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

3.5. Электромеханический привод Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышлен­ных роботов в отечественной и зарубежной робототехнике показы­вает, что все большее распространение получает электромеханиче­ский привод промышленных роботов. В последние годы применяют электромеханические приводы с высокомоментными двигателями постоянного тока, асинхронными двигателями с частотным управ­лением, бесколлекторные двигатели постоянного тока и силовые шаговые двигатели. Электроприводы этих серий обеспечивают ре­гулирование скорости в большом диапазоне и имеют хорошие пока­затели по габаритным размерам и массам. Особенности электроприводов — расширенный (до 0,05 Н м) диапазон малых моментов, повышенная (до 15 * 108 об/мин) макси­мальная частота вращения, уменьшенная инерция двигателей, возможность встраивать в двигатели электромагнитные тормозы и различные датчики, а также механические и волновые передачи. Основные достоинства электромеханического привода следую­щие: — высокое быстродействие; — широкий диапазон регулирования частоты вращения; — компактная конструкция двигателей и возможность встра­ивать датчики скорости и положения; — равномерность вращения; — большой крутящий момент на максимальной скорости; — высокая надежность; — высокая точность позиционирования за счет применения циф­ровой измерительной системы с высокоточными датчиками в цепи обратной связи; — низкие уровни шума и вибрации; — широкие возможности взаимозаменяемости двигателей; — компактная конструкция преобразователей; — удобство подвода энергии (по стандартным проводам). К недостаткам можно отнести: — наличие щеток в коллекторах двигателей постоянного тока; — ограниченность использования во взрывоопасных средах; — наличие дополнительной кинематической цепи между элек­тродвигателем и рабочим органом робота. Основной элемент, непосредственно преобразующий электри­ческую энергию в механическую, в электроприводе — электриче­ский двигатель. Управляется последний чаще всего с помощью со­ответствующих преобразовательных и управляющих устройств, ко­торые формируют статические и динамические характеристики электропривода, отвечающие требованиям производственного ме­ханизма. Речь идет не только о сообщении вращательного или по­ступательного движения, но главным образом об обеспечении оп­тимального режима работы механизма или машин, при котором до­стигается наибольшая производительность при высокой точности. По степени управляемости электропривод может быть: 1) нерегулируемый — для приведения в движение исполнитель­ного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью; парамет­ры привода изменяются только в результате возмущающих воздей­ствий; 2) регулируемый — для сообщения переменной или постоянной скорости движения исполнительному органу машины; параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего уст­ройства; 3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой; 4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение ис­полнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом; 5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы ма­шины для достижения оптимального по выбранным критериям ре­жима. Электроприводы можно классифицировать и по роду передаточ­ного устройства. В этом соответствии они делятся на: 1) редукторные — электродвигатель передает вращательное дви­жение рабочему органу через редуктор ; 2) безредукторные — передача движения от электродвигателя осуществляется непосредственно рабочему органу либо через пере­даточное устройство, не имеющее редуктора. По уровню автоматизации различают следующие электропри­воды: 1) неавтоматизированный с ручным управлением; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в уста­новках малой мощности, бытовой и медицинской технике и т. п.; 2) автоматизированный, управляемый автоматическим регули­рованием параметров; 3) автоматический, в котором управляющее воздействие выра­батывается автоматическим устройством без участия оператора. Два последних типа электропривода применяются в подавля­ющем большинстве случаев. В настоящее время