Управление промышленными роботами

Система управления промышленного робота обеспечивает требуемую последовательность движений его манипулятора и величину перемещений подвижных звеньев. Управление может производиться либо по программе, либо в функции состояния внешней среды. Возможно и комбинированное управление. Управление в функции состояния внешней среды характерно для адаптивных роботов второго поколения и в современных промышленных роботах, применяемых на производстве, используется сравнительно редко.

В промышленных роботах первого поколения применяются системы программного управления. Укрупненная классификация таких систем показана на рис. 71. В цикловых системах управления с помощью определенной последовательности команд задается требуемая последовательность элементов рабочего цикла движений манипулятора. Величина перемещений определяется элементами путевого управления. В цикловой системе управления сочетаются принципы путевого управления и управления по времени.

Величина перемещений может задаваться установкой жестких и регулируемых упоров, контактных и бесконтактных путевых выключателей. Для задания последовательности команд применяют различные командоаппараты, штекерные панели, различные коммутационные устройства. В качестве элементной базы цикловых систем управления современных промышленных роботов широко используются цифровые интегральные микросхемы, позволяющие реализовать достаточно сложную логику управления. Известно также использование элементов пневмоавтоматики и пневмоники. Широкое распространение в настоящее время для управления роботами получили программируемые контроллеры.

Числовые системы управления промышленных роботов основаны на принципах числового программного управления металлообрабатывающими станками и используют близкие технические и схемные решения. В то же время для программирования систем ЧПУ промышленных роботов в основном используется метод обучения, когда первоначально программа отрабатывается в режиме ручного управления, и при этом запоминается системой управления, а затем воспроизводится автоматически.

В позиционных системах ЧПУ программируются только конечные положения каждого подвижного элемента на каждом этапе выполнения программы. Траектория дви-жения между заданными позициями не контролируется. Для контурной системы управления програм-мируется траектория движения, что позволяет использовать роботы с такой системой управления для сварки или резки изделий по сложному контуру, а также для окраски изделий сложного профиля. Проще в исполнении и более распространены позиционные системы управления.

Пример цикловой системы управления движениями руки манипулятора показан на рис. 72. С подвижным элементом соединен упор 1, который в крайних положениях руки производит переключение путевых выключателей S1 и S2 . Эти выключатели при настройке робота устанавливаются в требуемое положение. Выключатели соединены со входами логического блока 4, который управляет распределителем 2, обеспечивающим подачу давления в полости рабочего цилиндра привода.

Последовательность команд определяется штекерной панелью 4. При этом движению руки вперед или назад соответствует включение одного из реле KI, К2, КЗ, каждое из которых управляет одним из движений манипулятора. Переход от одного элемента цикла к другому обеспечивается последовательным переключением контактов S3.

Если необходимо, чтобы в первом элементе цикла рука выдвинулась вперед (при условии управления этим движением от реле K1), то следует вставить штекер в гнездо, связанное с диодом V1 . В момент установки переключателя S3 в положение, показанное на рис. 22, цепь питания реле KI замкнется, реле сработает, и его контакты K1.1 подадут команду логическому блоку 3 на переключение распределителя 2 в положение, соответствующее подаче давления в правую полость рабочего цилиндра. При движении руки влево и приходе в конечное положение, упор 1 замкнет путевой выключатель S1, логический блок подаст команду на переключение распределителя 2 в положение, обеспечивающее фиксацию поршня. После этого логический блок выдаст команду на переход к следующему элементу цикла.

Объем программы для цикловой системы управления зависит от ее схемных особенностей и может достигать нескольких десятков команд. В число команд включаются технологические команды, обеспечивающие на определенном этапе цикла подачу команд от робота во внешние цепи к обслуживаемому технологическому оборудованию, в основном, это команды релейного типа. Возможен также прием релейных команд от внешнего оборудования. Кроме этого, в систему управления включаются реле времени, обеспечивающие выдержки требуемой длительности в запрограммированных элементах цикла.

Для обеспечения необходимой точности позиционирования подвижных органов робота вводят ограничение хода подвижных элементов с помощью переставляемых при настройке жестких упоров. Пример показан на рис. 73. Требуемые положения руки 1 задаются упорами 2. Для обеспечения сигнала обратной связи о приходе руки робота в заданное положение установлены конечные выключатели (например, магнитоуправляемые контакты (герконы)) S1 и S2, которые срабатывают в крайнем положении руки (например, при приближении постоянного магнита 3, связанного с упором руки 1).

