Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышленных роботов в отечественной и зарубежной робототехнике показывает, что все большее распространение получает электромеханический привод промышленных роботов. Впоследние год
Вид материала | Документы |
- Дипломная работа студента, 601.76kb.
- Исать собственные приложения для управления роботами на примере Lego nxt, а также использовать, 76.9kb.
- С применением grid-технологий, 81.79kb.
- История роботов, написанная роботом, 101.24kb.
- Sdfield> Самостоятельная подготовка, 455.42kb.
- Вдокладе описывается технология обучения распределенной системы автономных мобильных, 45.47kb.
- Внушающих уверенность жилищ люди живут в обличии роботов-суррогатов сексуальных, физически, 367.79kb.
- Возможное участие родителей, 108.84kb.
- Анализ работы шмо учителей физики, химии, биологии за 2010-2011 учебный год, 113.58kb.
- Лега В. П. Наука и вера, 152.3kb.
4.7. Программирование промышленных роботов
В соответствии с ГОСТ 24836—81 «Устройства программного управления промышленными роботами. Методы кодирования и программирования» программирование промышленных роботов может осуществляться одним из следующих методов (рис. 4.16): обучение, аналитическое и комбинированное программирование.
Рис. 4.16. Классификация методов программирования промышленных роботов
Метод обучения нашел самое широкое применение в различных конструкциях промышленных роботов и в настоящее время наиболее распространен. Суть метода заключается в том, что необходимые движения руки робота воспроизводятся оператором, а соответствующая им информация записывается при этом в память устройства управления. Затем робот переключают на автоматический режим, и он начинает воспроизводить всю последовательность движений до тех пор, пока не появится необходимость заменить программу. Как правило, современные устройства управления ПР позволяют 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 субъективной ошибки, возникающей за счет неточного позиционирования инструмента в процессе обучения. Эта ошибка войдет в качестве составляющей в полную ошибку позиционирования, так как ПР может воспроизвести только те позиции, которые заданы ему при обучении. Ошибка при обучении зависит от возможностей человека, проводящего обучение робота. Даже у опытного оператора она может оказаться существенной, если динамические свойства ПР таковы, что оператору тяжело управлять роботом вручную. Динамика робота в режиме ручного управления должна быть согласована с физиологическими свойствами человека.
В процессе обучения промышленного робота человек, управляющий им вручную, составляет совместно с роботом следящую систему, 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 координат (рис. 4.17, а) состоит из двух звеньев: первое звено К0 вместе с элементом сравнения отражает свойства человека-оператора, управляющего роботом, второе /Св — динамику промышленного робота.
Рис. 4.17. Структурные схемы системы обучения робота (в) и модели оператора (б)
Действия человека в системе обучения можно представить себе, анализируя некоторую математическую модель. В нашем случае для этого удобно воспользоваться квазилинейной моделью (рис. 4.17, б), которая состоит из линейного звена с передаточной функцией К0 (/'©) и некоторого шумового генератора N. Последний представляет те компоненты выхода звена, которые нельзя получить как следствие действия линейного оператора К0 на входной сигнал ввиду их линейной природы.
Участвуя в работе системы ручного управления, человек изменяет свое поведение вполне определенным образом, как бы проводя самонастройку. Самонастройка есть суть освоения человеком тонкостей управления и состоит из процесса адаптации, а затем оптимизации системы. Адаптация соответствует выбору оператором частного вида своей характеристики и производится им так, чтобы система оказалась стабильной. Оптимизация состоит в подгонке параметров выбранной характеристики таким образом, чтобы улучшить заданный критерий качества. Существенно, что в конкретной ситуации управления характеристики различных операторов, прошедших предварительное обучение, практически совпадают.
Оператор проявляет себя, как низкочастотное звено с граничной частотой до 1 Гц. На низких частотах (менее 0,1 Гц) резко возрастают «шумы», т. е. нелинейные эффекты. Оптимальная полоса частот воздействующего сигнала, при которой субъективно оператор ощущает легкость в управлении, а объективно совершает наименьшие ошибки, находится в пределах 0,5...0,6 Гц. Это обстоятельство позволяет найти диапазон желаемых скоростей перемещения 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 средствами коррекции динамики робота.
Переход от автоматического управления к ручному означает изменение структуры системы управления. Некоторые звенья системы не используются и отключаются, в систему вводятся новые звенья, необходимые для осуществления ручного управления. Последние и могут быть использованы для введения коррекции.
