Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
В материалах XXVI съезда КПСС, в специальных решениях дирек； тивных инстанций неоднократно отмечалось и подчеркивалось, что современный этап развития производительных сил в нашей стране настоятельно требует перевода народного хозяйства преимущественно на интенсивный путь развития. Совершенствование существующих и создание принципиально новых технологических процессов, последовательное проведение линии на широкое внедрение средств механизации и автоматизации производства позволят резко поднять производительность труда, значительно увеличить объем продукции на одного работающего. Эффективное средство достижения указанной цели ——применение в различных отраслях народного хозяйства роботов и робототехнических систем.
Одно из важных направлений автоматизации процесса производства в промышленности ——автоматизация сборочных операций. В решении этой проблемы на долю промышленных роботов выпадает большая роль. Использование роботов в комплексе с другим технологическим оборудованием позволяет резко сократить затраты ручного труда, часто к тому же тяжелого, монотонного и утомительного. Яркий пример успешной роботизации сборки ——применение промышленных роботов-манипуляторов в часовой промышленности при сборке механизмов часов, где производительность труда на сборке удалось поднять в шесть раз.
При использовании роботов на сборке в процессе производства массовой продукции в больших объемах при относительном постоянстве номенклатуры выпускаемых изделий возможно и целесообразно разбиение процесса сборки на последовательность несложных операций и использование сравнительно простых по конструкции, дешевых и точных манипуляторов.
В то же в^емя для сборочных операций более сложного характера в случае： невысокой серийности и возможности существенного изменения номенклатуры собираемых изделий целесообразно создание более развитых роботизированных сборочных комплексов с электронной системой управления, снабженных в меру необходимости теми или иными средствами очувствления (датчики положения, датчики сил и моментов, системы технического зрения и др.).
Включение вычислительных управляющих средств (мини- или микро-ЭВМ) в контур управления движением таких сборочных комплексов сообщает им принципиально новые свойства. Становится возможным производить на одном сборочном комплексе большой Цикл разнородных сборочных операций, сборку целых узлов изде-
лий машиностроения, подобно тому как применение станков типа «обрабатывающий центр» позволяет производить на одном станке с одной установки последовательно большое число различных операций по обработке изделия.
Развитое программное обеспечение открывает возможность быстрой переналадки сборочного комплекса на другое изделие. Это обеспечивает высокую степень гибкости в использовании оборудования при изменении параметров или типа изготовляемой продукции, что имеет важнейшее значение при создании высокоавтоматизированных гибких производств.
Настоящий сборник посвящен некоторым актуальным вопросам использования роботов для автоматизации сборочных процессов. Рассматриваются проблемы использования роботов в качестве легко переналаживаемых сборочных средств. Основными затрагиваемыми вопросами являются:
организация рассредоточенной сборки с помощью специализированных роботов и организация концентрированной сборки посредством универсальных роботов («сборочный центр»);
разработка специализированных сборочных головок (сменных «кистей» робота) и реализация рабочих движений посредством соответствующего управления многофункциональной кистью;
использование силовой обратной связи и применение пассивной податливости кисти робота для реализации сборочных процессов;
разработка специальных питающих и ориентирующих устройств, организующих среду, и использование развитых средств очувствления (в частности, технического зрения), позволяющих роботу работать с неориентированными деталями;
создание алгоритмов и программных комплексов, обеспечивающих эффективное выполнение сборочных операций и упрощающих програшгирование робототехнических систем.
Отражен опыт практического использования роботов в сборочных процессах в промышленности. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой аппаратных и программных средств автоматизации сборочных процессов.
Сборник рассчитан на специалистов в области робототехники и технической кибернетики.
СБОРОЧНЫЕ РОБОТЫВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 007.52.004.14:681.2
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СБОРОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
И. П. Митяшин, А. III. Кацнельсон, О. Н. Вертоградов
В настоящей статье рассматриваются результаты работ, проведенных НИИТехноприбором (г. Смоленск), по созданию роботизированных сборочных систем (РСС) в приборостроении.
Особенностью роботизации сборки в этой отрасли является то, что, помимо собственно сборки, сборочный процесс сопровождается некоторым количеством регулировочных и контрольных операций, трудоемкость которых в приборостроении доходит до 20% общей трудоемкости изделий.
Структура РСС определяется реализуемым ею технологическим процессом, который в свою очередь состоит из технологий сборки, настройки, заполнения, герметизации, транспортирования, ориентирования и т. д. Для того чтобы охарактеризовать степень приспособленности изделия к изготовлению на современном оборудовании, вводят понятие технологичности. Так как любая РСС должна реализовывать процессы сборки и настройки, то конструкция изделия (прибора) должна обладать не только сборочной, но и настроечной технологичностью.
Понятие сборочной технологичности изделия достаточно хорошо разработано и широко освещено в литературе [1, 2]. Рассмотрим общие ее аспекты.
Любая схема сборки и настройки приборов, отображающая последовательность выполнения технологических операций над объектом сборки и каждым его компонентом, представляет граф типа «сходящееся дерево» [2], вершины которого представляют собой состояния, а дуги — операции механической и иных видов сборки, контроля, настройки и т. д. Естественна, что чем меньше операций при прочих равных условиях требуется для сборки данного изделия, тем выше его сборочная технологичность.
Рационально ли общую технологичность делить на заготовительную, сборочную, настроечную и прочие виды технологичности по наименованиям всех технологий, которые необходимы для производства данного изделия? Мы считаем целесообразным такой подход хотя бы потому, что он приводит к ясному пониманию наличия и положения оптимума (минимума) трудоемкости в сочетании каждой смежной пары и всех видов технологичностей. Например, число операций сборки пропорционально числу исходных компонентов
изделия, т. е. теоретический максимум сборочной технологичности следует ожидать при числе сопрягаемых деталей, равном 2. Однако формы этих двух компонентов столь усложняются, что проигрыш в обрабатывающей технологичности может даже не компенсировать выигрыша в сборочной. Задача разработчиков РСС, комплексно- автоматизирующих смежные группы разнородных операций,— нахождение глобального оптимума всех используемых технологий.
Охарактеризуем настроечную технологичность изделия.
Рассмотрим обобщенную модель прибора, имеющего статическую характеристику с параметралги z； (/ ^ 1, 2, . . .. т) и набор регулп- ровочных элементов с координатами хг (» = 1, 2,.・.,п). Если обозначить через Zjo параметры настроенного прибора, то систематические составляющие отклонения статической характеристики от номинальной определяются как Д；=马一z”. При этом п》т. Настройка прибора заключается в доведении до нуля всех Д； путем изменения 2f.
Возможны следующие варианты модели:
Zj ^ Zj (右工，右2，• • • 5 ^n)*
В этом случае принципиально возможна настройка, если якобиан системы (модели 1) отличен от 0:
D(2工，出，• • • ? ?т)/°(4，&，• • • ?加孔)=7^ 0.
Однако в данной модели имеет место избыточность (几》m) и, помимо того, она допускает сложные функциональные зависимости между параметрами статической характеристики и координатами регулировочных элементов. В реальных приборах это крайне нежелательно, так как усложняет процессы настройки.
Модель, описываемая матричным уравнением
/X = Z, X = X。十 АХ, Z = Z。+ AZ,
где Л — матрица коэффициентов (порядка п х n); X — вектор координат регулировочных элементов; Z — вектор параметров статической характеристики; Хо и Zo — соответствующее векторы настроенного прибора, а ДХ и AZ — их отклонения, вызванные расстройкой.
Алгоритмизация процесса настройки прибора предполагает предварительное определение элементов матрицы Л, которую можно представить в виде.
/ 笈工 • > • а? ■ > •.
Будем поочередно изменять у настроенного прибора по одной координате А“ В этом случае ДХ = АХ^ = || 0, 0, . • ., А勺，...,0 || и каждому АХ^ будет соответствовать свое Az；. Отсюда
А АХ = AZ, 力 AXf = AZ?, а^Ат^ = AZ 加
Следовательно, а； = AZJAx；. Изменяя Z от 1 до м, из последнего выражения находим все элементы матрицы А.
В рационально сконструированном приборе ранги матриц А и В ^ \\ А\ Zo II равны п. Следовательно, изучаемая модель имеет ре
шение и прибор можно настроить. Поскольку элементы матрицы В известны, технические средства для настройки прибора могут работать, реализуя, например, алгоритм Гаусса приведения В к ступенчатому виду [3]. Однако алгоритм настройки данной модели представляется достаточно громоздким. Поэтому конструкция соответствующего ей прибора нетехнологична.
Наилучшей в смысле настройки является модель, для которой матрица Л диагональна:
勺°it == Zj, (勺0 + △勺)〃£2 ■— Z()А^.
В этом случае каждая составляющая систематической погрешности является функцией координаты лишь одного регулировочного элемента. Алгоритмизация настройки такого прибора наиболее проста, а его настроечная технологичность высока.
Технологичная конструкция прибора, помимо отмеченных, удовлетворяет и ряду других требований. В частности, регулировочные элементы должны располагаться в легко доступных местах, удобных для подведения автоматического инструмента. Конструкции регулировочных элементов должны быть приспособлены к технологичным способам настройки, чаще всего вращению (изгиб, подбор прокладок должны быть исключены), быть удобными для поиска и захватывания инструментом. Регулировочный элемент не должен изменять своей координаты после окончания процесса настройки.
Таким образом, наряду со сборочной технологичностью приборы, выпускаемые на РСС, должны отвечать условиям 3 настроечной технологичности и отмеченным требованиям к конструкции регулировочных элементов.
Одна и та же технологическая схема сборки может быть реализована множеством разнородных РСС, использующих различную конструктивную базу, степень дифференциации операций и т. п. Выбирается такая РСС, которая на данном уровне развития техники оптимальна по критерию экономической эффективности, самому важному при автоматизации производств. При реализации РСС рассматриваются варианты использования ПР ——наиболее универсальных технических модулей, реализующих манипуляцтюнные и логические действия при сборке, и в первую очередь исследуется техническая возможность использования ПР первого поколения.
Обобщенная операция сборки содержит, как правило, следующие приемы:
захватывание собираемого компонента из навала, магазина или кассеты, с конвейера или другого транспортного средства, поодиночке или группой, с подвижного или неподвижного носителя компонентов;
ориентирование захваченного компонента относительно некоторых неподвижных координат РСС или переориентирование его необходимым образом;
перенос ориентированного компонента (группы компонентов) в рабочую зону одной из автоматизированных позиций РСС;
относительное ориентирование сопрягаемых поверхностей собираемых компонентов;
сопряжение компонентов;
закрепление компонентов в требуемо、】 относительном положении;
контроль выполнения приема 6 (не исключается целесообразность контроля выполнения каждого из приемов сборки, но контроль резлгльтата операции обязателен);]
настройка изделия для получения заданных технических характеристик (в большинстве случаев настройка состоит из нескольких операций);
контроль характеристик готового изделия и определение годных и бракованных изделий;
выдача годных изделий из сборочной машины или передача их на следующую автоматизированную позицию PCG (как правило, прием сопровождается подсчетом числа узоров);
И) запоминание признаков (номер спутника, номер в очереди и т. п.) бракованных изделий или их съем для исключения из последующих каналов.
Первое поколение сборочных ПР хорошо выполняет приемы 3, 5, 6, 10, 11 и неудовлетворительно — приемы 1, 2, 4, 7—9. В наших РСС типовыми устройствами выполнялись приемы 1 и 2 (преимущественно впброориентирующими) и прием 4 (вибрационными сканирующими устройствами относительного ориентирования), а приемы 7—9 — преимущественно специализированными автоматическими устройствами. Чтобы избежать ориентации узлов между последовательными сборочными машинами, использовались ПР в сочетании с кассетирующими устройствами. Кассеты явились также средствами создания межмашинных запасов, уменьшающих простои последовательно расположенного оборудования.
После окончания структурного синтеза РСС, в процессе которого выявилось количество ПР, связи ПР с транспортными и иными подсистемами РСС, проводился параметрический синтез, в процессе которого определялись необходимые грузоподъемности, ходы, мани- пл^ляционные и другие возможности ПР. Полученные характеристики использовались для выбора типовых конструкций ПР, имеющих, как правило, избыток свойств при любом конкретном использовании в РСС.
Примером реализации рассмотренного плана построения РСС являются разработка и внедрение роботизированной линии сборки терморегуляторов типа Т-110 для домашних холодильников. Терморегулятор типа Т-110 (рис. 1, а), применяемый во всех моделях отечественных бытовых холодильников, представляет собой датчик- реле температуры с манометрической термосистемой и имеет рабоч>тю характеристику, показанную на рис. 1, 6, где Твк и 北心一температура замкнутого и разомкнутого состояний контакта соответственно. Настройка на заданные 7\匕 и ТQ^ осуществляется поворотом соответствующих винтов. Прибор удовлетворяет условиям 3 настроечной технологичности и состоит из двух основных узлов: механизма
Рис. 1. Терморегулятор Т-110 (а) и его характеристика (б)
МП — механизм переключения;
ТС — термосистема; Твк, Тотк — температура замкнутого и разомкнутого состояний контакта
переключения и манометрической термосистемы. Механизм переключения представляет собой двухрычажную систему, воздействующую на контактную пару. Цилиндрическая пру;кина и винт регулировки «нуля» дают возможность настройки Тотк, лирообразная пружина обеспечивает триггерный эффект, винт регулировки дифференциала позволяет регулировать ZBI-. Термосистема состоит из спаянных между собой медного капилляра, сильфона и фланца, создающих замкнутый объем, заполненный жидкой и газообразной фазами хладона-12. Фланец термосистемы соединяется с механизмом переключения двумя винтами.
Создавалась РСС терморегуляторов типа Т-110 в условиях действующего производства, характеризующегося традиционными средствами механизации и автоматизации. На первом этапе создания этой РСС был оптимизирован технологический процесс. Задача сводилась не к механическому исключению «лишних» операций, а к их рационализации, изменению последовательности, оптимизации режимов и т. д. Не имея возможности в рамках статьи рассматривать операции всего технологического процесса, остановимся на одном характерном примере.
В старом технологическом процессе терморегуляторы настраиваюсь трижды: первый раз ——технологическая подстройка по эквивалентному давлению воздуха незаполненных хладоном приборов; второй раз ——по образцовой температуре в спирто-водных ваннах Уже заполненных приборов; третий раз ——контроль и подстройка
по температуре приборов после выдержки их в технологической камере старения в течение 14 сут.
Следует отметить, что настройка по давлению менее трудоемка и более технологична, чем по температуре. Однако разброс теплофи- зпческпх свойств хладона не обеспечивает однозначной зависимости между температурой и давлением паров во всех режимах работы терморегулятора. Поэтому троекратная настройка была заменена автоматической настройкой по давлению в одной автоматической линии. В этой же линии осуществляется технологическая наработка повышенным давлением и выходной контроль правильности настройки во всех режимах. Параллельно осуществляется периодический контроль теплофизических свойств хладона, идущего на заполнение термоспстедг. По результатам контроля вносится поправка на образцовые уровни давления в линии настройки по давлению. После заполнения хладоном, лужения конца капилляра и выдержки в камере старения все приборы проходят через линию контроля температурных параметров. Такой технологический процесс позволяет существенно упростить конструкцию и металлоемкость агрегатов и повысить надежность его работы.
Сборочная систедга состоит из трех подсистем:
сборки и контроля термосистем;
сборки механизмов переключения н соединения их с термо- системамп;
настройки и контроля терморегуляторов.
Основная структурная единица сборочной системы — робототехнологический комплекс (РТК) со своей локальной системой управления (ЛСУ). Как правило, РТК состоит из одного многопозиционного технологического агрегата с шаговым приводом. На этом агрегате во время выстоя выполняются основные технологические операции. Вспомогательные операции (загрузка, выгрузка, ориентирование, направление изделий в накопитель брака) осуществляются различными модификациями робота ПР-18-2 (рис. 2).
В подсистемах а) п в) накопление и транспортирование изделий осуществляется в специальных кассетах. В них изделия сохраняют ориентацию и защищены от механических повреждений (это особенно относится к нежесткой капиллярной части термосистемы). Как правило, на входе и выходе РТК установлены кассетир5гющие >гст- ройства (КУ), которые позволяют придавать помещенным в них кассетам по командам ЛСУ синхронно с ПР шаговые перемещения при заполнении (освобождении) лотков кассеты и принимать (выдавать) в них (из них) приборы. На стыках подсистем, а также в местах смены типа технологической тары вместо кассет применены магазины загрузки (М3), в которые изделия загружаются оператором асинхронно относительно работы РТК.
Структурно-технологическая схема подсистемы в) (рис. 3) состоит из восьми РТК II камеры старения. Количество параллельных линий определяется их производительностью. Асинхронность в работе и селекция брака в последовательно работающих РТК компенсируются кассетирующими устройствами. В подсистеме применено
Рис. 2. Робот ПР-18-2
18 роботов типа ПР-18-2, 10 кассетир>тю1цих устройств, 5 накопителей брака, 3 магазина загрузки и 3 накопительных лотка. Как видно из схемы, функции человека-оператора заключаются в загрузке магазина (М3), разгрузке лотка (Л), снятии из выходных кассети- рующих устройств (КУ) и подаче во входные КУ очередных РТК заполненных кассет; установке пустых кассет в выходные КУ, загрузке и выгрузке камеры старения. Остальные же операции (около 100 основных и вспомогательных) выполняются автоматически. Цикл работы подсистемы 4 с.
В подсистеме а), состоящей из 7 РТК, используется 15 промышленных роботов, 10 КУ и 2 М3. Подсистема обеспечивает навивку капилляров, сборку, пайку, мойку, вакуумную сушку и контроль герметичности термосистем. Принцип построения данной подсистемы аналогичен рассмотренному.
Подсистема б) сборки механизма переключения и соединения его с термосистемой состоит из 8 многопозиционных автоматизированных станков и линий, осуществляющих сборку переключателя (7 единиц оборудования), и линии сборки терморегулятора. Оборудование
Рис. 3. Структурно-техно- логическая схема подсистемы настройки и контроля терморегуляторовРис. 3. Структурно-техно- логическая схема подсистемы настройки и контроля терморегуляторов工—3 — первая линия； ?' — S' — вторая линия;工,工'——РТК настройки и контроля по давлению； 2, 2' — РТК заполнения термосистеаг п заварки конца капклаяра; 3, 3' — РТК ну- ження конца капилляра； 4 — РТК контроля температурных параметров; 5 — РТХ нагревания кожуха; Л ——лоток； М3 ——магазин загрузки； КУ — кассетирующее устройство; НЕ — накопитель брака工—3 — первая линия； ?' — S' — вторая линия;工,工'——РТК настройки и контроля по давлению； 2, 2' — РТК заполнения термосистеаг п заварки конца капклаяра; 3, 3' — РТК ну- ження конца капилляра； 4 — РТК контроля температурных параметров; 5 — РТХ нагревания кожуха; Л ——лоток； М3 ——магазин загрузки； КУ — кассетирующее устройство; НЕ — накопитель брака
Рис. 3. Структурно-техно- логическая схема подсистемы настройки и контроля терморегуляторов
Рис. 3. Структурно-техно- логическая схема подсистемы настройки и контроля терморегуляторов
工—3 — первая линия； ?' — S' — вторая линия;工,工'——РТК настройки и контроля по давлению； 2, 2' — РТК заполнения термосистеаг п заварки конца капклаяра; 3, 3' — РТК ну- ження конца капилляра； 4 — РТК контроля температурных параметров; 5 — РТХ нагревания кожуха; Л ——лоток； М3 ——магазин загрузки； КУ — кассетирующее устройство; НЕ — накопитель брака
工—3 — первая линия； ?' — S' — вторая линия;工,工'——РТК настройки и контроля по давлению； 2, 2' — РТК заполнения термосистеаг п заварки конца капклаяра; 3, 3' — РТК ну- ження конца капилляра； 4 — РТК контроля температурных параметров; 5 — РТХ нагревания кожуха; Л ——лоток； М3 ——магазин загрузки； КУ — кассетирующее устройство; НЕ — накопитель брака
преимущественно (7 из 8 единиц) выполнено на базе синхронных ка- Р5тсельных конвейеров, и лишь линия сборки задающего устройства —на базе горизонтально замкнутого цепного синхронного кон* вейера. Системы управления сборочного оборудования РСС комбинированные: механические (кулачковые) для позиций или отдельных манипуляторов, где не предусматривались изменения алгоритмов их работы, и электронно-пневматические там, где такие изменения ожидались.
Синхронизация механических и электронных систем управления обязательна в каждом цикле. Системы управления определили и характер используемых манипуляторов ПР: механические на 2—4 и пневматические на 2—3 степени подвижности. Механические манипуляторы снабжены устройствами отказа от выполнения цикла или части цикла, сконструированными в виде клиньев (с электромагнитными приводами), разрывающими кинематические цепи. Выполняют ПР разнообразные сборочные операции и приемы; берут ориентированные компоненты с выходов вибробункеров или магазинов, переносят в зону сборки данной позиции и сопрягают детали с базовыми деталями, находящимися на спутниках (кроме резьбовых).
Для управления РСС терморегуляторов типа Т-110 реализована АСУ ТП на базе УВК М6000, решающая следующие задачи:
Рис. 4* Переналаживаемая РСС посленастроечной сборки приборов
оперативное управление автооператорами по обеспечению деталями сборочного оборудования;
управление агрегатами на «включение» при превышении допустимого уровня брака;
учет и анализ выполнения плана по подсистемам;
учет п анализ наличия деталей в автоматизированных складах;
учет наличия приборов в камере старения;
учет и анализ брака на выходах РТК;
учет и анализ количества агрегатов и времени их простоя.
Особенностью РСС терморегуляторов типа Т-110 является ее ориентация на выпуск только одного изделия. Если это оправдано при массовом и крупносерийном производствах, то для изделий средней и малой серийности требуются иные решешгя, например переналаживаемые РСС.
Одним из примеров переналаживаемой РСС может служить линия посленастроечной сборки терморегулирующих вентилей ТРВ-2М (рис, 4). Посленастроечная сборка широкого класса теплоэнергетических приборов имеет ряд общих операций: установка фильтров, заглушек, гаек для соединения этих приборов с трубопроводами
обслуживаемого объекта и т. д. Построена РСС на основе типовых устройств: несинхронного конвейера, пневматических ПР, вибробункеров и устройств управления. Несинхронный цепной спутниковый конвейер [4] соединяет пять автоматических сборочных позиций и одну механизированную, где загружаются настроенные приборы и снимаются собранные. Каждая рабочая позиция оснащена собственным командоаппаратом, включенным в иерархическую систему управления. На всех автоматизированных позициях линии имеются двухкоординатные пневматические ПР, закрепдяелгые через специальные кронштейны на стойках в любых требуемых пространственных положениях. Это очень важно потому, что объект сборки крепится на спутнике консольно, требуя присоединения семи компонентов с трех различных сторон. Линейный и поворотный приводы лганипуляторов ПР снабжены специальньши пневматическими демпферами- Конструкция более сложна по сравнению с конструкцией привода, в котором демпфирование создается дросселированиедг выхода воздуха из опорожняемой полости. Однако такой манипулятор работает удовлетворительно при переналадке на любой частичный (неполный) ход поршней приводов.
Манипуляторы ПР оснащены пневматическими кольцевыми и струйными захватами, согласованными по формам и размерам с об- сл уживаемыми компонентами объекта сборки. Несинхронный конвейер и децентрализованное управление повышают переналаживае- мость и надежность линии, допуская кратковременные простои каждой позиции, например, для устранения отказов. Цикл работы каждой из позиций регулируется бесступенчато в пределах 4——14 с. Ход линейного привода регулируется от нуля до 150 мм, а поворотного —— от нуля до 185°. Использовалась также модификация манипулятора сборочного ПР с нвумя линейными (0——150 мм и 0——50 мм) приводами захвата. Точность позиционирования захватов не хуже ±0,1 мм по каждой из координат обеспечивается жесткими регулируемыми упорами,
НИИТехноприбором также разработана н внедрена робототехническая система градуировки (РТСГ) датчиков-реле давления типа РД (рис. 5) [5].
Этот прибор (в зависимости от модификации) может быть бес- шкальным или одно-, двух- и трехшкальным и служит для выдачи дискретного сигнала (замыкания или размыкания контакта) при I достижении входным давлением некоторого установленного по шкаль I уровня.1
В РТСГ входят три исполнительных блока (в центре рис. 5), I размещенных на стойке задатчиков входных сигналов. Система | управляется микро-ЭВМ (см. слева на рис. 5), связанной с исполнительными блоками устройством сопряжения.
Задаваемое давление, изменяющееся по экспоненциальному закону, поступает на входы градуируемых приборов, одновременно оно измеряется датчиками с электрическим аналоговым выходным сигналом и преобразуется в двоичный код аналого-цифровым преобразователем (расположен в устройстве сопряжения) для ввода в ЭВМ.
Рлс, 5, робототехническая система градуировки датчиков-реле давления
Градуировка прибора заключается в определении чувствитель- ностей шкал путем вращения регулировочных винтов, фиксации уровней программно-задаваемых давлений, вызывающих срабатывание прибора, и вычислении требуемых масштабов шкал. После этого приборы поступают на окончательную сборку, где на них устанавливаются готовые шкалы нужного масштаба. Для вращения винтов используются спецотвертки, приводимые в дви/кение управляющими электроприводами переменного тока. Углы поворота спец- отверток измеряются оптическими импульсными датчиками. После окончания градуировки на передней панели соответствующего блока индицируются номера выбранных шкал. Если градуировка закончилась безрезультатно (брак), на панели загорается красная лампа. После этого с помощью пневматических приводов прибор отсоединяется от отверток и воздушных коммуникаций, передняя крышка соответствующего исполнительного блока, представляющая манипулятор с одной степенью подвижности и пневмоприводом, откидывается вместе с прибором. Готовый прибор изымается, на его место в схват манипулятора устанавливается новый, и нажимается кнопка «Пуск». При этом автоматически фиксируется схватом прибор, крышка закрывается и он подсоединяется к электрическим, пневматическим и механическим цепям.
Система управления осуществляет поочередную (приоритетную) работу исполнительных блоков. Это позволяет увеличить производительность системы.
Алфавитно-цифровой регистратор печатает номера шкал отградуированных приборов, а также данные для их паспортов. В случае
1.2,1.2,
1.
2,
1.
2,
брака система осуществляет диагностику отказов прибора и выводит на печать признаки брака (всего их 23) и рекомендацию оператору для их устранения.
Производительность РТСГ —— 40 приборов в час, что в 3——4 раза выше, чем при ручном способе градуировки. Кроме того, устранение субъективных факторов существенно повышает качество приборов.
При создании и эксплуатации РСС необходимо иметь в виду, что в ряде случаев их эффективность ниже, чем у механизированных сборочных систем. Это обусловлено тем, что ПР уступает еще человеку в быстродействии и некоторых иных параметрах при значительных ценах. Поэтому необходимо проводить исследования, направленные, с одной стороны, на повышение производительности ПР, а с другой ——на изменение, улучшение методики подсчета технико-экономической эффективности РСС.
ЛИТЕРАТУРА
Гаврилов А. Н. Технология авиационного приборостроения. М.: Машиностроение, 1981. 480 с.
Лебедоеский М. С.. Федотов А. И. Автоматизация в промышленности. Л.: Лениздат, 1976. 256 с.
Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967. 493 с.
А. с. 740630 (СССР). Конвейер/О. Н. Вертоградов, А. А. Скородумов, Ю. В. Шабрпхин, В. П. Гурьев. Заявл. 27.08.78, № 2575579; Опубл, в Б. И・， 1980, № 22, МКИ В 65G25/04.
А. с. 669242 (СССР). Способ градуировки двухшкальных сигнализаторов давления/А. С. Гордиенко, А. В. Айваржи, В. А. Сердюков, А. Ш. Кацнельсон. Заявл. 12.04.77, № 2474229; Опубл, в Б. И., 1979, № 23, МКИ G01L 27/00.
УДК 007.52.004.14 : 681.2
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
О. Н. Вертоградов, И, П. Митяшин
Около 80% изделий приборостроения выпускаются малыми сериями, но в большой номенклатуре. Это затрудняет выполнение как комплексной, так и частичной автоматизации сборки и требует проведения ряда исследований. НИИТехноприбор (г. Смоленск) приступил к разработке технологических процессов и оборудования комплексно-автоматизированных участков для сборки (механической и с иными видами закрепления), контроля и настройки приборов, каждый из которых выпускается в номенклатуре от нескольких единиц до нескольких тысяч модификаций.
Цель статьи — раскрыть один из подходов к синтезу многономенклатурной роботизированной сборочной системы (РСС) и выбору промышленных роботов (ПР) для нее.
Типичным многономенклатурным прибором является манометр марки МТП, намеченный к выпуску с годовыми программами в несколько миллионов штук на одном из приборостроительных заводов. Имеется четыре типа этих манометров, а именно： МТП-1 — с радиальным штуцером и цилиндрическим корпусом, МТП-2 — с радиальным штуцером и фланцевым корпусом; МТП-З — с осевым штуцером и фланцевым корпусом, МТП-4 — с осевым штунером и цилиндрическим корпусом. В каждом из приборов имеется по 27 штук деталей 25 наименований, из которых 6 имеют переменные исполнения, а именно 3, 6，8, 12, 16 и 21-ю модификацию соответственно, что позволяет получать 509 модификаций каждого типа манометра.
Таким образом, всего на сборочном участке необходимо выпускать до 2036 модификаций манометров МТП. Детали 25 наименований являются общими для всех 2036 модификаций МТП. Кроме указанных деталей, используется около десятка наименований материалов (флюсы, припои, лаки), но они одинаковы для всех видов манометров. Конструкции манометров МТП традиционны, т. е. имеют пружины Бурдона, закрепленные на держателях и связанные через механизмы передачи со стрелками. Габариты манометров (60 X 75 X 40 и 60 х 75 х 60 мм) и их компонентов удобны для автоматизации сборки. Манометры допускают сборку по методу полной взаимозаменяемости, однако предварительный анализ их конструкций выявил необходимость доработки узлов и деталей с целью повышения их сборочной технологичности, приспособленности к процессам п устройствам автоматизированного производства. Размеры партий и последовательности запуска различных модификаций манометров МТП заранее не известны н будут определяться на очередной плановый период (например, месяц) по сочетаниям заказов и производственным ситуациям. Известна лишь общая годовая программа выпуска манометров всех модификаций и прогноз о том, что выпуск манометров МТП-1 и -2 должен быть в два- три раза больше выпуска типов МТП-3 и -4.
Все детали манометров МТП намечено производить на одном заводе.
Существующая схема сборки МТП содержит 14 этапов [1], причем на первом этапе собираются шесть различных узлов, на втором, третьем и четвертом ——по два узла, а с пятого по четырнадцатый этап — по одному узлу.
Автоматизация сборки даже однономенклатурных приборов является сложной манипуляционно-логической проблемой, решение которой стимулировали успехи кибернетики и серийный ввшуск промышленных роботов (ПР).
При разработке любого сборочного оборудования мы пользуемся моделью, показанной на рис. 1, где изделие, технология сборки и сборочная система соединены прямыми и обратными связями в еди- ную систему. Опущены лишь связи этой системы с внешними элементами: поставщиками сырья, потребителями и пр. Практика показала, что разработка изолированных, отделенных от этой системы элементов эффективна лишь в случаях возможности учета влияний
(а) и многономенклатурного (б) вариантов изделий(а) и многономенклатурного (б) вариантов изделий72SJW72SJW44夕 7夕 7Рис. 3. Модели многоканальных РСС с подобными (а), связанными (6) каналами п с накопителем (б)1 ——многоканальная сборочная машина； 2—5 —» входы； 6, 7 ——выходы; 8 ——накопитель； А, Б — технологические каналыРис. 3. Модели многоканальных РСС с подобными (а), связанными (6) каналами п с накопителем (б)1 ——многоканальная сборочная машина； 2—5 —» входы； 6, 7 ——выходы; 8 ——накопитель； А, Б — технологические каналы
(а) и многономенклатурного (б) вариантов изделий
(а) и многономенклатурного (б) вариантов изделий
72SJW
72SJW
4
4
夕 7
夕 7
Рис. 3. Модели многоканальных РСС с подобными (а), связанными (6) каналами п с накопителем (б)
1 ——многоканальная сборочная машина； 2—5 —» входы； 6, 7 ——выходы; 8 ——накопитель； А, Б — технологические каналы
Рис. 3. Модели многоканальных РСС с подобными (а), связанными (6) каналами п с накопителем (б)
1 ——многоканальная сборочная машина； 2—5 —» входы； 6, 7 ——выходы; 8 ——накопитель； А, Б — технологические каналы
ИзделиеИзделиеРне. 1. Схематическое представление изделия, технологии сборки и РСС как единой системы
Изделие
Изделие
,Сборочная система ^__ Технология сборки Рис. 2. Схема сборки однономенклат>-рного
夕
7
исключенных из рассмотрения подсистем. Область автоматизации сборки исследована еще недостаточно. Поэтому процесс разработки РСС следует рассматривать лишь как часть процесса синтеза системы, представленной на рис. 1, который производится нами многократным «обходом» каждого из ее элементов до достижения поставленных технико-экономических целей при существующих ограничениях и 5тменыпения рассогласований между изделиями, технологией и РСС до некоторых несущественных (подпороговых) значений. Изделие, согласованное подобным образом, обладает наивысшей технологичностью, а сборочная система — минимальной избыточностью и наивысшей экономичностью. Такая согласованность, устойчивость является временной, ибо в процессе работы системы
каждый из ее элементов подвергается воздействию потока изменений и других возмущений, имеющих, как правило, дестабилизирующий характер. Предсказание параметров этих потоков пока невозможно. Но выявление и использование в процессе разработки РСС хотя бы тенденций этих изменений целесообразно и наиболее эффективно там, где поставлена цель разработки технических решений на долгий срок службы.
Для пояснения специфики вопросов, возникающих при комплексной автоматизации многономенклатурных РСС, рассмотрим две схемы сборки (рис. 2), На рис. 2, а показан пример схемы сборки однономенклатурного изделия из восьми деталей, производимой в три этапа, на первом из которых собираются узлы 9,10 п 11, на втором — узел 12 и на третьем —— 73. Это обычная схема параллеьт1ьно-последо- вательной сборки, которую можно реализовать в зависимости от возможности выбора в последовательных этапах сборки одних и тех же деталей изделия в качестве базовых: на РСС из трех многокомпозиционных роботизированных сборочных машин традиционной конструкции (сборка узлов 仇 72, 13 или 70, 12, 13 на одной машине без перебазировки) или максимум на пяти различных машинах (по одному узлу на каждой) с промежуточными накопителями для узлов, производимых машина^ш на начальных этапах сборки.
Положим, что то же изделие требуется выпускать в многономенклатурном варианте, причем его модифицирование осуществляется за счет введения трех разновидностей детали 2 (24, 2Б, 25) и четырех — детали 4 (", 4Д, 4耳，4%). На рпс. 2, б видно, что это обеспечивает 12 модификаций (3 X 4) узла 12 и изделия. Как правило,. часть возможных модификаций изделий не выпускается, пусть модификации 12ВЕ и 12 А Ж (см. рис. 2, 6), например, из-за ограниченности спроса.
Следует заметить, что можно модифицировать изделия соединением в различных относительных положениях одних и тех же деталей, однако для приборостроения этот вариант редок и поэтому далее не рассматривается.
Предварительные исследования нескольких моделей структур автоматизированного участка сборки многономенклатурных приборов показали, что все многообразие технических решений такой РСС можно представить как некое множество, лежащее дгежду двумя полюсами:
РСС из каналов, каждый из которых специализирован на одну модификацию изделия (2036 каналов из специального сборочного оборудования для МТП);
РСС из одного канала, способного выпускать все модификации приборов в объеме плана.
Производительность каждого из каналов автоматизированной РСС ограничивается применяемыми сборочными ПР первого поколения, рассчитанными на цикл 5—6 с, что может обеспечить выпуск порядка 2 млн. приборов в for с одного канала при двухсменной работе и коэффициенте использования оборудования порядка 0,8. Значит, для выпуска порядка 10 млн. штук в год нужно не менее
пяти каналов (без >тчета ряда факторов, рассматриваемых ниже)- Избыточность структуры из специализированного оборудования по- ручается приблизительно 400, что совершенно неприемлемо по тех- ннко-экономическим критериям.
Второй полюс пока неприемлем по производительности. Очевидно, следует искать «золотую середину» в технических решениях многономенклатурной РСС из нескольких каналов, содержащих технологическое роботизированное программно-переналаживаемое оборудование и роботизированный транспорт переменной структура.
Рассмотрим простейшие модели многоканальных сборочных машин.
Пусть машина 1 (рис. 3, а) содержит два (у = 2) подобных канала Л и Б. Условимся называть подобными технологическими каналами каналы массового обслуживания с равными числами соответственно входов и выходов в каждом и с одинаковыми наборами тек- нологических устройств, установленных по одной схеме в каждом из каналов. Пусть эта сборочная машина настроена на одновременный вып57ск разных модификаций узлов, в частности х ~ у ~ 2.
Поскольку каналы разделены, для нормального функционирования каждого из них достаточно наличия собираемых компонентов ла всех z входах данного канала в моменты времени 0, £, 2M .. где t — время цикла. Тогда производительность одного канала ■q = 1] 7, а машины Qx = у” 力 узлов всех модификаций в единицу времени, где т]——коэффициент использования, учитывающий время работы машины за некоторый срок. Если каждый из у каналов машин переналаживаем независимо от остальных на выпуск р различных модификаций, то общее число х модификаций, которые способна выпускать эта многономенклатурная машина, составит
1 ОУ ур-
Производительность машины 1 с несколькими независимыми каналами при переналадках снизится и составит
Q = yw"(1)
где 1]п ——коэффициент,! учитывающий затраты времени на переналадки. Естественно, что всегда 刀口 < 1 и уменьшается со снижением партпонности изделий при постоянной переналаживаемости обору” дования. При этом существует нижний предел среднего размера партий, на котором теряется экономическая целесообразность в переналадках.
Рассмотрим теперь некоторые свойства сборочной машины со связанными каналами, схема которой показана на рис. 3, б. Положим, что они связаны по устройствам питания н вход 3 работает попеременно на оба канала. Экономия на устройстве питания отзывается на машине потерей производительности во всех случаях, когда
力=£цит 十扌с， У^Ш1Т %с А» °，
где ZnnT ——время цикла, затрачиваемое на питание одного канала собираемыми компонентами; ^с — время сопряжения и закрепления,
затрачиваемое в каждом канале за каждый цикл; А力 —— приращение времени цикла каждого канала машины за счет наложения межканальных связей,в частности, по питанию собираемыми компонентами.
Производительность машины с зависимыми каналами составит
Qi = g%/(力 + At) (2) при условии строгой синхронизации работы смежных каналов. Сужается н диапазон переналадок до
1《Z < у (р — 〃)
где 左一число модификаций, не имеющих общих компонентов с модификациями изделий, выпускаемых в смежном канале.
При отказе входа 3, общего для двух каналов, пз строя выходят оба канала. Однако исследование работы зависимых по питанию каналов практически важно для вариантов временной работы уст- ройств одного канала на несколько каналов при отказах подсистем сборочных машин.
Особенную целесообразность имеет создание таких программ для работы ПР в аварийных ситуациях.
Задачу оптимизации числа каналов в одной сборочной машине намечено решать путем математического моделирования с \тчетом следующих основных факторов, влияние которых увеличивается с ростом числа каналов:
уменьшение стоимости машины, отнесенной к одному объекту сборки, пол}7чаю1цееся благодаря использованию общих для всех каналов подсистем: манипуляционных, транспортных, энергетических, информационных и т. п.;
уменьшение габаритов, металлоемкости и энергопотребления в расчете на один объект сборки;
уменьшение надежности многоканальной сборочной машины по сравнению с одноканальной, зависящее не только от числа каналов, но и от видов связей между ними (естественно, что связи каналов через устройства с высокими показателями надежности наносят наидгеньший ущерб надежности РСС);
уменьшение ремонтопригодности машины.
В различных конкретных ситуациях синтеза многоканальных сборочных машин может появиться необходимость в учете и иных критериев, например целесообразности выполнения в многоканальной машине позиции анализа и исправления брака, которая не окупалась в одноканальной.
Для уменьшения наложенных потерь соединенных последовательно технологических машин между ними устанавливаются промежуточные накопители. На рпс. 3, в показана схема многоканальной машины 7, входы которой могут соединяться с любой из I ячеек накопителя 8. Входы этого накопителя соединяются с выходами предшествующих машин и конвейеров, а выходы — со входами последующих сборочных машин, например, при помощи транспортных ПР, перемещающихся вдоль накопителя.
Положим, что в исходный момент 方° каждая из I ячеек накопите- 口兄 8 содержит некоторое число компонентов объектов сборки. При- нем в каждой из ячеек может содержаться только один типоразмер компонента, но один типоразмер может находиться и в нескольких^ даже не смежных ячейках. При этих условиях в общем случае к -^ & 厶 где к ——число типоразмеров компонентов в накопителе. Если b — число материальных входов в каждом из у каналов, то максимальное число опорожняемых ячеек в данный момент времени работ, машины составляет yb, при этом каждая из опорожняемых ячеек может быть одновременно и наполняемой.
При переналадках сборочной машины ее входы переключаются частично или полностью на ранее не использовавшиеся ячейки накопителя. Такие переключения должны осуществляться главным образом путем изменения программ транспортных ПР.
Причинами для переналадок хотя бы одного из каналов сборочной машины могут быть:
выполнение планового количества объектов сборки данной модификации；
израсходование хотя бы одного из компонентов, необходимого Для сборки объектов данной модификации;
изменение номенклатуры PGC по внешним причинам, например ПРИ резком изменении потребностей в приборах разных модификаций.
При целесообразном сочетании принципов централизованного и децентрализованного управления в РСС в алгоритм выбора очередной собираемой модификации объекта сборки при переналадках по причинам 1 и 2 целесообразно включить следующие приемы, оптимизирующие работу данной машины или части технологическога канала:
выявить все виды модификаций, обеспеченные компонентами в ячейках накопителя;
ранжировать эти модификации по размерам возможных партий;
исключить из множества модификаций те, партионность которых по экономике переналадок ниже допустимой;
в оставшемся подмножестве модификаций объектов сборки выделить те, которые требуют минимальных временных затрат на переналадку данного канала после прекращения выпуска прежней модификации;
подмножество модификаций, полученное в операции 4, сравнить с ранжированным по критериям «важности выпускам списком запланированных модификаци i;
из пересечения указанных подмножеств выбрать по дополнительным критериям оптимальную последующую модификацию и дать команду на переналадку канала машины на эту модификацшо и одновременно на подключение входов данного канала к соответствующим ячейкам накопителя.
Такой алгоритм будет минимизировать затраты на переналадки и повышать партионность изделий. Какое же -число каналов необ-
|.ходимо для выпуска, например, 5,5 млн. манометров МТП-1 и -2 в год?
На основании анализа конструкций объектов сборки выяснено, что все манометры МТП-1 и -2 образуют одну типовую сборочную единицу [2], а МТП-З и -4 ——другую, не сводимые к одной из-за значительных различий в геометриях корпусов, держателей и некоторых других компонентов. Поэтому целесообразно разделить PGC на две подсистемы, способные выпускать по 1018 модификаций манометров каждая (практически будет существовать и третья подсистема РСС для сборки малых партий и одиночных образцов^
Для подсчета производительности многоканальных сборочных машин по выражениям (1) или (2) необходимо оценить машинное время, которое будет затрачиваться на переналадки. Для этого следует представить суть возможных переналадок сборочной машины.
Любые переналадки сводятся к изменению характеристик инструмента РСС, его исходных положений и программ движения. Под инструментом будем понимать любую часть РСС, взаимодействующую с объектом сборки и его компонентами. Самые многочисленные, а значит, самые трудоемкие в переналадке инструменты — это спутники (подвижные базирующие приспособления) и инструменты ПР (захваты любых видов, толкатели и т. п.). Ниже представлены результаты качественных исследований необходимых переналадок ПР при изменениях:
1 Геометрия базовых и сопрягаемых поверхностей базовых и присоединяемых компонентов за счет: 1.1. Количества поверхностейФормы»1 Геометрия базовых и сопрягаемых поверхностей базовых и присоединяемых компонентов за счет: 1.1. Количества поверхностейФормы»Размеров »Относительных положенийРазмеров »Относительных положений2・ Формы и размеры поверхностей деталей, не являющихся ни базовыми, ни сопрягаемыми2・ Формы и размеры поверхностей деталей, не являющихся ни базовыми, ни сопрягаемымиНеобходимые реакции ПР при переналадках РСССмена захватов ПР и (или) положений их фиксированияСмена захватов ПР и устройств относительного ориентирования деталей устройств сопряжения и закрепления Изменение раскрытий п ходов захватов ПР или смена захватов (при значительных изменениях)2Изменение координат точек фиксации схватов ПР или (и) алгоритмов функ- ционирования ПРПереналадка инструментов ПР н других блоков РСС не требуется, необходимо опорожнить канал и заменить компоненты на его входахНеобходимые реакции ПР при переналадках РСССмена захватов ПР и (или) положений их фиксированияСмена захватов ПР и устройств относительного ориентирования деталей устройств сопряжения и закрепления Изменение раскрытий п ходов захватов ПР или смена захватов (при значительных изменениях)2Изменение координат точек фиксации схватов ПР или (и) алгоритмов функ- ционирования ПРПереналадка инструментов ПР н других блоков РСС не требуется, необходимо опорожнить канал и заменить компоненты на его входах
1 Геометрия базовых и сопрягаемых поверхностей базовых и присоединяемых компонентов за счет: 1.1. Количества поверхностей
Формы»
1 Геометрия базовых и сопрягаемых поверхностей базовых и присоединяемых компонентов за счет: 1.1. Количества поверхностей
Формы»
Размеров »
Относительных положений
Размеров »
Относительных положений
2・ Формы и размеры поверхностей деталей, не являющихся ни базовыми, ни сопрягаемыми
2・ Формы и размеры поверхностей деталей, не являющихся ни базовыми, ни сопрягаемыми
Необходимые реакции ПР при переналадках РСС
Смена захватов ПР и (или) положений их фиксирования
Смена захватов ПР и устройств относительного ориентирования деталей устройств сопряжения и закрепления Изменение раскрытий п ходов захватов ПР или смена захватов (при значительных изменениях)2
Изменение координат точек фиксации схватов ПР или (и) алгоритмов функ- ционирования ПР
Переналадка инструментов ПР н других блоков РСС не требуется, необходимо опорожнить канал и заменить компоненты на его входах
Необходимые реакции ПР при переналадках РСС
Смена захватов ПР и (или) положений их фиксирования
Смена захватов ПР и устройств относительного ориентирования деталей устройств сопряжения и закрепления Изменение раскрытий п ходов захватов ПР или смена захватов (при значительных изменениях)2
Изменение координат точек фиксации схватов ПР или (и) алгоритмов функ- ционирования ПР
Переналадка инструментов ПР н других блоков РСС не требуется, необходимо опорожнить канал и заменить компоненты на его входах
Каждая из двух групп манометров (МТП-1 или -2 и -3 или -4) состоит из очень близких модификаций, вносящих при смене в систему «объект сборки РСС» лишь изменения 1.3 и 2 по приведенным выше данным. Это значит, что переналадок ПР или не потребуется, или они сведутся к изменению ходов и раскрытий захватов (смена захватов маловероятна), а переналадки устройств питания РСС потребуют лишь смены компонентов в их бункерах и магазинах. Поэтому следует положить г)п ~ 0,85 при сборке наименьшей партии в течение 30 мин (т. е. до 15 % машинного времени затрачивается на
переналадки). Переналадка автоматизированной сборочной машины с любой модификации МТП-1 или -2 на любую модификацию МТП-3 или -4 приведет к изменениям 1.1 и 1.2, требующим существенных затрат времени на переналадку, а потому нецелесообразных.
Учитывая, что 口口 ~ 0,85, / = 0,8, t — 5,5 с, из соотношения (1) получим число независимых каналов в PGG для производства МТП-1 и -2 при Q — 5,5-106 штук в год, равное 3,32 канала.
Если воспользоваться выражением (2) для машин со связанными каналами, полагая А力=1с, получим у = 3,93 弋 4 канала.
Рассмотрим некоторые известные схемы компоновок многономен- клатурных сборочных машин-автоматов (рис. 4). Машина для последовательного выпуска модификаций изделия, схематически представленная на рис. 4, а [3], содержит несколько связанных каналов, каждый из которых может включаться в работу последовательно по времени. Здесь на карусельном столе 1 через равные угловые шаги S установлены в определенном порядке несколько, например четыре,, спутников разных видов (2—5). Сборочные головки 6—9, включающие ПР, смонтированы вокруг стола 2. Сборочная машина снабжена системой автоматического управления (на рис. 4, а не показана). Если из исходного положения (см. рис. 4, а) стол 1 машины будет поворачиваться на шаг 4S, то у сборочных головок 6—9 будут останавливаться однотипные спутники, обозначенные на рис. 4, а квадратами. При этом будет производиться сборка одной модификации узла. Если необходимо перейти на выпуск других модификацийт требующих иных спутников, например обозначенных на рис. 4, а кружками, машину переналаживают однократным поворотом стола на шаг 2S (шаг между сменяемыми спутниками). После этого она снова работает с поворотами стола 1 на шаг 4s в каждом циклеу выпуская новую модификацию изделия. По производительности такая сборочная машина аналогична одноканальной, но ее переналадка облегчена резервом технологических устройств.
В многоканальной машине для параллельного по времени выпуска нескольких модификаций узла [4] (рис. 4, 6) разнородные спутники 1 объединены в блоки 2, подаваемые вдоль русла конвейера на шаг S в каждом цикле. Переналаживаемые сборочные головки 3——6 с ПР установлены вдоль русла конвейера так, что в каждом цикле они оказываются точно выставленными относительно спутников своего канала. Например, головка 5 всегда работает со вторым слева спутником 1 любого блока 2 спутников. Блок спутников 2 можно рассматривать и как многоместный спутник.
На рис. 4, 6 показан вариант схемы многоканальной сборочной машины [4] с перестроением спутников в разных частях канала.
На основе изложенного подхода нами разрабатываются и анализируются варианты PGC в объеме участка и ее подсистем (сборочных машин, кассетирующих, транспортных и иных устройств). Один из вариантов схемы фрагмента такого участка для автоматизированной механической сборки и настройки манометров приведен на рис. 5. В торцах прямоугольного участка выполнены: автоматизированный склад 1 для компонентов и склад 2 изделий. Середину участка зани-
厶
Рис, 4. Схемы многоканальных сборочных машин для последовательного (а), параллельного (б) и параллельного с перестроением (s) выпусков модификаций изделий
Рис. 5. Фрагмент планировки РСС — автоматизированного многономенклатурного участка механической сборки манометров МТП с кассетно-транспортной подсистемой мают роботизированные сборочные машины 3—5 линейной компо^ новки к 6 ——карусельной (для простейшие узлов). На складе 1 размещены секционные стеллагки 7 с обслуживающими их подвес' ными (8) и напольными (9) транспортными ПР. Кассетирующпе устройства 10 размещены как на складе 7Т так и вне его — в заготовительных цехах. Трассы внутриучасткового напольного (или подвес- кого в других вариантах) транспорта приложены так, чтобы, не со- здавая многих пересечений, подходить с наибольшего числа сторон к каждой единице оборудования. Для этого во всех продольных про-
而——惱-нн^^.
Рнс. Ь. Вид в плане многономенклатурной роботизированной двухканальной сборочной машины (вариант)
ходах* организовано движение транспорта только в одну сторону (вправо на ветвях 11 и 12 и влево на ветвях 13—15). При этом развилка, например 16 (77), допускает выбор из трех (двух) направлений движения транспортного устройства: вперед, влево или вправо (влево н вправо). В больших поперечных проходах могут быть организованы вспомогательные ветви (например, 18 и 79), укорачивающие трассы грузопотоков по транспортной сетке участка.
Все исходные компоненты, имеющие более одного вида исполнения, подаются из склада 7 к оборудованию в шахтных или штыревых кассетах 20 в ориентированных состояниях. В перспективе могут быть использованы и гибкие ленточные кассеты. Наименьшая емкость кассеты (для крупногабаритных компонентов) равна или кратна наименьшей допустимой экономически партии запуска изделий одного вида. На выходе каждой сборочной машины (например, 3) установлены приемные кассеты 21 для годных узлов, собираемых на этой машине. После наполнения кассета 21 может быть установлена на вход машины, производящей последующий этап сборки (например, машины 4), или отправлена на стеллаж 7 до возникновения необходимости в ней. Все перегрузочные операции в транспортной подсистеме РСС должны выполняться при помощи ПР.
Для уменьшения числа рейсов кассеты целесообразно объединять в магазины 2, показанные в составе сборочной линии на рис. 6. Каждый из магазинов 2 устанавливается в рабочей зоне двурукога манипулятора 7 транспортного ПР, захватывающей также и зоны автоматических сборочных позиций, расположенных на основной ветви внутримашинного конвейера 7. Манипуляторы 7 перемещаются по порталам 3 при смене магазинов 2, замене расходных (4) или при- емных (7。)кассет и загрузке компонентов из кассет 4 на спутники
конвейера 7 (разгрузке спутников на приемные кассеты 70). Кроме того, на каждой автоматической ручной позиции установлены специализированные сборочные ПР (5).
Конвейер каждой многоканальной машины имеет две возвратные ветви: основную(6) для спутников (22), на которых в предшествующих циклах собраны годные узлы (изделия), и вспомогательную (на рис. 6 не показана) для бракованных сборок.
Следует заметить, что на механической сборке число видов неисправимого брака очень мало. Возврат спутников с бракованными подсборками осуществляется через изолятор 6 брака и рабочее место 8. Оператор на месте 8, кроме исправления брака, выполняет статистическую обработку и выяснение причин его возникновения. Ручные и механизированные рабочие места 77 и 74 соединяются с основным конвейером 7 несинхронными ветвями 13 и манипуляторами 18 ПР. Основной конвейер 7 линии может выполняться как синхронным, так и несинхронным. Последний несколько сложнее, но дает ряд известных преимуществ: повышение надежности машины, производительности и т. п. Он допускает также оптимальную настройку производительности каждой позиции, которая должна быть выше, чем у последующей позиции, на процент брака и иных видов отказов на данной позиции. Позиции с операторами оснащаются сменяемыми вручную кассетами 16 или (и) сборочными устройствами 75, которые могут быть выполнены и на основе ПР (например, винтовертами, установленными в захваты манипуляторов).
Пульт управления 12 может быть установлен возле рабочего места любого оператора на линии. Пульты для настройки отдельных ПР и автоматических позиций устанавливаются вблизи управляемых устройств (на рис. 6 не показаны).
Схема синтезируемой РСС (см. рис. 5 и 6) позволяет определить необходимые типы ПР. Это прежде всего транспортные подвесные и напольные ПР для обслуживания стеллажей складов, портальные двурукие — для смены кассет на машинах и однорукие настольные ——для связей основной и вспомогательных ветвей конвейеров сборочных машин. Собственно ПР — преимущественно роботы перового поколения с пневматическими модульными манипуляторами от одной до пяти степеней подвижности и с электронными системами управления, разработанные ранее в институте. Если в процессе :создания РСС для манометров станет доступной модульная база, необходимая для адаптивных ПР (особенно датчики положений н от- ；носительных положений собираемых компонентов), то эти ПР будут установлены для выполнения наиболее трудных для автоматизации операций. Использование адаптивных ПР значительно поднимет надежность и расширит функциональные возможности РСС.
Модифицированные детали и узлы приборов отличаются иногда столь мало, что их невозможно различить без специальных отличительных изменений или без сопровождающего документа. Предполагается, что для узлов первого этапа сборки детали будут маркироваться группами на этапах контроля качества изготовления, например перфожетоном на кассету. В РСС необходимы также устройства
для автоматизации запоминания состояний объектов сборки между операциями и переходами. Для этого сборочные устройства РСС должны иметь средства нанесения информации на спутники и средства ее считывания. При высокой степени автоматизации необходимо будет маркировать или запоминать для каждого объекта сборки и виды отклонений от нормального течения технологического процесса сборки для отказа от присоединения последующих деталей, исправления брака в РСС или иных действий. А это —— индивидуальная ин- формация, относящаяся к одному объекту сборки, и ее объем должен быть весьма значительным. Оптимальные способы и устройства нанесения и считывания такой информации пока не найдены.
Намечены системные исследования, где эти вопросы будут рассмотрены во взаимосвязи со структурами системы управления и транспортно-складской системы сборочного участка (цеха).
Число очередей деталей и узлов в многономенклатурной РСС значительно больше, и их дисциплины иные, чем в однономенклатурной. Поэтому объем транспортно-складской системы должен быть весьма значительным. Ведь, кроме нескольких модификаций, выпускаемых в данный момент с выходов РСС и обеспечиваемых запасами узлов и деталей, ряд машпн внутри РСС подготавливают выпуск модификаций следующего планового периода, питаясь из накопителей и выдавая объекты сборки тоже в накопители.
Из-за ожидаемых значительных различий в программах выпуска отдельных модификаций этих манометров каналы РСС окажутся в совершенно разных условиях. Крупносерийные модификации будут занимать часть каналов от начала до конца РСС в течение длительного периода, создавая в них практически режимы однономенклатурных производств. А малосерийные модификации создадут в некоторых каналах явление «волны)>. Действительно, если в РСС на 力-м этапе сборки в данном такте времени находится некоторая модификация изделия, то (г ——1)-й этап проходит другая модификация, (i ——2)-й этап ——третья и т. д. В следующем такте узлы малосерийных модификаций переместятся на входы оборудования, осуществляющего более поздние этапы сборки. Таким образом, в канале, обслуживающем малые партии изделий, будут одновременно собираться на последовательных машинах несколько модификаций изделий. Поэтому для уменьшения незавершенного производства целесообразно планировать изготовление и перемещение объектов сборки для малосерийных модификаций манометров МТИ минимум на 14 тактов вперед (число этапов процесса сборки равно 14).
И все ;ке в полной мере задача управления таким сложным объектом, как автоматизированный участок для сборки многономенклатурных приборов, априорно неразрешима из-за бесконечного числа возможных ситуаций. Поэтому необходима АСУ ТП, оперативно решающая задачи оптимизации управления вплоть до выбора последовательности запуска модификаций.
Таким образом, РСС для многономенклатурной сборки приборов МТП представляется как одно- и многоканальные роботизированные 28
сборочные, контрольные и настроечные машины, соединенные между собой роботизированной транспортно-складской подсистемой и общей АСУ ТП.
ЛИТЕРАТУРА
1.2.1.2.3.3.4.4.ГОСТ 23887-79. Сборка: Термины и определения. Введ. 1.01.81.
1.
2.
1.
2.
3.
3.
4.
4.
Неизвестных А. Г., Яхимович В. А. О критериях классификации переналаживаемых сборочных автоматов.— В кн.: Автоматизация производственных, процессов в машиностроении и приборостроении. Львов: Львов, полпгехн. ин-т, 1980, вып. 19, с. 124—127.
А. с. 294701 (СССР). Устройство для автоматической сборки нескольким разных узлов/М. Д. Солодов, Б. Г. Васецкий, М. И. Баранов, Н. II. Мнся-^ гин. Заявл. 12.08.69, № 1164856; Опубл, в Б. И., 1971, № 5, МКИ В 23Р21.00, Танигути М. Современное состояние н проблематика техники автоматической сборки.— Кикай-но КЭНКЭ, 1979, т. 31, № 10, с. 1127—1132. (Рус- нер. с яп. № 12140* М.: Торгово-пром, палата, 1981).
УДК 007.52.004.14:681.11
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ
И ВНЕДРЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ СБОРКИ НАРУЧНЫХ ЧАСОВ
Е. Г. Вайсман, Я. Г. Гринштейн, И. Н. Львов
СТРАТЕГИЯ РАЗРАБОТКИ
Робототехника заняла прочное место в арсенале технических средств сборочных цехов практически всех отечественных часовых заводов^ производящих наручные часы. На сегодня достигнут такой уровень, когда требующие высочайшей профессиональной квалификации ответственнейшие операции, вплоть до установки системы баланс —— спираль, выполняются автоматическими манипуляторами.
Часовая промышленность ——в силу количественной и качественной специфики своей продукции —— имеет давние традиции автоматизации производства. К началу 1970-х гг. были решены основные проблемы автоматизации процессов изготовления деталей, а также сборки узлов, что положительным образом сказалось на уровне взаимозаменяемости поступающих на сборку полуфабрикатов. Автоматизация сборки часового механизма диктовалась всей логикой технического прогресса вопреки понятным сомнениям в технической осуществимости и экономической целесообразности.
Часовой механизм средней сложности состоит из 60—80 деталей и сборочных единиц, плотно «упакованных)> в его корпусе. Они причудливо переплетаются и перекрывают друг друга в системах ремонтуара (завода и перевода стрелок), ангренажа (зубчатой передачи хода) (рис. 1) и анкерного спуска. Малые размеры, вычурность формы, ничтожная механическая прочность и повреждаемость покрытий большинства деталей ——все это усложняло техническую сторону
Рис. 1. Базовая часть механизма мужских наручных часов «Слава» модели ЦН2414 (50 деталей и сборочных единиц, собираемых автоматически)
а — вид со стороны ремонтуара (системы завода и перевода стрелок); б — вид со стороны ангренажа (системы хода)
автоматизации сборки наручных часов. Более или менее значительные разработки в этой области предпрингшались у нас и ранее. Однше мз направлений было создание узкоспециализированных сборочные автоматов, отработка конструкций которых растягивалась на длительное время. Другое направление ——создание средств автоматизации типовых сборочных переходов, например установки отдельных деталей, завинчивания винтов и т. д. Эти средства (тогда их называли, самодействующими головками, теперь — минироботамп) помогали часовщикам-сборщикам, работавшим на механизированных столак поэлементной сборки.
За рубежом интенсивней других работала японская фирма «Сей- ко», где был создан автоматизированный многостаночный комплекс, так называемая «система А», для сборки часов, конструкция которых была специально «подогнана» под автоматизацию. Окупаемость «системы А)> составила 40 лет.
К началу 1970-х гг. в общем виде сложилось представление о путях автоматизации сборки наручных часов. Стало ясно, что это должен быть комплекс однотипных, унифицированных многопозя- ционных сборочных модулей, взаимосвязь между которыми осуществляется технологической тарой, являющейся средством межпозп- ционного транспорта часов внутри каждого сборочного модуля и одновременно удобной для хранения межоперационного задела.
Технологические возлгожности создаваемого сборочного модуля должны охватывать все виды операций по сборке всех массововыпус- каемых часов —— и пужскпк, и женских. Создавать сборочный ком- плекс с такими возможностями — задача чрезвычайно сложная,- в первую очередь из-за ограниченности (на тот период) опыта реальной автоматизации сборочных процессов.
Было решено наделить сборочный модуль способностью к оперативной модернизации, под которой понималась, с одной стороны,, возможность доукомплектовывания его новыми средствами автоматизации пли модернизации старых, а с другой ——осуществления этих мероприятий оперативно (в условиях сборочных цехов). При этом эргономика нодуля должна обеспечивать удобство ручной работы (при малой степени автоматизации выполняемой операции) и одновременно удобство обслуживания, наблюдения за работой всех исполнительных устройств прп повышении степени автоматизации. Простота и дешевизна конструкции модуля требуются такие, чтобы он был экономически эффективен даже при относительно низко” уровне автоматизации, например только при завпнчиванпп винтов. Модуль должен быть такой, чтобы его было рационально использовать автономно, ие дожидаясь готовности остальных модулей сбо- рочного кохлл екс а.
Итак, единство средств внутри- н межмашинного транспорта， технологическая универсальность, способность к оперативной модернизации и автонолшость сборочных зюдулей — некоторые предпосылки, которыми руководствовались при создании в отечественной часовой промышленности робототехнического комплекса для сборки наручных часов.
Комплекс этот является робототехническим потому, что каждая операция, каждый сборочный переход выполняются здесь специали- зированньш автоматическим манипулятором — минироботом, оснащенным собственной системой циклового управления. Важнейшим слагаемым комплекса является транспортно-базовый модуль (ТБМ). В комплекте с ним устанавливаются лгипироботы. обеспечивающие выполнение сборочной операции. После каждой операции детали часов фиксируются на своем месте, с тем чтобы предотвратить рассыпание в условиях хранения межоперационного задела. Система циклового управления ТБМ унифицирована с системой управления миниробота.
ТРАНСПОРТНАЯ КАССЕТА
Связующем звеном, объединяющим ТБМ и мпнироботы всего ком- ллекса в единое целое, является транспортная кассета. Она представляет собой линейку с пятью сквозными ступенчатыми гнездами под платину — своего рода《станину» собираемого часового механизма. На одной из боковых поверхностей линейки пять трапецеидальных пазов, взаимодействующих с механизмом внутримашин- ного транспорта ТБМ. На основных плоскостях линейки система соответствующих друг другу выступов и углублений для взаимной фиксации кассет при складывании их в пакет, который является формой хранения межонерацпонного задела. Никакой другой оснастки (контейнеров, магазинов) для хранения задела не требуется, разве что возможно использование простейшей плоской крышки для накрытия пакета сверху.
Находящиеся в пакете механизмы достаточно хорошо изолированы от окружающей среды и вместе с тем легко доступны оператору, выполняющему внемашинные операции — виз^-альный контроль, проверку и отладку взаимодействия деталей механизма и т. д. Большинство этих операций выполняются без выемки механизма из кассеты: оператору часто удобнее манипулировать именно кассетой-линейкой, а не отдельным механизмом.
Конструкция кассеты предусматривает возмо7KHость групповой перекантовки механизмов, что резко упрощает процедуру их передачи между оиерацпямп, выполняемыми с разных сторон платины. Каждое гнездо кассеты двустороннее, т. е. посадочные места под платину и фиксирующие угловое положение механизма пазы под заводной ключ имеются на обеих сторонах кассеты. Процедура переворота механизмов выглядит следующим образом: на пакет кассет накладывается сверху пустая кассета, после чего его переворачивают и снимают оказавшуюся наверху кассету, механизмы из которой, так же как и все остальные, перешли в примыкающие обратные гнезда соседних кассет. Групповая перекантовка исключает поштучный переворот каждого механизма.
Кассеты выполняются литыми из полистирола. Стоимость их настолько незначительна, что на многих часовых заводах считают целесообразным периодически заменять их новыми, не дожидаясь видимых следов износа или чрезмерного загрязнения.
рис. 2. Транспортно-базовый модульрис. 2. Транспортно-базовый модуль
рис. 2. Транспортно-базовый модуль
рис. 2. Транспортно-базовый модуль
ТРАНСПОРТНО-БАЗОВЫЙ
МОДУЛЬ
Кинематическую структуру ТБМ определила 5-местная кассета-линейка. Основной вариант его был сконструирован в начале 1970-х гг. Это — многопозициопная сборочная машина линейного типа (рис. 2), содержащая следующие исполнительные механизмы.
Механизм межпозпци- о иного транспорта, выпо.ч- ненный в виде продольной штанги, на которой с пятикратным по сравнению с кассетой шагом укреплены рычаги-толкатели, взаимодействующие с боковьвш трапецеидальными пазадти кассеты. Штанге сообщаются возвратно-поступательное продоль
ное перемещение на шаг дгежду гнездами кассеты и угловое (маятниковое) перемещение для ввода и вывода толкателей из пазов кассеты.
Входной магазин, куда вручную вставляется пакет кассет, содержащий 200—400 механизмов, подлежащих выполняемой на данпом ТБМ операции. Пакет вставляется сверку в направляющие стенки магазина, в нижней части которого имеется срабатывающий один раз в пять циклов механизм отделения от пакета нпя>ней кассеты и укладки ее в направляющие продольного транспорта ТБМ.
Выходной магазин, где складируются кассеты с обработанными механизмами. Здесь пакет растет снизу вверх при срабатываниях механизма, аналогичного упомянутому механизму загрузки. Установка и выемка пакетов кассет осуществляются без остановки ТБМ.”
Комплект позиционеров ——устройств 口口я базирования платины собираемого механизма на сборочных позициях. При этом пла- тпна вынимается вверх из гнезда кассеты, где она лежала с зазором, фиксируется на базовых штифтах подставки позиционера и при необходимости поворачивается в любой требуемый уаювп月хн выполнения данной операции ракурс. По окончании операции платина поворачивается в исходное положение п возвращается в гнездо кассеты.
Несущая часть ТБМ представляет собой легкую конструкцию из двух отлитых из алюминия (или сварных п обшитых снаружи) боковин, стянутых продольными элементами —— коробкой продольного транспорта, плитой для пшнмроботов п несколькими продоль-
33332 Заказ、'? 1430
33
33
ными стяжками. Кроме того, ТБМ оснащен подлокотником, осветительной аппаратурой и коленным выключателем цикла. Последний используется при малом уровне автоматизации выполняемой операции и позволяет часовщику-сборщику самому определять ритм своей работы. Предусмотрена и используется возможность объединения нескольких ТБМ (чаще всего по два, реже по три) в единый ТБМ.
