ОГЛА В.Л.Е Н_И Е

Предисловие : 7

Введение 9

1212Глава 1. Структура промышленных роботов

12

12

Варианты структурной организации 12

Классификация и основные характеристики роботов . . .19

Глава /. Исполнительное устройство роботов 25

Основные виды исполнительных приводов перемещения

и манипулирования . 25

22 Многорежимные высокочастотные вибродвигатели ....30

Вибродвигатели с несколькими степенями подвижности . .44

Захватные устройства прецизионных роботов 53

25 Системы точного позиционирования64

Глава О. Информацнонвая система прецизионных роботов н робототехник ческнх комплексов 69

3」,Датчики внутренней информации,‘70

32 Датчики внешней информации 86

Информационные системы распознагання положения, формы н ориентации миниатюрных изделий ..95

Глава 4， Управляющая система роботов и робототехнических комплексов 109

Структурная организация управлении 109

Особеииостн управлеияя прецизяоннымя роботами. . .114

Аппаратные средства анполнення одио- н многоуровневых систем управления. Микропроцессоры s управлении роботами 129

Групповое управление s робототехнических комплексах 139

Глава Q. Алгоритмическое и программное обеспечение роботов 144

Структура программного обеспечения 144

Операционные системы робототехнических комплексов . .147

Языки и системы пр огр аммир ования роботов 158

Алгоритмы и программы восприятия внешней информации И распознавания объектов172

Глава О. Роботы и сервисные устройства манипулирования [78

Роботы для загрузки и сборки миниатюрных изделий178

62 Прецизионные измерительные машины и системы]89

Сервисные устройства роботов:194

Глава 7. Робототехнические системы и комплексы 221

Устройства робототехнических комплексов для перемещения и сборки изделий 222

72 Роботизированные технологические комплексы в производстве миниатюрных изделий 23]

Прецизионные робототехиические комплексы237

Гибкое автоматизированное производство. .'246

Заключение ''' '251

Список литературы…：257

Предметный указатель*. '260

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга посвящена актуальным вопросам создания промышленных роботов и робототехнических комплексов для производства миниатюрных изделий. Она входит в серию книг «Автоматические манипуляторы и робототехнические системы», выпускаемую издательством «Машиностроение», под общей редакцией чл.-корр. АН СССР Е. П. Попова.

В настоящее время в условиях относительной стабилизации роста спроса на промышленные роботы средней грузоподъемности четко обозначилась тенденция увеличения спроса на легкие и сверхлегкие роботы. Это объясняется главным образом тем, что обеспечение точности и стабильности многих процессов и операций, в том числе сборочных, в условиях расширяющейся номенклатуры и мелко- серийности невозможно без использования промышленных роботов. Автоматизация на основе промышленных роботов, несомненно, является высшей ступенью творчества многих поколений людей в их стремлении создать себе универсальных помощников.

По вопросам создания высокоточных механизмов и систем роботов для миниатюрных изделий технической литературы в настоящее время практически нет. Многие методы обеспечения высокой точности роботов до сих пор остаются в некоторой степени уделом искусства в области технологии и механики. Все это подтверждает актуальность и сложность задачи, поставленной авторами этой книги.

Книга охватывает главные вопросы проектирования промышленных роботов, объектами манипулирования которых являются миниатюрные изделия, и рассчитана на широкий круг инженерно- технических работников. Авторами не ставилась задача раскрыть во всей глубине научные проблемы, связанные с созданием высокоточных сверхлегких роботов. Изложение этих вопросов, очевидно, еще найдет свое отражение в соответствующей литературе.

Разносторонний и обширный материал книги базируется на многих отечественных и зарубежных источниках периодической пе- чатн, авторских свидетельствах и патентах, а также на личном опыте авторов, причастных к созданию в нашей стране малых и высокоточных промышленных роботов (ПР).

В первой главе книги рассмотрены основные варианты и особенности кинематических структур промышленных роботов для ма-

нипуляций малыми и миниатюрными Изделиями, о пределен^! nN основные характеристики и даны методы их проверки.

Вторая глава посвящена организации исполнительной системы ПР для миниатюрных изделий. В ней описаны основные виды высокоточных исполнительных приводов для перемещения и манипулирования, а также многорежимные вибродвигатели с несколькими степенями подвижности. Рассмотрены нетрадиционные способы захватывания и транспортирования миниатюрных изделий, а также организация системы точного позиционирования.

Известно, что чем выше должны быть точность и маневренность механизмов, тем больше значимость измерительных и информационных средств (датчиков) информации. Особенности организации информационной системы прецизионных роботов изложены в третьей главе.

В четвертой главе описаны структура, различные варианты и аппаратная реализация систем управления роботами.

Высокая точность манипулирования изделиями, определившая необходимость развитой информационной и управляющей систем робота, обусловила необходимость создания соответствующего алгоритмического и программного обеспечения. Эффективное управле- .ние роботами на основе микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ непременно связано с развитием проблемно-ориентированных машинных языков высокого уровня и предполагает определенную организацию операционной системы, реализующей различные алгоритмы и программы «интеллекта» роботов. Описанию этих вопросов посвящена пятая глава.

В шестой и седьмой главах рассмотрены отдельные конструкции роботов и робототехнических комплексов (РТК), выполняющих широкий диапазон различных операций.

Ближайшей перспективой в решении задачи комплексной автоматизации производства малых и миниатюрных изделий является создание цехов и заводов-автоматов. Описанием гибких автоматизированных производств (ГАП) заканчивается последняя глава книги.

В книге нашли отражение также перспективные направления развития промышленных роботов и робототехнических комплексов для производства миниатюрных изделий.

Работа по созданию книги была разделена между авторами следующим образом:

В. Ф. Шаньгин ——введение, заключение, п. 3.1. и общее редактирование книги;

Р. Ю. Бансявичюс, К. М. Рагульскис — п. 2.1—2.4, 6.2;

А. А. Иванов — п. 2.4, 2,5, 3.2, 3.3, 4.3, 5.4, 6.3, 7.1, 7.3;

Н. И. Камышный — п. 6.3;

Е. Костин — п. 5.1—5.3;

Л. В. Лобиков — п. 4.3, 6.1, 6.3, 7.2;

Г. Михеев — п. 6.1;

Т. Г. Никольская — гл. 1, п. 4.1—4.4, 6.2, 7.2—7.4.

Авторы сознают, что содержание и качество книги со временем могут быть улучшены, и заранее благодарны читателям, которые пришлют им свои замечания и пожелания.

ВВЕДЕНИЕ

Общие тенденции развития многих отраслей промышленности характеризуются дальнейшей микроминиатюризацией изделий, расширением номенклатуры, снижением" серийности по отдельным видам продукции при одновременном росте общего объема производства, ужесточением требований к качеству и стабилизации его от изделия к изделию.

Стремление поднять производительность, улучшить и стабилизировать качество изделий требует серьезной перестройки производственных и технологических процессов. Решение этой задачи привело к созданию новых средств автоматизации ——промышленных роботов.

За последние годы создано множество типов роботов первого поколения в основном средней грузоподъемности. Первоочередное появление таких роботов объясняется рядом объективных причин. Во-первых, большая доля объектов манипулирования приходится на изделия со средними массами; во-вторых, эффективность автоматизации этих операций в условиях современного производства традиционными методами относительно низка; в-третьих, технические решения при создании конструкций ПР первого поколения и систем управления сравнительно просты, и, следовательно, возможны быстрое внедрение и окупаемость затрат.

Опыт создания роботов первого поколения явился ценным вкладом в развитие робототехники и показал, что для обеспечения основных технических характеристик роботов необходимо применение комплексного подхода.

Автоматизация технологических процессов в ряде отраслей промышленности (часовой, приборостроительной, радиотехнической, электронной и др.), связанных с необходимостью манипулирования миниатюрными изделиями, поставила задачу создания особой группы промышленных роботов, отличающихся небольшими ма- териало- и энергоемкостью, высокой точностью и развитой информационной системой. В пределах этой группы роботов можно выделить высокопрецизионные роботы, применяемые для манипулирования микроизделиями, например, при сборке интегральных микросхем.

Первые сообщения о промышленных роботах рассматриваемой группы появились в 1977 г. В 1978 г. на их долю приходилось менее 1 % общего количества роботов, составляющего всего 16 103

Рис. В. I. Распределение общего парка роботов для миниатюрных изделий по основным операциям:

/ ——сборка (монтаж, сварка, пайка); // — контрольные, измерительные, исследовательские операции; III — прочие операции; /V — специальные операции (очистка, промывка, нанесение покрытий); V ——механическая обработка; У/ — укладка, погрузка-разгрузка, упаковка

штук, к 1980 г. насчитывалось около 3 % общего парка в 25• 103 штук. К концу 11-й пятилетки доля этих роботов должна составить примерно 12 %. Такой ускоренный темп роста количества сверхлегких роботов в первую очередь обусловлен необходимостью автоматизации многих видов производства. Внедрение автоматизации не только обеспечит рост производительности, повышение и стабилизацию качества миниатюрных изделий, но и позволит перейти к качественно новым структурам производства ——гибким автоматизированным производствам (ГАП).

Распределение общего парка сверхлегких роботов по отдельным операциям, характерное для настоящего времени, представлено на рис. В.1, из которого видно, что больший процент (38 %) роботизированных операций приходится на операции дифференцированной сборки и монтажа печатных плат.

Основными факторами, сдерживающими широкую роботизацию производства миниатюрных изделий, являются неоправданное многообразие конструктивных форм и типоразмеров изделий, их широкая номенклатура, множество технологических процессов, не рассчитанных на применение роботов, сложности с транспортной и технологической тарой и т. п. Именно поэтому представляется эффективным отраслевое упорядочение по всем указанным аспектам, направленное на строгую регламентацию в области проектирования, сферах производства и эксплуатации изделий.

Роботы для миниатюрных изделий отличаются экстремальностью большинства основных технических характеристик, в частности, минимальными погрешностью позиционирования, размерами, мас・ сой, потребляемой энергией и максимальными надежностью, производительностью. Роботы этой группы характеризуются также слож- ной системой взаимодействия с различным технологическим и контрольно-измерительным оборудованием, наличием микропроцессорного управления [6 ], высокими требованиями к чистоте, температуре, а иногда и вакуумной гигиене производства и т. д.

Естественно, что создание этих роботов стало возможным лишь на определенной стадии научно-технического прогресса.

Разработка роботов для миниатюрных изделий, как правило, проводится с использованием накопленного опыта, на основе клас- 10

сических законов механики машин и механизмов, однако в ряде случаев требуются новые, нетрадиционные методы конструирования роботов и их управления. Это в первую очередь связано с особенностями предметов производства, предет а в л я ющи х собой объекты манипулирования роботов данной группы. Не претендуя на строгость, т. е. условно, можно выделить три подгруппы рассматриваемых роботов в зависимости от максимальных размеров, объема и массы объектов манипулирования и требуемой от робота точности их позиционирования.

В первую подгруппу могут быть выделены роботы, манипулирующие изделиями, у которых либо площадь — порядка 5-10-3 м2, либо объем — порядка 2,5-10-5 м3, а масса — менее 1 кг. Допустимая погрешность позиционирования роботов этой подгруппы составляет 20—200 мкм. Примерами таких изделий являются печатные платы, детали трансформаторов и электродвигателей, коммутационные и крепежные элементы, панели и т. п.

Ко второй подгруппе могут быть отнесены роботы, объекты манипулирования которых характеризуются следующими предельно максимальными параметрами: площадь 一 порядка 1 Л" м2, объем — порядка 1 • 10-6 м3 при массе, не превышающей 2,5-10-2 кг. Это различные радиодетали, элементы электронной аппаратуры, микрокалькуляторов, счетных приборов и т. п. Максимальная погрешность позиционирования роботов этой подгруппы составляет 10—— 100 мкм.

Наконец, в третью подгруппу следует выделить наиболее прецизионные роботы. Минимальные размеры объектов манипулирования составляют примерно 5-10-6 м2 и объем 5- 10~э м3 при массе порядка долей грамма; погрешность позиционирования 0,1—10 мкм. К объектам манипулирования роботов третьей подгруппы относятся кристаллы интегральных схем, элементы фотошаблонов, детали наручных часов и т. п. Для обеспечения столь высокой точности позиционирования механизмов на всех этапах их создания необходимо предусматривать соответствующие меры, позволяющие реализовать оптимальные технические решения всех основньа подсистем робота: исполнительной, информационной и управляющей.

Глава СТРУКТУРА промышленных

]РОБОТОВ

Функционально в структуре роботов для миниатюрных изделий можно выделить следующие составные части: исполнительное и управляющее устройства, рабочий орган и информационную систему.

Исполнительное устройство обеспечивает выполнение всех двигательных функций робота, представляет собой совокупность подвижно соединенных звеньев и конструктивно состоит из следующих основных узлов: несущих конструкций, приводов, передаточных и исполнительных механизмов. '

^Информационная система обеспечивает прием информации о состоянии промышленного робота и внешней среды, преобразование и передачу информации в устройство управления, а также обмен информацией между роботом и другим совместно работающим с ним устройством и оператором.

Устройство управления (система управления) обеспечивает возможность программирования робота, хранения программы, а также ее воспроизведения, корректировки и отладки. Оно предназначено для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительной системе в соответствии с заданной управляющей программой; организует работу информационной системы и синхронизирует все процессы обмена информацией между роботом и различными внешними устройствами.

Создание ПР для малых и миниатюрных изделий связано с развитием и совершенствованием каждой из этих систем, а специфика таких роботов определяется необходимостью обеспечения сравнительно высоких требований к точности позиционирования и надежности.

Описанию каждой составной части робота посвящена отдельная глава книги.

Варианты структурной организации

Структурная организация робота определяется схемой его применения (при обслуживании оборудования или выполнении технологических операций), характером движений в рабочей зоне, а также требованиями к точности позиционирования.

Сравнивая схемы применения сверхлегких и общемашиностроительных роботов, можно заключить, что ввиду малости размеров 12

Рис. 1.1. Схемы применения роботов при индив ид у а ль ном обслуживании：Рис. 1.1. Схемы применения роботов при индив ид у а ль ном обслуживании：а — расположение робота у рабочей зоны; 6 — робот встроен в технологическое оборудование； / — технологическое оборудование； 2 — робот с одним манипулятором; 3 — входная позиция； 4 — выходная познция; 5 — робот с двумя манипуляторамиа — расположение робота у рабочей зоны; 6 — робот встроен в технологическое оборудование； / — технологическое оборудование； 2 — робот с одним манипулятором; 3 — входная позиция； 4 — выходная познция; 5 — робот с двумя манипуляторамий?й?44

Рис. 1.1. Схемы применения роботов при индив ид у а ль ном обслуживании：

Рис. 1.1. Схемы применения роботов при индив ид у а ль ном обслуживании：

а — расположение робота у рабочей зоны; 6 — робот встроен в технологическое оборудование； / — технологическое оборудование； 2 — робот с одним манипулятором; 3 — входная позиция； 4 — выходная познция; 5 — робот с двумя манипуляторами

а — расположение робота у рабочей зоны; 6 — робот встроен в технологическое оборудование； / — технологическое оборудование； 2 — робот с одним манипулятором; 3 — входная позиция； 4 — выходная познция; 5 — робот с двумя манипуляторами

й?

й?

4

4

объектов манипулирования и рабочих ходов механизмов сверхлегких роботов их используют главным образом для индивидуального обслуживания технологического оборудования (рис, 1.1), а также выполнения технологических и контрольных операций (рис. 1.2).

Для индивидуального обслуживания характерно расположение робота в непосредственной близости от рабочих зон технологического оборудования. Такая организация используется на операциях обработки резанием, холодной штамповки, обслуживания прессового оборудования. В случае, если один робот не может обеспечить выполнение сложного и быстроменяющегося цикла работы оборудования, используются роботы с несколькими манипуляторами^ например «Ритм-01.02», или размещается несколько роботов.

Технологическое оборудование отдельных видов по своим параметрам, уровню автоматизации и конструктивным особенностям позволяет встраивать роботы непосредственно в это оборудование. В рассматриваемом случае роботы выполняют операции по переносу изделий из кассет и транспортной тары; закреплению их в приспособлениях, технологической таре, спутниках; подаче изделий в рабочие зоны технологических машин и обратной перегрузке из-

Рис. 1.2. Схемы применения роботов при выполнении технологических, транспортныхи контрольно-измерительных операций：

/ — технологическое оборудование; 2 — робот с двумя манипуляторами； 3, 4 — входная и выходная позиции; 5 — 7 — роботы с различными рабочими органами; 8 — транспортная

Делий. Такой принцип организации индивидуального обслуживания характерен для сборочных роботов-автоматов, диффузионного оборудования в производстве интегральных микросхем и т. п. [301.

Во всех случаях обслуживания оборудования объекты манипулирования робота должны поступать на фиксированные позиции, т. е. требуется строгая организация «технологической среды» робота.

Устройство управления роботами, используемыми для обслуживания, —— автономное, но предусматривается обмен информацией между ним и системой управления основного технологического оборудования.

Для выполнения роботом технологических операций, как правило, используют две схемы. Первая из них (рис. 1.2, а) предусматривает выполнение одним роботом не только технологических переходов (установка клеевых точек, окраска, очистка и т. п.), но и транспортных операций (перенос, ориентация, установка и т. п.), путем поочередной работы то инструментом, то захватом. Обеспечив автоматическую укладку и хранение деталей в магазинах-накопителях, подачу их на фиксированные позиции и выгрузку, такую схему можно использовать для создания гибкой роботизированной позиции, например, для сборки гибридных интегральных схем. Увеличивая затем число таких позиций и размещая их в определенном порядке, можно создать роботизированный технологический комплекс, являющийся основной структурной единицей ГАП.

Вторая схема (рис. 1.2, б) используется, когда на робот возложены операции одного вида (сварка, пайка, сборка, разбраковка, измерения). В этой схеме все транспортно-перегрузочные операции выполняются обычно транспортерами и вспомогательными устройствами, описанными ниже, в гл. 6. На базе этой схемы формируются, например, РТК сборки наручных часов, контроля и разбраковки элементов радиоэлектронной аппаратуры и т. п. Промышленные роботы, применяемые для выполнения технологических операций, характеризуются наличием значительного числа внешних связей с другим вспомогательным оборудованием, поэтому устройство управления у этих роботов является общим для всех устройств РТК.

Подавляющее большинство роботов имеют стационарные конструкции настольного типа. Механизмы роботов обычно реализуются на базе кинематических пар класса V, каждая из которых обеспечивает одну степень подвижности — либо возвратно-поступательное перемещение вдоль прямолинейной направляющей (поступательная пара класса V), либо вращение вокруг оси шарнира (вращательная пара класса V). В других конструкциях, число которых пока невелико, используются механизмы, реализующие более сложные движения, например возвратно-поступательное перемещение в сочетании с независимым вращением вокруг продольной оси (цилиндрическая пара класса IV) или независимое вращение вокруг двух осей (вращательная пара класса IV) и т. п.

Для наглядности рассмотрения характера движений роботов, определяющих их структурные особенности, целесообразно восполь- 14

зоваться условным делением роботов на три группы, указанные во введении. Примеры кинематических схем основных исполнений каждой из трех структурных групп, а также формы рабочих зон роботов приведены в табл. 1.1. Преимущественное применение каждой из групп определяется массо-габаритньши параметрами и точностными характеристиками манипулирования.

Первая структурная группа роботов —— наиболее представительная. Создание и. внедрение роботов этой группы определило начало роботизации производства маниатюрных изделий. Следует отметить, что при разработке конструкций роботов первой группы был максимально использован опыт проектирования общемашиностроительных роботов.

В первую группу входят роботы консольных конструкций, отличающиеся небольшими, но вполне приемлемыми для таких роботов диапазонами перемещений и реализованные на основе высокоточных направляющих для обеспечения движений подъема и линейных перемещений. Поворот вокруг вертикальной оси осуществляется пневмоцилиндрами или электродвигателями. Роботы выпускаются обычно в двух исполнениях: с одним манипулятором или двумя. Кинематические цепи содержат от двух до шести пар класса V и обеспечивают движения в прямоугольной и цилиндрической системах координат. Большинство конструкций имеют механизмы подъема и поворота, работающие по жестким упорам и без останова в промежуточных (программируемых) позициях. В качестве датчиков угловых перемещений и подъема используются упоры и микропереключатели. В механизмах линейных перемещений (особенно в режимах многоточечного позиционирования) используются датчики линейных перемещений, позволяющие получить высокую точность позиционирования.

В роботах первой структурной группы используются пневмо- и электропривод, их комбинация, реже —— гидропривод. Устройство управления чаще обеспечивает жесткий цикл, иногда позиционное управление, в отдельных образцах —■ адаптивное управление.

В первой структурной группе роботов можно выделить четыре подгруппы в зависимости от числа степеней подвижности кинематической цепи робота (см. табл. 1.1).

Представителями перво访 структурно访 группы являются роботы моделей «Ритм-01.01», «Ритм-01.02», «Ритм-01.03» (см. рис. 6.1), МРУ-901, РС-4 и другие, объекты манипулирования которых имеют массу до 1 кг. Погрешность позиционирования этих роботов не превышает 30—200 мкм, а в отдельных случаях может составлять доли микрометра [45 ].

При проектировании специализированных роботов консольной группы все шире используется агрегатно-модульный принцип. Преимущества этого принципа связаны с возможностью сокращения сроков и трудоемкости проектирования, изготовления и внедрения роботов.

В настоящее время наметились два подхода к созданию агрегатных систем модулей: по одной принципиальной компоновочной схеме

Кинематические

схемы роботов трех

Структур

"a月

гриппа

Число Степеней подвижности

Кинематические схема и рабочие зоны

4

BTJdoEg

EqEadl

рис. 1.3. Робот модели «Sigma», представляющий вторую структурную группу

(однотипные роботы) и по различным схемам (разнотипные роботы). Так, для выполнения линейных перемещений, подъема и поворота используются роботы типа ПРП-01 и «Ритм-01» (СССР), агрегатная система модулей «Linearsystem» фирмы «Феле» (Felss,①РГ), а также система модулей широкого назначения «MHU-Minior» гру

зоподъемностью'до 1 кг, выпускаемая фирмами «Электролюкс» (Elekt- rolux, Швеция) и «Роберт Бош» (Robert Bosch,①РГ).

Агрегатные системы модулей позволяют оперативно изменять

функции робота, приспосабливая его к конкретным условиям без неоправданной избыточности функций.

Агрегатные системы комплектуются пневмо- и электроприво

дами.

Во вторую структурную группу входят роботы мостовых конструкций, отличающиеся повышенной жесткостью и динамической устойчивостью. Ввиду малости объектов манипулирования и небольших диапазонов их перемещения для мостовых конструкций вполне приемлемо настольное исполнение. Примером может служить робот «Sigma» (рис. 1.3) фирмы «Оливетти» (Италия). Характерным признаком мостовой конструкции является наличие моста (передвигающегося по направляющим), по которому перемещается каретка с манипулятором. Роботы выпускают в двух исполнениях'—— с одним

и двумя манипуляторами.

Среди роботов второй структурной группы можно выделить две подгруппы, различающиеся кинематической структурой манипулятора. К первой подгруппе относятся роботы мостового типа с изменяемой длиной звеньев манипулятора. Кинематические цепи таких роботов содержат три——пять пар класса V. Из них две-три пары обеспечивают возвратно-поступательные движения и одна- две пары —— вращения. К этой подгр^^ппе можно отнести также контрольно-измерительные роботы на базе виброприводов, успешно используемых для прецизионных перемещений.

Ко второй подгруппе относят мостовые роботы с"~многозвенным манипулятором, длина звеньев которого постоянна. Кинематические цепи роботов этой подгруппы содержат вращательные пары классов IV или V. Роботы с таким манипулятором (не только в мостовом исполнении), например робот «Puma» фирмы «Эй-эм-эф» (AMF, США), находят широкое применение ввиду компактности конструкции руки и больших манипуляционных возможностей. Они работают в сложных пространственных системах координат, имеют развитую информационную систему, могут адаптироваться к различным

технологическим операциям и требуют сложного управления на базе микроЭВМ. Роботы мостового типа часто оснащаются электроприводом и манипулируют изделиями с погрешностью 10——100 мкм. Более высокую точность обеспечивает вибропривод.

В третью структурную группу объединены роботы, отличающиеся наиболее высокой точностью и манипулирующие микроизделиями при погрешности позиционирования 0,1——10 мкм. Роботы этой группы с полным основанием можно назвать прецизионными. Для их структуры характерно распределение функций, заключающееся в разложении заданного уровня отклонений между всеми составляющими конструкции робота и вспомогательных устройств. Разработке этих роботов должна предшествовать дифференциация технологического процесса (операции) на отдельные переходы (приемы) с учетом возможности компенсации погрешностей позиционирования. Поэтому роботы рассматриваемой группы характеризуются оптимальным (по критерию точности) распределением двигательных функций между отдельными прецизионными механизмами и координацией их действий с помощью информационной системы и управляющего устройства.

Роботы третьей группы используются для выполнения операций с дискретным характером технологической обработки: фотолитография, монтаж кристаллов, сборка интегральных микросхем и т. п.

Сопутствующими устройствами роботов прецизионной группы являются координатные и оптико-телевизионные системы.

Координатные системы содержат устройства перемещений, электропривод и блок управления. Различают координатные системы линейные и угловые, одно- и многокоординатные, разомкнутые и замкнутые, с оптическими и лазерными датчиками перемещений. Они обеспечивают скорости перемещения 0,2一0,3 м/с и ускорения 10—30 м/с2.

Совместно с координатными системами работают оптико-телевизионные системы, позволяющие автоматически распознавать форму, положение, структуру объектов и выполнять такие операции, как ориентация, точное позиционирование, обработка, совмещение объекта с инструментом, контроль качества, измерения параметров и т. п. Управляющие системы таких роботов строятся на базе использования методов искусственного интеллекта. Все это позволяет отнести роботы с распределением функций к интегральным*

Дальнейшим совершенствованием роботов второй и третьей структурных групп является создание нескольких разновидностей малогабаритных и высокоточных механизмов с управляемой структурой для организации линейных и вращательных движений на базе вибропривода. Конструктивное их исполнение несложное, они просты в изготовлении. Изменение кинематической структуры осуществляется соединением и разъединением звеньев путем скачкообразного изменения силы или момента в кинематической паре.

Манипуляторы с такими механизмами могут иметь большое число степеней подвижности и осуществлять одновременно два (кинематические пары класса IV) или три (кинематические пары класса III) 18

движения, например поступательное движение по оси у и вращательное вокруг оси z, перпендикулярной к плоскости ху. При этом линейное перемещение осуществляется с помощью внбропривода, что исключает необходимость использования сложных направляющих. Это позволяет эффективно решать задачи позиционирования на плоскости и в пространстве.

В заключение отметим, что для всех структурных вариантов сверхлегких роботов наиболее типичны поступательные движения, реализуемые по осям прямоугольной декартовой системы координат.

Для роботов первой структурной группы характерны линейные перемещения по осям % (выдвижение звеньев манипулятора) и z (подъем манипулятора); а для роботов второй и третьей структурных групп — линейные перемещения по оси z н в плоскости ху, последние выполняются либо с помощью кареток, на которых крепится манипулятор (мостовой тип), либо с помощью координатной системы (конструкции с распределением функций).

Движения вращения часто осуществляются вокруг вертикальной оси подъема z (угол ср), реже ——вокруг оси манипулятора 尤 (угол а) и лишь в отдельных моделях выполняется качание (угол 0) вокруг оси, параллельной оси у базовой системы координат.

Для создания роботов всех рассмотренных структурных групп весьма перспективен агрегатный подход, основой которого служат унифицированные модули (узлы и блоки) линейных перемещений, поворотов, подъема и т. п.

Классификация и основные характеристики роботов

На основании ГОСТ 25378——82 и общепринятых классификаций роботов [23, 26] можно выделить следующие классификационные признаки, наиболее характерные для трех описанных выше структурных групп сверхлегких роботов, — это выполняемая функция, степень специализации, число степеней подвижности, вид привода, способ управления и программирования.

По выполняемой функции сверхлегкие роботы можно разделить на вспомогательные и технологические, а по степени специализации —— на специальные и специализированные. Учитывая изложенное выше структурное деление роботов, можно отметить, что роботы, относящиеся к первой структурной группе, являются специализированными вспомогательными и (или) технологическими. Кроме того, они могут сочетать эти операции, работая поочередно то захватом, то инструментом. Однако назвать их универсальными нельзя, так как в отличие от универсальных общемашиностроительных роботов, выполняющих сложные разнородные технологические и вспомогательные операции, в роботах рассматриваемого класса используются лишь один простой захват и столь же простой инструмент, т. е. они применяются для конкретной технологической и вспомогательной операции. Например, захват-присоска переносит

и устанавливает объекты манипулироваййя, а инструмент-капель^ ница — окрашивает их.

Роботы второй структурной группы —— специальные и специализированные, используются как технологические (в том числе контрольно-измерительные или исследовательские).

Роботы третьей структурной группы, имеющие развитую информационную систему и адаптивное управление, можно отнести к специальным технологическим (иногда в литературе именуемым интегральными роботами с элементами искусственного интеллекта).

Число степеней подвижности роботов, меняющееся в довольно широких пределах, указано в табл. 1.1.

В сверхлегких роботах широкое применение находят электроприводы различного вида: линейный, шаговый, асинхронный, виброприводы, а также пневмопривод и его комбинация с электроприводом (например, в роботах первой структурной группы). Гидропривод применяется редко.

По способу программирования роботы разделяют на программируемые аналитические и обучающиеся, причем первые распространены более широко.

Для гарантированного выполнения всех функций, возложенных на роботы для манипуляций миниатюрными изделиями, проводятся их испытания, регламентированные ГОСТ 16504—81 и предусматривающие проверку основных показателей, номенклатура которых указана в ГОСТ 25378—82.

Испытания ПР данного класса обычно проводятся при нормальных условиях (по ГОСТ 15150——69), а для прецизионных роботов —— с учетом требований вакуумной гигиены.

Порядок проведения испытаний роботов зависит от этапа разработки и стадии освоения производства. Однако предварительные, приемочные и аттестационные испытания обычно проводят по единым программам и методикам.

Объем испытаний робота должен быть достаточно информативным, чтобы полученные результаты позволяли оценить степень пригодности робота к эксплуатации в условиях производства, но по возможности манимальным. Поэтому в число основных целесообразно включать следующие проверки роботов:

на соответствие конструктивно-кинематической организации техническим и эксплуатационным требованиям производства;

динамических характеристик робота;

возможности ввода программ и способности к программированию движений, их последовательности, а также скоростей и диапазонов перемещения в регламентированных пределах;

взаимодействия робота с основным н сервисным оборудованием, совместно функционирующим в технологической среде;

соответствия требованиям техники безопасности, вакуумной гигиены, определяемыми областью применения робота.

Полный состав проверок обычно определяется конкретным исполнением робота и его назначением.

20

Для сверхлегких роботов наиболее критичными йВЛяю^ся следующие технические характеристики: грузоподъемность, максимальные значения абсолютной погрешности позиционирования, перемещения, скорости и ускорения.

Особенность создания роботов для манипулирования миниатюрными изделиями заключается не столько в сложности манипулирования такими объектами, сколько в обеспечении вмсоко访 точности позиционирования. Поэтому первостепенное значение имеют расчет всех возможных режимов и оптимальный выбор значений пере- численных характеристик. Кроме того, информацию о характе- ристиках роботов изготовители обычно предоставляют без учета будущих условий их эксплуатации, изменение которых существенно влияет на эти характеристики. Поэтому для роботов данной группы необходимо уточнять и регламентировать условия, при которых замеряются их характеристики. Единые методы, используемые для проверки характеристик роботов изготовителями и пользователями, позволят точнее определять возможности этих роботов. Чтобы получить полную информацию о характеристиках роботов, нет необходимости проверять их все без исключения. Например, основные проверяемые характеристики прецизионных роботов должны учитывать влияние на абсолютную погрешность позиционирования их конструктивно-кинематических и динамических особенностей при выполнении типовых рабочих операций.

Влияние кинематики и конструктивных особенностей робота на погрешность позиционирования проявляется в виде деформаций, накапливающихся и возникающих как в подвижных звеньях (стойках, манипуляторе, кисти и т. il), так и в стыках его опор. Оценку этих деформаций следует проводить перед каждой сменой, например, путем измерения прямоугольности, параллельности и плоскостности соответствующих осей и плоскостей конструкции робота, организованной в прямоугольной, цилиндрической или сферической системе координат (рис. 1.4).

Так, для роботов, выполненных в прямоугольной системе координат (рис. 1.4, а), измерения будут включать проверки горизонтальности основания, перпендикулярности оси z к основанию, перпендикулярности оси z к осям х и у, а также определение параллельности оси * плоскости основания.

Для роботов, выполненных в цилиндрической или сферической системе координат (рис. 1.4, 6), проверяют перпендикулярность главной оси z к основной или воображаемой эталонной плоскости. Кроме того, проверяют установку других осей, например, перпендикулярность оси ВВ к эталонной плоскости ——в шарнирных роботах, или параллельность оси ВВ к эталонной плоскости — в роботах со сферической системой координат. Учет допустимых отклонений от перпендикулярности и параллельности позволяет судить о систематической составляющей общей погрешности.

К числу проверяемых динамических характеристик роботов относятся скорость, ускорение (замедление) и переходная реакция. Известно, что существует тесная взаимосвязь между скоростью

Рис. 1.4. Проверка влиянияРис. 1.4. Проверка влияниягеометрии робота на точность：геометрии робота на точность：а ——в декартовой системе координат; б ——в цилиндрической системе координат; е — схема оценки отклонения осей робота: х, у, 2 ——оси линейных перемещений; ВВ, СС — оси вращения, Е — эталонная плоскостьа ——в декартовой системе координат; б ——в цилиндрической системе координат; е — схема оценки отклонения осей робота: х, у, 2 ——оси линейных перемещений; ВВ, СС — оси вращения, Е — эталонная плоскость

Рис. 1.4. Проверка влияния

Рис. 1.4. Проверка влияния

геометрии робота на точность：

геометрии робота на точность：

а ——в декартовой системе координат; б ——в цилиндрической системе координат; е — схема оценки отклонения осей робота: х, у, 2 ——оси линейных перемещений; ВВ, СС — оси вращения, Е — эталонная плоскость

а ——в декартовой системе координат; б ——в цилиндрической системе координат; е — схема оценки отклонения осей робота: х, у, 2 ——оси линейных перемещений; ВВ, СС — оси вращения, Е — эталонная плоскость

движения и массой робота (массой объекта манипулирования робота в данном случае можно пренебречь). Эту взаимосвязь необходимо учитывать при управлении роботом.

В целях упрощения вычислений и сокращения длительности испытаний робота при проверке влияния динамики на погрешность позиционирования можно воспользоваться следующими рекомендациями:

выбрать закон распределения исследуемого параметра (в данном случае ——погрешности позиционирования) с требуемым приближением;

определить с помощью выбранного закона поле рассеяния А, отвечающее достаточно близкой к единице вероятности нахождения данного параметра в пределах этого поля;

сопоставить полученное поле с допуском Т.

Говоря о функции распределения параметра в совокупности, целесообразно рассмотреть суммарное распределение, которое складывается под действием меняющихся факторов, влияющих на точность позиционирования. Поэтому для оценки закона распределения вначале следует выбрать число наблюдений п. Более полная информация о влиянии динамики на погрешность позиционирования робота получается в том случае, если для каждого из п наблюдений фиксируется пара сопряженных значений координат положения захвата робота, получаемых при движении его сначала в прямом, а потом в обратном направлениях,

где (})无次 и ( J )无订 —— сопряженные значения координат положения захвата в 匸它 точке при /-м наблюдении (/ = 1 4-л); ( f) хь (J )元t ——средние значения координат.

22

Отклонение значений координат в i-й точке 〃z = | (f)元i——(J )无11， и

а среднее значение отклонения й = 4•工Ui，

Для сокращения длительности испытаний и упрощения ввено лений выберем нормальный закон распределения параметра и п = = 5. Тогда в качестве оценки характеристики рассеяния можно использовать размах выборки

(f ) & =([)修 max 一( I )修 mln*

Средний размах определится

Учитывая, что математическое ожидание отношения размаха Rn к параметру а (а ——среднее квадратическое отклонение) при п ~ 5 составляет 1 М (А%/。) = 2,326, находим

ст = R/2,326 = 0,5 [([)伪 + (() ст J

Далее необходимо определить поле рассеяния Л. При нормальном законе распределения Л = ба. Такой величине поля (при центре рассеяния в середине) отвечает вероятность попадания в него значений измеряемого параметра, равная р = 0,9973. Эта вероятность достаточно близка к единице, поэтому оценка поля будет иметь вид

брх<Л<6ух,

где 卩 н 丫 —— коэффициенты, зависящие от числа наблюдений и принятого для доверительной оценки о значения вероятности.

При п < 30 0 = /孔 一 1/х2 и 丫 = /〃 一 1/%工.Значения коэффициентов 为=/疗 и w = V% выбирают по таблицам %2.

На «точностной» диаграмме (рис. 1.5) по оси абсцисс отложены номера экспериментов, а по оси ординат — средние арифметические

工 Смирнов Н. В” Дун ин- Барковский И. В. Теория вероятностей и математическая статистика в механике. МЛ Физматгиз, 1965. 554 с.

значения параметра 尤,его максимальное и минимальное значения. 广；От средних значений вверх и вниз отложены отрезки, равные d, и через концы этих отрезков проведены линии. Заштрихованная полоса между этими линиями дает возможность судить о направлении изменения погрешности позиционирования, а ширина полосы характеризует изменение коля рассеяния Л.

Из диаграммы видно, что поле рассеяния 4 = 〃 + 6а, а допуск позиционирования Т = | X/ max ~ ^Z mln I + 4.

Рассматриваемая диаграмма получена для робота типа ПРП-2-2 при контактном способе измерения погрешности позиционирования.

；Анализ динамики движения робота будет неполным, если не оценить скорость и ускорение (замедление), с которым он движется. Обычно для измерения скорости и ускорения сложное оборудование не требуется. Эти измерения могут быть выполнены как в условиях настройки робота, так и в процессе его эксплуатации. Наибольшее распространение получили два метода измерения скорости и ускорения: дифференциальный и интегральный. Дифференциальный метод основан на использовании информации от потенциометров и тахогенераторов, а интегральный —на определении скорости движения посредством интегрирования выходного сигнала датчика.

Описание последовательности движения осей робота при выполнении типовых рабочих операций позволяет установить стандартные рабочие циклы и подобрать для их реализации наиболее подходящий робот. Анализ движения роботов требует деления диапазона его перемещения на короткие, средние и длинные и сопряжен с соблюдением определенных условий. Например, целесообразно, чтобы каждая ось робота участвовала в движении в двух противоположных направлениях и чтобы в каждой второй программируемой точке можно было остановить робот, измерить время его движения и погрешность позиционирования. Эти данные помогут не только судить об эксплуатационных возможностях роботов, но и позволяет провести оптимизацию их конструкций.

Заканчивая рассмотрение основных характеристик роботов, следует заметить, что при проектировании роботов необходимо:

предусматривать возможность их быстрого и простого программирования и перепрограммирования;

обеспечивать возможность расширения функций исполнительной и управляющей систем робота за счет применения агрегатно-модульного принципа их построения；

гарантировать сохранность рабочей программы в памяти системы управления при отклонении питания как в случае сбоев, так и при необходимости останова робота;

учитывать и стремиться уменьшать шум, теплоизлучение и другие воздействия, создаваемые роботом в окружающей среде;

снижать затраты на обслуживание робота;

обоснованно устанавливать необходимый комплект запасных частей робота;

предусматривать мероприятия по обеспечению безопасности функционирования робота,

Глава ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО с РОБОТОВ

Основные виды исполнительных приводов перемещения и манипулирования

Высокая точность роботов для миниатюрных изделий определяет весьма жесткие требования, которые предъявляются к их исполнительным устройствам. Это относится как к выбору структуры и типа системы манипулирования, так и к точности исполнения отдельных звеньев манипулятора.

В существующих моделях рассматриваемых роботов в основном находят применение пневматические, электрические и комбинированные приводы. Пневматические приводы используют в роботах с цикловым управлением, однако высокая точность обеспечивается только в режиме управления по упорам. Так, в серии промышленных высокоточных роботов SMT фирмы «Дайни Сейкоша» (Япония) используются' пневматические приводы, обеспечивающие точность манипулирования с погрешностью не более 0,02——0,05 мм при максимальной массе перемещаемого объекта 0,05—0,2 кг.

Применение электроприводов для малогабаритных роботов сдерживалось отсутствием небольших высокомоментных электродвигателей с высоким динамическим качеством переходных режимов движения. В последние годы появились компактные приводные модули, в которых используются в основном трехфазные асинхронные электродвигатели, обеспечивающие требуемую точность некоторых видов роботов, например «Мотор-палец», «Мотор-рука», «Зажим» и двухскоростные модули фирмы «Яскава Электрик» (Япония), серия электромеханических модулей фирмы «Тосиба» (Япония) и др. В СССР разрабатывается ряд унифицированных комплектных электроприводов мощностью от 25 до 2,2-103 Вт на валу. Заметим, что вопросы создания различных приводов и устройств управления ими достаточно хорошо освещены в отечественной литературе (см., например, [1, 10]). Значительно меньше изучена проблема создания приводов прецизионных роботов, погрешность позицио- нирования которых не превышает десятых и даже сотых долей Микрометра. В то же время развитие микроэлектроники, телемеханики, прецизионного приборостроения ставит задачи создания прецизионных роботов, объект манипулирования которых весьма небольшой ——от отдельных биологических клеток до микросхем.

Примером такой системы может служить созданный в институте биофизики и СКВ биологического приборостроения АН СССР комплекс для микроэлектродных и микрохирургических исследо-

25

Рис. 2.1. Гидро- или пневмопривод с двумя или тремя степенями подвижности:Рис. 2.1. Гидро- или пневмопривод с двумя или тремя степенями подвижности:J — корпус из магнитомягкого материала; 2 — поршень; 3 一 обмотка возбуждения; 4 прокладкаJ — корпус из магнитомягкого материала; 2 — поршень; 3 一 обмотка возбуждения; 4 прокладка

Рис. 2.1. Гидро- или пневмопривод с двумя или тремя степенями подвижности:

Рис. 2.1. Гидро- или пневмопривод с двумя или тремя степенями подвижности:

J — корпус из магнитомягкого материала; 2 — поршень; 3 一 обмотка возбуждения; 4 прокладка

J — корпус из магнитомягкого материала; 2 — поршень; 3 一 обмотка возбуждения; 4 прокладка

ваний живой клетки, содержащий несколько видов микроманипуляторов, в которых используются различные принципы передачи движения от руки экспериментатора к инструменту — механический, пневматический, электрический.

В данной главе основное внимание уделено состоянию и тенденциям развития перспективных высокоточных приводов, основанных главным образом на применении высокочастотных вибрационных преобразователей движения.

Известный принцип последовательного наращивания степеней подвижности не всегда приемлем для построения прецизионного манипулятора вследствие снижения жесткости кинематической цепи. Поэтому весьма важна задача создания многоподвижных приводных узлов, обеспечивающих управляемое движение по нескольким координатам. Однако успехи в создании таких многоподвижных модулей пока невелики. Известны системы с линейными электродвигателями, обеспечивающие две и три степени подвижности и предназначенные для позиционирования тел на плоскости, а также двухкоординатная система с аэростатической опорой и линейным электродвигателем с разнесенными координатами [12]. Максимальное тяговое усилие указанной системы 34Н, дискретность перемещения 10 мкм.

На основе использования методов управления структурой механизмов можно построить приводы с несколькими степенями подвижности, применяя разнотипные силовые и управляющие воздействия. На рис. 2.1 даны схемы пневмо- или гидроприводов с поршнем, имеющим две (рис. 2.1, а) или три (рис. 2, б) степени подвижности.

Силовое воздействие осуществляется средой с повышенным давлением р (£). Изменение структуры обеспечивается переходом от 26

трения скольжения к трению качения, при этом требуемые плоскости (рис. 2.1, а) или поверхности (рис. 2.1, б) качения задаются возбуждением постоянного магнитного поля, замыкающегося через поршень. Таким образом, привод, показанный на рис. 2.1, а, реализует два режима движения: поступательное движение со скоростью х (магнитное поле не возбуждается); поворот с угловой скоростью ±北/7?, где знак《+》берется при возбуждении магнитного поля в верхней опоре, а 《——» — в нижней.

В случае сферического поршня (рис. 2.1, 6) реализуются поступательное движение и повороты поршня относительно двух взаимно перпендикулярных осей.

Недостатком таких схем является взаимное влияние координат. Пример схемы, в которой этот недостаток отсутствует, приведен на рис. 2.2, где показан гидропривод, поршень которого кроме- очевидного поступательного движения совершает вращение, когда в" гибком цилиндре 3 возбуждаются колебания типа бегущих изгиб- ных волн при

pi (/) = "о {1 + cos [(Ох/ -4^ (/ — 1) (2л/п) sign 同},и 3, i = 1, 2, . .п,

где 〃о, о)1 ——амплитуда и частота изменения давления; п ——число камер; ①2 ——угловая скорость поршня. Отличительной особенностью такой схемы является высокая разрешающая способность по углу, составляющая единицы секунд.

Интересным направлением развития исполнительных устройств сверхлегких роботов является создание гибких манипуляторов с эластичным звеном, обладающим бесконечным числом степеней подвижности. Простейший манипулятор такого типа (рис. 2.3, а) содержит несколько трехкамерных участков, расположенных по длине звена. Плоскость и форма изгиба каждого участка задаются подбором давлений р* (f), i = 1, 2, 3. Точность фиксации положения повышается при использовании электрореологических жидкостей с управляемой вязкостью [А. с. 617254 (СССР) ]. Число камер может быть значительно увеличено (рис. 2.3, 6, в), что соответственно увеличит число степеней подвижности эластичного звена. Однако при этом усложняется система распределения давлений.

Рис. 2.2. Гидропривод с двумя степенями подвижности:

—корпус; 2 — поршень： S * гибкий цилиндр： Р (0 — управляющий сигнал по координате

В качестве эластичного звена могут быть использованы сильфоны, допускающие значительные деформации изгиба. Сочетание материалов с управляемой реологией (например, магнитореологи- ческих жидкостей и многокамерных сильфонов) позволяет реализовать эффективные манипуляторы с эластичными звеньями, управляемые как системой распределения давлений, так и магнитным полем (рис. 2.3, г).

Возникающая в критических ситуациях структурная неустойчивость устраняется применением стабилизирующих звеньев, две схемы и характеристики которых в виде зависимостей момента трения Мт и жесткости Q； в сочленении от углов взаимного поворота звеньев 屮订 и 屮％ приведены на рис. 2.3, д——ж.

Принципы управления структурой механизмов могут быть применены и при создании гибких манипуляторов. Одним из наиболее легко управляемых параметров является коэффициент трения в зоне контакта звеньев %, который можно изменять в широких пределах. Если эффективность действия колебаний в зоне контакта оценить коэффициентом

府=1 — (芹/%); Ow%wl, (2.1) где /т ——коэффициент трения без смазочного материала при возбуждении колебаний в зоне контакта, то характер изменения 厶 от амплитуды колебаний ^0 в зоне контакта будет зависеть от типа

Рис. 2.3. Схемы гибких манипуляторов：1—эластичное звено; 2 —полость, заполненная электрореологической няя оболочка; 4 — многомерный снльфон； 5 — обмотка возбуждения;нення структурной неустойчивостиРис. 2.3. Схемы гибких манипуляторов：1—эластичное звено; 2 —полость, заполненная электрореологической няя оболочка; 4 — многомерный снльфон； 5 — обмотка возбуждения;нення структурной неустойчивости9◎9◎жидкостью; 3 — внеш-6 — звено для устра*жидкостью; 3 — внеш-6 — звено для устра*

Рис. 2.3. Схемы гибких манипуляторов：

1—эластичное звено; 2 —полость, заполненная электрореологической няя оболочка; 4 — многомерный снльфон； 5 — обмотка возбуждения;

нення структурной неустойчивости

Рис. 2.3. Схемы гибких манипуляторов：

1—эластичное звено; 2 —полость, заполненная электрореологической няя оболочка; 4 — многомерный снльфон； 5 — обмотка возбуждения;

нення структурной неустойчивости

9◎

9◎

жидкостью; 3 — внеш-

6 — звено для устра*

жидкостью; 3 — внеш-

6 — звено для устра*

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента эффективности действия колебаний в зоне контакта /э от амплитуды колебаний：J, 2 — при тангенциальных и нормальных колебаниях точечных и， линейных контактов; 3 — при нормальных колебаниях плоскостного контактаРис. 2.4. Зависимость коэффициента эффективности действия колебаний в зоне контакта /э от амплитуды колебаний：J, 2 — при тангенциальных и нормальных колебаниях точечных и， линейных контактов; 3 — при нормальных колебаниях плоскостного контакта

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента эффективности действия колебаний в зоне контакта /э от амплитуды колебаний：

J, 2 — при тангенциальных и нормальных колебаниях точечных и， линейных контактов; 3 — при нормальных колебаниях плоскостного контакта

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента эффективности действия колебаний в зоне контакта /э от амплитуды колебаний：

J, 2 — при тангенциальных и нормальных колебаниях точечных и， линейных контактов; 3 — при нормальных колебаниях плоскостного контакта

Рис 2 5 Гибкий манипулятор с конечным числом степеней подвижности (система замы- Рис* 2a [никнн манн；醤% Антанта между звеньями не показана)

колебаний (рис. 2.4). Для точечных и линейных контактов всегда /э < 1, а кривая зависимости Д от амплитуды нормаи1ьных колебаний имеет две зоны: / ——колебания в пределах макро- и микронеровностей, II ——виброударные колебания, кратность которых может быть больше 1, В случае чисто тангенциальных колебаний зона II не наблюдается. Для плоскостных контактов в режиме сжимаемой воздушной подушки наблюдаются значения %, близкие к 1 (зона ///) [3].

На рис, 2,5, а приведена схема гибкого манипулятора с конец* ным числом степеней подвижности, действие которого основано на периодическом изменении структуры при влиянии внешнего момента М (возбуждаемого, например, центробежными силами вращающегося ротора с динамическим дисбалансом), вектор которого вращается в плоскости 尸一戶 с угловой скоростью з. Манипулятор составлен из пассивных звеньев / (пустотелых сфер), сопряженных с вибропреобразователями 2 из пьезокерамики, колебания которых возбуждаются генератором электрических сигналов 3. Момент включения колебаний каждой пары задается углом ?, продолжительность колебаний определяется углом 卩之(рис. 2.5, б). Управляющее устройство 4 в зависимости от требуемой формы изгиба г = г(0 синтезирует функцию управления Q [М, {у}, (Р)], определяющую моменты включения колебаний в активных звеньях сопряжения (рис. 2.5, 8), т. е. решается обратная задача динамики, которая при задании ограничений на векторы {?} и М может быть сведена к построению вектора {竹

Рис. 2.6, Эшоры и(менеиия вязкости гибкого манипулятора с бесконечным числом степеней подвижности

Используя методы управления 'структурой, можно построить гибкий манипулятор с бесконечным числом степеней подвижности. Та-

кои манипулятор содержиткои манипулятор содержитзапол-запол-стотелое эластичное звено,

кои манипулятор содержит

кои манипулятор содержит

запол-

запол-

пупуненное материалом с управляемой вязкостью 期匕. Как и в выше рассмотренном случае, к захвату прилагается внешний момент, вращающийся в плоскости, перпендикулярной оси гибкого звена в этой зоне. Изменением эпюры распределения вязкости как в сечении гибкого звена 刀办(а,『» (рнс. 2.6, а), так и по его длине % (а, /) (рис. 2.6, 6) и согласованием моментов изменения вязкости пь с вектором М формируется либо траекто- рия захвата, либо задается форма нейтральной оси гибкого звена; при этом алгоритм управления тот же, что и в рассмотренном выше случае.

пу

пу

Особенности и типы. В прецизионные приводные вибродвигателями [3 ] или Действие вибродвигателяОсобенности и типы. В прецизионные приводные вибродвигателями [3 ] или Действие вибродвигателяпоследнее десятилетие бурно р азвиваются механизмы нового вида, называемыепоследнее десятилетие бурно р азвиваются механизмы нового вида, называемыепьезоэлектрическими двигателями [20 ]. основано на преобразовании высокочастотных многокомпонентных упругих колебаний твердых или гибких тел в направленное (в среднем) многомерное движение подвижного звена — ротора, ползуна и т. п. Основное отличие вибродвигателей от известных механизмов для преобразования колебательного движения во вращение или линейное перемещение заключается в использовании упругих колебаний звеньев в виде стоячих или бегущих волн, при этом частоты преобразуемых колебаний лежат в ультразвуковом диапазоне (начиная от 20-103 Гц). Высокие частоты и малые амплитуды колебаний приводят к качественному изменению ряда параметров привода, а также обусловливают вые явления, не наблюдаемые в низкочастотных механизмах.Исследования вибродвигателей [3, 20, 41 ] показали их большую эффективность при использовании в качестве приводных узлов манипуляторов и роботов для миниатюрных изделий. В настоящее время вибродвигатели, видимо, являются 一_привода для прецизионных манипуляторов, погрешность поз】 нирования которых не превышает 0,1—0,01 мкм. Перечислим цифические особенности вибродвигателей, играющие важную роль при использовании их в качестве привода роботов рассматриваемого класса:пьезоэлектрическими двигателями [20 ]. основано на преобразовании высокочастотных многокомпонентных упругих колебаний твердых или гибких тел в направленное (в среднем) многомерное движение подвижного звена — ротора, ползуна и т. п. Основное отличие вибродвигателей от известных механизмов для преобразования колебательного движения во вращение или линейное перемещение заключается в использовании упругих колебаний звеньев в виде стоячих или бегущих волн, при этом частоты преобразуемых колебаний лежат в ультразвуковом диапазоне (начиная от 20-103 Гц). Высокие частоты и малые амплитуды колебаний приводят к качественному изменению ряда параметров привода, а также обусловливают вые явления, не наблюдаемые в низкочастотных механизмах.Исследования вибродвигателей [3, 20, 41 ] показали их большую эффективность при использовании в качестве приводных узлов манипуляторов и роботов для миниатюрных изделий. В настоящее время вибродвигатели, видимо, являются 一_привода для прецизионных манипуляторов, погрешность поз】 нирования которых не превышает 0,1—0,01 мкм. Перечислим цифические особенности вибродвигателей, играющие важную роль при использовании их в качестве привода роботов рассматриваемого класса:ноноприводных узловприводных узловединственным типомединственным типомпозицио-позицио-спе-спе-1. Высокая разрешающая способность по перемещению, достигающая 1—10 мкм в режиме преобразования колебаний и 0,01 мкм 301. Высокая разрешающая способность по перемещению, достигающая 1—10 мкм в режиме преобразования колебаний и 0,01 мкм 3022 Многорежимные высокочастотные вибродвигатели

Особенности и типы. В прецизионные приводные вибродвигателями [3 ] или Действие вибродвигателя

Особенности и типы. В прецизионные приводные вибродвигателями [3 ] или Действие вибродвигателя

последнее десятилетие бурно р азвиваются механизмы нового вида, называемые

последнее десятилетие бурно р азвиваются механизмы нового вида, называемые

пьезоэлектрическими двигателями [20 ]. основано на преобразовании высокочастотных многокомпонентных упругих колебаний твердых или гибких тел в направленное (в среднем) многомерное движение подвижного звена — ротора, ползуна и т. п. Основное отличие вибродвигателей от известных механизмов для преобразования колебательного движения во вращение или линейное перемещение заключается в использовании упругих колебаний звеньев в виде стоячих или бегущих волн, при этом частоты преобразуемых колебаний лежат в ультразвуковом диапазоне (начиная от 20-103 Гц). Высокие частоты и малые амплитуды колебаний приводят к качественному изменению ряда параметров привода, а также обусловливают вые явления, не наблюдаемые в низкочастотных механизмах.

Исследования вибродвигателей [3, 20, 41 ] показали их большую эффективность при использовании в качестве приводных узлов манипуляторов и роботов для миниатюрных изделий. В настоящее время вибродвигатели, видимо, являются 一_

привода для прецизионных манипуляторов, погрешность поз】 нирования которых не превышает 0,1—0,01 мкм. Перечислим цифические особенности вибродвигателей, играющие важную роль при использовании их в качестве привода роботов рассматриваемого класса:

пьезоэлектрическими двигателями [20 ]. основано на преобразовании высокочастотных многокомпонентных упругих колебаний твердых или гибких тел в направленное (в среднем) многомерное движение подвижного звена — ротора, ползуна и т. п. Основное отличие вибродвигателей от известных механизмов для преобразования колебательного движения во вращение или линейное перемещение заключается в использовании упругих колебаний звеньев в виде стоячих или бегущих волн, при этом частоты преобразуемых колебаний лежат в ультразвуковом диапазоне (начиная от 20-103 Гц). Высокие частоты и малые амплитуды колебаний приводят к качественному изменению ряда параметров привода, а также обусловливают вые явления, не наблюдаемые в низкочастотных механизмах.

Исследования вибродвигателей [3, 20, 41 ] показали их большую эффективность при использовании в качестве приводных узлов манипуляторов и роботов для миниатюрных изделий. В настоящее время вибродвигатели, видимо, являются 一_

привода для прецизионных манипуляторов, погрешность поз】 нирования которых не превышает 0,1—0,01 мкм. Перечислим цифические особенности вибродвигателей, играющие важную роль при использовании их в качестве привода роботов рассматриваемого класса:

но

но

приводных узлов

приводных узлов

единственным типом

единственным типом

позицио-

позицио-

спе-

спе-

1. Высокая разрешающая способность по перемещению, достигающая 1—10 мкм в режиме преобразования колебаний и 0,01 мкм 30

1. Высокая разрешающая способность по перемещению, достигающая 1—10 мкм в режиме преобразования колебаний и 0,01 мкм 30

При использовании управляемых деформаций преобразователей.

Высокое динамическое качество переходных режимов движения. Для большинства разработанных вибродвигателей время разгона равно единицам миллисекунд, время торможения ——на 30—50 % меньше.

В выключенном состоянии подвижный элемент заторможен силами трения, а зона нечувствительности близка к разрешающей

способности двигателя.

Вибродвигатели обладают большим диапазоном регулирования скорости ——до 106 (при применении комбинированной амплитудно-частотной модуляции); это обеспечивает выбор оптимального закона движения при подходе к координате и реализации скользя

щих режимов движения.

В зависимости от исполнения число степеней подвижности вибродвигателей составляет 1——5 (в случае твердых звеньев) и бесконечно ——при использовании эластичных звеньев, выполненных из гибких пьезоактивных материалов.

Сильные магнитные и радиационные поля почти не влияют на работу вибродвигателей; температурный диапазон их начинается от температур, близких к абсолютному нулю, а сверху ограничен точкой Кюри пьезо активных материалов (т. е. 250——350 ℃ для большинства типов современной пьезокерамики).

К недостаткам вибродвигателей следует отнести повышенный износ контактирующих поверхностей и необходимость применения датчиков обратной связи по положению, так как отсутствует однозначная зависимость между числом периодов колебаний вибропреобразователя и положением подвижного звена вибродвигателя. Как будет показано ниже, последний недостаток частично компенсируется возможностью сенсоризация, основанной на возбуждении высокочастотных поверхностных волн в преобразователях, что позволяет однозначно определить как положение, так и скорость

подвижного звена.

эле-эле-разователь ，，一〜колебаний {U (£)} —через блок в зависимости от сигнала "управ-разователь ，，一〜колебаний {U (£)} —через блок в зависимости от сигнала "управ-Рассмотрим типовую схему вибродвигателя (рис. 2.7), состоящего из подвижного звена 4, к которому с помощью упругих ментов 2 и 3 (жесткость которых q и с2, q》с2) прижат вибропреоб- /, подключенный к блоку 5 — генератору электрических ” управления 6, Блок управления

эле-

эле-

разователь ，，一〜

колебаний {U (£)} —через блок в зависимости от сигнала "управ-

разователь ，，一〜

колебаний {U (£)} —через блок в зависимости от сигнала "управ-

ления Н (X, X, 0 задает вмб- ропреобразователю колебания требуемой формы и вида. В зоне контакта подвижного звена 4 и преобразователя / возбуждаются двумерные колебания, приводящие к возникновению постоянной составляющей сум-

Рнс. 2.7. Типовая схема вибродвиг^теля

a)<9a)<9[Рис. 2.8. Схемы вибродвигателей с косыми соударениями![Рис. 2.8. Схемы вибродвигателей с косыми соударениями!J — вибропреобразователь; 2 ——подвижное звено (Л, 5, В — электроды для возбуждения соответственно продольных, крутильных и радиальных колебаний)J — вибропреобразователь; 2 ——подвижное звено (Л, 5, В — электроды для возбуждения соответственно продольных, крутильных и радиальных колебаний)

a)<9

a)<9

[Рис. 2.8. Схемы вибродвигателей с косыми соударениями!

[Рис. 2.8. Схемы вибродвигателей с косыми соударениями!

J — вибропреобразователь; 2 ——подвижное звено (Л, 5, В — электроды для возбуждения соответственно продольных, крутильных и радиальных колебаний)

J — вибропреобразователь; 2 ——подвижное звено (Л, 5, В — электроды для возбуждения соответственно продольных, крутильных и радиальных колебаний)

марной силы, действующей по оси 尤 и приводящей звено 4 в движение. Возможна реализация различных обратных связей: по положению и скорости (с датчиками положения 7 или скорости 8), по силам, действующим в зоне контакта (в этом случае датчиком силы 9 может служить участок вибропреобразователя /), по амплитудам колебаний вибропреобразователя (стабилизация процесса возбуждения колебаний —— цепь Л на рис. 2.7) и т. д.

Рассмотрим схемы вибродвигателей, наиболее отвечающие тре- бованиям, предъявляемым к приводам точных роботов.

Вибродвигатели с косыми соударениями. Эти двигатели основаны на суммировании тангенциальных составляющих ударного импульса. Согласно гипотезе вязкого трения, тангенциальная составляющая ударного импульса не зависит от его нормальной составляющей и определяется коэффициентом мгновенного трения при ударе зависящим от свойства и состояния соударяющихся поверхностей.

Колебания в зоне контакта могут совершать как одно звено, так и оба звена. В случае одного активного звена его двумерное движение определяет и нормальную и тангенциальную составляющие скорости удара. В обобщенном случае двумерное движение колеблющегося звена может быть представлено любой комбинацией продольных, поперечных, радиальных, изгибных, крутильных и сдвиговых колебаний. Наиболее распространены схемы с продольнокрутильными (рис. 2.8, Q), радиально-крутильными (рис. 2.8, 6) и продольно-изгибньши колебаниями. Важными требованиями являются совпадение хотя бы одного узла колебаний разных видов (для выбора места крепления преобразователя) и возможность изме- нения относительной фазы колебаний одной составляющей (для изменения знака скорости). Как показывают эпюры распределения амплитуд продольных колебаний 6% и бу (по осям х и z/) и крутильных колебаний фх (относительно оси %), схемы, приведенные на рис. 2.8, отвечают этим требованиям.

Рис. 2,9. Схема линейного вибродвиГЭ.^ теля с двумя активными звеньями в зоне контакта (случай л2 = 2〃力：

/ — корпус; 2, 5 — вибропреобразователи, задающие нормальную составляющую импульса удара в зоне контакта; 3 — постоянный магнит; 4 ——ферромагнитная накладка;6 — вибропреобразователь,

задающийтангенциальную составля

ющую импульса удара; 7 — ползун

В случае двух активных звеньев в зоне контакта нормальная и тангенциальная составляющие скорости удара ^формируются отдельными преоб

разователями, поэтому возможно раздельное регулирование их для достижения оптимального соотношения амплитуд тангенциальных и

нормальных колебаний. Характерная конструктивная схема такого двигателя приведена на рис. 2.9 [А. с. 595812 (СССР)]. Вибродвигатели этого типа обладают высокими конструктивными и эксплуатационными показателями, несмотря на необходимость подвода напряжения к подвижному преобразователю. Как видно из рис. 2.9, эпюры распределения амплитуд продольных колебаний 6%', 6%" и by по осям хну дают возможность выбора мест закрепления преобразователей в узловых плоскостях. Важно тр, что нормальные и тангенциальные колебания в зоне контакта возбуждаются преобразователями продольных колебаний, при этом угол 屮 равен нулю или л в зависимости от направления движения ползуна.

Волновые вибродвигатели. Они основаны на фрикционном взаимодействии колебаний типа бегущих волн упругого тела и приводимого в движение звена. Наиболее^просто колебания в виде бегущих волн возбуждаются в регулярных структурах. Так, возбудив в кольцевом преобразователе изгибные колебания R = R()【1 + + g sin (/г工屮工——о)0 ], где g ——относительная амплитуда колебаний; 几 1 ——волновое число;屮】——угловая координата рассматриваемого сечения (рис. 2.10, о), получим

dj/df = —Eydcp 工/df,

где dtpJdT ——угловая скорость волны, равная (при nr = 2) круговой частоте генератора электрических колебаний. Если осуществить упругий натяг в зоне контакта вибропреобразователя и ротора, то угловая скорость ротора вследствие фрикционного взаимодействия его и вибропреобразователя будет меньше (1/Ro) (dw/df).

При конструктивном оформлении волновых вибродвигателей следует обратить внимание на то, что узлы колебаний, в которых обычно крепятся вибропреобразователи к корпусу, отсутствуют. Для решения этой проблемы применяют либо демпфирующие прокладки, либо твердые волноводы, длина которых соответствует резонансной длине основной формы продольных колебаний. Эффективное решение [А. С. 832627 (СССР) ] основано на свойстве^ вибропреобразователя в виде трубки передавать радиальные деформа-

2 р. Ю. Бансявичус и Др. 33

Рис. 2.10. Принцип работы и конструктивная схема волнового вибродвнгателя:Рис. 2.10. Принцип работы и конструктивная схема волнового вибродвнгателя:

Рис. 2.10. Принцип работы и конструктивная схема волнового вибродвнгателя:

Рис. 2.10. Принцип работы и конструктивная схема волнового вибродвнгателя:

I — корпус; 2 — пьезокерамический вибропреобразо- ватель; 3 — ротор; 4 — втулки из износостойкого материала (8( и £г ——тангенциальная и радиальная составляющие перемещений точек нейтральной линии кольца)

ции с одного конца на другой со сдвигом фазы на л/2. В этом случае среднее сечение преобразователя неподвижно и может быть использовано для крепления^к корпусу (рис. 2.10, б). Оптимальная форма электродов в этом случае ——треугольная (рис. 2.10, в). Оптимальный натяг в зоне контакта обеспечивается путем приложения к электродам преобразователя постоянного напряжения, приводящего к бочкообразным деформациям трубки. Как видно из рис. 2.10, в, волновое движение возбуждается с помощью двух напряжений одинаковой частоты, смещенных по фазе друг относительно друга на 冗/2.

Кроме изгибных колебаний (поперечных по отношению к ней- тр альной оси волновода) могут быть реализованы сдвиговые или крутильные колебания типа бегущей волны, а также продольные колебания линейных вибропреобразователей.

Вибродвигатели с асимметричными циклами колебаний. Их действие основано на использовании асимметрии инерционных воздействий, сил трения без смазочного материала или нелинейности скорости деформации. С помощью этих вибродвигателей строят приводы с ограниченными размерами по двум координатам, что иногда важно для сверхлегких роботов. Простейший путь реализации асимметричных колебаний ——суперпозиция продольных колебаний кратных резонансных частот со сдвигом фаз 卩 между ними (рис. 2.11, а). Другой путь возбуждения асимметричных колебаний иллюстрирует рис. 2.11, б. К ротору 1 вибродвигателя с натягом прижат волновод 2, где смонтирован вибропреобразователь колебаний 3, возбуждение резонансных^продольных колебаний которого приводит к генерации устойчивых n-кратных ударных режимов

движения. Возникающие в результате импульсы Sy (f) приложены непосредственно к волноводу 2. Как показано в [3 ], при коэффициенте восстановления скорости удара R = 0,8+1 и n = 1 эти импульсы с достаточной для практики точностью аппроксимируются рядом

г ‘ . I ~

Sy (0 = ^l 1 - а 工— COS mot , - /И—1 -

где Qi-= / (他丿团2, R, 0)； а ——коэффициент пропорциональности; 9 ——предварительный натяг контактной пары 2 и 3; тх и т3 ——массы звеньев 2 и 3.

Области существования и устойчивости п-кратных периодических режимов движения определяются по видоизмененной модели Русакова—Харкевича.

Преобразователи вибродвигателей. Функциональное назначение преобразователя — формирование заданного закона распределения в зоне контакта с подвижным звеном двумерного или трехмерного вибрационного поля, обеспечивающего максимум вибрационной силы, т. е. направленной (в среднем) силы, сопровождающей действие вибрации на нелинейную механическую систему. Эта сила действует по касательной к зоне контакта. Рабочая частота, механическая характеристика, мощность, динамическое качество переходных режимов движения вибродвигателей определяются преобразователем.

В подавляющем большинстве случаев преобр азователь'' пред* ставляет собой резонансную систему, работающую на основном или более высоких резонансах. Амплитуды колебаний весьма малы 一 порядка 1—10 мкм, а их частоты лежат в диапазоне от 20 кГц, до 5 МГц и более. Для изготовления преобразователей, как правило, применяют пьезоактивные материалы в виде промышленной пьезокерамики или магнитострикционных материалов. Характеристики и свойства пьезокерамических материалов регламентированы стандартом (ГОСТ 13927—80. Материалы пьезокерамические. Технические требования и ГОСТ 12370——80. Методы испытаний). Очень

рис. 2,11. Схемы вибродвигатвлей с асимметричными циклами колебаний;

；-подвижное звено： 2 - волновод; 8 - пьезокерамический преобразователь; бх^С^-- впюры распределения амплитуд продольных колебаний второй и четвертой формы соответственно

% CQS(3t +屮 1)% CQS(3t +屮 1)(электродов). Рассмотрим(электродов). Рассмотримзонзонт^~И 1г 回*) =6т^~И 1г 回*) =6(2.2)(2.2)

% CQS(3t +屮 1)

% CQS(3t +屮 1)

(электродов). Рассмотрим

(электродов). Рассмотрим

зон

зон

т^~И 1г 回*) =6

т^~И 1г 回*) =6

(2.2)

(2.2)

Рис. 2.12. Преобразователь с частичной деполяризацией для возбуждения изгибных колебаний в плоскости наименьшей жесткости

эффективны серийно выпускаемые материалы серий ПКД и ПКР [20].

Синтез требуемого вибр ацион-

ного поля осуществляется выбором как формы преобразователя, так и геометрии его возбуждающих 丄 более детально простейший случай, когда преобразователь с размерами ZXbX/i изготовлен из пьезокерамической пластинки с толщинной поляризацией. Такой преобразователь используется для построения линейных и роторных вибродвигателей [А. с, 693493 (СССР) ]. Первый компонент колебаний дает возбуждение продольных колебаний, основная резонансная частота которых /к определяется из решений известного дифференциального уравнения

где m ——масса единицы длины преобразователя;己(х, t)——функция, характеризующая форму колебаний; £ —— модуль упругости материала преобразователя;玩——площадь сечений.

При /》b имеем классическое выражение /к =(々/2/) /£/р> m (%) = const = Sip, р — плотность материала. Для более точных расчетов необходимо учесть дисперсию модуля Юнга по теории Похгаммер а—Кри:

空炉@ + /02空炉@ + /02113学33学3(2.3)(2.3)

空炉@ + /02

空炉@ + /02

1

1

3学3

3学3

(2.3)

(2.3)

где tx — модуль Пуассона; Кв — длина волны в преобразователе.

Второй компонент колебаний дает возбуждение изгибных колебаний пластинки на той же частоте, что первый компонент. Выделим два случая.

