Структура промышленного робота

Принципиальная схема промышленного робота включает в себя механическую систему и систему программного управления, а так же связующие информационные цепи между ними. Система программного управления (СПУ) предназначена для сохранения в запоминающем устройстве управляющей программы – набора инструкций, объявленных на некотором формальном языке программирования, точное, последовательное выполнение которых позволяет добиваться поставленной цели.

Основное требование, предъявляемое к управляющей программе – полное и точное описание всех инструкций, которые необходимо соблюдать. В общем случае, для нормального функционирования промышленного робота, блок управления должен получить помимо полного описания инструкций (включая время их выполнения, начала и окончания) еще и информацию о положении всех степеней подвижности, полученную на основании расчетов (автооператоры) или по показателям контролирующих датчиков (адаптивные механизмы). Совокупность всей информации и носит название управляющей программы.

Она записывается на материальный носитель, который называют программоносителем, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), или просто «жестким диском», блоком памяти. Впрочем, в ПЗУ может быть реализован любой удобный принцип записи информации, от магнитной или перфорированной ленты до современных оптических и лазерных дисков. По физическому принципу различают механические (копиры, упоры), быстросъемные («винчестеры», диски, flash накопители и т.д.) носители, коммутаторы (барабаны). Соответственно изменяется и способ считывания записанной информации (различают контактный, бесконтактный и магнитный).

Современные системы позволяют записывать управляющую информация прямо с пульта управления, путем программирования, или выбора последовательности уже готовых программных блоков (с пульта управления). Помимо указанных задач, СПУ выполняет функции обратной связи, усиления сигнала, сравнения. Обратная связь – это восприятие, передача и усиление аналоговых или цифровых сигналов от контрольно-измерительных датчиков в блок управления (включая преобразование аналоговых сигналов в цифровые). Сравнение – это сопоставление заложенных в программу данных с информацией, поступающей от датчиков, выявление расхождений (ошибок) и их устранение. Усиление сигнала обычно необходимо при передаче информации от задающего блока исполнительному и рабочему органу.

Управляющая программа может составляться методами самообучения (применяется крайне редко, только в адаптивных механизмах), обучения (самый распространенный вариант, при котором оператор последовательно выполняет набор операций, а машина их запоминает) и путем предварительного расчета. Составленная программа записывается в постоянное запоминающее устройство или на съемный носитель. В процессе работы инструкции по выполнению текущей операции передаются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Для ОЗУ и ПЗУ справедливо понятие объема памяти, которое для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) измеряется в байтах, а для станков с цикловым программным управлением (ЦПУ) – количеством операций (циклов).

С понятием СПУ неразрывно связано понятие информационной системы (ИС), которая включает в себя систему устройств обратной связи (УОС), набор датчиков обратной связи (ДОС) и устройство сравнения сигналов (УС). Всю поступающую информацию можно разделить на две категории: о внешней и внутренней среде. Причем одним и те же датчики могут получать и отправлять информацию сразу из обеих систем. На основе полученной информации принимаются решения об изменении положения степеней подвижности, остановке или возобновлении производства. К внешней ИС относят сведения касательно объекта труда (заготовка, деталь, материал) и рабочего органа (инструментов), а так же систем и параметров работы степеней подвижности. Информация считывается датчиками контактного и бесконтактного типа.

Контактные датчики используются для обеспечения возможности работы промышленного робота (установление момента контакта с заготовкой, ее положения, веса, давления на рабочем инструменте), а так же для соблюдения техники безопасности. Бесконтактные, или дистантные (дистанционные) датчики выполняют те же функции, однако, с некоторыми ограничениями. Например, их невозможно использовать для захвата и обработки хрупких заготовок, т.к. высоки риски их повреждения. Невозможно бесконтактным путем снять многие показатели, например, тепло- и электропроводность, шероховатость поверхности и т.п. Во внутренней системе собирается информация о положении, скорости движения или вращения степеней подвижности, анализируются поломки и остановки оборудования, прогнозируется неизрасходованный срок службы.

Во внутренней системе применяются датчики разных конструкций, функционирующих на разных физических принципах (в зависимости от типа приводов: гидравлический, пневматический, электродинамический). Здесь активно эксплуатируются всевозможные выключатели и переключатели, реле, срабатывающие в момент, когда значение контролируемого параметра выходит за установленные рамки. Значимость разных датчиков, и контролируемой ими информации разница от производственного цикла к циклу. Всего в работе промышленного робота выделяют три фазы: захват, транспортировка, обработка. Под обработкой понимается изменение ориентации объекта, его крепление к другому объекту, механическая обработка (сверление, штамповка, окраска и т.д.). Например, при транспортировке требуется информация только от датчиков движения, а при захвате – еще и от датчиков давления.

СПУ управляет механической системой (МС), под которой часто и обозначают манипулятор. Манипулятор – это открытая чаще всего пространственная сложная (иногда простая) кинематическая цепь, последнее звено которой имеет всего одну кинематическую пару. Состоит из исполнительного механизма, захвата, передаточных устройств, приводов, основания (базы, несущей конструкции). Под кинематической парой понимается соединение двух звеньев. В промышленных роботах наибольшее распространение получили кинематические пары V класса (возвратно-поступательное, взаимосвязанное вращательное движения, вращение вокруг поперечной оси).

Исполнительный механизм – это набор звеньев, оказывающих воздействие на обрабатываемый объект (в случае манипулятора – перемещение). Захватывающий механизм – устройство для захвата и удержания объекта, выполняется, как правило, сменным, а сам манипулятор оснащается набором типовых захватов, отличающихся размером, весом. Оснащается системой датчиков контактного типа. Все механизмы в зависимости от их функционального назначения группируются в четыре блока: основание (подвижное или неподвижное), корпус, механическая рука, рабочий орган (захват).

Важнейшей характеристикой механической системы является число степеней свободы. Как правило, в промышленных роботах применяются кинематические пары, каждая с одной степенью свободы, их совокупность определяет общее количество степеней подвижности (рассчитывается по формуле Сосиева–Малышева). Обычно механизм имеет до 10-12 степеней свободы (против 28 у руки человека, которая считается прообразом всех подобных устройств). Все движения промышленного робота принято разделять на локальные (ориентирующие, перемещения инструмента соизмеримые с его размером), региональные (транспортирующие, соизмеримые с размерами, площадью рабочего места) и глобальные (координатные, превышающие размеры всего промешенного робота и его рабочей зоны). Совокупность всех возможных региональных движений называется основными движениями, они формируют систему координат перемещения промышленного робота.

Так же МС характеризуется степенью подвижности каждой функциональной группы, манёвренностью (способностью руки манипулятора обходить препятствия с полностью неподвижным в пространстве захватом), коэффициентом сервиса (возможностью подведения захвата к объекту с разных сторон). Коэффициент сервиса оценивается телесным углом, или углом, который может образовывать ось захвата в заданной точке пространства для беспрепятственного доступа к заготовке. При 100% коэффициенте сервиса захват может быть подведен с любого направления, под любым углом.

Если рассматривать не только заданную точку пространства, но весь объем рабочей зоне, то следует говорить о полном коэффициенте сервиса, который дает общее представление о кинематических свойствах механической системе, ее подвижности. При проектировании промышленного робота именно этот показатель становится ключевым и перед конструкторами ставится задача его максимизации.