ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ

Раздел: Наука и техника

Как отмечено выше, система управления, являясь основной составной частью информационно-управляющей системы, обеспечивает выработку закона управления исполнительными устройствами робота и формирование управляющих сигналов.

8.2.1. Классификация

Системы управления роботов классифицируются по методу управления (или степени непосредственного участия в управлении человека-оператора), принципу управления, типу системы управления, способу позиционирования, способу представления командной информации, способу программирования, объему памяти.

По методу управления, или степени непосредственного участия в управлении человека-оператора, различаются автоматизированные и автоматические системы управления. В автоматизированных СУ наряду с автоматическим действием часть функций управления выполняет человек-оператор (биотехнические и интерактивные роботы). Автоматические СУ обеспечивают управления без непосредственного участия человека-оператора (автономные роботы).

В зависимости от назначения и условий конкретного применения в системах управления могут реализовываться принципы управления программного (жесткопрограммируемого), адаптивного и интеллектуального (гибкопрограммируемого).

Системы жесткопрограмируемого управления требуют строгой определенности, постоянства параметров и -условий выполняемой работы, а программа содержит объем информации, не изменяющейся в процессе работы, в связи с чем среда манипулирования робота должна быть организованной, т.е. все предметы, инструменты и объекты, с которыми взаимодействует робот в процессе выполнения рабочих операций, должны находиться в определенных местах и иметь строго определенную пространственную ориентацию. Благодаря своей простоте, системы программного управления широко применяются в промышленных роботах, что, в свою очередь, способствует их дальнейшему совершенствованию.

Системы адаптивного управления не содержат полной информации о параметрах и условиях выполняемой работы: обычно программа включает информацию о начальном и конечном положениях рабочего органа манипулятора с набором алгоритмов поведения робота в зависимости от возможных состояний внешней среды, а сенсорное обеспечение позволяет автоматически корректировать программные действия на основе получаемой информации путем соответствующего изменения управляющих воздействий, т.е. дополнительно реагировать на изменение параметров и условий работы изменением алгоритма управления, что улучшает качество управления, упрощает программирование, расширяет возможности робота. Системы адаптивного управления применяются в окрасочных, сварочных и сборочных промышленных роботах

Наиболее совершенны интеллектуальные системы управления, способные формировать программу действий робота в соответствии с поставленными общими целями и задачами в условиях неопределенности параметров выполняемой работы и окружающей обстановки, т.е. решать интеллектуальные задачи посредством получения, запоминания и целенаправленного преобразования информации в процессе обучения и выполнения действий, а также адаптации к изменяющимся условиям внешней среды. Такие системы, сообразуясь с информацией, получаемой с помощью сенсорных устройств, формируют в памяти модель внешней среды, вырабатывают план действий, накапливая опыт и самосовершенствуясь в процессе обучения, выполнения работы и взаимодействия с внешней средой. Интеллектуальные СУ находятся пока в стадии теоретической, экспериментальной и опытно-конструкторской разработки.

По способу управления системы управления разделяются на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых СУ отсутствует входная информация о состоянии робота и внешней обстановки, поэтому для управления необходимо точное соблюдение всех параметров и условий технологического процессе, а также и постоянства физических характеристик робота Изменение этих характеристик в процессе работы (появление люфтов, изменение моментов и сил сопротивлений в шарнирах и передачах и т.п.) приводит к изменению точностных параметров позиционирования, снижая эксплуатационную надежность робота

Преимущественное применение в промышленных роботах находят замкнутые СУ, лишенные этих недостатков. Элементы привода и исполнительных органов в них охвачены как внутренними, так и внешними обратными связями, а управление осуществляется с учетом текущих параметров состояния робота

Конструктивное построение, сложность и функциональные возможности системы управления в значительной мере определяются типом управления - цикловым, позиционным, контурным или адаптивным. Эти СУ отличаются друг от друга прежде всего содержанием командной информации, управляющей движением манипу- ляционных звеньев робота

Цикловая система программного управления (ЦСПУ) - система управления, в которой командная информация содержит признак звена манипулятора и направление его движения. Цикловое управление является простейшим, обеспечивая в основном двухточечное позиционирование, осуществляемое по жестким упорам, расположенным в крайних положениях, и применяется при выполнении промышленными роботами вспомогательных операций (при обслуживании станков, прессов, литейных машин и т. п.).