Случай L Вектор электрического поля П параллелен плоскости изгибных колебаний. Способ реализации преобразователя в этом случае заключается в дискретной частичной деполяризации керамики. На рис. 2,12 деполяризованные участки обозначены буквами Л, Д'; крайние электроды возбуждают резонансные изгибные колебания, средние ——продольные, Если частоты резонансных колебаний соответствующих гармоник кратны, то сдвиг фазы между ними определяется углом 屮工 при подключении напряжения частотой со к левым электродам м 屮工 + л ——при подключении напряжения к правым электродам, т. е, реверс подвижного звена вибродви- гателя осуществляется изменением фазы изгибных колебаний.

Случай 2. Вектор электрического поля П пер пен ди ку л ярен плоскости изгибных колебаний* Разные формы колебаний возбуждаются подачей напряжения резонансной частоты на различные электроды，Если соблюдать условие равенства собственной частоты 36

основной формы продольных колебаний и частоты второй формы изгибных колебаний, то можно осуществить независимое возбуждение продольных и изгибных колебаний и тем самым обеспечить выбор оптимальных амплитудных и фазовых соотношений между отдельными компонентами колебаний в зоне контакта. Пример такого преобразователя приведен на рис, 2.13, а, где электрод Б служит для возбуждения продольных колебаний, а электроды Л и А1 (при сдвиге фазы на л) — изгибных колебаний.

Оптимальные законы двумерных колебаний можно обеспечить и путем возбуждения связанных колебаний обоих типов (рис. 2.13, б), что упрощает схему питания преобразователя. Фазовый сдвиг ^0 (рис. 2.13,6)обеспечивается выбором сдвига А/ между резонансными частотами колебаний соответствующих форм, а рабочая частота /р обычно лежит между ними. Реверс движения происходит при смещении фаз изгибных колебаний на л (штриховая кривая на эпюрах распределения амплитуд продольных 6х и изгибных бу колебаний на рис. 2.13, 6), что осуществляется переходом от электродов В к 8‘. Как показали экспериментальные исследования, при fp — 20+25 кГц А/ = 0,5 кГц для преобразователя из пьезокерамики ЦТС-19 (IXbXh ~ 60X14X3 мм) и А/= 0,2 кГц для преобразователя из пьезокерамики ПКР-6 тех же размеров, при этом 心=л/4.

Большой интерес для решения задач робототехники представляют преобразователи с переменным вектором поляризации. Конструктивные схемы таких преобразователей отличаются большим

力(Ецр)р'(言нзг)р—‘°力(Ецр)р'(言нзг)р—‘°%р，％зг-амп”нту.*%р，％зг-амп”нту.*рис. 2.13. Вибропреобразователь двумерных колебаний：

力(Ецр)р'(言нзг)р—‘°

力(Ецр)р'(言нзг)р—‘°

%р，％зг-амп”нту.*

%р，％зг-амп”нту.*

изгибиых колебаний частотойизгибиых колебаний частотойпродольных ипродольных и■ф — фаза колебаний■ф — фаза колебанийже, на рабочей частоте;же, на рабочей частоте;

изгибиых колебаний частотой

изгибиых колебаний частотой

продольных и

продольных и

■ф — фаза колебаний

■ф — фаза колебаний

же, на рабочей частоте;

же, на рабочей частоте;

刃

a)Рнс. 2.14. Вибропреобразователь сa)Рнс. 2.14. Вибропреобразователь спеременным вектором поляризации н схемы его ппи> мененняпеременным вектором поляризации н схемы его ппи> менення

a)

Рнс. 2.14. Вибропреобразователь с

a)

Рнс. 2.14. Вибропреобразователь с

переменным вектором поляризации н схемы его ппи> менення

переменным вектором поляризации н схемы его ппи> менення

разнообразием. В качестве примера рассмотрим преобразователь с радиальной поляризацией (рис. 2.14, о), служащий для возбуждения трехкомпонентных колебаний. Такой преобразователь содержит центральный электрод J; внешние его электроды 2 разделены на несколько частей и служат для возбуждения изгибных колебаний в любой плоскости, проходящей через ось симметрии преобразователя, и продольных колебаний, т. е. в зонах контакта (尤=0, /) возбуждаются колебания

屮2),屮2),区=2。к cos (北］成一(pi)；三g=Eog,COS (电8/% =乩COS仇血-中3).

屮2),

屮2),

Наибольший интерес представляют следующие сочетания параметров:

士妆=0,九2 H 九3，中з 一 02 0 土;rt/2 — для быстроходных двигателей, в которых 5оу к &以 > Аг, где А「— зазор между ротором / и вибропреобразователем 2 (рис. 2.14, б);

Ед = 0,孔〃敬 н 0.5, приведенная фаза <рир = <р3 — (п3^2)Х 义中2= 冗/2 — для линейных вибродвигателей (рис. 2.14, в), в которых зазор между ползуном / и вибропреобразователем 2 Ду < ВоУ, а за время 2л/юп3 совершаются два косых удара, тангенциальные импульсы которых направлены в одну сторону и меняют знак при (рПp = 3/2n；三似=0,九3/& ~ %,中3=冗/2,自电=自以一 для вибродвигателей вращательного движения, в которых за период .2п/зПз происходит четыре косых удара (реверс движения при 中口卩= =3/2л); Еох 市 0,制1 =孔2 = 〃з ——для вибродвигателей с несколькими степенями подвижности.

Приведем описание и технические характеристики некоторых типов вибродвигателей серии ВИБ, которая создана в НИС «Вибротехника» Каунасского политехнического института. Серия включает вибродвигатели линейного и вращательного движения, поворотные платформы】 устройства позиционирования на плоскости 38

Таблица 2.1. Характеристики вибродвигатеЛЯ вращательного движения ВИБ-16

Наименование параметра

Материал преобразователя

ЦТС-19

ПКР-6

ПКР-10

Угловая скорость, рад/с .

Максимальный момент на валу, Н・м разрешающая способность, мкр ад Минимальный шаг, мкр ад Максимальный шаг Частота питания, кГц

Напряжение питания, В Габаритные размеры, м Масса, кг

6,0

0,05

23

80

о,с

8,5 0,10 0,7 1,0

Не ограничен I24,5

160

84X0,076X0, 0,1

12,0

0,06

124

155

027

и в пространстве, сканирующие устройства и манипуляторы для прецизионных операций.

Вибродвигатель ВИБ-16 (табл. 2.1) является автономным реверсивным приводом широкого назначения, схема компоновки которого соответствует рис. 2.11, 6. В вибродвигателе использован преобразователь продольных и изгибочных колебаний, допускающий раздельное регулирование амплитуд и фаз тангенциальной и нормальной составляющих колебаний в зоне контакта (см. рис. 2.13, а), т. е. оптимизацию параметров колебаний по быстродействию с учетом значения и характера нагрузки. В схему вибродвигателя введено электромеханическое демпфирующее устройство, предназначенное для управления добротностью преобразователя QM в пределах (QM)max/(QM)nnn ^ (8-?10). Устройство состоит из преобразователя колебаний в виде пьезокерамической пластинки, упруго прижатой к основному преобразователю вибродвигателя. Регулированием относительной фазы колебаний основного и дополнительного преобразователей осуществляется управление общей энергией, поглощаемой в зоне контакта обоих преобразователей. Таким образом, двигатель может работать как в шаговых режимах, максимальное быстродействие которых зависит от добротности системы, так и в режиме установившейся скорости.

Схемы преобразователей, приведенные на рис. 2.13, 〃，б, использованы для построения серии вибродвигателей линейного и вращательного движения (табл. 2.2, 2.3). Конструктивное исполнение их несложное (рис. 2.15). Преобразователи не содержат дефицитных материалов и просты в изготовлении. Приведем более детально их характеристики, представляющие собой статистически усредненные множества результатов измерений, проведенных на нескольких вибродвигателях того же конструктивного исполнения [3 ].

На рис. 2.16 представлены механические характеристики вибродвигателей ВИБ-18 и ВИБ-19 при силовой (рис. 2.16, а) и инерционной (рис. 2.16, б) нагрузках. Силовая нагрузка FH характерна для приводов гибких звеньев. Инерционная нагрузка тн более

39

40

аблнХ^гохХ= 2

Наименование параметра

ВИБ-18

ВИБ-19

Материал преобразователя

—-

Номинальная скорость, м/с

爆帮試°' УСИЛНе "РН номинальной скорости Н

Разрешающая способность, мкмР '耳

Минимальный щаг, мкм

ПКР-6

0,1

1,2

0,0

ПКР-10 0,15 4

2

Максимальный шаг

4

0.D5

躋爲寵а當曙册 номинальной скорости, В

Определяется ллимпй

ползу 50

на

60

24

20

32

12

0,25

0,12

Т а б л и

ц а 2.3. Характеристики вибродвигателей вращательного движении серии ВИБ

рис. 2.16. Механические характери-стики вибродвигателей при силовойи инерционной нагрузках (преобра-зователь П КР-6,60 X 14 X 2 мм);% — скорость подвижного звена в зо-не контакта

характерна для позиционирующих систем и сканирующих устройств, а смешанная нагрузка — для приводов, работающих в узлах микро-

5)

манипуляторов.

Ввиду того что преобразователи вибродвигателей являются упругими системами с бесконечным числом собственных частот, зависимостиf скорости % от частоты питания f имеют вид амплитудно-частотных характеристик (рис. 2.17). Как правило, выделяется основная рабочая частота; имеются частоты, в области кото

й°™нальная Уповая скорость, рад/с нт при номинальной скорости, Н-м

Разрешающая способность, мкрад

Минимальный шаг, мкрад Рi

Л1аксимальный mar

30

0,2

20

12 0,35 0,6

27 0,25

2

18 0,4 1,5

5

1 5 J

3

5

5

Напряжение литания, В Масса, кг

0」

0,14 1

Не ограниче!

60 0,18 J 0,2 1

0,22

Наименование параметра

Рис. 2.15. Конструктивное исполнение вибродвигателей：

0 8 6

1仇аз

а — ВИБ-20; ВИБ-21； БИБ-22; 6 — ВИ6-23; ВИБ-24; ВИБ-25; 1 — корпус； 2 — внбро- преобразователь； 3 — ротор; 4 — накладка нз износостойкого материала; 5 — ограничитель'демпфер; 6 — пружина

6仇

рых % меняет знак.

На рис. 2.17, а приведена скоростная характеристика ВИБ-18 с преобразователем из пьезокерамического материала с высокой добротностью (ПКР-6). Там же дана характеристика вибродвигателя ВИБ-10 (кривая /), имеющая один максимум (применяются однокомпонентные колебания преобразователей).

Характер скоростной зависимости определяется и резонансными свойствами преобразователей. На рис. 2.17, 6 сплошной линией показана характеристика вибродвигателя ВИБ-19 с преобразователем из ЦТС49, имеющего низкую добротность. Из рисунка видно, что стабильность частоты питающего генератора не играет большой роли, так как ширина резонансных зон достаточно большая. На рис. 2.17, б штриховой линией показана скоростная характеристика вибродвигателя ВИБ-19 с преобразователем, зоны возбуждения которого сформированы исходя из требования широкополосности частотной характеристики.

Рис. 2.17. Зависимости скорости

а丿

от частоты питания при %= const

У

以"〃

Рис, 2.19. Области предельных значений разрешающей способности Ах при инерционных и силовых нагрузках вибродвигателей:

1 — с косыми соударениями; 2 — при чисто силовой нагрузке; 3 — с асимметричными циклами колебаний

Скоростная характеристика контакта % = % [尸н,刍(Л，4〃 自)], j = 1, 2, п, представляющая собой зависимость линейной скорости подвижного звена vK в контактной зоне от силы нагрузки fH и параметров (частоты /, амплитуды Л и фазы В) колебаний преобразователей в зоне контакта, отражает процесс преобразования колебательного движения в непрерывное. Снятие этой характеристики затруднено тем, что в достаточно широком частотном диапазоне невозможно поддержать постоянной амплитуду колебаний преобразователей. На рис. 2.18, а приведены графики зависимости скорости подвижного звена для трех нагрузок при 自石=const = 4 мкм (сплошные линии) для вибродвигателя ВИБ-18 с преобразователем из пьезо кер амики ПКР-7. Постоянство значений |т было обеспечено только в резонансной области. При остальных частотах возможный характер зависимости показан штриховой линией.

Графики зависимости скорости 乜代 от амплитуды тангенциальной составляющей колебаний в зоне контакта при 自"Ен = const н р = const для вибродвигателя ВИБ-18 с преобразователем из пьезокерамики ПКР-Ю приведены на рис. 2.18, б. Как видно из рисунка, в узком диапазоне изменений £ зависимость vK (£) носит почти линейный характер.

Определение разрешающей способности сопряжено со значительными трудностями ввиду больших погрешностей измерения и разброса ее значений даже для одного и того же вибродвигателя. Поэтому приведенные на рис. 2.19 области предельных значений разрешающей способности следует считать ориентировочными, служащими для оценки точности вибродвигателей, работающих в системах с обратной связью по координате. Как видно из рис. 2.19, наибольшее влияние на разрешающую способность оказывает инерционная нагрузка.

Увеличение разрешающей способности достигается в режиме статического деформирования преобразователя, когда к нему прн・ 42

Лагается постоянное электрическое поле. Деформации преобразователя приводят к перемещению подвижного звена, при этом разрешающая способность зависит от типа сопряжения, но в среднем повышается на два порядка.

Одной из важных характеристик вибродвигателей, работающих в шаговых режимах, является частотная характеристика шаговых режимов (рис. 2.20). Характеристика связывает предельную частоту Qnp шагов и их размер 6Ш) т. е. определяет область реализуемых параметров Q, 6Ш (вниз от кривых). При снятии характеристики частота Q считалась предельной в том случае, если при ее увеличении отношение скоростей vjvm^ в промежутках между шагами становилось отличным от нуля.

Очувствление вибро двигателей. Важной особенностью вибродвигателей, применяемых в качестве приводных узлов роботов, является возможность использования термо, тензо-, массо- и гирочувствительности входящих в их состав пьезоэлектрических преобразователей-резонаторов, При этом задача измерения координат положения, скорости, силы или момента сводится к измерению параметров электрических величин ——амплитуд, фаз или частот напряжений, снимаемых со специально предусмотренных электродов.

Возможность измерения относительной скорости в зоне контакта . обусловлена самим принципом действия вибродвигателя: возникающий при косом соударении в зоне контакта тангенциальный импульс удара зависит от тангенциальной составляющей скорости удара. Задача определения скорости сводится к измерению электрического сигнала с электродов вибропреобразователя, пропорционального тангенциальной составляющей импульса удара. Для различных типов вибродвигателей существуют свои правила определения места расположения скомпенсированных электродов. Сигнал, снимаемый с этих электродов (в большинстве случаев его амплитуда), функционально зависит от относительной частоты вращения. Методика и примеры определения расположения зтнх электродов на вибропреобразователе приведены в работе [3], там же даны схемы для определения положения подвижного звена вибродвигателя, основанные на зависимости между длиной пути, пройденной импульсом в преобразователях, и временем, необходимым для прохождения этого пути. Для этой цели могут быть использованы как нормальные, так и тангенциальные импульсы косых соударений, происходящих в зоне контакта. Пройдя определенные расстояния,

航航7。7。0,07 0,10,07 0,1川川/О3川川/О3I -%Г тн=0,2кгI -%Г тн=0,2кгтн-1,5кгтн-1,5кгимпульсы поступают на специально локализованные электроды, включенные в мостовые схемы, позволяющие устранить наводки от основных колебаний преобразователей.

航

航

7。

7。

0,07 0,1

0,07 0,1

川川

/О3

川川

/О3

I -%Г тн=0,2кг

I -%Г тн=0,2кг

тн-1,5кг

тн-1,5кг

Точность измерения положения и чувствительность данного метода

Рис. 2 20. Частотная характеристика шаговых режимов (ВИБ-18 с преобразователем из

ПКР-Ю)

невелики, поэтому основное применение метода фиксации положения подвижных звеньев ——формирование траекторий движения звеньев манипулятора с избыточным числом степеней подвижности, а также управление манипулятором, в котором высокоточные датчики координат фиксируют только положение захвата.

В последние годы проводятся работы по использованию поверхностных акустических волн (типа волн Релея) в пьезоактивных средах для измерения взаимного положения двух звеньев с высокой точностью. Система измерения с поверхностными акустическими волнами может быть основана на свойствах контакта двух пьезоэлектрических поверхностей, по одной из которых распространяется поверхностная акустическая волна. Ее электрическое поле индуцирует в другой среде поверхностную волну, которая поступает на приемный преобразователь. При фазовой скорости волны порядка (1 4-5)-103 м/с на частоте 1 МГц погрешность измерения положения не превышает 10—50 мкм соответственно, а на частоте 100 МГц — погрешность не более 0,1——0,5 мкм; предельная точность метода характеризуется погрешностью около 0,01 мкм.

Использование преобразователей вибродвигателей как датчиков сил или моментов особенно актуально при разработке вибродвигателей для привода захватов, поэтому этот вопрос будет рассмотрен более подробно.

Вибродвигатели с несколькими степенями подвижности

Управление структурой механизмов с вибродвигателями. Рассмотренные выше принципы построения вибродвигателей можно использовать для создания прецизионных приводов с конечным или бесконечным числом степеней подвижности. Вибродвигатели с несколькими степенями подвижности особенно перспективны для решения задач создания прецизионных роботов и манипуляторов, а также захватов и пальцевых систем.

Существуют два направления построения многоподвйжных приводных механизмов с вибродвигателямй： управление структурой механизмов и использование известных кинематических пар с несколькими степенями подвижности, звенья которых выполнены из пьезоактивных материалов (так называемые управляемые вибрационные пары или вибропары). Рассмотрим оба направления с учетом специфических требований, предъявляемых к точным роботам.

Методы изменения кинематической структуры механизмов в совокупности с особенностями свойств вибродвигателей обеспечивают создание ряда механизмов с переменной структурой, позволяющих сравнительно просто решить ряд кинематических задач, связанных с реализацией сложных движений.

При движении механизма с переменной структурой изменяются число его подвижных звеньев и число кинематических пар. Это происходит за счет объединения его подвижных звеньев со стойкой и 44

между собой при последующем их разъединении. Особенностью рассматриваемых вибродвигателей с переменной структурой по сравнению с уже известными являются малая постоянная времени процесса переключения структуры (порядка 0,01 с) и совмещение приводного или регулирующего механизма с устройством объединения или торможения.

Для примера рассмотрим вибродвигатель с переменной структурой и с одним входным звеном. Известно, что для пространственной кинематической цепи число степеней подвижности W относи- гельно звена, принятого за неподвижное,

(2-4)(2-4)5

(2-4)

(2-4)

W = 6л — £ ipi>t=i

где п ——число подвижных звеньев; pt ——число кинематических пар f-го класса.

Соединение и разъединение звеньев основано на скачкообразном изменении силы или момента трения в кинематической паре вибродвигателя. При этом моменту сопротивления движению в кинематической паре М может быть задано любое значение в интервале 0 с Л4 < 7Итр, где 7ИТр ——момент трения кинематической пары при отсутствии колебаний, который должен быть меньше максимального момента, развиваемого в кинематической паре при работе механизма.

Управление структурой механизмов в ряде случаев позволяет эффективно решать задачи позиционирования на плоскости и в пространстве. Примеры схем виброустройств с управляемой структурой приведены на рис. 2.21. В качестве направляющих здесь служат сами вибропреобразователи, т. е. исключается система сложных направляющих [32 ]. Столик 2 (рис. 2.21, а) закреплен неподвижно в узловых точках преобразователей / и 5, которые охвачены с торцов преобразователями 4 н 6. В свою очередь преобразователи 4 и 6 охвачены преобразователями 5 и 7. Преобразователи работают

Рис. 2.21. Манипуляторы с переменной структуройРис. 2.21. Манипуляторы с переменной структурой

Рис. 2.21. Манипуляторы с переменной структурой

Рис. 2.21. Манипуляторы с переменной структурой

йа второй форме резонансных колебаний и закреплена в двух узлах колебаний.

Используются только продольные резонансные колебания преобразователей. При отработке координаты ^ совместно работают преобразователи i, 3 а 4, 6 (преобразователи 5 и 7 колебаний не совершают), а при отработке координаты х — преобразователи 4, 6 и 5, 7 (преобразователи 7, 3 колебаний не совершают). Возможно и одновременная отработка обеих координат у и фг.

При использовании форм колебаний преобразователей, приведенных на рис. 2.21, 〃， длину преобразователей выбирают с помощью формул

Ly max VLy max Vгде Е ь Е$ ——плотность и модуль Юнга материала соответствуй、 ющего преобразователя, а максимальный ход по каждой координате

Ly max V

Ly max V

Если вместо преобразователей 1 и 3 применить кольцеобразный преобразователь, совершающий радиальные колебания, а фазы колебаний преобразователей 4 я 6 выполнить отличающимися на л, получим двухподвижный манипулятор с переменной структурой, осуществляющий линейное движение по оси у и поворот относительно оси, перпендикулярной плоскости ху. Аналогично строятся и системы с большим числом степеней подвижности.

По схемам, приведенным на рис. 2.21, построено несколько разновидностей манипуляторов на плоскости, в которых роль направляющих играют сами преобразователи; фиксация координат в отключенном состоянии обеспечивается силами трения в контактных зонах. В табл. 2.4 даны технические характеристики двух устройств, представляющих интерес при разработке манипуляторов ■ малой и средней грузоподъемности.

Таблица 2.4. Технические характеристики устройств манипулировании на плоскости

Наименование параметра

ВИБ-12

ВИБ-26

Номинальная грузоподъемность Число степеней подвижности

0,5 2 20 0,1 0,02

10

Наибольшее перемещение по осям % н у, мм

Максимальная скорость перемещения, м/с Разрешающая способность по осям % н 弘 мкм Питание：”

2

18

0,25 0,01—0,02

напряжение, В частота, кГц нагрузка, Ом

60

28

100

22

Габаритные размеры, мм Масса, кг

600 120Х 120X45

600 21X21X64

0,8

4,2

Управляемые вибро пары. Второй путь построения многоподвижных приводов манипуляторов — использование вибродвигателя в виде кинематической пары, одно звено или оба звена которой выполнены из пьезоактивного материала и обеспечивают возбуждение требуемого вибрационного поля в зоне контакта этих звеньев. В рассматриваемой вибропаре могут быть созданы управляемые силы или моменты, приводящие к взаимному перемещению звеньев пары по

соответствующей координате.

Выбором метода возбуждения в звеньях вибропары как переменных, так и постоянных деформаций можно управлять числом степеней подвижности вибропары. При этом используются резкий перепад значений коэффициентов трения скольжения /с(трение I рода), трения качения /к (трение II рода) и трения верчения /玄(трение III рода). Так, если коэффициент трения скольжения в паре сталь—— сталь составляет 0,05——0,2, то коэффициент трения качения той же пары равен 1-10"5 м, а коэффициент трения верчения — еще в 5— 10 раз меньше. Число степеней свободы вибропары Н = 6 — s (Q, где s — число условий связей, наложенных на относительное движение звена кинематической пары (1 < s < 6);白 一 совокупность параметров управления, изменяющих состояние условий связи. В общем случае s == s (xh 制，自，吊， …，力，где 修 —— обобщенные координаты;尸；——значения реакции связей.

Количество степеней свободы, по которым можно возбуждать движение в вибропаре, называется числом степеней подвижности W управляемой вибропары (犷 < Я).

Направление и модуль вибрационной силы или момента в управляемой вибропаре можно изменять путем выбора формы и типа колебаний вибропреобразователей. Наиболее просто такое управление осуществляется в пьезоэлектрических преобразователях, выполненных из пьезокерамики, путем секционирования электродов (задающих зоны возбуждения) и соответствующего подключения их к источнику электрических колебаний.

(2.5)функ-(2.5)функ-k 1, 2,m.k 1, 2,m.Другой метод синтеза требуемых характеристик вибрационного поля в зоне контакта —— применение пространственно-временных функций возбуждения:

(2.5)функ-

(2.5)функ-

k 1, 2,m.

k 1, 2,m.

办二①(/)屮(г<)；①д = | ①н(/)|,

.Реализация функ-.Реализация функ-где Ф ⑴ ——периодическая функция времени; Т (г, 0 — ция, характеризующая распределение мощности. 「二二二二 ций возбуждения типа (2.5) осуществляется, например, разделением электродов пьезопреобразователя на т симметричных частей. В слу-

.Реализация функ-

.Реализация функ-

(2・6)(2・6)чае дискретного перемещения

(2・6)

(2・6)

Т(г, /) = g]&(/)6i(r-r)

где 6/ ——/ -периодическая дельта-функция; {г J ——произвольная по- следовательность вектора г, определяющая позицию возбуждающей функции 5七⑴ для времени возбуждения //+}—— tt и формируемая последовательной коммутацией электродов пьезоэлектрического

47

Другой путь построенияДругой путь построенияРис. 2.22. Схема вибродвигателя, осуществляющего два поворотных движения

Другой путь построения

Другой путь построения

преобразователя. При уменьшении площади электродов (s3 f 0) реализуется предельный случай, сканирующий источник, скорость которого g‘ ⑴：

上(г,力=6Jx —g(/)], g'(/)>0.

(2.7) _ подвижного источника возбуждения — применение многофазных генераторов питания пьезоэлектрических преобразователей.

Таким образом, синтез требуемого пространственного вибрационного поля для одной или обеих поверхностей сводится к выбору геометрических параметров электродов (в случае пьезоэлектрических преобразователей) и вида периодической функции времени. При этом, как правило, применяются сопряжения поверхностей, соответствующие кинематическим парам с несколькими степенями подвижности ——плоскостей, цилиндрических и сферических поверхностей, используют также случаи их вырождения в точку или линию.

Схемы многоподвижных вибро двигателей. Множество схем управляемых вибропар целесообразно рассмотреть по их основному структурному признаку ——классу кинематической пары, на основе которой построен вибродвигатель.

Управляемые вибропары IV класса. В парах IV класса на относительное движение каждого из входящих в нее звеньев налагаются четыре ограничения (s = 4). Пары первого вида допускают два вращательных движения, пары второго вида — одно вращательное и одно поступательное. Рассмотрим примеры вибропар обоих видов.

Схема устройства вибродвигателя с двумя степенями подвижности (два вращательных движения) представлена на рис. 2.22; его назначение ——поворот захвата / вокруг двух перпендиклуярных осе立 х, у . Вибродвигатель состоит из сектора тороидального вибропреобра- зователя 2 с тангенциальной поляризацией и цилиндрического преобразователя 3 со вставкой 4, имеющей тороидальную внутреннюю поверхность. В невозбужденном состоянии зазор между обеими тороидальными поверхностями равен нулю,а силовое замыкание контакта осуществляется упругим звеном 5. Преобразователь 3 поляризован в осевом направлении и благодаря разделению электродов может работать в режимах возбуждения радиальных и изгибных колебаний типа бегущей волны. Тип режима обеспечивается коммутатором 6, управляемым сигналом управления су. Коммутатор переключает электроды преобразователей и подключает их к многофазному генератору 7.

В первом режиме движения, осуществляющем поворот ①瓦，используются тангенциальные колебания преобразователя 2 и радиальные колебания преобразователя 3 (вибродвигатель с двумя активными элементами). Реверсирование движения происходит при сме- 48

щен и и фазы колебаний преобразователя 3 на л. Во втором режиме (поворот 屮夕)преобразователь 3 работает как волновой вибродвигатель с радиальными изгибными колебаниями типа бегущей волны. Таким образом, налагаются конструктивные требования равенства резонансных частот радиальных колебаний преобразователя 3 и тангенциальных колебаний преобразователя 2.

К вибропарам IV класса второго вида относится механизм, показанный на рис. 2.23, а. Принцип работы основан на использовании колебаний типа бегущей волны при отработке поворотов вокруг оси % и сочетания продольных колебаний преобразователя / с радиальными колебаниями преобразователя 2 при перемещении по оси х. Недостаток рассматриваемой схемы ——трудность замыкания контакта по всей поверхности касания звеньев.

К этой же группе относится и механизм, в котором ось z поворота подвижного звена перпендикулярна направлению перемещения (рис. 2.23, б). Кольцевой преобразователь 1, поляризованный по высоте, работает в режиме резонансных радиальных колебаний, частота которых равна частоте второй гармоники продольных колебаний стержневых преобразователей 2 н 3. При синфазной работе обоих преобразователей происходит перемещение по оси д. При сдвиге фаз на л (этот случай показан на эпюре распределения колебаний) происходит вращение преобразователя /. Силовой контакт обеспечивается пружиной4, а преобразователи 2и 3 крепятся в узловых плоскостях, что является преимуществом рассматриваемой схемы.

Управляемые вибропары III класса. В вибропарах III класса на относительное движение каждого из, звеньев налагаются три ограничения, т. е. вибродвигатели этой группы имеют три степени подвижности. Схема механизма, основанная на применении кинематической пары первого вида, показана на рис. 2.24, а. Контакт звеньев неравномерен и имеет максимальную поверхность в областях, называемых пятном контакта, причем форма и размеры пятна, а также распределение давлений в нем управляются источником постоянного напряжения. Источник переменного напряжения возбуждает колебания типа бегущих волн, приводящих к повороту подвижного звена относительно мгновенной оси вращения.

Рнс. 2.23. Схемы вибродвигателей с двумя степенями подвижности

。）。）Рис. 2.24. Схемы вибродвигателей с тремя степенями подвижности:Рис. 2.24. Схемы вибродвигателей с тремя степенями подвижности:

。）

。）

Рис. 2.24. Схемы вибродвигателей с тремя степенями подвижности:

Рис. 2.24. Схемы вибродвигателей с тремя степенями подвижности:

источ-упра-источ-упра-/ — электроды; 2 — звено из пьезоактивного материала; 3 — сферическое звено； 4 — ник переменного напряжения; 5 — источник постоянного напряжения; 6 — блок вления

источ-упра-

источ-упра-

Технологически более совершенная схема показана на рис. 2.24, б. Полый пьезокерамический шар, совершающий радиальные колебания, охвачен с трех сторон вибропреобразователями в виде стержней, частота второй формы продольных колебаний которых должна быть равной резонансной частоте сферического преобразователя, а также частоте изгибных резонансных колебаний стержней в плоскости, касательной к сферическому преобразователю.

Один из преобразователей подпружинен, что обеспечивает силовое замыкание звеньев. Как и в предыдущих схемах, преобразователи прикрепляются в узлах колебаний. Преобразователи в каждой паре работают со сдвигом фаз л.

Любые движения отрабатываются следующим образом: разделенные электроды стержневых преобразователей, находящихся в плоскости, перпендикулярной заданной оси вращения, соединяются между собой и подсоединяются к генератору электрических импульсов. Эти преобразователи совершают продольные резонансные колебания, взаимодействующие с радиальными колебаниями сферического преобразователя. Электроды преобразователей, параллельных оси вращения, противофазно присоединяются к генератору, обеспечивая изгибные резонансные колебания преобразователей в касательной плоскости, при этом фазы колебаний преобразователей отличаются на л. Преобразователи, пересекающие ось вращения, не возбуждаются и вследствие точечного контакта служат опорой для вращения (трение III рода).

Взаимное влияние перемещений по координатам в этой схеме не превышает 1—2 %, уменьшаясь при уменьшении диаметра сферического преобразователя, так как зависит от фактической площади контакта неподвижных преобразователей со сферой [3], 50

вибродвигателей для манипулирования на плоскостиНаименование параметраВИБ-6ВИБ-11Максимальный момент, Н*мНоминальная грузоподъемность, кгЛинейные перемещения, ммМаксимальный угол поворотаМаксимальное усилие, НСкорость при непрерывном перемещении, м/с Угловая скорость при непрерывном перемещении, рад/с разрешающая способность, мкмразрешающая способность углового перемещения, мкр адПитание:частота, кГцнапряжение, В:нагрузка, ОмГабаритные размеры, мм Масса, кг0,02 0,5 ±5Не огран10,154,60,02202830600150Х 150X352,10,05 1,0±18ичен1,50,26,50,022027801 90X60X1510,2вибродвигателей для манипулирования на плоскостиНаименование параметраВИБ-6ВИБ-11Максимальный момент, Н*мНоминальная грузоподъемность, кгЛинейные перемещения, ммМаксимальный угол поворотаМаксимальное усилие, НСкорость при непрерывном перемещении, м/с Угловая скорость при непрерывном перемещении, рад/с разрешающая способность, мкмразрешающая способность углового перемещения, мкр адПитание:частота, кГцнапряжение, В:нагрузка, ОмГабаритные размеры, мм Масса, кг0,02 0,5 ±5Не огран10,154,60,02202830600150Х 150X352,10,05 1,0±18ичен1,50,26,50,022027801 90X60X1510,2Таблица 2.5. Технические характеристикиТаблица 2.5. Технические характеристикиробототехники группуробототехники группу

вибродвигателей для манипулирования на плоскости

Наименование параметра

ВИБ-6

ВИБ-11

Максимальный момент, Н*м

Номинальная грузоподъемность, кг

Линейные перемещения, мм

Максимальный угол поворота

Максимальное усилие, Н

Скорость при непрерывном перемещении, м/с Угловая скорость при непрерывном перемещении, рад/с разрешающая способность, мкм

разрешающая способность углового перемещения, мкр ад

Питание:

частота, кГц

напряжение, В

:нагрузка, Ом

Габаритные размеры, мм Масса, кг

0,02 0,5 ±5

Не огран

1

0,15

4,6

0,02

20

28

30

600

150Х 150X35

2,1

0,05 1,0

±18

ичен

1,5

0,2

6,5

0,02

20

27

80

1 90X60X15

10,2

вибродвигателей для манипулирования на плоскости

Наименование параметра

ВИБ-6

ВИБ-11

Максимальный момент, Н*м

Номинальная грузоподъемность, кг

Линейные перемещения, мм

Максимальный угол поворота

Максимальное усилие, Н

Скорость при непрерывном перемещении, м/с Угловая скорость при непрерывном перемещении, рад/с разрешающая способность, мкм

разрешающая способность углового перемещения, мкр ад

Питание:

частота, кГц

напряжение, В

:нагрузка, Ом

Габаритные размеры, мм Масса, кг

0,02 0,5 ±5

Не огран

1

0,15

4,6

0,02

20

28

30

600

150Х 150X35

2,1

0,05 1,0

±18

ичен

1,5

0,2

6,5

0,02

20

27

80

1 90X60X15

10,2

Таблица 2.5. Технические характеристики

Таблица 2.5. Технические характеристики

робототехники группу

робототехники группу

Наиболее интересную с точки зрения представляют вибродвигатели с тремя степенями подвижности, основанные на использовании трехподвижной плоскостной кинематической пары III класса третьего вида и позволяющие решать задачи позиционирования на плоскости. Подвижное звено такой вибропары выполняется в виде пьезокерамического кольца, лежащего на опорной поверхности. В кольце, в зоне контакта, путем локализации зон возбуждения генерируется сочетание изгибньгх и сдвиговых колебаний, обеспечивающее независимые перемещения по каждой из координат. В табл. 2.5 приведены технические характеристики вибродвигателей серии ВИБ для манипулирования на плоскости. Вибродвигатель ВИБ-6 обладает тремя степенями подвижности, а ВИБ-11 — двумя степенями подвижности и выполнен по схеме, прм~ веденной на рис. 2.23, б.

Управляемые вибропары II и I классов. Из управляемых вибропар II и I классов наибольшее применение нашел манипулятор, привод захвата которого представляет собой вибропару IV класса пер* вого вида с выборкой зазоров [А, с. 541663 (СССР) ]. Общий вид его показан на рис. 2.25, а; вариант с ограниченным перемещением подвижного звена по направлении оси z —— на рис. 2.25, б. Вибродвигатель способен поворачивать захват манипулятора в трех взаимно перпендикулярных направлениях и перемещать его в одном направлении. Механическая рука / присоединена к сферическому элементу 2, выполненному из пьезокерамического материала. Сферический элемент контактирует с тремя пьезокерамическими стержнями 3—5, расположенными параллельно друг другу. Стержни ^ и 5 жестко закреплены в корпусе в узлах колебаний, а преобразователь 3 прижат пружиной к сферическому элементу и закреплен шарнирно на корпусе в узле колебаний. Преобразователи 3——5 могут работать

Рис. 2.25. Схемы четырехподвижных манипуляторовРис. 2.25. Схемы четырехподвижных манипуляторовв двух режимах: в режиме возбуждения продольных резонансных колебаний второй формы и в режиме изгибных колебаний в плоскостях, касательных к сфере. Режим движения задается блоком управления 6, соединенным с генератором электрических колебаний 7.

Рис. 2.25. Схемы четырехподвижных манипуляторов

Рис. 2.25. Схемы четырехподвижных манипуляторов

В местах контакта стержней со сферическим элементом происходят косые соударения, которые в каждом из трех контактов направлены в сторону, определяемую соотношением между фазами колебаний элемента 2 и стержней 3——5. При равенстве фаз колебаний всех стержней элемент 2 будет перемещаться либо вверх, либо вниз. Вращение вокруг осей хну достигается путем соответствующего изменения фаз колебаний стержней 3——5.

Замыкание контакта между звеньями в вибродвигателе, показанном на рис. 2.25, 6, осуществляется присоединением управляющих электродов к источнику постоянного напряжения. Как и в случае шарового шарнира (рис. 2.24, а), здесь возможно формирование мгновенных осей поворота подвижного звена, лежащих в плоскости

Рис. 2.26.

q — U7 = 3 + 3；

3 + 3；3 + 3；основаниеоснованиеОО44Схемы, иллюстрирующие принцип совмещения активных звеньев:Схемы, иллюстрирующие принцип совмещения активных звеньев:{①尤，中夕中Z,中犷，中旷，①2’}'； 6 一 w = 2+3; (ф^,中用Wz，X',中次}7；{①尤，中夕中Z,中犷，中旷，①2’}'； 6 一 w = 2+3; (ф^,中用Wz，X',中次}7；{①g，①工，^Z' х> У，^z，}'； /— выходное звено; 2 — звено из пьезоактивного материала; 3{①g，①工，^Z' х> У，^z，}'； /— выходное звено; 2 — звено из пьезоактивного материала; 3勿勿в — w

3 + 3；

3 + 3；

основание

основание

О

О

4

4

Схемы, иллюстрирующие принцип совмещения активных звеньев:

Схемы, иллюстрирующие принцип совмещения активных звеньев:

{①尤，中夕中Z,中犷，中旷，①2’}'； 6 一 w = 2+3; (ф^,中用Wz，X',中次}7；

{①尤，中夕中Z,中犷，中旷，①2’}'； 6 一 w = 2+3; (ф^,中用Wz，X',中次}7；

{①g，①工，^Z' х> У，^z，}'； /— выходное звено; 2 — звено из пьезоактивного материала; 3

{①g，①工，^Z' х> У，^z，}'； /— выходное звено; 2 — звено из пьезоактивного материала; 3

勿

勿

очевидного упрощенияочевидного упрощенияГенераторГенератор乃у. Отметим, что в обеих схемах, приведенных на рис. 2.25, сферическое звено может быть выполнено пассивным.Совмещение звеньев. Сочетание методов конечных элементов и метода случайного поиска позволяет осуществить синтез возбуждающих зон поверхностей активных звеньев, ьвхо- дящих в две^или более) кинематиче乃у. Отметим, что в обеих схемах, приведенных на рис. 2.25, сферическое звено может быть выполнено пассивным.Совмещение звеньев. Сочетание методов конечных элементов и метода случайного поиска позволяет осуществить синтез возбуждающих зон поверхностей активных звеньев, ьвхо- дящих в две^или более) кинематичеРис. 2.27. Механизмы, в которых используются свойства сопряжения активного (/) и пассивных (2, 3) звеньев

очевидного упрощения

очевидного упрощения

Генератор

Генератор

乃у. Отметим, что в обеих схемах, приведенных на рис. 2.25, сферическое звено может быть выполнено пассивным.

Совмещение звеньев. Сочетание методов конечных элементов и метода случайного поиска позволяет осуществить синтез возбуждающих зон поверхностей активных звеньев, ьвхо- дящих в две^или более) кинематиче

乃у. Отметим, что в обеих схемах, приведенных на рис. 2.25, сферическое звено может быть выполнено пассивным.

Совмещение звеньев. Сочетание методов конечных элементов и метода случайного поиска позволяет осуществить синтез возбуждающих зон поверхностей активных звеньев, ьвхо- дящих в две^или более) кинематиче

ские пары. Совмещение звеньев кроме очевидного упрощение всей конструкции повышает точность задания координат, так как число контактирующих поверхностей уменьшается (рис. 2.26). Задача синтеза активного звена сводится к определению возбуждающих зон, приводящих к независимому перемещению по любому из возможных направлений. При этом происходит резонансное взаимодействие из- гибных форм колебаний преобразователей (при соблюдении требования близости по значению собственных частот) с одновременным наложением продольных и сдвиговых колебаний преобразователей.

Принцип совмещения активных звеньев может быть использован и для «дублирования» степеней подвижности вибропар (рис. 2.27), которое осуществляется при 3 = 0.

Захватные устройства прецизионных роботов

Захватные устройства являются важной частью робота; характеристики их — универсальность, быстродействие, точность, надежность, уровень сенсоризации — сильно влияют на характеристики робота в целом и на его работоспособность. Для малогабаритных роботов важную роль играют также сложные рабочие органы, представляющие собой захваты с технологическими инструментами, выполняющими разнообразные технологические операции.

Захватывание, установка и съем миниатюрных изделий осуществляются с помощью вакуумных, магнитных, вакуумно-магнитных, магнитно-механических, электростатических, адгезионных и других видов захватов. Такое множество захватов связано с большим разнообразием форм, размеров и поверхностных свойств деталей, а также с различными требованиями, предъявляемыми к точности и быстродействию процесса захватывания.

Учитывая, что в отечественной и зарубежной литературе [4, 27, 36, 401 достаточно широко представлены различные конструкции механических захватов ПР, здесь рассмотрим лишь некоторые варианты специальных пневматических и магнитных захватов.

Пневматические и магнитные захваты. Поштучная выдача изделий типа тонких пластин / из вертикального накопителя 2 может

осуществляться роботом с вакуумным захватом 6 (рис. 2.28). При включении вакуума робот захватывает пластину и через вырез в нижней части накопителя перемещает ее к неподвижному вакуумному захвату 4. Остальные пластины удерживаются в накопителе с помощью специального подвижного упора 7. В момент совмещения захвата 6 с захватом 4 вакуум отключается, пластина присасывается к захвату 4, а робот возвращается в исходное положение, в котором вновь включается вакуум. После этого вакуум в захвате 4 отключается и включается сжатый воздух, который поступает в кольцевой зазор 5 и сбрасывает пластину в специальный приемник (на рисунке не показан). Если робот захватит две слипшиеся пластины, то при перемещении его в зоне захвата 3 последний присасывает верхнюю пластину, а нижняя пластина переносится роботом к захвату 4. Неподвижные захваты 3 н 4 имеют одинаковую конструкцию.

Роторный вакуумный захват I (рис. 2.29) применяют для поштучной выдачи из магазина 4 цилиндрических изделий 3 (в том числе с гибкими элементами) с целью обеспечить более высокую произво-

Рис. 2.29. Схема поштучной выдачи из магазина цилиндрических изделий с гибкими элементами с пбмощью вакуумноструйного захвата роторного типа

дительность по сравнению с обычным захватом, у которого западание изделий в гнезда происходит лишь под действием силы тяжести. К гнездам 6 роторного захвата / подведены каналы 5, соединенные с вакуумной сетью, и сопла 2, питаемые от магистрали сжатого воздуха. В зоне магазина 4 включаются вакуумные каналы 5, и под действием вакуума и силы тяжести изделия надежно западают в гнезда роторного захвата. Когда гнездо с захваченным изделием переместится в зону над магазином, включается сжатый воздух, который вытекая через сопло 2, сбрасывает лишние изделия из гнезда.

Использование магнитного поля для подачи изделий на технологическую позицию покажем на примере магнитного захвата с ферромагнитным экраном (рис. 2.30). В позиции приема (рис. 2.30, а) магнит 7 захватывает изделие 2 из гнезда 3 и переносит его в позицию выдачи (рис. 2.30, б). Здесь в зазор между магнитом / и приемником 4 захвата, выполненного из немагнитного материала, вводится ферр ом агн итный экран 5, шунтирующий магнитное поле. Благодаря этому изделие под действием силы тяжести падает на штырь 6.

Для манипулирования плоскими изделиями, особо чувствительными к механическим воздействиям (хрупкие изделия, изделия с тщательно отполированными поверхностями и т. п.), применяют бесконтактный струйный захват 工，который в отличие от захватов контактного типа полностью исключает повреждения изделий, так как не соприкасается с их функциональными поверхностями. При определенной конструкции струйный захват 7 позволяет одновременно осуществлять угловую ориентацию изделий 5 (например, прямоугольной или квадратной пластины) и их базирование (рис. 2.31). В этом случае подводящий сжатый воздух канал 2 заканчивается наклонным соплом 3, которое формирует плоский поток в зазоре между торцом захвата и пластиной в направлении окна, образованного двумя ограничительными стенками 4. Благодаря разрежению, возникающему в зазоре при истечении потока воздуха, происходят захватывание и удержание пластины на некотором расстоянии В от торна захвата, причем ширина зазора устанавливается автоматически из условия равновесного положения изделия. Произвольно ориентированная пластина 5 на захвате (штриховой контур) под

工 Материал по конструкции схвата подготовлен совместно с В. В. Сафроновым,

Вид AВид A

Вид A

Вид A

действием момента вязких сил М (FT) будет поворачиваться вокруг вертикальной оси захвата и одновременно перемещаться в диагональном направлении к окну, пока не окажется прижатой к боковым стенкам 4. Ориентация и базирование изделий на захвате в процессе перемещения руки робота позволяет отказаться от специального сложного механизма центрирования в прецизионных технологических автоматах и соответственно повысить их надежность и снизить брак от механических повреждений изделий с низкими прочностными характеристиками.

Определим условие равновесия пластинки на струйном захвате, приняв с целью упрощения движение воздуха в зазоре S установившимся и адиабатическим. В этом случае интеграл Бернулли имеет вид

⑦一Т^Т (1 一 *—") = %，

а уравнение неразрывности W =步a/(Sg"&), где W — 〃/% Wa =—码/乂，g =加Ра,比=伪a/pj"2, S = RjR — безразмерные вели-чины; “，〃а 一 скорости потока в зазоре и на выходе из зазора; р,"а, Р， Ра — давления и плотности в потоке при тех же условиях;Rt, R —— промежуточное и максимальное значения радиуса торцазахвата (вписанной окружности);冗 —— показатель адиабаты (для воз-духа k = 1,4). Безразмерная скорость потока на входе в зазор WQ ==g)0S0/(260), где g = ujh; S° 二 〃R; 60 工 6/R; uK — скоростьs подводящем канале; r ——внутренний радиус подводящегоРезультирующая сила, действующая на пластинку,а уравнение неразрывности W =步a/(Sg"&), где W — 〃/% Wa =—码/乂，g =加Ра,比=伪a/pj"2, S = RjR — безразмерные вели-чины; “，〃а 一 скорости потока в зазоре и на выходе из зазора; р,"а, Р， Ра — давления и плотности в потоке при тех же условиях;Rt, R —— промежуточное и максимальное значения радиуса торцазахвата (вписанной окружности);冗 —— показатель адиабаты (для воз-духа k = 1,4). Безразмерная скорость потока на входе в зазор WQ ==g)0S0/(260), где g = ujh; S° 二 〃R; 60 工 6/R; uK — скоростьs подводящем канале; r ——внутренний радиус подводящегоРезультирующая сила, действующая на пластинку,потока в канала, jпотока в канала, jQQMaRMaR(1 — 2S/ 刀(1 — 2S/ 刀где 刀—сжатогогде 刀—сжатого3L —(1 —• S^)(1 — 6加⑴3L —(1 —• S^)(1 — 6加⑴—(1 + 250)叮，—(1 + 250)叮，жениежение1 ——g。(при малом разрежении); qQ = pjp^ 卩口 ——давление воздуха в подводящем канале; т 公 2/7. Используя выра- для Q, напишем уравнение равновесия пластинки1 ——g。(при малом разрежении); qQ = pjp^ 卩口 ——давление воздуха в подводящем канале; т 公 2/7. Используя выра- для Q, напишем уравнение равновесия пластинки* 十(1 — 2&) (1 十5? (1 + 6mj) Н — (1 + 2&) г] = О, где * = 3GEp№ G — сила тяжести пластинки， '56* 十(1 — 2&) (1 十5? (1 + 6mj) Н — (1 + 2&) г] = О, где * = 3GEp№ G — сила тяжести пластинки， '56

а уравнение неразрывности W =步a/(Sg"&), где W — 〃/% Wa =—码/乂，g =加Ра,比=伪a/pj"2, S = RjR — безразмерные вели-чины; “，〃а 一 скорости потока в зазоре и на выходе из зазора; р,"а, Р， Ра — давления и плотности в потоке при тех же условиях;Rt, R —— промежуточное и максимальное значения радиуса торцазахвата (вписанной окружности);冗 —— показатель адиабаты (для воз-духа k = 1,4). Безразмерная скорость потока на входе в зазор WQ ==g)0S0/(260), где g = ujh; S° 二 〃R; 60 工 6/R; uK — скоростьs подводящем канале; r ——внутренний радиус подводящегоРезультирующая сила, действующая на пластинку,

а уравнение неразрывности W =步a/(Sg"&), где W — 〃/% Wa =—码/乂，g =加Ра,比=伪a/pj"2, S = RjR — безразмерные вели-чины; “，〃а 一 скорости потока в зазоре и на выходе из зазора; р,"а, Р， Ра — давления и плотности в потоке при тех же условиях;Rt, R —— промежуточное и максимальное значения радиуса торцазахвата (вписанной окружности);冗 —— показатель адиабаты (для воз-духа k = 1,4). Безразмерная скорость потока на входе в зазор WQ ==g)0S0/(260), где g = ujh; S° 二 〃R; 60 工 6/R; uK — скоростьs подводящем канале; r ——внутренний радиус подводящегоРезультирующая сила, действующая на пластинку,

потока в канала, j

потока в канала, j

Q

Q

MaR

MaR

(1 — 2S/ 刀

(1 — 2S/ 刀

где 刀—сжатого

где 刀—сжатого

3L —(1 —• S^)(1 — 6加⑴

3L —(1 —• S^)(1 — 6加⑴

—(1 + 250)叮，

—(1 + 250)叮，

жение

жение

1 ——g。(при малом разрежении); qQ = pjp^ 卩口 ——давление воздуха в подводящем канале; т 公 2/7. Используя выра- для Q, напишем уравнение равновесия пластинки

1 ——g。(при малом разрежении); qQ = pjp^ 卩口 ——давление воздуха в подводящем канале; т 公 2/7. Используя выра- для Q, напишем уравнение равновесия пластинки

* 十(1 — 2&) (1 十5? (1 + 6mj) Н — (1 + 2&) г] = О, где * = 3GEp№ G — сила тяжести пластинки， '

56

* 十(1 — 2&) (1 十5? (1 + 6mj) Н — (1 + 2&) г] = О, где * = 3GEp№ G — сила тяжести пластинки， '

56

Используя теорему Дирихле, покажем, что раЁйовесие/гластйнки будет устойчивым, если -^- >0. Производная -^- находится дифференцированием уравнения силы Q с учетом величин первого порядка малости относительно т]. Таким образом, равновесие пластинки на струйном захвате при адиабатическом движении воздуха будет при

_I/(4凡 一* + 2s 疗 一 24m(I 二况(厂+雨

：12加(1-2S。)I 十需)

Так как q0 < 1, то должно выполняться неравенство So >0,5. Если в числителе дроби выражения для ^0 имеем

4so _ $ + 2S§ > p 24加a(1 二 2$)-0不雨,

то % будет вещественным.

Последнее неравенство при m = 2/7 и малых а приближенно выполняется для So〉0,65/а. Следовательно, условие усгойвдвого равновесия пластинки имеет вид

0,65 Ka <So<0,5.

Не приводя детального решения, напишем аналогичное условие при изотермическом движении воздуха:

0,18(1 +2,7}/a) <S0< 0,5.

В приведенных неравенствах верхние границы для адиабатического (область I) и изотермического (область II) движения воздуха одинаковы, а нижние — разные, хотя, как следует из графика S。(а), они достаточно близки (рис. 2.32). На рисунке области изменения параметров So и а, соответствующие устойчивому равновесию из-

делия, заштрихованы.

С целью измерить силы, легко деформируемымиС целью измерить силы, легко деформируемымиКак показано в работе [12], необходимым условием перемещения пластины в плоскости захвата и ее базирования является смещение центра масс пластины относительно оси сопла. Даже при малом значеннм этого смещения пластина под действием сил вязкого трения Ft будет удаляться от оси захвата со скоростью, возрастающей во времени по закону гиперболического синуса. Поворот пластины будет происходить, если центр сопла не лежит на одной из главных ，осей инерции пластины или на оси ее симметрии. В этом случае сумма проекций сил трения на прямую, соединяющую центр масс пластины. и центр сопла, не равна нулю.

С целью измерить силы, легко деформируемыми

С целью измерить силы, легко деформируемыми

прикладываемые при манипулировании изделиями, в механический захват робота встраивают различные преобразователи с чувствительными элементами, обеспечивающими захватывание нежестких изделий с минимальным усилием.

ооРнс. 2.32. Области изменения параметров $° * а при адиабатическом и изотермическом движении воздуха в зазоре между деталью и торцом струйного захвата

о

о

Рис. 2.33. СхемыРис. 2.33. Схемыпре образов ателейпре образов ателеймагнитного, пьезоэлектрического и пневматическоговстраиваемых в захваты роботов

Рис. 2.33. Схемы

Рис. 2.33. Схемы

пре образов ателей

пре образов ателей

Преобразователь любого вида — электромагнитный (рис. 2.33, а), электрический (рис. 2.33, б), пневматический (рис. 2.33,砂—— имеет контактный щуп /, чувствительный элемент в виде электромагнита 2, пьезокристалла 4 или реле давления 6 и демпфирующую вставку типа резиновой втулки 3 или упругой диафрагмы 5. Сигналы, снимаемые с осязающих преобразователей, позволяют осуществлять адаптивное управление захватом робота в процессах манипулирования объектом.

Для точного позиционирования объекта захват руки адаптивного робота может быть снабжен системой искусственного зрения на светоизлучающих элементах и фотодиодах (рис. 2.34). Модулированный поток инфракрасного излучения передается по двум световодам 2 на захват 4. Отразившись от исследуемой поверхности 3, лучи возвращаются по параллельно расположенным световодам в детекторы 1. При интенсивности отраженного луча можно судить о местоположении объекта и о требуемом повороте захвата.

Захваты с вибрационными преобразователями движения. Применение рассмотренных ранее вибродвигателей для приводов захватных устройств роботов рассматриваемого класса представляет интерес не только вследствие простоты конструктивного исполнения, легкости управления и повышенной точности этих двигателей, но и возможности использовать их вибропреобразователи в качестве тактильных датчиков захватов, регистрирующих также усилие, действующее на объект манипулирования. При этом большое разнообразие конструктивного исполнения вибропреобразователей дает возможность создания как универсальных захватов, так и захватов специального назначения, которые могут выполнять некоторые техноло- 一 гические операции. Важной особенностью захватов с вибродвигате

лями является возможность управления усилием захватывания, а также наличие нескольких режимов ——дополнительное ориентирование объекта, возбуждение колебательного движения объекта манипулирования и т. д.

Рнс. 2.34. Захват адаптивного робота с датчиком на светоизлучающих диодах

Обычно захваты с виброприводом строят по классическим схемам (рис, 2.35). Применяются вибродвигатели с асимметричными циклами колебаний (рис. 2.35, aj, обеспечивающие высокую плавность движения, или вибродвигатели с двухкомпонентными колебаниями вибропреобразователей (рис. 2.35, 6) [А. с. 867647 (СССР)]. Фиксация положения изделия в отключенном состоянии обеспечивается силами трения, действующими в зоне контакта губок и внбро- преобразователя; управление максимальным усилием захватывания осуществляется наложением колебаний управляемой амплитуды на основные колебания вибропреобразователей. Находят также применение вибродвигатели с двумя активными элементами в зоне контакта (рис. 2.35, в). Здесь управление усилием захватывания обеспечивается изменением амплитуды либо радиальных, либо продольных колебаний соответствующих- вибропреобразователей.

При измерении сил, действующих на захватываемый предмет, используется тензочувствительность пьезоэлектрических резонаторов, т. е. зависимость их резонансной частоты от силы или деформаций, определяемых силовым воздействием. Тензочувствительность присуща всем типам пьезоэлектрических резонаторов и обусловлена зависимостью частотноопределяющих параметров вибропреобразователя от напряжений, создаваемых в теле пьезоэлемента. В режиме измерения пьезоэлектрический резонатор работает как преобразователь сила——частота и характеризуется коэффициентом силочувстви-

Рис. 2.35. Захваты высокой точности с виброприводом:Рис. 2.35. Захваты высокой точности с виброприводом:/ — корпус; 2 — губки; 3, 3' — пьезоэлектрические преобразователи; 4 — опоры-демп* феры; 6 — генератор электрических колебаний; 6 ——переключающее устройство; 7 — частотомер (ба н М 亠 амплитуды продольных и радиальных колебаний преобразователей. Составляющих приэиД захвата; Отах,。皿口〜предельные размеры поверхностей обхвата)/ — корпус; 2 — губки; 3, 3' — пьезоэлектрические преобразователи; 4 — опоры-демп* феры; 6 — генератор электрических колебаний; 6 ——переключающее устройство; 7 — частотомер (ба н М 亠 амплитуды продольных и радиальных колебаний преобразователей. Составляющих приэиД захвата; Отах,。皿口〜предельные размеры поверхностей обхвата)

Рис. 2.35. Захваты высокой точности с виброприводом:

Рис. 2.35. Захваты высокой точности с виброприводом:

/ — корпус; 2 — губки; 3, 3' — пьезоэлектрические преобразователи; 4 — опоры-демп* феры; 6 — генератор электрических колебаний; 6 ——переключающее устройство; 7 — частотомер (ба н М 亠 амплитуды продольных и радиальных колебаний преобразователей. Составляющих приэиД захвата; Отах,。皿口〜предельные размеры поверхностей обхвата)

/ — корпус; 2 — губки; 3, 3' — пьезоэлектрические преобразователи; 4 — опоры-демп* феры; 6 — генератор электрических колебаний; 6 ——переключающее устройство; 7 — частотомер (ба н М 亠 амплитуды продольных и радиальных колебаний преобразователей. Составляющих приэиД захвата; Отах,。皿口〜предельные размеры поверхностей обхвата)

тельности Кр = （1/入）5WF, где F ——сила, и коэффициентом преобразования силы в частоту S^ = dX/dF = KFX.

Для оценки силовой чувствительности вибропреобразователей захватов можно использовать коэффициент Ратайского, однозначно описывающий свойства тензопреобразователя независимо от его рабочей частоты, формы колебаний и размеров:

Y 一0尸?一无Kф，

где К© н （1/九）6九/би； и —— механические напряжения в преобразователе; Кф — коэффициент формы, учитывающий особенности конструкции преобразователя и схему его нагружения; ^ — частотная постоянная, N 工 Khln\ h — толщина, определяющая сечение, через которое передается усилие 尸；冷—иомер гармоники.

Пример использования вибропреобразователя захвата в качестве тактильного датчика приведен на рис. 2.35, 6. Преобразователь продольных и изгибных колебаний 3 имеет дополнительные трансформаторные электроды, служащие для определения сдвига частоты от приложенной продольной нагрузки, зависящей от усилия, развиваемого в зоне контакта губок 2 и объекта. Сдвиг частоты регистрируется частотомером 7.

Возможность управления формой и типом колебаний вибропреобразователей позволяет создавать конструкции захватов с независимым смещением губок. В захвате на рис. 2.36, а применен описанный в п. 2.2 данной главы вибропреобразователь, контактирующий с двумя губками захвата. Эпюры колебаний преобразователя при отработке координаты %工（процесс зажима изделия） показаны на рис. 2.36, а. В этом режиме губки движутся в противоположные стороны. Направление движения губок определяется порядком присоединения электродов преобразователя 3 к генератору электрических колебаний. В режиме совместного движения губок （отработка коор-

динаты х2) возбуждаются продольные и изгибные колебания более высоких порядков, т. е. переход от одного режима к другому осуще

ствляется изменением частоты питания генератора.

Другая схема захвата с независимым смещением губок приведена на рис. 2.36, 6. В режиме зажима (отработка координаты aj в кольцевом вибропреобразователе 3 возбуждаются изгибные колебания в виде стоячих волн с управляемым положением узлов колебаний. В режиме поиска (отработка координаты |3) в кольцевом вибропреобразователе возбуждаются изгибные колебания типа бегущих волн, при этом направление вращения картины деформации кольца определяет знак угловой скор ости губок 1.

Колебания высокой частоты можно успешно применять для построения специализированных захватов. На рис. 2.37, 〃 показано устройство захвата деталей типа шариков или роликов, основанное на использовании эффекта заклинивания [А. с. 650666 (СССР)]. Съем детали 3 с захвата осуществляется возбуждением в волноводе 7 продольных колебаний в виде стоячей волны. Как показывают эксперименты, для деталей типа шариков диаметром 5——10 мм амплитуда колебаний в зоне контакта &《=(1+3) мкм. В захватах, действие которых основано на применении электрических или магнитных сил (в частности, в захватах, содержащих электреты), возбуждение колебаний в момент съема особенно эффективно. Конструктивно такой захват (рис. 2.37, б) выполняется в виде волновода —— концентратора колебаний /, содержащего вибропреобразователь 2, и магнита 4 (для немагнитных деталей ——электрета). При захватывании детали колебания не возбуждаются (U (/) = 0). Деталь осво бождается путем задания наконечнику волновода 7 ускорений, амплитуда которых превышает отношение суммарных магнитных (или Электростатических) и гравитационных сил к массе детали.

枚枚"力"力Захваты с виброприводом характеризуются наличием режима движения, в котором возможно наложение колебаний с частотами в диапазоне, начинающемся с нуля. Такой режим применяется для некоторых сборочных и технологических операций (запрессовка осей, центрирование деталей типа втулок, финишная обработка отверстий), Он реализуется следующим образом： в преобразователях вибродвигателя с двумя активными элементами в зоне контакта возбуждаются колебания с близкими частотами ①i и со2 путем подачи на них напряжений U» (/)= =Uq* cos (со/ — ср】)и 力(0 =〃匂

枚

枚

"力

"力

=U()2 cos (gf —б), где ①纟〉©】；

侬2 — 3i《31, причем частоты ⑴工， (о2 лежат в диапазоне одного из максимумов характеристики 0K (/) (рис. 2.38, а), т. е. “V 3工/2冗 < <(о2/2л < %• Так как в зоне контакта обоих преобразователей

44Рис. 2.37. Захваты специального назначе- ННН? исп ользующие колебания высокой частоты；

4

4

происходит взаимодействие колебаний с разными частотами, приближенно можно принять, что возбуждение осуществляется эквивалентным напряжением типа биений иэ (/) = иОэ cos (со/ ——cpj, гдепроисходит взаимодействие колебаний с разными частотами, приближенно можно принять, что возбуждение осуществляется эквивалентным напряжением типа биений иэ (/) = иОэ cos (со/ ——cpj, где

происходит взаимодействие колебаний с разными частотами, приближенно можно принять, что возбуждение осуществляется эквивалентным напряжением типа биений иэ (/) = иОэ cos (со/ ——cpj, где

происходит взаимодействие колебаний с разными частотами, приближенно можно принять, что возбуждение осуществляется эквивалентным напряжением типа биений иэ (/) = иОэ cos (со/ ——cpj, где

U<J3 = /，I + и@2 + 2Uq\Uq2 cos I®2 — W1) t —- (§2 — 91)1； 仇 1°02 {sin [(网—°h)f —(Фз 一 Ф1)]— с —孑丄— £山(屮2 —屮 1)} +sin (co?—①1)' 一 .

①从—3亚十arcig ZTgT+^T^n^^，

+ COS (ф2 -%)} + 實2 cos ((02 一 5)f

Ф3 = 5 + arctg "丁 〃；弋£~2|?"• (Uor/Uoz) + cos (ф2 一 ф1)

скоростьскоростьТогда, учитывая зависимость знака скорости % подвижного звена в зоне контакта от фазы колебаний обоих преобразователей, эту можно выразить [3] следующим образом:

скорость

скорость

41Mxeos &7d f，если £/：<1/。。(/)V%山；

ИЛИИЛИО, еспн Ov% ⑴ <〃：，⑵8)

ИЛИ

ИЛИ

4 Q 5 max C°S ?№』/) (2.9) если Uy #= Uo2, U()3 = U；, т. e. возбуждаются гармонические колебания в частотном диапазоне, начинающемся от нуля (при(о2 ~ ①工, □к = uKmax)- В (2.8) и (2.9) U： — амплитуда питающего напряжения, определяющая начало границы зоны нечувствительности; % max находят из характеристики % (/) в сечении U = 2[/01.

Режим движения, определяемый выражениями (2.8) и (2.9), реализуется во всех вибр одви гател я х, допускающих изменение знака скорости. На рис. 2.38, б приведена амплитудно-частотная характеристика данного режима движения. Характеристика не имеет резонансных пиков5 а для реальной конструкции ввиду ограничения 62

хода 无к обеспечивается частотный диапазон от значения [(s? —(0i)/2n lmln. Однако на участке 0 < хк < хк max возможна реализация гармонических колебаний любой частоты.

Иногда целесообразным является использование колебательного движения элементов захвата с известными эффектами, применяемыми для построения захватных устройств роботов рассматриваемого класса. Так, рис. 2.39, а иллюстрирует принцип действия захвата, основанный на использовании адгезионных свойств электрореологи- ческих жидкостей. Работа захвата происходит в несколько этапов. На I этапе в волноводе J возбуждаются продольные резонансные колебания с небольшими амплитудами; при прикосновении наконечника захвата к детали фаза электрического сигнала, снимаемого со специального измерительного электрода, изменяется. Это служит сигналом к переходу ко II этапу, характеризуемому увеличением амплитуд колебаний на той же частоте, что приводит к подаче микродозы электрореологической жидкости 2 в наконечник. На III этапе в зону микродозы подается постоянное электрическое напряжение, приводящее к затвердеванию жидкости между захватом и деталью. На IV этапе — съем детали — постоянное напряжение выключается и возбуждаются колебания на более высокой частоте, приводящие к всасыванию микродозы жидкости обратно в полость, выполненную в волноводе 1. Продолжительность полного цикла работы (включая съем детали) — порядка сотых долей секунды [А. с 804426 (СССР)].

Используя автоколебательный режим работы, движение с наложенными колебаниями можно реализовать и в пневмозахватах. В этом случае (рис. 2.39, 6) в губках захвата выполняются полости, соединенные с системой сжатого воздуха. Можно выделить три ре” жима работы захвата, зависящие от давления рср в полостях (рис. 2.39, б): / — контактный режим; II —— режим воздушной по-

Рис, 2.39. Захваты узкого функционального иазначеиия:

/ ——волновод; 2 ——полость с электрореологической жидкостью; 3 — капилляр; 4 ——пьезоэлектрический преобразователь; 5 — объект; 6 — губки； 7 — полость с повышенным давлением; 8 — контактирующие наконечники из эластичного материала

Душки, когда между захватом и деталью образуется тонкая воздушная прослойка (этот режим может быть использован для ориентирования деталей) и III ——автоколебательный режим 1А. с. 804426 (СССР)].

Иногда в специализированных роботах применяют захваты, содержащие разного рода датчики или зонды. Так, в роботе для проверки печатных плат, созданном в Каунасском политехническом институте им. А, Снечкуса, используется электроконтактная головка —— игла, контролирующая параметры отдельных точек электронных плат и схем. Для разрушения оксидной пленки в игле возбуждаются высокочастотные резонансные колебания, амплитуда которых в зоне контакта иглы и контролируемой точки не превышает 0,5 мкм. Зонды такого типа применяют и в биологических исследованиях.

Системы точного позиционирования

Основной задачей управления приводом систем точного позиционирования является точный останов рабочего органа (вращающегося вала или каретки) в заданном положении. Например, в роботизированном обрабатывающем центре (рис. 2.40) при смене инструмента 6 возникает необходимость ориентированного останова шпинделя станка в определенном угловом положении. Устройство управления непрерывным серводвигателем привода шпинделя 5 включает блок ЧПУ /, который выдает команду останова в блок последовательного управления питанием 2, откуда сигнал подается в сервоустройство 3 шпиндельного двигателя 4. На вход сервоустройства 3 через усилитель 8 поступает также информация от магнитного датчика 7 обратной связи об угловом положении шпинделя 5. Торможение и останов шпинделя осуществляются бесконтактно электрическим методом.

Система управления шаговым приводом (рис. 2.41) с замкнутым контуром (с обратной связью) включает шаговый двигатель с регулятором ШДР и регулятор скорости PC. Импульсы, задающие угол ИЗУ, поступают в декодирующее устройство 3, а запускающий импульс ЗИ и задержанные импульсы ЗДИ —— на вход логического устройства управления /, откуда команды подаются на шаговый

ИЗУИЗУ山厶Р山厶Р6565

ИЗУ

ИЗУ

山厶Р

山厶Р

65

65

卩 нс. 2.41. Схема управления шаговым электродвигателем с обратной связью

двигатель 2. С выхода блока 3 импульсы обратной связи ИОС попадают в устройство сравнения скоростей 4 и через селектор задержки 5 — в устройство задержки 6, формирующее

ЗДИ. Одновременно на вход устройства сравнения скоростей поступает задающая последовательность импульсов ЗПИ. Таким образом, в этой системе декодирующее устройство генерирует импульсы определенной частоты, которые с помощью фазового детектора сравнива юте я е последовательностью импульсов заданной частоты. Выходнойсигнал устройства сравнения задерживается на время, необходимое, чтобы скорректировать скорость шагового двигателя до значения, при котором разность упомянутых частот будет минимальной. Такая система с обратной связью может обеспечить точность позиционирования, практически равную точности декодирующего устройства. Для целей точного позиционирования применяют также рассмотренные выше приводы с пьезокерамическими преобразователями высокочастотных механических колебаний в непрерывное движение рабочего органа ■ [3, 20 ]. Например, на операциях фотолитографии суммарная погрешность совмещения элементов в рабочей зоне не должна превышать 0,1——0,2 мкм. При этом в зоне перемещений 150Х150 мм система позиционирования должна обладать высокой чувствительностью, обеспечивать возможность независимого управления по координатным осям х, у и углу поворота 屮，иметь высокую стабильность и достаточное быстродействие. Высокоточные координатные системы с вибродвигателями для перемещения объекта в горизонтальной плоскости описаны в работе [12 ], в которой приведены их основные характеристики.

Кроме того, вибродвигатели могут найти применение в приводах роботов. Например, миниманипулятор робота с четырьмя степенями подвижности (без захвата) содержит один электродвигатель И для вертикального перемещения руки 2 по оси z, два вибродвигателя /, 7 для горизонтального перемещения ее по осям х, у и один во6~ родвигатель 9 для вращения руки вокруг вертикальной оси (рис. 2.42). Рука 2, каретки 5, 8 м турель 4 перемещаются в направляющих качения 6. Измерение линейных и угловых перемещений осуществляется измерителем, включающим оптические растровые линейки 3, 10 и фотоэлектрический преобразователь.

В систему управления миниманипулятором (рис. 2.43) с вибродвигателями 10 входят: измерительный преобразователь /, блок интерполирования БИ, линейный блок управления ЛБУ по координатам х, у, генератор ВЧ напряжения 8 и блок автоматической подстройки частоты 9. При подаче ВЧ напряжения с генератора 8 на вибродвигатель 10 последний возбуждается на резонансной частоте и перемещает каретку 11 манипулятора по программе, записанной

3 Р. IC . Бансявнчюс и др.

о

б

7

5

Е5

Рнс. 2,42.