различают замкнутый электропривод (охваченный обратными связями) и разомк­нутый. В структурной схеме замкнутого автоматизированного электро­привода (рис. 3.15, а) можно выделить три основные составные части: 1) механическую часть привода МЧ, включающую в себя ра­бочий механизм, или исполнительный орган ИО, и передаточное устройство ПУ (редуктор), предназначенное для передачи механи­ческой энергии от электродвигателя к исполнительному органу ра­бочей машины, для изменения вида, скорости движения и усилия (момента вращения); 2) электродвигатель ЭД, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую; 3) систему управления СУ, состоящую из силовой преобразова­тельной части П, управляющего устройства У, задающего устрой­ства ЗУ и датчиков обратных связей ДОС1, ДОС2. Преобразователь предназначен для питания двигателя и созда­ния управляющего воздействия. Он преобразует род тока, напря­жение или частоту либо изменяет иные показатели качества элект­рической энергии, подводимой к двигателю. Устройство У, управ­ляющее преобразователем, командные сигналы получает от задаю­щего устройства, а информацию о текущем состоянии электропри­вода и технологического процесса — от датчиков обратных связей. С помощью этих датчиков ток, напряжение, скорость вращения, мо­мент и положение (перемещение) исполнительного органа преобра­зуются в пропорциональные этим параметрам электрические сигна­лы, которые и подаются в управляющее устройство. В нем текущие состояния электропривода и технологического процесса сравнива­ются с заданными, и при наличии рассогласования вырабатывает­ся управляющий сигнал, воздействующий через преобразователь на электропривод в направлении устранения возникшего рассогла­сования с требуемыми точностью и быстродействием. В промышленных роботах достаточно широко применяется ав­томатизированный электропривод замкнутого типа с двигателями постоянного тока. Рис. 3.15. Структурные схемы замкнутого (а) и разомкнутого (б) автоматизированных электроприводов В структурной схеме разомкнутого электропривода (рис. 3.15, б) можно выделить три основные составные части: 1) механическую часть привода МЧ, включающую в себя ра­бочий механизм, или исполнительный орган ИО, и передаточное устройство ПУ (редуктор). В некоторых случаях в механическую часть привода включают дополнительно гидроусилитель ГУ момен­тов. Это делают тогда, когда электродвигатель имеет малую мощ­ность. Однако такую схему следует относить к электрогидравличе­ской; 2) электродвигатель ЭД; в данном случае показан шаговый дискретный электродвигатель, применяющийся в разомкнутых схе­мах электропривода; 3) систему управления СУ, которая состоит из электронного коммутатора ЭК, преобразующего входной сигнал в соответствую­щее по числу фаз напряжение, и усилителя мощности У, обеспечи­вающего соответствующий ток по фазе. Шаговый дискретный разомкнутый привод с различными типа­ми шаговых двигателей достаточно широко применяется в промыш­ленных роботах. Этот привод не имеет датчиков обратных связей, что значительно упрощает структуру и функциональную схему при­вода и устройства управления. Шаг двигателя можно выбрать по условиям требуемой точности произвольно малым, поэтому шаго­вый привод воспроизводит все виды механического движения, до­ступные непрерывным системам приводов. Перечисленные особенности позволяют определить дискретный приводе шаговым двигателем как синхронно-импульсный следящий привод, сочетающий в себе возможности глубокого частотного ре­гулирования угловой скорости (до 0) с возможностями числового задания пути. Остальные типы разомкнутых электроприводов пока в промыш­ленных роботах применения не нашли. Замкнутый электропривод в последние годы все шире приме­няется в промышленных роботах благодаря своим очевидным преи­муществам перед другими типами приводов. Для промышленных роботов необходимы малогабаритные электродвигатели мощностью 100 Вт ... 