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 материалаДокументы

Содержание


4.7. Программирование промышленных роботов
Ручное обучение
Полуавтоматическое обучение
3, подает сигнал на блок сервоклапанов. Открывается соответствующий клапан, и масло гидронасо­сом 2
Обучение по принципу ют точки к точке».
Метод аналитического программирования.
Автоматизированная подготовка программ.
4.8. Языки программирования роботов
2.Appro pick, 50
5.Cloze i
7.Appros place, 70
9.Move place
Here place
4.9. Групповое управление промышленными роботами
Координатное управление манипулятором робота.
Управление рабочим органом робота.
Управление конвейером и позиционерами.
Контроль качества выполняемых работ.
Распределение во времени энергопотребления роботов с целью минимизации затрат энергии.
Оперативный контроль состояния механического и другого оборудования на линии.
...
Полное содержание
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

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.