ПРИВОД И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Привод для всех исполнительных: устройств ТБМ, а также минироботов — пневматический. Надо сказать, что проблема привода исполнительных устройств всего комплекса была не так проста. В часовом станкостроении всегда превалировал электромеханический привод, когда исполнительные перемещения жестко программировались II приводились однтш II тем же органом —— распределительным валом с кулачками. Перед проектированием машины с таким приводом надо знать во всех подробностях ожидаемую картину ее работы: характер, число и размещение подвижных звеньев, последовательность их перемещений и т. д. Нарисовать четко такую картину для комплекса ТБМ с несколькими минироботами с учетом специфики всех случаев возможного применения в период разработки было невозможно. Этим и объясняется выбор пневлгатики, которая обладает такими удобными при доводке «живых» машин свойствами, как дистанционность управления и привода, компоновочная мобильность, простота п удобство передачи движения исполнительным органам. Решение в пользу пневматики было принято, несмотря на известные трудности ее «приручения», т. е. обеспечения требуемых скоростей и плавности перемещений подвижных звеньев, особенно при малогабаритном пневмоприводе, несмотря на отсутствие в период разработки соответствующей (по габаритам) присоединительной и регулировочной арматуры с
Система управления сборочного модуля построена по агрегатному принципу, т. е. каждый агрегат (TE^I, миппроботы) имеет свой индивидуальный командоаппарат, содержащий стандартный набор пневмо- и электропереключателей, управляемых кулачками распределительного вала. Кулачки выполнены раздвижными, что позволяет в широких пределах варьировать задаваемую ими программу (циклограмму).
Работает система управления следующим образом: срабатывают, т. е. совершают один оборот, распределительные валы командоаппа- ратов мпнироботов, «запуская» перед своей остановкой командоаппа- рат ТБМ, тот в свою очередь запускает их н т. д. Предусмотрена возможность автоматического повторения срабатывания того или иного миниробота в случае отказа, например, в системе автоматической нагрузка.
С позиций сегодняшнего дня такая система управления несовременна. Меры к ее усовершенствованию прпншгаются. Конструкция ТБМ и Агпнпроботов такой модернизации не препятствуют. Тем не 34
менее эта система показала себя достаточно надежной и удобной в обслуживании, что особенно важно в условиях сборочных цехов, машинонасыщенность которых до внедрения робототехники была относительной низкой.
МПНИРОБОТЫ
Проблема мпнпроботов была и остается одной пз самых важных. Илтенно дшнироботы своей «деятельностью» придают смысл всему робототехническом^7 комплексу, от их «способностей» зависит его работоспособность п эффективность. .
На начальной стадии разработки естественно было обратиться к имевшемуся опыту. И тут выяснилось, что подавляющее большинство механических рук и манипуляторов для часовых п приборных деталей составляют, во-первых, поворотно-осевые руки и, во-вторых, двухмодульные манипуляторы с ортогональной (П-образной) траекторией схвата. Технологические возможности, точность позиционирования схвата, наконец, быстродействие ——все это у них примерно одинаково. Некоторое компоновочное преимущество — применительно к линейном^7 ТБМ — у ортогонального манипулятора. И у нас, и за рубежом предпринимались попытки автоматизировать сборку часов с помощью минироботов одной, обычно ортогональной схемы. Приводило это к тому, что более или менее значительную часть деталей надо было устанавливать вручную, причем минироботы брали на себя отнюдь не самую трудную работу. Дело было не в том, что они не могли перенести и вставить на место ту или иную деталь, а в том, что не получались или ненадежно работали сопряженные с ними загрузочные устройства, чаще всего впбробункеры. Один из типичных примеров ——плоские тонкие детали. Известно, что в вибробункере их удобно ориентировать и накапливать на открытой наклонной в поперечном сечении дорожке, где они удерживаются низким продольным бортиком. Чтобы подвести под схват ортогонального миниробота, их переориентир^пот в горизонтальное поло/кение и накапливают под крышкой, где они начинают зас- тревать.
Приведенный пример иллюстрирует сущность дилеммы, нередко возникающей при разработке связки миниробот ——загрузочное устройство: что в этой связке первично, т“ е. целесообразно оставить без изменений, а что вторично, т. е. можно изменить, подогнать под первичное. Практика автоматизации свидетельствует в пользу первичности загрузочного устройства (см. приведенный выше пример). Иными словами, схема миниробота должна прежде всего соответствовать оптпмальньш ус口ов【иш автоматической загрузки устанавливаемых данным минироботом деталей^
Эту принципиальную установку можно реализовать двумя путями. Первый —— создать универсальный мпниробот, т. е. с увеличенным числоаг степеней подвижности схвата и со всеми вытекающими из этого последствиями. Второй ——создать гамму простых мин проботов с одной-дв^^мя степенями подвп?кности схвата, возможности
2* 35
которых охватывают все многообразие типичных и частных случаев автоматической загрузки п монтажа часовых деталей.
Предпочтение было отдано втором л7 пути. Это принципиальное решение развязало руки разработчикам п в конечное итоге привело к созданию в отечественной часовой промышленности сборочного комплекса, который по разнообразию п сложности реально решенных задач превосходит все известные зарубежные аналоги.
Достижению этого результата в немалой степени способствовало также и то, что схемы известных на период разработки загрузочных устройств не принимались за некий абсолют незыблемости. Новые задачи требовали новых решений, а отсутствие подходящего решения говорило только о том, что его следует искать. И несколько интересных «находок^) было сделано. Рассказано о них будет ниже, во взаимосвязи с привязанными к нгш мпнироботами.
Если отбросить специфику конкретных конструктивных исполнений минироботов на тех пли иных часовых заводах, то используемые сегодня на сборке нарупних часов минпроботьг укладываются в три схемы:
Ml ——двухмодульный мпннробот с ортогональной траекторией схвата;
М2 ——одномодульный маятниковый мпыиробот с наклонным движением схвата на позицию загрузки;
М3 ——двухзвенный (двурукий) мпннробот, содержащий перемещаемый только вдоль вертикальной осп скват п вспомогательньгй горизонтальный питатель для подноса деталей из загрузочной емкости и а лшшю действия схвата.
Миниробот ЛИ. Кинематика лгиниробота состоит из двух модулей перемещений ^: длинноходового горизонтального, служащего для переноса деталей 聚е;&ау осями загрузки и сборки, п короткоходового вертикального, работающего на этапах захвата н установки деталей. В используемых вариантах конструкции мпнироботов этой схемы схват монтируется на ползуне вертикального модуля, который^ в свою очередь, монтируется на ползуне горизонтального модуля. Известное возрастание перемещаемых горизонтально масс компенсируется возрастанием технологических возможностей: соосность схвата и вертикального ползуна позволяет использовать такой мп- нпробот на силовой установке деталей (запрессовке).
Отсутствие передаточгшх устройств между пневмоприводами и ползунами, простота взапдгодействпя кинематических звеньев во многом объясняют распространенность этой схемы.
Некоторые трудности вызывает обеспечение плавного торможения длгшноходового горизонтального перемещения. В большинстве случаев эта задача решена дросселированием на выходе в течение всего хода, что несколько снижает быстродействие миниробота. В ми- нпроботе использован пневА(опривод с раздельным истечением выпускаемого из опорожняедюй полости сжатого воздуха в зонах быст-
* Под модулем перемещения понимается блок пневмопривод—направляющая— подвижной элемент (ползун).
рого хода п торможения. Это позволило добиться эффективного замедления без снижения быстродействия.
Чаще всего мпнпроботы Ml применяются в связке с впбробунке- ром. Схват забирает детали непосредственно пз накопителя вибробункера, где запас ориентированных деталей хранится под крышкой, а деталь, подлежащая захвату, лежит открыто на упоре.
Иногда впбробункер оснащается впбролоткоАг-накопптелем с отдельным вибропрпводом. В ответственных случаях такой накопитель дополняют системой контроля уровня заполнения (фотоэлектрической, электроконтактной, вакуумной), которая по мере надобности включает пли отключает впброб^^пкер.
Связка мпниробот Ml—впбролоток—вибробункер (рис. 3) позволяет сконцентрировать на одной загрузочной позиции выходы из нескольких вибробункеров, что открывает возможность групповой установки деталей в собираемый механизм. Делается это не столько ради экономии мангш^мяторов, сколько потому, что из-за взаимного перекрытия деталей в часах (например, в ангренаже) их раздельная вертпкальная установка часто невозможна.
В случаях, когда ^ттанавлпваемые детали требуют для своего окончательного (обычно углового) орпентпрованпя допо лшгтельн oii загрузочной позиции, используются двухпозпционные связки. В такую связку (рпс. 4), по^гимо минпробота Ml п впбробункера, входит механизм активного ориентирования (МАО), расположенный точно посередине между позицией захвата в впбробункере и сборочной позицией. Вертикальный модуль мпнпробота оснащается двумя схватами, из которых один переносит деталь из впбробункера в МАО, а другой — пз МАО на сборочную позицию. Срабатывание МАО (доворот детали в нужное угловое положение) происходит во время обратного горизонтального хода дшнпробота.
Вообще говоря, минпробот All органично, т. е. без дополнительных передаточных устройств, увязывается с пюбьшн загрузочными устройствами, из которых детали вышшаются вертикально вверх. Это могут быть револьверно-пакетные дгагазпны, где детали (обычно плоские) складируются пакетами в расположенных с постоянным окружным шагом вертикальных шахтах, выполненных в револьверном барабане. Это Аюгут быть те п;ш шгые виды кассетных загрузочных устройств, где детали в ориентированном впде поштучно расположены по гнездам специальных кассет.
Конструкция кассетно-пакетного загрузчика предуслгатривает возаюяшость установки п выемки пакетов кассет без остановки сборочной машины. Благодаря объемному размещению гнезд в пакете кассет даже при значительных габаритах хранимых компонентов сохраняется высокая емкость загрузки.
Схват мпнпробота рассмотренной связки в момент перед опуска^ нием в собираемые часы (они зафиксированы на базовой подставке позиционера ТБМ) подсборки баланса с балансовым мостом показан на рис. 5. Присосанный к подвижной вакуумной державке схвата баланс отведен в сторону (на рпс. 5, видно, как при этом деформировался связ/лвающпй баланс с балансовым люстом волосок), чтобы
Рнс. 3. Связка миниробот Ml—вибролоток—вибробункер для попарной установки узлов трпб—колеси '
Рис. 4. Миниробот Ml в связке с вибробункером и механизмом активного ориентирования (по угловой координате)
при вертикальной установке, которая начнется мгновение спустя, «обойтп» одно из колес, а затем «подныривать» под него п попасть цапфой в камневую опору. Произойдет это под комбпнпрованным действием собственного веса растянутого волоска, укрепленного в базовой подставке постоянного магнита (его не видно ——он под механизмом) и вибратора, пластинчатый боек которого постукивает по верхней плоскости собираемого механизма. Операция завершится опусканием на установленный баланс (и соответствующую площадку платины) балансового моста, который до этого удерживается вакуумной присоской основной части охвата. В момент отключения вакуума :мост соскользнет вниз по ловителю, фиксирующему его по крепежному отверстию, п ляжет на свое место, легко поднимаемый сверху вакуулшой втулкой-присоской. ”
Основные элементы конструкции ваку5гмных схватов, при помощн которых осуществляется установка практически всех деталей часов: корпус, посредством кронштейна укрепленный на ползуне минпро- бота, и подвижно н с легкгш поджатием сверху установленные в нем вакуумная втулка-прпсоска и фиксатор-ловитель. Подвижная державка баланса — специфика данной операции. Однако дополнительные подвижные звенья в сквате используются в ряде других случаев, в частности для ввода устанавливаемой детали во взаимодействие с уже установиенньшп.
Контроль наличия деталей в вакуумных схватах осуществляется дистанционно расположенными вакуумньши датчиками.
Минироботы схемы Ml используются часто при завпн- чпвашш винтов: их вертикальный модуль оснащается впнто- вертом со встроенным электродвигателем и с вакуумным на- конечнпком-схватом под головку завинчиваемого винта. Еще одно применение минпроботов Ml — смазка собираемого лгеха- нпзма, когда их вертикальный модуль оснащается маслодози- ровкамп капиллярного или контактного типа.
Миниробот М2. Принципиальное отлпчие данной схемы от предыдущей — наклонное (под угло^т 30° к вертикали) движение сквата на загрузочную позицию ——объясняется телг, что
Рис. 5. Схват мини робота Ml для устаиовК» подсборки баланс—балансовый мостРис. 5. Схват мини робота Ml для устаиовК» подсборки баланс—балансовый мостнаклонное положение детали перед захватом часто позволяет сделать ее автоматическую загрузку более надежной.
Рис. 5. Схват мини робота Ml для устаиовК» подсборки баланс—балансовый мост
Рис. 5. Схват мини робота Ml для устаиовК» подсборки баланс—балансовый мост
Наклон позиции захвата детали позволяет органично увязывать минпробот М2 с дистанционно расположенными бункерными загрузочными устройствами любых типов. Отсутствие перегиба в подводящем гравитационном лотке гарантирует приход детали в любую требуемую точку на нем даже при отсутствии напора деталей, т. е. поштучно. Это позволило создать на базе М2 загр\'зочные системы, включающие, помимо бункеров, механизмы активного ориентирования, которые переводят подаваемые в них поштучно детали из любого возможного положения в единое заданное. Если в случае Ml использование МАО требовало дополнительного схвата, то здесь это не нужно, так как передача деталей происходит под действием гравитации. Подобным образом устроен мпнпробот для установки в часы узла барабана (пружинного двигателя). На выходе из загрузочной емкости имеется анкерный отсекатель, который поштучно выпускает детали вниз на наклонный лоток. В средней части лотка —цилпндрический ориентатор с поперечным сквозным окном. Форма окна такова, что правильно ориентированный барабан пройдет сквозь него беспрепятственно, а неправильно ориентированный задержится и вместе с ориентатором перевернется на 180’ вокруг горизонтальной оси и выскользнет на нпжшою часть лотка в требуе- мом положении.
До сих лор речь шла о загрузке относительно крупных деталей. Что касается мелких деталей, то в этом отношении весьма широкие возможности имеет связка М2 с пневмовибробункерадш.
Первоначально они были созданы при разработке системы загрузки часовых винтов в многошшшдельные винтоверты. В дальнейшем оказалось, что пневмовибробункера очень удобны для загрузки широкого ассортимента мелких деталей, причем именно в связке с мп- нироботом схелЕЫ М2.
Пневмовпбробункер представляет собой укрепленный на линейном впбропрпводе коробчатый контейнер, в верхней часта которого находится лоток, выполненный в соответствии с формой и методом ориентирования подаваемых деталей. Подача насыпанных в контейнер деталей вверх на лоток осуществляется струе立 сжатого воздуха ло дуговой беговой дорожке полукруглого поперечного сечения. На лоток детали попадают через состоящий из двух наклонных экранов н сетки аэросепаратор, в задачу которого входит изолировать лоток от высокоскоростной струн сжатого воздуха: детали на лотке должны двигаться только под действием вибрации, иначе они не успеют сориентироваться.
По сравнению с обычным спирально-лотковьш впброб^'нкером пнемовпбробзтнкер обладает рядом преимуществ:
компактность, что особенно важно в условиях линейного ТБМ;
активизация, т. е. ускоренна процесса пассивного ориентирования благодаря практически мгновенному возврату на лоток сброшенной с него неправильно ориентированной детали;
пониженная интенсивность вибрации, так как лотки обычно установлены горизонтально или с уклоном вниз, что позволяет осуществлять впброперемещение в безотрывных режимах;
пониженная загрязняемость находящихся в пневомовибробункере деталей вследствие постоянного избыточного давления, создаваемого системой аэродинамического подъема деталей;
удобство встраивания ориентирующих устройств любой конструкции.
Связка минпробот М2—пневмовпброб^'нкер позволила полностью автоматизировать сборку ремонтуара (системы завода и перевода стрелок) часов «Слава».
Существуют две компоновочные разновидности таких связок: с продольным (относительно л шиш транспорта ТЕМ) и поперечным расположением контейнера. В первом случае детали забираются непосредственно с лотка, во втором — из промеж57точного механпз- лга, выполняющего ту или иную функцию: накопление пакета плоских деталей, поштучное отделение и пр. Эти механизмы приводятся от нар>г?кных подвижных звеньев мшшробота М2 ——качающегося корпуса кд'лпсы или кривошипа.
На базе миниробота М2 были созданы бункерные системы порционного действия, цель которых — свести к минимуму повреждаемость деликатных деталей и зтзлов часового механизма. Одна пз связок миниробот М2—бункерная система порционного действия для групповой установки узлов секундного и анкерного колес часов
Рис. 6. Связка мипиробот М2—бункерная система порционного действия для устанойки узлов секундного и анкерного колес часов «Слава»
«С】ава» показана на рис. 6. Запас устанавливаемых узлов хранится в двухсекционном коробчатом контейнере, откуда они периодически набрасываются на вибролоток трубчатыми вакуумными присосками специального манипулятора-набрасывателя. На вибролотке смонтирована активизированная система ориентирования, обеспечивающая максимальную вероятность переориентации заброшенных на него узлов в нужное положение. Для этого в начальной части вибро- лотка находятся простейшие (обычно лотковые) средства активного ориентирования. Вслед за ними расположены селекторы, которые возвращают в накопитель неправильно ориентированную деталь.
Установка узлов колес в собираемый механизм осуществляется впбромагнптным способом. При этом узел анкерного колеса, который ввиду перекрытия невозможно вставить на место сверху, сбрасывается на платину со значительным смещением от своей камневой опоры. На ее ось он потом затягивается под комбинированным воз- действпедг вибрации, струп сжатого воздуха и постоянного магнита, укрепленного в базовой подставке позиционера ТБМ.
Миниробот М3. Мпниро5оты этой схе”№ содержат два исполнительных подвижных звена: оснащенный охватом вертикальный пол-
а б
рис. 7. Связка миниробот М3—пакетно-шиберный магазин для установки мостов ангренадаа часов «Слава»
a — захват моста из шиберного питателя; б — впбромагнптная установка моста на собираемый механизм
зун и вспомогательный питатель для горизонтального переноса деталей из затрузо^но立 емкости на линию действия схвата. Соответственно здесь имеются два пневматических модуля перемещений, причем модуль вспомогательного питателя —— поворотный, с зуб- чато-реечной передачей на вертикальный вал.
После выноса детали под схват происходит его опускание и захват детали из питателя, затем схват поднимается, питатель отводится к загрузочной емкости, после чего схват вновь опускается, теперь уже глубже ——на сборочную позицию.
В отличие от схемы Ml здесь оба модуля смонтированы неподвижно и каждый из них несет свой исполнительный орган.
С минироботом М3 органично связывается пакетно-шиберный магазин для плоских деталей. В этой связке (рис. 7) вспомогательный питатель играет роль шибера, поштучно выдвигающего, например, мосты из вертикальной шахты магазина, где они сложены пакетом.
Установка мостов, накрывающих сверху группы узлов триб— колесо ангренажа,— одна из наиболее трудоемких и ответственных операций сборки часового механизма. Нужно заловить верхние цапфы (диаметр некоторых цапф 0,08 мм) установленных на предыдущих позициях ТБМ узлов колес, т. е. сцентрировать их по отвер-
стпям -камневых опор моста, а затем надеть на колеса мост. Операция выполняется модифицированным впбромагнптным методом, суть которого сводится к следующему. Вначале мост подводится на такой уровень, чтобы между его калгневымп опорами и цапфалш узлов триб—колесо оставался небольшой зазор (0,1——0,2 мм). После 3tofo платине сообщается вибрация и оси узлов вытягиваются вдоль силовых линий постоянных магнитов, размещенных соосно с камневьшл опорами в схвате, т. е. над мостов и в базовой подставке позиционера ТБМ (под платиной). Спустя некоторое время, достаточное для базирования осей узлов триб—колесо, происходит окончательная посадка моста на место с фиксацией на штифтах платины. Естественно, посадка осуществляется не жестко, а с определенным усилием. Схват оснащен электроконтактной системой, которая в случае неправильной посадки моста отключает ТБМ и подает соответствующий сигнал.
Установка мостов ангренажа требует высокой точности позиционирования схвата, что обеспечивается самой структурой минпробо- та RI3: между ползуном схвата и стойко立 всего одна кинематическая пара скольжения.
Другой характерный случай применения мпниробота М3 ——групповое завинчивание винтов, закрепляющих, например, только что установленные мосты ангренажа. Одновременное завинчивание двух-трех винтов на одной позиции необходимо не столько для экономии мпнпроботов или рабочих позиций ТБМ, сколько для того, чтобы мост не перекосился, выпустив тем самым из своих камней верхние цапфы узлов триб——колесо. Перекос моста' при последовательном завппчивании его впитов — следствие перекоса сопрягаемых опорных плоскостей платины н моста.
Для решения проблемы группового завинчивания надо было, во-первых, найти надежный метод групповой загрузки винтов п, во-вторых, разработать надежный и удобный в обслуживании мно- гошппндельный винтоверт.
Для загрузим винтов был разработан так называемый безнако- пительный метод. Суть его в том, что винты без предварительного ориентирования более или менее прицельно сбрасывают на приемное гнездо ——вакуумную втулку, укрепляемую на поворотном плече вспомогательного питателя миниробота М3. Все это происходит в ПВЕ, где винты несколькплги потоками движутся по канавкам U-образ- ； кого поперечного сечения, с края которых они и ссыпаются на гнезда Г питателя.
После того как питатель вошел в пневмовибробункер и последний начал работать, проходит обычно несколько десятых долей секунды —и все гнезда заполнены запавшими в них винтахш. В числе прочих мероприятий, повышающих вероятность попадания винтов в гнезда, одно из главных 一 подключение гнезд к системе пульсирующего вакуума. Вообще говоря, вакуум может присосать к гнезду винт в люболх положении. Но благодаря пульсации, т. е. периодическим отключениям вакуума, винты в неправильном положении, т. е. не попавшие своей резьбовой ножкой в гнездо, сметаются
с гнезда густым потоком сле^ дующих винтов. После заполнения винтами питатель поворачивается под многошппндель- ный впнтоверт, присоски которого забирают винты из его гнезд.
Надежность безнакопптель' ной загрузки оказалась практически иеза^пстшой от размеров, формы 小 главное, качества изготовления часовых впнтов.
Характерной чертой конструкции многошшшдельного в питов ер та является то, что отвертки укрепляются в удлиненных цангах, которые связаны со шпинделями карданным сочленением. Благодаря этому упростилась процедура замены изношенных отверток: освобож- дается цанга и отвертка шш-
Рис, 8. Установка заводного ключа, кулачко- ЦСТОМ ПрОГйЛКИВаетСЯ ВН^ трь вок муфты и заводного трибацанги до выхода рабочей части
пз кондукторной втулкп-пртгео- ски, посне чего цангу поворачивают вбок и меняют отвертку. Шпиндели вращаются в опорах скольжения (чтобы свести к зшнниуму их диаметральный габарит), размещенных в среднем блоке вшиоверта. Их зубчатые м\'фты, обеспечивающие требуемый момент затяжкп винта, открыты, что удобно для регулировки, и приводятся во вращение от укрепленного на корпусе минпробота электродвигателя через ременную передачу н зх^бчатую раскатку.
Кинематика мпнпробота М3 позволяет сравнительно просто модифицировать его в поворотно-осевую руку: на вертикальном ползуне крепится кронштейн с вертикальным валом поворотного плеча руки, вращение которому через пассик сообщается от вала вспомогательного питателя. Циклограмма минпробота при такой модпфн- кашш с^'щественных изменений не претерпевает.
Поворотно'осевая модификация М3 используется для автоматической установки группы деталей заводного ключа (рис. 8): в сквозное Т-образное окно платины опускают две детали (кулачковую муфту л заводной триб) и пронизывают их ключом, вставляемом сна~ ружн через радиальное отверстие платины. Вставлять ключ надо £ поворотом вокруг его осн, так как с кулачковой муфтой он сопрягается по квадрату.
Плечо поворотной руки оснащено комбинированным охватом с иакуумпо 宜 присоской для муфты и триба и р ад и а льно ~п одвиж н ьп£ механическим пшщетом для ключа. Загрузка муфты и триба осуществляется кз двухсекционного ИВЕ, ключа —■ из вибробупкера,
расположенного позади корпуса минпробота. Для вставки и прокручивания ключа за его голо в к >г имеется специальный горизонтальный шпиндель.
Операция выполняется одним мпнпроботом на одной позиции. Если детали данной группы 5гстанавливать раздельно {на сиеную- щпх друг за другой! позициях)^ то в каждое гнездо транспортной кассеты надо по.южпть под платину по специальному вкладышу, чтобы удержать в Т-образном окне платины предварительно уло- ?кенные тупа нупаиковую му巾ту п заводной трнб. II хотя после иставки ключа эти вкладыши больше не нужны, они пройдут по всему участку сборки ремонтуара н сделают невозможной групповую перекантовку платин. Одновременная установка этих деталей на одной позиции проводится без вкладышей, существенно упрощает систему транспорпгровкн собираемых часовых механизмов по всему 960Pgнопу комплекс5г.
УДК ОО7.Й.ОО4.и-.621.757
ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ СБОРОЧНЫХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ УЧАСТКОВ НА БАЗЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ СЕРИИ PC Е. В. Пашков, А. Г. Карлов, В. С* Наймушин, В, В, Кузьмин, В. Е, Цветков
Автоматизация процессов сборки обусловливает необходимость ■создания адаптивных роботизированных технологических комплексов (РТК), оснащенных развитыми информационными подсистемами и подсистемами управления технологическим оборудованием. Методы гр^^ппового управления должны обеспечивать возможность управления с участие^ состояния внешней среды группой РТК, осуществлять гибкую координацию их работы. Сложность задач гр5гппового управления обусловливает целесообразность тт необхо- димость использования в составе групповых систем управления мини- и микро-ЭВМ, Применяемые в составе таких РТК промышленные роботы должны обладать более высокой машшулятивностыо и ■автономностью, расшпренпьшп возможностями по восприятию и анализу ситуаций, возникающих в процессе функционирования в условиях не полностью детерминированной (вероятностной) внешней среды,
Компоновка и конструктивные элементы РТК, Компоновка РТК для сборки узла «Плата с диодами» состоит из девяти деталей (рис, 1): текстолитовый платы, 口 в ух диодов и соответственно двух токоотводов, двух шайб и двух гаек. Узел имеет два исиолпения? отличающихся др>тг от друга положением ножек диодов и формой токоотводов.
Выдача деталей, ориентированных в пространс гве и во времени, ё зону захвата обеспечивается загрузочно-ориентарующими уст-
Рнс. 1. План РТК Для сборки ^зла «Плата с диодами» (а) и этот узел в двух исполнениях (б>
鑾
Рис. 2. Обобщенная структурная схема РТК
ройствами (ЗОУ) 1—4 и выходным лотком 9. Чтобы избежать поломки выходных лотков ЗОУ и захватных элементов схватов промышленного робота (ПР), что может явиться следствием попадания в зону захвата бракованных деталей (например, без отверстия) или их неправильного расположения в лотках, концы лотков смон-
'ированы на плоских пружинах, образующих пружинный парал- гелограмм. Выходной лоток ЗОУ 9 снабжен делителем потока ©тале宜(диодов) в виде подмагниченной трехлучевой звездочки, сво- ►одно установленной на оси из немагнитного материала. Используемый в составе РТК промышленный робот 10 имеет на конце руки
поперечную траверсу 5, на которой смонтированы групповые схваты: правый предназначен для захвата диодов, неподвижен и содержит иве пары губок, имеющих возможность вращения вокруг осей, совпадающих с осями находящихся в них захваченных деталей; левый имеет возаюжность перемещения вдоль траверсы. Технологическое устройство 7, предназначенное для базирования и фиксации собирае- MEix деталей, имеет возможность перемещения по направляющим 6 с помощью пневмоцилиндра 8.
Обобщенная структурная схема РТК. Управление работой РТК осуществляется с помощью управляющей системы ГАУС, построенной на базе агрегативного управляющего комплекса [1]. В качестве управляющей мини-ЭВМ используется серийное вычислительное устройство («Электроника-15 ВСМ-5»).
Связь ГАУС со сборочным РТК (одниа! или несколькими) осуществляется через системы сопряжения СС (рис. 2), которые, как и^ ГАУС, оснащены необходимыдш средствами связи с оператором, обеспечивающими работу РТК в ручнод! (отладочном) и автоматическом режимах. При возникновении аварийной ситуации оператор может воспользоваться кнопкой аварийного останова АО, по сир— налам которой ГАУС выдает команду на перемещение ПР в безопас- ную йозицию и приостанавливает выполнение программы сборки. Сборочное приспособление и ПР оснащены датчиками обратной связи Д1, Д2, Д11. Первичная обработка сигналов датчиков осуществляется блоком обработки сигналов обратной связи БОСОС. Наличие деталей на выходных лотках вибробункеров Bl—В5 контролируется фотодатчиками Д5—ДЮ, причем вибробункер В5 оснащен двумя датчиками, так как он осуществляет выдачу на позицию захвата двух диодов. Включение впбробункеров осуществляется по командам ГАУС. Для отключения используются локаль- Hbie контуры обратной связи, выключающие влбробункер в момент прихода детали в зону захвата. Контроль за правильностью сборки осуществляется в контрольном устройстве К.
Структурная схема ГАУС. Работу ГАУС, предназначенной для управления двумя одинаковыми РТК, координирует блок сопря- женмя БС (рис. 3), предназначенный для стыковки управляющего вычислительного устройства с периферийными устройствами. Блок сопряжения включает в себя плату сопряжения ПС, плату сборки информации ПСБИ и дешифратор ДШ и осуществляет выбор режи- ма работы, формируя из синхроимпульсов вычислительного устрой' ства сигналы, синхронизирующие работу ГАУС в режиме ввода и режиме вывода информации. Через дешифратор блок сопряжения □о адресу, заданному программой, выбирает канал, по которому осуществляется обмен информацией между вычислительным устрой— ствоп и периферийными устройствами в режиме ввода—вывода. В системе ГАУС используется дешифратор с числом выходных ка- налов ттг = 4, т. е. число адресов 16. В режиме вывода обмен информацией между вычислительным устройством и РТК ведется через блоки управления БУ, представляющие собой платы цифрового вывода ПЦВ. В режиме ввода информация поступает в вычислит^ль- 48
ное устройство через платы связи с технологическим оборудованием ИСТО. Выбранная по адресу плата цифрового вывода формирует из синхроимпульсов периферийный синхроимпульс, свидетельствующий о том, что обмен информацией состоялся. Эти платы вырабатывают сигналы, которые через платы усилителей ПУ и платы реле JIPJI поступают через соответствующие системы сопряжения к пе- ' риферийным устройствам. В зависимости от алгоритма программы I вычислительное устройство осуществляет управление по Лрерьтва- % дням управляющих сигналов от таймеров каждого РТК ил【扌 по сиг- * налам отработки ПР заданного движения. Таймер состоит из гене- .ратора импульсов ГИ и платы счетчика импульсов ПСИ. Сигнал 二 отработки формируется в блоках обработки сигналов обратной связи из сигналов от датчиков обратной связи и поступает в платы связи с технологическим оборудованием, а затем в вычислительное устройство. Блок обработки сигналов обратной связи представляет собой плату сравнения кода движения, заданного на выполнение,, и кода от датчиков обратной связи, свидетельствующего о выполнении заданного движения. Через платы связи с технологическим оборудованием в вычислительное устройство поступают сигналы 0r фотодатчиков ДЗ——Д10, контрольного устройства и сигнал кнопки аварийного останова. Модификатор МОД использует для расширения системы команд ЭВМ.
Промышленные роботы серии FC. Рассмотрим кинематическую- схему ПР модели РС-222, использованного в составе РТК (рис. 4)* Рука робота представляет собой цифровой пневмоцилиндр 16 [2], укрепленный на вращающейся платформе 25, выходной шток которого 17 имеет на конце траверсу 18 для крепления схватов. Платформа 15 посредством подвижных в вертикальном направлении колонок 14 связана с диском 72, установленных с возможностью вращения на корпусе цифрового пневмоцилиндра 13, осуществляющего подъем рук и. Механизм поворота ПР также содержит цифровой: пневмоцилиндр 4 с поршнями 3 и 6, выходной шток 8 которого связан с диском 12. Кроме этого, в составе механизма поворота имеется гидродемпфер, состоящий из гидроцилиндра двустороннего действия с поршнем 9 и выходным штоком 22, шарнирно соединенным с диском 72, регулируемого дросселя 7, обратных клапанов 31, плунжера 29, каналов 26—28 и 3。с большими, чем у дросселя, проходными сечениями, управляющего (задающего) пневмоцилиндра с поршнями 20 и 24. Подвод рабочего тела (воздуха) осуществляется, по трубопроводам 19, 22 и 25 в полости 21 и 23. Постоянной подачей воздуха в трубопровод 19 обеспечивается исходное положение поршней 3 и 6 силового цилиндра 4 и поршней 20 и 24 управляющего цилиндра (поршни втянуты внутрь цилиндров). При подаче в трубопровод 25 воздух поступает в полость 23 управляющего цилиндра и полость 2 силового цилиндра, вызывая перемещение плунжера 29, устанавливаемого имеющейся на нем проточкой напротив канала 27, а также поршня 3, который, преодолевая усилие противодавления, создаваемое воздухом, поступающих в полость, выходного штока силового цилиндра, осуществляет вращение диска 22, что
Рис. 5. Компонорка ПР модели РС-6
приводит к смещению штока 11 с поршнем 9 гидроцилиндра. Масло из полости 1 гидроцилиндра перетекает через канал 27 и кольцевую проточку плунжера, а затем через правый обратный клапан 31 в полость 10 гидроцилиндра. Когда поршень 9 перекроет канал 27, масло перетекает через дроссель 7, т. е. начинается торможение. Изменяя проходное сечение дросселя, можно регулировать эффективность торможения.
При подаче воздуха в трубопровод 22 происходит перемещение гильзы управляющего цилиндра с поршнем 24 и плунжером 29 относительно зафиксированного поршня 20, в результате чего проточка плунжера располагается напротив канала 28. Параллельно воздух поступает в полость 5 силового цилиндра, перемещение штока которого вызывает поворот диска 12 на больший угол, чем в первом случае. Торможение происходит аналогичным образом. При подаче воздуха одновременно во все трубопроводы ход штока силового цилиндра выдвигается на сумму перемещений его поршней 3 и 6.
Промышленные роботы моделей РС-5 [3] и РС-6 (рис. 5) также выполнены на базе цифровых пневмоприводов. В отличие от ПР модели РС-222 они обладают более высокими манипулятивностыо, жесткостью и грузоподъемностью. Кроме этого, в их составе использованы электромагнитные порошковые тормозные устройства (демпферы) с позиционным управлением [4, 5]. Отличаются ПР моделей РС-5 и -6 конструкцией приводов поворота и подъема руки.
Рука ПР моделей РС-5 и -6 (см. рис. 5) состоит из несущего каркаса, на передней стойке 15 которого закреплен цифровой пневмопривод продольных перемещений [2], имеющий цилиндр противодавления 7 и ряд рабочих цилиндров (модулей) 17 с различной длиной 50
перемещения поршней, состыкованных между собой в соответствии с требуемым диапазоном и дискретностью перемещения схвата.
Выходной шток 9 пневмоцилиндра связан с помощью траверсы 70 со штангой 24, подвижно смонтированной в передней направляющей 23, закрепленной на конце цилиндра противодавления, и нерез посредство каретки 23 на двух задних направляющих 26, установленных в передней 15 и задней 24 стойках каркаса. Такое конструктивное выполнение направляющих при их максимальном удалении друг от друга способствует уменьшению влияния на точность позиционирования схвата имеющихся в них зазоров.
Внутри штанги 14 размещен полый вал, передний конец 11 которого содержит цилиндрические установочные элементы с лысками и резьбой, предназначенные для установки схвата. Поворот вала осуществляется через реечное зацепление от сдвоенного пневмоцилиндра 29, установленного на корпусе 21 в задней части штанги.
Привод поворота схвата позволяет получить три фиксированных с помощью настраиваемых жестких упоров положения — 0, 90 и 180°. Шток 22, служащий для привода губок схвата, проходит внутри полого вала и связан с поршнем цилиндра зажима, выполненного в корпус 24. С целью разгрузки опор полого вала предусмотрена возможность крепления схвата на передней поверхности траверсы, 10. В нижней части каркаса установлен электромагнитный порошковый тормоз 5, который посредством шестерни связан с зубчатой рейкой 22, одним концом закрепленной на каретке 23, а другим подвижно установленной в передней стойке 15 каркаса. Внутри него параллельно задним направляющим установлена герконная линейка 20 датчика, управляющего включением демпфера 5. Магнит, вызывающий срабатывание герконов, крепится на каретке 23* Полость каркаса и внешняя зона перемещения рейки закрыты кожухами 8 и 18.
Совмещенный привод подъема н поворота руки ПР модели РС-6 смонтирован на плите 34 и состоит из двух трубчатых направляющих 32, по которым перемещается каретка 31 с цифровым приводом поворота, состоящим из ряда флажковых пневмодвигателей (модулей) 2 с различным углом поворота, беззазорно состыкованных между собой, и выходным валом 3, установленныл! в подшипниках [5, 6]. Устойчивость привода поворота по отношению к его оси обеспечивается регулируемым в осевом направлении кронштейном- люнетом 2. Вертикальное перемещение каретки 31 обеспечивается с помощью цифрового пневмопривода [2], также состоящего из цилиндра противодавления 26 и ряда сменных модулей 30 и 33. Выходной шток 28 пневмопривода шарнирно соединен с кареткой 31. Кронштейн 29 предназначен для крепления пневмоцилиндра подъема руки и трубчатых направляющих 32. В верхней части каретки расположены находящиеся в зацеплении зубчатые колеса 6, 25 и 26. связывающие выходной вал 3 с тормозным устройством 27, идентичным тормозному устройству 5. Управление включением тормозного устройства 27 осуществляется от круговой герконной линейки 4, закрепленной на каретке.
Принцип функционирования РТК. Промышленный робот 10 (см. рис. 1, 〃), повернувшись в положение II —— II, опускается, чем обеспечивает вывод одной из цанг левого схвата в отверстие гайки, находящейся на позиции захвата, т. е. на конце выходного лотка ЗОУ 4. Затем ПР поднимается, извлекая гайку из лотка, схват перемещается вдоль траверсы на расстояние 2s и вновь опускается, захватывая второй цангой новую гайку, поступающую на позицию захвата в момент подъема руки ПР и перемещения схвата. Повернувшись в положение 1 — 1，ПР осуществляет выгрузку гаек в ключи гайковерта технологического устройства 7. Затем, занимая последовательно положения IV—IV и Ш—III, ПР захватывает аналогичным образом из выходных лотков ЗОУ 2, 2 н 3 соответственно токо- отводы, плату и шайбы, выгружая их затем в технологическое устройство, где предусмотрены специальные ложементы. Повернувшись в положение V—V, ПР захватывает правым схватол два диода л переносит их в положение I—I. Параллельно с этим технологическое устройство 7 с помощью пневмоцилиндра 8 перемещается в правое положение на расстояние 2а. В процессе опускания руки с диодами происходит включение гайковерта. Резьбовые концы диодов проходят через отверстия токоотводов, платы и шайб до упора в на- винчиваемые на них гайки.
После сборки ПР устанавливает собранный узел в контрольное устройство. Полностью собранные и отвечающие техническим требованиям углы сбрасываются в тару готовой продукции, а не полностью собранные передаются на позицию ручной досборки. При этом ГАУС анализирует возможность продолжения работы РТК. Если в процессе сборки одна или несколько деталей остались в сборочном приспособлении, то работа РТК приостанавливается л для ее возобновления требуется разрешение оператора.
Особенности функционирования сборочного РТК. Программное обеспечение ГАУС включает в себя рабочие программы управления процессом сборки и програмдгу-драйвер выдачи рабочих программ. Рабочие программы формируются на основе заданной циклограммы сборочного процесса и представляют собой последовательность кадров. Каждый из них содержит полную информацию об управляющих сигналах, которые необходимо выдать на исполнительные органы ПР и технологического оборудования. Управление работой РТК осуществляется в режиме реального времени. Программа-драйвер по сигналам, поступающим в ГАУС от блоков обработки сигналов обратной связи после отработки текущего кадра рабочей программы, определяет номер отработанного кадра, сканирует датчики внешней информационной системы РТК, анализирует текущую ситуацию и выбирает следующий кадр рабочей программы. Затем управление передается рабочей программе.
Функционирование каждого РТК возмо?кно в двух режимах: ручном и автоматическом. Управление работой РТК в автоматическом режиме осуществляется программой-драйвером управления. Вычислительное устройство при этом работает в режиме разделения времени. В ручном режиме оператор управляет РТК с помощью •52
задатчиков и устройств отображения информации, расположенных ла системах сопряжения.
Для формирования рабочих программ может быть использован метод обучения, который реализуется программой-драйвером обучения.
Г ЛИТЕРАТУРА
Цветков В. Е., Прокофьева Н. Л"., Крутиков Н. 〃., Кузьмин В. В. Агрегативная обучаемая система управления пневматических промышленных роботов.— Электрон, техника, 1981, вып. 6, сер. TOHO, с. 3—5.
.А. с. 754126 (СССР). Модульный позиционный привод манипулятора/ В. Я. Копп, В. С. Наймушин, А. Г. Карлов, Е. В. Пашков. Заявл. 09.03.78, № 2588286; Опубл, в Б. И., 1980, № 29.
Пашков Е. В.、Наймушин В. С. Исполнительные органы промышленных роботов и манипуляторов для механосборочного производства. Киев: Знание, 1981, 24 с.
Пашков Е. В., Копп В. Я. Позиционное демпфирование приводов поворота промышленных роботов и манипуляторов.—— Приборостроение, 1980, № 28, с. 19—23.
Пашков Е. 3., Копп В. а., Маку хина Г. Г. Электромагнитный порошковый демпфер промышленного робота с позиционным управлением.— Приборостроение, 1981, № 30, с. 52—56.
Копп В. Я. Математическая модель цифрового поворотного пневмопривода. Приборостроение, 1981, № 30, с. 44—52.
007.52:62-525
СБОРОЧНЫЕ
И ОРИЕНТИРУЮЩИЕ МАНИПУЛЯТОРЫ НА БАЗЕ ЦИФРОВЫХ ПНЕВМОПРИВОДОВ А. Г. Карлов, Е. В. Пашков, Б. В. Погорелов
Автоматизация сборочных операцгш ——большой резерв экономии трудовых ресурсов и повышения производительности труда в промышленности, так как уровень автоматизации этих операций все еще низок. Это объясняется противоречивостью требований, предъявляемых к оборудованию для автоматической сборки: высокое быстродействие и точность, переналаживаемость или перепрограммируемость и компактность. Любое сборочное оборудование работает в условиях неполной информации о положениях деталей, поступающих на сборку, и об их взаимном расположении, размерах деталей и их качестве. Специфика сборочного процесса в том, что точность сопряжения намного превосход иг достижимую точность взаимного ориентирования деталей, зависящую не только от точности самого оборудования, но и от точности их базирования. Поэтому процесс сопряжения в сборочных автоматах, как и при ручной сборке, происходит за счет податливости механизмов базирования и сопряжения [1]. При автоматизации сборочных процессов возникают также проблемы повышения сборочной технологичности собираемых изделий и качества
их компонентов. Опыт применения сборочных автоматов в приборостроении показал, что значительная часть отказов в работе сборочных автоматов происходит из-за попадания на сборку некачественных деталей [2]. В значительной степени это объясняется отсутствием в большинстве сборочных автоматов устройств контроля наличия, положения и качества деталей и жесткой программой работы оборудования. Одним из перспективных направлений решения данного вопроса является применение промышленных роботов (ПР).
Сборочные роботы, построенные на базе цифровых пневмоприводов. Один из возможных путей решения указанных проблем — применение недорогих ПР, обеспечивающих подвод схвата к нескольким точкам рабочей зоны, в которых расположены предварительно смонтированные сборочные компоненты. Такой робот должен быть также оснащен простейшими устройствами контроля наличия, положения и качества компонентов, а также сменными схватами, которые позволяют скомпенсировать погрешности позиционирования и базирования и обеспечить надежное сопряжение. Требуется достаточно высокое быстродействие такого робота, чтобы он мог конкурировать по производительности со специализированными автоматами.
Перечисленным требованиям в определенной степени соответствуют промышленные роботы серии PC, предназначенные для сборки, и серии РО, рекомендуемые для автоматизации ориентирования и подачи компонентов на сборочные позиции [3, 4].
Учитывая специфику поставленных задач, в качестве приводов этих ПР были использованы цифровые пневмоприводы линейного и вращательного движений, обладающие такими преимуществами, как простота конструкции и управления, высокое быстродействие (до 2 м/с), надежность п невысокая стоимость. Кроме того, эти приводы обеспечивают: высокую точность позиционирования; нечувствительность к ускорениям и вибрациям; возможность работы без обратных связей; возможность простой стыковки с ЭВМ, что обусловлено тем, что привод работает в двоичном коде.
Цифровой пневмопривод возвратно-поступательного действия представляет собой устройство для точного позиционирования рабочего органа. На условной схеме показана модификация цифрового пневмопривода, примененная в промышленных роботах РС-5 и -6 (рис. 1). Особенность данной модификации — применение электромагнитного порошкового демпфера 7 с датчиками обратной связи на герконах (8 ——постоянный магнит, 9 ——линейка герконов), обеспечивающего торможение рабочего органа в конце хода. Точная остановка штока обеспечивается комбинацией срабатывания поршней /, II и III, имеющих ограничители относительного перемещения. Они выполняются, как правило, такими, что ход последующего поршня в два раза больше предыдущего. Подача цифровых сигналов от блока программного управления 10 обеспечивает включение и отключение двухпозицпонных электропневмоклапанов 6, подающих сжатый воздух в соответствующие полости 1—3. С помощью компаратора 5 полссть 4 обеспечивает реверс штока и перемещение на расстояние,
[₽ис. 1. Схема цифрового пневмопривода
Рис. 2. Схема конечного выключателя с осью (а) и роботизированного технологического Комплекса для его оборки (б)
工—рычаг; 2 — ось； 3 — ролик； 4 — сборочный робот (серии PG-5); 5—7 — виброэункеры для подачи оси, ролика и рычага соответственно； <? — ориентирующий робот (серии РО-6);
9 — завальцовочная головка; 一 транспортер
равное сумме ходов отключенных секций. Дискретность привода определяется ходом поршня с неподвижным упором, число возможных положений штока равно 2% где и — число поршней. Повторяемость позиций одной секции равна 0,01 мм. Основные недостатки такого привода:
падение точности позиционирования с ростом количества разрядов из-за увеличения податливости системы упоров и допусков на их изготовление;
необходимость введения устройств управления разгоном и тормо- жениел для обеспечения постоянства знака скорости при разгоне и уменьшение модуля скорости при торможении.
В работе [5] приведена методика имитационного моделирования на ЭВМ динамических характеристик цифровых пневмоприводов, установленных стационарно, а также используемых в составе ПР серии PC. Учитывались как термодинамические процессы наполнения, опорожнения и перетечек, так и динамика привода с учетом нелинейного характера сил трения и переменной внешней нагрузки.
Результаты теоретического исследования позволили значительно снизить влияние указанных недостатков цифрового пневмопривода и обеспечить возможность использования их в качестве приводов сборочных и ориентирующих Л1анипуляторов грузоподъемностью； до 15 кг.
На основе цифрового пневмопривода спроектирован ПР РС-5, конструктивно-технологическая схема которого аналогична изобра* женной на рис. 5 в статье Е. В. Пашкова, А. Г. Карлова, В. С. Наймушина, В. В. Кузьмина, В, Е. Цветкова «Вопросы создания сборочных роботизированных участков и а базе промышленных роботов серии РС» настоящего сборника.
Робот имеет дискретность по координатам У и Z соответственно 32 и 8 мм, а по координате а она составляет 15е. По каждой из координат имеется восемь точек позиционирования.
При построении компоновочных схем роботов серии РС используется принцип блочно-модульного построения, В качестве модулей поворота применяются цифровые поворотные пневмоприводы, не требующие дополнительных механизмов и обеспечивающие хорошие динамические и точностные характеристики ПР.
Роботизированные технологические комплексы для сборки деталей. В состав РТК для сборки рычага 1 микровыключателя с осью 2 и роликом 3 (рис. 2) входит ПР (серии РС-5)么 захватывающий ось вибробункера 5 и осуществляющий сборку с роликом и рычагом, реализуя сборку с предварительным наклоном осей. Ориентирование и подачу рычага, имеющего четыре возлюжных положения, осуществляет ориентирующий робот серии РО-6. Собранный узел подается к завальцовочной головке 仇 скрепляющей соединение, после чего подузел подается на межоперационный транспортер 10.
Ориентирующий робот РО-6 (рис, 3) имеет девять степеней подвижности II состоит из трех модулей: модуля поворота рук (три поворотных цилиндра, соединенные так, что вал предыдущего цилиндра соединен с корпусом последующего); модуля верхней руки (привод 56
Рис. 3. Конструктивно-кинематическая схема ориентирующего робота РО-6
качания и цифровой пневмопривод схвага обеспечивают поворот детали на 90, 180 и 270°); модуля нижней руки (позволяет осуществить выдвижение нижнего схвата, поворот его на 180° относительйо горизонтальной оси и качательное движение в вертикальной плоскости). Модуль верхней руки установлен на выходном валу модуля поворота, который обеспечивает восемь угловых положений верхней руки, а модуль нижней руки ——на корпусе последнего поворотного цилиндра и имеет четыре возможных угловых положения. Общее количество возможных состояний робота составляет 29 (512).
Робот способен захватывать, ориентировать и подавать на разные сборочные позиции детали двух типоразмеров из двух различных бункеров, причем каждая из деталей может иметь до восьми возможных положений на выходном участке вибробункера. Робот снабжен струйными опознающими устройствами, сигналы которых преобразуются в электрическую форму и поступают в блок изменения программы, который в зависимости от положения, занимаемого деталью, выбирает соответствующ^7ю подпрограмму перевода детали в требуемое положение. В случае, если требуется разворот детали относительно двух взаимно перпендикулярных осей, ее ориентирует в горизонтальной плоскости верхняя рука, передает нижней, которая ориентирует деталь в вертикальной плоскости и вкладывает ее в базирующее приспособление. Опознающее устройство позволяет осуществить контроль наличия и качества деталей, после чего робот сбрасывает бракованные детали в специальную тару, не прерывая цикла сборочного робота. Для рассмотренного выше случая система управления должна иметь как минимум 18 подпрограмм.
Применение рассмотренных ПР в составе РТК для сборки узлов низковольтной аппаратуры позволило получить высокую производительность сборки и технологическую гибкость сборочного оборудо-
ЛИТЕРАТУРА
1.2.1.2.Рабинович А. Я. Автоматизация механосборочного производства. Киев: Техника, 1969. 450 с.
1.
2.
1.
2.
Гусев В. А. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиностроение,. 1979, 208 с.
Пашков Е. В.、На ймушин В. С. Испопните явные органы промышленных роботов и манипуляторов для механосборочного производства. Киев: Знание,. 1981. 24 с.
Погорелов Б. В. О ри енти ров ани е с помощью и ромыш леннот о робота.— Машиностроитель, 1981, № 5, с. 9—10.
Карлов А. Г., Погорелов Б. В., Копп В. И., Поливцев В. Н. Использование- метода стробофотог рафирования для исследования законов движения объектов роботизированных технологических комплексов.— В кн.: II Всесоюз. межвуз. на уч.-техн. конф. «Робототехнические системы», Киев, 1980; Тез. док л. Кпев： Киев, политехи, ин-т, 1980, т. 1. с. 24——29.
УДК 007.52.004.14:621.757
РОБОТЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА СБОРКЕ
А. С.[Силкин, А. Б. Туликов, Г. Н. Лебедева
Роботы первого поколения, работающие по жесткой программе, при правильной организации роботизированного участка могут найти применение на сборочных операциях, не требующих высокой квалификации рабочего.
Принципиальная возможность выполнения достаточно сложных сборочных операций роботами первого поколения подтверждена экспериментально.
мм, емкость памятимм, емкость памятипозицион-позицион-Рассмотрим пример сборки колодки тормоза трактора К-701. На первом этапе сборка осуществлялась роботом Kawasaki——Uni- mate-5030. Этот робот имеет семь степеней свободы, его грузоподъемность 10 кг при номинальных скоростях и до 20 кг при пониженных, паспортная точность позиционирования 0,25 广*二二、二：二二 510 стандартных команд. Система управления робота — ная, запись команд осуществляется в ручном режиме при движении от точки к точке.
мм, емкость памяти
мм, емкость памяти
позицион-
позицион-
Тормозная колодка — достаючно сложный для роботизации узел, состоящий из корпуса и двух накладок, которые крепятся к корпусу двенадцатью винтами и гайками. Конструктивно колодка имеет цилиндрическую форму. Детали устанавливаются радиально под различными углами к оси колодки. Поверхность корпуса колодки после предварительной механической обработки неровная, что вызывает значительные погрешности в расположении посадочных мест при установке корпуса в сборочное приспособление. Это соз-
дает дополнительные трудности для робота, работающего по жесткой программе.
Для реализации сборки были спроектированы и изготовлены специальное приспособление, служащее для установки корпуса колодки тормоза, удержания гаек и фиксации накладок, накопители для всех к ом пл ек тующих деталей и универсальный схват робота.
Конструкция схвата позволяет осуществлять движение губок лараллельно друг другу. В губках выполнены призматические пазы для захватывания гайковерта и треугольные пазы для захватывания гаек. К боковой поверхности каждой губки крепятся накладные скобы для захвата корпуса колодки, накладок и тормозной колодки в сборке.
Роботизированный процесс сборки состоит из следующих переходов: робот и ос л ед ов ai ел ьно раскладывает 12 гаек в специальные гнезда приспособления, помещает в приспособление корпус коробки, на который устанавливает накладки, затем вставляет 12 винтов, лосле чего затягивает при помощи гайковерта резьбовые соединения и вынимает собранную колодку из приспособления.
Впоследствии для сборки тормозной колодки использовался отечественный робот «Универсал 15М» с числовой системой управления УПМ-722.
Другим примером использования роботов первого поколения является роботизация операций разгрузки на участке сборки редукторов заднего моста легкового автомобиля М-412 которая осуществляется на автоматизированной линии. На последней операции рабочий снимал с приспособления-спутника собранный узел и устанавливал его, предварительно повернув на 180°, на наклонный роликовый транспортер. Операция характеризз^ется физически тяжелым, монотонным трудов!. Масса собранного редуктора 16,6 кг, производительность 400 узлов в смену. Было предложено при разгрузке линии применить промышленный робот «Универсал 15М».
Необходимо отметить, что с помощью таких роботов собираются узлы с двумя типами корпусов редукторов, отличающихся взаимным расположением ребер жесткости. Конструкция схвата позволяет различать корпуса редукторов и надежно фиксировать корпуса обеих конфигураций.
Для разработки этого робототехнического комплекса (РТК) характерен сравнительно небольшой объем конструкторских работ: был спроектирован схват к роботу, переделана часть транспортера и разработана схема блокировок, в соответствии с которой робот перед началом работы определяет наличие приспособления-спутника на сборочной позиции, наличие узла в приспособлении, отсутствие собранного узла на заходной части транспортера, отсутствие пере- поднения транспортера и только при выполнении всех зт近х условий начинает работу. Созданный РТК позволил высвободить двух рабочих.
На участках с большой номенклатурой изделий рекомендуется использование переналаживаемого РТК. Схему такого участка рас- смотрим на примере сборки пластинчатых деталей пяти типоразмеров.
Состоит РТК (см. рисунок) из: робота 1 «Циклон-3» с пультом управления 2 и сменными схватами; пресса 5 с подвижным столом ^ и пультом управления 5; подающего пакет приспособления 6; пульта управления комплексом 7.
Так как рука робота «Цпклон-3» в вертикальном направлении может занимать лишь два положения ——крайнее нижнее и крайнее- верхнее, уровень, с которого берутся листы, должен оставаться постоянным. С этой целью создано подающее пакет приспособление， на котором устанавливается транспортная оправка с набором листов. Дно ее подвижное и поднимается с помощью винтовой пары. Два
датчика, расположенные на транспортной оправке, контролируют уровень пакета. Нижний датчик дает команду к работе механизма,, подающего приспособления, а верхний ——на его останов.
Сборка листов на оправку осуществляется непосредственно под прессом. Они накидываются роботом на заходные конусы оправки по одному в количестве 10 штук, затем проталкиваются пуансоном пресса на расстояние 65 мм. Таким образом, каждые последующие 10 листов толкают предыдущие, вследствие чего происходит уплот
нение листов, и промежуточную спрессовку пакета можно исключить. Эксперименты, проведенные на заводе, доказали такую возможность.
Преимущество РТК — его универсальность. Переналадка ПР для работы с пятью типами пакетов не требует перезаписи программы и заключается в простой смене пневмосхватов. Использование сменных пуансонов, проставок на прессе, переходников на подающем приспособлении, позволяющих выставлять верхний уровень пакетовт дает возможность создать групповой сборочный участок. Спроектированная к прессу гидростанция обеспечивает изменение усилия спрессовки от единиц до сотни тонн, таким образом, отпадает потребность в трех прессах, освобождаются дополнительные площади. Проведенный расчет длительности роботизированного процесса сборки показал, что сборка пакета вручную и с помощью РТК ПР по времени отличаются мало.
Автоматизация сборки с помощью роботов может обеспечить быстрое внедрение и малые сроки окупаемости, высокую мобильность производства, широкую универсальность.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СБОРОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 007.52:621.757
ИССЛЕДОВАНИЕ
МНОГООПЕРАЦИОННОЙ СБОРКИ С ПОМОЩЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Д. Е. Охоцимскии, А. К. Платонов, Ю. П. Смольянов, С. И. Гримайло, С. С. Камынин, Е. И. Кугушев
ВВЕДЕНИЕ
С целью исследования возможности выполнения достаточно сложной^ многооперационной сборки с помощью универсальных манипуляторов, снабженных простейшими датчиками и приспособлениями и управляемых от мини-ЭВМ, в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР разработана экспериментальная автоматическая сборочная система (АСС). На ее основе был рассмотрен один из подходов к решению» задачи автоматизации процесса промышленной сборки с использованием роботов.
Сборочный робот. Технической основой проведенных исследований послужил лабораторный макет сборочного робота (рис. 1)* [1]. В его состав входят два электромеханических манипулятора У ЭМ-2, разработанных в МВТУ им. Н. Э. Баумана. Каждый манипулятор имеет семь степеней свободы (седьмая ——в схвате). Манипуляторы подключены к мини-ЭВМ М6000. Показания потенциометрических датчиков положения степеней свободы манипуляторов вводятся в ЭВМ через 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Контур управления двигателями манипуляторов замыкается через ЭВМ, которая с частотой порядка 30 Гц изменяет параметры управления двигателей (через специальный интерфейс управления роботом, преобразуя цифровые сигналы ЭВМ в напряжении на двигателях манипуляторов).
В дальнейшем один из манипуляторов (ближний на рис. 1) будем называть правой рук ой, другой ——левой. Оба манипулятора распо- лоячены рядом со сборочным столом, пре дет авл яющим собой неподвижную плоскость, на которой в фиксированных местах (в зоне досягаемости хотя бы одного из манипуляторов) расположены детали и инструменты, необходимые для сборки. В случае необходимости на столе могут быть укреплены уголковые упоры для позиционирования собираемых деталей, а также подставки для удерживания в начальном положении деталей и инструментов. Расположение-
Рнз 1. Сборочный робот
деталей, инструментов, упоров и подставок определяет оператор программист, который планирует процесс сборки.
ЛГанипуляторьт УЭМ-2 обладают относительно невысокой точностью. Однако точность, которая может быть получена в универсальных манип>тляторах, 6ул,ет, вероятно, для задач сборки всегда ниже требуемой точности сопряжения собираед1ых деталей. Поэтому разработка методов адаптивного управления с использованием силовой обратной связи, поисковых движений и других средств для успешного выполнения сборочных операций является весьма актуальной задачей.
Схваты сборочного робота оснащены простыми датчиками, обеспечивающими силовое очувствление. Кроме того, к роботу может быть подсоединена система технического зрения [1]. Однако, так как была сделана попытка обойтись минимальными средствами, система технического зрения не использовалась.
Работа с системой. Оператор-программист осуществляет планирование сборки на трех уровнях [2]:
составляет план сборки (в котором задается последовательность выполнения сборочных операций, а также реакция на неверно выполненные операции);
составляет план каждой сборочной операции (в котором >7казы- вается последовательность движений манипуляторов, необходимых для выполнения операции; описываются условия, при выполнении которых можно переходить от одного движения к другому; указывается реакция на неверно выполненные движения);
программирует все движения, указанные в планах соорочных операций (движения могут быть заданы, в частности, путем «хореографического» программирования, т. е. путем последовательного вывода манипуляторов (вручную или с помощью специального выносного пульта) в те положения, через которые должны проходить манипуляторы).
После того как сборка спланирована, проводят проверку исполнения ее элементов. В случае необходимости план сборки, планы сборочных операций, а также движения редактируется. Затем требуемые детали и инструменты размещаются в начальных позициях ir запускается процесс автоматической сборки.
Программа, осуществляющая автоматическую сборку, структурно состоит из двух процессов [2, 3]. Первый процесс ——основной — слежение (запускается по прерыванию от таймера с частотой около 30 Гц). В нем осуществляется опрос показаний датчиков, контроль, за состоянием устройств, вычисление и выдача на двигатели сигналов управления, необходимых для отслеживания заданного программного движения. Второй процесс — фоновый (выполняемый в течение отрезков времени, остающихся от первого процесса): просмотр плана сборки и планов сборочных операций, подготовка к исполнению требуемых движений; запуск их на исполнение в основном процессе; проверка выполнения условий, определяющих переход от одного движения к другому.
Во время работы АСС в режиме автоматической сборки пли npir отладочном прогоне оператор имеет возможность в любой момент остановить систему с операторского пульта плп со специального выносного пульта.
Этапы разработки. Исследования с лабораторным макетом сборочного робота начаты в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР в 1981 г. и прошли несколько этапов. Первоначально была реализована система управления одним неочувствленньш манипулятором [4]. Оценивались характеристики точности манипуляторов и опробовались простейшие алгоритаы управления, обеспечивающие перемещение деталей из- одного положения в другое.
Далее была разработана система управления двумя манмпуля- торами, снабженными датчиками очувствления схватов [5—7]. Эта система позволяла одновременно: исполнять движения двух мани- иуляторов; делать движения условными, т. е. прерываемыми при наступлении определенного события； обеспечивать требуемую последовательность исполнения программных движений, в которой очередное исполняемое движение завттсит от результата исполнения предыдущего. С помощью этой системы были проведены успешные- опыты по механической сборке узла из деталей. Кроме процесса сборки, исследовался также процесс разборки и многократно автоматически повторяющийся цикл сборки—разборки.
Экспертшенты с указанными системами позволили отработать и проверить принципы, на основе которых была создана затем АСС
Одновременно с разработкой алгоритмов управления движением манипуляторов создавались алгоритмы обработки зрительной информации [8, 9]. Для исследования возможности использования этой информации в процессе автоматической сборки была создана система управления роботом «Глаз—2 руки» [5, 10, 11], обеспечивающая захват неориентированных деталей и установку их в заданное место. При необходимости такая система могла бы, вероятно, быть использована для размещения деталей в начальных позициях перед сборкой.
ПРИНЦИПЫ СБОРКИ
При разработке АСС необходимо было учесть реальное соотношение погрешностей исполнения манипуляционных движений и требуемой точности сопряжения собираемых деталей. С этой целью был определен ряд основных принципов, положенных в основу алгоритмов организации автоматической сборки и позволяющих существенно упростить и ускорить реализацию сборочных операций при использовании манипуляторов с относительно невысокой точностью исполнения программных движений.
Рассмотрим наиболее важные принципы организации сборки, использованные в проведенных экспериментах.
Упоры. Для точного позиционирования деталей служат упоры, в качестве которых можно использовать сами сопрягаемые детали.
На первом шаге сборки могут быть использованы упоры сборочного приспособления (например, угол или стенка).
В процессе сборки детали, установленные за i первых шагов, могут служить упорами, направляющими движение детали, устанавливаемой на (i + 1)-м шаге.
Податливость. Способность манипулятора изменять свою конфи- гураг(ию не только за счет усилий двигателей, но и под влиянием внешних воздействий называют податливостью, противоположное свойство — жесткостью.
Наличие податливости позволяет использовать достаточно грубые - (упрощенные) программные движения при перемещении предметов, ограниченных связями, снижает требование к точности управления. Податливость, в частности, обеспечивает возможность точного позиционирования деталей по упорам при наличии погрешностей в исполнении манипуляционных движений.
В рассматриваемом сборочном роботе податливость обеспечивалась способностью пальцев схвата правой руки совершать свободные упругие перемещения вдоль своей продольной оси [1], резиновыми накладками на внутренних сторонах пальцев схватов обеих рук, а также люфтами и упругостью в сочленениях звеньев манипуляторов.
Очувствление. Датчики очувствления робота используются для контроля сборочных движений. Одна из главных задач среди решаемых с помощью датчиков — обнаружение момента выхода на упор. Это могут делать достаточно простые датчики.
На схватэ правой руки сборочного робота установлены датчики
измерения линейных перемещений подпружиненных пальцев, что позволяет определять усилия, действующие вдоль продольной оси пальцев. Пальцы схвата левой руки снабжены тактильными датчиками, показывающими, что схват сжал предмет. Заметим, что выход на упор может быть также обнаружен на основе показаний потенциометрических датчиков положения звеньев манипуляторов: если показание какого-либо потенциометрического датчика не меняется с течением времени, а на соответствующий двигатель выдается определенное управление, то это обстоятельство можно интерпретировать как выход на упор.
Таким образом, робот, оснащенный только датчиками положения звеньев манипуляторов, оказывается в достаточной степени очувствленным н способным на адаптивное поведение при наличии развитого управления.
Поисковые движения. Неточности работы манипулятора могут компенсироваться специальными поисковыми движениями — колебаниями схвата с малой амплитудой (1 ——2 см) в окрестности целевой точки.
Например, при вставлении оси шестерни в отверстие схват с зажатой шестерней выводится в окрестность отверстия и начинает совершать небольшие колебательные движения, одновременно слегка прижимая торец осп шестерни к поверхности основания. Если ошибка вывода в окрестность отверстия не слишком велика, то благодаря таким поисковым движениям ось шестерни довольно быстро попадет в отверстие. Край отверстия в этом случае служит упором для осп шестерни.
Оснастка. Для упрощения и ускорения сборки целесообразно использовать простые приспособления и инструменты ——аналоги рунных инструментов, которыми пользуется человек во время сборки (такие, как тиски, гайковерты, отвертки и т. д.).
Наличие у робота двух манипуляторов сильно снижает требования к необходимому числу фиксирующих вспомогательных приспособлений.
Управление. Так как движения манипуляторов при выполнении сборочных операций могут быть достаточно сложными, в системе необходимо наличие управляющей ЭВМ, использование которой позволяет достичь требуемой простоты и гибкости при организации специализированных движений и сделать легко изменяемым сам процесс сборки.
Система управления рассматриваемого сборочного робота реализована на мини-ЭВМ М6000, быстродействия которой вполне достаточно для управления процессом сборки в реальном масштабе времени.
Сборка представляет собой последовательность специализированных движений манипуляторов робота (транспортных, поисковых, тестирующих и т. д.). Используя его простейшее очувствление, система управления параллельно с исполнением каждого движения анализирует текущую ситуацию и при выполнении заданных условий организует окончание одного движения и переход к другому.
65653 Заказ № 1450
65
65
При этом использование ЭВМ в системе управления сборочного ро бота позволяет оценивать текущую ситуацию по. комбинациям пока- заний датчиков очувствления.
Эксперименты с АСС подтвердили эффективность указанных принципов сборки. Например, вставление оси шестерни в отверстие основания масляного насоса происходило успешно практически всегда и занимало время порядка 2 с. Это время не зависело от возмущений в положении отверстия в пределах 1 см во всех направлениях. Заметим, что зазор между осью шестерни и стенкой отверстия составлял 30 мкм (точность позиционирования используемых в АСС манипуляторов приблизительно 5 мм).
В таких условиях сборка становится возможной только за счет взаимодействия сопрягаемых поверхностей деталей и использования их в качестве упоров и направляющих, а также за счет податливости схватов, которая компенсирует погрешности движения манипуляторов. Вероятно, то же самое имеет место при ручной сборке.