2 кВт. В настоящее время создаются двигатели с печатным ротором, гладким ротором и т. д. Весьма желательно иметь в таком двигателе встроенный датчик ско­рости — тахогенератор, что позволяет получить более компактную конструкцию привода. В приводе роботов можно применять отечественные электродви­гатели постоянного тока серий ДП, ДПУ, ДК1, ДК2 и ПБВ. Дан­ные этих двигателей приведены в табл. 3.4...3.6, данные электро­двигателей переменного тока — в табл. 3.7. Особого внимания заслуживает создание обратной связи в элек­троприводе замкнутого типа. Обратную связь по скорости осуществляют, как правило, с по­мощью датчика обратной связи — тахогенератора, установлен­ного на валу электродвигателя. Наличие такой обратной связи позволяет стабилизировать скорость вращения электродвигателя, а, следовательно, и скорость перемещения исполнительного органа робота. Схемные решения этой задачи подробно рассмотрены в учебниках по электроприводу и поэтому не описывается тут.Таблица 3.4. Характеристика электродвигателей постоянного тока серий ДП и ДПУ (СССР) Тип двигателя Схема Номинальный момент, Н*м Номинальная мощность, кВТ Перегрузка по моменту Момент инерции, г*м2 Размеры, мм Масса, кг L D ДП-35 0,06 0,025 3,6 0,008 136 35 0,9 ДП-40 0,09 0,04 4,5 0,019 145 40 1,1 ДП-50 0,24 0,06 5,8 0,025 167 50 2,0 ДП-60 0,21 0,09 7,5 0,055 187 60 2,0 ДПУ-160 0,5 0,18 5,0 0,17 172 130 13,0 ДПУ-200 1,7 0,55 5,0 0,81 180 180 18,0 ДПУ-240 3,5 1,1 5,0 1,33 170 230 23,0 Таблица 3.5. Характеристика электродвигателей постоянного тока серий ДК1 и ДК2 (СССР) Тип двигателя Схема Номинальный момент, Н*м Номинальная мощность, кВТ Перегрузка по моменту Момент инерции, г*м2 Размеры, мм Масса, кг L D ДК1-1,7 1,7 0,17 4,1 1,1 375 140 12,7 ДК1-2,3 2,3 0,23 4,1 1,55 408 140 15,5 ДК1-3,5 3,5 0,35 5,2 1,95 441 140 18,2 ДК1-5,2 5,2 0,5 6,0 2,0 507 140 23,77 ДК2-1,7 1,7 0,17 4,1 1,0 390 123 12,5 ДК2-2,3 2,3 0,23 4,1 1,2 430 128 17,0 ДК2-3,5 3,5 0,35 5,2 2,0 470 132 21,0 ДК2-5,2 5,2 0,5 6,0 2,8 510 143 25,0 Таблица 3.6. Характеристика электродвигателей постоянного тока серии ПБВ (СССР) Тип дви-гателя Номинальный момент, Н*м Номинальная мощность, кВТ Номинальная частота вращения, об/мин Перегрузка по моменту Момент инерции, г*м2 Темпера-турная постоян-ная, мин Размеры, мм Масса, кг L D ПБВ-1000М 7.16 0,75 1000 9 10 60 476 192 29 ПБВ-100L 10.5 1,1 - 9 13 70 536 192 35 ПБВ-112S 14.0 1,1 750 9 35 60 515 220 45 ПБВ-112M 17,5 1,1 600 10 42 70 555 220 51 ПБВ-112L 21,0 1,1 500 10 49 80 595 220 57 Таблица 3.7. Характеристика асинхронных двигателей серии 4А (СССР) Рис. 3.16. Датчики обратной связи: а — импульсный фотоэлектрический; б — кодовый Сложнее обстоит дело с обратной связью по положению, призванной обеспечить остановку исполнительного органа в заданной точке зоны обслуживания и с требуемой точностью. Датчик обрат­ной связи по положению следует устанавливать в конце кинемати­ческой цепи исполнительного органа. Это позволит корректировать все ошибки механической части, включая мертвые ходы механизма, люфты и упругие деформации. Привод датчика обратной связи не должен иметь люфтов. Достаточно хорошо в этих условиях работает привод с тонким стальным тросом, обеспечивающий безлюфтовую передачу движения на относительно большие расстояния. Датчики обратной связи по положению бывают трех типов: им­пульсные, кодовые и аналоговые.^ Импульсные датчики применяются в системах отсчета коорди­нат по приращениям, так как не могут дать информацию в непод­вижном состоянии. Естественно, что в устройстве управления дол­жен быть счетчик для регистрации поступающих от датчика импуль­сов и их хранения. Импульсные датчики могут быть различного принципа действия, в том числе фотоэлектрические, индуктивные и т. д. Наиболее распространены фотоэлектрические датчики (рис. 3.16, а), состоящие из диска с нанесенными на периферии деле­ниями и фотоэлектрического устройства, которое формирует им­пульсы и выдает их в устройство управления. Датчик этого типа дол­жен быть рассчитан так, чтобы один импульс соответствовал эле­ментарному перемещению исполнительного органа, обеспечиваю­щему заданную точность остановки. Рекомендуемое элементарное перемещение — 0,1...0,2 мм. Конструкции импульсных датчиков обратной связи многочисленны. / Кодовый датчик обратной связи отличается тем, что на его выхо­де формируется код, позволяющий с необходимой