Промышленные роботы

Общие понятия и определения

В качестве эффективных средств автоматизации и механизации различных видов производства широкое распространение получили промышленные роботы (ПР). Они предназначены для различных ма­нипуляций при выполнении основных и вспомогательных произ­водственных и транспортных операций без непосредственного учас­тия человека. Промышленные роботы характеризуются возможностью и быстротой перехо­да на выполнение новых операций при перепро­граммировании управ­ляющего устройства и перестройке манипуляционной части.

Отличительный при­знак ПР (Рис. 8.8) — на­личие манипулятора 1. В сочетании с автомати­ческим устройством уп­равления 2 манипулятор становится промышлен­ным роботом. В общем случае ПР состоит из трех систем: манипуляционной — для целенаправ­ленного воздействия на окружающую среду, информационной – для определения состояния манипуляционной си­стемы робота и оценки результатов воздействия на окружающую среду и управляющей – для выработки алгоритма оптимального взаи­модействия с окружающей средой.

Промышленный робот представляет сочетание разнообразных устройств механических звеньев, управляемых приводов различ­ных типов, измерительных датчиков обратной связи и очувствления, управляющих ЭВМ, встроенных микропроцессорных и логи­ческих устройств, работающих взаимосвязанно как единая дина­мическая и информационно-управляющая система. Поэтому из-за многообразия факторов, явлений и процессов, лежащих в основе строения и функционирования ПР, их классификация характери­зуется большим числом параметров и критериев качества. Они объ­единены в основные группы характеристик: структурные, кинема­тические, силовые, динамические, эксплуатационные, управления, информационной емкости и типа исполнения.

Рис. 8. 8. Промышленный робот ТУР-10

По назначению ПР делятся на универсальные, специализирован­ные и специальные. По грузоподъемности различают роботы: сверх­легкие (до I кг), легкие (1..10 кг), средние (10...200 кг), тяжелые (200... 1000 кг), сверхтяжелые (более 1000 кг). По типу силового привода звеньев манипулятора различают роботы с гидравличе­ским, пневматическим, электрическим и комбинированным приводом. Промышленные роботы по типу системы управления делятся на программные — это роботы, работающие по жесткой программе с цикловой или числовой системой программного управления, адап­тивные роботы, оснащенные датчиками с управлением от системы ЭВМ или ЧПУ, позволяющими реагировать на изменение некото­рых условий эксплуатации, и интеллектуальные роботы, управля­емые от ЭВМ с программированием цели и обладающие широкими возможностями реагирования на изменение технологии процесса, распознавания объектов, принятия решений и т. п.

Основные схемы манипуляторов промышленных роботов

Основой схем манипуляторов являются кинематические цепи, не образующие структурные замкнутые контуры, звенья которых соеди­нены кинематическими парами 3,4,5-го классов. Положение каждого звена таких кинематических цепей изменяется обычно отдельным приводом. Если привод смонтирован на звеньях, составляющих кинематическую пару, то такая кинематическая пара называется приводной. Наибольшее распространение получили манипуляторы с поступательными и вращательными приводными кинематическими парами 5-го класса, однако известны конструкции с приводными парами цилиндрической 4-го и сферической 3-го классов. Число степеней свободы манипулятора с кинематическими парами 5-го класса соответствует числу приводных кинематических пар.

Функционально манипулятор состоит из двух частей — транспортирующей и ориентирующей (Рис. 8.9). Звенья, составляющие транспортирующую кинематическую цепь, предназначены для пере­носа объекта манипулирования в заданную точку пространства. Для этой цели достаточно трех степеней свободы, поэтому в состав транспортирующих кинематических цепей входят обычно четыре звена, включая и неподвижное звено — стойку манипулятора, составляющие три приводные кинематические пары 5-го класса.

Рис. 8.9. Манипулятор промышленного робота

При этом могут быть четыре основные схемы (Рис. 8.10). При трех поступательных кинематических парах (Рис. 8.10, а), движение заданной точки D₁ звена 3 организуется в прямоугольной системе координат, при одной вращательной и двух поступательных (Рис. 8.10, б) — в цилиндрической, при двух вращательных и одной по­ступательной (Рис. 8.10, в) — в сферической системе координат.

Рис. 8.10 Транспортирующие кинематические цепи

Датчики.

Рис.8.11.

