в. и. костюк,
А. П. ГАВРИШ,
Л. С. ЯМПОЛЬСКИЙ,
А. Г. КАРЛОВ
КОНСТРУИРОВАНИЕ «
УПРАВЛЕНИЕ
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
1
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов высших
технических учебных заведений	.

КИЕВ
ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ
«ВИЩА ШКОЛА»
1985
3

32. 816
П 81
УДК 007.52(07)
Промышленные роботы: Констру-
ирование, управление, эксплуатация.
Костюк В. И., Гавриш А. П., Ям-
польский Л. С., Карлов А. Г.— К. :
Виша шк. Головное изд-во, 1985.
359 с.
В учебном пособии рассмотрены уст-
ройство, принципы действия и конструи-
рование современных промышленных
роботов; приведено систематизированное
описание их основных функциональных
систем изложены методы системного
анализа роботизируемого производства.
Даны конструкции отечественных и за-
рубежных промышленных роботов,
этапы технологической подготовки про-
изводства при их внедрении, проиллю-
стрировано взаимодействие промышлен-
ных роботов с объектами роботизации
на примерах различных технологических
процессов в основных видах производ-
ства.
Для студентов высших технических учеб-
ных заведений. Может быть полезно ин-
женерно-техническим работникам, за-
нимающимся проектированием, изготов-
лением и внедрением промышленных
роботов.
Ил. 146. Табл. 25. Бнблногр.: 103
назв.
Рецензенты:
зав. кафедрой автоматизации производ-
ственных процессов Ворошиловградского
машиностроительного института доцент,
кандидат технических наук Ю. П. Ко-
робецкий, зав. кафедрой теории машин
и механизмов Харьковского политехни-
ческого института профессор, доктор
технических наук А. А. Грунауэр.
Редакция литературы
. по кибернетике, электронике
в энергетике
Зав. редакцией At. С. Хойнацкий
„ 2404000000—092
П М21Ц04)-85 200-85
© Издательское объединение
«Виша школа», 1985
Оглавление
Предисловие......................6
Введение ....................... й
РАЗДЕЛ I ПРОМЫШЛЕННАЯ РОБОТОТЕХНИКА
И КОНСТРУИРОВАНИЕ РОБОТОВ . 11
глава 1	1.1. Предмет н задачи робототехники. . 13
Основные	1-2.	Основные определения..............16
понятия	1-3.	Принципы построения переналажн-
робототехники	ваемых робототехнических систем .	19
1.4. Структура роботизированного произ-
водства ...........................26
Г	1.5. Иерархия взаимодействия человека с
роботом............................29
1.6. Прогнозирование распределения ро-
ботов по видам производства ...	33
1.7. Классификация промышленных ро-
ботов .............................35
Список литературы......................38
глава 2	2.1. Принципы построения и конструкция
Механика	роботов......................39
промышленных 2.2. Исполнительные механизмы и привод
роботов	промышленных роботов........51
2.3.	Технологические модули промышлен-
ных роботов..................65
2.4.	Разгруженные конструкции.промыш-
ленных роботов	74
2.5.	Механические цепи с электрическими
приводами........................79
2.6.	Передаточные механизмы	манипуля-
ционных систем промышленных ро-
ботов ............................82
Список литературы.....................91
ГЛАВА 3
Автоматизированное
проектирование
робототех ннческих
систем
3.1.	Системный подход как метод проек-
тирования сложных производствен-
ных систем..............................91
3.2.	Формализация описания производст-
венных (роботизированных) процессов 97
3.3.	Методы описания объектов роботизации 103
3.4.	Принципы построения систем автома-
тизированного проектирования . . 109
3.5.	Проектирование сборочных робото-
технологических комплексов на осно-
ве анализа объектов роботизации . 111
3
РАЗДЕЛ II
ГЛАВА 4
Системы
управления
промышленными
роботами
ГЛАВА 5
Информационное
обеспечение
промышленных
роботов
3.6.	Задачи разработки обеспечения САПР
робототехнических комплексов . .115
3.7.	Логическая схема процесса проекти-
рования ...........................И9
3.8.	Организация диалога При проектиро-
вании роботизированных технологий 124
3.9.	Особенности построения САПР про-
мышленных роботов.................127
Список литературы ........ 132
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОР-
МАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРО-
МЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ................133
4.1.	Классификация систем управления 134
4.2.	Иерархия управления промышленны-
ми роботами ......................... 141
4.3.	Общение человека-оператора с ро-
ботом ................................144
4.4.	Логико-программное управление тран-
спортирующими и ориентирующими
движениями промышленных роботов 145
4.5.	Методы управления планированием
траектории движения рабочих орга-
нов промышленных роботов . . .151
4.6.	Управление электроприводами про-
мышленных роботов.....................156
Список литературы.....................184
5.1.	Функции информационного обеспече-
ния промышленных роботов . . . 185
5.2.	Методы анализа зрительной инфор-
мации .................................186
5.3.	Сенсорные устройства внутренней ин-
формапии ..........................193
5.4.	Сенсорные устройства внешней ин-
формации ..............................201
5.5.	Методы и средства логического рас-
познавания объектов....................214
5.6.	Пути повышения информативности
промышленных роботов...................221
Список литературы......................230
РАЗДЕЛ III ОРГАНИЗАЦИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕ-
СКИХ СИСТЕМ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ . . .
’	ГЛАВА «
Технологические
основы
роботизации производства
6.1.	Организационно-технические меро-
приятия по технологической подго-
товке производства.....................232
6.2.	Технологичность объектов роботиза-
ции..................................  254
6.3.	Мегодика обследования производст-
венных процессов . ....................z60
4
6.4. Запуск роботизированного производ-
ства ...............................278
Список литературы.......................288
ГЛАВА 7
Эксплуатация
промышленных
роботов
7.1. Промышленные роботы для автома-
тизации погрузочно-разгрузочных ра-
бот ..............................288
7.2.	Роботизация процессов заготовитель-
ного производства ................... 291
7.3.	Роботизированные технологические
лннин в металлообработке резанием 301
7.4.	Роботы для сварочных и покрасоч-
ных работ..............................309
7.5.	Роботизация механосборочного про-
изводства .............................312
7.6.	Применение роботов в электро- и ра-
диоыонтажных работах...................322
Список литературы.....................324
ГЛАВА 8
Обеспечение
основных
показателей
качества
' промышленных
роботов
8.1.	Гибкие переналаживаемые робототех-
нические комплексы...................325
8.2.	Методы испытания н оценки уровня
качества промышленных роботов . . 330
8.3.	Показатели надежности промышлен-
ных роботов и робототехнических
комплексов...........................346
8.4.	Методика приемосдаточных испыта-
ний сборочных роботов .............. 350
8.5.	Экономическая эффективность внед-
рения промышленных роботов . . . 352
Список литературы .................. 357
Тенденции развития робототехники . . 358
Предисловие
Дальнейшее повышение эффективности производства, улучшение
качества продукции на основе ускорения научно-технического про-
гресса немыслимы без развития и укрепления материальной ос-
новы технического перевооружения народного хозяйства, прежде
всего машино- и приборостроения. При этом одним из важней-
ших моментов является комплексная автоматизация промышлен-
ного производства, в частности широкое использование средств
гибкой автоматизации. На июньском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС
отмечено, что в стране предстоит осуществить автоматизацию
производства, обеспечить широчайшее применение компьютеров
и роботов, внедрение гибкой технологии, позволяющей быстро и
эффективно перестраивать производство на изготовление новой
продукции.
Повышенный интерес к промышленным роботам определяется
социальными, экономическими и техническими аспектами их вне-
дрения в производство. В социальном плане использование робо-
тов обусловлено тем, что темпы развития народного хозяйства
СССР значительно обгоняют темпы прироста трудовых ресурсов.
Расходование живого труда осуществляется недостаточно произ-
водительно-около 4Оо/° рабочих заняты выполнением ручных
и вспомогательных работ, поэтому остро встает задача заме-
ны рабочих, занятых на вспомогательных работах и обслужива-
нии технологических процессов, промышленными роботами, и пе-
ревода освобождающейся рабочей силы на процессы, связанные
с интеллектуальным трудом.
Экономические аспекты развития роботостроения определяют-
ся тенденцией к непрерывному возрастанию стоимости рабочей
силы, ограничению ее ресурсов в промышленно развитых странах
и относительному удешевлению средств и систем автоматизации,
что позволяет считать внедрение промышленных роботов вполне
оправданным.
Технический аспект рассматриваемой проблемы обусловлен
ростом номенклатуры выпускаемых изделий, их частой сменяе-
мостью, наметившейся в некоторых отраслях тенденцией к инди-
видуальному и мелкосерийному производству и возникающими
в связи с этим трудностями автоматизации производства тради-
ционными средствами. Иными словами, применение промышлен-
ных роботов обеспечивает большую гибкость производства в ус-
ловиях частой его перестройки при переходе от выпуска одного
вида изделий на другой, а также позволяет более эффективно
решать проблему увеличения объема продукции, одновременно
сокращая трудовые затраты.
6
Как показывает практика, успешное внедрение промышленных
роботов в производство обеспечивается комплексным решением
задач, включающих: технологическую подготовку роботизируемо-
го производства, выбор условий оптимального взаимодействия си-
стемы робот — объект роботизации — среда, определение состава и
структуры робототехнических систем, разработку манипуляцион-
ных систем промышленных роботов и их элементной базы, созда-
ние информационного, алгоритмического и программного обеспе-
чения робототехнологических комплексов, методов и средств ат-
тестации показателей качества промышленных роботов и их ком-
понентов. Именно эти задачи и представляют основное содержа-
ние курсов, читаемых студентам специальностей 0654, 0501, 0636,
0510, 0628, а также общеобразовательных курсов по робототехни-
ке для других специальностей. В данном учебном пособии авторы
стремились раскрыть именно эти направления работ в области
робототехники путем обобщения отечественного и зарубежного
опыта роботостроения, систематизации материала по элементной
базе промышленных роботов и создаваемых на их основе робо-
тотехнических систем.
Учебное пособие является одной из первых попыток подготовки
учебной литературы для студентов технических вузов с комплекс-
ным охватом всех основных аспектов разработки и внедрения про-
мышленных роботов, отражающих современное состояние элемент-
ной базы промышленных роботов, сложившиеся принципы подго-
товки и построения роботизированных производств, основы расчета
элементов робототехнических систем. Авторы стремились показать
во взаимосвязи как единый последовательный процесс кон-
струирование — изготовление — внедрение — эксплуатацию про-
мышленных роботов и создаваемых на их основе робототехнологи-
ческих комплексов.
Учебное пособие подготовлено преподавателями кафедр «Тех-
ническая кибернетика» и «Технология и автоматизация машино-
строения» Киевского политехнического института и кафедры
«Автоматизация и комплексная механизация» Севастопольского
приборостроительного института.
Предисловие написано профессором, доктором технических на-
ук В. И. Костюком, главы 1, 6 (п. 1, 2, 4) и 7 (п. 1—4, 6) на-
писаны профессором, доктором технических наук А. П. Гавришем,
главы 4 и 5 — совместно В. И. Костюком и доцентом, кандидатом
технических наук Л. С. Ямпольским, введение, главы 2, 3, п. 3
гл. 6, п. 5 гл. 7, п. 1, 3, 5 гл. 8 — Л. С. Ямпольским, п. 2, 4 гл. 8 —•
доцентом А. Г. Карловым.
Введение
На современном этапе научно-технической революции особенно
интенсивно развиваются теория автоматического управления, те-
ория информации и техника ее обработки. Именно эта тенденция
с учетом традиционных направлений в машиностроении (совершен-
ствование двигателей, передаточных механизмов и рабочих органов)
позволила ставить вопрос о создании направления в автоматиза-
ции производства, базирующегося на принципиально новом клас-
се универсального оборудования — промышленных роботах.
Основными чертами промышленных роботов являются их ме-
ханическое совершенство и непрерывно растущий интеллект, что
расширяет сферу применения робототехники, которая уже охва-
тывает промышленность, сельское хозяйство, транспорт, медици-
ну, научные исследования практически во всех областях знаний.
Структура робота, взаимодействующего с окружающей средой,
может быть упрощенно проиллюстрирована рис. В. I. В общем
случае робот состоит из четырех систем:
исполнительной (манипуляционной)—для целенаправленно-
го воздействия на окружающую среду;
информационно-измерительной (сенсорной)—для обеспечения
робота информацией о состоянии внешней среды, результатах воз-
действия на нее манипуляционной системы (или взаимодействия
системы робот — объект — среда) и состояния самого робота в
соответствии с требованиями управляющей системы;
управляющей системы (интеллекта) —для выработки закона
управления манипуляционной системой на основании данных, по-
ступающих от информационной системы, а также для организа-
ции общения робота с человеком или другими функциональными
устройствами, с которыми взаимодействует робот; интеллектуаль-
ные способности робота определяются главным образом алгоритми-
ческим и программным обеспечением его управляющей системы;
системы связи — для организации обмена информацией меж-
ду роботом и человеком или другими функциональными устрой-
ствами (в том числе роботами) на некотором понятном им языке.
Уровни интеллекта и информационного обеспечения промыш-
ленного робота определяются характеристикой окружающей сре-
ды, с которой взаимодействует (на которую воздействует) испол-
нительная система робота. В робототехнических системах под
окружающей средой понимаются объекты роботизации, которые
могут находиться в неупорядоченном (и тогда среда является
неподготовленной), упорядоченном (подготовленная среда) и час-
тично упорядоченном состоянии. Пример неупорядоченного состо-
яния объектов приведен на рис. В. 2, а, где объекты различных
классов (в частности, А и В) занимают хаотичное положение па
поверхности. В этом случае задачами информационной и управ-
8
Рис. В.I. Обобщенная структура робота, взаимодействую-
щего с окружающей средой.
ляющей систем будут нахождение объекта на поверхности, опреде-
ление класса, а также положения объекта по характерному призна-
ку (например, по метке «х») и планирование алгоритма управляю-
щих воздействий на звенья исполнительной системы робота с целью
обеспечения оптимальных условий взаимодействия робота со средой.
Из рассмотренного выше следует, что снижение информацион-
ной нагрузки и уровня интеллекта робота возможно, если заранее
подготовить среду путем упорядочения объектов по классам, ориен-
тации в пространстве и относительно друг друга. Примеры упоря-
доченного расположения объектов показаны на рис. В.2, б (линей-
ное накопление ориентированных объектов одного класса), на рис.
В.2, в (поверхностное накопление ориентированных объектов одного
класса) и на рис. В.2, а (объемное накопление объектов).
Одной из важных проблем робототехники является анализ ро-
ботизируемого производства, предусматривающий этапы подго-
товки среды (упорядочения объектов) специальными средствами.
Возможность упорядочения объектов рассматривается при этом
как один из основных фактов оценки технологичности объектов
под роботизированное изготовление. Особенно важным является
использование средств и методов упорядочения среды при робо-
Рис. В.2. Состояния окружающей среды: неупорядоченное (а), с линейным (б),
поверхностным (в) и объемным (г) накоплением упорядоченно расположенных
объектов.
9
тизации многономенклатурного мелкосерийного производства, ког-
да отсутствие таких средств обусловливает слишком разветвлен-
ную систему информационного обеспечения, что удорожает робо-
тотехническую систему в целом, снижает надежность ее функцио-
нирования и повышает затраты на эксплуатацию роботов.
Гибкость автоматизированных производственных процессов,
особенно в условиях мелкосерийного многономенклатурного про-
изводства, можно обеспечить путем их организации по модульному
принципу. Основу последнего составляют элементы нижнего уров-
ня структуры гибких автоматизированных производств — робото-
технологические комплексы. Такие производства представляют со-
бой комплексные объединения станков с числовым программным
управлением, другого технологического (в том числе и сборочно-
го) оборудования и роботов, управляемых микропроцессорами, с
системами автоматизированной подготовки производства, вклю-
чая его технологический анализ, проектирование изделий и разра-
ботку технологии.