точностью опре­делять положение исполнительного органа в любой точке заданного перемещения, в том числе и в неподвижном состоянии. Кодовый дат­чик обратной связи (рис. 3.16, б) состоит из специального диска (одного или нескольких, соединенных передачей), на котором нанесен соответствующий код, в данном случае код Грея. К достоинствам фотоэлектрических датчиков следует отнести! малую инерционность, определяемую только инерционностью фо­тоэлементов и переходными процессами в выходной электрической цепи; пригодность этого принципа для преобразования как очень больших, так и очень малых перемещений (10-3 мм и менее); воз­можность обходиться ничтожными усилиями на входе. Преимущественное распространение получили кодирующие ди­ски с разновидностями двоичного кода, исключающими возникно­вение ошибок при переходе через границы различных дискретных участков, когда некоторые разряды могут считываться по одну сторону границы, а некоторые — по другую (из-за неточной уста­новки считывающего устройства или из-за неодновременного счи­тывания кода в процессе вращения). Разрядность кодового диска должна соответствовать требовани­ям точности остановки исполнительного органа. Так, при среднем значении перемещения исполнительного органа робота 1000 мм и необходимой точности остановки Δ= 0,1 мм нужно иметь 14-раз­рядный датчик, так как 214 = 16 384 и Δ=1000/16 384=0,061 мм что отвечает требованиям. Если же установить 13-разрядный датчик, то Δ=1000/213=1000/8192=0,122 мм т. е. в этом случае элементарный шаг будет больше заданной точно­сти остановки, что неприемлемо. В последние годы появились кодовые датчики небольшого диа­метра, в которых вместо одного диска большого размера установ­лены несколько маленьких, соединенных точной механической пе­редачей. Существует несколько типов аналоговых датчиков, выпускае­мых серийно в СССР. К ним нужно отнести многооборотный потен­циометр типа ППМЛ, имеющий следующие характеристики: раз­решающую способность — не менее 0,01 %; быстродействие— не менее 200 об/мин; надежность — 1000 ч при вероятности отказа 0,92. Для определения перспективы развития отечественных потенциометрических датчиков сравним их параметры с зарубежными аналогами. Разрешающая способность последних модификаций дат­чиков "Heliport" (США) — 0,003...0,002 %, а датчиков «Ariport (ЧССР) — 0,002...0,004 % при идентичных с ППМЛ показателях по надежности и быстродействию. Разрешающая способность таких датчиков составляет 216 дискрет при цене дискреты 0,4 мм, измерен­ной на схвате робота при максимальном выдвижении руки. Такую точность обеспечивает также индуктивный датчик, работающий в ре жиме фазовращателя и имеющий электрическую редукцию фазы точного отсчета 32. Его разрешаю­щая способность 0,5'. Рис. 3.17. Элек­трическая схема включения ти­ристора в сеть переменного то­ка Следует отметить, что подавляющее большинст­во устройств управления промышленных роботов относится к цифровым. Поэтому применение дис­кретных датчиков обратной связи предпочтитель­нее, так как отпадает необходимость в преобразо­вании сигнала из аналоговой формы в цифровую. Несмотря на то что существует очень большое ко­личество преобразователей «аналог — код», такой процесс, как правило, приводит к некоторой поте­ре точности измерения.^ Тиристорные преобразователи, широко применяемые как мощ­ные усилители в электроприводах с двигателями постоянного тока, являются управляемыми выпрямителями, выходное напряжение ко­торых в широких пределах пропорционально входному управляю­щему сигналу постоянного тока. Основной элемент любого тири­сторного преобразователя — тиристор. Это мощный полупроводни­ковый управляемый вентиль, в котором с помощью импульса тока Uу, подаваемого на управляющий электрод, можно изменять момент начала прохождения через него тока при условии подачи напря­жения Ес (рис. 3.17). Изменяя этот момент, можно изменять среднее значение выпрямленного тока iн в нагрузке Rн. Ток через тиристор может протекать не только при подаче управляющего импульса, но и без него — при достаточно высоком напряжении питания, ко­торое называется напряжением переключения. Тиристоры характеризуются