Однако нельзя делать вывод, что автоматическую сборку следует осуществлять с помощью неточных манипуляторов. Увеличение точности манипуляторов позволяет значительно ускорить сборку, но повышение точности (и жесткости) универсальных манипуляторов выше некоторого предела делает их дорогостоящими и громоздкими. Поэтому возможность автоматической сборки посредством манипуляторов, точность которых существенно меньше требуемой точности сопряжения деталей, безусловно, представляет интерес.
ПЛАНИРОВАНИЕ СБОРКИ
Для того чтобы АСС могла выполнить автоматическую сборку, процесс сборки должен быть предварительно спланирован и соответствующая информация должна быть введена в управляющую ЭВМ.
Оператор-программист осуществляет планирование сборки посредством описания плана сборки, планов сборочных операций и программирования всех движений, указанных в планах сборочных операций. Для ввода такой информации в управляющую ЭВМ в АСС предусмотрены развитые диалоговые средства [2]. В качестве операторского терминала используется алфавитно-цифровой дисплей «Видеотон-340».
При задании необходимых движений может быть использовано «хореографическое» программирование, при котором манипуляторы последовательно выводятся в нужные положения (вручную или с помощью специального выносного пульта), а управляющая ЭВМ автоматически запоминает данные узловые точки. Возможность вводить информацию не только в текстовой форме, но и путем непосредственного показывания необходимых движений упрощает общение оператора с ЭВМ и приводит к повышению пропускной способности и надежности связывающего их канала.
Заметим, что план сборки, планы сборочных операций и описания необходимых движений могут задаваться АСС в произвольном порядке. Другими словами, оператор может вести программирование
«сверху вниз» или «снизу вверх», или любым удобным для него способом. Имеется возможность накапливать вводимую информацию в архиве, где она будет храниться и откуда может быть снова извлечена (для этого используется магнитный диск ЕС 5050). После того как вся информация введена в ЭВМ, АСС оказывается способной начать автоматическую сборку.
План сборки. Верхний уровень сборочного процесса описывается планом сборки, представляющим собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют сборочным операциям, а ребра — переходам от исполнения одной сборочной операции к исполнению другой. В каждой вершине плана сборки указываются:
номер сборочной операции (NO), позволяющий отыскать в данных ее план;•
параметры, которые служат для настройки сборочной операции;
номера вершин плана сборки, на одну из которых возможен переход из данной вершины.
При выполнении плана сборки последовательно запускаются указанные в нем сборочные операции (начиная с первой вершины плана сборки). Переход от текущей вершины плана сборки к следующей происходит после окончания исполнения текущей сборочной операции. Осуществляется он в соответствии с кодом ответа операции —числом, вырабатывающимся при ее исполнении и показывающим, как кончилась операция. Код ответа операции определяет ребро, по которому происходит переход от текущей вершины плана сборки к следующей.
При попадании в конечную вершину (без исходящих ребер) выполнение сборки заканчивается, при этом вырабатывается код ответа сборки — число, показывающее, как она кончилась. Такое число описывается в каждой конечной вершине плана сборки.
План сборочной операции. Смысл введения понятия «сборочная операция» в выделении наиболее характерных, часто повторяющихся последовательностей рабочих движений.
План каждой сборочной операции также представляет собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют движениям, а ребра ——переходам от исполнения одного движения к исполнению другого. В каждой вершине плана сборочной операции хранятся:
номер контура движения (NKD), позволяющий отыскать в дан-. ных соответствующий контур движения;
способ движения;
тип движения;
тип начала движения;
номер условия, приписанного к данному движению (NC), позволяющий отыскать в данных план проверки этого условия;
параметры для настройки проверки условия;
номера вершин плана сборочной операции, на одну.нз которых возможен переход из данной вершины.
Номер контура движения (NKD) и параметры условия — это числа, которые могут задаваться непосредственно в плане операции
или быть формальными параметрами. Конкретные значения формальных параметров указываются в плане сборки для каждого вызова данной сборочной операции. Таким образом, в плане сборки может быть использована одна и та же сборочная операция с различными значениями параметров. Это позволяет использовать данную сборочную операцию на различных этапах сборки без необходимости составлять план сборочной операции для каждого случая.
При выполнении плана сборочной операции происходит последовательный запуск указанных в нем движений (с первой вершины плана сборочной операции). Одновременно с запуском движения начинается проверка условия, приписанного к данному движению. Переход от текущей вершины плана сборочной операции к следующей осуществляется после окончания текущего движения, т. е. после того, как условие, приписанное к данному движению, выработает код ответа. Этот код ответа определяет ребро, по которому происходит переход от текущей вершины плана сборочной операции к следующей.
В зависимости от выработанного условием кода ответа процесс выполнения сборочной операции может идти по-разному. Если движение кончилось правильно, то происходит переход к очередному движению. Если же по какой-либо причине движение не удалось исполнить, то обычно осуществляется переход к последовательности движений, позволяющих исправить ошибку первого движения.
При попадании в конечную вершину выполнение сборочной операции заканчивается и вырабатывается код ответа сборочной операции, описываемый в каждой конечной вершине плана сборочной операции.
ДВИЖЕНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Процесс сборки представляет собой последовательность движений, совершаемых сборочным роботом. Каждое конкретное движение описывается в АСС несколькими характеристиками.
Контур движения. Сборочный робот —— лгеханическая система со многими степенями .свободы. Каждое движение робота ——это изменение состояния какой-либо группы степеней свободы. Например, могут выполняться движения, охватывающие: семь степеней свободы правой руки; схват левой руки; четырнадцать степеней свободы правой и левой руки; электрический гайковерт и т. д. Совокупность степеней свободы робота, задействованных в данном движении, определяет тип контура движения. Заметим, что те степени свободы, которые не задействованы в данном движении, во время исполнения движения все равно управляются, но их состояние поддеряп1вается постоянным (точнее, следящая система все время работает с одними и теми же программными параметрами).
Второй параметр контура движения ——траектория движения, задаваемая последовательностью узловых точек и интервалов времени между ними. Одна узловая точка представляет собой набор значений программных параметров тех степеней свободы, которые
задействованы в данном двпжепии. Программные параметры могут, например, определять требуемые положения степеней свободы робота, задавая показания соответствующих датчиков положения (в общем случае интерпретация этих параметров происходит в следящей системе АСС в зависимости от типа движения).
Способ движения. Возможны два способа движения ——позиционный или контурный. При позиционном способе движения следящая система последовательно отслеживает узловые точки контура, причем каждая следующая узловая точка начинает отслеживаться только тогда, когда достигнута предыдущая. Условием достижения узловой точки может служить попадание реальных показаний датчиков положения в окрестность узловой точки с заданной точностью.
При контурном способе движения следящая система отслеживает «бегущую» программную точку, которая в заданные моменты времени проходит через узловые точки, а на отрезках между узловыми точками движется с постоянной скоростью.
Тип движения. Следящая система АСС может отслеживать движение каждой степени свободы робота в одном из пяти режимов (при этом в каждом режиме программные параметры на входе следящей системы интерпретируются по-разному):
пустой режим ——данная степень свободы не управляется;
основной режим ——отслеживается положение и скорость данной степени свободы по ее датчику положения (программный параметр интерпретируется как показание соответствующего датчика положения, которое должно быть достигнуто);
линейные колебания ——осуществляются колебания около заданного центрального положения (управление вычисляется по алгоритму разрегулированной линейной следящей системы; программный параметр считается показанием датчика положения в центре колебаний); режим используется для организации поисковых движений;
программные колебания — отслеживается программная точка, которая колеблется около заданного центра (программные параметры интерпретируются как показание датчика положения в центре колебаний и как амплитуда колебаний, выраженная в единицах показаний этого датчика); такие колебания по сравнению с линей- нымп позволяют более точно регулировать амплитуду колебаний;
силовое воздействие —— реализуется двухступенчатое кусочно- постоянное периодическое изменение управления от времени: два значения сигнала управления периодически сменяют друг друга через заданные промежутки времени (программные параметры задают указанные два управления и соответствующие времена; сигналы управления, в частности, могут быть одинаковыми); режим используется для организации ударных движений, а также для получения поджатия.
Заметим теперь, что один и тот же режим отслеживания может осуществляться при разных наборах коэффициентов следящей системы. Номер режима отслеживания вместе с набором коэффициентов для данной степени свободы будем называть вектором коэффи-
циентов. Для каждой степени свободы в АСС можно задать десять разных векторов коэффициентов.
Тип движения представляет собой совокупность выбранных но меров векторов коэффициентов для всех степеней свободы робота.
Тип начала движения. Траектория контура движения хранится в памяти управляющей ЭВМ в виде начальной точки и последовательности остальных узловых точек, каждая из которых задается вектором приращения по отношению к предыдущей. В связи с этим существует простая возможность сдвигать перед исполнением движения всю траекторию как единое целое. Для каждой степени свободы, задействованной в данном движении, начальное значение программного параметра может задаваться одним из четырех способов: абсолютный — в качестве начального значения берется значение, описанное в самом движении;
непрерывный — в качестве начального значения берется последнее значение программного параметра для предыдущего движения (т. е. для данной степени свободы осуществляется «склеивание» движений);
относительный — в качестве начального значения берется текущее реальное показание датчика положения для данной степени свободы；
условный ——в качестве начального значения берется значение, вычисленное каким-либо образом при пополнении предыдущих движений (вычисление может выполняться одновременно с проверкой условий, приписанных к соответствующим движениям: например, в качестве начального значения может быть взято показание датчика положения для данной степени свободы в тот момент, когда наступает какое-либо определенное событие).
Тип начала движения определяется совокупностью выбранных способов задания начального значения программного параметра для всех степеней свободы робота.
Условие движения. Одновременно с исполнением каждого движения осуществляется проверка приписанного к нему условия, заключающаяся в исполнении плана проверки данного условия.
План проверки условия представляет собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют элементарным условиям, а ребра — переходам от проверки одного элементарного условия к проверке другого. В каждой вершине плана проверки условия описываются:
номер элементарного условия, позволяющий отыскать в памяти ЭВМ программу, которая реализует проверку этого элементарного условия;
параметры для настройки проверки элементарного условия;
номера вершин плана проверки условия, на одну из которых возможен переход из данной вершины.
Параметры элементарного условия представляют собой числа, которые могут задаваться непосредственно в плане проверки условия или быть формальными параметрами. Конкретные значения формальных параметров указываются в плане сборочной операции для
каждого вызова данного плана проверки условия. Таким образом, в планах сборочных операций может быть использовано одно и то же условие с различными значениями параметров, и нет необходимости для проверки однотипных условий всякий раз составлять самостоятельный план.
При выполнении плана проверки условия последовательно проверяются элементарные условия, начиная с первой вершины плана. Переход от текущей вершины к следующей происходит после окончания проверки текущего элементарного условия. Этот переход осуществляется в соответствии с кодом ответа элементарного условия —числом, вырабатываемым при проверке условия. Код ответа элементарного условия определяет ребро, по которому выполняется переход от текущей вершины плана проверки условия к следующей.
При попадании в конечную вершину проверка условия заканчивается и вырабатывается код ответа проверки условия. Это число описывается в каждой конечной вершине плана проверки условия.
Элементарное условие. Каждое элементарное условие представляет собой программно-реализованную проверку наступления какого-либо события. Например, элементарным условием могут быть: проверка срабатывания тактильного датчика (или датчиков); проверка попадания показания некоторого датчика положения в окрестность определенного значения; проверка истечения указанного отрезка времени и т. д. В процедурах, осуществляющих подобные проверки, используется аппарат формальных параметров, конкретные значения которых указываются в плане проверки условия для каждого вызова данного элементарного условия.
Набор элементарных условий допускает простое расширение посредством включения соответствующих программ для новых элементарных условий.
Таким образом, АСС предоставляет простые и гибкие средства для организации самых разнообразных специализированных движений, которые могут понадобиться при выполнении сборки. Они могут быть медленными и быстрыми, точными и грубыми, колебательными, силовыми, прерываемыми в зависимости от любых комбинаций показаний датчиков очувствления.
СТРУКТУРА АСС
модули:заданиязаданиязаданиязаданиязаданиямодули:заданиязаданиязаданиязаданиязаданияПрограммные средства АСС включают ряд модулей, обеспечивающих управление роботом в основном рабочем режиме (режиме автоматической сборки), а также предоставляющих возможность оператору-программисту выполнять предварительное планирование работы робота [2, 3]. В состав основных программ входят следующие
модули:
задания
задания
задания
задания
задания
модули:
задания
задания
задания
задания
задания
и редактирования плана сборки;
и редактирования планов сборочных операций; и редактирования планов условий;
и редактирования контуров движения;
и редактирования коэффициентов следящей системы;
6) управления автоматической сборкой.
Программные средства АСС реализованы на мини-ЭВМ М6000, Загрузка каждого из этих модулей, а также требуемых файлов данных в память ЭВМ происходит с магнитного диска в рамках дисковой операционной системы, разработанной в НИМ им. М. В. Келдыша АН СССР [12].
Модули 1—5 работают на этапе планирования сборки оператором-программистом.
Модуль 6 осуществляет управление автоматической сборкой. Рассмотрим работу этого модуля более подробно.
Процессы. Программу, осуществляющую автоматическую сборку, можно структурно представить в виде двух процессов, взаимодействующих в ходе исполнения сборки. В принципе эти процессы можно было бы исполнять на двух независимых процессорах, связанных общими регистрами и памятью. Поскольку АСС реализована на однопроцессорной мини-ЭВМ М6000, то ее процессор попеременно выполняет команды каждого из процессов.
В первом процессе работает алгоритм следящей системы, отрабатывающей заданное движение. Входом в этот процесс сл>тжпт описание движения, которое должно быть исполнено.
Если первый процесс окончил исполнение заданного движения, а указаний об исполнении нового движения не получено, то следящая система продолжает отслеживать програмлгные значения, которыми закончилось заданное движение (при зтом сохраняется соответствующий режим отслеживания). Как только поступят указания об исполнении нового движения, в первом процессе будет установлен новый режим отслеживания и начнет исполняться н новое движение.
Вторкй процесс интерпретирует план сборки и планы сборочных операций, т. е. для очередной сборочной операции он выбирает оче^ редкое движение и запускает его на исполнение в первом процессе. В то время как первый процесс исполняет движение, второй процесс циклически проверяет условие, приписанное к данному движению. Когда проверка условия кончается выработкой кода ответа, данное движение во втором процессе считается законченным. Код ответа анализируется, и в зависимости от его значения происходит дальнейшая интерпретация.
Пример. Вставление стержня в отверстие. В качестве примера работы программы управления рассмотрим операцию вставления стержня в отверстие. Будем считать, что стержень уже зажат в схва~ те манипулятора и что отверстие представляет собой вертикальный канал в детали, ограниченной горизонтальной плоскостью.
Рассмотрим план сборки (рис. 2) и план сборочной операции (рис. 3). Будем считать, что вставление стержня в отверстие производится правой рукой, т. е. типы контуров всех движений, участвую^ щих в операции вставления, определяют в качестве задействованных только степени свободы этой руки.
Работа АСС начинается с того, что интерпретатор во втором процессе выбирает из плана сборки операцию вставления стержня в от- верстие в качестве очередной н начинает ее исполнение.
ВходВход^_1. Вставление стержня в отверстие^_1. Вставление стержня в отверстиеВыход с кодом ОВыход с кодом ОРнс. 2. План сборки (вершина 1： номер операции NO1)Рнс. 2. План сборки (вершина 1： номер операции NO1)Рис. 4. План проверки условияРис. 4. План проверки условия
Вход
Вход
^_1. Вставление стержня в отверстие
^_1. Вставление стержня в отверстие
Выход с кодом О
Выход с кодом О
Рнс. 2. План сборки (вершина 1： номер операции NO1)
Рнс. 2. План сборки (вершина 1： номер операции NO1)
Рис. 4. План проверки условия
Рис. 4. План проверки условия
Из плана этой сборочной операции выбирается движение подвода стержня к отверстию и запускается на исполнение в первом процессе (способ движения —— контурный; тип движения —— для всех степеней свободы основной режим отслеживания; тип начала движения —— Для всех степеней свободы абсолютный способ задания начального значения программного параметра). Это движение перемещает стержень в окрестность отверстия и ориентирует ось стержня приблизительно вертикально. Условие, приписанное к данному движению,— выход манипулятора в программную конфигурацию с заданной точностью. В то время как первый процесс исполняет движение подвода, во втором происходит циклическая проверка отклонения текущей конфигурации манипулятора от требуемой, которая осуществляется с помощью потенциометрических датчиков положения звеньев манипулятора. Если отклонение больше допустимого, то проверка повторяется, если же отклонение достаточно мало, то движение подвода считается законченным, проверка условия прекращается и вырабатывается код ответа 0.
После этого в соответствии с планом сборочной операции второй процесс запускает движение вставления (способ движения ——контурный ;тип движения: для 1,2,6-й степеней свободы ——основной режим отслеживания; для 3-й ——силовое воздействие; для 4-й и 5-й —— колебания; тип начала движения ——для всех степеней свободы абсолютный способ задания), заключающееся в том, что торец стержня слегка прижимается к горизонтальной плоскости детали и организуются небольшие колебания стержня во все стороны в этой плоскости. В начале этих колебаний за счет податливости схвата стер-
жень находится в постоянном контакте с горизонтальной плоскостью детали. Начиная с момента зацепления за край отверстия стержень проваливается в отверстие за счет поджатия и продолжающихся колебаний. При этом внутренняя поверхность отверстия служит направляющей для стержня.
В то время как первый процесс осуществляет движение вставления, во втором выполняется проверка условия, приписанного к данному движению. В цикле проверяется наступление некоторых событий, связанных с попаданием стержня в отверстие. Как только стержень попадет в отверстие, схват манипулятора опустится в вертикальном направлении. Кроме того, реальная амплитуда колебаний схвата манипулятора резко уменьшится (так как находящийся в отверстии стержень будет тормозить движения). Эти события можно обнаружить по показаниям потенциометрических датчиков положе ния звеньев манипулятора. Если указанные события не наступили, то проверка повторяется, если же события совершились, то движение вставления считается законченным, проверка условия прекращается и вырабатывается код ответа 0.
В плане проверки условия (рис. 4) проверяется также время, затрачиваемое на вставление стержня. Представляется естественным ожидать наступления событий, связанных с попаданием стержня в отверстие, не сколь угодно долго, а до истечения заданного интервала времени. Если за указанное время стержень не вставился в отверстие (например, из-за заклинивания), то движение вставления считается неудавшимся, проверка условия прекращается и в качестве кода ответа вырабатывается 1.
После прекращения движения вставления второй процесс запускает или движение повторного подвода стержня к отверстию (способ движения — контурный; тип движения ——для всех степеней свободы основной режим отслеживания; тип начала движения ——для всех степеней свободы абсолютный способ задания), или движение разжатия схвата (способ движения — позиционный; тип движения — для всех степеней свободы основной режим отслеживания; тип начала движения ——для всех степеней свободы абсолютный способ задания). Вершина 4 в плане сборочной операции (см. рис. 3)—— конечная. При завершении исполнения сборочной операции интерпретатор во втором процессе пытается выбрать из плана сборки очередную операцию, убеждается, что ее нет, и заканчивает сборку.
Распределение времени между процессами. В первом процессе осуществляются опрос датчиков робота, вычисление управляющих параметров и выдача на их двигатели. Эти действия исполняются периодически с заданной частотой. Если на данном периоде все указанные действия выполнены, то работа первого процесса приостанавливается до начала нового периода (такта управления). Длина такта управления в системе составляла 33 мс. С этой частотой происходил опрос датчиков робота п изменялись значения управлений на его двигателях.
Второй процесс не привязан ко времени столь жестко. В нем непрерывно происходит или интерпретация плана сборки и планов
сборочных операций, или проверка условий, приписанных к движениям, исполняемым в первом процессе. Эти действия заканчиваются только тогда, когда кончается сборка.
В соответствии с указанными особенностями процессов первый процесс исполняется как основной, а второй — как фоновый. В мини-ЭВМ М6000 встроен таймер ——устройство, позволяющее прерывать исполнение программы с заданной частотой по времени. В начале работы АСС этот таймер запускается, и управление передается второму (фоновому) процессу. При каждом прерывании от таймера работа фонового процесса приостанавливается, выполняется целиком программа первого (основного) процесса, затем снова запускается (фоновый процесс, который продолжает приостановленную работу до нового прерывания от таймера и т. д.•
ЭКСПЕРИМЕНТЫ В АСС
При проведении экспериментов с АСС в качестве объекта сборки использовался масляный насос (рис. 5, а), состоящий из следующих деталей (рис. 5, 6): основание, крышка, две шестерни (длинная и короткая), прокладка, четыре болта, четыре гайки, четыре шайбы — всего семнадцать деталей.
При сборке шестерни 2 и 3 помещаются между основанием 1 и крышкой насоса 4. Положение шестерней фиксируется с помощью цилиндрических углублений в основании и отверстий в крышке, в которые входят осп шестерней (зазор между осью шестерни и стенками отверстий составляет приблизительно 30 мк). Относительное положение основания и крышки определяется осями шестерней и двумя направляющими штифтами 9 и 10 на крышке. Они определяют также положение прокладки 8, устанавливаемой между соприкасающимися плоскостями основания и крышки. Основание и крышка крепятся друг к другу с помощью болтов 5 н гаек 6. Болты вставляются в специальные отверстия со стороны крышки, при этом головки болтов утапливаются в специальные гнезда, имеющиеся на внешней поверхности крышки. Гайки навинчиваются на болты со стороны основания. На его внешней стороне имеются цилиндрические углубления для гаек, благодаря чему завинченные гайки также оказываются утопленными. Перед тем как завинчивать гайки, на болты надевают шайбы 7.
Оснастка. Для упрощения н ускорения процесса сборки насоса были использованы следующие несложные приспособления:
«ладоша» для захвата прокладки (рис. 6);
«ладоша» для поддерживания болтов (см. рис. 6); злектрогайковерт (см. рис. 6);
уголковый упор для позиционирования деталей;
подставка для шестерней (состоящая из основания, в котором имеются два вертикальных отверстия для шестерней, и боковой стенки);
подставка для болтов (содержащая основание с четырьмя вертикальными отверстиями для болтов и боковую стенку);
66аа
6
6
а
а
Рис. 5. Масляный насос в сборе (а) и его детали(6)
— основание; 2, 3 — длинная и короткая шестерни соответственно;
— крышка; 5 ——болты; 6 — гайки; 7 — шайбы; 8 — прокладка
подставка для гаек и шайб (основание, на котором укреплены четыре коротких вертикальных стержня для пар гайка——шайба, и боковая стенка, представляющая собой четыре небольших уголковых упора);
подставка для прокладки (представляющая основание, на котором лежит прокладка и с которого она может быть поднята с помощью «ладоши», II боковую стенку);
фиксатор для основания насоса (обеспечивает правильное начальное положение детали на сборочном столе);
фиксатор для «ладоши», нсиользуемой: для поднятия прокладки;
фиксатор для «ладоши», применяемой для поддержания болтов;
фиксатор для электрогайковерта.
«Ладоша» для захвата прокладки позволяет поднять прокладку (и'утем подвода «ладоши» под прокладку) и установить ее в нужном месте. «Ладоша» для поддержания болтов используется при перекантовке собираемого насоса, когда болты вставлены б отверстия, но гайки еще не завинчены, и предотвращает вьшадение болтов из отверстий. Электрогайковерт служит для захвата гайки и шайбы и навинчивания гайки на болт.
Обе «ладоши» и электрогайковерт захватываются манипуляторами и перемещаются в процессе сборки. Остальные приспособления жестко прикреплены к поверхности сборочного стола.
При захвате шестерней и болтов плоскости оснований подставок н боковые стенкп служат упорами для позиционирования схвата. При захвате гайки и шайбы соответствующий уголковый упор служит для позиционирования рабочей части электрогайковерта. Выдвинутая в соответствующий уголковый упор рабочая часть опускается вертикально вниз до тех пор, пока не достигнет плоскости основания подставки. На конце рабочей части имеется гнездо, которое надевается на гайку н шайбу, при этом шайба входит в гнездо с небольшим натягом и фиксирует пару гайка——шайба в гнезде рабочей части электрогайковерта. •
При захвате прокладки боковая стенка служит упором для устранения смещения прокладки.
Расположение деталей масляного насоса и оснастки перед началом сборки (рпс. 7). Уголковый упор 1 укрепляется на сборочном столе непосредственно перед правой рукой робота. Такое расположение выбрано для того, чтобы уменьшить ошибки позиционирования правой рук扭 при работе в зоне уголкового упора.
В уголковый упор вдвинута крышка насоса 2 внутренней: стороной вверх. Шестерни, болты и гайки с шайбами устанавливаются на предназначенных для них подставках, расположенных на сборочном столе справа от правой руки, прокладка ——на своей подставке, которая видна в левой части снимка.
Основание насоса устанавливается внешней стороной вверх в углу сборочного стола и придерживается фиксатором. При захвате основания насоса этот фиксатор служит также в качестве направляющей для схвата манипулятора.
Для сокращения длины необходимых транспортных движений две «ладоши» 3, 4 и электрогайковерт 5 закрепляются с помощью простейших фиксаторов на сборочном столе рядом с деталями, для работы с которыми они предназначены.
План сборки масляного насоса. В данном случае план сборки представляет собой простую линейную последовательность сборочных операций. Контроль за правильностью исполнения различных действий, а также исправление ошибочных действий, которые могут возникнуть в процессе сборки, осуществлялся в пределах тех сборочных операций, к которым эти действия относятся. Другими ело-
Рис. fi. Приспособления, используемые при сборке
1 — электрогайковерт; 2 — «ладоша» для захвата прокладки; 3 — <<ладоша» для поддержания болтов
Рис. 7. Расположение деталей масляного насоса и оснаеткиJ — уголковый упор для позиционирования деталей; 2 ——крышка насоса； 3 ——«ладоша» для захвата прокладки; 4 — «ладоша» для поддержания болтов; 5 — электрогайковерт передРис. 7. Расположение деталей масляного насоса и оснаеткиJ — уголковый упор для позиционирования деталей; 2 ——крышка насоса； 3 ——«ладоша» для захвата прокладки; 4 — «ладоша» для поддержания болтов; 5 — электрогайковерт передначалом сборкиначалом сборки
Рис. 7. Расположение деталей масляного насоса и оснаетки
J — уголковый упор для позиционирования деталей; 2 ——крышка насоса； 3 ——«ладоша» для захвата прокладки; 4 — «ладоша» для поддержания болтов; 5 — электрогайковерт перед
Рис. 7. Расположение деталей масляного насоса и оснаетки
J — уголковый упор для позиционирования деталей; 2 ——крышка насоса； 3 ——«ладоша» для захвата прокладки; 4 — «ладоша» для поддержания болтов; 5 — электрогайковерт перед
началом сборки
началом сборки
вами, считалось, что каждая сборочная операция сама предпринимает необходимые меры для своего успешного завершения.
План сборки содержит 20 вершин:
D231旬D231旬зажатие крышки насоса в уголковом упоре;
D231旬
D231旬
вставление длинной шестерни в отверстие крышки;
вставление короткой шестерни;
надевание прокладки на направляющие штифты крышки с по
мощью «ладоши»；
надевание основания;
перекантовка насоса;
вставление 1-го болта в отверстие крышки;
вставление 2-го болта;
вставление 3-го болта;
вставление 4-го болта;
И) надевание «ладоши» для поддержания болтов;
перекантовка насоса с «ладошей»；
13)14)15)16)17)18)13)14)15)16)17)18)захват электрогайковерта;
13)
14)
15)
16)
17)
18)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
навинчивание навинчивание навинчивание навинчивание перекантовканавинчивание навинчивание навинчивание навинчивание перекантовка1-й гайки;
навинчивание навинчивание навинчивание навинчивание перекантовка
навинчивание навинчивание навинчивание навинчивание перекантовка
2-й гайки;
З-й гайки;
4-й гайки;
насоса с «ладошей»;
установка электрогайковерта в начальное положение, сня
тие «ладоши» для поддерживания болтов и установка ее в начальное
положение;
прекращение сборки.
Сборочные операции, соответствующие вершинам 1, 6, 12, 18, выполняются левой рукой робота, остальные ——правой. В процессе выполнения плана сборки допускается одновременное исполнение некоторых сборочным операций, если в них задействованы различные руки. Hanpmiep, в то время как левая рука выполняет операцию, соответствующую вершине 1 (зажатие крышки насоса в уголковом упоре), правая рука может начать выполнение операции, соответствующей вершине 2 (вставление длинной шестерни в отверстие крышки). При этом время движения между узловыми точками соответствующих контуров движения должно быть задано так, чтобы действия обеих рук были согласованными.
Заметим, что в рассматриваемом плане сборки происходит обращение только к десяти различным планам сборочных операций. Операции, соответствующие вершинам 1, 4, 5,11, 13, 19, имеют соб' ственные планы. Операции, соответствующие вершинам 2 и 3, реализуются посредством обращения к плану операции вставления шестерни в отверстие, но с различными значениями параметров. Операции, соответствующие вершинам 6, 12, 18, используют один и тот же план операции перекантовки насоса. Операции, соответствующие вершинам 7, 8, 9, 10, реализуются путем обращения к плану операции вставления болта в отверстие, а операции, соответствующие вершинам 14, 15, 16, 17,— к плану операции навинчивания гайки с различными значениями параметров.
Планы сборочных операций. Предполагалось, что каждая сборочная операция выполняется достаточно надежно и, если необходимо, сама корректирует возникающие ошибки.
Вследствие этого планы ряда операций не предусматривают адаптивного поведения. Это относится к операциям, которые выполняются устойчиво или в силу своей простоты (например, операция зажатия крышки насоса в уголковом упоре), или в силу специальных мер, принятых с целью увеличения точности позиционирования с помощью упоров (например, операция надевания прокладки с помощью «ладоши» или операция надевания основания, при реализации которых используется уголковый упор).
Наибольший интерес представляют, однако, планы операций, в которых ведется активный контроль за правильностью исполнения различных действий с помощью имеющихся средств очувствления н осуществляется варьирование поведения в зависимости от ситуа- 1^ии. К числу таких операций относятся: вставление шестерни в отверстие; вставление болта в отверстие; навинчивание гайки. Операции этого типа составляют половину всех операций, выполняелтых в процессе сборки насоса. В качестве характерного примера рассмотрим вставление болта в отверстие.
План операции вставления болта в отверстие содержит 11 вершин:
подвод схвата к болту;
захват болта;
подвод болта к отверстию;
тестовое движение;
начало повторного подвода болта к отверстию;
повторный подвод болта к отверстию;
поисковые движения;
досылка болта в отверстие;
утапливание головки болта;
уход руки;
И) прекращение операции.
При выполнении операции болт вынимается из отверстия подстав- ки и подводится к отверстию в крышке насоса. При удачном подводе болта его конец попадает в гнездо для головки болта. С целью проверки, действительно ли конец болта попал в гнездо для головки болта, реализуется тестовое движение. Оно осуществляется путем попытки выполнить небольшие перемещения схвата с зажатым болтом в две стороны от отверстия. Если конец болта находится в гнезде, то перемещения бупут ограничены стенками гнезда. В противном случае эти перемещения ограничены не будут, что можно установить по показаниям потенциометрических датчиков положения звеньев манипулятора. В случае» если конец болта не попал в гнездо, осуществляется повторный подвод болта к отверстию путем перехода на вершину 5 (схват с зажатым болтом выводится в положение, из которого начинается повторный подвод болта к отверстию, а затем исполняется несколько последних узловых точек контура движения (вершина 6), осуществлявшего первоначальный подвод болта к от-
Последовательность действий, выполняемых манипуляторами при сборке масляного насоса? и время реализации
Сб('рочная операция
Используемаярука
Зажатие крышки насоса в уголковом 几^ван упоре。
Правая
основания
Перекантовка насоса Вставление болта
1-го
Левая
Правая
2-го
»
3-го
4-го
Надевание «ладоши»
Левая Правая
Перекантовка насоса Захват электрогайковерта
Навпнчивание гайки
1-й
2-й
3-й
4-й
Перекантовка насоса
Установка электрогайковерта и «ладоши» в начальное положение
Левая
Правая
Вставление шестерен длинной короткой
Надевание прокладки
10
(на зажатие крышки 7 с>
10
20
12
30
(на перекантовку 22 с>
12
15
12
12
30
18
23
18
35
верстию; после выполнения повторного подвода происходит переход на вершину 4).
В противном случае ——конец болта попал в гнездо ——проверяется, опустился ли болт достаточно глубоко (путем сравнения показаний потенциометрических датчиков положения звеньев манипулятора с заданными границами). Если болт опустился достаточно глубоко, то считается, что его конец находится в канале отверстия. В этом случае происходит переход на вершину 8 (досылка болта в отверстие), в противном ——на вершину 7 (поисковые движения). Последние выполняются с целью обеспечить попадание конца болта нз гнезда для головки болта в канал отверстия. Если болт опустился достаточно глубоко, то считается, что его конец находится в канале отверстия. Далее осуществляется переход на вершину 8 — досылка болта в отверстие, которая реализуется путем движения схвата вертикально вниз (заметим, что в конструкции масляного насоса используются черные болты, т. е. вставляются они с зазором и подвергаются только растягивающим нагрузкам).
Затем j-тапливается головка болта. Это движение используется для вставления головки болта в предназначенное для нее гнездо (см. рис. 5, с). Пальцы схвата немного разжимаются и ориентируются параллельно длинным краям гнезда. После этого схват пытается совершать короткие перемещения в направлениях, перпендикулярных длинным краям гнезда. Если головка болта не утоплена в гнездо, перемещения схвата будут ограничены ею. В противном случае перемещения схвата не ограничиваются, что можно обнаружить по показаниям потенциометрических датчиков положения звеньев манипулятора.
После зттапливания головки болта схват манипулятора поднимается вертикально вверх и выполнение операции прекращается.
Такой способ вставления болта в отверстие оказался достаточно эффективным. Время реализации этой операции в среднем составляет 12 с, если не требуется повторного подвода болта к отверстию (наиболее частый случай). Кроме того, этот способ оказался весьма надежным. Заметим, что в данном случае удалось обойтись минимальными средствами очувствления — используются только потенциометрические датчики положения звеньев манипулятора.
Результаты экспериментов. При проведении экспериментов было выполнено планирование сборки масляного насоса и в память л^прав- ляющей ЭВМ была введена соответствующая информация — план сборки, планы сборочных операций, а также описания необходимых движений. Представление о том, какие данные и в каком объедге требуются для описания сборки, позволяют составить характеристики информации, введенной в управляющую ЭВМ в процессе планирования сборки масляного насоса:
Количество
Количество
Вершины в плане сбор
20 (1 верши
Способы движения
2
ки
на —вы
Типы движения
6
ходная)
Типы начала движения
7
Сборочные операции
10
Условия
16
Вершины в планах сбо
68 (10 вер
Вершины в планах ус-
82 (23 вер-
рочных операций
шин —
ловий
шины-
выход
выход
ные)
ные)
Контуры движений
84
Элементарные условия
21
Типы контуров
13
Узловые точки во всех
404
контурах движений
Далее проводились пооперационные и сквозные прогоны сборки, в течение которых подбирались отрезки времени, отводимые на исполнение различных контуров движения, а также параметры условий. Время выбиралось так, чтобы по возможности ускорить сборку при сохранении ее стабильности. Параметры условий определялись с таким расчетом, чтобы обеспечить надежный контроль за правильностью исполнения различных действий.
После того как отладочные прогоны были завершены, АСС осуществляла автоматическую сборку. В таблице представлена после- 82 ' ,
Рис. & Вставление длинной шестерни (левый манипулятор выполнил зажатие …皿 наЗ в уголковом упоре)
Рис. 9. надевание прокладки па направляющие
штифты крышки с помощью «ладоши»
Рнс. 10. Надевание основания
Рис. 12. Вставление 2-го болта
Рис. 13. Надевание «ладоши» для поддержания болтов
Рнс. 14. Захват гайки с шайбой
Рнс. 15. Навинчивание З-й гайки
довательность операции, выполняемых манипуляторами в процессе сборки ласляного насоса, и указано время t их реализации с учетом транспортных движений (значения получены в результате усреднения по нескольким измерениям). В таблице указано также, исполнение каких операций совмещено. Общее вреля сборки составляет приблизительно 4 мнн 17 с.
На рис. 8—15 показаны различные фазь! сборки шестеренчатого масляного насоса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные эксперименты показывают, что применение мини-ЭВМ в контуре управления сборочного робота позволяет осуществлять достаточно большую последовательность разнородных сборочных операций при весьма ограниченной точности позиционирования манипуляторов и использовании небольшого числа простейших приспо^ собленпй. Свойственная электронным вычислительным управляющим средствам способность выполнения логических операций и ветвления процесса управления дает возможность удобно и гибко сочетать технологические и контрольные операции, варьировать их в зависимости от складывающейся фактической ситуации, что позволяет повысить надежность сборочного процесса, обеспечить успешное протекание сборки при наличии некоторых неточностей по зиционпрованпя деталей, ошибок или помех.
При использовании развитой системы управления надежный контроль за правильностью исполнения сборочных операций можно обеспечить с помощью простейших средств очувствления. Так, адаптивное поведение АСС при сборке масляного насоса было организовано на основе показаний потенциометрических датчиков положения звеньев манипуляторов без применения систем силомоментного очувствления ?1яи технического зрения.
Отметим также, что программное обеспечение системы управления робота обеспечивает простой и удобный ввод информации, описывающей процесс сборки и последующее редактирование.
ЛИТЕРАТУРА
Смольянов Ю. 〃.，Вахлин В. В.. Волков А. 8., Гримайло С. Н.、Донцов В. Е., Кугушев Е. Я., Соколов С. М. Лабораторный макет сборочного робота.—— Наст. сб.
Гримайло С. И. Программное обеспечение сборочного робота.— Наст. сб.
Охоцимский Д. Е.、Смольянов Ю. 〃., Барбашова Т. ◎., Гримайло С. 〃., Камынин С.乙,Куеушеб Е. 〃., Ярошевский В. С. Цифровые следящие системы для управления движением роботов.— Наст. сб.
Гримайло С. Я. Система программирования и исполнения движения манипулятора, управляемого от ЭВМ: Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 95. М., 1981. 28 с.
Охоцимский Д. Е. Разработка очувствленных роботов.——В кн.: II Всесоюз. совет,, по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 3, с. 17—18.
Вахлин В. В., Гримайло С. И., Донцов В. Е., Камынин С. С., Смольянов Ю. Я., Соколов С. М. Эксперименты по сборке с помощью очувствленного
7.8.9.10.И.12.7.8.9.10.И.12.робота.— В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТП, 1981, ч. 3, с 1U5 —106.
7.
8.
9.
10.
И.
12.
7.
8.
9.
10.
И.
12.
Г римайло С. 〃.，Камынин С. С., Кугу шее Е. 〃. Программное обеспечение манипуляторов с очувствлснньпш схватами: Препр. Ин-та ирпкл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 104. М., 198L 28 с.
Соколов С. ЛЛ Алгоритмы сбора н обработка фотометрической информации для получения описания объектов, находящихся в поле зрения фотометрической системы: Препр. Ин-та лрнк工 математики wi. V. В. Келдыша АН СССР № 98.工二 1980. 30 с.
Соколов С. И. Сбор и обработка фотометрической информации в комплексе интегрального робота.— В кн.: Механика н управление движением роботов с элементами искусственного интеллекта. М.: 11н-т прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР, 1980, с. 97—110.
Гримайло С. И.. Камынин С. С, Кугушев Е.瓦,Соколов С. J/. Использование робота «Глаз—2 руки» для работы с неориентированными деталями: Препр. Ин-та прпкл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 134・ М” 1981. 28 с.
Платонов А.Платонов А.Огоцимский Д. Е., Гримайло С. 〃.，Камынин С. С.. Кугу шее Е. 〃., Соколов М. С., Голстоусова В.『.Использование визуальной информации в задачах автоматической сборки.— Наст. сб.
Платонов А.
Платонов А.
Организация техники,— В Минск, 1981:Организация техники,— В Минск, 1981:^ 1 К.. Лазутин Ю. М,, Павловский В. Е.. Ярошевский В. С.
Организация техники,— В Минск, 1981:
Организация техники,— В Минск, 1981:
КН.:Тез.КН.:Тез.системного математического обеспечения д：1я задач робото- 11 Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, док л. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 3, с. 36—37.
КН.:
Тез.
КН.:
Тез.
УДК 007.52.621.75 7
ЛАБОРАТОРНЫЙ МАКЕТ
СБОРОЧНОГО РОБОТА
Ю. П. Смольянов, В. В. Вахлин, А. В. Волков, С, И. Гримаило,
В. Е. Донцов, Е. И. Кугушев, С. М. Соколов
Аппаратная часть автоматической сборочной системы (АСС), разработанной в ППМ им. М. В. Келдыша АН СССР, состоит из сборочного робота, управляющей ЭВМ и устройств сопряжения. Общее описание системы и алгоритмы ее работы изложены в публикациях [1—4]. Структурно вся аппаратная часть состоит из нескольких независимых модулей.
Манипуляционные модули представляют собой электромеханические манипуляторы УЭМ-2 [5], разработанные в МВТУ им. Н. Э. Баумана. В настоящее время используются два манипуляционных модуля. Схваты манипуляторов — сменные. В экспериментах, проведенных с ACG, использовались схваты с датчиками очувствления, разработанными в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР [6].
Модуль сбора зрительной информации робота технически реализован в двух вариантах. Один из них изготовлен на базе фоточув- ствителыюй л!атрицы [7, 8], другой, разработанный в ИПНИ АН СССР,——на основе стандартной телевизионной камеры «Электроника Л-50)>. В настоящее время может использоваться любой из этих модулей. Для обеспечения подвижности модуля сбора зрительной информации каждый из двух его вариантов может быть ус-
Рис. 1. Сборочный робот
?, 2 — соответственно правый и левый манипуляторы; 3 — телевизионная камера на подвек- ном основании
тановлен на еще одном манипуляторе, обладающем двумя степенями свободы. Конструктивно он представляет собой два первых звена манипулятора УЭМ-2.
Манипуляционные модули и модуль сбора зрительной информации сопрягаются с управляющей мшш-ЭВМ М6000, прнзеп каждый пз них —— независимо от других. Информационная связь с ЭВМ осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), специальных интерфейсных блоков н 口угиекснмх регистров. Выдача силового сигнала на двигатели осуществляется с помощью разработанной в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР цифровой схемы управления электроприводами робота [9 ——Ш.
Все моаулн легко устанавливаются и снимаются с рабочих мест. Независимость подключения различных модемен к 5тправляющей ЭВМ позволяет использовать их в различных сочетаниях (например, <фука)>, <(две руки», «глаз — рука)>, «глаз—две руки» и т. п.). Можно легко собирать различные конфигурации робота, предназначенные для решения тех или иных задач.
Один пз машш5гляторов сборочного робота (рис. 1) будем называть правым (правая рука), другой ——левым (левая рука).
I СБОРОЧНЫЙ РОБОТI СБОРОЧНЫЙ РОБОТРис. 2. Структурная схема связи аппаратных средств AGCРис. 2. Структурная схема связи аппаратных средств AGCСхема управления электродвигателямиСхема управления электродвигателямиДатчики очувствления схватов манипуляторовДатчики очувствления схватов манипуляторов
I СБОРОЧНЫЙ РОБОТ
I СБОРОЧНЫЙ РОБОТ
Рис. 2. Структурная схема связи аппаратных средств AGC
Рис. 2. Структурная схема связи аппаратных средств AGC
Схема управления электродвигателями
Схема управления электродвигателями
Датчики очувствления схватов манипуляторов
Датчики очувствления схватов манипуляторов
Процесс сборки осуществляется на сборочном столике, где устанавливаются сопрягаемые детали, а также вспомогательные приспособления и инструменты, используемые при сборке.
СТРУКТУРА СВЯЗИ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Аппаратная часть АСС состоит из сборочного робота, управляющей ЭВМ и устройств сопряжения. Рассмотрим кратко структуру связи этих частей АСС (рис. 2).
В сборочном роботе можно выделить две функциональные части —— информационную и силовую. К информационной части относятся датчики, определяющие положения манипуляторов, и датчики модуля сбора зрительной информации. Показания датчиков положения звеньев манипуляторов и датчиков системы сбора зрительной информации поступают в процессор управляющей ЭВМ через 10-разрядный АЦП, а показания датчиков очувствления схватов манипуляторов ——непосредственно в цифровом виде, минуя АЦП (через специальный интерфейсный блок). К силовой части сборочного робота относятся электродвигатели манипуляторов и
электрогайковерта. Управление электродвигателями осуществляется с помощью специальной цифровой схемы управления, разработанной в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР.
К >тпрявляющей ЭВМ подключается ряд внешних устройств. Помимо стандартных внешних устройств (устройство чтения с перфоленты FS 1501, устройства вывода на перфоленту ПЛ150)т используются также алфавитно-цифровой дисплей EG7168 («ВИДЕО- ТОН-340»), алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) ЕС7184. устройство чтения с перфокарт УВвК-601, графопостроитель <(CALCOMP-656», магнитный диск ЕС5050 п выносной пульт
управления манипуляторами, разработанный в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. Наличие указанных внешних устройств позволило существенно упростить и ускорить создание программного обеспечения AGG и повысить эффективность процесса его эксплуатации.
МАНИПУЛЯТОРЫ
Кинематически
манипулятор
УЭМ-2 представляет собой много- звенник, состоящий из звеньев О А, 4В, ВС и CD длиной соответственно 2 75, 360, 300 и 246 мм (рис. 3). Точки 0、А, В, С всегда лежат в одной плоскости, ОВ'С'— проекция АВС на опорную плоскость (плоскость, содержащую
夕
3. Кинематическая схема манипуля
Рис.
тора УЭМ-2
Z
木经
точку О II перпендикулярную оси
О А), Манипулятор (включая схват) имеет семь степеней свободы. Конфигурация манипулятора определяется собственными координатами £： % — поворот многозвенника вокруг оси 04; q2 一 поворот звена АВ вокруг оси, проходящей через точку А перпендикулярно плоскости ОАВС\ ^3 — поворот звена ВС вокруг оси, проходящей через точку В перпендикулярно 一~
% — поворот плоскости BCD вокруг оси ВС; q5 — поворот эвена CD вокруг оси, проходящей через точку С перпендикулярно плоскости BCD; 06 — поворот плоскости схвата вокруг оси CD. Седьмая собственная координата ^7 представляет собой расстояние ме
плоскости
оси,
ОАВС;
жду пальцами схвата.
Диапазоны изменения собственных координат д» определяются величинами Д^ = g严'一g，F где qf^ и g?1m — соответственно максимальное и минимальное значения i-й координаты. В рассматриваемом манипуляторе величины Ад» имеют следующие значения: △夕工=260°; Д^г = 180° (Z = 2,. . ., 6). Значение Д77 зависит от того, какой из сменных схватов используется. Например, для стандартного схвата с параллельными пальцами Д^7 = 80 мм.
Все звенья манипулятора статически уравновешены. Звенья АВ и ВС уравновешиваются пружинными Противовесами, звено CD — приводным модулем ротации схвата (备).
Относительные положения звеньев определяются с помощью потенциометрических датчиков типа ПТП-11, установленных в сочленениях. Показания этих датчиков поступают в процессор управляющей ЭВМ через 10-разрядный АЦП. Значения i-й собственной координаты, выраженные в единицах показаний датчиков 0^ и в угловых единицах (для Z = 7 ——в линейных)缘,связаны линейной зависимостью: qt = а^； + §订 где с^ — цена одной единицы
Рис. 4. Схват с продольной податливостью пальцевРис. 4. Схват с продольной податливостью пальцев工—пр5тжины; 2 — датчики линейных перемещений пальцев; 3 — направление линейных перемещений工—пр5тжины; 2 — датчики линейных перемещений пальцев; 3 — направление линейных перемещений
Рис. 4. Схват с продольной податливостью пальцев
Рис. 4. Схват с продольной податливостью пальцев
工—пр5тжины; 2 — датчики линейных перемещений пальцев; 3 — направление линейных перемещений
工—пр5тжины; 2 — датчики линейных перемещений пальцев; 3 — направление линейных перемещений
Рис. 5. Схват с тактильными датчиками
工一тактильные датчики; 2 — резиновая подушка; 3 — токопроводная фольга: 4 ■— изоляционная прокладка: 5 ——направление усилий, при которых датчики срабатывают
показания датчика, выраженнойпоказания датчика, выраженнойв угловых единицах,团 соответствует нулевому значению угла. Параметры а； и §方 определяются в результате тарировки. Их значенияв угловых единицах,团 соответствует нулевому значению угла. Параметры а； и §方 определяются в результате тарировки. Их значенияскольку различны передаточные числаДля нахождения параметров а； и §鼻 измерялось чений Q? (кскольку различны передаточные числаДля нахождения параметров а； и §鼻 измерялось чений Q? (к—номер измерения)—номер измерения)различны для разных 2, по-различны для разных 2, по-редукторов потенциометров.редукторов потенциометров.несколько зна-несколько зна-网 соответствующих им значений网 соответствующих им значений或，после чего искался минимум суммы 』(或一&Q?—仇尸 [12].Для правой руки были, например, получены следующие численные значения параметров 久》 и = 0,2663°,卩^ — —139,7°; а2 = 0,1911°, §2 = -93,0°; % = -0,1822°, % = 92,0。； =0,2695°, 仇-—177,7°; а5 = 0,1848°,₽5 二 一92,3。； 洶=-0,2710°, р6 = -191,9°; а7 = -0,1263 мм, ₽7 - 111,2 мм.Манипуляторы приводятся в движение с помощью мпкроэлект- родвигателей постоянного тока типа ДПМ-25 и -35 (по одному двигателю па каждую степень свободы). Угловые перемещения двигателей передаются на соответствующие звенья манипуляторов посредством редукторов, передаточные числа Kt (Z ——номер степе-或，после чего искался минимум суммы 』(或一&Q?—仇尸 [12].Для правой руки были, например, получены следующие численные значения параметров 久》 и = 0,2663°,卩^ — —139,7°; а2 = 0,1911°, §2 = -93,0°; % = -0,1822°, % = 92,0。； =0,2695°, 仇-—177,7°; а5 = 0,1848°,₽5 二 一92,3。； 洶=-0,2710°, р6 = -191,9°; а7 = -0,1263 мм, ₽7 - 111,2 мм.Манипуляторы приводятся в движение с помощью мпкроэлект- родвигателей постоянного тока типа ДПМ-25 и -35 (по одному двигателю па каждую степень свободы). Угловые перемещения двигателей передаются на соответствующие звенья манипуляторов посредством редукторов, передаточные числа Kt (Z ——номер степе-валоввалов
показания датчика, выраженной
показания датчика, выраженной
в угловых единицах,团 соответствует нулевому значению угла. Параметры а； и §方 определяются в результате тарировки. Их значения
в угловых единицах,团 соответствует нулевому значению угла. Параметры а； и §方 определяются в результате тарировки. Их значения
скольку различны передаточные числа
Для нахождения параметров а； и §鼻 измерялось чений Q? (к
скольку различны передаточные числа
Для нахождения параметров а； и §鼻 измерялось чений Q? (к
—номер измерения)
—номер измерения)
различны для разных 2, по-
различны для разных 2, по-
редукторов потенциометров.
редукторов потенциометров.
несколько зна-
несколько зна-
网 соответствующих им значений
网 соответствующих им значений
或，после чего искался минимум суммы 』(或一&Q?—仇尸 [12].
Для правой руки были, например, получены следующие численные значения параметров 久》 и = 0,2663°,卩^ — —139,7°; а2 = 0,1911°, §2 = -93,0°; % = -0,1822°, % = 92,0。； =0,2695°, 仇-—177,7°; а5 = 0,1848°,₽5 二 一92,3。； 洶=
-0,2710°, р6 = -191,9°; а7 = -0,1263 мм, ₽7 - 111,2 мм.
Манипуляторы приводятся в движение с помощью мпкроэлект- родвигателей постоянного тока типа ДПМ-25 и -35 (по одному двигателю па каждую степень свободы). Угловые перемещения двигателей передаются на соответствующие звенья манипуляторов посредством редукторов, передаточные числа Kt (Z ——номер степе-
或，после чего искался минимум суммы 』(或一&Q?—仇尸 [12].
Для правой руки были, например, получены следующие численные значения параметров 久》 и = 0,2663°,卩^ — —139,7°; а2 = 0,1911°, §2 = -93,0°; % = -0,1822°, % = 92,0。； =0,2695°, 仇-—177,7°; а5 = 0,1848°,₽5 二 一92,3。； 洶=
-0,2710°, р6 = -191,9°; а7 = -0,1263 мм, ₽7 - 111,2 мм.
Манипуляторы приводятся в движение с помощью мпкроэлект- родвигателей постоянного тока типа ДПМ-25 и -35 (по одному двигателю па каждую степень свободы). Угловые перемещения двигателей передаются на соответствующие звенья манипуляторов посредством редукторов, передаточные числа Kt (Z ——номер степе-
валов
валов
ни свободы) которых имеют следующие значения: Кх = К” = К3 = 二 910; К& = % 二 Кд = К? = 695. “
Максимальные скорости ^ изменения собственных координат имеют следующие значения: ^ =(2 = € з = 707с; С& = «5 =(6 = ~ 907с;(7 = 40 мм/с.
На правой руке робота установлен схват с продольной податливостью пальцев, разработанный в ИПМ тш. М. В. Келдыша АН СССР (рис. 4). Каждый палец этого схвата имеет цифровой датчик линейного перемещения. Максимальное линейное перемещение каждого пальца порядка 10 па% что соответствует излЕенению показания датчика каждого пальца на 1000 единиц. Измеряемые усилия находятся в пределах от 1 Н до 20 Н.
На левой руке робота находится стандартный схват с параллельными пальцами, на внутренних сторонах которых расположены тактильные датчики (разработанные в ИПМ нм. М. В. Келдыша АН СССР В. В. Вахлиным), регистрирующие касание (рис. 5). Для срабатывания тактильного датчика необходимо приложить к нему усилие приблизительно 1 Н.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЧНОСТИ МАНИПУЛЯТОРОВ
Показания датчиков положения звеньев манипуляторов поступают в процессор управляющей ЭВМ через 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, поэтому точность позиционирования манипуляторов будем характеризовать длиной вектора линейного перемещения схвата при изменении показания каждого из датчиков положения звеньев на единицу АЦП.
Для нахождения значений характеристик точности введем декартову систему координат OXYZ (см. рис. 3), ось OZ которой совпадает с прямой 。4, а плоскость ОХУ проходит через точку О перпендикулярно прямой О А. Определим нулевые значения (в угловых единицах) собственных координат: при ,1 = 0 точки 笈'и Сг лежат на оси ОХ, при % = 0з = 05 = 0 многозвенник вырождается в отрезок прямой, так что точки В, С и D лежат на оси OZ; при д& = 0 точки Л, В, С н D лежат в одной плоскости. Направления положительных изменений углов показаны на рис, 3. В данном случае значение угла q& несущественно, поскольку он влияет только на
ориентацию схвата.
⑴⑴В результате решения задачи прямого преобразования координат [13] вычисляются координаты радиус-вектора г = (i•工,r2, r3) точки D в системе координат OXTZ: г = г (力,...,q5). Поскольку qi = а@ + 瓦，то г = г (%Qi + %,••・，“505 十日5)・ При возмущениях 5Qt собственных координат Q^ возмущение 6г вектора г выразится формулой
⑴
⑴
& =备阻
где якобиан преобразования координат с элементами &j (X = 1, 2, 3; j = 1, 2, . . ., 5); BQ = (3Qi，・・・,6Q5)T (символ «т» означает транспонирование).-
С помощью этой формулы можно получить значение цены одной единицы показания любого датчика, выраженной длиной соответствующего линейного перемещения схвата 5% (Z = 1, 2, . . ., 5)・ Для этого достаточно положить 5。忙=0 при к Ф i vl | Sq^ | = 1.
Квадрат длины вектора 5г является неотрицательной квадратичной формой 5Q1： . • ., BQs и выражается следующей формулой [14]:
*=仪(击『•备.н0.
Для оценки точности позиционирования манипулятора необходимо отыскать максимум этой формы в пятимерном кубе: | 5Q± | 久 1 (力=1, . . ., 5).
Очевидно, максимум будет достигаться на границе куба, поскольку всегда 6г2 ^ 0, а внутри куба 6г2 имеет единственный экстремум fir2 = 0.
Задача определения характеристик точности упрощается в сну- чае, когда манипулятор плоский, т. е. д《=0. При этом компоненты ^ц матрицы имеют вид (здесь полагается 夕】=0, что не ограничивает общности):
〃п = 0；
甸2 = а2 (%3 COS(02 + 03)+ %2 COS q2 + 厶 COS @ + ^3 + ,5))；
«13“3 (%3 COS(02 + 03)+ h COS 仇 + 73 + 05))；
〃i& = 0;
@15 = 口5厶 COS 仇 + 73 + 05)；
&21 = «1 (%2 sin 72 + Z3 sin(02 + 03)+ 厶 sin @ + 73+ ,5))；
〃22 = 0；
@23 = 0；
«24 = %厶 SIH ,5；
〃25 = 0；.
〃31 = 0；
〃32 = — a2 «2 Sin 02 + %3 Sin(02 + 03)+ 厶 $皿(02 + ^З + 05))；
。33 =—仪3 (% sin 他 + 乌3)+ % sin (g + 5з + ^5)；
a34 ~ 0；
。35 = 一a5% SiU(02 + 73 + 05)■
Здесь 乙—% 一 длины звеньев АВ, ВС и CD соответственно (см. рис. 3).
Значения Bq, получаемые из выражения (1) при 50衣=0 (к ?= Q
и I 5Qj I = 1, в этом случае определяются следующими формулами:
5rl — I «21 I, Bq ~ V^12 Н-碌，Bn = > «1з + 〃h，Bq = I 的4 I，
6r5 =l'a；5 十 «35-
Квадратичная форма 6г2 приводится к виду
6г2 = (&1 BQ1 + a2<Q：)2 + (%即2 + 旬зВОз +。15 BQ5)2 +
+ (^32^2 + a33%3 + a35%5)2*⑵
Максимальное значение первого слагаемого правой части в вы
ражении (2) достигается при BQi = sign а21, 5Q& = sign a2i:
(a21网1 + a2^Q^)2 = (] a2i 1+丨。24 I) 2-
Значение суммы двух других слагаемых максимально на границе куба |5& |<1, |6С»3 |<1, |6<?5 I 久1・
匕ем
Рис. 6. Примеры картины горизонтального разброса декартовых координат схвата в серии последовательных выводов в фиксированную конфигурацию при возмущении собственных координат Qi — Q6 (а) и 02 — Q6 (6)
L ——направление перемещения схвата, определяемое изменением собственной координаты gt
Приведем численные значения характеристик точности правой руки, когда она имеет конфигурацию, характерную для взятия предмета с плоскости сборочного стола: ^2 = 2°; q3 = 105°; д& = 73°. В этом случае 5rl = 1,4 мм, 6г2 = 1,0 мм, 6г3 = 1,4 мм, 6г4 = = 1,1 мм, Ь「5 = 0,8 мм, max У6г2 = 3,6 мм.
В действительности характеристики точности манипулятора будут хуже из-за наличия люфтов в редукторах потенциометров (посредством этих редукторов относительные угловые перемещения звеньев манипулятора передаются на движки соответствующих потенциометров
Использование следящей системы [2], в отдельных случаях обеспечивающей нулевую точность вывода манипулятора в конфигурацию, заданную в единицах АЦП, позволило экспериментально определить разброс декартовых координат схвата при последовательных выводах в одну и ту же конфигурацию, заданную в единицах
АЦП. Для этого на охвате манипулятора фиксировалась некоторая произвольная точка и в серии последовательных выводов в одну и ту же конфиг^фациго, заданную в единицах АЦП, измерялись ее декартовы координаты (начальные конфигурации при этом были различны). Оказалось, что разброс координат такой точки на опорной плоскости 8——13 мм (рис. 6, а), а разброс в направлении, перпендикулярном опорной плоскости, составляет 3——4 мм. Заметим, что горизонтальный разброс неодинаков по различным направле- ниял1. Он максимален в том направлении перемещения схвата, которое определяется изменением только одной первой собственной координаты. При фиксированном значении этой координаты горизонтальный разброс составляет примерно 5 мм (рис. 6, 6).
Важной характеристикой точности манипулятора является разброс декартовых координат схвата при последовательных выводах в о口ну и ту же конфигурацию, заданную в единицах АЦП, когда начальная конфигурация фиксирована, называемый повторяемостью. Экспериментально определенное значение повторяемости составляет около 5 мм.
Точность обеих рук приблизительно одинакова (левая рука несколько менее точна — именно поэтому она была выбрана в качестве левой).
УПРАВЛЯЮЩАЯ ЭВМ И ИНТЕРФЕЙС С МАНИПУЛЯТОРАМИ
Для управления сборочнылт роботом используется мини-ЭВМ М6000 (объем памяти 64К байт, быстродействие примерно 200 тыс. целочисленных операций типа сложения в секунду), снабженная рядом стандартных и специальных внешних устройств.
Рассмотрим организацию интерфейса между ЭВМ и манипуляторами. С управляющей мини-ЭВМ М6000 манипуляторы соедине- Hbi по кабелю. На потенциометры манипуляторов подается опорное напряжение (5 В). С каждого потенциометра оно поступает на вход соответствующего коммутатора связи среднего уровня, затем посредством модуля управления коммутацией (МУК) подводится на вход 10-разрядного АЦП. В АЦП напряжение преобразуется в соответствующий ему цифровой код, который может быть записан в один из регистров общего назначения управляющей ЭВМ. Запуск АЦП осуществляется путем выдачи на него управляющего слова со стороны процессора. Программным изменением номера очередного входа в управляющем слове МУК достигается пооче-: редньгй опрос потенциометров. Время преобразования одного аналогового сигнала в соответствующий ему цифровой код составляет примерно 0,1 мс, разрешающая способность АЦП около 5 мВ. Поскольку на значение цифрового кода отводится 10 двоичных разрядов, оно может меняться в пределах от 0 до 1023 единиц с гарантированной точностью в одну единицу (одна единица АЦП соответствует 5 мВ выходного напряжения потенциометров).
Показания датчиков очувствления схватов поступают в про-
цессор непосредственно в цифровом виде, минуя АЦП (через спе- ■ циальный интерфейсный блок). Показания датчиков схвата правой руки меняются в таких пределах, что разница между их максимальными и минимальными значениями приблизительно 1000 единпц.
：Показания тактильных датчиков схвата левой руки могут прини- 二 мать два значения: 1 (есть контакт с предметом) и 0 (нет контакта).
Силовая связь с манипз^ляторами осуществляется посредством схемы управления электродвигателями [9——И], в которой использован известный и распространенный способ управления в режиме ШИМ (шнротно-импульсная модуляция управляющего сигнала): к обмотке якоря двигателя прикладывается управляющее напря- 「жение в ваде тмиупвсов прямоугольной формы, переменной длительности. но постоянной амплитуды.
Схема управления микроэлектродвигателями включает три основных блока:
программно-управляемый дискретный генератор широтно-импульсного сигнала (относительная продолжительность импульсов может меняться в пределах от 0 до 1 с дискретностью ”бз)；
блок силовых управляющих ключей ——это блок усклптеле立 сигнала от номинала интегральных схем серии <(155» до номинала пи- :тания микроэлектродвигателей (27 В);
:программно-управляемый блок динамического торможения, по
зволяющий достигнуть более точного позиционирования манштунн- f торов (для торможения двигателей используется противо-ЭДС, ? возникающая в его обмотках); использование блока динамического торможения позволило линеаризовать скоростную характеристику двигателя (т. е. установившуюся в зависимости от относительной продолжительности управляющих импульсов скорость вращения вала двигателя), что и обеспечило повышение точности позициони- ,рования.
В схеме управления микроэлектродвигателями реализовано также управление реверсом каждого двигателя (переключение обмотки его якоря) с помощью электромеханического реле, время срабатывания которого порядка 9 мс. Такая схема управления обеспечила управление двигателями в постпроцессорном режиме, существенно разгрузив процессор управляющей ЭВМ.
Все три блока собраны на стандартных платах АСВТ-М. Дис- : кретный генератор широтно-имп)гльсного сигнала устанавливается ' непосредственно в расширителе ввода-вывода мини-ЭВМ М6000, а другие два блока ——в специальной стойке управления роботом.
В процессе работы с манипуляторами может оказаться необходи- I мым организовать рунное управление ими, может понадобиться F оперативный останов системы управления и т. п. Для этих целей используется выносной пульт управления, состоящий из набора 16 потенциометров, установленных в металлическом корпусе размером 160 X 160 X 40 мм. Движки потенциометров поворачиваются с помощью ручек. Показания потенциометров подаются на вход АЦП, могут быть прочитаны в память ЭВМ н использованы для раз- ! личных целей.
'4 Заказ № 1450‘97
СИСТЕМА СЕОРА ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Система сбора зрительной информации представляет собой одно из средств очувствления сборочного робота, позволяющее ему работать в неорганизованной среде и контролировать своп действия. Задача этой системы —— сбор фотометрической информации об окружающей сцене и представление ее в памяти ЭВМ для дальнейшей обработки.
К системе сбора зрительной информации, входящей в состав сборочного робота, предъявляется ряд требований, выделяющих ее из числа других систем технического зрения. Одно из основных среди нпх — необходимость обеспечения робота требуемым объемом фотометрической информации с учетом ее последующей обработки в реальном масштабе времени. При этом следует обходиться вычислительными мощностями управляющей мини-ЭВМ.
В описываемом лабораторном макете сборочного робота рассматривалось два варианта систелгы сбора зрительной информации. В первом в основу положена миниатюрная твердотельная матрица фоточувствптельных элементов (рис. 7, а), во втором — стандартная телевизионная камера (ТВ-камера)<(Электронпка Л-50» (рис. 7, б). Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки, а также свой круг задач, при решении которых применение именно такого варианта предпочтительнее.
Фотоматрпца имеет следующие технические характеристики:
Размер фотоматрицы, am
пуи
П.стоянная времени, мс
5
Чпсло фотоэлементов
10x10
Частота опроса кадров, Гц
200
Система выводов
параллельная
Напряжение питания, В
5
Темновсе сопротивление,
Мощность рассеивания, Вт
0,1
МОм
10
Ресурс работы в условиях
Световое сопротивление,
зшшпнного зала (200—
кОм
100 (при 200 лк)
400 лк), ч
1000
Чувствительность, мА, лк
1
Спектральный диапазон,
aikm 0,5—0,7
Опишем оба варианта системы сбора зрительной информации.
В варианте с твердотельным параллельным датчиком фотометрической информации матрица фоточувствптельных элементов, с которой проводились исследования, представляет собой набор из 100 фоторезисторов, напыленных на твердое основание размером И X 11 мм в виде матрицы 10 X 10 элементов.
Из условий допустимой мощности рассеивания разработчиком фотоматрицы (Проблемная лаборатория полупроводников Вильнюсского государственного университета) установлено предельное значение напряжения питания 5 В. В связи с этим поступающие с эле- дгентов фотоматрицы аналоговые сигналы имеют порядок 10'4 В, вследствие чего для непосредственного ввода их в мини-ЭВМ М6000 используются коммутаторы сигналов низкого уровня, выполненные на электромеханических реле. При таком способе подключения фотоматрицы время переключения реле определяет суммарное время ее опроса (порядка нескольких секунд). Для усиления этих сигналов в ППМ им. М. В. Келдыша АН СССР с помощью Ленинградского ме-
ханического института была разработана схема операционного усилителя и изготовлено 100 усилителей, позволяющих получать на выходе сигнал 5—-10 В. Такой сигнал соответствует требованиям со- пряжентгя объектов реальной аппаратуры с мини-ЭВМ М6000 при помощи коммутаторов связи среднего уровня, и время опроса фотоматрицы сокращается до нескольких миллисекунд.
Схема преобразования аналогового сигнала, поступающего от эле мента фотолгатрицы (после операционного усилителя) в цифровой код, совпадает со схемой преобразования аналогового сигнала с потентгометра манипулятора. Поочередный опрос элементов фотоматрицы достигается аналогичным образом.