Многообразие технологических процессов изготовления изделий
требует использования типовых средств и методов построения ро-
ботизированных производств, в связи с чем все более актуальной
становится выработка правильных (объективных) принципов про-
ектирования, при которых роботизируемый процесс выступает
в качестве объекта управления и предусматривает совершенство-
вание организации производства и выбор методов изготовления,
•обеспечивающих оптимальные условия взаимодействия элементов
системы робот — объект — среда. Такой подход позволяет решать
задачи синтеза оптимальных робототехнических систем, обладаю-
щих минимальным числом типовых быстропереналаживаемых эле-
ментов.
Одним из перспективных направлений промышленной робото-
техники, направленных на повышение эффективности проектиро-
вания, сокращение сроков освоения и снижение трудоемкости из-
готовления автоматизированного технологического оборудования
для роботизируемых процессов на базе унифицированных и стан-
дартизованных элементов робот — объект — среда — система уп-
равления, является разработка систем автоматизированного про-
ектирования робототехнологических комплексов.
Особое место в создании элементной базы промышленных робо-
тов отводится разработке дискретных линейных и ротационных
приводов и многоцелевых захватных органов, что в значительной
мере обеспечивает повышение одного из основных технических
показателей роботов и системы в целом — их технологическую и
функциональную универсальность.
Создание робототехнологических комплексов на базе гибких
технологических переналаживаемых систем требует разветвленной
структуры группового управления функциональными механизмами
и промышленными роботами. При этом возрастает роль матема-
тического, алгоритмического и программного обеспечения управ-
ления как отдельными элементами, так и робототехнологическими
комплексами в целом.
РАЗДЕЛИ
Промышленная
робототехника
и конструирование
роботов
Основные понятия робототехники
Механика
промышленных роботов
Автоматизированное
проектирование
робототехнических систем
ГЛАВА 1
Основные понятия робототехники
Одним из основных направлений экономической стратегии на сов-
ременном этапе развития социалистического общества является
обеспечение всемерного роста эффективности общественного про-
изводства, интенсификация темпов роста производительности тру-
да, улучшение качества продукции и усиление режима экономии.
Задача повышения эффективности производства чрезвычайно
сложна и многогранна. Ее решение во всех отраслях народного
хозяйства все более зависит от комплексной автоматизации про-
изводственных процессов. За последние годы в масштабе решения
задач автоматизации производства произошли значительные из-
менения. Теперь автоматические линии созданы не только в ав-
томобильной, тракторной, подшипниковой промышленности, но и
в производстве изделий электронной техники, радиоприемников,
магнитофонов.
Повсеместное распространение получили современные систе-
мы управления, в частности системы программного управления на
основе использования вычислительной техники. Всестороннее при-
менение ЭВМ для решения практических задач управления от-
дельными системами машин и видами производств с решением не
только сугубо частных задач функций управления машинами и
технологическими процессами, но и в более общем виде задач
контроля, решения организационно-экономических вопросов и не-
посредственного управления ходом производственного процесса
позволили перейти к практической реализации проблемы комплекс-
ной автоматизации не только массового и крупносерийного, но и
серийного и индивидуального производств.
Последнее обстоятельство имеет исключительно большое зна-
чение, так как для промышленности являтся характерной повсе-
местная тенденция к индивидуальному характеру производства и
частой смене номенклатуры выпуска изделий.
Поскольку автоматизация представляет собой комплексную
конструкторско-технологическую задачу создания принципиально
новой техники на базе прогрессивных технологических процессов
обработки, сборки и контроля изделий, ее ни в коей мере не сле-
дует понимать лишь как процесс внедрения элементов и средств
автоматики и насыщения ими уже существующих или вновь про-
ектируемых конструкций машин и систем.
В широком смысле под автоматизацией производственных про-
цессов следует понимать комплекс мероприятий по разработке
новых прогрессивных технологических процессов и проектирова-
нию на их основе высокопроизводительного технологического обо-
рудования, осуществляющего рабочие и вспомогательные процес-
сы без непосредственного участия человека.
12
Для успешного решения задач дальнейшего повышения эффек-
тивности общественного производства необходимо широкое вне-
дрение в промышленность гибких средств автоматизации, созда-
ние автоматизированных производств па базе использования стан-
ков с числовым программным управлением (ЧПУ), промышлен-
ных роботов и манипуляторов.
1.1.	Предмет и задачи робототехники
Робототехника—направление развития науки и техники в облас-
ти механизации и автоматизации ручных операций. Предметом
робототехники является разработка и исследование роботов и свя-
занная с этим совокупность проблем, начиная от теоретических
исследований, расчетов, конструирования, создания роботизиро-
ванных производств и управления ими и кончая вопросами анали-
за экономических и социальных проблем внедрения роботов в
промышленность. Основной областью применения робототехники
является комплексная автоматизация производства, сокращение
числа рабочих и изменение их функций.
Очевидно, что для реализации этих задач недостаточно исполь-
зования традиционных средств автоматизации и механизации.
Для этого необходимо создание принципиально нового средства,
которое характеризовалось бы быстрой переналадкой для выпол-
нения новых операций при большой номенклатуре изготовляемых
деталей, частой смене объектов производства (изделий) и низкой
их серийности и широкой универсальностью выполняемых дейст-
вий. Таким средством автоматизации нового типа, обладающим
многофункциональностью механических действий, универсаль-
ностью в отношении выполняемых операций и алгоритмов взаимо-
действия с внешней средой является робот.
В общем представлении роботы — такой класс технических си-
стем, который в своих действиях воспроизводит подобие двига-
тельных и интеллектуальных функций человека. При этом робот
отличается от традиционного автомата более универсальными воз-
можностями, многоцелевым назначением, способностью перестрой-
ки на выполнение разнообразных функций, различных трудовых
операций и интеллектуальных действий, в том числе в изменяю-
щейся и непредсказуемой обстановке.
В различных сферах материального производства наибольшее
распространение получили промышленные роботы. Промышлен-
ный робот представляет собой переналаживаемую автоматическую
машину для выполнения различных манипуляционных действий
в производственном процессе [1, 15].
Под переналадкой понимают перепрограммирование и меха-
ническую перенастройку робота, под манипуляционными дейст-
виями — перемещение и ориентирование в пространстве объектов
манипулирования.
Внедрение промышленных роботов в промышленное производ-
ство позволяет решать следующие вопросы:
13
осуществить практические мероприятия по комплексной авто-
матизации, в первую очередь для производств с мелкосерийным
и индивидуальным характером выпуска изделий;
автоматизировать работу значительной части морально уста-
ревшего оборудования благодаря использованию системы ЧПУ
робота для управления технологическим оборудованием и, как
следствие, автоматизации операций, ранее выполняемых вручную;
сократить сроки технологической подготовки производства и
сроки перехода к освоению нового вида объекта производства при
его замене или модернизации вследствие сохранения в составе
основного технологического оборудования переналаживаемых ав-
томатических машин-роботов;
повысить коэффициент сменности работы основного технологи-
ческого оборудования и интенсифицировать режимы его работы;
создать комплексно автоматизированные цехи и участки на
базе станков с ЧПУ, новейших типов основного технологического
оборудования с централизованным управлением участков и цехов
от автономных ЭВМ по линиям связи;
разработать мероприятия по созданию новых технологических
процессов, которые невозможно реализовать при непосредствен-
ном участии человека;
повысить культуру производства и в определенной степени
компенсировать дефицит кадров по ряду производственных про-
фессий (например, в станкостроении, литейном производстве).
По мере развития робототехники определились два самостоя-
тельных, но взаимосвязанных направления:
создание и производство роботов как машин принципиально
нового типа;
создание роботизированных производств, объектов и процессов
(при этом во втором случае решаются такие задачи — создание
новых технологий, оборудования и производств в целом, основан-
ных на использовании роботов, и модернизация существующих
технологических процессов путем их автоматизации на базе при-
менения промышленных роботов).
При возникновении идеи создания роботов их прообразом
послужил человек, выполняющий определенные физические дей-
ствия и операции. Поэтому роботу свойственно активное и целе-
направленное информационное и физическое взаимодействие
с внешней средой, которое реализуется с помощью соответствую-
щего функционального его состава.
Типовыми узлами (модулями) робота являются исполнитель-
ные органы — механические руки-манипуляторы, управляющие
устройства, приводящие в движение приводы манипуляторов, ус-
тройства накопления, хранения и переработки информации в виде
микропроцессора, входящего в состав робота или автономной
ЭВМ, а также блоки информации о состоянии внешней среды —
сенсорные устройства (по аналогии с органами чувств человека —
органы чувств робота). В ряде случаев робот снабжен органами
передвижения. Конструктивно робот может быть выполнен в наполь-
14
Рнс. 1.1. Принципиальное устрой-
ство промышленного робота:
а — структурная схема и основ-
ные узлы; б — функциональные
связи блок-схемы управления.
ном варианте — с перемещением на колесах, гусеницах или меха-
нических ногах, и в подвесном (потолочном) варианте с пере-
мещением по монорельсу либо тельферным балкам.
На рис. 1.1 показана типовая структурная схема устройства
робота и функциональные связи блок-схемы его управления.
Конструктивно робот состоит из манипулятора — руки М, уст-
ройства передвижения УП (для подвижных роботов) и устройства
управления УУ, содержащего пульт управления ПУ, запоминаю-
щее устройство ЗУ, вычислительное устройство ВУ, блоки управ-
ления приводами манипулятора и устройства передвижения БУП
(рис. 1.1, а).
Манипулятор робота М обычно представляет собой многозвен-
ный шарнирный механизм с заданным числом степеней подвиж-
ности (обычно три — девять), заканчивающийся кистью — захват-
ным устройством для закрепления объекта манипулирования (ин-
струмента для выполнения технологических работ разного вида
или детали).
Пульт управления ПУ робота предназначен для ввода в управ-
ляющее устройство задания в виде программы команд и контроля
правильности исполнения задания. Запоминающее устройство ЗУ
предназначено для хранения информации о программе работы ро-
бота, порядке взаимодействия блоков УУ и других данных. В вы-
числительном устройстве ВУ реализуется алгоритм управления
роботом, а блок управления приводами манипулятора БУП осу-
ществляет подачу в требуемой последовательности команд на ис-
полнительные органы —• приводы манипулятора и устройства пе-
редвижения робота.
Необходимо отметить, что манипуляторы М. и устройства пе-
редвижения УП являются в совокупности объектом управле-
ния О для управляющего устройства УУ (рис. 1.1, б). На схеме
15
функционального взаимодействия блоков и органов робота показа-
ны связи отдельных звеньев системы управления, начиная от введе-
ния задания G оператором и кончая поступлением в комплекс
чувствительных (сенсорных) устройств ЧУ информации X о со-
стоянии собственно робота и И о состоянии внешней среды, ко-
торая через блоки ВУ и БУП трансформируется в задание V на
приводы манипулятора и устройства передвижения.
1.2.	Основные определения
Механическая рука—автоматическое устройство, действующее
без участия человека. Применяется в основном для транспортных
и вспомогательных операций. При переналадке механической руки
с одной операции на другую требуется регулировка или замена
отдельных кинематических звеньев, удлинение или укорачивание
рычагов, замена кулачков, перестановка упоров, перестройка
концевых выключателей или реле. Основой управления меха-
низма являются устройства цикловой автоматики — упоры, ко-
нечные выключатели, релейные схемы. Механические руки широко
применяются в автоматических линиях для установки и съема
обрабатываемых деталей.
Телеоператор — механизм с дистанционно управляемым че-
ловеком рабочим исполнительным органом. Служит для работы
в трудных условиях, а также в опасной для человека среде (при
повышенной радиации, в космическом пространстве, при изучении
глубоководных участков морей и океанов, подаче и повороте на-
гретой заготовки в рабочем пространстве кузнечно-прессовых машин
при открытой ковке, засыпке шихты в плавильные печи).
Исполнительное устройство промышленного робота — устрой-
ство, выполняющее его двигательные функции. В состав исполни-
тельного устройства входят манипулятор (манипуляторы) и уст-
ройство передвижения.
Манипулятор промышленного робота — устройство, представ-
ляющее собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематиче-
ской цепью, оснащенный приводами и рабочим органом.
Захватное устройство промышленного робота—орган манипу-
лятора, предназначенный для захватывания или удержания объ-
екта производства или технологической оснастки.
Рабочий орган манипулятора промышленного робота — уст-
ройство, осуществляющее непосредственное взаимодействие робо-
та с внешней средой. Обычно представляет собой захватное уст-
ройство или рабочий инструмент.
Управляющее устройство промышленного робота предназна-
чено для формирования и выдачи управляющих воздействий
исполнительному устройству в соответствии с заданной про-
граммой.
Измерительное устройство промышленного робота осуществля-
ет сбор информации для управляющего устройства о состоянии
промышленного робота и внешней среды; в большинстве случаев
входит в состав управляющего устройства.
16
Устройство связи оператор-робот — блок робота, выполняющий
обмен информацией между человеком-оператором и управляющим
устройством; в ряде случаев может входить в состав управляюще-
го устройства.
Обслуживающий промышленный робот — робот, выполняющий
вспомогательные переходы или транспортные операции, например
загрузо-разгрузочный и транспортный роботы.
Операционный промышленный робот — робот, выполняющий
технологические операции или их элементы, например сварку, сбор-
ку, нанесение покрытий.
Роботизация производства — комплексное понятие, охватываю-
щее широкий круг аспектов — от создания новых технологий,
нового оборудования до разработки принципов управления и ор-
ганизации производства, в котором широко используются роботы,
а также проведение комплексных технико-экономических иссле-
дований по определению оптимальной степени универсальности
отдельных типов роботов.
Роботизированное производство — производство, в котором на
различных его стадиях в необходимом и достаточном объеме ис-
пользуются промышленные роботы и манипуляторы.
Объект роботизации — деталь, изделие, над которым произво-
дятся требуемые по технологическому процессу взаимодействия
и операции, выполняемые с помощью промышленных роботов и
манипуляторов.
Роботизированный технологический процесс — технологический
процесс, в котором в качестве основного технологического оборудо-
вания используются промышленные роботы и манипуляторы.
Роботизированный технологический участок—участок произ-
водства, на котором функционируют в комплексе основные произ-
водственные машины (автоматы, полуавтоматы, станки с ЧПУ,
сварочные агрегаты, прессовые, ковочные и литейные машины)
и промышленные роботы.
Робототехнический комплекс — совокупность основных техно-
логических машин и промышленных роботов, работающих в еди-
ном производственном цикле по обработке (изготовлению) дета-
лей и способных быстро перестраиваться на новый вид продук-
ции. В ряде случаев робототехнологические комплексы управля-
ются от ЭВМ. Соединение нескольких робототехнологических ком-
плексов в сложную развитую систему с управлением от авто-
номной или централизованной ЭВМ приводит к созданию робо-
тизированной технологической линии. Во многих случаях в состав
таких линий входят станки с ЧПУ, что позволяет создать автома-
тические линии с гибкой связью, пригодные для эксплуатации
в условиях единичного и мелкосерийного производств.
Программное управление промышленным роботом — автомати-
ческое управление исполнительным устройством промышленного
робота и функционирующим совместно с ним технологическим обо-
рудованием.
Позиционное управление промышленным роботом — вид про-
граммного управления, при котором движение исполнительного
17
устройства робота программируется по упорядоченной во времени
конечной последовательности точек рабочего пространства без
контроля движения между ними.
Контурное управление промышленным роботом — разновид-
ность программного управления, при котором движение исполни-
тельного устройства робота программируется в виде траектории в
рабочем пространстве с непрерывным контролем по скорости.
Цикловое управление промышленным роботом — подкласс по-
зиционного управления роботом, при котором последовательность
точек программируется с помощью устройств релейного типа.
Адаптивное управление промышленным роботом — вид управ-
ления, при котором непосредственно в процессе управления изме-
няется алгоритм управления в функции состояния внешней среды
н самого робота.
Групповое управление промышленными роботами — процесс
управления несколькими промышленными роботами, объединен-
ными общей системой управления (отметим, что система управ-
ления может быть реализована как на базе управляющих уст-
ройств промышленных роботов и (или) общего их управляющего
устройства, так и на базе ЭВМ).
Программа управления промышленным роботом — последова-
тельность команд, обеспечивающая заданное функционирование
промышленного робота и работающего совместно с ним техноло-
гического оборудования.