Конструкция

минима*-

yr-

ШЕ1，ЬЛИ

нипулятора с линейными и ловыми вибродвигателями

12

，.匕？方声

幅

电

в программном устройстве 5 ЛБУ. Модулированный световой поток, проходящий через растры подвижной и неподвижной линеек измерительного преобразователя /, преобразуется в синусоидальный сигнал, период которого соответствует перемещению каретки манипулятора на один шаг. Фазовый делитель 2 и формирователь импульсов 3 БИ преобразуют синусоидальные сигналы в прямоугольные импульсы, которые поступают в блок счета импульсов 4, а затем в блок схемы сравнения 6 ЛБУ. Перемещение кареток осуществляется до тех пор, пока имеется рассогласование между действительным и записанным в программном устройстве 5 перемещением манипулятора. При рассогласовании, равном нулю, через согласующий усилитель 7 подается команда на отключение генератора 8. Под действием дестабилизирующих факторов резонансная частота вибродвигателя может изменяться, в результате чего изменится шаг и, следовательно, скорость перемещения манипулятора. Для стабилизации шага с электродов вибродвигателя снимается электрический сигнал, пропорциональный амплитуде механических колебаний (прямой пьезоэффект), который подается на вход генератора 8 через блок подстройки частоты Р. Шаговое перемещение каретки осуществляется за счет возбуждения в пьезокерамической пластине пакетов импульсов ВЧ колебаний. Шаг перемещения может быть рассчитан по формуле

где Он —— начальное ускорение; g — ускорение свободного падения; 厶——эффективный коэффициент трения при затухании; т ——про* должительность импульса питания.

При изменении фазы колебаний пьезоэлемента на я рад вибро* Двигатель реверсируется.

ЖЖggюю6И6И「J -」Г P F f F imiHIlr「J -」Г P F f F imiHIlrШаг и погрешность перемещения каретки 4 с вибродвигателем 6 с высокой степенью точности могут быть измерены с помощью ла* верного интерферометра (рис» 2,44), включающего когерентный ис* точник / с длиной волны 入—0,64 мкм. Луч света от источника / Попадает на светоделитель 2, где расщепляется на два луча. Один Луч (так называемый информационный) направляется на подвижный светоотражатель 3, связанный с кареткой 4, а второй луч (опорный)— на неподвижный светоотражатель 7. При перемещении каретки изменяется оптическая разность хода лучей, отраженных от подвижного и неподвижного светоотраже- телей, в результате чего в поле фотоприемника 9 образуются интерференционные полосы, которые

Ж

Ж

g

g

ю

ю

6И

6И

「J -」Г P F f F imiHIlr

「J -」Г P F f F imiHIlr

Рнс. 2.43, Схема управления устройством

Точного позиционирования 计口 ВИбрОД₽ИГат телях

Рис. 2.44. Схема лазерного интерферометра для измерения минимального шага и погрешности перемещения координатной системы с приводом иа пьезодвига- телях

преобразуются последним в электрические сигналы. Эти сиг-

налы поступают вналы поступают всистему

налы поступают в

налы поступают в

тываются. Расстояниетываются. Расстояниеуправления 8, где они обраба-

тываются. Расстояние

тываются. Расстояние

между интерференционными полосами

составляетсоставляетW. В результате наW. В результате натаблотаблосистемы управления вы-системы управления вы-свечивается результат переме-

составляет

составляет

W. В результате на

W. В результате на

табло

табло

системы управления вы-

системы управления вы-

щения каретки 4. Для определения минимального шага smln каретки на вибродвигатель 5 с ВЧщения каретки 4. Для определения минимального шага smln каретки на вибродвигатель 5 с ВЧ、ша, -广 _ - — 一 ~ -一 s 丄 v jz、，/，, iv，a.a J 1 JU，U С/ V- 丄丿 丄 генератора 6 подаются единичные шагозадающие импульсы различной длительности /и. Предельная длительность шаговых импульсов, при которой возбуждается пьезокерамическая пластина двигателя и наблюдается движение каретки /и> п = 4,8 ■ 10~4 с, а стабильное перемещение каретки при /口由 smin — 0,08 мкм.

щения каретки 4. Для опреде

ления минимального шага smln каретки на вибродвигатель 5 с ВЧ

щения каретки 4. Для опреде

ления минимального шага smln каретки на вибродвигатель 5 с ВЧ

Указанное значение smin определяет чувствительность данной системы перемещения на вибродвигателях. Для определения погрешности перемещения каретки в систему у пр авления вводится необходимый диапазон ее движения. С генератора 6 на обкладки вибродвигателя 5 подаются шаговые импульсы с длительностью, равной /и. п, и частотой следования 1 кГцт а перемещение каретки регистрируется лазерным интерферометром измерительной системы. По результату сравнения импульсов программного устройства 8 системы управления и измерительной системы вибродвигатель отключается, и каретка фиксируется* Погрешность перемещения каретки- высвечивается на табло системы управления. Погрешность перемещения В диапазоне движения каретки от нуля до 0,1 м составляет ±0,16 мкм при скорости движения порядка 2-10'3 м/с. Взаимное влияние координат при перемещении не превышает 10 %.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими отклонение шага S каретки от его номинального значения, являются изменение коэффициента трения на длине контакта пластины вибродвигателя с кареткой и изменение амплитуды колебаний пластины в результате изменения длительности импульса питания и резонансной частоты этого двигателя.

Глава3Глава3ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Глава

3

Глава

3

ПРЕЦИЗИОННЫХ РОБОТОВ

И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Информационная система промышленного робота предназначена для получения и обработки информации о состоянии как самого робота, так и внешней среды. Состояние робота характеризуется такими параметрами, как положение и скорость звеньев манипулятора, усилия, возникающие в его звеньях. Состояние внешней среды характеризуется следующими параметрами: формой, положением и ориентацией в пространстве объектов манипулирования робота, специфическими свойствами внешней среды и параметрами возмущений, влияющими на выполнение роботом технологической операции.

Для определения указанных параметров в состав информационной системы промышленного робота входят комплексы датчиков внутренней и внешней информации. Датчики внутренней информации служат для выявления величин^ характеризующих внутреннее состояние робота, т. е. для определения нолоЖбнзи兄 и скорости движения звеньев манипулятора, а также усилий в его звеньях. С помо^ щью этих датчиков осуществляются обратнее связи й реализуются корректирующие воздействия в системе управления роботом с целью обеспечить требуемое качество й точность его действий, Датчики внешней информации предназначены для выявления параметров； характеризующих состояние внешней среды робота, для контроля за состоянием объекта манипулирования промышленного робота. На рис. 3.1 приведена схема размещения системы датчиков сборочного робота. Для обеспечения выполнения сборочных операций робот содержит комплекс датчиков внешней и внутренней информации: так* тильный датчик зоны касания /; ультразвуковой дальномер 2; датчики положения, скорости и ускорения 3; резервный датчик безопасности 4; ультразвуковой датчик безопасности 5, срабатывающий, если какой-либо посторонний предмет попадает в заранее заданную зону вокруг манипулятора; телевизионный датчик 6 для анализа условий сборки; силовые датчики 7 с несколькими степенями под* вижности; датчик захватного усилия 8; датчик 9 с контактной пру， жиной для определения касания захвата. Указанная схема не исчер* пывает всех возможных вариантов размещения датчиков внешней и внутренней информации робота.

К промышленным роботам для миниатюрных изделий предъявляв ЮТсн повышенные требования по точности позиционирования мани-

Рнс. 3,1. Схема размещения датчиков инфор-мации иа сборочном манипуляторе

пулятора и захвата. Качество и точность отработки роботом задаваемых программой действий существенно зависят от датчиков положения и скорости движения звеньев манипулятора, поэтому к датчикам внутренней информации рассматриваемых роботов предъявляются высокие точностные требования. Очувствление робота датчиками внешней информа

ции, в частности тактильными, локационными и визуальными, позволяет решать задачу повышения точности позиционирования манипулятора на основе использования адаптивного принципа построения системы управления робота.

Датчики внутренней информации

Датчики внутренней информации представляют собой в основном преобразователи механических параметров в электрические сигналы.

По виду выходного сигнала датчики внутренней информации делят на аналоговые и дискретные. В аналоговых датчиках выходной сигнал представляется в виде непрерывно изменяющихся значений напряжения или тока (потенциометры) или в виде непрерывно изменяющейся фазы напряжений переменного тока (вращающиеся трансформаторы, редуктосины, индуктосины, растровые интерполяторы и др.). В дискретных датчиках выходной сигнал представляется В цифровом коде (цифровые датчики) или в виде релейного сигнала. Выходной сигнал релейного вида получают от датчиков положения типа путевой выключатель в момент, когда звено достигает предвари* тельно установленных точек позиционирования. Путевыми выклю* чателями являются микровыключатели, бесконтактные переключатели, герконы (магнитоуправляемые контакты).

По виду измеряемого механического перемещения датчики делят на линейные и вращательные.

По методу измерения входной величины различают датчики с абсолютным и относительным отсчетами. Выходной сигнал датчика перемещения с абсолютным отсчетом однозначно определяется значением входного перемещения. Такая однозначность отсутствует у датчиков с относительным отсчетом. Выходной сигнал этих датчиков представляется в виде последовательности периодических сигналов или импульсов.

Датчики положения и скорости звеньев манипулятора используется в качестве датчиков обратной связи в сервомеханизмах, осуществляющих отработку роботом задаваемых программой действий. Характеристики датчиков обратной связи (точность, линейность их характеристик? дцндмя^ские показатели) существенно рлияют 70

甘白 Качество й точность работы сервомеханизмов. Кроме того, йрй выборе датчиков обратной связи необходимо учитывать также ряд требований, предъявляемых к датчикам промышленных роботов [27 ]: высокая надежность и помехоустойчивость, включая возможность эксплуатации в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжений и частоты;

малые габариты и простота конструкции, приспособленность для размещения на захватах и других частях манипуляторов с жесткими ограничениями на площадь и объем пространства размещения;

устойчивость к изменениям параметров окружающей среды (вибраций, температуры, влажности);

развязка (независимость) входных и выходных цепей;

простота юстировки и обслуживания в условиях ограниченной площади обслуживания;

малая стоимость;

возможность абсолютного отсчета перемещений.

При выборе типа датчика следует учитывать вопросы обеспечения питания датчика первичной обработки сигнала, связи с управляющим устройством, а также связи с подвижным звеном, перемещение которого измеряется.

Таким образом, выбор датчика обратной связи является одной из важных и сложных задач при проектировании робота.

Основные варианты конструктивных схем связи датчика со звеном манипулятора приведены на рис. 3.2. На практике обычно отдается предпочтение вращательным датчикам перемещений, так как они более технологичны, отличаются относительной легкостью подсоединения к измеряемому звену и обеспечивают хорошую разрешающую способность. Датчики перемещения либо непосредственно подсоединяются к подвижному элементу, либо соединяются с ним посредством механической передачи того или иного типа [8 ]. На рис. 3.2, о приведен вариант связи поступательно перемещающегося звена 丿 с вращательным датчиком 3 с помощью зубчатого колеса 4

Рис. 3.2. Основные варианты схем связи датчика с подвижным звеном манипулятора:Рис. 3.2. Основные варианты схем связи датчика с подвижным звеном манипулятора:1 — подвижное звено; 2 — подшипник качения или скольжения； 3 — датчики ннформа- инн; 4 ——зубчатое колесо; 5 ——зубчатая рейка; 6 ——ходовой винт; 7 ——ведущая гайка| 8 — шкив; 9 — гибкий троснк; /0 — устройство натяга тросика; 丿丿 一 соединительная муфта1 — подвижное звено; 2 — подшипник качения или скольжения； 3 — датчики ннформа- инн; 4 ——зубчатое колесо; 5 ——зубчатая рейка; 6 ——ходовой винт; 7 ——ведущая гайка| 8 — шкив; 9 — гибкий троснк; /0 — устройство натяга тросика; 丿丿 一 соединительная муфта

Рис. 3.2. Основные варианты схем связи датчика с подвижным звеном манипулятора:

Рис. 3.2. Основные варианты схем связи датчика с подвижным звеном манипулятора:

1 — подвижное звено; 2 — подшипник качения или скольжения； 3 — датчики ннформа- инн; 4 ——зубчатое колесо; 5 ——зубчатая рейка; 6 ——ходовой винт; 7 ——ведущая гайка| 8 — шкив; 9 — гибкий троснк; /0 — устройство натяга тросика; 丿丿 一 соединительная муфта

1 — подвижное звено; 2 — подшипник качения или скольжения； 3 — датчики ннформа- инн; 4 ——зубчатое колесо; 5 ——зубчатая рейка; 6 ——ходовой винт; 7 ——ведущая гайка| 8 — шкив; 9 — гибкий троснк; /0 — устройство натяга тросика; 丿丿 一 соединительная муфта

и зубчатой рейки 5. Точность измерения перемещения х определяется в первую очередь погрешностью зубчатого зацепления и качеством механической сборки. В схеме на рис. 32 6 вращение ходового винта 6 вызывает линейное перемещение х гайки 7. к которой крепится подвижное звено /. С ходовым винтом связан вал вращательного датчика 3, измеряющего угол поворота ходового винта 6, а следовательно, и перемещение 尤 звена /. Точность измерения этой схемы зависит от механического преобразователя вращательного движения в линейное, что определяется точностью ходового винта, гайки, опорных подшипников 2 и качеством сборки механической передачи. Более точную передачу движения на вращательный датчик 3 можно обеспечить (рис. 3.2, в) с помощью гибкого тросика Р, шкивов 8 и устройства натяга 10. Следует отметить, что при измерении линейного перемещения подвижного звена предпочтительным с точки зрения результирующей точности является вариант непосредственного подсоединения к подвижному звену линейного датчика перемещения (рис. 3.2, е), так как механическая передача между подвижным звеном / и датчиком 3 лишь увеличивает погрешность измерения перемещения.

Аналогично при измерении углового перемещения 屮 подвижного звена / предпочтителен вариант подсоединения к нему вращательного датчика 3 либо непосредственно, либо с помощью соединительной муфты 11 (рис. 32 0)・ Если конструкция манипулятора не позволяет осуществить такой вариант, то ось подвижного звена / можно связать с входным валом вращательного датчика 3 механической передачей, в частности, в виде шкивов 8 и гибкого тросика 9 (рис. 3.2, е).

Из широкого спектра разновидностей датчиков вращательного и линейного перемещений наибольшее применение нашли следующие: аналоговые датчики с абсолютным отсчетом (потенциометры, вращающиеся трансформаторы, индуктосины) [2, 331;

цифровые датчики с абсолютным отсчетом (циклические преобразователи типа перемещение——фаза——код и преобр азователи считывания с кодовой шкалы) [37 ];

цифровые накапливающие датчики с относительным отсчетом [8,37]. Потенциометры применяют в простых устройствах управления позиционного типа. Потенциометр является электромеханическим преобразователем, выходное напряжение которого является, как правило, линейной функцией угла поворота его вала, или точнее, функцией положения х подвижного контакта (движка) относительно резистивного элемента (рис. 3.3). К крайним выводам резистивного элемента (точки / и 2) приложено напряжение питания Ur,x. Выходное напряжение [/вых снимается с участка между подвижным контактом 5 и одним из крайних выводов (точка 2 или /). При ненагру- женном потенциометре напряжение t/BbIX определяют по формуле

АП

где 尺口 ——полное сопротивление потенциометра между точками I и 2;

Rx 一 сопротивление участка потенциометра между точками 2 и 3;

72

материала резистивногоматериала резистивного

материала резистивного

материала резистивного

Рис. 3.3. Схема включения потенциометра

I Так как зависит от положения х I подвижного контакта 3, то и f/Bbix являет- I ся функцией положения % подвижного £ контакта.

I Потенциометры характеризуются про- £ стотой конструкции, малыми габаритными

размерами, дешевизной. В зависимости от элемента потенциометры делят на проволочные, пленочные, плас-

I

тиковые и др.

Проволочный потенциометр представляет собой намотку проволоки из специальных резистивных сплавов на изолированном кар- F касе. По намотке перемещается подвижный токосъемный контакт. I В промышленных роботах применяют однооборотные и многооборот- j ные проволочные потенциометры с погрешностью 〜0,05 %. Однако проволочные потенциометры имеют ряд недостатков, обусловлен- ,ных применением намотанного из проволоки резистивного элемента:

ограниченная разрешающая способность вследствие ступенчатого характера выходного напряжения при перемещении подвижного контакта с витка на виток;

сравнительно малая износоустойчивость до (1 ч-Ю) ■ 106 поворотов оси;

ограниченная частота вращения ——до 100——200 об/мин из-за вибраций движка при переходе с витка на виток.

Пленочные потенциометры имеют преимущества перед проволочными. Они обеспечивают высокую разрешающую способность и большой срок службы (до 30 • 106 поворотов оси), допускают эксплуатацию при высокой температуре окружающей среды (до +60 ℃). Такие потенциометры можно использовать в различных по структуре устройствах управления робота.

Однако следует учитывать, что контактный съем напряжения в потенциометрах приводит к повышенному моменту трения на валу потенциометра, износу контакта, относительно высокой чувствительности к помехам (вибрациям, загрязнению). Указанные недостатки ограничивают применение потенциометров.

Перспективными для применения в промышленных роботах являются вращающиеся трансформаторы (ВТ). Они обладают малыми размерами, хорошей разрешающей способностью, высокой помехозащищенностью. ВТ представляет собой индукционную электрическую • машину неявнополюсного типа, у которой выходное напряжение является функцией угла поворота ротора. На статоре и роторе ВТ, собранных из листов электротехнической стали или пермаллоя, имеются равномерно распределенные пазы, в которых размещают по две одинаковые взаимно перпендикулярные обмотки. На статоре располагают обмотку возбуждения и квадратурную обмотку, на роторе — синусную и косинусную обмотки.

Рис. 3.4. Фазовращатель на основе синусно-косинусного вращающегося трансформатора: а — с вращающимся полем; 6 — с фазосдвигающей /?С-цепочкой в роторной обмотке; Г — генератор； ФР — фазорасщепитель

Для работы в качестве датчика положения ВТ обычно включают в режиме фазовращателя. При построении фазовращателя на основе ВТ реализуются два основных принципа:

создание потока возбуждения в виде вращающегося кругового магнитного поля; ~

суммирование выходных напряжений ВТ с помощью фазосдвигающих RC-цепочек.

Для получения вращающегося магнитного поля на статорные обмотки ВТ подают синусоидальные напряжения (рис. 3.4, о) с одинаковой амплитудой Ucm и сдвигом по фазе п/2 рад：

Uci = Ucm sin ①才；

Uc2 = Ucm sin (①/ + 冗/2). (3.1) Напряжение роторной обмотки (/ВЬ1Х связано с напряжениями UC1 и Uc2 зависимостью

Ubmx=归(UciCosa +UczSina), (3.2) где k —— коэффициент трансформации, равный отношению числа эффективных витков роторной обмотки к числу эффективных витков статорной обмотки.

Учитывая выражения и Uc2, получаем

вых 'Ucm sin (血 + а). (3.3)

Из уравнения (3.3) следует, что при изменении угла поворота ротора а соответственно изменяется фаза выходного напряжения Ubux， Следует отметить, что уравнение (3.3) точно выполняется только при равенстве амплитуд квадратурных напряжений питания и строгом соблюдении для них сдвига по фазе на л/2 рад. Для получения фазовой погрешности выходного сигнала не более 0,05—0,1 % необходимо, чтобы отклонение ортогональности напряжений питания не превышало единиц минут по фазе, а неравенство их амплитуд не было более десятых долей процента.

На рис. 3.4, б приведена схема однофазного фазовращателя на ВТ. Достоинством данной схемы является ее питание от однофазной сети переменного тока. На одну из статорных обмоток подается напряжение питания Ц； = 〃cm sin ①九 Параметры фазосдзигающей 74

RC-цепочкй выбирают 1■占 к, Нтобы выполнилось условие А — —(1/(оС)》г, где г——активное сопротивление роторной обмотки. При выполнении этого условия, а также соотношения 欠状 > 2R выходное напряжение фазовращателя

Ubbix = kUcm sin (sf — а + фо),

Где 十0 — некоторый постоянный фазовый сдвиг, определяемый пара-

питания статора / =(о/2л выбирают в дипитания статора / =(о/2л выбирают в диметрами ВТ.

питания статора / =(о/2л выбирают в ди

питания статора / =(о/2л выбирают в ди

Существующие ВТ с одной парой полюсов в режиме фазовраща- не более 土 (15+25)'. В несколько раз ббль-Существующие ВТ с одной парой полюсов в режиме фазовраща- не более 土 (15+25)'. В несколько раз ббль-Частоту напряжения апазоне 400—4000 Гц.

Существующие ВТ с одной парой полюсов в режиме фазовраща- не более 土 (15+25)'. В несколько раз ббль-

Существующие ВТ с одной парой полюсов в режиме фазовраща- не более 土 (15+25)'. В несколько раз ббль-

теля имеют погрешность —、

шую точность обеспечивают многополюсные синусно-косинусные ВТ, что позволяет создать точные датчики угла поворота, совмещая в одном корпусе траьгсформаторы с одной и несколькими парами полюсов. Например, синусно-косинусный трансформатор двухотсчетный типа СКТД-6465Д имеет погрешность 土i[ а многополюсный фазовращающийся трансформатор БКСТ-12865 с четырьмя парами полюсов дает погрешность не более 士30" [2, 36 ].

Число ^, считанное со счет-Число ^, считанное со счет-На базе ВТ можно построить цифровые датчики угла поворота вала в виде циклических преобразователей угол——фаза——временный интервал——код. На рис. 3.5 представлена схема такого преобразователя. Генератор счетных импульсов ГИ выдает импульсы на n-разрядный двоичный счетчик СТ2, Выходные сигналы с триггеров двух старших разрядов счетчика подаются на фазорасщепительный блок ФР Б, с выхода которого снимаются два синусоидальных квадратурных напряжения для питания статора фазовращателя ФВ на базе ВТ. Напряжение с выхода фазовращателя, несущее информацию в виде фазового сдвига а, поступает на нуль-орган ЯО, стробирующий импульс с которого подается на вентили И1, И2, ..,, Ип. Эти вентили управляются потенциалами, снимаемыми с единичных выходов триггеров счетчика. Управляющие потенциалы представляют собой как бы кодовую маску двоичного кода, развернутого во времени. Стробирующий импульс с выхода НО считывает с вентилей И1、"2, 4几,управляемых счетчиком, двоичное число ^^

Число ^, считанное со счет-

Число ^, считанное со счет-

пропорциональное входному углу а. чика, связано с входным углом фа-

(3-4)(3-4)зовр ащателя соотношением = (a/2冗)(%/%),

(3-4)

(3-4)

где /г — частота импульсов генератора ГИ; /п — частота питания фазовращателя.

Так как % — 2%, получаем

N (а/2л) 2П.(3.5)

Рис, 3.5. Циклический преобразователь угол — фаза — временной интервал —• код

Рис. 3.6. Обмотки линейного индуктосина*а - нзмернтельная шкала с однофазной об=й： 6 - СканируюЩая головка с двумя об-Рис. 3.6. Обмотки линейного индуктосина*а - нзмернтельная шкала с однофазной об=й： 6 - СканируюЩая головка с двумя об-ОО

Рис. 3.6. Обмотки линейного индуктосина*

а - нзмернтельная шкала с однофазной об=й： 6 - СканируюЩая головка с двумя об-

Рис. 3.6. Обмотки линейного индуктосина*

а - нзмернтельная шкала с однофазной об=й： 6 - СканируюЩая головка с двумя об-

О

О

Чтобы избежать неопределенности считывания на числовой границе вследствие неодновременности переброса триггеров счетчика, вводят цепь синхронизации (на схеме не показана) от генератора ГИ на схему нуль-органа НО, которая смещает фазовый ипмульс от числовой границы.

Рассматриваемый преобразователь угол—фаза——временной интервал—код может выдавать информацию без временного запаздывания, что является его несомненным достоинством. При использовании двухотсчетного ВТ схема преобразования содержит два цифровых отсчета — точный и грубый, построенных по одному принципу, с соответствующим их согласованием. В частности, преобразователь вал—код на базе двухотсчетного синусо-косинусного трансформатора СКТД-6465Д имеет погрешность цифрового измерения угла равную 嶋、

Значительно более высокую разрешающую способность и точность обеспечивают индуктосины. По принципу действия индуктосины подобны ВТ, развернутым в плоскости. Обмотки статора и ротора индуктосина наносят в виде плоских проводящих цепей в форме меандров на пластины или диски из изоляционного материала (рис. 3.6, 3.7).

Для измерения линейных перемещений применяют линейные нн- ауктосмны. Они состоят из длинной измерительной шкалы с плоской проводящей обмоткой в форме меандра (рис. 3.6, а) и короткой сканирующей головки, содержащей две одинаковые и меньшие по размерам обмотки (рис. 3.6, 6)* Шаг w укладки проводников поддерживается постоянным как для обмотки шкалы, так и для обмоток сканирующей головки. Обычно шаг составляет около 2 мм. В сканирующей головке две обмотки взаимно смещены на 1/4 шага. В рабочем положении измерительную шкалу и сканирующую головку располагают параллельно с небольшим воздушным зазором между ними. Обмотки сканирующей головки являются первичными, а обмотки измерительной шкалы выполняет роль вторичной обмотки. Обмотки сканирующей головки питаются двумя синусоидальными напряжениями & и U2 (обычно частоты 400 Гц), сдвинутыми между собой по фазе на л/2 рад. ~

В режиме фазовращателя в обмотке измерительной шкалы индуктосина индуцируется синусоидальное напряжение UiWi фаза ко- 76

торого е связана

со смещением s сканирующей головки в пределах

шага w следующим

соотношением:

8 — (2л/侬)S.

(3-6)

Используя описанные выше методы, можно измерить фазовый сдвиг & напряжения Unblx индуктосина и получить двоичный код, пропорциональный смещению s сканирующей головки индуктосина. Линейные индуктосины имеют измерительную шкалу длиной 〜250 мм и погрешность 1—2 мкм. Возможны и более длинные шкалы. ; Для измерения угловых перемещений используют поворотные ,индуктосины (рис. 3.7). Основыми деталями поворотного индуктосина ；являются два диска (ротор и статор) из изоляционного материала ；(керамика, стекло п т. п.). Ротор соединяется с валом, угловое по- ；ложение которого подлежит измерению, а статор неподвижен :(рис. 3.7, а). На торцовых поверхностях, обращенных друг к другу, :диски несут плоские печатные обмотки (рис. 3.7, ,6, в).

! Поворотный и линейный индуктосины различаются по конструк- j ции, однако по принципу измерения перемещения и преобразования г непрерывного сигнала в цифровую форму они аналогичны ВТ. 卜 Одному обороту ротора ВТ в поворотном индуктосине соответствует г поворот ротора на угол 2л/р, где р —— число пар полюсов. Обычно использовании двоичного кода р 二 64,128 и 256, иногда берут 90, 180 и 360. Максимальное значение р = 1000 [33].

поворотного индуктосина,

при

?р =

Фаза ф выходного напряжения

；ющего р пар полюсов, связаны с г ношением

углом поворота а ротора

име-

соот-

屮=ра.

вала разрешающая

(3.7) способность

I При измерении угла поворота . _

F поворотных индуктосинов составляет 2—5", что обусловлено возмож- j ностью выполнения индуктосина с большим коэффициентом электрп- ； ческой редукции, а также интегральным эффектом —— статистическим 1 усреднением погрешностей изготовления отдельных проводников ■ обмоток.

При использовании индуктосинов в качестве высокоточных преобразователей линейных и угловых перемещений следует иметь в виду, нто для получения абсолютного значения измеряемого пере- ? мещения необходимо либо обеспечить подает числа шагов w с по-

Рис. 3.7. Поворотный индуктосин:

а - конструкция; б однофазная обмотка; в - секторная двухфазная обмотка

Рис. 3.8. Растровые преобразующие звенья:Рис. 3.8. Растровые преобразующие звенья:

Рис. 3.8. Растровые преобразующие звенья:

Рис. 3.8. Растровые преобразующие звенья:

/ — источии к света; 2 — конденсор; 3 — индикаторный растр; 4 — измерительный параллельный пропускающий растр; 5 — измерительный радиальный пропускающий растр; 6 — измерительный отражающий растр

мощью электронного реверсивного счетчика, либо механически соединить с индуктосином цифровой датчик грубого отсчета, имеющий квант младшего разряда, равный w, и согласовать этот грубый отсчет с точным отсчетом индуктосина. Недостатком преобразователей перемещение —— код на базе индуктосинов является относительная сложность электронного блока обработки сигналов, а также определенное снижение точности измерения при увеличении скорости движения измеряемого элемента.

Высокой разрешающей способностью характеризуются фотоэлектрические растровые преобразователи линейных и угловых пере* мещений в цифровой код [8, 371. В состав фотоэлектрического растрового преобразователя входит растровое преобразующее звено, основными элементами которого являются блок осветителя, создающий пар аллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного измерительного и неподвижного индикаторного растров и блок фотоприемников (рис. 3.8).

Растр представляет собой совокупность подобных элементов, образующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой энергии как единое целое. В зависимости от характера воздействия на лучистый поток различают растры, пропускающие и отражающие. Пропускающие растры представляют собой систему прозрачных и непрозрачных элементов. Отражающие растры выполняются в виде решеток с элементами, зеркально отражающими свет. Геометрическая структура элементов, образующих растр, 78

может быть различной. В зависимости от геометрии элементов различают растры параллельные, сеточные, радиальные, кольцевые, ，спиральные и др. Для измерения линейных перемещений обычн© используют сопряжения двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых перемещений —— сопряжения плоских радиальных растров.

Параллельный растр (рис. 3.8, а) представляет собой совокупность параллельных непрозрачных штрихов, нанесенных на поверхность прозрачного материала с шагом w. Отношение t ^ a「w ширины прозрачного штриха。к шагу w характеризует пропускающую способность растра и называется пропусканием растра. Шаг w и пропускание t растра являются основными оптическими характеристиками измерительных растров.

В радиальном центральном растре (рис. 3.8, б) непрозрачные элементы расходятся в виде лучей из одного центра с постоянным :угловым шагом. Радиальный растр может быть и нецентральным.

Растровое сопряжение получают при наложении двух растровых решеток с малым постоянным зазором между ними. При таком наложении темные штрихи одного растра, накладываясь на прозрачные штрихи другого, уменьшают площадь прозрачных участков сопря- ；жения. При пересечении темных штрихов за счет их совмещения площадь прозрачных штрихов растров остается без изменения. Возникающие прозрачные и темные участки сопряжения весьма малы, однако они группируются и образуют легко различимые широкие полосы. Эти полосы называют комбинационными или муаровыми. Положение, форма и шаг комбинационных полос зависят от параметров сопрягаемых растров и их взаимного расположения [37].

Растровое звено, работающее в проходящем свете и применяемое для преобразования линейных перемещений, показано на рис. 3.8, а. Источник света 1 с конденсором 2, индикаторный параллельный ，растр 3 и блок фотоприемников ФП1—ФП4 закрепляют на опорных частях манипулятора, а измерительный параллельный растр 4 закрепляют на подвижных частях манипулятора. При перемещении измерительного растра в направлении % происходит модуляция светового потока сопряжением измерительного и индикаторного растров, которая фиксируется фотоприемниками ФП1—ФП4. Модулирующие свойства растрового сопряжения характеризуются пропусканием т — Ф/Фо, где Фо и Ф — значение лучистого потока, соответственно падающего на растровое сопряжение и прошедшего через сопряжение в пределах эффективного зрачка фотоприемника. Пропускание т растрового сопряжения меняется в зависимости от относительного смещения индикаторного и измерительного растров. Соответствующим выбором параметров сопрягаемых растров [37] можно получить синусоидальный характер изменения пропускания лучистого потока для четырех фотоприемников:

(3.8)79(3.8)79— т0 {1 + m sin [8 + (冗/2) (j — 1)],i - 1, 2, 3, 4；

(3.8)

79

(3.8)

79

где т0 — постоянная составляющая пропускания; m —— коэффициент глубины модуляции; 0 = (2/冗/侬)х —— пространственная фаза комбинационной полосы; х ——относительное линейное смещение измерительного растра в пределах шага w.

Следует отметить, что на каждый фотоприемник поступает лучистый поток, сдвинутый по пространственной фазе на 冗/2 рад относительно потока предыдущего фотоприемника. Включая фотоприемники попарно через один, т. е. ФП1 с ФПЗ и ФП2 с ФП4 по балансной схеме, можно получить с выходов балансных пар два сигнала синусоидальной формы U工 и Uu, сдвинутых по пространственной фазе на н/2 рад и несущих информацию об измеряемом перемещении %.

Аналогичные сигналы, несущие информацию об угловом перемещении а, можно получить с блока фотоприемников растрового преобразующего звена с сопряжением радиальных растров (рис. 3.8, б). В этом случае подвижное звено манипулятора, угол поворота которого нужно измерить, соединяют с измерительным радиальным центральным растром 5. Индикаторный растр 3 представляет собой также радиальный растр. При сопряжении растров 3 и 5 образуются муаровые комбинационные полосы, модулирующие лучистый поток, проходящий на фотоприемники. Для данной схемы растрового преобразующего звена пространственная фаза комбинационной полосы определяется выражением

9 — (2冗/з) а, (3.9) где а —— относительное угловое смещение измерительного радиального растра в пределах углового шага w.

На рис. 3,8, s приведена схема растрового преобразующего звена с отражающей растровой решеткой 6. Отражающая решетка наносится на ленту или пластину из коррозионно-стойкой стали. Лучистый поток от источника света / с конденсатором 2 проходит через индикаторный растр 3 на решетку 6, отражается от нее, снова проходит через индикаторный растр 3 и попадает на фотоприемники ФП1—ФП4. Оси падающего и пром одул ированного отраженного пучков света находятся в плоскости, нормальной к плоскости измерительного растра и параллельной штрихам индикаторного растра. Отражающие решетки на металлической основе позволяют создавать надежные датчики даже при измерениях больших перемещений. Кроме того, в этом случае изменение температуры окружающей среды меньше влияет на точность измерения, поскольку измерительную шкалу можно делать металлической, как и детали манипулятора.

С выходов фотоприемников растрового звена с отражающей растровой решеткой (рис. 3.8, s), как и в предыдущих схемах, снимаются сигналы синусоидальной формы со сдвигом по пространственной фазе на 乳/2 рад.

При перемещении измерительной растровой решетки в одном направлении первый квадратурный сигнал U「создаваемый парой фотоприемников ФП1 и ФПЗ, отстает на четверть периода от второго квадратурного сигнала U^, создаваемого парой фотоприемииков

ФП2 и ФП4, а при перемещении в противоположном направлении ——второй квадратурный сигнал отстает от первого также на четверть периода. Таким образом, знак фазового сдвига между квадратурными сигналами характеризует направление измеряемого перемещения. Синусоидальные квадратурные сигналы могут быть преобразованы, например, с помощью триггеров Шмитта, в прямоугольные сигналы. В результате измеряемое перемещение представляется последовательностью однородных прямоугольных импульсов, причем каждый импульс соответствует перемещению измерительного растра на один шаг w. Число импульсов подсчитывается электронным реверсивным счетчиком. С помощью такого простейшего накапливающего устройства, в котором непосредственно отсчитываются периоды измерительного растра, обеспечивают разрешающую способность в несколько микрометров, причем в качестве сопрягаемых растров используются дифракционные решетки.

Причинами, препятствующими применению в накапливающих преобразователях дифракционных решеток с более мелким шагом являются соизмеримость шага решетки с длиной волны излучения, используемого для считывания, технологические трудности изготовления высококачественных дифракционных решеток с мелким шагом, ограниченное быстродействие фотоприемников. Поэтому для повышения разрешающей способности растровых накапливающих преобразователей не идут по пути применения дифракционных решеток с более мелким шагом, а используют способы дробления шага сопрягаемых растров на 4——20 частей.

На рис. 3.9 представлены схема и диаграммы работы отсчетной :части накапливающего преобразователя с реверсивным счетчиком. :Преобразователь позволяет получить четыре импульса на каждую [муаровую полосу.

От фотоприемников балансных пар синусоидальные сигналы Uf и Uu, сдвинутые по фазе на п/2 рад, поступают в формирователи Ф1 и Ф2. Каждый из формирователей имеет по два выхода. С одного выхода формирователя снимается прямоугольное напряжение с той же фазой, что и входной синусоидальный сигнал, а с другого выхода ——прямоугольное напряжение с фазой, сдвинутой на л рад по отношению к входному сигналу. Обычно формирователи представляют собой последовательное соединение триггера Шмитта и потенциального инвертора. В результате на выходах формирователей Ф1 и Ф2 образуются четыре прямоугольных напряжения Л, В н Л, В, три из которых сдвинуты относительно каждого предыдущего по фазе на 冗/2 рад. Эти напряжения служат для управления блоком реверса счетчика полос.

Для формирования импульсов сложения используются четыре схемы совпадения И1—%4, с выхода которых импульсы поступают на схему собирания ИЛИ. Для формирования импульсов вычитания служат схемы совпадения И5—И8, с выхода которых импульсы поступают на схему собирания ИЛИ. Все схемы совпадения имеют один потенциальный и один импульсный входы. На потенциальные входы

a)a)ZZ±±±L±H<9±±±L±H<94_ B(+X),B(-X-}一一才I—H 戸什x),B(-x)4_ B(+X),B(-X-}一一才I—H 戸什x),B(-x)H~ a-e ■ 一*力FT而才ja-BH~ a-e ■ 一*力FT而才ja-BИИ

a)

a)

Z

Z

±±±L±H

<9

±±±L±H

<9

4

_ B(+X),B(-X-}

一一才

I—H 戸什x),B(-x)

4

_ B(+X),B(-X-}

一一才

I—H 戸什x),B(-x)

H~ a-e ■ 一*力

FT而才j

a-B

H~ a-e ■ 一*力

FT而才j

a-B

И

И

Рис. 3.9. Отсчетная часть накапливающего преобразователя: a — схема; 6 — диаграмма работы

схем И подаются прямоугольные напряжения А, В, А и В, а на импульсные входы — импульсы a, b, а и 瓦 полученные дифференцированием положительных фронтов прямоугольных напряжений дифференцирующими цепочками Д/—Д8. Из диаграммы работы (рис. 3.9, 6) видно, что при движении измерительной растровой решетки в направлении (+х) на реверсивный счетчик РСч поступают сигналы сложения

V = a-B-^bA-^a^B-^b'A.

При движении измерительной растровой решетки в обратном направлении (——х) на реверсивный счетчик РСч поступают сигналы вычитания

R =■ а- В Ь- А а-В Ь- А,

При перемещении измерительной решетки на один шаг на счетчик подаются четыре импульса, т. е. данное накапливающее устройство обладает разрешающей способностью, соответствующей 1/4 шага растра.

Если из схемы, представленной на рис. 3.9, а, исключить дифференцирующие цепочки "2, "4, "6, Д8 и схемы совпадения 〃2, 力4, И6, И8, то получим накапливающее устройство с разрешающей способностью, соответствующей % шага растра. Путем некоторого 82

усложнения блока выработки счетных ймпульсов можно ПоЛуЧйТЬ восемь импульсов на один шаг растра.

Выпускаемые промышленностью линейные и цифровые интегральные схемы позволяют создавать растровые накапливающие преобразователи с делением шага на восемь, удовлетворяющие всем требованиям в отношении точности интерполяции и надежности работы.

Рассмотренные растровые накапливающие преобразователи позволяют получить разрешающую способность в 2 мкм или 1 мкм, если применять растры с шагом ^ = 8 мкм, и делить шаг растра на четыре или восемь частей.

Накапливающие преобразователи можно построить на основе лазерного интерферометра. Принцип действия такого преобразователя был описан в п. 2.5.

К достоинствам накапливающих датчиков можно отнести достаточно простую конструкцию, малые размеры и массу. Однако следует учитывать и недостатки накапливающих датчиков: возможность накопления ошибок сбоев и помех в цепях на входе реверсивного счетчика, потерю информации о перемещении при отказе в цепи питания датчика, необходимость периодической фиксации нулевого отсчета датчика для получения достоверного абсолютного значения

измеряемого перемещения.

Отмеченные выше недостатки накапливающих датчиков отсутствуют у цифровых датчиков с абсолютным отсчетом, к которым относятся циклические преобразователи с промежуточным преобразованием типа перемещение——фаза——код и преобразователи считывания информации с кодовой шкалы. Циклические преобразователи тапа перемещение—фаза—код на базе фазовращателей были рас

смотрены ранее.

Преобразователи считывания информации с кодовой шкалы, как и циклические преобразователи перемещение—фаза—код, характеризуются однозначным определением действительного значения перемещения, значительной независимостью сигналов от воздействий окружающей среды, восстанавливаемостью показаний после сбоя

t в цепи питания.

， Широкое применение находят фотоэлектрические преобразова-

с индуктивными датчиками.с индуктивными датчиками.|! тели считывания, обеспечивающие высокую разрешающую способ-

с индуктивными датчиками.

с индуктивными датчиками.

Г ность и сравнимые по надежности /• Схема фотоэлектрического преоб- ；разователя считывания углового пе- ; ремещения в код приведена на ；；рис. 3.10. На кодируемом валу 2, угловое положение которого преобразуется в цифровой код, жестко за- креплен кодированный диск /. Этот

I； диск представляет собой стеклянное

啟 Рис. 3.10. Фотоэлектрический преобразователь

馭"считывания угол — код

основание, на которое нанесена кодовая маска, образованная определенным числом концентрических кодовых дорожек с прозрачными и непрозрачными для лучистого потока сегментами. Кодовая маска является отображением того двоичного кода, который используется в преобразователе. Для устранения неопределенности считывания информации в фотоэлектрическом преобразователе применяют маски позиционного двоичного кода с V-способом считывания, отраженного двоичного кода, двоично-десятичного кода и некоторые другие. Наиболее широко используется отраженный двоичный код Грея, обеспечивающий минимальное число фотоприемников и простую оптическую схему считывания.

Осветитель, состоящий из лампы 3 и конденсора 4, формирует лучистый поток, падающий на кодированный диск /. В момент съема информации луч света, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек диска и ограничивающую целевую диафрагму 5, освещает фотоприемники 6, усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фотоприемников, перекрытых непрозрачными сегментами кодовой маски, соответствует двоичным нулям. В результате каждому углу соответствует определенная комбинация двоичных единиц и нулей, являющаяся цифровым кодом данного угла.

Достоинством фотоэлектрического преобразователя углового перемещения в код, работающего по методу считывания, является высокая разрешающая способность, соответствующая 12—16 двоичным разрядам на один оборот входного вала, т. е. от 5' до 20".

Следует отметить, что осветительная лампа является наиболее вероятным источником отказов в фотоэлектрическом преобразователе. Надежность фотоэлектрических преобразователей может быть повышена при использовании в качестве источников света полупроводниковых светоизлучающих днодов.

Разрешающую способность фотоэлектрических преобразователей можно повысить введением дополнительного точного растрового отсчета [8, 37 ]. На рис. 3.11 показана функциональная схема двухотсчетного фотоэлектрического преобразователя угла поворота вала в код с разрешающей способностью, соответствующей 19 двоичным разрядам. Показания грубого отсчета (ГО) снимаются с 14 старших разрядных дорожек кодовой шкалы. Показания точного отсчета (ТО) в виде пяти младших двоичных разрядов снимаются с разрядной дорожки кодового диска, нанесенной с шагом w = 2冗/2口 рад, посредством растрового интерполятора. В канал ТО входят четыре пары фотоприемников (на рис. 3.11 условно показаны только две пары). Эти фотоприемники размещают попарно в четырех точках внешней разрядной дорожки через 90°. Такое расположение фотоприемников позволяет при соблюдении некоторых условий устранить влияние эксцентриситета и эллиптичности измерительного растра — разрядной дорожки ТО. Фотоприемники каждой пары воспринимают лучистый поток, прошедший измерительный растр, через неподвижные индикаторные растры, которые сдвинуты друг относительно друга на четверть шага измерительного растра. Поэтому согласно выраже- 84

ййю (3.8) с фотоприемников ТО снимают электрические сигналь! соответственно с синусоидальной и косинусоидальной переменными составляющими. С sin/cos датчиков ТО сигналы поступают в схемы усреднения и далее в интерполятор. Интерполятор, выполненный по схеме потенциометрического фазовращателя в виде резисторного моста, формирует 32 синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе на 360° : 32 = 11,25°, причем в данном случае 360° соответствует одному шагу измерительного растра ТО. Каждая из 16 пар противофазных сигналов подается на соответствующий триггер Шмитта. При вращении измерительного растра ТО сигналы с выходов триггеров будут иметь вид прямоугольных меандров, сдвинутых по фазе на 11,25°. Шифратор на логических схемах кодирует состояния триггеров Шмитта в пятиразрядный двоичный код ТО, пропорциональный перемещению измерительного растра ТО в пределах шага. Растровый интерполятор ТО формирует также синхроимпульс считывания выходных сигналов с разрядных дорожек ГО, обеспечивая тем самым необходимое согласование грубого отсчета с точным. Рассмотренный фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код обеспечивает разрешающую способность, соответствующую 2,5". Опи- ,санный принцип преобразования позволяет получить разрешающую способность 0,6—1,2" при внешнем диаметре кодового диска 127— 254 мм.

К датчикам внутренней информации относятся также датчики скорости движения звеньев манипулятора, применяемые для повы- :шения точности и поддержания скорости привода. Датчиками скорости обычно служат тахогенераторы постоянного тока. Информацию о скорости движения звена можно получить от датчиков перемещения накапливающего типа и с абсолютным отсчетом посредством определения пройденного пути за фиксированный интервал времени.

Датчики усилий, устанавливаемые в звеньях манипулятора, по- / зволяют автоматизировать тонкие технологические операции, для

Схемы5 ддиичныхСхемы5 ддиичныхФотоприемники гоФотоприемники гоРнс 3 11 Двухотсчетный фотоэлектрический преобразователь угол - код с растровым ''точным отсчетомРнс 3 11 Двухотсчетный фотоэлектрический преобразователь угол - код с растровым ''точным отсчетом-"g*Dd WRd竺nd ^ к卓zw?电 4 X1让-"g*Dd WRd竺nd ^ к卓zw?电 4 X1让

Схемы5 ддиичных

Схемы5 ддиичных

Фотоприемники го

Фотоприемники го

Рнс 3 11 Двухотсчетный фотоэлектрический преобразователь угол - код с растровым ''точным отсчетом

Рнс 3 11 Двухотсчетный фотоэлектрический преобразователь угол - код с растровым ''точным отсчетом

-"g*Dd WRd竺nd ^ к卓zw?电 4 X1让

-"g*Dd WRd竺nd ^ к卓zw?电 4 X1让

УУггРис. 3.12. (ПестикомпОНентный датчик усилий*

У

У

г

г

—внутреннее кольцо; 2 — тензодатчики; 3 — наружной кольцо

выполнения которых требуются дозирование усилия взаимодействия с объектом, малые перемещения захвата, анализ ситуации в зоне контакта деталей при сборке. Кроме того, эти датчики обеспечивают защиту конструкции от аварийных перегрузок. В качестве датчиков усилий обычно используют тензометрические датчики. Чтобы промышленный робот мог манипулировать как жесткими, так и легкодеформируемыми объектами, необходимы установка датчика усилия в захвате руки робота и организация контура управления усилием захватывания. Типичным примером использования датчика усилия является автомати

зированная сборка деталей, например посадка штифта во втулку при зазорах 20 мкм и менее [43 ]. На рис. 3.12 представлен шестикомпонентный датчик усилия, измеряющий три составляющих усилия вдоль координатных осей и три момента относильно этих осей. Анализ полной картины силового взаимодействия позволяет оценить условия контакта сопрягаемых деталей, организовать направленный поиск оси сопряжения и избежать заклинивания деталей при произвольном начальном расположении осей. Другие варианты конструкций тензодатчиков усилий с шестью степенями подвижности приведены в работе [43].

При использовании электромеханических приводов находят применение схемы измерения их нагрузки по току якоря электродвигателя для защиты привода и манипулятора от аварийных перегрузок.

Датчики внешней информации

Датчики внешней информации предназначены для контроля за состоянием объекта манипулирования промышленного робота. С помощью этих датчиков можно определять положение объекта, его форму и другие признаки. Если для роботов, работающих по жесткой программе, вполне приемлемы сравнительно простые датчики, то для интеллектных роботов, обладающих способностью адаптации к внешней обстановке за счет соответствующего выбора программы действий, необходим развитый аппарат очувствления. Датчики внешней информации должны иметь высокие точность, надежность и большой ресурс работы. Кроме того, они должны быть малогабаритными для удобства установки в захвате робота, иметь минимальную массу для снижения негативного влияния на динамические характеристики привода робота и обладать достаточной жесткостью, обеспечивающей высокую точность определения положений [27 ].

Можно выделить три основных вида устройств очувствления —— слуха, осязания и зрения. Сигналы, получаемые с помощью этих 86

устройств, представляют собой информацию, соответствующую' какому-то образу. В результате обработки этой информации можно выявить особенности объекта и провести его измерение.

При распознавании объектов с помощью слуховых сенсорных устройств можно воспринимать сигналы от самого объекта и непосредственно от оператора, подаваемые голосом. Устройства слуха чаще используют для целей измерения и обнаружения объекта, чем для распознавания образов.

Простейшими осязательными датчиками внешней информации, служащими для обнаружения момента соприкосновения руки робота с объектом, являются контактные датчики (переключатели, предельные выключатели). С их помощью определяется положение объекта и осуществляется управление движением захвата. Помимо выполнения простейших действий (захватывание объекта, изменение направления движения) путем соответствующей установки переключателей на руке и в захвате с использованием логической схемы можно также оценивать относительное положение робота и объекта, управлять приводом руки для обхода препятствий и т. п. Применение легких и малогабаритных микропереключателей обеспечивает более высокие точность и возможность взаимодействия с неметаллическими объектами. Однако микропереключатели не могут работать в условиях повышенной температуры и имеют меньшую надежность, так как для них опасны удары при соприкосновении с объектом.

В качестве микроминиатюрных предельных выключателей вместо микропереключателей можно использовать полупроводниковые датчики давления при соответствующем выборе порога их срабатывания. Устройства осязания позволяют получить тактильную информацию, которую можно использовать для распознавания состояния поверхности предметов и их свойств (массы, эластичности и др.). Манипулятор (механическая рука), оснащенный тактильными датчиками, обладает в определенной мере «чувством осязания》. Это особенно важно при манипулировании объектами с малой жесткостью, когда кроме датчиков, фиксирующих соприкосновение с изделием, необходимы датчики непрерывной информации о значении усилия захватывания.

Процесс распознавания образа манипулятором с тактильным анализатором включает следующие этапы: количественное определение размеров или формы объекта; качественное определение характера поверхности объекта; описание объекта по полученной информации. Простая модель тактильного анализатора может быть получена из рассмотрения соответствующего физиологического анализатора. Она включает рецептор 尸 и преобразователь давления ПД в электрические сигналы (рис. 3.13). Рецептор, представляющий собой блок пьезоэлектрических элементов, реагирует только на распределение давлений, причем конструкция его такова, что он допускает возникновение больших деформаций при низких значениях напряжений. Область, окружающая пьезоэлектрический элемент, заполнена полуэластичным материалом. Поэтому, когда объект приходит в соприкосновение с поверхностью руки, напряжение, вызванное

a)в)

Рис. 3.13. Тактильный аналнзатор:

а ——физическая модель; 6 — схема

упругой деформацией материала, преобразуется пьезоэлементом в электрический сигнал. В анализаторе происходит выделение контуров тактильного образа аналогично тому, как это происходит при восприятии зрительного образа (так называемый феномен Маха) [14, 15]. Внутренний потенциал рецептора в устройстве управления порогом УП сравнивается с заданным уровнем, и в случае его превышения выход рецептора становится выходом генератора функций ГФ.

Тактильный анализатор может быть выполнен из порошкообразного графита, пенопластов с графитовым наполнением, кремниевой резины, армированной графитом или металлом. Недостатком графитовых материалов является изменение их электрического сопротивления при поглощении влаги и газов. Датчик, выполненный на основе токопроводящей резины, содержит множество контактных элементов, располагаемых на пальцах захвата, общий контакт которых представляет собой гибкую герметичную оболочку из токопроводящей резины с низким электрическим сопротивлением. Ответные контакты нанесены на поверхность пальцев в виде металлических пленок, изолированных от основания пальцев. При захватывании объекта наружная резиновая оболочка прогибается, обеспечивая многоточечный контакт элементов в соответствии с профилем изделия, а информация об усилии захватывания направляется в устройство управления манипулятором. Наряду с пьезоэлектрическими пленочными датчиками за рубежом применяют таюгильные электретные сенсорные устройства, обладающие высокой линейностью. Электрет относится к материалам, перманентно сохраняющим электрический заряд. Его можно создавать из полимерных пленок 3 (например, тефлона толщиной 13——15 мкм), металлизированных алюминием 2 (рис. 3.14). В процессе изготовления пленочной мем* бране сообщается электрический заряд до 100 В с помощью электронного луча, коронного разряда или термическим путем、Мембрана из металлизированной пленки 3 размещается в захвате 5 робота между эластичным защитным слоем / и проводящей пластиной 4 на расстоянии 70 мкм от нее. Таким образом, датчик по принципу дей- ■ ствия напоминает конденсатор. При изгибании мембраны изменяется емкость датчика, а вместе с. ней ■— напряжение, обусловленное за- рядом конденсатора.

Сигналы тактильных датчиков могут быть введены в ЭВМ дли управления усилиями и моментами, развиваемыми роботом при выполнении технологических операций [II].

К датчикам внешней информации бесконтактного типа относятся электромагнитные, ультразвуковые, струйные и оптические. Основным их преимуществом по сравнению с контактными датчиками является исключение возможности удара о поверхность объекта или

ненадежного контакта. Из перечисленных бесконтактных датчиков внешней информации остановимся более подробно на струйных датчиках, работа которых аналогична работе фотоэлектрических и электромагнитных датчиков. Например, пневматические микрометры, широко используемые для измерения очень малых зазоров, можно применять в качестве бесконтактных выключателей. Однако при общей высокой чувствительности они не позволяют обнаружить объект, если он удален более чем на 1 мм. При определенных условиях с помощью струйных датчиков можно измерять расстояния, превышающие диаметр сопла примерно в .50 раз. В этом случае пнев- моструя ведет себя подобно световому пучку. Следует отметить, что чувствительность струйных датчиков может быть даже выше, чем оптических, хотя при измерении движущихся объектов их размеры могут оказаться значительными вследствие движения воздуха во-

круг самих объектов.

「 сильфонный усилитель расход воздуха перемещении заслонки (объекта) вдоль с，зователь сопло—заслонка может работать как「 сильфонный усилитель расход воздуха перемещении заслонки (объекта) вдоль с，зователь сопло—заслонка может работать какРабота струйных датчиков основана на взаимодействии потока, вытекающего из питающего (формирующего) сопла, с объектом. Датчик типа сопло—заслонка имеет питающее сопло /, межсопловую камеру 2, выходной канал 3, измерительное сопло 4 (рис. 3.15, а). Обычно диаметр dn питающего сопла значительно меньше диаметра dH измерительного сопла, и поэтому давление 厶 в камере 2 определяется зазором 6 между торцом сопла 4 и заслонкой (объектом) 5. Расход воздуха через выходное сопло 3 является нагрузкой датчика, однако при подаче выходного давления р^ ^ Рн на мембранный или 1 может отсутствовать. При оси сопел струйный преобра- аналоговый измери

「 сильфонный усилитель расход воздуха перемещении заслонки (объекта) вдоль с

，зователь сопло—заслонка может работать как

「 сильфонный усилитель расход воздуха перемещении заслонки (объекта) вдоль с

，зователь сопло—заслонка может работать как

перпендикулярномперпендикулярномтель расстояния, а при перемещении заслонки в

перпендикулярном

перпендикулярном

направлении -一 как датчик положения ；(наличия объекта). Если пренебречь из- & менением коэффициентов расхода сопел и ■ сжимаемости воздуха, то выходной сигнал Е датчика сопло—заслонка можно опреде- К лить по приближенной формуле

.которая справедлива при условии б < 厶/4. ■□рн невыполнении этого условия площадь

Рис. 3.14. Схема тактильного датчика электретного

сечения измерительного сопла оказывается минимальной, и зазор не будет влиять на рв. В реальных условиях вследствие непостоянства коэффициентов расхода сопел зависимость (3.10) несколько искажается и оказывается справедливой при значении 6, несколько большем d^/4. Чувствительность датчика определяется как производная от рв по 6：

叽_32%若霆綃

兄一W 一 0彳函沁产)

где db =厶.

На характеристике чувствительности датчика рабочим является прямолинейный участок, на котором k = const (рис. 3,16). Максимальная чувствительность при измерении по методу зазоров имеет место при % ~ 0,75рл； 4 dnbmld^ = 0,58, и тогда формула (3.11) принимает вид km ^ 2,6рп dJdB. Таким образом, при заданных dH и dB максимальная чувствительность датчика сопло——заслонка пропорциональна рп. Выходной сигнал для прямолинейного участка характеристики рв = (0,6+0,9) рп.

Явление прерывания струи движущимся объектом используется в дискретных датчиках перемещения, аналоговых измерителях чисел оборотов и др. Датчик типа сопло—сопло состоит из питающего / и приемного 2 сопел и прерывателя (объекта) 3 (см. рис, 3.15, б). К соплу / подводится сжатый воздух давлением 夕口，а приемное сопло 2 соединяют с пневмоусилителем или преобразователем выходного сигнала рв в электрический импульс. В результате периодического прерывания струи на выходе возникает сигнал 0 или 1. При наличии в прерывателе отверстия на выходе можно получить сигнал рв различного уровня в зависимости от диаметра d0 отверстия и его положения относительно оси со- пел. В этом случае датчик сопло — еопло можно использовать для распоз-

口6巾少 Рнс. 3.16. Характеристика чувствительности струй

ного датчика

навания положения изделия с определением (в некоторых пределах) значений признака ориентации. Диаметр dB выбирают из условия получения максимальной мощности потока на выходе dB — 0,59凡， где 凡一полуширина струи в зоне торможения потока. Уровень сигнала рв линейно растет с увеличением р口，dn и падает (нелинейно) с увеличением расстояния / между соплами. Чувствительность датчика сопло — сопло выражается отношением

■由=Ар"(А do),

где Арв — изменение давления на выходе; A d0 一 изменение размера контролируемого параметра (например, диаметра отверстия d0)- Характеристика k (Арй/А d0) нелинейна.

Экспериментально установлено, что при сравнительно низком значении рп (порядка 60 кПа) минимальное значение контролируемого параметра, которое чувствует датчик, * = 50 мкм. В этом случае на расстоянии / = 3 мм выходной сигнал Рв стабилен и равен 150 Па. Такой уровень сигнала достаточен для надежного срабатывания пневмоэлектрического преобразователя мембранного типа. Сигналы более низкого уровня предварительно необходимо усиливать, В многострунных датчиках сопло — сопло, используемых при распознавании положения объекта сложного профиля, для расчета оптимального шага S между приемными соплами можно рекомендовать эмпирическую формулу (с учетом параметров объекта)

s А 1,2 (/ tg *—р ,

где а —— угол раствора струи, вытекающей из сопла питания.

Если значение s выбрано меньше рекомендуемого, то при тормо* жении смежной струи питания (d^, рп2) объектом возникает ра「 даальный поток, отклоняющий основную струю (dg,。矶)，соосную с опознаваемым отверстием, и датчик начинает работать в режиме усилителя, реализуя зависимость 〃】* р* — с〃у， где р北一мак* симальное значение 卩虱 в основном приемном канале; ру = Pm； с — коэффициент усиления.

Многоструйные датчики типа сопло — сопло можно использовать для решения достаточно сложных логических задач по распознаванию положения объекта при манипулировании, Динамическая характеристика струйных элементов представляет собой функциональную зависимость изменения во времени сигнала р^ в результате изменения рп и выражается дифференциальным уравнением

dQ — У d"】^dT * / ~dt

где Q = (V/RT) % — массовый расход воздуха в проточной камере элемента; V ——объем проточной камеры; R ——газовая постоянная； Т — абсолютная температура.

Считая, что входной и выходной дроссели проточной камеры струйного элемента работают в ламинарном режиме и характеристика

их линейна, постоянную времени т элемента можно выразить формулой

°、RT (ср 十 Св)'

где Ср,盡 ——коэффициенты расхода входного и выходного дросселей. Стабильная работа датчика обеспечивается в области выше граничной частоты сог < 20 Гц. Это соответствует предельно допустимой скорости перемещения контролируемого объекта в зоне струи уп < С 0,083 м/с (при размере параметра b ^; 0,5 мм).

Из систем очувствления, воспринимающих информацию от внешней среды, наиболее важной является зрительная, так как она обеспечивает восприятие основной доли информации, лежащей за пределами возможностей тактильных датчиков. В последнее время в СССР, а также в ряде развитых зарубежных стран проводятся интенсивные исследования по созданию систем технического зрения для транспортных, технологических и других интеллектных роботов, так как возможности автоматических систем, оснащенных устройствами визуального восприятия информации, резко возрастают (14, 301.

Анализ и распознавание изображений осуществляется с помощью телевизионно-вычислительной системы, важной частью которой является телевизионный датчик, преобразующий световое изображение наблюдаемого объекта в видеосигнал, содержащий информацию, необходимую для определения параметров объекта с заданной точностью. Из телевизионных датчиков интегрального и растрового типа рассмотрим последние, так как они позволяют компоновать системы искусственного зрения для решения достаточно сложных технологических задач, таких как выделение нужного объекта среди Множества других независимо от их положения, размера, ориентации； определение координат центра масс и угла поворота выделенного объекта относительно заданного положения, Так как точность преобразования изображения объекта в видеосигнал в значительной степени определяет точность всей системы распознавания, то к телевизионному датчику как к входному элементу предъявляются следующие требования: малые геометрические искажения, высокая линейность развертки, высокая стабильность размеров и центровок растра; высокая линейность и устойчивость усилительного тракта; работа в заданном диапазоне освещенностей. Только при соблюдении перечисленных требований от телевизионных датчиков могут быть получены многократно повторяемые идентичные и достоверные данные. Наиболее рациональным является не самостоятельная разработка телевизионных датчиков, а применение в качестве датчика серийной телекамеры на основе видикона, основные параметры которого лежат в следующих диапазонах: разрешающая способность 150——500 линий; минимальная освещенность 30——350 лк; геометрические искажения растра —3 %; нелинейные искажения растра ±4 %. Стандартная телекамера на видиконе укомплектована объективами со следующими характеристиками: фокусное расстояние 37— 92

85 мм; угол поля в пересчете на формат растра видикона 8,5—19,5° по горизонтали и 6,5—14,5° по вертикали； пределы фокусирования от 0,5 мм до оо. При выборе объектива и места установки телекамеры можно пользоваться формулой

4 — 4 nm k/(S 力 е)，

где Ant Aq — соответственно линейные размеры наблюдаемого предмета и его изображения на экране； f 一 фокусное расстояние объектива; S ——расстояние от передней линзы объектива до предмета; 九к и 九口 一 высота растра соответственно в кинескопе и видиконе.

Освещенность фотослоя мишени видикона Е^ можно ориентировочно определить по освещенности Еп предмета：-

J = 4Еы/(рт62),

где р — коэффициент отражения предмета (р = 0,01 Н-0,95); т —' коэффициент пропускания объектива (т = 0,64-0,8); 6 —— относительное отверстие объектива.

Предельно допустимая скорость движения объекта в плоскости, перпендикулярной оси камеры (при четкости изображения порядка 300 линий) уд — 3 -10^3 (L/f), где L — расстояние от камеры до объекта наблюдения.

В японских системах визуального датчика в зависимости от характера задачи в качестве телевизионных датчиков используют трубки различных типов. Наиболее широкое применение находит трубка типа видикон. Однако при восприятии видиконом информации о цвете объектов возникают проблемы, связанные с большим значением темнового тока. Меньший темновой ток имеют передающие трубки типа пл амбикона. Высокой чувствительностью отличается ортикон с Переносом изображения, которое хорошо воспринимается человеческим глазом. Диссектор изображения при очень высокой чувствительности имеет высокий уровень Шумов, и эта трубка сложна в обращении» И наконец, трубки с запоминанием изображения весьма перспективны в связи с возможностью кратковременной экспозиции электронным затвором, однако вследствие высокого уровня ；шумов их нельзя использовать в качестве устройств ввода и обра- |ботки изображений [36].

Для примера рассмотрим телевизионный датчик на видиконе, используемый в тактильно-оптическом устройстве очувствления робота, созданного в Массачусетском технологическом институте (США). В этом устройстве эластичная основа внутренних поверхно- ；стей захвата робота покрыта расположенными в ряд отражателями { малого размера. Эластичная поверхность захвата под действием ;объекта деформируется, что приводит к искажению светового потока, ；соответствующему распознаваемому образу. Световой поток прохо- i дит через оптические волокна, телекамеру и попадает на экран теле- ? монитора, на котором форма объекта определяется по чередованию ■ светлых и темных участков. Возможно, с помощью этого метода f удастся осуществлять непрерывное распознавание формы предме- t тов [36], Следует отметить, что при измерении координат положения '93

G 勿 когерентногоG 勿 когерентногоРис. 3.17. Схема датчика изображенияна жидком кристалле

G 勿 когерентного

G 勿 когерентного

объекта наиболее существенны геометрические искажени я телевизионного датчика. В этом смысле предпочтительнее разработанные в последнее время телекамеры на матрице приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых

в отличие от видиконных камер осуществляется жесткая привязка координат объекта к элементам разложения (см, Фридман А. Н., Яковлев А. Н, Датчики изображения на основе приборов с зарядовой связью. — «Техника кино и телевидения», 1977, № 8, с. 51—57). Необходимо отметить, что современные телевизионные датчики на основе приборов с зарядовой связью не достигли пока уровня наиболее совершенных передающих телевизионных трубок по чувствительности и разрешающей способности, кроме того, мала еще их чувствительность в области синего света.

Для визуализации объектов при манипулировании разработан датчик изображения на жидком кристалле (США), работающий в режиме отражения когерентного пучка с оптической адресацией (рнз 3.17). Механизм преобразования изображения заключается в индуцированном двойном лучепреломлении света в слое жидкого кристалла 4. Распределение интенсивности записывающего пучка (некогерентный источник), проходящего через прозрачное окно /, преобразуется в пространственное распределение потока электронно- дырочных пар в светопроводнике 2 из CdS с сопутствующим пространственным перераспределением приложенного к прозрачным электродам 5 переменного напряжения смещения к Напряжение U индуцирует двойное лучепреломление света, пропорциональное локальной интенсивности записывающего сигнала. Линейно поляризованный луч считывания, проходя через жидкий кристалл, отражается от диэлектрического зеркала 3, пересекает еще раз жидкий кристалл и выходит из устройства в виде эллиптически поляризованного пучка. Анализатор, расположенный на пути луча, пропускает только ту компоненту луча, поляризация которой перпендикулярна направлению первоначальной поляризации луча считывания. Пространственное распределение интенсивности луча считывания после выхода из анализатора оказывается пропорциональным пространственному распределению интенсивности входного изображения, Этот процесс реверсируется, так как распределение напряжения исчезает, когда перекрывается входной свет, без которого луч считывания остается линейно поляризованным и перпендикулярным анализатору, и поэтому выходной сигнал не пропускается г

3・3・ Информационные системы распознавания положения, формы и ориентации миниатюрных изделий

Для решения задачи распознавания образов и управления процессом манипулирования объектами может быть использована симбиотическая система, в которой осуществляется обработка тактильной и визуальной информации.

Структурой симбиотической системы с обратной связью предусматривается подача выходного сигнала тактильного датчика / на вход зрительного устройства очувствления 2 через преобразователь тактильной информации 5 и смеситель 6 (рис. 3.18). Влияние тактильной информации на выходной сигнал зрительного устройства очувствления может быть сведено, например, к контролю над уровнем контрастности изображения или выбору способа сканирования, Результирующий сигнал обусловливает появление на экране дисплея 7 конкретного изображения. Одновременно сигналы с обоих датчиков поступают в управляющую вычислительную машину 3, которая выдает команды в устройство 4 запуска двигателя манипулятора или координатной системы [14, 15].

Формирователи сигналов изображения зрительной системы очув

ствления непрерывно совершенствуются в направлении уменьшения размеров, повышения стабильности и экономичности работы, улучшения качества формируемого изображения и эксплуатационных параметров. Характерная черта современного этапа развития передающих телекамер ——смена поколений приборов. Для камер с видиконом черно-белого изображения созданы малогабаритные трубки диаметром 18 мм с растром 6,6x8,8 мм, обеспечивающие снижение коммутационной инерционности, абсолютной величины и неравно-

способность миниатюрных линий при напряжении наспособность миниатюрных линий при напряжении намерности темнового тока, что весьма существенно для качества передаваемого изображения. В то же время 18-миллиметровые видиконы при малом расходе мощности на фокусировку и отклонение пучка

способность миниатюрных линий при напряжении на

способность миниатюрных линий при напряжении на

значительно повышают разрешающую камер. Достигнуто разрешение 600—700 электродах в пределах 600 В. Более чем в 2 раза уменьшена выходная мощность, что позволяет снизить потери на высоких частотах при передаче сигнала на видеоусилитель. Номинальным является сигнал 150 нА вместо 200 нА; диапазон освещенности 1 —80 лк, чувствительность 160/1—240/05 нА/лк, геометрические искажения 4—6 %. Производство таких видиконов уже освоено промышленностью. Новая серия видиконов будет иметь важное значение для миниатю-

Рис. 3.18. Структурная схема зрительно-тактильной системы с обратной связью

Рис. 3.19. Структурная схема телевизиОй*но-вычислительной системы

2И ••• I ризации цветных телекамер. В

последние годы интенсивно разрабатываются полупроводниковые матричные формирователи сигналов изображения на основе фотодиодных матриц, приборов с ин

жекцией зарядов, приборов с зарядовой связью (ПЗС) с кадровым и строчно-кадровым переносом зарядов. Твердотельные формирователи сигналов изображения обладают недостижимыми для видиконов свойствами: жестким растром ——привязкой элемента изображения к фотоячейке с высокой точностью (до 0,5 мкм), отсутствием геометрических искажений, безынерционностью, низким питающим напряжением и др., уступая им лишь по разрешающей способности. Разработаны крупноформатные полупроводниковые матричные формирователи сигналов изображения с чувствительностью до 5 ■ 10-4 лк, с числом элементов от 244x320 до 800x800, размером элемента от 30x30до 15X 15 мкм, размером светочувствительной области от 9,6х 12,7 до 5,9 X 7,8 мм. Основные параметры лучших зарубежных полупроводниковых телекамер с матричными формирователями сигналов изображения следующие: разрешающая способность от 280x280 до 400 X Х250 линий; минимальная освещенность на объекте 50—100 лк; отношение сигнал/шум 43——55 дБ; потребляемая мощность 3——8 Вт; габаритные размеры от 58X 100X 155 до 96х 114x2 41 мм. Достигнутые успехи в создании полупроводниковых матричных формирователей сигналов изображения с повышенной чувствительностью в синей области спектра видимого излучения и другими улучшенными качественными показателями позволили разработать полупроводниковые телекамеры цветного изображения. Рассмотрим более детально методы преобразования и обработки видеоинформации, поступающей с визуального устройства очувствления промышленного робота.