Рпс, 7. Система сбора зрительной информации, выполненная на базе матрицы фо- точу ветвите льных элементов (а> и на базе телевизионной камеры ^Электроника Л-50» (б)Рпс, 7. Система сбора зрительной информации, выполненная на базе матрицы фо- точу ветвите льных элементов (а> и на базе телевизионной камеры ^Электроника Л-50» (б)Для целенаправленного сбора визуальной информации из определенных областей окружающего пространства (для проецирования светового потока на поверхность фотоматрицы) была использована простейшая оптическая система, в которой используется объектив
Рпс, 7. Система сбора зрительной информации, выполненная на базе матрицы фо- точу ветвите льных элементов (а> и на базе телевизионной камеры ^Электроника Л-50» (б)
Рпс, 7. Система сбора зрительной информации, выполненная на базе матрицы фо- точу ветвите льных элементов (а> и на базе телевизионной камеры ^Электроника Л-50» (б)
Рис. 8. Схема подключения телевизионной камеры «Электроника Л-30» к мини-ЭВМ М600О УСО — устройство связи с объектом; МУК — модуль управления коммутацией; ДР — дуплексный регистр； КССУ — коммутатор связи среднего уровня; !УС — устройство сопряжения; сплошные линии — сигналы передачи данных; штриховые —[сигналы управления
ФЭД с фокусным расстоянием / = 50 мм, относительным отверстием 1 : 2 и углом зрения порядка 46°. Угловая разрешающая способность системы 1° между соседними точками матрицы фотоэлементов. Минимальное расстояние, на котором возможно получение резкого изображения в плоскости фоторезисторов, порядка 1 м. На этом расстоянии линейное разрешение системы составляет приблизительно 17 мм, что и определяет возможные области ее применения.
В варианте с телевизионным датчиком в качестве датчика фотометрической информации используется стандартная ТВ-камера «Электроника Л-50» с чувствительным элементом на видиконе ЛИ437-1.
Для сопряжения ТВ-камеры с управляющей мини-ЭВМ М6000 в ИППИ АН СССР было разработано и изготовлено специальное устройство сопряжения (УС), позволяющее получать на входе АЦП последовательно видеосигналы со 128 X 128 точек телевизионного изображения. Считывание яркостей всех 16 384 точек изображения выполняется за 128 полукадров ТВ-камеры и занимает приблизительно 2,56 с. Запуск ТВ-камеры (точнее, устройства сопряжения) и опрос готовности очередной точки для съема видеосигнала осуществляется при помощи дуплексного регистра (ДР), входящего в состав устройства связи с объектом (УСО) мини-ЭВМ М6000 (рис. 8). Для визуального контроля вводимой информации используется телевизионный приемник «Электроника ВЛ-100».
Как один, так и другой варианты датчиков зрительной информации устанавливаются на первых двух звеньях стандартного манипулятора УЭМ-2, управляемого от той же мини-ЭВМ М6000.
СБОРОЧНЫЙ СТОЛИК И ОСНАСТКА
При принятой конфигурации сборочного робота процесс сборки осуществляется на сборочном столике, представляющем собой крышку размером 610 X 610 мм, установленную на четырех ножках. Высота столика переменная и может меняться в пределах от 200 до 300 мм.
Столик установлен между двумя манипуляторами. Расстояние от оси вращения каждого манипулятора до соответствующей стороны столика приблизительно 200 мм. При таком расположении практически все точки на поверхности столика оказываются доступными для обоих манипуляторов.
Система сбора зрительной информации расположена с третьей стороны столика; она устанавливается на специальной стойке, благодаря чему вся поверхность столика открыта для обозрения.
На крышке столика устанавливаются сопрягаемые детали, вспомогательные приспособления (уголок для позиционирования деталей и т. п.) и инструменты, облегчающие процесс сборки. Среди инструментов имеется электрогайковерт, который может быть захвачен манипулятором и помещен в необходимую рабочую позицию. Электрогайковерт состоит из электродвигателя постоянного тока типа ДПМ-25, редуктора и рабочей части, выполненной в виде цилиндра, на одном конце которого имеется гнездо для гайки и шайбы. Максимальная скорость вращения рабочей части 300 об/мин. Электродвигатель гайковерта соединен с управляющей ЭВМ точно так же, как и электродвигатели манипуляторов. Информация о скорости вращения рабочей части может быть получена с помощью двухпозиционного реле, установленного на электродвигателе. Одна из двух позиций реле соответствует значению скорости вращения, меньшему номинального, другая — большему, чем номинальное. Номинальная скорость вращения может регулироваться. Сигналы с реле поступают в процессор управляющей 3BRI через 10-разрядный АЦП.
Эксперименты, проведенные с автоматической сборочной системой, позволили сделать следующие выводы.
Модульная организация аппаратных средств является весьма перспективной. Она позволяет легко собирать различные конфигурации робота, наиболее подходящие для решения тех или иных задач.
Разработанная цифровая схема управления электродвигателями, в основе которой лежит широтно-импульсная модуляция управляющего сигнала, оказалась достаточно надежной, простой в эксплуатации и удобной для использования в программной части автоматической сборочной системы.
Очувствление схвата за счет снабжения его упругими элементами н компактными датчиками линейных перемещений (порядка 10 мм) дает хорошие результаты. Такая конструкция, позволяя измерить силы, действующие на схват, одновременно снабжает пальцы схвата достаточно большой податливостью, что снижает требования
к точности управления и позволяет ускорить выполнение многих операций сопряжения.
Системы сбора зрительной информации, созданные на базе фотоматрицы и телевизионного датчика, способны обеспечить работу в реальном масштабе времени. С их помощью может быть получена информация, необходимая для управления манипуляторами при работе с заданным набором деталей.
Использование нестандартных внешних устройств, подключенных к управляющей ЭВМ (алфавитно-цифровой дисплей, выносной пульт управления манипуляторами и т. п.) позволяет значительно повысить эффективность процесса создания и эксплуатации программного обеспечения системы управления сборочным роботом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Охоцимский Д. Е.ч Платонов А. К., Смольянов Ю- 77., Гримайло С. 〃・, Камынин, С. С・,Кугутев Е. И. Исследование многооперационной сборки с помощью экспериментальной робототехнической системы.— Наст. сб.
.O^oquMCHiz注 Д. £., Смольянов 力.〃.,Барбатова Т. Ф., Гримайло С. И.9 Камынин, С. С.t Кугуиьев Е. Я., Ярошевский В. С. Цифровые следящие системы для управления движением роботов.— Наст. сб.
.Гримайло С. И. Программное обеспечение сборочного робота.— Наст. сб.
.Охоцимский Д. £*., Гримайло С- 〃•, Камынин С- С., Кузушев Е. И・,Соко^ лов С. М・,Толспюусова В. Г. Использование визуальной информации в задачах автоматической сборки.— Наст. сб.
.А. с. 476971 (СССР). И с по л нительиый орган манипулятора/ Л. Н. Петров, В. П. Максимов. Н. А. Лакота, А. М. Ивкин. Заявл. 01.02.73, № 1877365; Опубл, в Б. И., 1976, № 34, МКИ В 25J1/02.二
Вахлин В. В., Гримайло С- Донцов В. Е., Камынин С. С., Смольянов Ю- 〃., Соколов С. М. ЭксперШЕенты по сборке с помощью очувствленного робота.—■ В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 3, с. 105—106.
Домиёнайтис А. ^., Вайкявичус Г. Г., Мешкаускас Л. Е・, Синюс Я. Ю. Устройство параллельного типа для выделения ориентации контура, направления и скорости перемещения. — В кн.: IV Всесоюз. симпоз. по теории и принципам устройства роботов п манипуляторов, Тольятти, 1976: Тез. докл. Тольятти: АвтоВАЗ, 1976, секция 2, с. 44——47.
Платонов A. ZT., Соколов С. М. Система сбора и алгоритмы первичной обработки фотометрической информации: Препр. Ин-та прикл. математики нм. М. В. Келдыша АН СССР, № 87. М., 1979. 32 с.
Вахлин В. В. Исследование возможности построения цифровых генераторов ШИМ.—— В кн.: Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Владимир, окт. 1978 г.: Тез. докл. М.: Наука, 1979, с. 70.
Донцов В. Е., Вахлин В. В. Схема управления микроэлектродвигателями постоянного тока в комплексе моделирования и макетирования робототехнических систем.— В кн.: Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Владимир, окт. 1978 г.: Тез. докл. М.: Наука, 1979, с. 216.
Волков A. 8r Вахлин В. В. Цифровой привод для робототехнических устройств с использованием схем динамического торможения.— В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981. ч. 3, с. 86.
Взнтцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1958. 270 с.
Попов Е. 7L, Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы: Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. 400 с.
Курош 4. Г. Курс высшей алгебры. М.: Физматгиз, 1963. 432
3.
4・
5.
6・
7.
8.
9.
10.
12.
13.
14.
с.
УДК 007.52:62-52
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРОЧНОГО РОБОТА
С. И. Гримайло
Под программным обеспечением сборочного робота понимается совокупность программ, реализующих процесс управления роботом. Помимо управления роботом в основном рабочем режиме (режиме автоматической сборки), программное обеспечение должно предоставлять средства для предварительного планирования работы робота оператором-программистом. Необходимо также иметь развитые средства редактирования информации, введенной в память управляющей ЭВМ.
Программные средства авт ом ат иче ской сборочной системы (АСС) [1——4] составляют следующие модули:
задания и редактирования плана сборки;
задания и редактирования планов сборочных операций;
задания и редактирования планов условий;
задания и редактирования контуров движения;
задания и редактирования коэффициентов следящей системы; управления автоматической сборкой.
С точки зрения оператора, работающего с автоматической сборочной системой, все перечисленные модули представляют собой мониторы, общение с которыми происходит в интерактивном резкнме при помощи терминала (алфавитно-цифрового дисплея «Видеотон-340»). При обращении к каждому модулю на экран дисплея выдается перечень возможных действий, выполняемых этим модулем. Каждое возможное действие имеет свой номер, который оператор может ввести с клавиатуры дисплея. После введения номера нодуль реализует заданное действие, выдает сообщение о результате его выполнения, а также, если необходимо, запрашивает от оператора дополнительную информацию. После того как заданное действие будет выполнено, оператор имеет возможность задать следующее действие и т. д. Принятая форма диалога, при которой система предлагает альтернативные действия и запрашивает необходимую информацию, удобна для человека и допускает простую реализацию.
Ясно, однако, что организация диалога в виде обмена текстовыми сообщениями ——еще далеко не идеальное решение проблемы общения оператора с ЭВМ. «Интерфейс» человека допускает более разнообразные формы обмена информацией, чем печатанье текста и чтение ответа на экране дисплея. Для повышения эффективности общения требуется наличие возлюжности показывать роботу выполнение той
илиилииной работы путем последовательного вывода манипуляторов
или
или
можетможетв нужные конфигурации. Такое программирование последовательности действий робота принято называть «хореографическим» [5]. Этот весьма удобный способ задания информации используется в АСС в модуле задания и редактирования контуров движений (за-
может
может
метим, что при использовании системы технического зрения
потребоваться также обучение робота распознаванию какого-либо объекта путем предварительного показывания этого объекта [3]).
При планировании работы робота оператор обращается к модулям задания и редактирования планов сборки, сборочных операций, условий и контуров движения. Однако совершенно неважно, в каком порядке это будет сделано, так что оператор мо?кет осуществлять программирование «сверку вниз»,《снизу вверх» или любым комбинированным способом.
Если планирование работы робота выполнено, то оператор, обращаясь к модулю управления автоматической сборкой, запускает автоматическое выполнение сборки, отдельных сборочных операций или движений. При этом работа робота может быть прервана в любой момент с пульта управляющей ЭВМ или со специального выносного пульта.
Программные средства АСС реализованы на мини-ЭВМ М6000. Загрузка каждой пз указанных программ, а также требуемых файлов данных в память ЭВМ осуществляется с магнитного диска, подключенного к управляющей ЭВМ, в рамках дисковой операционной системы, разработанной в ИПМ АН СССР [6]. При создании программной части АСС использовались два языка ——ФОРТРАН IV и Автокод М6000.
МОДУЛЬ ЗАДАНИЯ
И РЕДАКТИРОВАНИЯ ПЛАНА СБОРКИ
План сборки описывает последовательность сборочных операций и представляет собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют сборочным операциям, а ребра — переходам от одной сборочной операции к другой [1]. Переход осуществляется в соответствии с кодом ответа сборочной операции ——числом, которое формируется при ее исполнении и указывает, как кончилась данная операция. После исполнения плана сборки также формируется код ответа — числот указывающее, как окончился процесс сборки.
Каждая вершина плана сборки определяется, таким образом, следующими параметрами: номером сборочной операции, числом параметров этойч)перациит фактическими значениями ее параметров, числом вершин плана сборки, на одну из которых возможен переход из данной вершины, и номерами этих вершин. Конечная вершина плана сборки (т. е. вершина, при переходе на которую процесс сборки должен завершиться) определяется нулевым значением первого параметра этой вершины, соответствующего номеру сборочной операции. Код ответа, указывающий на результат исполнения плана сборки, содержится на месте второго параметра конечной вершины. Описания всех вершин плана сборки содержатся в одном массиве, идентификатор которого обозначим через МЕА. Адрес начала описания г-й вершины плана сборки в массиве МЕА содержится в %-м элементе массива ссылок MVA.
Модуль задания и редактирования плана сборки выполняет следующие функции: задание вершины плана сборки, удаление верши-
1-ПРОГ 2-ОБНУЛЕНИЕ МАСС З-ЗАД ВЕРШ ПЛАНА СБОРКИ
4-ИСПРАВ ВЕРШ 5-ПЕЧАТЬ MVA,MEA 6-ЧТ ПЛАНОВ С МД 7-3 АП НА МД
8-УДАЛЕНИЕ ВЕРШ ПЛАНА СБОРКИ 9-ПЕЧАТЬ ПЛАНА СБОРКИ
НОМЕР ВЕРШИНЫ ?_9_
НОМЕР ОПЕРАЦИИ 一 О ?包
ЧИСЛО ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИИ 0 ? 3
1-Й
ПАРАМЕТР 0 ? 240
2-Й
ПАРАМЕТР 0 ?』
з-й
ПАРАМЕТР 口？我
ЧИСЛО
ВЕРШИН ПЕРЕХОДА
0 ? 2”
1~Я
ВЕРШИНА ПЕРЕХОДА
0 ? 10
2-Я
ВЕРШИНА ПЕРЕХОДА
0 ?
ОПИСАНИЕ ВЕРШИНЫ ЗАНЯЛО 6 ЯЧЕЕК
Рис. 1. Пример диалога с модулем задания и редактирования плана сборки
Подчеркнут текст, вводимый оператором
ны плана сборки, исправление вершины плана сборки. Пример диалога с этим модулем показан на рис. 1. При задании или редактировании некоторой вершины плана сборки на экран дисплея выдаются текущие значения параметров, указанные в описании данной вершины (при задании вершины печатаются нули) с соответствующими к о л мент арпями. Затем оператор вводит новые значения параметров, которые помещаются на место старых. При удалении описания вершины массив МЕА автоматически сжимается на длину удаляемой вершины. В соответствии с этим изменяются значения ссылок на этот массив. Значение ссылки в массиве MVA, соответствующей удаляемой вершине, обнуляется.
Помимо перечисленных функций, в модуле задания и редактирования плана сборки имеются возможности чтения файла данных магнитного диска, запись на магнитный диск, печать на экране терминала значения содержимого используемых массивов и т. д.
Модуль задания и редактирования плана сборки занимает объем памяти 4800 слов, используемые массивы — 1600 слов；
МОДУЛЬ ЗАДАНИЯ
И РЕДАКТИРОВАНИЯ ПЛАНОВ СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ
План сборочной операции описывает последовательность движений, выполняемых роботом, и представляет собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют движениям, а ребра — переходам от исполнения одного движения к исполнению другого [1]. Переход осуществляется в соответствии с кодом ответа движения — числом, формируемым при его исполненин и указывающим, как движение окончилось.
Каждая вершина графа операции определяется следующими ‘： параметрами [1]: способом движения, типом движения, типом начала движения; номером контура движения, номером условия движения^ числом вершин графа операции, на одну из которых возможен пере』 ход из текущей, и номерами этих вершин. Заметим, что номер кон」 тура движения и параметры условия в плане сборочной операции； могут задаваться как в виде фактических параметров, так и в виде формальных. В последнем случае они указывают адреса ©активе」 ских значений, записанных в плане сборки.j
Параметры, определяющие вершины графов сборочных операций^ последовательно записываются в одном массиве (который будем обозначать через МЕО), начиная с его первой свободной ячейки - 《NEO). Адреса ссылок на начала описания вершин хранятся в мае-! сиве MVO (адрес свободной области этого массива обозначим чере^ NVO). Для организации удобной выборки описаний графов исполь^ Зуется массив МО. Его i-й элемент содержит число вершин, содержащихся в графе г-й операции, и адрес начала ссылок по вершинам этого графа в массиве MVO. Таким образом, если NVf — число вершин г-го графа, a NA； — адрес начала ссылок в массиве MVO, то начальные адреса описаний вершин этого графа в массиве МЕО содержатся в элементах MVOfe массива MVO, где к — NA», NA» + 1,... ・.・，NA + NVf — 1.
Рассмотрим теперь функции, выполняемые модулем задания и редактирования планов операций.
Задание плана сборочной операции. По этой директиве с терми* нала запрашивается номер операции (NO) и число вершин соответствующего графа (NV). Если операция с номером NO уже есть, то на терминале печатается «такая операция уже есть» и управление передается диалоговому монитору. В противном случае происходит запаковка величин NV и NVO (адрес свободной области массива MVO будет адресом ссылки на описание первой вершины графа задаваемой операции) в элемент массива МО с номером NO. Затем организуется цикл по числу вершин NV. При прохождении цикла в г-й раз (1《 i《 NV) автоматически вызывается подпрограмма VOP, в которой в режиме диалога с оператором задается описание вершины графа сборочной операции. Оно запаковывается в массив IC (начиная с первой ячейки), который является первым из двух формальных параметров подпрограммы VOP. Второй формальный параметр — длина L описания вершины, выраженная в числе ячеек.
После выхода из этой подпрограммы L первых ячеек массива IC, содержащих описание г-й вершины графа, пересылаются в массив МЕО (начиная с первой свободной ячейки, имеющей адрес NEO) и осуществляются следующие присвоения в указанной последовательности:
MVOnvo = NEO, NVO = NVO + 1, NEO = NEO + L.
С помощью первого присвоения определяется адрес начала описания i-й вершины графа в массиве МЕО. Второе и третье присвоения означают сдвиг стрелок, указывающих адреса свободных об- 106
ластей массивов MVO и МЕО соответственно. Далее цикл иовто* ряется.
Рассмотрим теперь более подробно подпрограмму VOP. При обращении к ней предполагается, что в массиве IC содержится описа- ние какой-либо вершины графа. Это позволяет использовать под- программу VOP для исправления плана сборочной операции. Перед заданием плана операции массив IC обнуляется. В подпрограмме VOP происходит последовательная распаковка содержимого ячеек массива IC, которое печатается на терминале с соответствующими к оммент ариями ? например: «способ движения, тип движения, тии начала XXX, XXX, XXX?» (здесь XXX — значения указанных параметров). Оператор вводит новые значения указанных параметров, которые запаковываются на место старых.
Заметим, что при иззтененпи числа параметров условия и числа вершин, на одну из которых возможен переход из текущей, происходит сравнение «старого» значения этого числа с «новым». С целью обеспечения минимального необходимого пространства в массиве IG для значений этих параметров осуществляется автоматическое сжатие или разжатие — в зависимости от знака полученного рассогласования — этого массива на это рассогласование.
Как указывалось выше, номер контура движения и параметры условия в описании вершины графа операции могут задаваться как в качестве фактических значений, так и в качестве формальных. В последнем случае они определяют адреса фактических значений в массиве параметров операции, который задается в описании вершины плана сборки. В памяти ЭВМ фактические значения параметров отличаются от формальных наличием 1 в нулевом (старшем) разряде соответствующей ячейки. При индикации на пульте в подпрограмме VOP к формальным значениям справа добавляется 1, так что они печатаются в формате ХХХХХ, 1. При необходимости их изменения ввод осуществляется в этом же формате.
Пример диалога с модулем задания и редактирования планов сборочных операций при задании плана операции показан на рис. 2.
Исправление плана сборочной операции. По этой директиве с пульта запрашивается нопер операции NO. В случае, если элемент массива МО с номером NO равен 0 (описание операции NO отсутствует), на пульте печатается «такой операции нет» н управление передается диалоговому монитору. В противном случае распаковывается ячейка с номером NO массива МО, содержащая число вершин графа операции NO и адрес ссылки в массиве MVO на описание первой вершины графа. Далее организуется цикл по числу вершин. При прохождении цикла в массив IC пересылается описание соответствующей вершины и автоматически вызывается подпрограмма VOP, в которой исправляется это описание в режиме диалога с оператором. Новое значение длины описания вершины сравнивается со старым и с целью обеспечения минимально необходимого пространства для нового описания вершины массив МЕО автоматически сжимается (или разжимается) на полученное рассогласование. Соответственно изменяются ссылки на описания вершин в массиве MVO и адрес сво-
1-ПРОГ 2-ЗАД ПЛАНА ОН З-ПЕЧ МО, MVO, МЕО 4-NVO,NEO 5-ОБНУЛЕНИЕ МАССИВОВ 6-УДАЛЕНИЕ ОПЕР 7-ИСПРАВ ОПЕР 8-ЧТ ПЛАНОВ С МД 9-ЗАП НА МД 10-ПЕЧ ОПЕРАЦИЙ —2
НОМЕР ОПЕРАЦИИ ? 2
ЧИСЛО ВЕРШИН ?丄一
ВЕРШИНА 1~г——亠-ОПЕРАЦИЯ 2
СПОСОБ ДВ ТИП ДВ ТИП НАЧ 000 ? Ill
НОМЕР УСЛОВИЯ 0 ?丄
ЧИСЛО ПАРАМЕТРОВ (ВКЛЮЧАЯ НОМ КО耳Т) 0 ?2
НОМЕР КОНТУРА ДВИЖЕНИЯ 0 丄丄—
1-Й ПАРАМЕТР 02,1
ЧИСЛО ВЕРШИН ПЕРЕХОДА 0 ?丄
1-Я ВЕРШИНА ПЕРЕХОДА 0 ?旦
ОПИСАНИЕ ВЕРШИНЫ ЗАНЯЛО 5 ЯЧЕЕК
ВЕРШИНА 2 ОПЕРАЦИЯ 2'
СПОСОБ ДВ ТИП ДВ ТИП НАЧ 000 ? ООО
ФЛАГ ВЫХОДА 0 ?丄
~ 亠 ОПИСАНИЕ ВЕРШИНЫ ЗАНЯЛО 2 ЯЧЕЕК
Ряс. 2. Пример диалога с модулем задания и редактирования планов сборочных операций Подчеркнут текст, вводимый оператором
бодной области NEO массива МЕО. После этого новое описание вершины переливается из массива IG в отведенное для него пространство массива МЕО и цикл повторяется снова.
длина описа-длина описа-Удаление плана сборочной операции. Определяется
длина описа-
длина описа-
ния графа указанной сборочной операции и число вершин NV этого графа* Для ликвидации пространства, занимаемого описанием вершин графа этой операции, массив МЕО автоматически сжимается на L. В соответствии с этим корректируются значения ссылок в массиве MVO. Затем в массиве MVO путем сжатия на NV ликвидируется область ссылок на описания вершин графа удаляемой операции и изменяются значения ссылок на массив MVO в массиве МО. После этого редактируются адреса свободных областей массивов MVO и МЕО: 、
NVO = NVO - NV, NEO = NEO — L.
памятипамятиПрограммы описанного выше модуля занимают объем 5900 слов, используемые массивы — 2200 слов.
памяти
памяти
МОДУЛЬ ЗАДАНИЯ
И РЕДАКТИРОВАНИЯ ПЛАНОВ УСЛОВИЙ
План условия представляет собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют элементарным условиям, а ребра — переходам от проверки одного элементарного условия к другому [1]. Переход осуществляется на основе кода ответа элементарного условия —— числа, указывающего на результат проверки элементарного условия. Каждое элементарное условие представляет собой программно реа-
лизованную проверку наступления некоторого определенного события. Например, элементарным условием может быть проверка попадания показания некоторого датчика в окрестность определенного значения. Код ответа в этом случае указывает: показание датчика лежит слева от окрестности, внутри нее или справа от нее. Набор элементарных условий допускает простое расширение путем включения дополнительных программ для новых условий.
В отличие от элементарных условий планы условий хранятся в памяти ЭВМ в виде данных. Каждая вершина плана условия определяется следующими параметрами: номером элементарного условия, параметрами элементарного условия, числом возможных значений кода ответа этого элементарного условия, номерами вершин графа условия, на которые возможен переход из текущей. Параметры элементарного условия в плане условия могут задаваться как в качестве фактических значений, так и в качестве формальных. В последнем случае они определяют адреса (номера) их фактических значений в массиве параметров, который задается при организации проверки соответствующего условия.
Структуры данных, используемых для хранения планов условий в памяти ЭВМ, полностью аналогичны структурам данных для планов операций. Функции, выполняемые модулем задания и редактирования планов условий, также аналогичны функциям модуля для задания и редактирования планов операций и состоят в следующем: задание плана условия, исправление плана условия, удаление плана условия.
Программы описанного модуля зангшают 6000 слов управляющей ЭВМ, массивы — 2300 слов.
МОДУЛЬ ЗАДАНИЯ
И РЕДАКТИРОВАНИЯ КОНТУРОВ ДВИЖЕНИЯ
Рассмотрим сперва структуру данных.
Контур движения [1] определяется типом контура и последова- • тельностыо узловых точек. Тип контура указывает, какие степени свободы робота задействованы в соответствующем движении. Каждый тип характеризуется своим номером. По нему в массиве ссылок по типам, который обозначим через NST, находится начальный адрес описания этого типа в массиве типов NVST. В соответствующих элементах массива NVST указаны номера степеней свободы, задействованных в указанном типе контура. При задании типов контуров массив NVST заполняется последовательно, начиная со своей первой свободной ячейки, адрес (номер) которой будем обозначать NSTL.
Одна узловая точка контура определяется значениями програшь ных параметров тех степеней свободы, которые задействованы в указанном типе контура. Программные параметры интерпретируются следящей системой по-разноку в зависимости от режима отслеживания по данной степени свободы [1, 4]. Например, программными параметрами могут быть значения положения и скорости данной сте-
пени свободы по ее датчику положения, которые необходимо отследить. Число программных параметров для каждой степени свободы не превосходит двух (Pl, Р2).
Для повышения плавности движения при исполнении контура каждые две соседние узловые точки его соединяются между собой отрезком прямой. Каждый такой отрезок определяется числом тактов управления, отводимых на его отслеживание следящей системой, п значениями приращений программных параметров. Значение приращения iDPh первого программного параметра на 左-乂 отрезке (соединяющего Л-ю и 佑 + 1)-ю узловые точки) вычисляется по формуле ”
IDP1, = [(P1,+1-P1,)/IDN,],
где Plzi и Р1?-——значения программного параметра в (力 + 1)-й п /с-и узловых точках; IDN^ —— число тактов, отводимых на отслеживание к-го отрезка; [1]——целая часть числа I. Остаток NX左 отделения определяется формулой
NX左-Pl^ — Pi% — IDPlrlDN,.
Аналогично вычисляется значение приращения IDP2；. для вто рого программного параметра (остаток от деления при этом игнорируется).
Все контуры, необходимые для решения какой-либо конкретной задачи, хранятся в одном массиве, который будем обозначать IQ. Для кажого контура в массиве IQ последовательно хранится следующая информация: номер контура, номер типа контура, число узловых точек контура, число программных параметров для одной степени свободы робота, абсолютные значения программных параметров в первой узловой точке, а также значения числа тактов IDN/(-, приращения I DPI斤，\Х空 и в случае необходимости ——IDP2汇(индекс к пробегает значения от 1 до числа узловых точек контура).
Таким образом, значения программных параметров в первой узловой точке хранятся в абсолютной форме, а в каждой последующей —в виде приращений по отношению к их значениям в предыдущей узловой точке. Контуры в массиве IQ располагаются последовательно, один за другим. Описание очередного контура заносится в массив IQ с его первой свободной ячейки.
Для организации удобной выборки нужного контура из массива вводится массив ссылок KTD. Его z-ii элемент содержит начальный адрес i-ro контура в массиве IQ. Если г-го контура в массиве IQ нет, то KTD； = 0, иначе KTD^〉0.
Переходим теперь к описанию функции системы задания и редактирования контуров движения.
Задание контура («обучение»). Контур может быть задан различными способами. При одном способе значение первого программного параметра определяется как показание датчика иоложеипя звена манипулятора, которое автоматически заносится в память ЭВМ по сигналу с терминала (значения второго программного параметра в случае необходидюсти вводятся оператором с терминала). При дру-
рис. 3. Фрагмент сборочного робота t программирования работы роботарис. 3. Фрагмент сборочного робота t программирования работы роботас выносным пультом управления, используемым дляс выносным пультом управления, используемым для
рис. 3. Фрагмент сборочного робота t программирования работы робота
рис. 3. Фрагмент сборочного робота t программирования работы робота
с выносным пультом управления, используемым для
с выносным пультом управления, используемым для
гом способе значения обоих программных параметров вводятся с тер-
м目нала оператором.
: Рассмотрим более подробно первый способ задания контура, наи- ;более часто используемый. По запросу с терминала в память ЭВМ ：оператором вводится информация о контуре (номер контура, номер типа контура, число программных параметров одной степени свободы), которая заносится в массив IQ (начиная с первой свободной ячейки). По заданному номеру контура в соответствующий элемент массива KTD записывается адрес начала этого контура, который определяется как адрес первой свободной ячейки массива IQ (после запаковки контура в массив IQ этот адрес увеличивается на длину контура). Прп попытке ввести контур с уже существуюгцидг иомерои 3 е. контур с номером i, для которого KTD?〉0) печатается диагностическое сообщение и управление передается монитору модуля задания и редактирования контуров、
Далее система ожидает ввода первой узловой точки. В это время манипуляторы кютут быть выведены в нужные конфигурации, что осуществляется либо вручную, либо с помощью ^шравления от клавишного регистра управляющей ЭВМ, либо с полющью выносного пульта, управления (рис. 3). По сигналу с терминала показания датчиков тех степеней свободы, которые соответствуют указанно” типу контура： автоматически вводятся в память управляющей ЭВМ и записываются в массив IQ в качестве значений первого программного параметра. Если число программных парапетров одной степени свободы равно 2, то оператор вводит с терминала значения второго
1-ПРОГ 2-ИСКЛЮЧЕНИЕ КОНТ 3-ИСПРАВИТЬ КОНТ
4-TRK 5—ТКК 6-ЧТ КОНТ С МД 7-ЗАП КОНТ НА МД
8-ПЕЧ IDN, IP1, IP2, ILT, IDP1, IDP2, NX 9-ЗАД СИЛ ВОЗДЕЙСТВ
10-I4CRPAB КАТАЛОГА 11-КОРР ПОСЛЕД КОНТ 12-КОРР ЕД КОНТ
ИМЯ ПРОГРАММЫ А5
ТИП КОНТУРА (О-ВЫХОД) 3
НОМЕР ДВИЖЕНИЯ ? 100 一
1-ЗАПРАШИВАТЬ ЧИСЛО ШАГОВ О-НЕТ ("ЕТХ“)
ЧИСЛО ЯЧЕЕК НА ОДНУ СТЕПЕНЬ= 2 ? 2
1—ОТ КР 2-ОТ РУЧКИ 3-С ПУЛЬТА—
1
РУКА 1 СТЕП=1 ШИМ= 0 РЕВЕРС=О АЦП= 566 640 306 523 947 490 340
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ= 0 РЕВЕРС=О АЦП= 566 639 306 523 948 490 339
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС=О АЦП= 566 639 306 523 948 490 339
ЗАПИСАНЫ ПРОГРАММНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ:
566 639 306 523 947 490
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС=0 АЦП= 566 639 307 523 948 490 3“9
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС=0 АЦП= 566 639 307 524 947 490 342
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС=0 АЦП= .566 639 307 524 947 490 345
ЗАПИСАНЫ ПРОГРАММНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ:
366 639 307 524 947 490
ЧИСЛО ТАКТОВ ? 50
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС=О АЦП= 566 640 306 523 948 490 350
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС=О АЦП= 566 640 306 523 948 490 355
РУКА 1 СТЕП=7 ШИМ=16 РЕВЕРС-0 АЦП= 566 640 306 523 948 490 358
ТИП КОНТУРА ? (0-ВЫХОД) о
ИМЯ ПРОГРАММЫ А17 一
Рис. &・ Пример диалога с модулем задания граммнровании движения роботаРис. &・ Пример диалога с модулем задания граммнровании движения роботаи редактирования контуров движеиня при про-и редактирования контуров движеиня при про-
Рис. &・ Пример диалога с модулем задания граммнровании движения робота
Рис. &・ Пример диалога с модулем задания граммнровании движения робота
и редактирования контуров движеиня при про-
и редактирования контуров движеиня при про-
Подчеркнут текст, вводимый оператором
программного параметра и система переходит в режим ожидания ввода очередной узловой точки. Поскольку все последующие узловые точки хранятся в памяти ЭВМ в относительной форме, то после ввода их абсолютных значений автоматически вычисляются соответствующие приращения по приведенным выше формулам (число тактов, отводимых на отслеживание соответствующего отрезка ломаной, соединяющего две последние узловые точки, вводится оператором).
Конец обучения определяется сигналом оператора с терминала. После этого автоматически подсчитывается число введенных узловых точек, которое запаковывается в массив IQ.
Пример диалога оператора с описываемым модулем при программировании движения робота показан на рис. 4.
Задание типов программных контуров. Предполагается, что перед началом задания типов контуров массив ссылок по типам NST 112
и массив типов NVST обнулены. Соответственно адрес свободной области массива NVST полагается равным 1: NSTL = 1. Таким образом, отсутствие описания типа с номером Z определяется равенством NSI\ = 0.
При задании очередного типа контура оператор вводит номер i этого типа контура и число / задействованных в этом типе контура степеней свободы. Значения Z п NSTL запаковываются в элемент NST? массива NST. Здесь значение NSTL определяет начало описания задаваемого типа контура в массиве NVST. Затем оператором вводятся номера задействованных степеней свободы н записываются в ячейки NVSTZ (z = NSTL, . . ,, NSTL + % — 1). После этого изменяется адрес свободной области массива NVST : NSTL = NSTL + 厶
Редактирование типов программных контуров. По этой директива оператор имеет возможность просмотреть в ЭВМ значения числа степеней свободы в указанном типе контура и номера этих степеней. Эти параметры люгут быть изменены путем ввода их новых значений (по умолчанию сохраняются старые значения).
Исключение контура. Оператор вводит номер исключаемого контура движения. Контуры, стоящие в массиве IQ ниже него (т. е. адреса которых в этом массиве больше адреса этого контура), сдвигаются вверх на число ячеек, занимаемых исключаемым контуром. В соответствии с этим уменьшается адрес свободной области массива IQ и адреса ссылок в массиве KTD. Элемент массива KTD, соответствующий номеру исключаемого контура, обнуляется.
Редактирование контуров движения. В начале редактирования контур с указанным номером автоматически пересылается из массива IQ в массивы IP1, IP2, IDN, IDP1, IDP2, NX. Здесь IP1 и IP2 содержат абсолютные значения программных параметров в первой узловой точке (к-е элементы 1Р1^ и IP2k — значения программных параметров 左-й степени свободы),力-立 элемент IDN^ массива IDN —— число тактов, отводимых на отслеживание i-ro отрезка ломаной контура (отрезка, соединяющего г-ю и (г + 1)-ю узловые точки). Число этих отрезков хранится в ячейке ILT (максимальное значение ILT составляет 20). Элемент IDPl^j двумерного массива IDP1 содержит значение приращения первого программного параметра Л-й степени свободы на /~м отрезке. Аналогично интерпретируются элементы мае-' сива IDP2 для второго программного параметра. Остаток от деления длины /-го отрезка ломаной для 力-й степени свободы на соответствующее число тактов указывается в элементе NX^j двумерного массива NX. Заметим, что массивы IP1 и IP2 瓜пеют по 18 элементов, а массивы IDP1, IDP2 и NX — 18 х 20 элементов (18 — максимальное число используемых степеней свободы).
После пересылки контура в эти массивы информативными в них становятся только те элементы, которые имеют номера, соответствующие номерам степеней свободы в указанном типе контура.
При редактировании контура на терминал первоначально выводится следующая информация: тип контура, число узловых точек в контуре и число программных параметров одной степени свободы. Новые значения этих параметров также вводятся с терминала и за-
писываются на место старых (по умолчанию эти значения сохраняются). Во всех последующих редакторских действиях используются уже новые значения параметров.
Организуется цикл по числу узловых точек. При его выполнении в очередной раз значения программных параметров в соответствующей узловой точке печатаются на терминале (номера задействованных степеней свободы определяются на основе нового номера типа редактируемого контура, который может отличаться от старого). Для улучшения наглядности эти значения выводятся в абсолютной @орме, причем они вычисляются на основе содержимого массивов IP1T IP2, IDN, IDP1, IDP2, NX* А именно значение Р1^ первого программного параметра /-й степени свободы в j-м узле вычисляются по формуле
Р1Ъ- = Р1А-М + IDPVrIDNM + NXjg, где Pl^j-i — старое абсолютное значение первого программного параметра в (/ — 1)-м узле.
Заметим, что перед началом цикла полагается Pl^； = IPlfc. Аналогично для значения Р2^ второго программного параметра Р2 心=P2^--i + IDP2Aj_i* IDNj-i， После ввода новых значений программных параметров (также в абсолютной форме) они автоматически запаковываются в указанные массивы в соответствии с приведенными выше формулами. При этом для вычисления значений приращений используются новые значения программных параметров в предыдущей узловой точке. Далее управление передается на начало цикла.
После завершения редактирования определяется число ячеек, занимаемых отредактированным контуром, которое вычитается из числа ячеек, занимаемых контуром до начала редактирования. Все контуры, стоящие ниже редактируемого в массиве IQ, автоматически сдвигаются на полученное рассогласование (соответственно изменяются ссылки на адреса сдвигаемых контуров в массиве KTD и адрес свободной области массива IQ). В случае положительного значения рассогласования этот сдвиг позволяет избежать «перекрытия» двух соседних контуров (редактируемого и стоящего вслед за ним), в случае отрицательного — ликвидирова ть промежуточную свободную область в массиве IQ. После сдвига отредактированный контур автоматически пересылается из массивов IP1, . . ., NX в отведенное для него пространство массива IQ.
Заметим, что пересылка контура из «постоянного» массива во «временные» значительно облегчает организацию процесса редактирования, поскольку последние массивы более удобны для организации циклов и вычисления абсолютных значений программных параметров. Эти массивы более удобны для редактирования контура при необходимости изменения его типа, числа программных параметров одной степени свободы н числа узловых точек контура.
Изменение числа тактов, отводимых на отслеживание отрезков ломаной контура. Организуется цикл по числу отрезков указанного контура (это число на 1 меньше числа узловых точек). При прохож- 414
денпи цикла в i-й раз на терминале печатается число тактов, отводимых на отслеживание г-го отрезка. Далее оператор вводит новое значение этого числа (по умолчанию оно сохраняется), в соответствии с которым происходит изменение значений приращений программных параметров на г-м отрезке (абсолютные значения программных параметров во всех узловых точках, естественно, сохраняются).
Корректировка программных контуров. В процессе работы с манипуляторами выяснилось, что датчики относительного положения звеньев могут «сбиваться». Это выражается в изменении показаний датчиков при выводе соответствующих звеньев в определенные относительные положения (заданные в угловых единицах), что при исполнении движения приводит к ошибкам позиционирования схвата， Для борьбы с нпмп в системе предусмотрена корректировка. Напри- мер, выяснилось, что сбился датчик г-й степени свободы. Тогда соответствующее звено выводится в упор при определенном значении управляющего воздействия и снимается соответствующее показание датчика. Оно сравнивается с показанием датчика, которое было до того, как он сбился. Затем происходит автоматическое изменение программных значений угла i-й стеиени свободы на полученное рассогласование. Поскольку программные значения углов во всех узловых точках, кроме первой, хранятся в относительной форме (в виде приращений), то это изменение происходит только в первой узловой точке.
Заметим, что, несмотря на свою простоту, такой способ корректировки программных значений углов оказался достаточно эффективным и неоднократно использовался в проведенных экспериментах по сборке масляного насоса [1].
Программы модуля задания и редактирования программных контуров занимают приблизительно 11 900 слов управляющей ЭВМ, используемые массивы ——порядка 5300 слов.
МОДУЛЬ ЗАДАНИЯ
И РЕДАКТИРОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ
Значения коэффициентов следящей системы [4] хранятся в отдельном файле на магнитном диске. Описываемый модуль позволяет прочитать этот файл в памяти ЭВМ, а также записать его на магнитный диск.
Для организации редактирования есть возможность просмотра значений коэффициентов в памяти ЭВМ и в случае необходимости замены одних значений другими.
Модуль задания и редактирования коэффициентов следящей системы занимает объем памяти порядка 3800 слов управляющей ЭВМ, используемые массивы — приблизительно 3700 слов.
МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКОЙ
Модуль управления автоматической сборкой может выполнять следующие основные функции: исполнение плана сборки, исполнение отдельной сборочной операции, исполнение движения, проверка
о (ЕТХ)-ПУСК С РОСП 1-ПУСК БЕЗ РОСП 2~ВЫХОД ЗТ1ЕЧ О IFRC
579
627
675
566
487
295
248
167
0
342
414
704
546
382
575
459
IFRP
579
627
■676
566
487
295
248
231
233
342
414
704
546
382
575
459
257
259
263
268
IDT =37
37
-1-CNDE 2-ОР '3-NO 4-MOVE 5—NSD
6-NTD 7-NYD 8-MFP 9-ИСП ОДН ВЕРШ СБ IQ-СТОП
11-Ш, IR, . . . 12-SNS 13-CND 14—NTN 15-NKD-
16-СЖАТЬ ПРАВ 17-РАЗЖАТЬ ПРАВ 18-СЖАТЬ ЛЕВ 19-РАЗЖАТЬ ЛЕВ 20-НЛЧ ПОЗА 21-ИСПОЛН ПЛАНА СБОРКИ^ -17'
-15
—1 ? 24
—5*
—1 ?_0_
CNDE (1), ФЛАГ ВЫХОДА= 0 ?_6_
ВЫШЛИ ИЗ MOVE ； IFC =6—
-21—
НАЧАЛЬНАЯ ВЕРШИНА ПЕРЕХОДА ?_3_
ПЛАН СБОРКИ ИСПОЛНЕН ФЛАГ ^Ь1ХОДА О T9
НОРМАЛЬНЫЙ КОНЕЦ
NPR 工 2 ISTOP= 5 ЧИСЛО РАБОЧИХ ТАКТОВ 010526
О (ЕТХ)-ПУСК С РОСП 1-ПУСК БЕЗ РОСП 2-ВЫХОД 3-ПЕЦ
Рис. 5. Пример диалога с модулем управления автоматической сборкой
Подчеркнут текст, вводимый оператором
условия. Как и модули задания и редактирования данных, модуль управления автоматической сборкой реализован в виде диалогового монитора, который в зависимости от директивы, вводимой оператором с терминала, передает управление на выполнение одного из действий.
При передаче управления этому модулю сперва запускается следящая система [4], управляющая движением манипуляторов, со значениями программных параметров, равных показаниям датчиков положения звеньев манипуляторов. Последующий диалог с оператором происходит в фоновом процессе.
Пример диалога оператора с модулем управления автоматической сборкой показан на рис. 5. Исполнение отдельных сборочных операций, движений и проверка условий могут быть использованы в целях отладки.
Рассмотрим функции модуля управления автоматической сбор- асой, выполняемые в фоновом процессе.
Исполнений плана сборки. Для запуска плана сборки в фоновом процессе AGG вызывается программа ASS: GALL ASS (NA, IFA), где NA ——номер вершины плана сборки, с которой следует начинать сборку (значение NA вводится оператором с пульта перед обращением к программе ASS); IFA — выходной параметр (код ответа программы ASS). Значение IFA указывает, как закончилось исполнение плана сборки. Например, значение IFA = —1 соответствует аварийному окончанию (некорректные данные, сбои в работе программ более низкого уровня и т. п.)
При выполнении программы ASS (рис. 6) сперва в счетчик текущей вершины LV пересылается номер начальной вершины NA. Затем анализируется значение первого параметра (который обозначим через NO) вершины LV плана сборки. Если NO = 0, то процесс сборки оканчивается и формируется код ответа IFA, равный значению второго параметра вершины LV. В противном случае (NO，0) формируется массив МР фактических значений параметров операции NO, указанных в описании вершины LV. После этого осуществляется обращение к подпрограмме ОР, исполняющей операцию NO с параметрами МР. Перед выходом из подпрограммы ОР формируется код ответа операции IFO. Если после выхода из подпрограммы ОР значение IFO 丞［0T NFO —И (здесь NFO — число ребер, выходящих из вершины LV плана сборки), то процесс сборки прекращается со значением кода ответа IFA = —1. Если же IFO 三［0. NFO — 1J, то по значению IFO определяется номер вершины перехода плана сборки Vifo, который пересылается в счетчик текущей вершины LV, и т. д.
Исполнение операции. Исполнение операции запускается в фоновом процессе AGC вызовом программы ОР:
GALL OP (NO, МР, IFO).
При работе программы ОР (рис. 7) первоначально в счетчик текущей вершины LV засылается 1 и затем в цикле происходит интерпретация текущей вершины в плане операции. С этой целью отыскивается адрес области массива МЕО, содержащей описание вершины LV. Если первый элемент (ячейка) it описания вершины LV содержит нуль, то исполнение операции оканчивается с кодом ответа IFO, которому присваивается значение, содержащееся во втором элементе % описания вершины LV. Если же ^ :# 0, то определяются значения параметров, необходимых для исполнения движения, приписанного текущей вершине: из описания вершины выбираются номер способа движения NSD, номер типа движения NTD, номер типа начала движения NTN, номер условия движения NC и формируются фактический номер контура движения NKD и массив фактических параметров MFP, используемых при проверке условия NG. Заметим, что фактический номер контура движения н фактические значения параметров условия выбираются либо из описания вершины LV в массиве МЕО, либо из массива МР параметров подпрограммы
OP ——в зависилюсти от того, являются ли онп фактическими или ^формальными параметрами операции NO.
Если фактический номер контура движения NKD 声 0, то происходит исполнение движения путем обращения к подпрограмме MOVE. При выходе из этой подпрограммы формируется код ответа IFM, в зависимости от значения которого происходит переход по плану операции. Если IFM 上 |0, NFD — 1] (где NFD — число ребер, выходящих из вершины LV), то исполнение операции прекращается с кодом ответа IFO = —1. Если же IFM三[О, NFD — 1], то ло значению IFM определяется номер вершины перехода плана операции Vifai, который пересылается в счетчик текущей вершины LV, и процедура исполнения текущей вершины повторяется.
Если NKD — 0, то подпрограмма MOVE не вызывается (т. е. не исполняется никакое движение), а при помощи обращения к подпрограмме GND проверяется условие NG с фактическими параметрами MFD. Код ответа условия IFG интерпретируется точно так. же, как и код ответа движения IFM. Эта возможность обеспечивает организацию проверки условий, не связанных с движениями, например, счетчики циклов и т. д.
Исполнение движения. В фоновом процессе AGG исполнение движения запускается вызовом программы MOVE:
GALL MOVE (NKD, NSD, NTD, NTN, NG, MP, IFM).
При запуске работы программы MOVE (рис. 8) первоначально 、 происходит распаковка контура NKD, в ходе которой формируется «абсолютная» начальная точка контура, записанная в массиве IQ (эта точка заносится в так называемый буфер начальных программных значений), а также таблицы приращений IDP1, IDP2, IDN, NX. После этого в соответствии с заданный типом движения NTD для всех степеней свободы робота заполняется открытый буфер параметров (коэффициентов) следящей системы [4]. Затем в соответствии с заданным номером типа начала движения NTN корректируется начальная точка: для каждой степени свободы, задействованной в исполняемом контуре, в качестве начального программного значения берется либо абсолютное значение, полученное при распаковке контура, либо то программное значение, которое было получено после завершения исполнения предыдущего контура, либо значение текущего показания датчика положения соответств>гющего звена.
После заполнения открытого буфера параметров (коэффициентов) ^следящей системы и буфера начальных программных значений происходит переключение основного процесса на использование этих значений [4] и начинается отслеживание начальной точки контура (по всепв степеням свободы следящая система будет работать в режимах, определенных типом движения NTD).
Затем начинается собственно исполнение движения. Если задан контурный способ движения (NSD = 1)т то запускается исполнение контура [4] и осуществляется обращение к программе GND для проверки условия NG с фактическими параметрами МР. После выхода
из программы CND исполнение движения считается законченным и происходит выход из программы MOVE с кодом ответа IFM, значе- нпе которого полагается равным значению кода ответа условия IFC.
Если задан позиционный способ движения (NSD = 0), то выполняются следующие действия. Проверяется условие NC с параметрами МР. Если значение кода ответа условия IFC 声 0, то происходит выход из программы MOVE, со значением кода ответа IFM — =IFC. Если IFC = 0, то проверяется, подана ли на исполнение последняя узловая точка контура. Если это так, то происходит выход из программы MOVE со значением кода ответа IFM = IFC = 0. В противном случае формируется следующая узловая точка контура:
IPH = IP1C + IDN-IDP1 + NX;
1Р2Н = IP2C + IDN-IDP2.
Здесь 1Р1С и 1Р2С — значения программных параметров в «ста - рой» узловой точке; 1Р1Н и 1Р2Н —— их значения в «новой» узловой точке. Значения IDN, IDP1, IDP2 и NX имеют тот же смысл, как и. указано выше (индексы опущены).
Сформированная узловая точка контура подается на исполнение следящей системе, осуществляется обращение к программе CND с теми же значениями параметров МР и т. д.
Проверка условия. Запуск проверки условия осуществляется в фоновом процессе вызовом программы CND:
CALL CND (NC, МР, IFC).
Эта программа работает следующим образом (рис. 9). В счетчик номера текущей вершины LV засылается единица, а затем в цикле происходит исполнение текущей вершины в плане условия.
Сначала из описания вершины LV выбираются NEC — номер элементарного условия, приписанного данной вершине, и NP —— число параметров элементарного условия NEC. Если NEC = 0, то проверка условия заканчивается со значением кода ответа IEG = = NP. В противном случае (NEC 声 0) происходит заполнение массива фактических параметров MFP, необходимых для проверки элементарного условия NFC. Значения этих параметров выбираются либо из массива, содержащего описания планов условий, либо из массива МР — в зависимости от того, описаны ли они в плане условия как фактические или как формальные.
Затем происходит проверка элементарного условия NEC с параметрами MFP. Элементарное условие проверяется путем обращения к специальной программе проверки элементарного условия (эта программа определяется номером NEC). При выходе из этой программы формируется код ответа IFEC, значение которого указывает на результат проверки элементарного условия. После этого в программе CND проверяется корректность значения IFEC. Если IFEC^ 丞［0, NFC ——1］, где NFC — число ребер, выходящих из вершины LV плана условия, то происходит выход из программы CND со значением кода ответа IFC = —1. В противном случае (IFEC 三［0,
NFC —— 1]) по значению IFEC определяется номер вершины плана условия %fec, на которую нужно совершить переход. Номер этой вершины объявляется текущим (пересылается в счетчик LV), и цикл исполнения текущей вершины повторяется.
Программы модуля управления автоматической сборкой занимают в совокупности объем памяти около 11 200 слов (с учетом программ следящей системы), а необходимые массивы ——примерна 13 000 слов.
* * *
Эксперименты, проведенные с АСС, позволилп сделать следующие выводы о работоспособности ее программного обеспечения.
Принятая форма диалога при работе с АСС удобна, а возможность использования для задания информации «хореографического» программирования упрощает задачу планирования работы робота.
Используемые структуры данных позволяют организовать гибкий аппарат задания и редактирования последовательности движений сборочного робота, необходимый для решения той или иной задачи.
Применение аппарата формальных параметров значительно облегчает многократное использование планов операций и условий (например, на различных этапах сборки с различными значениями параметров), позволяет легко и быстро подбирать требуемые значения параметров.
Модульный принцип организации программного обеспечения АСС значительно упрощает его создание и отладку, позволяет вносить исправления в отдельные модули, не затрагивая другие, и легко включать в систему новые.
Программное обеспечение АСС реализовано на мннн-ЗВМ M600Q и позволяет как подготавливать (планировать) программные движения робота, так и выполнять их в реальном масштабе времени в основном рабочем режиме (режиме автоматической сборки).
ЛИТЕРАТУРА
Охоцимский Д. Е., Платонов А. Я., Смольянов Ю. 〃•, Гримайло С. 〃., Камынин С, С,, Кугушев £. И. Исследование многооперационной сборки с помощью экспериментальной робототехнической системы.— Наст. сб.
Смольянов К). 〃., Вахлин В. В., Волков А. В.^ Гримайло С. И— Донцов В. Е., Кугушев Е. И.、Соколов С. М^ Лабораторный макет сборочного робота.— Наст. сб.
Охоцимский Д. £., Гримайло С, 〃., Камынин С. С.、Кугушев Е. 〃., Соколов С. М., Толстоусова В. Г. Использование визуальной информации в задачах автоматической сборки.— Наст. сб.
Охоцимский Д. Е., Смольянов Ю. Л., Барбашова Т. ф., Гр имайло С.瓦, Камынин С. С., Кугушев Е. И., Ярошевский В. С. Цифровые следящие системы для управления движением роботов.—— Наст. сб.
Lindbom Т. Н. Today's robots at work in industry.— In: Matching symp. on industr. robots, Chicago (Ill.), 1972. Chicago: Chicago Univ, press, 1972, p. 367-378.
Платонов A. К., Лазутин Ю. М.ч Павловский В. E., Ярошевский 3, С. Организация системного математического обеспечения для задач робототехники.—В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 3, с. 36—37.
УДК 007.52_62-52.503
ЦИФРОВЫЕ СЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ
ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ РОБОТОВ
Д< Е. Охоцимский, Ю. IL Смольянов, Т. Ф, Барбашова.
С. И. Гримайло, С. С. Камынин, Е. И. Кугушев, В. С. Ярошевскии
Следящая система ——один из основных модулей программного обеспечения цифровой системы управления робота. С ее помощью осуществляется непосредственное управление его степенями свободы. Именно от характеристик данного уровня управления зависят прежде всего динамические и точностные характеристики робота.
Цифровая система управления предполагает такое управление роботом, при котором все датчики положения передают информацию в вычислительную машину, а все управляющие воздействия рассчитываются программой. Такая схема приводит к большой гибкости в оптимизации управления.
При разработке следящей системы необходимо обеспечить: высокую точность отработки заданного программного движения; отсутствие выходящего за пределы заданной точности перерегулирования в точке позиционирования (перерегулирование, приводящее к «перебегу» в точке позиционирования, может привести к аварийным ситуациям);
надежную фиксацию манипулятора в точке позиционирования.
Заметим, что управление в реальном масштабе времени заставляет придерживаться принципа минимальной сложности алгоритма следящей системы.
Указанные требования были учтены в алгоритмах цифровых следящих систем, разработанных в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР и предназначенных для управления электроприводами постоянного тока: в алгоритме следящей системы, используемой для управления лабораторным макетом сборочного робота [1—6], а также в алгоритме следящей системы, используемой для управления промышленным роботом РК-1 [7—9].
ПРОЦЕССЫ
В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТА
При работе системы управления следящая система действует непрерывно: или отрабатывая заданное программное движение, или поддерживая манипулятор в фиксированном положении. Одновременно с этим система управления должна выполнять ряд других операций, связанных с управлением роботом (интерпретировать программу функционирования робота, формировать задание для следящей системы, выполнять арифметические и логические операции, поддерживать связь с оператором и т. д.). Поэтому необходима организация двух взаимодействующих процессов.
В принципе эти процессы можно было бы реализовать на двух независимых процессорах, связанных общими регистрами и памятью.
Однако мы остановили свой выбор на системе управления с однопроцессорной ЭВМ, поскольку такая система более дешевая по сравнению с многопроцессорной. В этом случае процессор управляющей ЭВМ попеременно выполняет команды каждого из процессов.
В первом процессе происходит исполнение заданного программного движения (работает следящая система). Входом в этот процесс служит описание движения, которое требуется исполнить.
Фиксацию робота в заданном положении можно рассматривать как частный случай движения.
С точки зрения деления времени работы процессора ЭВМ следящая система — основной процесс, управление которому передается с определенной частотой по времени. Эта частота является частотой прерываний от таймера.
Во втором процессе происходит интерпретация программы функционирования робота, формирование заданий для следящей системы и запуск соответствующих программных движений на исполнение в первом процессе. Второй процесс —— фоновый. На его исполнение отводятся отрезки времени, остающиеся от работы основного процесса.
Реализация работы параллельных процессов осуществляется следующим образом. При запуске включается таймер и начинает работать программа фонового процесса.
Интервал времени между двумя последовательными прерываниями от таймера будем называть тактом управления. На каждом такте управления выполняется следующий алгоритм:
запоминается состояние фонового процесса;
запускается программа основного процесса (программа следящей системы);
если работа программы основного процесса заканчивается до следующего прерывания от таймера, то восстанавливается состояние фонового процесса, который продолжает свою работу до следующего прерывания от таймера; если программа основного процесса не успевает выполниться за один такт управления (до следующей готовности таймера), то происходит аварийный останов.
Такан реализация работы параллельных процессов позволяет обойтись вычислительными возможностями однопроцессорной ЭВМ, достаточно проста й удобна.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ
Рассмотрим различные методы управления движением манипулятора, определяющие тип используемой следящей системы. Существуют три основных метода управления:
позиционный, обеспечивающий установку манипулятора в заданную позицию;
контурный, обеспечивающий перемещение манипулятора по заданной траектории;
комбинированный, сочетающий функции позиционного и контурного методов управления.
Помимо указанных основных методов управления, можно выделить также дополнительные режимы, например колебания (степень свободы манипулятора совершает колебания с малой амплитудой около заданной программной позиции), силовое воздействие и т. д. Использование этих режимов может оказаться эффективным при выполнении роботом ряда специфических задач. Так, колебательные движения сокращают время сопряжения деталей в процессе автоматической сборки.
Рассмотрим подробно основные методы управления —— позиционный и контурный.
Позиционный метод управления, С помощью этого метода управле* ния решается задача перемещения манипулятора в заданную позицию с возможно большей точностью, причем движение между двумя позициями может происходить без точного регулирования траектории, что позволяет осуществлять независимое управление движением каждой степени свободы.
Помимо целевой позиции, для каждой степени свободы обычна указывается значение желаемой скорости перемещения. Программное движение каждой степени свободы состоит в перемещении степени свободы с заданной скоростью и переключении электропровода на медленную («ползучую») скорость при подходе к заданной позиции.
Позиционные системы выполняются с поочередным перемещением степеней свободы при выходе в заданную позицию или с возможностью перемещения одновременно по нескольким степеням свободы. Например, для роботов, работающих в цилиндрической системе ко- орапнат, поочередное перемещение степеней свободы осуществляется обычно в следующей последовательности: подъем (опускание) руки^ поворот рукит вытягивание (втягивание) руки, поворот кисти.
Системы с поочередным перемещением степеней свободы более просты, но менее производительны, так как увеличивается время по- зиционирования. Поэтому для универсальных роботов желательна иметь одновременное управление по всем степеням свободы.
При позиционном методе управления сложное движение может быть реализовано путем последовательных перемещений манипулятора из одной позиции в другую («от точки к точке»). Так как выбор промежуточных позиций часто определяется только лишь из условия несоприкосновения с препятствиями, то точность позиционирования в этих точках может быть невысокой.
Позиционные системы просты по своей реализации и в большинстве случаев достаточно эффективны при выполнении роботом таких операций, как обслуживание станков, прессов, печей, сборка и точечная сварка.
Контурный метод управления. Этот метод обеспечивает достаточно высокую точность воспроизведения заданной траектории движения манипулятора. При этом необходимо одновременное синхронизированное управление ио всем степеням свободы.
При контурном методе управления информация о требуемой тректории задается в виде конечного числа узловых (опорных》
точек. Кроме того, указывается значение желаемой контурной скорости.
Расчет непрерывной траектории осуществляется путем интерполя- ции между узловыми точками по определенном^7 алгоритму (чаще всего по линейному). Получаемые таким образом данные о программном движении отрабатываются в режиме слежения.
Контурные системы находят основное применение не б случае ■использования робота для обслуживания технологического оборудования а при выполнении им самим технологических операций, таких, как выполнение дуговой сварки, газовой резки, нанесение покрытий и т. д.
ПОЗИЦИОННАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА СБОРОЧНОГО РОБОТА
Одмн мз алгоритмов позиционной следящей системы отрабатывался на лабораторном макете сборочного робота [1]. В его состав входят два антропоморфных манипулятора УЭМ-2, разработанных в МВТУ им. Н. Э. Баумана. Каждый манипулятор имеет шесть степеней свободы и седьмую ——в схвате* Положения звеньев манипуляторов определяются с помощью потенциометрических датчиков ПТП-11, установленных в сочленениях. Сигналы обратной связи с этих датчиков передаются в процессор управляющей мини-ЭВМ М6000 через 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Степени свободы манипулятора приводятся в действие электродвигателями постоянного тока типа ДПМ (три двигателя ДПМ-35 и четыре ——ДПМ-25). Один из двигателей ДПМ-25 служит для управления схватом. Управление двигателями осуществляется путем лшротно-импульсной модуляции питающего напряжения.
В качестве управляющего параметра используется относительная продолжительность импульса т =力ц/Т, где 方п ——длительность импульса, Т — период. Управление т может принимать 64 различных значения (без учета знака), равномерно расположенных на отрезке от 0 до 1. С учетом знака возможны следующие значения т: 0, +1/63, ±2/63, . . ., ±63/63* Частота импульсов v = 1/Т постоянна и равна 1500 Гц.
Для того чтобы подать на электродвигатели требуемые управляющие сигналы, необходимо заслать соответствующие коды на регистры генератора управляющих сигналов. Аппаратная реализация такова, что заданные управляющие сигналы подаются на электродвигатели до тех пор, пока на регистры не будут засланы другие коды.
Исходя из специфики задач, решаемых сборочным роботом, для его управления был выбран позиционный метод, имеющий более простую по сравнению с контурным реализацию и вместе с тем отличающийся достаточно высокой универсальностью. Разработка позиционной следящей системы сборочного робота прошла несколько этапов. Первоначально был использован наиболее простой алгоритм, реализующий пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) положения [2]. ,
В дальнейшем все рассуждения будем проводить для одной степени свободы, поскольку влияние различных степеней свободы друг на друга можно рассматривать как действие некоторой внешней силы (возмущения).
Уравнение непрерывного ПИ-регулятора положения записывается в виде
оо
где т ——управление;(р3 ——заданное программное значение позиции; 屮订 п Зи ——измеренные значения позиции и скорости; А1—Л:4 — поло жите л ь ные коэффициенты усиления.
Предполагается, что | т | ^ 1. Поэтому еслп по формуле (1) получилось, что I 工 I〉1, то значение т полагается равным 1 с соответствующим знаком.
Такой регулятор действует быстро благодаря пропорциональной составляющей и является астатическим благодаря интегральной составляющей.
Рассмотрим дискретный аналог следящей системы. Такту управления между n-м и (п + 1)-м прерываниями от таймера присвоим номер п. На этом такте выполняются следующие действия:
опрос датчика положения управляемой степени свободы (показание- этого датчика обозначим фи) и вычисление значения скорости движения з；； (она определяется как приращение показания датчика положения за один такт управления, отнесенное к продолжительности этого такта △力 ①^ =屮2 ——Ф^/А^； в экспериментах принималось △方=33 мс);
вычисление значения управления тп;
выдача управления тп на регистры генератора управляющих сигналов.
Дискретный аналог формулы (1) может быть записан в виде системы уравнений
ТП = к]*рп —厶2 ①普 + С"Т,
Cn =e吁1+ а'з^фП —左4①之&，
где Д(рп = 6 — Фи.
Так же как п для непрерывной модели, значение т ограничивается условием I т I ^ 1. Аналогичная процедура проделывается для с.
Коэффициенты следящей системы для каждой степени свободьр выбираются на основании экспериментальных исследований динамики позиционирования манипуляторов. В случае цифровой следящей системы регулирование значений этих коэффициентов не представляет никаких трудностей.
Следящая система была реализована в виде программы на миниЭВМ М6000. Алгоритм следящей системы оказался достаточно экономичным и эффективным. Его использование обеспечило точность. г позиционирования не хуже одной единицы АЦП и позволило осуще-
ртвитЕ автоматическую сборку сравнительно сложных промышленных узлов [3].
Однако отсутствие возможности задания и отслеживания скорости перемещения манипуляторов привело к тому, что движения при переходе от точки к точке получались недостаточно плавными. Возможность отслеживания заданного значения скорости требует наличия в следящей системе дополнительного регулятора ——регулятора скорости. Но для манипулятора УЭМ-2 число возможных градаций измеряемой скорости перемещения каждой степени свободь! не превосходит 4 (приращение показания датчика положения за один такт управления не превосходит 4 единиц АЦП).
Использование регулятора скорости в данном случае представляется нецелесообразным, поскольку высокоточного отслеживания скорости получить не удается. Возможность регулирования скорости (без точного ее отслеживания) может быть получена при отслеживании программной позиции, изменяющей свое положение с течением времени и постоянно приближающейся к заданной конечной программной позиции. Алгоритм цифровой следящей системы с «бегущей» программной точкой ——результат второго этапа разработки следящей системы сборочного робота.
ПОЗИЦИОННАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМАС «БЕГУЩЕЙ» ПРОГРАММНОЙ ТОЧКОЙ
Рассматриваемая следящая система [4] включает программный блок, вычи сляющий координаты «бегущей» программной точки 屮卩= =屮卩(%)，и ПИ-регулятор, отслеживающий координаты и скорость перемещения этой точки.
Уравнение непрерывного ПИ-регулятора имеет вид, аналогичный выражению (1). Однако, поскольку в данном случае программное -значение скорости отлично от нуля, в него, помимо рассогласования по позиции, должно входить также рассогласование по скорости
T = "1 (фp ——(fn) + "2 ®0 ——зи)十左3 \ (屮卩——^u)加 + 0
+ 自、(3n-o)H)d^T(2)
о
тде 屮〃 一текущее программное значение позиции; ①卩一текущее программное значение скорости.
Рассмотрим дискретный аналог следящей системы.
Формирование координат «бегущей» точки осуществляется линейной интерполяцией по времени между каждыми двумя соседними элементами последовательности «опорных» точек 屮^ ——заданных ” программных позиций (индекс 兀》1 —— номер опорной точки). Шаг по координатам определяется на основе числа тактов управления, отводимых на перемещение «бегущей» точки от одной программ- лой позиции к др5ггой. Пусть Nk ——число тактов, в течение которых 128
фГ.фГ.129129
фГ.
фГ.
129
129
эта точка должна переместиться из позиции фз в позицию Тогда шаг будет определяться выражением
Дфз =(屮胃一■ E)/n"・
При запуске на исполнение программного движения первоначально происходит заполнение интерполяционных таблиц значениями шагов А(рз. Затем на каждом такте управления в течение Л'1 тактов координаты «бегущей» точки изменяются на А(р^ (начиная со значения 屮^), в течение N2 тактов ——на Афз и т. д. до тех пор, пока не будет достигнута конечная программная позиция.
Таким образом, изменяя значения 八叱 можно варьировать скорость перемещения программной точки и тем самым регулировать скорость движения робота.
Дискретный аналог формулы (2) имеет вид
严=&А 旷 + 亀Ag? + М—
cn = c'i + Ar3A(pn + BAg严 A%
где Acp" = q)o ——фи； (Po ——программное значение позиции на такте п, полученное по алгоритм}7 ^бегущей» программной точки; Люп — =嗚一(о；；; (Ор = (фр —(р；т)/А九
Такой алгоритм следящей системы позволил повысить плавность движения робота, а также изменять в широких пределах скорость его перемещения. Система, управляющая 16 степенями свободы, занимает 2 К слов памяти. Для мини-ЭВМ М6000 среднее время вычислений, приходящееся на одну степень свободы, составляет 1,5 мс.
Качество отслеживания можно оценить на основе шлейфа движе-, ния ——таблицы значений различных параметров движения для каждого такта управления. Шлейф накапливается в памяти ЭВМ в процессе работы системы.
Позиционирование в конечной программной точке исполнялось с точностью в одну единицу АЦП. Точность отслеживания траектории тестировалась при движении по синусоидальной траектории и составляла 2—3 единицы АЦП (продолжительность такта управления А方 выбиралась от 20 до 40 мс). Как видим, по своим характеристикам рассматриваемая следящая система приближается к контурной.