Программирование промышленного робота — процесс составле-
ния, занесения в управляющее устройство и отладки программы
управления промышленным роботом.
Обучение промышленного робота — процесс программирования
при помощи предварительного управления движением его испол-
нительного устройства человеком-оператором с занесением в уп-
равляющее устройство параметров этого движения, определяющих
программу управления.
Рабочее пространство промышленного робота — пространство,
в котором может находиться исполнительное устройство промыш-
ленного робота при его функционировании.
Рабочая зона промышленного робота — пространство, в котором
может находиться рабочий орган манипулятора промышленного
робота при его функционировании.
Базовая система координат промышленного робота — система
координат, относительно которой задаются геометрические харак-
теристики рабочей золы робота.
Число степеней подвижности промышленного робота определя-
ется числом степеней свободы кинематической цепи манипулято-
ра промышленного робота относительно базовой системы коорди-
нат, а также числом степеней свободы устройства передвижения
робота.
Номинальная грузоподъемность промышленного робота ха-
рактеризуется наибольшим значением массы предмета производ-
ства или рабочего инструмента, при котором гарантируется их
18
захватывание, удержание и обеспечение установленных эксплу-
атационных характеристик промышленного робота.
Усилие захватывания — сила воздействия захватного органа
манипулятора на захватываемый предмет.
Погрешность позиционирования рабочего органа — отклонение
позиции рабочего органа от положения, заданного программой
управления.
1.3.	Принципы построения переналаживаемых
робототехнических систем
Переналаживаемая робототехническая система (РТС) является,,
по существу, развитым робототехническим комплексом с мини-
мальным числом основного технологического оборудования и про-
мышленных роботов. Обычно РТС состоит из одного-трех стан-
ков и робота, образующих в совокупности единую систему.
Как известно, степень универсальности оборудования нераз-
рывно связана с видом производства. Для каждого из них су-
ществуют определенные нормы и требования, обусловленные осо-
бенностями основного технологического оборудования. Так, в
крупносерийном и массовом производствах широко применяется
специализированное оборудование, которое обеспечивает значи-
тельно большую производительность, чем универсальное, которое
применяется повсеместно в индивидуальном и мелкосерийном про-
изводствах. Вместе с тем для специализированного оборудования
характерна низкая эксплуатационная гибкость и пригодность толь-
ко для изменения строго определенного вида продукции. По-
этому при изменении характера производства и вида изготавлива-
емого изделия специальное оборудование зачастую приходится
снимать с производства и заменять новым, неся при этом серьез-
ные капитальные затраты.
Этими недостатками не обладает универсальное оборудование,
хотя его производительность ниже, чем специализированного.
Устранить противоречия между универсальным и специализи-
рованным оборудованием и объединить их преимущества можно
путем использования агрегатного (модульного) принципа построе-
ния оборудования. Этот принцип основан на системном подходе,
который применительно к роботизированному производству преду-
сматривает одновременное решение задач по автоматизации
производства и создание комплекса технических средств, функцио-
нально взаимодополняющих друг друга и позволяющих компоно-
вать из них широкую номенклатуру автоматизированного обору-
дования, обеспечивающего выполнение любой частной задачи.
Разработка модульно-агрегатных средств успешно может быть
выполнена на базе широкой унификации объектов производства,
типизации и групповой технологии. Последнему должны предше-
ствовать обширные подготовительные работы во всех звеньях
производства.
Модульно-агрегатные средства должны непрерывно совершен-
ствоваться, развиваться и наращивать свои универсальные воз-
19
можности увеличения числа компоновок. Это, в свою очередь, обу-
словливает получение дополнительного экономического эффекта.
Характерным примером в этом отношении является создание
единой серии ЭВМ. (ЕС ЭВМ). Значительные успехи в области
разработки агрегатных технических средств достигнуты станкоин-
струментальной промышленностью СССР — это и широкая но-
менклатура агрегатных станков, и ныне повсеместно применя-
емые переналаживаемые модульные универсально-сборные при-
способления (комплекты УСП). В настоящее время большинство
многооперационных станков, обрабатывающих центров с ЧПУ и
автоматических линий собирается из агрегатных узлов и уст-
ройств управления.
Преимущества модульно-агрегатного метода конструирования
относятся и к робототехнике. К началу 1982 г. в СССР уже со-
здано для различных целей свыше 200 моделей промышленных
роботов. Однако наблюдались случаи, когда для одних и тех же
целей создавались мало отличающиеся конструкции. Например,
в различных отраслях промышленности на операциях штамповки
успешно эксплуатируются роботы с близкими техническими ха-
рактеристиками: «Бриг», «Циклон-ЗБ», ПР-10, ПР-4, 3383 и др.
Это сопряжено с чрезмерной специализацией роботов и всеми
присущими для нее недостатками. Частично преодолеть недостат-
ки специализации, а следовательно, потери роботами в определен-
ных пределах универсализации и гибкости может система созда-
ния широкого класса роботов с разными техническими характе-
ристиками на основе одной или нескольких базовых моделей при
условии преемственности конструкций, а также унификации де-
талей, узлов и систем.
Прогрессивным решением противоречия между специализацией
и универсализацией в робототехнике является создание конструк-
тивно-унифицированных рядов промышленных роботов и модульное
построение их конструкций. Решая задачу унификации номенкла-
туры типажа промышленных роботов, их компонентов, узлов и
блоков, необходимо учитывать фактор конструктивно-технологи-
ческой совместимости роботов с обслуживаемым технологическим
•оборудованием. При этом важно учитывать и характер производ-
ства. Так, для условий мелкосерийного и индивидуального про-
изводства, где трудность изготовления изделий значительно выше,
чем в условиях массового производства, создать робототехниче-
скую систему всегда сложнее.
Модульный принцип построения промышленных роботов состо-
ит в том, что из конструктивно законченных, унифицированных
или стандартных узлов — модулей — для каждой конкретно ре-
шаемой задачи можно собрать робот или робототехническую си-
•стему, выполняющую функциональную задачу. В качестве типо-
вых модулей роботов и компонуемых из них робототехнических
-систем могут использоваться устройства подъема, подъема и по-
ворота, поворота и перемещения с устройством фиксации, пово-
рота, поворота и перемещения, вращения, качания, выдвижения,
выдвижения и вращения, горизонтального хода руки, вертикаль-
но
ного хода руки, движения кисти, элементы несущих конструкций
(корпус, основание, траверза, кронштейн) и захватных устройств.
Конструкции модулей, содержащих приводные устройства, су-
щественно различаются в зависимости от используемого в них
привода: пневматического, гидравлического, электрического и ком-
бинированного.
Тип управляющего устройства робота (цикловое, позиционное,
адаптивное, контурное, комбинированное) существенно влияет на
конструкцию модулей с приводными устройствами — в них приме-
няются различные конечные выключатели, релейные схемы, фа-
зовые, кодовые и другие чувствительные устройства.
Конструктивные варианты модулей отличаются кинематиче-
скими и силовыми характеристиками — параметрами усилий и мо-
ментов в кинематических звеньях, величинами скоростей и уско-
рений, линейных и угловых перемещений, и определяются усло-
виями их эксплуатации (степенью пылезащищенности, взрыво-
безопасностью исполнения, теплозащищенностью, пожаробезопас-
ностью и др.).
Модульный метод конструирования промышленных роботов
обусловливает следующие возможности:
1.	Потребитель по желанию может выбрать конструкцию ро-
бота оптимального типа.
2.	Существенно сокращается цикл разработка-изготовление —
внедрение робота, так как для создания нового робота использу-
ются унифицированные модули.
3.	Значительно снижаются затраты на проектирование и изго-
товление одной модели промышленного робота. Например, если
затраты на создание, отладку и изготовление одной типовой мо-
дели робота составляют в среднем 50—60 тыс. руб., то при на-
личии хотя бы 14—15 основных модулей можно скомпоновать
свыше 100 моделей роботов, стоимость каждой из которых при
этом составляет не более 5—7 тыс. руб.
4.	Обеспечивается взаимозаменяемость между гидравлически-
ми и пневматическими сервоприводами.
5.	Появляется возможность конструирования робота, скомпо-
нованного в любой системе координат (прямоугольной, цилиндри-
ческой, сферической, комбинированной) с широким диапазоном
перемещения руки, а при необходимости — с предельным упро-
щением конструкции до использования только одной или двух
координат.
6.	Расширяются области применения роботов, так как робот
модульной модификации обладает большей универсальностью
(избыточностью) по сравнению с роботами обычной конструкции,
поэтому он легко может быть перекомпонован на выполнение
различных операций.
7.	Существенно упрощается ремонт робота в процессе экс-
плуатации, а также проведение профилактических, регламентных
и контрольно-регулировочных работ. Создаются условия для раз-
работки и внедрения средств диагностики роботов в процессе их
эксплуатации.
21
Однако самое главное в использовании модульного метода
конструирования заключается в том, что он позволяет практиче-
ски реализовать идею переналаживаемых робототехнических си-
стем (РТС). Действительно, имея широкий набор стандартных
модулей, можно скомпоновать робототехнический комплекс или
робототехническую систему любой сложности. Этот путь позво-
ляет создавать агрегатизированные роботизированные линии, пред-
назначенные как для изготовления деталей, так и для комплекс-
ной сборки изделий.
Виды компоновки РТС определяются рабочей зоной манипу-
лятора, размещением в ней средств упорядочения среды (СУС),
технологического оборудования и транспорта. Оптимальные ком-
поновки РТС должны отвечать следующим требованиям: наибо-
лее простой доступ руки робота во все необходимые точки рабочей
зоны; максимум коэффициента использования рабочего простран-
ства; максимум коэффициента заполнения площади РТС.
Рассмотрим вопросы компоновки системы на примере сбороч-
ной переналаживаемой РТС. Под наиболее простым доступом
в необходимые точки рабочего пространства понимают такое раз-
мещение средств упорядочения среды, технологического и транс-
портного оборудования при заданной последовательности сборки
и выбранном манипуляторе, при котором на выполнение всех не-
обходимых операций с данной сборочной единицей будет затраче-
но наименьшее время. Одним из важнейших показателей опти-
мальной компоновки РТС являются коэффициент использования
рабочего пространства и коэффициент заполнения площади. В об-
щем случае робот выполняет следующую последовательность дви-
жений: движение захвата детали; движение от места захвата де-
тали в зону сборки; движение установки детали; движение съема
готового изделия; движение к месту укладки готового изделия, дви-
жение к месту захвата присоединяемой детали.
Траекторию перемещения захватывающего устройства робота
можно разделить на пять траекторий: перемещение в позиции
загрузки; перемещение в свободном пространстве; перемещение
в зоне сборки; перемещение в свободном пространстве; переме-
щение в зоне укладки готового изделия.
Если считать полезными все перемещения, кроме перемеще-
ний в свободном пространстве, то объем полезной части прост-
ранства робота [8]
Vn = Уп! + Упз + Уп5,
где Упь Упз, Уп5 — соответственно первая, третья и пятая рабочие
зоны, обслуживаемые роботами.
Отношение полезного объема пространства ко всему рабочему
объему пространства робота Ур.п будем называть коэффициентом
использования рабочего пространства робота:
К - v-
Ар.п — у--,
р.п
если один робот обслуживает несколько сборочных зон:
_svnl SVn3 svn5
Л р.п — -у h -р	и -у—.
р.п	р.п г р.п
22
Для оценки площади, занимаемой всем технологическим обору-
дованием как основным, так и вспомогательным, используется коэф-
фициент заполнения площади
Д- _________fn_______
Лз-П ST.o+Sp.n + SBCn’
где 5П — площадь, занимаемая всем оборудованием; ST0—площадь,
занимаемая основным технологическим оборудованием; Sp,n — пло-
щадь, занимаемая роботом; SECn — площадь, занимаемая вспомога-
тельным оборудованием.
Таким образом при проектировании РТС необходимо стре-
миться к максимизации коэффициентов использования рабочего
пространства робота и коэффициента заполнения площади РТС.
После оптимизации компоновки РТС составляют подробную
технологическую карту сборочного процесса, на основании кото-
рой строится циклограмма работы РТС и вычисляется ее произ-
водительность. Циклограмма работы РТС является основой для
синтеза электрической, пневматической и гидравлической схем
РТС.
Приведенные общие положения проиллюстрируем на примере
проектирования РТС для сборки узла ленточного тормоза (рис.
1.2). Граф сопряжений для узла тормоза представлен на рис. 1.3.
Выделение подузлов и базовых деталей проведено в соответствии
Рис. 1.3. Граф сопряжений деталей ленточного тормоза:
а - подузел корпуса; б — лодузел вала; в — подузел
рычага.
Рис. 1.4. Подузел «Корпус»
(вариант исполнения).
Рис. 1.5. Подузел «Вал»
(вариант исполнения).
с общепринятой методикой [8]. Таким образом получаем три
подузла, базовыми деталями в которых являются: корпус, поз. 1;
вал, поз. 2, рычаг, поз. 5, а базовым подузлом —• подузел корпу-
са. Из рис. 1.3 видно, что подузел корпуса и рычага нуждаются
в конструктивной доработке для возможности их сборки с по-
мощью роботов. В результате конструктивной проработки получают
новую конструкцию подузла «Корпус» (рис. 1.4) и «Вал» (рис.1.5).
Альтернативным вариантом может служить вариант, по ко-
торому вместо втулок на вал и на звездочку напыляют слой ан-
тифрикционного материала, что исключает применение втулок
6, 7. Альтернативные варианты иллюстрируют свойство размы-
тых границ подграфов, приведенных на рис. 1.3. Подграф подузла
расширен за счет соседних вершин непосредственно связанных с
ним и представляющих втулки [6, 7].
Таким образом, можно формализовано получить альтернатив-
ные варианты конструкций подузлов, ведущих и к различным
технологическим реализациям. Такая трактовка границ графов
позволяет иа стадии оценки пригодности изделия рассчитать оп-
тимальность того или иного варианта технологического процесса
и конструкции изделий формальными методами.
В рассматриваемом случае выбран вариант, показанный на
рис. 1.6. Для узла «Рычаг» (рис. 1.6) в результате внесенных
изменений получен новый конструктивный вид узла, показанный
на рис. 1.7. Граф сопряжений деталей полученного узла приведен
на рис. 1.8, откуда можно сделать вывод: узел имеет два иеза-
Рис. 1.6. Новый конструктивный вид подузла «Корпусэ (а) и поддузл*
«Вал» (б).
24
Рис. 1.7. Новый конструктивный вид уала.
Рис- 1.8. Граф сопряжений конст-
руктивного вида узла.
висимых подузла — «Корпус» и «Вал». Базовыми деталями явля-
ются соответственно корпус 1 и вал 2.
Оценка подготовленности изделия проводится по подузлам.
Например, для оценки подузла «Корпус» получаем следующие
критерии совершенства подготовленности:
т
V "iKi
т	п	—J, ‘ 1
В = v Bih, = 75; Вср = = 18,75; Кср =	---= 2,5,
z=i	9	9
где В — итоговая сумма балов степени подготовленности изделия,
определяемая суммой баллов входящих в него деталей и других
материальных элементов; В(— сумма баллов /-го материального
элемента; Вср — среднее значение баллов для материального элемен-
та; hi — число одноименных t-x материальных элементов в изделии;
q— число материальных элементов в изделии; Кср— средняя кате-
гория сложности автоматизации сборки материального элемента
изделия; Kt — категория сложности- автоматизации сборки z-го мате-
риал >нэго элемента изделия.
Создание упорядоченной среды функционирования робота из де-
талей, составляющих подузел весьма затруднительно. В связи
с этим следует снижать величины критериев совершенства до зна-
чений В = 21; Вср=10,5; Кср = 2 при условии, что установка тор-
мозной ленты проводится вручную, так как автоматизировать про-
цесс сборки (ориентацию в средствах загрузки, подачу в сбороч-
ное приспособление, взаимное ориентирование и сопряжение
с базовой деталью) тормозной леиты нецелесообразно.
Аналогично проводится оценка подготовленности для подузла
«Вал». Последовательность сборки узла осуществляется в следу-
ющем порядке:
подузел «Корпус»: установка тормозной ленты 2 вручную; ус-
тановка втулки 5 и ее раскатка в корпусе 1;
подузел «Вал»: установка на вал 1 звездочки 2; установка вин-
та
установка подузла «Вал» в подузел «корпус»; установка за-
мыкающей гайки 7.