рядом параметров, главные из ко­торых следующие: номинальный ток — среднее значение выпрям­ленного тока; номинальное напряжение — максимально допусти­мое напряжение, которое длительно прикладывается к тиристору в прямом и обратном направлениях; ток управления — наименьший постоянный ток в цепи управления, обеспечивающий открытие ти­ристора. Кроме этих параметров используются и другие: падение на­пряжения в прямом направлении при номинальном токе; ток вклю­чения, т. е. прямой ток при разомкнутой цепи управления, ниже которого тиристор выключается; время включения и выключения; допустимые скорости нарастания тока и напряжения и т. д. Отечественные тиристоры серии ПТЛ (тиристор лавинный) вы­пускаются на токи 100, 150 и 200 А при прямом падении напряжения на нем около 1 В и при рабочем (обратном) напряжении 300...1000 В. При этом отпирающий ток составляет 0,15... 1,3 А, что соответствует напряжению отпирания 0,3...0,8 В. Характеристики тиристоров и режимы их работы приводятся в соответствующих справочниках. Рассмотрим схему тиристорного преобразователя ТПЗР, раз­работанную в ЭНИМСе (рис. 3.18). Она состоит из двух групп вен­тилей (VI...V3 и V4...V6), образующих трехфазные управляемые выпрямители, которые могут работать как инверторы. Вентили включены последовательно с дросселями L1 и L2, работающими на один двигатель, который подключен между средней точкой А дросселей и общей точкой В вторичной обмотки трехфазного транс­форматора. Рис. 3.18. Схема тиристорного преобразователя ТПЗР: БУ — блок управления; БПН — блок пилообразных напряжений! УПТ - усилитель постоянного тока; ВТО — блок токоограничения! БЗС — блок задания скорости; БП — блок питания; БПДТ — блок питания обмоток возбуждения двигателей и тахогенератора При небольшом открытии вентилей обоих выпрямителей через дроссели идет уравнительный постоянный ток 2...4 А. Переменная составляющая этого тока ограничивается дросселями. При увели­чении открытия вентилей одной группы и одновременном уменьше­нии открытия другой (за счет управляющего сигнала) на выходе тиристорного преобразователя между точками Л и В возникает на­пряжение вследствие разности напряжений выпрямителей. Двига­тель начинает вращаться в ту или иную сторону в зависимости от того, у какого из выпрямителей напряжение больше. Если при установившейся скорости двигателя снизить управляющий сигнал на входе, то одна из групп вентилей (в зависимости от направления вращения двигателя в этот момент) переходит в инверторный режим вследствие того, что ЭДС двигателя больше выпрямленного напря­жения. При этом направление тока, проходящего через двигатель, меняется, и он начинает тормозиться до скорости, соответствующей заданной для нового значения управляющего сигнала. В настоящее время разработано несколько схем тиристорных преобразователей, обеспечивающих управление различными двигателями. Управляющий сигнал, подаваемый на схему тиристорного преобразователя, равен ±10 В.^ Разомкнутый шаговый электропривод промышленных роботов Как уже было показано (см. раздел «электрогидравлический шаговый привод»), разомкнутый шаговый электропривод имеет определенные преимущества. Это простота структурной схемы, отсутствие датчиков обратной связи и большой диапазон регулирования по скорости. Вместе с тем такой тип привода имеет некоторые недостатки. В том числе невозможность устранить методическую ошибку в пре­делах одного цикла, малую мощность шагового двигателя, что, кар правило, приводит к необходимости вводить промежуточные уси­лители. В настоящее время наша промышленность серийно выпускает шаговый двигатель ШД-5Д1, описание которого, технические дан­ные и схема управления приведены ранее (см. разд. «Электрогидравлический шаговый привод»), и шаговый двигатель ШД-5Д1 МУЗ (рис. 3.19). Технические данные шагового двигателя ШД-5Д1 МУЗ Напряжение питания постоянного тока, В 48 Ток в цепи фазовой обмотки, А 3±0,1 Момент нагрузки, Н*м 0,1 Единичный шаг, 0 1,5 Момент инерции нагрузки, кг-ма 4*102 Приемистость (не менее), шаг/с 2000 Максимальный статический син­хронизирующий момент, Н • м 0,4 Максимальная частота отработ­ки шагов, шаг/с: при