Промышленный робот в режиме обучения — сложная динамическая система, параметры которой изменяются в процессе работы. Так, частоты собственных колебаний в угловых координатах зависят от значения перемещения по радиальной координате. Доминирующим звеном, определяющим вид передаточной функции ПР, является механическая его часть — манипулятор.
Рис. 4.18. ЛАЧХ промышленного робота при обучении (одна координата)
На рис. 4.18 приведена типичная логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ), относящаяся к одной из угловых координат промышленного робота. Существенно, что область частот, где сказывается влияние колебательного звена, здесь лежит выше диапазона частот, доступного оператору, и при правильном выборе коэффициента Кн оператор при обучении будет воспринимать динамическую нагрузку, соответствующую простому интегрирующему звену.
В большинстве случаев программа записывается на магнитных носителях программ (магнитной ленте, магнитных барабанах и дисках) на замедленной скорости с любыми перерывами во времени. Это обеспечивает более точное обучение робота. Несмотря на кажущуюся простоту этого метода, обучение требует создания специальных блоков в устройстве управления ПР и соответствующего математического обеспечения.
Существуют три вида обучения — ручное, полуавтоматическое и автоматизированное.
Ручное обучение можно применять для тех конструкций ПР, которые имеют так называемый обратимый привод. Под обратимым понимают такой привод, при котором движение может быть передано от двигателя к руке робота и наоборот. Иначе говоря, робот с обратимым приводом позволяет перемещать руку сравнительно небольшим 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 требование 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 обучением показал, что это наиболее простой метод. Однако ему свойственны и недостатки, в том числе низкая точность позиционирования или ведения по заданной траектории и невозможность управлять несколькими технологическими параметрами. Эти недостатки ограничивают возможности ручного обучения. Наиболее распространено ручное обучение при автоматизации окрасочных операций, так как в этом случае не требуется высокая точность, а технология сводится к одному параметру — включение и выключение распылителя.
Типичным примером промышленного робота с ручным обучением может служить робот «Тральфа».
Рис. 4.19. Схема системы обучения промышленных роботов «Юнимейт» (а) ИЭС-690 (б)
Полуавтоматическое обучение — на сегодняшний день самый распространенный и очень удобный вид обучения. Суть его заключается в том, что оператор, управляя роботом от специального пульта обучения, последовательно выводит рабочий орган в нужное положение (точку) и лишь затем, нажимая специальную кнопку, дает сигнал на запись. В этот момент записываются все координаты манипулятора, однозначно определяющие положение рабочего органа в пространстве. После этого манипулятор переводят в следующую позицию и т. д. Перевод можно осуществить на любой, как правило, медленной скорости. В нужной точке позиционирования оператор может многократно перемещать манипулятор, добиваясь необходимой точности. Все эти движения записаны не будут и в программу автоматического цикла не попадут, что очень важно. Таким образом, можно получить достаточно хороший и рациональный автоматический 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 сервоклапанов. Открывается соответствующий клапан, и масло гидронасосом 2 подается по магистрали, например, в правую часть цилиндра, вызывая перемещение руки робота влево. Кодовый датчик положения 7 вращается и через переключатель 4 передает сигналы на записывающие головки блока памяти 6, По достижении необходимого положения руки оператор нажимает кнопку «Запись», и информация 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 положение «Автоматический режим». Из начального положения, в которое робот устанавливают, он должен переместиться в первую точку. Координаты этой точки считываются с барабана и передаются в блок сервоклапанов, что влечет за собой открытие соответствующего 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 прекращается подача масла в цилиндр.
Так осуществляется последовательное автоматическое перемещение манипулятора из одной позиции в другую. Закон разгона и торможения задается аппаратурными средствами, предусмотренными устройством управления. Как следует из приведенного описания, траектория движения рабочего органа в пространстве не контролируется и не управляется, из чего следует, что такое обучение может быть осуществлено для промышленного робота с позиционным 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 импульсов 2. Частота импульсов пропорциональна углу поворота ручки. От генератора импульсы через усилитель записи 3 попадают на записывающую головку 4 блока памяти и записываются на дорожке, соответствующей данной координате. Одновременно через переключатель 8 импульсы попадают на электронный коммутатор 9, затем на шаговый двигатель 10 (ШД-5Д1). Вращение двигателя усиливается 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 запись импульсов прекращаются. Так записывают все движения по всем координатам. После обучения лента перематывается, переключатель устанавливают в режим «Автомат», и робот начинает работать в автоматическом режиме. При этом команды с дорожки считываются 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 оператора, 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 мероприятие позволяет сделать программу значительно совершеннее.