Позиционная система программного управления (ПСПУ) - система управления, в которой командная информация содержит кроме признака звена и направления движения еще и величину перемещения. Позиционные системы с небольшим количеством программируемых точек сокращенно обозначаются в литературе ptp (point-to-point), с большим набором запоминаемых точек - mp (multi point). Позиционное управление роботов является более сложным, обеспечивая многоточечное позиционирование, для чего содержит информацию о положении звеньев непосредственно в программном обеспечении, обладают большими технологическими возможностями и универсальностью. Промышленные роботы с пози- ционнной СУ применяются для обслуживания оборудования или групп оборудования, а также для выполнения основных технологических операций.

Контурная система программного управления (КСПУ) - система управления, в которой командная информация содержит кроме признака звена, направления и величины перемещения еще и параметры траектории (контура), по которой осуществляется движение. Такие системы обозначают сокращенно ср (continuous paht). Контурное управление обеспечивает перемещение звеньев манипулятора по непрерывной траектории, обладает высокой универсальностью и значительными технологическими возможностями. Промышленные роботы контурной СУ применяются для выполнения, как правило, основных,.а не вспомогательных технологических операций, например, сборки, окраски, нанесения эмалей, контурной сварки, шлифовки сварных швов, газовой резки и т. п.

Помимо рассмотренных, получили распространение различные комбинированные системы управления, в которых сочетаются цикловой, позиционный и контурный типы управления. В последнее время стали выделять в качестве отдельного типа также адаптивную систему программного управления (АСПУ), обладающую значительно большими техническими возможностями, благодаря системам очувствления на базе тактильных, локационных, телевизионных и других сенсорных устройств, позволяющих определять положение, конфигурацию и другие особенности объектов манипулирования. Такие СУ реализуются обычно на базе мини-ЭВМ и исключают необходимость в сложных устройствах для ориентирования и позиционирования деталей, упрощают и укоряют переход к новым операциям. Адаптивные системы управления промышленных роботов позволяют выполнять технологические процессы сварки, сборки, монтажа.

По способу позиционирования системы управления разделяются на позиционные, контурные и комбинированные. При позиционном управлении задаются начальное и конечное положения рабочих органов роботов, а их перемещение происходит "от точки к точке" в соответствии с заданной программой. В свою очередь, позиционные СУ делятся на малоточечные с числом точек позиционирования, не более восьмидесяти и многоточечные с числом программируемых позиций до нескольких сотен, ограниченным лишь объемом памяти и погрешностью позиционирования. 346

При контурном позиционировании положение рабочего органа определено в каждый момент времени, т.е. осуществляется непрерывное позицинирование с учетом модели внешней среды и внутреннего состояния кинематических цепей самого робота

В комбинированных СУ обеспечивается как позиционное, так и контурное управление.Так, например, в окрасочных и сварочных процессах для сокращения длительности цикла наведение рабочего органа промышленного робота в исходную позицию производится по упорам (позиционное управление), а при выполнении с пих операций окраски и сварки применяется непрерывное контурное позиционирование.

По способу представления командной информации системы управления роботов разделяются на электромеханические, цикловые, аналоговые, числовые и гибридные. В электрических СУ геометрическая информация представлена в виде физического аналога - определенного положения упора, кулачка или копира, настройки реле времени и т.п. Информация о времени и последовательности может задаваться непереналаживаемыми схемами релейной автоматики. Электромеханические СУ наиболее просты и дешевы, но функциональные возможности их ограничены.

