Тема 7. Застосування роботів і робототехнічних систем

 

Робот є складним технічним пристроєм, створюваним на основі мехатронного підходу, що складається з маніпулятора і системи управління та призначеним для переміщення предметів праці в просторі.

В якості предметів праці можуть виступати:

– у машинобудуванні: заготовки, деталі, інструмент, ємності з розплавленим металом і т. п;

– в атомній промисловості: стрижні радіоактивного матеріалу, кришки люків, прилади контролю і т. п;

– в дослідних (інформаційних) роботах: теле- і відеокамери, бурові інструменти, космічні модулі і т. п .;

 


– в роботах для екстремальних умов: спеціальні пристрої для обробки місцевості, навісні знаряддя для обробки землі, поверхні будівель і т. д.

В роботі для виконання рухових функцій використовується маніпулятор, що представляє собою ряд кінематичних ланок, з'єднаних між собою кінематичними парами (рис. 7.1).

7.1 Маніпулятор робота

Одна з ланок є стійкою і  нерухомою, а інші можуть здійснювати керовані руху завдяки впливу з боку приводів.

У маніпуляторах роботів використовуються однорухомі обертальні або поступальні кінематичні пари п'ятого класу.

Поширеність в маніпуляторах роботів одинрухомих кінематичних пар п'ятого класу пояснюється тим, що такі пари забезпечують

відносний рух кінематичних ланок, що утворюють їх, один відносно одного по одній координаті, а отже, для переміщення однієї ланки відносно іншого потрібно один привід.

Силова дія приводів на ланки маніпулятора формується відповідно до сигналів, що управляють, поступають від системи управління робота, які, у свою чергу, формуються відповідно до заданого руху захвату, а також з урахуванням стану робота і технологічного довкілля. Таким чином, під дією приводів робота ланки маніпулятора і його захват здійснюватимуть цілком певні переміщення в просторі.

Для роботів найбільш характерні два типа завдань на переміщення захвата:

 Переміщення від однієї точки до іншої за заданий період часу позиційне керування. В цьому випадку задаються  координати початкової, проміжних і кінцевій точок (рис. 7.2).

готове — копия.PNG

Рис 7.2. Позиційне керування

1. Траєкторія руху захвату і швидкість його руху між точками не регламентується.

Зрозуміло, що число таких точок може бути нескінченно великим. Істотним моментом являється те, що в кожній точці захват повинен зупинитись. Це означає, що кожну пару сусідніх точок можна розглядати, як початкову та кінцеву.

Одним із випадків позиційного керування є циклове керування, коли захват повинен здійснювати рух між двома точками: початковою та кінцевою. Прикладом позиційного та циклового керування може бути рух від місця зберігання заготовки до пристосування верстата, перенос інструменту від однієї точки розмітки до іншої і т. д.

Для такого керування характерна та обставина, що в початковій і кінцевій точках швидкість і прискорення захвата повинні бути рівні нулю.

2. Переміщення захвата по заданій траєкторії і заданому в часі закону руху по цій траєкторії – контурне керування. В цьому випадку задається траєкторія руху захвата в часі, тобто задається закон руху захвата по координатам x, у, z в вигляді: x = x(t); у = у(t); z = z(t), а також орієнтація захвата при русі по траєкторії в функції часу. Орієнтація захвата в просторі може задаватися або з використанням кутів Ейлера: Ψ = Ψ (t), θ = θ(t) φ= φ(t) або за допомогою направляючих косинусів (за допомогою кутів між осями координат інерціальної системи координат і осями координат схвата) x0^Zn=f1(t), y0^Zn=f2(t), x0^yn=f3(t).

Лазерний робототехнічний комплекс. Робототехнічний комплекс призначений для лазерного різання складних контурів на горизонтальній площині. До складу комплексу входять: маніпулятор з кінематичною схемою SCARA, твердотільний лазер як робочий орган, комп'ютер типу IBM з вбудованим контролером руху та системою графічного програмування в середовищі Lab View.

Робот використовується для контурного переміщення різака в робочій зоні. Обрана кінематична схема забезпечує високу точність руху маніпулятора (відхилення від програмної траєкторії не більше 0,05 мм при максимальній швидкості 0,7 м/с), привод – електричний.

Компактний лазер типу АИГ-Nd виготовлений на основі алюмоітрієвого граната і володіє наступними основними характеристиками: довжина хвилі 1,06 мкм, потужність випромінювання 150 Вт, фокусна відстань 50 мм, споживання води 5 л/хв, споживання електроенергії 25 кВт/год.

Управління функціональними рухами мехатронної системи (тобто спільно виконавчими електроприводами багатоступеневого маніпулятора і режимами роботи лазера) здійснюється пристроєм керування, який включає: комп'ютер типу IBM PC промислового виконання; контролер руху типу Tech 80 серії 5650 на базі цифрового сигнального процесора (час квантування 100 мкс, 8 каналів вводу/виводу, керування приводом через 16-бітний ЦАП або ШИМ); силові перетворювачі типу CPCR-MR05.

Програмне забезпечення системи керування розроблено в середовищі графічного програмування LabView, яка представляє собою потужний інструментальний засіб для організації інтерфейсу користувача, розробки алгоритмів для контролера руху, автоматичної генерації керуючих програм для робота і допоміжного технологічного обладнання.