резисторной фокусировке 8000 при электронной фокусировке 16 000 Рис. 3.19. Шаговый двигатель ШД-5Д1 МУЗТаблица 3.8. Основные данные отечественных силовых шаговых двигателей Параметр Тип двигателя Ш-2,65/20-01 Ш-2,65/50-01 Ш-2,65/150-01 Шаг, ° 2,65 2,65 2,65 Номинальный ток фазы, А 3,2 4,0 8,0 Номинальный вращающий момент, Н • м 2,0 5,0 15,0 Максимальный статический синхрони­зирующий момент при двух включен­ных фазах, Н • м 3,5 12,0 38,0 Момент инерции робота, кг • м2 2,58*10-7 20,0*10-7 33,3*10-7 Номинальная частота управления, Гц 300 130 180 Частота приемистости холостого хо­да, Гц 550 400 400 Максимальная частота управления хо­лостого хода, Гц 850 620 600 Сопротивление фазы, Ом 3,0 3,1 1,9 Постоянная времени фазы 0,019 0,045 0,032 Рис. 3.20. Отечественные силовые шаговые двигатели Следует отметить, что двигатель ШД-5Д1 можно применять и без гидроусилителей, но только на механизмах с малым моментом вращения. Опыт показывает, что это такие механизмы, как манипу­ляторы роботов малой грузоподъемности (до 5 кг) либо вспомога­тельные, ориентирующие движения роботов средней грузоподъем­ности. В каждом частном случае решению о применении двигателя ШД-5Д1 должны предшествовать расчеты по моментам и мощности. Безусловно, интересна и перспективна задача создания так на­зываемых силовых шаговых двигателей, применение которых не требует установки гидроусилителей. В этом направлении в СССР и за рубежом ведутся научно-исследовательские и опытно-конструк­торские работы, получены первые результаты. В настоящее время серийно выпускаются отечественные силовые шаговые двигатели (рис. 3.20, табл. 3.8). Дальнейшее развитие шаговых двигателей в направлении увеличения момента и быстродействия откроет благо­приятные перспективы в создании разомкнутого шагового привода промышленных роботов.^ 3.6. Сравнительные данные приводов В гл. 3 «Приводы промышленных роботов» кратко рассмотрены лишь некоторые вопросы, характерные для робототехники. Задача охватить все возможные аспекты создания и применения приводов автором не ставилась. Интересующихся отсылаем к специальной литературе. В заключение приведем сравнительные данные (табл. 3.9), по­зволяющие ориентировочно оценить преимущества и недостатки различных типов приводов промышленных роботов. Эти данные имеют качественный характер и могут быть полезны на первом эта­пе выбора типа привода. Далее необходимо провести сравнительные расчеты по выбранным критериям оценки и лишь затем можно сде­лать вывод и окончательный выбор типа привода.Таблица 3.9. Свойства гидро- и электропривода Технические данные и составные части Гидравлический привод Электрический привод Следящий Шаговый (комбинированный) Силовой элемент Гидроцилиндр Гидроусилитель Электродвигатель Габаритные размеры и масса (при той же мощности) Малые Малые Большие КПД системы Низкий Низкий Высокий Редуктор Нет Есть Есть Орган управления Электрогидравлическнй золотник Шаговый двигатель с электронным коммутатором Двигатель постоянного тока с тиристорным усилителем Вспомогательные уст­ройства Насосная станция со стандартным оборудованием Нет Движущиеся части при­вода Двигатель гидронасоса, гидронасос, гидромотор, золотник Двигатель постоянного тока и редуктор Распределительная сеть Трубы и шланги высокого давления Электрические провода Наличие масла Есть Нет Фильтры Необходима смена с про­стоем для промывки систе­мы Нет Время готовности Необходим начальный про­грев Немедленно Операции при введении в действие Промывка гидросистемы Нет Обслуживающий персо­нал Электрик, механик, гид­равлик Электрик, механик Уровень шума Высокий Низкий Глава 4^ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ*РОБОТАМИ4.1. Классификация устройств управления В настоящее время создано много разнообразных устройств уп­равления промышленными роботами, начиная от простейших элек­тромеханических и кончая очень сложными в функциональном отно­шении с использованием интегральных схем. Чтобы внести ясность в широкий спектр устройств управления (УУ), выделим наиболее важные признаки и приведем классификацию этих устройств (рис. 4.1). Рис. 4.1. Классификация устройств управления