Кроме телевизионного датчика 3 с оптической системой 2, воспринимающего изображение объекта 1, телевизионно-вычислительная система включает устройство обработки 4, осуществляющее амплитудно-временную селекцию видеосигнала, измерение информативных параметров и преобразование результатов измерения в цифровую форму; вычислительное устройство 5 (специализированное или ЭВМ), накапливающее и обрабатывающее поступающую информацию по заранее определяемым алгоритмам распознавания (рис. 3.19). Для измерения координат и размеров объекта применяют телевизионные автоматы с время-импульсной базой. При перемещении сканирующего луча в направлении оси времени границы измеряемого объекта будут последовательно пересекаться в точках хг и х? в моменты времени 友 и 为，т. е. каждому размеру будет соответствовать видеоимпульс определенной длительности. Точность способа в основном определяется линейностью развертывающей функции и стабильностью размера развертки. Искомый размер объекта / = 96

=为厶，где k ——коэффициент пропорциональности, связывающий раз» мер оптической проекции Г измеряемого объекта на фотослое преобразователя свет-сигнал с длительностью видеоимпульса

Задача измерения размера объекта, например, в процессе сортировки или ориентации изделий может быть решена путем сравнения длительности видеоимпульса от контролируемого объекта с длительностью заданного импульса. В этом случае передний фронт видеоимпульса запускает триггер анализирующего устройства^ который формирует импульс эталонной длительности 厶，подаваемый в противофазе на схему сравнения (рис. 3.20, о). На входе этой схемы в зависимости от соотношения сравниваемых импульсов будут возникать импульсы различной полярности, характеризующие размер контролируемого объекта. Более точные результаты могут быть получены путем сравнения временного положения видеоимпульса от контролируемого объекта с временным положением этого же импульса, но прошедшего через линию задержки (рис. 3.20, б). Если время задержки Z3 сделать равным длительности искомого видеоимпульса, то при его возникновении через промежуток времени А& оба импульса будут существовать одновременно. При подаче этих импульсов на вход схемы совпадения на ее выходе в течение времени А/? будет сигнал об обнаружении объекта с размером, превышающим заданный. °

рис. 3.20. Временные диаграммы, поясняющие способ выделения импульсов заданной длительности:рис. 3.20. Временные диаграммы, поясняющие способ выделения импульсов заданной длительности:/ — анализируемые импульсы; 2 — импульсы заданной длнтельности; 3 — выходные импульсы; 4 — задержанная серия импульсов/ — анализируемые импульсы; 2 — импульсы заданной длнтельности; 3 — выходные импульсы; 4 — задержанная серия импульсов4 р. Ю, Баисявичюс и др.4 р. Ю, Баисявичюс и др.Следует отметить, что задержку видеосигнала на часть или целый период строчной развертки часто используют при построении различных устройств телевизионных анализаторов изображения, например для вычисления длины периметра объекта, для буферизации данных при записи кодированного изображения в запоминающее устройство вычислителя (или ЭВМ). Задержку видеосигнала можно реализовать средствами микроэлектронных цифровых устройств, используя в качестве элемента задержки регистр сдвига. Его применение дает возможность избежать некоторых недостатков, присущих устройствам с ультразвуковой линией задержки. Кроме того, применение регистра сдвига сводит к минимуму погрешность задержки видеосигнала, возникающую вследствие нестабильности периода строчной развертки.

рис. 3.20. Временные диаграммы, поясняющие способ выделения импульсов заданной длительности:

рис. 3.20. Временные диаграммы, поясняющие способ выделения импульсов заданной длительности:

/ — анализируемые импульсы; 2 — импульсы заданной длнтельности; 3 — выходные импульсы; 4 — задержанная серия импульсов

/ — анализируемые импульсы; 2 — импульсы заданной длнтельности; 3 — выходные импульсы; 4 — задержанная серия импульсов

4 р. Ю, Баисявичюс и др.

4 р. Ю, Баисявичюс и др.

97

Цифровой кодЦифровой кодРнС. 9.2i. Структурная схема устройств^ задержки фрагмента строкиРнС. 9.2i. Структурная схема устройств^ задержки фрагмента строки

Цифровой код

Цифровой код

РнС. 9.2i. Структурная схема устройств^ задержки фрагмента строки

РнС. 9.2i. Структурная схема устройств^ задержки фрагмента строки

Число разрядов регистра сдвига М используемого в качестве элемента задержки, определяют по формуле ^ = 丁忆 х/Тт.孑 где Тп.х — минимально возможное время прямого хода строчной развертки; 7\. и 一 период следования тактовых импульсов. Запись информации в регистр сдвига осуществляется с помощью тактовых импульсов, создающих квантованное поле. Емкость счетчика тактов равна числу разрядов регистра сдвига. При таком методе задержки в любой момент времени в сумматор (схему вычитания) поступает видеоинформация двух смежных строк из точек, равноудаленных от начала строк. Часто для уменьшения погрешностей измерения, обусловленных несовершенством оптического и телевизионного каналов (нелинейные искажения, неравномерность освещения и уровня фона и др.), применяют принцип центрального поля. В этом случае измерение проводится не по всему растру, а только в центральной части, размер которой определяется допустимыми погрешностями. Использование части растра позволяет сократить объем регистра сдвига.

На рис. 3.21 приведена структурная схема устройства, задерживающего часть строки, находящуюся между i-м н i + 1-м тактами. В исходном состоянии триггер Тг сброшен. Уровень логического нуля, снимаемого с прямого выхода триггера, запрещает прохождение двухуровневого видеосигнала ВС и тактовых импульсов 71// на регистр сдвига РгС через схемы совпадения 〃/, И2. В начале строки задний фронт строчного синхроимпульса ССИ сбрасывает счетчик С% после чего он начинает подсчет тактовых импульсов, осуществляющих дискретизацию видеосигнала вдоль строки. В момент прихода 1-го тактового импульса с соответствующего выхода дешифратора Дш снимается сигнал, устанавливающий триггер в возбужденное состояние. В результате на вход регистра сдвига поступают продвигающие импульсы ПИ и подается видеосигнал, значения которого в моменты 力 последовательно записываются в разряды регистра. С поступлением i + 1-го импульса триггер сбрасывается, запрещая дальнейшее

продвижение информации в регистре сдвига. Записанный цифровой код фрагмента строки между，-м и i + 1-м тактами может быть считан параллельно для ввода в вычислительное устройство или последовательно для нахождения межстрочной разности.

В устройстве преобразования интервалов времени в эквивалентный цифровой код (схема измерения площадей) на один вход элемента Я подаются измерительные импульсы от генератора тактовых импульсов ГТИ, на другой вход в процессе обработки видеосигнала ВС поступают импульсы от генератора сигнала изображения ГСП, несущие информацию об исследуемом изображении. Третий вход служит для пространственной фильтрации объектов в поле телевизионного датчика, а также для ограничения интервала времени, предназначенного для выполнения измерений (рис. 3.22). Выход элемента 〃 подключается к суммирующему счетчику Сч. Для выделения объекта (или фрагмента изображения) в поле зрения телевизионного датчика используется генератор стробирующего сигнала ГСС (электронного визира).

Стробирование изображения объектов может осуществляться рамкой прямоугольной формы. В этом случае схема содержит две идентичные группы счетчиков Сч1—Счб соответственно горизонтальных и вертикальных координат (рис. 3.23).В каждой группе имеется по одному счетчику текущих значений координат С^2, Сч5 и по два счетчика фиксации координат объекта на растре Сч1, СчЗ, Сч4, Счб. Интервалы отсчета координат вдоль строк растра (координаты х) определяются частотой генератора Г, а начало отсчета задается строчными синхронизирующими импульсами ССИ. Верти

кальные координаты у определяются по номеру текущей стро ки, отсчитываемому от начала кадрового синхронизирующего импульса КСИ. *

В процессе сканирования изображения осуществляется сравнение текущих значений координат с координатами, записанными в счетчиках координат объекта в элементах сравнения ЭС1—ЭС4, ■ В момент совпадения сопоставляемых координат импульсы с выходов соответствующих схем совпадения И1—И4 переключают триггеры Тг1 и Те2. На выходах этих триггеров образуются импульсы, соответствующие интервалу времени, определяемому раз-

Рнс. 3.23. Функциональная схема ге・ нератора стробирующегоg”Rg 门會

・/ A1 4jj IT 〃歹1*「'дпз I—H 〃jj 卜~~' *{ 〃jj |~^・/ A1 4jj IT 〃歹1*「'дпз I—H 〃jj 卜~~' *{ 〃jj |~^Рис. 3.24. Структурная схема устройства Для выделения изотропных контуров с использованием линий задержки

・/ A1 4jj IT 〃歹1*

「'дпз I—H 〃jj 卜~~' *{ 〃jj |~^

・/ A1 4jj IT 〃歹1*

「'дпз I—H 〃jj 卜~~' *{ 〃jj |~^

ностью координат, записанных в счетчиках фиксации координат объекта по у н х соответственно. Результирующий сигнал, снимаемый с выхода элемента

И5, образует серии стробирующих импульсов, создающих прямоугольное «окно» заданных размеров на сканирующем растре. Стробирующие импульсы используются в качестве разрешающих в измерительной части устройства, ограничивая таким образом анализируемый участок растра.

Обработка телевизионного сигнала стандартной системы затруднена значительным объемом телевизионного сообщения, состоящего из (2 4-3)* 106 бит. Естественно, что выполнение операций обработки и передачи такого объема информации даже для современных ЭВМ

является делом трудновыполнимым вследствие ограниченности их быстродействия и объема памяти. Поэтому используют методы сжатия сообщений, позволяющие существенно уменьшить объем информации, вводимой в ЭВМ. Одним из эффективных методов сжатия информации является выделение контуров изображения объектов, которое может быть осуществлено как аппаратными, так и программными средствами. Например, для выделения изотропных контуров, не зависящих от направления развертки, используют линии задержки на время, кратное длительности строки УЛЗ и длительности элементов разложения ЛЗЭ (рис. 3.24). Выделение внешнего и внутреннего контуров преобразованного изображения в поле памяти ЭВМ осуществляется с помощью функций

/ =仇/ (仇，/+1 V %, /-1 V %+L / V 9i-L j)；

(3.13)

/ = %, J ®, “1 V 仇,1M V ^i+lj / V 况-L »，

где qiiS — элементы двумерной матрицы изображения Q&; £ = 1,2, •- .,.,m; / == 1, 2, ,.., п; /и, n — соответственно число вертикальных и горизонтальных строк. Рассмотрим процесс выделения контуров с помощью этих функций. Искомая матрица Sg может быть получена из матрицы Q& поэтапно с помощью ряда логических операций, выполняемых в ЭВМ параллельно над совокупностями элементов 九/ (/ = 8).

Выделение правых граничных точек строк 分一единиц, справа от которых стоят нули, а также последних единиц в строках. Выполняем сдвиг всех 7； влево на один элемент и затем отрицание. Полученный результат логически умножаем на исходное значение 办 Выполнив эти операции над всеми строками Qs, получим промежуточную матрицу S⑴，элементы р^\ которой соответствуют правым граничным точкам и определяются соотношением

Выделение левых граничных точек строк 夕力 Выполняем сдвиг всех 力 вправо на один элемент и отрицание, логически умножаем результат на исходное значение. Получаем матрицу S⑵，состоящую из элементов р，?/, соответствующих левым граничным точкам,

рИ / = %, j Л 况+1, г

Выделение верхних граничных точек — единиц в строках 力， выше которых находятся нули. Для этого каждую строку 夕八 кроме первой, логически умножаем на отрицание j — Ьй строки. Получаем матрицу SO）, образованную элементами

P?j =仇,j /\ 仇,

Выделение нижних граничных точек — единиц в строках qh ниже которых находятся нули. Для этого каждую строку q卜 кроме последней, логически умножаем на отрицание j + 1-й строки. Получаем матрицу S（4）, состоящую из элементов

р^/ = %, j А 仇,

Объединяя промежуточные матрицы, получаем матрицу, описывающую контур изображения,

где i — 1, 2, 3, 4.。

В результате действия различных помех выделенный контур может содержать точки, не соответствующие действительному кон* туру изображения объекта. Однако их можно выявить путем про верки граничных точек на соответствие геометрии анализируемого объекта. Например, контуры многих реальных объектов состоят из отрезков прямых и дуг окружностей, которые описываются уравне* ниями

У — КХ + Ь\ %2 + J/2 = R2.

Рнс< 8,2В, Реализация оператора выделения контуров изображснвя! а — поле матрицы Q*; 6 — поле матрицы $.Рнс< 8,2В, Реализация оператора выделения контуров изображснвя! а — поле матрицы Q*; 6 — поле матрицы $.°丿°丿вв

Рнс< 8,2В, Реализация оператора выделения контуров изображснвя! а — поле матрицы Q*; 6 — поле матрицы $.

Рнс< 8,2В, Реализация оператора выделения контуров изображснвя! а — поле матрицы Q*; 6 — поле матрицы $.

°丿

°丿

в

в

①=士 arcsin①=士 arcsinaх --bx a2 -接aх --bx a2 -接(3.14)(3.14)

①=士 arcsin

①=士 arcsin

aх --bx a2 -接

aх --bx a2 -接

(3.14)

(3.14)

Рис. 3.26. Схема электронного визирования и стробирования изображения объ

екта:

/, // — точки выборки видеосигнала соответственно за 1-й и 2-й кадры; х「， х^+т и %, %+九— соответственно границы

электронного визира по горизонтали и вертикали

Если выделенные точки (например, точки с экстремальными координатами) не удовлетворяют при

веденным уравнениям, то их отбрасывают и выбирают новые.

Использование геометрических соотношений для определения параметров положения анализируемого объекта рассмотрим

на примере распознавания объекта простой формы ——прямоугольника со сторонами а, b н центром в точке С (рис. 3.26). Координаты центра

Q =(修 + /)/2； Ус =(勿 + У2)/2・

Угол ориентации ср относительно осей координат при этом может быть определен лишь с точностью до знака плюс или минус. Так как проекции объекта на координатные оси 居 у

czcos| ср I 4- & sin I ср|; у = b cos］屮 I + a sin I ср I，

то угол

Знак модуля угла ср введен вследствие того, что возможно второе положение объекта, при котором получаются те же размеры проек* ций, но угол имеет противоположный знак. Очевидно, что данный метод определения угла ориентации объекта можно применять лишь в тех случаях, когда знак угла известен заранее или его можно определить с помощью каких-либо дополнительных устройств. Основным достоинством рассмотренного метода является его простота.

Оценим точность получаемых результатов в зависимости от максимально допустимых значений углового отклонения Аср объекта и шага квантования h вдоль осей координат. На основании этой оценки можно определить соотношение между | Аср | и 九 и таким образом сформулировать требования к разрешающей способности телевизионного датчика. Учитывая погрешности, на основании выражения (3.14) получаем

Sin(Ф + I Аср I) — sin ср =且黑三雰丄. (3.15)

Из самого способа получения проекций объекта на координатные оси вытекает, что длина проекции может быть получена с погрешностью от 0 до 十2儿 Самое неблагоприятное сочетание погрешностей 102

Аф|, I \х] и I А//| получается при минимальном значении выражения (3.15). В этом случае при изменении угла ср + | Аф | от 0 до л/2 и Ах = Ау = 2/г получаем

%х = Ь (备 + 1) sin 曾.

Оценим точность определения угла ориентации при использовании в качестве телевизионного датчика промышленных телекамер с стандартными развертками (312,5 и 625 строк в кадре). Для изображения объекта, покрывающего^большую часть растра, имеем hmax 为 及(26/п). Для прогрессивной развертки (п = 300, hmax 7-10-3&), I Аср ^： 20', а для чересстрочной развертки (п = 600), погрешность I Аф ^： 10- Для ввода в ЭВМ полутонового изображения с телевизионной установки необходимо согласовать ее информационные характеристики с характеристиками канала ввода ЭВМ и параметрами ОЗУ. Поскольку сигнал от неподвижных изображений периодический, для понижения скорости поступления информации удобно применять стробирование видеосигнала. Стробирующий импульс, с помощью которого осуществляется выборка значения видеосигнала, формируется цифровым генератором. Для устранения избыточной информации служит генератор сигналов электронного визира, который разрешает формирование стробирующего импульса только в пределах растра, ограниченного прямоугольным электронным визиром, положение и размеры которого устанавливаются оператором по наблюдению на экране телевизионного индикатора (см. рис. 3.26). Для этого на смеситель видеосигналов подаются сигнал с телевизионного датчика и сигнал от генератора сигналов электронного визира. Когда сканирующий луч оказывается в пределах участка растра, ограниченного электронным визиром, цифровой генератор стробирующего импульса формирует первый импульс на строке Ув в точке с координатой хг и на протяжении этого кадра создает последовательно на каждой строке (вплоть до строки Ув+九) стробирующие импульсы в точке с координатой %「. Для этого блок управления посылкой кадрового синхроимпульса записывает единицу в счетчик-регистр %, а в генератор стробирующего импульса, начиная с момента %「, подаются импульсы дискретизации по 尤 от генератора дискретизирующих импульсов %•

Для изменения шага выборки по х служит переключаемый делитель частоты. Код генератора стробирующего импульса сравнивается с кодом счетчика-регистра %, н в момент их совпадения генерируется импульс, который подается на стробируемый каскад и обеспечивает выборку видеосигнала, поступающего на этот каскад. Выборка видеосигнала подается на аналого-цифровой преобразователь и преобразуется им в код яркости. Счетчик-регистр у, подсчитывая строчные синхроимпульсы, создает код выборки по оси у (номер строки, на которой осуществлена выборка). С началом каждого нового кадра кадровый синхроимпульс увеличивает на единицу число в счетчике- регистре %, обеспечивая тем самым сдвиг стробирующего импульса по оси х. Стробирующие импульсы формируются в пределах элек-

тронного визира, определяемого координатами %「, хг^т по оси % й Ув, %+л по оси у (см. рис. 3.26).

Для визуального контроля за процессом формирования стробирующего импульса последний подается на сместитель видеосигнала. В процессе преобразования на экране телевизионного индикатора наблюдается белая вертикальная полоса в пределах электронного визира, смещающаяся слева направо. Как только будет сформирован стробирующий импульс с координатами 匕卄必,ув+л, блок управления останавливает работу устройства. Преимуществом описанного метода ввода телевизионного изображения в ЭВМ является возможность использования программного канала обмена с ЭВМ. Однако низкая скорость ввода не позволяет осуществлять распознавание в реальном масштабе времени, что затрудняет использование подобных устройств в промышленных установках. При бинарном квантовании видеосигнала скорость ввода изображения в память ЭВМ можно существенно увеличить за счет одновременного считывания кодов группы выборок строки, предварительно накопленных в буферном запоминающем регистре. Количество одновременно считываемых выборок определяется разрядностью слова ЭВМ (например, длина слова может составлять 12 или 16 разрядов). Таким образом, в течение одного полукадра в ЭВМ будет считан фрагмент изображения, имеющий форму вертикальной полосы шириной в 12 или 16 элементов разложения.

Рассмотрим работу устройства преобразования видеосигнала по функциональной схеме (рис. 3.27). Видеосигнал ВС с телекамеры ТВ подается на амплитудный дискриминатор АД, имеющий регулировку порога срабатывания РК・ Проквантованный на два значения 0 и 1 видеосигнал поступает на вход регистра фрагмента РФ, представляющего собой регистр сдвига на 12 разрядов. Вытеснение поступающей информации происходит под действием продвигающих импульсов /7〃，подаваемых на регистр сдвига с тактового генератора ГТИ через схему И4, Занесенный фрагмент строки из регистра фрагмента через выходные ключи ВК по команде КЗ считывается в микро-ЭВМ. Выбор фрагмента строки, подлежащего вводу в микро-ЭВМ в данном полукадре, осуществляется схемой выбора фрагмента, состоящей из трех счетчиков: полукадров С/7, фрагментов СФ, выборок СВ и цифрового компаратора цкР.

Строка разбивается на фрагменты с помощью счетчика выборок, который через каждые 12 импульсов тактового генератора выдает единицу на счетчик фрагментов. Номер вводимого фрагмента должен соответствовать номеру текущего полукадра, который фиксируется в счетчике полукадров. При совпадении кодов, занесенных в счетчики, на выходе компаратора появляется низкий уровень (сигнал: «конец преобразования» ——k〃)・ Сигнал К/7 запрещает прохождение тактовых импульсов через схему И4、в результате чего вытеснение информации прекращается и код фрагмента фиксируется в регистре РФ. Сформированный из сигнала К〃 импульс ИК力 формирователя Ф возбуждает триггер Тг4 «Разрешение считывания», с инвертирующего выхода которого в микро-ЭВМ подается сигнал «Требование

зилк-^csa

♦odxHHO QlqqodHBM н azHhodlu —sGy CGGBHHQHEUqoo mwux。— ^^ — I i80J.H3XJEde IquqlfALlxH — фМ ^Husuo^ «„^Ks^sac ——eQu (亞©Ha0dA HKUIEaoeBdgo 9du — Au faoKeqduJHH doIEduHUJ IJ -EuodHe dosslf©。丨 yG ^SHSU^SU I s^^ SHSgodJOA ^одлк-oaHKO^O^W-se I A匕9 ^Ksa^^rt&^ona MOHa«aurt&© KSE tEqodH90d.i.xaHHaHasHdll w samoa^aE KSI^Srt&^OMS ouoaaosmaM«5h rtrf-OBe rtMHW —«O&HW^ rts^«w KrtEJK-rtaostfME^AW ♦JHd

прерывания» — ТП, Синхронизация ввода-вывода СВВ информации осуществляется^с помощью команд К/——Кб, выдаваемых с дешифра- g тора команд ДшК. При обращении микро-ЭВМ к контроллеру теле- 1 визионного датчика программа опрашивает кроме регистра фраг- j мента еще два триггера: триггер Тг1 «Выбор поля» и триггер Тг2 j «Измерение». Переход триггера «Измерение» в нулевое состояние q сигнализирует об окончании цикла ввода изображения. Сброс три г- ； гера происходит в том случае, если к моменту прихода строчного син- J хроимпульса ССИ сигнал К/7отсутствует. Такая ситуация возникает только на правой границе регистра, если последний фрагмент содержит меньше 12 элементов разложения. Использованные в качестве датчика телекамеры с чересстрочной разверткой делает необходимым введение в устройство ввода изображения специальной схемы для 孑 идентификации полукадра. Для этой цели служит схема выбора по- ：； лей. Четному полу кадр у соответствует возбужденное состояние триг- ； гера «Выбор поля», нечетному —— сброшенное.j

Важнейшей задачей при создании систем преобразования видео- :| сигнала является построение оптимальной схемы управления фор- ； мированием и обработкой видеосигнала. Известно, что от формы тактовых импульсов, степени их перекрытия, крутизны фронтов зависит эффективность переноса. На выход формирователя видеосигнала проникают импульсные наводки (например, от транзистора сброса), и от степени их подавления зависит качество телевизионного изображения [28]. Телекамера на среднеформатной матрице ПЗС, содержащей 288x232 элемента разложения, включает два тактовых ， генератора, состоящих из синхрогенераторов и формирователей фаз- ； ных напряжений, а также усилитель-формирователь видеосигнала (рис. 3.28). Один тактовый генератор, работающий на частоте 280 кГц, предназначен для управления секциями накопления СН и памяти СП, а другой высокочастотный (до 14 МГц) — для управления выходным регистром ВРг. Камера работает на телевизионное в осп р оизв одя щее устройство без чересстрочной развертки. Растры обоих полей идентичны и имеют по 288 строк на прямом ходе кадровой развертки и по 24 строки на обратном. В этом случае снижаются требования к качеству кадровой синхронизации, а отличие кадровой или строчной частоты от стандартных составляет не более 0,2 %. Для передачи изображения в первом поле используются нечетные строки, а четные гасятся, во втором поле —— наоборот. Во время обратного хода ка- ； дров ой развертки осуществляется 144 переноса заряда из секции на- 5 копления в секцию памяти. Информация из секции памяти выводится ? с интервалом в две строки во время обратного хода строчной раз- j вертки. При этом частота всех переносов в этих двух секциях одина- j кова и составляет примерно 94 кГц,

Для повышения эффективности переноса заряда и улучшения контрастно-частотной характеристики в камере использована оптическая инжекция фонового заряда, осуществляемая в близкой инфракрасной (ИК) области спектра с помощью двух ИК излучателей. Чтобы получить нелинейную световую характеристику (т. е. осуществить гамма^коррекцию) и передавать яркие детали без ухудшения 106

勿

Рис. 3.28. Функциональная схема телекамеры на среднеформатной матрице ПЗС：

У И — управление излучателями; РН — распределитель напряжения; ФФН，ФФП，ФФр— формирователи фазных напряжений секций накопления, памяти и выходного регистра; ПУп， ПУП，亓Ур—— преобразователи уровня секций; ВУ ——выходное устройство; УС —— усилнтель-смеснтель； Г — генератор; СГ — синхрогенератор

качества передачи темных участков, в камере обеспечивается изменение емкости потенциальной ямы в процессе накопления заряда. Гамма-коррекция одноступенчатая. В конце каждого поля на время, равное 1/13 его длительности, переходят от накопления заряда под электродами одной фазы к накоплению заряда под электродами двух фаз (первой и второй). Это позволяет уменьшить темновые токи в секции накопления (в течение основной части времени подается более низкое напряжение) и выполнить установку секции накопления в состояние, идентичное состоянию секции памяти и необходимое для последующего синхронного переноса заряда.

Формирователи фазных напряжений выполнены по схеме кольцевого распределителя импульсов на D-триггерах и допускают начальную установку в три состояния: 100, 010 и 110. Первое состояние необходимо для накопления заряда в одном поле, второе ——для накопления заряда в другом поле, третье ——для хранения заряда в секции памяти или гамма-коррекции в секции накопления. Перекрытие между импульсами разных фаз обеспечивается собственными задержками интегральных схем.

В рассмотренной телекамере подавление тактовых наводок осу- ществляется путем использования дифференциального выхода. Уменьшить наводки можно также с помощью двойной коррелирован-

ной выборки, позволяющей, кроме того, компенсировать шумы уз力白 считывания.

Описанные выше методы связаны лишь с некоторыми вопросами преобразования и обработки видеоинформации. При решении практических задач распознавания возникает необходимость применения дополнительных мер для повышения достоверности преобразования светового поля изображения в электрический сигнал. К ним относятся рациональный выбор освещения; применение светофильтров и амплитудных корректоров; ограничение анализируемой области изображения в пределах линейного участка растра телевизионного датчика. При соблюдении этих условий указанные методы позволяют минимизировать аппаратные и программные средства. Кроме того, использование ал гор итмов, не требующих сложных и трудоемких вычислений, позволяет создавать распознающие устройства с повьь шенным быстродействием. Последнее обстоятельство является определяющим требованием при разработке систем распознавания технологических автоматов-роботов для сборки и кассетирования элементов в производстве с：рнтмом/,0—1,5 с и менее. С применением рассмотренных схемных решений и алгоритмов созданы устройства автоматического распознавания положения объектов по топологии, меткам и геометрическим микроключам. Пространственная ориен- тация ряда объектов может быть определена по выделенным характерным элементам топологии, для чего необходим анализ всего поля изображения объекта. Для решения этой задачи целесообразно применение микропроцессора. При определении объектов по расположению геометрического ключа видеосигнал, соответствующий изображению ключа, отличается от видеосигналов, соответствующих другим элементам объекта, и поэтому он может быть выделен с помощью несложного анализирующего устройства.

Глава УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА РОБОТОВ

4 И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Структурная организация управления

Широкие, возможности промышленных роботов обеспечиваются не только совершенством механизма самих роботов, но в значительной степени гибкостью и разнообразием функций их управления.

В настоящее время появились фундаментальные работы, посвященные методам исследования динамически сложных систем роботов [23], проектированию приводных систем манипуляторов [10], описанию систем управления исполнительными устройствами роботов [39] и алгоритмов управления [26 ], изложению основ создания интеллектных роботов [14, 15]. В ряде других• монографий [1, 4, 13, 19 ] также рассматриваются вопросы управления роботами и приведены интересные примеры построения устройств управления.

Основная цель данной главы заключается в том, чтобы, используя научный потенциал указанных выше работ, дать общие представления о составе л функциях устройств управления роботов и на конкретных примерах перспективных разработок показать устройства управления, характерные для той или иной их структурной группы и различающиеся своей организацией, типом функционирования и способом технической реализации.

Создание более совершенных информационных средств и реализация микропроцессорного управления ——способствуют дальнейшему развитию систем управления промышленных роботов (СУ ПР), Обобщенная функциональная схема системы управления промышленным роботом (рис. 4.1) иллюстрируют принцип работы и возможности СУ всех типов, в том числе гибкого и адаптивного управления.

Получив исходную информацию от устройства ввода-вывода 4, блок 5 проводит анализ информации. От видеодатчика И через преобразователь 10 поступает информация о ситуации в технологической среде 72, от сенсоров и датчиков 3 через преобразователь 2 поступает информация о состоянии робота и особенностях его взаимодействия с объектом.

В результате анализа блок 5 вырабатывает алгоритм управления рабочими органами робота & корректирует содержимое Заданных / и ЗУ операций 9.

Сформированный алгоритм обеспечивается контурами регулирования 6 и отрабатывается исполнительными двигателями 7 робота.

Рнс. 4.1. Обобщенная функциональнай схё^й УУ ПР

Не вдаваясь в частные особенности отдельных роботизируемых производств и не стремясь к жесткой расстановке задач по уровням иерархии, выделим три основные задачи, которые должна решать каждая СУ ПР: во-первых, управлять последовательностью различных операций, установленных технологическим или производственным процессом; во-вторых, управлять каждой

отдельной операцией и, в третьих, управлять взаимодействием со средой.

Управление п ос ледов атель н остью операций включает: организацию порядка следования операций в алгоритме (цикле) и чередования циклов; синхронизацию по быстродействию с другими видами оборудования и роботами; оптимизацию обслуживания (сокращение простоев, времени обработки заявок и т. п.).

Управление операцией охватывает управление движением и процессом захватывания, в том числе удержанием и манипулированием инструментами и объектами.

Управление движением, в свою очередь, охватывает широкий круг задач. Сюда входят перемещение в заданные точки зоны и по определенному контуру, управление скоростью, ускорением, моментами и т. д. Управление захватом связано с выполнением как простых действий типа открыть-закрыть, так и сложных. Например, очувствленным взаимодействием захвата с объектом манипулирования (ОМ) путем констатации факта касания, измерения давления, массы, формы, размеров, параметров ориентации или адаптивным манипулированием объектом путем приспособления захвата ПР к массо-габаритным, физическим и другим особенностям объектов.

Управление взаимодействием со средой строится на взаимном обмене информацией и сигналами с оборудованием, другими роботами, датчиками внешней информации, устройствами ввода-вывода, а также оператором.

Наиболее простые цикловые устройства управления обеспечивают выполнение перечисленных задач по минимальному объему, т. е. последовательность операций ——короткий цикл, число операций — минимально, управление операциями сводится к перемещению от одной точки рабочей зоны к другой, манипуляции захвата типа от- крыть-закрыть, взаимодействие со средой ограничено вводом информации с пульта и обменом сигналами с технологическим оборудованием о его готовности к началу операции, ее окончании, аварии и т. п.

В более сложных устройствах возможности расширяются. Увеличиваются число операций в цикле и число циклов, усложняются требования к обслуживанию операций, возрастает число точек пози-

ционирования захвата в рабочей зоне или требуется перемещение по контуру. Манипуляции с объектами проводятся очувствленным захватом с распознаванием их особенностей или приспособлением к ним, усложняется внешнее взаимодействие ПР с оборудованием. 。

Наиболее сложные СУ ПР адаптируются при решении каждой из перечисленных задач.

Задача управления операциями принципиально отличается от двух остальных тем, что результат ее решения воплощается в работу исполнительных механизмов (электродвигателей, пневмоцилиндров, гидромоторов и т. д.). Поэтому основное внимание при ^проектировании этого нижнего (исполнительного) уровня должно уделяться качественному и прецизионному управлению динамикой приводов роботов.

Управление динамикой роботов связано с формированием алгоритмов, расчетом программ управления, параллельной обработкой данных о состоянии робота и другими операциями. Все указанные операции выполняются на средних уровнях, которые принято называть тактическим и стратегическим [26 ]. Однако учитывая, что при определенной организации СУ ПР стратегический уровень может отсутствовать, а функции этих уровней тесно переплетаются, такое деление до некоторой степени представляется условным. Поэтому воспользуемся их общим характерным признаком — наличием алгоритмического и программного обеспечения и условимся называть средний уровень СУ ПР алгоритмическим. Подробное описание алгоритмического уровня дано в гл. 5.

В настоящее время среди двухуровневых СУ ПР большая доля приходится на устройства, работающие по жестким программам, заданным в координатах рабочей зоны, и меньшая ——на устройства с гибкой и адаптивной программой. Однако с полным основанием можно утверждать, что соотношение в ближайшее время изменится в сторону увеличения ПР с адаптивным управлением. Такие работы необходимы на сборочных операциях, где осуществляются поиск и сочленение деталей, требующие сложных движений.

I

Эксплуатация прецизионных роботов возможна лишь при наличии развитой информационной системы (см. гл. 3), что в значительной мере определяет сложность задач управления. Появляется необходимость анализа состояний внешней среды, распознавания объектов, планирования их поведения [37 ], «конструированиям механизмов движения под конкретную операцию (см. гл. 2), а также выполнения диспетчерских операций, редактирования программ, координации работы интегральных роботов и т. д.

i Перечисленные действия, свойственные системам с искусствен- 1ным интеллектом, выполняются многоуровневыми управляющими 1системами и присущи верхнему уровню, который можно считать командным.

Таким образом, обобщенной моделью управления ПР является многоуровневая система, содержащая динамический, алгоритмический и командный уровни (рис. 4.2). Чтобы оценить возможные раз- _ структурной ор_

Рис. 4.2. И&рархическая структура УУ ПР：

/ — программное управление последовательностью операц нй робота; 2 — обучение робота (ручное); 3 — программное управление процессами перемещения и захватывания объектов; 4 — адаптация к изменению параметров движения включением кор- ректнрукицнх звеньев в САУ приводами; 5 — формирование алгоритмов управления; 6 — расчет траектории двнжеиня; 7 — расчет скоростей и ускорений; 8 —обработка информации с датчиков; 9 — модель среды; 10 — модель процессов; /1 — модель робота; /2 —— модель состояния (среды, процесса, робота

наиболее характерно влияющие на изменение структуры. К числу таких признаков относятся метод управления и его реализация, способ ввода, хранения и формирования программы, а также способ согласования структуры управляющей программы и программы движения.

В зависимости от того, как осуществляется управление переменными (положением, скоростью, ускорением и т. д.) —■ непрерывно в течение всего цикла или дискретно ——выделяют три типа СУ ПР: позиционные (дискретные), контурные (непрерывные) и многопозиционные (квазинепрерывные).

Позиционные СУ отличаются прецизионностью отработки определенных позиций (точек) пространства. Управление в этом режиме организуется последовательно от точки к точке, т. е. в программе должны быть заложены координаты всех точек в ограниченном рабочем пространстве, заданном определенной системой координат. Если координаты позиций описать векторами, то можно построить систему абсолютного отсчета, а если координаты позиций задать приращениями векторов, то получим систему относительного отсчета. Так как вектор положения характеризуется абсолютной величиной и единичным вектором направления, то такое задание позиций сразу дает информацию и о диапазоне, н о направлении перемещения. Программа управления, представленная последовательностью векторов, содержится в памяти. Запрос векторов осуществляется по времени или определен логикой и условиями процесса.

Контурные СУ характеризуются воспроизведением заданных траекторий в пространстве. В этих системах помимо задач позиционного управления добавляются такие, как отслеживание заданной траектории» управление по оптимальному закону в периоды разгона и торможения, а в некоторых случаях ―■ синхронизация движений робота и объекта. В контурных СУ ПР нет необходимости задавать большое число координат точек, достаточно указать начальную и конечную позиции, а все промежуточные позиции можно описать функцией, характеризующей вид траектории.

Многопозиционные (квазинепрерывные) СУ ПР отличаются тем, что в них сочетаются элементы движения как позиционных, так и контурных систем. Истинное значение координат положения робота формулируется в режиме обучения и передается в запоминающее устройство (ЗУ) большой емкости.

По реализации метода управления различают программные и функциональные СУ,

Подготовку программ либо проводят на рабочем месте программиста, а затем вводят в ЗУ и апробируют, либо предусматривают ее формирование непосредственно в ходе технологического процесса.

По способу ввода и хранения информации выделяют аналоговые и цифровые СУ ПР. Наибольшее распространение получили цифровые системы.

Информация (команды, логические условия и координаты) может накапливаться как в общем ЗУ, так и в разных: команды и координаты записываются отдельно, а программа формируется по запросам. В обоих случаях запрос информации и команд выполняется шагами по времени или логическим условиям технологического процесса.

Кроме задания координат большое значение имеет указание в программе логических связей и условий. Часто связи реализуются аппаратно, однако большую гибкость обеспечивает программируемая память, позволяющая изменять команды, связи, координаты, переходы и др. Для объединения программных и аппаратных средств управления в единую систему служат интерфейсы.

В системах программного управления логические связи определяются технологическим или производственным процессом, устанавливаются временными сигналами или строятся комбинированным способом, причем условия технологического процесса могут подчиняться временным условиям. Структуру логических условий управления иллюстрирует рис. 4.3.

Логические условия либо заложены в самой программе движения робота и отрабатываются на каждом шаге, либо они являются программами прерывания и активируются лишь определенными событиями, например выравниванием допусков при сборке. Для обеспечения адаптивного управления структура управляющей программы должна быть согласована с программой движения. Определяющими факторами согласования являются организация ЗУ, условия перемещения, логические условия, характеристика движения, а также диагностирование и безопасность функционирования.

Для обеспечения безопасности эксплуатации робота необходимы знание и запрещение аварийных ситуаций, возникающих при неисправностях механизмов и устройств управления, т. е. требуется согласование программы управления н программы движения конкретного робота.

Выбор типа ЗУ зависит прежде всего от объема данных и среднего времени их обращения. Объем данных определяется числом координат и пополняется дополнительной информацией, влияющей на условия перемещения. Например, число функционально управляемых координат зависит от того, под каким углом к поверхности должен быть ориентирован захват, вдоль какой плоскости он должен перемещаться и какую кинематическую структуру кмеет робот. Дополнительная информация, поступающая в СУ от датчиков внешней информации, согласуется со структурой программы и влияет на выработку управляющих сигналов»

Рис. 4.3. Структура логических условий

42 Особенности управления прецизионными роботами

Организация управления начинается с определения числа управляемых координат и способа управления ими (позиционное или контурное). Табл. 4.1 показывает, каким образом может быть организовано управление роботами с различными кинематической структурой и характером перемещения захвата в пространстве операций [18]. Например, можно реализовать простую систему управления роботом — позиционную с тремя управляемыми координатами, если система координат, в которой организована кинематическая структура робота> и система координат пространства операций совпадают и не требуется ориентация захвата. При несовпадении (система координат онерацнн 以нлннпрниеская, а кинематическая структура робота организована в прямоугольной системе) появляется необходимость контурного управления.

Промышленные роботы первой структурной группы (см. гл. 1) в основном используются для операций, при которых система координат пространства совпадает с кинематической структурой робота. Это позволяет организовать позиционное управление [39]. Если манипулятор ——многозвенный с шарнирным соединением звеньев, движения робота производятся в сложной пространственной системе

1Н

Таблица 4.1. Изменение числа управляемых координат и способа управления ими в зависимости от кинематических структур роботов и применения их в различных операциях

Система координат пространства операции

Способ ориентации захвата

Системы координат и способ управления роботом

Прямоугольная

Цилиндрическая

Сферическая

Произвольная пространственная

® 2

0 2

® 2

Прямоуголь-

Без ориентации

3

一

2

3

—

3

ная

По нормали

4

—

3

—

4

5

5

6

По бинормали

5

—

3

—

—

По касательной

6

3

6

Цилиндрнче-

Без ориентации

2

3

—

2

3

2

3

3

ская

По нормали

3

4

—

По бинормали

3

5

—

3

По касательной

3

6

—

3

3

Сферическая

Без ориентации

3

2

3

—

2

3

3

По нормали

4

3

4

—

По бинормали

—

5

3

5

—-

По касательной

6

3

6

3

Произвольная

Без ориентации

3

3

3

—

По нормали

—

4

—

4

—

4

5

По бинормали

—

5

—

5

—

—

По касательной

—

6

—

6

6

координат. При этом необходим расчет положений, скоростей и ускорений для согласованного управления роботом.

Исследования движения реального исполнительного механизма выполненного по закону, близкому к оптимальному, показывают, что тахограмма движения всегда имеет характерные периоды: разгон 左，установившееся движение LCT и торможение 爲 с доводкой на «ползучей» скорости (рис. 4.4). Управление системой привода на каждом из рассмотренных периодов преследует различные цели.

Для установившегося периода цель управления ——стабилизация характеристик движения исполнительных механизмов, основанная на автоматическом поддержании в системе фиксированного значения усиления. Для переходных периодов целью является предельное управление движением, которое сводится к настройке всей системы

115

&)В)

Рис. 4.4. Тахограмма движения робота:

a — режим стабилизации (/「： /丁〈看丫^丁)； 。一режим предельного управления (/^, ^т^^уСТ)； 'р, 'уст' ^т~ врем兄 разгона, установившегося движения и торможения соответственно

привода на максимальное (минимальное) усилие. Движение робота в этом случае характеризуется скачкообразными перемещениями на малые расстояния, т. е. время установившихся периодов почти соизмерило со временем разгона и торможения.

Для описания законов управления роботами, выполняющими самые разнообразные движения, можно воспользоваться вторым законом Ньютона:

F = Mx + Cx + Км

где F ——внешняя сила; М ——масса； С ——коэффициент демпфирования; К ——коэффициент упругости; %,尤，支——положение, скорость и ускорение соответственно. Наиболее характерные законы управления сгруппированы с учетом значимости управляемых переменных 先，х, х соответственно в гругшн /, //, 111 и представлены на рис. 4.5.

В группу / объединены законы управления 2, 3, 4 роботов, основная задача которых сводится к отработке заданного положения при различных изменениях скор ости 尤 или ускорения х. В группу II объединены законы 6, 7, 8. Основной задачей управления для этой группы является управление ускорением х. В группу III объединены законы 10, //, /2, обеспечивающие управление скор остью 尤 в различных положениях и при изменяющихся нагрузках. Следует заметить, что законы /, 5, 9 характеризуются равнозначимостью двух переменных управления хих,хих,хихи могут быть организованы соответственно в / (//), / (///) и II (///) группах.

Для реализации законов группы / используются позиционные следящие системы, группы II —— скоростные следящие системы, а для реализации законов группы III ―■ следящие системы по ускорению или моменту.

Для позиционного управления роботом с высокой точностью позиционирования характерно быстрое движение с постоянной скоростью (грубо) сразу после пуска, а затем переключение на малую скор ость, движение на этой скорости (точно) и останов в заданном положении. Этот закон движения (см. рис. 4.5), с равной значимостью переменных управления % н 北 может быть организован и по- 116

зиционной и скоростной системами. Уравнения, определяющие алгоритм при позиционном и скоростном способах управления, идентичны [23], Однако наилучшие результаты дает позиционно-скоростная система управления. График 2 на рис. 4.5 соответствует непрерывному отслеживанию положения х по командам ПУСК, УСКО- РЕ^ШЕ, ТОРМОЖЕНИЕ, СТОП — что реализуется обычно при контурном управлении, а также на участках разгона-торможения при выполнении сложных движений, например, в процессе сборки деталей. График 3 иллюстрирует состояние «баланса». Основной переменной в этом случае является положение х, задаваемое по команде. С этого положения робот начинает запуск, разгон, реверс и т. п. График 4 отражает удержание робота в определенной позиции за счет приложения больших усилий. Останов в определенном 口а ложении при изменяющейся нагрузке иллюстрирует график 5. Этот закон характеризуется равной значимостью переменных % и 怠 Оста* нов робота за счет сил реакции вращающего момента в запрограмми*

рованном положений % показай на графике 6. Здесь значйМос^ь переменной х выше значимости х.

При выполнении операции сжатия за счет враш,аю1цего момента на операциях типа завинчивания шурупа (график 7) значимость переменной х выше значимости переменной 尤，поэтому для реализации этого закона необходима следящая система по моменту.

Удар под действием силы инерции характеризует график 8.

На операциях проталкивания (протягивания) вначале выполняется вращение с ускорением, а затем —— торможение за счет сжатия или удара (график 9 на рис, 4.5). Здесь значимость переменных управления 北 н 无 практически одинакова, поэтому может быть реализована как скоростная следящая система, так и следящая система по моменту.

Движение с постоянной скоростью при изменяющейся нагрузке, характеризуемое наибольшей значимостью переменной 尤，иллюстри- рует график 10. Движение с изменением скорости в заданных точках отражает график 11. На графике 12 изображено движение, аналогичное движению, показанному на графике /, с той разницей, что значимость переменной управления 尤 в этом случае выше, чем х.

Заканчивая рассмотрение основных законов движения и способов организации управления ими, необходимо отметить, что для роботов второй структурной группы (мостовых) и прецизионных роботов третьей группы почти всегда необходимо управлять ускорением (гра- фики 5——9). Законы с равной значимостью переменных л: и х, х и х (графики 5 H 9) могут быть выполнены следящими системами по положению и ускорению или скорости и ускорению соответственно. Двигатели исполнительных устройств роботов должны удовлетворять ряду специфических требований, основное из них —— увеличение отношения момента вращения к моменту инерции. В настоящее время это обеспечивается путем уменьшения габаритных размеров ротора (миниатюризация двигателя), использования вместо якоря проводников ротора (в печатном и емкостном двигателях), а также организации особого движения ротора (в эпициклическом и волновом двигателях). Другое важное требование относится к компоновке двигателя, который должен быть компактным и иметь плоскую или продолговатую форму для удобства размещения его на звеньях робота.

Рассмотрим особенности позиционно-скоростного управления многозвенным манипулятором.

При выполнении операций с помощью манипулятора (рис. 4.6), когда одно из звеньев поворачивается на больший угол, чем другие, и движется с большей скоростью, возникают «пики» ускорений на захвате. Снизить влияние ускорений можно, ограничив значения скорости линейного и вращательного движений до предельных значений, определяемых путем расчета.

Наиболее сильно влияние ускорения сказывается на участке пуска (см. рис. 4.4). Так как ускорение пуска определяется углом вращения ср, угловой скор остью о), ускорением 齿 и его изменением, то следует задавать законы изменения этих величин и обеспечить их с помощью цифровых регуляторов [26].

рис.рис.4.6. Шарнирный робот4.6. Шарнирный робот凡 ®, По, t。)в точку Р1 (%,凡 ®, По, t。)в точку Р1 (%,Для определения оптимального времени позиционирования вектора а ускорения, действующего на захват, можно разложить на три составляющие [48]: нормаль ап, бинормаль аь и касательную а± в системе координат) связанной с захватом (см. рис. 4,6). В декартовой системе координат эти векторы совпадают с осями координат. В случае произвольной системы координат вектор пространственной траектории перемещения захвата из точки П1，G)имеет видДля определения оптимального времени позиционирования вектора а ускорения, действующего на захват, можно разложить на три составляющие [48]: нормаль ап, бинормаль аь и касательную а± в системе координат) связанной с захватом (см. рис. 4,6). В декартовой системе координат эти векторы совпадают с осями координат. В случае произвольной системы координат вектор пространственной траектории перемещения захвата из точки П1，G)имеет видг ==外屮(力 T)(f),T⑼.(4.1)Векторы скорости г и ускорения г являются соответственно пер* вой и второй производными вектора г.Выражая вектор ускорения а через компоненты векторов г, г и г в той же системе координат, получимг ==外屮(力 T)(f),T⑼.(4.1)Векторы скорости г и ускорения г являются соответственно пер* вой и второй производными вектора г.Выражая вектор ускорения а через компоненты векторов г, г и г в той же системе координат, получимаа% = z% = z(4.2)(4.2)= 20i； + |p丨〒」= 20i； + |p丨〒」гдегдеI а I =丿 *Fa”P应.(4.3)

рис.

рис.

4.6. Шарнирный робот

4.6. Шарнирный робот

凡 ®, По, t。)в точку Р1 (%,

凡 ®, По, t。)в точку Р1 (%,

Для определения оптимального времени позиционирования вектора а ускорения, действующего на захват, можно разложить на три составляющие [48]: нормаль ап, бинормаль аь и касательную а± в системе координат) связанной с захватом (см. рис. 4,6). В декартовой системе координат эти векторы совпадают с осями координат. В случае произвольной системы координат вектор пространственной траектории перемещения захвата из точки П1，G)имеет вид

Для определения оптимального времени позиционирования вектора а ускорения, действующего на захват, можно разложить на три составляющие [48]: нормаль ап, бинормаль аь и касательную а± в системе координат) связанной с захватом (см. рис. 4,6). В декартовой системе координат эти векторы совпадают с осями координат. В случае произвольной системы координат вектор пространственной траектории перемещения захвата из точки П1，G)имеет вид

г ==外屮(力 T)(f),T⑼.(4.1)

Векторы скорости г и ускорения г являются соответственно пер* вой и второй производными вектора г.

Выражая вектор ускорения а через компоненты векторов г, г и г в той же системе координат, получим

г ==外屮(力 T)(f),T⑼.(4.1)

Векторы скорости г и ускорения г являются соответственно пер* вой и второй производными вектора г.

Выражая вектор ускорения а через компоненты векторов г, г и г в той же системе координат, получим

а

а

% = z

% = z

(4.2)

(4.2)

= 20i； + |p丨〒」

= 20i； + |p丨〒」

где

где

р, z, т—составляющие вектора г в цилиндрической системе координат. Таким образом, если заданы значения функций ф (0, л (О й т G)， можно найти ускорения (замедления) в период разгона (торможения). Выражения функций ①(£),刀(t), т (0 можно определить из тахограммы движения (см. рис. 4.4.) Так как

▽(0 成，

("4)("4)о

("4)

("4)

то, разбив интервал 0 —— / на три периода； разгон, установившееся движение и торможение (включая доводку на «ползучей» скорости) — и заменив интегралы суммами, запишем выражение

«—Л/д/

Ф(0 — £ 心1 兀 4 +

(4.5)(4.5)n = t2/M1心

(4.5)

(4.5)

++У ЗоА/ + Ё (®о- 3%) А/ + Фо-哼(必力十1 4=化/4分十1

+

+

Значения пределов суммирования вычисляют из выражения для угла перемещения захвата:

Аф = | Ф(к - фо|.(4.6)

Тогда решая интегральное выражение (4.4), получим

= 修1 +同生一幻+ %居卜(4.7)

Из выражения (4,7) можно определить время установившегося движения

"厶=图—%|叫靑+靑]卜(4.8)

Тогда при (/2 — /j) ^ О

Какой расчет времени потребуется для управления движением каждого звена.

Уравнение (4.4) позволяет определить скорость о)0, если известны характер функции ① ⑴ и приращение скорости

I Аф I = (^ - Фо/Ф)ФоС」。)

Скорости остальных звеньев могут быть найдены из квадратичных уравнений

По - ^кПоП + I Ат] I П = 0;(4.11)

望一疯Н + I Ат I £ = 0；(4.12)

诟=-!-1%万一k左而2 - 4[ Лф(ф).(4.13)

Аналогично рассчитывают значения 力о и 七°.

Таким образом, снизить влияние ускорений на захвате можно, изменяя параметры контуров регулирования. Для позиционно-скоростного управления можно рекомендовать точный метод ограничения значений скорости [48], который хотя и не позволяет полностью компенсировать влияние ускорений, но вполне приемлем. Основные вычисления сводятся к решению линейных уравнений вида (4.11) и (4.12).

Если в соответствии с характером выполняемой операции требуется полное исключение влияния ускорений, можно использовать «прямоугольный» метод, основанный на ограничении скорости с помощью прямоугольных функций. Ошибка приближения в этом . случае зависит от параметров А印 и /к (причем 蠹 зависит от At и Дф),； а любое отклонение от задаваемой скорости ведет к росту машинного | времени для расчетов.；

Наиболее простой метод расчета ——«пропорциональный». Им 一 можно пользоваться при управлении роботом от ЭВМ в реальном масштабе времени. Однако при перемещении звеньев робота на малые 120

Рис. 4.7. графики изменений ускорения шар-нирного робота:/ — при позиционном управлении; 2 — при ограничении максимального значения скорости; “见 —— нормальное ускорение; % — вертикальное ускорение ;4 ■— тангенциальное ускорение; t — время движенияРис. 4.7. графики изменений ускорения шар-нирного робота:/ — при позиционном управлении; 2 — при ограничении максимального значения скорости; “见 —— нормальное ускорение; % — вертикальное ускорение ;4 ■— тангенциальное ускорение; t — время движенияуглы ускорение компенсируется незначительно. Это объясняется особенностью данного метода: скор ость движения отдельных звеньев делитсяуглы ускорение компенсируется незначительно. Это объясняется особенностью данного метода: скор ость движения отдельных звеньев делится55пропорционально диапазону перемещения. Поэтому возможны большие отклонения скорости на малых перемещениях. По сравнению с точным методом приближенные (прямоугольный и пропорциональный) мепропорционально диапазону перемещения. Поэтому возможны большие отклонения скорости на малых перемещениях. По сравнению с точным методом приближенные (прямоугольный и пропорциональный) меttвремени для вычислений ивремени для вычислений итоды требуют меньшего машинного времени для вычислении и позволяют получить хорошие практические результаты (кривые 2 на рис. 4.7). Применение позиционно-скоростного управления позволяет выполнить сложные операции, требующие управления положением руки робота и ориентацией захвата с высокой точно-тоды требуют меньшего машинного времени для вычислении и позволяют получить хорошие практические результаты (кривые 2 на рис. 4.7). Применение позиционно-скоростного управления позволяет выполнить сложные операции, требующие управления положением руки робота и ориентацией захвата с высокой точно-

Рис. 4.7. графики изменений ускорения шар-нирного робота:

/ — при позиционном управлении; 2 — при ограничении максимального значения скорости; “见 —— нормальное ускорение; % — вертикальное ускорение ;4 ■— тангенциальное ускорение; t — время движения

Рис. 4.7. графики изменений ускорения шар-нирного робота:

/ — при позиционном управлении; 2 — при ограничении максимального значения скорости; “见 —— нормальное ускорение; % — вертикальное ускорение ;4 ■— тангенциальное ускорение; t — время движения

углы ускорение компенсируется незначительно. Это объясняется особенностью данного метода: скор ость движения отдельных звеньев делится

углы ускорение компенсируется незначительно. Это объясняется особенностью данного метода: скор ость движения отдельных звеньев делится

5

5

пропорционально диапазону перемещения. Поэтому возможны большие отклонения скорости на малых перемещениях. По сравнению с точным методом приближенные (прямоугольный и пропорциональный) ме

пропорционально диапазону перемещения. Поэтому возможны большие отклонения скорости на малых перемещениях. По сравнению с точным методом приближенные (прямоугольный и пропорциональный) ме

t

t

времени для вычислений и

времени для вычислений и

тоды требуют меньшего машинного времени для вычислении и позволяют получить хорошие практические результаты (кривые 2 на рис. 4.7). Применение позиционно-скоростного управления позволяет выполнить сложные операции, требующие управления положением руки робота и ориентацией захвата с высокой точно-

тоды требуют меньшего машинного времени для вычислении и позволяют получить хорошие практические результаты (кривые 2 на рис. 4.7). Применение позиционно-скоростного управления позволяет выполнить сложные операции, требующие управления положением руки робота и ориентацией захвата с высокой точно-

стью.

Фундаментальное изложение теории управления роботами и исследование их динамики, проиллюстрированное различными вариантами структурных схем, дано в работе 123]. Поэтому, опуская описание теоретических аспектов, рассмотрим сразу структурную схему управления роботом (рис. 4.8, а). Значение выходной величины, определяющей переходный процесс в системе,

- 忆 S)_ 歴f(P)」吗乂p)%м 141 一TTW) _ j” (")Гt师厂，I 切

где W (р)——передаточная функция разомкнутой системы;步另(р)— передаточная функция, определяющая связь выходной величины х

Рис. 4.8. Структурные схемы устройства управления промышленного робота:Рис. 4.8. Структурные схемы устройства управления промышленного робота:а — с регулированием по отклонению и возмущению; 6 — с простыми обратными связями; 6 — с Дополнительными обратными связями; / — объект; 2 — датчик; 3 — блок преобра* Зователя; 4 ——компаратор; д ——задающее воздействие： f ——возмущение; и — управляющее воздействие; х ——выходная величинаа — с регулированием по отклонению и возмущению; 6 — с простыми обратными связями; 6 — с Дополнительными обратными связями; / — объект; 2 — датчик; 3 — блок преобра* Зователя; 4 ——компаратор; д ——задающее воздействие： f ——возмущение; и — управляющее воздействие; х ——выходная величина44刀刀

Рис. 4.8. Структурные схемы устройства управления промышленного робота:

Рис. 4.8. Структурные схемы устройства управления промышленного робота:

а — с регулированием по отклонению и возмущению; 6 — с простыми обратными связями; 6 — с Дополнительными обратными связями; / — объект; 2 — датчик; 3 — блок преобра* Зователя; 4 ——компаратор; д ——задающее воздействие： f ——возмущение; и — управляющее воздействие; х ——выходная величина

а — с регулированием по отклонению и возмущению; 6 — с простыми обратными связями; 6 — с Дополнительными обратными связями; / — объект; 2 — датчик; 3 — блок преобра* Зователя; 4 ——компаратор; д ——задающее воздействие： f ——возмущение; и — управляющее воздействие; х ——выходная величина

4

4

刀

刀

с возмущением /; ^uf (р),渺笈〃 (р) 一 передаточные функции компет* сационного воздействия по /.

В диффер ен ци а ль н ой форме выражение (4.17) будет иметь вид

D(p)%= [М (р) + Мк (р)]Д(4.15)

где D (р) — многочлен вида D (р) = аорп + a^pi 4F ап_ур + + а几；М. (р) — соответствует первому слагаемому выражения (4.14); Mk (р) — второму слагаемому.

Переходя к выражению Лапласа, для выходной величины имеем /、— [М (б) + Mr (б)]尸(s) + Мн (s) G (s)—財(s) + 財к (s)戶 /、丄

+ 體 G(s),(4.16)

где Мн (s)——многочлен, определяемый ненулевыми начальными условиями, Мн($ = ——б?」，J —— изменяющийся в широких пределах обобщенный момент инерции; F (s), G (s)——изображения Лапласа соответственно для возмущения и входного задающего воздействия; D ⑹—$2J + skv + /?ц.

Тогда

X (s)=— G (s) +к F(s)・(4.17)

Подавление влияния внешних возмущений при одновременном сохранении желаемого соотношения вход^выход может быть осуществлено с помощью замкнутой комбинированной САУ с каналами обратной связи (рис. 4.8, б) по положению ^п и по скорости ^. В этой схеме для форсирования реакции отклика обратной связи при разгоне и компенсации инерционного запаздывания введено дифференцирующее звено s, а отрицательная обратная связь позволяет уменьшить инерционность, улучшить устойчивость и подавить колебания.

Уравнение, определяющее переходный процесс в системе при торможении, будет иметь вид

^ = 2/7^.(4.18)

Из уравнения (4.18) видно, что реакция системы существенно зависит от меняющегося момента инерции J, поэтому для компенсации этого влияния в схему необходимо добавлять дополнительную обратную связь —— канал J (рис. 4.8, в). Тогда

X(s)=⑹+ 口-尸(s).(4.19)

При этом условие критического торможения

焉= 2j/嘉(4.20)

показывает, что реакция системы уже не зависит от конфигурации руки. Для компенсации отклонений сигнала задания G (s) в схему (рис. 4.8》в) введено звено s2, а для исключения влияния силы тя-

жести груза добавлено воздействие Fg (s), равное по модулю и противоположное по знаку этой силе. Для большинства случаев использования роботов для манипулирования миниатюрными изделиями влиянием массы изделий можно пренебречь. Однако в общем случае это влияние нужно исключать. Поэтому окончательно уравнение

(4.21)(4.21)системы будет иметь вид〔 尸(

(4.21)

(4.21)

X (s)>2 + s% + & F

Из уравнения (4.21) следует, что введением корректирующих устройств по возмущению можно уменьшать установившиеся ошибки любого тапа, не влияя на устойчивость системы. Однако устранить влияние ошибок настолько, чтобы обеспечить микронную точность позиционирования роботов для прецизионных операций, нельзя, поскольку исключение установившихся ошибок выполняется лишь для возмущающих воздействий заданной формы, а ошибки от других форм возмущений полностью не компенсируются.

Таким образом, управление роботами, сочетающее в себе принцип программного управления и принцип обратной связи, реализованной по отклонению и возмущению, не обеспечивает точности, необходимой для роботов данного класса. Поэтому целесообразен адаптивный подход к организации САУ ПР с использованием идентификатора в；цепи обратной связи.

В последнее время в задачах управления и идентификации часто используются представления объекта линейной моделью состояния

% = "(z, и, а);] (4.22) x =『2(z, u, a), J

где z — вектор состояния; &, " — линейные функции; и — векторная входная переменная; х — векторная выходная переменная; а — вектор параметров.

В частном случае модель (4.22) можно представить линейной стационарной моделью в пространстве состояний^ которая однознач- но задается матрицами А, В, С, D.

(4.23)(4.23)% = Az + Ви;

(4.23)

(4.23)

x = Cz + Du.

Параметрическая модель (4.23) связана с представлением объекта передаточной и весовой функциями, которые полностью описывают управляемую часть системы, определяемую по экспериментальным входным и (0 и выходным х (/) данным.

Микропроцессорная система управления (рис. 4.9) с идентификатором в цепи обратной связи содержит центральный процессор /, оперативное запоминающее устройство 2 объемом 32К слов, дисплей 3, запоминающее устройство на гибких дисках 4, интерфейс ввода, вывода 5 и 6, четыре сервоконтроллера 7 для управления двигателями (尤，0Х, 2, 02), блок управления захватом 8? датчики пределов 9 Н панель обучения робота /0 [45]，

' Наиболее ответственным устройством, обеспечивающим высокую точность позиционирования и повторяемости, является сервоконтроллер 7.Основными функциональными устройствами сер вок онтр оллер а (рис. 4.10) являются блок функцнонального：управлб- ния / и блок обратной связи il.Блок функционального управления по командам скорости Up и положения при разгоне хр, выдаваемым микропроцессором, вырабатывает текущее положе' Наиболее ответственным устройством, обеспечивающим высокую точность позиционирования и повторяемости, является сервоконтроллер 7.Основными функциональными устройствами сер вок онтр оллер а (рис. 4.10) являются блок функцнонального：управлб- ния / и блок обратной связи il.Блок функционального управления по командам скорости Up и положения при разгоне хр, выдаваемым микропроцессором, вырабатывает текущее положенакапливать текущуюнакапливать текущуюХк ⑶11й7^=p] 丁 △丁,Хк ⑶11й7^=p] 丁 △丁,(4.24)(4.24)

' Наиболее ответственным устройством, обеспечивающим высокую точность позиционирования и повторяемости, является сервоконтроллер 7.

Основными функциональными устройствами сер вок онтр оллер а (рис. 4.10) являются блок функцнонального：управлб- ния / и блок обратной связи il.

Блок функционального управления по командам скорости Up и положения при разгоне хр, выдаваемым микропроцессором, вырабатывает текущее положе

' Наиболее ответственным устройством, обеспечивающим высокую точность позиционирования и повторяемости, является сервоконтроллер 7.

Основными функциональными устройствами сер вок онтр оллер а (рис. 4.10) являются блок функцнонального：управлб- ния / и блок обратной связи il.

Блок функционального управления по командам скорости Up и положения при разгоне хр, выдаваемым микропроцессором, вырабатывает текущее положе

накапливать текущую

накапливать текущую

Хк ⑶11

й7^=p] 丁 △丁,

Хк ⑶11

й7^=p] 丁 △丁,

(4.24)

(4.24)

Рнс. 4.9. Структурная схема микропроцессорного УУ ПР

ние %т робота во времени и ускорение а「 позволяющее нейтрализовать рост ошибки в цепи обратной связи. Блок Ч содержит компаратор 2, который сравнивает заданное значение^, скорости Up с текущим значением % и в зависимости от имеющегося рассогласования 9р >%, % < 5, %)= uj посылает импульсы из тактового генератора / в реверсивный счетчик приращения 4, В случае равенства %)= 队 переключатель Si занимает центральное положение. При этом импульсы в счетчик не передаются, и он показывает постоянное значение, соответствующее движению руки с постоянной скоростью. В период торможения скорость плавно уменьшается по оптимальному закону. Значение оптимальной скорости vb как функции пройденного пути (% ——/) хранится в ОЗУ 3, Дискретное значение скорости от компаратора 5 передается через переключатель S2 на преобразователь цифра*аналог 6 для последующего дифференцирования в блоке 7 и получения сигнала ускорения 〃т, необходимого для разгона двигателя и формирования отклика из блока //. Кроме того, сигнал ат позволяет уменьшить ошибку позиционирования. Для формирования значения пройденного пути предназначены АЦП 8 и счетчик 9・

Рис. 4.11. Схема идентификатора

Отслеживание двигателем исходного сигнала осуществляется блоком обратной связи //, который содержит датчик обратной связи 12. фильтр /5, интегратор /6, идентификатор /7, оптимальный регулятор 18 и другие устройства. Блок II позволяет точно отработать любое рассогласование % — %) благодаря возможности

информацию о параметрах и константах, немедленно определять скорость и ускорение в любой момент движения, а также формировать оптимальные значения скорости и ускорения. При этом в цепях управления не происходит насыщения в виду того, что сигнал ошибки изменяется в небольшом динамическом диапазоне. Фотоэлектрический растровый датчик угол ——код 12 вырабатывает двухфазные импульсы, накопление которых в счетчике 13 позволяет определить текущую позицию. После вычитания текущего значения %т из заданного хр разность поступает в ЦАП /4, где формируется ступенчатый сигнал ошибки положения, управляющий двигателем.

Таким образом, в отдельные периоды имеет место такое положение, когда двигатель вращается, но сигнал не меняется и сигнал положения в цепи обратной связи в течение этих периодов не вырабатывается. Для сглаживания ступенчатого сигнала используется линейный фильтр 15. Интерполированный сигнал характеризует вращение двигателя, а непрерывная его форма позволяет точно описать положение руки робота в любой момент.

Работа сервопривода робота основана на использовании информации о скорости. Из известных методов измерения скорости, получивших широкое распространение (применение; тахогенератора; пре*- образование выходного сигнала с датчика в скорость с помощью пре* образователя частота — напряжение; дифференцирование сигнала положения), ни один не применим для получения прецизионного сигнала скорости. Действительно, тахогенератор должен быть установлен на одной оси с двигателем, что приводит к увеличению размеров и снижает техническую эффективность малого робота; преобразователь частота — напряжение не позволяет обнаружить изменения скорости в случае возрастания колебательности при снижении скорости; использование информации 。положении осложняется ее чувствительностью к шумам. Поэтому в данном случае наиболее приемлем идентификатор (рис. 4.11), который моделирует статическую характеристику системы двигателя и формирует значения переменных состояния:

где Хк ——выходная ошибка положения; UK ——входная ошибка по Току,卩1,卩2 —— константы, определяемые особенностью двигателя.

125

Для решения задачи идентификации объекта (см. рис. 4.10), включающего усилитель /0, двигатель //, механизм передачи движения и датчик ^2, матриц垃 А, В, z преобразуем к виду

где 4， г2 ——переменные состояния, являющиеся скоростной ошибкой и ошибкой положения соответственно.

Дополнительные условия могут быть введены заданием всех компонент транспонированного вектора С?, например С「= (1, 0, ... 0). Тогда каноническое представление модели объекта можно записать

替=АС + В5 + D (Хк 一 СС) = (А — Dg z+ BUK + DXK, (4.25)

где z — условное математическое ожидание;

Вектор D определяется из равенства (4.25).

Так как под идентификацией понимают формирование (по входным и выходным переменным, полученным в реальных условиях работы объекта) оптимальной оценки К* истинной модели К объекта из данного класса моделей, то в данном случае поиск оценки К* сводится к многокритериальной оптимизации, которая проводится по минимуму условных математических ожиданий скоростной ошибки 2] и ошибки положения г2, а также минимума времени реакции интегратора 23. Поэтому задачу оптимизации можно свести к нахождению такого оптимального значения коэффициента обратной связи 々 = (Е,自，fe3), при котором имел бы место минимум среднего квадрата ошибок.

Для идентификации в классе линейных стационарных моделей оптимальная по критерию минимума среднего квадрата ошибки оценка

к* ⑴=J {【釣(力2 + U ⑼2} dt, (4.26) о

где g — весовая константа.

Оптимальные законы управления всеми параметрами:备，и 調， формируемыми идентификатором, и z3 — выходным сигналом с интегратора, вырабатывает оптимальный регулятор. Выражение (4.26) позволяет найти компромиссное решение при определении значения g. Увеличение g означает рост влияния параметра z§, т. е. сокращение времени реакции интегратора.

Оптимальный закон управления может быть представлен выражением

Ufe = -kx = ■- [&勾 + 々能 + 々/亦 (4,27) где % =(纭 隘 Zg)7； 一 126

Для вычисления вектора к решается рекуррентное дифференциальное уравнение методом Рунге—Кутта.

Если ранее рассматривались СУ ПР, в которых требуемое значение управляющего воздействия либо было постоянным и задавалось программно, либо изменялось по программе во времени, либо задавалось извне в процессе работы робота, то адаптивная СУ ПР с помощью идентификатора проводит поиск оптимального закона изменения управляющих воздействий для каждого момента времени при изменяющихся условиях работы.

Описанная микропроцессорная система управления использована для организации четырех движений робота: поступательных по осям % и z и вращательных вокруг этих же осей 0Х и 92. Движение 0Х осуществляется с помощью серводвигателя постоянного тока, так как для этого не требуется большой крутящий момент. Для движения вокруг оси 0г необходимо увеличивать момент кручения, поэтому используется редуктор понижающего типа с серводвигателем постоянного тока. Для обеспечения движения по х и г используется механизм винт——гайка, соединенный с серводвигателями постоянного тока. Захват открывается и закрывается пневматически. Фотоэлектрический датчик угол—код, непосредственно соединенный с двигателем, определяет положение осей. Он компактен, надежен и согласуется с цифровыми логическими схемами микропроцессора. Датчики положения х, г и 02 одинаковые, вырабатывают 1000 импульсов за оборот, а датчик 0Х — 100 импульсов за один оборот. Для повышения разрешающей способности этого датчика проводится электронное интерполирование с коэффициентом дробления шага, равным %. Это позволяет обеспечить позиционирование с погрешностью не более 0,6 мкм по осям х и г. Угловая погрешность 8^ составляет 10", что вполне соизмеримо с линейной погрешностью для осей %, г. Такие малые погрешности позволяют выполнять сложные и точные работы.

Рассмотренная выше микропроцессорная СУ ПР обеспечила управление только двигательными функциями. Однако этого недостаточно для автоматического выполнения роботом сложных сборочных операций, где сначала надо «видеть» или «осязать», а потом —действовать.

Рассмотрим структурную схему управления роботом, в составе которого имеется система восприятия информации о внешней среде. Характер работы ПР предполагает манипулирование с неориентированными объектами, поэтому его захват очувствлен.

Система управления роботом с очувствленным захватом (рис. 4.12) содержит устройство ввода информации /; микропроцессорную систему (или группу микроЭВМ) I, в состав которой входят центральный процессор 2, запоминающее устройство 3 и интерфейс 4; ЦАП 5; блок прерываний 6; АЦП 7; коммутатор 8; блоки логики 9 и 10; сервосистему //, включающую операционный усилитель /5, усилитель мощности /4, ограничитель напряжения 15 и двигатели 16\ и захват 111 с датчиками положения /厶 давления 12 и аварийной блокировки 17.

129129

129

129

Для управления роботом необходимо осуществлять его плавные поисковые движения на небольшие расстояния до момента обнаружения объекта. Затем следует управлять захватом, сжимая и разжимая его, чтобы обеспечить мягкое касание объекта в одной плоскости.

В качестве исходной информации в центральный процессор вводят значения углов сгиба

захвата, моментов в каждом его сочленении и признак состоявшегося касания (контакт ——неконтакт).

Программа, определяющая характер работы захвата, заносится в оперативную память микропроцессорной системы и занимает объем в 1К слов (слово 12 бит). Для обработки внешней информации используется объем оперативной памяти ЗК слов.