Выбор средств упорядочения среды (СУС) осуществляется по
критериям, описанным выше, т. е. СУС для детали «Корпус»
25
у-к
Рис. 1.9. Положение деталей в
СУС.
Рис. 1.10. Компоновка РТС для сборки узла тормоза:
1 — вибробункер подачи втулки; 2 — вибробункер подачи гайки; 3 — вибробункер
подачи звездочки; 4 — вибробупкер загрузки винта; 5 — робот сборки узла «Вал»;
б —робот узловой сборки; 7 — робот сборки узла «Корпус»; 8 — раскаточная го-
ловка; 9 — кассета для детали «Корпус»; 10 — тара для готовых изделий; 11 —
позиция узловой сборки.
1 — кассета; для втулки 4— вибробункер; для детали вал 2— ка-
ссета; для звездочки 3 — вибробункер; для винта 6 — вибробункер;
для гайки 7— вибробункер.
На рис. 1.9. показаны конечные расположения деталей в СУС,
стрелки указывают поверхности базирования в СУС. Далее про-
изводят расчет схвата для корпуса, по результатам которого
проектируется клещевой схват, а также проектирование и расче-
ты схватов для остальных деталей, а затем выбор модели робо-
тов с соответствующей точностью позиционирования и грузоподъ-
емностью (например, для детали «Вал» наиболее приемлем робот
РС-3).
Выбрав модели роботов и имея характеристики средств упо-
рядочения среды (СУС), легко скомпоновать робототехнологиче-
скую систему (рис. 1.10).
1.4. Структура роботизированного производства
Современное роботизированное производство представляет собой
сложную систему, включающую в состав звенья, объединенные
в сложнейший по технологии и структуре взаимосвязей производ-
ственный процесс. Взаимосвязи между отдельными элементами
и звеньями в подобной системе носят весьма сложный характер.
По существу, в такой системе в каждой конкретной ситуации воз-
никает бесконечное многообразие быстро изменяющихся условий,
факторов и внешних воздействий, которые существенно сказыва-
ются на выполнении основной технической задачи — мешают или
способствуют достижению нужного результата.
На рис. 1.11 показана типовая структурная схема машиностро-
ительного завода, из которой видны связи отдельных звеньев про-
изводственного процесса. Для машино- и приборостроения произ-
водственный процесс состоит из трех основных фаз: заготовитель-
ной, обработочной и сборочной.
Основной объем обработки выполняется в механических цехах,
где заготовкам придается форма окончательной детали с соответ-
ствующими требованиями качества и точности поверхностей. Про-
цессы механической обработки весьма разнообразны. Это черно-
!б
- Вспомогательные цехи
1-Склады
 - Обрабатывающие
и сборочные цехи
- Заготовительные цехи
- Службы управления
производством
- Основные грузопотоки
Рис. 1.11. Структурная схема машиностроительного завода.
вне, получистовые, чистовые и финишные операции, выполняемые
на различных по функциональному назначению станках.
В промежутках между отдельными операциями механической
обработки в соответствии с требованиями технологии, а также
в целях снятия внутренних напряжений в поверхностных слоях де-
талей после механической обработки и придания деталям требу-
емых физико-механических свойств (структура материала, твер-
дость поверхностного слоя и т. п.) часть деталей поступает в тер-
мические цехи.
В сборочных цехах из готовых деталей собирают элементы
машин, узлы и собственно машины. На специальных участках
этих цехов осуществляется контроль, испытание, регулировка,
настройка, упаковка и консервация.
27
Заготовки для механообрабатывающих цехов поступают из
литейного, кузнечно-прессового и штамповочного цехов. В ряде
случаев (особенно для приборостроительных заводов) в отдель-
ный цех выделяют цех по переработке пластмасс. Изделия из
этого цеха направляются непосредственно иа сборку или (в слу-
чае необходимости) поступают на обработку в механообрабаты-
вающие цехи, а затем — на сборку.
Для приборостроительных заводов приведенная структура про-
изводства в основном сохраняется с некоторыми видоизменениями.
В составе таких заводов появляются цехи печатных плат, монтаж-
ные цехи с монтажными участками настройки и регулировки, спе-
циализированные цехи микроэлектроники и другие.
Для поддержания нормального хода производственного процес-
са кроме основных цехов в состав завода входят вспомогатель-
ные службы: инструментальные и ремонтные цехи, а также цехи
нестандартного оборудования.
Структура роботизированного производства отличается от тра-
диционной тем, что в ней во все звенья производственной системы
внедрены промышленные роботы, переналаживаемые робототех-
нические системы, робототехнологические комплексы и автомати-
ческие роботизированные линии.
Приведем примеры использования роботов в роботизирован-
ных производствах:
в литейном — для обслуживания разнообразных литейных ма-
шин (центробежного литья, литья под давлением, литья по
выплавляемым моделям), нагревательных и раздаточных печей;
роботу поручается нанесение керамического покрытия на выправ-
ляемые модели, удаление модельной массы и керамических стерж-
ней из отливок, операции обрубки литников;
в термическом — для обслуживания закалочных машин н раз-
личных печей для нагрева заготовок и деталей;
в кузнечно-прессовом—для обслуживания нагревательных пе-
чей, штамповочных и обрезных прессов и горизонталыго-ковочных
машин;
в штамповочном — для работы с обрезными прессами, пресса-
ми глубокой вытяжки, линиями универсальных штампов, пресс-
автоматами листовой штамповки, гильотинными ножницами и дру-
гим оборудованием;
в сварочном — для обслуживания сварочных машин при то-
чечной и дуговой сварке деталей, а также при сварке трением;
в гальванохимическом — для обслуживания гальванических
ванн, изготовлении печатных плат и фотошаблонов;
в малярном — для нанесения теплозащитных и лакокрасочных
покрытий методом распыления, а также при окраске деталей ме-
тодом окунания;
в механообрабатывающем — для обслуживания различных по
функциональному назначению металлорежущих станков, в том
числе полуавтоматов и станков с ЧПУ, а также для обслужива-
ния зачистных и дробеструйных установок, промывочных ванн;
28
в сборочном — для выполнения сборочных операций, не требу-
ющих решения задач выбора собираемых деталей; задача выбора
объекта сборки требует применения для технологического про-
цесса интеллектуального робота, способного к пространственно-
му восприятию и распознаванию образов;
на транспортных работах—для транспортировки различных
предметов с их ориентацией, например при операциях переноса
с конвейера на конвейер, с конвейера в тару; роботы особенно
успешно применяются при транспортировке хрупких изделий, на-
пример кинескопов, нагретых предметов — горячего стекла, раска-
ленных заготовок, ковшов с жидким металлом;
при складировании с расстановкой и укладкой деталей на
стеллажах; особенностью эти^работ является сравнительно боль-
шой набор позиций в пределах цикла — снимая предметы с од-
ного и того же места конвейера, робот размещает их в задан-
ном порядке в различные ячейки контейнера или стеллажа.
Приведенные примеры применения роботов в роботизирован-
ном производстве не исчерпывают всего многообразия их исполь-
зования. По мере совершенствования роботов сфера их примене-
ния будет расширяться, захватывать как новые, максимально
автоматизированные предприятия, так и уже сложившиеся, с уста-
новившимся технологическим процессом. Так, существующие мо-
дели промышленных роботов могут работать в составе конвейер-
ных линий только при условии замены непрерывного конвейера
на пульсирующий. Это требует серьезных изменений производ-
ственного процесса, что не всегда целесообразно. Поэтому создание
конструкций роботов, способных работать с движущимся транс-
портным устройством конвейера, позволит роботизировать беа
существенных переделок такое производство [2].
1.5. Иерархия взаимодействия человека с роботом
Иерархическая структура взаимодействия человека с роботом це-
ликом определяется системой управления. По этому признаку,
а также по функционально-структурным возможностям и целево-
му назначению роботы подразделяются на автоматические, биотех-
нические манипуляционные и интерактивные манипуляционные
[3, 10, 17].
Процесс управления действиями автоматических робо-
тов происходит без непосредственного участия человека, роль
которого ограничивается наладкой, пуском и контролем их рабо-
ты. Автоматические роботы подразделяются на три вида.
Программные роботы работают по заранее спроектированной
программе, вводимой в устройство памяти. При изменении вида
продукции в производстве и технологического процесса ее изго-
товления может быть проведена замена одной программы на
Другую.
Программные роботы — это типичные представители роботов
первого поколения. К ним относятся отечественные роботы моде-
29
лей УМ-1, «Универсал-50М», «Универсал-5», ПР-10И, ПР-10С,
ПР-35, ПР К-20, а также зарубежные роботы «Юнимейт» (США),
«Версатран» (США), «Тралфа» (США), SR-5 и SR-10 фирмы
«Синко Дэнки» (Япония) и др. [1, 4, 9, 11, 12, 16, 18].
В связи с тем, что роботы первого поколения преимуществен-
но выполняют совокупность жестко запрограммированных опера-
ций, необходимо, чтобы внешняя среда, в которой функционирует
робот, заранее была полностью известна и определенным образом
организована. Например, детали и заготовки, с которыми мани-
пулирует робот, должны быть строго ориентированы в простран-
стве и в заданном исходном положении поступать на производст-
венную позицию.
Большинство роботов первого поколения оборудовано система-
ми ЧПУ. Они запоминают и воспроизводят в автоматическом
цикле заданную управляющую программу любое число раз.
Жесткие программы в памяти робота упрощают его конструкцию
и облегчают переналадку в конкретных производственных усло-
виях.
Однако ряд операций (сборка, монтаж) ввиду их сложности не
могут быть запрограммированы жесткой программой. Для выпол-
нения этих процессов необходимы системы другого класса — адап-
тивные роботы.
Адаптивные роботы — роботы второго поколения — обладают
свойствами самообучения, адаптации к внешним условиям и боль-
шей информационной емкостью. Исполнительные руки этих робо-
тов снабжаются системой очувствления (сенсорными устройства-
ми). В качестве сенсорных устройств могут быть использованы
датчики, выдающие информацию о состоянии рук и предметов,
с которыми должен манипулировать робот, а также об условиях
среды, где происходит рабочий процесс. К ним относятся контакт-
ные датчики сигнализации прикосновения рук робота к деталям,
локационные, определяющие скорость движения и расстояние до
предмета, телевизионные и оптические системы искусственно-
го зрения, датчики усилий, моментов, цвета, температуры и
другие.
Совокупность этих датчиков позволяет роботам выполнять раз-
личные циклы операций в неполностью определенной и частично
меняющейся обстановке с адаптацией к ней, с поисковыми режи-
мами, с автоматическим наведением. Датчики очувствления пода-
ют сигналы в ЭВМ, где происходит обработка поступившей ин-
формации об условиях среды (фактической обстановке) и выра-
батываются сигналы управления, подаваемые на приводы испол-
нительных рук робота.
Интеллектуальные роботы — роботы третьего поколения, час-
то называемые интегральными, обладают элементами искусствен-
ного интеллекта. С помощью сенсорных устройств (например,
датчиков зрения, давления, температуры) они способны распозна-
вать предметы в пространстве, строить модель среды, вырабатывать
и автоматически принимать планы решения поставленных задач,
а также своих дальнейших действий, выполнять операции в распоз-
30
Рис. 1.12. Схема дистанционного командного управления биотех-
ническим роботом.
нанной обстановке, изменять свои действия с изменением ситуации,
самообучаться по мере накопления производственного опыта.
В процессе управления биотехнических манипуля-
ционных роботов непрерывно участвует человек-оператор.
Для таких систем характерно отсутствие памяти. Эти роботы имеют
три разновидности, что необходимо учитывать при технологической
подготовке производства. В основу подразделения роботов на раз-
новидности положены различные методы управления.
Командное управление — дистанционное включение исполни-
тельных приводов робота с командного пульта кнопками, тумбле-
рами, штекерами и переключателями. Процесс включения управ-
ляющих сигналов, порядок их следования и очередность подачи
в исполнительные органы робота выполняется оператором (рис.
1.12).
Рис. 1.13. Принцип копирующего биотехнического управления,
зг
Рис. 1.14. Схема управления роботом от задающего устройства типа ру-
коятки.
Копирующее управление осуществляется задающим устройст-
вом, кинематически подобным исполнительной руке робота (рис.
1.13). Это устройство может располагаться на любом расстоянии
•от исполнительной руки робота. Человек-оператор держит задаю-
щее устройство руками и передвигает его нужным образом. При
этом вырабатываются сигналы управления, которые по линиям
дистанционной связи поступают на исполнительные руки манипу-
лятора, которые в последующем режиме отрабатывают все необ-
ходимые перемещения, точно копируя движения рук оператора.
Такие системы роботов обычно работают в экстремальных усло-
виях.
Полуавтоматическое управление характеризуется тем, что
человек-оператор, нажимая на управляющую рукоятку с нес-
колькими степенями свободы, задает тем самым с помощью
дистанционных средств необходимые перемещения руке робота
(рис. 1.14). По сигналу от управляющей рукоятки ЭВМ формиру-
ет п выдает необходимую сумму сигналов для исполнительных при-
водов руки робота, обеспечивая ей подвижность так, чтобы реали-
зовалось задаваемое оператором движение.
Основная особенность интерактивных манипуляци-
онных роботов — частичное участие человека в процессе уп-
равления, выражающееся в различных формах взаимодействия
оператора с ЭВМ. Различают три вида управления.
Автоматизированное управление, которое означает чередова-
ние в определенной последовательности полностью автоматических
и биотехнических режимов управления. В таком сочетании весь
цикл операций расчленяется на составные части, причем те из
них, на реализацию которых рассчитан данный робот, выполня-
ются автоматически, а остальные в биотехническом режиме. Опе-
ратор выбирает последовательность включения автоматических
режимов и длительности следования ручного биотехнического уп-
равления. Независимо от сочетания во всех случаях использует-
ся ЭВМ.
з;
Супервизорное управление характеризуется тем, что все части
заданного цикла операций выполняются роботами отдельно авто-
матически. Переход от одной части операции к другой произво-
дится оператором подачей команд целеуказания с помощью
рукоятки, световым пером на экране дисплея или другим спо-
собом.
Диалоговое управление, особенностью которого является то,
что робот становится творческим партнером человека, является
высшей степенью автоматизации робототехники. Режим работы
предусматривает автоматическое выполнение роботом операций
по частям в сочетании с большим разнообразием обшения чело-
века-оператора и ЭВМ в процессе управления (рис. 1.15). В дан-
ном случае значительно уменьшается зависимость от предвари-
тельно составленных программ, а робот участвует в формулировке
задач по достижению цели.
1.6. Прогнозирование распределения роботов
по видам производства
В нашей стране в 1981 —1985 гг. вводятся в действие мощности по
производству промышленных роботов в объеме 10 000 шт. в год
с последующим доведением выпуска на специализированных за-
водах до уровня 15 000 шт. в год. Причем предполагается созда-
ние и освоение производства унифицированных модулей
промышленных роботов и основанных на них базовых мо-
делей, а также создание типовых роботизированных технологи-
ческих комплексов для основных видов производственных про-
цессов.
Действующие роботы первого и второго поколений — наиболее
надежные машины для выполнения различных технологических
операций. Расчетный срок их службы составляет 40 000 ч.
2 4-251
33
В дальнейшем будет значительно возрастать универсализация
роботов за счет агрегатного исполнения и увеличения объема па-
мяти для программ (до 1024 движений) и оснащения роботов
комплектами сменных захватов.
В основном стабильна оценка компоновки и конструктивного
исполнения роботов второго поколения. Отличительные особеннос-
ти этих роботов—повышенная маневренность за счет увеличения
числа подвижности (до шести и больше), возможность хранения
в запоминающем устройстве значительно большего количества
сложных программ. Ряд модификаций роботов второго поколения
снабжен адаптивными устройствами и средствами сигнализации
о состоянии внешней среды. Применяется кассетный метод запи-
си программ на перфолентах и магнитных лентах, предполагает-
ся создание систем, обладающих органами очувствления, уни-
версальностью движений захватных элементов, управляемых от
быстропереналаживаемых программирующих устройств, а в ряде
случаев — от ЭВМ.