Как указывалось выше, при выполнении роботом ряда специфических задач может оказаться полезным использование дополнительных режимов управления. В рассматриваемой следящей системе илгеется пять режимов [41：
пустой режим (степень свободы не управляется);
основной режим (происходит отслеживание программной точки в соответствии с описанным выше алгоритмом);
линейные колебания (степень свободы совершает колебания около заданного программного положения, которые ^организует разрегулированная линейная следящая система; такой режим необходим для организации поисковых движений при сопряжении деталей);
5 Заказ № 1450
программные колебания (как и в случае линейных колебаний, степень свободы совершает колебания около заданного центрального, программного положения, однако в данном случае колебания организуются вариациями программного положения, отслеживаемого по алгоритму позиционной следящей системы);
силовое воздействие (реализуется двухступенчатое кусочно-постоянное периодическое изменение управления во времени: два управляющих сигнала периодически сменяют друг друга через заданные промежутки времени; режим используется для организации ударных движений, а также для получения поджатия).
Следящая система может управлять движением каждой степени свободы в своем режиме, который может быть в любой мопент изменен программным путем. Это обеспечивает простоту и гибкость при организации специализированных сборочных движений.
Следящая система с «бегущей» точкой использовалась для управления лабораторным макетом сборочного робота, с помощью которого проводилась автоматическая сборка некоторых промышленных узлов и изделий (в частности, масляного насоса [6], а также кор^ пуса картера).
ПОЗИЦИОННАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА
ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА
При разработке цифровой следящей системы, используемой для управления промышленным роботом РК-1 [8], была учтена специфика области его применения.
Промышленный робот РК-1 предназначен для обслуживания станков с числовым программным управлением, а также для сборки и точечной сварки. Его манипулятор имеет модульную конструкцию и работает в цилиндрической системе координат. Используемый вариант робота имеет пять степеней свободы и по одной степени свободы в каждом из двух схватов.
В качестве датчиков обратной связи в роботе РК-1 используются фотоэлектрические импульсные датчики модели BE 178. Показания этих датчиков поступают в процессор управляющей микро-ЭВМ «Электроника-60» через специальный интерфейс, в котором происходит преобразование числа импульсов с датчика в цифровой код, пропорциональный относительному перемещению соответствующей степени свободы [7].
-Степени свободы манипулятора приводятся в действие электродвигателями постоянного тока типа МУ-50. Управление двигателями осуществляется путем широтно-импульсной модуляции питающего напряжения, причем относительная продолжительность импульса с учетом знака может принимать значения: 0, 土％з, ±%з, • - • ..±бз/бз. Частота импульсов v = ЦТ постоянна и равна 400 Гц.
Так же как и для управления сборочным роботом, был выбран позиционный метод управления. В данном случае, однако, помимо вывода робота в заданную позицию, имеется возможность высокоточного отслеживания скорости, поскольку число различных значе-
ний скорости перемещения каждой степени свободы составляет не менее 100 (приращение показания датчика положения за один такт управления, продолжительность △方 которого для микро-ЭВМ «Электроника-60» постоянна и равна 20 мс, достигает 100 дискрет).
Необходимость поддерживать заданную программную скорость II обеспечить выход в заданную позицию требует использования в следящей системе двух регуляторов ——регулятора скорости и регулятора положения. Организация работы этих регуляторов может быть осуществлена двумя различными способами:
регуляторы работают последовательно;
один из регуляторов является внутренним по отношению к другому, и оба регулятора работают одновременно в течение всего времени движения.
Следящая система с последовательно работающими регуляторами. В данном случае на первых двух участках траектории (разгон и движение с постоянной скоростью) степень свободы управляется регулятором скорости, а на последнем (торможение) — регулятором положения. Переход от движения с постоянной скоростью к торможению осуществляется вблизи заданной точки позиционирования.
Для создания эффективно действующей следящей системы необходимо выбрать подходящие регуляторы и тщательно настроить их. Наиболее просты и эффективны для этих целей ПИ-регуляторы, получившие широкое распространение.
Уравнение непрерывного ПИ-регулятора скорости можно представить в виде
Т =任 ®з — о)и) + 危 \(Зз — 3口) d% (3) о
а уравнение непрерывного ПИ-регулятора положения записывается следующим образом:
х = кI ((Р3 --(pij -归23h + 归3 \ (屮3 --tри) d方--кi ^(ои d方， (4) о о
где Зз —— заданное значение скорости; А：!，А^，归; 一 к*—— положительные коэффициенты усиления.
Значение т на различных участках траектории движения вычис- ляется либо по формуле (3), либо по формуле (4) в зависимости от того, какой из регуляторов работает. Значения т и с в этих формулах ограничиваются условиями | т | ^ 1 и | с | ^ 1.
Следящая система с внешним и внутренним регуляторами. В случае, когда один из регуляторов является внутренним по отношению к другому, внешний регулятор формирует текущее значение программного параметра, которое отслеживается внутренним регулятором.
Обычно внутренним является регулятор скорости, а внешним — регулятор положения, который формирует значение текущей программной скорости. По мере приближения к заданной точке позиционирования программная скорость уменьшается до нуля.
Внутренний непрерывный ПИ-регулятор скорости описывается соотношением
т = ki (<0р •—s】i)+ 屈 §(8р — о%)也，(5)
о
где (Ор — текущее программное значение скорости, формируемое внешним регулятором положения.
Уравнение внешнего регулятора положения может иметь следующий вид (предполагается, что всегда(о3〉0):
(仇 sign Дер при I Д(р|> А%,(6)
，I Aq(R — фи) прн I *^ф I ^ Афт»
где 厶屮=ср? —(рп； Д(рт = (Оз/^о — рассогласование по позиции, определяющее момент начала торможения; к0 ——положительный коэффициент; sign г ——знак числа г.
Значение т всегда вычисляется по формуле (5).
При I 厶屮 I〉AcpT она совпадает с уравнением (3).
При I Аф I《Аф】 формула (5) может быть преобразована к выражению
соответствующему уравнению ПИ-регулятора положения (см. соотношение (4)) с коэффициентами
к] 归u^i； "2 '-'归1； 及3 归Q乃2； '4 '归2*
Оба рассмотренных способа организации работы регуляторов скорости и положения дают приблизительно одинаковые результаты и используются на практике в следящих системах роботов. Мы остановили свой выбор на следящей системе с внешним и внутренним регуляторами, поскольку она несколько проще с точки зрения программной реализации на ЭВМ.
Дискретный аналог. Рассмотрим дискретный аналог следящей системы выбранного нами типа. Такту управления между n-м и (п + 1)-м прерываниями от таймера дадим номер п. Последовательность действий следящей системы на такте п такая же, как у позиционной следящей системы сборочного робота.
При вычислении значения тп первоначально определяется значение текущей программной скорости во внешнем регуляторе положения
(о3 sign Д(рп при I А(рп| Дфт, _ s’— ^о.(фз —фи) при I Дсрп I < A(pTi ⑺
где Афп = фз — фи (рис. 1).
П®сле определения <о^ вычисляется значение 七也 во внутреннем регуляторе скорости, исходя из системы уравнений
七"=自(時一嗡)+成叫
(8)
Cn = C7T +后2 (①匕一就)△九
Вычисленные таким образом значения тп и сп проверяются на принадлежность отрезку [—1, 1]. В случае необходимости им присваиваются соответствующие граничные значения.
Система уравнений (7)——(8) совместно с начальным значением с° определяет алгоритм работы следящей системы в течение всего
Рис. 1. График зависимости w^ (A<f)
Рис. 2. График зависимости (о^ (Д<р) в обобщенном алгоритме следящей системы
времени движения. Значения со^, тп и сп вычисляются на каждом такте управления (в дискретные моменты времени 孔△厶 где п = 1, 2, 3,. . .) для всех управляемых степеней свободы манипулятора.
Обобщение алгоритма следящей системы. Предложенный алгоритм цифровой следящей системы, как показывают экспериментальные исследования, позволяет получить удовлетворительные характеристики процесса регулирования. Заданные значения программной скорости отслеживаются с достаточно высокой точностью. Процесс регулирования по позиции во всех случаях сходится монотонно.
Однако отсутствие свободы выбора кривой торможения (в данном случае это всегда наклонная прямая) ограничивает возможность получения оптимальных динамических характеристик движения при подходе к заданной позиции. Для того чтобы избежать перерегулирования в точке позиционирования, наклонную торможения приходится задавать слишком пологой, что приводит к увеличению времени позиционирования и уменьшению жесткости системы. Отсутствует возможность получения равнозамедленного торможения.
Для преодоления этих трудностей желательно допустить возможность задания произвольной, сколь угодно сложной зависимости текущей программной скорости (ор от рассогласования по позиции
Рис. 3. Зависимость текущей программной скорости ❿簽 и измеренной(ои от времени(
t^ /J* мс
Д(р на участке торможения. Однако непосредственное вычисление программной скорости в случае такой зависимости может привести к довольно большим затратам времени работы процессора управляющей ЭВМ, а табулирование этой зависимости — к большому объему занимаемой памяти. В данном случае наиболее целесообразно представление кривой торможения (рис. 1) в виде симметричной относительно начала координат ломаной, состоящей из отрезков нескольких прямых и непрерывно сопрягающей начало координат с отрезками горизонтальных прямых, определяющих участки движения с постоянной скоростью (рис. 2). Число отрезков прямых ломаной торможения подбирается экспериментально. Обычно достаточно иметь не более трех отрезков с каждой стороны от начала координат.
Рис. 5. Зависимость управления т и интегрального чле- на с от времени tРис. 5. Зависимость управления т и интегрального чле- на с от времени t
Рис. 5. Зависимость управления т и интегрального чле- на с от времени t
Рис. 5. Зависимость управления т и интегрального чле- на с от времени t
Каждый из трех отрезков кривой торможения ：может быть определен тремя параметрами. Два из них задают соответствующую наклонную прямую, а третий ——границу перехода от данного отрезка к следующему. Начало торможения определяется точкой пересечения кривой торможения с горизонтальной прямой 3刀=(о3 (или ①「= =——Зз). Фактически значение ①刀 всегда вычисляется по кривой торможения и ограничивается по модулю значением(о3.
Предложенный способ задания кривой торможения позволил варьировать ее форму в достаточно широких пределах. При проведении экспериментов была подобрана кривая торможения, обеспечивающая уменьшение времени позицпонирования и увеличение жесткости системы. Этого удалось добиться увеличением наклона отрезков прямых кривой торможения при подходе к точке позиционирования.
Для улучшения отслеживания скорости на крутых участках торможения в формулу для вычисления управления т во внутреннем регуляторе скорости был введен дифференциальный член. В результате получаем пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) скорости, уравнение которого в непрерывном случае имеет вид
Т = &1 (Wp'~ 円)+ “2 \(Зр — (ди)出 + “3 &(3@ — 0i)， о
где к3 ——постоянный положительный коэффициент.
Дискретный аналог ПИД-регулятора скорости описывается следующей системой уравнений:
тП -自(嗡一诚)+理一工+禽An,
产=乎-工+色(唠一党)十八，
где
Дп =觴一必-((0Г1 一 加 т»®・
В данном случае в формулу для вычисления интегрального члена введено дополнительное слагаемое, позволяющее ускорить получение н^^жного значения интегрального члена при изменении направления движения:
[Assigns% при sign <Dp =^= sign о)р-1
[0 в прогнвпом случае,
где к* — постоянный положительный коэффициент.
В зависимости от характера движения на разных участках траектории оптимальными могут оказаться различные наборы значений коэффициентов усиления регулятора скорости. Алгоритм следящей системы позволяет задавать оптимальные коэффициенты для участка движения с постоянной скоростью и для каждого из трех отрезков участка торможения. Выбор соответствующего набора значений коэффициентов осуществляется во внешнем регуляторе при вычислении значения текущей программной скорости.
Коэффициенты следящей системы подбираются экспериментально для каждой степени свободы. При этом необходимо обеспечить стабильную скорость движения и минимизировать перерегулирование в точке позиционирования.
Кроме того, регуляторы желательно сделать по возможности жесткими, что обеспечивает надежную фиксацию манипулятора в точке позиционирования (под жестким управлением понимается управление с большими коэффициентами усиления при сигналах рассогласования от заданного программного движения).・
Следящая система была реализована в виде программы на микро- ЭВМ «Электроника-60». Использованный алгоритм позволил обеспечить высокую точность отработки программных движений: точность позиционирования ±1 дискрет отсчета датчика положения; точность отслеживания скорости на участке движения с постоянной скоростью 10—15% от заданного^ значения.
Характер изменения управляющего сигнала н качество управления оценивались по экспериментальному шлейфу (рис. 3——5).
Программный модуль следящей системы совместно с необходимыми для его работы данными занимает приблизительно 1К байт памяти для управления восемью степенями свободы. Среднее время вычислений на одну степень свободы составляет 1 ——1,5 мс.
* * *
Подводя итог рассмотрению цифровых следящих систем для управления движением роботов, можно отметить следующее:
рассмотренные алгоритмы следящих систем обеспечивают высо* кую точность отработки заданного программного движения в услО' виях априорной неопределенности относительно характеристик ро~ бота и среды (т. е. при наличии возможных возмущений);
разработанные алгоритмы цифровых следящих систем являются быстрыми и компактными, что позволяет использовать их при организации управления робототехническими системами от мини- и микро-ЭВМ;
алгоритмы цифровых следящих систем могут быть легко модифицированы с целью оптимизации управления без изменения в составе и структуре связи аппаратных средств.
В частности, цифровые следящие системы позволяют легко регулировать значения коэффициентов усиления для различных степеней свободы при их настройке.
ЛИТЕРАТУРА
Смольянов Ю. 〃” Ватлин В. В.、Воакоз А. R, Гримайло С. 〃., Донцов В. Е., Кугушев Е. 〃., Соколов С. М. Лабораторный макет сборочного ро бота.— Наст. сб.
Гримайло' С. И. Система программирования и исполнения движения манипулятора, управляемого от ЭВМ: Препр. Нн-та прпкл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 95. AL, 1981. 28 с.
Вахлин В. _5., Гримайло С. И.、Допцов В. £., Камынин С. С., Смольянов Ю. 77., Соколов С. М. Эксперименты по сборке с помощью очувствленного робота. — В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минскг 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 3, с. 105—106.
Гримайло С. И.. Кугушев Е. И., Ярошевский В. С； Цифровая следящая система для управления манипуляторами в процессе сборки; Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 98. М., 4 982. 28 с.
Гримайло С. И. Программное обеспечение сборочного робота.— Наст. сб.
Охоцимский Д. £., Платонов А. &., Смольянов Ю. П., Гримайло С.〃., На- мынин С. С., Кугушев Е. 〃. Исследование многооперационной сборки с помощью экспериментальной робототехнической системы.— Наст. сб.
Смольянов Ю. П. Система управления робота: Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 125. М., 1983. 28 с.
Смольянов Ю. П., Гр имайло С. 〃.. 1\амынин С. С.. Кугушев Е. И. Цифровая следящая система для управления движением робота: Препр. Ин-та прикл> математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 103. М., 1983. 33 с.
Смольянов Ю. П., Гримайло С. И., Камынин С. С., Кугушев Е. И. Программное обеспечение системы управления робота: Препр. Ин-та прикл. математики им. V. В. Келдыша АН СССР № 51. М., 1984. 42 с.
УДК 007.52.621.01
МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СБОРОЧНЫХ РАБОТ
Н. А. Лакота, Л. Н. Петров
Одно из решений проблемы автоматизации сборочных работ в средне- и мелкосерийном сборочнолг производстве, для которых характерна частая сменяемость номенклатуры выпускаемых изделий,—— создание работотехнических комплексов. При этом особый интерес представляет использование в подобных комплексах электромеханических манипуляторов антропоморфного типа с зоной обслуживания и габаритными размерами, близкими к руке человека. Примером такого использования может служить робот-сборщик «Пума».
В МВТУ им. Н. Э. Баумана' накоплен определенный опыт в создании универсальных электромеханических манипуляторов типа У ЭМ. Первая модель (УЭМ-2) была апробирована в 1973 г. Ряд подобных манипуляторов продолжают модели УЭМ-5 и -20. Кроме того, для расширения функциональных возможностей данных моделей манипуляторов при работе с крупногабаритными изделиями была разработана телескопическая стойка ТС-10, позволяющая обеспечивать манипуляторам типа УЭМ дополнительную степень подвижности (перемещение вверх—вниз).
Характерная особенность манип^^ляторов типа УЭМ и телескопической стойки ТС-10 — высокая экономичность при минимальных массе и габаритах, что достигается в основном компенсацией статических нагрузок от силы тяжести подвижных звеньев с помощью пружинных механизмов.
Настоящая работа — результат обобщения опыта проектирования манипуляторов типа УЭМ, телескопической стойки ТС-10, а также пружинных механизмов для компенсации статических нагрузок в них.
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МАНИПУЛЯТОРЫ ТИПА УЭМ
Манипуляторы типа УЭМ имеют следящий электрический привод, антропоморфную кинематическую схему, компоновку приводов на звеньях со статической уравновешенностью конструкций подвижных звеньев и следующие технические характеристики:
УЭМ-2
УЭМ-5
У ЭМ-20
Грузоподъемность, кг
2
5
10 •
Число степеней подвижности
6
6
6
Размер подвижного звена, мм
плечо
360
385
700
предплечье
360
385
700
кисть
240
280
450
Угол поворота, градус
плечо
±140
±120
±140
предплечье
±105
±120
±105
кисть
±105
±120
± 105
Скорость поворота, градус в се
кунду“
плечо
70
36
26
предплечье
90
30
45
кисть
90
30
32
Угол качания, градус
плечо
±110
±90
±110
предплечье
±105
0+150
±110
кисть
±105
±100
±105
Скорость качания, градус в секунду
плечо
70
36
30
предплечье
90
36 ■
30
кисть
90
30
26
Диапазон раскрытия схвата, $ш
100
230
220
Точность позиционирования, aim
±3
±1
±5
Тип редуктора
планетарный
планетарный безлюфтовый
волновой
Тип электродвигателя
ДЛМ-25, ДПМ-35
ДПМ-30, ДПМ-35
ДПМ-35, СД-75, СД-250
Суммарная мощность приводов (номинальная), Вт
Тип датчика
50
100
750
положения
ПТП И
СП4-8
ПТП 11, ппмл
скорости
一
ДПМ-20
ТГП-ЗА
Масса, кг
18
40
130
Наиболее общие компоновочные решения данных моделей манипуляторов воплощены в манипуляторе УЭМ-2 [1], схема которого представлена на рис. 1, а.
Манипулятор содержит основание 7, к которому с возможностью поворота относительно оси I ——I прикреплена подвижная опора 2. К этой опоре с возможностью качания относительно оси II —II присоединено плечо 3, с которым взаимодействует двухзвенное предплечье: звено 4 обеспечивает качание предплечья относительно оси III—Ш, звено 5 — поворот предплечья относительно оси IV—IV. К звену 5 предплечья с возможностью качания относительно оси V—V присоединяется кисть 6, на которой с возможностью поворота относительно оси VI—VI установлен привод 7 сменного схвата 8・
Таким образом, манипулятор УЭМ-2, как и все модели УЗМ, представляет собой шарнирно-рычажный механизм с открытой семизвенной кинематической цепью, заканчивающейся охватом. При этом звенья в цепи соединены одноподвижными вращательными парами, которые обеспечивают ей шесть степеней подвижности: поворот и качание плеча; качание и поворот предплечья; качание и по* ворот кисти.
На рис. 1, а прямоугольниками обозначены приводы 9—2么 перемещающие подвижные звенья относительно указанных осей. Каждый привод представляет собой совокупность двигателя, редуктора и датчика обратной связи. С целью унификации узлов, удешевления конструкции и упрощения ремонтных работ в манипуляторе УЭМ-2 применяются всего два типа приводов.
Первый предназначен для обеспечения движений трех степеней подвижности: поворот и качание плеча и качание предплечья. Он включает в себя электродвигатель постоянного тока ДПМ-35, четырехступенчатый планетарный редуктор с передаточным числом Z = 910 и потенциометр обратной связи типа ПТП 11 с точностью 0,3%.
One. 1. Схема манипулятора УЭМ-2 (а) и узлов предплечья УЗМ~20 (6) и плеча УЭМ-5 (в)
А, В, С — размеры звеньев (плеча, предплечья и кисти соответственно); 1 —основание； 2 — подвижная опора; 3 — плечо; 4,5 — звенья предплечья; 6 — кисть, 7 — привод схвата; 8 — схват; 9—14 — приводы; 15 — тросовая передача; 16, /7 — пружинные механизмы; 18—20 — зубчатые колеса; 21 — кривошип; 22 — кулиса; 23 — пружина; 24 ——коническая зубчатая передача； 25 — гибкий элемент； 26 — ролик
Второй тип привода используется для остальных степеней подвижности и схвата. По своей структуре этот привод аналогичен предыдущему, но рассчитан на меньшую мощность: используются электродвигатель постоянного тока ДПМ-25 и редуктор с передаточным числом X = G90.
Высокие динамические показатели манипулятора УЭМ-2 достигаются за счет минимизации моментов инерции его подвижных звеньев путем компоновки приводов качания кисти, поворота и ка-
чания предплечья (73,12 и 77) с минимально возможным расстоянием до основания 7, что потребовало использования тросовой передачи 75, а также выполнения металлоконструкции подвижных звеньев из легких сплавов.
С целью улучшения энергетических и массогабаритных характеристик манипулятора на всех приводах его статические моменты, создаваемые весом конструкции подвижных звеньев, скомпенсированы следующим образом: на приводах качания и поворота кисти (73,74), а также поворота предплечья(72) путем компоновки узлов кисти и предплечья таким образом, что центр масс у первого лежит на пересечении осей качания V—V и поворота VI—VI кисти, а у второго — на оси поворота предплечья IV—IV;
на приводах качания плеча и предплечья (70, 77) с помощью пружинных механизмов 76 H 77, установленных на поворотной опоре 2 и подсоединенных к зубчатым колесам 18 и 19 указанных приводов;
на приводе 9 благодаря ориентации оси поворота по вектору гравитационного поля.
Пружинные механизмы статической разгрузки приводов качания плеча и предплечья выполнены идентичными в виде законченных узлов (рис. 2). Каждый механизм имеет на выходе зубчатое колесо 20, с кривошипом 21 которого взаимодействует кулиса 22. На ней установлена пружина 23, шарнпрно соединенная другим концом с осью кривошипа. Для настройки пружинного механизма на необ- ходимый статический момент ось кулисы выполнена с возмо/кностью регулируемого перемещения относительно корпуса пружинного механизма.
Манипулятор УЭМ-2 (рис. 3), как и все модели УЭМ, допускает
два варианта закрепления основания 1 в рабочей зоне: основанием вниз (напольный вариант, см. рис. 1, а) и основанием вверх (подвесной вариант). В обоих случаях закрепления основания необходима ориентация оси I ——I поворота плеча по вектору гравитационного лоля и соответствующая настройка пружинных механизмов 16 и 77.
Компоновочные решения плечевого узла и пружинных механизмов у манипуляторов УЭМ-2 и -20 одинаковые. Основное отличие манипулятора УЭМ-20 связано с компоновкой привода 14 поворота кисти на звене 5 предплечья (рис. 1, 6). Такая компоновка позволяет существенно уменьшить габариты кистевого узла, что способствует
Рис. 3. Манипулятор модели УЭМ-2
увеличению углов сервиса. При этом для устранения кинематических взаимосвязей между качанием и поворотом кисти применяется дифференциальная развязка [2], решенная путем шарнирной установки привода 14 поворота кисти на звене 5 предплечья, соединения его с приводом 13 качания кисти и использования конической зубчатой передачи 24.
Все приводы манипулятора УЭМ-20 построены на основе двух видов волновых редукторов: по схеме с неподвижным жестким колесом или с неподвижным гибким колесом. В них используются электродвигатели типа ДГ1М-35, СД-75Б и СД-250А. Кроме того, силовые модули имеют датчики скорости типа ТГП-3 и тормозные муфты. Потенциометрические датчики положения манипулятора УЭМ-20 вынесены из приводов непосредственно на его звенья.
Манипулятор У ЭМ-5 (рис. 4) по компоновке узлов предплечья и кисти подобен манипулятору У ЭМ-2. Основные отличия этих моделей заключаются в компоновках плечевого узла и пружинных механизмов (рис. 1, в). Привод 11 качания предплечья скомпонован параллельно приводу 10 качания плеча. При этом для связи привода 11 качания предплечья с пружинным механизмом также используются зубчатые передачи 7^ и 20, но устраняется зубчатая передача между приводом 10 качания плеча и его пружинным механизмом.
Пружинные механизмы разгрузки качания плеча и предплечья манипулятора УЭМ-5 (рис. 5) скомпонованы так же, как в манипуляторе УЭМ-2, на поворотной опоре 2, однако с целью уменьшения рабочего объема, необходимого для функционирования, выполнены по схеме с использованием гибкого элемента [3]. В такой схеме вме-
Рис. 4. Манипулятор модели УЭМ-5
Рис. 5. Плечевой узел с пружинными механизмами манипулятора модели УЭМ-5
сто кулисы использ>гется гибкий элемент 25 с опорным роликом 26. В этом случае пружины 23 устанавливаются непосредственно на поворотную опору 2, что позволяет устранить дополнительный их разворот и тем самым уменьшить рабочий объем, необходимый для функционирования пружинных механизмов.
Для обеспечения всех движений в степенях подвижности манипулятора УЭМ-5 используются два типа приводов.
Первый ——для осуществления перемещений в переносных сте- пенях подвижности: оба движения плеча и качание предплечья (в качестве приводного двигателя используются два включенных параллельно электродвигателя ДПМ-35, а в качестве датчиков положения и скорости —~ соответственно потенциометр типа ППМЛ и электродвигатель типа ДПМ-20).
Второй тип привода служит для перемещений ориентирующих степеней подвижности: поворот предплечья и оба движения кисти (в качестве приводного двигателя —— электродвигатель типа ДПМ-30- Н1-01, а в качестве датчиков положения и скорости — соответственно потенциометр типа ПТП 11 и электродвигатель типа ДНМ-20),
Высокая точность обоих типов приводов достигается применен нием планетарных редукторов с люфтовыбирающгши устройствами. Выборка люфтов в таких редукторах основана на удвоении ступеней
планетарных передач с относительной закруткой их на торсионы [4] (рис. 6).
В таком приводе используется трехступенчатый планетарный редуктор типа 2К-Н, две выходные ступени которого имеют люфто- выбирающпе устройства. Принцип выборки люфтов рассмотрим на примере выходной передачи. Она наряду с основными центральными колесами 7 н 2 п сателлитами 3 имеет дополнительные центральные колеса 4 п 5 и сателлиты 6, установленные соосно основным. При этом внутреннее дополнительное центральное колесо 5 соединено с основным колесом 2 с помощью торсиона 7, а внешнее дополнительное центральное колесо 4 имеет устройство регулируемого разворота 8 относительно основного колеса 1.
Такой механизм позволяет путем относительного разворота дополнительного и основного внешних колес осуществить выборку люфтов во всех звеньях передачи и создать на торсионе необходимый момент закрутки. Этот принцип позволяет без существенного ухудшения коэффициента полезного действия редуктора (менее 3 % "в одной ступени) устранить основной открытый люфт в редукторе. Подобный принцип может быть распространен на планетарные передачи типа ЗК [5].
Предпосылкой введения планетарных передач в приводы манипулятора УЭМ-5 являются прежде всего хорошие массогабаритные показатели, а также наличие дифференциального свойства, которое успешно может быть использовано при построении моментных датчиков.
Для дистанционно управляемых манипуляторов с трактом отражения усилия, а также для промышленных роботов при выполнении сборочных операций и работе с хрупкими и легкодеформируе- мыми предметами необходимо получение информации о моментах, развиваемых в приводах звеньев, на сменном инструменте и об усилии в схвате. '
Один из способов решения этой задачи ——введение в привод датчика момента [6]. Анализ существующих конструкций показывает, что наиболее простым и надежным является датчик момента, состоящий из упругого элемента (наприлтер, пружины кручения или торсиона) и датчика угла его закручивания. Однако при использовании типового датчика угла поворота, такого, как потенциометр или сельсин, достаточная точность измерения моментов может быть достигнута только при больших углах закручивания упругого элемента, т. е. за счет уменьшения его жесткости. Но в силу того, что упругий элемент датчика момента входит в кинематическую цепь привода, уменьшение его жесткости приводит к ухудшению устойчивости системы управления. Это — существенней недостаток, ограничивающий применение подобных датчиков.
При использовании такого датчика момента в приводе с планетарным редуктором указанный недостаток может быть частично устранен, чему способствуют дифференциальные свойства планетарных передач. Пример построения привода с датчиком момента на основе планетарной передачи типа 2К-Н представлен на рис. 7.
Его особенность состоит в том, что одно из центральных колес с внутренним зацеплением устанавливается подвижно, с возможностью поворота. С этим колесом при помощи дополнительной зуочатой передачи соединяются упругий элемент и датчик угла поворота, установленные в неподвижном корпусе.
Устройство работает следующим образом. При появлении на выходном валу привода момента нагрузки на подвижно установленном центральном колесе возникает пропорциональный реактивный момент, который через дополнительную зубчатую передачу передается на упругий элемент, вызывая его закручивание. Это происходит до
Рис, 6. Схема привода манипулятора модели УЭМ-5
工,2 — основные центральные колеса; 3 — основные сателлиты: 4, 5 — дополнительные центральные колеса: 6 ——дополнительные сателлиты; 7 ——торсион; 8 — устройство разворота
Рис. 7. Схема привода с датчиком момента
тех пор, пока противодействующий момент упругого элемента не станет равен реактивному. Измеряя угол закручивания с помощью датчика угла поворота, получаем информацию о моменте в виде электрического сигнала.
Наличие повышающей зубчатой передачи между подвижным центральным колесом и упругим элементом позволяет уменьшить его отрицательное влияние на жесткость привода. Кроме того, для многоступенчатых планетарных передач имеется возможность подключения датчика момента к любой ступени. Жесткость редуктора связана с жесткостью упругого элемента датчика следующей зависимостью:
еp а点色,...,疗得)2也一1)2，
где 弓 —— передаточное отношение j-й ступени редуктора; п —— число ступеней в редукторе; 旷——передаточное отношение между центральным колесом с внутренним зацеплением /-й ступени и зубчатым колесом датчика момента*
Такой датчик используется в приводе сменпого инструмента манипулятора УЭМ-5 [7] для получения информации о моменте (например, на гайковерте, отвертке и т. п.), а также для получения информации об усилии схвата.
Рис. 8.
ТС-10
Телескопическая стойка
Рис. 9. Схема телескопической стойки ТС-Ю
\
Z
——неподвижная секция：
, 3 — подвижные секции;
— шариковая направляющая;
— винтовая передача;
, 13, 14 — тросовые передачи;
— электродвигатель;
— датчик положения;
— датчик скорости;
工0 — тормозная муфта;
11 — пружина:'
22 — двухтросовый барабан;
工 5 — ролик：
26 — прямолинейная направляющая;
27 — кулачок
ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ СТОЙКА ТС-10
Телескопическая стойка ТС-10 выполнена в виде законченного атре- гата (рис. 8). Она предназначена для вертикального перемещения манипуляторов в декартовой или цилиндрической системе координат， в частности используется как дополнительная степень подвижности в манипуляторах типа УЭМ.
Телескопическая стойка ТС-10 имеет следящий электрический привод и следующие технические характеристики;
1'рузоподъемность, кг Вертикальное перемещение, мм
Скорость перемещения, м/с
Точность позиционирования, мм
Максимальная постоянная статическая нагрузка, Н Максимальный внешний изгибающий момент, Н・м
[> 10Мощность привода (номи- 150500нальная), Вт Тип датчика0,5положенияПШ1Л±0,5скоростиГабаритные размеры, simТГП-ЗА1500высота в сложенном положении720700диаметр основания380Масса, кг12()[> 10Мощность привода (номи- 150500нальная), Вт Тип датчика0,5положенияПШ1Л±0,5скоростиГабаритные размеры, simТГП-ЗА1500высота в сложенном положении720700диаметр основания380Масса, кг12()Стойка ТС-10 представляет собой трехсекцпонный телескопический шарнир (рис. 9), состоящий из одной неподвижной и двух подвижных секций (7—5). Применение такого шарнира позволяет существенно уменьшить осевые габариты.
[> 10
Мощность привода (номи- 150
500
нальная), Вт Тип датчика
0,5
положения
ПШ1Л
±0,5
скорости
Габаритные размеры, sim
ТГП-ЗА
1500
высота в сложенном положении
720
700
диаметр основания
380
Масса, кг
12()
[> 10
Мощность привода (номи- 150
500
нальная), Вт Тип датчика
0,5
положения
ПШ1Л
±0,5
скорости
Габаритные размеры, sim
ТГП-ЗА
1500
высота в сложенном положении
720
700
диаметр основания
380
Масса, кг
12()
В каждой подвижной секции три шариковые направляющие 4,
накладных шариковых шпонок с полукруглымнакладных шариковых шпонок с полукруглымвыполненные в виде рабочим профилем. Для регулировки соосности секций и создания необходимой контактной жесткости в направляющих предусмотрен предварительный натяг, обеспечиваемый затяжкой винтов через тарельчатые пружины>
накладных шариковых шпонок с полукруглым
накладных шариковых шпонок с полукруглым
Средняя подвижная секция 2 приводится в движение через шариковинтовую передачу 5, гайка которой связана с секцией 2 через упорные подшипники. Движение другой подвижной секции 3 (внутренней) обеспечивается при помощи тросовой передачи 6.
Привод стойки выполнен на основе двигателя постоянного тока 7, двухступенчато-
Рис. 10. Дв^тросовыи барабан телескопической стойки ТС-10Рис. 10. Дв^тросовыи барабан телескопической стойки ТС-10го цилиндрическо-коническо
Рис. 10. Дв^тросовыи барабан телескопической стойки ТС-10
Рис. 10. Дв^тросовыи барабан телескопической стойки ТС-10
го редуктора и датчиков обратной связи по положению 8 и скоро' сти 9. Кроме того, имеется электромагнитная тормозная муфта 70, удерживающая выходной вал при отключении двигателя.
Существенная особенность стойки ТС-10 ——пружинный механизм [8] для уравновешивания от спл тяжести подвижных секций стойки^ а также конструкции манипулятора, установленного на подвижной секции. В результате привод стойки разгружается от воздействпя
этих нагрузок, что позволяет в несколько раз уменьшить его мощность.
Уравновешивающий механизм состоит из пружины 11 п двухтросового барабана 12. образованного блоком постоянного радиуса и
кулачком, профилированным по спирали Архимеда (рис. 10). При этом блок постоянного радиуса посредством тросовой передачи 13 соединен с пружиной, а кулачок ——при помощи тросовой передачи 14 со средней подвижной секцией.
Компоновка двухтросового барабана в нижней части стойки, а пружины ——вдоль неподвижной секции обеспечивает компактность телескопической стойки с пружинным механизмом.
ПРУЖИННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Несмотря на конструктивные отличия, основу пружинных механизмов манипуляторов типа УЭМ составляет синусно-косинусный пружинный механизм кривошипного типа [9] (рис 11).
Принцип действия механизма уравновешивания основан на том, что при повороте рычага весом G на угол а все время сохраняется равенство момента, создаваемого весом рычага G на переменном ллече г sin а, и момента, создаваемого переменной по значению силой упругой деформации Р на переменном плече h:
Gr sin а = Ph.(1)
Необходимое условие существования такого механизма — равенство текущей деформации пружины расстоянию между осями крепления пружины.
При этом условии и на основании расчетной схемы определяются основные зависимости между параметрами уравновешивающего механизма и поворотного рычага.
Сила упругой деформации для пружины постоянной жесткости вычисляется по формуле
Р =入 z.(2)
Плечо h и деформация пружины Z выражаются через параметры уравновешивающего механизма следующим образом:•
h = a sin § = 6 sin у,(3)
入=a cos В + 6 cos %(4)
где а — расстояние между осью крепления пружины к стойке и осью поворота кривошипа; Ъ ——плечо кривошипа;卩,丫 ——углы, образованные соответственно отрезками а и 6 и осью иружиьш.
На основании выражений (1)——(4) после преобразования получим
z = Gr/ab^(5)
где G『=Afmax ——максимальный момент от веса рычага.
Для выбора пружины необходимо еще знать наибольшую деформацию 入2 или максимальную силу ее упругой деформации 尸2, которая согласно уравнению (4) достигается при 卩=у = 0, т. е.
⑹⑹入2 ~~ а 6*
⑹
⑹
Рис* 11. Кинематическая схема синусно-косинусного пружинного механизма кривошипного типа
1 — стойка; 2 — кривошип; 3 — пружина; 4 — поворотный рычаг
Рис- 12. Кинематическая схема пружинного механизма с постоянной нагрузочной характеристикой
1 — стойка; 2 — согласующий барабан; 3 — пружина; 4 — груз; 5, 6 — гибкие элементы
В результате подстановки выражений (6) и (5) в уравнение (2) имеем
尸2 = "так (а + b)/ab.■
Полная потенциальная энергия пружин является их интегральной массогабаритной характеристикой:
n =⑺
После подстановки выражений (5) и (6) в уравнение (7) получим
П = Mmax (а + b)2/2ab.
Минимум этой функции достигается при а = 6. В этом случае получаем минимум полной потенциальной энергии пружины, т. е. ее минимальные массогабаритные характеристики.
Тогда выражение (5) для оптимального механизма можно записать в следующем виде:
Z = 4/max/aZ
Это уравнение содержит только две неизвестные величины (z и а) и поэтому позволяет, задав аясь из конструктивных соображений параметром механизма а, подобрать для "max = const пружину, удобно вписывающуюся в конструкцию механизма.
Анализ уравнения (5) показывает, что пружинный механизм при необходимости может быть настроен на различные Мтах за счет изменения значений параметров механизма а и 6 или жесткости пружины z. Конструктивно такую регулировку проще обеспечить за счет изменения параметров а и 6 путем введения регулируемого узла крепления либо раздельно для одной из осей крепления пружины к кривошипу и стойке, либо одновременно для обеих этих осей.
Эквивалентная кинематическая схема (см. рис. 11) справедлива для идеальной пружины. Реальная пружина, удовлетворяющая всем условиям существования механизма, не может быть размещена без дополнительных средств между осями кривошипа и стойки. Для этого в манипуляторах моделей УЭМ-2 и -20 используется кулиса, а в манипуляторе У ЭМ-5 —— гибкий элемент с роликом.
Для уравновешивания статических нагрузок в телескопической стойке СТ-10 применяется пружинный механизм с постоянной нагрузочной характеристикой (рис. 12).
Согласующий барабан пружинного механизма состоит из блока постоянного радиуса 凡?кестко соединенного с блоком-кулачком переменного радиуса р. С каждым блоком взаимодействует гибкий элемент.
Принцип действия механизма основан на том, что при перемещении груза все время сохраняется равенство двух моментов, один из которых ——результат действия относительно оси барабана постоянной силы тяжести груза G на переменном плече h блока-кулачка, а другой ——результат действия относительно той же оси переменной по значению силы упругой деформации пружины Р на постоянном плече, равном радиусу Я блока, т. е.
Gh = PR. (8)
Необходимое условие существования равенства (8) для механизма с пружиной постоянной жесткости z ——профилирование блока- кулачка таким образом, чтобы плечо приложения силы тяжести груза изменялось пропорционально углу поворота барабана. Из простых математических кривых этому условию приближенно удовлетворяет спираль Архимеда：
р — а(р, (9) где а и 屮——соответственно параметр и текущий угол спирали Архимеда.
Неточность совпадения текущего радиуса р блока-кулачка с плечом h действия силы тяжести влечет за собой появление кинематической ошибки уравновешивания пружинного механизма. В спирали Архимеда эта неточность зависит от выбора начального угла 屮°. Для значений(р0 ^ 2л с точностью, достаточной для практики, можно записать
无=р. (10)
Для исходного состояния механизма, когда потенциальная энергия груза максимальна, а пружины минимальна, уравнение (8) 150
с учетом равенств (9) и (10) примет вид
Ga^. 尸典(И)
где /\ ——предварительная сила упругой дефорлтации пружины.
При опускании груз с помощью гибкого элемента поворачивает согласующий барабан на угол ср. Одновременно другой гибкий элемент наматывается на блок постоянного радиуса, деформируя тем самым пружину, связанную с этим блоком. Силу упругой деформации пру?кины может быть представлена в виде
Р = Pi 十 *(р.
Тогда уравнение (8) для текущего положения механизма можно записать в следующем виде:
G〃(Фо + ф) = (Р1 + ^Яф) R.(12)
Вычтя из соотношения (12) равенство (11), после преобразования получим
z = GaJRZ(13)
Выражение (13) является основным уравнением статики механизма.
Для обеспечения заданного хода груза Н необходима соответствующая длина рабочего участка спирали Архимеда S, представляемая прп изменении угла от(р0 до 屮^； следующим образом:
S = У",
где
L — фк 1^фк +1 一 фо Т^фо + 1 十
+ In ((фк + Т^фк + I)/ (<ро + Vфо + 1)) •(14)
Для обеспечения заданного хода груза Н необходимо, чтобы
S = Н.(15)
Максимальный ход пружины выбирается из условия
九2 =兄屮к・(16)
На основании уравнений (7), (14) и (16) получим
П = GH^/L.(17)
Таким образом, уменьшение(р0 вызывает снижение полной потенциальной энергии пружины, но при этом ухудшается кинематическая точность уравновешивания, т. е. исходный угол спирали Архимеда (р0 следует выбирать минимальным из условия обеспечения необходимой точности уравновешивания.
Анализ влияния 屮风 на П показывает, что П —^ оо- при 屮匕 f(р0 н И f GH при(рк —^ оо, т. е. с увеличением конечного угла спирали Архимеда уменьшается требуемая потенциальная энергия пружины.
Особый интерес из конструктивных и технологических соображений представляет использование в подобных механизмах плоской спирали Архимеда, для которой(рк & 屮。+ 2л. В этом случае для механизма с кинематической неточностью уравновешивания менее 2 % полная потенциальная энергия пружины, подсчитанная по уравнению (17), не будет превышать минимально возможную потен- циальную энергию пружины более чем на 25 %, что в большинстве случаев является допустимым.
Таким образом, задавшись значениями углов (р0 и(рк, по выра- жению (14) можно определить параметр спирали Архимеда
а = 2HIL.
Для определения жесткости и деформации пружины необходимо выбрать радиус блока Я. Как видно из уравнений (16) и (17), от радиуса существенно зависит только ход пружины и для получения его минимального значения радиус блока необходимо выбирать минимальным с учетом типа гибкого элемента.
Из уравнения (13) видно, что при необходимости в пружинном механизме может быть введена настройка нагрузочной характеристики путем изменения параметров механизма z или R.
На основании расчетной схемы может быть спроектирован механизм для уравновешивания груза с траекторией движения, соответствующей траектории намотки гибкого элемента на блок-кулачок* Для уравновешивания статических нагрузок в поступательных парах, в которых перемещение груза происходит по прямолинейной траектории, в предлагаемую схему необходимо введение дополнительных средств.
В телескопической стойке ТС-10 (см. рис. 8) таким средством является ролик 15, одновременно взаимодействующий с прямолинейной направляющей 76, закрепленной на неподвижной секции 7> и кулачком 17, профилированным также по спирали Архимеда и связанным с согласующим барабаном. Такой ролик обеспечивает сход гибкого элемента в расчетной точке блока-кулачка, тем самым обеспечивает постоянство силы, действующей вдоль гибкого элемента при любой траектории его перемещения..
ЛИТЕРАТУРА
А. с. 476971 (СССР). Исиолнительный орган манипулятора/Л. Н. Петров, В. П. Максимов, Н. А. Лакота, А- М. Ивкин. Заявл. 01.02.73, № 1877365; Опубл, в Б. И., 1976, № 34. МКИ В 25J1/02.，
А. с. 541662 (СССР). Исполнительный орган манипулятора/А. М. Ивкин, JI. Н. Петров, А. А. Жеребцов. Заявл. 13.06.75, № 2145061; Опубл, в Б. И.» 1977, № 1. МКИ В 25J1/02.
А. с. 715317 (СССР). Рука манипулятора/Л. Н. Петров, В. В. Сесь. Заявл. 14.08.78, № 2654646; Опубл, в Б. II., 1980, № 6・ МКИ В 25J1/02.
А. с. 756113 (СССР). Планетарная передач а/А. А. Жеребцов, Т. В. Ковригина, Л. Н. Петров, Заявл. 22.11.77, № 2546541; Опубл, в Б. И., 1980, № 30* МКИ F 16 Н57/12.
А. с. 905066 (СССР). Привод манипулятора/А. А. Жеребцов, Т. В. Ковригина, Л. Н. Петров. Заявл. 23.04.80, № 2914636; Опубл, в Б. И., 1982, № 6. МКИ В 25 17/00.
С. Кулешов В. С.у Лакота II. А, Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. 304 с.'
А. с. 80442 7 (СССР). Очувствленный схват манипулятора/Т. В. Ковригина, Л. Н. Петров, Н. Ф. Полищук, В. В. Сесь, А. И. Сорокин. Заявл. 28.04.79, № 2760308; Опубл, в Б. Й., 1981, № 6. МКИ В 25J15/00.
А. с. 643323 (СССР). Устройство вертикального перемещенпя/Л. Н. Петров, Н.①.Полищук. Заявл. 29.09.77, № 2527050; Опубл, в Б. И., 1979, № 3. МКИ В 25119/00.
Андреенко С- Н” Ворошилов М. С., Петров Б. А. Проектирование приводов манипуляторов. Л.: Машиностроение, 1975. 311 с.
УДК 007.52:621.757
АВТОМАТИЧЕСКАЯ
МНОГООПЕРАЦИОННАЯ СБОРКА
С ПОМОЩЬЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Д. Е. Охоцимский, С. С. Камынин, В. А. Карташев,
И. Кугуnies
Эффективным средством автоматизации сборочных операций, обладающим большой гибкостью, являются сборочные промышленные роботы, управляемые от ЭВМ. На базе таких роботов могут быть созданы «сборочные центры» (или «сборочные ячейки^), в состав которых, помимо роботов, входит другое сборочное оборудование — сборочные столы, базирующие приспособления, питатели, гайковерты, прессы и т. д.
Рассмотрим результаты этапа работ, проводимых в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР и имеющих целью исследовать возможность выполнения достаточно сложной многооперационной сборки с помощью роботов, снабженных простыми датчиками и приспособлениями и управляемых от мини-ЭВМ.
Первоначально работы велись на лабораторном макете сборочного робота, в состав которого входили два электромеханических манипулятора УЭМ-2 [1]. Схваты манипуляторов имели простейшее силовое очувствление. Робот был оснащен системой технического зрения, выполненной на основе стандартной телевизионной камеры «Электроника Л-50». Манипуляторы и система технического зрения были подключены к управляющей мини-ЭВМ М6000.
В дальнейшем использовался промышленный робот «Прагма А3000» с двумя электромеханическими манипуляторами, работающими в прямоугольной системе координат. Схваты манипуляторов очувствлены простылпг силовыми датчиками.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ СБОРКИ
И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Результаты исследований позволили составить определенное представление об основных задачах, возникающих при создании робототехнического сборочного комплекса, а также о способах их решения.
Сборочные операции. Точности позиционирования, которые могут быть достигнуты в манипуляторах, а также точности базирования деталей на сборочном столе будут в значительном числе случаев ниже требуемой точности сопряжения собираемых деталей. В таких условиях сборка становится возможной за счет взаимодействия сопрягаемых поверхностей деталей и использования их в качестве направляющих при сочленении деталей. Для того чтобы избежать заклинивания, вызванного недостаточной точностью движения схвата, можно ввести силовую обратную связь, позволяющую идентифицировать момент заклинивания и вносить коррекцию в движение схвата или же использовать активную или пассивную податливость схвата. Могут быть также применены поисковые движения, типа малых колебаний схвата, в ходе которых периодически возникают благоприятные условия для продвижения сопрягаемых деталей [2].
На базе указанного подхода удалось, в частности, реализовать такие сборочные операции, как вставление вала в отверстие с плотной посадкой, операции наживления и завинчивания гайки и ряд других.
Подача деталей. При реализации многооперационной сборки целесообразно предполагать, что подача деталей осуществляется с помощью кассет и питателей. Требуются также базирующие устройства, используемые для фиксации базовой детали, возможно, вместе с палетой. Кассеты должны устанавливаться в определенном месте сборочного стола, так что положение всех деталей и их ориентация будут известны с достаточной точностью.
При таком подходе задача предварительного формирования кассет отделяется от задачи собственно сборки. Сама по себе задача фордшрования кассет может оказаться достающую трудной, например, если необходимо разбирать «навал» деталей. Разбор навала деталей небольшого размера можно осуществить с помощью вибропитателей. Возможны и другие средства, в частности роботы, снабженные системой технического зрения. Однако главное заключается в том, что при правильной организации хранения изготавливаемых деталей возникновения навала вообще следует избегать. Готовые детали целесообразно сразу же укладывать в кассеты.
Захватывание деталей и инструментов роботом. Трудности, стоящие на пути автоматизации сборочных процессов, связаны с большим разнообразием деталей и изделий по геометрической форме, размерам и массе, что требует оснащения манипуляторов разнообразными схватами. Часто применяют систему их автоматической смены, но при этом суммарное вспомогательное время на съем и установку схватов соизмеримо с временем сборки.
В наших исследованиях на каждом манипуляторе было смонтировано несколько схватов, поочередно вводимых в дайствие при соответствующем позиционировании кисти. На роботе «Прагма А3000» использовались кисти с четырьмя и пятью захватами.
Программирование сборки. В процессе выполнения сборочных операций движения манипуляторов могут быть весьма сложными. Поэтому сборку изделий даже средней сложности можно запрограм- 154
мировать за приемлемое время только с помощью языка высокого уровня.
Язык пользователя, по нашему мнению, должен базироваться на макрооперациях, содержащих в себе большой объем «профессионального знания» и требующих задания небольшого числа параметров в привычных технологических терминах. Для облегчения процесса настройки каждой макрооперации ставится в соответствие своя процедура обучения, которая запрашивает в режиме диалога необходимые параметры, вводимые либо с терминала, либо с помощью переносного пульта управления манипулятором.
Такая форма программирования оказалась весьма целесообразной, и нам представляется, что она имеет преимущество как перед методом обучения по первому циклу, так и перед алгоритмическими языками программирования типа VAL, AML, HELP. Она позволяет вести программирование на языке высокого уровня в удобном диалоговом режиме и требует минимальной подготовки пользователя.
Время программирования операции вставления вала в отверстие, имеющей сложную структуру, ряд проверок и блокировок, оказывается порядка 1 — 2 мин.
Близкие в методическом отношении приемы использовались в работе [3].
Цифровая следящая система. Непосредственное управление степенями подвижности манипулятора, реализующее заданное движе- ние, осуществляет цифровая следящая система. Благодаря тому что управляющие воздействия рассчитываются по поступающим в управляющую ЭВМ показаниям всех датчиков, следящая система может быть сделана весьма гибкой, способной работать в различных режимах. В реализованной цифровой следящей системе имеются следующие режимы: пустой, при котором данная степень подвижности не управляется; позиционный; контурный; линейных колебаний; силового воздействия, когда на степень подвижности подаются постоянное управление или управление периодически изменяется через заданные промежутки времени [4].
Следящая система управляет движением каждой степени подвижности в своем режиме, который в любой момент может быть изменен программой. Это обеспечивает простоту и гибкость при организации движений сборочного робота, что едва ли достижимо при традиционной аналоговой или аналого-цифровой реализации следящей системы.
Инспекционное видение. Важная задача ——обеспечение контроля годности поступающих деталей, правильности протекания процесса сборки и годности готового узла или изделия. Простое и эффективное решение этой задачи дает специализированная система технического зрения, реализующая концепцию инспекционного видения [5].
Специфика работы такой системы в том, что наблюдаемая сцена хорошо организована. При правильном выполнении сборочной операции детали занимают определенное место в рабочей зоне робота и на изображении. Сравнивая фрагменты текущего изображения с заранее запомненными фрагментами, соответствующими правильной сборке, система имеет возможность контролировать ход сборочного процесса.
РЕАЛИЗАЦИЯ СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ
НА РОБОТЕ «ПРАГМА АЗООО»
Робот «Прагма А3000» состоит из двух манипуляторов, сборочного стола, стойки управления, терминала и переносного пульта управления.
Каждый манипулятор имеет четыре степени свободы: три ортогональные и одну вращательную. Таким образом, возможности для ориентации деталей у обоих манипуляторов ограничены.
Каждый привод, обеспечивающий движение по одной из степеней свободы, снабжен встроенным тахогенератором и импульсным датчиком положения. Управление приводами осуществляется следящей системой манипуляторов, реализованной на микропроцессорах. Повторяемость движений первых трех степеней подвижности 0,05 мм, четвертой степени ——порядка 0,1°. Максимальная скорость перемещения по первым трем координатам 0,6 м/с, по четвертой координате 180%.
Система управления робота обеспечивает автоматическое отключение робота при перегрузке любого из приводов.
С каждым манипулятором связана собственная система координат. С левой рукой связана левая система координат, с правой —— правая. Ось х направлена вдоль сборочного стола, ось у — поперек, ось z — перпендикулярно плоскости стола сверху вниз. Начала координат выбраны таким образом, чтобы при всех возможных положениях рук координаты были положительными. Координата х меняется в диапазоне от 0 до 1300 мм, координаты у и z — от 0 до 300 мм. Вращательные координаты меняются в диапазоне 0—200° для левой руки и 0——360° для правой.
Каждый манипулятор имеет силовой датчик, который представляет собой пассивную степень свободы, расположенную перпендикулярно оси вращательной степени. Пассивная степень свободы подпружинена и снабжена датчиком линейного перемещения.
Схват манипулятора имеет пневматический привод, механизм которого снабжен датчиком линейного перемещения губок.
Робот управляется от микро-ЭВМ. Система управления позволяет работать в двух режимах: в программном, когда управление манипуляторами осуществляется по командам, записанным в память ЭВМ, либо в режиме обучения, когда движением манипуляторов оператор управляет как от переносного пульта, так и с пульта терминала.
Переносный пульт управления. Этот пульт в основном используется на этапе обучения. Система управления подключает его к тол!у манипулятору, номер которого указан оператором в команде подключения переносного пульта, набираемой на терминале. Пульт позволяет перемещать манипулятор в желаемом направлении и считывать координаты степеней свободы.
Программирование сборочных операций и управление ходом сборочного процесса осуществляются с помощью терминала на языке программирования HELP. Система управления работает в режиме интерпретации операторов языка.
Алгоритмический язык HELP [6]. Язык программирования сборки включает в себя следующие операторы: арифметические и логические, управления вводом—выводом на терминал, координации совместной работы двух манипуляторов, инициализации программ， и две встроенные подпрограммы: считывания координат степеней свободы указанного манипулятора и загрузки микропроцессоров следящих систем указанного манипулятора программными значе- ННЯЛ1И координат, требуемой скорости мх изменения и параметром высвобождения. Параметр высвобождения задает допустимое отклонение от программного значения координаты каждой степени свободы, когда происходит выход из подпрограммы, и переход интерпретатора языка HELP к отработке очередного оператора. До тех пор пока не произойдет новое обращение к подпрограмме загрузкиг следящие системы отрабатывают текущее программное положение манипулятора. Перевод его в заданное положение осуществляется по каждой координате независимо. В начале и в конце движения фактическая скорость изменения координаты, естественно, не совпадает с той, которая задана следящей системе. Отсюда следует, что если в движении участвуют несколько степеней свободы, то фактическая траектория движения схвата будет, вообще говоря, криволинейной. Близко к прямолинейному движение можно реализовать- только на больших перемещениях, если скоординировать программные скорости изменения координат степеней свободы.
Объект сборки. Эксперименты по автоматической сборке проводились с коробкой приводов, включающей в себя следующие элементы (рис. 1): корпус, три шестерни (7, 4, 3), две крышки (6 и 5), кольцо- прокладку S, палец 2, гайки с шайбами 9 (8 комплектов), стопорный винт с шайбой 7.
Шестерни представляют собой подсборки, состоящие из зубчатых колес л подшипников. Предполагается, что шестерни собираются предварительно с использованием пресса.
Корпус, являющийся базовой деталью, имеет посадочные гнезда для одного из подшипников первой и третьей шестерен. Посадочные- гнезда других подшипников этих шестерен расположены в закрепляемых гайками крышках на отверстиях в корпусе. Вторая шестерня размещается между двумя консолями корпуса, имеющими отверстия для пальца, являющегося осью второй шестерни, и для стопорного винта, фиксирующего палец. Конструкция корпуса видна на рис. 2 и на ряде последующих.
План сборки. Сборка происходит в следующелт порядке (описание отдельных сборочных операций будет дано ниже):
первая шестерня вставляется в посадочное гнездо в корпусе;
первая крышка надевается на четыре шпильки, укрепленные на корпусе, и на подшипник в верхней части первой шестерни;
первая крышка прикрепляется к корпусу четырьмя гайками, которые навинчиваются на шпильки (навинчивание осуществляется с помощью электрического гайковерта, зажатого в схвате манипулятора);
осуществляется перекантовка корпуса;
Рис. 1. Расположение деталей в кассете
I — первая шестерне; 2 — палец; з, 4 — третья н вторая шестерни; 5,6 — вторая и первая крышки; 7 ——стопорный винт с шайбой; 8 — кольцо-прокладка; 9 — гайнп с шайбами
Рис. 3. Расположение оснастки в кассете
2 一 электрический гайковерт; 2 - рейка-толкатель; 3 - приспособление для взятия пальца
論
Рис. 4. Общий вид манипуляторов н сборочного стола
闻
Рис. 2. Корпус коробки приводов, размещенный в палете
7 — ручка-финсатор; 2 — корпус; 3 — пружинный фиксатор; 4 — кантователь
кольцо укладывается на нижнюю консоль корпуса;
вторая шестерня вставляется в паз между верхней и нижней консолями корпуса (при этом должно быть обеспечено сопряжение ее зубьев с зубьями первой шестерни);
пален вставляется в канал, образованный отверстием в верхней консоли корпуса, второй шестерней, отверстием кольца н отверстием в нижней консоли корпуса;
стопорный винт завинчивается в торец верхней консоли корпуса, ^тобы зафиксировать положение пальца;
третья шестерня вставляется в посадочное гнездо корпуса (при этом должно быть обеспечено сопряжение ее зубьев с зубьями первой шестерни);
вторая крышка надевается на четыре шпильки, укрепленные на корпусе, п на подшипник в верхней части третьей шестерни;
вторая крышка прикрепляется к корпусу четырьмя гайками, которые навинчиваются на шпильки корпуса.
Оснастка. Для фиксации деталей в охвате и осуществления сбо- рочных операций использовались следующие приспособления (рис. 3):
электрический гайковерт 2 для завинчивания стопорного винта;
рейка с зубом на конце («толкатель») 2 для вращения второй шестерни в момент сопряжения зубьев первой и третьей шестерен;
приспособление для взятия пальца с подпружиненным шариковым фиксатором 3.
Схват левой руки оснащен губками с тремя шестигранными паза- ми (для взятия осей первой п третьей шестерен, фиксации приспособления для взятия пальца, взятия ручкп-фиксатора при кантовке корпуса, фиксации гайковерта при заворачивании стопорного винта), а также клиновидными губками (для фиксации гайковерта лри операции наворачивания гаек). Необходимость двух способов фиксации гайковерта обусловлена ограниченностью рабочего пространства манипуляторов.
Схват правой рукп снабжен губками специальной формы, обеспе- чивающпмп взятие двух крышек, второй шестерни, «толкателя» и кольца.
Общий вид сборочного стола дан на рис. 4. Все детали располагаются в правой (если смотреть со стороны манипуляторов) части стола в кассете, обеспечивающей пх позиционирование, ориентацию, фиксацию и возможность взятия деталей в том порядке, в каком они устанавливаются в соответствии с планом сборки. В середине стола установлена палета с закрепленным в ней корпусом коробки приводов.
Корпус коробки приводов (см. рис. 2) зажат в кантователе 4. Имеется пружинный фиксатор 3, который входит внутрь отверстия нижней консоли для временной фиксации (перед вставлением пальца) кольца-прокладки и второй шестерни. Кантователь палеты снабжен ручкой-фиксатором 1, служащей для переворачивания корпуса и закрепления палеты в одном из двух положений.
В левой части сборочного стола располагается кассета с гайко- Бертом. «толкателем» и приспособлением для взятия пальца.
Сборочный алгоритм. Сборка управляется по алгоритму, реализованному в виде последовательности операторов на языке HELP, которая обеспечивает координированную работу двух манипуляторов при сборке. В основу разработки сборочного алгоритма положены концепции построения сборочной системы, рассмотренные в статье [2]. Так же как и в работе [2], в сборочном алгоритме процесс сборки разбит на отдельные сборочные операции, порядок выполнения которых определен планом сборки, представляющим собой последовательность обращений к сборочным операциям и порядок ко- ординации манипуляторов при выполнении.
Сборочная операция представляет собой последовательность процедур, написанных на языке HELP и реализующих отдельные этапы сборочной операции. Так же как п в сборочной системе [2], сборочный алгоритм осуществляет установку деталей в четыре этапа: взятие детали, подвод, наживление. сочленение с установленными ранее деталями.
Сборка осуществляется при активном контроле со стороны сборочного алгоритма за правильностью протекания процесса. Если в ходе сборочной операции не происходит правильного завершения ее очередного этапа, то выполняется повторная попытка завершения этапа, а также в необходимых случаях модификация исполнения алгоритма. Если это не приводит к успеху, то алгоритм останавливает сборочный процесс. Как показали эксперименты, введение активного контроля повышает надежность функционирования сборочного алгоритма.
Перейдем к описанию отдельных сборочных операций.
Вставление первой шестерни. Эта операция состоит в установке первой шестерни в корпус так, чтобы ее подшипник вошел в посадочное гнездо корпуса. В операции задействован левый манипулятор. Выполняются следующие процедуры: подвод манипулятора к шестерне; захват за ось шестерни с контролем ее наличия; перенос в исходное положение над корпусом; введение шестерни в корпус; вставление ее в посадочное гнездо. -
ВьЕполнение операции начинается с перемещения манипулятора к шестерне. По оси х задается движение с максимальной скоростью ввиду того, что наибольшее перемещение имеет место вдоль сборочного стола. Другие степени подвижности управляются таким образом, чтобы обеспечить обход схватом оснастки, палеты и деталей, установленных в кассете. После выхода схвата в окрестность конечного положения, заданную с помощью параметра высвобождения, включается соответствующая степень подвижности. Скорость подбирается при обучении. Эксперименты показали, что время, затрачиваемое на транспортные перемещения, составляет более половины времени сборки.
Когда схват занимает заданную позицию над шестерней, губки сжимаются и измеряется расстояние между ними. Если оно оказывается меньше диаметра осп шестерни, то принимается, что шестерня отсутствует. Схват разжимается, а манипулятор отводится вверх в позицию ожидания. Сборочный процесс останавливается. Для его
1611616 Заказ № 1450
161
161
возобновления оператор должен нажать кнопку на переносном пульте управления. Процесс продолжится с этапа взятия шестерни.
Взятая за ось шестерня вытягивается из направляющей кассеты и плавно переносится в исходное положение над корпусом. Плавный перенос необходим для того, чтобы при разгоне и торможении шестерня не выскользнула из охвата.
Введение первой шестерни в корпус изображено на рис. 5. Эксперименты обнаружили возможность небольших отклонений оси шестерни от вертикали (на рис. 5 вправо или влево). Вследствие этого при опускании тестер-
喲/々「‘ " '^^^Лня может не войти в отверстие и
упрется в край корпуса. Тогда Phc.J. Вставление первой шестерни в манипулятор приподнимается И перемещается вправо на половину зазора между шестерней и отверстием и пытается опуститься еще раз. При повторной не>тдаче манипулятор сдвигается влево. В очередной попытке сдвиг увеличивается на половину зазора. Поисковые движения продолжаются до тех пор, пока шестерня не пройдет через отверстие в корпусе.
После опускания шестерни до небольшого расстояния (приблизительно 1 мм от верхней кромки посадочного гнезда) управление передается процед^фе вставления шестерни. Соединение нижнего подшипника с посадочным гнездом корпуса имеет тугую посадку, поэтому вставление возможно только при достаточно точном сопряжении осей посадочного гнезда и шестерни.
При автоматической сборке для вставления вала в отверстие с ту- гои посадкой применяют специальные сборочные головки. Они обеспечивают необходимое сопряжение осей 口 проталкивание вала в отверстие за счет вибрации вала и деформации специальных упругих элементов головки. Использование сборочных головок, безусловно, облегчает автоматизацию сборки и позволяет значительно уменьшить нагрузки на конструкцию манипулятора.
Однако, как показали эксперименты, вставление подшипника с тугой посадкой можно в принципе осуществить и без использования сборочных головок. Для этого использовался следующий алгоритм управления манипулятором, основанный на принципе активного контроля.
Вначале делается попытка вставить шестерню за счет вертикального перемещения руки манипулятора. На каждом цикле управления следящей системе задается на исполнение программная точка, от-
стоящая от текущей на 1 мм вниз. Это позволяет осуществить давление руки на шестерню с силой, достаточной для вставления, и, кроме того, избежать аварийного отключения робота при перегрузке по питанию. Измеряется скорость опускания шестерни (смещение за такт). Если скорость опускания оказалась меньше допустимо血 (0,2 мм/такт), то программно реализуется движение манипулятора в горизонтальной плоскости по раскручивающейся спирали с малым шагом (0.2 мм). В тот момент, когда текущее значение вертикальной координаты больше предыдущего на заданное перемещение (0.2 мм), т. е. шестерня продвинулась вниз, движение по спирали прекращается. Это означает, что заклинивания между подшипником п посадочным гнездом нет п их оси совмещены достаточно хорошо.
Далее алгоритм пытается вставить шестерню без колебаний в горизонтальной плоскости. Если при очередном обращении к процедуре вставления будет установлено, что смещение вниз меньше допустимого (0,2 мм), то вновь запускается движение по раскручивающейся спирали. Центр сппралп переносится при этом в ту точку, в которой произошло j-спешное продвижение вниз на предыдущем этапе.
Сборочный алгоритм осуществляет действия по вставлению шестерни до тех пор, пока не будет выполнено одно из двух условий: либо схват опустится до уровня, который соответствует успешному вставлению шестерни, либо число обращений к алгоритму превысит заданное.
В первом случае губки разжимаются и рука выводится в исходное положение для осуществления следующей операции.
Во втором ——операция считается кончившейся неуспешно и после разжатия охвата рука отводится в сторону. Сборочный процесс останавливается. Для его возобновления необходимо вмешательство оператора. Он должен вручную установить шестерню и дать команду на выполнение след^^ющей операции либо вынуть шестерню из корпуса, установить ее в кассету и дать команду на повторение операции вставления. После нажатия на соответствующую кнопку переносного пульта процесс автоматической сборки продолжится.
Надевание первой крышки. Эта операция состоит в установке первой крышки на шпильки корпуса так, чтобы ее посадочное гнездо наживилось на верхний подшипник первой шестерни. Операция выполняется правым манипулятором. Осуществляются следующие про- цедуры: подвод руки к крышке; захват крышки с контролем ее наличия в кассете; перенос крышки в исходное положение над корпусом; надевание ее на шпильки корпуса.
Выполнение операции начинается с подвода манипулятора к крышке и сжатия ее в схвате. Наличие крышки в кассете контролируется так же, как и наличие шестерни в кассете по степени сведения губок. Процедуры взятия шестерни и крышки выполняются левым и правым манипуляторами одновременно.
Если операция вставления шестерни завершилась успешно, то правый манипулятор вытягивает крышку из направляющих кассе- ти и переносит ее в исходное положение над корпусом (рпс. 6).
Многоместный схват правого манипулятора имеет четыре парк губок. Каждая пара специализирована для взятия одной или двух деталей, для чего соответствующая пара губок переводится в нижнее положение путем ротации кисти манипулятора.
Надевание крышки осуществляется следующим образом. Правый манипулятор опускает схват с зажатой крышкой вниз и надевает ее на шпильки до упора. При этом измеряется вертикальная координата. Если она соответствует надежному нажпвлению крышки, то схват разжимается и манипулятор отводится в сторону, освобождая место для завинчивания гаек другим манипулятором.
Если крышка оказалась выше заданной позиции, то манипулятор, создавая давление вниз, выполняет одновременно в горизонтальной плоскости круговое движение с амплитудой 2 мм, после чего вновь проверяет положение крышки н при необходимости повторяет попытку наживленпя.
Если после трех попыток нажпвленпе все же не удалось, схват освобождает крышку и манипулятор отводится в позицию ожмданпд. Сборочный процесс останавливается.
Для возобновления автоматической сборки требуется вмеш атель- ство оператора. Он должен вручную установить крышку и выдать команду на выполнение следующей операции либо снять крышку, установить ее в кассету и выдать команду на повторение операции надевания крышки. После нажатия кнопки на переносном пульте сборочный процесс возобновится.
Навинчивание гаек для крепления первой крышки. Эта операция выполняется левым манипулятором. Правый находится в режиме 164
ожидания. Реализуются следующие процедуры: взятие гайковерта; подвод его к кассете; взятие гайки, нажпвленпе ее на шпильки корпуса; довинчивание гаек.