Программоносителем цикловой системы управления может быть не только штекерная панель, но и другие виды коммутационных панелей, наборы переключателей и т.д. Программирование команд в системе осуществляется за счет соответствующих изменений программоносителя (например, путем установки штекеров в определенные гнезда штекерной панели). Для программирования величины перемещений требуется механическая перенастройка упоров или путевых выключателей манипулятора робота. Последнее обстоятельство усложняет перепрограммирование промышленного робота и увеличивает трудоемкость программирования, в связи с чем цикловые системы управления характерны для роботов, используемых, в основном, в массовом и серийном производстве, когда перенастройки робота сравнительно редки.

Число точек позиционирования подвижных элементов манипулятора по каждой координате при цикловой системе управления невелико и ограничено числом упоров или путевых выключателей, обеспечивающих требуемые перемещения руки. В большинстве случаев можно задать только два конечных положения подвижного элемента по управляемой координате.

В системах числового программного управления программируется как команды, так и величины перемещений. В результате, необходимость в перенастройке элементов манипулятора отпадает, а число программируемых позиций подвижных элементов (емкость программы) существенно возрастает. Измерение перемещений подвижных элементов по каждой координате осуществляется с помощью датчиков перемещений. Используется потенциометрические датчики, вращающиеся трансформаторы, сельсины, индуктосины, кодовые датчики и т.д. Широкое распространение получили кодовые датчики.

На рис. 74 показан пример практического осуществления управляемого по величине перемещения руки робота 1. Контроль перемещения осуществляется круговым кодовым датчиком 5, вал которого зубчатой передачей связан с барабаном 4. На барабан 4 намотана гибкая нить, которая одним концом закреплена на подвижной части руки, а другим – охватывает ролик 2 на подвижной части руки, и соединяется с натяжной пружиной 3.

В этой конструкции угол поворота барабана 4 (а, следовательно, и вала кодового датчика 5) будет пропорционален величине линейного перемещения руки. Этот угол поворота преобразуется датчиком 5 в цифровой код, что обеспечивает возможность управления величиной перемещения. Датчики устанавливаются для контроля каждой управляемой координаты.

Структурная схема системы ЧПУ промышленного робота с пятью степенями подвижности показана на рис. 75. Система управления состоит из следующих основных блоков: 1 – кодовые датчики обратной связи; 2 – логическое устройство; 3 – память программ; 4 – блок ручного программирования (обучения); 5 – пульт управления; 6 – блок связи с внешним технологическим оборудованием; 7 – блок управления исполнительными приводами манипулятора.

Сигнал кодовых датчиков Д₁ – Д₅ усиливается с помощью усилителей и подается на коммутатор В логического блока. Логический блок содержит регистры циклического кода РКЦ, устройство управления последовательностью движений УПД, интегральные схемы ИС, блок управления реле БУР, реле К2 и К3, логическое устройство ЛБ, устройство определения направления движения ОНД, демодулятор Д, усилители и устройство управления гидрораспределителями В3.

Логический блок работает как в режиме записи программы, так и в режиме ее воспроизведения и обеспечивает декодирование программы, формирование сигналов для управления исполнительными устройствами манипулятора, обработку сигналов обратной связи и сравнение их с заданными, выборку команд из памяти и их запись в память.

Блок памяти имеет магнитную систему записи команд и содержит память МБ, устройства записи и воспроизведения Г, МГ, устройство формирования сигналов БФ и блок реле БР. Блок памяти позволяет записывать и хранить до 200 позиций подвижных элементов манипулятора. Каждая команда записывается 80-разрядным двоичным кодом и несет всю необходимую информацию для управления определенным движением робота.

Для работы оператора имеется пульт ручного программирования ПРУ и пульт управления ПУ. Непосредственное управление исполнительными гидроцилиндрами (описываемый робот имеет гидравлический привод по всем управляемым координатам) обеспечивается гидравлическими распределителями с электромагнитным управлением ЭГП. Предусмотрены связи с технологическим оборудованием ТО и ВС.

Программирование робота осуществляется в наладочном режиме с ручным управлением. При этом с помощью кнопок пульта ручного управления ПРУ осуществляется весь требуемый цикл движений манипулятора, и команды этого цикла автоматически запоминаются.

На рис. 76, в качестве примера, показан общий вид промышленного робота "Электроника НЦ ТМ-01", который используется для автоматизации загрузки-разгрузки токарных станков с ЧПУ при обработке в патроне. Робот устанавливается на переднюю бабку станка и имеет 5 степеней подвижности.