Работы третьего поколения, оборудованные ЭВМ, могут са-
мостоятельно координировать свои действия со зрительным вос-
приятием формы, размеров и положения захватываемых предме-
тов. Характерное их свойство — способность к адаптивному пере-
программированию. При достигнутом уровне технологии и обо-
рудования необходимость в создании сложных интеллектуальных
роботов может отпасть, и они окажутся полезными только в не-
которых видах производства, если в самом развитии технологии
не произойдет каких-либо решительных изменений. Поэтому в
ближайшее время основными типами роботов, используемых в
промышленности, будут роботы первого, а в ряде случаев — вто-
рого поколения (табл. 1.1) [71.
Таблица 1.1. Перспективы реализации
промышленных роботов
Реализация, %
Поколения роботов	!	1980 г.	1985 г.
Первое	89,0	59,0
Второе	10,5	40,0
Третье	0,5	1,0
В области управления наблюдается тенденция к использова-
нию микро-ЭВМ для систем локального управления и мини-ЭВМ
для группового управления промышленными роботами и обслужи-
вания робототехнических комплексов. Особое развитие получат ра-
боты по созданию сборочных переналаживаемых робототехноло-
гических комплексов (РТК). Развитие сборочных РТК будет осу-
ществляться наращиванием иерархической композиции от робо-
тизации отдельных технологических позиций к комплексно робо-
тизированному производству с объединением локальных систем
34
Рис. 1.16. Развитие структур робототехнологических комплексов.
управления позициями, участками и линиями в систему управле-
ния от ЭВМ (рис. 1.16).
*9.7. Классификация промышленных роботов
В табл. 1.2 приведена классификация промышленных роботов
согласно ГОСТ 25685—83 «Роботы промышленные. Классифика-
ция».
Большинство современных промышленных роботов имеет один
манипулятор. Однако существуют роботы с двумя манипулятора-
ми— «Циклон-5.01», «Ритм-05.01», РФ-203М, ПР-5, «ВЭФ-Робот-
1», РПП-76 и МПУ-20. Ряд роботов выпускается в модификациях
как с одной рукой, так и с двумя («Циклон-3.01», РКТБ-2,
РКТБ-3, РКТБ-6, 7605).
По степени специализации функций различают:
универсальные роботы, предназначенные для выполнения не-
скольких операций на различном по технологическому назначе-
нию оборудовании;
специальные роботы, предназначенные для выполнения ка-
кой-либо технологической операции с определенным типом дета-
лей;
специализированные роботы, которые предназначены для вы-
полнения строго определенной операции одного вида.
К группе обслуживающих роботов относятся роботы, выпол-
няющие загрузочно-разгрузочные, транспортные и складские
операции, операционные (технологические) роботы—сварочные,
окрасочные, сборочные и другие.
2*	35
Таблица 1.2. Классификация промышленных роботов
Признак промышленного робота	Расшифровка характеристик и наименований робота по данному признаку
Класе сложности выпол- няемых задач (поколение)	Программные (1-е поколение) Адаптивные (2-е поколение) Интеллектуальные (3-е поколение)
Степень специализации функций	Универе альные Специальные Специализированные
Характер выполняемых операций Возможность передвиже- ния Способ установки на ра- бочем месте	Обслуживающие Операционные (технологические) Стационарные Подвижные Напольные Подвесные Встроенные
Количество манипулято- ров	С одним, двумя и более манипуляторами: с раздель- ными приводами и управлением, с раздельными при- водами, с зависимым управлением (по одной, двум и более степеням подвижности), с общими приводами (по одной, двум и более степеням подвижности)
Число степеней подвиж- ности Тип рабочей зоны мани- пулятора	С двумя, тремя, четырьмя и более степенями подвиж- ности манипулятора С рабочей зоной на плоскости на поверхности в форме параллелепипеда
Вид системы координат	Сферическая Цилиндрическая Прямоугольная Комбинированная
Г рузоподъемиость мани- пулятора	Сверхлегкие — до 1 кг Легкие — 1—10 кг Средние — 10—200 кг Тяжелые 200— 1000 кг Сверхтяжелые — сверх 1000 кг
Виды приводов манипу- лятора и устройства пе- редвижения	Пневматический Гидравлический Электромеханический С комбинированным приводом
По способу управления	С программным управлением: цикловым позиционным контурным С адаптивным управлением: позиционным коитуриым
По числу совместно уп- равляемых- роботов Класс точности	С индивидуальным управлением С групповым управлением С точностью позиционирования 0, 1, 2, 3, По классу 0, 1, 2, 3
Тип используемых сигна- лов в системе управления	Аналоговые Цифровые Цифро-аналоговые
Тип программоноси гелей памяти	Электромеханическая Магнитная
36
Продолжение табл. 1.2
Признак промышленного робота	Расшифровка характеристик и наименований робота по данному признаку
Способ программирования. Тип исполнения	Электронная Комбинированная Внешнее программирование Обучение Комбинированное Нормальное Пылезащитное Теплозащитное Взрывобезопасное
Сверхлегкие роботы с грузоподъемностью до 1 кг применя-
ются в электронной промышленности, а также в приборострое-
нии и радиопромышленности. Легкие роботы, предназначенные
для работы с перемещаемыми изделиями и орудиями труда мас-
сой 1 —10 кг применяются в приборо- и машиностроении. Роботы
средней грузоподъемности (10—200 кг) в основном используют-
ся в машиностроении. Роботы тяжелой (200—1000 кг) и сверх-
тяжелой (свыше 1000 кг) грузоподъемности предназначены для
автоматизации технологических процессов в отраслях тяжелого
машиностроения.
Одной из наиболее важных характеристик роботов является
класс точности, определяемый по относительной погрешности по-
зиционирования или воспроизведения траектории (табл. 1.3).
Таблица 1.3. Классы точности промышленных роботов
Класс точности позиционирования или воспроизведения траектории	Относительная погрешность позиционирования или воспроизведения траектории, %
0	До 0,01
1	0,01—0,05
2	0,05—0,1
3	Свыше 0,1
Относительная погрешность позиционирования схвата — это
величина, характеризующая точность роботов с позиционным
управлением и равная отношению абсолютной ошибки переме-
щения схвата в заданную программой точку рабочей зоны об-
служивания к минимальному расстоянию от оси ближайшей к
минимальному расстоянию от оси ближайшей к основанию ро-
бота кинематической пары до границы рабочей зоны, выражен-
ная в процентах.
Относительная погрешность воспроизведения траектории —
это величина, характеризующая точность роботов с контурным
управлением и равная отношению максимальной абсолютной
ошибки перемещения схвата по траектории в пределах рабочей
зоны обслуживания к максимальному расстоянию от оси бли-
жайшей к основанию робота кинематической пары до границы
рабочей зоны, выраженная в процентах.
37
Одним из классификационных признаков является способ
программирования.
При внешнем программировании промышленных роботов уп-
равляющая программа рассчитывается аналитически, готовится
с помощью ЭВМ и вводится в робот.
При программировании в режиме обучения осуществляют тем
или иным способом перемещение манипулятора с запоминанием
роботом всех перемещений. В данном режиме обучение робота
может выполняться вручную, когда перемещение манипулятора
осуществляют вручную, полуавтоматически — при перемещении
от пульта управления, и автоматизированно — с применением
ЭВМ, режима диалога и языков программирования.
Роботы могут работать по жесткой и гибкой программам.
При этом системы управления ПР, работающими по жесткой
программе, разделяются на цикловые, позиционные и контур-
ные (см. табл. 1.2). В органах управления применяются разно-
образные программоносители — штекерные панели и барабаны,
перфоленты, магнитные барабаны, а также кассеты с магнитной
лентой.
Список литературы
1.	Белянин П. Н. Промышленные работы.— М.: Машиностроение, 1975.— 400 с.
2.	Гавриш А. ПВоронец Б. М. Роботизированные механообрабатывающие
комплексы машиностроительного производства.— К.: Техшка, 1984.—212 с.
3.	Гавриш А. П„ Ефремов А. И. Автоматизация технологической подготовки
машиностроительного производства.—К.: Техн1ка, 1982.— 212 с.
4.	Игнатьев М. Б., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управления
роботами-манипуляторами.— Л.: Машиностроение, 1977.— 2а0 с.
5.	Козырев Ю. Г. Промышленные роботы.— М.: Машиностроение, 1983.— 376 с.
6.	Костюк В, И., Ямпольский Л. С., Иваненко И. Б. Промышленные роботы
в сборочном производстве.— К.'- Техшка, 1983.— 184 с.
7.	Костюк В. И., Ямпольский Л. С., Карлов А. Г. Промышленные роботы и
их применение.— К.: изд. «Знание» УССР, 1980.—64 а.
8.	Кривошеев А. В., Орлюк В. А. Применение роботов в сборочном производ-
стве.— К.: изд. «Знание» УССР, 1982.— 24 с.
9.	Кузнецов М. /И., Волчкевич Л. И., Залечалов Ю. П, Автоматизация произ-
водственных процессов.— М.: Высшая школа, 1978,—-432 е.
10.	Попов Е. П„ Верещагин А. Ф„ Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы:
динамика и алгоритмы.— М.: Наука, 1978.— 400 с.
11.	Пособие по применению промышленных роботов/ Под ред. Капухико Нода;
Пер. с яп. В. В. Потуловой.—М.: Мир, 1975.— 451 с.
12.	Сафраган Р. Э., Кузнецов Ю. И„ Гончаренко Б. А. Технологическая подго-
товка производства для применения станков е ЧПУ.—К.: Техижа, 1981.—
240 с.
13.	Системы управления промышленными роботами и манипуляторами/ Под ред.
Е. И.	ревича.— Л.: Изд-во ЛГУ, 1980.—184 с.
14.	Управление роботами от ЭВМ/ Под ред. Е. И. Юревича.— Л.: Энергия,
1980.— 264 е.
15.	Устройство промышленных роботов.— Л.: Машиностроение, 1980.— 333 с.
16.	Штейнберг Я- И. Промышленные роботы в машиностроении.—М.: Машино-
строение, 1977.— 64 с.
17.	Ямпольский Л. С. Принципы построения сборочных роботизированных техно-
логических комплексов.—К.: изд. «Знание» УССР, 1980.—24 с.
18.	Яне Д. Ф. Робототехника.—Л.: Машиностроение, 1979.—304 с.
19.	Артоболевский Н. И., Кобринский А. Е. Роботы.—Машиноведение, 1970,
№ 5, с. 3—11.
38
20.	Царенко В. И. Показатели эффективности использования автоматических ма-
нипуляторов.— Механизация и автоматизация производству 1980, № 2,
с. 30—31.
21.	ГОСТ 25685—83, ГОСТ 25686—83. Роботы промышленные. Термины и опре-
деления. Классификация.— Введ. 01.01.84.
ГЛАВА 2
Механика промышленных роботов
2.1.	Принципы построения и конструкция роботов
Как известно, для перемещения тела в пространстве и для его про-
извольной ориентации механизм перемещения должен иметь не
менее шести степеней подвижности: три — для осуществления
транспортных (переносных) движений и три — для ориентирующих
движений. Так, человеческая рука имеет от предплечья до фалан-
тов пальцев 22 степени подвижности, что и предопределяет уни-
версальные возможности человека при выполнении им производ-
ственных функций. Однако, как следует из рис. 2.1, а, вся совокуп-
ность движений кинематических звеньев руки человека сводится
к транспортным (переносным) движениям X, U, Z в декартовой
системе координат, а также к ориентирующим движениям аж, ау,
az в сферической системе координат. Поэтому эквивалентом че-
ловеческой руки может явиться механизм, представленный на рис.
2.1, б, имеющий ту же совокупность движений, к которой в общем
случае сводятся движения человеческой руки. Этот механизм
является ничем иным, как механизмом промышленного робота
с шестью основными степенями подвижности X, U, Z, ах, av, az,
а также с седьмой степенью подвижности, обеспечивающей дви-
жение губок захватного устройства.
Кинематическая структура промышленных роботов и их двига-
тельные возможности определяются видом и последовательностью
расположения кинематических пар. В свою очередь, требуемый ха-
рактер движения рабочих органов промышленных роботов при
выполнении вспомогательных и технологических операций и
Рве. 2.1. К иллюстрации транспортных и ориентирующих движений руки
человека (а) и промышленного робота (6).
39
переходов определяется производственными условиями. При этом
различают глобальные, региональные и локальные движения.
Глобальные движения — перемещения на расстояния, пре-
вышающие размеры самого робота, если производственные условия
требуют обслуживания протяженных технологических объектов
(линий). Возможность совершать глобальные движения определяет
мобильность робота, и для реализации их робот снабжается по-
движным основанием', в противном случае робот стационарен.
Региональные движения — перемещения рабочих органов ПР
в различные зоны рабочего пространства, определяемого размерами
кинематических звеньев стационарных роботов, причем определяю-
щими конфигурацию и размеры рабочего пространства робота и его
маневренность являются звенья кинематики руки. Региональные
движения относятся, таким образом, к внутриоперационным
движениям.
К локальным движениям рабочих органов принято относить пе-
ремещения, соизмеримые сих размерами, главным образом, ориен-
тирующие и транспортные возможности кисти, за счет которых
обеспечиваются ориентация объектов, их установочные (точные)
перемещения, движения губок, т. е. технологические движения.
При создании роботов, копирующих физические функции руки,
приходится учитывать наличие звеньев, обеспечивающих совокуп-
ность движений, а также вид и последовательность их расположе-
ния в структуре.
В зависимости от используемых видов кинематических пар в
структуре промышленного робота обеспечиваются поступательные,
вращательные и комбинированные группы движений, причем число
комбинаций пар обеспечивает 60 совокупностей индексов подвижно-
сти, а следовательно, 60 типов структур промышленных роботов.
Вместе с тем число их кинематических структур намного больше,
так как оно определяется не только количеством кинематических
пар, но и последовательностью их расположения [5]. В этом случае
индекс подвижности имеет направленный граф, например для ком-
поновки, представленной на рис. 2.1, б, структура может быть опи-
сана последовательностью Y — аг —Z — X — ах — ау. Для послед-
Рис. 2.2. Структуры кинематических пар пятого порядка*.
а — поступательной П; б. <9 — ротационной Рд ; в, е — ротационных р ; г — сочетанием
поступательного и ротационного движений.
40
Рис. 2.3. Рабочие сочетания кинематических пар в промышленных роботах в различных
системах координат:
а — прямоугольной; б — цилиндрической; в, г — сферической.
ней конструктивная реализация предусматривает подвижное осно-
вание (У), на которое установлена вращающаяся стойка (az), обес-
печивающая подъем (Z) руки (X) робота. В свою очередь, рука
заканчивается приводом поворота (ах) кисти и качания (ау) за-
хватного устройства.
Таким образом, использование кинематических пар пятого клас-
са— поступательных П (рис. 2.2, а) и ротационных Рк — с осью
вращения, параллельной оси звеньев кинематической пары Ра
(рис. 2.2, б, д), а также с осью вращения, перпендикулярной оси
одного из звеньев пары Рк (рис. 2.2, в, е) в сочетании с теми или
иными требуемыми группами движения, дают возможность созда-
вать промышленные роботы с необходимыми рабочими зонами
функционирования и работающими в определенной заданной си-
стеме координат (рис. 2, г). Важно подчеркнуть, что не всякая
структура разомкнутой цепи, содержащая три и более кинемати-
ческих пар пятого класса, обеспечивается механизмом, схема ко-
торого удовлетворяет, например, одному из следующих условий
[4]: имеются три поступательные пары, оси которых непараллель-
ны (взаимно перпендикулярны) (рис. 2.3, а); имеются две посту-
пательные пары с непараллельными (перпендикулярными) осями
и ротационная пара, ось которой неперпендикулярна плоскости,
образованной направлениями осей поступательных пар (рис. 2.3,6);
имеются две ротационные пары, оси которых непараллельны (пер-
пендикулярны), и одна поступательная пара (рис. 2.3, в); имеются
две ротационные пары с параллельными осями и одна ротаци-
онная пара с осью, непараллельной осям двух других пар (рис.