После взятия гайковерта манипулятор подводится к кассете, где на штырьках размещены гайки с разрезными пружинными шайбами. Гайки не закреплены. Каждая пз них свободно вращается вокруг своего штырька.
Взятие гайкт! осуществляется следующим образом. Гайковерт включается и медленно опускается вертикально вниз. В момент касания ключом гайки ее скорость вращения оказывается несколько меньше скорости вращения ключа. За счет этого гайка проворачивается относительно ключа и при совпадении граней входит внутрь. При дальнейшем опускании в канал входит также разрезная пружинная шайба, которая фиксирует гайку внутри ключа. Факт на- живления ключа на гайку идентифицируется по уровню опускания манипулятора, задаваемому в процессе обучения. Если манипулятор опустился ниже заданного уровня, то считается, что гайка захвачена ключом. Если манипулятор вышел на упор и его высота больше той, которая соответствует наживлению гайки, то сборочный алгоритм считает, что гайка не наживлена. В этом случае манипулятор приподнимается вверх и процедура повторяется. После трех неудачных попыток сборочный процесс останавливается.
По достижении манипулятором уровня нажпвленпя ключа алгоритм проверяет наличие гайки. С этой целью манипулятор совершает попытку дозированного смещения по оси у (поперек сборочного сто- ла) п измеряется фактическое смещение по у. Если оно близко к нулю, то это означает, что гайка находится в канале ключа. Рука с гайковертом опускается до упора вниз и захватывает гайку с пружинной шайбой.
Если смещение по осп у близко к заданному, то это означает, что гайка отсутствует. Манипулятор поднимается вверх в позицию ожидания, и сборочный процесс останавливается.
Для возобновления сборки оператор должен набрать на пульте одну из двух команд: повторить процедуру взятия гайкп либо пропустить эту операцию и перейти к наживлению гайки на шпильку корпуса. В этом слузае и в случае успешного взятия гайки гайковерт подводится к одной из шпилек, на которых 5тстановлена крышка.
Для наживления гайки манипулятор с включенным гайковертом опускается вертикально вниз до уровня, соответствующего надежному наживлению гайки на шпильку корпуса (этот уровень определяется при обучении). Затем алгоритм проверяет наличие в канале ключа гайки (она могла выпасть из него при переносе). С этой целью манипулятор совершает контрольное движение, как н при взятии гайки из кассеты. Если гайка отсутствует или же манипулятор не достиг за отведенное время уровня надежного наживления гайки, сборочный процесс останавливается. Чтобы возобновить его, оператор должен набрать на пульте терминала одну из двух команд: повторить процедуру наживления гайки либо пропустить эту операцию и перейти к следующей операции — довинчиванию гаек.
В связи с тем, что гнездо крышки корпуса и верхний подшипник имеют тугую посадку, гайки довинчиваются в перекрестном порядке. Активный контроль при нажпвлении ключа осуществляется по уровню опускания манипулятора. Степень затягивания контролируется муфтой предельного дюмента, которой снабжен гайковерт,
В результате выполнения операции посадочное гнездо оказывается надетым на верхний подшипник первой шестерни, а корпус герметизируется резиновыми прокладками, установленными на крышке.
После завершения операции завинчивания первой крышки гайковерт берет стопорный винт и возвращается в кассету оснастки. Стопорный винт хранится в канале ключа гайковерта. В операции завинчивания стопорного винта гайковерт бу^ет взят за другое посадочное место.
Переворачивание корпуса. В результате этой операции корпус переводится в положение, удобное для вставления второй п третьей шестерен. Операция выполняется левым манипулятором. Осуществляются следующие процедуры: подвод схвата к ручке-фиксатору палеты; захват ручки и отягпванпе ее (чтобы освободить кантователь с закрепленным в нем корпусом); движение кисти манипулятора по верхней пол5*окружности.
Эксперименты показали, что можно обеспечить достаточно точное и плавное движение при приемлемых скоростях переворачивания корпуса, если управлять вертикальной и горизонтальной скоростями перемещения кисти дганипулятора (рис. 7). С этой целью при очередном обращении к процедуре переворачивания программная точка задавалась на касательной к полуокружности, по которой движется кисть. Составляющие скорости вычислялись по формулам
% = и sin「 樓=—и (cos ф + fc I sin q? |).
где vx и vz ——соответственно горизонтальная и вертикальная скорости перемещения руки; г — касательная скорость переворачивания; q — угол между плоскостью стола и плоскостью корпуса; 〃 一 коэффициент коррекции.
Эти формулы соответствуют движению кпстп манипулятора по программной кривой, расположенной несколько ниже верхней полуокружности. Значение и задается. Текущий угол ф, определяющий положение кантователя, рассчитывается по координатам % н z руки манипулятора. Коэффициент к подобран экспериментально посредством сравнения фактической траектории движения кисти с попу- окружностью. Наплучшее совпадение получено при к = 0,17. В этом случае отклонение траектории схвата от полуокружности, за исключением нескольких точек, не превышает 0,5 мм, что обеспечг^- вает надежное выполнение операции.
После переворачивания корпуса скват разжимается, фиксатор закрепляет палету в новом положении. ~
Вставление второй шестерни. Цель операции ——введение второй шестерни в паз корпуса так, чтобы ее зубья вошли в зацепление с зубьями первой шестерни. Операция выполняется правым манипулятором (рис. 8). При этом осуществляются следующие процедуры:
взятие из кассеты кольца-прокладки (с контролем наличия кольца в кассете) и установка его на нижнюю консоль корпуса; взятие из кассеты второй шестерни с контролем ее наличия, подвод к корпусу и введение в паз между консолями корпуса; введение в зацепление зубьев второй и третьей шестерен. 、
Вторая шестерня подается внутрь паза до тех пор, пока займет положение, в котором зубьл обеих шестерен войдут в зацепление (такому положению соответствует значение координаты у, равное у。， которое запоминается при обучении) либо зубья вставляемой шестерни упрутся в зубья первой шестерни и дальнейшее продвижение станет невозможным. Второй случай однозначно идентифицируется сравнением текущей координаты у с у。. Манипулятор отводится назад н перемещается по оси х (вдоль стола) на половину расстояния между зубьями шестерни. Затем попытка повторяется. Как показали эксперименты, введение второй шестерни почти всегда происходило с первой или второй попытки н лишь в редких случаях с третьей.
Вставление пальца. Эта операция состоит во введении пальца в канал, образованный консолями корпуса, второй шестерней и кольцом-прокладкой (рис. 9). Операция выполняется левым манипулятором, который реализует следующие процед^^ры: подвод манипулятора к приспособлению для взятия пальца и захват его с контролем наличия приспособления; перенос приспособления к палыду, находящемуся в кассете, п вставление его в канал пальца; подвод пальца к верхней консоли корпуса; вставление пальца.
После захвата приспособления для пальца левый манипулятор выводится в позицию ожидания, где находится до тех пор, пока другой манипулятор осуществляет процедуру взятия второй шестерни. В случае успешного завершения этой процед^^ры левый манипулятор берет палец, в это время правый манипулятор переводится в режим ожидания.
Наличие пальца контролируется по высоте опускания манипулятора. После вставления палец закрепляется на приспособлении ша* риковым фиксатором. При этом обеспечивается орпентацпя пальца, необходимая для совпадения осей отверстия для стопорного винта в верхней консоли корпуса и отверстия в пальце.
После плавного вытягивания палец одновременно со второй шестерней, зажатой в схвате правого манипулятора, переносится к верхней консоли корпуса. К консоли палец подводится в наклонном положении ввиду того, что суммарная высота верхней плоскости консоли и длины пальца с приспособлением для его взятия больше верхней границы рабочей зоны манипулятора. В процессе введения палец переходит в вертикальное положение.
Вставление пальца осуществляется по топу же алгоритму, что и вставление первой шестерни в посадочное гнездо корпуса, с аналогичными контрольными операциями и адаптацией.
Завинчивание стопорного винта. Цель операции состоит в фиксировании пальца в канале (рис. 10). Левый манипулятор выполняет следующие действия: взятие гайковерта со стопорным винтом из кассеты оснастки и подвод его к торцевой стороне верхней консоли кор-
пуса; введение винта в отверстие и завпнчпванпе; возвращение гайковерта в кассету.
Стопорный винт состоит из резьбовой части (для крепления впита в консоли корпуса) и безрезьбовой (для фиксации пальца). При введении безрезьбовой части в отверстие консоли (что устанавливается по значению координаты у) гайковерт выключается. Манину- лятор продолжает вводить винт до тех пор, пока его резьба не упрется в резьбу консоли, что контролируется по значению у при выходе на упор. Если у близко к заданному, то включается гайковерт. Если же фактическое значение у больше заданного, то это указывает на отсутствие винта в ключе. В таком случае происходит останов, отведение манипулятора и требуется вмешательство оператора.
В штатном случае вращение гайковерта продолжается в течение дозированного промежутка времени, по истечении которого контролируется факт завинчивания винта по продвижению руки манипулятора по оси у. Если оно меньше заданного, то принимается, что винт не завинчен.
По окончании операции завинчивания стопорного винта манипулятор возвращает гайковерт в кассету оснастки, подводится к приспособлению для взятия пальца, находящемуся в канале пальца, захватывает его, вытягивает и возвращает в кассету оснастки.
Вставление третьей шестерни. При выполнении этой операции необходимо обеспечить сопряжение зубьев третьей и первой шестерен. В операции задействованы оба манипулятора (рис. И). Левый вставляет третью шестерню по тому же алгорптму? по которому вставляется первая шестерня.
При каждом обращении к алгоритму определяется скорость вставления шестерни (ее смещение за один цикл управления). Если после достижения уровня, при котором должно начаться сопряжение зубьев, скорость вставления окажется меньше допустимой, то это означает, что зубья одной шестерни уперлись в зубья другой. В таком случае левый манипулятор приподнимается вверх, ослабляя давление на первую шестерню, и подает сигнал правой руке, которая по этому сигналу осуществляет вращение второй шестерни. Для этого используется специальное приспособление «толкатель», представляющее собой рейку с зубом.
Правая рука берет «толкатель» из кассеты оснастки перед началом операции и возвращает обратно после ее завершения. Один конец репки манипулятор зажимает в охвате. Противоположный конец с зубом находится в зацеплении с зубьями второй шестерни. Совершая поступательное перемещение вдоль сборочного стола, правый манипулятор заставляет вторую шестерню проворачиваться.
Эксперименты показали, что наилучшпе усгювия для сопряжения зубьев имеют \iecTo_ если первая шестерня проворачивается в одном направлении. Это достигается циклическим движением правого мани- лулятора. Он перемещает «толкатель» в положительном направлении оси х до тех пор. пока зуб «толкателя» находится в зацеплении с зубьями второй шестерни. Затем рука поднимает «толкатель» и возвращает его в исходное положение для повторного перемещения.
i i. Вставление третьей шестерни
Рис. 12. Завинчивание гайки
Окончанием цикла служит сигнал от левого манипулятора о том, 叮£。достигнут уровень, прн котором зубья вошли в зацепление. Эксперименты показали, что в большинстве случаев не требуется более одного вспомогательного движения правого манипулятора. В одной трети случаев сопряжение зубьев происходит без помощи правого манипулятора.
Сборка завершается выполнением операций надевания на шпильки корпуса второй крышки и завинчивания ее четырьмя гайками, реализуемых соответствующими алгоритмами, аналогичными описанным выше. На рис. 12 зафиксирован момент наживления третьей га血ки на шпильку корпуса. Манипулятор держит гайковерт за ниж- нее посадочное место (так же как и для первой крышки).
После завинчивания гаек второй крышки гайковерт возвращается в кассету оснастки и оба манипулятора выводятся в исходное положение, которое они занимали перед началом сборки.
Заключение. Рассмотренный сборочный алгоритм содержит порядка 800 операторов алгоритмического языка HELP, из которых 6о- лее 500 ——операторы загрузки микропроцессоров следящих систем значениями характеристик программного движения.
Отметим, что при автоматической сборке масляного насоса [2], потребовалось задать порядка 400 программных точек. Каждая из них запоминалась в процессе «хореографического» обучения, при котором оператор вручную выводит манипуляторы в требуемую позицию. В отличие от этого алгоритм сбэрки коробки приводов требует запоминания в процессе обучения только порядка 50 точек, которые характеризуют координаты деталей и оснастки в кассетах, а также координаты деталей в корпусе. Заметное сокращение объема обуче- ния в большой мере связано с тем, что манипуляторы сборочного комплекса «Прагма АЗООО» работают в декартовых координатах. Это позволяет более легко планировать движение вблизи запомненной программной точки и транспортные перемещения между соседними точками.
Как и в работе [2], сопряжение деталей выполняется с помощью унифицированных процедур, процесс настройки которых требует за- Дания сравнительно небольшого числа параметров. Например, для процедуры вставления первой шестерни трэбуется задать пять параметров: шаг приращения вертикальной координаты для оказания дав- лешт на шестерню; минимально допустимое изменение высоты, при котором вставление выполняется без дополнительного движения; шаг спирали дополнительного движения; допустимую амплитуду спирали; число тактов управления, отведенных на операцию.
Полное время сборки коробки приводов составляет приблизительно 3 мин 5 с. Некоторое варьирование полного времени сборки происходит за счет ветвления сборочного процесса при действии случайных факторов.
Эксперименты по автоматической сборке ряда узлов изделий машиностроения (масляный насос, картер двигателя, коробка приводов) подтвердили возможность реализации многооперационной сборки с помощью промышленных роботов, управляемых от ЭВМ. Сборка 172
：пользования：пользованиярезервных процедур.резервных процедур.может быть осуществлена с высокой надежностью, чему в большой мере способствует использование контрольных операций, проверяющих правильность хода сборочного процесса на всех этапах и позволяющих модифицировать исполнение алгоритма сборки путем ис-
：пользования
：пользования
резервных процедур.
резервных процедур.
Отметим, что в исследованных случаях адаптивный сборочный
алгоритм удалось построить без использования таких средств очувств
ления, как силомоментные датчики или система технического зрения. Высокоэффективным методом получения информации о ходе сборочного процесса и состоянии, в котором находится система, оказалось использование показаний позиционных датчиков, доступных верхнему уровню управления сборочным процессом. Таким образом, можно сделать вывод о том, что при создании сборочных систем и их систем управления следует заботиться о том, чтобы информация о текущем положении (а еще лучше и о скорости движения) не оставалась лишь в контуре управления нижнего уровня, а была доступна верхнему уровню управления.
Опыт построения эффективных сборочных алгоритмов без привлечения систем силомоментных, зрительных и других датчиков не означает, конечно, что они для сборки не нужны или малосущественны. Например, использование зрительной системы может позволить проводить входной контроль на сборочном столе комплектности и правильности укладки деталей в кассете до начала сборочного процесса, что, без сомнения, рациональнее обнаружения отсутствия необходимой детали в процессе сборки. Можно привести и другие примеры.
Дальнейшие исследования позволят выявить рациональные пути построения сборочных алгоритмов и сборочных систем для различных классов узлов изделий машиностроения и выявить рациональные области применения и необходимые технические характеристики различных средств очувствления сборочных систем.
ЛИТЕРАТУРА
Смольянов Ю. 〃., Вахлин В. 3., Волков 4. 〃., Гримайло С. 〃., Донцов В. £"., Кугушев Е. Я., Соколов С. М. Лабораторный макет сборочного робота.—— Наст. сб.
Охоцимский Д. Е., Платонов А. Я., Смольянов Ю~ Л., Гримайло С. И., Камынин С. С., Кугушев Е. И. Исследование многооперационной сборки с помощью экспериментальной робототехнической системы.— Наст. сб.
Гримайло С.必.Программное обеспечение сборочного робота.— Наст. сб.
Охоцимский Дг Е.ч Смольянов Ю. 〃., Барбашова Т- Ф., Гримайло С. И., Камынин С. С., Кугушев Е. И., Ярошевский В. & Цифровые следящие системы для управления манипулятором в процессе сборки.——Наст. сб.
Охоцимский Дг Е., Камынин С. С, Гримайло С. 〃., Кугушев Е. К., Соколов С. М., Толстоусова В. Г. Использование визуальной информации в задачах автоматической сборки.——Наст. сб.
Donata G., Camera A. A high level programming language for a new multi- arm assembly robot.— In: Proc, of Intern, conf, on assembly automation. Brighton, 1980, L.: Norton, 1980, p. 67—76.
ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОЧУВСТВЛЕНИЯ
УДК 007.52:62-589
ОРГАНИЗАЦИЯ СБОРОЧНЫХ
РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ
А. С. Силкин, Г. Н. Лебедева
Промышленные роботы (ПР) в сборочном производстве вследствие сложности сборочных операций до сих пор не нашли широкого применения. С целью обеспечения возможности выполнения сборки и повышения производительности ПР проектируется и изготавливается специальная сборочная оснастка. В оснащение сборочного робототехнического комплекса (РТК) входят: подающие устройства; транспортные средства; контрольно-измерительные устройства; схваты ПР; устройства для сопряжения деталей.
Как показывает практика, достаточно большой объем работ приходится на сборку несложных узлов, состоящих из малого количества деталей. На таких сборках используется сравнительно несложная технологическая оснастка.
Подающие устройства. Внедрение сборочного комплекса, обслу- жидаемого роботами первого поколения, невозможно без применения накопительно-ориентирующих устройств, осуществляющих накопление и поштучную выдачу ориентированных деталей на позицию захвата.
К накопительно-ориентирующим устройствам предъявляются следующие требования:
относительная простота конструкции;
надежность в работе;
возможность переналадки на детали другого типоразмера; удобство загрузки;
ремонтопригодность;.
совмещение рабочих циклов загрузочно-ориентирующего устройства с холостыми ходами ПР в целях сокращения цикла сборки.
Существует большое многообразие накопительно-ориентирующих устройств. Для перемещения деталей в загрузочных приспособлениях используют силу тяжести, а также внешнюю движущую силу. Различают три возможных способа транспортирования деталей:
самотечный (гравитационный)——под действием собственного. веса;
полусамотечный ——под действием силы тяжести перемещаемых деталей с применением дополнительных устройств для искусственного уменьшения силы сопротивления перемещению деталей;
принудительный ——под действием внешней движущей силы.
Запас деталей в емкости обеспечивается тремя способами: магазинным (детали в емкости сосредотачиваются в один ряд, вразрядку (с промежутками) или вплотную); штабельным (детали в емкости располагаются в несколько рядов ——враскладку (в один слой) пли внакат, т. е. в несколько слоев); бункерным (детали заполняют емкость беспорядочно навалом (кучей) пли россыпью, т. е. тонким слоем).
Рассмотрим схемы магазинных приспособлений.
Штабельные загрузочные приспособления по конструкции анало* гичны магазинным, отличаются лишь более широкими лотками. В емкостях, барабанах, коробах, широких лотках детали уклады- ваются в ориентированном виде в несколько рядов внакат или врас- кладку.
Бункерные загрузочные приспособления являются «надстройкой» магазинных загрузочных устройств и состоят из бункера, ориентирующего устройства или бункерно-ориентирующего устройства и при^ емного- лотка (магазина). Детали, сосредоточенные беспорядочно в бункере, с помощью системы ориентирования подаются в ориенти^ рованнолг положении в приемный лоток, затем — в магазинное загрузочное устройство.
Бункерное загрузочное устройство позволяет создавать большой запас заготовок и обеспечивать более продолжительное время работы робота без дополнительной загрузки по сравнению с магазинами и штабельными устройствами.
Бункер должен содержать такое количество деталей, которое необходимо для непрерывной работы ПР в течение 8—10 ч.
Наиболее распространены ковшеобразные и цилиндрические бун- керы. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:
с общим пространством для накопления и выборки деталей;
с двумя пространствами (для накопления —— предбункер и для выборки заготовок— бункер).
При бункерных загрузочных устройствах первого типа захватные органы осуществляют интенсивное ворошение всей массы заготовок, что не всегда приемлемо, ибо возможно повреждение поверхности деталей, нарушение ее формы. Большое давление верхних слоев деталей на нижние также не всегда допустимо. Помимо этого, возникают препятствия свободному развороту деталей на дне бункера при прохождении захватных органов и ухудшается подготовка деталей к захвату.'
В бункерных загрузочных устройствах, относящихся ко второй группе, детали, сосредоточенные в предбункере, постепенно поступают в бункер.
По кинематике рабочего органа бункерно-ориентирующие устройства бывают с вращательным, возвратно-поступательным и качающимся движением рабочего органа.
К бункерно-ориентирующим загрузочным устройствам с вращательным движением рабочего органа относятся: карманчиковые (для деталей простой формы: цилиндров, дисков, втулок, пластин); крЮч-
ковые (для деталей типа колпачков, гаек); с вращающейся трубкой (для роликов, втулок, цилиндров).
Бункерно-ориентирующиеся устройства с возвратно-поступательным движением рабочего органа пригодны для ориентации деталей типа стержней с головками (винты, болты, заклепки).
Наиболее перспективными бункерными загрузочными устройствами являются вибробункеры. По сравнению с другими они имеют ряд преимуществ: осуществляют выборку деталей из бункера без захватных органов, что устраняет вредный контакт детали с захватным органом; уменьшается за счет вибрации сила трения между деталями, между деталями и лотком, что также предупреждает повреждение поверхности при выборке; улучшается й упрощается ориентация деталей; с помощью вибробункеров удается значительно расширить круг деталей, поддающихся автоматическому ориентированию и автоматической выдаче.
Кроме того, в вибробункерах можно осуществлять подсборку нескольких деталей (например, болта с шайбой), т. е. на сборочную позицию будут поступать не отдельные детали, а их комплект.
Конструкция кругового вибробункера позволяет менять его производительность: вибрация сообщается бункеру в круговом и вертикальном направлениях, при этом на скорость движения деталей влияют угол наклона подвесок, а также амплитуда колебаний. Детали, попадая на лоток, скользят по нему, а также совершают микроперелеты. В процессе движения на детали действуют центробежные силы, которые прижимают их к внутренней стенке бункера и транспортируют по лотку снизу вверх.
По типу вибраторов впбробункеры делятся на пять групп: электромагнитные, дебалансные, механические, пневматические, гидравлические.
Вибробункерные устройства с электромагнитным вибратором (частота колебаний 3——6 кГц) применяют для групповой выборки деталей из данного отверстия неподвижного бункера и транспортирования их в орпентатор (вибробункеры с прямолинейным лотком). Электромагнитный привод — самый целесообразный в экономическом и эксплуатационном отношениях. Отсутствие вращающихся и трущихся частей упрощает конструкцию впбробункерных устройств..
Так как в вибробункерных устройствах лоток располагается над электромагнитод!, то детали, находясь в магнитном поле после электромагнита, могут намагничиваться, что иногда недопустимо (например, при сборке клапанов, подшипников). Поэтому необходимо предусмотреть меры по защите деталей от намагничивания, например экранирование лотка магнитомягкой сталью, трансформаторным железом и пермаллоем.
Вибробункерные устройства с дебалансным вибратором могут подавать детали на большую высоту (частота колебаний лотка / = = 25 + 50 Гц с большой амплитудой). ，
Вибробункерные устройства с механическим вибратором используют, когда требуется обеспечить западание одной детали в другую, например монтаж заклепок в сепараторе подшипника (/ = 2 + 4 Гц). 176
Вибробункеры с пневматическим (/ = 20 -н 40 Гц) и гидравлическим (，= 50 т 100 Гц) вибраторами применяются редко.
Транспортные средства РТК. В последние годы в нашей стране н за рубежом стали применять переналаживаемые конвейерные линии, способные удовлетворять потребности многономенклатурного производства.
Поточно-конвейерные линии применяют как межоперационный транспорт, обеспечивающий непрерывность технологического процесса.
Конвейеры подразделяют на подвесные и напольные, рабочие и распределительные, вертикально и горизонтально замкнутые, с непрерывным и пульсирующим движением. Подвесные конвейеры достаточно хорошо известны, напольные же пока изучены недостаточно.
В настоящее время на предприятиях многих отраслей промышлен- ностп нашли широкое применение два основных типа конвейера сборочного производства: распределительные и рабочие.
Распределительные конвейеры применяются при многопредметной сборке изделий массой не более 15 кг, когда собираемые изделия должны сниматься с несущего органа на рабочее место. Операция может выполняться на параллельных рабочих местах, т. е. при наличии дублеров. От порядка запуска изделий на конвейер (последовательный или параллельный) зависит его выбор. При последовательном запуске партий собираемых изделий применяются пульсирующие конвейеры с программным управлением, а при параллельном — конвейеры с автоматическим адресованием. Такие конвейеры выпускаются тележечными вертикально и горизонтально замкнутыми. Наиболее тяжелые изделия собираются на тележечных конвейерах, а изделия меньшей массы — на пластинчатых вертикально замкнутых. Процесс сборки осуществляется непосредственно на тележке или ленте пластинчатого пульсирующего конвейера. Несущий орган перемещается на один шаг и останавливается с находящимся на нем объектом сборки против рабочего места, где выполняется соответствующая операция.
Предметы производства закреплены в специальных приспособлениях на транспортирующих каретках. Для каждого предмета и для каждой поточной линии применяют специальные приспособления, обеспечивающие наиболее выгодное положение предмета в рабочей зоне. В зависимости от технологических требований эти приспособления могут иметь дополнительные степени свободы.
Рабочие конвейеры применяются в однопредметных поточно-конвейерных линиях, а также в многопредметных линиях, если предметы производства конструктивно и технологически подобны. На рабочих конвейерах предметы сборки, монтажа, регулировки и настройки не снимают с транспортирующего органа. Работа на конвейере исключает возможность дополнительных затрат времени на доработку и подбор деталей, входящих в сборочную единицу. Поэтому метод взаимозаменяемости — один из основных методов поточнога производства.
При внедрении ПР на конвейерной сборке наиболее пригодны напольные пульсирующие рабочие конвейеры при полной взаимо-
заменяемости деталей в собираемом узле. Вся сборка, разбитая на отдельные операцпп, в этом случае может осуществляться ПР с участием или без участия человека. Робот может выполнять одну или несколько операций установки и закрепления деталей. Исходя из того, что при обслуживании поточно-конвейерной сборки каждый из установленных ПР выполняет в основном одну сборочную опера* цию, количество степеней подвижности таких роботов должно быть небольшим (две—четыре), однако универсальность их должна быть высокой. В таких условиях наиболее приемлема модульная конструкция ПР, снабженная набором спецголовок для выполнения специфических сборочных операций.
На поточно-конвейерной линии в условиях многономенклатурного производства запуск партии различных изделий можно осуществлять. последовательно, параллельно или смешанным способом. В случае внедрения роботизированной поточно-конвейерной сборки лодачу партий изделий (узлов) следует осуществлять последовательно. В этом случае переналадка роботов и перепрограммирование выполняются между запусками партий.
Также возможно использование конвейера в качестве устройства, транспортирующего крупные детали, неудобные для автоматизированного ориентирования. Распределительный конвейер с прерывистым движением может обслуживать несколько участков сборки узлов, являясь подающим и принимающим устройством.
Представляется технически возможным применение роботов на непрерывно движущемся конвейере и при частичной взаимозаменяемости деталей. Наличие зрительной и тактильной адаптации делает возможным смешанное поступление деталей при многономенклатурной сборке. Однако осуществление такого рода технических предложений потребует больших капитальных затрат, глубокой экспериментальной проработки, новых конструкторских решений. Поэтому в составе сборочного РТК следует использовать однопредметные или многопредметные напольные рабочие конвейеры без снятия изделия, с периодическим движением, вертикально или горизонтально замкнутые.
Контрольно-измерительные устройства. При создании контрольной системы необходимо решить следующие взаимосвязанные вопросы:
выбор контролируемых параметров;
выбор методов и средств контроля;
определение принципов выбраковки.
Процесс проектирования контрольных средств следует осуществлять параллельно с проектированием сборочной оснастки и приспособлений. Это конкретизирует задачу.
Контрольные средства должны определять наличие деталей в за」 грузочных устройствах и непосредственно на сборочной позиции, правильную их ориентацию. После проверки комплектности собираемого узла и правильного расположения деталей перед сборкой контрольные устройства должны давать команду на осуществление сборки.
При отсутствии деталей в накопителях или отклонении контролируемых параметров от заданных пределов контрольные устройства обеспечивают подачу команды на блокировку сборочного оборудования и подачу сигнала оператору о прекращении сборочного процесса.
Процесс контроля может осуществляться как непосредственно* при контактировании с деталью,； так и косвенно (по положению схвата робота). Следует иметь в виду, что механический контакт с контролируемой деталью не всегда желателен, так как при этол контрольное устройство может повредить контактную поверхность- ил и же вызвать смещение деталей.
Следует учитывать, что не только контрольно-измерительная система обеспечивает надежность выполнения сборочных операций. Лишь при условии, что и качество комплектующих деталей соответствует требованиям технических условий, процесс сборки будет происходить надежно. Анализ отказов сборочного оборудования показывает, что в 90% случаев причиной являлось низкое качество собираемых деталей, причем для устранения неполадок было достаточна лишь привести качество всех деталей в соответствие с техническими требованиями.
Схваты ПР. В отличие от схватов, предназначенных дяя работы с деталями одного-двух наименований, к сборочным схватам предъявляются требования высокой универсальности, ибо в этом случае робот манипулирует со всеми деталями сборки, как базовыми, так и крепежными. Для сборки узлов, имеющих пять-шесть деталей, возможно использование одного универсального схвата, в случае большего числа типоразмеров деталей и комплектующих частей, входящих в узел, целесообразно предусмотреть сменные схваты.
По принципу действия сборочные схваты можно классифицировать следующим образом: механические, вакуумные, электромагнитные, комбинированные. В настоящее время наиболее распространены механические захватные устройства.
Схваты проектируются для манипуляции с конкретными деталями, ибо создание единого универсального захватного устройства не представляется возможным. Однако проведение унификации отдельных узлов захватных устройств п разработка рекомендаций по выбору типа схвата упростят их разработку и сократят сроки внедрения сборочных РТК в производство.
В зависимости от габаритов, массы, формы, материала и других параметров деталей следует выбирать различные типы захватных устройств. Например, для листовых деталей, а также для деталей из хрупких и легкодеформируемых материалов следует применять пневматические вакуумные схваты. Мелкие и легкие детали типа шайб можно транспортировать с помощью струйных схватов. Для легко- деформируемых деталей из ферромагнитных материалов можно рекомендовать электромагнитные схваты контактного и бесконтактного типов. Детали большой массы требуют в зависимости от формы и размеров захватываемых поверхностей различные типы механических схватов.
Как уже отмечалось выше, на сборочных работах приходится применять многопредметные схваты. Это могут быть как схваты одного типа, так и комбинированные (например, механический клещеобразный конструктивно совмещается с пневматическим вакуумным и т. 口.). ’’
Одна из важных особенностей взаимодействия схвата, детали и оснастки ——необходимость компенсации неточностей их взаимного располо/кения. При выполнении роботом операции захвата в случае идеального расположения схвата и детали последняя испытывает только усилия зажима. В действительности из-за неточности вы- лолнения перемещений схвата и ориентирующих движений возникает погрешность расположения детали относительно губок схвата. В зтоп случае при срабатывании схвата возникают нежелательные, а иногда и опасные нагрузки, воспринимаемые элементами робота, деталью и оснасткой. Уменьшить эти нагрузки и компенсировать погрешность положения руки робота наиболее просто введением в конструкцию податливых элементов. Можно выполнить податливыми звенья кинематической цепи руки или приводы, но тогда податливость, приведенная к захвату, будет меняться в зависимости от положения руки. Поэтому обычно делают податливыми элементы схвата.
В конструкциях схватов податливые элементы обычно располагают в месте крепления его к руке манипулятора, в механизме привода губок и в губках. В последнем случае обеспечиваются необходимая податливость и приспосабливаемость к погрешностям формы детали, т. е. достигается равномерное распределение усилия зажима ло поверхности детали.
Устройства для сопряжения деталей. Существующие модели промышленных роботов первого поколения не обеспечивают высокой точности сопряжения деталей, не могут выполнять свинчивание, установку пружинных колец, притирку и другие специфичные сборочные операции.
Для этих целей следует предусмотреть сборочные головки, которые обеспечат выполнение подобных операций. Например, для свинчивания резьбовых пар возможно использование механизированного инструмента, модернизированного с учетом особенностей работы манипулятора. Для компенсации неточности позиционирования ПР целесообразно создание сборочных головок, осуществляющих движения поиска при посадке одной детали в другую. Создание подобных сборочных головок позволит ПР расширить свои возможности.
Основой для выработки технических требований к элементам системы является типовая структура сборочного РТК, которая представляет собой совокупность взаимосвязанных блоков модулей. Из заданного набора блоков в каждом конкретном случае можно компоновать позиции, участки или линию в зависимости от технико-экономических показателей выпускаемого изделия (узла).
При разработке структуры сборочного РТК (см. рисунок) исходим из соображений, что технологическую последовательность перемещения деталей можно разделить на: подачу их в рабочую зону и транспортирование внутри нее, ориентирование, сопряжение и фиксацию.
Структура сборочного РТК
До начала выполнения монтажных операций необходимо проверить наличие и правильность установки детали в сборочном приспособлении. Для этих целей предназначена система обратной связи от оборудования и оснастки к системе управления комплексом. Следует отметить, что одна из отличительных особенностей сборочных РТК — наличие широко развитой системы контроля.
Сопрягаемая деталь забирается ПР из питателя и транспортируется к месту сопряжения (предварительно контролируется правильность положения детали в схвате). 口
Процесс сопряжения деталей осуществляется рукой промышленного робота, схват которого оснащен датчиками очувствления или выполнен в виде специальной сборочной головки, имеющей элементы адаптации.
Установка следующей детали может выполняться (в зависимости от выбранной компоновки) либо другим манипулятором, либо с использованием другого захватного устройства, заменяемого роботом в автоматическом режиме, либо универсальным схватом.
Фиксируются (закрепляются) установленные детали с использованием технологического оборудования и инструмента, управление которым и контроль за его работой осуществляются системой управления РТК. и
Транспортирование собранного узла из рабочей зоны выполняют транспортные устройства или ПР.
Из рассмотренных блоков типовой структуры можно составить РТК сборки любого узла (изделия), причем на позициях, выполнение которых в автоматическом режиме на данном этапе невозможно, предусматривается использование производственных рабочих.
В зависимости от функциональных возможностей ПР и производственных характеристик собираемых изделий можно организовать сборочные РТК по различным компоновочным схемам. Основные из них следующие:
стационарная с концентрацией сборочных переходов (состоит из ПР, сборочного приспособления, подающих устройств; предназначена Для выполнения несложных сборок (не более четырех-пяти деталей) малой массы и простой конфигурации, так как собираемые детали должны легко ориентироваться автоматизированными подающими устройствами; слово «стационарная» означает, что узел не перемещается в процессе сборки);
стационарная с участием человека (характерна тем, что основные- сборочные операции выполняются человеком, а ПР осуществляет манипуляции с деталями большой массы и собранными узлами);
стационарная дифференцированная (отличается от стационарной: с концентрацией сборочных переходов наличием большего числа ПР (два-три) и, следовательно, большим количеством деталей, из которых состоит узел);
сборочная линия (организуется таким образом, что объект производства с использованием специальных транспортных средств перемещается с позиции на позицию, где выполняются отдельные переходы, т. е. каждый ПР устанавливает свою деталь; такая компоновка пригодна для крупносерийного и массового производства);
поточная линия сборки (характеризуется тем, что межоперационные перемещения узла осуществляют те же ПР, которые выполняют операции сборки).
На практике могут встретиться более сложные организационные формы РТК, включающие в себя различные варианты рассмотренных структур.
При постановке вопроса о дифференциации или концентрации операций, выполняемых ПР, необходимо учитывать условия, определяющие стоимость, сложность, надежность будущих роботизированных участков и целесообразность выбора того или иного вида сборки.
Для успешного оперативного внедрения РТК представляется необходимым создание целенаправленных РТК с учетом особенностей конкретного производства. Например, на основе отличительных особенностей технологических процессов (ковки, штамповки, лить% покраски, механообработки и т. д.) возможно создание специальных РТК, каждый из которых может быть с успехом применен для решения конкретной задачи производства.
На основе экспериментальных и опытно-промышленных работ но использованию ПР были выявлены требования к проектируемому сборочному РТК.
Грузоподъемность. Более трети специалистов высказали мнение, что грузоподъемность робота не должна превосходить 10 Н, более 50°о —3 кг. Результаты достаточно хорошо согласуются с конструктивно-технологическим анализом важнейших изделий машиностроения, где, например, при общей массе изделия около 2 т свата 182
96% деталей и более половины узлов имеют массу менее 1 кг. Однако сборочный РТК имеет блочно-модульную структуру, т. е., помимо деталей, ПР транспортирует и ориентирует сборочные головки (массой до 2 кг), и инструмент для фиксации (массой до 5 кг). Таким образом, суммарная требуемая грузоподъемность манипулятора очевидно должна быть не менее 6—7 кг.
Количество степеней подвижности и форма рабочей зоны. Модульная конструкция ПР должна иметь пять-шесть степеней подвиж- ности, работающих в декартовой системе координат н в большинстве ^случаев разделяющихся на три транспортирующие и три ориенти- рующие.
Точность позиционирования. Под нею понимается точность взаимного ориентирования деталей при сборке роботом без элемен- нов адаптации. Проведенные эксперименты по сборке гладких ци” линдрических соединений показали, что даже высокая точность позиционирования жесткопрограммируемого ПР не может обеспечить высокой надежности сопряжения деталей с малыми зазорами. Имеющий точность позиционирования ±0,3 мм ПР «Циклон 3.01» безотказно вставляет вал во втулку при радиальном зазоре более 0,6 мм. Это происходит из-за неточностей установки втулки в приспособление, несовпадения осей схвата робота и приспособления и наличия люфтов в кисти робота. Поэтому, помимо абсолютной точности позиционирования робота в пределах 0,1 мм, должны соблюдаться тре- бования по соосности и перпендикулярности межиу осями схватов и сборочных приспособлений. По мере расширения возможностей си- стемы адаптации требования к точности позиционирования могут быть снижены. Если сборочная головка обеспечивает надежное со- пряжение при ошибке взаимного ориентирования ±5мм，то точность позиционирования ПР ±5 мм удовлетворительна для данных условий.
Размеры рабочей зоны и быстродействие. Большинство узлов в ма- шиностроении имеют размеры, не превышающие 0,5 м.
Для обеспечения возможности монтажа сопрягаемых деталей движение манипулятора должно хотя бы в полтора раза превышать максимальный размер сопрягаемой детали: это составит около 0,8 м, т. е. в плане 0,8 X 0,8 м, что хорошо согласуется с результатами анкет. Для обеспечения конкурентоспособности робота с рабочим по производительности деталь должна быть перемещена между двумя любыми точками рабочей зоны в течение 1 с, что определяет бы- стродействие машшулхтора от 0,6 до 0,8 м/с.
Поскольку в процессе сборки приходится сталкиваться с различ- ными по размерам и конфигурациям деталями, то создать универсальный схват в большинстве случаев чрезвычайно сложно. Решает проблему замена схватов на манипуляторе в автоматическом режиме. Вместо схватов при таком решении можно устанавливать на ма^ нииуляторе инструмент и сборочные головки.
Системы управления и адаптации взаимосвязаны и во многом зависят от состава и структуры РТК. Рассмотрим некоторые частные требования к системе >7правления, вытекающие из специфики технологических процессов сборки.
Программа движений манипулятора (манипуляторов) при выполнении сборочных операций значительно сложнее, чем при обслужи* вании технологических машин. Поэтому в системе необходимо на- личие таких команд, как условные и безусловные переходы. Напри- мер, робот взял деталь из питателя. При контроле правильности： захвата детали оказывается, что она расположена в схвате с ошибкой. В этом случае следует сбросить деталь в бункер и повторить цикл сначала. При работе одновременно нескольких манипуляторов^ если их рабочие зоны пересекаются, с целью предотвращения полом- ки требуется определить очередность выполнения работ в заданной: зоне каждым манипулятором.
Для сокращения времени движения при обходе препятствий вну- три рабочей зоны необходимо, чтобы движение происходило не последовательным обходом всех точек, а из начальной точки в конеч- ную по заданной траектории. Перемещение по ней (контурный режим управления) требуется также, когда, например, установка вала в отверстие осуществляется вдоль оси, не совпадающей с осями основ- ных перемещений робота, или если траектория движения при установке деталей выше первого порядка.
Специфика системы управления сборочного РТК — наличие системы адаптации:
обеспечение поисковых движений руки робота в плоскости, перпендикулярной осям сопрягаемых поверхностей (эти движения выполняются с целью компенсации ошибки взаимного ориентирования деталей из-за неточности позиционирования ПР, погрешностей положения деталей в приспособлении и схвате, допусков на размеры деталей);
распознавание по заданным признакам входящей в рабочую зону детали (узла) и ее положения (позволит выполнять на одном РТК поочередную (групповую) сборку нескольких типоразмеров узлов, а при более совершенной системе захватывать и неориентированные детали, т. е. обойтись без подающих устройств);
контроль размеров поступающей на сборку детали (обеспечиг выполнение селективной сборки и отбраковку деталей);
определение взаимного расположения деталей в рабочем пространстве (будет возможно сопряжение деталей по сложным контурам).
В состав сборочного РТК должен входить ряд унифицированных устройств н ряд устройств л приспособлений, которые необходимо индивидуально проектировать для каждого выбранного узла или группы узлов. Оригинальными конструктпвныдш решениядш в большинстве случаев будут захватные устройства для нестандартных де- тале立，сборочно-ориентирующие приспособления, питатели для некоторых деталей 口 узлов.
При дальнейшей разработке технических требований к элемен- там роботизированной системы, предназначенной для сборки конкрет- ного узла, эти требования должны быть уточнены и детализированы.
Осуществление комплексного выпуска сборочных роботизирован- ных систем позволит сократить сроки разработки и внедрения средств автоматизации сборочных процессов.
I
[К 007.52:621.031
ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ
В АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
С. Н. Колпашников, А. И. Полевой, В. М. Стоянов, И. Б. Челпанов
ри формализованном описании процесса сборки целесообразно копить из представления об идеальном процессе, который может .1ть реализован при отсутствии погрешностей формы деталей. На- )имер, для сборки пары вал—втулка при неподвижной втулке реальный сборочный процесс представляется в виде прямолиней- )го поступательного движения вала по его оси, совпадающей с осью улки. Идеальный сборочный процесс обычно строится геометри- ски, возможное взаимодействие деталей не принимается во внима- ie. При гарантированном зазоре идеальный сборочный процесс )жно представить происходящим в отсутствие контакта между де- лями.
Реализация сборочного процесса требует учета возможных от- гонений формы неподвижной и подвижной деталей, погрешностей ;тановки неподвижной детали на сборочной позиции, положения ориентации подвижной детали в схвате н исполнения программных жжений в процессе сборки. Если все эти погрешности достаточно 1лы (так, что суммарная погрешность меньше зазоров в каждый )мент сборочного процесса), то целесообразно строить программы орки из условий наилучшего приближения к идеальному сбороч- )му процессу. Однако, как правило, суммарные погрешности отно- [тельно велики и сборка осуществляется только при контакте де- лей. Правильность протекания сборочного процесса обеспечивается ответствующим взаимодействием сопрягаемых деталей. В пас- :вных устройствах автоматической сборки взаимодействие сопря- емых поверхностей деталей вызывает упругне перемещения эле- (нтов кинематической цепи, которые способствуют перемещению щвижной детали. В активных устройствах имеются специальные тчики сил. По сигналам этих датчиков в соответствующих конту- I рах системы управления реализуются дополнительные перемещения, I корректирующие программные движения. В дальнейшем будем рас- I сматривать только пассивные системы.
I Рассмотрим механическую модель сборочной системы (см. рису- I нок). Неподвижная деталь 1 установлена на жестком основании.
Подвижная деталь 2 зажата в схвате 3 сборочной головки. Програм- I ма перемещений и поворотов основания 5 сборочной головки задается. Условно изображенный упругий элемент 4 характеризует свой- I ст в а упругой податливости кинематической цепи (учитываются уп- I ругие свойства как звенья и узлов механизма манипулятора, так и • специально вводимых упругих устройств).
Положение и ориентация основания сборочной головки задаются матрицей-столбцом s = {г, 6}т, где г —— радиус-вектор полюса ос-
нования; 0 ——вектор малого угла поворота. Для упрощения в дальнейшем принимается, что программа s [Л] задается дискретно, т. е. представляется в виде функции целочисленного аргумента Л. Предварительный этап сборочного процесса ——свободный перенос. Собственно сборка начинается с возникновения контакта подвижной и неподвижной деталей. Этому состоянию соответствует s [0] при fc — 0. В дальнейшем оно называется начальным. Положение и ориентация подвижной детали относительно неподвижной задаются лгатрицей-столбцом q — {R, Q}T, где R — радиус-вектор полюса подвижной детали; Q ——вектор малого угла поворота. Начальному значению s [0] соответствует начальное значение q [0], а последовательности s [Л] — последовательность q [к]. Требуемое конечное состояние, соответствующее завершению сборочнога процесса, задается матрицей-столбцом q*, зависящим, вообще говоря, от погрешностей формы деталей. Если имеются зазоры, конечное состояние задается в виде области, матрица- столбец q* в общем случае может содержать не- все координаты (R, Q), а лишь существенные, характерные для завершения сборочного про- цесса.
Для успешного выполнения процесса сборки необходимо, чтобы последовательность q(D 困 сходилась к д* (здесь q(D—вектор, со
держащий существенные для сборки координаты). При заданных свойствах системы и программе s [к] можно выделить область начальных положений s [0] cz s [0]三 s, точкам которой соответствует сходимость последовательности q。)[Л] к q*. Обычно ширина и конфигурация этой области определяются преимущественно геометрическими факторами. Например, при сборке пары вал—втулка в положении, в котором оси вала и отверстия близки друг к другуг характерный размер области начальных положений определяется суммарной шириной фасок. Методы и средства, обеспечивающие попадание в эту область, многочисленны [1]. Они реализуют идеи регулярного или случайного поиска или целенаправленного движения. В последнем случае используются сигналы датчиков, чувствительных к относительньш перемещениям деталей.
В дальнейшем будем считать, что приход в область Q начальных положений обеспечен, и рассматривать последующие фазы автоматической сборки.
Ход сборочного процесса определяет программа s [А:]. Для исключения ситуаций типа застревания, заклинивания и выворачивания могут быть использованы следующие возможности:
изменение геометрии поверхностей контакта (в частности, введение и расширение фасок, скосов, направляющих пазов и пр.);
изменение программы s 困；
выбор характеристик упругого элемента подвеса.
Проведенные исследования показали, что при выбранной геомет-
рии поверхностей деталей весьма широкие возможности открывает
выбор характеристик упругого элемента. Авторами разработано несколько вариантов схем линейных упругих элементов, допускающих изменения параметров как перед сборкой, так и в ходе сборки.
(1)(1)В дальнейшем сборочный процесс представляется как квазиста- тический, т. е. принимается, что он представляет собой последовательность состояний равновесия упругой системы. Сформулируем сначала решение, пренебрегая силами трения. В этом случае положение равновесия на каждом шаге находится из условия мнннмума потенциальной энергии U упругих сил
(1)
(1)
min U (q [Л] — s 岡)
⑵⑵при ограничениях, определяемых обьпно односторонними неудержи- вающийи связями
⑵
⑵
F (q 困)> 0.
Здесь F (q)——векторная функция векторного аргумента.
(3)(3)Для точек контакта сопрягаемых деталей условия (2) переходят в равенства. В процессе сборки число точек контакта увеличивается, поэтому на каждом шаге число условна типа равенств вида
(3)
(3)
F (q IM) = 0
обычно растет. Для точек, где контакта нет, имеют место строгие неравенства.
Приближение к заданному состоянию q* происходит, вообще говоря, немонотонно. Однако в большинстве случаев при правильном протекании сборочного процесса на каждом шаге подви?кная деталь приближается к заданному конечному состоянию (или по крайней мере не удаляется от него). Вводя норму отклонения, условие правильного протекания сборочного процесса удобно представить в виде
И q⑴区+ 1] 一 q* II - И q⑴[川-q* || < 0.
В дальнейшем это условие (являющееся, вообще говоря, недостаточным) называется условием сходимости сборочного процесса. Получим условие сходимости процесса в развернутом виде. Составим функцию Лагранжа для задачи минимизации (1) при наличии ограничений (3) в виде равенств
e = U (q 困 一 s[川)+ VF,
где 九 —— множители Лагранжа.
Выявление ограничений осуществляется по результатам анализа полной совокупности условий (2) на предыдущем шаге, т. е. посредством анализа того, какие именно точки находятся в контакте.
Градиент дН!дц определяет направление возрастания функции Н. Чтобы реализовать движение в сторону приближения к локальному минимуму функции Н из состояния, определяемого q(D [А], на координаты приращения Aq Ik + 1] = q(D [к + И — q(1) [W
необходимо наложить условия
的"厶十弘爲蓮/6⑷
Приращение Aq должно быть допустимым в том смысле, что вектор q 伍 + 1] удовлетворяет ограничениям (3). При численных расчетах условие (4) необходимо проверять на каждом шаге.
Для определения X зададим приращение Aq, при котором заведомо обеспечивается сходимость, а именно
Aq ⑴佑+1] = —a(瑞)，
\ dqJ)，q=q[们
где а ——положительное достаточно малое число. С учетом условий (3) с точностью до слагаемых первого порядка получаем
AFXq(*)j哥+儿嗡偌
Отсюда находим где
?L 6q⑴(0q丿」
Теперь условия сходимости (4) записываются в форме
дН \М⑴丿q=g]дН \М⑴丿q=g]屮屮q=q[K]q=q[K]>0.>0.(5)(5)
дН \
М⑴丿q=g]
дН \
М⑴丿q=g]
屮
屮
q=q[K]
q=q[K]
>0.
>0.
(5)
(5)
Дальнейшее раскрытие условий сходимости требует конкретизации модели упругого элемента. Если упругий элемент линейный,, то потенциальная энергия записывается в виде квадратичной формы
U [к] = (q [к] — s [Л])ТС (q [к] —- s 同)，
где С — матрица жесткостей. Практически может оказаться выгодным использование нелинейных упругих элементов, в частности применяемых в сборочных головках упругих элементов с первоначальные натягом [2]. Во всех случаях после подстановки выражения U [Л] в систему неравенств (5) получаем совокупность значений s [Л], которые им удовлетворяют и при которых сборочный процесс идет в правильном направлении. Рассмотренный алгоритм реализо- ван на ЭВМ. Численное моделирование позволило исследовать зависимость характерных размеров области совокупности значений s [Л] от характеристик упругого элемента.
ЛИТЕРАТУРА
Колпашников С. Н・,Челпанов И. В. О синтезе структуры и законов управ- ления сборочных роботов.— В кн.: II Всесоюз. межвуз. науч.-техн. конф. «Робототехнические системы», Киев, 1980: Тез. докл. Киев: Киев, политехи, ин-т, 1980, т. 1, с. 29—33.
Научные основы автоматизации сборки машин/Под ред. М. П. Новикова* М.: Машиностроение, 1976. 437 с.
УДК 007.52:061.4
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ”
И ПРИВОДОВ РОБОТА, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩЕГО СОПРЯЖЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
И. Н. Егоров, А. А. Кобзев
Применение промышленных роботов (ПР) для выполнения наиболее трудоемких операций по сборке узлов и общей сборки изделий машиностроения (взаимная ориентация и сопряжение собираемых деталей) сопровождается определенными ограничениями [1]. В первук> очередь это связано с относительной сложностью разработки алгоритмов управления и приводов, обеспечивающих взаимную ориентацию и характерные траектории движения сопрягаемых деталей при условии исключения возможности нарушения формы, размеров и качества сопрягаемых поверхностей, а также гарантирующих надежность и минимальное время сопряжения при действии на схват робота различного рода связей, активных сил и сил сухого трения.
Так как сборочные работы работают в декартовой или цилиндрической системе координат, алгоритмы управления в общем случае формируются исходя из условия нахождения экстремума некоторого функционала качества Ф (6^, бу, 6Z, Рх, Ру, Pz, Р^ 无S),以① 6Х, бу, 8z, Рх, Ру, Pz — гарантированный зазор и усилие сборки по соответствующим осям; Рд ——допустимое усилие сборки; z「—— гарантированное перемещение по оси Z при сборке; S — параметр сечения сопрягаемых деталей (для круглых — диаметр, для прямоугольных —стороны прямоугольника). Если в схвате ПР располагается сборочная головка, то приводы робота сообщают одной из сопрягаемых деталей равномерное перемещение по соответствующей оси системы координат.
Когда одна из сопрягаемых деталей находится непосредственна в схвате робота, ввиду недостаточной априорной информации о процессе сборки применяются алгоритмы сборки, основанные на: аналитических, поисковых и комбинированных методах поиска экстремума; контроле векторов перемещений и условий (проекции Рх, Ру, Pz), модуля и знака усилий в случае контакта деталей при сборка или при создании дополнительного движения детали (схвата) в горизонтальной плоскости по сходящейся или расходящейся спирали, гармоническому закону по обеим осям (X и У) с постоянным или изменяемым сдвигом фаз или случайному закону с одновременным движением по вертикальной оси (z (方)=Uz 方)И——3].
Достаточно широко известен алгоритм сборки, основанной на колебании детали относительно точки подвеса схвата в плоскости XOZ с одновременным поступательным перемещением вдоль оси Z [4].
Рассмотрим два вида алгоритмов управления и приводов сборочных роботов: один из них основан на реализации метода усреднения
•значения максимального фактического отклонения осей сопрягаемых деталей типа вал—втулка [2, 5], а другой — на использовании информации о знаках проекций вектора усилия сборки.
Алгоритмы управления приводами при сопряжении детален. Предположим, что:
центры вала и втулки находятся в горизонтальной плоскости
вал следует перемещать вдоль вертикальной осп Z; вертикальные осп сопрягаемых поверхностей параллельны; детали имеют фаски, перекрывающие точность вывода их на позицию сборки.
Метод усреднения значения максимального фактического отклонения осей сопрягаемых деталей предполагает поочередные движения по горизонтальным осям с целью определения отклонения осей сопрягаемых деталей. Он может быть использован для сопряжения деталей разнообразных сечений (круглых, пряпоуголышх, типа «ласточкин хвост» и т. д.). Наиболее простой случай —— сопряжение деталей с круглым сечением.
Рассмотрим перемещения вала при сопряжении деталей типа вал——втулка. Допустим, что в исходном положении оси X л У собираемых деталей не совмещены (рис. i, 〃)，Дх и Ад — отклонения осей. Сначала движение сообщается по вертикальной оси Z до упо- ра. После фиксации останова сообщаются направленные движения по оси X влево. Если же сразу фиксируется останов, т“ е. перемещение меньше цены импульса системы 60 (рис. 1, б), то сообщается не- ремещение вправо. Одновременно с движением измеряется пройденный путь..
После фиксации останова в крайнем положении привод реверсируется и перемещает вал на половину пройденного пути. В результате совмещаются оси вала Ув и отверстия 爲(рис. 1, 6). Далее сообщается перемещение по оси Z (рис. 1, в). Если сопряжение не выполнено, то аналогичные движения совершаются по оси У (рис. 1, а).
Если после первого цикла шагов сборка снова не закончена (рис. 1, d), процедура совмещения повторяется.
Когда горизонтальные оси деталей совмещаются с точностью гарантированного зазора, вал перемещается вдоль вертикальной оси на z「，схват разжимается.
Обобщенная блок-схема алгоритма сопряжения деталей прямоугольного и круглого сечений представлена на рис. 2. Для сборки деталей с прямоугольным сечением справедлива вся схема.
При сопряжении деталей типа вал—втулка управление идет по ветвям 1 ~3.
Сопряжение деталей с прямоугольным сечением достаточно широко распространено в машино- и приборостроении. Такая задача встает, например, при установке спутника с деталью, имеющего наир являющие с прямоугольным сечением, на стол станка с помощью ПР. При опускании вала до контакта деталей (см. рис. 2) сообщается движение по одной оси (например, по X). Перемещение вала по оси X невозможно, так как имеется плоскостной контакт по фаске.
Рис. I. Взаимное расположение деталей в процессе сборки
параллельной оси X. Тогда разрешается движение по другой оси. В случае несовпадения обеих осей плоскостной контакт будет по двум фаскам, параллельным осям X и У. В результате не будет перемещения по обеим координатам, что обусловлено большими силами трения трущихся поверхностей из-за поджатия деталей по оси Z. Поэтому после пробных движений по осям X и У следует «приподнять» вал по осп Z, что достигается переходом на управление по ветви 6. Затем приводу по одной из горизонтальных координат сообщается перемещение в любом направлении до момента контакта,, после чего управление идет по алгоритму сборки деталей типа вал —— втулка.
Наряду с рассмотренным можно использовать алгоритм, основанный на обработке информации только о знаке проекций вектора усилия сборки. Управление приводами по горизонтальным осям начинается после перемещения вала вдоль осн Z до контакта деталей. Приводам поочередно по одной или двум горизонтальным координатам сообщается перемещение в направлении свободного хода и одновременное перемещение по оси Z с допустимым усилием сборки. Приводом по оси X (или У) сообщаются движения в одном направлении. Если перемещения нет, то возрастает усилие привода и он реверсируется. Таким образом происходит процесс сканирования вала между крайними положениями его в фаске втулки. Так как одновременно с этим валу сообщается перемещение вдоль оси Z, то зона сканирования постепенно «сужается» и он влодит во втулку. Скорость движения вдоль оси Z определяется допустимым
Рис. 2. Алгоритм управления приводами ПР при сборке деталей прямоугольного нли круглого сечения
V^ — скорость перемещения по оси Z;勺，尸纟 一текущие координаты и усилие соответственно? Zj, — гарантированное для сопряжения переагещеиие; Pz，^д — текущее и допустимое усилие ^сопряжения соответственно; Ах, Ду и Лх^, Ад^ — первоначальные и текущие отклонения осей сопрягаемых деталей; 6。——цена импульса
усилием сборки. Скорости перемещения вдоль осей X н У при таком алгоритме управления следует выбирать одинаковыми и постоянными, соизмеримыми со скоростью по оси Z.
При использовании подобных алгоритмов снимаются ограничения на массу и габариты собираемых деталей (с гарантированным зазором), не программируются размер и число поисковых шагов и обеспечивается достаточно высокое быстродействие. Для нормального функционирования схемы цена импульса должна быть в четыре — шесть раз меньше гарантированного зазора. Наиболее просто рассмотренный алгоритм реализуется на приводах с шаговыми двигателями.
Приводы. В приводах, позволяющих реализовать алгоритм управления, основанный на методе усреднения, можно применять как шаговые, так и непрерывные исполнительные двигатели. Шаговый привод целесообразно использовать в качестве канала точного перемещения, осуществляющего непосредственно сопряжение деталей. Он представляет собой отдельный конструктивный узел, располагаемый непосредственно на исполнительном органе робота и работающий в режиме сопряжения деталей. Принцип действия и структура такого привода рассмотрены в работе [5]. Основные характеристики шагового привода сборочного робота: шаговый двигатель типа ШД-5 с шагом 1,5° и частотой приемистости 1,2 кГц; шаг ходового винта 5 мм; цена дискреты 5 мкм; масса собираемых деталей 5 — 10 кг; диаметр вала от 10 до 100 мм; длина вала 100 мм; минимальный гарантированный зазор 20 мкм.
Данный алгоритм достаточно просто реализуется и на приводах с двигателями постоянного тока. Структурная схема канала управления приводом по одной координате (X или У) приведена на рис. 3,〃， где, кроме общепринятых обозначений, приняты следующие: УЧПУ—— устройство числового программного управления, ИД — исполнительный двигатель; ДОС——датчик обратной связи; СЧ ——силовая часть, включающая двигатель и механическую передачу； ЛУ — логическое устройство; буквенными символами обозначены сигналы: Л — управляющий на переключение разрядной сетки цифро- аналогового преобразователя (ЦАП); В ——ошибка; С ——управляющий для ключа; D ——разнополярного напряжения для задания скорости; Е ——обратной связи по моменту. В ЛУ сигналы В и Е нормализуются по уровню. Логическая единица формируется в том случае, когда сигналы ошибки и момента превышают допустимые значения. Связи ЛУ с каналами приводов по осям X п У для упрощения не показаны.
Система работает следующим образом. В случае несобираемости детали ЛУ по команде с датчика контакта по оси Z управляет приводом по оси X или У. Следящий привод переводится в режим регулятора скорости путем размыкания ключа в канале ошибки. По входу D подается управляющее напряжение +U. Если перемещения нет, что определяется ЛУ по анализу сигналов ошибки и момента, то на усилитель подается напряжение ——U. Привод реверсируется. Таким образом, ЛУ организует перемещение схвата с деталью в на-
Рис. 3. Структурные схемы приводов, реализующих алгоритмы, основанные на методе усреднения (а) и анализе знаков проекций вектора усилия сборки (б)
правлении свободного хода. При контакте деталей привод останавливается. Ошибка в сумматоре равна перемещению детали в схвате, т. е. удвоенному исходному отклонению совмещаемых осей.
Далее по сигналу с ЛУ разрядная сетка аналого-цифрового преобразователя подключается к регистру ошибки со сдвигом на один разряд. Тем самым считываемая с регистра ошибка делится на два. Затем замыкается ключ, привод переводится в следящий режим и отрабатывает выходной сигнал ЦАП, т. е. половину перемещения. В результате оси совмещаются. Далее ЛУ дает команду на работу привода по Z, затем, в случае несобираемости,— на работу привода по оси У и далее по оси Z. Следует отметить, что люфт и упругие деформации не оказывают влияния на точность совмещения осей, так как выход в искомую точку всегда осуществляется с реверсированием независимо от квадранта расположения вертикальной оси вала в горизонтальной плоскости втулки.
Структурная схема приводов, реализующих алгоритм сопряжения деталей с обработкой информации о знаке проекций вектора усилия сборки, представлена на рис. 3, 6, где: НЭ ——нелинейный элемент; К — ключ; q (X) — обобщенная координата, в качестве которой могут быть X, У н Z (,з (/) — задание,乳(力)一отработка); М3 (方)， М^ (方)一 соответственно значения моментов задания и отработки.
Перемещение по оси Z задается по управляющему входу ,з (О- В случае наличия контакта и отсутствия сопряжения деталей возрастает момент (ток) двигателя привода. По команде с НЭ вход привода переключается на отработку заданного момента (усилия) сборки. Одновременно с этим дается команда на работу приводов по горизонтальным осям X или У (ЛУ не показано). Приводы по горизон-
тальным осям переводятся в режим регуляторов скорости (задание скорости идет по входу ^3 (方)).В зависимости от знака момента двигатели реверсируются. При этом происходит сканирование вала в зоне фаски отверстия от одного крайнего положения до другого. В результате перемещения вала по трем координатам он «сползает» по фаске во втулку.
Если используются дискретные приводы по осям X, У и Z, то для фиксации положения манипулятора ПР в период между импульсами необходимо применять необратимые элементы в виде тормозных устройств или самотормозящихся механических передач. Необходимость применения необратимых элементов особенно очевидна в приводе любого типа по координате Z, так как характерные для такой работы статические положения равновесия, вызванные удержанием детали в неподвижном состоянии, приводят к увеличению энергопотребления и уменьшению надежности ПР. Электроприводы с необратимыми элементами в дальнейшем будем называть электромеханическими необратимыми исполнительными приводами.
Исследование неравномерности движения привода. Специфическая особенность электромеханических необратимых исполнительных приводов при выполнении сборочных операций ——действие на схват робота значительных осевых сил, имеющих, в частности, характеристику сухого трения, зависящую от скорости перемещения и нормальной составляющей динамических воздействий к собираемым (трущимся) поверхностям. Наличие сухого трения может вызвать неравномерность перемещения схвата робота, что, в свою очередь, приводит к деформации и дополнительной шероховатости поверхности собираемых деталей. Это особенно опасно, если детали изготовлены из мягких материалов (например, из чугуна или алюминиевых сплавов). В зависимости от вида алгоритма сборки неравномерность микроперемещений ПР по координате Z может наблюдаться при сближении деталей с малой постоянной скоростью как в отсутствие, так и при наличии поисковых движений в горизонтальной плоскости.
Исходная математическая модель электромеханического необратимого исполнительного привода по координате Z содержит дифференциальное уравнение пятого порядка с учетом нелинейной характеристики сухого трения и динамического передаточного отношения СМП [6]. Исследования проводились методами гармонической линеаризации, статистического и цифрового моделирования. При отсутствии поисковых движений причина нарушения плавности перемещения по координате Z ——наличие в характеристике сухого трения участка с отрицательным наклоном. Периодические поисковые движения в горизонтальной плоскости создают периодические внешние воздействия (мультипликативные помехи) на привод по оси Z и оказывают существенное влияние на плавность движения вдоль этой оси, так как сухое трение в этом случае — величина переменная, зависящая не только от скорости, но и от нормального давления.
Применение в приводе необратимых элементов положительно сказывается на плавности медленных перемещений, но полностью вынужденных колебаний выходной координаты привода не устра-
няет. Случайные воздействия смежных приводов нарушаю! плавность медленных перемещений вдоль оси Z значительно меньше, чем при периодических воздействиях, и поэтому при анализе привода по
оси Z могут не рассматриваться. Предложенные корректирующие
звенья для электромеханических необратимых исполнительных приводов позволили обеспечить высокую плавность микроперемещений при сопряжении деталей.
ЛИТЕРАТУРА
Научные основы автоматизации сборки машин/Под ред. М. П. Новикова. М.: Машиностроение, 1976. 437 с.
Егоров И. Я., Кобзев А. А. Алгоритмы управления сборочными роботами.— В кн.: Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Владимир, окт. 1978 г.: Тез. докл. М.: Наука, 1979, с. 54—55.
Охоцимский Д. Е. Разработка очувствленных роботов.— В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 1, с. 17-18.
Кобринский А. £, Корендясев А. И., Саламандра Б. Л., Тывес Л. Н・ Информационные системы промышленных роботов.— Станки и инструменты, 1976, № 8, с. 16—24.
Егоров И. Я., Кобзев А. А., Кравченко В. Я. Привод сборочного робота.-— Приборы и системы управления, 1981, № 5, с. 33—38.
Егоров И. Н., Кулешов В. С. Аналитическое и структурное представление самотормозящихся передач.— Изв. вузов. Машиностроение, 1970, № 11, с. 7 — 15.
УДК 007.52:62-52
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЗАДАЧАХ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ
Д, Е. Охоцимский, С. И. Гримайло, С. С. Камынин,
Е. И. кугуюев, С. М. Соколов, В. Г. Толстоусова
Визуальная информация позволяет существенно повысить адаптивность и надежность систем управления роботов-манипуляторов. Можно выделить два основных подхода.
Первый ——это использование визуальной информации при работе в неорганизованной среде для распознавания объектов, с которыми манипулирует робот, и определения их положения в пространстве. Типичный пример задач такого рода — сортировка различных изделий, которые нужно снимать с конвейера.
При втором подходе визуальная информация является средством для организации контроля. Среда, в которой работает робот, здесь предполагается в достаточной степени организованной, так что в нормальной ситуации положение в пространстве объектов, с которыми оперирует робот, заранее известно с некоторой точностью (требуется только локальное уточнение их положения). Визуальная информация здесь употребляется для того, чтобы проверить, соответствует ли сложившаяся в ходе работы ситуация ожидаемой
(нормальной). Типичный пример задач такого рода —— контроль качества изделий или исходных деталей и заготовок, контроль правильности выполнения сборочных операций и т. п.
Следует заметить, что указанные подходы не являются взаимоисключающими, а дополняют друг друга. Методы использования визуальной информации должны выбираться с учетом специфики решаемых задач.
Первый подход реализуется в системе управления сборочным роботом [1] типа «глаз—две руки», второй — в автоматической сборочной системе (АСС) с возможностью инспекционного видения.
Первая система обеспечивает возможность автоматической сборки изделий из деталей, которые заранее не ориентированы и могут располагаться случайным образом. Вторая система позволяет контролировать правильность выполнения сборочных операций в ходе автоматической сборки и адаптивно менять поведение робота в зависимости от сложившейся ситуации.
Обе системы реализованы на базе АСС [2], дополненной аппаратными и программными модулями сбора и обработки визуальной информации.
СИСТЕМА «ГЛАЗ-ДВЕ РУКИ»
Эта система (рис. 1) предназначена для решения задач автоматической сборки изделий из деталей, исходное положение которых в рабочей зоне манипуляторов заранее неизвестно, и включает в себя два однотипных электромеханических, манипулятора УЭМ-2, разработанных в МВТУ им. Н. Э. Баумана [1], и систему технического зрения (СТЗ), выполненную на базе фоточувствительной матрицы [3]. В качестве управляющей ЭВМ используется мини-ЭВМ М6000.