Информация о наличии касания с контактных датчиков положения поступает непосредственно в область прерывания микропроцессора и используется для управления прерыванием. В зависимости от числа таких датчиков на рабочих поверхностях захвата, меняется объем информации, поэтому передача данных ведется в несколько этапов по одному слову.

Информация о положении захвата, соответствующая форме объекта манипулирования, фиксируется потенциометрическими датчиками и поступает на коммутатор, затем на АЦП, где формируется информационное слово, и далее в виде цифрового кода поступает в микропроцессорную систему.

Информация об усилии захватывания объекта воспринимается датчиком силы (давления, момента), преобразуется в напряжение и через АЦП также поступает в микропроцессорную систему. По мере поступления, накопления и обработки информации процессор формирует алгоритм работы робота при манипуляциях с неориентированными объектами.

В микропроцессорной системе должны быть записаны программы

управления манипулятором и его очувствленным захватом, позволяющим распознавать форму и положение объектов и классифицировать их по критериям. Работа каждой из программ должна осуществляться в определенной последовательности, задаваемой программой-диспетчером. Эти обстоятельства требуют согласованной работы в одной многоуровневой системе нескольких микропроцессоров или (микроЭВМ), обеспечивающих два режима пользования: расчетно-вычислительного и управляющего в реальном масштабе времени.

Еще большие возможности открывает использование роботов с изменяемой (под конкретную операцию) структурой. Точную сборку-стыковку деталей можно выполнить даже без использования

128

обратной связи по усилию и при Наличии незначительных погрет^ ностей в размерах сочленяемых деталей. Для этого необходим точно спроектированный механизм «скольжения». Робот с управляемой структурой может выполнить самые разные операции, если система управления обеспечит моделирование «механизмов движения», опта* мизацию структуры робота (например, по минимуму управляемых сочленений) и управление сформированным механизмом.

Аппаратные средства выполнения одно- и многоуровневых систем управления.

Микропроцессоры в управлении роботами

Опыт проектирования и использования роботов первого поколения позволил создать элементную базу аппаратных средств управления, содержащую следующие устройства: задания; хранения управляющей программы, диапазонов перемещения исполнительных устройств, времени движения, переходов на другие программы; интерполирования; преобразования; кодирования; модуляции; распределения информации по входам сервосистем; связи с оператором.

В цикловых устройствах управления наибольшее распространение получили электромеханические средства задания и хранения информации: коммутационные панели, наборные поля, шаговые искатели, упоры, датчики путевого контроля, потенциометры. Расчет времени в этих системах осуществляется с помощью сдвиговых регистров, логических счетчиков, а также специальных таймеров.

В позиционных устройствах управления наиболее широко используются электрические и электронные устройства: преобразователи АЦП и ЦАП, пленочные потенциометры, дискретные генераторы ШИМ (широтно-импульсной модуляции), тахогенераторы, программируемые контроллеры и т. п.

В многопозиционных и контурных системах управления широко применяются электронные устройства: интерполяторы линейные и круговые, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), магнитные ОЗУ (МОЗУ), электронные коммутаторы, микроЭВМ типа «Электроника-60», «Электроника-НЦ», СМ-1800 и др.

Основные требования к аппаратным средствам можно сформулировать следующим образом: высокая надежность (безотказность, ремонтопригодность и долговечность); высокая точность; высокое быстродействие; малые размеры и масса; низкая стоимость.

Рассмотрим три основных варианта аппаратной реализации управления роботами:

На основе специализированных программируемых контроллеров и элементарных агрегатированных модулей, выполненных на интегральных схемах (ИС) серии К155, — для цикловых устройств.

На базе микропроцессоров — для позиционных, многопозиционных, контурных систем и систем группового ‘управления.

На основе однородных управляющих структур — в перспективе для адаптивных роботов. ，

5 Р. Ю. Бансявичюс и др.

Для цикловых устройств применяют отечественные [30] оригинальные и высокоэффективные специализированные программируемые контроллеры и элементарные агрегатированные модули, каждый из которых содержит два или три исполнительных устройства, С использованием перечисленных устройств реализовано управление роботами типа ПРП-1-2, ПРП-2-1, ПРП-2-2 и других, предназначенных для манипуляций изделиями, транспортной и технологической тарой в производстве ИС. Разработка специализированных контроллеров и агрегатных модулей явилась этапом дальнейшего совершенствования элементной базы роботов.

При разработке любой машины, состоящей из большого числа исполнительных устройств (ИУ), можно выделить группы этих устройств по степени их функциональной взаимосвязи. Взаимодействие ИУ в группе представляет собой элементарную циклическую лоследовательность операций (ЭЦПО).

ЭЦПО можно представить в виде двух- или трехмерных графов, ребра которых соответствуют переходу ИУ из начального положения в конечное и обратно, а вершины — совокупному позиционному состоянию всех ИУ. Поскольку заданная последовательность операций циклическая, т. е. исходное положение ИУ совпадает с положением после выполнения программы, то может быть только четыре варианта обхода вершин трехмерного графа: одна 8-шаговая, две 6-шаговых и одна 4-шаговая последовательности операций (последний случай ——обход вершин одной из граней ——для группы из двух ИУ). Все остальные варианты сводятся к рассмотренным посредством замены переменных и смещения начальной точки цикла.

Предлагаемые алгоритмические модули осуществляют четыре ЭЦПО исполнительных устройств, входящих в группу, образующую агрегатированный модуль: одну 8-шаговую, две 6-шаговых и одну 4-шаговую (рис. 4.13).

Каждый из модулей имеет информационные входы и выходы для объединения нескольких алгоритмических модулей и связи с внешними источниками информации, а также входы, позволяющие модифицировать каждый из четырех модулей, для обеспечения возможности управления ИУ различных типов (например, электромеханиче-

рис. 4,14. Структурная схема элементарного агрегатированного модуля для трех ИУ

скими или пневматическими приводами) и реализации реверса ЭЦПО в пределах каждого модуля по команде извне. На основе описанных моделей выполнены четыре специализированных контроллера для цикловых устройств управления (рис. 4.14). В составе модуля имеется контроллер и два или три ИУ. Управляющие вхо- ды 5 и контроллера соединены со входами ИУ, определяющими соответственно прямой и обратный ход, а информационные входы 5 н 6 — с датчиками начального и конечного положения ИУ. На входы Яо — Я7

互互Но丁豆竹互互Но丁豆竹daca-EH-°工daca-EH-°工ИУИУ〃？〃？контроллера подаются стартовые

互

互

Но丁

豆

竹

互

互

Но丁

豆

竹

daca-EH-°工

daca-EH-°工

ИУ

ИУ

〃？

〃？

сигналы, позволяющие прерывать и возобновлять цикл в точках, совпадающих с вершинами графа, описывающего соответствующую ЭЦПО (см. рис. 4.14).

Входы Ко — К? контроллера обеспечивают получение информации о нахождении ИУ в состояниях, совпадающих с одной из вершин графа. Входы "? и выходы К? используются для связи одного

контроллера с другими при проектировании систем из нескольких агрегатированных модулей. Вход / предназначен для реверса последовательности, а вход 2 ——для прерывания ее в любом положении (аварийный «стоп»).

Необходимость программирующих входов 7 контроллера вы* звана тем, что по реакции на управляющие воздействия ИУ могут быть представлены двумя моделями, Для первой модели необходимым условием перехода из одного фиксированного состояния в другое являются наличие управляющего сигнала в момент перехода и его исчезновение при достижении устройством нового состояния (например, механизмы с реверсивным и нереверсивным электроприводом). Ко второй модели относятся устройства, для которых необходимым условием перехода из одного фиксированного состояния в другое является сохранение значения управляющего сигнала в течение времени от начала перехода в одном направлении до начала перехода в обратном направлении (например, пневмоцилиндры).

На основе ЭЦПО реализована программа работы робота для переукладки деталей с конвейера в кассету (рис. 4.15). Робот имеет механизмы вертикального и горизонтального перемещения и захват, снабженные датчиками начального и конечного положения. Анализ алгоритма работы робота показывает, что его циклограмма отождествляется с 8-шаговой ЭЦПО. Для структурной организации агрегатированного модуля достаточно соединить входы датчиков начального и конечного положения со входами контроллера, реали-

зующего алгоритм 8-шаговой последовательности, а выходы контроллера ——со входами ИУ. Так как все ИУ пневматические, то на входы 7 (см. рис. 4.14) необходимо подать сигнал «1», а на все входы "1 —— Я7 — сигнал «О». Вход Яо соединяется с датчиком, фиксирующим прохождение детали по конвейеру. К этому сводится процесс проектирования, сборки и наладки модуля.

Примером реализации более сложного циклового управления с применением агрегатированных модулей может служить устройство, используемое в роботе ПРП-2-2. Этот робот имеет шесть ИУ и выполняет цикл из 26 шагов. Для реализации такого цикла использованы три ЭЦПО (рис. 4.16): 8-, 6- и 4-шаговые. Чтобы представить заданную последовательность операций в виде стандартных ЭЦПО, использован следующий прием. Одно из ИУ в 8-шаговой последовательности (ИУ z‘) имитируется 6- и 4-шаговыми последовательностями: вместо сигналов с датчиков начального и конечного положения на соответствующие входы контроллера подаются сиг- ншш:

2й = К；7^зУ^;

Аналогично в 6-шаговой последовательности в качестве ИУ z нс пользована 4-шаговая последовательность.-

Рассмотренный метод [30 j позволил проектировать сложные цикловые структуры из стандартных агрегатированных модулей, реализующих элемен-

Рис. 4.15. Промышленный робот для загрузки деталей:/ — захват; 2 — механизм горизонтального перемещения;・3 — механизм вертикального перемещения; 4 — деталь； 5 — конвейер; 6 — кассета с деталямиРис. 4.15. Промышленный робот для загрузки деталей:/ — захват; 2 — механизм горизонтального перемещения;・3 — механизм вертикального перемещения; 4 — деталь； 5 — конвейер; 6 — кассета с деталямиРис. 4.16. Пример реализации сложного цикла с помощью трех ЭЦПО：

Рис. 4.15. Промышленный робот для загрузки деталей:

/ — захват; 2 — механизм горизонтального перемещения;・3 — механизм вертикального перемещения; 4 — деталь； 5 — конвейер; 6 — кассета с деталями

Рис. 4.15. Промышленный робот для загрузки деталей:

/ — захват; 2 — механизм горизонтального перемещения;・3 — механизм вертикального перемещения; 4 — деталь； 5 — конвейер; 6 — кассета с деталями

J — опускание; 2 — смена захвата; 3 — подъем; 4 — опускание крышки; 5 — опускание кассеты； 6 — выключение расфиксатора； 7 — захватывание крышки; 8 — захватывание кассету； 9 — ззхватырание носителя

тглтглDuc 4.17. Микропроцессорный комплект Н БИС:

тгл

тгл

Т「一 тактовый генератор; ЦП — центральный процессор; СК — системный Контроллер; ППЗУ — программируемое постоянное запоминающее устройство; 03y — оперативное запоминающее устройство; При, ПсИ — параллельный ” и последовательный интерфейсы

тарные алгоритмы, соединение которых описывается простыми алгебраическими выражениями.

Применение отработанных алгоритмических модулей, описывающих взаимодействие двух

или трех ИУ, позволяет использовать категории повышенной размерности и обеспечивает возможность взаимодействия ИУ в достаточно сложных системах.

Описанные аппаратные средства приемлемы для роботов с жесткой циклограммой работы и используются для реализации автономных устройств управления нижнего (динамического) уровня в сложных иерархических системах.

Для реализации более сложных систем управления используются микропроцессоры и микроЭВМ. В основу построения микроЭВМ может быть положен микропроцессорный комплект больших интегральных схем (БИС). Комплект кроме центрального процессора Включает ряд БИС для подключения переферийных устройств и БИС для расширения системных возможностей микроЭВМ (рис. 4.17). Например, БИС последовательного интерфейса может использо ваться в качестве приемо-передатчика в системах телеграфной связи й при построении контроллеров видеотерминалов; БИС параллель* кого интерфейса — при построении контроллеров практически всех Типов внешних устройств с параллельным способом обмена инфор* мацией и в качестве универсального программируемого коммутатора Параллельных потоков информации; БИС пр огр аммируемого таймера — как времязадающее устройство или программируемый генератор в системах автоматики; БИС контроллера прямого доступа к памяти — для организации режимов прямого доступа к памяти как в вычислительных системах, так и для построения контроллеров накопителей на магнитных дисках, лентах; наконец, БИС программируемого контроллера прерываний — для построения устройств прерывания, дискретных вычислительных устройств и устройств автоматики.

При построении СУ, базирующихся на микроЭВМ, необходимо правильно распределить функции между программными и аппаратными средствами с целью обеспечить оптимальные значения параметров управления. Разбиение СУ на модули облегчает их обслужи^ вание в процессе промышленной эксплуатации. В модульной СУ центральный микропроцессор решает задачи программного управле^ ния, а периферийные устройства (контроллеры) осуществляют накопление и элементарную обработку быстро меняющейся входной информации* 一 ’

В качестве примера рассмотрим структурную схему системы управления технологическим роботом, которая выполняет следующие функции: управление циклом робота; определение параметров и положения объектов; контроль и индикация правильности выполнения технологических операций распознавания, ориентации и кассетирования элементов (рис. 4,18), Ядром системы является центральный процессор 〃/7. Программы управления робота, ввода и обработки изображения хранятся в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве ППЗУ емкостью 4K 16-разрядных слов. Связь элементов системы с каналом процессора осуществляется через устройство параллельного обмена УПрО, имеющего 16 входных линий для ввода данных из внешнего устройства в ЭВМ, 16 выходных линий и 4 управляющие линии.

На вход УПрО через усилители-формирователи УФ поступают сигналы 〃С информационной системы от органов управления ОУ, контрольно-измерительных КИД и путевых ПД датчиков. Видеосигналы ВС с телевизионного датчика ТВД и импульсы дискретизации ИД поступают из накопительного регистра НРг. Выходные сигналы управления поступают на усилители мощности УЛ4 и в виде цифрового кода перемещения ЦКП ——на контроллер позиционера, в который входит схема обработки заданных перемещений СОП, схема 〃2, генератор управляемого напряжения ГУН и распределитель импульсов Р〃 для шаговых двигателей. Для увеличения числа линий и управления обменом информации служит расширитель ввода-вывода, включающий: схему логики прерывания с дешифра-

Рис, 4.18. Структурная схема системы управления технологическим роботом:

ЭИ — элементы нидикацни; БП1, ВП2 — блоки питания

тором субадреса ЛПДС\ селектор-мультиплексор QW; регистры управляющих сигналов РгУС. При таком построении интерфейса обращение ЦП к внешним устройствам происходит следующим образом. Сначала в два разряда регистра состояния УПрО заносится код субадреса, а затем адресуются входной или выходной буферные регистры УПрО. При этом число адресуемых линий связи возрастает с 32 до 128.

Рассмотрим первую функцию —— управление циклом работы робота. Таймерные импульсы ТИ с частотой сети /с осуществляют прерывание выполнения программы ЦП. При этом, во-первых, происходит увеличение содержимого программного счетчика, работающего в реальном масштабе времени, во-вторых, с входных регистров считывается информация и выдаются рассчитанные значения управляющих сигналов. Если входная информация не совпадает с информацией, введенной в предыдущем такте, то определяются сработавшие датчики и в соответствии с циклограммой рассчитываются следующие значения управляющих сигналов, которые в виде сформированного цифрового кода выдаются в последующем такте. Для того чтобы во время ввода изображения объекта управление циклом робота не приостанавливалось, в схеме ЛПДС предусмотрено подключение к каналу прерывания вместо тактовых импульсов кадровых синхроимпульсов КСМ)вырабатываемых схемой стробирования видеосигнала СВС контроллера телевизионного датчика.

Синхронизация выдачи управляющих сигналов с частотой сети дает возможность включать через усилители мощности исполнительные механизмы ИМ переменного тока в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, что обеспечивает снижение уровня помех и уменьшение коммутационных перегрузок силовых ключей. Такой способ организации управления приемлем лишь в случае, если задержка в реакции СУ на время тактового интервала (примерно 20 мс) не существенна для нормального функционирования управляемых механизмов робота. Например, для прямого управления от ЭВМ много координатным позиционером на шаговом приводе требуется программным путем формировать тактовые интервалы с частотой повторения до 2——3 кГц и выше. В таком случае целесообразнее разделить функции управления между микропроцессором и контроллером, т. е. специализированным устройством управления. Требуемая программа позиционирования хранится в памяти микропроцессора, и в соответствии с ней перед началом движения последний выдает в контроллер позиционера на шаговый привод коды перемещений по линейным и угловым координатам. Формирование сиг- налов включения фазных обмоток шаговых двигателей и отработка заданных перемещений осуществляются соответствующими электронными устройствами контроллера.

Второй функцией СУ является определение параметров положения объекта. При поштучной выдаче объектов из неупорядоченной массы последние могут занимать одно из восьми фиксированных положений (с учетом предварительного базирования по боковым гра-

ням). Ориентация объектов в пространстве осуществляется послеДо- вательно по линейным и угловым координатам. Изображение топологии объекта формируется с помощью сканирующего телевизионного датчика. Применение телекамеры с использованием матричного формирователя сигналов позволяет получить высокую равномерность видеосигнала по полю изображения и малые геометрические искажения. Поэтому для получения двухградационного изображения можно использовать амплитудный дискрирлинатор АД без следящего порога. Камера работает в режиме телевизионного стандарта: частота кадров 50 Гц, частота строк 15 625 Гц, число строк в кадре 312.

Для ввода изображения в память ЦП служит контроллер телекамеры, выполняющий следующие функции: квантование видеосигнала на два уровня и его дискретизацию вдоль строки на 128 интервалов; последовательную запись в выходной регистр цифровых кодов фрагментов изображения (в процессе сканирования изображения); синхронизацию ввода данных в ЦП. Для ввода изображения использован программный канал обмена данными. При таком способе во время кадра в микроЭВМ вводится часть изображения, представляющая собой вертикальную полосу шириной в 16 элементов разложения. Для ввода всего изображения необходимо 0,16 с, причем во время ввода кадровые синхроимпульсы используются в качестве таймерных. В телевизионной системе использован способ «электронного увеличения» изображения с целью обеспечить резерв времени на отработку программы управления циклом робота в пределах тактового интервала. Др耳 этом область объекта, подлежащая анализу, проецируется лишь на часть поверхности матричного формирователя видеосигнала. Чтобы не потерять полезную информацию, число вводимых в ЦП строк растра остается неизменным. Время, в течение которого сканируется неинформативная часть изображения, используется для управляющей программы. Это возможно при условии, что для анализа требуется вводить все 312 строк телевизионного кадра. В рассматриваемом случае увеличение оптической системы выбрано таким, что изображение объекта покрывает 2/3 растра. Таким образом, примерно 30 % от длительности кадра используется для управления циклом технологического робота. '

Описанная система управления может быть использована для различных технологических роботов аналогичного назначения. При этом вновь разрабатывать необходимо лишь программное обеспечение, а аппаратные средства меняются незначительно. Использование микроЭВМ в контуре управления сложным комплексом, состоящим из нескольких подсистем, изменяет и расширяет его функциональные возможности по сравнению с организацией на универсальных ЭВМ [21 ]. В каждую подсистему может входить большое число абонентов, взаимодействие которых синхронизируется службой единого времени. Подсистемы обмениваются информацией между собой и комплексом, находящимся на более высокой ступени иерархии. Сравнительно невысокая стоимость и массовое производство микроЭВМ позволяют решать задачу управления самым нижним уровнем 136

рнс. 4.19. Схема управления группой програм-Г"

маторов от центральной ЭВМ审口咿依巨口只 ЗВМ

технологических процессов. Вместе с тем низовые устройства управления, поддерживающие заданный технологический регламент, должны работать в рамках общей иерархической структуры ' управления [24 ]. Например, одна центральная ЭВМ через устройство согласова

ния УС может управлять работой "『 пг 。・• nN целой группы программаторов П1,-」 '~

П2, …，UN (рис. 4.19). Подобная система может быть собрана на базе автономных программаторов, работающих от перфолент ПЛ, причем наиболее удобным является построение системы с двухпроводными линиями связи.

На рис. 4.20 представлена схема двухуровневой системы управления группой из N технологических автоматов, объединенных единой транспортной системой в автоматическую линию. Каждый автомат линии имеет свой блок управления БУ1, БУ2, ... БУ^ на основе микропроцессора, который более детально показан на рис. 4.18. Блок управления технологическим автоматом кроме микропроцессора МП с аппаратурой сопряжения АС включает ППЗУ, устройство обмена данными УО, блок датчиков К〃4 выходные устройства ВУ и пульт оператора ПО. Блоки КПД и ВУ помимо двухпозиционных датчиков и силовых ключей содержат датчики растрового типа и устройства цифрового регулирования. Микро-

Рис. 4.20. Схема двухуровневой системы управления группой технологических автоматовРис. 4.20. Схема двухуровневой системы управления группой технологических автоматов

Рис. 4.20. Схема двухуровневой системы управления группой технологических автоматов

Рис. 4.20. Схема двухуровневой системы управления группой технологических автоматов

процессор в составе нижнего уровня управления выполняет задачи программного управления различными приводами и вырабатывает управляющие коды для регулирования технологических режимов. Блоки управления технологических автоматов через общий канал связи соединены с микроЭВМ верхнего уровня, обладающей расширенным набором периферийных устройств ввода-вывода информации. В микроЭВМ входят МП (аналогичный МП БУТ) с интерфейсными устройствами ИУ, ОЗУ и ПЗУ, накопитель на гибких магнитных Дисках НГМД, фотосчитыватель ⑦С, перфоратор П, электрическая пишущая машинка ЭПМ и дисплей Д для оперативного управления автоматической линией (ЛЛ).

МикроЭВМ верхнего уровня управления решает системные задачи, оптимизируя работу технологических автоматов, входящих в автоматическую линию, с целью достижения оптимальных выходных параметров и режимов. Кроме обработки контрольно-учетной информации микроЭВМ верхнего уровня решает также диагностические задачи и осуществляет прогнозирование временных интервалов безотказной работы автоматической линии. При наличии интегрированной АСУ цехового уровня в СУ АЛ должен быть предусмотрен выход на центральный вычислительно-управляющий комплекс.

Многоуровневые СУ позволяют упростить разработку математического обеспечения за счет модульного построения операционных систем. Важным обстоятельством является то, что разделение функций управления по уровням дает возможность наращивать и модифицировать модули управления без существенной переработки программных и аппаратных средств. А это в свою очередь позволяет сократить сроки и стоимость разработки СУ.

Перспективным средством управления роботов являются однород- нне управляющие структуры (ОУС), аппаратно реализующие новые принципы построения управления [30 ]. Основу ОУС составляют ячейки, реализующие фазовое пространство объекта управления и моделирующие его положение и перемещение.

Каждая ячейка удовлетворяет следующим требованиям: генерирует собственный сигнал возбуждения, передает, задерживая, или блокирует сигналы от соседних ячеек и запоминает информационную связь от первого пришедшего сигнала возбуждения. Булева функция, описывающая перечисленные возможности одной ячейки, имеет вид

y(/) = Qx。” 1) ув« — &。(/一 1) &с。，

где У (0 — функция выхода ячейки; п ——число степеней подвижности робота; и ——индекс соседней ячейки; %?——вход ячейки, подключенный к выходу соседней ячейки с индексом и; В ——сигнал генерации возбуждения (5 = 1); D — сигнал блокировки (Z? — 0) и сигнал передачи (D = 1); Со ——сигнал возврата ячейки в исходное, невозбужденное, состояние.

Универсальность управления на основе ОУС позволяет использовать одну и ту же схему для самых разных задач управления ро- 138

ботами. Экспериментальная проверка работы ОУС проведена на макете манипулятора, действующего в трехмерной рабочей зоне с препятствиями [30 ]. В составе системы управления было задействовано 960 ячеек, выполненных на ИС серии К 134.

Ввиду высокой однородности ОУС и простоты отдельных ячеек вполне оправдано изготовление фрагментов ОУС в виде БИС и на базе гибридной технологии.

Групповое управление в робототехнических комплексах

Структурная организация систем группового управления может быть представлена несколькими вариантами, различающимися числом каналов передачи информации и способами подключения устройств. Наиболее широко используются следующие три варианта систем: последовательная с радиальными каналами; с общей шиной; с индивидуальными шинами.

Последовательная система (рис. 4.21) является наиболее простой и содержит центральную мини-ЭВМ, к которой подключено несколько периферийных микроЭВМ по собственным линиям связи. Каждая периферийная микроЭВМ имеет оперативные и постоянные запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ) и др. Поэтому отказ любой периферийной микроЭВМ не приведет к отказу всей системы, но функции отказавшей машины другими машинами не могут быть выполнены. Центральная мини-ЭВМ одновременно может вести обмен информацией только с одной периферийной микроЭВМ.

Систему с общей шиной (рис. 4.22) применяют в случае недостаточной мощности одного микропроцессора для решения требуемых задач или при необходимости одновременного выполнения нескольких взаимосвязанных задач. В этом случае все микропроцессоры используют общие шины данных и адресов, работают с одним устройством памяти и устройствами ввода-вывода. Такой асинхронно действующий канал позволяет одновременно управлять движениями

Рис. 4.21. Схема группового управления с последовательными линиями связи：

/ — центральная мннн-ЭВМ; 2, 4 — периферийные микроЭВМ или процессоры; 3, 7, 8 —устройства ввода-вывода; 5, 6 — роботы

Рис. 4.22. Система группового управления, организованная по принципу «общей шины»: / — устройство ввода с перфоленты; 2, 3, 4 — исполнительные приводы; 5, 6、7 — микропроцессоры; 8, 9 — шины для передачи данных и адресов соответственно; 10 — схема прерываний; 11 — устройство памяти

ществом такой структуры являетсяществом такой структуры являетсяРис. 4.23. Система группового управлений с индивидуальными шннамн：

ществом такой структуры является

ществом такой структуры является

/ — общая память; 2 — память системного диспетчера; 3 — устройство ввода- вывода; 4 ——устройство формирования адреса; 5 — формирователь данных; 6 — периферийные устройства ввода-вывода; 1 — ОЗУ индивидуального модуля; 8 ― микропроцессор; 9, /0, ” 一 общие шины адреса, чтения (записи) и даниых соответственно; /, II — микропроцессорные модули

по нескольким координатам, т. е. обеспечивает не только позиционное, но и контурное управление. Важным преиму- то, что несколько недорогих мик

ропроцессоров могут заменить один сложный, дорогостоящий. Суть работы системы сводится к периодическому доступу каждого микропроцессора к общей шине, поэтому общее число подключаемых микропроцессоров ограничивается возможностью использования шины. К недостаткам этой структуры относится необходимость совместного размещения процессоров и снижение производительности всей системы вследствие их взаимодействия.

Система с индивидуальными шинами построена на базе микропроцессорных модулей. Каждый модуль содержит ОЗУ и ПЗУ, с которыми он взаимодействует по индивидуальным шинам. В то же время каждый модуль имеет доступ по общей шине к общей памяти и периферийным устройствам (рис. 4.23). Таким образом, эта структура сочетает в себе достоинства рассмотренных выше структур и позволяет использовать модульный принцип для построения аппаратных средств управления. (Под модулем понимают автономное, логически завершенное и конструктивно оформленное устройство, выполняющее определенные функции).

Три варианта организации микропроцессорных модулей приведены на рис. 4.24. ~

В первом варианте (рис. 4.24, о) функции сравнения положения объекта и координат звеньев робота передаются ЭВМ, а контроллер отрабатывает сигнал ошибки путем обработки приращений координат.

Рис. 4.24. Три варианта организации микропроцессорных модулей：

а — с разделением памяти и ввода-вывода; 6 — без интерфейса центрального процессора： в — высоконадежная и высокоскоростная структура： / ——центральный процессор; 2 ——запоминающее устройство; 3 ——постоянное запоминающее устройство; 4 ——интерфейс нейтрального процессора; 5, 6 — интерфейсы ввода-вывода; 1 — устройство ввода-вывода информации

а)Ф

17

!YU!

Во втором варианте (рис. 4.24, б) функция сравнения положения объекта с текущими положениями звеньев робота возлагается на контроллер. ЭВМ выполняет дополнительные операции: распознавание образов, расчет усилий захватывания и т. п.

В третьем варианте (рис. 4.24, в) контроллер робота вычисляет положения звеньев робота и выполняет ряд функций памяти, а ЭВМ указывает начало и конец операций, изменение характера работы робота и выполняет ряд операций по сбору и обработке статистических данных.

Совмещение работы модулей обеспечивается программными методами, при этом большое значение приобретает выбор стратегии обработки информации. Модульный принцип позволяет воспользоваться концепцией структурного синтеза для построения цифровых систем управления различной степени сложности, ориентированных на высокоуровневые языки программирования. Модули могут значительно различаться по степени сложности ——от простых интерфейсных устройств до сложных процессоров. Это позволяет строить различные управляющие структуры.

■ На рис. 4.25 показана модульная структура системы управления конвейерным комплексом, работающая в производстве изделий электронной промышленности, выполненная на основе мини-ЭВМ PDP 11/10 и организованная по иерархическому принципу подчинения. Система работает в реальном масштабе времени. Обучение и отладка системы осуществляются с помощью телетайпа. Программа работы записана на специальном проблемно-ориентированном языке высокого уровня ALFA и предусматривает три режима — «Обучение», «Контроль» и «Работа» [44].

Эта си-Эта си-Модульная структура СУ, реализующая принцип группирования

Эта си-

Эта си-

Рис. 4.25. Модульная система управления конвейериым комплексом на базе ЭВМ PDP 11/10:Рис. 4.25. Модульная система управления конвейериым комплексом на базе ЭВМ PDP 11/10:вокруг центрального процессора, приведена на рис. 4.26. стема также позволяет управлять ПР в реальном масштабе времени, а все диспетчерские функции миниЭВМ выполняет в режиме разделения времени. Естественно, что наиболее от-

Рис. 4.25. Модульная система управления конвейериым комплексом на базе ЭВМ PDP 11/10:

Рис. 4.25. Модульная система управления конвейериым комплексом на базе ЭВМ PDP 11/10:

вокруг центрального процес-3, 4, 11, 12 — панели упра-14 — промышленные роботывокруг центрального процес-3, 4, 11, 12 — панели упра-14 — промышленные роботы/ ——память на магнитных дисках; 2 — датчики внешней информации； 3 — управляющая ЭВМ; 4 ——микропроцессор (исполнительный); 5 — пульт управления： 6 — телетайп; 1 一 Устройство ввода с магнитной леиты; 8 —— система сервоприводов； 9 — промышленный робот

вокруг центрального процес-

3, 4, 11, 12 — панели упра-

14 — промышленные роботы

вокруг центрального процес-

3, 4, 11, 12 — панели упра-

14 — промышленные роботы

Рис. 4.26. Модульная система управления с группированием сора：

/ — память емкостью 8 —32К слов; 2 — мини-ЭВМ UPL-12; вления; 5, 6, 9, /0 ——интерфейсы ввода-вывода; 7, 8, /3,

Рис. 4.27. Матричная структур системы группового управления роботами：

М3У，Муу — модули памяти и управления; У СО — устройство связи с объектом; РТК — робототехнический комплекс; s — число строк в матрице; п — число столбцов в матрице; а, с,总一индексы, соответствующие алгоритму движения, среде и координате

ветственной частью всей системы является блок памяти. В зависимости от числа управляемых роботов объем памяти может изменяться в диапазоне 8K—32К слов (слово 16- разрядное). Использова

ние ЭВМ в качестве центрального блока имеет большие преимущества и позволяет добиться высокой гибкости и возможности дальнейшего расширения системы за счет дополнения программного обеспечения и практически без изменения аппаратной часта системы управления.

Ярким примером группового управления роботами является крупный робототехнический комплекс (РТК) одного из часовых заводов. В комплексе линии роботы различного назначения и уровня сложности. СУ представляет собой сложный вычислительный комплекс —микропроцессорную сеть. Элементы сети — процессоры соединены между собой линиями связи и работают согласованно. В составе математического обеспечения пакеты программ диспетчерского (оперативного) уровня и семейства операционных систем. Структура базы данных имеет два уровня и полностью размещена в магнитном оперативном запоминающем устройстве (МОЗУ) миниЭВМ. Первый уровень управляет станциями и блоками данных в МОЗУ. Второй уровень ——база данных, которые хранятся и выполняются в виртуальной среде на первом уровне

Перспективой развития структуры систем управления РТК являются однородные структуры, системы с переменной структурой и высокопараллельные структуры. Эти структуры в практике робототехники пока не нашли применения, но не вызывает сомнений, что именно на их основе будут создаваться системы управления роботами и комплексами следующих поколений. Такие системы могут быть созданы на основе широко применяемой в настоящее время ЭВМ «Электроника-60», а также «Электроника 60-1», «Электроника НЦ-80-01 ДМ», «Электроника 80-20/2», «Электроника 80-20/3» и др.

Матричные системы, известные как однородные структуры, позволяют оперативно изменять структуру СУ в зависимости от условий задачи. На развитие модульных СУ ПР, как и на создание матричных вычислительных сред, огромное влияние оказывают достижения в области микроэлектроники, например создание одноплатных 142

микропроцессоров, узлов микроЭВМ и т. п. Модульную структуру СУ можно представить в виде комплекса самостоятельных и взаимодействующих между собой модулей, образующих матрицу (рис. 4.27). Причем модули одного функционального назначения (модули обработки сенсорной информации, алгоритмов движения, координат управления и т. п.) образуют столбец, а модули одной строки формируются в соответствии с фазами решения задачи. (Каждая фаза в этом случае реализуется несколькими модулями). Модули одного функционального назначения могут иметь связь как между собой, так и с модулями другого функционального назначения

Такая организация позволяет реализовать гибкое многофункциональное управление, необходимое для развитая и совершенствования СУ роботами.

Глава АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ

5 ОБЕСПЕЧЕНИЕ РОБОТОВ

Совершенствование промышленных роботов, направленное на повышение их функциональной гибкости и упрощение программирования, привело к необходимости использования ЭВМ и потребовало создания развитого программного обеспечения промышленных роботов. Программное обеспечение робототехнических комплексов содержит многие компоненты, характерные для современных ^вычислительных систем реального времени. Рассмотрению сущности и состава программного обеспечения, языковых средств и способов восприятия роботами информации об окружающей среде и посвящена данная глава. Следует отметить, что излагаемый в ней материал относится в первую очередь к прецизионным промышленным роботам, однако он без труда может быть распространен также на промышленные роботы и робототехнические системы общего назначения, управляемые с помощью ЭВМ. Специфика алгоритмического и программного обеспечения прецизионных роботов может проявляться в некоторых операторах языка программирования этих роботов, а также в организации и функционировании программных драйверов приводов.

Структура программного обеспечения

В состав программного обеспечения промышленных роботов, управляемых от ЭВМ, могут входить следующие компоненты: 1) операционная система реального времени; 2) язык управления роботом; 3) системные и сервисные программы; 4) функциональные программы. 瓷

Операционная система является ядром программного обеспечения промышленного робота, управляемого с помощью ЭВМ. Эта система представляет собой совокупность специальных программ, предназначенных для управления системными, сервисными и функциональными программами, облегчения процесса создания новых функциональных программ, обработки разнообразных прерываний (в том числе прерываний от сенсорных устройств робота), реализации операций ввода-вывода, организации и доступа к файловой системе и повышения производительности труда персонала, занятого программированием промышленных роботов. Как правило, операционная система робота функционирует в режиме реального времени. 144 -

Более подробное описание операционных систем промышленных роботов приводится в следующем параграфе.

Язык управления служит основным средством для программирования задач робота и управления всем робототехническим комплексом в целом. Соответственно своему назначению язык управления содержит два компонента — язык программирования задач робота и командный язык, или язык директив. Язык программирования роботов характеризуется определенным уровнем (низким или высоким) и по своим функциям подобен обычному языку программирования ЭВМ соответствующего уровня, дополненному операторами, специфичными для промышленных роботов. К таким операторам относятся, например, операторы перемещения руки робота, открытия и закрытия захвата, опроса состояния сенсорных устройств, выдержки заданного интервала времени и т. п. Нередко в язык программирования включают операторы для организации параллельного выполнения и синхронизации задач, что особенно важно при программировании роботов с двумя и более руками.

Второй компонент языка управления роботом ——командный язык, или язык директив,——предназначен для организации диалоговой связи человека-оператора с роботом. Командный язык дает возможность устанавливать режим функционирования робототехнического комплекса, вмешиваться в процесс выполнения задачи роботом, приостанавливать робот в критических или необычных ситуациях, осуществлять дистанционный контроль действий робота и т. п. Командный язык обычно существенно отличается от языка программирования по своей синтаксической структуре.

В состав системных и сервисных программ робототехнического комплекса, управляемого от ЭВМ, могут входить системный загрузчик, компилятор или интерпретатор языка программирования, редактор текста, компоновщик транслированных программ, отладчик программ, программы организации файлов и доступа к файлам, тестовые программы и т. п. Обычно состав системных и сервисных программ определяется разработчиками робототехнического комплекса и остается неизменным в процессе эксплуатации робота, если не считать исправления выявленных ошибок.

Функциональные программы предназначены непосредственно для реализации функциональных задач робота (таких, как приварка выводов к контактным площадкам микросхем, сборка микросхем, упаковка деталей и т. д.). Эти программы обычно разрабатываются пользователями в зависимости от конкретных условий применения роботов. В состав функциональных программ могут быть включены одна или несколько демонстрационных программ, дающих возможность оперативно проверить работу робота на некоторых стандартных задачах.

Состав и иерархия основных компонентов программного обеспечения роботов, управляемых от ЭВМ, а также связь программного обеспечения с оборудованием робота и с человеком-оператором (или программистом)- показаны на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Основные компоненты программного обеспечения промышленных роботов, упра- вляемых от ЭВМ, и их связь с человеком- оператором и оборудованием робота

Важным вопросом организации и сопровождения программного обеспечения робота является выбор подходящего машинного носителя. В простейшем случае в качестве носителя программного обеспечения робота может служить перфолента. Перед началом каждого запуска робота с этой перфоленты должны быть введены в основную память ЭВМ необходимые компоненты программного обеспечения. Так как с экономической точки зрения для управления роботом целесообразно применять микроЭВМ, имеющие ограниченный объем основной памяти, то при наличии достаточно развитого программного обеспечения не всегда удается поместить в основную память микро- ЭВМ все компоненты программного обеспечения. Это, в частности, означает, что смена режима функционирования робота может обусловить необходимость ввода с перфоленты новых компонентов программного обеспечения. Кроме того, для длительного хранения создаваемых программ их требуется выводить на перфоленту. Следовательно, использование перфоленты в качестве носителя программного обеспечения сопряжено с большими затратами ручного труда человека-оператора и поэтому может быть рекомендовано лишь в наиболее простых и дешевых роботах.

Более совершенным носителем программного обеспечения робота является кассетный накопитель на магнитной ленте. В этом случае отпадает необходимость в утомительных ручных операциях по вводу и выводу перфолент и в управлении ненадежным перфолен- точным хозяйством. Будучи достаточно дешевым, надежным и компактным, кассетный накопитель в то же время характеризуется невысоким быстродействием, что может затруднить или даже исключить его применение в роботах, требующих частого и быстрого обмена программ и данных между основной памятью и магнитной лентой. Кроме того, кассетный накопитель на магнитной ленте имеет малый объем памяти.

В настоящее время наиболее перспективным носителем программного обеспечения промышленных роботов являются гибкие магнит- 146

йые диски. Накопители на гибких магнитных дисках, характеризуемые довольно большим объемом памяти, малым временем доступа, простотой применения, компактностью и малой стоимостью, дают возможность создавать весьма развитое программное обеспечение роботов. Таков, например, отечественный накопитель на гибких магнитных дисках «Электроника ГМД-7012» с двумя дисководами. На каждый из дисководов можно устанавливать гибкий диск, емкость которого составляет 256 256 байтов. При скорости передачи данных порядка 50 К байт/с требуется в среднем не более 0,5 с на передачу блока данных объемом 128 байтов, причем почти все это время тратится на механические перемещения головки чтения- записи.

Используя накопитель на гибких магнитных дисках, можно создать достаточно развитую файловую систему (см. рис. 5.1), в которой могут храниться все компоненты программного обеспечения робота. По мере необходимости те или иные компоненты загружаются в основную память управляющей ЭВМ, что обеспечивает должное функционирование робота в различных режимах его применения.

Операционные системы робототехнических комплексов

Как известно, операционная система является основным компонентом программного обеспечения промышленного робота, управляемого от ЭВМ. Она служит той «средой», в которой создаются и функционируют все остальные программные компоненты робота. Кроме того, операционная система реализует требуемое взаимодействие, или интерфейс, этих программных компонентов друг с другом, а также с аппаратурой ЭВМ и оборудованием робота [48 ]. Следует отметить, что приводы (двигатели) и датчики робота, входящие в состав его оборудования и связанные с управляющей ЭВМ, можно рассматривать как особые внешние устройства ЭВМ, дополняющие набор стандартных устройств вычислительной машины (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Структура оборудования ЭВМ, управляющей роботом

На исполнитепьные устройства робота

Операционная система необходима не только для обеспечения взаимодействия функциональных программ управления роботом, но и для создания и отладки новых программ, осуществления разнообразных операций над файлами, поддержания диалоговой связи с человеком-оператором и т. п. В ее состав входят относительно компактное ядро, нередко называемое монитором, и набор системных программ и данных. Монитор предназначен для организации диалоговой связи человека-оператора с управляющей ЭВМ, запуска и контроля выполнения программ управления роботом и системных программ, диспетчирования программных задач и реализации их взаимодействия друг с другом, запуска и отслеживания операций ввода-вывода (в том числе —— операций управления приводами робота), распределения основной памяти ЭВМ и манипулирования файлами. Таким образом, с функциональной точки зрения монитор подобен управляющей программе в операционной системе общего назначения.

Как правило, весь монитор или некоторая его часть, называемая резидентной частью, с момента загрузки и запуска операционной системы постоянно находится в основной памяти управляющей ЗВМ. Компоненты монитора, на входящие в резидентную часть, загружаются в основную память ЭВМ по мере необходимости, а после выполнения требуемых функций освобождают занимаемые ими области памяти для других компонентов монитора, системных программ управления роботом. Следует еще раз подчеркнуть, что монитор операционной системы робота обеспечивает диалоговый режим взаимодействия человека с управляющей ЭВМ. Такой режим осуществляется с помощью определенного набора команд, вводимых человеком с системной консоли (например, с дисплея), и сообщений самой операционной системы. Он позволяет человеку немедленно вмешиваться в действия робота, запускать и приостанавливать желаемые программы, получать сведения о текущем состоянии робота и его компонентов, оперативно создавать и отлаживать новые программы. Поэтому диалоговый режим является типичным режимом связи человека с робототехнической системой, управляемой от ЭВМ.

В группу системных программ и данных операционной системы робота могут входить редактор текстов, компилятор для некоторого языка программирования задач робота, интерпретатор компилированных программ, совокупность программ для реализации файловых операций, отладчик программ, драйверы внешних устройств и приводов робота, тестовые программы, библиотека программных модулей, написанных на языке управления роботом, и т. д. В эту же группу могут быть включены и компоненты общего программного обеспечения данной ЭВМ (например, трансляторы с языков ассемблера и ПАСКАЛЬ), которые используются для создания разнообразных программ, не связанных непосредственно с управлением роботом.

Оснащенный датчиками промышленный робот (в особенности — многорукий) является весьма сложным электронно-механическим объектом управления, который не только получает управляющие 148

воздействия от ЭВМ, но и посылает в ЭВМ непрерывно или в сту* чайные моменты времени сигналы с разнообразных датчиков о своем состоянии и о состоянии окружающей среды. Вследствие этого операционная система робота, которая в конечном счете обеспечивает выдачу управляющих воздействий и обработку информации с датчиков (в том числе и обработку сигналов прерывания), должна функционировать в условиях многочисленных и разнотипных событий, возникающих независимо друг от друга в непредсказуемые моменты реального времени. Поэтому операционная система робота, управляемого от ЭВМ, должна быть, как правило, операционной системой реального времени (ОС РВ). Рассмотрим особенности организации и функционирования таких систем.

Основной единицей работы ОС РВ служит задача. Под задачей здесь следует понимать процесс, который определяется некоторой программой, выделенными ресурсами ЭВМ, а также другими процессами, которые могут развиваться одновременно с данным процессом. Как правило, ОС РВ обеспечивает параллельное выполнение многих задач. Применительно к промышленному роботу такими задачами могут быть задачи управления руками робота (по крайней мере по одной задаче на каждую руку), задачи сбора информации с датчиков и т. п. В однопроцессорной управляющей ЭВМ параллелизм выполнения задач реализуется достаточно частым переключением процессора с одной задачи на другую. Последовательность таких переключений процессора, а также интервалы занятости процессора выполнением каждой из задач до переключения на какую- нибудь другую задачу регулируются с помощью приоритетов, назначаемых задачам. В простейшем случае однажды выбранный приоритет задачи остается фиксированным при каждом ее выполнении. В более общей ситуации приоритет задачи изменяется во времени в ходе ее выполнения. Характер изменения приоритета может зависеть от времени пребывания задачи в очереди к процессору, времени использования процессора, числа интервалов занятости процессора задачей и т. д.

Каждая задача на интервале своего выполнения проходит ряд состояний, число которых может быть очень большим, если учитывать все переменные, влияющие на задачу. Однако операционная система различает обычно следующие укрупненные состояния задачи: 1) активности, или выполнения; 2) приостановки или ожидания некоторого события; 3) готовности к началу или продолжению выполнения. Кроме того, для более полной картины следует учесть также состояние, в котором задача только создается, и состояние завершенности или прекращения выполнения. На рис. 5.3. представлена диаграмма важнейших состояний задачи, выполняемой под управлением операционной системы. На этом рисунке состояния задачи обозначены цифрами в кружках. Ориентированные дуги указывают направления возможных изменений состояния, причем символы Л/, 42,…，Л7 обозначают группы причин, вызывающих изменение состояния задачи. Группа А1 обычно содержит единственную причину ——завершение создания задачи операционной

Рис. 5.3. Диаграмма состояний задачив операционной системе：

/ — задача создается; 2 — готова к выполнению; 3 — завершена или прекращена； 4 — выполняется; 5 — ждет события или приостановлена

системой. В группу А2 могут входить такие причины, как освобождение процессора от выполнения более приоритетных задач или наступление момента для выделения данной задаче кванта процессорного времени (при циклическом обслуживании набора задач). Типичные причины из группы АЗ — это запрос задачей операции ввода- вывода или приостановки выполнения на определенный промежуток времени. Причинами из группы А4 могут стать, например, готовность к выполнению более приоритетной задачи или истечение фиксированного кванта выделенного процессорного времени до того, как задача завершилась. В группы А5 и Аб может входить одна и та же причина ——наступление события, ожидаемого задачей или выводящего задачу из состояния приостановки. Если выполняемая в этот момент задача имеет более высокий приоритет, то задача с закончившимся ожиданием перейдет в состояние «готова к выполнению». В противном случае задача с закончившимся ожиданием может сразу перейти в состояние выполнения, прервав при этом выполнение менее приоритетной задачи. И наконец, причинами из группы А7 могут быть нормальное завершение задачи или возникновение в ней неисправимой ошибки, требующей немедленного прекращения задачи.

В составе ОС РВ, применяемых в робототехнических комплексах, как и в ОС РВ общего назначения, можно выделить следующие основные компоненты: 1) планировщик задач; 2) диспетчер; 3) обработчик прерываний; 4) программа отслеживания времени; 5) супервизор ввода-вывода.

Планировщик задач и диспетчер образуют управляющую программу операционной системы. При этом планировщик задач осуществляет выбор задач, которые должны быть подготовлены к выполнению. Функция диспетчера состоит в том, чтобы инициировать выполнение задачи, выбранной планировщиком, либо продолжить ее выполнение из состояния готовности или ожидания. Задача, получившая управление от диспетчера, занимает процессор до своего нормального завершения, прекращения (например, при возникновении ошибки в программе или вмешательстве человека-оператора) или перехода в состояние ожидания. После освобождения процессора от выполнения текущей задачи управление возвращается в конечном счете планировщику для выбора другой задачи, подлежащей выполнению. Отметим, что в начале своей работы планировщик в некоторых случаях может использовать обработчик прерываний. 150

Следующим компонентом ОС РВ служит обработчик прерываний, который представляет собой программное ядро системы прерываний в управляющей ЭВМ. Система прерываний предназначена для того, чтобы при возникновении особых событий, возникающих в процессоре или другом оборудовании робота, немедленно или по истечении некоторого времени переключить процессор на выполнение другой задачи. Непосредственной причиной такого переключения процессора является сигнал прерывания, причем характер новой задачи, выполняемой процессор ом после переключения и называемой задачей обработки прерывания, зависит от источника сигнала прерывания.

Все прерывания, которые возникают в управляющей ЭВМ, в зависимости от их источника можно разделить на следующие классы:

Внутрипроцессорные прерывания, определяемые некоторыми событиями в самом процессоре (например, прерывания вследствие сбоя аппаратуры или вызванные попыткой процессора выполнить команду с ошибочным кодом операции).

Общесистемные прерывания, вызываемые событиями во внешних устройствах ЭВМ и оборудовании робота (например, прерывания от таймера, от устройства ввода-вывода ЭВМ в момент его готовности к передаче очередного байта данных, от захвата робота после выполнения захватом команды открытия, от датчика в момент прикосновения захвата к объему сборки и т. п.).

Прерывания, запланированные в программе (например, прерывание при так называемом обращении к супервизору, возникающее в результате выполнения специальной команды ЭВМ).

Межпроцессорные прерывания, возникающие при коммуника- ции разных процессоров в многопроцессорной системе, управляющей роботом или их группой.

В каждой системе прерывания обычно имеется возможность автоматически или по желанию программиста временно запретить, или замаскировать, прерывание процессора. Для маскирования прерываний нередко используют маски, которые могут храниться в особых программно-доступных регистрах ЭВМ. Не останавливаясь на более подробном описании системы прерываний, перечислим лишь основные, неравные по длительности, этапы в обработке прерывания： 1) идентификация источника прерывания; 2) сохранение текущего состояния прерванной задачи; 3) маскирование, или запрет, повторных прерываний того же класса, к которому относится обрабатываемое прерывание; 4) выполнение программы обработки прерывания; 5) восстановление состояния и продолжение прерванной задачи.

Этап 1 осуществляется обычно аппаратными средствами. Этапы 2, 3 и 5 выполняются непосредственно обработчиком прерываний. Этап 4 обеспечивается соответствующей программой обработки прерывания, которая может и не входить в состав обработчика. На этом этапе обработчик осуществляет лишь выбор нужной программы и передачу ей управления,

Важным компонентом ОС РВ является программа отслеживания времени. Она осуществляет периодическое наращивание абсолютного времени по прерываниям от таймера, а также обеспечивает запрашиваемые различными задачами интервалы временной задержки. Как правило, соответствующая этой программе задача имеет наивысший приоритет в системе н выполняется немедленно при каждом прерывании от таймера.

И наконец, последним из основных программных компонентов ОС РВ служит супервизор ввода-вывода. Он предназначен для реализации операций ввода-вывода, запрашиваемых в выполняемых задачах. В робототехнической системе супервизор ввода-вывода должен управлять не только традиционными внешними устройствами ЭВМ (таким, как системная консоль, печатающее устройство, накопитель на магнитном диске и т. п.), но и приводами робота, а также контролировать работу многочисленных датчиков. При наличии супервизора запросы на ввод-вывод выражаются в программах обычно в форме макрокоманд, с каждой из которых ассоциируется соответствующий ей список параметров, определяющих тип устройства, а также адреса и объем данных, которые подлежат вводу или выводу. Обеспечивая должную буферизацию данных, супервизор полностью освобождает разработчика функциональных программ робота от необходимости детального программирования операций ввода-вывода и тем самым существенно облегчает его труд.

Создание ОС РВ для робототехнической системы представляет собой довольно сложную проблему, если начать решать ее «с нуля». Однако работу можно существенно упростить, если воспользоваться соответствующей ОС РВ общего назначения и дополнить ее программными компонентами, специфичными для роботов. Для отечественных микроЭВМ одной из таких ОС РВ общего назначения является, например, так называемая базовая резидентная система реального времени (БРС РВ), применяемая на микроЭВМ СМ-1800. Ориентированная на создание прикладных микропроцессорных систем реального времени на языке ассемблера и языке программирования высокого уровня ПЛ/М [21], БРС РВ обеспечивает удобные средства коммуникации между задачами, доступ к системным ресурсам с учетом приоритетов задач, развитые возможности обработки прерываний и управления внешними устройствами, отслеживание времени и выполнение целого ряда других функций. Поэтому БРС РВ с успехом может быть использована как основа при построении операционной системы и всего программного обеспечения промышленного робота, управляемого от микроЭВМ. Приведем краткое описание БРС РВ.

БРС РВ содержит следующие компоненты: ядро, драйверы внешних устройств, программу отслеживания времени, эмулятор терминала. Ядро —— центральный компонент БРСРВ, объединяющий в себе функции планировщика задач и диспетчера. Оно обеспечивает работу в реальном времени, поддерживает взаимодействие задач друг с другом, осуществляет управление основной памятью микроЭВМ и обменом данными между основной памятью и внешними- устрой-

ствами. Связь прикладных задач с ядром реализуется с помощью макрокоманд, называемых операциями ядра. Ядро невелико по размеру: оно занимает 2К байтов в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) микроэвм и требует дополнительно около 250 байтов в основной памяти. Размещение ядра в ПЗУ снимает необходимость осуществлять его загрузку с внешнего запоминающего устройства и упрощает разработку и применение небольших систем реального времени без внешней памяти.

Драйверы внешних устройств ——это программы, обеспечивающие обмен данными между основной памятью микроЭВМ и внешними устройствами по запросам задач, выполняемых в БРС РВ. Драйверы освобождают разработчика системы реального времени 0T необходимости программирования операций ввода-вывода на физи* ческом (т. е. самом детальном) уровне. В состав БРС РВ включены драйверы системного терминала, печати, аналогового ввода-вьь вода, дискретного ввода-вывода и драйвер число-импульсных сигналов. Отметим, что для управления приводами робота и кон* троля состояния датчиков можно применять три последних из перечисленных драйверов. Во время работы БРС РВ каждый из драйверов представлен соответствующей задачей.

Программа отслеживания времени предназначена для отсчета астрономического времени в пределах суток (в часах, минутах и секундах). Прикладная задача может как читать, так и устанавливать текущее время с помощью специальных запросов. “

Эмулятор терминала ——особый компонент БРС РВ, применяемый для организации межмашинного обмена данными при сопряжении микроЭВМ СМ-1800 с другой ЭВМ, в качестве которой может выступать такая же микроЭВМ или мини-ЭВМ типа СМ-4.

Как и во многих других ОС РВ, основной единицей ^работы БРС РВ служит задача. БРС РВ обеспечивает параллельное решение многих задач, причем в процессе выполнения каждая задача проходит некоторую последовательность состояний в соответствии с диаграммой, подобной той, которая представлена на рис. 5.3. Каждой задаче присвоен приоритет, определяющий меру неотложности ее выполнения. В БРС РВ предусмотрена возможность использования 256 приоритетных уровней со значениями от 0 до 255, причем значение 0 соответствует высшему приоритету, а значение 255 — самому низкому приоритету, присваиваемому так называемой «холостой» задаче. Эта задача запускается ядром всякий раз, когда нет никакой другой задачи, готовой к выполнению, и переводит пр。， цессор в состояние ожидания внешнего прерывания. Приоритеты со значениями от 0 до 128 назначаются задачам обработки прерываний от высокоскоростных устройств. Значения приоритетов прочих задач рекомендуется выбирать в диапазоне от 129 до 254.

Взаимодействие задач друг с другом поддерживается в БРС РВ с помощью механизма сообщений. Сообщение — это совокупность данных, которую одна задача посылает другой. Передача сообщений осуществляется через так называемые обменники. Обменник представляет собой некоторую область памяти и по своей функции по*

E>PC PB

OMATb\ ^> Обменник

Задача 7

УстройствоПРЕРЬ 出AHUE，、

дбода - дыдодаi 3

9

Рис. 5.4. Основные схемы коммуникации между задачами через обмеииики в二ЕРС рВ

добен «почтовому ящику», в который одна задача помещает сообщение (точнее, указатель, или адрес, сообщения), другая ——извлекает его. Задача, посылающая сообщение, указывает лишь обменник, в который оно должно попасть, а не имя той задачи, для которой предназначено посылаемое сообщение. Таким образом, передача данных между задачами с помощью сообщений осуществляется анонимно, что способствует ослаблению связей между соответствующими программами и в конечном счете увеличивает взаимную независимость программных компонентов системы и ее надежность в целом.

На рис. 5.4 приведены три основные схемы коммуникации между задачами через обменники. В схеме на рис. 5.4, а задача 1 посылает сообщение в обменник, где оно будет находиться до тех пор, пока задача 2 не запросит его, обратившись к этому же обменнику. В схеме на рис. 5.4, 6 задача 2 ожидает сообщение от задачи 1 в обменнике до тех пор, пока оно не поступит или пока не истечет некоторый заданный интервал времени. Если за этот интервал времени сообщение не придет, то задача 2 перестает ждать его в данном обменнике. Схема на рис. 5.4, 8 иллюстрирует обработку прерывания как передачу сообщения. В этом случае сигнал прерывания (например, с устройства ввода-вывода) трансформируется в сообщение, которого ожидает в обменнике задача 1. Получив сообщение, эта задача выполняет необходимую обработку прерывания. Отметим, что приоритет задачи 1 должен соответствовать уровню прерывания. В БРС РВ предусмотрено пять различных по значению уровней прерывания. Для каждого из этих уровней, кроме первого, программист может по своему усмотрению задать произвольное число подуровней.

Каждый из описанных объектов ——задача, сообщение и обменник — представлен в БРС РВ соответствующей структурой данных. Применительно к задаче такая структура данных называется дескриптором задачи в системе. Каждый такой дескриптор формируется ядром БРС РВ при инициализации системы реального времени или динамически по требованию некоторой выполняемой задачи создать новую задачу.

Сообщению соответствует особая структура данных, создаваемая задачей в основной памяти микроЭВМ и состоящая из заголовка и тела. Заголовок имеет фиксированный формат размером 9 байтов и содержит адрес обменника, куда должно быть послано сообщение, адрес обменника, в который надо послать ответ на данное сообщение, длину и тип сообщения, а также указатель для включения сообщения в очередь к нужному обменнику. Тело сообщения имеет произвольную длину и используется для передачи дополнительных данных.

Каждый обменник представлен своим дескриптором. В БРС РВ используются два типа обменников ——обычный и прерывания. Обычный обменник предназначен для отслеживания ассоциированных с ним задач и сообщений. Обменник прерывания используется для программной интерпретации аппаратных прерываний. Дескриптор обычного обменника занимает в основной памяти 10 байтов и содержит четыре указателя для адресации начала и конца двух списков — списка сообщений и списка задач к данному обменнику — и поле связки для включения обменника в общий список обменников. Ядро БРС РВ модифицирует списки сообщений и задач, ассоциированных с обменником, всякий раз, когда некоторая задача выдает запрос на ожидание сообщения в данном обменнике или в обменник поступает новое сообщение. Дисциплина обслуживания сообщений и задач в обменнике основана на принципе «первым пришел —первым обслуживаешься». Например, если список сообщений в обменнике содержит три сообщения и：если некоторая задача выдает запрос на ожидание сообщения в этом же обменнике, то она немедленно получит головное из трех сообщений, после чего это сообщение исключается ядром из списка. Если спустя некоторое время эта же или какая-нибудь другая задача попытается получить сообщение из того же обменника, то^еизбудет выдано очередное сообщение из списка двух оставшихся сообщений.

Дескриптор обменника прерывания кроме полей, имеющихся в дескрипторе обычного обменника, содержит три дополнительных поля: ссылку на список системных сообщений о прерываниях, длину сообщения о прерывании и тип сообщения. Эти три поля с общей длиной 5 байтов формируются в обменнике при возникновении прерывания и должным образом используются задачей, ждущей в данном обменнике сообщения о прерывании.

Кроме рассмотренных дескрипторов в БРС РВ можно использовать еще и так называемые дескрипторы подуровней прерывания, предназначенных для программного расширения числа аппаратных уровней прерывания. Все дескрипторы формируются ядром БРС РВ в тех областях основной памяти микроЭВМ, которые зарезервиро* ваны программистом при описании конфигурации прикладной системы реального времени.

Создавая на основе БРС РВ ту или иную прикладную систему реального времени (в частности, систему программного управления роботом), разработчик должен использовать в программах этой системы операции ядра, играющие роль системных макрокоманд и

доступные для программирования на языке ассемблера и языке ПЛ/М. Операции ядра дают возможность динамически создавать и уничтожать задачи и обменники, приостанавливать или продолжать выполнение ранее приостановленных задач, посылать, получать и ждать прихода сообщений и осуществлять ряд других функций. Проиллюстрируем в качестве примера применение операции ядра RQSEND для передачи сообщения некоторой задаче. Пусть PRINT ——имя обменника, ассоциированного с задачей, ждущей сообщение, a TEXT —— имя передаваемого сообщения. Тогда требуемую функцию можно выразить в виде следующего оператора на языке ПЛ/М: CALL RQSEND (.PRINT, .TEXT);

Отметим особенности разработки прикладных систем реального времени (ПС РВ) в среде БРС РВ. Любая ПС РВ включает ядро BPCFB, необходимые драйверы и произвольное число прикладных программ, предназначенных для реализации требуемых функций данной ПС РВ. Состав и характер взаимодействия прикладных программ определяются разработчиком ПС РВ на стадии проектирования системы. Программы записываются на языках ассемблера и ПЛ/М. Кроме этих программ разработчик ПС РВ должен сформировать конфигурационный модуль системы, представляющий собой набор таблиц, в которых содержится информация о задачах, обменниках и подуровнях прерываний разрабатываемой ПС РВ. Конфигурационный модуль оформляется разработчиком сначала на стандартном бланке конфигурации системы. В этот бланк включаются только те задачи, обменники и подуровни прерываний, которые определены разработчиком для этапа инициализации ПС РВ. Информация о создаваемых динамически задачах, обменниках и подуровнях прерываний в конфигурационном модуле (т. е. и в бланке) отсутствует.

На основе информации, содержащейся в заполненном бланке конфигурации, программист должен записать на языке ассемблера программный модуль, отражающий всю эту информацию в строгом соответствии с фиксированным форматом конфигурационного модуля ПС РВ. В частности, при кодировании дескрипторов задач программист обязан сохранять правильные последовательность и размер полей.

Транслированный конфигурационный модуль используется ядром БРС РВ в качестве управляющей структуры данных на этапе инициализации ПС РВ, соответствующей данному конфигурационному модулю, К этому времени должны быть написаны, транслированы и загружены в основную память микроЭВМ программы для всех задач, указанных в конфигурационном модуле. В процессе инициализации формируются перечисленные в этом модуле дескрипторы задач, дескрипторы подуровней прерываний и обменники. После этого ядро БРС РВ передает управление задаче с высшим приоритетом, т. е. осуществляет старт ПС РВ. В дальнейшем, в ходе работы ПС РВ, ее конфигурация может изменяться, т. е динамически могут быть созданы новые задачи, обменники и подуровни прерываний или уничтожены некоторые исходные задачи，обменники и подуровни прерываний： 156

При использовании достаточно простых роботов может оказаться так, что управляющая ЭВМ, даже если это малопроизводительная микроЭВМ, в процессе управления единственным роботом большую часть времени находится в состоянии ожидания. В такой ситуации с экономической точки зрения целесообразно возложить на эту ЭВМ функции одновременного управления несколькими роботами. Операционная система для управления группой роботов усложняется, но и в этом случае она может быть построена на основе подходящей ОС РВ общего назначения, подобной, например, БРС РВ [50].

Наиболее проста ситуация, когда роботы, входящие в одну группу, относятся к одному и тому же классу и независимо друг от друга выполняют одинаковую работу, находясь в разных местах производственного участка. При этом в памяти управляющей ЭВМ достаточно иметь единственную копию общей программы, определяющей функционирование каждого из роботов. Операционная система такого робототехнического комплекса должна создать задачу для каждого из роботов, входящих в группу. Поскольку роботы независимы друг от друга и выполняют одну и ту же работу, то созданные задачи могут иметь одинаковый приоритет и не поддерживать связи друг с другом.

Если однотипные роботы должны независимо друг от друга одновременно выполнять разную работу, то, очевидно, и программы управления ими будут различными. В зависимости от организации операционной системы программы управления могут размещаться в основной памяти ЭВМ полностью или загружаться операционной системой по мере необходимости с внешнего устройства (например, с гибкого магнитного диска). Механизм создания задач для роботов при этом будет такой же, как и для роботов, выполняющих одина* ковую работу. Рассмотренная ситуация справедлива и для группы разнотипных независимых роботов с тем лишь отличием, что усложняется и возрастает по объему программное обеспечение комплекса вследствие, например, возможной разнотипности исполнительных устройств в разных роботах.

В общем случае роботы, входящие в группы, должны функционировать согласованно, совместно используя некоторые ресурсы и обеспечивая различные стадии технологического процесса при манипулировании одними и теми же объектами. В такой ситуации между задачами, создаваемыми операционной системой для роботов, должна постоянно поддерживаться связь. Необходимость в координации действий роботов существенно усложняет программное обеспечение комплекса и требует применения более развитой операционной системы. В частности, в состав такой операционной системы кроме уже рассмотренных в этом параграфе компонентов должен входить распределитель общих ресурсов робототехнического комплекса. Если, например, два робота должны забирать одинаковые Детали с одной и той же позиции на подающем конвейере, то в качестве общего ресурса можно трактовать конвейер. Для того чтобы предотвратить столкновение роботов, в программе управления каждого робота должна быть предусмотрена операция запроса на моно- В 157

польное использование конвейера. Этот запрос реализуется операционной системой. После того как робот возьмет деталь с конвейера, в программе следует выполнить запрос на освобождение конвейера* чтобы к нему мог затем обратиться другой робот. Оба типа запросов могут быть оформлены в виде макрокоманд, подобных по смыслу макрокомандам ENQ и DEQ в операционной системе ОС ЕС.

Языки и системы программирования роботов

В робототехнической системе, содержащей ЭВМ, для программирования задач (действий) робота и контроля всей системы в целом используется входной язык, или язык управления. Как уже отмечалось в п. 5.1, язык управления состоит из двух компонентов — языка программирования робота и командного языка. В данном параграфе рассмотрены особенности организации и применения некоторых из наиболее известных языков программирования промышленных роботов. Командный язык, будучи средством оперативной коммуникации человека-оператора с робототехнической системой, в гораздо меньшей степени, чем язык программирования, отражает специфику роботов, и потому подробно обсуждаться не будет.

Прежде чем перейти к описанию языков программирования роботов, остановимся на общей схеме системы для реализации произвольной программы управления промышленным роботом, написанной на некотором исходном языке (рис. 5.5). Такая программа в общем случае выражает определенную последовательность деклараций, действий робота, вычислительных операций, операций управления датчиками и т. п. Готовая программа на исходном языке должна быть сначала скомпилирована, в результате чего получается ее некоторое внутреннее, или машинное, представление, которое запоминается в ЭВМ. В случае необходимости (например, с целью после- дующей модификации) запоминается и исходная программа. Ввод исходной программы в робототехническую систему, а также коррекция программы осуществляются, как правило, в диалоговом режиме взаимодействия программиста с системой. Вследствие этого компилятор должен обеспечивать пошаговую, или пооператорную,

Рнс. 5.5. Схема реализации программы управления промышленным роботом

компиляцию исходной программы с немедленной выдачей сообще* ний о выявленных в ней синтаксических ошибках.

При всем разнообразии форм внутреннего, или машинного, представления программ можно выделить два крайних случая. Первый из них соответствует способу «чистого» выполнения скомпилированной программы. Для этого случая характерно то, что исходная программа преобразуется компилятором в последовательность машинных команд, соответствующую, например, объектному модулю в ОС ЕС. Такая последовательность может быть немедленно или после дополнительной обработки редактором связей использована для непосредственного выполнения на ЭВМ. Способ чистого выполнения скомпилированных программ, будучи обычным для пакетного режима работы больших и средних ЭВМ, редко применяется в управляемых от ЭВМ робототехнических системах, так как затрудняет оперативную связь человека с роботом (например, приостановку робота в незапланированных позициях его перемещения, текущий контроль состояния системы, пуск робота после приостановки и т. п.).

Другая крайняя форма машинного представления программ соответствует способу чистой интерпретации. При этом исходная программа преобразуется компилятором в такую структуру данных, которая может находиться во взаимно однозначном соответствии с исходной программой и, следовательно, допускает ее полное восстановление/ Возможность восстановления имеет важное значение, так как, во-первых, позволяет обойтись для хранения в библиотеке системы единственной формой представления программы и, во-вторых, упрощает оперативную модификацию скомпилированной программы, поскольку все необходимые сведения о модифицируемой программе система выдает при этом в терминах исходной программы. В простейшем случае внутреннее представление программы может совпадать с ее исходной формой, и на компилятор возлагаются лишь задачи лексического и синтаксического анализа исходной программы. Чаще, однако, с целью повысить быстродействие системы нспол卜 зуется" отличная от исходной форма машинного представления, например форма обратной польской записи [15]. Важнейшей отличительной особенностью способа интерпретации является то, что компилированная программа не может быть непосредственно выполнена на ЭВМ. Ее можно лишь интерпретировать, причем эта задача возлагается на особый системно-программный компонент, называемый интерпретатором. Для интерпретатора компилированная программа играет роль исходных данных. Средства, необходимые для установления и поддержания оперативной (диалоговой) связи человека с программой на стадии ее интерпретации, могут быть заложены в интерпретатор и другие компоненты системы, причем это делается во время разработки ситемы и поэтому не требует усилий со стороны пользователя системы.

Время, необходимое для интерпретации программы, больше времени ее «чистого» выполнения, причем степень замедления зависит от формы представления скомпилированной программы. Поэтому способ интерпретации экономически невыгоден для боль-

Таблица 5.1. Языки и системы программирование промышленных роботов

Язык (система)

Год разработки или первой публикации

Страна

Язык (система)

Год разработки или первой публикации

Страна

РОКОЛ

1976

ML

1975

США

ЯДРО

1972

СССР

MPL

1977

ФРГ

Язык директив

1977

PAL

1981

США

ADL

1978

Англия

RAIL

1981

AL

1974

RAPT

1978

Англия

ALFA

1974

США

ROBOTLAN

1974

Япония

AML

1981

RPL

1979

ФРГ

AUTOPASS

1977

RTM

1982

США

EHOS

1971

Япония

SltiLA

1975

Италия

INDA

1979

Англия

TEACH

1980

LAMA

1976

США ■

VAL

1977

США ,

LAMA—S

1979

Франция

WAVE

1974

MAL

1977

Италия

ших и средних ЭВМ. В робототехнических системах этот недостаток способа интерпретации не имеет существенного значения, так как робот является относительно медленным механическим устройством и даже в малой управляющей ЭВМ (например, микроЭВМ) коэффициент загруженности процессора обычно невелик. При этом дополнительные расходы времени на интерпретацию программ обычно не оказывают заметного влияния на быстродействие системы в целом.

Обратимся теперь к языкам программирования роботов. Один из первых языков такого рода ——язык MANTRAN ― создан в конце 60-х годов в Массачусетском технологическом институте (США) [27, 35]. К настоящему времени в нашей стране и за рубежом разработан целый ряд языков программирования роботов. Перечень некоторых из наиболее известных таких языков приведен в табл. 5.1.

По степени детальности описания задач роботов все языки программирования роботов можно разделить на следующие три класса: 1) языки манипуляций руками и захватами робота; 2) языки ма二 нипуляций объектами, с которыми должен иметь дело робот; 3) языки спецификации задач.