2.3, г). Таким образом, возможна реализация четырех различных
схем ПР, работающих, соответственно, в прямоугольной, цилин-
дрической, сферической с рабочей зоной в виде полой сферы и
сферической с рабочей зоной в виде сплошной сферы.
Если предположить, что ПР по четырем схемам обладают срав-
нимыми параметрами, например имеют равную грузоподъемность,
угол поворота 0—360° и линейное перемещение в пределах 0—1
отн. ед., то из них ПР со схемой с тремя ротационными парами
обеспечивает наибольшую рабочую зону. Вместе с тем промышлен-
ные роботы, имеющие компоновку по схеме с ротационным парами,
41
обладают наименьшей точностью позиционирования рабочих ор-
ганов, составляющую 0,6—0,7 точности ПР, работающих в прямо-
угольной системе координат и имеющих только поступательные
пары (для сравнения — роботы с компоновкой, обеспечивающей
работу в цилиндрической системе координат, имеют точность 0,8—
0,85 точности прямоугольной). Это обусловлено тем обстоятель-
ством, что при ротации условия соблюдения передаточного отно-
шения оказываются наиболее неблагоприятными и изменяются с
вылетом руки. Это обстоятельство необходимо учитывать при вы-
боре манипуляционной системы промышленного робота, выполнен-
ной в той или иной системе координат.
При сборке механизмов манипуляторов из-за неточностей в раз-
мерах деталей в кинематических парах возникают зазоры, вызы-
вающие отклонения между требуемой и действительной величинами
перемещений. Такие зазоры подразделяются на основные (началь-
ные), характерные для нового механизма, и зазоры износа, возни-
кающие в процессе эксплуатации. Следовательно, даже перед на-
чалом движения каждая кинематическая пара обусловливает неко-
торое отклонение или ошибку между предполагаемым и действитель-
ным положением выходного звена. При наличии нескольких кине-
матических пар общая ошибка будет определяться геометрической
суммой ошибок перемещений по отдельным координатам, измерен-
ным в точке позиционирования рабочего органа ПР. Поэтому пря-
моугольная система в устройствах позиционирования предпочти-
тельнее в специализированных промышленных роботах, выполняю-
щих, в частности, сборочные операции, где существенное значение
имеют простота представления полного движения его составляю-
щими по координатам с удовлетворением требований по точности.
Наибольшее распространение среди промышленных роботов для
целей транспортирования, переадресования, обслуживания техноло-
гического оборудования получила компоновка в цилиндрических
координатах.
Применение сферической системы позиционирования позволя-
ет сочетать компактность и повышенную жесткость с высокими
динамическими нагрузками.
Каждый вариант кинематической структуры в соответствующей
системе координат иллюстрируется конфигурацией рабочей зоны,
обслуживаемой ПР. В пределах этого пространства рука робота
может вывести захватное устройство в любую точку. Возникающие
при этом ограничения угловых и линейных перемещений в парах,
вызванные особенностями конструктивного оформления ПР, обус-
ловливают запретные зоны, в которые захватное устройство не может
быть введено. На рис. 2.4 приведена геометрия рабочих зон для про-
мышленных роботов, работающих в различных системах координат.
Геометрические характеристики, число степеней подвижности и спо-
соб установки на рабочем месте являются исходными данными при
разработке компоновочных схем и планировок робототехнологиче-
ских комплексов. В целом рабочая зона характеризуется следую-
щими параметрами ее геометрии: а — высота основания робота; в —
ширина основания; L — крайнее нижнее положение руки; G — край-
42
Рис. 2.4. Геометрия рабочих зон в различных системах координат:
а — прямоугольной; б — цилиндрической; в, г — сферической.
нее верхнее положение руки; А — положение максимально выдвину-
той руки; В — исходное положение руки; С — величина хода (вы-
лета) руки; К — величина подъема руки; Е — крайнее верхнее по-
ложение захватного устройства; г — радиус качания захвата; Q—
крайнее нижнее положение захватного устройства; а — максималь-
ный угол поворота (ротации руки) колонны.
Возможные конфигурации рабочих зон ПР отличаются большим
разнообразием и определяются как сочетанием пар пятого класса,
так и их последовательностью расположения и не ограничиваются
приведенными на рис. 2.3 вариантами. Например, на рис. 2.5 пред-
ставлены кинематические структуры манипуляционных систем ПР,
состоящие из различных сочетаний и последовательностей соедине-
ния пар пятого класса, а для возможного их сопоставления, кине-
матические структуры разбиты по условиям наличия ротационных
Р и поступательных П пар [4]- В пределах рабочих зон, обеспечи-
ваемых соответствующей реализацией кинематической структуры,
рабочие органы ПР могут быть выведены в любую точку, причем
объем рабочих зон может изменяться в зависимости от размеров
звеньев и углов между осями кинематических пар. Это обстоятель-
ство следует учитывать при выборе кинематической структуры ма-
нипуляционной системы ПР при наложении ограничений, вытекаю-
щих из условий его эксплуатации. Анализ возможных вариантов
43
Рис. 2.5. Кинематические структуры маниауляциоввых систем промышленных роботов.
кинематических структур позволяет сделать следующие три важных
вывода:
количество возможных вариантов уменьшается с уменьшением
числа ротационных пар;
наличием у отдельных структур «двузначности», т. е. возможно-
сти работы в труднодоступных («теневых») зонах, что имеет важ-
ное значение при выборе компоновки манипуляционной системы,
обеспечивающей обход препятствий; этим свойством обладают
структуры с двумя ротационными парами и параллельными осями,
а также структуры с поступательной и ротационной парами с взаим-
но перпендикулярными осями (ротационная пара следует перед по-
ступательной) ;
задача произвольной ориентации объекта обеспечивается струк-
турами, имеющими три ротационных пары, оси которых последо-
вательно развернуты на 90°.
В процессе манипулирования наибольший интерес представляет
характер взаимодействия между рабочим органом ПР и объектом
производства. Поэтому основной задачей является описание движе-
ния рабочих органов ПР в области рабочей зоны при необходимости
переноса объекта из одной ее точки в другую. В качестве исходной
точки принимают точку S рабочего органа манипулирующей систе-
мы, расположенную на его оси симметрии (рис. 2.6). Состояние
манипулирующей системы определяется при этом положением ру-
ки, а следовательно, вектором г, исходящим из основания ПР до
точки S рабочего органа. Таким образом, началом вектора г явля-
ется неподвижная система координат XYZ, а его окончанием —
вторая подвижная ортогональная система координат X'Y'Z', опре-
деляющая ориентацию руки. Вектор г и положение подвижных
координат устанавливаются положением осей подвижных звеньев
манипуляционной системы. Устанавливая соответствие во време-
ни между указанными системами координат, получают математи-
ческое описание движения рабочих органов ПР. Для представлен-
ной на рис. 2.6 структуры ПР вектор
г = г (X', У, Z') = f(a, <р, S3, 0, у, р, bi, b2, &3),
где а, <р, S3, 0, у, Р — координаты руки; bi, fe, b3 — постоянные
составляющие руки (линейные размеры звеньев руки в исходном
состоянии); X", У', Z' — переменные координаты руки.
Так, в структуре ПР с прямоугольной системой координат (см.
рис. 2.3, а) траектория S| S2 обеспечивается за счет совокуп-
ности линейных приращений ДХ, ДУ, Д2 по соответствующим ко-
ординатам и определяется выражением
S) — S3 = У ДХ2 + ДУ2 + AZ~;
в сферической (полой) системе координат (см. рис. 2.3, в):
•$1 — S?= R У [cos (а,, + Да„) cos (а, -[- Да,) — cos av - cos а2]2 -f-
+ [cos (a.1, + Да^) • sin (a2 4~ ^a2) — COS • Sin a2]2;
45
Рис. 2.6. Геометрическая интерпретация
манипуляционной системы промышленного
робота.
Рис. 2.7. Кинематическая компоновка
промышленных роботов с обслужива-
нием труднодоступных участков рабо-
чих зон.
в сферической (сплошной) системе координат (см. рис. 2.3, г):
; - ад = /2 (R2 + R  &R) sin2^ + Д7?2
при
аг = О, 1У = 0, Даг = Дау = Да;
в цилиндрической системе координат (см. рис. 2.3, б):
ад = /ад?2 + (1 - cos Да) (Я • Д7? + 7?2)]
при
а2 = О, Z\ = Z — О, Д2 = Д7?, Даг/ = Даг=Да,
где R — вылет руки в исходном состоянии; Д/? — выдвижение руки;
а^, аг — исходные угловые положения руки по соответствующим
координатам; Дау, Даг — угловые перемещения руки по соответст-
вующей координате.
Выбор варианта кинематической схемы манипуляционной систе-
мы ПР определяется конкретными условиями и требованиями. Во-
первых, она должна обеспечить достаточную степень универсаль-
ности функционирования робота с учетом операций, которые ему
предстоит выполнять во внешней среде. Во-вторых, должны быть
обеспечены наибольшая простота конструкции манипуляционной
системы, удобство обслуживания и наименьшие затраты на изготов-
ление и эксплуатацию. Однако прежде всего манипуляционная си-
стема робота должна обеспечивать выведение рабочих органов ро-
бота в любую точку заданной рабочей зоны с требуемой точностью
и допускать при этом необходимую угловую ориентацию рабочего
органа в этих точках. В общем случае, как это было показано выше,
выполнение транспортных (переносных) и ориентирующих движе-
ний требует как минимум шести степеней подвижности, т. е. Л1>6,
а с учетом подвижности R губок захватных устройств общее число
46
к степеней подвижности К<М + N. Иногда для придания мани-
пуляционной системе большей маневренности, вызванной требова-
ниями обхода препятствий в рабочей зоне, обслуживания трудно-
доступных («теневых») участков зоны, используется избыточная
структура с числом степеней подвижности K>M + N. Как правило,
при этом прибегают к компоновкам ПР, работающим в сфериче-
ской системе координат (рис. 2.7, К=8+1). Таким образом, прак-
тическая потребность диктует необходимость создания манипуля-
ционных систем промышленных роботов с избыточными степенями
подвижности, хотя это требование противоречит условиям обеспече-
ния максимальной точности и простоты конструкции.
Все параметры, влияющие на объем и конфигурацию рабочей
зоны, устанавливают исходя из особенностей согласования промыш-
ленного робота с конкретным технологическим оборудованием и сте-
пенью подготовленности рабочей среды. С этой позиции определен-
ными преимуществами обладают агрегатные конструкции, так как
их использование позволяет сократить сроки проектирования, сни-
зить затраты на разработку и внедрение ПР, комплектуемых из
унифицированных модулей, а также облегчить обслуживание аг-
регатных ПР в процессе эксплуатации. Кроме того, сокращаются
сроки перехода на выпуск новой продукции в случае создания
робототехнических систем на базе ПР с унифицированными моду-
лями, так как в этих случаях повышается гибкость системы в це-
лом, а необходимость в установке нового ПР заменяется переком-
поновкой последнего.
Анализ возможных компоновок ПР позволяет обосновать обоб-
щенную структуру манипуляционной системы робота, состоящую из
следующих основных элементов (модулей): основания; колонны
(стойки), крепящейся к основанию; руки (рук), крепящейся к ко-
лонне; кисти, укрепленной круке; технологических механизмов (мо-
дулей), крепящихся к кисти; захватного устройства (рабочего орга-
на для технологических ПР), крепящегося к технологическому ме-
ханизму. Для подвижных ПР добавляются такие модули: направ-
ляющие и тележка (в обоих случаях для напольного или подвес-
ного исполнения). При этом требование быстрой переналаживаемо-
сти (перекомпоновки) обусловливает необходимость наличия уни-
фицированных элементов сопряжения в соединениях рука — кисть—
технологический механизм — захватное устройство (рабочий орган)
как для смены модуля, так и для изменения структуры путем
изъятия из приведенной выше цепочки соединения промежуточных
элементов, не требующихся в конкретной производственной ситуации.
Одним из направлений развития промышленных роботов являет-
ся использование принципа агрегатирования, при котором манипу-
ляционные, информационные и управляющие системы комплектуют-
ся из модулей. Таким образом, робот представляет совокупность
(систему) конструктивных или функциональных модулей. Под кон-
структивным модулем понимают функционально и конструктивно
независимую единицу, которая может использоваться индивидуаль-
но и в различных комбинациях с другими модулями [8]. Каждый
модуль представляет собой законченный машинный агрегат,
47
/
Ряс. 2.8. Унифицированные модули манипуляционной системы промышленных робо-
тов.
содержащий как обычные приводные устройства и механизмы, так
и энергетические и информационные коммуникации. Модуль мо-
жет обеспечивать одну или несколько степеней подвижности ро-
бота.
Модульный принцип построения промышленных роботов изобра-
жен на рис- 2.8, где приведена система модулей отечественного ро-
бота РПМ-25, которая включает: два транспортных модуля гло-
бальных (межпозиционных) перемещений — напольного Тн и под-
весного Тп исполнения; шесть модулей региональных перенос-
ных движений — поперечного сдвига С, подъема П, качания К,
вращательных перемещений В, двойного качания Д и радиального
хода РХ; три модуля локальных ориентирующих движений — с одной
Р1, двумя Р2 и тремя РЗ степенями подвижности. Кроме того, в си-
стему входят модуль неподвижного основания Н, а также операцион-
48
ные модули с захватными устройствами ЗУ1, ЗУ2 и ЗУС — одинар-
ный, двойной и с поперечным сдвигом. Возможные комбинации
стыковки модулей показаны на рис. 2.8 направленными связями.
В частности, комбинация из трех модулей прямолинейного переме-
щения позволяет получить компоновку робота РПМ-25, работаю-
щего в декартовой системе координат, использование модуля враще-
ния В — компоновку с обслуживанием рабочей зоны в цилиндриче-
ской системе координат, использование модулей качания К и двой-
ного качания Д — соответственно компоновки в сферической системе
координат и антропоморфной шарнирной структуры.
Комбинаторика возможных сочетаний модулей, представляющих,
практический интерес, содержит 50 вариантов компоновок с одним
элементом ориентирующих движений Р. При учете возможности
применения всех представленных в наборе модулей рук число ва-
риантов возрастает до 150.
Конструктивные особенности модулей таковы: модули прямоли-
нейных перемещений С, П и РХ выполнены на основе планетарных
роликовых винтовых передач качания, отличающихся от обычных
шариковых винтовых передач более высокой жесткостью и несущей
способностью, а также возможностью работы с более высокой час-
тотой вращения (что особенно важно для роботов с электроприво-
дами). В качестве направляющих в модулях С и П применяются
цилиндрические скалки с шариковыми сепараторами, в модуле РХ
используются роликовые направляющие, закрепленные в базовом
корпусе, по которым перемещается подвижное звено модуля, что
обеспечивает компактность и легкость конструкции модулей. В мо-
дуле П обеспечивается частичная разгрузка за счет использования
вертикального телескопического пневмоцилиндра- Для повышения
безопасности работы в модулях П и РХ применены самотормозя-
щиеся муфты дискового типа. В модулях с вращательным движе-
нием, а также в модулях Тв и Та используются комбинированные
червячно-зубчатые редукторы. Червячная ступень редуктора обес-
печивает бесшумность работы при высоких оборотах двигателя и во-
зможность самоторможения в необходимых случаях (в модулях В
и Р применяются четырехзаходные червяки). В ступени редуктора
с зубчатым зацеплением элементов используются безлюфтовые пе-
редачи по принципу замкнутого энергетического потока. При этом
передаточное число второй ступени редуктора с зубчатым зацепле-
нием выбирается из условий обеспечения минимальной величины
максимального люфта в червячной передаче, приведенного к испол-
нительному звену. Это минимальное значение не должно превышать
Дискретности применяемого датчика обратной связи, и таким обра-
зом не будет оказывать влияния на точность работы механизма
в целом.