Система управления роботом обеспечивает автоматическое определение местоположения и ориентации объектов с помощью СТЗ, планирование траектории движения манипуляторов и исполнение движения. Реализована система управления в виде трех основных программных модулей, которые взаимодействуют через монитор. Алгоритм определения местоположения и ориентации объектов в декартовом пространстве на основе визуальной информации подробно описан в публикациях [3—51.
Для управления движением манипуляторов используются такие же структуры данных и такая же система управления, как и описанные в статьях [2, 6, 7]. В дальнейшем один из манипуляторов будем называть правым (правая рука), а другой — левым (левая рука) [1].
ПоетаноЕка задачи. Пусть манипуляторам необходимо совершить ряд действий над объектом, положение которого заранее не задано п определяется с помощью СТЗ. Считается, что сами эти действия заранее известны. Например, действием может быть перемещение объекта (детали) из неизвестного заранее в фиксированное положение с заданной ориентацией. В этом случае нет необходимости планировать всю траекторию движения манипуляторов в декартовой
Рис. 1. Общий вид робота типа «глаз—две руки» с фотоматрицей
системе координат. Считается, что управление движением осуществляется в собственных координатах [1], поэтому та часть траектории, которая не зависит от результатов обработки визуальной информации, определяется заранее и записывается в массив программных движений, представляющий собой последовательность узловых точек манипуляторов [6]. Узловые точки, зависящие от начального положения объекта, вычисляются на основе результатов обработки визуальной информации и записываются в этот же массив.
Считается, что объект манипулирования может занимать несколько устойчивых состояний относительно опорной поверхности. Например, плоский предмет может лежать определенной стороной вверх или вниз. В каждом из этих состояний декартовы координаты и ориентация объекта могут быть произвольными. От того, какое из устойчивых состояний он занимает, зависит последовательность выполняемых над ним действий. Будем считать, что имеется некоторое «стандартное» состояние. Если объект занимает состояние, отличное от стандартного, то он должен быть «перекантован» с целью приведения в стандартное состояние, которое должно быть проконтроли-
ровано СТЗ. Последовательность действий манипулятора в случае, когда объект занимает стандартное состояние, определяется однозначно.
Таким образом, если число устойчивых состояний объекта равно Л\ то предварительно должны быть предусмотрены (и частично определены) N последовательностей программных движений. Если он занимает одно из N ——1 нестандартных состояний, число последовательностей для обеспечения перекантовки объекта в таком случае равно N ——1. Одна последовательность реализует манипуляции, если объект занимает стандартное состояние.
Несмотря на простоту постановки задачи, ее решение позволяет выполнять широкий круг задач. Например, детали, из которых должен быть собран механизм, могут быть обнаружены СТЗ и перенесены в заданные положения. Далее процесс сборки продолжается путем реализации программных движений, полученных в результате обучения [6]. Предполагается, что обучение манипуляторов происходит предварительно перед запуском системы управления роботом «глаз—две руки».
Распознавание объектов с помощью СТЗ также происходит на базе предварительного обучения или настройки: объекты показываются СТЗ в различных состояниях [3—5]. Благодаря этому система может быть достаточно просто переналажена для работы с новыми объектами.
Взаимодействие модулей системы управления. Система управления состоит из трех основных модулей: обработка визуальной информации, планирование движения манипуляторов, исполнение движения манипуляторов. Взаимодействие их осуществляется через монитор. В процессе работы каждый модуль вырабатывает признак окончания работы 一 флаг IFL. На основе значения IFL монитор передает управление тому или иному модулю.
Декартовы координаты и ориентация объекта вычисляются модулем обработки визуальной информации. Этот ;ке модуль определяет, в каком из N устойчивых состояний находится объект, и заносит номер этого объекта в ячейку SITUA. Значения декартовых координат, а также углов ориентации объекта используются модулем планирования, который планирует подвод схвата к объекту и подъем объекта над опорной поверхностью, преобразует декартовы координаты в собственные координаты манипулятора и заносит их в файл программных движений в заранее отведенные места (к этому моменту времени этот файл уже содержит те узловые точки программных движений, которые были получены в результате обучения). Содержимое ячейки SITUA указывает модулю исполнения на то, какая из последовательностей программных движений должна быть исполнена.
Поскольку взаимодействие модулей осуществляется через монитор, который имеет простую реализацию, система управления допускает расширение. Например, в систему, легко вставляется модуль, работающий при ситуации, когда манипулятор в силу ошибочного определения положения предмета СТЗ не может его захватить. В этом случае необходимо повторное обращение к модулю обработ-
ни визуальной информации. Кроме того, манипулятор может быть использован для поднесения предмета к СТЗ с целью его более точной идентификации и т. д.
Модуль обработки визуальной информации. Система сбора фотометрической информации представляет собой матрицу фоточувстви- тельных элементов, установленную на первых двух звеньях электромеханического манипулятора УЭМ-2. Подробно собственно система сбора и алгоритмы первичной обработки фотометрической информации, необходимые для ввода полутонового изображения в ЭВМ, описаны в публикациях [3—5].
Угол наклона оптической оси фотоматрицы к опорной поверхности сборочного стола составляет 80°. Такое положение системы сбора визуальной информации позволяет при обработке получаемых изображений не проводить дополнительных операций по учету вызванных различными углами зрения искажений образов наблюдаемых объектов. Кроме того, дистанция до наблюдаемых объектов изменяется в небольшом диапазоне, что дает возможность обходиться без трансфокатора и не проводить дополнительную нормировку получаемого изображения по отношению к расстоянию наблюдения.
Характерной чертой рассматриваемой системы технического зрения является малое число точек изображения (100) и прямой доступ к любому из фотодатчиков. Эти свойства дают возможность обходиться вычислительной мощностью одной мини-ЭВМ и организовать обработку поступающей информации в реальном масштабе времени. Вместе с тем малое разрешение фотометрической системы требует и специальных алгоритмов обработки изображений.
В модуле обработки визуальной информации можно выделить три группы алгоритмов: алгоритмы выделения в рабочей зоне отдельного объекта; алгоритмы, предназначенные для получения признаков, описывающих объект на изображении; алгоритмы, обеспечивающие получение данных для управления манипуляторами при работе с рассматриваемым объектом.
Выделение отдельного объекта в рабочей зоне. Существенный момент при выделении объектов на общем фоне — выбор порога, сравнение с которым будет давать ответ на вопрос, относится ли данная точка изображения к объекту или к фону. Рассматривалось несколько способов автоматического определения этого порога: метод моды [8], метод, основанный на анализе матрицы потенциалов, полученной по исходному изображению [3], и ряд других. Наиболее подходящим оказался метод, основанный на анализе гистограммы распределения числа точек изображения по уровням квантования их яркостей [4, 9] (в результате выделения образа объекта при помощи сравнения с этим порогом получаются образы, по форме лучше других соответствующие реальной детали).
Этот метод основывается на том, что на гистограммах распределения числа точек изображения по уровням яркости, соответствующих полученным в экспериментах полутоновым изображениям деталей, всегда оказывается один ярко выраженный абсолютный максимум (соответствующий точкам фона) и один или несколько локальных
максимумов (соответствующих точкам объекта). При этом абсолютный максимум оказывается отделенным от первого из локальных максимумов локальным минимумом. Соответствующий ему уровень яркости принимается за искомый порог (он хорошо согласуется с порогом, который выбирается на том же полутоновом изображении человеком). Программа, реализующая такой способ определения по^ рога, требует 3,25 мс машинного времени.
В проведенных экспериментах предложенный алгоритм надежно выделял объект на окружающем фоне при контрастности фон/объект 0,5—0,25.
Объекты сцены — детали масляного насоса (см. рис. 5 в статье [2] настоящего сборника) — на изображении представляются ярче фона. Таким областям соответствует единичное значение характеристической функции изображения. Поэтому в дальнейшем, если не оговорено особо, будем подразумевать, что интересующим нас объектам соответствуют области, где характеристическая функция равна 1.
Как и в любой другой, действующей в реальных условиях систе^ ме сбора визуальной информации, на результаты работы фотометрической системы сказываются различного рода помехи (блики на объектах сцены, внутренние помехи системы сбора фотометрической информации и т. п.), которые приводят к тому, что на бинарном изображении, полученном по исходному полутоновому изображению, могут появляться «лишние» единицы или нули. Для борьбы с этими помехами применялся метод логического сглаживания. По этому методу значение яркости в данной точке изображения (0 или 1) определяется как булева функция от окрестных элементов.
Для рассматриваемой задачи был построен логический оператор сглаживания со следующими характеристиками:
элемент значением 0 заменяется на элемент значением 1 в том и только том случае, когда все соседние элементы суть 1;
элемент значением 1 заменяется на элемент значением 0, если либо все соседние элементы суть 0, либо среди соседних элементов имеется единственный элемент 1 и он располагается по диагонали от данного элемента.
Для выделения в поле зрения отдельного объекта необходимо подсчитать количество связных компонент на изображении. Эта операция выполняется маркировкой элементов, относящихся к одной компоненте. '
В качестве метода маркировки используется метод «распространения» [8]. Все двоичное изображение подвергается систематическому осмотру слева направо, сверху вниз до тех пор, пока не обнару^ живается элемент, имеющий значение 1. Этому элементу присваивается значение 2. Затем любой элемент изображения со значением 1, смежный с элементом 2, сам получает значение 2. Если в результате этой операции создается ситуация, не допускающая дальнейших замен, то, очевидно, все элементы со значением 1, принадлежащие той же компоненте, в которую входит исходный элемент, приобрели значение 2. Далее систематический осмотр элементов возобновляет'-
ся и продолжается вплоть до обнаружения другого «единичного» элемента. Ясно, что этот элемент должен принадлежать другой компоненте. Этому элементу присваивается значение 3, и весь процесс «распространения» повторится, в результате чего «единичные» элементы новой компоненты приобретают значение 3. Вся эта процедура в целом повторяется вплоть до полного завершения осмотра изображения. К этому моменту каждая компонента единичных элементов оказывается единообразно помеченной целым числом, не меньшим 2. Для установления числа связных областей, присутствующих на изображении, достаточно из числа, сопоставленного элементам последней обнаруженной компоненты, вычесть 1.
Время выполнения этого алгоритма зависит от размеров размечаемых компонент, их конфигурации и количества. В проведенных экспериментах это время в среднем составляло 8 мс.
Параллельно с разметкой отдельных областей на изображении осуществляются подсчет количества элементов в каждой области (т. е. площади) и проверка выхода отдельных элементов этих областей на границу поля зрения фотоматрицы.
Следующий шаг предварительной обработки фотометрической информации — выделение отдельного объекта в поле зрения для даль-' нейшего анализа. В первую очередь проверяется, есть ли среди выделенных на изображении областей такие, которые полностью попадают в поле зрения. Если такая область есть и она единственна, то она выбирается в качестве искомого объекта. В случае наличия нескольких областей, удовлетворяющих этому условию, предпочтение отдается обладающей большей площадью. При нескольких кандидатах и после этого сравнения отбор происходит по наличию элемента области, попадающего в центр поля зрения. Если ни в одной из областей, претендующих на дальнейший анализ, такого элемента не находится (нет соответствующей пометки), то выбирается область, помеченная меньшим числом в процессе разметки компонент.
Если же после маркировки связных компонент на бинарном изображении не оказывается ни одной области, целиком попадающей в поле зрения фотоматрицы, то организуется перемещение системы сбора фотометрической информации в сторону одной из областей, выходящих на границу. Выбирается эта область из нескольких кандидатов по такому же принципу, как и для случая нескольких кандидатов, полностью попадающих в поле зрения. Перемещение системы сбора фотометрической информации выбирается таким образом, чтобы наблюдаемая в поле зрения картина переместилась на один элемент изображения в нужном направлении.
После реализации под контролем следящей системы необходимого перемещения возобновляется процедура получения и маркировки бинарного изображения. Если и после этого интересующая нас область целиком не попадает в поле зрения, то необходимые смещения выполняются еще и еще раз, пока вся область не попадет в поле зрения. Если это оказывается невозможным, то предварительная обработка прекращается, а система выдает сообщение о необходимости изменения расстояния, с которого наблюдается данная сцена.
После выделения отдельного объекта в поле зрения фотоматрицы система переходит к следующему этапу обработки фотометрической информации — распознаванию объекта.
Распознавание объекта. Для идентификации объекта необходимо получать в ЭВМ его описание в виде набора признаков. В настоящей работе был использован принцип составного описания объекта: на разных этапах обработки фотометрической информации и в зависимости от решаемой задачи употреблялись различные методы, дающие наибольший эффект на данном этапе решения задачи. Первой составляющей такого описания были выбраны метрические свойства наблюдаемого объекта: площадь и периметр. Параллельно с определением площади объекта (при получении бинарного изображения) подсчитывалась средняя яркость его точек. Эта характеристика — удобный признак описания свойств объекта на изображении. Она позволяет легко и надежно различать внутреннюю и внешнюю стороны отдельных деталей, тогда как по другим характеристикам они практически неотличимы.
Для определения периметра образа объекта выделялись граничные элементы образа на бинарном изображении. С этой целью использовался алгоритм обхода границы объекта против часовой стрелки ——в основе этого алгоритма лежит прием «сохраняйте образ объекта слева» [4, 8].
Следующей составляющей описания был выбран метод аппроксимации объекта на изображении посредством моментов [4, 10]. Пусть дана дискретная функция интенсивности g (i, /) (i = 1,... ..10; / = 1, . . ., 10). Момент Mpq порядка (р, q) этой функции определяется формулой
10 ю
%д =工工(6 — 讲(у-6)。g (力,力(p, q = 0, 1,...), E i—1 j=l
а центральный момент Mpq порядка (p, q) — формулой
10 10
%g = ££(6 —T赛У(『—6 —鵜У g(i,力(p,q = O, 1,...).
Здесь предполагается, что при анализе изображения используется система координат Оихиуи, связанная с фотоматрицей и имеющая своим началом элемент (6; 6) (оси параллельны сторонам фотоматрицы). Поскольку множество моментов единственным образом определяет функцию интенсивности и единственным образом определяется ею [10], то оно дает описание объекта. Частичное описание объекта можно получить, используя некоторое подмножество моментов.
В предлагаемом способе описания объекта используются следующие моменты характеристической функции: момент нулевого порядка MqQ (площадь рассматриваемого объекта); два момента первого порядка М10 и MQ1 (среднее значение количества элементов объекта соответственно по осям О^х^ и 011yli)・ Деление M1Q и MQ1 на M0Q нормирует их по отношению к площади объекта и дает координаты
хп и % его центра тяжести. Центральные моменты определяют характеристики объекта по отношению к его центру тяжести. Вторые центральные моменты Ми, М20 и Мо2 представляют собой моменты инерции объекта. Собственные векторы матрицы этих моментов задают направления, относительно которых объект имеет максимальный и минимальный моменты инерции. Собственные значения —— суть главные моменты, отношение которых описывает в некотором смысле толщину и длину объекта.
Заметим, что характеристики объекта на изображении, полученные с использованием вторых центральных моментов, не зависят ни от расстояния наблюдения, ни от положения объекта на изображении. Эти характеристики определяются только распределением массы в рассматриваемой проекции детали. Поэтому все другие признаки, описывающие данный объект на изображении, удобно связывать с этими характеристиками.
На основе полученных членов разложения характеристической функции в ряд моментов вводится система координат, связанная с рассматриваемым объектом. За ее начало берется центр тяжести объекта, поло;кение которого определяется указанными выше соотношениями. Главные моменты 入】и Х2 рассматриваемого объекта находятся по характеристическому многочлену Д （九）матрицы вторых центральных моментов
八夕02 九м =
Далее вычисляются отношения компонент собственных векторов этой матрицы, равные тангенсам углов наклона главных осей инерции наблюдаемого объекта в осях координат изображения. Определенные таким образом главные оси инерции принимаются за оси системы координат, связанной с объектом. Направление по этим осям фиксируется на основе других признаков описания объекта на изображении, позволяющих отличить свойства объекта в одном из направлений по этим осям от свойств в противоположном направле- НИИ.
В частности, таким признаком может быть выбрано соотношение расстояний по главным осям инерции от центра тяжести объекта до его границы. Если же признаков, позволяющих отличить одно направление от другого, на данном объекте выделить не удается, то за поло/кительное направление вдоль указанных осей выбирается то направление на большей из главных осей инерции, с которым можно совместить положительное направление оси 。口力“ системы координат 。込胃式弘I изображения путем поворота на меньший угол, отсчитываемый против часовой стрелки. Главные оси инерции образа рассматриваемой проекции детали будем называть большей и меньшей в соответствии с тем, какой из осей эллипсоида инерции данного образа они соответствуют.
После того как для объекта зафиксирована связанная система координат, местоположение всех последующих признаков описания 204
данного объекта определяется в ней. Положение и ориентация самой этой системы координат определяют соответственно положение и ориентацию рассматриваемого объекта относительно системы координат изображения.
В качестве еще одной составляющей описания объекта рассматривалось описание его топологии. Анализируемый объект исследуется на предмет нахождения внутри него внешней границы каких- либо других связных компонент — дыр. Если они имеются, то указывается положение их центров относительно системы координат, связанной с данными объектом. Алгоритм, при помощи которого реализуется это исследование, в точности повторяет алгоритм маркировки компонент, примененный не ко всему полю зрения, а только к его части, ограниченной внешней границей объекта, и ориентированный на маркировку связных компонент изображения, состоящих из О, а не из 1. Далее, если это необходимо, для каждого из выделенных отверстий определяются признаки в той же последовательности описания, как и для всего объекта в целом.
Предлагаемая составная система описания объектов на изображении не является замкнутой в смысле возможности включения в ее состав и других компонент описания. Набор их может варьироваться в зависимости от технических возможностей системы сбора фотометрической информации и от конкретной решаемой задачи.
Перед началом работы робота настраивается фотометрическая система на заданный набор деталей. При этом в памяти ЭВМ создается список моделей тех реальных деталей, с которыми предстоит оперировать работу.
Алгоритм настройки системы организован в виде диалога оператор—система обработки фотометрической информации. Оператор демонстрирует перед фотометрической системой очередную деталь и сообщает системе информацию, необходимую для включения в структуру создаваемой модели (код рассматриваемой детали; признак, позволяющий зафиксировать направление осей связанной системы координат; данные, необходимые для взятия этой детали манипулятором; последовательность признаков, позволяющих отличить данную деталь от других и одно устойчивое ее состояние на сборочном столе от другого).
Вводимые данные ЭВМ записывает в память, автоматически выделяет и вычисляет признаки, указанные оператором. При этом производится контроль на однозначность определяемой модели —— чтобы каждой детали соответствовала одна модель в памяти ЭВМ. Если оказывается необходимым, выдается сообщение о требовании дополнить существующие модели деталей. В этой случае оператор должен изменить список признаков, участвующих в определении соответствующей модели.
После того как фотометрическая система настроена на данный набор деталей, она может быть запущена в автономный режим для поиска деталей в рабочей зоне и их распознавания.
Непосредственно распознавание детали начинается вслед за выделением в поле зрения отдельного объекта. На основании самых
Рис. 2. Схема рабочей зоны робота «глаз—две руки»
2. 2 ——правый и левый манипуляторы соответственно; 3 — СТЗ (матрица фоточувствительных элементов); 4 — объектив; 5 — рабочая зона
простых признаков, вычисленных на нем (площадь, средняя яркость), из списка имеющихся моделей выбирается самая похожая, и дальнейшее распознавание идет в соответствии с ее структурой [9].
Определение положения и ориентации объекта в абсолютной системе координат. Для организации работы всего комплекса сборочного робота используется абсолютная прямоугольная правая система координат OXYZ (рис. 2). В ней задается положение основания системы сбора фотометрической информации и манипуляторов. В качестве опорной плоскости, на которой располагаются детали, берется плоскость ОХУ. Всю необходимую для оперирования манипуляторов с деталями информацию, получаемую от фотометрической системы, требуется представлять в этой абсолютной системе координат.
До сих пор во всех описанных алгоритмах обработки изображения мы делали привязку всей получаемой информации к системе координат изображения. Теперь укажем проективное преобразование, позволяющее по известному местоиоложению основания системы сбора фотометрической информации, ее размерам и конфигурации при рассмотрении данной детали перевести координаты изобра?ке- ния (%и, Ун) в абсолютные координаты (хс, z/c)*
Так как в рассматриваемом комплексе в качестве опорной выбрана плоскость OXY, то известное общее обратное проективное преобразование [101 для этого случая значительно упрощается и 206
приобретает следующий вид:
%с = %о + Р cos 0 ——I cos ср sin 8 + d sin cp sin 0 ——5,
Ус = Уо + P sin 8 + / cos cp cos 0 — й sin cp cos 0 — 6, где
§(z。十 ％ sin ① 十 d cos ср)(胃叮 sin 9 十 / cos <p cos 8 — уи sin ① sin 8)
—/sin(P + ?/H cos(p'
Xq, go, zo — координаты основания системы сбора фотометрической информации; / ——фокусное расстояние используемой оптической системы; р, Z, d — размеры привода, на котором установлена фотометрическая система (см. рис. 2); 0 и ср — углы, характеризующие положение системы при рассмотрении данной детали.
Ориентация деталей, как уже отмечалось выше, задается углом, который образует большая из главных осей инерции детали с положительным направлением оси ОХ абсолютной системы координат. Поэтому после того, как при расчете моментов определен тангенс угла наклона большей из- осей инерции объекта по отношению к оси ОцХи изображения, для определения ориентации детали достаточно вычислить арктангенс этой величины и добавить к нему значение угла, на который повернута фотометрическая система относительно оси ОХ абсолютной системы координат.
Модуль планирования траектории движения манипуляторов в декартовом пространстве. Рассмотрим модуль планирования траектории движения манипуляторов в декартовой системе координат. В нем решаются две задачи: установление соответствия между положением и ориентацией схвата и собственными координатами манипулятора; определение тех положений манипулятора в декартовой системе координат, в которые он должен быть выведен, т. е. собственно планирование. Первый вопрос возникает в связи с тем, что положение объектов, обнаруженных СТЗ, задается в декартовой системе координат, а управление движением манипуляторов осуществляется в пространстве собственных координат. Планирование траектории необходимо для избежания столкновения с препятствиями (в частности, для избежания столкновения зажатого в схвате предмета с опорной плоскостью).
Установление соответствия между положением и ориентацией схвата и собственными координатами манипулятора. Эта задача mohwt быть решена двумя различными способами. Первый сводится к определению параметров манипулятора ——значений длин его звеньев и коэффициентов, связывающих единицы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в показаниях датчиков и углы между звеньями в шарнирах. Кроме того, необходимы значения параметров, позволяющих определить положение основания манипулятора в абсолютной системе координат OXYZ (см. рис. 2), в которой задаются координаты обнаруженных СТЗ объектов. Значения этих параметров позволяют определить путем обратного преобразования собственные координаты манипулятора по декартовым и ориентации схвата [И].
Такой подход является весьма общим, однако он имеет ряд не-
достатков. Во-первых, число параметров, подлежащих определению, довольно велико. Во-вторых, возникает вопрос выбора того или иного метода их определения. Наконец, экспериментальная проверка показала [12], что в рабочей зоне углов между звеньями имеются области с нелинейными характеристиками, что существенно затрудняет определение этих коэффициентов. Поэтому был выбран другой способ ——табличный. При его использовании на ту часть пространства, где может находиться схват, наносился равномерная сетка по осям, вдоль которых определяются декартовы координаты и ориентация схвата. При выводе схвата в каждый из узлов сетки определяются соответствующие собственные координаты манипулятора путем опроса показаний датчиков положения звеньев. Эти показания заносятся в таблицу. Те собственные координаты, которые соответствуют положению схвата, не заданному в таблице, могут быть определены в результате интерполяции по узлам.
Прямое применение этого способа, однако, требует значительного объема памяти ЭВМ, поскольку размерность пространств, между которыми устанавливается соответствие, велика (она равна шести). Поэтому при составлении таблицы были использованы некоторые допущения, позволяющие значительно уменьшить размеры таблицы.
Итак, пусть OXYZ — декартова система координат, в которой определяется расположение объектов с помощью СТЗ (см. рис. 2). Положение объекта задается двумя горизонтальными координатами 第° и ус его центра масс и углом а между большей из его центральных осей инерции и осью ОХ. Примем следующие допущения：
рабочая зона манипулятора, в которой располагаются объекты, является частью плоскости ОХУ, ограниченной двумя концентрическими окружностями, центром которых является проекция основания СТЗ на горизонтальную плоскость ——точка О (см. рис. 2) (длина этой полосы приблизительно 60 см, ширина ——17 см);
объект может быть захвачен левым манипулятором [1 ];
кинематика манипулятора (в частности, левого) позволяет подвести схват к любой точке рабочей зоны таким образом, чтобы его плоскость была перпендикулярна оси ОХ、а пальцы соприкасались с плоскостью OXY (при этом звено DE будет перпендикулярно плоскости OXY) (см. рис. 2 ；
захват объекта может быть осуществлен путем приложения горизонтальных усилий, перпендикулярных его центральной оси (центральная ось захвата (ось DE на рис. 2) при этом проходит через центр масс объекта, т. е. для захвата объекта знание параметров 网，况，а оказывается достаточным).
Первое допущение следует из ограничения на область действия СТЗ [1 ] и исключает необходимость учета в таблице вертикальной пространственной координаты. Второе допущение позволяет задать таблицу только для одного левого манипулятора. Благодаря третьему и четвертому допущениям удается избавиться от табличного задания ориентации схвата. В самом деле, в таблице могут быть заданы только такие конфигурации, как указано в третьем допущении. При такпх конфигурациях могут быть захвачены объек-
ты, для которых а = 0. В случае а 六 0 схват может быть повернут на этот угол вокруг оси DE (см. рис. 2) путем изменения единственной шестой собственной координаты ^6 [1 ], поскольку ось перпендикулярна плоскости рабочей зоны.
Для задания таблицы нанесем на рабочую зону манипуляторов равномерную сетку по осям ОХ и OY, Пронумеруем узлы сетки — каждому из них поставим в соответствие номер. Нумерацию узлов на плоскости ОХУ будем вести слева направо и снизу вверх (при увеличении номера узла координата по оси ОХ меняется быстреет чем по ОУ). Далее будем последовательно выводить манипулятор в конфигурации, как указано в третьем допущении, при которых проекция точки Е на плоскость OXY совпадает с узлами сетки. Соответствующие значения собственных координат % —義，выраженные в единицах АЦП, будем заносить в таблицу. Таким образом, для вывода схвата в узел сетки с номером i необходимо извлечь из таблицы i-й элемент. В результате может быть захвачена деталь, центр масс которой совпадает с одним из узлов, а угол а = 0.
Если координаты % и ус центра масс объекта не совпадают ни с одним из узлов, то необходимые для его захвата значения собственных координат определяются линейной интерполяцией. С этой целью на плоскости OXY определяется прямоугольник, в который попадает точка (%, &). Если она лежит на границе прямоугольников, то выбирается тот из них, который определяется вершинами (узлами) с меньшими номерами. Из этих четырех узлов выбирается ближний к точке (力ус) (узел 1 на рис. 3). Далее из трех других узлов выбираются два ближайших к точке (zc, ус) (узлы 2 и 3 на рис. 3). При прочих равных условиях выбирается узел с меньшим номером. Необходимые значения собственных координат % (力= =1, . . ., 6) вычисляются по формуле
% =齿+ (疝-编)3胃/A方+ (炉一冉初/A仏
Здесь q[ (/с = 1, 2, 3) — значение i-й собственной координаты в /с-м узле; △力 и Ау — шаг сетки по осям ОХ и OY; 3力= ]灰一^ |, ^У \ Ус ~ У1 \, где хг уг — координаты узла 1.
Пусть далее необходимо захватить деталь, для которой угол а 声 0, а 7е — значение шестой собственной координаты при тех же значениях координат центра масс захватываемого объекта, но для которого ос = () (значение д^ определяется в результате интерполяции). Тогда за искомое значение 夕6 принимается значение g^ + уа. Здесь у — коэффициент, связывающий значения относительных перемещений координаты дб, выраженные в угловых единицах и единицах АЦП. Значение ? определяется экспериментально.
При проведении экспериментов значения △力 и Ау были равны 7 см. Такой шаг обеспечивал захват основания масляного насоса с достаточной точностью.
Планирование траектории. Рассмотрим теперь выбор тех положений схвата в декартовой системе координат, которые зависят от начального расположения захватываемого объекта (остальная часть
траектории, как указывалось, задается заранее). Они должны исключать столкновения зажатого в схвате объекта и самого манипулятора с другими объектами и опорной поверхностью.
Предположения о характере траектории основывается на специфике задачи. В нашем случае все объекты расположены на горизонтальной плоскости, и поэтому их заведомо можно обойти, подняв схват манипулятора достаточно высоко. Это приводит к естественному предположению, что основные движения манипулятора совершаются не ниже некоторой высоты над уровнем стола. Если же надо взять объект со стола, то схват опускается по вертикали, захва- тывает объект и снова поднимается [13].
Рис. 4. Конфигурация манипулятора при захвате объекта, расположенного в рабочей зонеРис. 4. Конфигурация манипулятора при захвате объекта, расположенного в рабочей зонеРис. 3. Линейная интерполяция между узлами тарировочной таблицыРис. 3. Линейная интерполяция между узлами тарировочной таблицы
Рис. 4. Конфигурация манипулятора при захвате объекта, расположенного в рабочей зоне
Рис. 4. Конфигурация манипулятора при захвате объекта, расположенного в рабочей зоне
Рис. 3. Линейная интерполяция между узлами тарировочной таблицы
Рис. 3. Линейная интерполяция между узлами тарировочной таблицы
Таким образом, можно ограничиться выбором следующих положений схвата: перед захватом схват выводится в положение, отстоящее от захватываемого объекта на некотором расстоянии по вертикали (оно зависит от характерных размеров объектов в рабочей зоне'; для захвата манипулятор опускается на то же расстояние; после захвата (перед началом дальнейших манипуляций) схват приподнимается вертикально вверх на это же расстояние. Следовательно, определяются три положения (два из которых совпадают), через которые схват должен пройти. Этим положениям соответствуют три узловые точки, через которые должен пройти манипулятор и которые должны быть записаны в файл программных движений. Узловая точка, соответствующая захвату, определяется с помощью таблицы. Две другие узловые точки совпадают и определяются с помощью линеаризации необходимых геометрических соотношений на основе той же таблицы. Опишем эти соотношения.
Пусть ABCDE — конфигурация манипулятора, соответствующая какой-либо таблично заданной точке или полученной интерполяцией между узлами таблицы (рис. 4). Поскольку в этой конфигурации звено DE перпендикулярно плоскости рабочей зоны, то все звенья манипулятора лежат в одной плоскости. Обозначим ее 4&П・ Примем, что характерный размер захватываемого объекта вдоль оси OZ достаточно мал, так что перед захватом схват должен отстоять на некоторую малую величину 6т] от плоскости рабочей зоны. Соот-
ветствующие приращения 谷该，Мз и §05 обобщенных координат 02, ，з и 05 должны удовлетворять следующей системе уравнений:
^2 COS 02 6^2 + L3 (6^2 + 6^3)СО6 @ + 03)+ 厶传02 + “3 +
+ “5)COS (例 + 03 + 05)= О,
^2 sin 装谷依 + L3 (6^2 + 6^3)sin(02 + 03)+ 0 (§02 + §03 +
+ §05)sin (g + 03 + 05)= —3%
S2 + “3 + 5方=0.
Здесь £2 ——£& — длины звеньев манипулятора, а значения углов 02, 0з и 05 получены из таблицы линейной интерполяцией и соответствуют той конфигурации, при которой схват (точка Е на рис. 4) соприкасается с плоскостью рабочей зоны.
Первое уравнение этой системы означает равенство нулю приращения горизонтальной координаты схвата при возмущении собственных координат. Второе уравнение связывает приращения собственных координат с приращением вертикальной координаты схвата. Третье уравнение указывает на равенство нулю отклонения звена DE от вертикали (схват должен опускаться вертикально).
Оказалось, что конфигурация манипулятора при захвате объекта, расположенного в рабочей зоне, характеризуется почти горизонтальным положением звена CD、т. е. значение 02 + 7з всега близко к 冗/2. Кроме того, звено DE вертикально, поэтому 02 + 0з + 05 = —冗.Используя эти соотношения, получаем следующую систему уравнений относительно 3例，§03 и §05：
^2 COS 兆302 — & 传02 + Мз + 6^5)= 0,
£2 sin g302 + 上3 (302 + 503)= -3Tb
% + 6^3 + 必5 = 0-
Откуда имеем
6,2 = о, Мз = —6刀/厶，Ms = —Мз・
Таким образом, если g (% =，，・.•，6) — значения собственных координат в узловой точке, соответствующей конфигурации при захвате, то в двух других точках значения третьей и пятой собственных координат равны q3 + 6^3 и 拆 + 6^5 соответственно (значения остальных собственных координат сохраняются).
Экспериментальная проверка показала приемлемость такого выбора узловых точек.
Модуль исполнения движения. В описанной системе управления роботом «глаз—две руки» модуль исполнения такой же, как и описанный в статьях [2, 6, 7]. Однако при передаче управления зтому модулю вершина плана сборки, соответствующая началу исполнения нужной последовательности движений, не вводится оператором с пульта, а определяется автоматически, на основе содержимого ячейки SITUA.
* * *
Проведенные эксперименты по управлению роботом «глаз—две руки» при перемещении произвольно ориентированных деталей [141 подтвердили работоспособность предлагаемых алгоритмов и показали следующее.
Несмотря на простоту взаимодействия модулей, программное обеспечение робота «глаз——две руки» позволяет решать широкий круг задач, связанных с обнаружением и переносом реальных промышленных деталей.
Благодаря модульному принципу организации система управления роботом может быть легко расширена.
Алгоритмы обработки визуальной информации учитывают специфику используемой экономичной фотометрической системы с малым разрешением и позволяют для реальных сцен выделять в рабочей зоне сборочного робота отдельные объекты, получать информацию об их местоположении и ориентации, выделять признаки, дающие возможность отличать один объект от другого.
В экспериментах с реальными деталями с помощью описанных алгоритмов была получена информация о местоположении центров тяжести наблюдаемых объектов с точностью до 0,7—1,5 см и об ориентации тех же объектов с точностью до 2—5°.
При этом программы, реализующие описанные алгоритмы, занимают около 25К 16-битовых слов памяти мини-ЭВМ М6000. Время выполнения отдельных этапов обработки фотометрической информации на действующем макете фотометрической системы составляет 0,01—0,1 с, что позволяет использовать результаты обработки для организации управления манипуляторами в реальном масштабе времени.
В целом алгоритмы сбора и обработки фотометрической информации и результаты их исследования на действующем макете фотометрической системы позволяют сделать вывод о возможности успешного использования подобных систем технического зрения в ком- плексе сборочного робота с целью получения информации, необхо- дшюй для управления манипуляторами при работе с заданным набором деталей.
Табличный способ тарировки манипулятора и несложный алгоритм определения промежуточных узловых точек позволяют успешно захватывать и перемещать детали типа основания масляного насоса, обнаруженные СТЗ (при этом шаг сетки по осям ОХ и OY составлял 7 см).
Так как основание масляного насоса может занимать два устой- чивых состояния, при экспериментах система управления обеспечивала перекантовку детали с помощью манипуляторов.
Для повышения точности захвата объектов манипулятором и уменьшения объема вычислений желательно совместить тарировку систем координат СТЗ и манипуляторов. Например, можно задать таблицу соответствия между декартовыми координатами схвата и соответствующими значениями параметров, полученных на основе обработки визуальной информации.
АВТОМАТЕ Ч ЕСКА Я СБОРОЧНАЯ СИСТЕМА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИНСПЕКЦИОННОГО ВИДЕНИЯ
Система для решения задач автоматической сборки изделий с визуальным контролем правильности выполнения сборочных операций реализована на базе экспериментальной АСС [1, 2], дополненной возможностью инспекционного видения. В состав АСС входят два электромеханических манипулятора УЭМ-2 и серийная телевизионная камера «Электроника Л-50». В качестве управляющей ЭВМ используется мини-ЭВМ М6000.
В АСС система инспекционного видения представляет собой универсальный бесконтактный датчик, позволяющий проверять наличие или отсутствие заданных ситуаций в сборочной зоне. Использование системы инспекционного видения позволяет значительно повысить надежность сборки. В зависимости от того, какой ответ выдает система инспекционного видения на запрос о данной ситуации, может происходить ветвление в плане сборки.
Телевизионная камера подсоединена к управляющей мини-ЭВМ М6000 при помощи устройства ввода изображения, созданного в ИППИ АН СССР [15], через интерфейс, разработанный в ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. Указанные устройства позволяют вводить в память ЭВМ любой прямоугольный фрагмент растра. Растр состоит из 128 х 128 элементов. Яркость каждого элемента кодируется десятиразрядньш двоичным числом. Заметим, что, как показали эксперименты с системой инспекционного видения, для кодирования яркости достаточно от четырех до шести двоичных разрядов.
Телевизионная камера установлена на подвижном основании с двумя степенями свободы, управляемыми от ЭВМ (см. рис. 1 в статье [1] настоящего сборника).
Спецификой работы системы инспекционного видения является то, что наблюдаемая ею сцена хорошо организована. При правильном выполнении сборочной операции каждая деталь занимает одно и то же заранее определенное место в рабочей зоне сборочного робота и, следовательно, на изображении. Поэтому для контроля правильности сборки системе инспекционного видения достаточно сравнивать фрагменты текущего изображения (контрольные фрагменты) с зара- нее введенными эталонными фрагментами, соответствующими правильной ситуации при сборке. Для каждой операции сравнения указывается конкретный эталонный фрагмент. Сравнение фратмен- тов осуществляется поэлементно, что позволяет сделать алгоритмы системы инспекционного видения компактными и быстрыми.
Следует отметить, что, как правило, в каждом конкретном случае на изображении сопрягаемых деталей можно выделить небольшие информативные участки, которые сильно изменяются в зависимости от того, правильно пли нет осуществлено сопряжение. Поэтому размеры сравниваемых фрагментов могут быть выбраны достаточно малыми (порядка 20 х 20 точек растра). Возможность использования небольших фрагментов ускоряет работу системы инспекцион-
сравнительно небольшимсравнительно небольшимн?то видения, а также позволяет обойтись
сравнительно небольшим
сравнительно небольшим
объемом данных для работы.
Определение фрагментов, с помощью которых происходит сопо* ставление в процессе сборки, осуществляется на этапе планирования сборки операторольпрограммистом. В ходе обучения он предъявляет системе объекты сборки в правильных и неправильных положениях, а запоминание выделенных фрагментов происходит автоматически.
Основные понятия. На рис. 5 приведены используемые системы координат. Координаты точек (х} у) на телевизионном растре —— это
Рис. 5. Системы координат, исполь- "^ зуемые при описании алгоритмов инспекционного видения
х, у ~ координаты на растре;
Ох — столбец; Оу — строка; осф, уф ——начало фрагмента; (冥巾， Уф» Lx， Ly) — координаты фрагмента;
Uo = " — Уф)— координаты точкиUo = " — Уф)— координаты точки(& = 0С - %力，
Uo = " — Уф)— координаты точки
Uo = " — Уф)— координаты точки
внутренние фрагмента
целые числа в диапазоне 0《％, у《127. Шаг сетки растра ——единица по осям Ох и Оу. Ось Ох вертикальна, ось Оу горизонтальна. Точки {х = const} составляют строку растра, а точки {у = const}—— столбец растра.
Фрагмент изображения на растре ——это прямоугольник с вершинами в точках (узлах) сетки растра. Фрагмент составляют все точки растра, попадающие в этот прямоугольник. Фрагмент изображения задается четырьмя целочисленными параметрами:
風，Уе — координаты левого верхнего угла прямоугольника (начало фрагмента);
Lx, Ly — размеры сторон прямоугольника по осям Ох и Оу.
Таким образом, фрагмент составляют точки растра с координатами (/, у), лежащими в следующих пределах:
£巾 W £《3 十 ％ ^— 1,Уб《У《У8 + % ~•
Точки фрагмента имеют свои внутренние координаты (胃°, у。), отсчитываемые от начала фрагмента:
х0 — ж — хф1 % = У _ Уф.
Они могут принимать следующие значения:
%о — 0, 1, 2, . . ., Lx — 1; Уо = 0, 1, 2,. . ., Ly — 1.
При работе с фрашентом все его точки последовательно нумеруются, начиная с единицы до 2V — LxLy.
Нумерация точек фрагмента идет по столбцам. Таким образом, точка с внутренними координатами (х^ у°) имеет номер 力=y^Lx + + & + 1 (i = 1, 2, . . .т N),
Через устройство ввода изображения в ЭВМ вводятся яркости изображения Вг, составляющие вектор яркостей фрагмента изображения b - Bn).
Эталонным фрагментом будем называть фрагмент изображения, соответствующий правильной ситуации при сборке. Он получается в результате обучения системы показом ей ситуации для запоминания.
Контрольным фрагментом будем называть фрагмент изображения, полученный в ходе сборочного процесса. Контроль верности сборки проводится путем сравнения яркости точек эталонного и контрольного фрагментов, причем сравниваются точки с одинаковыми внутренними координатами. Это существенно, поскольку из-за сдвига изображения и других причин, о которых будет сказано ниже, координаты начала эталонного и контрольного фрагментов могут не совпадать (размеры же их всегда совпадают).
Требования к алгоритмам системы инспекционного видения. Для того чтобы обеспечить безотказную работу системы инспекционного видения, алгоритмы сопоставления фрагментов должны быть устойчивы к возмущениям, имеющим место в реальных производственных условиях.
Можно выделить три основных типа таких возмущений:
изменение освещенности сцены, а также изменение параметров усилителя видеосигнала устройства ввода изображения в ЭВМ (эти изменения приводят к вариациям значений яркости точек контрольного фрагмента изображения даже при неизменной сцене);
небольшие сдвиги изображения сцены, вызванные непостоянством сетки растра, неточным позиционированием телевизионной камеры, а также небольшими смещениями объектов на сцене в^преде- л ах, допускаемых технологией сборки；
возмущения, вызванные такими факторами, как неполная однозначность изображения объекта в правильной ситуации (например, положение зубьев свободно вращающейся шестерни), а также наличие масляных пятен или бликов на поверхности объекта и т. п.
Поскольку система инспекционного видения используется для контроля автоматического сборочного процесса, идущего в реальном масштабе времени, то ее алгоритмы должны быть достаточно простыми и быстрыми, а реализующие их программы и структуры данных — достаточно компактными.
Компенсация изменений освещенности. Для обеспечения устойчивости алгоритмов сопоставления к изменениям освещенности проводится нормировка фрагмента. При этом яркость каждого элемента пересчитывается по формуле
bi = (2 -М)/О (2 = 1, 2, . . ., N),
где 8j —— яркость Z-го элемента фрагмента; 6t — его нормированная яркость;
N N
"=%£当；0=与£|&一"1；
г=1 2=1
W — число элементов фрагмента.
Такая нормировка элементов обеспечивает инвариантность нормированных яркостей по отношению к линейным искажениям значений Вь тч е. к искажениям вида
В* = аВ； + 0 (i = 1т 2. . . ., /V),
где В| ——яркость, полученная при измерении эталонного фрагмента; а〉0, 0 — константы.
Компенсация сдвигов изображения. В ходе контроля сборочного процесса изображение сцены на растре может оказаться несколько сдвинутым по отношению к положению при измерении эталонного фрагмента. Причины сдвига могут быть следующими:
изменение положения изображения на растре, вызванное нестабильностью работы устройства ввода изображения (такие сдвиги в использовавшемся устройстве могли достигать ±1 шаг сетки растра по столбцу или строке);
неточное позиционирование телекамеры при перемещении ее из одной точки наблюдения в другую (в рассматриваемой системе телекамера была установлена на подвижном основании с двумя степенями свободы, управляемыми от ЭВМ; точность позиционирования подвижного основания была такова, что сдвиг изображения на растре мог достигать ±7 шагов сетки растра по столбцу или строке);
вариация положения деталей и инструментов на сборочном месте, допустимая по технологии сборки (в проводившихся экспериментах эта вариация вызывала сдвиги изображения на растре от 0 до ±4 шагов сетки растра по столбцу или строке).
Сдвиг изображения на растре проще всего проиллюстрировать следующим образом. Пусть в ЭВМ введены два изображения одной и той же сцены, соответствующие эталонному и контрольному изображениям. Для простоты будем считать, что эталонное изображение —это сетка, которая проектируется точно на сетку растра (сплошные линии на рис. 6). Контрольное изображение — такая же сетка, но сдвинутая и повернутая относительно исходной (штриховые линии на рис. 6). Возьмем на растре точку G с координатами (/, у). При вводе эталонного изображения в нее попадет некая точка изображения. При вводе сдвинутого изображения эта же точка изображения попадет на точку Е растра. Сдвиг изображения в точке (力，У)——это вектор w, соединяющий G и £, взятый в системе координат растра. .
В дальнейшем будем пренебрегать поворотами изображения, так как обычно они незначительны. Некоторые вопросы связанные с наличием поворота изображения, рассматриваются в публикации [16].
Если поворот эталонного и контрольного изображений относительно друг друга отсутствует, то сдвиг изображения один и тот же для всех точек растра (рис. 7).
Если изображение сдвинулось, а начало контрольного фрагмента совпадает по координатам с началом эталонного, то сопоставляться будут изображения разных участков сцены и результат сопоставле-
Рис. 6. Эталонное изображение т (сплошные линии) и контрольное после сдвига (штриховые) w — вектор сдвига изображения в точке；①一угол поворотаризображенияРис. 6. Эталонное изображение т (сплошные линии) и контрольное после сдвига (штриховые) w — вектор сдвига изображения в точке；①一угол поворотаризображенияРис. 7. Исходное изображение_
Рис. 6. Эталонное изображение т (сплошные линии) и контрольное после сдвига (штриховые) w — вектор сдвига изображения в точке；①一угол поворотар
изображения
Рис. 6. Эталонное изображение т (сплошные линии) и контрольное после сдвига (штриховые) w — вектор сдвига изображения в точке；①一угол поворотар
изображения
(сплошные линии) и сдвинутоеZ
при отсутствии поворота изображения (штриховые)
ния может оказаться неверным. Для корректности сопоставления необходимо, чтобы контрольный фрагмент лег на тот же участок сцены, что и эталонный, т. е. следует сместить начало контрольного
фрагмента.
Сдвиг изображения при вводе контрольного фрагмента, вообще говоря, не кратен шагу сетки растра. В результате этого вертикальные и горизонтальные линии на изображении, которые исходно накладывались на сетку растра, теперь оказываются лежащилш между его столбцами и строками (см. рис. 7).
Яркости изображения между двумя соседними точками растра с точностью до контрастных деталей, толщина которых меньше шага растра, меняются практически монотонно. В силу этого яркость Be в любой точке 尸 изображения, расположенной внутри квадрата GABC, лежит в диапазоне яркостей BG, В/, Вв, Вс в его вершинах G, Л, В, Ст т. е.
min {%，Ba, &, &} < ^f < max {坛，&, Вв, Bc}.
Это свойство используется для обеспечения стабильности алгоритмов инспекционного видения к малым сдвигам изображенияf
таким, что в точки растра G с координатами （力,у） попадают точки изображения, исходно попадавшие в квадрат GAB С с вершинами в точках G 二（2, у）, Л = （ж, у + 1）, В = （ж + 1, у 十 1）, С = =（2 + 1, у）.
При обучении каждой точке G эталонного фрагмента приписы- вается не просто яркость в этой точке, а диапазон яркостей. Нижняя граница диапазона равна минимуму яркостей в точках G, Л, В, С, а верхняя граница — максимуму.
При сопоставлении контрольного и эталонного фрагментов считается, что яркость в точке растра G сопоставима с эталонной （т. е. правильная）, если она попала в этот диапазон с некоторым запасом.
Поясним это подробнее. Пусть в ходе обучения эталонный фрагмент имел начало в точке （考，уэ） растра и размеры Д, Ly （工^七^ = =TV）. Обозначим В，（力，у） = （В；, 5|, . . ., 8先）一вектор яркостей фрагмента эталонного изображения с началом в точке （力,у） растра и размерами &, &. Пусть ^ （力，у） = （Ь；, 風 •一，%） — нормированный вектор яркостей этого фрагмента.
Построим четыре нормированных вектора яркостей &, Ьа, bB, Ьс）, сдвигая эталонный фрагмент на единицу по осям 力 и у:
bG =勿（吟 уз）, bA = Ьэ （жэ, уэ + 1）,
Ьс = &э （хэ 4- 1,尹），Ьв =巾（力з ! 1,聲 + 1）.
К каждой точке i эталонного фрагмента приписывается отрезок [Ь - min, &■ max] следующим образом:
bi min =: mi" {力Gi，匕Ai，^Bb %?},
b； max = max {&Gv Ъ^^ Ьв» 坛小
Таким образом, если обозначить точку i эталонного фрагмента через G, то b；min — это минимальная, a b；max — максимальная нормированные яркости в вершинах G, А, В, С （см. рис. 7）. Причем нормировка яркости происходит по следующим фрагментам:
Вершина ФрагментВершинаФрагмент
G （产,产,区，弓）8 （第3+1, *+i, g,碑
自（北丿+1,朵，勺） C ⑵+],广以，州）
Сопоставление контрольного и эталонного фрагментов происходит следующим образом. Пусть В ——вектор яркостей контрольного фрагмента, В ——нормированный вектор. Считается, что в точке i яркость 仇 правильная, если выполнено неравенство
Wm П 一，B《仇4 ь：таX + "B，⑴
где Нв — порог по шуму （положительное число, задаваемое при обучении）.
При сопоставлении контрольного и эталонного фрагментов подсчитывается число 厶 элементов контрольного фрагмента, в которых яркость неверная （т. е. не выполнено неравенство 1）. Считается, что
не превосходит с эталонной, вне превосходит с эталонной, впадаетпадаетзаданного порога (£ 久 Яь), то ситуация сов- противном случае ситуация будет неверной.
не превосходит с эталонной, в
не превосходит с эталонной, в
падает
падает
Таким образом, если сдвиг изображения мал и таков, что в точку
3 растра попадают точки изображения, исходно попадавшие в квадрат GABC (см. рис. 7), то однократное сопоставление дает решение
задачи.
Если сдвиг изображения таков, что в точку G растра попадают точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GEFH, то в точку В растра будут попадать точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GABC. В этом случае однократное сопоставление будет корректным, если контрольный фрагмент будетЕсли сдвиг изображения таков, что в точку G растра попадают точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GEFH, то в точку В растра будут попадать точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GABC. В этом случае однократное сопоставление будет корректным, если контрольный фрагмент будетОднако даже если сивит изображения мал и лежит в пределах одного шага сетки растра, то в точку G растра могут попадать точки изображения, исходно попадавшие не в квадраты GABC, а в соседние квадраты — GHPA, GEFH и GCDE (см. рис. 7). Однократное сопоставление в этом случае может дать
Если сдвиг изображения таков, что в точку G растра попадают точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GEFH, то в точку В растра будут попадать точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GABC. В этом случае однократное сопоставление будет корректным, если контрольный фрагмент будет
Если сдвиг изображения таков, что в точку G растра попадают точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GEFH, то в точку В растра будут попадать точки изображения, исходно попадавшие в квадраты GABC. В этом случае однократное сопоставление будет корректным, если контрольный фрагмент будет
иметь начало не в точке G = (хэ,夕)，а в точке В = (1r9 + 1, уэ +1).
Аналогично если в точку G растра попадают точки изображения из квадрата GHPA, то для корректного сопоставления начало контрольного фрагмента надо сместить в точку С = (^ + 1,疗).Если в точку G попадают точки из квадрата GCDE, то начало контрольного фрагмента должно быть в точке Л = 驴 十 1),
В соответствии с этим для компенсации сдвигов изображения, лежащих в пределах одного шага сетки растра, в системе инспекционного видения выполняются четыре сопоставления эталонного фрагмента с контрольными фрагментами, имеющими начало в точках G =(吟夕)，Л =(К,夕 + 1)? N =(尤 + 1,呼 + 1)ие= =(矽 + 1, уэ). Ситуация считается совпадающей с эталонной, если хотя бы одно сопоставление оказалось удачным. Для организации таких сопоставлений в память ЭВМ приходится вводить фрагмент изображения размерами & + 1 и £j + £ с началом в точке с координатами (之3, уз).
В общем случае, для того чтобы компенсировать сдвиги изображения, лежащие в пределах 6 шагов сетки растра, организуется многократное сопоставление. В память ЭВМ вводится фрагмент изображения с началом в точке z0 = д?э — 6 + 1, у° =承 ——6 + 1 :и размерами £： = 2^ + 2b — 1, £； = £；+ 23 — 1 (рис. 8), назы- z ваемый областью поиска. Затем последовательно сопоставляется кон- :трольный фрагмент с эталонным, причем начало контрольного помещается в точках с координатами
右п =炉—§ + 汽 (汽=1, 2, . . ., 26),
I Ут = уз — 6 + ^ (т == i, 2, . . ., 26).
Если хотя бы одно сопоставление окажется удачным, то ситуация считается совпадающей с эталонной, в противном случае ——неверной.
Среднее время сопоставления фрагментов при таком способе увеличивается примерно в 262 раз по сравнению с однократным сопоставлением.
Поскольку сдвиг изображения априорно неизвестен, то в качестве ширины области поиска S следует брать число, заведомо большее возможного сдвига изображения по оси х или у. В соответствии с оценкой возможного сдвига изображения, данной в начале этого раздела, ширина области поиска должна быть порядка 12 шагов сетки растра, что увеличивает время сопоставления примерно в 300 раз. Использование предварительной привязки к ориентирам позволяет понизить 6 до одной-двух единиц.
Отметим, что, как было показано в публикации [16], рассмотренные алгоритмы при размере фрагмента порядка 20 х 20 точек растра устойчиво работают и при наличии поворотов изображения на 土彳°.
Привязка к ориентирам. В ходе сопоставления контрольного и эталонного фрагментов отыскивается такое смещение контрольного фрагмента, которое компенсирует сдвиг изображения с точностью до одного шага сетки растра. Зная смещение контрольного фрагмента, можно оценить сдвиг изображения, имевший место в момент его ввода в ЭВМ.
Как указывалось, сдвиг изображения может вызываться тремя причинами: вариациями работы устройства ввода изображения, сдвигом телекамеры и сдвигом контролируемой детали. Сдвиги изображения двух последних видов не меняются, если телекамера или деталь не переводятся в новое положение. Поэтому оценки сдвига изображения, полученные при сопоставлении контрольных фрагментов с эталонными, могут использоваться для того, чтобы уточнить положение на растре других контрольных фрагментов и тем самым уменьшить ширину области поиска при сопоставлении. Ширину области поиска при этом удается уменьшить до одного-двух шагов сетки растра, т. е. до сдвига изображения, вызванного вариациями работы устройства ввода изображения.
Оценку сдвига изображения и угла его поворота на основе полученных смещений каких-либо контрольных фрагментов будем называть привязкой к ориентиру. Рассмотрим теперь, как же происходит работа с ориентирами.
При выполнении привязки к ориентиру системе инспекционного видения указывается один или два эталонных фрагмента-ориентира. Система в ходе сопоставления контрольных и эталонных фрагментов отыскивает смещение контрольных. По этим смещениям она вычисляет сдвиг изображения и угол его поворота и запоминает их.
Заметим, что с точки зрения структуры данных и алгоритмов обучения и сопоставления фрагменты-ориентиры ничем не отличаются от других эталонных фрагментов (ориентиром может служить любой их них).
Расчет сдвига изображения и угла его поворота выполняется следующим образом. Пусть при выполнении привязки к ориентиру
системе были указаны два эталонных фрагмента-ориентира с координатами начала （化°, у°） и （炉,у1）, К моменту выполнения привязки к ориентиру координаты начала этих фрагментов сдвинулись и стали соответственно （2°, ^°） и （т1, f）・ Пусть ср ——угол поворота изо-
бражения, тогда
产=子。+ （刃一不）cos中一（犷一犷）sin （р,
. gi =濟 + （炉—x0） sin 屮 + （旷一/） cos ср.
Отсюда следует, что
где6х6gгде6х6g=У1 -此=У1 -此领=兔1 — <r°;з=犷一 УО；领=兔1 — <r°;з=犷一 УО；（2）（2）（3）（3）sin 屮=（6*5g — b 忌）/1， cos ф = （6口久 + %Sy）/戸，
где
6х
6g
где
6х
6g
=У1 -此
=У1 -此
领=兔1 — <r°;
з=犷一 УО；
领=兔1 — <r°;
з=犷一 УО；
（2）
（2）
（3）
（3）
г2 = 6х + 陈 После того, какг2 = 6х + 陈 После того, как/） sin ср, g°） cos ср/） sin ср, g°） cos срr = f + （炉—迪）中+匂1 из которой можно найти уголr = f + （炉—迪）中+匂1 из которой можно найти угол一/）, поворота изображения一/）, поворота изображенияq = （-T1 + 迎+炉—方0）/匂 1 -y。）, :中П伊一濟一犷+严）/（炉一叫，р Система （4） примет теперь вид ： 它=不+ @ 一迪）一①-yQ） ф,q = （-T1 + 迎+炉—方0）/匂 1 -y。）, :中П伊一濟一犷+严）/（炉一叫，р Система （4） примет теперь вид ： 它=不+ @ 一迪）一①-yQ） ф,если у1если 化1если у1если 化1一 / * 0,一，0.一 / * 0,一，0.（5）（5）
г2 = 6х + 陈 После того, как
г2 = 6х + 陈 После того, как
/） sin ср, g°） cos ср
/） sin ср, g°） cos ср
r = f + （炉—迪）中+匂1 из которой можно найти угол
r = f + （炉—迪）中+匂1 из которой можно найти угол
一/）, поворота изображения
一/）, поворота изображения
q = （-T1 + 迎+炉—方0）/匂 1 -y。）, :中П伊一濟一犷+严）/（炉一叫，
р Система （4） примет теперь вид ： 它=不+ @ 一迪）一①-yQ） ф,
q = （-T1 + 迎+炉—方0）/匂 1 -y。）, :中П伊一濟一犷+严）/（炉一叫，
р Система （4） примет теперь вид ： 它=不+ @ 一迪）一①-yQ） ф,
если у1
если 化1
если у1
если 化1
一 / * 0,
一，0.
一 / * 0,
一，0.
（5）
（5）
в ходе сопоставления контрольных и эталонных j фрагментов определены новые координаты начала фрагментов （叫 f ^°） и （х1,歹i）, можно по формулам （3） определить sin ф и cos 屮 и полу- j чить для любой точки изображения с координатами （②,у） ее новые I координаты 仅，у） по формулам
X = XQ + （х —化°） cos ср — （//
g =炉 +（2 — 2。）sin ф + （у —
изображения ср предпо- то можно с достаточнойизображения ср предпо- то можно с достаточной（с округлением до целочисленного значения）.
изображения ср предпо- то можно с достаточной
изображения ср предпо- то можно с достаточной
Заметим, что поскольку угол поворота лагается достаточно малым （порядка 士 1°）,
степенью точности положить
в более простую:в более простую:sin ср = ср и cos ср = 1.
в более простую:
в более простую:
Тогда система уравнений （2） переходит г1 =兴 + （Z1 — Z°） —（Z/1 — у0） ф,
57 =” + （^ — а：0） <р + （У — /）•
j Если местоположение точки с координатами （化,у） настолько
I близко к местоположению ориентира с координатами （^°, у0）, что
можно пренебречь в уравнениях (5) членами (ж —— №) ср и (у — у。) ср, то допустима привязка по одному ориентиру. Система уравнений (4) в этом случае заменяется на следующую, совсем простую:
个=N +(2° — N°), (6)
У = У + (у0 — У0)-
В процессе работы сборочной системы возможна лшогократная привязка к различным ориентирам. При сопоставлении контрольного и эталонного фрагментов в ходе проверки правильности выполнения сборочных операций результаты последней привязки к ориентиру автоматически учитываются. Система инспекционного видения вычисляет для указанного эталонного фрагмента, имеющего координаты начала (^, дз), новые координаты (f3, уэ), используя формулы (5) или (6) и величины, характеризующие сдвиг и поворот изображения, полученные при выполнении привязки к ориентиру.
Для того чтобы сделать систему полной, имеется также возможность обнулить величины, запоминаемые при выполнении привязки к ориентиру.
Привязка к ориентирам используется для двух целей.
Во-первых, она позволяет уменьшить область поиска при сопоставлении контрольного и эталонного фрагментов, что существенно снижает время его выполнения. Ориентиры, жестко связанные со сборочным столом, позволяют как минимум компенсировать неточное позиционирование телекамеры. Для дальнейшего уменьшения области поиска желательно, чтобы ориентиры были жестко связаны с контролируемой деталью, положение которой может варьироваться (например, ими могут быть хорошо различимые участки самой детали).
Во-вторых, привязка к ориентирам понижает вероятность «ложных сопоставлений». Поясним это. Чем шире область поиска и чем меньше точек в эталонном фрагменте, тем более вероятно, что сопоставление контрольного и эталонного фрагментов произойдет не на том участке изображения, который мы хотели бы проконтролировать, а на каком-то другом, который оказался похожим на эталонный (типичный пример ——отверстие в детали, рядом с которым расположено еще одно отверстие, похожее на первое). Привязка к ориентирам, позволяющая уменьшить область поиска,——эффективное средство борьбы с «ложными сопоставлениями».
Эталонные фрагменты-ориентиры выделяются и запоминаются в ходе обучения точно так же, как и другие эталонные фрагменты. Поскольку при привязке к ориентиру используется широкая область поиска, ориентиры должны быть хорошо различимыми (без «ложных сопоставлений»). Это могут быть участки сцены, как естественно имеющиеся, так и созданные искусственно.
Информативные точки. Алгоритмы инспекционного видения предназначены для того, чтобв! отличать ситуацию, совпадающую с эталонной, от неверной. В случае верной ситуации все (или почти все) 222
точки контрольного фрагмента должны быть сопоставлены с точками эталонного фрагмента. Признаком неверной ситуации является тот что число несопоставленных точек больше некоторого порога.
Число точек в эталонном фрагменте в большинстве случаев существенно больше, чем нужно для надежной идентификации неверной ситуации. Эксперименты с системой инспекционного видения показали, что даже в довольно сложных случаях (когда неверные ситуации сильно напоминают верную) для стабильной идентификации неверных ситуаций достаточно сопоставить 50 или менее точек эталонного фрагмента (когда он содержит порядка 400 точек).
Уменьшение числа сопоставляемых точек в эталонном фрагменте выгодно в двух отношениях: во-первых, это уменьшает время сопоставления; во-вторых, позволяет экономить память ЭВМ, используемую для хранения эталонного фрагмента, так как отрезки яркости [bi min, &maxJ храняется только для точек, участвующих в сопоставлении.
В рассматриваемом варианте системы инспекционного видения имеется возможность сохранять в описании эталонного фрагмента любой набор его точек, причем при сопоставлении контрольного и эталонного фрагментов используются только эти точки. Будем называть его множеством информативных точек или информативным множеством эталонного фрагмента.
С уменьшением числа сопоставляемых точек, т. е. с уменьшением информативного множества, вообще говоря, увеличивается вероятность неправильной идентификации ситуации. Поэтому отбираются точки в информативное множество не автоматически, а интерактивно — в ходе диалога оператора и системы обучения. В соответствии с возможностями, заложенными в систему, оператор может отбросить из эталонного фрагмента точки, плохо различающие ситуацию, протестировать получившееся информативное множество, добавить к нему в случае необходимости какие-то новые точки и т. д.
Сопоставления контрольного и эталонного фрагментов может не произойти по двум причинам: или из-за того, что ситуация неверная, или из-за того, что контрольный фрагмент сдвинут, расположен не там, где надо. Поэтому информативные точки выявляются двумя способами. Для фрагментов, использующихся при контроле ситуации, информативными являются те точки, яркости в которых выходят за допустимый диапазон в том случае, если ситуация неверная. Для фрагментов-ориентиров информативными являются те точки, яркости в которых выходят за допустимый диапазон при сдвигах фрагмента.
В процессе обучения для выделения информативных точек первого типа системе предъявляются различнее неверные ситуации и для каждой точки эталонного фрагмента накапливается «уровень информативности» — число, показывающее, сколько раз за все пред- явления яркость в данной точке выходила из допустимого диапазона. Для выделения информативных точек второго типа системе предъявляется правильная ситуация, но эталонный фрагмент сравнивается с фрагментом, который сдвигается во все возможные позиции в за-
данной области. При этом для каждой точки эталонного фрагмента также накапливается «уровень информативности» ——число, показывающее, сколько раз при сдвигах фрагмента яркость в данной точке выходит из допустимого диапазона.
В ходе диалога с оператором в информативное множество заносятся те точки, уровень информативности которых выше заданного оператором порога.
Обучение. Обучение, в процессе которого формируются эталонные фрагменты, происходит интерактивно на зтапе планирования сборки и состоит из следующих шагов:
указываются местоположение и размер эталонного фрагмента на растре (зто может быть сделано либо путем прямого задания параметров фрагмента с операторского терминала, либо путем внесения в нужное место сцены контрастного объекта, выделяющего фрагмент; в последнем случае в ЭВМ сначала вводится изображение со всего растра (причем для экономии памяти ЭВМ ввод происходит с пропуском каждого второго столбца и строки, так что всего вводится 4096 точек), затем в нужное место сцены вносится контрастный объект (обычно кусочек белой бумаги нужного размера) и снова вводится изображение; при этом значения яркости точек не заносятся в память ЭВМ, а сразу вычитаются из уже введенных, так что в памяти ЭВМ для каждой введенной точки растра хранится разность яркостей исходного изображения и изображения с контрастным объектом; в качестве эталонного фрагмента берется минимальный прямоугольник, содержащий все те точки растра, у которых модуль этой разности превышает заданный оператором порог);
предъявляется серия правильных ситуаций (верное положение собираемых объектов), достаточно представительная по отношению к возмущениям, вызванным такими факторами, как неполная однозначность изображения объекта в правильной ситуации (в ходе этих предъявлений для каждой i-й точки эталонного фрагмента накапливается диапазон допустимых яркостей как минимальный отрезок, содержащий в себе отрезки [^т{П, 〃т&х] по всем предъявлениям);
выделяется информативное множество эталонного фрагмента (для этого либо предъявляется достаточно представительная серия неправильных ситуаций (неверное положение собираемых объектов) и информативные точки выделяются как те точки, которые изменяются в наибольшей степени при неверных ситуациях, либо предъявляется верная ситуация и информативные точки выделяются как те точки, которые изменяются в наибольшей мере при сдвигах изображения).
В памяти ЭВМ для эталонного фрагмента сохраняются его параметры, полученные на шаге 1, а также диапазоны допустимых яркостей (найденные на шаге 2) для тех точек, которые были выделены на шаге 3.
Структура сборочной робототехнической системы с возможностью инспекционного видения. Реализована она на базе ACC [1, 2, 6] л сохраняет все основные черты последней. На этапе планирования ■сборочного процесса оператор подготавливает план сборки, планы ■сборочных операций, планы составных условий и задает все движе-
ния манипуляторов, указанные в планах сборочных операций. Система инспекционного видения позволяет использовать элементарные условия наличия (или отсутствия) заданных ситуаций в сборочной зоне.
Проверка элементарного условия осуществляется путем обращения к соответствующей подпрограмме. В соответствии с этим в систему включены подпрограммы сопоставления фрагмента, привязки к ориентиру и т. п.
В ходе исполнения автоматического сборочного процесса происходит обращение к этим подпрограммам и ветвление сборочного процесса в зависимости от результатов работы алгоритмов инспекционного видения. При этом фрагмент телевизионного изображения вводится в управляющую ЭВМ параллельно с отработкой движений манипуляторов.
При отсутствии обращения к телевизионной камере в системе управления взаимодействуют два процесса: основной (отслеживание программного движения манипуляторов) и фоновый (интерпретация плана сборки) [2]. При необходимости ввода изображения в ЭВМ в системе управления запускается еще один процесс. Он имеет наивысший приоритет. Управление этому процессу передается по прерыванию при поступлении первого элемента каждого очередного столбца вводимого фрагмента изображения. На время ввода каждого столбца фрагмента два других процесса в системе управления приостанавливаются, поскольку интервал времени между приходом двух последовательных точек столбца составляет приблизительно 130 мкс и почти полностью расходуется на оцифровывание аналогового сигнала яркости (100 мкс). На время между последней точкой текущего столбца и первой точкой следующего приостанавливается процесс ввода, а основной и фоновый процессы продолжаются. После получения последней точки фрагмента процесс ввода изображения закрывается.
Поскольку столбцы фрагмента поступают в ЭВМ с частотой по- лукадров (50 Гц), то при вводе фрагмента, имеющего размер 20 X X 20 точек растра, процесс ввода открыт в течение 0,4 с (20/50). При этом у основного и фонового процессов отнимается 16% процессорного времени (20/128). Эксперименты с системой показали, что такие задержки не сказываются заметным образом на качестве движения манипуляторов.