Следует отметить, что описанное устройство управления с полуавтоматическим обучением от пропорциональной ручки дает возможность перемещать рабочий орган ПР по криволинейной пространственной траектории и его можно назвать «квазиконтурным».
Рис. 4.20. Пульт обучения устройств управления УПМ-772 и УКМ-772
К числу недостатков этого устройства управления (как и всякой разомкнутой 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 возвращаться в некую начальную точку — начало координат с установленными конечными выключателями. Это исключит перенос появившейся ошибки в следующий цикл. Работа такой схемы отличается достаточно высокой надежностью, что подтверждается многолетним опытом эксплуатации станков с ЧПУ с шаговыми двигателями.
Представляют значительный интерес пульт и процесс обучения, разработанные и применяемые для достаточно совершенных устройств позиционного программного управления УПМ-772 и контурного 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 рабочей зоне робота. Пульт обучения предназначен для ручного управления перемещением (режим «Обучения») и задания негеометрической (технологической) информации. На пульте имеются:
1) 14 переключателей управления координатными перемещениями робота, расположенных слева (—I,—II, ...) и справа (+1, + 11, ...) в две колонки;
2) 2 переключателя задания скорости движения манипулятора (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 световой индикации символов (V, N, F) и 3 цифровых индикатора.
Процесс обучения осуществляют следующим образом. Для работы с переключателями координатных перемещений нажимают переключатель VI (или V2), выбирая соответствующую скорость. Нажимая соответствующий переключатель управления координатным перемещением, переводят рабочий орган (или имитатор) в очередное положение. Прекращение движения манипулятора происходит при повторном нажатии выбранного переключателя. Для задания негеометрической (технологической) информации повторно нажимают переключатель VI (или V2). Первое нажатие переключателя группы 1/F, 2/R, O'N воспринимается как символ функции, три последующих — как цифра. Для записи заданной информации оператор нажимает переключатель К- Этим заканчивается обучение в данном положении.
После обучения всего цикла манипулятор возвращается в исходное положение, устройство управления переключают на режим «Автомат», и робот готов к работе. В соответствии с установившейся практикой обычно один-два раза робот пропускают в автоматическом режиме, но «вхолостую», чтобы проверить правильность обучения.
Обучение по принципу ют точки к точке». При обучении промышленных 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 манипулятора 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 упрощения 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 применением устройства контурного управления типа УКМ-772, включающего в себя блоки интерполирования. Обучение осуществляют по заданному контуру, причем оператор устанавливает рабочий орган (или имитатор) последовательно в каждую точку и по достижении требуемого положения нажимает кнопку «Запись».
Самостоятельное значение приобретает так называемый интервал квантования (рис. 4.22). При увеличении интервала квантования уменьшается количество точек на заданной кривой, а следовательно, и время обучения, но снижается точность А4 воспроизведения контура. При уменьшении интервала квантования увеличиваются количество программируемых точек, время обучения и точность воспроизведения контура А2.
Чтобы упростить процесс обучения «от точки к точке», было предложено (впервые — в Японии) применять специальную липкую ленту шириной 4 мм g поперечными рисками квантования, которая наклеивается на свариваемый стык.
Рис. 4.21. Примеры пространственной (а) и плоскостной (б) траекторий
Рис. 4.22. Квантование точек обучения
Поскольку обучение по принципу «от точки к точке» применяется в различных случаях, отличающихся 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 программировании промышленных роботов для дуговой сварки плавлением. Однако основным недостатком этого способа остается относительно большая трудоемкость обучения. Опыт эксплуатации таких роботов свидетельствует, что время обучения колеблется от нескольких десятков минут для простых деталей до нескольких часов для сложных.
Развитие методов обучения, по-видимому, будет идти в направлении создания специальных проблемно-ориентированных формализованных языков и организации диалога между человеком и роботом, но это уже относится скорее к роботам второго и высших поколений.
Метод аналитического программирования. Управляющая программа 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 программ для оборудования с ЧПУ: ручной и автоматизированный. Ручная подготовка программ очень трудоемка, и поэтому в настоящее время применяется в основном автоматизированная подготовка.
Автоматизированная подготовка программ. Чтобы сократить время на подготовку управляющих программ, в последние годы применяются автоматизированные комплексы, в состав которых входят достаточно совершенные средства вычислительной техники и соответствующее математическое обеспечение. Такой подход позволяет автоматизировать следующие этапы:
1) определение числа проходов и всех требуемых режимов обработки;
2) определение эквидистанты;
3) аппроксимацию и интерполяцию элементов траектории;
4) автоматический разгон, торможение и поддержание постоянной скорости вдоль контура;
5) автоматическое введение коррекции перемещений исполнительных устройств;
6) автоматическое определение команд стандартных циклов обработки.