В модуле двойного качания Д используются раздельные инди-
видуальные приводы для каждой из степеней подвижности, причем
в качестве первой ступени редукции используется однозаходная
червячная самотормозящая передача. Кинематические связи в этом
модуле подобраны таким образом, что при работе двигателя кача-
ния первого исполнительного звена (второй двигатель заторможен)
4Э
Та блица 2.1. Технические характеристики основных движений робота РПМ-23	1 	Точность позицпрования	1 С кодовым дат- чиком	о ч СЗ	1 ±0,2	о +1	1	1 ±0,06	I	+1	±0.1	±0,4	± 0,25	tO 44	±0,25	±0,5	±0,5	1
			2 2			±0,125		±0,125	1	!	1	[	1	1	1	1	со -н
		С аналоговым датчиком	рад-1 Оз	1 ±0,8	I	1	I ±0,25	1	1 ±0,4	±0,4 I	±1.6 1	1 ±1.0 1	±2	±1.0 I	±2,0	сТ -н	
			2 2	1	1 ±0,4	±0,5	1	±0,5	I	1	(	1	1	1	1	1	см -Н
	‘эйох -из ей eirHo КВНЯ1ГВИИМОН			1	2,4 | — | 800 | —	000S |	2000	1	3200	1	1	1	I	1	1	1	1	700
	Н ‘эЕохгея ви хяаиои цинягтенимон				1 ~ 1 0,8 | - | 0,4 | -	1	I 2500	1	I 1400	2800 I	I 0Z1	' 250	125 1	250 j	125	170 1	1
	Скорость перемещения модуля		э/м			СО О	1	1 0,5	1	1	1	1	I	1	1	1	
			рад/с			(	| 0,7	|	1 М4 |	0,57 |	2,56 |		LO СО		ю со"	2.56	I
	Пределы перемещения модуля		по дли- не, м	1		о	1	о	1	1	1	1	]	1	1	1	о
			по углу поворо- та, рад	1 5,3		1	1,05	1	оо се	со		3,14 |		3,14 |	о	о	(
	Степень подвижности			(	1	(	1	1	[ Вперед-назад	|	Вверх-вниз	|	Вращение	|	Сгибание	|	Вращение конеч- ного звена	Сгибание	|	Вращение конеч- ного звена	1	1
	Наименование модуля			1 Модуль поворота	П | Модуль подъема	Модуль поперечного сдвига	’	j	1 Л1одуль качания	|	Модуль радиального , хода	Модуль двойного кача- ния		Рука с тремя степенями подвижности			Рука с двумя степенями подвижности		Рука с одной степенью подвижности	(грузо- подъемностью 100 кг)	Основание подвижное (напольный вариант)
	iroawaQ j			СП		° 1	«1	РХ|	* I		1			1		1	1
второе исполнительное звено совершает поступательное движение,
не изменяя своей ориентации.
Привод основных движений робота РПМ-25— электрический,
постоянного тока, следящий, с обратной связью по положению
и скорости. В качестве исполнительных используются двигатели
постоянного тока МИ2 мощностью 3 кВт и 4МИ12 мощностью
980 Вт. Управление — тиристорное (тиристорное преобразователь-
ное устройство ЭПТ-9М расположено в отдельной стойке). Привод
операционных механизмов — пневматический с подводом воздуха
под давлением через стыковочные поверхности модулей.
Технические характеристики модулей основных движений приве-
дены в табл. 2.1.
2.2.	Исполнительные механизмы
и привод промышленных роботов
Исполнительные механизмы общего назначения. В качестве испол-
нительных механизмов промышленных роботов используются меха-
нические, электрические, пневматические и гидравлические привод-
ные устройства.
Примерно в 37 % выпускаемых промышленных роботов приме-
няется гидравлический привод, который обеспечивает высокую грузо-
подъемность ПР, возможность управления в широком диапазоне
скоростей и ускорений при относительно невысоких эксплуатацион-
ных затратах. Максимальные транспортные скорости обеспечивают-
ся пневматическим приводом, применяемым более чем в 47 °/о вы-
пускаемых ПР, (с ограниченной грузоподъемностью).
В последнее время в ПР все более используются электрические
приводы (в более чем 14 °/о выпускаемых ПР), особенно в связи с
разработкой высокомоментных и высокооборотных электродвигате-
лей и линейных движителей, а также с учетом преимуществ так на-
зываемых разгрузочных конструкций ПР.
Механические приводы используются, главным образом, в мо-
делях промышленных роботов (до 2 % выпускаемых ПР), когда не
требуется частая переналадка и грузоподъемность ограничена при
достаточно большом быстродействии манипулирования объектами.
Наиболее перспективными в робототехнике являются вибродви-
гатели с высокими энергетическими показателями (незначительное
потребление энергии, достаточная удельная мощность) и точностны-
ми характеристиками, с возможностью дискретного управления при
хороших динамических характеристиках.
В тех случаях, когда исполнительный механизм соответствующе-
го звена манипуляционной системы промышленного робота приме-
няется для осуществления движения, имеющего стабильный, цикло-
вой характер, используются механические приводные устройства
возвратно-поступательного или ротационного действия с программо-
носителями, выполненными в виде профилированных кулачков или
барабанов. Принцип действия таких устройств основан на преобра-
зовании вращательного движения кулачка или барабана со сложной,
профилированной поверхностью в возвратно-поступательное или.
51
Рис. 2.9. Исполнительные механизмы обшего назначения:
а —кулисный: б —рычажный; в — с парой приводных двигателей; г — однофлажко-
вый; д — двухфлажковый; е — секторный.
вращательное движение передающих звеньев и далее — выходных
звеньев манипуляционной системы промышленного робота, что обес-
печивает необходимое передаточное отношение и требуемый харак-
тер перемещения.
На рис. 2.9, а, изображен механизм, включающий программо-
носитель-барабан 1 с профилированным пазом, в котором при вра-
щении барабана перемещается ползун 2. Качание рычага 5 отно-
сительно опоры позволяет осуществлять возвратно-поступатель-
ное перемещение выходного звена 4, связанного с рычагом 5 по-
средством шарнира 3. Закон движения выходного звена 4 опреде-
ляется профилем паза программоносителя-барабана 1.
Ротационные движения в небольшом угловом диапазоне могут
обеспечиваться соединением механизма 1—2, изображенного на
рис. 2.9, б. Как и выше, закон движения рычага 2 обусловливается
профилем паза программоносителя-барабана 1, приводимого во вра-
щение двигателем 4. Незначительный диапазон ротационных дви-
жений, обеспечиваемых таким соединением и определимых, глав-
ным образом, соотношением плеч рычага 2, ограничивает их широ-
кое применение в робототехнике. Значительно большей универсаль-
ностью и расширенным диапазоном ротационных движений выход-
ных звеньев манипуляционной системы промышленных роботов
обладают механизмы, у которых используются передаточные проме-
жуточные звенья, в частности зубчатые (реечные) передачи (как
показано на рисунке). Действительно, при небольших углах качания
рычага 2, находящегося в зацеплении с выходным звеном 3 промы-
шленного робота, последнему могут быть сообщены значительные
угловые перемещения, определяемые произведением соотношений
плеч рычага 2 и передаточного отношения зубчатой передачи
звеньев 2—3. Угол качания выходного звена 3 может быть макси-
мальным при непрерывном вращении программоносителя-бараба-
на 1. При необходимости формирования движения выходного зве-
на 3 в ограниченном диапазоне программоноситель-барабан 1 мо-
52
жет осуществлять возвратно-вращательное движение в опреде-
ленном секторе, что обеспечивается двигателем 4.
Однако ограниченные возможности переналадки в узком диапа-
зоне скоростей закона движения путем смены программоносителей
(кулачков и барабанов) резко ограничивает область практического
применения механических приводных устройств в робототехнике.
Для обеспечения ротационных движений колонны промышлен-
ных роботов широко используются спаренные механизмы возвратно-
поступательных перемещений, которые через передаточные звенья —
реечные, торсионные, ременные, цепные передачи — передают дви-
жение колонне, осуществляя одновременно преобразование возврат-
но-поступательного перемещения в возвратно-ротационное. Так, в
устройстве, изображенном на рис. 2.9, в, пара приводных пневмо-
или гидродвигателей 2 возвратно-поступательного действия, уста-
новленных в корпусе 1, приводят в действие коромысло 3, которое
закреплено на выходном валу 4 приводимого в движение звена
манипуляционной системы промышленного робота (например, ко-
лонны). Система клапанов позволяет осуществлять питание обоих
приводных двигателей 2 в противофазе, т. е. рабочее тело — воздух
в случае пневмодвигателей, и жидкость — в случае гидродвигате-
лей — поступает синхронно в левую полость одного и правую по-
лость другого приводного двигателя 2 (соответственно из правой
полости первого и левой полости второго двигателей в этой полу-
фазе осуществляется отвод рабочего тела). Во второй полуфазе при
необходимости реверсирования вала 4 рабочее тело поступает син-
хронно в правую полость первого двигателя и в левую полость вто-
рого. В частности, для положения, изображенного на рисунке, через
канал А запитываются правая полость верхнего и левая полость
нижнего двигателей, а через канал В осуществляется отвод рабо-
чего тела соответственно из левой полости верхнего и правой
полости нижнего двигателей. При этом обеспечивается вращение
вала 4 против часовой стрелки.
Широкое распространение в качестве приводных устройств кис-
ти промышленных роботов получили флажковые поворотные меха-
низмы с одно- либо двухфлажковым исполнением ротора. На
рис. 2.9, а приведена схема однофлажкового механизма, состояще-
го из полого корпуса 1, подвижного вала с закрепленным на нем
флажком 3 и ограничителя хода 2. В корпусе 1 имеются каналы А
и В для подачи и отвода рабочего тела из полости корпуса. В за-
висимости от требуемого направления вращения вала с флажком 3
рабочее тело подается либо в канал А (вращение по часовой стрел-
ке), либо в канал В (вращение против часовой стрелки); при этом
выталкиваемое при вращении флажка рабочее тело отводится со-
ответственно через каналы В или А. К недостаткам таких поворот-
ных механизмов следует отнести ограниченный крутящий момент,
определяемый удельным давлением в рабочих полостях корпуса
поворотного механизма и полезной площадью боковой поверхности
флажка. Для увеличения крутящего момента используют двух-
флажковый поворотный механизм, чем обеспечивается увеличение
полезной площади флажков при неизменном удельном давлении
53
рабочего тела на боковые поверхности флажков (увеличение удель-
ного давления приводит к перетеканию рабочего тела из рабочей
в нерабочую полость, в связи с чем приходится принимать меры по
усилению уплотнений, что в свою очередь приводит к снижению
полезного крутящего момента).
Чаще всего двухфлажковые механизмы выполняются с диамет-
ральным расположением флажков 3 и ограничителей хода 2, поме-
щенных в корпусе 1 поворотного механизма (рис. 2.9, д). Однако
следует отметить, что увеличение крутящего момента у двухфлаж-
ковых поворотных механизмов сопровождается уменьшением диапа-
зона ротации. Угол ротации в таких механизмах может регулиро-
ваться переналадкой упоров, в частности установкой секторных упо-
ров 3, как это показано на рис. 2.9, е.
Многопозиционные линейные пневмоприводы. На рис. 2.10, а,
представлена конструктивная реализация цифрового позиционного
привода [9], состоящего из поршней, находящихся в зацеплении
между собой, причем ход i-го поршня в два раза больше хода
(г— 1)-го. Такой привод имеет два дискретных положения, дискрет-
ность составляет величину I хода штока второй секции, определя-
емого конструктивными характеристиками полости первой секции.
Привод воспринимает разрядные параллельные двоичные входные
сигналы. Последний поршень выполнен вместе со штоком, штоковая
полость соединена с каналом противодавления, которое служит для
возврата поршней привода в исходное положение при снятии вход-
ных сигналов. Управляющее устройство включает каналы подвода
б н в, сообщенные с продольным отверстием а в корпусе цилиндра,
а также каналы г отвода рабочего тела из поршневых полостей.
Кроме того, управляющее устройство включает эластичные заслон-
ки 3, установленные в продольных отверстиях, и прижимы 4, свя-
занные механической передачей 10 в виде рычагов// с запорными
клапанами 8 распределителей 9. Поршни выполнены в виде стер-
жней 7, с дисками 6 на торцах.
При работе привода рабочее тело, например сжатый воздух, по-
дается в отверстие а. При подаче управляющего сигнала на один
или несколько распределителей 9 их запорные клапаны 8 открывают
каналы г отвода и посредством рычагов // воздействуют на соот-
ветствующие прижимы 4, которые подключают эластичную заслонку
3 к соответствующим каналам подвода б, перекрывая их. При от-
сутствии управляющего сигнала на распределителе 9 эластичная
заслонка 3 под действием давления рабочего тела деформирует и
отжимает прижим 4 от канала подвода б. Прижим 4 через рычаг
// воздействует на запорный клапан 8, который закрывает канал
отвода г. Тем самым обеспечивается одновременное открытие кана-
лов подвода и перекрытие соответствующих каналов отвода при
отсутствии управляющих сигналов на распределителе и одновре-
менно закрытие каналов подвода и открытие соответствующих
каналов отвода при подаче управляющих сигналов на соответст-
вующие распределители. Величина перемещения выходного што-
ка 5 зависит от комбинации двоичных сигналов на распредели-
телях 9. В общем случае для «-секционного привода максималь-
54
рис. 2.10. Конструктивная реализация цифрового привода (а), схема привода с
внешним демпфером (6). орграф сил сцеплений (в) в звеньях с устойчивой (г)
и неустойчивой (д) связью и схема расположения поршней при соударении (е)
п
ное перемещение L выходного штока Tv = ST = |2"—1| I, где I —
дискретность привода.
Разновидностью цифрового гидропневмопривода является при-
вод с внешним расположением поршневых групп [6,9]. Такое рас-
положение поршней облегчает сборку привода и позволяет исполь-
зовать внутреннюю полость цилиндра для установки в ней демп-
фирующего устройства, что обеспечивает компактность привода. На
рис. 2.10, б показана схема цифрового гидропневмопривода с внеш-
ним демпфером.
Привод снабжен прецизионным цифровым гидропневмодвигате-
лем 1 с внешним расположением поршневых групп, выходной шток
55
2 которого посредством жесткой связи 3 связан со штоком 4 демп-
фера 5. Внутренние левая и правая полости цилиндра демпфера 5
соединены перепускным устройством в виде сообщающего канала
и управляемого источника УИ электрического поля и заполнены
рабочим телом с электрореологическим эффектом [6]. Электрорео-
логическая жидкость представляет собой суспензию, основу которой
составляют жидкие тела (масло, керосин и другие), а наполнители
представляют собой мельчайшие частицы различных материалов
(например, силикатов), находящихся в жидкости во взвешенном
состоянии. Под действием направленного электрического поля
вяжущие свойства таких жидкостей изменяются. Управляемый
источник УИ связан с управляющим устройством УУ аналого-дис-
кретного действия.
Для гидропневмопривода координаты позиционирования и мо-
мент начала демпфирования заранее программируются в системе
управления. При подаче рабочего тела Рм через распределительные
устройства РУ в секцию (секции) гидропневмодвигателя 1 шток 2,
перемещаясь, например вправо, увлекает за собой через связь 3
шток 4 демпфера 5. Управляемый источник УД электрического поля
обесточен, и каналом обеспечивается рабочая скорость штока 2.
При достижении штоком 2 критического положения, которое обу-
словлено программой координаты позицирования и моментом на-
чала демпфирования (формируется датчиком предельных положе-
ний, например типа сопло-заслонка или геркон), в блоке програм-
много управления устройства УУ формируется требуемый закон
нарастания напряжения, которое поступает на управляемый источ-
ник УИ электрического поля. Под действием электрического поля
изменяется вязкость жидкости рабочего тела с электрореологиче-
ским эффектом в сечении канала, в котором расположен источник
УИ. При этом сужается проходное сечение канала, а вместе с тем
уменьшается скорость перетекания рабочего тела из правой в левую
полость цилиндра демпфера 5.
В программном управляющем устройстве УУ закон нарастания
напряжения формируется таким образом, чтобы обеспечить плавное
(либо дискретное) снижение рабочей скорости перемещения штока
2 до ползучей, а затем и до полной остановки его в заданной про-
граммой координате.
После окончания торможения происходит обесточение источни-
ка УИ электрического поля и востанавливаются начальные свой-
ства жидкого рабочего тела, т. е. подготавливаются условия для
перемещения штока 2 на рабочей скорости в новую координату,
предусмотренную программой, в том числе и реверсирование.