Створена спеціальна бібліотека керування складним рухом, яка має більше 150 команд для наступних основних функцій: початкової ініціалізації системи; планування траєкторії руху лазера з комп'ютерним кресленням заготівлі (підготовленому, наприклад, в середовищі AutoCAD); розрахунку оптимальних законів руху приводів у часі; керування контурним рухом маніпулятора в реальному часі; математичних функцій; калібрування механічної частини системи; конфігурації блоків керування, інкодер, обмежувачів; зв'язку пристрою керування із зовнішнім обладнанням.

Розроблена система керування має відкриту будову, що дозволяє варіювати набір використовуваних датчиків інформації, змінювати параметри регуляторів у процесі руху, інтегрувати комплекс в складні виробничі комплекси через локальні мережі.

Робототехнічний комплекс механообробки. Робототехнічний комплекс (РТК) призначений для виконання операцій механообробки деталей із пластмас і легких сплавів. До числа типових операцій відносяться зачистка задирок, зняття облою, шліфування контурів і поверхонь, свердління отворів, зняття фасок.

До складу РТК входять: промисловий робот РМ-01, що включає маніпулятор РUMA-560 і пристрій керування «Сфера-36», комп'ютер верхнього рівня типу IВМ РС, блок пневмоелектроаппаратури, змінні робочі органи (тужавіння, інструментальні пневмоголовки), комплект ріжучого інструменту (фрези, напилки, металеві щітки), пристрій силового застосування з блоком вводу аналогових сигналів в пристрій управління і багатофункціональний адаптер ввода-виводу сигналів в комп'ютер.

Для виконання на РТК технологічних виробничих процесів можливе включення до його складу роликового транспортера і механізму подачі палет із заготовками, а також поворотного столу з фіксаторами. Технологічне обладнання РТК забезпечується пневможивлення під тиском 0,5 МПа. Зокрема, при механічній обробці використовується в як робочий орган спеціальна пневмоголовка виробництва фірми NОKIА (Фінляндія), яка кріпиться до зовнішньому фланця сіломоментного датчика (рис. 7.3). Основні технічні характеристики пневмоголовки: потужність 160 Вт, частота обертання вихідного валу 28000 об/хв, маса 1,5 кг.

Електромеханічний маніпулятор PUМА-560 антропоморфного типу має 6 обертальних ступенів рухливості. Приводи ступенів рухливості створені на базі двигунів постійного струму з захисними гальмами і інкрементальними інкодерами в якості датчиків зворотного зв'язку.

Рис. 7.3. Робочий орган технологічного робота


Вантажопідйомність робота 2,5 кг, точність позиціонування 0,1 мм. Пристрій управління «Сфера-36» призначено для позіціонно-контурного керування функціональними рухами маніпулятора і має архітектуру типу «комп'ютер – зовнішній контролер» для управління виконавчими приводами. Система є багатопроцесорною і дворівневою: вона містить центральний процесор і шість процесорів приводів. Модулі пристрої мають уніфіковані шини внутрішнього зв'язку (типу QUS) і стандартний інтерфейс зв'язку з технологічним обладнанням.

Пристрій силомоментного здійснення складається з двох функціональних модулів: датчика сили і блоку обробки силової інформації. Датчик сили конструктивно виконаний у вигляді плоских хрестоподібних пластин, на межі яких наклеєні тензорезистори. Конструкція датчика передбачає вимірювання трьох компонент вектора сили, що діє на робочий орган робота: сили, перпендикулярної фланця датчика сили (Fz), і двох моментів у площині фланця (Мх і Му). В якості чутливих елементів обрані фольгові тензорезистори типу КФ 5П1-3200-А12. Датчик виготовлений з алюмінієвого сплаву Д16-Т, що володіє високим значенням модуля Юнга і малої питомою масою. Блок обробки силомоментної інформації призначений для перетворення сигналів з тензопідсилювача в три інформаційних сигналу про вектор сил, чинному на робочий орган. Блок виконаний у вигляді окремої плати і встановлений в корпус тензопідсилювача. Технічні характеристики пристрою силомоментного здійснення в цілому такі: кількість вимірюваних компонент вектора сил – 3 (осьова навантаження до 50 Н; поперечні сили по осях X і У до 25 Н на плечі 0,12 м); діпазон вихідних сигналів для введення в комп'ютер від -5 В до + 5 В, для введення в «СФЕРУ-36» 0-5 В; похибка вихідного сигналу не більше 2% від номіналу.

При управлінні роботом на операціях механообработки основна функція комп'ютера полягає в обробці сигналів від датчика силомоментного здійснення та вироблення сигналів корекції руху.

Якщо датчик сил і моментів містить вбудований мікропроцесор, то організація обміну інформацією з комп'ютером не становить труднощів. В іншому випадку необхідно використовувати багатофункціональний адаптер (МА), який здійснює погодження аналогових і цифрових сигналів з системною шиною комп'ютера. МА являє собою електронний модуль (плату), що вставляється в слот IВМ РС. Адаптер містить наступні функціональні вузли: аналого-цифровий перетворювач з комутатором на вході, цифро-аналоговий перетворювач, пристрій паралельного вводу-виводу і таймер. Серійний комплект пристрою управління «Сфера-36» не має можливості введення та обробки аналогової інформації. Тому на базі стандартного модуля аналогового вводу (МАВ) цієї стійки управління був реалізований контролер вводу аналогових сигналів з сіломоментного датчика. Шість каналів модуля МАВ служать для введення сигналів з потенціометричних датчиків, розташованих в ступенях рухливості маніпулятора. Решта два канали АЦП, які в штатному режимі використовуються для тестування системи, переведені в режим зв'язку із зовнішніми датчиками сигналів. Зв'язок між пристроєм управління «СФЕРА» і комп'ютером забезпечується спеціальними драйверами.