Для использования универсальных ЭВМ при подготовке программ разработаны табличные или текстовые формализованные языки. В символах этих языков задают исходные данные и алгоритмы поставленной задачи, поэтому их часто называют алгоритмическими 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 создано многоразличных САП. Они отличаются по функциональному признаку и предназначены для контурных и позиционных устройств с ЧПУ. При наличии такой системы автоматического расчета программирование сводится к правильному заданию исходной информации по операции.
Собственно САП представляет собой комплекс вычислительных программ, находящихся на машинных носителях информации (магнитных лентах, перфолентах, перфокартах). При необходимости ввести систему в действие вычислительные программы заносятся в оперативную память ЭВМ и по ним осуществляются ввод исходных программ на языке программирования, расшифровка их содержания, выполнение необходимых вычислений, кодирование результатов расчета и запись их на соответствующий носитель для станка. Сложность и трудоемкость расчета управляющих программ, а следовательно, 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 существующие проблемно-ориентированные формализованные языки создавались для металлообрабатывающих станков и вряд ли могут быть использованы для промышленных роботов без переделки. Таким образом, возникает задача реконструкции существующего языка или, скорее всего, создания новых языков.
Трудности аналитического программирования могут поставить под сомнение целесообразность применения этого метода для программирования 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 большим объемом геометрических команд необходимо программировать и множество технологических. К таким процессам относится электродуговая и электронно-лучевая сварка. Получение достаточно рациональной программы обучением здесь иногда невозможно.
Во-вторых, аналитический метод, в частности применение САП, позволяет оптимизировать управляющую программу по ряду критериев, в том числе ее структуру, некоторые режимы, последовательность 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 обучения могут быть с успехом применены для программирования промышленных роботов, выполняющих относительно простые операции, но они не позволяют программировать сложные технологические операции. Языковое программирование более перспектив-
но, так как практически не имеет ограничений по уровню сложности создаваемых программ и допускает интерактивное управление роботами. Примером такого сложного процесса может служить операция сборки изделия.
Языковая форма — текстовое описание задачи — является логическим продолжением и развитием аналитического метода программирования. Следует, однако, отметить, что в период формирования понятия «аналитический метод программирования» предполагалось осуществлять программирование предварительное, вне робота, с использованием соответствующего математического аппарата. 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 программирования.
Языки программирования роботов можно классифицировать по способу задания и содержания командной и ситуационной информации.
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 координат. Последовательность этих данных соответствует некоторой траектории в зоне обслуживания ПР, обеспечивающей выполнение требуемой операции. Объем информации, передаваемый от оператора к роботу,— максимальный и достаточно подробный.
2. Уровень манипулятора (тактический).На этом уровне пользователь оперирует уже в рабочем пространстве (зоне обслуживания) манипулятора, он не должен заботиться о состоянии отдельных степеней подвижности, а должен задавать координаты и ориентацию рабочего органа манипулятора в узловых точках траектории. Разумеется, объем передаваемой информации будет меньше, чем в первом случае.
3. Объективный уровень (стратегический). На этом уровне задание формируется путем указания операций, которые необходимо выполнить роботу над объектом манипулирования.
4. Целевой уровень (интеллектуальный). На этом языке высшего уровня формулируется задание в целом, без детализации действий на низших уровнях. Объем передаваемой информации в таком варианте минимальный.
Графическая интерпретация перечисленных уровней представлена на рис. 4.3.
Принципиальные преимущества программирования роботов с помощью текстового описания операций на специализированном языке заключаются в возможности независимой подготовки программ, их корректировки и расширении при изменении условий задачи. При включении в состав языка операторов обработки сигналов датчиков и передачи управления такие языки становятся средством программирования адаптивных роботов, для которых неприемлем 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 перемещений манипулятора относятся высокие требования к квалификации программистов — разработчиков языка и его системной поддержки, а также большой объем вычислительных ресурсов, необходимых для реализации соответствующих программ.
Возможны два различных подхода к созданию языков программирования роботов. Один из них состоит в разработке нового, специально предназначенного для программирования робототехнических задач языка. Представители языков такого типа — AL, AML, VAL, SIGLA, PAL — имеют синтаксис, приспособленный к описанию поведения робота, т. е. понятный и экономичный, насколько это возможно.