225225Для организации обучения в систему добавлена возможность перехода в этот режим как при запуске системы, так и в любой момент автоматического исполнения плана сборки. В последнем случае оператор в требуемый момент нажимает кнопку на клавишном регистре управляющей ЭВМ. Исполнение плана сборки при этом приостанавливается, а робот «застывает» в том положении, в каком он находился в момент нажатия кнопки. После окончания работы с программой обучения процесс автоматической сборки может быть продолжен с прерванного места. Возможность обращения к программе обучения в произвольный момент автоматического исполнения плана сборки необходима, поскольку для правильного контроля ситуации
225
225
8 Заказ № 1450
сцена, которую наблюдает система инспекционного видения при обучении, должна быть реальной, т. е. такой, какой она будет при исполнении автоматической сборки в рабочем режиме.
При работе с программой обучения оператор может в интерактивном режиме выполнять следующие функции: вывод телекамеры в требуемую позицию; указание местоположения эталонного фрагмента; ввод эталонного фрагмента; выделение информативных точек в эталонном фрагменте; задание порогов; привязку к ориентирам; проверку эталонного фрагмента; уход на продолжение автоматического исполнения плана сборки.
В ходе выполнения автоматической сборки все эталонные фрагменты хранятся в памяти управляющей ЭВМ. Всего можно хранить 32 эталонных фрагмента. Общее число их информативных точек лю- жет достигать 1024 (в среднем по 32 информативных точки в каждом фрагменте).
Для работы с архивом данных на магнитном диске к программным модулям АСС добавлен редактор эталонных фрагментов, поз* воляющий записывать на магнитный диск массив эталонных фрагментов, считывать его с диска, исключать эталонный фрагмент, про- сматривать его содержимое, изменять пороги и т. п.
Сборочная робототехническая система с возможностью инспекционного видения использовалась в целом ряде экспериментов [17], в частности для контроля правильности выполнения операции вставления шестерни в корпус масляного насоса, для контроля правильности одевания прокладки на направляющие штифты, для контроля наличия (или отсутствия) шестерен в кассете и т. п.
Проведенные эксперименты показали следующее:
система инспекционного видения обладает высокой надежностью (правильное распознавание ситуации имеет место в широком диапазоне изменения освещенности (в несколько раз), при наличии расфокусировки и сдвигах объектов в сборочной зоне в пределах одного сантиметра);
сопоставление фрагментов после привязки к ориентиру происходит за время порядка 0,05—0,1 с, объем программ ввода фрагмента изображения и его сопоставления с эталонным фрагментом ——около 2К 16-разрядных слов;
время, затрачиваемое при обучении на формирование одного эталонного фрагмента, составляет примерно 5——10 мин.
ЛИТЕРАТУРА
Смольянов Ю. Л., Вахлин В.瓦，Волков А. В., Гримайло С. И,, Донцов В.瓦， Кугушев Е. И,, Соколов С. М. Лабораторный макет сборочного робота.— Наст. сб.
Охоцимский Д. £., Платонов 4. Я., Смольянов Ю. 〃., Гримайло С. И., Камынин С. С., Кугушев Е. И. Исследование многооперационной сборки с помощью эксперимента льной робототехнической системы.— Наст. сб.
12.13.14.15.16.17.12.13.14.15.16.17.Платонов Л. К., Соколов С. М. Система сбора п алгоритмы первичной обработки фотометрической информации: Прспр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 87. М., 1979. 32 с.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Соколов С. М. Алгоритмы сбора н обработки фотометрической информации для получения описания объектов, находящихся в поле зрения фотометрической системы: Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 98. М., 1980. 30 с.
Соколов С. М. Сбор и обработка фотометрической информации в комплексе интегрального робота.— В кн.: Механика и управление движением роботов с элементами искусственного интеллекта. М.: Ин-т прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР. 1980, с. 97—110. /
Гримайло С. И. Программное обеспечение сборочного робота.— Наст. сб.
Охоцимений Д. Е., Смольянов Ю. П.、Барбашова Т. Ф., Гримайло С. И., Камынин С. С-. Кугушев Е. 〃., Брошевский В. С. Цифровые следящие системы для управления движением роботов.——Наст. сб.
Розенфельд А. Распознавание и обработка изображений с помощью вычислительной машины. М.: Мир, 1972. 230 с.
Яшида М., Тсуйи С. Обучаемая система машинного зрения для распознавания сложных промышленных деталей.——В кн.: Тр. IV Междунар, объед. конф, по искусственному интеллекту. М-： ВИНИТИ, 1975, т. 8, с. 8.58— 8.71. ”
Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. М.: Мир, 1976. 512 с.
Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы: Динамика 口 алгоритмы. М.: Наука, 1978. 400 с.
Гримайло С. И. Система программирования и исполнения движения манипулятора, управляемого от ЭВМ: Препр. Ин-та прикл. математики гш. М. В- Келдыша АН СССР № 95. М., 1981. 30 с.
Охоцимский Д. Е., Сарычев В. А., Зуева Е. Ю., Мирер С. А., Садов 10. А., Шнейдер А. Ю., Яковлев Н- ". Моделирование на ЭВМ управления роботом- манипулятором: Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 104. М・，1974. 42 с.
Гримайло С. %, Камынин С. С, Кугушев Е. %, Соколов С. М. Использование робота «Глаз——2 рукп» для работы с неориентированными деталями: Препр. Пн-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 135. М., 1981. 28 с.
Андреев В. Я., Соколов С. М. Устройство сопряжения промышленной телевизионной установки с ЭВМ и его программное обеспечение: Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 181. М., 1982. 29 с.
Охоцимский Д. £., Волков А. В., Камынин С. С, Кугушев Е. ИТолсто- усова В. Г. Инспекционное видение для задач автоматической промышленной сборки: Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 137. М., 1984. 26 с.
Охоцимский Д. Е・,Гримайло С. И., Камынин С. С., Кугушев Е. И. Автоматическая многооперационная сборка с возможностью визуального контроля： Препр. Ин-та прикл. математики им. М. В. Келдыша АН СССР № 130, М., 1983. 21 с.
УДК 007.52:62-52
РАСПОЗНАВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ограниченной номенклатуры
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРАВЛЯЕМОЙ ПОДСВЕТКИ
В. И. Рыбак, В. Б. Марченко
На современном этапе автоматизации производственных процессов актуальна проблема создания комплексно-автоматизированных производственных участков, цехов и т. д. Одними из важнейших при решении этой проблемы являются вопросы автоматизации сборки про- мышленных изделий.
Известны различные подходы к созданию роботизированных сборочных систем. Созданы системы, в которых компоненты поступают по направляющим на одну сборочную позицию в строго заданные места с фиксированной ориентацией [1]. В этом случае объекты манипулирования оказываются предварительно «организованными»^ роботизированная система использует в основном манипуляторы с программным управлением и не требуется применение сложных систем очувствления.
На другом полюсе находятся роботизированные системы автоматизации сборки, работающие с произвольно расположенными компонентами. Пример экспериментальной системы такого рода описан в публикации [2]. В этом случае с помощью системы технического зрения определяется класс каждой детали, ее положение и ориентация. По этим данным планируются траектории перемещения схватов манипуляторов (используемых в качестве исполнительных механизмов). Такого типа системы могут найти широкое применение, когда будет обеспечена их работа в реальном масштабе времени при приемлемой стоимости системы.
В производственных условиях важно обеспечить рентабельность роботизированных сборочных систем и их высокую производительность. При значительном количестве сборочных компонентов, сложной форме деталей и большом количестве сборочных мест с различными способами сочленения деталей (клепка, завинчивание, склеивание и т. д.) перспективной представляется такая структура системы, когда собственно сборке предшествует автоматическая организация среды. Эти процессы могут быть разнесены в пространстве и во времени, что будет способствовать повышению производительности системы и упростит систему собственно сборки.
Рассмотрим вопросы создания робототехнической системы для автоматизации процесса организации внешней среды, а именно сортировки промышленных деталей ограниченной номенклатуры, находящихся на конвейере. Система, заменяющая человека на этом участке производства, должна самостоятельно определять положение и ориентацию детали, находящейся на конвейере, классифицировать ее и перемещать с конвейера на соответствующее классу детали производственное место.
В Институте кибернетики АН УССР разработаны алгоритм определения положения, ориентации и классификации промышленных деталей ограниченной номенклатуры н программы, реализующие предложенный алгоритм.
В основе создания классифицирующей системы лежат следующие положения [3]:
необходимость получения решения в реальном масштабе времени при существенных ограничениях стоимости разработки и самой системы (исходя из этого, предложен эффективный способ формиро- вания из полутоновых изображений бинарных, что позволяет значи- тельно упростить и удешевить аппаратную реализацию алгоритма, осуществив ее с помощью простых логических схем, и иолучпть ре- шение задачи в реальном масштабе времени);
активное взаимодействие системы со средой в процессе восприятия (целенаправленное изменение условий освещения деталей и использование манипулятора для изменения положения и ориентации распознаваемой детали в поле зрения приемника изображения);
детали могут принимать ограниченное количество устойчивых положений, располагаясь в любом месте рабочей зоны при произвольной ориентации;
детали на конвейере располагаются изолированно одна от другой;
система должна быть легко перенастраиваемой при переходе от работы с одним множеством классов деталей к работе с другим множеством.
Проведенный анализ показывает, что в реальных условиях окраска детали практически не отличается от окраски конвейера (в дальнейшем ——фона), т. е. отличие детали от фона по яркости весьма незначительно. Для автоматического распознавания детали предлагается искусственно усилить ее контраст. Это достигается методом управляемой подсветки, который заключается в том, что при ос- вещеипи детали с какой-либо стороны тень, отбрасываед»:ая ею, создает контраст с самой деталью.
Кроме того, при освещении появляются тени от рельефных элементов самой детали, что делает их более контрастными и облегчает распознавание детали. Размеры тени могут меняться в зависимости от угла наклона источника освещения по отношению к плоскости конвейера. Экспериментально показано, что при последовательном освещении детали четырьмя источниками света (или одним перемещающимся), расположенными с четырех сторон от рабочей зоны через 90°, и наложении получаемых изображений друг на друга удается получить тень со всех сторон детали и таким образом четко выделить ее на фоне (уменьшение количества источников света не приводит к желаемому результату).
Четыре изображения, получаемые при последовательной подсветке детали с каждой из четырех сторон, с помощью телевизионного устройства ввода изображений [4] последовательно вводятся в специализированное устройство, реализующее алгоритм (при моделировании — в ЭВМ), квантуются на два уровня и совмещаются.
Бинарные изображения деталей,мало отличающихся в одном положении (ст, б) ц существенно различных с обратной стороны (в, г), полеченные после четырехсторонней подсветки, квантования и совмещения
Для получения бинарного изображения, имеющего наибольшее сходство с исходным, квантование выполняется с использованием алгоритма адаптивного квантования [5]. Примеры изображений деталей после четырехсторонней подсветки, квантования и совмещения показаны на рисунке.
Изображение искомой детали может находиться под любым углом в любом месте полученного изображения, размеры которого определяются полем зрения телевизионной камеры. Для определения класса детали, ее точного местоположения и ориентации в системе координат телевизионной камеры проводится сканирование изображения по горизонтали и вертикали бинарными эталонами, соответствующими различным углам поворота деталей. При этом отыскивается максимальное сходство исходного изображения с одним из эталонов.
Принимая во внимание, что используются бинарные изображения и эталоны, в качестве критерия сходства можно принять количество совпадающих элементов эталона и сравниваемого с ним участка изображения. Тогда значения искомых параметров в системе координат телевизионного растра можно записать следующим образом:
{К, ф, /, J} = arg max max max max 2 ("x
К 屮 I J i=l j=l
X 卩(方 + 人 j + J) + (1 -或(3 力)(1 -'г(方 + /，/ + /))). (1)
Здесь: К ——класс рассматриваемой деталп; ср ——ориентация (угол поворота) детали (эталона) в системе координат телевизионного растра; J, / — положение (J — по вертикали, / — по горизонтали) детали в системе координат телевизионного растра;孔厶 孔之 —— размер эталона соответственно по вертикали и по горизонтали (в точках растра);喏(Z, у) — чернота (0 или 1) точки эталона с координатами (i, 7) К-ro класса с ориентацией ср; У (i + /, / + J)— чернота (0 или 1) точки сканируемого изображения с координатами
Так как положение телевизионной камеры по отношению к конвейеру не меняется, легко определить значения искомых параметров в системе координат конвейера и выдать соответствующие управляющие сигналы на устройство управления манипулятором для выполнения последним дальне立пш工 действий по перемещению детали с конвейера на соответствующее ее классу производственное песто.
Для уменьшения времени принятия решения о принадлежности детали к тому или иному классу, о ее местоположении и ориентации предлагается использовать пары источник света—приемник света. Если вдоль одной стороны конвейера расположить с определенным интервалом источники и приемники направленного излучения, а вдоль другой — соответствующие им приемники и источники света, причем ориентировать эти пары под некоторым углом к направлению движения ленты конвейера, то по номерам перекрытых деталью световых лучей можно грубо определить положение ее на конвейере， а также сделать оценку ее размеров. Одна световая пара должна быть расположена перпендикулярно направлению движения ленты конвейера с целью фиксирования момента расположения детали в поле зренпя приемника изображений (телевизионной камеры).
Уменьшение времени классификации при использовании пар но точник света——приемник света достигается в результате того, что: уменьшается количество эталонов, сравниваемых с изобра/кени- ем детали: если имеются детали, которые могут быть классифицированы только на основании данных об их размерах, то сравнение осуществляется только с эталонами соответствующего класса (для соизмеримых деталей необходимо использовать эталоны всех классов данного подмножества, определяемого диапазонол! допустимых размеров);
для определения класса детали, ее точного местоположения и ориентации в системе координат телевизионного растра сдвиг эталонных изображений при поиске максимального совпадения с изображением детали происходит в некоторой малой окрестности относительно положения центра детали, определенного с помощью пар источник света—приемник света (размеры этой окрестности зависят от погрешности определения положения центра детали с помощью световых пар; уменьшение этой погрешности приводит к уменьшению количества сдвигов эталонных изображений, а следовательно, к сокращению времени принятая решения).
Расстояние вдоль конвейера между источниками (приемниками) света (А), угол их ориентации по отношению к направлению движе-
ния ленты конвейера (а) и максимальная погрешность при определении положения центра детали с помощью световых пар (6) связаны соотношением
б=1/<(4-)2+(4tga)' 二土-^^г.
Таким образом, для точного определения положения центра детали в системе координат телевизионного растра достаточно осуществлять сдвиги эталонов на 土 г/2А вдоль одной оси координат (направление которой совпадает с направлением движения ленты конвейера) и на 士 172A tg а вдоль другой оси (перпендикулярной к плоскости телевизионного изображения) относительно положения центра детали, определенного с помощью световых пар.
Из приведенного соотношения видно, что погрешность уменьшается с уменьшением угла а и стремится к своему минимальному значению | 5 | = 172A при a f 0. Однако при этом увеличивается пространство, занимаемое на конвейере парами источник света— приемник света, что технологически невыгодно. Кроме того； с уменьшением угла а увеличивается расстояние между источником света п соответствующим приемником света, что повышает требования к мощности источника (или к чувствительности приемника).
В экспериментах значение а выбрано равным 45'. При этом 6 = 土i/?A, а сдвиги эталона вдоль каждой из осей координат необходимо осуществлять на одинаковую величину, соответствующую
Расстояние между источниками (приемниками) света вдоль конвейера должно также удовлетворять условию 八之 力/sin а, где h —— минимальный размер наименьшей из классифицируемых деталей. При выбранных значениях Лиа количество пар источник света— приемник света определяется размерами поля зрения телевизионной камеры.
Если Лер ——дискретность угла поворота эталона, то точность определения ориентации детали составит 1/2Аср. Количество необходимых эталонов для одной детали при этом зависит от ее формы. Для несимметричных деталей оно равно 360/Лср. Для осесимметричных деталей количество необходимых эталонов существенно уменьшается, а для некоторых классов может быть равно единице (например, для детали, имеющей цилиндрическую форму с малой по сравнению с диаметром основания высотой цилиндра).
Экспериментальная проверка работоспособности предложенного алгоритма проводилась на ЭВМ «БЭСМ-6». Программы, реализующие алгоритм, написаны на языке ФОРТРАН.
Использовались детали четырех классов. Два из рассматриваемых классов деталей значительно отличаются по своим размерам как между собой, так и от других, поэтому они могут быть классифицированы по их размерам, иолученгшм с помощью пар источник света ——приемник света. Положение и ориентация деталей этих классов определяются при сравнении их бинарных изображений с бинарными эталонами только соответствующего класса.
Два других класса деталей соизмеримы по своим размерам и в определенных устойчивых состояниях похожи по конфигурации. Их бинарные изображения в указанных состояниях мало отличаются между собой (см. рис. 1, а, 6). Бинарные изображения этих деталей с обратной стороны существенно различны (см. соответственно рис. 1, 6, г). Так как на практике наибольшую трудность представляет различение похожих классов деталей, представляет интерес экспериментальная проверка работоспособности алгоритма при классификации именно таких деталей.
При проведении экспериментов была предпринята попытка использования бинарных эталонов, соответствующих различным углам поворота деталей, получаемым путем программного поворота некоторого исходного эталона. В случае положительного результата такой способ формирования эталонов привел бы к существенной экономии технических средств при аппаратной реализации алгоритма, а следовательно, и к ее удешевлению. Однако эксперименты с использованием таких эталонов привели к ошибочному определению классов деталей, что произошло, очевидно, по следующим причинам:
существенное искажение конфигурации эталона в результате округлений в процессе вычисления целочисленных координат точек повернутого эталона при программном повороте исходного;
巾орма и положение тени от некоторых элементов детали (например, имеющих форму цилиндра, высота которого перпендикулярна плоскости движения ленты конвейера) при реальном повороте детали и неизменной четырехсторонней подсветке сохраняются, в то время как при программном повороте эталона меняют положение все его элементы, в том числе и элементы тени, что также приводит к искажению эталона.
Учитывая изложенное, в качестве эталонов были использованы бинарные изображения повернутых на различный угол в плоскости ленты конвейера реальных деталей, расположенных в центре поля зрения телевизионной камеры.
При проведении экспериментов принималось, что деталь может занимать любое местоположение в поле зрения телевизионной камеры и повернута на угол ср в плоскости движения ленты конвейера. Так как рассматриваемые детали осесимметричные, диапазон изме- нения угла ср был взят от 0 до 90°. Дискретность угла поворота деталей А ср при получении эталонных изображений составляла 10°. Таким образом было получено 40 эталонных изображений деталей рассматриваемых классов в различных устойчивых состояниях и по- вернутых на различные углы. Эти эталонные изображения запоминались в ЭВМ.
Затем рассматриваемые детали последовательно в каждом из устойчивых состояний помещались с произвольной ориентацией в произвольное место поля зрения телевизионной камеры, и их бинарные изображения также запоминались в ЭВМ.
Для каждого устойчивого состояния каждой детали было получено 3 бинарных изображения, соответствующих различным положе-
ниям и различной ориентации детали в данном устойчивом состоянии. “
Каждое из 12 полученных изображений деталей последовательно сравнивалось с каждым из 40 эталонов при сдвигах последнего по горизонтали и вертикали в системе координат телевизионного растра в некоторой области относительно положения центра детали, найденного с помощью пар источник света—приемник света. Размеры этой области, как уже отмечалось, зависят от максимальной погрешности определения положения центра детали с помощью световых пар. В качестве параметров изображения детали принимались параметры эталона, имеющего наибольшее сходство с ней при всех возможных сдвигах эталона.
Так как минимальный размер наименьшей из рассматриваемых деталей составлял примерно 60 мм, то при А = 45° из соотношения А V 无/sin а следует, что расстояние вдоль конвейера Л между источниками (приемниками) света не должно превышать 84 мм. С учетом ширины луча и для повышения надежности примем Л = 60 мм. При этом максимальная погрешность положения центра детали, полученного с помощью пар источник света——приемник света, составит 6 = ±42 мм.
При проведении экспериментов разрешающая способность телевизионного ввода изображений в ЭВМ составляла 1 точку растра на 3 мм детали. Поэтому, исходя из максимальной погрешности 6, область сдвига эталона (т. е. область, в которой может находиться истинный центр детали) при сравнении его с изображением составляла 士 10 точек дискретизации по горизонтали и вертикали в системе координат телевизионного растра относительно положения центра детали, найденного с помощью световых пар.
Результаты^ экспериментальной проверки работоспособности предложенного алгоритма приведены в таблице.
105440144,664138180,6569701(об)056381(об)70,0137381(06)19,787142205734245,714374229,163733102(об)05336и2(об)903557122(об)25,736972105440144,664138180,6569701(об)056381(об)70,0137381(06)19,787142205734245,714374229,163733102(об)05336и2(об)903557122(об)25,73697211111122222211111122222266оооооооооо4 8 72 5 3оооооооооо4 8 72 5 3
1
0
54
40
1
44,66
41
38
1
80,65
69
70
1(об)
0
56
38
1(об)
70,01
37
38
1(06)
19,78
71
42
2
0
57
34
2
45,71
43
74
2
29,16
37
33
10
2(об)
0
53
36
и
2(об)
90
35
57
12
2(об)
25,73
69
72
1
0
54
40
1
44,66
41
38
1
80,65
69
70
1(об)
0
56
38
1(об)
70,01
37
38
1(06)
19,78
71
42
2
0
57
34
2
45,71
43
74
2
29,16
37
33
10
2(об)
0
53
36
и
2(об)
90
35
57
12
2(об)
25,73
69
72
111111222222
111111222222
6
6
оооооооооо4 8 72 5 3
оооооооооо4 8 72 5 3
Таблица
N изображения
Истинные
Вычисленные
К
С, °
1
К
中，0
工
J
Примечание: 1(об) — деталь первого класса, вид с обратной стороны.
Как видно из таблицы, детали классифицируются правильно. Ориентация детали определяется с погрешностью, не превышающей 1/2 Дер (в нашем случае 5°), а ошибка в определении координат ев центра не превышает одной точки растра, т. е. 3 мм детали.
Для большей надежности правильного распознавания деталей^ когда их бинарные изображения в определенных устойчивых состояниях похожи (как, например, на рис. 1, <z, б), окончательное решение о принадле/кности рассматриваемой детали к тому или иному классу может приниматься после ее показа противоположной стороной (перекантовка осуществляется с помощью манипулятора).
ЛИТЕРАТУРА
Антонюк А. Г., Богачев В. /I., Дубинский И- И. Линия сборки трансфор- маторов с применением автоматических манипуляторов. М.: ВДНХ СССР,. 1981. 1 с. (Рскл. просп. ВДНХ СССР)”
Takyasu К.ч Kasai М., Shimomura R. An approach to the integrated intelligent robot with multiple sensory feedback: construction and control functj* ons.— In: 7-th International Symposium on Industrial Robots. Tokyo, 1977: Proc. IS1R. Tokyo, 1977. Chicago: Chicago Univ, press, 1977, p. 5.23—538- 3・ Рыбак В. И., Марченко В. Б. Метод построения активной системы описания промышленных деталей огранпчепного количества классов.— В кн.: Вопросы теории роботов и искусственного интеллекта. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1980, с. 40—46.
Рыбак В. 〃.，Крот В. М., Лаибин В. С Универсальное устройство преобразования и ввода в ЭВМ телевизионных изображений.— В кн.: XXII обл. науч.-техн, копф., посвящ. Дню радио, Новосибирск, 1979: Тез. докл. Новосибирск: Наука, 1979, с. 32—33.“
Рыбак В. Я. Квантование непрерывных по яркости изображений на заданное число уровней.— В кн.: Кибернетика и вычислительная техника. Киев: Наук, думка, 1969, с. 193—197.
УДК ОО7_5：；02-52
АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ВИЗУАЛЬНЫХ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ РОБОТОВ
В. И. Рыбак, А. И. Болдырев, А. В. Хоменок
Использование промышленных роботов (манипуляторов с программным управлением)' для автоматизации процесса сборки и разборки изделий возможно только в случае предварительно организованной внешней среды. В современном производстве применяются различные способы упорядочивания и ориентирования деталей, основанные на использовании вибрационных, магнитоэлектрических струйных (вихревых) и других устройств. Они привлекают своей относительной простотой реализации и дешевизной, однако принципиально не являются универсальными, что делает их малопригодными для использования в технологических процессах немассового производства. Кроме того, упорядочивание и ориентирование таки-
ми способами деталей, форма которых мало отличается от симметричной, оказывается невозможным.
В этом случае в зависимости от конкретных задач сборки——разборки может оказаться эффективным как непосредственное использование автономных роботов, так и применение их в качестве устройства автоматического упорядочивания среды функционирования обычных промышленных роботов. И в том, и в другом подходе необходима система восприятия, которая должна определять положение известных объектов сборки—разборки в рабочем пространстве манипулятора и, кроме того, опознавать заданные объекты. Следует отметить, что даже в случае известных классов объектов зачастую необходимо решать задачу выделения отдельного объекта, которая близка по сложности к задаче распознавания. Полученные данные вместе с известным планом сборки—разборки должны затем использоваться для формирования управляющих воздействий на исполнительные механизмы манипулятора.
С точки зрения создания автономных роботов, способных целенаправленно вести себя в изменяющейся окружающей среде, наиболее перспективной системой восприятия внешнего мира является визуальная, которую можно использовать также для контроля качества деталей пли конструкций. Решение проблемы рентабельности может быть ос^^ществлено за счет использования в прикладных системах технического зрения унифицированных модулей обработки, реализованных на базе микро-ЭВМ, и автоматизации проектирования.
В настоящей работе излагаются результаты исследований Института кибернетики АН УССР в области создания систем восприятия внешней среды на основе визуальной информации автономных: манипуляционных роботов. В качестве среды функционирования выбрана среда, образованная пространственными телами, поверхность которых составляют фрагменты плоскостей и поверхностей второго порядка. Именно к такому классу тел относится основная масса прод>ткции современного промышленного производства.
В основу исследований положен комплексный подход [11 к обработке визуальной информации. В традиционных схемах обработки и распознавания изображений, а также большинстве проектов автономных роботов в качестве входной используется фотометрическая информация, получаемая обычно с помощью телекамеры. Это объясняется трудностями оперативного получения больших объемов даль- неметрических данных. В общем случае по двумерному изображению в принципе невозможно получить пространственные координаты точек наблюдаемых тел.
Другое направление использует только данные о расстоянии до наблюдаемых точек пространственных тел. Предложенный в статье [2J комплексной; подход к решению задачи восприятия внешнего мира основан на взаимном учете и дополняемости результатов обработки фотометрических и пространственных данных. Он предполагает более надежное решение задачи распознавания в условиях помех по сравнению с использованием одного из видов информации о внешнем мире.
Идеи комплексного подхода использованы в модели автономного робота типа глаз—рука [3]. Сенсорные и исполнительные органы робота представлены реальными устройствами, а обработка информации о внешнем мире и формирование сигналов управления манипулятором осуществляется с помощью комплекса программ на ЭВМ БЭСМ-6 и М6000. Информация о внешней среде поступает на вход системы восприятия от телевизионного людуля ввода изображений н совмещенного с ним дальномера триангуляционного типа [4]т которые позволяют получать растровые полутоновые и дальностные [5] изображения форматом 1024 X 1024 элемента.
Модель объемного тела. Под моделью физического явления понимают [6] некоторое символьное описание, которое подходящим образом «абстрагирует» выбранные характерные свойства физических объектов и отношения между ними. Таким образом, нам необходимо представить тело как систему физических объектов с такими свойствами и отношениями между ними, которые позволяли бы не только описывать любое тело из заданного класса, но и решать задачу распознавания.
Очевидные требования, которым должна удовлетворять модель в нашем случае, это конструктивность (возможность и простота определения объектов, свойств и отношений, построения из них модели и определения элементов модели по входной информации), универсальность (возможность построения описания всех тел допустимых классов), инвариантность (неизменность свойств и отношений относительно допустимых преобразований) и экономичность (уменьшение затрат памяти на эталонные и построенные до входной информации описания, а также затрат времени на выполнение с ними различных операций).
В рамках развиваемого в Институте кибернетики АН УССР комплексного подхода к обработке яркостно-дальностной информации данные о внешнем мнре поступают в виде растрового полутонового изображения, с которым совмещено дальностное изображение. Каждой точке растра соответствуют уровень яркости и пространственные координаты видимой точки поверхности тела. Таким образом, входная информация отражает его геометрические и фотометрические характеристики. В этом случае под объектами целесообразно понимать фрагменты поверхности тела, множество точек которых обладает одинаковым набором фотометрических и геометрических свойств и отношений.
В работе [5] предложена общая формулировка модели объемного тела, а в публикации [7] она конкретизирована для класса тел, поверхность которых составлена из фраглгентов плоскостей и поверхностей второго порядка. Для указания формы фрагмента был выбран алгеброаналптический способ, в котором используется тот факт, что поверхность делит пространство на две области (точки самой поверхности можно отнести к любой из областей). Поэтому уравнения, описывающие поверхности, можно интерпретировать как двузначные предикаты и использовать как переменные булевых функций или теоретико-множественных операций. С помощью полного
набора логических операций (дизъюнкция, конъюнкция и отрицание) можно задавать произвольные области пространства и произвольные фрагменты поверхности. В случае выбора класса тел, ограниченных плоскостями и поверхностями второго порядка, кроме очевидной простоты задания, экономичности и универсальности необходимо отметить сравнительную простоту выделения из входной информации однородных фрагментов поверхности тела, границы которых объективно отображаются на полутоновом и дальностном изображениях в виде изменения поведения градиента, и возможность исйользовать хорошо разработанный математический аппарат для плоскостей и поверхностей второго порядка [8].
Для фрагментов поверхности заданной таким образом модели тела можно определить следующие свойства и отношения:
все множества точек фрагмента удовлетворяют уравнению поверхности, имеющей определенное положение в пространстве;
уравнения поверхностей самого фрагмента и его ограничений отвечают вполне определенным типам (предположим, что плоскость обозначим номером 1, конус —2 и т. п.);
булева формула истинна только на множестве точек фрагмента;
функция фотометрических характеристик определена только на множестве точек фрагмента;
каждый фрагмент находится в отношении соседства с вполне определенным перечнем других фрагментов, составляющих поверхность тела;
связанная с фрагментом система координат находится в определенном положении по отношению к системе координат, связанных с другими фрагментами.
Если принять преобразования сдвига, поворота и масштабирования в качестве допустимого набора преобразований, то из приведенных свойств и отношений можно выделить следующие инвариантные: типы поверхностей фрагментов и их ограничений;
булевы формулы, задающие фрагменты:
отношения соседства;
взаимные ориентации связанных с фрагментами систем координат.
Кроме того, для преобразований сдвига и поворота инвариантными являются коэффициенты канонического уравнения поверхности фрагмента и ограничений, а также относительные положения начал связанных с поверхностями систем координат. Об инвариантности фотометрических характеристик фрагментов с некоторой степенью точности можно говорить только для известных условий освещения.
Предложенная в статье [7] модель объемного тела позволяет при наличии информации об освещенности получить любое другое описание тела, как, например, контурное описание в виде яркостного или дальностного изображения и т. д. Однако такое описание часто бывает плохо приспособлено для распознавания, так как получение из него необходимой информации занимает слишком много времени. Поэтому для ускорения процедуры распознавания часто необходимо иметь неполные модели, приведенные к виду, легко интер-
претируемому системой распознавания. Такая модель может обладать избыточностью в том смысле, что некоторые структурные элементы и отношения, которые получают из полного описания, задаются в явном виде. Наряду с этим модель может быть неполной, так как часто распознавание с достаточной степенью точности можно провести, используя только часть наиболее существенных признаков изображения.
Реализация таких моделей осуществлена с помощью сетевой структуры данных. Основной составляющий элемент ее ——запись, в которой наряду с информацией о структурном элементе или отношении содержатся также информационные и управляющие ссылки. Средства доступа к этой информации дозволяют изменять число входящих в запись параметров и ссылок, а также строить достаточно сложные структуры, быстродействие работы которых достигается использованием информационных ссылок. Они могут быть дополнены, отредактированы или зтнпчтожены с помощью специальных подпрограмм. Подобная структура облегчает написание собственно распознающих программ и дозволяет легко организовать диалоговый режим работы с ними, что важно при использовании предложенного задания модели в системах автоматизации проектирования прикладных систем технического зрения.
Алгоритмы фильтрации полутонозых и дальностных изображений. В задаче получения характеристик фрагментов могут быть выделены два этапа. Первый ——это разбиение всего множества точек изображения на подмножества, в которые входят точки одного и того же фрагмента. На втором этапе полученные подмножества точек аппроксимируются поверхностями, что позволяет получить характеристики фрагментов.
Существует довольно много методов разбиения изображения на фрагменты [9]. Однако эти методы большей частью приспособлены только для обработки яркостных изображений сцен, состоящих из многогранников.
Нами разработан метод, который ориентирован на обработку как яркостных, так н дальностных изображений и выделяет участки с плавным изменением яркости или дальности. По своей идеологии такой метод аналогичен предложенному в иублнкагцш [10]. Однако представленный там метод нацелен на обработку только дальностных изображений и, кроме того, предполагает существенно последовательную обработку на всех этапах, в то время как предлагаемый нами метод в принципе допускает распараллеливание на наиболее емких по времени этапах и обеспечивает большую точность разбиения.
Метод основан на следующем принципе. Сперва изображение обрабатывается участок за участком фильтром, затем участки проверяются на совместимость с учетом результатов фильтрации, и. наконец, совместимые участки сливаются в однородные области. Рассмотрим подробнее каждый из этих процессов.
Сначала изображение обрабатывается универсальным фильтром для обработки яркостных и дальностных изображений.
Известно довольно много различных фильтров, выделяющих перепады и однородные области на изображении. Однако, как правило, фильтрами выдается информация только о положении линии перепада и усредненные значения функции яркости по обе стороны от него. Эта информация позволяет по яркостному изображению строить описание тел, ограниченных поверхностями первого порядка. Одна- ко ее недостаточно для описания формы тел, ограниченных кривыми гладкими поверхностями [И]. К тому ;ке, основываясь только на этих данных, затруднительно разработать алгоритмы выделения объекта методом слияния однородных областей. Данные, выдаваемые подобными фильтрами, приводят к существенной потере информации и в случае дальностных изображений. Для реализации алгоритма выделения областей был использован фильтр, описанный в [12].
Принцип его работы следующий. Пусть задано изображение, имеющее вид двумерной матрицы I 亿；).Оператор разбивает локальный участок изображения, имеющий форму квадрата размером I X I (I = 3, . , 8) точек, на два подучастка прямой линией и на каждом подучастке аппроксимирует функцию изображения плоскостью вида Ах + By — D = z. Таким образом, на вход оператора подаются 64 значения яркостей изображения, а на выходе получаются три коэффициента уравнения первой плоскости ——Ль Вь Du три коэффициента уравнения второй плоскости — 4, &,刀2, угол наклона 屮 и длина радиус-вектора г, определяющие разделяющую линию. Кроме того, оператор классифицирует обработанный участок изображения и относит его к одному из классов — «ступенька», «крышка» и т. д. [13].
Центр фильтра помещается в узлах прямоугольной сетки на изображении с координатами
i = тк (т = \…М), / = М ⑴=1,/V),
гДе 倉一mar сканирования. Он определяется таким образом, чтобы участки фильтрации перекрывались, т. е. к должно быть меньше, чем размер фильтра I.
После окончания процесса фильтрации каждой паре \т, п\ ставится в соответствие набор чисел
Затем области объединяются в результате сравнения соседних подучастков. Будем обозначать участок индексом (т, и), а подучаете в нем индексом(т, п, р), где пара \т, п\ обозначает координаты участка, ар — номер подучастка в нем (р = 1, 2). Каждому под- участку на изображении ставится в соответствие номер N (т, и, р). В результате объединения все номера подучастков, вошедших в одну область, должны стать одинаковыми.
Первоначально всем номерам поД5тчастков присваивается нуле- вое значение. Затем все участки последовательно просматриваются но строкам, начиная со второй строки, а в каждой строке ——начи- ная со второго участка. Подучастки участка (т, и) сравниваются 240
между собой и с подучастками участков (т — 1,孔)п (m, п — IL Если N (m, и, p) = ° и этот подучасток сравним с подучастком (т, и, р), то N (т,孔,р) меняется на N (тп[ п . //). Если же подучасток не сравним ни с одним из подучастков, то его номер N (mr и, р) меняется на уникальны直.Если окажется, что подучасток (т, п, р) сравнил! с подучастком (тп\ 孔',р'). но N (т, п, р)煮 0, то для всех подучастков (從，м", р"* где О V 加'& М, 0 V 展 V % р = 1, 2 п для которых N W, W, р") = N (тп\ 孔‘，р)^ заменяется N (тп",孔",рВ на N (т,孔,р). После окончания процесса объединения все области, состоящие из подучастков, сравнимых между собой, будут помечены одинаковыми номерами.
Два подучастка считаются сравнимыми, если они имеют часть общей границы н выполняется одно из следующих условий:
пусть (г, /) — координаты центра одного участка;(兀 /')— координаты центра другого участка; А, В, D и Л1Т 51? D± — коэффициенты соответствующих аппроксимирующих плоскостей. Тогда либо
(АА' + ВВ'十 1)/(厶2 -j- В^ + 1)(Л,2 + 5,2 + 1) < Л,
(А — A') (i + Г) + (3 — В') (/ 十广)+ 2 (D' -Z>) < △,(1>
либо
(44' + В В' + 1) / (Г + 出十 1) (4'2 + 3'2 + 1)> Тз,
Ai + Bj - D^ A'iB'j — D',
Ai' + Bj' -D<A'i' + B'f 一 0', либо
(AA' + BB' + 1) / (£ + В2 + 1)(4'2 + В'2 + 1)> Тз,
Ai + В] - D <A'i + B'j - O',
4i' + B『一D> A'i' + B'j' - 0',
где Гп Г2, Тз — регулируемые пороги.
Процесс объединения можно настроить на выявление плоских областей. В этом случае подучастки считаются сравнимыми, только если выполняется условие (1). Так как любая достаточно гладкая поверхность может быть разбита на почти плоские участки Л1алень- кого размера, то после объединения плоских областей выполняется процедура выбрасывания мелких участков, т. е. таких, число под- уиастков в которых меньше порога.
После объединения областей происходит выбрасывание граничных точек: удаляются те точки, вблизи окрестности которых есть хотя бы одна точка с другим номером.
После этого точки каждой области последовательно передаются на аппроксимацию.
В ходе фильтрации, помимо информации об участках яркостного или дальностного изображения, выделяется также информация об элементарных отрезках контуров.
Элементарные отрезки могут быть объединены в связные контуры с помощью квазиоптпмального метода отслеживания контуров [14]. Элементарный отрезок 力 описывается на растре координатами 加口 厶 и вектором параметров Х^： &. Контур определяется как последовательность отрезков, удовлетворяющих ограничениям
I 自+1 -俏 I = 0, I 厶+1-2t I = 1
либо '
I自十1 一 出t1=1, I%+1-厶丨《1
и обеспечивающих максимум функционала, который представляет собой логарифм апостериорной вероятности контура
2 (inp(Xae+i，*/X/,。+ 1пр(& 厶)'
тде р (X^+i，qr/Xke 〃) 一 вероятность значения параметров данного элементарного отрезка контура при условии значения параметров соседнего с ним отрезка; р (及订 厶)——вероятность наличия i-ro отрезка; п ——число отрезков.
Функционал вычисляется на каждой из допустимых последовательностей элементарных отрезков в пределах сетки из (2孔一£)乂 X {2п ——1) ячеек, где п фиксировано (размеры ячеек сетки определяются размерами фильтра).
Максимум функционала ищется методом диналшческого программирования. Продолжение найденной в пределах сетки оптимальной лоследовательности отрезков осуществляется перемещением сетки ло изображению с совмещением центральной ячейки сетки с концом только что полученного участка контура.
Аппроксимация точек контурного изображения. В соответствии с люделью тела [5] границы фрагментов поверхности определяются как структурные элементы модели. После работы процедур фильтрации проекции этих границ на плоскость изображения представляются в виде наборов точек контуров, аппроксимация которых непрерывными линиями и определение параметров линий могут оказаться полезными не только для получения более компактного представления, но и для решения задачи распознавания. В случае многогранников достаточна довольно простая аппроксимация наборов то- яек отрезками прямых. Для тел с криволинейными поверхностями применяют хорошо известную аппроксимацию сплайнами. Однако этот способ малопригоден для целей распознавания, так как одному и тому же набору точек может соответствовать множество результатов аппроксимации сплайнами.
Для выбранного класса тел среди граничных линий фрагментов может оказаться большое количество таких, которые проектируются на изображении как линии второго порядка. В работе [15] исследовался минимаксный метод аппроксимации заданного набора кон- нурных точек кривыми второго порядка. При этом для каждого из наборов подбирались такие коэффициенты канонических уравнений
всех возможных типов и такие параметры положения связанных： с нлаш систем координат, чтобы коэффициенты соответствующий уравнений общего вида
e =若% 2 + 2а^у + Wy2 + 2a 姦? + 2a 蓊 + 礒=0(2>
являлись результатом решения оптимизационной задачи
{*} = arg min max d^
обеспечивающей минимизацию максимальною расстояния точек до кривой £ из набора I. Расстояние
片=min ((/一z)2 + (次一g尸)
определялось по методу множителей Лагранжа, а оптимальные значения коэффициентов уравнения (2) — методом обобщенного градиентного спуска [16].
Полученные таким образом наборы параметров аппроксимирующих линий можно использовать при решении задачи распознавания и сопоставлении вычисленных и предполагаемых значений параметров.
Аппроксимация точек дальностного изображения. На этале- фильтраи,ш1 полутоновых и дальностных изображений все множество растровых точек разбивается на подмножества, каячдое из которых объединяет точки, принадлежащие отдельном^7 фрагменту поверхности тела. В процессе распознавания необходимо определить, какие из эталонных фрагментов соответствуют выделенным^подмноже- ствам точек. Прямое решение данной задачи приводит к необходимости подбора соответствующих параметров сдвига и поворота связанных с фрагментами систем координат. Легко убедиться, что такой подход приводит к огромным вычислительным затратам. Поэтому представляется целесообразным поиск поверхности второго порядка, наилучшим образом аппроксимирующей выделенное подмножество точек дальностного изображения, с последующим выбором из перечня эталонных описаний наиболее подходящего. Как показано в статье [17], в случае идеально и с небольшими помехами измеренных точек это довольно просто осуществить, определяя методом наименьших квадратов коэффициенты уравнения общего вида. Однако для того уровня помех измерения, которые могут наблюдаться, решение задачи аппроксимации в такой постановке приводит к физически невозможным ситуациям. Метод решения, рассмотренный в публикации [15], более помехоустойчив, но также приводит к физически невозможным ситуациям и, кроме того, связан с большими вычислительными затратами.
В работе [181 предложена постановка задачи, учитывающая физику процесса получения дальностного изображения.
Примем, что на плоскость кадра изображения (рис. 1) проектируются перспективным способом точки поверхности непрозрачных
(3)(3)тел, ограниченных плоскостями 〃]Х + a2y + 〃bZ + 雹 u1 °,
(3)
(3)
и поверхности второго порядка
，11肾 + й22y2 + ^зз^2 + 2a12ХУ + 2^13X2 + 2a23yz 十2〃丄《X +
+ 2a2&У 十 2a3&Z + а“ == 0,(4)
уравнения которых определены в левой декартовой системе координат OXYZ. Полагая, что плоскость изображения перпендикулярна оси OZ, а центр прямоугольного кадра изображения со сторонами,
Рис. 1Рис. 1параллельными осям ОХ и OY, лежит на расстоянии / от точки О вдоль положительного направления оси OZ、можем записать связь между координатами OXYZ и координатами oxyz, связанными с кадром изображения, в виде
Рис. 1
Рис. 1
X = (“/2 + 胃限)Z//;
У = &/2 — у\у) z/f- (5)
Z = l/z,
где Cr, су — размеры кадра изображения; Дх, А$ — шаги дискретизации вдоль осей ох и оу; / ——фокусное расстояние приемника изображения.
Легко убедиться, что в результате подстановки соотношений (5) в выражения (3) и (4) вновь получаем уравнение плоскости
匕口 + 62g + JZ + & = 0(6)
и уравнение поверхности второго порядка
仇偿 2 + 622g2 + 633Z2 + 2b12xy + 2b13xz + 2 b23 必 + 2 仇諸 +
+ 2b24沙 + 2Ьз/ + b&4 — 0.(7)
В системе координат oxyz точки дальностного изображения являются точками плоскости (см. уравнение (6)) либо принадлежат поверхности, описываемой уравнением (7), имеющем Ь33 = 0, либо имеют координату z, принадлежащую одному из двух типов корней уравнения (7), разрешаемого относительно z. Очевидно, что других ситуаций, кроме перечисленных, быть не может. Отметим также, что лучи проектирования на плоскость оху, пересекаясь с поверхностью (7), в случае 633 声 0 образуют множество параллельных хорд, через середины которых дюж но провести сопряженную им диаметральную плоскость [8]
传И宓 + Ь]2y + &3Z + &4)COS <ZX + {Ъ^ + 622g + ^23Z +
+ ъ^ cos ay + ("1 宓 + Ьз2y + 633z + 634) cos % — 0.(8)
Так как линии проектирования перпендикулярны плоскости оху. то
cos & = cos & = 0, a cos 应=1・
Тогда выражение (8) приводится к виду
玩3力 + b23y + b33Z +632 = 0.(9)
Очевидно, что в случае Ь33 声 0 все точки плоскости (7), отображающиеся на кадре изображения, лежат по одну сторону от плоскости (9). Тогда задачу аппроксимации можно сформулировать в виде решения четырех подзадач с последующим выбором наилучшего результата:
минимизировать функционал
e=2(仇1况:+622成+ 63*： + 2612g% + 2瓦3勺4十 2=1
+ 2b23?咨i+ 2伉4/ + 2b24% + 2Ь3用 + Ь44尸(1°)
при системе ограничений вида 仇3勺 + Ь23Уг + Ьзз%£ + Ь34 < 0 и b33 = 1;“
минимизировать функционал (10) при системе ограничений виДа d30 + b23% + ^332z + b34?° 瓜'33 ~ 1；
минимизировать функционал (10) при Ь33 = 0;
минимизировать функционал
e = 2他10+仇仇+ bsZi -r仇)2. г=1
При такой постановке каждой точке заданного подмножества дальностного изображения будет соответствовать только одно значение 2-координаты аппроксимирующей поверхности.
Первая и вторая задачи сводятся к задачам квадратичного программирования с линейными ограничениями [19], а третья и четвертая аналогичны задачам, рассмотренным в статье [17]. Известен также эффективный алгоритм решения первой и второй задач [18].
Эксперименты и результаты. Работоспособность алгоритмов была проверена в экспериментах как на уровне отдельных этапов обработки исходных данных, так и на уровне выделения составных объемных тел. Распознавалась сцена, состоящая из фигур с плоскими и кривыми (второго порядка) поверхностями (рис. 2). В качестве распознаваемого тела было выбрано тело типа «молоток», состоящее из цилиндра — «головки» и параллелепипеда — «ручки». На изображении имелось частичное перекрытие ручки. Необходимо было выделить среди всех объектов «молоток» и определить его пространственное положение.
Исходные данные получались с помощью программ генерации [20]. Линейные размеры тел изменялись от 5 до 15 см. Фигуры располагались на расстоянии 120—80 см от приемника изображения. Для проведения экспериментов по определению качества работы алгоритмов на идеальные данные, получаемые в результате генерации,
-0JHEd9OEXKHSOHqKBH к XZHSOMdB нёфюта^оEHEHBm кнп!①dHSOHqKBAhMB KJSKHBdxooJm Q HSMC н .dAJUB BEHgbllumBd яьоодюоооко①dmBd2ЩИФЭ^ЩФЙ^ н н&оии^в oil 二beFbii odsng ^ф^§ии&ёе §§лад ^SMOMraras мо&фёл^лк tossss^g qsoHHOI «^3 xuaodA SSESBdmoH s& 0HBHE。
вн пнонзвиЕван BUHBEBHmonJEd IqlEIqHAmBd HdAJlIB Фаифйор-ОЕ q°01fB=в<!0 BIIHBdm HUOIIIEHHHdooHgHBJJIIJI① SOHXdgBOUAdAJ ?и 今 н KURHHOXH rwlmBHaBd』ФК •qJEUEJV1mlidpho -^имф^к^фмь^ой мф^ь фф§ю вивнАкон q①口 0hew OJO® фзой •^фьооии^фмой HdHJEB ХГЙПВ口 ОХВ xrmqREIUOXKn SIHBHHBdA qJUUBHB 口 BE 喝н м й JBHHHdooM ^§нснс ^фнооёо§ muонвои ^^«s^§^ OIqo с wssrowffiw ё^^ гйюзм ^ss Аж①NISBInoso ёмифри^ьф^оф^ JISIrBI XHinoIBImBB roc①IOHXd ① ноп »оьифй^й®лфад EdogEH ①口в qoEKBBEBBm ^§ч row Х2ОЬО§В^ Bus «5Н el/HBQBHmoIIJBd оиф«фадо& 0§_ю XBIEm ' •эоойки-чл BJKBHBHmouJBdod 口 HII0iI ^й^э OJOHH①旦8HBdliJBd OHdoWOHBEd ВИН①HOHHS OJOHIdBEHBI。 BEh r^s.OHHOI qJHkBHHRBBHBSJOaBJJOHXdgBon ^аифмгалй IqdJ^WEd —Еп к ом^фю Лой^фйф^и^н^к8та^иJUEIfgoglqHBOdoH 口 Он ① L①口 пон tdoи§ю XKdosH tt& CUSOHXdBHOn 8CBHH KpdgomH OJOHSOHqlfB OJOHqRE①口ГОН ^W^MSP^SK 6Х1ЧННВUH'HENIIJHOdnilE фк«йн .фзииф§«ф&ффи нвн qusrEHOdHHdpNJIHO 丨 ^0 -ё^ хнк①口 SBHHB 口Fodфзйфи^яо& CESOMdBвв 口pdj ^ф&ьфр XOHHEd - фй^з SSBHOUHS NosdBBHES Ed=・g ・Hd EHH8IT i^ss& nlEaqlrAEBd BH ① KFd90mli OJOHJJOHdB OJOUq^EBHIIUH фнмта^ 11K9 RHIqdBIF宀mHodx йфзлй^й йак -^ 'ё^① н BHAm ① d AOOH《EHSbow》 инвоко』 HSOHXd ①0冶OJ ① hudEEIHJIil xm
Apasm^ BH0%Bd90H ф^оииф§^в«^ ①工 IO9Ed9。 BHROTAHSSBJOOO LSJBHgo ^駧 -§^^ КН ①迢 BdgomOJOHSOHqKBB OJOHqE①口 и口 •:: ::::: :: ::・(нб0 宀八 гйр§^«^оиф§е OJHemqH ①A м ЁЧ0ИЙ& S00H :—gojonj 徜①moJBmodmBd §ифэ^»ои W5 ^?^§^- ^&йгота^ BnHBmqHBXA ~8IqHH8①口① dOBH Mrt^ он 8mg 0sEHBIIHBh) HOIHBEVJBds WBUBhBH (Bdlq0s BdeTwmBd BmqHBJQ) SSM§2- ^&я^и^о^финооо 点IIH^KBdgoEH ^фвр-фйита«такф& ^5Й^5 Тен фм ①R① HEBd в с9 0§«0й§^к фи ①жА £s^&5 XIqdoJOн& IJOdon biinei qiedgo 口 он онжомтоавн Олнвнвзкоз н) AIHBJBd 今 Аон Iwo 唱曰{MAHm8300-§ифкй^юо§ ImBF90I3Bb вн 5ЙЙЛohHBS —JEde XNHHImmEdшш ① JHBdgomJf Ms&s^w^osw^oov ^ф^ста^ф фки^кз -иоюяэо Енин ssoso 11dl nHdBHHEdEX BwsdoJKB OJOJG BHa •冶bsbit -9。изичолоя^о адйдфчфчзи wfis^o^^roUBdB20dn 0qEhEH0Hd8 •HHhBEEdJ )9 §§K«ft^o§ qsoHdK .Bdsed 工①ho 0^^ X 0^^ I киифк^^оток q0Hd8mBd ・=ZJ XAm ВОКВНЕМЕ
м：：：：：：：：：：：^；：：：：；：**：；*»：：*"：；»»»»»»»».»».».. ：S；：：：：!：：：：：：：：：S^：；；：J；" • • ; H !S!SS!!»S!! 器彈：：：醫器霏霏嚣器^鏡肥:举割联削彈：：：：：： 器::器:::::牌龍紀驟諾黑窑i%i诵联割押彈:::器::: 聽聽聽薄学覇龍閥嘱顯離避 SS
豔懾遴”得髓嘿皤詔識顯 2!m!»!i：：»：!/ 少，/ з… 1 ? 2*8国協渦；：：：：：：：：：：:：：：
в«яяя1аая|М«||цо •■,；；■ ' '•IS!2S!2aBM"iiiB
器:鵠器::;:::叫总北七方緬應讎灘割鬻涉: oiOOIiil<<:P
■“■■!：.,: гваавй!
we «id： , . йI - . • ： !«■■■■«
器器需端:督:::附唸儘威п；ии^ииШ；:;:彈::： 尊ii髄善讓翦鹽1鱸 為訳:誹蠱:券幫职撼彈:斬"峙戀嚣割
器瑞:;:::窗:需器二:需:::器:瑜熊解口三；"開;
器^:::器案器:督黑:器:::::器蹤臨，.::；::；；斯幫；
::器犒:::蹴將:3器器:;::::嘱牆:::三“::
电鱒需歸麗嚣嚣歸歸褊::::::":":,歸歸 仆”“仙..“ 」巾 J：31!骷：：：：：：：；u!；；；；：；：：；
ний [2]. Разработанная структура представления данных рассчитана на комплексную обработку. В настоящее время разрабатываются средства ко^шлексной обработки данных применительно к ре* шению практических задач в масштабе реального времени с учетом стоимости системы.
ЛИТЕРАТУРА
Глушкое В. М., Рыбак В. И. Проблемы построения активных систем восприятия внешнего мира робота.— В кн.： VI Всесоюз. симпоз. по теории и принципам устройства роботов и манипуляторов, Тольятти, 1976: Тез. докл. Тольятти: АвтоВАЗ, 1976, секция 1, с. 29——32.
Гимелъфарб Г. Л., Рыбак В. И. Комплексная обработка яркостной и даль- ностной информации об объемно!! сцене.——В кн.: Вопросы теории роботов н искусственного интеллекта. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1976, c. 66-75.
Рыбак В. 〃., Болдырев 4，必.，Васюков А. Н., Гиммелъфарб Г. Л., Рычагов В. Б. Разработка модели автономного робота типа «глаз — рука».——В кн.: Всесоюз. совещ. по роб от от е хническ им системам, Владимир, окт. 1978 г.: Тез. докл. М.: Наука, 1979, с. 197—198.
Рыбак В. II.. Ланбин В. С； Крот В. М^ Дзюба В- Я. Модуль ввода теле- визнонных изображений системы описания внешнего мира роботов.——В кн.: Вопросы теории роботов н искусственного интеллекта. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1979, с. 87—93.
Рыбак В* И. Методологические вопросы и технические и математические средства автоматизации проектирования систем восприятия внешнего мира робота-манипулятора.— Кибернетика, 1979, № 5, с. 66—72.
Морозов К. Е. Математическое моделирование в научном познании. М.: Мысль, 1969. 212 с.
Болдырев Л. И. Построение модели объемных тел, ограниченных плоскостями и поверхностями второго порядка, для описания пространственных сцен.— В кн.: Автоматизация обработки математических текстов и вопросы создания роботов. Киев: 11н-т кибернетики АН УССР, 1979, с. 63—76.
Болдырев А. И. Аппроксимация пространственных точек дальностного изображения плоскостями н поверхностями второго порядка в системе моделирования роботов типа «глаз-рука»: Методы и алгоритмы решения.— В кн.: Вопросы теории роботов и искусственного интеллекта. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1980, с. 13—27.
Perkins W. Л. Region segmentation of images by expansion and contraction of edge points.— In: Prepr. NIJCAI-79, Tokyo, 1979. Stanford: Stanford Univ, press., p. 699—701.
Oshima Shirai У. A scene description.— Pattern Recogn., 1977, vol. 11, p. 9—17.
Хорн Б. Определение формы по данным в полутонах.——В кн.： Психология машинного зрения. М.: Мир, 1978, с. 137—184.
Хоменок Л. В. Универсальный фильтр для обработки, яркостных и дально- стных изображений.— В кн.: II Всесоюз. совещ. по робототехническим системам, Минск, 1981: Тез. докл. Минск: БЕЛНИИТИ, 1981, ч. 1, с. 117— 119.
Ykimovsky Y. Boundary and object detection in real world images.— J. ACM, 1976, vol. 23, X 4, p. 599—618.
Рыбак В. 〃” Xоценок А. В. Выделение контуров на изображении с использованием их локальных CBoiiCTB. — В кн.: Вопросы теории роботов к искусственного интеллекта. Киев: 11н~т кибернетики АН УССР, 4 97 7, с. 23—29.
Рыбак В. 〃., Попов Г. М. Один вариант использования минимаксного метода для аппроксимации наборов точек кривыми второго порядка.——В кн.: Автоматизация обработки математических текстов и вопросы создания роботов. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1979, с. 87——93.
16.16.17.17.18.18.Шор Я. 3., Шабашова 〃. П- О решении минимаксных задач методом обобщенного градиентного спуска с растяжением пространства.— Кибернетика, 1972, № 1, с 84—88.
16.
16.
17.
17.
18.
18.
Гиммелъфарб F. Н」Крот В. М. Использование спрямляющего пространства прп подборе кривой линии или поверхности, аппрокспмпр^чощеп задан- ную совокупность точек.— В кн.: Вопросы теория роботов и пскзсственного интеллекта. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1976, с, 52 — 65.
Делоне Б. Я., Райков Д. А. Аналитическая геометрия. М.: Гостехпздат, 1949.
456 с.
Пшеничный Б. Н., Данилин Ю. ЛЛ Численные методы в экстремальных задачах. М・：Наука, 1975. 319 с.
Болдырев А. Я. Имитационное моделирование изображений сцен, составленных из объектов, ограниченных плоскостями н поверхностями второго порядка,— В кн.: Вопросы роботов и искусственного интеллекта. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1977, с. 30—44.『
Болдырев А. Я. Построение «зашумленных» дальностных изображений методом имитационного моделирования.— В кн.: Автоматизация обработки математических текстов и вопросы создания роботов. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1979, с. 76—80.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие :
СБОРОЧНЫЕ РОБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Роботизированные сборочные системы 5
И. П. Мнтяшин, А. III. Кацнельсон, О. Н. Вертоградов
Некоторые вопросы автоматизации сборочных производств в приборостроении 16
О. Н. Вертоградов, II. П. Мптяшпн
Опыт разработки н внедрения робототехнического комплекса для сборки наручных часов 29
Е. Г. Вайсман, Я. Г. Гринштейн, II. Н. Львов
Вопросы создания сборочных роботизированных участков на базе промышленных роботов серии PC“ 45
В. Пашков, А. Г. Карлов, В. С. Наймушин, В. В. Кузьмин,
В. Е. Цветков
Сборочные it ориентирующие манипуляторы на базе цифровых пневмоприводов . . “ 53
А. Г. Карлов, Е. В. Пашков, Б. В. Погорелов
Роботы первого поколения на сборке 58
А. С. Силкин, А. Б. Тулинов, Г. Н. Лебедева
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СБОРОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
Исследование многооперационнон сборки с помощью экспериментальной робототехнической системы 61
Д. Е. Охоцимский, А. К. Платонов, Ю. П. Смольянов,
С. И. Гримайло, С. С. Камынин, Е. И. Кугушев
Лабораторный макет сборочного робота . . . J 88
Ю. П. Смольянов, В. В. Вахлин, А. В. Волков, С. И. Гримай-
ло, В. Е. Донцов, Е. И. Кугушев, С. М. Соколов
Программное обеспечение сборочного робота IOS-
И. Грнмайло
Цифровые следящие системы для управления движением роботов 123
Д. Е. Охоцимский, Ю. П. Смольянов, Т. Ф. Барбашова,
С. И. Гримайло, С. С. Камынин, Е. И. Кугушев,
С. Ярошевский
Манипуляторы для сборочных работ 137
Н. А. Лакота, Л. Н. Петров
Автоматическая многоопернционная сборка с помощью промыш' ленных роботов
Д. Е. Охоцимский, С. С. Камынин, В. А. Карташев,
Е. И. KyrjTineB
3 ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И О ЧУВСТВЛ ЕНПЯ
Организация сборочных роботизированных комплексов
А. С. Силкин, Г. Н. Лебедева .
Задачи механики в автоматической сборке с применением про- тиышленных роботов
Н. Колпашников, А. И. Полевой, В. М. Стоянов,
II. Б. Челпанов
Разработка алгоритмов н приводов робота, осуществляющего сопряжение деталей изделий машиностроения
И. Н. Егоров, А. А. Кобзев
Использование визуальной информации в задачах автоматической сборки
Д. Е. Охоцимский, С. И. Гримапло, С. С. Камынин,
Е. II. Кугушев, С. М. Соколов, В. Г. Толстоусова
Распознавание промышленных деталей ограниченной номенклатуры с использованием управляемой подсветки
В. II. Рыбак, В. Б. Марченко
Алгоритмы обработки визуальных данных в системах зрительного восприятия манипуляционных роботов
174185189196228235174185189196228235В. И. Рыбак, А, И. Болдырев, А. В. Хоменок
174
185
189
196
228
235
174
185
189
196
228
235
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО ПРОБЛЕМЕ «РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ-СИСТЕМЫ»
РОБОТОТЕХНИКА
И ГИБКИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
РОБОТИЗАЦИЯ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
Ответственный редактор член-корреспондент АН СССР Д. Е. ОХОЦИМСКИЙ
МОСКВА «НАУКА» 1985
_едн UUZ” 十 D・b 丨 Ml
Сборник посвящен актуальным вопросам применения роботов для автоматизации сборочных процессов. Рассмотрены проблемы использования роботов с программным управлением в качестве легко переналаживаемых сборочных средств с гибкими технологическими свойствами. Отражен опыт роботизации сборочных процессов в промышленности. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке аппаратных и программных средств автоматизации сборочных процессов.
Для специалистов в области робототехники н технической кибернетики.
Редакционная коллегия серпп:
И, М. МАКАРОВ член-корре?пондент АН СССР, главный 俛дакторД. Е. ОХОЦИМСКИЙ член-корреспондент АН СССР, зам. главного редактораЕ. П. ПОПОВ член'Корреспондент АН СССР, зам. главного редактораП. Н. БЕЛЯНИН член-корреспондент АН СССР А. А. ВОРОНОВ академикН, А, ДЕВЯНИН доктор физико-математических наук С. В. ЕМЕЛЬЯНОВ академикЮ. ИШЛИНСКИЙ академикВ. КЛЮЕВдоктор технических наукЮ. Г. КОЗЫРЕВ кандидат технических наукИ, М. МАКАРОВ член-корре?пондент АН СССР, главный 俛дакторД. Е. ОХОЦИМСКИЙ член-корреспондент АН СССР, зам. главного редактораЕ. П. ПОПОВ член'Корреспондент АН СССР, зам. главного редактораП. Н. БЕЛЯНИН член-корреспондент АН СССР А. А. ВОРОНОВ академикН, А, ДЕВЯНИН доктор физико-математических наук С. В. ЕМЕЛЬЯНОВ академикЮ. ИШЛИНСКИЙ академикВ. КЛЮЕВдоктор технических наукЮ. Г. КОЗЫРЕВ кандидат технических наукВ. С. КУЛЕШОВ доктор технических наук Н. А. ЛАКОТА доктор технических наук Л. В. ЛОБИКОВБ. Н. НАУМОВ академикА, К. ПЛАТОНОВ доктор физико-математических наук В. М, ПОНОМАРЕВ доктор технических наукВ. 3. РАХМАНКУЛОВ кандидат технических наук, отв- секретарьЮ. М. СОЛОМЕНЦЕВ доктор технических наук К, В, ФРОЛОВ академикЯ. А. ШИ①РИНВ. С. ЯСТРЕБОВ доктор технических наук1ЖРМГ詆需羅1 ик罷嘱，т леиВ. С. КУЛЕШОВ доктор технических наук Н. А. ЛАКОТА доктор технических наук Л. В. ЛОБИКОВБ. Н. НАУМОВ академикА, К. ПЛАТОНОВ доктор физико-математических наук В. М, ПОНОМАРЕВ доктор технических наукВ. 3. РАХМАНКУЛОВ кандидат технических наук, отв- секретарьЮ. М. СОЛОМЕНЦЕВ доктор технических наук К, В, ФРОЛОВ академикЯ. А. ШИ①РИНВ. С. ЯСТРЕБОВ доктор технических наук1ЖРМГ詆需羅1 ик罷嘱，т леи
И, М. МАКАРОВ член-корре?пондент АН СССР, главный 俛дактор
Д. Е. ОХОЦИМСКИЙ член-корреспондент АН СССР, зам. главного редактора
Е. П. ПОПОВ член'Корреспондент АН СССР, зам. главного редактора
П. Н. БЕЛЯНИН член-корреспондент АН СССР А. А. ВОРОНОВ академик
Н, А, ДЕВЯНИН доктор физико-математических наук С. В. ЕМЕЛЬЯНОВ академик
Ю. ИШЛИНСКИЙ академик
В. КЛЮЕВ
доктор технических наук
Ю. Г. КОЗЫРЕВ кандидат технических наук
И, М. МАКАРОВ член-корре?пондент АН СССР, главный 俛дактор
Д. Е. ОХОЦИМСКИЙ член-корреспондент АН СССР, зам. главного редактора
Е. П. ПОПОВ член'Корреспондент АН СССР, зам. главного редактора
П. Н. БЕЛЯНИН член-корреспондент АН СССР А. А. ВОРОНОВ академик
Н, А, ДЕВЯНИН доктор физико-математических наук С. В. ЕМЕЛЬЯНОВ академик
Ю. ИШЛИНСКИЙ академик
В. КЛЮЕВ
доктор технических наук
Ю. Г. КОЗЫРЕВ кандидат технических наук
В. С. КУЛЕШОВ доктор технических наук Н. А. ЛАКОТА доктор технических наук Л. В. ЛОБИКОВ
Б. Н. НАУМОВ академик
А, К. ПЛАТОНОВ доктор физико-математических наук В. М, ПОНОМАРЕВ доктор технических наук
В. 3. РАХМАНКУЛОВ кандидат технических наук, отв- секретарь
Ю. М. СОЛОМЕНЦЕВ доктор технических наук К, В, ФРОЛОВ академик
Я. А. ШИ①РИН
В. С. ЯСТРЕБОВ доктор технических наук
1ЖРМГ詆需羅1 ик罷嘱，т леи
В. С. КУЛЕШОВ доктор технических наук Н. А. ЛАКОТА доктор технических наук Л. В. ЛОБИКОВ
Б. Н. НАУМОВ академик
А, К. ПЛАТОНОВ доктор физико-математических наук В. М, ПОНОМАРЕВ доктор технических наук
В. 3. РАХМАНКУЛОВ кандидат технических наук, отв- секретарь
Ю. М. СОЛОМЕНЦЕВ доктор технических наук К, В, ФРОЛОВ академик
Я. А. ШИ①РИН
В. С. ЯСТРЕБОВ доктор технических наук
1ЖРМГ詆需羅1 ик罷嘱，т леи
Рецензенты:Ю. Ф. ГОЛУБЕВ,Рецензенты:Ю. Ф. ГОЛУБЕВ,У Н. А. НЕКРАООВАУ Н. А. НЕКРАООВА7 277 27А・ М. ФОРМАЛЬСКИЙА・ М. ФОРМАЛЬСКИЙ1502000000-4 41p f2(02)-85-1502000000-4 41p f2(02)-85-113-85-Ш113-85-Ш© Издательство «Наука», 1985© Издательство «Наука», 1985
Рецензенты:
Ю. Ф. ГОЛУБЕВ,
Рецензенты:
Ю. Ф. ГОЛУБЕВ,
У Н. А. НЕКРАООВА
У Н. А. НЕКРАООВА
7 27
7 27
А・ М. ФОРМАЛЬСКИЙ
А・ М. ФОРМАЛЬСКИЙ
1502000000-4 41
p f2(02)-85-
1502000000-4 41
p f2(02)-85-
113-85-Ш
113-85-Ш
© Издательство «Наука», 1985
© Издательство «Наука», 1985