промышленными роботами Следует отметить, что при разработке, создании и применении устройств управления ПР возникают все традиционные требова­ния, предъявляемые к устройствам управления другими произ­водственными процессами и оборудованием, как, например, к уст­ройствам управления металлорежущими станками с числовым про­граммным управлением. В частности, это касается надежности, быстродействия, объема памяти, элементно-конструктивной базы и стоимости. Подробное рассмотрение всех параметров не входит в задачу данного учебного пособия, так как обстоятельно изложено в соответствующих курсах. Здесь приведены в основном отличи­тельные особенности устройств управления ПР. Помимо приведенных признаков классификации (см. рис. 4.1) существуют признаки, отличающие устройства управления про­мышленными роботами от других, известных в настоящее время. Один из таких признаков — уровень управления (рис. 4.2). I уровень (рис. 4.2, а). Каждую единицу технологического обо­рудования дополняют соответствующим промышленным роботом, выполняющим простые циклические операции — установку в обо­рудование заготовок, снятие деталей и т. д. II уровень (рис. 4.2, б). Технологически объединенную группу оборудования оснащают стационарным или подвижным промышлен­ным роботом, который осуществляет установку и съем деталей, вы­полняя другие вспомогательные операции (измерение, контроль и т. д.); при этом поведение ПР определяется запросами от единицы оборудования и условиями выполнения программы обслуживания. Рис. 4.2. Уровни управления промышлен­ными роботами: «— I; в — II: в — III III уровень (рис. 4.2, в). Высокая степень автоматизации на ос­нове группового управления оборудованием и роботами от распре­деленной системы управления оборудованием или центральной ЭВМ, решающей также задачи диспетчеризации, управления скла­дом, транспортными средствами и т. д. С некоторым приближением можно сказать, что I уровень — это управление отдельным роботом или простейшим роботизированным технологическим комплексом, II — управление роботизированным технологическим комплексом средней и высокой сложности, III — управление гибкой производственной системой. Наконец, различные устройства управления могут классифи­цироваться по степени сложности решаемых задач. Эта классифика­ция в известной степени связана с методами обучения и дистанцион­ным управлением роботами (рис. 4.3). На рисунке представлены четыре уровня взаимодействия человека-оператора с устройством управления роботом: интеллектуальный, стратегический, тактиче­ский и исполнительный (штриховкой показано качественное соот­ношение объемов информации). Все три приведенные классификации не только не противоре­чат друг другу, но в известной степени и дополняют. Можно сказать, что первая классификация отражает элементно-конструктивную базу, структуру и внутренние связи в устройствах управления, вторая — степень сложности в зависимости от количе­ства единиц технологического и вспомогательного оборудования, третья — показывает уровень интеллектуальности устройств уп­равления. Заметим, что III и IV уровни относятся к адаптивным ро­ботам и роботам с искусственным интеллектом. Стремление создать единую, всеобъемлющую классификацию устройств управления неизбежно приводит к неоправданному уве­личению ее сложности, что значительно затрудняет восприятие и понимание такой классификации, поэтому автор приводит три классификации, отличающиеся в методическом плане. Существующие в настоящее время устройства управления промышленными роботами (кроме цикловых) относятся к классу си­стем числового программного управления (ЧПУ). В зарубежной и отечественной литературе системы числового программного управления принято делить на следующие типы: — NC (Numerical control) — числовое программное управление обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифро­вом коде. Эти устройства работают по «жесткой логике», программа вводится, как правило, на перфоленте или магнитной ленте; — HNC (Hand NC) — разновидность устройств ЧПУ с ручным заданием программы с пульта управления (на клавишах, переклю­чателях и т. д.). В последнее время эти системы получили