Второй возможный подход — использование традиционных универсальных языков программирования высокого уровня для решения задач робототехники при условии, что выбранный язык позволяет определять необходимые структуры данных и управляющие команды манипулятора. Такой подход связан с создан :ем проблемно-ориентированной надстройки для некоторого широко используемого языка универсального типа.
Первые промышленные роботы программировал! Со по принципу «обучение — повторение» без использования текстовых языков программирования для относительно простых операций, как, например, 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 дополнительных функций, которые должны выполняться после каждого шага. Последовательные точки траектории задавались шестикомпонентным вектором значений обобщенных координат. Команды содержали управляющие сигналы по степеням подвижности функции — открытие и закрытие захватного устройства, временные задержки и т. д.
В настоящее время создан и имеется целый ряд языков программирования 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 промышленного робота «Пума» фирмы «Юнимейшн». Структура системы программирования представлена на рис. 4.23. Базовая часть языка VAL реализована на микроЭВМ LSI-11 - Алгоритмы трансляции исходных данных программ хранятся в перепрограммируемом запоминающем устройстве (EPROM), а прикладные пользовательские программы — в запоминающем устройстве с произвольным доступом (RAM).
Рис. 4.23. Структура системы программирования на языке VAL
Программы управления роботом на языке VAL составляются пользователем в диалоговом режиме. Ниже приведена программа» в соответствии с которой робот должен взять (команда PICK) деталь в заданном месте, перенести ее и поставить в другое указанное место (команда PLACE) рабочего пространства. Значение и направление перемещений рабочего органа задаются с помощью команды MOVE. Чтобы избежать возможного столкновения, в языке VAL предусмотрена команда APPRO ach (приближение), с помощью которой рабочий орган вблизи детали поднимается на некоторую безопасную высоту по оси г и занимает исходное положение для выполнения операции взятия детали. После того, как нужная деталь оказалась в захватном устройстве робота, выполняется команда DEPARТ иге (удаление). Она аналогична команде APPRO ach и предназначена для безопасного перемещения детали вблизи стола. На достаточном удалении от препятствий управление движением манипулятора к следующей рабочей точке может вновь осуществляться с помощью команды MOVE.
Программная секция | |
EDIT DEMO 1 | Провести редактирование программы с именем DEMO 1 |
1. OPEN | Открыть пальцы захвата и перейти к следующему шагу программы |
2.APPRO PICK, 50 | Переместить схват в точку, находящуюся над точкой PICK на высоте 50 мм |
3.SPEED 30 | Выполнить один следующий шаг программы со скоростью, составляющей 30 % нормальной |
4.MOVE PICK! | Опустить схват в точку PICK ! – текущему положению схвата присвоить имя PICK |
5.CLOZE I | Сжать пальцы схвата и перейти к следующему шагу программы |
6.DEPART 70 | Поднять схват на 70 мм над точкой PICK |
7.APPROS PLACE, 70 | Переместить схват по прямолинейной траектории в точку, находящуюся над точкой PLACE на расстоянии 70 мм |
8.SPEED 20 | Выполнить один следующий шаг программы со скоростью, составляющей 20 % нормальной |
9.MOVE PLACE | Опустить схват в точку PLACE |
10.OPEN I | Раскрыть пальцы схвата и перейти к следующему шагу программы |
11.DEPART 50 | Поднять схват на 50 мм над точкой PLACE |
12.E | КОНЕЦ. Выйти из режима редактирования |
Секция обучения | |
HERE PLACE | Текущему положению схвата присвоить имя PLACE |
X/JT 1 Y/JT 2 Z/JT 3 … 225.66 618.84 – 131.94 | Индикация на экране дисплея координат текущего положения схвата |
CHANGE? | |
Секция исполнения | |
SPEED 30 | В режиме обучения и отладки программы уменьшить скорость до 30 % нормальной |
EXEC DEMO 1, 3 | Выполнить программу DEMO 1 - 3 раза |
SPEED 100 | В рабочем режиме установить нормальную скорость |
EXEC - 10 | Перейти к безостановочному выполнению программы. (Если количество повторов задается отрицательным числом, робот повторяет заданную программу до поступления внешнего сигнала прерывания.) |
Язык VAL предоставляет пользователю возможность осуществлять программирование в символических адресах, т. е. вместо точных координат узловых точек допускается указывать только символические названия этих точек. Такой порядок значительно облегчает процесс программирования, а также позволяет без модификации программы использовать ее для всех роботов семейства «Пума». Перед началом работы символические данные вводятся в память конкретного робота, после чего оператор производит обучение робота, проводя рабочий орган через необходимые точки, координаты которых записываются в память. Таким путем символические названия 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 отношение к ее исполнению. Подготовленная программа перед пуском 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, основные движения которых описываются в прямоугольной системе координат. 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 уровня РОКОЛ для управления роботом. Этот язык является расширенным вариантом языка операционной системы EHOS.