Языки первого из перечисленных классов наиболее многочисленны. Они обеспечивают возможность описания действий роботов в терминах движений его рук, захватов, а также в терминах состояний устройства очувствления. Достоинство языков первого класса заключается в относительной простоте их реализации, а существен- ный недостаток ——в необходимости тщательного изучения всей последовательности действий робота при выполнении той или иной задачи и разложения этой последовательности на элементарные движения робота. К языкам первого класса можно отнести, например, такие языки (см. табл. 5.1), как РОКОЛ, ALFA, MAL, ML, SIGLA, VAL, WAVE и др.

Языки второго класса обычно основаны на Использовании МО делен тех объектов внешней среды, которыми должен манипулиро* вать робот. Степень детальности моделей различна в разных языках данного класса. Наличие моделей существенно усложняет реализа- цию языков второго класса по сравнению с языками первого класса, но зато упрощает программирование роботов, так как каждая задача робота в этом случае может быть достаточно естественно выражена в терминах манипулирования объектами, т. е. в терминах более крупных «строительных блоков», чем движения рук и захватов. В качестве примеров языков второго класса можно назвать языки AL, AUTOPASS и RAPT.

И наконец, языки третьего класса относятся к высшему уровню языков программирования роботов. Будучи весьма сложными в реализации, эти языки дают возможность описывать задачи роботов в наиболее естественной и компактной форме, причем в таком описании специфицируется содержание задачи («что делать»), а не способ ее выполнения («как делать»). Для обеспечения такой возможности система программирования робота должна содержать детальные модели внешней среды, в которой функционирует робот, а также развитые средства планирования действий робота в соответствии со спецификацией каждой выполняемой задачи.

Языки третьего класса создаются на основе теории искусственного интеллекта. В настоящее время из-за сложности разработки и реализации эти языки пока еще не нашли широкого применения для промышленных роботов и используются главным образом при исследовании проблем искусственного интеллекта в лабораторных условиях. К таким языкам относятся CONNIVER, PLANNER, MICROPLANNER, POPLER, QLISP, SAIL и др. [38]. Ниже будут рассмотрены два языка для программирования промышленных роботов—— SIGLA и AL, являющиеся типичными и весьма развитыми представителями языков программирования роботов первого и второго классов соответственно. Сведения о других языках читатель может получить из литературных источников [35, 38, 39, 47, 48].

Язык SIGLA * разработан фирмой «Оливетти» (Olivetti, Италия) и предназначен для программирования промышленных роботов обширного их семейства «SIGMA», в которое входит ряд различных типов роботов. Базовый робот этого семейства имеет две руки с тремя степенями подвижности каждая (поступательные движения вдоль трех осей координат). Управление осуществляется общим для всех степеней подвижности устройством, главными аппаратными компонентами которого служат микроЭВМ LSI-11, модули АЦП и ЦАП, модули управления шаговыми двигателями (с шагом 0,05 мм) и консоль оператора. Путем добавления дополнительных стандартных Модулей число степеней подвижности каждой руки робота может быть увеличено до 8.

Язык SIGLA предназначен для диалогового взаимодействия человека-оператора с управляемой от ЭВМ робототехнической систе-

Название происходит от слов. SIGma LAnguage.

1611616 Р. Ю. бансявнчюс и др.

161

161

мой. Важнейшие свойства этого языка ——простота команд и операторов, возможность параллельного выполнения нескольких задач (например, для одновременного координированного управления разными руками робота), использование режима интерпретации программ на этапе их выполнения и расширяемость по желанию пользователя. SIGLA состоит из двух основных частей ——командного языка и языка программирования. Кроме того, программисту доступны особая группа команд для целей указания и редактирования текста, а также пультовые операции микроЭВМ LSI-11, совпадающие с пультовыми операциями отечественной микроЭВМ «Электроника-60».

Командный язык необходим для описания конфигурации робототехнической системы, ввода в память ЭВМ программ управления роботом, получения сведений о наличии свободной памяти и содержимом файлов, загрузки перфолент и занесения данных в основную память ЭВМ, проверки выполнения рабочего цикла роботом и выполнения других функций. Предложения командного языка называются командами. Команды могут вводиться в систему с телетайпа в ответ на сообщение системы OPER?. Печать этого сообщения может быть инициирована человеком-оператором с пульта управления или осуществляться автоматически после выполнения предыдущей команды.

Каждая команда должна быть представлена при вводе в следующем формате:

(имя команды) {(список параметров)};

причем имя команды состоит из двух латинских букв, а список параметров содержит один или несколько числовых параметров, разделенных запятыми. Выражение в фигурных скобках для некоторых команд может быть повторено несколько раз (в общем случае с различным списком параметров в каждом выражении ) или совсем отсутствовать. Состав команд языка SIGLA приведен ниже:

Имя команды

Назначение команды

MD

Получение сведений о распределении памяти ЭВМ

IN

Ввод операторов языка программирования

LI

Печать файла

DU

Перфорация файла

ST

Ввод данных в файл с перфоленты

MA

Выполнение рабочего цикла одной или несколькими руками робота

SA

Последовательное выполнение нескольких рабочих циклов

AU

Последовательное автоматическое выполнение нескольких рабочих циклов

CA

Описание конфигурации системы

LM

Чтение данных с внешнего устройства в основную память

SM

Печать и перфорация данных из основной памяти

Сразу после включения системы человек-оператор должен набрать на пульте управления определенный код и ввести его в систему с помощью соответствующей кнопки. Вслед за этим на телетайпе будет напечатано сообщение OPER?, на которое оператор может ответить с клавиатуры телетайпа именем требуемой команды и, если надо, списком ；или списками параметров. Дальнейшие действия определяются :в зависимости от требуемых функций системы .

Обратимся теперь к языку программирования, образующему второй компонент полного языка SIGLA. Этот компонент, который для краткости будем иногда называть просто языком SIGLA, предназначен непосредственно для программирования задач, выполняемых роботом. Предложения языка программирования называются операторами. Последовательность операторов, специфицирующая некоторую задачу робота, представляет собой программу, или файл. Во многих операторах языка SIGLA могут быть использованы операнды, или параметры, которые записываются в виде символических имен и числовых констант. Параметры отделяются от имени операции наклонной чертой, а друг от друга запятой. Список параметров завершается точкой с запятой. В целом предложения языка программирования имеют такую же синтаксическую структуру, как и предложения командного языка.

Символическое имя параметра должно начинаться с латинской буквы Р, вслед за которой записывается номер в виде целого числа от 1 до 16 (например, Р5 или Р14). Такое правило ограничивает число различных параметров, используемых в одном файле, значением 16. Один и тот же параметр может быть записан в нескольких различи ных операторах.

Каждому используемому параметру должно быть присвоено некоторое числовое значение со знаком или без знака. Для этой цели предназначен оператор установки значения SE. Например, оператор

SE/P4,200;

присвоит параметру Р4 положительное значение 200.

В языке SIGLA вся доступная для данных основная память управляющей ЭВМ трактуется как набор именованных счетчиков. Имя счетчика начинается с латинской буквы М, за которой должен следовать номер в диапазоне от 1 до 1023. Каждый счетчик занимает одно 16-разрядное слово основной памяти и может хранить любое Целое число, которое помещается в таком слове. Объем основной памяти, резервируемой под счетчики, определяется наибольшим используемым в файле номером счетчика, даже если фактически требуется всего несколько счетчиков. Имена счетчиков могут записываться в операторах наряду с параметрами. Например, оператор JU/M7 обеспечит безусловный переход к оператору, номер метки которого хранится в счетчике М7.

б"б"Язык SIGLA содержит средства косвенной адресации счетчиков. Косвенная ссылка в операторе обозначается латинской буквой I,

б"

б"

163

за которой записывается номер от 1 до 16. Она ассоциируется в файле с параметром, номер которого совпадает с номером косвенно访 ссылки. При этом значение параметра интерпретируется как номер некото рого счетчика, а значение этого счетчика и есть та величина, которая необходима для выполнения оператора. Если, например, Р5 = 2 н М2 = 1000, то оператор МО/1,15 эквивалентен по своей конечной цели оператору МО/1, 1000 (оба оператора обеспечивают выполнение 1000 шагов двигателем 1).

Состав операторов языка SIGLA, разделенный на восемь групп, приведен в табл. 5.2. В первую группу входят три общих оператора управления двигателями и вспомогательными компонентами робота. Каждая пара операндов Ан Nf в операторе МО специфицирует перемещение двигателя, определяемого величиной Аь на число шагов, задаваемое величиной Ni, причем максимальное значение индекса i равно числу рук у робота и не превышает 8. Оба операнда в каждой паре можно записывать в виде целого числа или имени параметра. Кроме того, операнды № можно задавать и с помощью косвенных ссылок. Операндами в следующем операторе ОМ служат номера двигателей (целые числа или параметры). И наконец, в операторе АХ операнды представляют собой номера вспомогательных компонентов робота, выбираемые в соответствии с фиксированной таблицей. Типичный характер управления ——активация или деактивация захвата (в зависимости от знака, стоящего перед его номером).

Два оператора следующей группы предназначены для приостановки на неопределенное или заданное время той руки, которой управляет соответствующая программа или файл. Движение руки, приостановленной на неопределенное время, может возобновить человек с пульта управления.

Единственный оператор третьей группы РР обеспечивает проверку наличия некоторого внешнего сигнала и переход на метку С2 при наличии сигнала. Номер и проверяемая полярность сигнала задаются первым операндом.

Четвертая группа операторов предназначена для реализации пространственных операций руками робота. Например, типичный оператор этой группы SI позволяет для некоторой фиксированной позиции, номер которой определяется первым операндом Е, указать желаемые состояния двигателей, задаваемые числом шагов относительно исходного положения с помощью операндов А1(

Операторы пятой группы обеспечивают спецификацию счетчиков, установку и модификацию значений параметров и счетчиков. Наиболее часто используемый оператор этой группы — оператор SE, который устанавливает для переменной, соответствующей первому операнду, значение, задаваемое вторым операндом. Пример записи этого оператора приводился раньше. Другим часто используемым оператором пятой группы является оператор IC, осуществляющий наращивание значения, соответствующего первому операнду, на значение, задаваемое вторым операндом，

Таблица 5.2. Состав операторов языка программирования SIGLA

Имя оператора

Список операндов

Назначение оператора

МО

A「№，..., AgjNg

Управление шаговыми двигателями

ом

Aj, A2, A8 j 浮

Установка двигателей в исходное состоя - ние

АХ

В], В?,…，В；]

Управление вспомогательными компонентами

HL

Приостановка руки робота

WA

т

Приостановка руки на заданное время

РР

Ci> С2

Проверка внешнего сигнала

II

—

Повторное управление двигателями относительно текущего положения

QA

D

Предотвращение коллизии рук

SI

E, A], . . . t Ag

Установка «нуля» двигателей для заданной позиции

CI

E

Управление двигателями со ссылкой на соответствующий оператор SI

SE

Fi, F2

Установка значения («присваивание»)

IC

Fl F2

Наращивание значения

NE

G

Отрицание значения

АМ

H*i，Jl,…,Hn, J n

Наращивание счетчиков

DM

H], J],…，Hn> Jn

Спецификация счетчиков н их значений

NT

) •. • > Kn> н

Вывод счетчика на телетайп

NU

L

Порождение (спецификация) метки для следующего оператора

JU

L

Передача управления на помеченный оператор

ES

M

Спецификация события для оператора EW

EW

M

Ожидание события, порожденного оператором ES

Pi, Рз» Рэ

Переход при условии Pi= Р2

卩力Pg, Рц

Переход при условии Р【> Р2

Pj Pi» P2

Переход при условии Р4< Р.

R,, Sn

Обращение к другому файлу (подпрограмме)

RP

А, В, C, D, E, F, G, H

Перемещение до касания поверхности

MT

А, В, C

Запоминание сигнала с датчика

Оператор шестой группы NT реализует печать на телетайпе алфавитно-цифровых знаков Ki，…，Кп (не более 8) и содержимого счетчика, задаваемого последним операндом Н.

Седьмую группу образуют операторы управления выполнением программы. Первый оператор этой группы формирует числовую метку для следующегоза ним оператора. Созданная метка может быть использована для передачи управления помеченному оператору от операторов JU, BE, BG, BL. Операторы ES и EW предназначены для генерации событий и ожидания этих событий соответственно и представляют собой средства для синхронизации параллельно выполняемых процессов. И наконец, оператор ЕХ необходим при обращении к другой программе или файлу. Первый операнд при этом представляет собой номер вызываемого файла, а остальные операнды —список присваиваемых значений. Этот список может и отсутствовать.

В восьмую группу входят две команды: RP и МТ. Первая из них позволяет контролировать момент прикосновения руки робота к некоторой поверхности и должным образом реагировать на это событие. Операнды в этой команде имеют следующий смысл: А ——номер датчика, который должен регистрировать факт прикосновения; В — шаг движения по соответствующей оси; С — ожидаемое усилие соприкосновения; D ——максимальная длина проходимого пути; Е —— номер двигателя; F —— время ожидания между соседними шагами перемещения； G ——номер метки ветвления, если соприкосновение не произошло; Н ——номер метки ветвления при наличии соприкосновения. Вторая команда МТ обеспечивает запоминание сигнала с датчика, причем А ™ номер датчика, В представляет собой счетчик для запоминания сигнала, а С — время ожидания между моментами установки датчика и его считыванием*

Ниже приведен пример программы, написанной на языке SIGLA：

NU/6;SE/M1,O;АХ/-15,—1;М0/1,500,2,3000;NU/6;SE/M1,O;АХ/-15,—1;М0/1,500,2,3000;NU/5;МО/3,2500;RP/3,40,45,40,3,1,2,3;NU/2;МО/3,1500;1С/М1,1;BG/M1,3,4；JU/5;NU/5;МО/3,2500;RP/3,40,45,40,3,1,2,3;NU/2;МО/3,1500;1С/М1,1;BG/M1,3,4；JU/5;СОЗДАТЬ МЕТКУ 6

NU/6;

SE/M1,O;

АХ/-15,—1;

М0/1,500,2,3000;

NU/6;

SE/M1,O;

АХ/-15,—1;

М0/1,500,2,3000;

NU/5;

МО/3,2500;

RP/3,40,45,40,3,1,2,3;

NU/2;

МО/3,1500;

1С/М1,1;

BG/M1,3,4；

JU/5;

NU/5;

МО/3,2500;

RP/3,40,45,40,3,1,2,3;

NU/2;

МО/3,1500;

1С/М1,1;

BG/M1,3,4；

JU/5;

ОЧИСТИТЬ СЧЕТЧИК Ml

ПРОДВИНУТЬ ШТОК ВПЕРЕД, ОТКРЫТЬ ЗАХВАТ

ДВИГАТЕЛЬ 1 — ВПЕРЕД НА 500 ШАГОВ

ДВИГАТЕЛЬ 2 — ВПЕРЕД НА

3000 ШАГОВ '

ЦИКЛ ПОИСКА ДЕТАЛИ‘

^ДВИГАТЕЛЬ 3 —ВВЕРХ НА

2500 ШАГОВ

ОПУСКАТЬ РУКУ ВНИЗ

НЕТ КОНТАКТА С ДЕТАЛЬЮ

ПОДНЯТЬ РУКУ

ПРИРАЩЕНИЕ СЧЕТЧИКА Ml

ПРОВЕРИТЬ ЧИСЛО ПОПЫТОК ПОВТОРИТЬ, ЕСЛИ МЕНЬШЕ ТРЕХ ПОПЫТОК

NU/4;

МО/3,1500;

АХ/15;

HL;

JU/6;

NU/3;

АХ/1;

WA/5;

БЕЗУСПЕШНЫ ТРИ ПОПЫТКИ поднять руку

ВЕРНУТЬ ШТОК НАЗАД

ОСТАНОВ

РУЧНОЙ ЗАПУСК НА новый цикл ЕСТЬ КОНТАКТ С ДЕТАЛЬЮ

ЗАКРЫТЬ ЗАХВАТ (ВЗЯТЬ ДЕТАЛЬ) ЖДАТЬ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАХВАТА

МО/3,1500;

АХ/15;

FI

(0,1 С)

ПОДНЯТЬ ДЕТАЛЬ НА 1500 ШАГОВ

ВЕРНУТЬ ШТОК НАЗАД

Программа управляет работой одной руки робота, состоящей из штока и захвата, причем шток имеет номер 15, а захват — номер 1. Задача состоит в том, чтобы захватить прямоугольную деталь из стопки одинаковых деталей, расположенной на площадке с горизонтальными координатами X = 500 н Y = 3000, заданными в единицах шагов двигателя. Координате X соответствует двигатель 1, координате Y — двигатель 2, а координате Z — двигатель 3. Текст программы достаточно подробно прокомментирован и не нуждается в дополнительных пояснениях. Отметим лишь, что ввод операторов программы следует завершить командой FI, как показано в примере.

Перед началом ввода операторов программы должна быть подана команда IN с параметром, специфицирующим числовое имя, или номер, создаваемой программы в памяти управляющей ЭВМ. Созданная программа может быть использована любой другой программой. Для этого в вызывающей программе должен быть оператор ЕХ, в котором первый (или единственный) операнд представляет имя вызываемой программы. Например, если в вызывающей программе параметр Р4 имеет значение 5, то оператор ЕХ/Р4 в этой программе обеспечивает обращение к программе с номером 5.

Для выполнения той или иной задачи роботом может потребоваться несколько разных программ. Первая, или головная, из них может быть запущена человеком с системной консоли любой из трех команд: МА, SA или AU. Остальные программы вызываются автоматически в процессе выполнения головной и других запущенных ею программ.

Операторы ES и EW в языке SIGLA дают возможность организовать параллельно выполняемые программы. Максимальное число таких программ 64. Степень параллелизма, а также необходимые точки синхронизации параллельно выполняемых программ задаются самим программистом.

Рассмотрим теперь один из наиболее развитых языков второго класса — язык AL. Язык и система AL разработаны в Стэнфордском университете (США) применительно к роботу с двумя руками, предназначенному для выполнения сборочных операций. Система используется с 1975 г. и к настоящему времени прошла целый ряд

модификаций. Не останавливаясь на детальном описании этой сН- стемы, отметим лишь, что в ее состав входят две ЭВМ — фоновая и управляющая. Фоновая ЭВМ образует основу подсистемы, с помощью которой в диалоговом режиме создаются, компилируются и накапливаются в библиотеке на магнитном диске программы для задач робота. Фоновая ЭВМ аппаратно связана с управляющей микроЭВМ, основной функцией которой является выполнение в интерпретирующем режиме компилированных AL-программ, т. е. непосредственное управление роботом.

Перейдем к более подробному обсуждению языка AL. По своей синтактической структуре этот язык подобен универсальному языку программирования АЛГОЛ-60, вобрав из него блочную организацию программ, способ декларации (описания) типов данных, операторы перехода и цикла, условный оператор, способы записи арифметических и логических выражений, стандартные математические функции, а также аппарат процедур. В язык AL включены следующие новые типы данных, отсутствующие в языке АЛГОЛ-60: EVENT (событие), FRAME (фрейм, или система координат), PLANE (плоскость), ROT (вращение относительно заданного вектора), SCALAR (простая переменная), TRANS (преобразование) и VECTOR (вектор). Среди перечисленных типов данных особое значение имеет тип EVENT, который позволяет специфицировать в программе так называемые событийные переменные и затем использовать их в операторах SIGNAL и WAIT для синхронизации параллельных процессов. Весьма важен также тип FRAME, который позволяет с каждым объектом манипулирования робота, а также с руками и захватами самого робота ассоциировать поименованные индивидуальные системы координат, или фреймы. Все движения, необходимые роботу для выполнения требуемой задачи, выражаются в программе в терминах перемещения соответствующих фреймов.

В программе на языке AL можно применять два типа блоков — обычный и распараллеливаемый. Обычный блок по своей структуре полностью совпадает с блоком языка АЛГОЛ-60. Внутри блока могут быть другие блоки, декларации, обращения к подпрограммам и процедурам, комментарии (в фигурных скобках) и прочие операторы языка AL.

Распараллеливаемый блок характеризуется тем, что может быть запущен на выполнение одновременно с некоторым другим или другими блоками. В отличие от обычного блока, в распараллеливаемом блоке в качестве блочных скобок используются ключевые слова COBEGIN и COEND.

Важной сообенностью языка AL является возможность задавать не только тип, но также размерность и единицы измерения декларируемых объектов данных. Для указания размерности объекта данных служат ключевые слова TIME (время), MASS (масса), ANGLE (угол). Этот стандартный список ключевых слов можно расширить с помощью оператора DIMENSION.

Единицу измерения объекта данных можно указать с помощью ключевого слова из стандартного списка СМ (сантиметр), GM (грамм), 168

SEC (секунда) и DEG (градус). Программист может расширить этот список с помощью оператора DEFINE.

Рассмотрим те операторы языка AL, которые определяют его специфику как языка программирования роботов. Первым из таких операторов является основной оператор движения MOVE. Достаточно общая форма этого оператора такова:

MOVE (фрейм1) ТО (фрейм 2)

VIA (позиции)

WITH (требования)

ON (условия),

где «фрейм 1» и «фрейм 2» — имена исходного и целевого фреймов соответственно; «позиции» — последовательность фраз, специфи- рующих некоторые особые положения исходного фрейма на траектории его перемещения (возможно, с указанием скорости в каждом из таких положений); «требования» — фразы, конкретизирующие параметры перемещения исходного фрейма (например, длительность перемещения); «условия» — перечисления некоторых условий и допустимых действий в случае возникновения этих условий. Пример оператора" MOVE:

MOVE BRACKET ТО POS

VIA PLACE WHERE VELOCITY = 10*CM/SEC WITH DURATIONS*SEC

ON FORCE(ZHAT)〉50*GM

DO STOP;

Данный оператор задает перемещение фрейма BRACKET в позицию фрейма POS через позицию PLACE, в которой скорость перемещения должна быть равна 10 см/с. Длительность перемещения составляет 5 с. Если в процессе движения усилие вдоль оси ZHAT превысит 50 г, то необходимо прекратить движение.

Для управления движением рук робота существуют еще два оператора —SEARCH и CENTER. Первый из них удобен в том случае, если робот должен осуществить поиск некоторого объекта по спиралевидной траектории на плоскости. В этом операторе, как и в основном операторе движения, можно записывать условия и выполняемые действия при возникновении определенных условий. Кроме того, в операторе SEARCH можно записать блок, конкретизирующий характер движения в процессе поиска. Второй из названных выше .операторов — оператор CENTER — применяется для того, чтобы приблизить захват робота к заданному объекту и сцентрировать * пальцы относительно этого объекта с помощью датчиков прикосновения.

Для управления захватами робота в языке AL предусмотрен ряд f операторов таких, например, как OPEN, GRASP, DRIVE, SCREW J и RELEASE.

I Как уже отмечалось выше, объектам действий робота, а также [рукам и захватам самого робота в программе назначается тип IFRAME, специфицирующий некоторую индивидуальную систему

координат, или фрейм. Если в ходе выполнения задачи роботом положение объекта изменилось, то автоматически модифицируется соответствующий этому объекту фрейм. Одно из достоинств языка AL состоит в том, что он позволяет устанавливать жесткую или гибкую связь между фреймами разных объектов, причем характер связи может быть при необходимости выражен в форме некоторого преобразования. Для этой цели используется оператор AFFIX, имеющий следующую общую форму:

AFFIX (фрейм!) ТО (фрейм2)

BY (преобразование) (связь),

где «фрейм 1» и «фрейм 2» ——имена соединяемых фреймов; «преобразование» —— характер преобразования, переводящего фрейм 1 во фрейм 2; «связь» ——тип связи соединяемых фреймов. Связь может быть жесткой (RIGIDLY) или нежесткой (NONRIGIDLY). При указании жесткой связи любое перемещение одного из соединенных фреймов автоматически модифицирует второй фрейм. В случае нежесткой связи любое движение фрейма 2 модифицирует и фрейм 1, но движение фрейма 1 не влияет на фрейм 2.

Аппарат соединения фреймов очень удобен для записи операторов спецификации движений. Например, если движущаяся рука робота захватила требуемый объект, фрейм которого был затем присоединен к фрейму этой руки, то в оставшейся части программы движения можно определять в терминах схваченного объекта. При необходимости соединенные фреймы можно разъединить, т. е. сделать их независимыми друг от друга. Для этого достаточно применить оператор UNFIX, записываемый в следующей форме: UNFIX (фрейм1) FROM (фрейм2),

в котором операндами являются имена разъединяемых фреймов.

Заканчивая обсуждения языка AL, отметим еще одно его важное достоинство — наличие достаточно развитых средств для организации параллельных процессов и их синхронизации. Параллельность выполнения процессов можно задавать путем обрамления программных блоков, соответствующих распараллеливаемым процессам, «скобками» COBEGIN и COEND, о чем уже упоминалось раньше. Для синхронизации параллельных процессов следует внутри блоков COBEGIN …COEND применять операторы SIGNAL и WAIT, операндом которых должна быть переменная типа EVENT, или событийная переменная. По своим функциям операторы SIGNAL и WAIT аналогичны макрокомандам POST и WAIT в операционной системе ОС ЕС. Разумеется, каждая событийная переменная должна быть глобальной по отношению ко всем параллельным блокам, в которых она используется. При необходимости в программе на языке AL можно указать временной порядок выполнения помеченных операторов. Для этого следует применить оператор вида PREREQUISITE OF (метка2) IS (метка!), который обеспечивает выполнение оператора с меткой 2 только после 170

того, как оператор с меткой 1 завершится. Оба оператора могут находиться в разных параллельных блоках. Программист имеет возможность также задавать слабую или строгую синхронизацию траекторий движения обеих рук робота. При слабой синхронизации достаточно потребовать одновременного прохождения рук через некоторые особые точки траекторий. Для этой цели в операторе движения следует везде, где записан один операнд, заменить его двумя величинами, разделенными двоеточием. При этом обе величины определяют положение левой и правой рук в точке, соответствующей данному операнду. Строгую синхронность обеих рук робота можно задать с помощью фразы COORDINATING в операторе движения. Вслед за этой фразой следует записать выражение, связывающее фреймы двух рук в ходе их движения.

Ниже приведен фрагмент программы на языке AL, предназначенной для управления процессом несложной механической сборки: FRAME В ЕАЛ1,BRACKET,BOLT;

FRAME BRACKET. BORE,BEAM BORE;

FRAME BOLT— GRASP,BRACKET一 HANDLE;

AFFIX BEAM BORE TO BEAM RIGIDLY

AT TRANS (ROT(Y,90*DEG),VECTOR (0,1.5,6));

MOVE * ARM* TO BRACKET_ HAHDLE;• GRASP'

AFFIX‘BRACKET TO ARM;

MOVE BRACKET. BORE TO BEAM BORE;

RELEASE;

UNFIX BRACKET;

MOVE ARM TO BOLT_ GRASP;

GRASP;

AFFIX BOLT TO ARM;

MOVE BOLT TO BEAM BORE;

SCREW;

RELEASE;

UNFIX BOLT;

MOVE ARM TO PARK；

Задача робота состоит в том, чтобы на прямоугольной призме (BEAM), имеющей резьбовое отверстие (BEAM, BORE), разместить уголок (BRACKET) с отверстием (BRACKET, BORE) и закрепить этот уголок на призме с помощью винта (BOLT). Уголок следует захватывать за ту из его двух плоских стенок, в которой нет отверстия (BRACKET—HANDLE), а винт надо "брать из магазина (BOLT_ GRASP). Перечисленные объекты действий робота специфицируются как данные типа FRAME первыми тремя операторами фрагмента. Следующий за ними^оператор^AFFIX_жестко соединяет фрейм резьбового отверстия с фреймом призмы" и специфицирует при этом его точное положение на призме. Оператор MOVE перемещает неявно определенный фрейм руки ARM к фрейму захватываемой стенки уголка, а оператор GRASP обеспечивает захватывание

уголка. Следующий оператор AFFIX присоединяет фрейм уГолка к фрейму руки. Так как фрейм отверстия уголка жестко связан с фреймом уголка (это не отражено во фрагменте), то следующий оператор MOVE обеспечивает перенос уголка к призме и совмещение отверстия уголка с резьбовым отверстием призмы. По оператору RELEASE захват освобождает уголок, и оператор UNFIX отсоединяет фрейм уголка от фрейма руки. Аналогичная последовательность операторов применена для того, чтобы взять винт из магазина, совместить его с резьбовым отверстием призмы и завинтить (см. оператор SCREW). Последний оператор в фрагменте обеспечивает отвод руки в позицию PARK.

Алгоритмы и программы восприятия внешней информации и распознавания объектов

Из систем очувствления современных роботов наиболее интенсивно в настоящее время развиваются две: тактильная и зрительная. При тактильном распознавании формы объектов используется блок первичной обработки информации, чувствительным элементом которого является рецептивная тактильная матрица (см. п. 3.2). Точность распознавания с помощью тактильной матрицы составляет 95—100 %, причем ответ ЭВМ содержит признак принадлежности поверхности к определенному классу, вектор ориентации ее относительно матрицы и радиус кривизны (для криволинейных поверхностей).

Более информационно емким является зрительный канал связи автоматической системы с внешней средой, поэтому он играет решающую роль в процессах выработки управляющих воздействий СУ робота. Можно назвать два способа реализации зрительной информации [26 ]: с предварительной обработкой данных телевизионного изображения и последующим управлением роботом при разорванной связи с внешней средой; с постоянной зрительной связью со средой, обеспечивающей непрерывную коррекцию управляющих воздействий в соответствии с поступающей зрительной информацией. Система обработки зрительной информации анализирует изображение и выдает его описание, вид которого существенно зависит от решаемой роботом задачи. В простейшем случае описание сводится к утверждению: «в поле зрения нет объектов» или «в поле зрения есть объект», что характерно при операциях с однотипными деталями. Следующий уровень сложности описания заключается в выделении из совокупности объектов требуемого объекта. Для этого робот должен уметь регистрировать наличие объектов и, используя какие- либо признаки, отличать их друг от друга. В настоящее время наиболее отработаны системы распознавания двухмерных форм, так как исторически первым этапом в решении проблемы автоматического распознавания образов с помощью искусственного зрения были задачи распознавания плоских изображений [13 ].

Рассмотрим алгоритмы зрительного распознавания образов применительно к технологическим задачам разбраковки и ориентации 172

рис. 5.6. Укрупненные схемы алгоритмов зрительного распознавания образов применительно к технологическим задачам:

j — разбраковки； 6 — ориентации плос-ких объектов

топологии плоских объек

тов.

В общем (укрупненном)

виде

алгоритмы распознавания

двухмерных

изображений

для

указанных на рис. 5.6

задач представлены .Развернем укруп

ненный алгоритм распознава

ния применительно к задаче пространственной ориентации объекта, топология одной из плоскостей которого представляет собой регулярную структуру с зачерненными угловыми областями различной площади: Fr > Fr (рис. 5.7, а). Из развернутой схемы алгоритма ввода изображениями память ЭВМ

видно, что для синхронизации &丿 обмена данными использованы

два канала прерывания программы: «Требование А» и «Требование Б» (рис. 5.8). Начало ввода очередного столбца фиксируется с помощью кадрового синхроимпульса, поступающего по каналу «Требование Б». Когда очередной фрагмент строки записан в буферный регистр, по каналу «Требование А» подается сигнал, извещающий ЭВМ о том, что данные готовы к передаче.

Область изображения, подлежащая анализу, выделяется с помощью «окна», формируемого ЭВМ в процессе ввода изображения. Увеличение оптической системы и размеры программного «окна»

рис. 5.7. Топология объекта и расположение диафрагмирующей рамки в локализованной £области изображения

a)a)00Рис. 5.8. Схемы алгоритма ввода изображения в память ЭВМ:Рис. 5.8. Схемы алгоритма ввода изображения в память ЭВМ:a — обработка прерывания по каналу «Требование Б»; 6 — то же, по каналу «Требование А»a — обработка прерывания по каналу «Требование Б»; 6 — то же, по каналу «Требование А»

a)

a)

0

0

Рис. 5.8. Схемы алгоритма ввода изображения в память ЭВМ:

Рис. 5.8. Схемы алгоритма ввода изображения в память ЭВМ:

a — обработка прерывания по каналу «Требование Б»; 6 — то же, по каналу «Требование А»

a — обработка прерывания по каналу «Требование Б»; 6 — то же, по каналу «Требование А»

выбраны из условия анализа 】/& 尸口 (尸门 —— площадь- проекции объекта). В этом случае для однозначного определения положения объекта необходимо установить ориентацию «гребенки» (см. рис. 5.7, а) в системе координат х, у н знак угла путем подсчета зачерненных площадей 尸г,尸； в пределах диафрагмирующего окна D (рис. 5.7, б). Алгорита форл1ирования окна D должен обладать адаптацией к смещению объекта в поле зрения оптической системы, вызванного неточностями изготовления и наличием зоны нечувствительности в звеньях механизма ориентации.

Для определения ориентации «гребенки» и выделения границ изображения применен метод поперечных сечений [31 ], при котором анализ проводится не по всей площади изображения, а лишь вдоль 174

измерительных линий Н( и L» (см. рис. 5.7, б). При программном сканировании изображения вдоль линий Н», L» получаем серии черных и белых отрезков, которые после сглаживания могут быть идентифицированы и промаркированы, так как расположение измерительных линий на чертеже объекта известно. По координатам отрезков рассчитывается ряд значений координат нижних границ изображения %巾比,Ушт и после усреднения определяются координаты точек пересечения линий 方江 Li с границами изображения. Разброс значений координат этих точек не должен превышать допустимого, в противном случае достоверность распознавания снизится. Координаты других границ окна D определяются соотношениями

Хщах Xmin + D%； f/max {/mln + Dy,

где 5, Dy заранее определены. Путем сравнения числа отрезков при сканировании «гребенки» в продольном и поперечном направлениях определяем ее ориентацию с точностью до 土冗 рад. Окончательное заключение о положении объекта делается после сравнения площади 尸q с измеренной площадью FqH в зоне изображения；?ограничен- ной окном D, Развернутая схема алгоритма обработки и анализа изображения объекта представлена на рис. 5.9.

При распознавании трехмерных тел функции зрительной системы значительно сложнее, так как она должна быть чувствительной к различным уровням детализации окружающей среды и иметь возможность отбирать из избыточной нужную информацию для достижения поставленной цели. Как показано в работе 〔14], зрительное восприятие общей сцены и распознавание образов предполагает поэтапную детализацию (анализ фрагментов) с последовательным переходом с низших на более высокие уровни. Например, оценивая интенсивность и распределение цвета, можно получить информацию о текстуре, ребрах и углах объемных тел. Эта информация в свою очередь позволяет выделить зоны, которые можно ассоциировать в трехмерные тела. Затем тела идентифицируются как объекты (призма, параллелепипед, цилиндр и т. п.) и выявляются взаимосвязи между ними, т. е. компонуется сцена. Из сказанного вытекает ：следующая последовательность процесса зрительного восприятия: ；точки—линии—зоны—тела—-объекты—общая сцена [14, 15].

； В настоящее время при машинном зрительном восприятии трех- [мерных объектов применяются две программы: построение контур- i ных рисунков и определение местоположения основных, не закрывающих друг друга объектов с их идентификацией. В первом случае с помощью локальных операций выделяется контурное изображение фрагмента среды (сцены), анализ которого последовательно выпол- ” няется ЭВМ. При этом используется дискретное изображение, ко- I торое запоминается в вычислительной машине в виде структуры, F состоящей из 120Х120 элементов. В каждый из элементов может ! быть записано 16 уровней (4 бита) информации об интенсивности Z света. Однако при построении контурного рисунка часто возни- : кают искажения, существенно усложняющие анализ местоположе- ! ния и идентификацию объектов. Вторая программа включает накоп-

Рнс. 5.9. Схема алгоритма обработки и анализа изображения объекта:仃№ — исполнительный механизм： ЕГи,尸;口一 измеренные площади большой и малой зачерненных областей;尸厂戶？，Fj,尸二 一 предельные знлченля площадейРнс. 5.9. Схема алгоритма обработки и анализа изображения объекта:仃№ — исполнительный механизм： ЕГи,尸;口一 измеренные площади большой и малой зачерненных областей;尸厂戶？，Fj,尸二 一 предельные знлченля площадей

Рнс. 5.9. Схема алгоритма обработки и анализа изображения объекта:

仃№ — исполнительный механизм： ЕГи,尸;口一 измеренные площади большой и малой зачерненных областей;尸厂戶？，Fj,尸二 一 предельные знлченля площадей

Рнс. 5.9. Схема алгоритма обработки и анализа изображения объекта:

仃№ — исполнительный механизм： ЕГи,尸;口一 измеренные площади большой и малой зачерненных областей;尸厂戶？，Fj,尸二 一 предельные знлченля площадей

ление и интерпретацию признаков, получаемых с помощью локальных операторов. Она состоит из двух частей: списка локальных операторов и процедуры исполнения. Локальные операторы обрабатывают изображение с градациями яркости для осуществления раз* личных проверок, например, проверки существования линии между точками, нахождения всех линий, исходящих из данной точки и т. п. Процедура исполнения исследует сцену, вызывая локальные операторы и оценивая результаты на базе проведенных проверок и уже накопленной информации о внешней среде [15, 25}. Поле зрения тела камеры делится на 4096 точек (64X 64), яркость каждой из которых преобразуется в цифровой сигнал, направляемый в ЭВМ. На основе полученной информации определяется местонахождение предмета. Затем с целью более детального изучения формы предмета выявленная зона делится снова на 4096 участков и осуществляется сканирование этой зоны с последующим аналого-цифровым преобразованием полученных сигналов. Если объект больше выделенной зоны, то последняя перемещается по нему подобно тому, как взгляд человека скользит по предмету [27].

Глава6Глава6РОБОТЫ И СЕРВИСНЫЕ

Глава

6

Глава

6

УСТРОЙСТВА МАНИПУЛИРОВАНИЯ

Основной тенденцией в развитии робототехники в настоящее время является значительное увеличение выпуска и внедрения в производство роботов и сервисных устройств для подачи, хранения и ориентации изделий, являющихся основными структурными элементами АЛ, РТК и ГАП.

Для производства изделий микроэлектроники на базе свыше сорока моделей точных специализированных роботов [30] разработаны и внедрены в промышленность автоматические линии операций диффузии, окисления, очистки и др.

На операциях сварки и пайки микросхем, полупроводниковых приборов, сборки кварцевых резонаторов, наручных часов, радио- деталей и других изделий работают прецизионные специальные роботы с элементами адаптации к нестабильностям технологических факторов, режимов и т. п. Адаптивные роботы должны заменить человека, работающего с микроскопом и выполняющего операции, отличающиеся высокой точностью и стабильностью.

Применение роботов и сервисных устройств манипулирования позволяет повысить коэффициент использования основного оборудования, улучшить и стабилизировать качество изделий.

Роботы для загрузки и сборки миниатюрных изделий

Промышленные роботы, используемые в составе АЛ и РТК, как правило, выполняют операции по захватыванию деталей из накопительных, ориентирующих, измерительных и других устройств и установку их в изделие, тару. Поскольку номенклатура изделий весьма обширна, возникает необходимость создания гибкого, легко собираемого конструктивного набора механизмов и унифицированных элементов (приводов, датчиков, элементов пневмоавтоматики и т. д.), из которых можно было бы компоновать роботы различных модификаций.

Промышленные роботы с цикловым программным управлением нашли широкое применение при создании тех РТК, в которых, несмотря на недостатки роботов рассматриваемого класса, существенное значение приобрели их преимущества. Простота конструкции 178

таких роботов создает предпосылки их надежной работы и удобства эксплуатации; обслуживание не требует привлечения высококвалифицированного персонала. Низкая стоимость и высокое быстродействие в сочетании с высокой точностью установки объектов в места позиционирования, приемлемые соотношения между размерами, грузоподъемностью и скоростными показателями во многом определяют эффект и вность применения роботов с цикловым управлением,

В совокупности перечисленные факторы создают выигрышную технико-экономическую ситуацию при выборе роботов данного класса для использования при автоматизации.

Ограниченные манипуляционные возможности таких роботов с обеспечением программирования лишь небольшого числа точек позиционирования в пространстве, необходимость наличия в составе РТК конструктивно сложных и трудоемких в изготовлении магазинов и приемно-передающих устройств — те особенности, которые определяют узкую область их применения. В основном ——это машины специального и специализированного назначения.

Наибольшее распространение в ПР с цикловым управлением получил пневмопривод. Однако область его эффективного применения ограничивается грузоподъемностью роботов, равной 10— 15 кг. Это доказано многочисленными примерами отечественного и зарубежного роботостроения [4, 36].

Кинематическая структура робота должна удовлетворять условиям его сопряжения с технологическим оборудованием РТК* Из анализа такого сопряжения вытекают требования к грузоподъемности, точности, перемещениям захвата робота по всем координатам, его размерам, динамическим параметрам, числу точек позиционирования по каждой из координат и т. д.

С учетом главного параметра ——грузоподъемности ——проводится обоснование размерного ряда роботов, которые должны наиболее полно и с наименьшими затратами обеспечивать в зависимости от поставленных задач автоматизацию конкретных технологических процессов.

Повышение степени универсальности робота усложняет его конструкцию, что приводит к увеличению трудоемкости изготовления, повышению стоимости, снижению надежности и эксплуатационных качеств машины. Ограничение технологических возможностей приводит к необходимости создания большого количества роботов Для решения комплекса задач по автоматизации технологических процессов.

Одним из прогрессивных направлений в развитии роботострое- ния является создание роботов модульной конструкции. В каждом отдельном случае степень универсальности с учетом принципа модульности должна быть обоснована технико-экономически и рассмотрена во взаимосвязи с другими моделями роботов, образующих размерный ряд.

Методический подход к обоснованию размерного ряда отечествен- Ннх роботов с цикловым управлением и пневмоприводом, созданных

в одной из отраслей, изложен в работе [29]. Указанный отраслевой размерный ряд включает роботы моделей «Циклон-5» грузоподъемностью до 5 кг, «Ритм-05» грузоподъемностью до 0,5 кг. ПР модели ； «Ритм-01» дополняет этот ряд и закрывает его со стороны наименьшей грузоподъемности.

ПР «Ритм-01» предназначен для автоматизации технологических процессов штамповки, механической обработки и сборки и представлен в трех модификациях (рис. 6.1). Каждая из рассматриваемых модификаций ——это комплекс, состоящий из манипулятора, устройства программного управления (УПУ) модели АС-2611 [А. с. 807213 (СССР) ] и модуля силового блока, объединенных электрокабелями и пневматическими трубопроводами. Если УПУ и модуль силового блока каждой из модификаций ПР «Ритм-01» имеет единое исполнение, то манипуляторы конструктивно отличаются друг от друга.

Кинематическую схему манипулятора ПР «Ритм-01.01» определяют пять степеней подвижности (рис. 6.1, а). Из них четыре степени являются транспортными: подъем-опускание руки, ее поворот вокруг вертикальной оси манипулятора, поперечный сдвиг и выдвижение-втягивание руки. Поворот захвата вокруг горизонтальной оси руки определяет единственную ориентирующую степень подвижности.

В манипуляторе ПР «Ритм-01.02» (рис. 6.1 ( б) на специальном кронштейне закреплены две руки, а поперечный сдвиг руки отсут； ствует. Одна из рук аналогична по конструкции двухстепенной руке, устанавливаемой на манипуляторе ПР «Ритм-01.01». Вторая рука ——одностепенная. В ней отсутствует ориентирующая степень подвижности.

рнС. 6.2. Схема РТК механической обработки заготовок с применением П Р « Ритм 01.01»

В третьей модификации манипулятора ПР «Ритм-01.03» (рис. 6.1, в) также отсутствует поперечный сдвиг руки, а рука по конструктивному исполнению является двухстепенной и закреплена на специальном кронштейне.

В каждой из модификаций манипуляторов предусмотрена установка клещевых и вакуумных захватов, которыми комплектуется робот.

Если кинематическая схема манипулятора ПР «Ритм-01.01» позволяет наиболее удачно вписывать его

в РТК механической обработки, то исполнение манипулятора ПР «Ритм-01.02» рассчитано на его предпочтительное применение при автоматизации технологических процессов холодной листовой штамповки на соответствующем прессовом оборудо

вании.

ПР «Ритм-01.03» может быть использован при автоматизации штамповки, механической обработки и сборки. При автоматизации технологических процессов несложной сборки находит применение и ПР «Ритм-01.02».

На рис. 6.2 в качестве примера показано применение ПР «Ритм-01.01». Штрихпунктирными линиями изображена траектория переноса манипулятором 5 заготовок / из исходного положения А к шпинделю 6 токарного станка 4, к приемному 3 и бункерному 2 устройствам. Пояснение перемещений захвата манипулятора при загрузке и разгрузке станка с наименованием переходов приведено в табл. 6.1, где положение / заготовки соответствует исходному положению захвата манипулятора на рис. 6.2.

С примерами структурных схем РТК холодной листовой штамповки с применением ПР «Ритм-01.02» и «Ритм-01.03» можно ознакомиться в работе [29 ].

Краткая техническая характеристика ПР «Рнтм-01»

Номинальная^грузоподъемность, кг 0,1

Число программируемых координат: «Ритм-01.01» 5

«Ритм-01.02» 5

«Ритм-01.03》 4

J Число точек позиционирования:

}по повороту руки (рук) вокруг вертикальной оси манипулятора 3

:по остальным координатам 2

Разгрузка станка

Подход

захвата к заготовке

Загрузка станка

Выход захвата из рабочей зоны станка

1—2

Поворот руки

5—4

Подъем руки

9—8

Сдвиг руки ,

3—2

Подъем рую

4

2—3

Опускание руки, детали, разжим

зажим

цанги

4—1

Втягивание захвата

8—7

Втягивание и ние захвата

враще-

2—1

Поворот обработка

руки»

детали

3—2

Подъем руки

/—6—7

Поворот и сдвиг ки, вращение хвата

РУ- за-

7—6—1—2

Сдвиг и поворот ки

РУ-

2—1

Поворот руки

7—8

Выдвижение захвата

2—3

Опускание руки, зажим цанги, разжим захвата

/—4

Выдвижение захвата

8—9

Сдвиг руки, зажим заготовки

4-5

Опускание руки, жим захвата

раз-

7

7

飞

Таблица 6.1. Перемещения захвата манипулятора

182

ГТеремегцения захвата (захватов) манипуляторов ПР《PHTMtoLol产 《PHTM.0L02》иллюстрирует рнс" 63

В манипуляторе FlP《рнтм,01.02》предусмотрена возможность регуннровки взаимного располсження рук как в вертикальной》так н в горизонтальной плоскостях* Регулируемое смещение рук в вер— тнкальной плоскости составляет 0——40 мм・ Смещением оп^& рук в вертикальной и горизонтальной плоскостях н поворотом каждом руки в горизонтальной плоскости достигается компоновка маннпуля， тора ПР《рнтм,01.02》》показанная на рнс・ 6.33 8.

Ось захвата ОАНОСТепеннон рукн ^й- 6.3》6) мсжет бшъ сме— Еена в вертикальной плоскости относительно горизонтальной оси рукн・ Предусмотрена также компоновка захвата с ось© перпенпн， кулярной осн рукн・ qHCHO упрашшемнх по программе от УПУ КООРАННат равно Способ задания программы ——препварнтельнЕЙ посредством запаи, вання Анопов на соответствующие HO3UneqaTHEX плат ^й^дка 11Poграмм* Емкостьпрограммоноснтеня составляет 608 63 Обмен информацией с манипулятором н технолошиескнм оборудрваннем осуществляется путем КЕёлк 24 упраштяклцих команд, на маннпулн， тор и приема 14 ответных сигналов от Аатчнков положения》а также 15 технологических команд упраштеннопроса состояния 060РУА0, ваннн и приема ответных сигналов" ВНХОА технологнческнх команд на оборудование ——релейнЕЙ. Злементная база устройства програм, много управления ——ннтегральнне микросхема в сочетании с Анек， ретньти зпементашс

гтрнвоавсех степеней ПОАВ^ЖНОСТН манипуляторов IIP《ритм,》 пневматическиОни включают исполнительную част? СОСТОНЕУЮ изневмсщи;ШНАРОВ с тормозньтн устройствами и передач с тве дыми звеньям 产 а также системуОА「ОТОВКН сжатого возпухр рас， преденнтельную аппаратуртрубопровоАЕ* Компактность манипулятора опреАеляется pausoHambHblM выбором диаметров порЕнемневмощишнАРОВ S пропускных способно, стеОАВОАЯ1ЦНХ н внхлопнихневмолннн・ Простота KOHCTPyKUHS механической части IIP《рнтм—опозволила использовать §а про, ведения проектного н поверочного расчета пневмопрнвоАОВ метоАЕ Аннамнческого анализа и синтеза• Пропускная способность не， которых пневмозлементов в6рана зкепернментальнр Разработанные для ПР «ритм,》конструкции пневмоприводов обеспечнлн необхцднмое бЕСТРОАействхе робота》компактность кон， струкщш маннпулмторову технологичность нзготовненнн пневмо— ИНЛННАРОР При зтом обеспечен 50 ^.ЯЕда запас по нагрузке- ^ОЧО^Еда существенно не отразился на размерах манипулятор户 что харак， -терн。для конструкции механизмов с пневмопрнвоАОМ с малЕМН зна— ченнямх полезных нагрузок、

Узел《рука》представляет собой сборную конструкцию* Нарнс・ 6.4 нзражена кннематнческая схема двухстепенной рукн・ Понапраштяющнм качання 7 перемещается скалка 77 квадратного celчення" ГТеремегценне скалкн обеспечивается поступлением сжатоговоздуха в порЕневуюнлн Етоковук} полость ПневмоиилннАРжестко

183

⑥⑥OG-0OG-0/z-ITWLHd》I 8'-ЛЗ- 8-SHS^« I°"noaoHKK.^CSXAE 3E0XQ 91qHqHJ.HAdQH0 工・9 JHd/z-ITWLHd》I 8'-ЛЗ- 8-SHS^« I°"noaoHKK.^CSXAE 3E0XQ 91qHqHJ.HAdQH0 工・9 JHdРис. 6.4. Кинематическая схема узла «рука»Рис. 6.4. Кинематическая схема узла «рука»097097§§

⑥

⑥

OG-0

OG-0

/z-ITWLHd》I 8'-ЛЗ- 8-SHS^« I°

"noaoHKK.^CSXAE 3E0XQ 91qHqHJ.HAdQH0 工・9 JHd

/z-ITWLHd》I 8'-ЛЗ- 8-SHS^« I°

"noaoHKK.^CSXAE 3E0XQ 91qHqHJ.HAdQH0 工・9 JHd

Рис. 6.4. Кинематическая схема узла «рука»

Рис. 6.4. Кинематическая схема узла «рука»

097

097

§

§

закрепленного в корпусе руки. Шток-поршень 4 пневмоцилиндра 6 соединен со стороны захвата руки со скалкой. Внутри скалки в подшипниках 18 расположен вал 16 для передачи вращения на захват руки. Угол поворота захвата регулируется с помощью набора шариков, ограничивающих перемещение упора /9. На одном конце скалки смонтирован пневмоцилиндр 11 поворота захвата. Поступательное перемещение поршня пневмоцилиндра со штоком преобразуется во вращательное с помощью втулки 9, имеющей винтовые прорези на цилиндрической стенке, в которые входит штифт, жестко соединенный со штоком /0. Штифт фиксируется относительно скалки, что исключает его поворот и обеспечивает только поступательное перемещение. На рисунке эта пара с целью упрощения кинематической схемы изображена как винт——гайка (шток 10 — втулка 9)・

На другом конце скалки установлен пневмоцилиндр 1 зажима- разжима захвата. Прн перемещении поршня пневмоцилиндра I вперед подпружиненные губки 2 н 3 захвата совершают плоскопараллельное перемещение, Возврат в исходное положение осуществляется пружиной. Торможение при выдвижении-втягивании скалки гидравлическое. Тормозное устройство 14 состоит из корпуса, в который вмонтированы поршни со штоками 13 и дроссель 15. Эффективность торможения в конце хода достигается настройкой дросселя на необходимый расход масла, перетекаемого из одной полости тормозного устройства в другую. Окончание перемещения скалки контролируется с помощью датчиков положения 5 (герконов). Воздействие на штоки тормозного устройства осуществляется регулируемыми упорами /2. Герконы срабатывают при контактировании с постоянными магнитами 8.

В конструкции руки предусмотрено применение клещевого и вакуумного захватов. Вакуумный захват работает от эжектора, устанавливаемого непосредственно перед присоской и работающего от того же пневмораспределителя, что и клещевой захват. Размеры и число присосок на захвате зависят от массы и конструкции объекта манипулирования. Штатный вакуумный захват с одной присоской входит в комплект поставки робота и рассчитан на работу с объектом массой до 0,1 кг.

Устройство программного управления модели АС-2611, входящее в состав ПР «Ритм-01», предназначено для управления манипулятором, основным и вспомогательным оборудованием РТК- УПУ работает в режиме одиночного цикла в автоматическом, шаговом и наладочном режимах.

Конструктивно устройство представляет собой отдельный модуль, имеющий настольное исполнение. Оно включает блоки управления и питания, а также пульт управления.

Задание на отработку в кадре той или иной команды достигается запаиванием диодов в требуемые точки пересечения командных шин и шин номеров кадров.

Разработан конструктивный набор [30 ], предназначенный для серии роботов типаПРП01. В этот набор входят модуль горизонтального и вертикального перемещений, модуль поворота, неподвижное основание (устанавливаемое вместо механизма поворота), а также электромагнитные, электромеханические, пневматические и вакуумные захваты.

Элементная база представлена следующими наборами: элементы пневмоавтоматики (распределители, блоки распределителей —— пневмопанели, дроссели, штуцеры); датчики (фотодатчики и герконовые магнитоуправляемые); модули (платы), составляющие блоки управления и согласования с внешними устройствами управления.

Роботы серии ПРП 01 выполняются в виде отдельных модулей и унифицированных узлов, что обеспечивает выпуск их различных модификаций с разными функциональными возможностями. Например, роботы этой серии изготовляют с одним или двумя посадочными фланцами для захватов, а также роботы с неподвижным основанием вместо механизма поворота.

Основной модуль пневмоавтоматики —— пневмопанель (блок пневмораспределителей)——выпускается в виде отдельных секций с двумя и тремя малогабаритными пневмораспределителями. Такое построение позволяет собирать пневмопанель с любым (кроме одного) числом распределителей. Соединение пневмопанелей между собой для подвода и отвода сжатого воздуха ——бесштуцерное, что существенно сокращает их размеры. В соответствии с конструктивными требованиями пневмопанели могут быть оснащены дросселями с обратными клапанами, штуцерами, заглушками либо комбинацией этих элементов. Устанавливаемые на пневмопанелях пневмораспределители при необходимости оснащаются электронными усилителями для управления переключающими электромагнитами.

Для фиксации крайних положений исполнительных устройств используются датчики на базе сдвоенных герконов (герметичных магнитоуправляемых контактов). Для контроля положения манипулируемых объектов робот оснащен вынесенным датчиком на базе фото- и светодиодной пары со встроенным усилителем.

Роботы, как правило, имеют встроенные или выносные блоки управления, но, если предусмотрено управление от ЭВМ или другой внешней системы управления, эти блоки в них отсутствуют.

Рис. 6.5. Робот ПРП 01-2:

/ — механизм горизонтального и вертикального перемещений; 2 у фланец для крепления верхнего захвата;

3 — фланец для крепления нижнего захвата; 4 — механизм поворота; 5 — пневмопанель; 6—блок управления

Электронные блоки могут комплектоваться различным набором алгоритмических модулей для реализации как типовых (стандартизированных) циклограмм работы, так и более сложных, построенных на их базе. Эти модули обеспечивают автоматический контроль датчиков и блоки

ровку цикла при любой неисправности, имеют встроенный аппарат самодиагностики и позволяют объединять отдельные роботы в еди

ную систему, подключать внешние исполнительные механизмы, сопрягать с внешним контуром управления на базе ЭВМ.

Малогабаритный робот ПРП 01-2 (рис. 6.5), выполняющий загрузочно-разгрузочные операции и сборочные работы, оснащен двумя пневмопанелями (с двумя и тремя пневмораспределителями). Робот оборудован двумя захватами (верхним и нижним), которые могут одновременно перемещаться по вертикали, а также поворачиваться вместе с рукой на заданный угол. Кроме того, верхний за» хват может перемещаться относительно нижнего в горизонтальном направлении. Технические характеристики робота ПРП-01 приведены в табл. 6.2. Система координат —— цилиндрическая. Робот имеет регулировку в двух крайних положениях горизонтального хода и в нижнем положений вертикального хода; верхнее положение — нерегулируемое* При повороте вокруг вертикальной оси оба крайних Положения регулируются,

На базе этого малогабаритного робота циклового действия в а# регатном исполнении можно создавать достаточно сложные системы такие, например, как линия сборки дисковых мини-аккумуляторов.

Автоматизация мелкосерийных и многономенклатурных производств решается с помощью роботизированных технологических ячеек (РТЯ), из которых строятся участки и комплексы. РТЯ — производственная единица автоматизированных участков механической обработки — содержит станок с числовым программным управлением (ЧПУ) и ПР для загрузки-выгрузки заготовок.

Для выполнения сборочных работ разработан фирмой «Юни- мейшн» (США) и используется в автоматизированной линии ПР 《Puma》，имеющий пять степеней подвижности, обеспечивающий позиционирование деталей с погрешностью не более ±0,1 мм. Робот «Puma» манипулирует объектами массой до 3,5 кг при скорости перемещения до 1 м/с [30 ].

Итальянская фирма «Оливетти» применила промышленный ро бот «Sigma-МТА» для сборки миниатюрных деталей (см. рис. 1.4). Конструктивно этот робот представляет собой основание портального типа, на котором подвешены два манипулятора, действующие независимо друг от друга. Обработка? сборка и монта* деталей вы”

不Таблица 62 Основные технические характеристики роботов для манипулирования миниатюрными изделиями

Наименование характеристики

ПРП-01

«Ритм-01.01»

1РФ-202М

РС-222 (комплекс)

FM

FS

СССР

Япония

Номинальная грузоподъемность, кг

Число степеней подвижности

Система координат

Погрешность позиционирования, мм Тип привода

Диапазон перемещения ру~ км:

в горизонтальной плоскости, мм

в вертикальной плоскости, мм

вокруг вертикальной оси, q

Скорость: линейных перемещений, м/с поворота, е/с

Тип системы управления

Габаритные размеры робота, мм

Масса робота, кг Применение

0,1

3

0,15

5—80

5—25

30—120

од

180

Программируемый 410Х160Х

Х460

20 АЛ сборки дисковых аккумуляторов

0,1

5

Цили

°」1

Пневг

0—150

0-50

0—220

0,3

275 Контроллер

510X220X279

30

РТК листоштам- повочиый, механической обработки и сборки

0,2

8 ндрическая

0,05

«этический

0—200

0—30

0—120

0,7

180 Цикловый контроллер 1040X512X605

43

РТК механической обработки, штамповки, сборки

2,0

5

0,05

0—240

0—60

0—80

1

180

УПУ «Цикл-А»

750X320X560

40

РТК сборки, контроля укладки и многооперационной штамповки

1,0

3

Прямоу 0,1

Механический

0—61

0-20

0—110

180 Микр

РТК, АЛ контроля и разбраковки диодов

8,0

8 гольная 0,2

Электромеханический

0—30

0—600

0—220

220 оЭВМ

АЛ сборки двигателей

Еолннютсм маннпулнторамн на рабочем столнке》 размещенном на основанн-содержащем такх《е крепежнне устройства- MarasHHbL кассеты н детали -47 L

Робот типа FM разработан м нспользуется японское фирмой «Gsws ьшд^к s^ss влнннн контроля н разбраковки пнохов》опн, о^дхода ннже・

62 шреинзнонные нзмернтемьныге маЕННЫ

н системы

В середине ceMHnecMTblx 「Одов начинается интенсивное развитие особого типа тонх устройств прещ13Hoнных коордннатно—нзме— рмтельннх маЕННУ предназначенных для автоматмиеского BblcoKO— точного комплексного измерения ^sffi^^x§ S у「ловх размеров” погрешностей ФОРМЕН взаимного расположения лок^^^доойда л^^' ИНЗНОННЕХ Корпусову 6/юкоштамповдетален ^₽^0^§№ ФОРМЕ” включая мнннатюрне・по CBOeструктуре S методам управ— леннн Коордннатноензмернтельнь1е MaEHHbl (нзмернтельньяе Р060ТЕ) ^ДИ^О^КЛИЕ Н0ЛДЕ2 роботам， Однако измерительны中 робот- иногда обладакхцн卞 возможностями иелоизмеритель H0лабораторно имеет свон особенности построена в инсле которых можно У1ЮМН， нуть следукхцне-

L Вместо захвата в измерительном роботе смонтирована спе— инальнам сенсорная головка (Еуп)》 фнкснрукицая момент касания измерительного наконечника головки аттестнруемой поверхности- Сенсорные головкнОЛЖНЬ1 0^032^ измерение координат и размеров объектов без остановки движения (нзмеренне《в полете а также в труднодоступных местах-

2- Число степеней подвижности снстемн позниноннрованнм сен， сорной головки обьпшо равно трем S соответствует эталонной сн, стеме КООРАННат* Прн нзмереннм сложных многогранных о&ьектов нлн объектов с осевой симметрией применяются поворотнне СТОЛ・ Такнм Образом” с учетом сенсорной головкн обЕее чнсло степеней подвнжностн нзмернтельного робота равно обнино семн・ Роботы с ДОКЕЕЗДОда универсальностью имеют больЕее 5ICJI0 степеней под， внжностн》постигающее 91

3・ Ввиду большого ^s^ измеряемых тоиек нлн сеиеннй Поверх, ностей нзмернтельннй робот должен обладать большим бЕстропей, ствнем при высокой томности работы- Эти a^0HSW0^2sw§ требова— ння 06bBiно уповлетворнютсм путем в60ра оптимальной базовой траекторнн движения между двумя последуюгцнмн нзмеренннмн- 4・ Система управления измерительного робота не должна обеспе. чнвать совмещение координатных оо^да робота S измеряемого объект产 т・ е・ не требуется пространственное центрнрованне объекта в начале процесса нзмерення* измерительный робот содержит набор нзмерн. тельннх программ》Позволмкхцнх решать практически все возмож， не ^й^лк измерения S аттестации объектов м поверхностей- Материал параграфа подготовлен совместно с КНА- техн・ наук >• каспа.

9

Рис. 6.6. Схема измерительного робота ВЕ-155 (узлы и измерительные системы координатных перемещений показаны только для портала):

Рассмотрим подробнее конструкцию координатно-измерительной машины ВЕ-155, со- ЭНИМС. Машина состоит из ба-Рассмотрим подробнее конструкцию координатно-измерительной машины ВЕ-155, со- ЭНИМС. Машина состоит из ба-1 — основание; 2 — стол для установки объекта измерения; 3 — аэростатические опоры; 4 — портал; 5 — каретка; 6 — пиноль; 7 — измерительная головка; 8 — измерительный преобразователь; 9 — электромеханический привод； 10 — пульт управления; // — устройство цифровой индикации; /2 — управляющая ЭВМ; 13 — устройство, регистрирующее результаты измерений; 14 — дисплей; 15 — блок управления электроприводами

Рассмотрим подробнее конструкцию координатно-измерительной машины ВЕ-155, со- ЭНИМС. Машина состоит из ба-

Рассмотрим подробнее конструкцию координатно-измерительной машины ВЕ-155, со- ЭНИМС. Машина состоит из ба-

зданной в Вильнюсском филиале

зовой части и управляющего вычислительного комплекса (рис. 6.6) и предназначена для применения в лабораторных условиях. Компоновка базовой части машины — - портальная с вертикальным ползуном. Перемещение подвижных узлов по всем координатам осу

ществляется на воздушных подшипниках.

В состав управляющего вычислительного комплекса входят ЭВМ, алфавитно-цифровой дисплей, алфавитно-цифровое печатающее устройство, ленточное устройство ввода-вывода и блоки цифровой индикации. Управление машиной может осуществляться как в ручном (механизированном), так и в автоматическом режимах.

Во время наладки применяется ручное управление координатными перемещениями, которое осуществляется с помощью удобно управляемых штурвалов с пульта управления машины. В процессе измерения управление всеми координатными перемещениями производится автоматически по заданной программе.

Процесс измерения заключается в перемещении по программе сигнальной головки по поверхностям детали. Сигнальная головка перемещается по трем координатам- Отсчет координат точек касания измерительного наконечника сигнальной головки с измеряемой по* верхностыо объекта и их передача в ЭВМ осуществляются автоматически на ходу подвижных узлов машины. На основании полученных в результате измерения координат точек ЭВМ производит расчет геометрических элементов и параметров их взаимного расположения. Результаты измерений ——действительные измеряемые размеры и их отклонения от номинальных значений — выдаются на алфавитно-цифровой дисплей и алфавитно-цифровое печатающее устройство.

По своим точностным и динамическим параметрам машина ВЕ-155 является универсальной прецизионной системой с широкими функциональными возможностями. В ВЕ-155 применены оригинальные сенсорные головки, основанные на возбуждении высокочастотных упругих стоячих волн и последующем измерении параметров колебаний при расстройке резонансной системы датчика в момент касания наконечника поверхности измеряемого объекта. Подобный

Рис. 6.7. Схема и общий вид резонансных сенсорных головок

принцип очувствления представляет интерес и для роботов общего назначения, поэтому рассмотрим варианты схем построения резонансных сенсорных датчиков подробнее,

В качестве материалов для вибровозбудителей высокочастотных упругих колебаний применяется промышленная пьезокерамика обладающая высокой добротностью (например, марок ПКР-Ю, ЦТС-23, ПКР-22 М). Еще большее повышение добротности упругой системы головки дает применение волноводов специальной формы (концентраторов колебаний). На рис. 6.7 приведена конструкция сенсорной головки со ступенчатым концентратором, обладающим наибольшим усилением [А. с. 819567 (СССР) ]. Пьезоэлектрический преобразователь 1 с осевой поляризацией и волновод 2 представляют собой единую колебательную систему, соединенную с корпусом 3 головки посредством подвижного торцового зубчатого соединения, при этом средняя линия зацепления проходит через узел продольных резонансных колебаний волновода (рис. 6.7, а, б). В режиме измерения

4

a)

Рис. 6.8. Схемы сенсорных головок：

/ — держатель： 2 — волновод; 3 пьезоэлектрический преобразователь; 4 — фазометр; 5 — управляющее устройство; 6 —— генератор электрических колебаний

генератор электрических колебаний 4 возбуждает продольные резонансные колебания волновода 2 небольшой интенсивности, а фазометр 6 определяет разность фаз между сигналом возбуждения и сигналом, снимаемым с измерительного электрода пьезопреобразователя 1. В момент касания наконечником головки объекта измерения добротность системы снижается, что приводит к резкому скачку измеряемой фазы. ”

В головке предусмотрен режим восстановления положения наконечника относительно корпуса, когда происходит отклонение наконечника от вертикального положения и зацепление торцовой зубчатой пары нарушается. В этом режиме управляющее устройство 5 задает частоту колебаний генератора 4, соответствующую второй форме резонансных колебаний упругой системы головки, при которой в зоне зацепления торцовой зубчатой пары происходят колебания с амплитудой &」(рис. 6.7, s), способствующие возврату наконечника в исходное положение с погрешностью не более 0,1 мкм.

Аналогично строятся головки для измерения параметров плос- косте访，профилей зубьев и т. п. Так, в сенсорной головке для измерения ступенчатых поверхносте访[А, с. 887928 (СССР) ] используется пьезоэлектрический возбудитель в виде кольца из пьезокерамики с разделенными зонами возбуждения и измерения, совершающий изгибные колебания с управляемой формой (рис. 6.8, а), зависящей 192

от принятой схемы измерения (при измерении по методу трех точек возбуждаются изгибные колебания кольца третьей формы, что соответствует электродам возбуждения, показанным на рис. 6.8, а). В головке с изменяемым положением щупа (рис, 6.8, б) кроме основного режима ——измерения момента касания ——используется режим поворота, возникающий при возбуждении в сферическом преобразователе двухкомпонентных колебаний, взаимодействующих со сферическим элементом волновода 2.

Отметим, что резонансные сенсорные головки, обладая простотой конструкции и технологичностью, обеспечивают фиксацию координат с погрешностью 0.2—0,5 мкм. Важной особенностью этих головок является возможность их миниатюризации, что необходимо при использовании их в координатно-измерительных машинах для аттестации миниатюрных изделий. Кроме того, резонансные сенсорные головки могут быть выполнены в виде сложных волноводов (включая криволинейные), расширяющих функциональные возможности измерительных средств.

Пятищуповая резонансная головка, созданная в Вильнюсском филиале ЭНИМС, обеспечивает фиксирование коорлпнат с погрешностью не более 0.5 мкм, при этом используется одна схема измерения для всех пяти наконечников.

В прецизионном оборудовании для производства микроминиатюрных изделий используются системы различных типов одно-, двух- и трехкоординатные, линейные и угловые, разомкнутого л замкнутого типов.

Однокоординатные разомкнутые системы строят в основном на базе шаговых двигателей. В этих системах точность позиционирования определяется разбросом шага двигателя и отклонениями передаточного отношения трансмиссии.

В процессе работы оборудования наблюдаются также отклонения по осям х н у. Отклонения по оси, вызванные погрешностями изготовления, зазорами, нежесткостью направляющих п другими факторами. особенно ощутимы в оборудовании для производства ИС. Примером одноконтурных разомкнутых систем могут служить системы типа ЭМ-215 для резки дисков и ЗМ-490 для монтажа межсоединений. Один из путей снижения погрешности этих систем до нескольких микрометров состоит в исключении трансмиссии в результате использования линейных шаговых двигателей. Другой путь ——использование датчиков линейных перемещений, т. е. создание замкнутых однокоординатных систем, точность которых во многом зависит от датчика. В однокоординатных замкнутых линейных системах нашли применение дифракционные решетки и шкалы, а также интерферометрические датчики. Погрешность таких систем не превышает 0,1 мкм. При необходимости повышения точности отсчета датчика исключают систематическую составляющую ошибок путем ввода в память ЗВА4 функции ошибок и вычисления их в процессе работы. Субмикронную точность гарантируют прецизионные замкнутые линейные координатные системы с линейным шаговым двигателем постоянного тока магнитоэлектрического типа.

193193%7 Р. Ю, Бансявичюс и др.

193

193

Угловые координатные системы строятся двух типов. Системы первого типа позволяют осуществлять повороты на большие углы, например наборной диафрагмы в генераторах изображений, типов ЭМ-549, ЭМ-559 и др. [30 L Вспомогательные однокоординатные системы осуществляют поворот на небольшие у^ы для ориентации изделия относительно осей двухкоординатной линейной системы. В качестве датчиков здесь используются диски с радиальными штрихами или цилиндры со штрихами по образующей.

Двухкоординатные замкнутые линейные системы реализуются в виде совокупности двух однокоординатных линейных систем или в виде крестовых столов типа ЭМ-539Б с интерферометрическими датчиками. Точность этих систем субмикронная.

Примером трехкоординатных замкнутых систем могут служить: 1) установки совмещения н экспонирования, мультипликации, базирования фотошаблонов и др.; 2) зондовые установки типа ЭМ-680, ЭМ-584, ЭМ-589, ЭМ-599 с быстродействием до 200 м/с и погрешностью до 0,1 мкм; 3) сборочное оборудование типа ЭМ-220, ЭМ-4060 и др. с быстродействием до 300 м；с и погрешностью не более 5 мкм.

Сервисные устройства роботов

В робототехнический комплекс кроме промышленных роботов и технологического оборудования входят, как правило, различные сервисные устройства, обеспечивающие эксплуатационную гибкость роботизированных систем. К ним относят накопители с предварительной ориентацией изделий, механизмы поштучной и групповой их выдачи из накопителей в зону захвата, дополнительные ориентирующие и сортирующие устройства, системы перемещения и стапе- лирования изделий с сохранением их первичной ориентации. Рассмотрим перечисленные устройства, действующие преимущественно по принципу бесконтактного силового воздействия на изделия и предназначенные в основном для подачи деталей, практически исключающих жесткий механический контакт с рабочими органами робота.