В системах циклового программного управления (ЦПУ) геометрическая информация задается упорами и соответствующими переключателями (штекерными, кнопочными и т.п.), а команды цикла - в виде чисел. Перестройка программы сводится к установке упоров и переключателей в определенные положения, а при использовании перфоленты - к установке ее в считывающее устройство. Системы ЦПУ имеют небольшие габаритные размеры и стоимость и широко применяются для управления роботами с малым числом точек позиционирования.

В аналоговых СУ информация задается и хранится в виде потенциалов, а в качестве элементной базы используются решающие и операционные усилители постоянного тока. Системы аналогового управления по своей простоте, стоимости и функциональным возможностям близки к цикловым.

В системах числового программного управления (ЧПУ) вся информация задается в числовом виде и хранится на быстросменных программоносителях - перфолентах, магнитных лентах или проволоках, магнитных барабанах или дисках и т.п. Системы ЧПУ более сложны, но обеспечивают наилучшие функциональные возможности роботов и хорошо стыкуются с внешними электронно-вычислительными машинами.

В гибридных СУ используются сочетания различных способов представления информации с целью достижения тех или иных оптимальных характеристик управляющей системы робота

По способу программирования информации, обеспечивающей заданные действия робота, различаются три основных метода - расчет программ, или аналитическое программирование, методы обучения и самообучения.

Аналитическое программирование обеспечивает заблаговременную подготовку управляющей программы для роботов с позиционным и контурным управлением. Расчет программы осуществляется либо с применением обычных средств вычислительной техники, либо автоматически с использованием ЭВМ и средств автоматического программирования, либо с помощью устройства управления самого робота. Аналитическое программирование применяется, когда обучение оператором оказывается слишком трудоемким, затруднено получение полной информации или невозможно присутствие оператора при программировании.

Программирование обучением, применяемое для цикловых, позиционных и контурных СУ, в настоящее время широко используется для промышленных роботов. В зависимости от степени участия оператора этот метод программирования подразделяют на ручной, полуавтоматический и автоматический.

Ручной способ обучения предусматривает непосредственное участие оператора на всех этапах программирования - при формировании программы, преобразовании и вводе информации. Способ прост в исполнении, но отличается большой трудоемкостью и применяется преимущественно для ПР с цикловым управлением.

Полуавтоматический способ обучения характеризуется участием оператора в формировании программы и преобразовании информации. Ввод информации обеспечивает устройство управления по сигналу оператора, а фиксацию информации - конструкция запоминающего устройства. Полуавтоматическое обучение осуществляется с пульта управления либо путем механического эталонного перемещения исполнительного органа робота непосредственно оператором.

Автоматическое обучение выполняется полностью управляющим устройством с применением ЭВМ. Оператор при этом составляет лишь укрупненную программу и с помощью языка программирования выдает исходные данные управляющему устройству.

Программирование самообучением возможно для роботов с развитым сенсорным аппаратом и адаптивным управлением и осуществляется с частичным или полным самообучением.

Программирование с частичным самообучением предполагает выработку и сообщение роботу оператором отдельных элементов программы для определенных периодов его работы. Остальную часть программирования робот выполняет автономно на основании информации, полученной от сенсорных устройств.

Программирование с полным самообучением происходит без участия оператора. В этом случае устройство управления робота сомостоятельно формирует рабочие программы с помощью систем автоматического программирования на основании информации, получаемой от информационно-измерительной системы.

По объему памяти, характеризующему возможное количество вводимой в процессе программирования информации в виде кадров, т.е. отдельных элементов программ, различаются СУ с малым, средним и большим объемом памяти.

Малый объем памяти - менее 100 кадров - имеют СУ с цикловым или позиционным управлением с небольшим количеством точек позиционирования и ограниченными технологическими возможностями.

Средний объем памяти - от 100 до 600 кадров - присущ СУ с развитыми позиционным и контурным управлениями. Технологические возможности таких СУ значительно шире.

Большой объем памяти - свыше 600 кадров - имеют СУ с развитыми контурным и адаптивным управлениями, обладающие наибольшими технологическими возможностями.