дальней­шее распространение и теперь выпускаются следующие их типы: TNC (Total NC) и VNC (Voice NC). Устройства типа TNC имеют в своем составе внешнюю память на гибких дисках (для хранения уп­равляющих программ) и дисплеи для организации общения опера­тора с устройством ЧПУ. В устройствах ЧПУ типа VNC управля­ющая программа вводится непосредственно с голоса. Принятая ин­формация затем отображается на дисплее, что обеспечивает визу­альный контроль правильности ввода; Рис. 4.3. Уровни взаимодействия человека-оператора в устройствами управления Рис. 4.4. Обобщенная структурная схема устройства управления промышлен­ным роботом: I — управляющий модуль; II — информационный; III —исполни ельный; IV — программозадающий; -основные сигналы программного управления: -сигналы адаптив­ного управления — SNC (Speicher NC) и (или) MNC (Memory NC) — разновид­ность устройств ЧПУ, имеющих память для хранения всей управ­ляющей программы; — CNC (Computer NC) — автономное устройство ЧПУ, содер­жащее ЭВМ или процессор; — DNC (Direct NC) — устройство для управления группой обо­рудования от ЭВМ, осуществляющее хранение программ и распре­деление их по запросам от локальных устройств управления обо­рудованием (на оборудовании могут быть установлены устройства типа NC, SNC, CNC). Устройства ЧПУ типа NC и HNC имеют по­стоянную структуру, а устройства типа SNC и CNC — переменную. Несмотря на то, что эта классификация была создана для уст­ройств числового программного управления металлорежущими станками, сейчас она применяется и для устройств управления про­мышленными роботами. Описывая устройства числового программного управления про­мышленными роботами, следует хотя бы кратко остановиться на их структурной (функциональной) схеме. В ряде опубликованных статей, монографий и учебных пособий встречаются разнообразные структурные схемы устройств управ­ления роботами, но при внимательном рассмотрении оказывается, что между ними нет принципиальных различий. Как правило, они отличаются лишь степенью детализации модулей, связей и графиче­ской компоновкой. На рис. 4.4 приведена обобщенная структурная схема устройст­ва управления промышленным роботом. Далее мы переходим к рассмотрению устройств управления ПР различного типа.^ 4.2. Цикловые устройства управления В большинстве случаев перемещения манипулятора промышлен­ного робота представляют собой определенную последовательность операций, направленных на выполнение заданной производствен­ной, технологической задачи. Конечную последовательность дви­жений рабочего органа манипулятора, после выполнения которой он занимает начальное положение, называют циклом, а устройства, обеспечивающие циклическую работу исполнительных, рабочих органов,— цикловыми. Большое количество промышленных роботов предназначено для выполнения относительно простых операций, сводящихся к процес­су «взять — перенести — положить», и поэтому цикловые устрой­ства управления различного типа широко применяются в промыш­ленной робототехнике. Работа цикловых устройств управления имеет дискретный ха­рактер. Рабочий цикл можно разбить на несколько интервалов — тактов, представляющих собой интервалы времени, в течение ко­торых выполняется определенное перемещение по ранее заданно­му закону. Цикловые устройства многотактны и имеют обычно жест­кую последовательность тактов. Применение в управляющей части специальных программных задающих устройств позволяет при не­обходимости изменять рабочий цикл, дает основание называть цикловые устройства устройствами программного управления. Цикловые устройства программного управления часто монтируют вме­сте с приводами и подчас трудно отделить собственно управляющую часть от исполнительной. Рис. 4.5. Цикловые (программ­ные) устройства управления: а — штекерная панель; 6 — вращающийся барабан; в — линейные направляющие о конечными вклю­чателями По виду используемой энергии в приводной части устройства циклового программного управления могут быть пневматические, гидравлические, электрические и комбинированные. Основное назначение задающего программного устройства — обеспечить последовательность выполнения технологических оп