1 - горячая вода; 2 - холодная вода; 3 - холоднее; 4 - горячее; 5 – «линия обратной связи»

Управление системами

Предположим, Вы стоите в Вашей ванной под душем. Ваша цель - отрегулировать душ так, чтобы вода имела приятную для Вас тем­пературу. Как достичь этого?

Вероятно, Вы поступите так же, как поступил бы каждый: по­вернете холодный и горячий краны и подставите руку под струю, чтобы узнать температуру воды. Если вода слишком холодна, Вам предстоит решить: открыть посильнее горячий кран или прикрыть холодный. Не убирайте руку из-под крана: рука - Ваш датчик! - и продолжайте настраивать краны. Рано или поздно желаемая темпера­тура будет достигнута. Можно влезать под душ. Впрочем, если кто-то еще на кухне захочет воспользоваться горячей водой, не исклю­чено, что температура воды в ванной чувствительно снизится. При­дется произвести другие действия: вскрикнуть и начать настраи­вать опять краны, заорать тому другому, чтобы он убрался подаль­ше от горячей воды и выскочить из-под душа или проделать и то и другое.

Перед Вами пример системы управления:

♦ Ваш мозг /блок принятия решения/ - регулятор системы.

♦ Душ - управляемая система или процесс.

♦ Управляемый выход - действительная температура воды.

♦ Ваша рука (а затем и Ваше тело) - датчик.

♦ Горячий и холодный краны - исполнительные устройства.

♦ Когда Вы нашли температуру воды неподходящей для себя, Вы сыграли роль обратной связи.

Пожалуй, это наиболее существенные элементы типичной системы управления, которые используются в промышленной автоматике.

Разомкнутые и замкнутые системы

Основные принципы управления системами, которые встретя­тся в этой лекции, используются во всех инженерных дисциплинах: механике, электротехнике, электронике, аэронавтике и, более то­го, - во многих неинженерных науках, например в менеджменте и экономике.

Системы управления делятся на два типа: разомкнутые и замкнутые. Обратимся к хорошо знакомому примеру, чтобы уяснить смысл этих понятий.

На Рис. 8.12 изображены основные элементы центральной отопительной системы.

Рис. 8.12 Схема домовой отопительной системы: 1 – насос, 2 - бойлер; 3 - термостат;4 - радиаторы

В бойлере нагревается вода, которая подается насосом по трубам в радиаторы. Они-то и обогревают лом. Термостату поручено определять температуру в помещении. Когда температура надает ниже заданного уровня, термостат чувствует это и включает реле, запускающее насос. Но вот температура повышается, и реле останавливает насос.

Можно перечислить различные части этой простой системы и присвоить им формальные названия, используемые для всех систем управления (см. рис. 8.13).

Рис.8.13. Блок-схема замкнутой системы управления: (r) заданный вход (опорный сигнал); (е) сигнал ошибки; (m) управляемая переменная; (с) управляемый выход; (b) сигнал обратной связи.

♦ Водяной насос вместе с радиаторами и водой - управляемая система.

♦ Термостат имеет датчик (скорее всего - биметаллическая пластинка) и регулятор, роль которого играет выключатель. Положение регулятора на щитке термостата определяется значением температуры, которую желательно получить на вы­ходе. Это значение температуры называется опорным сигналом (r).

♦ Действительная же температура помещения - это то, что мы назовем управляемым выходом (с). Эта величина попадает на вход датчика, на основе чего осуществляется первичная обратная связь (b).

♦ Разность между r и b называют сигналом ошибки (е). Именно этот сигнал заставляет регулятор действовать, т.е. в кон­це концов приводит к включению и выключению насоса.

♦ Выход регулятора называют управляющей переменной (m).

То, что мы сейчас обсуждаем, является примером замкнутой системы потому, что вход регулятора (е) формировался с использованием информации о выходе (с), которая поступала по линии обратной связи. Именно наличие обратной связи, замыкающей контур системы управления, и является определяющим признаком замкнутой системы.

Заменим термостат на таймер. Теперь насос будет включаться и выключаться через определенные промежутки времени независимо от того, какая температура в помещении. Обратная связь исчезла, и мы получили разомкнутую систему.

Свойства замкнутых систем

Применение замкнутых систем управления для технических объектов предполагает использование следующих устройств:

♦ Датчики, необходимые для наблюдения за состоянием управляемого процесса, представляют собой устройства, превращающие физические величины, например, координаты, скорость, ускорение, производительность, давление, температуру и т.п. в сигналы (чаще всего, электрические), которые могут передавать информацию в систему управления.

♦ Компараторы, сравнивающие значения действительных сигналов с опорными.