Конструкция робота модульная: А – модуль продольного перемещения; B – модуль поворота вокруг вертикальной оси; C – модуль продольного перемещения; D – модуль вертикального перемещения; G – модуль схвата, оснащенный двумя схватами E и F. Управляется робот от системы ЧПУ станка.

Модуль А закрепляется на передней бабке токарного станка таким образом, чтобы его продольная ось лежала в вертикальной плоскости, проходящей через ось шпинделя станка. Робот имеет комбинированную систему координат, поскольку к основной цилиндрической системе координат, обеспечиваемой модулями B, C и D, добавляется дополнительная координата модуля А.

Рис. 77 иллюстрирует установку робота 1 "Электроника НЦ ТМ-01" на передней бабке токарного станка для загрузки заготовок в автоматический патрон 2. Заготовки ПР берет из кассетного накопителя 3 заготовок. Захватив очередную заготовку, робот перемещает ее в патрон, где заготовка автоматически зажимается.

После обработки детали, робот удаляет деталь в свободную позицию кассетного накопителя 3. Наличие двух схватов позволяет роботу совмещать загрузку заготовки и разгрузку изготовленной детали.

Основным достоинством промышленных роботов является их универсальность. Один и тот же робот можно использовать для загрузки-разгрузки самых различных технологических автоматов. При этом необходим только небольшой объем дополнительных работ по приспособлению робота к решаемой задаче. Например, может потребоваться изготовить для ро бота специальный схват или дополнительное устройство предварительной ориентации объектов манипулирования.

Чем совершеннее робот, тем меньше дополнительных условий и ограничений на его применение накладывается и тем проще его применение. В результате при автоматизации процессов нет необходимости создавать специализированное средство, а достаточно приобрести серийный ПР с подходящими характеристиками. При этом существенно снижаются временные и материальные затраты на автоматизацию.

Классификация промышленных роботов учитывает следующие их признаки:

По характеру выполняемых операций

· технологические (производственные) ПР,

· вспомогательные ПР,

· универсальные ПР.

По степени специализации

· многоцелевые (универсальные),

· специализированные (целевые),

· специальные.

По системе координат

· с прямоугольной системой координат,

· с полярной системой координат (цилиндрической или сферической),

· с ангулярной системой координат.

По грузоподъемности

· сверхлегкие (до 1 кг),

· легкие (от 1 кг до 10 кг),

· средние (от 10 кг до 200 кг),

· тяжелые (от 200 кг до 1000 кг),

· сверхтяжелые ( свыше 1000 кг).

По признаку мобильности

· стационарные (неподвижные) ПР,

· мобильные ПР.

По конструктивному исполнению

· напольные,

· подвесные,

· встроенные (пристаночные),

· портальные.

По типу силового привода

· электромеханические ПР,

· пневматические ПР,

· гидравлические ПР,

· ПР с комбинированным приводом.

По степени совершенства управления

· жестко программируемые,

· адаптивные,

· гибко программируемые.

По типу системы управления

· с цикловым управлением,

· с позиционным ЧПУ,

· с контурным ЧПУ,

· с комбинированной системой ЧПУ,

· с адаптивной системой автоматического управления.

Промышленные роботы эффективны в различных отраслях производства. На рис. 78 показан пример промышленного робота для перемещения гибкого корда в шинном производстве. ПР используется для перекладки заго-товок корда с диагонально-резательной машины на стыковочный транспортёр с разворотом заготовки на 90º относительно её первоначального расположения.

Относительно неподвижного основания 1 по направляющим 2 перемещается станина, внутри которой расположены механизм поворота 3 и механизм подъёма 4. К механизму подъёма крепится механическая рука с захватом 5.

ПР в автоматическом режиме выполняет последовательно следующие операции. В исходном положении рука 5 находится над транспортёром диагонально-резательной машины. При подходе заготовки корда на исходную позицию конечный выключатель выдает сигнал и рука с захватом опускается вниз на заготовку. Заготовка закрывается катками, после чего рука поднимается в верхнее положение. Затем она поворачивается на 90º, катки раскатываются и капроновая нить отбрасывает заготовку на транспортную ленту. Рука возвращается в исходное положение и при поступлении следующей заготовки на исходную позицию цикл повторяется.

Рабочие перемещения составляют 100–300 мм при скоростях 0,3–0,9 м/с. Длина перекладываемой заготовки 1500 мм. Ширина заготовки от 600 мм до 900 мм. Робот имеет цикловую систему управления.