Вибро-механические устройства. Роботы первого поколения могут манипулировать только теми деталями и изделиями, которые предварительно ориентированы и точно спозиционированы в исходном положении, поэтому они должны быть оснащены сервисными устройствами. Такими устройствами являются бункерно-ориенти- рующие загрузочные устройства (БОЗУ), вибрационные загрузочные устройства (ВЗУ), магазинные загрузочные устройства (МЗУ)> устройства для укладки в магазины-касеты.

Таким образом, основной функцией сервисных устройств являются поштучная или групповая выдача первично ориентированных деталей и их точное позиционирование в исходном положеьшп рабочего ннкка.

Наиболее сложная задача ——автоматическое ориентирование деталей. Первичное ориентирование деталей в сервисных устройствах осуществляется двумя основными способами [16 ]: 1) по их внешнему 194

контуру и 2) по внутреннему контуру. Ориентирование по первому способу обеспечивается западанием детали в щель, трубку или в трафарет (фасонный вырез по внешнему контуру заготовки), а во втором случае — надеванием детали на штырь или крючок. Вторичное (окончательное) ориентирование осуществляется либо при прохождении детали через трафареты —— калибры (например, профильные калиброванные губки), либо специальными способами: оптическим, в электромагнитном поле, в.электростатическом поле, в электромагнитном поле высокой частоты. Асимметричные объекты вторично ориентируют путем поворота на различных опорах за счет смещения центра тяжести [16 ].

Первыми из сервисных устройств были разработаны и внедрены в промышленность механические магазинные и бункерно-ориентирующие загрузочные устройства. Магазинное загрузочное устройство М3 У представляет собой лоток-накопитель с отсекателем для поштучной выдачи деталей, которые укладываются в лоток в ориентированном положении вручную, В рабочем положении лоток может быть расположен либо вертикально, либо наклонно, либо горизонтально, В первых двух случаях детали перемещаются под действием собственного веса, в последнем ——с помощью специальных толкателей.

Бункерно-ориентирующие загрузочные устройства представляют собой сочетание магазинных загрузочных устройств с бункерно- ориентирукщим устройстЕом (БОУ),

БОУ осуществляет поштучную выборку, ориентирование и укладку в магазинное загрузочное устройство деталей, накопленных в бункере. Выборка заготовок в БОУ производится механическим подвижным захватно-ориентирующим органом при прохождении его через массу деталей, хаотически расположенных в бункере. По виду движения захватного органа БОУ подразделяются на следующие группы: с вращающимися захватными органами (фрикционные, щелевые, карманчиковые и барабанные); с захватными органами, совершающими возвратно-поступательное или карательнее движение (шиберные и секторные). Магазинное загрузочное устройство служит для накопления запаса ориентированных деталей, необходимого для синхронизации производительности БОУ и робота, и непосредственной подачи детали в зону обслуживания робота.

Данные устройства нашли широкое применение в промышленности для ориентирования и подачи обычных изделий, но оказались непригодными для маниатюрных. Основную номенклатуру миниатюрных изделий составляют изделия электронной, электротехнической и часовой промышленностей (рис. 6.9). Характерными особенностями этих изделий, кроме малых размеров, являются малая масса, низкие жесткость и прочность, высокая сцепляемость друг с другом.

Для миниатюрных изделий рассмотренные выше магазинные загрузочные устройства неприемлемы, так как в них изделия укладываются вплотную друг к другу, а малые размеры и прочность таких изделий исключают возможность их поштучного отделения от общего потока и выдачу. Малая масса миниатюрных изделий не поз-

%7* 198

Рис. 6.9. Миниатюрные детали электронных приборов：

л — полуфабрикаты ИС; б — трубчатые катоды радиоламп; 8 — элементы выпрямителей? а — световые диоды; д — выводы

вол нет в общем случае использовать для их ориентирования силу тяжести и смещение центра тяжестИс Кроме того, такие детали могут попадать в зазоры между подвижным захватным органом и стенками бункера и повреждаться, подвергаясь интенсивному ворошению, что также приводит к повреждениям. Из всего многообразия конструкций бункерно-ориентирующих загрузочных устройств для автоматического ориентирования и подачи микроизделий нашли применение только шиберные н секторные, а также пневматические устройства, выполненные на базе бункеров-воронок [16 ].

На рис. 6.10 представлено многошиберное бункерно-орцентирую- щее загрузочное устройство, предназначенное для подачи тонких стержней, например заготовок трубчатых катодов электронных ламп. Устройство состоит из корпуса /2, к которому прикреплен набор пластин 6——11 и предбункер 1. Каждая из пластин имеет вырез такой формы, что весь их набор образует рабочий бункер с постепенно сходящимися вертикальными стенками 21 (при этом ширина выреза в пластине 11 несколько больше длины заготовки) и со ступенчато поднимающимся дном, причем каждая ступенька 196

имеет скос 3 и кромку 2. В пластине 6 выполнено окно, через которое бункер сообщается с предбункером. Четыре пластины 7 имеют большую толщину, чем пластины 8 а 9. В пластинах 6—9 выполнены пазы для пяти шиберов 19 опннаковой толщины, а в пластинах 10 и 11 —— пазы для более тонких шиберов 16 и 17. Толщина шибера 17 незначительно больше диаметра заготовки. Верхние концы шиберов срезаны под углом 45° и образуют кромку 4 и скос 5. Все шиберы установлены на общей оси /5, закрепленной в отверстиях кронштейна /4, опирающегося на ролик /8, который получает возвратно-поступателы-юе движение вдоль вертикальной оси от кулачка, закрепленного на валу привода. Кронштейн 14 перемещается по двум цилиндрическим вертикальным направляющим 23, установленным в расточках стоек 22, закрепленных на основании устройства.

Заготовки засыпаются навалом в предбункер 1 и через окно в пластине 6 поступают в бункер. При движении кронштейна 14 по направляющим вверх шиберы 丿6, 17, 19 поднимаются из нижнего положения в крайнее верхнее (показано на рисунке). При этом заготовки, запавшие в полость, образованную скосами 5 шиберов и стенками 20 пластин 7—10, транспортируются вверх и в момент достижения шиберами крайнего верхнего положения скатываются в полость, образованную скосами 3 пластин и плоскими вертикальными стенками шиберов. При опускании шиберов в нижнее положение заготовка, находящаяся в полости между скосами пластины 8 и стенкой шибера /7, западает в полость между скосами шибера 17 и стенкой пластины 9. Следующим ходом кронштейна 14 вверх эта заготовка переносится в полость между скосом пластины 9 и стенкой шибера 16. Ширина этой полости такова, что в ней не могут поместиться две заготовки. В течение следующего цикла заготовка переносится к кромке 2 пластины 10 и по ее скосу и скосу пластины 11 скатывается в лоток /3, из которого она поступает в зону обслуживания робота.

Пневматические бункерно-ориентирующие загрузочные устройства (рис. 6.11) имеют по сравнению с шиберными и секторными такое преимущество, как отсутствие подвижных механических узлов. Работа этих устройств основана на интенсивном ворошении сжатым воздухом деталей, накопленных в бункере. В процессе ворошения детали западают в ориентирующую трубку и поступают в лоток- накопитель. Подачу сжатого воздуха в бункер осуществляют либо импульсами, либо непрерывно. Пневматическое бункерное устройство импульсного типа, используемого для подачи деталей миниатюрных радиоламп, показано на рис. 6.11. Устройство состоит из корпуса 2, бункера и накопителя 1. Бункер включает основание 3, сменную прокладку 4, купол 5, закрытый подпружиненной крышкой 7, и установлен на верхней плоскости корпуса 2.

Основание бункера 3 имеет коническую расточку, переходящую в коническое отверстие в корпусе 2, которое заканчивается цилиндрическим отверстием диаметром, исключающим одновременное западание в него двух деталей. Это отверстие стыкуется с каналом накопителя 1. Сменой прокладки 4 можно регулировать объем ниж- 198

ней части бункера. Купол 5 имеет конусную расточку, сужающуюся к верху и переходящую в канал с малой конусностью отверстия. В нижней части купола по кругу выполнены отверстия & диаметр которых несколько больше диаметра подаваемых деталей. Наклонные отверстия 6 в верхней части купола предназначены для выхода воздуха. К основанию бункера подсоединен штуцер 9 для подачи сжатого очищенного воздуха. На магистрали подачи воздуха, непосред- ственно у бункера, установлен трехходовой клапан/0, обеспечиваю» щий импульсную подачу воздуха1

Детали навалом засыпают в верхнюю часть бункера, т. е. на дно купола 5. При открытии клапана 10 струи воздуха проходят через отверстия 8 в дне купола и подбрасывают всю массу деталей, находя% щихся на нем. После перекрытия воздуха катали падают на дно ку» пола, западают в отверстия 8, через ннх попадают в нижнюю часть бункера н, скользя по конусным поверхностям основания 5 и кор* пуса 2, западают в цилиндрическое отверстие корпуса, продолжен ни ем которого является канал накопителя 1. В случае одновременного попадания в нижнюю часть бункера сразу нескольких деталей возможно их взаимное заклинивание перед входом в канал накопителя. Однако при подаче следующего импульса воздуха они выносятся в верхнюю часть бункера через центральное отверстие купола 5. Производительность устройства ——до 60 штук в минуту.

Для автоматического ориентирования и подачи микродеталей широко применяют вибрационные бункерно-ориентирующие загрузочные устройства, причем наибольшее распространение получили устройства с круговыми бункерами и наклонными упругими подвес* ками (рис. 6.12), Работа такого устройства основана на перемещении заготовок по спиральному лотку /, расположенному на внутренней цилиндрической поверхности чашеобразного бункера 4 под действием сил инерции； возникаю!цих при одновременных круговых и верти- 抬199

Рнс. 6J2. Миниатюрное вибрационное бункерио- ориентирующее загрузочное устройство

кальных колебаниях бункера. Эти ко- *лебания создаются упругими наклон-

+(' ч ： ными подвесками 3, на которых установ

лен бункер, и электромагнитом, цент-

「岁**嘰喺 Ральн0 paciiOvHOiKeHHbiM относительно бункера.

” 气 * 吋 *Ориентирование дета^чей в вибра-

:"； ционных бункерно-ориентирующих [за-

грузочных устройствах осуществляется в процессе их прохождения через тра- ‘фареты-калибры, выполненные на лотке

г… бункера в виде щелей, уступов 2, пазов или скосов. Большим преимуществом этих устройств является то, что они осуществляют выборку деталей без подвижных захватных органов, что предотвращает повреждение поверхностей деталей и позволяет автоматизировать ориентирование и подачу хрупких и ^нежестких деталей.

Первые вибрационные бункерно-ориентирующие загрузочные устройства были разработаны для производства изделий машиностроения. Однако перечисленные выше преимущества сделали их основным средством автоматизации процесса подачи и ориентирования миниатюрных изделий. Показанное на рис. 6*12 устройство применяют для автоматической подачи таких миниатюрных дета- лей, как полуфабрикаты ИС (с размерами 0,5 ><0,5X0,3 мм), камни5 используемые в качестве подшипников в механизме ручных часов? и т. п. Вибропривод этих устройств (рис. 6ЛЗ) выполнен с одним электромагнитом 4, установленным вертикально в центре основа- ния 5 устройства, и трех наклонных плоских подвесок 5. Здесь ко

пользуется только один алектрома!^ нит, так как требуются незначитель- ные тяговые усилия. Нижние концы подвесок закреплены в основании 仇 а верхние — в платформе 2. На ниЖв ней поверхности платформы закреплен якорь электромагнита 4, а на верхней ——установлен цилиндрический бункер со спиральным лотком L Для виброизоляции устройство оснащено тремя амортизаторами 6. Функциональные элементы данного устройства и компоновка их являются типовыми.

Рнс. 6.13. Конструкция привода вибрационного загрузочного устройства для подачи миниатюр- 耳 деталей

Рис. 6.14. Вибрационное загрузочное устройстзо с раздельным приводомРис. 6.14. Вибрационное загрузочное устройстзо с раздельным приводом

Рис. 6.14. Вибрационное загрузочное устройстзо с раздельным приводом

Рис. 6.14. Вибрационное загрузочное устройстзо с раздельным приводом

Вибрационные бункерно-ориентирующие загрузочные устройства очень просты по конструкции, но их проектирование связано с вы- полнением сложных расчетов и требуется высокая точность изготов^ ления всех функциональных элементов этих устройств, особенно де- талей вибропривода. Незначительные отклонения параметров и недостаточная жесткость последних часто вызывают местные паразитные колебания, которые препятствуют вибротранспортированию де^ тале而 на некоторых участках спирального лотка бункера. Возник^ новение местных паразитных колебаний значительно усложняет наладку этих устройств. С целью повышения их производительности и упрощения наладки к настоящему времени создана гамма виброприводов с раздельным возбуждением крутильных и вертикальных колебаний. Раздельное возбуждение колебаний позволяет получить высокие скорости транспортирования деталей (до 1,2 м/с) в безотрмв* ном режиме, что особенно важно при подаче миниатюрных, хрупких н нежестких деталей. Такое устройство с раздельным возбуждением крутильных и вертикальных колебаний, предназначенное для автоматической подачи изделий микроэлектроники, представлено на рис. 6,14. Устройство состоит из бункера, вибропривода и корпуса 3, Бункер образован конической расточкой основания / и цилиндрической обечайкой 2, закрепленной на нем. Вибропривод устройства расположен внутри корпуса 3, закрытого крышкой 4, и состоит из трех электромагнитов 9 крутильных колебаний, одного магнита 6 вертикальных колебаний и трех упругих цилиндрических подвесок //. Электромагниты 9 крутильных колебаний расположены тангенциально и закреплены на верхней плоскости основания /, а их яко ри 14 —— на кронштейнах 12, установленных на кольце !3. Электромагнит 6 вертикальных колебаний установлен на цилиндрической стойке /0, закрепленной вертикально в цилиндрической расточке основания /, а его якорь 5 ——в пазу крышки 4. Зазоры между электромагнитами и их якорями регулируются следующим образом:

у вибропривода крутильных колебаний ——путем перемещения электромагнитов 9 относительно основания /, у вибропривода вертикальных колебаний ——подбором прокладок 7.

Цилиндрические упругие подвески закрепляются по окружности с равным шагом друг от друга одним концом в стойке /0, а другим —— в кольце /3, к которому, в свою очередь, крепится корпус 3 со спиральным лотком, выполненным по его наружной цилиндрической поверхности. Эти подвески имеют жесткость, одинаковую во всех направлениях, и сообщают корпусу как крутильные, так и вертикальные колебания. Для виброизоляции устройство оснащено амортизаторами 8.

Питающее напряжение на электромагниты вибропривода подается от специального блока управления, выполненного в виде тиристорного регулятора напряжения, что позволяет в широком диапазоне регулировать скорость подачи деталей и подбирать режимы вибротранспортирования. Характерной особенностью данного устройства является то, что вибрациям в нем подвергаются только те детали, которые находятся на лотке, что особенно важно для хрупких и нежестких изделий микроэлектроники.

Одним из недостатков вибрационных бункерно-ориентирующих загрузочных устройств является непостоянство его производительности вследствие изменения скорости вибротранспортирования по мере выгрузки деталей из бункера. Это вызвано тем, что с уменьшением общей массы деталей в бункере возрастает собственная угловая частота колебаний р и уменьшается коэффициент демпфирующей силы 6. Это приводит к изменению коэффидиента динамичности К = / (①)и амплитуды колебаний А, связанных с величинами р и 6 соотношениями:

Л н 6СЖ (з)；

- К (со) 2= w*；!!"LLL^^!!^」1q ， (6 J ) M(.崇y + 4炉

где to ——угловая частота вынужденных колебаний; бот — статический прогиб за счет действия тягового усилия электромагнита.

Изменения амплитуды колебаний с уменьшением массы деталей зависит от настройки устройства, При (ю/р) < 1, т. е. при дорезонансной настройке (точка а на рис. 6.15), по мере выгрузки деталей вследствие уменьшения массы колеблющихся частей амплитуда колебаний должна уменьшаться (от точки а до точки Ь, рис. 6.15, а), так как увеличивается собственная частота р и происходит отстройка от резонанса. При этом уменьшается коэффициент демпфирующей силы вследствие уменьшения потерь от трения деталей о дно чаши, и рабочая точка переместится на новую резонансную кривую с меньшим затуханием (61 < 62) и большим значением коэффициента динамичности (от точки b до точки с). В итоге изменение амплитуды по мере уменьшения количества деталей в чаше будет сравнительно небольшим, если s/p колеблется в пределах 0,91——0,98, что соответ” ствует изменению собственной угловой частоты р =^ (320 十346) рад/с. 202

粤 При зарезонансной настройке (точка о', рис. 6,15, 6) по мер© Р выгрузки деталей происходит резкое возрастание коэффициента ди- gj намичности как за счет приближения к резонансному пику (от о точки а' к точке bf), так н за счет уменьшения 6 (переход на новую Р резонансную кривую в точку с), что приводит к значительной не- F стабильности амплитуды колебаний (АЛ2》А<0. Кроме того, при L зарезонансной настройке возмущающее усилие и вынужденные коле- 八 бания находятся в противофазе, что требует дополнительных энерге- “ тических затрат, поэтому на практике стараются обеспечить дорезонансный режим работы устройства. Чтобы нестабильность амплитуды колебаний △%】не превышала 5 %, необходимо обеспечить соотношение

凡l当10，25,(6.2)

где Кзаг — коэффициент загрузки ВВОЗУ; тзаг ——масса загруженных деталей; m ——масса активной части ВВОЗУ,

Производительность вибрационных бункерно-ориентирующих загрузочных устройств можно повысить путем увеличения Кза『 и стабилизации амплитуды колебаний введением отрицательной обратной связи в цепь питания вибропривода.

На рис. 6.16, а показано устройство с - автоматической стабилизацией амплитуды колебаний. Конструктивно все функциональные элементы устройства выполнены в едином блоке БУ. Малые размеры вибродатчика ВД позволяют без конструктивных изменений создать гамму сервисных устройств с автоматической стабилизацией амплитуды колебаний как с раздельным приводом, так и с наклонными подвесками.

Функциональная схема данного устройства представлена на рис. 6.16, 6. Механические колебания бункера преобразуются в электрические с помощью вибродатчика ВД、выполненного на базе тензо- резисторов или пьезоэлементов. С помощью усилительно-преобра- зующего устройства УПУ выходной сигнал ВД усиливается и пре-

Рис. 6.15. Амплитудно-частотные характеристики вибрационных загрузочных устройств：

а —— прн дорезонансной настройке; б —— при зарезонансной настройке

°)°)44Рис, 6」6. Вибрационное буикерно-ориентирующее устройств о ^автоматической стабили- зациеи амплитуды колебанийРис, 6」6. Вибрационное буикерно-ориентирующее устройств о ^автоматической стабили- зациеи амплитуды колебаний

°)

°)

4

4

Рис, 6」6. Вибрационное буикерно-ориентирующее устройств о ^автоматической стабили- зациеи амплитуды колебаний

Рис, 6」6. Вибрационное буикерно-ориентирующее устройств о ^автоматической стабили- зациеи амплитуды колебаний

образуется в напряжение постоянного тока £/ос, которое сравнивается с заданным напряжением ^/зад, соответствующим определенной скорости вибротранспортирования. При изменении амплитуды колебаний по мере выгрузки деталей на выходе устройства сравнения УС появляется сигнал управления /7упр = ^зад —— который, воздействуя на исполнительное устройство //У, выполненное на базе тиристорного регулятора напряжения, вызывает соответствующее изменение тягового усилия электромагнита вибропривода. Таким образом обеспечивается автоматическая стабилизация амплитуды колебаний.

Применение вибрационных бункерно-ориентирующих загрузочных устройств с автоматической стабилизацией амплитуды колебаний позволяет повысить их производительность за счет увеличения коэффициента загрузки (Кзаг = 1,5+2,0) и времени непрерывной работы. Это подтверждается экспериментальными данными [16], приведенными на рис. 6.17.

Так как большинство миниатюрных изделий обладают малой жесткостью, большой сцепляемостью и хрупки, очень часто использовать рассмотренные выше БОЗУ или МЗУ для их подачи на позицию захвата робота не представляется возможным. В этом случае используют специальные кассеты, в которых каждая деталь лежит в отдельном гнезде. Из кассет робот осуществляет выборку деталей захватом либо поштучно (при этом в течение каждого цикла кассета подается на шаг, равный расстоянию между гнездами), либо групповым захватом, например вакуумным (рис. 6.18), сразу из всех гнезд кассеты [16]. Сложные по

Рис. 6.17. График зависимости амплитудыколебаний от коэффициента загрузки；

/ — при наличии обратной связи； 2 = безобратной связи

конфигурации детали закладывают в гнезда кассеты вручную, а более простые ——с помощью специальных кассетирующих устройств.

Применение кассетирующих устройств значительно повышает производительность укладки деталей в кассету. Данные устройства весьма разнообразны по конструкции, но наибольшее применение среди них получили вибрационные и пневматические.

Наиболее универсальными являются вибрационные устройства: что объясняется их конструктивной простотой, мобильностью, высокой производительностью и долговечностью. Различают три основных способа вибрационного кассетирования микродеталей [12 ]： без направленного перемещения потока изделий по кассете (детали просто встряхиваются); с направленным перемещением потока деталей по кассете (детали перемещаются по кассете прямолинейно либо по окружности); комбинированный с вращением кассет (кассета и бункер с деталями вращаются относительно вибростола).

Конструктивно вибрационные кассетирующие устройства выполняются в виде вибростолов, вибролотков и вибробункеров без спирального лотка.

На рис. 6.19 представлено универсальное вибрационное устройство для групповой укладки микродеталей в кассету. Устройство предназначено для группового ориентирования и кассетирования деталей с габаритными размерами от 0,1 до 10 мм при автоматической сборке приборов в электронной и часовой промышленности и выполнено в виде вибролотка с независимыми виброприводами продольных, поперечных и вертикальных колебаний.

Продольные и поперечные колебания создаются электромагнитами 8, 12 и вертикальными цилиндрическими упругими стержнями /, закрепленными в основании /0, вертикальные колебания ——электромагнитом 9 и плоскими подвесками 2, установленными на консоли стержней 1. Кассету 4 устанавливают в паз лотка 5, фиксируют в нем штифтами И и накрывают сверху трафаретом 6, выполненным в виде откидывающейся на оси коробкн со съемным дном. В рабочем поло-

Рис. 6.18. Групповой вакуумный захват:

/ — корпус захвата; 2, 5 — сопрягаемые детали; 3 — кассета; 4 — гнездо

二弓二弓二含二含Рис. 6.19. Вибрационное уст-ройство для групповой уклад-ки миниатюрных деталей в кас-сетуРис. 6.19. Вибрационное уст-ройство для групповой уклад-ки миниатюрных деталей в кас-сету

二弓

二弓

二含

二含

Рис. 6.19. Вибрационное уст-ройство для групповой уклад-ки миниатюрных деталей в кас-сету

Рис. 6.19. Вибрационное уст-ройство для групповой уклад-ки миниатюрных деталей в кас-сету

伞令伞令伞令 令令令$伞$ $■ ■ф 令■ф-ф-'ф- 令伞伞伞令伞

жении трафарет удерживают пружинные зажимы 3. Кассетируемые детали засыпают в емкость трафарета навалом в количестве, превышающем число гнезд кассеты в 5—— 7 раз. Регулируя амплитуду и изменяя фазу напряжения, подаваемого на электромагниты виброприводов от блока питания, подбирают оптимальную скорость и траекторию вибротранспортирования деталей по трафарету, в процессе которого они западают в отверстия трафарета, а через них ——в гнезда кассеты. После заполнения кассеты незапавшие детали перемещают в бункер 7, образованный стенкой трафарета, расположенной у его оси поворота, отжимают зажимы 3, поднимают трафарет, снимают кассету и устанавливают другую (незаполненную).

Устройство позволяет реализовать все известные способы вибрационного кассетирования деталей: детали могут просто встряхиваться, перемещаться поступательно в любом направлении по поверхности трафарета или по любой замкнутой траектории. По сравнению с другими устройствами оно обладает более высокой производительностью, обеспечивает большую степень заполненности кассеты. Кроме того, рассматриваемое устройство универсально и мобильно, так как легко и быстро переналаживается на кассетирование деталей другой формы или других размеров путем смены дна трафарета и подбора режима и траектории вибротранспортирования.

Пневмомагнитные устройства. Альтернативой обычному бункерному загрузочному устройству является магнитный накопитель, 206

рис. 6.20. Магнитный накопйтёЛЬ

=обеспечивающий предварительное упорядочение изделий и. гарантированное захватывание при выборке их из емкости без интенсивного ворошения, что очень важно для легко повреждаемых изделий. Магнитный накопитель содержит основную магнитную систему 4, в межпо- люсном пространстве которой размещается емкость 6 из не

магнитного материала для хранения деталей 3, дополнительную магнитную систему 7 для предотвращения слипания деталей в зоне загрузки, манипулятор 2 с загрузочным лотком / и устройство выдачи деталей из накопителя 5 (рис. 6.20). Такие системы позволяют накапливать в ориентированном положении от десятков до сотен деталей с любой пространственной ориентацией плоскости их размещения (горизонтально, вертикально, наклонно). Большим преимуществом магнитных накопителей является отсутствие контактов размещаемых деталей между собой (и, следовательно, натиров) благодаря их взаимному отталкиванию в магнитном поле за счет одинаковой намагниченности концов. Если для удлиненных деталей за основу принять дипольную схему намагничивания [12], то сила взаимодействия двух стержневых деталей с концевыми магнитными массами т± и т3 (рис. 6.21, 6)

рис. 6.21. Схема взаимодействия стержневых деталей в однородном магнитном поле и график зависимости силы взаимодействия F от взаимного смещения 6。и расстояния Л между деталями./ — А。= 0,42; 2 — А。= 0,62; 3 — ft0 = 0,82； 4 — А。= 1,02рис. 6.21. Схема взаимодействия стержневых деталей в однородном магнитном поле и график зависимости силы взаимодействия F от взаимного смещения 6。и расстояния Л между деталями./ — А。= 0,42; 2 — А。= 0,62; 3 — ft0 = 0,82； 4 — А。= 1,02F — Focp (60, %, /о),

рис. 6.21. Схема взаимодействия стержневых деталей в однородном магнитном поле и график зависимости силы взаимодействия F от взаимного смещения 6。и расстояния Л между деталями.

/ — А。= 0,42; 2 — А。= 0,62; 3 — ft0 = 0,82； 4 — А。= 1,02

рис. 6.21. Схема взаимодействия стержневых деталей в однородном магнитном поле и график зависимости силы взаимодействия F от взаимного смещения 6。и расстояния Л между деталями.

/ — А。= 0,42; 2 — А。= 0,62; 3 — ft0 = 0,82； 4 — А。= 1,02

вакуум

Рис. 6.22. Схемы захватов для селективной выборки плоских деталей нз накопителя: а - вакуумного; б — магнитного; / - деталь не захвачена; II 一 деталь захвачена

где Fo = лг2В2/(2|10)—— сила воздействия магнитного поля на полу- бесконечное пространство, площадь которого равна площади поперечного сечения стержня; г —— полудлина стороны основания стержня; В ——магнитная индукция; ц0 = 4л ■ 10~7 ——магнитная проницаемость вакуума; 3° = 6/г; “ = Ыг\ Zo = 1什；6 — взаимное смещение деталей в направлении поля; h ——расстояние между деталями; / —— длина детали.

Функция ф, содержащая безразмерные величины, включает параметры деталей, связанные довольно сложной зависимостью. Как показывает график на рис. 6.21, а, сила F существенно зависит от расстояния Ло между деталями и взаимного смещения 60. Из графика видно ,что с увеличением 60 сила F падает и при некотором критическом значении меняет знак. Следовательно, в области малых б。 детали отталкиваются друг от друга, а в области больших 60 притягиваются. С ростом расстояния h0 между деталями точка перехода (где 尸=0) сдвигается по оси абсцисс вправо. Абсолютное значение силы взаимодействия уменьшается с увеличением h0. Зависимость 尸(济)для пустотелых деталей проявляется слабее, чем для сплошных деталей. Так, значение 60 для тонкостенных трубок в 3——5 раз больше значения 60 для сплошных стержней [11, 12]. Для предотвращения слипания деталей тапа сплошных стержней, толстостенных трубок и пластин их выборка из магнитного накопителя должна осуществляться захватными устройствами, перемещающимися перпендикулярно направлению магнитного поля накопителя. Детали в магнитном накопителе размещаются с предварительной их ориентацией, поэтому большой практический интерес представляют захватные устройства, обеспечивающие селективную выборку из накопителя правильно ориентированных деталей.

Селективную выборку из накопителя плоских деталей / с различной площадью опорных поверхностей можно осуществлять вакуумным захватом 2 с микропористой крышкой 3 (рис. 6.22, а). Разрежение в вакуумной камере захвата устанавливают такнм, чтобы деталь к крышке присасывалась только большей опорной поверхностью. Аналогичную функцию выполняет магнитный захват 6 применительно к ферромагнитным плоским деталям 4 с односторонним немагнитным покрытием 5 (рис. 6.22, 6). В этом случае усилие электромагнита 208

Подбирают таким, чтобы захватывание детали осуществлялось только за непокрытую поверхность. Вакуумный захват чувствителен к относительной разнице в площадях 〜10 %, а магнитный —— соответственно к немагнитному слою толщиной менее 100 мкм.

Магнитный захват 5 для селективной выборки из накопителя 2 стержневых деталей 1 состоит из электромагнита 4 с полюсными на- конечниками 3, 6 и гнезда, выполненного из немагнитного материала по форме детали (рис. 6.23). Электромагнит 4 создает постоянное магнитное поле той же полярности, что и магнитное поле накопителя. Деталь /, попавшая в гнездо плоским концом вниз, замыкает полюса 3, 6 электромагнита 4 без зазора, и поэтому остается в гнезде захвата при выходе его из накопителя (рис. 6.23, а). Деталь при западании в гнездо захвата плоским концом вверх замыкает полюса электромагнита через воздушный зазор из-за наличия в гнезде специального выступа 7 и остается в накопителе (рис. 6.23, 6). Благодаря смещению б оси захвата относительно средней линии межполюсного пространства возникает момент, отрывающий верхний конец любой детали, попавшей в гнездо, от зауженного полюсного наконечника 3 захвата. Однако этого момента оказывается недостаточно, чтобы оторвать деталь от захвата при замыкании ею полюсов без зазора. В противном случае деталь отрывается от захвата, хотя магнитное поле накопителя несколько слабее поля захвата. Кроме наличия воздуш-

Рис. 6.23. Магнитный захват для селективной выборки стержневых деталей из накопителя

26

Вид A

Рис, 6・24. Ориентация изделий по полярности перед загрузкой их в магнитный накопитель

кого зазора, этому способствует срез торца нижнего полюсного наконечника 6 захвата в направлении наклона детали при ее размещении в гнезде плоским концом вверх. Условие надежного захватывания и выборки деталей из магнитного накопителя имеет вид F3 > > 尸”，где 尸3 = 16-105Цо^з^з ——сила притяжения магнитного захвата; Fh = Р grad Вйх ——сила, удерживающая деталь в накопителе; V ——объем детали В3, Вн ——значения магнитной индукции соответственно в межполюсном пространстве захвата и накопителя； S3 —• площадь полюсов магнита захвата; х= ц —• 1 —магнитная восприимчивость детали;卩——магнитная проницаемость материала детали.

Описанный захват улавливает разницу в размерах концов детали не менее 100 мкм.

Конструкция захвата робота упрощается при условии работы с магнитным накопителем, в котором размещены полностью ориентированные изделия. В этом случае ориентация изделий осуществляется перед загрузкой их в накопитель. В частности, в системе ориентации по полярности стержневых изделий / с аксиальными гибкими элементами однородное магнитное поле используют для накопления сориентированных изделий (рис. 6.24). После рихтовки гибких элементов изделия / поштучно подаются в электроконтакт- ный орган 3, по сигналу которого включается один из электромагнитов 2, когда изделие попадает на их полюсные наконечники. Включенный электромагнит удерживает соответствующий конец изделия, которое под действием силы тяжести разворачивается на наклонном лотке 4 в направлении продольной осп. По наклонному лотку изделия, ориентированные плюсовым концом вперед, попадают в магнитный накопитель 5 и располагаются вертикально.

Выдача деталей из магнитных накопителей может осуществляться с помощью магнитного поля без применения каких-либо контактных захватных устройств. В горизонтальном магнитном накопителе (рис. 6.25) перемещение плоских деталей 2 сложного профиля от зоны загрузки к зоне выдачи происходит за счет градиента напряженности магнитного поля, которое изменяется вдоль накопителя 210

(по оси х) по линейному закону. Это достигается за счет выбора специального, выполненного по закону sh контура полюсных наконечников / магнитной системы. Загрузка деталей осуществляется с широкой части накопителя, а выгрузка ——с противоположного конца, где поле максимальное. На участке выдачи деталей над полюсами / основной магнитной системы размещены два электромагнита 3, которые включаются по сигналу фотодатчика (на рисунке не показан) при наличии в их зоне детали и выключаются после перемещения ее за магниты. При включении магнитов 3, поле которых направлено навстречу основному полю, происходит надежная отсечка крайней детали от общего потока за счет локального ослабления поля в зоне этих магнитов. В результате детали располагаются по обеим сторонам магнитной ямы на участках с В > Вот (где значение Вт соответствует моменту отсечки). Бесконтактное управление обеспечивает абсолютную неповреждаемость деталей с покрытием из драгоценных металлов. Перемещение деталей происходит под действием магнитной силы

&=* grad环匸仇(6.3)

где V —— объем детали; ^ —— размагничивающий фактор.

Потенциальная энергия детали, которую можно представить в виде диполя,

% =J-(PMB0),

где Рм ——магнитный момент твердого тела; Во ——магнитная индукция на поверхности подложки. За счет наличия магнитной подушки детали 2 плавают над поверхностью ферромагнитной подложки 4 транспортного лотка накопителя, не соприкасаясь друг с другом. Левитация деталей объясняется одноименной намагниченностью

риС. 6.25. Иллюстрация принципа действия горизонтального магнитного накопителя с бес-контактной поштучной выдачей плоских детален сложного профиля

последних и подложки^ как это показано на рис. 6.25. Условие равновесия детали при левитации имеет вид

Fm + 0-O,(6,4)

где Fm — вертикальная магнитная сила (направлена по оси у);

G ——вес детали. Силу F】рассчитывают по формуле (6.3).

В рассматриваемом случае деталь может быть представлена в виде сплюснутого сфероида, для которого [12]

где А = aJb; а* ——соответственно малая и большая полуоси эллипса Учитывая, что деталь находится в поле вертикальных сил и

дВ дВ 八

禹7 =毎=°，

получим

grad В? = 28 瑞

Используя полученное соотношение и условие равновесия, составим дифференциальное уравнение, которое после некоторых преобразований и разделения переменных приведем к виду

Gjdz=^ j 2BdB,0° BaGjdz=^ j 2BdB,0° Ba(6.5)(6.5)где 々м 乂/(1 + ^x); h — высота левитации; В。= "卩，3力一 значения магнитной индукции соответственно на поверхности подложки и на расстоянии h от нее; 〃 —— напряженность магнитного поля. Значения 8° и Bh могут быть замерены тесламетром. Решая уравнение (6.5) относительно 7】,получимгде 々м 乂/(1 + ^x); h — высота левитации; В。= "卩，3力一 значения магнитной индукции соответственно на поверхности подложки и на расстоянии h от нее; 〃 —— напряженность магнитного поля. Значения 8° и Bh могут быть замерены тесламетром. Решая уравнение (6.5) относительно 7】,получимh =h =&了（筋一碌）&了（筋一碌）2阿G2阿GТаким образом, высота левитации конкретной детали зависит от магнитной индукции в межполюсном пространстве и магнитной проницаемости подложки. Зависимости В (у) и h (В°) представлены на рис. 6.26.Таким образом, высота левитации конкретной детали зависит от магнитной индукции в межполюсном пространстве и магнитной проницаемости подложки. Зависимости В (у) и h (В°) представлены на рис. 6.26.Если считать предварительную ориентацию деталей теле первичной, то после отсечкиЕсли считать предварительную ориентацию деталей теле первичной, то после отсечкив накопи- для деталей сложной конфигурации необходимо осуществить операцию по вторичной ориентации. Рассмотрим маг-в накопи- для деталей сложной конфигурации необходимо осуществить операцию по вторичной ориентации. Рассмотрим маг-рис. 6.26. Характеристики магнитногонакопителя:а ——изменение магнитной индукциинад ферромагнитной подложкойвдоль оси /; 6 — зависимость высотылевитации детали от индукции на по-верхности n03"0*及"рис. 6.26. Характеристики магнитногонакопителя:а ——изменение магнитной индукциинад ферромагнитной подложкойвдоль оси /; 6 — зависимость высотылевитации детали от индукции на по-верхности n03"0*及"

Gjdz=^ j 2BdB,

0° Ba

Gjdz=^ j 2BdB,

0° Ba

(6.5)

(6.5)

где 々м 乂/(1 + ^x); h — высота левитации; В。= "卩，3力一 значения магнитной индукции соответственно на поверхности подложки и на расстоянии h от нее; 〃 —— напряженность магнитного поля. Значения 8° и Bh могут быть замерены тесламетром. Решая уравнение (6.5) относительно 7】,получим

где 々м 乂/(1 + ^x); h — высота левитации; В。= "卩，3力一 значения магнитной индукции соответственно на поверхности подложки и на расстоянии h от нее; 〃 —— напряженность магнитного поля. Значения 8° и Bh могут быть замерены тесламетром. Решая уравнение (6.5) относительно 7】,получим

h =

h =

&了（筋一碌）

&了（筋一碌）

2阿G

2阿G

Таким образом, высота левитации конкретной детали зависит от магнитной индукции в межполюсном пространстве и магнитной проницаемости подложки. Зависимости В (у) и h (В°) представлены на рис. 6.26.

Таким образом, высота левитации конкретной детали зависит от магнитной индукции в межполюсном пространстве и магнитной проницаемости подложки. Зависимости В (у) и h (В°) представлены на рис. 6.26.

Если считать предварительную ориентацию деталей теле первичной, то после отсечки

Если считать предварительную ориентацию деталей теле первичной, то после отсечки

в накопи- для деталей сложной конфигурации необходимо осуществить операцию по вторичной ориентации. Рассмотрим маг-

в накопи- для деталей сложной конфигурации необходимо осуществить операцию по вторичной ориентации. Рассмотрим маг-

рис. 6.26. Характеристики магнитногонакопителя:

а ——изменение магнитной индукциинад ферромагнитной подложкойвдоль оси /; 6 — зависимость высотылевитации детали от индукции на по-верхности n03"0*及"

рис. 6.26. Характеристики магнитногонакопителя:

а ——изменение магнитной индукциинад ферромагнитной подложкойвдоль оси /; 6 — зависимость высотылевитации детали от индукции на по-верхности n03"0*及"

A-AA-AРис 6 27 Иллюстрация принципа действия магнитно-пневматической системы вторичной 'ориентации деталей с несквознои полостью

A-A

A-A

нитно-пневматическую систему вторичной ориентации плоских деталей / с небольшой несквозной полостью. Система состоит из транспортного лотка 2, сопел 3, 4, 5 для подачи сжатого воздуха и электромагнитов 6 (ряс. 6.27, а). Деталь подается в позицию ориентации по плоскости, где она удерживается над соплами с помощью магнитного поля, причем сопло 4, создающее вертикальную воздушную струю, оказывается под полостью детали со смещением относительно ее центра масс. Если деталь в позицию ориентации приходит полостью вниз (рис. 6.27, 6, положение /), то при выключении электромагнитов 6 она под действием вертикальной струи поднимается вверх, причем вследствие смещения сопла 4 один край детали оказывается выше и струей из сопла 3 прижимается к боковой стенке лотка 2. Одновременно противоположный край детали попадает под действие воздушной струи из сопла 5, благодаря чему она поворачивается в вертикальной плоскости на угол л рад. В случае размещения детали над ориентирующими соплами полостью вверх (положение //) вертикальная струя взаимодействует с гладкой поверхностью и при снятии магнитного поля за счет эжекции не обеспечивает подъема детали на высоту, необходимую для ее переворота. Поэтому деталь поступает далее на сборку с первоначальной ориентацией. В первом случае вертикальная струя создает силу 戶区 = pQw (1 + cos а), а во втором Р] = pQ〃 sin 0,

Ри& 6.28. Экспериментальный график лей различной массы т

где р ——плотность воздуха; а ——угол между боковой стенкой полости детали и направлением отраженного потока; 卩 一 угол между осью струи и поверхностью взаимодействия [12]. Так как а = 0, а Р =冗/2, то, следовательно,尸;—2尸£

Индукция магнитного поля должна быть такой, чтобы усилие FM, с которым поле фиксирует деталь над соплами, было

больше силы давления Рд вертикальной струи на деталь. Условие равновесия детали определяется уравнением (6.4) с добавлением силы FM, которую рассчитывают по формуле (6.3). С учетом этих выражений по формуле для высоты левитации детали можно определить минимальное значение градиента магнитного поля, необходимого для удержания в равновесии детали весом G при давлении на нее воздушной струи с силой 尸厅 Необходимое давление подводимого к системе сжатого воздуха рц определим из формул скорости истечения потока из сопла:

〃 =Q/S,

и расхода сжатого воздуха через сопло с площадью сечения S:

Q = kSg ]/ 2р Ар,

где k ——коэффициент расхода' (для данных условий k ^ 0,6); g — ускорение свободного падения; Ар —— перепад давлений. Решая эти равенства, получим

Рп =二 wG/dc,

где е =(冗R2P2g‘尸；de — диаметр сопла.

Как видно из графика на рис. 6.28, экспериментальные кривые рп (de), снятые для деталей различной массы, хорошо иллюстрируют указанную теоретическую зависимость.

Более производительными являются системы ориентации деталей в процессе их перемещения по транспортеру. Рассмотрим процесс активной ориентации деталей, движущихся в. неоднородном магнитном поле, на примере ферромагнитных круглых стержней с концами различных сечений. Стержень 4, движущийся лопаточкой вперед, в зоне соленоида 1 поднимается, стремясь занять вертикальное положение на транспортере 2 (рис. 6.29). Поднимаясь, стержень разворачивается на призматическом желобе транспортера 2 вокруг своей продольной оси, и его лопаточка западает в прорезь 3. При дальнейшем движении по транспортеру стержень продолжает вращаться в вертикальной плоскости вокруг точки D (место перехода лопаточки в цилиндрическую часть). Происходит переориентация стержня, в результате чего он сходит с транспортера круглым концом вперед. Стержень, входящий в зону соленоида круглым концом, не западает в прорезь, так как диаметр стержня больше ширины 214

g

Рис. 6.29. Схема активной ориентации асимметричного ферромагнитного стержня в неоднородном магнитном поле

прорези. Стержень приподнимается над поверхностью желоба, опираясь на круглый конец. Напряженность магнитного поля выбирают такой, чтобы в этом случае стержень не проходил через вертикальное положение. Поэтому после прохождения зоны соленоида стержень вновь занимает горизонтальное положение и сходит с транспортера также круглым концом вперед.

Определим параметры магнитной системы, представив селеноид / в виде диполей, магнитные массы которых непрерывно распределены по основаниям цилиндра, радиус которого R и длина L. Проекции вектора напряженности Я на оси х】，ух в области s определяются интегралами [12 ]：

U {[(『以力 + 俏产一 一 [(看一f+/；/_)2 +冶 3/2}龙 dr), Hyi = {[(% -§2；1:+ <Г -[(%7)2+汇%2+ 杼2 }或對，

(6.6)

где о = B7|i0 一 плотность распределения магнитных масс диполя; В'——магнитная индукция однородного поля внутри соленоида; 自，П —— переменные интегрирования. Интегралы (6.6) вычисляют при условии замены области интегрирования в виде круга радиуса R на квадрат со стороной 2R с учетом введения обозначений: х = x，R, У н £R> / = LR

Чтобы скомпенсировать увеличение площади распределения магнитных масс при замене круга на квадрат, следует уменьшить величину о, приняв ее равной^лВ7(4|л0). Проекции сил XCi Ус и Х§, Кв, действующих на ферромагнитный стержень-диполь с ма-

215

ГййтнЫми массами т^ На его концах, определяют, йспользуя вели чины Нх、и ”弘，полученные из (6.6). Безразмерные координать концов стержня С, В и точки D — х^ = Xic/R, Ус = Ухс/R^ хв 二

%bR Уе= y^Rs xD = x、dR связаны соотношениями: хс 二 =%D — 〃o cos Ф， Ус =儿一％ sin Ф， Хв — %D + % Cos Ф， Ув 二 = hi + а上 sin 平，где 中 угол наклона оси стержня к горизонталь ной поверхности желоба транспортера; а == <7/?; aQ 二 A JR; ar = — aa。； hi = hJR; A —— длина стержня; Ло длина лопаточки: h ——расстояние от верхнего конца соленоида до поверхности желоба транспортера. Магнитную массу диполя т0 выразим чере^ магнитное насыщение / и площадь поперечного сечения стержня S: 加。=/S. Применяя теорему об изменении кинетического момента, вводя новую переменную С 工 xjb и учитывая xD = 0, получим уравнение для определения угла <р:

黑屮” +吊信屮) = 0,(6.7)

где % скорость движения стержня； & (第 屮)=с cos ① + 簿i(M ф)； с = const;

&信 屮)=% &с sin 屮 一 ％ cos 屮)+ & (%E sin 屮一Ув COS ф);

Z = 2/SBz7|i0G ——параметр, характеризующий действие магнитного поля на стержень; В"——индукция магнитного поля над соленоидом. Здесь и ниже штрихом обозначены производные по £ Для переориентации стержня необходимо, чтобы в момент ^ = 0 (ось стержня совпадает с осью соленоида) выполнялись условия

叭0)=曰；ф^ (0)^0,(6.8)

а в момент W = 1 (горизонтальное положение стержня) —— соответственно условия

ф (1)工 0;屮'(1) = 0.(6.9)

Так как в горизонтальном положении стержня момент магнитных сил относительно точки D равен моменту силы тяжести, то

Л(1, 0) = 0,(6.10)

вследствие чего

屮〃⑴=0.(6.11)

При ^ = 0 и ф л/2 выполняется равенство 尸工(0, л/2) — 0, следовательно,

屮"(0) = 0.(6.12)

Решение (6.7), удовлетворяющее условиям (6.8), (6.9), (6.11), (6.12), найдем по методу Б. Г. Галеркина. В результате получим

N誼(Мо — ^71) + " 1 (；) + 自尸丄(~|-) + 丫居(}) = 0，(6.13)

где у0 = 0,0390; у = 0,0224; ?】0,2281; а — 0,0406; р = 0,0115 — значения определенных интегралов, входящих в выражения 屮"5屮 и Fi (С) 6ф.

216

Постоянные 6 и ^ определяются из (6.10) и (6.13). Наименьшей значение 入,при котором еще происходит переориентация стержня, найдем, считая, что в вертикальном положении его угловая скорость равна нулю, т. е. ф' (0)二 0. Используя для 中 первое приближение и учитывая последнее допущение, получим k =冗/2, и, следовательно, ср =(冗/2) (1 —迴)(1 + 3已 + 61)・ В этом случае F (1/2) = 0. Введя обозначение f (& b)=八 优，屮(QL запишем (6.10) в форме

с + 幫(1, b) = 0.(6.14)

Исключая из (6.13) и (6.14) параметр %, получим трансцендентное уравнение, которое решим относительно Ъ итерационным методом. В первом приближении решение будет таким:

b 1 /(*/2%二 7 J? (TTP)_

]—u / ■^щ(сГсоГф^7ТТ^ф^4р7П_б^，

где ф1/4 = ф (1/4); (р3/4 = ср (3/4)・

Подставляя 九 в (6.14), определим наименьшее значение 九=入i・ Максимальное значение 入—Х2, при котором происходит переориентация стержня при движении его круглым концом вперед, определяется из приведенных соотношений, в которых нужно положить aG = Q, аг = а, с = а/2. Условие нормальной работы системы имеет вид 入 1《九 V 九2 или Bi < B,f < B2, где 8工—1,25- Ю-6^/-1/?^ 殳=1,25・ 10一$夜2广欢仪——границы изменения магнитной индукции ориентирующего соленоида; d ——удельный вес стержня.

Характер зависимости В^ (а) для конкретной системы с параметрами: 7? = 30 мм; h = 2/3; / — 2; / = 50 мТл; d = 0,872 мН/м3 показан на рис. 6.30. Значение В2 определяют по значению В± при 仪口 = 0. График Bi (仪)показывает, что магнитная индукция нелинейно зависит от признака асимметрии тела, причем с уменьшением последнего диапазон изменения индукции сужается, и при некотором его критическом значении стабильность работы системь/ нарушается. В производстве широко используют системы ориентации, работающие по принципу сортировки деталей на два канала (в зависимости от занимаемого деталью положения), Такие системы применяют для питания одновременно ряда технологических машин из одного загрузочного устройства при подаче на сборку двух одинаковых деталей с зеркальным 与， расположением их относительно друг друга, а также для отбраковки из транспортного потока дефектных дета- 叽 лей. В системах сортировки механизм переориентации деталей ^может ^отсутствовать. Сортировка пластинчатых де- 0J8 талей / с односторонним токопроводящим немагнитным слоем осуществляется в магнитном поле ^высокой частоты)висоз-

Рис. 6.30. График зависимости магни-пюй индукции от безразмерных параметров деталей и системы

Рис. 6.31. Сортировка пластинчатых деталей с односторонним токопроводящим немагнит- ным слоем в высокочастотном магнитном поле

даваемом в межполюсном зазоре С-образного магннта 2 (рис. 6.31). При движении детали через переменное магнитное поле благодаря смещению слоя с более высокой электрической проводимостью относительно максимума поля возникает электродинамическая сила F”, действующая в ту или иную сторону в зависимости от исходного положения детали. Механизм возникновения сил Fm основан на взаимодействии внешнего поля с индуцированным (наведенным) полем, создаваемым самим телом. Для удлиненных токопроводящих деталей мгновенное значение момента силы FM [12 ]

М (FM) =5——sin 2a (x — /叫

где a ——угол между продольной осью детали и направлением поля; х, 乂'——соответственно составляющие магнитной восприимчивости от гистерезиса и вихревых токов; j ——объемная плотность тока; з 一 круговая частота электромагнитного поля.

Если электрическая проводимость тела отлична от нуля чо1 магнитная проницаемость детали 卩 =1 + 比 + м'. При достатоно, высоких значениях ① магнитная проницаемость 卩 может быть уменьшена до значения р,0. При этом ферромагнитное тело начинает вести себя в магнитном поле как диамагнитное, т. е. выталкивается из зоны более сильного поля. Аналогично ведет себя и немагнитное токопроводящее тело. Сортировка деталей указанного класса в переменном магнитном поле осуществляется в диапазоне частот 0,5—— 200 кГц. В частотном диапазоне 50—80 кГц мощность генератора ультразвуковой частоты должна быть порядка 100 Вт. С-образный магннт изготовляют из кольцевого ферритового сердечника. Длина межполюсного пространства составляет около 3 мм.

Для создания устройств сортировки в непрерывном режиме плоских деталей сложной формы с неглубокими односторонними выемками или небольшими выступами используют эффект Бернулли, проявляющийся в подсасывающем действии воздушной струи на деталь [12 ]. Пусть детали 3 поштучно транспортируются по лотку 5 в вертикальном положении на ребре (рис. 6.32). В зоне сортировки деталь испытывает подсасывающее действие со стороны сопла 2 или 4, к которому она обращена гладкой плоскостью. Благодаря этому деталь отклоняется влево или вправо (соответственно позиции / и //), причем надежность отклонения обеспечивается также 218

ATATРис. 6,32. Сортировка деталей сложи ой формы с исп ользованием пневматической основанной на эффекте БернуллиРис. 6,32. Сортировка деталей сложи ой формы с исп ользованием пневматической основанной на эффекте Бернуллияя11системы,системы,：действием противоположной струи, вытекающей из сопла со стороны выемки. Сжатый воздух к соплам 2, 4 подводится из общего пита- ющего канала /. В случае необходимости детали из наклонного 'положения за счет специального профиля лотка переводятся в горизонтальное, например выемкой вверх (позиция ///), и в определен- ：ном положении подаются в рабочую зону технологической машины ,или захвата робота. Давление подводимого к соплам сжатого воздуха 卩口 3-105 Па.

AT

AT

Рис. 6,32. Сортировка деталей сложи ой формы с исп ользованием пневматической основанной на эффекте Бернулли

Рис. 6,32. Сортировка деталей сложи ой формы с исп ользованием пневматической основанной на эффекте Бернулли

я

я

1

1

системы,

системы,

才 Используя данные работы [10】， напишем условие нормальной

системы^-8<Ар<^е)системы^-8<Ар<^е)|- работы сортирующей|- работы сортирующейI где уд ——скорость движения детали; Ар = 77K ——/?а; р& р& ——со- I ответственно давление воздуха в канале сопла и атмосферное；

системы

^-8<Ар<^е)

системы

^-8<Ар<^е)

|- работы сортирующей

|- работы сортирующей

IК2GnJ (1 — sin а)八 ,

I g — —一：丄； G, J ——сила тяжести и момент инерции

Ilndc sin сс，卜

F детали; / — длина детали; п ——расстояние от точки приложения ? давления струи до центра масс детали; а ——угол наклона стенки

лотка; de — диаметр сопла.

Качественные границы области стабильной работы системы сор- эффекта : Бернулли представ- рисунке заштрихована). Зна-

тировки деталей с использованием лены на рис. 6.33 (эта область на чение А/ соответствует истечениютировки деталей с использованием лены на рис. 6.33 (эта область на чение А/ соответствует истечениюзвука.

тировки деталей с использованием лены на рис. 6.33 (эта область на чение А/ соответствует истечению

тировки деталей с использованием лены на рис. 6.33 (эта область на чение А/ соответствует истечению

Пневматические системы сортировки более сложных деталей выполняют обычно с разделением функций опознавания, управления и исполнения. Для управления исполнительной струей в процессе сортировки различных деталей применяют также двух- и трехструйные пневматические

Рис. 6.33. Границы области стабильной работы системы сортировки деталей с использованием

Эффекта Бернулли

струи из сопла со скоростьюструи из сопла со скоростью

струи из сопла со скоростью

струи из сопла со скоростью

элементы, взаимодействующие с исполнительной струей непосредственно или через усилитель.

Транспортная система. В состав задачи комплексной автоматизации входит задача автоматизации вспомогательных технологических процессов таких, как транспортирование, накопление и хранение изделий, организация межучастковых и межцеховых связей. Применение автоматизированной транспортной системы в производстве изделий микроэлектроники позволило сократить время межоперационного хранения и транспортирования, упорядочило ■■ грузопотоки и увеличило выход годных изделий.

Транспортная система [30 ] обеспечивает доставку партий деталей на технологические участки, управление движением материальных потоков при многономенклатурном производстве, возможность применения накопительных устройств и требуемый ритм работы . участков, а также высокую вакуумную гигиену.

Примером транспортной системы, обеспечивающей комплекс-, ное выполнение этих требований, является линия диффузии АПЛ-Д-18-100, предназначенная для проведения процессов физикотермической обработки полупроводниковых пластин. Для транспортирования пластин от пульта управления к реакторам диффузионных печей применяется рельсовая трасса, по которой со скоростью 0,2 м/с скользит носитель с кварцевой кассетой, толкаемый карет- кой-автооператором.]

Разработаны и изготовлены конвейерно-адресные системы участков диффузии, в которых для межагрегатных связей применен пространственный цепной конвейер, транспортирующий партии по- ■ лупроводниковых пластин в транспортных кассетах или кварцевых : «лодочках» со скоростью 0,1 м/с.:

Представляют интерес также автоматические транспортно-диспет- j черские системы многоцелевого назначения, в которых груз в раз- 扌 нообразных контейнерах, закрепленных на самодвижущихся те- | лежках по самонесущему алюминиевому треку, автоматически доставляется по различным адресам производственного помещения.

А^алогабаритная гибкая автоматизированная транспортная система разработана для производства БИС и СБИС с организацией межучастковых, межцеховых связей посредством пространственной трассы, расположенной на разных производственных этажах. Система предназначена для автоматической доставки кратчайшим путем в соответствии с заданной программой пластин в специальных контейнерах с помощью подвижных тележек с автономным приводом, движущихся по самонесущей трассе к технологическим участкам.

Система выполнена по принципу структурно-модульного и конструктивного агрегатирования. В состав транспортной системы входят трасса, комплект тележек, посты приема-отправления, система опознавания и адресования партий изделий, комплект контейнеров. Трасса системы комплектуется по принципу агрегатирования из участков： горизонтальных прямых, вертикальных прямых, горизонтальных поворотных и вертикальных радиусных выпуклых и вогнутых, а также площадок стрелочных переводов.

Глава РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЁМЫ

7 И КОМПЛЕКСЫ

Необходимым условием эффективности современного производства становится высокая гибкость, т. е. возможность быстрой перестройки на выпуск новых видов продукции различной серийности. Такая перестройка требует мобильности от всех производственных служб: конструкторско-технологической, планирующей, основной, инструментальной, подготовительной, транспортно-складской и др. Новым направлением в этой области является создание гибкого автоматизированного производства (ГАП). Основной структурной единицей ГАП являются роботизированные технологические комплексы (РТК), сочетающие автоматизированное технологическое оборудование н промышленные роботы, объединенные транспортными системами.

При массовом и крупносерийном производстве миниатюрных изделий в составе РТК чаще используются специализированные ПР на операциях обслуживания и специальные —— для выполнения технологических операций. Основными требованиями к ПР в этих условиях являются: высокие точность, надежность, быстродействие, возможность работы в жестком цикле, простая, но быстроперена- лаживаемая конструкция. Такие ПР позволяют эффективно перестраиваться на новые виды изделий <

При мелкосерийном производстве миниатюрных изделий используются главным образом специальные ПР, отличающиеся высокой точностью и надежностью, выполняющие технологические операции в сочетании с обслуживающими. Рост производительности в этих условиях обеспечивается за счет групповых методов обработки изделий, использования высокоавтоматизированного универсального технологического оборудования, интенсификации режимов и т. п. Характерная для этого вида производства многономенклатурность требует быстрой переналадки оборудования (иногда в течение одной смены). Поэтому структурной единицей ГАП при мелкосерийном производстве являются роботизированные комплексы, в которых основной функцией роботов является выполнение операций технологического процесса (сборки, сварки, окраски и т. п.). '

Устройства робототехнических комплексов для перемещения и сборки изделий

Перемещение изделий в ориентированном положении существенно улучшает качество технологических процессов обезжиривания, трав- ленн只,окраски, сушки и т. п., а также позволяет практически исключить брак от механических повреждений хрупких и маложестких изделий. В зависимости от компоновки робототехнического комплекса изделия могут транспортироваться по прямолинейной и круговой траектории с вертикальной, наклонной и горизонтальной (в том числе радиальной) ориентацией их относительно поверхности транспортера. Применение различных модификаций сложного магнитного поля, образованного наложением переменного или пульсирующего поля на постоянное, позволяет осуществлять бесконтактное управление движением изделий, помещенных в определенное ограниченное пространство, в частности направленное перемещение изделий в заданную зону с регулированием параметров движения на трассе.

Рассмотрим магнитную транспортную систему РТК, которая позволяет плавно регулировать скорость поступательного перемещения ориентированных изделий и амплитуду их угловых колебаний, обеспечивая режимы транспортирования с ускорением, замедлением, с равномерной скоростью, включая реверсирование движения. Наличие угловых колебаний при поступательном перемещении изделий позволяет интенсифицировать технологические процессы обработки миниатюрных ферромагнитных изделий с тонкослойным покрытием в различных средах.

Сложное магнитное поле может быть получено с помощью системы, содержащей сборный С-образный магнитопровод 5, концевые соленоиды /, питаемые постоянным током, средние соленоиды 4, питаемые пульсирующим током, и транспортный лоток 2 для деталей 3, выполненный из диамагнитного материала, например латуни (рис. 7.1, а). Соленоиды / создают между параллельными полюсными наконечниками стационарное однородное магнитное поле, характеризуемое вертикальным вектором В, а соленоиды 4 —— пульсирующее поле, обозначенное горизонтальными векторами Вх и В2

(рис. 7.1, б). В результате наложения полей (при определенной полярности концевых и средних соленоидов) на активных полупериодах вдоль лотка возникает градиент напряженности сложного магнитного поля, направленный в сторону соленоидов с одинаковой полярностью. Детали, поступающие на транспортер, взвешиваются и ориентируются своей продольной осью вдоль вектора В. В случае, когда направление питающих токов 厶，/2 и полярность соленоидов Л 4 не совпадают, неоднородное поле, возникающее вдоль транспортера в моменты 厶=—/2 峻 0, имеет одинаково направленный градиент В у обоих концов детали. В эти моменты деталь будет двигаться поступательно в направлении grad В под действием равнодействующей магнитных сил (перемещение на шаг Ах)

Fm = 2(Е)屮，

где 尸о ——постоянная, зависящая от параметров возмущающих соленоидов; “ (g)——функция, зависящая от соотношения 三 координат детали и размеров возмущающих соленоидов;屮口)——периодическая функция, характеризующая частоту пульсаций поля В по оси времени t. В моменты, когда /х = /2 = 0, деталь движется по инерции. Уравнения плоскопараллельного движения детали в симметричной транспортной системе имеют вид

加九=2尸加阳屮(9一R (北J；］

+ Me (&c) — Мм (a) = o, j

где m,尤c — соответственно масса и координата центра масс детали по оси абсцисс; Jс — момент инерции детали относительно ее центра масс; R (хс) — сила сопротивления среды (газа или жидкости), пропорциональная поступательной скорости детали; Мс (а) — момент сил сопротивления, пропорциональный угловой скорости детали; 启乂 (a) — восстанавливающий момент поля В; a — угол между продольной осью детали и вектором В.

Второе уравнение системы (7.1) описывает свободные колебания детали вокруг центра масс, которые, вообще говоря, быстро затухают, так как их амплитуда зависит от случайных причин, например неровностей стенок транспортного лотка. Средняя скорость деталей % зависит от силы токов 厶，/2 и частоты пульсаций 屮(f). В несимметричной транспортной системе (при условии А #= /2) детали совершают сложное движение. На активных полупериодах, когда 厶 > 0 и 厶 > 0, магнитное поле будет неоднородным не только в продольном, но и в поперечном направлении (вдоль детали). Вследствие чего точка приложения результирующей магнитных сил F】 и F2 смещается относительно центра масс с, и детали одновременно с поступательным движением начинают совершать угловые колебания вокруг центра масс с амплитудой а (рис. 7.2). Максимальная амплитуда колебаний а нмеет место при 厶=Q или /& = 0・ Приве-

дем уравнения движения детали при одном включенном соленоиде:

тус = N — G;

人& = 事尸。左(三)屮(?)一 м。 (a) + мм (a),

где yc — координата центра масс детали по оси ординат; N — нормальная реакция стенки лотка; G —— вес детали; ^ (Е)—— функция, аналогичная “(三).

Приближенный график скорости центра масс детали имеет вид Линейно-ступенчатой функции, а скорости верхнего и нижнего концов этой детали vH — vc =F (1/2) а и противоположно направлены (ct — угловая скорость детали). В этой формуле плюс надо брать для ближнего к возмущающему соленоиду конца, а минус — для дальнего, Характер движения стержневых (сплошных и полых) и плоских деталей при различной пространственной ориентации магнит* ной транспортной системы качественно одинаков. Реверсирование движения деталей осуществляется путем изменения полярности возмущающих соленоидов.

В зависимости от технологических условий и компоновки РТК предварительно ориентированные детали доставляют в зону сборки либо транспортной системой, либо захватом ПР. В том и в другом варианте большое значение имеет размещение в зоне сборки специальной системы автопоиска, существенно повышающей вероятность точного совмещения элементов при сравнительно невысоких требованиях к точности позиционирования манипулятора ПР. Указанная система и применение метода неполной взаимозаменяемости при автоматической сборке позволят значительно снизить себестоимость изготовления изделий. Как известно, средний допуск на составляющий размер при реализации метода неполной взаимозаменяемости [12]

где 63 ——допуск монтажный замыкающего (исходного) звена;左卩 ~ =63/2сг3 — коэффициент риска, с помощью которого оценивают долю возможных нарушений сборки за счет погрешности замыкающего звена; сг3 — среднее квадратическое отклонение замыкающего звена при установлении больших допусков на соответствующие звенья; ^Ср ——коэффициент, зависящий от характера распределения погрешностей (для закона Гаусса 九叩 0,11; для неизвестного закона распределения ^ср 0,33);加——общее число звеньев размерной цепи.

В основу построения систем автопоиска могут быть положены методы, основанные на использовании вибраций или локальных силовых полей. Для вибрационных методов вероятность динамического совмещения элементов определяется выражением

д = %е『 а,

где qc = тр Q ——р)т~} ——вероятность статического совмещения; р = (S S())/S; S, S()——соответственно площади базового отверстия сборочного узла и детали; 加 —— число испытаний (попыток); f(V)——некоторая функция частоты колебаний базового элемента сборочного узла. При v = 0 функция f (v) = 0, а при некотором V = vm эта функция имеет максимум. Наиболее простое выражение для /(V) будет

f(V)= av — bW,

где @ > 0,方 > 0 ——коэффициенты параболы. Для параболической функции vm = a/2R

Решение дифференциальных уравнений сложного движения детали в зоне сборки под действием гармонических колебаний и магнитного стимулятора дает следующие значения радиусов области эффективного захватывания детали (соответственно малая и большая полуоси эллипса):•

где / — коэффициент трения детали о поверхность базовой плиты без смазочного материала; g — ускорение свободного падения; Л, ш — амплитуда и круговая частота колебаний;匕，с — коэффициенты, характеризующие магнитную силу при дипольной схеме намагничивания (определяются экспериментально).

Для автопоисковой системы с вибропневматическим стимулятором эффективные радиусы области захватывания

п - a —也『a — fg

此《 -6Ь三6， 此《 —5— -

Специальные стимуляторы автопоисковой системы сборки могут обеспечивать в процессе совмещения одновременно вторичную ориентацию деталей. Например, плоская деталь 2, предварительно сориентированная в стационарном поле магнита 4, попадает в сборочный узел левым или правым концом в зависимости от полярности стимулирующего магнита 3 (рис. 7.3). Если магнит 3 имеет поляр-

225

a)歹

Рис. 7.3. Схемы сборки изделий с магнитным стимулятором процесса совмещения и вто-ричной ориентации плоской детали

ность, указанную на рис. 7.3, а, то образующееся при этом сложное магнитное поле обеспечивает западание детали в оправку / левым концом. Если полярность магнита 3 будет соответствовать схеме на рис. 7.3, 6, то деталь попадает в оправку правым концом. Полярность магнита 3 переключается по сигналу фотодатчика системы опознавания положения детали (на рисунке не показан).

Сборка стержневых изделий с точной соосной установкой гибких выводов 2, 5 относительно корпуса 3 осуществляется путем воздействия на концы сопрягаемых элементов локальными магнитными полями соленоидов 1, 4, 6, размещенных на определенном расстоянии Друг от друга (рис. 7.4, а). Соленоиды I н 4 обеспечивают удержание дальних концов гибких выводов 2, 5, а соленоид 6 — соосное расположение их ближних концов в корпусе 3, После совмещения концов выводов внутри соленоида 6 напряженность поля, создаваемого нм, увеличивают до значения, обеспечивающего отрыв дальнего конца вывода 5 от соленоида 4 (рис. 7.4, б). После сборки изделие удаляется путем отключения соленоидов /, 6 и увеличения напряжения на соленоиде 4. В результате этого изделие притягивается к опоре соленоида 4, и последний поднимается в верхнее исходное положение (рис. 7.4, 6). Магнитодвижущую силу соленоидов /, 4, 6 выбирают из расчета, чтобы соленоид 6 обеспечивал четкую фиксацию нижнего конца вывода 5 относительно сопрягаемого конца вывода 2 и отрыв вывода 5 от опоры соленоида 4. Описанная магнитная система обеспечивает качественную сборку изделий при невысокой точности изготовления сопрягаемых элементов [А. с. 392856 (СССР)].

Оснащение руки робота измерительными преобразователями позволяет проводить коррекцию взаимного положения деталей, необходимую для точной ориентации их на сборочных операциях. Покажем это на примере сопряжения типа вал ——отверстие, при котором угол опрокидывания а вала 2 может быть использован для управления операций сборки (рис. 76, а). В завдсимости от 226

эксцентриситета е (или в конечном счете угла а) можно корректировать посадочное усилие 尸 вала 2 в отверстие базовой детали 1. Угол опрокидывания может быть измерен бесконтактным индуктивным преобразователем 3 (рис. 7.5, б). Корректирующее перемещение вала в горизонтальной плоскости обеспечивается с помощью двух шаговых двигателей 8, ходовых винтов 9 и спиральных пружин 7, Усилие сопряжения 尸 через двухшарнирную подвеску 6 передается ,на измерительный преобразователь давления 5, который управляет

РНС. 7.5. КоРРек；ир—ек=йсТватР^РНС. 7.5. КоРРек；ир—ек=йсТватР^вал — отвер-вал — отвер-

РНС. 7.5. КоРРек；ир—ек=йсТватР^

РНС. 7.5. КоРРек；ир—ек=йсТватР^

вал — отвер-

вал — отвер-

Рис. 7.6. Схема компоновки сборочного комплекса с ПР, снабженным телевизионной камерой и мини-ЭВМ

двигателем 4 для вертикального перемещения вала 2. В конструктивных модификациях описанного преобразователя могут применяться плоские

пружины, тензометрические чувствительные элементы и микродвигатели, использующие обратный пьезоэффект [12].

Полупроводниковые тензодатчики в виде кремниевых пленок 10 наносят на поверхность упругих стержней // захвата робота (рис. 7.5, в). Сигналы тензометрических преобразователей демоду- лируются, усиливаются и через блок связи поступают в микропроцессор, который вычисляет заданные параметры движения (путь и скорость). Управляющие сигналы подаются через промежуточный блок в устройство управления роботом. Для измерений показаний тензодатчиков применяют лазерный интерферометр, который позволяет одновременно считывать три усилия и три момента.

Неточность совмещения деталей и узлов может быть скомпенсирована при сборке, если в сборочном комплексе используются роботы с системой адаптации, включающей органы восприятия изображений. Такие системы не представляют строгих требований к условиям сборки и допускают значительно большую неопределенность в расположении сопрягаемых деталей, приспособлений и т. д. Примером может служить комплекс, осуществияющий установку коллекторных щеток в гнезда щеткодержателей при сборке микродвигателей постоянного тока. Щетки 4 из бункера 5 подаются в накопитель (рис. 7.6). Питатель 6 осуществляет поштучную выдачу Щеток из накопителя. Затем робот 2 берет щетку с помощью видеокамеры 3, размещенной в захвате, ориентирует щетку требуемым образом, переносит к технологической машине 7 и устанавливает в соответствующее гнездо щеткодержателя. Собранные узлы из машины 7 передаются роботом в межоперационный накопитель 8. Мини-ЭВМ / управляет автоматическим комплексом, обеспечивая включение и выключение шаговых электродвигателей, приводов питателя и исполнительных органов технологической машины, перевод в числовые величины показаний видеокамеры, перенос изображения на экран телемонитора.

Элементарный цикл сборки любого узла с помощью робота состоит из ряда переходов: опускание руки и захватывание 1-й детали; перенос и установка ее в позицию сборки; захватывание и установка 2-й детали и т. д. Время элементарного цикла сборки

ит

7ц = % + X 筛 + £ /у/,1=1/=1

где /м —— основное технологическое (или машинное) время;

/у/ — соответственно время единичных поступательного и поворот-

ного движений^руки;*п, /и ——число единичных поступательных и поворотных движений.

Цикловые потери определяют по формуле

■4 = (1■4 = (1兽)100%./ц I兽)100%./ц I

■4 = (1

■4 = (1

兽)100%.