Язык РОКОЛ предназначен для облегчения процессов составления и отладки программ функционирования робота, так как обеспечивает возможность пошаговой трансляции программ и исполнения программы в режиме диалога с оператором и их редактирования, а также для выполнения программ в реальном масштабе времени. Процесс трансляции не снижает быстродействия робота.
Язык РОКОЛ имеет гибкую структуру, допускающую возможность его расширения.
Есть основание считать, что создание и совершенствование проблемно-ориентированных языков программирования роботов и роботизированных технологических комплексов будет продолжаться.
4.9. Групповое управление промышленными роботами
Групповое управление промышленными роботами необходимо при организации совместного управления роботами в составе роботизированных технологических комплексов (РТК) и гибких производственных систем и является одним из основных вариантов управления ПР и технологическим оборудованием автоматических (автоматизированных) производств.
Простейшим вариантом группового управления является управление автономно действующими роботами. В этом случае задача группового управления сводится к распределению мощности управляющей ЭВМ между несколькими пользователями.
В последние годы наметилась четкая тенденция объединения оборудования в комплексы с управлением от центральной ЭВМ. Наряду с многочисленными примерами применения АСУТП и АСУП заслуживает внимания разработка в СССР и за рубежом автоматических 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 металлорежущими станками с ЧПУ. Схемы предусматривают подготовку программ на ЭВМ и передачу этой информации, записанной на соответствующем носителе, на станок. В качестве примеров можно 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 возникла 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 комплексов — 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 потребителей п работать в реальном масштабе времени. Интенсивный рост быстродействия ЭВМ, продолжающийся и в настоящее время, открывает 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 ограничений 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 декодированной 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 разрабатываемых СГУ тенденцию все более полной автоматизации различных вспомогательных процессов обслуживания станков. В настоящее время есть принципиальная возможность управления от ЭВМ большинством механизмов для автоматизации вспомогательных операций, например, транспортными средствами для передачи заготовок, приспособлений, инструментов и готовых деталей. Это еще раз подчеркивает аналогию в применении группового управления станками и промышленными роботами, целесообразность обобщения, перенесения и использования накопленного опыта.
Возможности СГУ определяются набором задач, решаемых системой. Все задачи можно разбить на два уровня: первый (низший) - обеспечение протекания технологического процесса и второй (высший) — повышение эффективности системы в целом.
При управлении линиями промышленных роботов можно выделить такие задачи первого уровня:
1. Координатное управление манипулятором робота.
2. Управление динамикой манипулятора. Этот режим необходим для обеспечения высокой точности перемещения рабочего органа при большой сирости движения манипулятора. Выбор того или иного алгоритма /ля управления определяется устройством и характеристиками робота (типом привода, наличием обратной связи, зависимостью моментов инерции от положения рабочего органа и др.).
3. Управление рабочим органом робота. Этот режим управления нужен для обеспечения требуемых характеристик обрабатываемого изделия, таких, как качество и прочность сварного соединения, соблюдение необходимых режимов и т. д.
4. Управление конвейером и позиционерами.
К задачам второго уровня относятся следующие:
1. Обучение (или другие методы автоматического программирования). Этот процесс обеспечивает универсальность роботов как технологических инструментов и позволяет формировать массивы, описывающие траектории перемещения рабочих органов всех роботов, в результате процедуры, проводимой оператором. Вопросу обучения промышленного робота ранее в книге уделено достаточно внимания, однако в СГУ с центральной ЭВМ эта задача имеет определенные специфические особенности.
2. Контроль качества выполняемых работ. Несмотря на программное управление рабочими органами роботов, могут возникнуть неуправляемые изменения технологического режима (например, при случайном изменении параметров питающей сети, в результате 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 перемещения манипулятора нужна мощность порядка единиц киловатт. При независимой работе сварочных клещей каждого из роботов питающая сеть должна быть рассчитана на суммарную мощность, потребляемую в импульсном режиме. Программное распределение во времени моментов сварки различными роботами позволяет существенно снизить требования по мощности к питающей сети и в определенной степени стабилизировать нагрузку. Введение этого режима дает возможность значительно удешевить и упростить систему питания линии.
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 механического оборудования линий и их устранением. Проведение эффективного 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 промышленных роботов при контактной точечной сварке, поэтому заметим только, что адаптация при наличии центральной ЭВМ может рассматриваться в более широком плане.
