
Глава 5. Роботизированные технологические комплексы (РТК)............189
5.1. Структура, состав, назначение РТК............................. 189
6.2. РТК в кузнечно-прессовом производстве...........................195
6.3. РТК в механообработке ..........................................197
6.4. РТК в сборочном производстве ...................................199
5.5. РТК в сварочном производстве ................................. 209
6.6. РТК в литейном производстве.....................................215
5.7. Роботизированные технологические линии..........................217
5.8. Испытания промышленных роботов ............................... 220
5.9. Экономическая эффективность применения промышленных роботов 226
5.10. Надежность промышленных роботов и РТК .........................233
Глава 6. Гибкие производственные системы .......................... 247
6.1. Классификация, общие положения..................................247
6.2. Гибкая производственная система токарной обработки..............259
Глава 7. Перспективы развития промышленных роботов ..................26?
7.1. Промышленные роботы агрегатного типа ...........................267
7.2. Адаптивные роботы ............................................ 275
7.3. Роботы с искусственным интеллектом..............................285
7.3.1. Космические роботы .......................................296
7.3.2. Роботы для сборочного производства........................299
7.3.3. Робокары .................................................301
7.4. Будущее роботов ................................................302
Список использованной и рекомендуемой литературы............... .