♦ Один или несколько регуляторов, снабженных устройством, вырабатывающим оптимальное управляющее воздействие. Это может быть и простой выключатель и достаточно сложный компьютер или ПЛК, который должен выбирать наилучший вариант воздействия из многих тысяч.

♦ Исполнительные механизмы, которые должны осуществлять управляющее воздействие. Исполнительные механизмы выполняют функцию, в некотором роде обратную той, которая предписана датчику: они превращают электрические сигналы в конкретные физические действия. Вот примеры: клапаны, управляющие потоком, насосы, реле, шаговые двигатели и др.

Качество функционирования

Для того чтобы понять, насколько хорошо работает сис­тема управления, необходимо ввести критерий качества. Для замк­нутых систем таковыми, как правило, являются чувствительность, точность, переходные характеристики. Рассмотрим каждый из этих показателей подробнее.

Рассмотрим вначале переходную характеристику, которая, по существу, является реакцией выхода системы на скачкообразное из­менение входа (см. Рис. 8.14). Примерами такой "ступеньки" на входе может быть команда роботу занять новую позицию, посылка прямоугольного электрического импульса по линии связи, включение стоп-крана в вагоне поезда и т.д.

Рис. 8.14. Ступенчатый входной сигнал, подаваемый в систему управления.

Однако среди реальных физических систем не найдется ни од­ной, которая могла бы своим выходом повторить такой вход, ибо все возможные варианты реакции любой реальной систем сводятся к одному из основных типов:

♦ Система может достаточно быстро отреагировать на новое значение входа, стремясь занять на выходе новое (так на­зываемое равновесное) положение, затем как бы по инерции проскакивает это положение, останавливается, возвращает­ся, но при этом опять проскакивает это положение, на этот раз по пути вниз, и т.д. Такое недостаточно демпфирован­ное движение представлено на рис. 8.15 и носит название колебательной переходной характеристики.

Рис. 8.15. Колебательный выход

♦ система может отреагировать, медленно откликаясь на скачкообразный вход, стремясь к новому положению, настолько постепенно и не спеша, что ни разу не "перепрыгнет" уро­вень равновесия, подбираясь при этом к нему все ближе и ближе с течением времени, примерно так, как это показано на рис. 8.16.

Такая передемпфированная реакция называется апериодичес­кой. Пример системы с такой характеристикой - устройство измере­ния уровня топлива в баке автомобиля. Будь эта характеристика иная, индикатор откликался бы на каждую неровность дороги и что-либо увидеть на шкале прибора было бы невозможно!

Рис. 8.16. Апериодический выход

Устойчивость систем управления - важнейшая качественная характеристика - говорит о том, придет ли вообще (т. е. за любое время) система к равновесному состоянию.

Хороший пример неустойчивости, зазванной так называемой раскачкой сигнала (или положительной обратной СВЯЗЬЮ), дает "микрофонный эффект" - явление, возникающее, когда микрофон и динамик, объединенные в одну громкоговорящую систему, оказываются вблизи друг от друга. Случайные потрескивания в динамике, попав через микрофон в усилитель, опять оказываются на выходе, но одновременно и на входе, теперь уже в усиленном виде, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и проявляется в виде неожиданно сильного, резкого звука. Ясно, что во многих других случаях неустойчивость переходной реакции может вывести систему из строя.

В отличие от устойчивости, чувствительность является количественной характеристикой системы и определяет меру влияния заданного входного сигнала на величину выходного.

Например, если одна термопара реагирует на скачок темпера­туры в одну сотую градуса изменением напряжения в 0.05 мВ, а другая на тот же скачок температуры отвечает перепадом напряже­ния в 0.1 мВ, то легко понять, что вторую термопару можно счи­тать вдвое более чувствительной.

Точность систем управления также является количественной характеристикой и характеризуется в терминах ошибки или, точнее, усредненной разности между реальным и заданным значениями выхода.

^{Временные запаздывания}

Обратимся к Рис. 8.17. где в верхней части изображен процесс изменения температуры воды, вытекающей из душа, о котором зла речь в одном из недавних примеров. Здесь пунктиром изображен уровень, соответствующий желаемой температуре, а сплошной линией - та температура, которая реально имеет место.

На нижней части рисунка приведен вариант выбора последовате­льности позиций (поворотов) крана горячей воды, ведущий (хотя и не кратчайшим путем) к цели.