Одной из целей создания СГУ может быть повышение надежности путем перераспределения функций вышедшего из строя робота или группы роботов между остальными исправными роботами. Такой режим работы линии позволит ремонтировать один или несколько роботов без остановки технологического потока лишь при некотором снижении производительности. Подобный подход к СГУ линий промышленных роботов отражает один из основных принципов проектирования АСУ — использование средств вычислительной 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 универсальных технологических устройств и в организации технологического потока с высокой производительностью, высоким качеством выпускаемой продукции и минимальными затратами.
Оригинальным принципом построения. СГУ линий промышленных роботов является использование системного подхода. Основные части любой АСУ — аппаратное и программное обеспечение. Системный подход предполагает иерархическую структуру аппаратных средств и модульную структуру математического обеспечения. Основная задача проектирования при таком подходе — рационально
распределить функции между аппаратным и математическим обеспечением системы, а также между ее различными уровнями.
Рис. 4.24. Схема группового управления линии контактной точечной сварки
Функции системы группового управления можно рассмотреть на примере линии контактной точечной сварки (рис. 4.24). На этой схеме Р1.....Р5 — манипуляторы, И1… И5 — интерфейсы роботов, Ил — интерфейс транспортного оборудования (линии), Ит.0 — интерфейс технологического оборудования. Система группового управления может обеспечить:
1) координатное управление перемещением манипуляторов всех роботов (каждый робот имеет 5 степеней подвижности) по индивидуальным программам;
2) управление технологическим режимом сварки каждого робота (длительностью импульса, пауз, количеством импульсов, фазой поджига, длительностью сжатия и проковки);
3) обучение роботов (задание траектории перемещения сварочных клещей от позиции к позиции);
4) сокращение расхода энергии для сварки по сравнению с системами индивидуального управления сваркой;
5) контроль качества сварки;
6) контроль состояния сварочного и механического оборудования линии, прогнозирование выхода оборудования из строя и выдачу рекомендаций на профилактические работы;
7) автоматическое отключение вышедшего из строя робота и замену его резервным путем перераспределения рабочих программ без остановки линии;
8) управление скоростью перемещения манипуляторов в зависимости от изменения динамических характеристик при изменении их положения (при любых перемещениях система обеспечивает синусоидальное изменение скорости при переходе от одной позиции к другой по каждой из координат, но максимальное ускорение устанавливается в зависимости от текущих координат манипуляторов);
9) управление конвейером и кантователями;
10) контроль основных параметров питающих сетей — электрической, гидравлической и пневматической;
11) снижение затрат на управляющее оборудование по сравнению с индивидуальными системами управления.
Аппаратурная часть системы содержит: модули управления робот ми, обеспечивающие отработку заданных перемещений, разгон и торможение манипулятора по синусоидальному закону, необходимую фазу поджига игнитронов при сварке, а также отработку программных режимов сварки и сжатия, перемещение манипуляторов в режиме обучения; модуль обучения, обеспечивающий пропорциональное 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 механического и технологического оборудования линии, распределения электроэнергии в системе.
4.10. Устройства управления с применением микропроцессоров
Существующие устройства управления промышленными роботами, наряду с несомненными достоинствами, имеют некоторые недостатки.
Во-первых, они, как правило, располагаются в шкафу напольного исполнения, размеры которого 1500 х 500 X 300 мм и поэтому занимают ощутимую часть производственной площади цеха. Такие значительные размеры устройств управления не позволяют встраивать их в корпус манипулятора, что ;:ало бы возможность успешнее решить задачу компоновки ПР и существенно снизить занимаемую им площадь. Особенно актуальна задача миниатюризации устройств управления для подвижных роботов различных поколений.
Во-вторых, функциональные возможности существующих устройств управления недостаточны. Даже такое совершенное устройство, как УКМ-772, не может обеспечить управление адаптивным роботом, например для дуговой сварки, без некоторых переделок. Целесообразно и совершенно своевременно поставить вопрос о значительном расширении функциональных возможностей устройств управления.
В-третьих, надежность работы существующих устройств управления невысока. Особенно это относится к устройствам долговременной памяти, ввода информации и т. д.
В настоящее время успехи отечественной науки и техники в области создания больших интегральных схем (БИС) позволили на их основе создать микропроцессоры. Последние имеют малые размеры, большую надежность и являются прогрессивной и перспективной элементно-конструктивной базой для создания весьма совершенных устройств управления роботами различных поколений.