/ц I

兽)100%.

/ц I

Так как время /м зависит от типа соединения, технологии сборки и характеристик деталей, то возможности регулирования " невелики, причем в каждом конкретном случае для этого необходим специальный эксперимент. Следовательно, увеличение производительности сборочного роботизированного комплекса путем уменьшения 1] может быть достигнуто за счет уменьшения значений 编 и /у力 т. е. увеличения скорости холостых ходов робота, а также выбора оптимальных значений технологических скоростей. Выбранный вариант оптимальной компоновки комплекса должен быть проверен на надежность, которая определяется вероятностью р безотказной работы сборочной системы:

р =

где Рп ——вероятность подачи на сборку качественных деталей; рс = Г1рд“т — вероятность безотказной работы оборудования; Пр； — произведение вероятностей безотказной работы ориентирующих, подающих и других устройств; рм, р^ ——вероятности безотказной работы соответственно механизмов робота и выполнения им технологических операций.

Особенно следует провести тщательный учет всех факторов (технологических, конструктивных, эксплуатационных и др.), влияющих на величину рт, которая определяет технологическую надежность сборочного робота и в конечном счете его фактическую производительность Q^.

Допустимые режимы 'работы сборочного робота определяются зависимостями обобщающих показателей системы р^ и Q© от скорости vM срабатывания исполнительных механизмов робота (рис. 7.7). Параметры исполнительных механизмов с учетом заданного быстродействия можно оценивать величиной [36 ]

—4 6(рм J м

где 6(рм — предельный угол поворота выходного вала исполнительного механизма за время управления &,;丿鼠 ——момент инер-где 6(рм — предельный угол поворота выходного вала исполнительного механизма за время управления &,;丿鼠 ——момент инер-а параметры режима работы — коэффициентами

где 6(рм — предельный угол поворота выходного вала исполнительного механизма за время управления &,;丿鼠 ——момент инер-

где 6(рм — предельный угол поворота выходного вала исполнительного механизма за время управления &,;丿鼠 ——момент инер-

Рис. 7.7. Зависимость обобщающих показателей сборочного роботизированного комплекса от скорости d срабатывания исполнительных механизмов робота

ции механизма; Мс^ — статический момент нагрузки механизма; Мм — максимальный момент на выходном валу, необходимый для воспроизведения заданного закона движения; /п, /с — соответственно время работы механизма с постоянной скоростью и с учетом стоянки (паузы). При условии Mz. м = const значение М^ рассчитывают по следующей формуле:

Варьируя значения коэффициентов еп, £р, тр, Тр, можно миними- низировать значения fy, ТИм и др.

Современные достижения в области технологии, роботизации и средств вычислительной техники обеспечивают реальные предпосылки создания автоматических производств в ряде отраслей промышленности и в том числе в приборостроении. Особенно актуальной является задача создания автоматических сборочных производств, так как трудоемкость сборочных процессов все еще значительна (от 30 до 40 % полной трудоемкости изделия), а уровень их механизации и автоматизации не достаточно высок (порядка 40 %).

В настоящее время центр тяжести от массового производства с узкой номенклатурой изделий все более смещается к многономенклатурным производствам с быстрой сменяемостью программы, в результате чего среднее время жизни изделия уменьшается с 7——8 до 2——3 лет. Сборку многоэлементных изделий с большой номенклатурой и малой стабильностью выпуска необходимо осуществлять на базе автоматических линий, построенных по принципу модульного конструирования и унификации основных узлов с целью обеспечения переналаживаемости линий на основные типоразмеры приборов. Такие автоматические линии могут явиться основой для создания автоматических сборочных участков и цехов, реализующих идею малолюдной, а впоследствии безлюдной технологии. Аналогичный подход при создании сборочного оборудования характерен для ведущих зарубежных фирм: «Фанук» (Япония), «Бош» (ФРГ), «Сор- мель» (Франция). Для обеспечения нормальной работы автоматической линии необходимо создание автоматического участка, состоящего из комплекта автоматов кассетирования элементов изделий. Без решения вопроса создания сервисного оборудования эффективность автоматической сборочной линии снижается, так как трудоемкость на указанных операциях сохраняется достаточно высокой» что не позволяет в полной мере решать задачу сокращения численности на операциях сборки. На выходе кассетирующих автоматов должны применяться унифицированные узлы: накопитель и робот, а на входе —— индивидуальные средства манипулирования.

Роботизированные технологические комплексы в производстве миниатюрных изделий

Для рассмотрения структурных вариантов робототехнических комплексов целесообразно выделить некоторые первоначальные роботизированные позиции, варианты которых с роботами для обслуживания и выполнения технологических операций были рассмотрены ранее. В настоящее время известны четыре варианта формирования РТК на основе этих структурных единиц: линейный, последовательный, параллельный и смешанный.

Особенностью структур РТК линейного типа (рис. 7.8, а) являются прямые связи межау отдельными роботизированными позициями РП согласно технологическому процессу. РТК этого типа повышают ритмичность процессов, позволяют сократить длительность операций, но имеют худшие показатели надежности по сравнению с другими структурами.

Наиболее простые линейные РТК комплектуются одинаковыми роботами и однотипным технологическим оборудованием, отличаются высокой взаимозаменяемостью, приблизительно одинаковой производительностью, возможностью быстрого перехода на выпуск новых изделий, отсутствием внутрилинейных оборотных заделов. Линейные РТК этого вида эффективны в условиях серийных производств.

Линейные РТК с различными по составу структурными единицами (один или несколько роботов, разнотипное оборудование) применимы для массового производства. Они отличаются сложностью подбора номенклатуры изделий с одинаковой технологией обработки и оборудования с одинаковой производительностью и т. п.

Примером организации линейной структуры РТК является линия сборки дисковых аккумуляторов [30].

Увеличить гибкость линейных РТК позволяют структуры последовательного типа (рис. 7.8, б). Особенностью последовательных структур является наличие единой транспортной системы с автоматическим адресованием, которая позволяет сокращать или полностью

рп\ \РПрп\ \РПWW匸до匸до

рп\ \РП

рп\ \РП

W

W

匸до

匸до

丁 ' Рис. 7.8. Варианты структурной организации РТК：а — линейная； 6 — последовательная： в — параллельная；сиешаиная; 3 — матричная

исключать индивидуальные магазины-накопители и другое вспомогательное оборудование. РТК последовательного типа повышают компоновочную гибкость и увеличивают возможности использования оборудования. Недостатком такой структуры являются большие затраты на переналадку РТК・ Поэтому последовательные структуры целесообразно использовать при значительных масштабах выпуска изделий. Примером такой организации является линия производства полупроводниковых структур на пластинах, линия сборки электродвигателей, испытания диодов и др.

Получили распространение РТК параллельного типа (рис. 7.8, в) с ПР, обслуживающими технологическое оборудование. Такие структуры целесообразны для мелкосерийных и многономенклатурных производств. Функционирование параллельных РТК не нарушает сложившейся системы оперативного планирования, так как независимая работа отдельных структурных единиц комплекса позволяет останавливать любую из них для переналадки на выпуск новой продукции, ремонт и т. п. Увеличение экономии при такой организации РТК достигается за счет высвобождения рабочих, перехода на многостаночное обслуживание, совершенствования вспомогательных служб и т. п.

Наиболее сложным, но и совершенным вариантом организации гибких структур являются структуры смешанного типа (рис. 7,8, г). Этот вариант позволяет формировать любые связи как между структурными единицами внутри комплексов, так и между самостоятельными РТК в составе ГАП. Смешанная структура позволяет гибко менять производственную программу и переходить на другие структуры. ”

Распространенной разновидностью РТК смешанного типа является матричная структура (рис. 7.8, d). Такая структура наиболее удобна для размещения в цехах, сочетает в себе преимущества параллельной и последовательной структур: максимальную гибкость с возможностью реализации самых различных потоков перемещения изделий.

Примеры реализации роботизированных структур описаны ниже.

Линия сборки дисковых аккумуляторов. Эта линия организована по типу линейного РТК с различающимися по составу структурными единицами. Прямые связи между структурными единицами реализованы по ходу технологического процесса. Линия (рис. 7.9) сконструирована из агрегатных модулей и содержит модули загрузки, 232

сборки и герметизации. В состав каждого модуля входят малогабаритные роботы модели ПРП-01-2 [30]. В модуль загрузки / объединены устройства 3 н 4 ориентированной подачи корпуса и положительного электрода, устройства 5 н 6 заливки электролитом и вырубки, укладки сепаратора.

В состав модуля сборки II входят устройства 7——J0 ориентированной подачи: прокладки из вибробункера, отрицательного электрода, пружины-компенсатора, крышки аккумулятора.

Из модуля герметизации ///, содержащего устройство герметизации 11 и два робота /, объекты сборки 2 выдаются на контроль выходных параметров.

На модуле загрузки осуществляются ориентация корпуса аккумулятора, подача его в рабочую зону робота и заливка электролита. Затем робот переносит корпус аккумулятора на позицию контроля наличия корпуса, расположенную в последующем модуле. 。

На модуле сборки производятся ориентация устанавливаемой детали и подача ее в рабочую зону робота, который оснащен двумя взаимно перемещающимися захватами. Одним захватом робот берет корпус аккумулятора, а другим устанавливаемую деталь, переносит их на следующий модуль сборки, совмещая ось детали с осью корпуса аккумулятора, укладывает деталь в этот корпус и устанавливает его на датчик наличия корпуса.

Робот последнего модуля сборки устанавливает аккумулятор в гнездо карусели модуля герметизации. Операция осуществляется путем трех последовательных опрессовок, после чего робот снимает аккумулятор с карусели и подает его на другую установку.

Промышленные роботы, применяемые в линии сборки, выполнены на базе кинематической схемы с двумя поступательными и одним вращательным движением. Такая схема создает цилиндрическую рабочую зону, допускает хорошую маневренность роботов и обеспечивает компактность их конструкции.

Использование АЛ сборки дисковых аккумуляторов на базе ПР позволило сократить сроки проектирования и изготовления оборудования, снизить трудоемкость сборки, а также повысить качество собираемых изделий.

Автоматическая поточная линия диффузии (рис. 7.10). Эта линия предназначена для групповой обработки полупроводниковых пластин диаметром 76—100 мм на операциях диффузии и окисления и

Ьредставляет собой гибкую последовательную структуру. В основу построения автоматической поточной линии диффузии и окисления положен принцип объединения одинаковых по организации технологических процессов в комплекс с автоматизацией всех вспомогательных операций и перемещения обрабатываемых пластин в пылезащитном коридоре.

Линия диффузии комплектуется трехтрубными диффузионными однозонными электропечами 6 с устройствами газораспределения УГ-2. Каждые две печи объединяются системой пылезащиты в шеститрубный агрегат АДС-6-100. В состав линии могут входить три и более агрегатов 5. Кроме того, линия диффузии содержит системы газораспределения, автоматической загрузки, .транспортирования, автоматического адресования, пылезащиты; устройства пере- укладки пластин, накопители партий пластин и систему управления. .

Конструктивно линия выполнена в виде «стенки», отделяющей зону / обслуживания технологического оборудования ——диффузионных печей — от зоны 16 «чистого» коридора, в составе которого модули пылезащиты 2 и устройство транспортирования 9 открытых полупроводниковых пластин от рабочего места оператора 12 к технологическому оборудованию 6 и обратно, а также другие устройства.

Зона, обслуживаемая оператором («чистый» коридор), формируется из модулей и блоков. Технологическое оборудование со всеми коммуникациями помещается с одной стороны стены коридора, вдоль которой в чистой зоне расположена транспортная система для перемещения партий обрабатываемых пластин в технологических кассетах от оператора к реакторам оборудования и обратно. На лицевой части стены коридора монтируется устройство автоматической загрузки кассет с пластинами в реакторы, блоки управления загрузкой с регуляторами скорости, роботы, транспортная система, пульты оперативной информации и управления технологическими процессами, центральный пульт управления с механизмами групповой переукладки пластин.

Робот 8, входящий в состав загрузочной системы 3, обеспечивает автоматический прием партий пластин с транспортного устройства 9 на любую из шести площадок роторного устройства 4. Кроме того, робот-<5 выполняет операции выдачи пластин на транспортное устройство. Доставка пластин к загрузочным системам 3 и обратно в накопитель 15 обеспечивается двумя само движущимися каретками 7 и /0 по трассе 9, армированной пластмассой. Каретка /О, размещенная у центрального пульта управления /3, обеспечивает перемещение носителей с пластинами к загрузочным системам 3, каретка 7, расположенная в противоположном конце трассы,——от загрузочных систем к центральному пульту /3.

Робот /4* входящий в состав центрального пульта управления, по команде оператора отрабатывает программу приема носителей е трассы и установку их на стол 11 оператора и выполняет обратные действия.

I

Партии пластин, поступающие на обработку, размещаются в ячейках накопителя Л5, Очередность обработки их в реакторах задается технологическим маршрутом.

Оперативное управление линией осуществляет один оператор. Он вызывает технологическую тару с соответствующего реактора, формирует партию пластин, устанавливает ее на позицию и осуществляет с помощью механизма перегрузки переукладку пластин из технологической тары, в транспортную.

Центральный пульт оснащен цветным видеоконтрольньш устройством, на экраны которого поступает информация о времени обработки пластин в реакторах, наличии охлаждаемой кассеты на площадке роторного устройства, состоянии загрузочных систем, площадок приема-выдачи и т. п.

Оператор может задать и скорректировать программу технологического процесса в реакторах основного оборудования; проконтролировать расход газов по показаниям приборов, установленных на пульте управления; проследить ход выполнения программы и т. д.

Конструкция линии позволяет подключать комплекс технических средств КТС-1Е для организации оперативного- контроля за ходом технологического процесса с помощью ЭВМ. Наличие автономных систем управления оборудованием и связь их с общей ЭВМ обеспечивают выполнение сложных алгоритмов управления процессами с корректировкой длительности режимов окисления и диффузии в зависимости от отклонения текущих значений стабилизируемых J параметров и результатов контроля обрабатываемых пластин.

I Конструктивное исполнение линии и принцип построения сн。 I стемы автоматического управления позволяют без существенных I изменений наращивать линию как по числу, так и по номенклатуре I агрегатов обработки пластин. Наиболее легко линия может быть £ укомплектована установками типа «Изотрон 1》и «Изотрон 2》для осаждения слоев поликристаллического кремния, нитрида кремния - н фосфоросиликатных стекол, агрегатами термокомпрессионного 一 окисления типа «Термокоп» и установками ПХО-150 для плазмохи* мической очистки пластин. Все указанные установки имеют горизонтальные трубчатые реакторы для групповой обработки пластин в кварцевых кассетах и близкие по конструкции системы автоматической загрузки и выгрузки.

Разработка и внедрение описанных автоматических линий одновременно с решением ряда технических задач, связанных с повышением эффективности работы оборудования, позволит создать робо^ тизированные комплексы технологического оборудования с пол- ностью замкнутым циклом производства структур для БИС и СБИС. 扌 Автоматическая линия контроля и разбраковки диодов. Исполь- ' зуемая фирмой «Фудзи дэнки сэйдзо» (Япония) [46 ] автоматическая линия является примером последовательной организации гибких структур, На линии применены роботы, позволяющие манипулировать изделиями, габаритные размеры которых не превышают (4x15x4) мм, а масса 2 г. Расположение агрегатов линии пока* зано на рис. 7,11. В состав линии §ходят три измерительных уста，

8*8*235

8*

8*

Рнс. 7.11. Структурная схема автоматической линии контроля а 一 внд сверху； 6 -вид спередиРнс. 7.11. Структурная схема автоматической линии контроля а 一 внд сверху； 6 -вид спередин Разбраковкн диодов；н Разбраковкн диодов；

Рнс. 7.11. Структурная схема автоматической линии контроля а 一 внд сверху； 6 -вид спереди

Рнс. 7.11. Структурная схема автоматической линии контроля а 一 внд сверху； 6 -вид спереди

н Разбраковкн диодов；

н Разбраковкн диодов；

новей 6, 7, 9 для испытания диодов при высоком и низком напряжении, питатель Л три цепных конвейера 2, /2, 14, устройство автоматической упаковки /6, фиксирующие устройства 5, 10 со специальными захватами для подключения диодов при измерениях и извлечения их после испытаний- Все эти устройства связаны в процессе функционирования четырьмя роботами 4, 8, И, 15 и манипулятором /3.

Двурукий робот 4 выполняет операции установки и снятия диодов с измерительных позиций. Однорукие роботы 8, /7 проводят разбраковку диодов после испытания напряжением. Четырехрукий робот 15 проводит разбраковку, упаковку и транспортировку.

При изме- тапа изделий и т. п. каждыйПри изме- тапа изделий и т. п. каждыйЦикл работы линии составляет 1,0 с. Общая производительность в смену 25-103 диодов. Линия заменяет труд 20 человек, нении способа контроля, испытаний,―一 -"

При изме- тапа изделий и т. п. каждый

При изме- тапа изделий и т. п. каждый

агрегат может быть использован отдельно.

к следую-к следую-Принцип действия автоматической линии сводится . щему. При прохождении позиции низковольтной проверки 3 диоды ориентируются по полярности и с интервалом в I с подаются цепным конвейером 2 на позицию проверки их годности к двурукому роботу 4, который подает диоды по одному к приборам 6, 7. При этом установка и извлечение диодов осуществляются с помощью фиксирующих устройств захватами 5, 10. После испытания диодов высоким напряжением в течение 1——2 с роботы 8, 7/ проводят их разбраковку на три группы. Годные диоды передаются на позицию А и далее на конвейер 12.

к следую-

к следую-

Манипулятор 13 собирает группы диодов по 10 штук и передает на позицию 9 для последней проверки под bdicokhm напр兄*е・ 236

нием. По окончании этой проверки годные диоды транспортируются

конвейером 14 на позицию В, где по одному снимаются четырех- рукими роботами 15 и, пройдя счетчик, установленный на заданное .число, поступают в устройство упаковки 16.

Для обслуживания линии необходим один человек, выполняющий

загрузку питателя Л съем готового пакета с упакованными диодами и наблюдение за процессом. Эффективность использования автоматической линии с роботами типа FM? подтверждается такими позитивными факторами, как оперативное управление процессом измерений даже при изменении критериев отбора типов приборов; увеличение

достоверности испытаний, так как оператор непосредственно не принимает решения; высокая стабильность цикла работы; безотказность работы для операторов; гибкость и универсальность обору-

-дования,

Прецизионные робототехнические комплексы

Существует ряд технологических задач, при решении которых возникает необходимость в активном приспособлении робота к меняющимся внешним условиям. К таким задачам в полной мере относится прецизионная сборка, автоматизация которой возможна, лишь при использовании совершенных адаптивных роботов, являющихся сложными самонастраивающимися системами, работающими по гибкой программе. Для таких роботов системе управления задается только конечная цель процесса, а метод решения задачи определяется в процессе работы.

Адаптивные роботы оснащаются устройствами, которые могут выполнять функции, свойственные человеку (осязания, слуха, зрения и т. п.). Структура робота с элементами искусственного интеллекта, предназначенного для реализации процесса автоматической сборки, рассчитана на выполнение следующих основных функций: анализа окружающей среды и распознавания местоположения и пространственной ориентации компонентов сборки, выработки по* следовательности действий для осуществления сборки с учетом заданной команды и взаимного расположения компонентов. Такая система, имитирующая функции глаза, руки и мозга человека, анализирует с помощью визуального устройства очувствления структуру сборки и необходимые компоненты и определяет процедуру сборки. Поэтому робот такого типа можно представить как композицию из трех подсистем: зрительного восприятия, принятия решения («мозг»), управления манипулятором. Промышленные роботы, снабженные органами искусственного зрения, уже становятся стандартной продукцией ряда ведущих отраслей промышленности как у нас в стране, так и за рубежом. Так, в Японии и США созданы сборочные ПР, способные выбрать нужную деталь среди множества других и поместить ее в соответствующее место, т・ е. выполнить операцию совмещения элементов.

Для автоматизации прецизионных сборочных операций (к которым можно отнести крепление кристаллов К цоколям выводов,

Рис. 7.12. Структурная схема робототехнического комплекса для крепления кристаллов:

Ml, М* Мп — идентичные рабочие посты; СУ — система управления; КС — координатный столик; ТВ — телевизионная система с микроскопом;

Р — рабочая позиция

крепление проволочных выводов, монтаж проводов между электродами, посадку микроприборов на печатную плату и т. п.) разработаны и совершенствуются РТК, содержащие систему позиционирования; систему технического зрения, являющуюся ключевым устройством автоматизации подобных сборочных операций; ЭВМ; оборудование для микросварки и вспомогательные устройства перемещения и ориентации изделий.

Основными структурными элементами прецизионных РТК обычно являются специальные или специализированные ПР, системы распознавания объектов, микроЭВМ, сервисное и специальное технологическое оборудование.

К числу таких комплексов можно отнести автоматизированную систему для крепления проволочных выводов транзисторов с применением телекамер; автоматизированную систему сборки мощных транзисторов; сборочную систему на базе группы малых роботов; Комплекс «Сигма» на сборке гибридных интегральных схем [47 ]； сборочную систему с роботом фирмы «Ниссан» [46] и др.

В составе комплекса для крепления проволочных выводов тран* Знсторов имеется несколько идентичных рабочих постов Л1( (рис. 7,12), включающих устройство крепления кристаллов методом Эвтектического сцепления, телевизионную камеру с микроскопом^ координатный стол и систему управления, Перемещение кристалй Лое в рабочей зоне осуществляется координатным столом с пря* моугольными осями координат и шаговыми двигателями для перемещения кристаллов по осям х и t/. Прием данных и их передача к ЭВМ осуществляются с помощью специальных схем управления. Чтобы телевизионные камеры обеспечивали возможность наблюдения за отражением света от кристалла, осветители размещают под углом 30°. Цифровое преобразование производится на поле 192Х X 192 мм.

Принцип работы комплекса в групповом режиме сводится к следующему. Как только кристалл попадает в поле зрения телевизионной камеры (видикона), система управления посылает запрос в центральную мини-ЭВМ, которая выявляет запрос и дает заключение о порядке выполнения операций, затем считывает изображение и анализирует его.

Поле зрения видикона позволяет увидеть одновременно до четырех крист^ддор, ЭВМ определяет положение вертикальных и горн?

Зонтальных кромок каждого кристалла, подсчитьгвает "义 длййу, удаляя слишком большие и слишком малые кристаллы, и выявляет дефектные пятна, сколы, трещины. Изделия без дефектов по очереди устанавливаются в требуемое положение и закрепляются. После крепления четырех кристаллов столик получает команду на ввод в поле зрения видикона следующей группы кристаллов. Управление постами осуществляется в реальном времени.

Группа программ, обеспечивающих крепление кристаллов, реализуется с помощью системы управления поста и состоит из программы управления в реальном времени и вспомогательной программы. Первая является программой группового управления, а вторая содержит различные подпрограммы измерений и статистической оценки.

Время крепления кристаллов одного транзистора на каждом посту занимает 1—2 с.

В другой автоматической системе для присоединения проволочных выводов к контактам транзисторов в качестве датчиков визуального обследования используются телевизионные камеры 4, микроЭВМ / с ЗУ емкостью 16-103 слов. Система может включать до 50 индивидуальных монтажных устройств 5 (рис. 7.13). Каждая группа из нескольких монтажных устройств соединена с микропроцессором обработки изображения 3, работающим в режиме разделения времени, телевизионными камерами, а также с линейным контроллером 2, который с помощью серводвигателей управляет перемещением рассматриваемого образца по осям хну. Монтажное устройство осуществляет пайку выводов и обеспечивает необходимое натяжение выводов транзисторов. Допустимая погрешность при установке координат ±0,15 мм (по осям % н у) н 土 15° (по углу ф). При попадании изображения контактной площадки в поле зрения телевизионной камеры воспроизводится определенный зрительный образ. Процессор обработки изображения идентифицирует рассматриваемый участок и преобразует аналоговую форму сигнала в цифровую в виде матрицы из 12Х 12 элементов изображения для сравнения с хранящимся в памяти эталоном. Время идентификации изображения образца составляет в среднем 15 с; эффективность определения изображения ——99,9 % (расчетная) и 99,0 % (практическая). МикроЭВМ помогает распознавать зрительный образ, оценивая расстояние между линиями наблюдаемого рисунка и угловые координаты рассматриваемого образца.

7 w2O7 w2OРоботизированная установка японской фирмы «Токио Сокухан» для монтажа кристаллов полупроводниковых приборов методом эвтектической пайки имеет устройство распознавания образа, бла-

7 w2O

7 w2O

Рис. 7.13. Структура системы технического зрения ПР для присоединения проволочных выводов к контактам транзисторов

Схема адаптивного Робота для прецизионной сборки миниатюрных изделий (ва- рнант с ориентацией деталей в захвате манипулятора)Схема адаптивного Робота для прецизионной сборки миниатюрных изделий (ва- рнант с ориентацией деталей в захвате манипулятора)

Схема адаптивного Робота для прецизионной сборки миниатюрных изделий (ва- рнант с ориентацией деталей в захвате манипулятора)

Схема адаптивного Робота для прецизионной сборки миниатюрных изделий (ва- рнант с ориентацией деталей в захвате манипулятора)

рис. 7,14.

годаря чему автоматически обнаруживает неполадки, бракованные кристаллы и неправильное захватывание кристалла. Адаптивный робот при прецизионной сборке миниатюрных изделий одновременно выполняет сборку корпуса прибора и посадку кристалла в корпус «на эвтектику» [42 ]. Сборка прибора осуществляется на линейном транспортном тракте 13, в который из плоского многорядного магазина 15 подается первая деталь, являющаяся основанием сборочной единицы (рис. 7.14). Вторая деталь подается на сборку манипулятором 5 с транспортера 2, на который детали поступают из магнитного накопителя 1. В позиции перед захватыванием с помощью телевизионной камеры. 4 с осветителем 3 контролируется правильность положения каждой детали, так как в магнитном накопителе обеспечивается лишь предварительная ориентация деталей. По команде видеодатчика манипулятор 5 в процессе переноса осуществляет окончательную ориентацию детали. В случае нераспознания детали (в том числе брака) последняя сбрасывается манипулятором в изолятор брака, и сборка приостанавливается до следующего цикла. Совмещение двух деталей осуществляется в следующей позиции с помощью механизма 6. В этой же позиции предусмотрены контроль правильности совмещения и возможность его коррекции.

Третья деталь (кристалл) подается манипулятором 10 с транспортера /7, на который кристаллы поступают предварительно ориентированные из бункерного устройства 14, Как и в случае со второй деталью, перед захватыванием с помощью телевизионной камеры 12 контролируется правильность положения кристалла, и при необходимости манипулятор 10 в процессе транспортирования однозначно ориентирует кристалл перед совмещением с ранее установленными компонентами сборки. Посадка кристалла производится в предварительно нагретый в зонной печи 7 корпус, причем в процессе совмещения захват манипулятора совершает быстрые прямоугольные или круговые движения, обеспечивающие необходимое 240

土 смачивание и контакт кристалла. Цикл присоединения завершается ;за 1 с при погрешности совмещения ±50 мкм.

Манипуляторы 5, 10 аналогичны по конструкции и различаются лишь захватами. Собранный узел перемещается по транспортному ；тракту нагревательного устройства 7, на выходе из которого он ' попадает в канал магазина 9, идентичного магазину /5. Управление адаптивным сборочным роботом осуществляется микроЭВМ 8.

Рассмотрим более подробно систему управления адаптивным роботом. Из блока информации / сигналы поступают в блок усилителей-формирователей 2, а синхроимпульсы и видеосигнал ——на вход контроллера телевизионного датчика 12 (рис. 7.15). Из блока 2 информация через мультиплексор 4 поступает в устройство парал- Г дельного обмена микроЭВМ 5 и одновременно в устройство управления вводом-вы вод ом И и блок индексации 3. МикроЭВМ через распределитель 6 и усилитель мощности 7 выдает управляющие сигналы для включения исполнительных механизмов системы. На вход контроллера 9 манипуляторов из блока 11 поступают сигналы ■ на разрешение движения, а из распределителя 6 ——код перемещения. Контроллер 9 подает в усилитель мощности 7 фазовую последова- £ тельность импульсов для двигателей перемещения руки манипулятора по соответствующим координатам. Устройство ввода-вывода И вводит в мультиплексор 4 и распределитель 6 код субадреса. Блоки питания 8 н /0 предназначены соответственно для усилителя : мощности 7 л выработки тактовых импульсов, подаваемых на вход блока 11.

Программируемые манипуляторы прецизионного сборочного робота —это достаточно сложные системы, обеспечивающие позиционирование объекта по двум управляемым координатам сводно- временной ориентацией его в горизонтальной и вертикальной"'пло- скостях. Манипулятор имеет пять степеней подвижности (не считая движения губок захвата) и работает в цилиндрической системе координат. Дополнительно к основным движениям манипулятора робота его захват 7 может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной оси с помощью механизмов 2, 3 (рис. 7.16, а). В сборочной системе, на вход которой подаются полностью ориентированные компоненты, используется более простой манипулятор с неподвижным струйным захватом 4, закрепленным на штанге 5, скользящей в направляющих поворотного звена 6 (рис. 7.16, б).

В такой системе базовые компоненты поступают на главный транспортный тракт 3 из магазинов 4, 5, а кристаллы 12 снимаются с пленочного носителя 2, обеспечивающего сохранение их взаимной ориентации (рис. 7.17). Видеодатчик 7 рас-

Рис. 7.15. Схема управления адаптивнымсборочным роботом

хватамнхватамн

хватамн

хватамн

познает бракованные кристаллы по ранее нанесенным маркировочным меткам и дает команды на шаговые двигатели координатного стола / с закрепленным на нем пленочным носителем и на двигатели манипулятора 8 с бесконтактным струйным захватом 10. Отделение годного кристалла от адгезионного носителя 2 существенно облегчается с помощью механизма подкола /3, а посадка кристалла в нагретый корпус 9 —— за счет скруббирующего движения захвата /0. Механизм 6 совмещения деталей и магазин 11 для собранных приборов те «же, что и в предыдущей системе (см. рис. 7.15).

Необходимую точность совмещения кристалла с подложкой можно определить из условия прочности соединения его контактных площадок с траверсами выводной рамки корпуса в случае предельного сдвига, равного 0,3 ширины контактной площадки кристалла. Точность совмещения в относительных единицах оценивается погрешностью

6о «土 [0,5(0)2//s)],

где t、s — соответственно ширина контактных площадок кристалла и подложки.

10

夕

讨/

皿

Рнс. 7Л7. Схема прецизионного сборочного робота (вариант без ориентации деталей в захвате манипулятора)

Иа последующей сборочной операций в память ЭВМ вводятся стандартные координаты контактных площадок эталонного крй- сталла, а поправки на фактическое значение координат любого присоединяемого кристалла вычисляют по формулам (с учетом малости угла разворота кристалла <р)

看=Х[—匕 <р + АХ;

.比=Y? + Х^ 屮 + АУ, где X/, у?; X?, У/ ——соответственно векторные координаты ，-й площадки произвольно выбранного и эталонного кристаллов.

Реализация алгоритма, описываемого приведенными формулами, выполнена, в частности, в установке присоединения проволочных выводов, разработанной швейцарской фирмой «X. Зайер».

Адаптивные роботы обладают способностью работать в условиях неточной посадки кристаллов в корпус и неточной фиксации корпуса. Они могут приспосабливаться к различающимся по высоте положениям контактных площадок микроприбора, а также к нестабильности технологических и аппаратурных факторов.

При монтаже выводов БИС относительное движение инструмента в плоскости прибора осуществляется уже не по двум, а по трем координатам 尤，у,屮.Управление прецизионным комплексом, содержащим пять——восемь постов, осуществляет центральная микроЭВМ, на которую возложены следующие функции: управление сканирующими устройствами; определение положения каждого микроприбора; согласование режимов работы и управления обработкой видеоинформации; формирование признаков приоритетов: сбор и систематизация данных для управления производством.

п

ю

Рис. 7.18. Структуриая

Структурная схема адаптивного ПР, предназначенного для ультразвуковой микросварки, представлена на рис. 7.18. Робот функционирует в трех режимах: наладки, обучения и рабочем режиме. В режиме наладки проводится юстировка

^2Н~ЧЮ

2

nzWZJ

Ж^!

电犀剧

схема адаптивного робота:

J — УЗГ； 2 ——сварочная головка; 3 — микроЭВМ. «Электроника-60»; 4 ——интерфейс; 5 —блок управления шаговыми двигателями; 6 — усилитель видеоимпульсов; 7 — ПЗС; 8 —оптическая система; 9 — координатный стол; 10 ——блок управления ПЗС; "— устройствозагрузки-выгрузки; 12 — устройство контроля

Рис. 7.19. Схема управления робототехническим комплексом для монтажа БИС：

I — препроцессор; 2 ——центральный процессор; 3 一 пульт управления; 4 ■— интерфейссканирования; 5 ——интерфейс памяти; 6. 7, В 一 системы сканирования; 9, /0, 11 — блокипамяти; /, //, /// — монтажные посты

всех систем и в память микроЭВМ заносятся данные об исходном положении механизмов и эталонная программа управления. В режиме обучения робота в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) формируется информация о положении центра вращения координатного стола, точек коррекции 〜 программы и точек сварки. В равсех систем и в память микроЭВМ заносятся данные об исходном положении механизмов и эталонная программа управления. В режиме обучения робота в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) формируется информация о положении центра вращения координатного стола, точек коррекции 〜 программы и точек сварки. В раРис. 7.20. Схема МонТайса Соединения микро*приборов

всех систем и в память микроЭВМ заносятся данные об исходном положении механизмов и эталонная программа управления. В режиме обучения робота в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) формируется информация о положении центра вращения координатного стола, точек коррекции 〜 программы и точек сварки. В ра

всех систем и в память микроЭВМ заносятся данные об исходном положении механизмов и эталонная программа управления. В режиме обучения робота в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) формируется информация о положении центра вращения координатного стола, точек коррекции 〜 программы и точек сварки. В ра

бочем режиме ос уществл яетс я Л канирование точек коррекции —— диагональных контактных площадок, характеризующих положение ИС.

Центральная микроЭВМ имеет память емкостью ЮК байт (ОЗУ) и 6К байт (ППЗУ) и связана с постами (рис. 7.19) через интерфейсы. Каждым постом управляет отдельный микропроцессор. Его функциями является управление работой инструмента, последовательностью соединения контактов, а также управление пересылкой запросов от постов в центральный процессор микроЭВМ и информации из него о точном положении контактов.

Основное назначение системы технического зрения в РТК сводится ‘ к коррекции пр огр аммы относительного позиционирования свароч-, ного инструмента в процессе монтажа.

Устройство обработки изображений проверяет одновременно несколько контактных площадок в режиме мультиконтроля. В целях упрощения обработки видеоинформации организовано ее сжатие.

Подложка с микроприборами показана на рис. 7.20. Размер сканирующего «окна» может изменяться в зависимости от размера ИС. Минимальный размер «окна» составляет 2,56X8 мм?, а разрешающая способность 10 мкм.

Информацию* со сканирующих устройств принимает препроцессор и определяет отклонения в положении контактов микроприборов. Эта информация передается затем в центральный процессор.

Центральный процессор принимает информацию от процессоров постов, устанавливает приоритеты и обслуживает посты согласно выработанной последовательности, передавая им информацию о действительном положении контактов. Используя эту информацию, каждый процессор управляет инструментом, выводя его в точно определенную позицию путем перемещения по трем координатам: "屮.

Алгоритм обработки изображений и определения отклонений контактов микроприборов включает следующие переходы:

Поочередный опрос постов, запись исходной информации о положении контактных площадок и преобразования входного изображения в растровую картину.

Выбор сегмента картины, похожего На Контакт, й босстанобле- ние картины этого сегмента с устранением «шумовых» искажений.

Вычисление ширины, высоты и координаты сегмента.

Определение расположения линии для одной координаты: D = 01 + &Х；

%£寸一(£崂,

—加(£看比)-£%£〃

Здесь суммирование всякий раз проводится до n (z = 1 +п, где п —— номер сегмента картины;无出？ 一 координаты центра t-ro сегмента).

Определение положения центра i-r。сегмента

Аф = (tg ©2)。

Вычисление отклонений Ах и \у\

■ Ах■ Ах'cos А屮—sin А中]『/ 一sin Д(р — cos Дф J L % _

■ Ах

■ Ах

где %, y^ координаты сегмента, обнаруженного при сканировании; xs, ys — координаты соответствующего стандартного контакта.

Основные преимущества данного метода состоят в том, что сокращается объем информации, подлежащей обработке, так как анализируется только часть картины подложки. Кроме того, обеспечивается высокая точность, поскольку для определения отклонения используется много сегментов картины.

Сборочный комплекс, функционирующий подобным образом, обеспечивает выполнение разводки выводов ИС площадью 6 мм2. Отклонения по координатам Дх и Ау могут составлять 土0,6 мм, Лер = 土5°. Погрешность распознавания не превышает 土 10 мкм, время распознавания равно 0,9 с.

Воспроизводимость комплекса более чем 99,9 % ИС. Точность работы всего комплекса 士20 мкм. Время разварки одного контакта 0,3 с.

В отечественных сборочных РТК типа ОЗУН-12000 М3 [301 используется микроЭВМ «Электроника-60», на основе которой решены не только задачи управления, но и задачи контроля качества микросварки. В группу параметров, достоверно характеризующих качество микросварки, включены импеданс ультразвукового преобразователя, деформация проводника и энергия в зоне сварки. Для фиксации значений этих параметров на каждом роботе установлены датчики для измерения тока / (/) и напряжения U (Е), ультразвуковой преобразователь, по показаниям которых ЭВМ рассчитывает импеданс R ⑺ н деформацию Л (/) проводника.

Организация контроля качества ультразвуковой сварки позбд- ляет не только обеспечить высокий процент выхода годных микроприборов, но и установить оптимальное соответствие между надежностью микроприборов и сложностью оборудования.

Из рассмотренных примеров видно, что, если для обслуживания процессов в большинстве случаев достаточно использовать простейшие ПР, работающие по жесткой программе (ПР первого поколения), то для сборочных операций необходимы, как правило, роботы с большей информационной мощностью, обладающие способностью адаптации к внешним условиям (ПР второго поколения), а в ряде случаев ПР с высокоорганизованными средствами очувствления и элементами искусственного интеллекта (ПР третьего поколения). Поэтому намеченные к разработке и внедрению в 12-й пятилетке роботы по своему техническому уровню будут в значительной мере относиться к роботам второго поколения с управлением от микроЭВМ (или микропроцессоров) и иметь более развитой сенсорный аппарат, обеспечивающий работу по принципу «ситуация——действие» с целью выбора оптимального алгоритма работы робота в зависимости от реального состояния технологического процесса.

4. Гибкое автоматизированное производство

Общей тенденцией развития промышленного производства является рост номенклатуры изделий и снижение серийности по каждому виду. Широкие возможности роста производительности в этих условиях обеспечивает гибкая автоматизация на основе широкого использования промышленных роботов, станков с ЧПУ, обрабатывающих центров и встроенных систем автоматического управления в микропроцессорном исполнении.

Создание гибких автоматизированных производств (ГАП)—— комплексный процесс, требующий системного подхода к решению многих сложных задач на всех уровнях автоматизации производства^ Большая роль в создании ГАП принадлежит отраслевой стандартизации, унификации и нормализации, позволяющим подготовить все подсистемы производства: обработки, планирования, транспортирования и складирования предметов производства, инструментального и материального снабжения, контроля, управления, информации и учета и др.

Учитывая, что все подсистемы тесно связаны в «большом механизме» производства, а любое решение, принятое по одной из них, накладывает определенные требования к остальным, необходимо знать эти взаимосвязи и управлять ими.

Рассмотрим организацию ГАП, предназначенного для выпуска малогабаритных двигателей [46 ], на примере взаимодействия четырех подсистем: обработки и сборки; транспортирования и складирования； управления и планирования производства.

В состав подсистемы обработки и сборки (рис. 7.21) входят шесть автоматических линий, выполняющих соответственно обработку: зубчатых передач — АЛ1, валов — АЛ2 и роторов — АЛЗ, сборку двигателей — АЛ4, проверку — А〃5 и окраску — АЛ6.

246

Рис. 7.21. Подсистемы ГАП механической обработки и сборки деталей, транспортирования и складирования

TC2TC2Линии механической обработки (зубчатых передач, валов и роторов) позволяют изготовить отдельные детали непосредственно перед сборкой, что сокращает количество типоразмеров деталей, хранящихся на складе /С.

TC2

TC2

На линию сборки поступают все необходимые детали. Первый поток их идет непосредственно с автоматического склада — это стандартные и унифицированные детали и узлы. Второй поток — детали с линий механической обработки. На сборочной линии АЛ4 используются двухрукие роботы консольного типа. Одна рука обеспечивает загрузку, а другая —— разгрузку деталей с конвейера. Роботы оснащены многопальцевыми захватами, позволяющими манипулировать деталями и изделиями разных размеров и форм и осуществлять захватывание с высокой точностью.

Подсистема транспортирования и складирования содержит автоматический склад Л С, оснащенный секциями стеллажей и штабелером, а также три транспортные системы.

Транспортные системы обеспечивают автоматическую передачу стандартных деталей со склада ——ТС1, доставку изготовленных деталей на сборку ——ТС2 и выдачу готовых изделий на склад —— тез.

Чтобы увеличить эффективность операций приема изделий на склад и выдачи стандартных деталей со склада, используется автоматический конвейер, который позволяет в одном направлении производить выгрузку, а в другом —— погрузку. Это обусловливает наличие в ТС1 и ТСЗ специальных площадок выдачи и приема.

Управляющая подсистема ГАП, организованная на базе ЭВМ «HIDIC 100》и микропроцессорной системы управления (рис. 7.22), имеет трехуровневую структуру, работает в режиме реального времени и непосредственно управляет оборудованием, аппаратурой, роботами, складом, транспортерами и т. п.

Нижний уровень управления организован на основе микропроцессорных устройств МПУ, управляющих отдельными единицами оборудования, роботами, аппаратурой и т. п. После получения программы, заданной верхними уровнями, микропроцессорные устройства обеспечивают выполнение операций по замкнутому циклу и информируют следующий уровень об окончании программы или аварийных ситуациях.

Средний уровень управления, реализованный на основе микропроцессорных систем МПС, обеспечивает согласованную работу

247

ЭВМ

УЕ以一устройство ввода информации

отдельных микропроцессорных устройств в составе роботизированной технологической ячейки РТЯ, представляющей собой объединение автоматизированных технологических комплексов «оборудование —— робот» с общей системой управления (см. Ю. Г. Козырев. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983 г.).

Микропроцессорные системы цифрового управления принимают информацию от верхнего уровня, а дальнейшее управление РТ兄 осуществляют автономно с периодическим сообщением в верхний уровень о ходе функционирования.

Отдельная микропроцессорная система обеспечивает управление группой роботов в координации с работой конвейера и РТ又.В памяти этой системы могут храниться дополнитель-ные программы, что обеспечивает высокую гибкость всей системы. Для удобства синхронизации работы каждая микропроцессорная система РТ兄 снабжена устройством связи с площадками загрузки и выгрузки. Такая организация обеспечивает безаварийную работу транспортной системы.

Централизованное управление конвейером и площадками загрузки-выгрузки деталей может осуществляться с центрального пульта управления конвейерами.

Верхний уровень управления оборудованием организован на базе ЭВМ «HIDIC 100》，работающей в режиме реального времени и обеспечивающей контроль положения деталей на конвейере, управление операциями, формирование программ манипулирования, обработки и т. п.

Подсистема планирования производства выполнена на базе ЭВМ «Н1ТАС 8400», работающей в режиме распределенного времени, и функционирует следующим образом (рис. 7.23). Получив заявку на выполнение заказа (тип изделий, их количество, параметры, стоимость и т. п.), ЭВМ запрашивает массив данных (список изделий, хранящихся на складе, очередность изготовления деталей, состояние всех подсистем ГАП, условия протекания производственного процесса и т. и.) и проводит его первоначальную обработку, выделяя и анализируя информацию, требуемую для организации производства изделий по заявке. Этот первый этап заканчивается подготовкой списка данных по заявке.

На втором этапе осуществляется обработка деловой информации и предусматривается составление полного перечня необходимых деталей, анализ роботоспособности оборудования, выработка сроков сборки и подготовка сообщений и заказов. Заканчивается этот этап формированием сменного графика, который служит исходной информацией для расчета графиков выполнения всех производственных операций, а следовательно, планирования :работы всего ГАП.

Вначале на основании сменного графика и анализа условий хода процесса поступления материалов составляется график сборки. По графику сборки рассчитываются графики работы каждой структурной единицы ГАП: автоматических линий, транспортных систем, устройств управления оборудованием, циклограмм работы роботов, приборов автоматического контроля и т. п.

Сформированная ЭВМ «Н1ТАС 8400» информация передается в ЭВМ «HIDIC 100», и на этом завершается планирование работы ГАП. По полученной информации управляющая ЭВМ《HIDIC 100» составляет программу управления оборудованием для реализации заявки.

Рассмотрение основных подсистем гибкого автоматизированного производства наглядно показывает, что такая организация обеспечивает решение практически всех задач современного производства миниатюрных изделий, особенностями которого являются:

обширная и постоянно изменяющаяся номенклатура изделий, множество комплектующих элементов;

большой диапазон изменения серийности изделий: от малых партий уникальных изделий до массового выпуска изделий широкого потребления (например, радиоэлектронных элементов, микросхем);

многообразие технологических процессов, конструкционных материалов и сред производства (от сверхчистых производств с вакуумной гигиеной до запыленных и радиоактивных);

постоянно возрастающие объемы выпуска миниатюрных изделий, необходимых практически всем отраслям народного хозяйства, имеющим тенденцию к снижению материал。- и энергоемкости изделий.

В частности, система фирмы «Фанук» по производству электрических серводвигателей, работающих на переменном и постоянном то^е и предназначенных для эксплуатации в роботах, имеет произ-

Рис. 7.23, Подсистема планирования производства

ЁбдстЁенйуЮ мдщность 10 тыс. Изделий в Liec^u，Она размещаемой в двухэтажном здании площадью 13,8-103 м2. На первом этаже изготовляются детали, а на втором ——выполняется сборка. Этажи соединены между собой вертикальным складом с 2640 складскими ячейками. На первом этаже размещены 60 роботизированных технологических ячеек, укомплектованных 52 роботами и восемью погрузчиками поддонов. На втором этаже имеется 25 сборочных участков. Каждый из них обслуживается одним или тремя роботами. Завод выпускает электродвигатели 40 моделей, и на нем занято 60 человек： 20 инженеров-программистов, 20 сборщиков и 20 наладчиков и уборщиков стружки. На заводе автоматизировано примерно 90 % сборочных операций; оставшаяся часть наиболее трудоемких и точных операций сборки выполняется людьми. Завод может работать 24 ч в сутки.

Анализ статистики за период до 1983 г. показал, что применение ГАП позволило повысить производительность труда в среднем примерно на 120 %, повысить качество продукции на 140 %, сократить сроки от начала проектирования до выпуска первой серии изделий на 60 %, уменьшить время выполнения заказов на 45 %, повысить загрузку оборудования в 3 раза и сократить складское хозяйство на 75 %.

Основной тенденцией развития ГАП в странах СЭВ является комплексная и гибкая автоматизация производства с применением роботов и систем управления на базе современной микроэлектроники. Создание ГАП проводится с учетом экономного использования сырья, введения прогрессивных способов изготовления и сборки изделий, сокращения потребляемой энергии, создания условий замкнутого кругооборота применяемых материалов, интеграции процессов изготовления и контроля качества.

Гибкие производственные системы, управляемые на основе мини- и микроЭВМ, действуют на ряде отечественных предприятий.

Работы по комплексной автоматизации мелко- и среднесерийного производства проводятся в ГДР и НРБ. Так, на заводе им. Г. Костова в НРБ (г. София) создаются автоматизированные участки механической обработки и сборки по выпуску электродвигателей постоянного тока мощностью от 0,4 до 15 кВт. Участок механической обработки включает однорядный склад стеллажного типа на 120 ячеек. Вместите льн ость ячейки —— четыре транспортных поддона. Склад обслуживается краном-штабелером, который осуществляет грузо- обмен поддонами с заготовками, полуфабрикатами и деталями. Используются робот типа RB241 со станками и технологическое оборудование с ЧПУ. Весь участок управляется от ЭВМ.

На участке сборки работают две поточные линии. Заканчивается участок контрольно-испытательным комплексом. Позиции сборки связаны транспортером, имеющим длину 15 м и ширину 0,8 м. Скорость движения транспортера — 3 м/мин. Выдача деталей с транспортера осуществляется вилочными погрузчиками.

Основные трудности создания ГАП определяются их высокой стоимостью, недостаточной функциональной надежностью, сложностью '251

Программного обеспечения. К недостаткам современных ГАП следует отнести недостаточно полный учет специфики производства, приспособленность к выпуску изделий определенного вида и в определенных объемах и т. п. Перечисленные факторы определяют необходимость разработки специальных методов проектирования ГАП с широким привлечением средств автоматизации проектирования, экономическим обоснованием планирования и поэтапного внедрения.

Важное значение приобретают методы математического моделирования, применяемые при проектировании ГАП. Среди математике- скнх моделей ГАП можно выделить их разновидности: функциональную и информационную. Эти модели имеют иерархическую структуру. Функциональная модель позволяет достаточно полно определить критерии качества и объединить их посредством установленных связей. С помощью информационной модели исследуется функционирование автоматизированной базы данных； она позволяет также идентифицировать и классифицировать поступающую информацию. Моделирование ГАП предполагает анализ номенклатуры и формирование групп деталей, анализ процессов изготовления, учет требований к оборудованию, изучение технологических процессов и приемов изготовления, анализ затрат, обработку статистических данных о выполнении отдельных операций с учетом режимов, вида инструмента и т. п. '

Информационные и функциональные модели ГАП позволяют учесть тип, марку оборудования, срок эксплуатации, тип системы управления, уровень автоматизации, степень гибкости, время подготовки, надежность, точность, затраты на обслуживание и ремонт, квалификацию персонала, характер средств транспортирования и общую стоимость.

Большое значение приобретает контроль качества, который в настоящее время еще не удовлетворяет требованиям функционирования ГАП. Основное внимание должно уделяться не только исследованию собственно качества изделий, но и контролю за поведением всей системы ГАП.

В целях проверки концепций программы автоматизации промышленного производства создаются специализированные комплексы автоматизированных средств научно-технических исследований, обрабатываются технологии интегрированных производств.

Планирование ГАП существенно зависит от объема выпуска изделий.

В случае единичного и мелкосерийного производства при планировании исходят из учета ограниченных производственных мощностей. Это обусловливает раздельное планирование материально- технического снабжения и производственных мощностей.

В случае серийного производства необходимо сбалансированное планирование материально-технического снабжения и производственных мощностей. Это обусловлено наличием «узких мест» на разных стадиях производства; особенностями технологических процессов, выполняемых на обрабатывающих центрах, поточных линиях, в замк- 252

йутых циклах производств^; отсутствием жесткого временного разделения (по неделям и месяцам) между материально-техническим снабжением и планированием производственных мощностей, ибо производственная программа и программа сборочных работ в условиях серийного производства часто изменяются; необходимостью параллельного планирования и подготовки «структуры» изделия, когда для каждой позиции можно указать распределение единиц производственных мощностей.

Создание ГАП требует поэтапного внедрения и учета критериев риска, затрат, гибкости для конкретного производства. Действительно, формы и способы реализации ГАП определяются, с одной стороны, конкретными характеристиками технологических процессов и экономических требований, а с другой — техническими возможностями. Поэтапный переход должен обеспечивать максимальное использование имеющегося оборудования, зданий, сооружений; постепенное увеличение парка оборудования с ЧПУ и интеграцию информационных задач.

Можно выделить два перехода поэтапного внедрения гибких производств: постепенное увеличение уровня автоматизации при одновременном улучшении основных производственных характеристик и создание принципиально новых решений на основе автоматизации загрузочных, транспортных, управляющих и контролирующих функций.

В настоящее время осуществляются первые шаги в создании и использовании ГАП, за которыми последуют безлюдные производства ——качественно новый этап развития техники.

3АКЛЮЧ Ё H И Ё

Появление промышленных роботов служит стимулом к развитию новых научных исследований и экспериментов в экстремальных средах, тяжелых и опасных для человека условиях; способствует разработкам в области кибернетики и управления автоматами с учетом законов, имеющих место в живых организмах; приводит к созданию новых методов проектирования оборудования и организации производства.

Резкое увеличение спроса на промышленные роботы для манипуляций миниатюрными изделиями требует дополнительного изучения механизмов адаптации при выполнении человеком прецизионных операций; содействует разработкам нового поколения систем машинного зрения, которые совместно с промышленными роботами обеспечивают выполнение таких сложных операций, как сварка, сборка. Увеличение точности распознавания и локализации микрообъектов .обусловливает необходимость применения быстродействующих процессоров с параллельной архитектурой для обработки изображений.

Использование промышленных роботов, управляемых микропроцессорами, легко переналаживаемых и перестраиваемых с одной операции на другую, выполняющих разнообразные действия с высокой точностью и стабильностью, не только радикально преображает облик промышленного производства, позволяет перестраивать процессы в соответствии с конкретными требованиями и эффективно решать производственные задачи, но и влияет на дальнейшее развитие многих отраслей науки, техники, изменяет место и роль человека в системе производства, позволяет осуществлять крупнейшие социально-экономические преобразования в труде и воплотить в жизнь гениальное предвидение В. И. Ленина — достичь качественно более высокого типа общественной организации труда и нового отношения к нему самих работников. Яркой иллюстрацией такого положения является создание автоматизированных рабочих мест, где оператор, работая совместно с ЭВМ, освобождается от рутинного труда и становится творцом на производстве.

Становление робототехники как новой отрасли машиностроения предъявило новые высокие требования к элементной базе основных систем промышленных роботов: исполнительной, управляющей и информационной. Созданы и внедрены различные приводные устройства, захваты, преобразователи информации, системы управления и 254

необходимое сервисное оборудование. Успехи в этой работе в значительной степени определяются правильным выбором принципов проектирования — модульности, унификации, агрегативности.

В исполнительных устройствах промышленных роботов для манипулирования миниатюрными изделиями нашли применение различные типы двигателей, и среди них пока наибольшее распространение получили электродвигатели, основными требованиями к которым являются большая перегрузочная способность, высокое значение отношения момента кручения к моменту инерции, устойчивая работа на низких скоростях, постоянство скорости в пределах одного оборота, возможность остановки в любом угловом положении, малая постоянная времени, большие ускорения, малое потребление энергии, оптимальные конструктивно-габаритные соотношения и т. п. Даже краткое перечисление требований показывает, что роботостроение нуждается в принципиально новых типах двигателей. Положительным результатом разработок таких двигателей явились электродвигатели постоянного тока с гладким якорем и дисковым ротором, линейные магнитоэлектрического типа, двухкоординатные линейные шаговые двигатели на магнитовоздушной подвеске, а также пьезо- и виброприводы.

Эффективность использования ПР может быть существенно увеличена благодаря их адаптации к меняющимся условиям технологической среды, что обеспечивается информационной и управляющей системами роботов. Кроме того, точность работы роботов в значительной степени определяется также возможностями датчиков.

Разработка информационной системы ПР для манипулирования миниатюрными изделиями продолжается в направлении создания датчиков внутренней информации, позволяющих управлять с высокой точностью приводами, и разработки средств очувствления.

Разработка средств очувствления^ПР данного класса направлена на оснащение техническим зрением и тактильной чувствительностью. В большинстве систем технического зрения используется обрабатывающий двоичные изображения «информационный модуль». Однако уже в настоящее время разрабатывается новое поколение систем технического зрения. Сдерживающим фактором дальнейшего развития этих систем歹является необходимость*создания специального освещения^и^высококонтрастного' фона.Для повышения точности распознавания в перспективных^системах ожидается применение специализированных процессоров с параллельной архитектурой для обработки изображений с большим числом градаций контрастности. Ожидается применение в ПР малогабаритных датчиков на основе фотодиодов из аморфного кремния, имитирующих спектральную чувствительность человеческого глаза. Два типа этих датчиков: полного видимого спектра и трехцветного (красный, зеленый и синий) ——можно использовать при очень низких уровнях освещенности.

Большие перспективы открывает волоконная оптика, реализующая тактильно-кинестетическую чувствительность захватов и являющаяся высоконадежным средством передачи сигналов в сложных системах управления.

Общими принципами организации систем очувствления являются инвариантное восприятие (сенсорное и двигательное), перестройка порогов чувствительности в широком диапазоне и многоуровневая структура обработки информации, когда на нижнем уровне выделяются лишь простейшие признаки, а на более высоких уровнях ——более сложные их комбинации. Такая организация позволяет сокращать объем передаваемой и перерабатываемой информации, ее запоминание, а следовательно, рационально организовать управление.

В управляющих системах для выполнения перечисленных функций все более широко используются микропроцессоры, микро- и мини-ЭВМ. Поэтому дальнейшее их распространение связано с совершенствованием и миниатюризацией элементов ввода-вывода, применением волоконной оптики, созданием управляющих модулей и модулей памяти на основе сверхбольших интегральных схем, внешних устройств памяти на гибких магнитных дисках или на платах, общение на языке речи и т. д.

Эффективное решение комплексной автоматизации на основе РТК уже привело к созданию новых сервисных устройств и автоматических транспортных систем, организации различных структур комплексов, в основе которых модуль — роботизированная технологическая ячейка. Однако совершенствование роботов продолжается. Проектируются новые варианты конструкций, обладающие большими функциональными возможностями и гибкостью, организуются и исследуются принципы построения комплексов, встают также задачи еще более сложные и перспективные ——создание гибких автоматизированных производств.

Таким образом, развитие робототехники показывает, что разработка и внедрение промышленных роботов — лишь часть задачи комплексной автоматизации производства. Чтобы полнее использовать промышленные мощности, необходимо сделать само производство способным быстро перестраиваться и приспосабливаться к требованиям времени, отодвинуть момент морального старения оборудования и повысить его окупаемость. Иными словами, автоматизированные производственные системы должны быть построены на том же принципе, который заложен в роботах, станках с ЧПУ, микропроцессорных системах — гибкости. Такие производства — уже реальная действительность, а в перспективе — «безлюдная» технология, цеха и заводы-автоматы.

Таким образом, автоматизация на основе промышленных роботов при социализме органически сочетает в себе практическое решение задачи повышения экономической и социальной эффективности производства и является действенным фактором развития многих областей науки, техники, технологии и производства.

Андреенко С. Н., Ворошилов М. С., Петров Б. А. Проектирование приводов манипуляторов. М.: Машиностроение. Леиингр. отд-ние, 1975. 312 с.

Баканов М. В., Лыска В. А., Алексеев В. В. Информационные микро- машииы следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сельсины). М.: Сов. радио, 1977. 88 с.

Бансявичюс Р. Ю., Рагульскис К. М. Вибродвигатели. Вильнюс: Мокс- лас, 1981. 192 с.

Белянин П. Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.

Блехман И. И., Джанелидзе Г. Ю. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1974. 412 с.

Блинов И. Г., Никольская Т. Г., Шаньгин В. Ф. Тенденция роботизации в микроэлектронике. — В кн.: Автоматизация производственных процессов в микроэлектронике. М.: МИЭТ, 1982, с. 24—30.

Борен штейн Ю. П. Исполнительные механизмы захватывающих устройств. М.: Машиностроение, Леииигр. отд-ние, 1982. 232 с.

Вульфет Дж. Датчики в цифровых системах; Пер. с англ/Под ред. В. В. Малова. М.: Энергоатомиздат, 1981. 200 с.

Герц Е. В., Крейнии Т. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975. 212 с.

Егоров Ю. Н. Системы привода роботов. Л.: Изд. ЛГУ, 1982. 336 с.

Иванов А. А. Автоматизация сборки миниатюрных и микроминиатюрных изделий. М.: Машиностроение, 1977. 248 с.

Иванов А. А. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.

Игнатьев М. Т., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторамн. — Л.: Машиностроение, Ленинград, отд-ние. 1977. 248 с.

Интегральные роботы. Вып. 1. Сборник статей； Пер. с англ/Под ред. Г. Е. Поздняка. М.: Мир, 1973. 420 с.

Интегральные роботы. Вып. 2. Сборник статей; Пер. с аигл./Под ред. Г. Е. Поздняка. М.: Мир, 1975. 528 с.

Камышный Н. И. Автоматизация загрузки станков. М.: Машиностроение, 1977, 284 с.

Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем； Пер. с аигл./Под ред. С. Д. Пашкеева. М.: Мир, 1980. 572 с.

Козырев Ю. Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. 376 с.

Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. 304 с.

Лавриненко В. В., Карташев И. А., Вишневский В. С. Пьезоэлектрические двигатели. М.: Энергия, 1980. 112 с.

Левенталь Л. А. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, программирование； Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. 450 с.

Либенсон М. Н., Хесин А. Я-, Янсон Б. А. Автоматизация распознавания телевизионных изображений. М.: Энергия, 1975. 160 с.

Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978. 416 с.

Микропроцессорные БИС и микроЭВМ. Построение и ирименение/Под ред. А. А. Васеикова. М.: Сов. радио, 1980. 279 с.

Павленко И. И. Кинематика кисти промышленных роботов. — «Вестник машиностроения», 1979, № 1, с. 28—30.

Попов Е. П., Верещагин А* Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные ро_ боты. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. 398 с.

Пособие по применению промышленных роботов； Пер. с япон./Под ред. Капухико Нода. М.: Мир, 1975. 452 с.

Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1981. 136 с.

Промышленная робототехника/Под ред. Я. А. Шифрина. М.: Машиностроение, 1982. 415 с.

Промышленные роботы. Рематический сборник. — Электронная промышленность. 1981, № 10/106, 112 с.

Прэтт У. Цифровая обработка изображений; Пер. с англ. М.: Мир, 1982, Кн. 2, 480 с.

Рагульскис К- М., Бансявичюс Р. Ю., Курыло П. Э. Позиционирование в плоскости при помощи высокочастотных колебаний.——В кн.: Труды IV международного конгресса по теории машин и механизмов. Т. 2. Англия. 1975, с. 18—24.

Сафонов Л. Н., Волнянский В. Н., Окулов А. И. Прецизионные датчики с печатными обмотками. М.: Машиностроение, 1977. 152 с.

Соботка 3.» Стары Я. Микропроцессорные системы; Пер. с чешского/Под ред. В. В. Сташина. М.: Энергоатомиздат, 1981. 495 с.

Управление роботами от ЭВМ/Е. И. Юревич, С. И. Новаченко, В. А. Павлов и др.； Под ред. Е. И. Юревича. Л.: Энергия, 1980. 261 с.

Управляющие системы промышленных роботов/Ю. Д. Андрианов, Л. Я. Глейзер, М. Б. Игнатьев и др. М.: Машиностроение. 1984. 288 с.

Фотоэлектрические преобразователи информации/Л. Н. Преснухин, В. Ф. Шаньгин, С. А. Майоров, И. В. Меськин; Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: Машиностроение, 1974. 376 с.

Щепин В. С. Языки программирования для систем управления интегральными роботами и задач искусственного интеллекта (Обзор)； Пер. с англ, и япон/Под ред. Г. Е. Поздняка. — В кн.： Интегральные роботы. Вып. 2., с. 513—526.

Юревич Е. И. Настоящее и будущее промышленных роботов. — ЭКО, 1982, № 2, с. 25—39.

Янг Дж. Ф. Робототехника. М.： Машиностроение, 1979. 304 с.

Bansevichus R., Ragulskis К- Piezoeletric drives with several degrees of freedom for micromanipulators. — In: Papers of V World Congress on Theory of Machine and Mechanisms. Montreal (Canada), 1979, p. 827—830.

258

Circuits Manufacturing, 1981, N. 11, p. 34—36.

Drake S. H. High speed robot assembly of precision parts using compliance instead of sensory feedback, «Proceedings 7th International Symposium on Industrial Robot», Tokyo, Japan, 19—21 Oct., 1977.

Mujtaba M. Sh. Current Status of the Al Manipulator Programming System. 10th International Symposium on Industrial Robot 一 Milan, 1980, p. 119—127.

Nishimoto K, Uchiyama T., Akita T. Development of a Robot for Precise Assembly. Fujitsu Scientific & Technical Journal 18, 4, pp. 487—506, December, 1982.

Norbedo R. A. A structured Software System for Industrial Automation. International Symposium on Industrial Robots. — Tokyo, 1977, p. 139—144.

Salmon M. SIGLA: The Olivetti SIGMA Robot Programming Language. 8th International Symposium on Industrial Robots — Stuttgart, 1978, p. 358—373.

Spur G. Industrieroboter: Steuerung. Programmierung und Daten von flexi- biten Handhabungseinrichtungen. — Munchen: Hanser, 1978, S. 196—198.

Townzen D. A. A Task — Scheduling Executive Programm for Microcomputer Systems. — Computer Design, 1977, vol. 16, p. 194一202.

Tyridal P. New Ideas in Multi-Task Real — Time Control System for Industrial Robots. International Symposium on Industrial Robots — Milan, 1980, p. 659—670.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

А

Автоматическая линия 138, 233

диффузии 233

контроля и разбраковки диодов 235

сборки дисковых аккумуляторов 232

Агрегатно-модульный принцип проектирования роботов 15

Адаптивные роботы 237

Алгоритм зрительного распознавания образов 172

—обработки изображения 244

Алгоритмическое обеспечение роботов 144

Аппаратные средства систем управления 129

Б

Большие интегральные схемы (БИС) 133

Буикерио-ориеитирующие загрузочные устройства 195

В

Вибродвигатели высокочастотные 30, очувствление 43

волновые 33

вращательного движения 38

линейного движения 38

с асимметричными циклами колебаний 34

с косыми соударениями 32

с несколькими степенями подвижности 44

Вибропары управляемые 47

Г

Гибкое автоматизироваииое производство 246

,подсистема плаиироваиия производства 249

,подсистема управляющая 247

Групповое управление в робототехнических комплексах 139

Д

Датчики внешней информации 86

струйные 89

тактильные 88

телевизионные 92

ультразвуковые 69

электромагнитные 89

Датчики внутренней информации 70

аналоговые 72

дискретные 72

перемещений 72

скорости 85

усилий 86

3

Запоминающее устройство постоянное 153 оперативное 244

Захватные устройства роботов 53

вакуумные 53, 181, 208

клещевые 181

магнитные 53

пневматические 54

с виброприводом 58

струйные 242

Иде нтификатор 125

Иерархические уровни управления 111, 247

Иерархическая система управления 112

Индуктосины 76

一 лииейиые 76

— поворотные 77

Ииформациоииая система робота 69

Интерферометр лазерный 68

Исполнительное устройство робота 25

Испытания роботов 20

Кинематические пары 14

Классификация промышленных роботов 19

Команды 162

Командный язык 145

Компилятор 148, 159

Конструкция робота 14

консольиая 15

мостовая 17

Контроллер 131, 133, 134, 140

Координатная система робота 18

Манипуляторы 18, 180

в гибкие с эластическим звеном 27

м

Микропроцессор 129, 133

Микропроцессорная система управления 123, 248

Микропроцессорные комплекты БИС 133

МикроЭВМ 133

Миниатюрные изделия 10

,загрузка 178, 187

■— —, сборка 178, 187

Модель управления ПР 111

Монитор 148

О

Обучение промышленного робота 112

Объект манипулирования 11

Операторы языка программирования 163

Операционные системы робототехнических комплексов 147

реального времени 149

Основные характеристики роботов 19

П

Погрешность позиционирования рабочего органа 22

Позиционирование точное 64

Потенциометры 72

—пленочные 73

—проволочные 73

Прерывания 151

Прецизионные измерительные машины и системы 189

Привод исполнительный 25

——гидравлический 26

——пневматическив 26

——пьезозлектрнческн 热 30

宀—электрический 26

Программа управления промышленным роботом 166

Программное обеспечение роботов 144

Р

Распознавание образов 95

Растровые преобразователи перемещение — код 78

Робот промышленный 7, 9, 12

загрузочно-разгрузочный 178, 187

сборочный 187

Робототехнические комплексы (РТК) для миниатюрных изделий 231 прецизионные 237

Р обототе х ничес кие системы 221

перемещения ориентироваиных изделий 222

сборки 224

Роботизированные технд/дгическне ячейки (РТ8) 187 262

Сервисные устройства роботов 194

бункер но-ор ие нтирующее 195

вибромеха нические 194

магазинное загрузочное 195

пневмомагнитные 206

транспортная система 220

Сервопривод робота 125

Системы координат робота прямоугольная (декартова) 21, 115 сферическая 21, 115 цилиндрическая 21, 115

Системы программирования роботов 158

Системы управления роботов 109

контурные 112

м ногопоз ицио иные 112

позиционные 112

программные 112

функциональ ные 112

Структурная организация промышленных роботов 12

Структурная организация управления 109, 110

Т

Техническое зрение 238, 239, 244

Трансформаторы вращающиеся 73, 74

двухполюсные 73

многополюсные 75

Управление промышленным роботом ПО ■, законы 117 ,структурная организация 109, 110 групповое 139

Уровни управления алгоритмический 111 динамический 111 командный 111

Число степеней подвижности 15, 16

ц

Центральный процессор 127, 133, 134, 141

Я

Язык директив 145

Язык управления роботом 144

Языки программирования роботов 144. 145, 158

Под общей редакциейчлена-корреспондента АН СССРЕЛ ПОПОВАПод общей редакциейчлена-корреспондента АН СССРЕЛ ПОПОВА

Под общей редакциейчлена-корреспондента АН СССРЕЛ ПОПОВА

Под общей редакциейчлена-корреспондента АН СССРЕЛ ПОПОВА

Промышленныероботыдля миниатюрныхизделий

Под редакциейдоктора технических наукВ. Ф. ШАНЬГИНА

Редакционная коллегия

Е:П. Попов (председатель), П.Н. Белянин (заместитель председателя),МС Елисеев', В,В.Клюев, Ю:Г. Козырев, ИМ.Макаров (заместительпредседателя), А.Г. Сазонов, АМ. Титов, В.А. Чиганов,Я.А. Шифрин, Е,И. Юревич, А.Е. Дубин (ученый секретарь)

В

Москва«МАШИНОСТРОЕНИЕ»1985

П81

УДК 621.865.8

"У/

602 /

Р. Ю. Бансявичюс, А. А. Иванов, Н. И. Камьииный, А. Е. Костин,〃.В. Лобиков, В. Г. Михеев, Т. Г. Никольская, К. М. Рагульскис,В. Ф. Шаньгин

Рецензент Д-р техн, наук В. Н. БРЮНИН

Промышленные роботы для миниатюрных изделий/ П81 Р. Ю. Бансявичюс, А. А. Иванов, Н, И. Камышный и др.; Под ред. В. Ф, Шаньгина.—М.: Машиностроение, 1985.— 264 см ил. — (Автоматические манипуляторы и робототехни* ческие системы).

В пер.： 1 р, 40 к.

В книге освещен опыт создания и применения сверхлегких промышленные роботов для манвпулвровйния миниатюрными объектами. Рассмотрены управляемые роботы, функционирующие в составе технологического оборудования и исследователь» скив комплексов. Описаны варианты их структурной организации, особенности исполнительных приводов, рабочих органов, устройств, управления, информацион- иои системы н программирования.

Приведены сведения。6 алгоритмическом н программном обеспечении роботов и робототехнических комплексов. Даны примеры действующих систем оборудования и рассмотрены тенденции дальнейшего нх совершенствования.

„ 2404000000-019 ^ ^П 038 (01)-85~ 19-85„ 2404000000-019 ^ ^П 038 (01)-85~ 19-85728425728425Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся автоматизацией технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.

„ 2404000000-019 ^ ^

П 038 (01)-85~ 19-85

„ 2404000000-019 ^ ^

П 038 (01)-85~ 19-85

728425

728425

ББК 32.816 6Ф0.1

© Издательство «Машиностроение», 1985 г, 产，…岳象pа \