Стоит обратить внимание на то, что всегда существует запазды­вание (или временной сдвиг) между поворотом крана и понижением или повышением температуры воды в душе.

Рис. 8.17. Пример неустойчивой системы - настройка душа по ощущаемым изменениям температуры воды: 1 - измеренная температура; 2 - моменты измерения; 3 - заданная температура; 4 - установка горячего крана.

Почти всегда в системах управления между управляющим воз­действием и реакцией на него системы существует тот или иной вид запаздывания, например транспортное или запаздывание типа рас­стояние - скорость.

Одно из видов запаздывания - экспоненциальное - может быть упомянуто в связи с другим рассматривавшимся ранее примером до­мовой водоотопительной системы. В самом деле, поворот установо­чного лимба термостата с 20-го на 30-е деление может вызвать мгновенное включение насоса, но Вам придется подождать с полча­сика, пока температура в комнате достигнет желаемого значения.

При этом изменение температуры начнется практически с момента переключения на новое положение регулятора термостата и будет происходить с экспоненциальной (откуда и название) скоростью.

Свойства разомкнутых систем

На Рис. 8.18. представлены компоненты разомкнутой системы управления. Напомним, что разомкнутая система - это такая систе­ма, где управляющее воздействие никоим образом не связано с вы­ходом системы и определяется исключительно величиной входного сигнала.

Рис. 8.18. Разомкнутая система управления

Чтобы представлять ценность их практического использовании, в ряде случаев такие системы должны подвергаться тестированию или калибровке, которая гарантировала бы близость выходного сиг­нала к желаемому уровню при выбранном значении входа.

Примерами таких систем управления являются, в частности, сборник кулинарных рецептов, упоминавшийся ранее тостер для поджаривания хлеба и др.

Разомкнутые системы или системы программного управления сравнительно мало распространены, так как в реальном мире мало что остается неизменным с течением времени. В примере с тостером, скажем, трудности для получения стабильного результата таят в себе скачки напряжения в электрической сети, неодинако­вая толщина ломтиков хлеба и др. Но существуют примеры, где ра­зомкнутое управление не нуждается в калибровке и вполне соответ­ствует возложенным на него задачам. К ним относятся всевозможные печатающие устройства, духовые музыкальные инструменты (но в ру­ках опытных операторов или музыкантов), станки с ЧПУ и т.д.

Виды управляющих воздействий

Регулирующие воздействия как реакция на ошибку (разность между истинным значением выхода и его желаемой величиной) могут быть отнесены к одному из пяти классов:

♦ релейное управление (R)

♦ пропорциональное (Р)

♦ интегральное (I)

♦ дифференциальное (D)

♦ комбинированное (PID)

R-управление является простейшим из всех типов управляющих воздействий. Управляющий сигнал имеет вид знаковой функции, амплитуда которой равна 1 либо 0, в зависимости от того, выполня­ется или нет некоторое логическое условие, наложенное на сигнал ошибки е (например |е| ≥ rа ). На Рис. 8.18 приведены графики из­менения температуры и управляющих воздействий R-типа для водяной системы отопления.

Рис. 8.18. Сенсорные входы и реакция регулятора в релейной системе управления: 1) сенсорный вход в систему, 2) верхний предел, 3) опорный вход; 4) нижний предел; 5) релейное управление.

Качество управления может быть существенно улучшено, если во внимание принять не только качественную характеристику ошибки (например, есть или нет сигнал ошибки), но и величину этого сиг­нала.

Регулятор, величина сигнала которого пропорциональна величине ошибки, называется пропорциональным. Это означает, что большой ошибке соответствует большой сигнал коррекции, ошибке вдвое ме­ньшей - соответственно вдвое меньший сигнал и т.д.

Рис. 8.19 Пример пропорционального управления: 1 - труба для подвода воды; 2 - поплавок; 3 - бак с водой; 4 - график изменения скорости воды

Другой вид регулятора, учитывающего количественную характе­ристику сигнала ошибки - интегральный. При этом обратная связь по скорости изменения корректирующего воздействия пропорциональ­на величине ошибки, или, что то же самое, величина корректирую­щего воздействия пропорциональна площади сигнала ошибки (т.е. его интегралу). Отметим особенность I-регулятора, состоящую в том, что даже когда сигнал ошибки становится равным нулю, корре­ктирующее воздействие сохраняет свою величину, играя роль своего рода "памяти" о прошлом (см. Рис. 8.20).

Рис. 8.20. Эффект интегрального управления: 1) сигнал ошибки;