Микропроцессорная техника быстро развивается и революционизирует большинство областей науки и техники, промышленности и быта людей. Ее внедрение в народное хозяйство будет иметь весомые социальные последствия — уменьшатся объемы ручного и рутинного нетворческого труда, увеличится эффективность производства, науки и техники, автоматизируются многие процессы. Микропроцессорная техника совместно с мини-ЭВМ является базой для создания нового поколения средств и систем вычислительной техники, 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 автоматизации; повышение «интеллекта» роботов и других приборов, т. е. увеличение их возможностей в обработке информации; перемещение средств обработки информации непосредственно к местам ее получения, переход от централизованных к более надежным распределенным структурам систем обработки данных.
Особое значение микропроцессорная техника приобретает при создании роботов различных поколений и гибких автоматизированных производств (ГАП).
Отечественная промышленность выпускает много микропроцессорных комплексов: К589, К1802, К145 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 средств микропроцессорной техники «Прокат-Нейрон», системы автоматизации разработки микропроцессорных устройств СО-01, СО-04 и т. д. Все эти средства построены на основе микропроцессорного комплекта К580 и представляют собой комплекс конструктивно законченных модулей с магистральной организацией связей между ними, что позволяет при неизменной архитектуре модернизировать модули и расширять их номенклатуру. Ускорение сроков внедрения комплекса обеспечивается тем, что в его состав входят автоматизированные системы отладки, позволяющие автоматизировать процесс отладки как аппаратных блоков, так и программного обеспечения разрабатываемых приборов и систем со встроенными микропроцессорами.
Перспективные направления развития микропроцессорной техники на ближайшее время следующие:
1) расширение производства микропроцессорных комплектов;
2) создание новых совершенных унифицированных комплектов модулей БИС, в том числе: однокристальных универсальных управляющих микроЭВМ и микропрограммируемых контроллеров с постоянными 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 обработки).
Микропроцессорный комплект БИС серии КР580 предназначен для построения широкого класса микропроцессорных средств вычислительной техники, устройств локальной автоматики, микроЭВМ для управления технологическими процессами. В наибольшей степени он подходит для создания устройств управления роботами различных поколений. Комплект характеризуется архитектурным единством, которое обеспечивается автономностью и функциональной законченностью отдельных БИС, унификацией их интерфейса, программируемостью и универсальностью применения, их логической и электрической совместимостью.
Базовый микропроцессорный комплект включает в себя шесть типов логических БИС: КР580ИК80А — центральный процессор; КР580ИК51 — программируемый последовательный интерфейс; КР580ВИ53 — программируемый таймер; КР580ИК55 — программируемый параллельный интерфейс; КР580ИК57 — программируемый четырехканальный контроллер прямого доступа к памяти; КР580ВН59 — программируемый контроллер прерываний.
Наличие в составе базового комплекта 8-разрядного центрального процессора и пяти типов интерфейсных и контроллерных БИС позволяет реализовать оптимальные по стоимостным, массовым и габаритным характеристикам микропроцессорные системы с достаточно высокой производительностью. Чтобы обеспечить нагрузочную способность внутрисистемных и межсистемных магистралей и сформировать сигналы внутрисистемного и межсистемного обмена информацией, совместно с БИС серии К580 используют совместимые БИС серий 589 и 580: К589АШ6 — шинный формирователь; К589АП26 — шинный формирователь с инверсией; К589ПР12 — многорежимный буферный регистр; КР580ГФ24 — генератор тактовых импульсов; КР580ВК28 — системный контроллер.
Микросхемы базового комплекта серии КР580 выполнены по стандартной n-канальной МОП-технологии и конструктивно объединены в пластмассовых корпусах типа Д1Р с двухрядным расположением выводов. Функциональная законченность, универсальность, программируемость больших интегральных схем микропроцессорного комплекта серии 580 позволяют применять их не только в составе комплекта, но и автономно, а также в составе других микропроцессорных комплектов.
Перед тем, как создавать устройство управления роботом на базе микропроцессорной техники, нужно четко сформулировать задачи управления, иметь ясное представление об информации, поступающей 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 существенная трудность — программное обеспечение. Необходимо обеспечить перевод всего процесса функционирования робота на язык ЭВМ и микропроцессоров. Чем проще и дешевле задуман микропроцессор, тем сложнее будет его программное обеспечение, и это, в известной степени, приводит к новому уровню программирования. Задача овладения новым уровнем программирования конечно разрешима. 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 микропроцессорной техники позволит существенно повысить уровень «интеллектуальности» роботов и создавать значительно более совершенные роботы различных поколений.