Реферат: 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 МУЗ

Таблица 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*РОБОТАМИ

4.1. 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