При необходимости аналогично может формироваться закон уп-
равления разгоном штока 2 до рабочего значения скорости на на-
чальных этапах движения.
Математическая модель такого привода описывается замкнутой
системой дифференциальных уравнений изменения во времени дав-
ления в полостях управления и движения поршней. В основу дина-
мического расчета таких приводов может быть положена гипотеза
56
об устойчивой группе поршней, под которой понимается совокуп-
ность находящихся в контакте друг с другом и в данный момент
времени движущихся как одно целое под действием внеш-
них к данной совокупности сил поршней. Устойчивая группа в те-
чение переходного процесса может видоизменяться в результате из-
менения внутренних (между элементами группы) и внешних сил,
а также в результате соударения отдельных устойчивых групп.
При этом могут образовываться новые устойчивые группы [9].
Исходя из допущения об устойчивости группы поршней, получим
ускорение элементов группы
уравнение движения z-ro звена группы
т.п,- = Ft + ft — ft—i,	(2.2)
причем Ft—результирующая внешняя сила, действующая на 1-е
звено, без учета сил взаимодействия между звеньями; ft — сила,
действующая на i-е звено со стороны (z + 1)-го звена; — масса
х-го звена.
Поскольку группа звеньев устойчива, = а.. Определим из (2.2)
f. = a^mi — Fl; + Д_1.	(2.3)
Выражение (2.3) определяет итерационный процесс вычисления
сил в звеньях, находящихся в зацеплении. При этом порядок взаи-
модействия сил в звеньях для выражения (2.3) может быть пред-
ставлен в виде орграфа сил сцепления в звеньях (рис. 2.10, в). Ду-
га, связывающая i -ю и (i + 1)-ю вершины, по направлению совпа-
дает с силой, действующей на i -е звено со стороны (z + 1)-го звена.
Назовем связью первого рода связь между сжимаемыми звенья-
ми, а связью второго рода — связь между растягиваемыми звенья-
ми. При этом должно быть четко определено положительное на-
правление графа. Так, если считать положительным направление
слева направо, то устойчивая связь для звеньев первого рода
будет такой, как это представлено на рис. 2.10, г, а неустойчивая —
на рис. 2.10, д. Наоборот, для звеньев второго рода устойчивую
связь характеризует рис. 2.10, д, а неустойчивую — рис. 2.10, г.
Если в графе рис. 2.10, в все ребра имеют направление, совпада-
ющее с устойчивым направлением для данного рода звеньев, то
такая группа является устойчивой. Если же имеется хоть одно
ребро, соответствующее неустойчивой связи, то данная группа не-
устойчива; для описания необходимо разбить группы на несколь-
ко устойчивых, причем разбиение следует проводить путем разры-
ва неустойчивых связей. При этом число разорванных связей
может отличаться от числа неустойчивых связей графа рис. 2.10, г.
В основе алгоритма выделения устойчивых групп лежит поиск
в группе максимально неустойчивой связи и разрыва ее с образо-
ванием двух групп, каждая из которых затем проверяется на устой-
чивость. Для определения максимально неустойчивой связи вос-
пользуемся следующими преобразованиями.
Найдем ускорение группы I — Ае звено при наличии Ай связи!
X Fk + ii
as -	.	(2.4)
X т*
Исходя из выражений (2.3) и (2.4), можно определить пер-
вую связь
X Fk+h
fl =	-------т I — F\.	(2.5)
X тк
k=\
Ускорение группы I — z’-e звено с разорванной Ай связью
Пв= У Fk У mk.
k=i I k=i
В этом случае I-я связь
t
х^
<f=i
Изменение 1-й связи, вызванное разрывом Ай связи, опреде-
ляется так:
W = Л -А = Ц---------т. -Л— bl— +F, = д
X	X	mk
ft=l	fe=l	fe=l
Предположим	теперь,	что данное	утверждение	справедливо	для
j-го звена. Используя зависимости (2.3) и (2.4), записываем выра-
жение для /-й связи в неразорванной группе:
Х^'ч
fl = i mi FI +/)—!•	(2.6)
X тк
fr=l
Из равенств (2.3), (2.4) и (2.6) находим /-ю связь в разорван-
ной цепи
X Fk	X
f' = т. +
X mk	X mk
58
Следовательно,
7-1
S mk
S mk
k=\
В результате можно сделать следующие выводы [9]:
1)	разрыв в любой связи ведет к изменению всех связей цепи
на величину, меньшую разорванной связи и совпадающую с ней
по направлению;
2)	разрыв произвольной неустойчивой связи не может устранить
неустойчивость связи, большей по модулю, чем разорванная, и сов-
падающей с разорванной по направлению;
3)	разрыв неустойчивой связи может привести к образованию
новой неустойчивой связи другого рода.
Работа привода сопровождается соударениями устойчивых групп
поршней. В соответствии с делением связей и звеньев на связи
и звенья первого и второго рода соударением первого рода приня-
то называть такое соударение, которое приводит к образованию
связи первого рода в месте соударения; соударением второго ро-
да — такое, которое приводит к образованию связи второго рода
в месте соударения.
Соударения первого рода групп I, II иллюстрируются рис. 2.10, е.
При таких соударениях образуется новая группа, состоящая из
элементов, связанных связью первого рода и не отделенных от
места соударения связями второго рода. Иными словами, в месте
соударения образуется новая связь, а в ближайших связях второго
рода с обеих сторон от места соударения происходит разрыв. В ре-
зультате соударения образуются группы III, V. При соударении вто-
рого рода в месте соударения образуется новая связь, а в ближай-
ших связях первого рода с обеих сторон от места соударения про-
исходит разрыв.
Предположим, что соударение поршней является неупругим, ско-
рость всех I элементов вновь образованной группы при соударе-
нии любого рода
1 / 1
X = S (m/iXi) S mk'
I fe=i
Если произошло соударение, каждая из вновь образованных
групп должна проверяться на устойчивость по приведенному ранее
алгоритму.
Для расчета переходных характеристик привода можно прибег-
нуть к численному интегрированию системы дифференциальных
Уравнений отдельных групп, которые в пределах шага интегриро-
вания (как правило, достаточно малого промежутка времени) дви-
жутся как одно целое. Это справедливо, поскольку любой метод
интегрирования — итерационный процесс, где за одну итерацию
время изменяется на заранее определенную величину — шаг. Алго-
ритм расчета предусматривает синтезирование после каждого шага
59
интегрирования заново системы дифференциальных уравнений, при-
чем результаты предыдущего шага интегрирования являются на-
чальными условиями для последующего шага.
Исходными данными расчета являются геометрические характе-
ристики цифрового привода и начальные условия (входной набор
поршней и данные по исходному их состоянию). По этим условиям
определяются рабочие камеры, в которых произошло изменение
входного набора, а также записываются уравнения, отображающие
изменения давления
dpidt = f (xt, xi, pt),
где xi, xi — скорость и линейная координата t-го поршня; pt — давле-
ние в t-й камере; / — текущее время.
После каждого шага интегрирования определяется устойчивая
группа поршней. Для каждой устойчивой /-й группы, содержащей
i поршней, дифференциальное уравнение движения приобретает вид
d^Xjldt2 — Fjtni.
Вычисленное значение F/, т/ не вызывает затруднений, если
пренебречь силами трения, так как сила Fj, действующая на группу,
пропорциональна перепаду давлений на группе и площади поршня, а
m.j = у mk. Поскольку число устойчивых групп поршней обычно
*=!
в любой момент времени значительно меньше общего числа поршней
в приводе, процесс расчета значительно ускоряется.
Высокочастотные вибрационные приводы. Широкие возможности
открываются в развитии робототехники с использованием высоко-
частотных вибрационных преобразователей движения, или вибро-
двигателей [1]. Вибродвигатели характеризуются высокой разре-
шающей способностью по перемещению, широким температурным
диапазоном, отсутствием влияния паразитных электрических или
магнитных полей, а также хорошими динамическими свойствами
в переходном режиме движения (пуск, остановка, шаговые режи-
мы), так как виброэлемент с момента отключения питания стано-
вится тормозящим. Эти свойства вибродвигателей позволяют соз-
дать прецизионные микророботы, манипулирующие объектами не-
большой массы с очень высокой точностью, в частности при сбор-
ке сложных микроэлектронных схем.
Принцип действия вибродвигателей аналогичен принципу дей-
ствия общего класса механизмов преобразования колебаний в дви-
жение, но с той разницей, что для последних предельной областью
рабочих частот являются низкие частоты (до 1 тыс. Гц), а для
вибродвигателей — высокие (более 20 тыс. Гц). Амплитуды коле-
баний вибродвигателей достигают 0,1-10-3 мм в тихоходных и
0,1 мм в быстроходных вариантах.
Принцип действия вибродвигателей может быть рассмотрен ис-
ходя из вида взаимодействия преобразователя и перемещаемого
тела (ротора — для устройств вращательного действия и ползу-
на— для устройств поступательного действия). Наиболее характер-
ными представителями такого рода устройств являются вибродви-
60
Рис. 2.11. Вибрационные приводы со взаимно перпендикулярно продольными (а),
продольно-крутильными (б), радиально-крутильными (в) колебаниями активного
элемента и с однокомпонеитиыми преобразователями продольных (г) и касатель.
иых (б) колебаний.
гатели, построенные на схеме с косыми соударениями большой ча-
стоты, основанными на суммировании тангенциальных составляю-
щих ударного импульса. По гипотезе сухого трения, тангенциаль-
ная составляющая ударного импульса пропорциональна его нор-
мальной составляющей, а коэффициент пропорциональности равен
коэффициенту сухого трения /Тр.
На рис. 2.11, а показан преобразователь колебаний, представ-
ляющий собой колеблющееся звено 2 на упругих подвесках с жест-
костью Ci и С2, т. е. колебательную систему с сосредоточенными
параметрами с двумя степенями свободы. Двумерное движение ко-
леблющегося звена 2 определяет и нормальную, и тангенциальную
составляющую скорости удара при неподвижном роторе 1. Сдвиг
по фазе р гармонических колебаний звена 2 по соответствующим
степеням свободы обеспечивает необходимую для приведения во
вращение ротора 1 синхронизацию возвратно поступательных дви-
жений звена 2, а соотношение С2 > С\ определяет характер взаимо-
действия элементов 1 и 2 вибродвигателя. Длительность взаимо-
действия зависит от параметров А{ и А2 и частоты колебаний Q‘
звена 2.
Двумерное движение активного элемента — колеблющегося зве-
на 2, может обусловливаться не только совокупностью продольных
колебаний по взаимно перпендикулярным осям, но и любой комби-
нацией продольных, поперечных, радиальных, изгибных, крутиль-
ных и сдвиговых колебаний. Так, на рис. 2.11, б представлена схе-
ма, поясняющая принцип работы вибродвигателя ротационного дей-
ствия с продольно-крутильными колебаниями активного элемента 2.
Продольные колебания с частотой Q и амплитудой А обеспечивают
нормальную составляющую скорости удара, а крутильные колеба-
ния с углом подкрутки В и частотой Q — тангенциальную состав-
ляющую. Синхронизация действия обоих колебаний должна обес-
печить вращение ротора 1 в требуемом направлении, что достигает-
ся сдвигом р по фазе обоих колебаний.
У вибродвигателя, схема которого представлена на рис. 2.11, в,
активный элемент 2 совершает радиально-крутильные колебания,,
причем радиальные колебания с амплитудой А и частотой Q обес-
61
печивают нормальную составляющую ударного импульса, а кру-
тильные колебания с углом В подкрутки с частотой Q — тангенци-
альную составляющую. Как и в предыдущих двух схемах, синхро-
низация действия этих двух составляющих на ротор 1 обеспечивает-
ся сдвигом Р по фазе колебаний. Взаимодействие элементов 1 и 2
может осуществляться как по внутренней поверхности полого ро-
тора (как показано на схеме), так и с внешним зацеплением ротора.
Двумерные колебания в зоне контакта могут возбуждаться од-
нокомпонентными преобразователями продольных колебаний-
активного звена 2 (рис. 2.11, г). Вторая составляющая колебаний
в зоне контакта возникает благодаря изгибным колебаниям эле-
мента 2 в плоскости XOY, которые возбуждаются проекцией удар-
ного импульса на ось У. Для обеспечения максимальных скоростей;
вращения w ротора 1 необходимо выполнение условия совпадения
резонансных частот продольных и изгибных колебаний, что дости-*
гается изменением (подбором) жесткости С упругой подвески,
частотой возмущающих продольных колебаний активного элемен-
та 2, его геометрией и материалом. Однако практически наиболее
эффективным является изменение условий крепления свободного
конца элемента 2, в частности подбором угла а (рис. 2.11, д).
Однако несмотря на относительную простоту схемы исполнения
однокомпонентных вибровозбудителей, они не обеспечивают сим-
метричного реверса движения, что сужает область их применения.
Возможна реализация схем вибродвигателей с одномерным
движением активного элемента, обусловленным его продольны-
ми или поперечными одномерными колебаниями в зоне контак-
та. На рис. 2.12, а приведена схема вибродвигателя в виде дву-
роторной системы 1, у которой зоны контакта на роторах с це-
лью исключения составляющих продольного колебания активного
элемента 2 расположены строго симметрично относительно оси
симметрии элемента 2. Роль второго ротора как ограничителя
появления изгибных колебаний для однороторных систем выпол-
няют компенсирующие накладки (рис. 2.12,6). Максимальные
скорости вращения достигаются регулированием углов щ и а2,
а также параметров А и частоты колебаний активного элемен-
та 2. Для одно- и двухроторных систем с одномерными колеба-
ниями в зоне контакта возбуждаются только однокомпонентные
колебания основной частоты Й, что приводит к уменьшению по-
стоянной времени в таких системах при работе в переходных
режимах движения. Ударное взаимодействие элементов 1 и 2
вибродвигателя определяется с учетом микропроскальзывания
и деформации в зоне контакта во время удара, поэтому гипотеза
о мгновенности удара здесь неприменима.
У вибродвигателей с двумя активными элементами в зоне кон-
такта нормальная и тангенциальная составляющие скорости уда-
ра формируются отдельными преобразователями, что упрощает
процесс регулирования этих составляющих для достижения опти-
мального соотношения амплитуд тангенциальных и нормальных
колебаний. На рис. 2.12, в представлена схема линейного вибро-
двигателя, у которого подвижная система 1 совершает линейные
62
Рнс. 2.12. Схемы внбродвигателей с двуроторной (а) н однороторной (6)
системами, с линейным (в) и криволинейным (г) возбудителем колебаний.
перемещения X влево или вправо при соответствующем взаимо-
действии с активными элементами, обеспечивающими нормальные
У и тангенциальные X колебания с амплитудами Yn и Хт соответ-
ственно. Для таких систем сдвиг р по фазе равен 0 или л в зави-
симости от направления движения.
При всех своих положительных свойствах, вибродвигатели об-
ладают существенным недостатком, ограничивающим возможнос-
ти их применения в робототехнике областью манипулирования и
транспортирования объектов небольшой массы. Расширение этой
области связано с созданием вибродвигателей повышенной мощ-
ности, что обеспечивается, например, применением трансформа-
торов колебаний, выполненных, в частности, на базе криволиней-
ных концентраторов, представляющих собой сектор пьезокерами-
ческого кольца с аксиальной или радиальной поляризацией. Ис-
пользование активных элементов в виде криволинейных концен-
траторов позволяет значительно повысить тангенциальную состав-
ляющую скорости в зоне контакта, причем для схем преобразова-
телей в более мощных вибродвигателях обеспечивается совмеще-
ние угла прогиба с угловой плоскостью продольных колебаний —
места шарнирного закрепления преобразователей 2—2' в корпусе
(плоскость К—К); кроме того, должны соблюдаться фазовые со-
отношения продольных и изгибных смещений (рис. 2.12, г).
С целью снижения затрат на изготовление концентраторов, их
профили выполняются в виде окружностей радиусов r0, ri и г2.
Принцип работы таких вибродвигателей заключается в следую-
щем. При возбуждении пьезоэлементов 3 и 3' с заданной частотой
колебания распространяются вдоль оси концентраторов 2 и 2', обес-
печивая нормальную (за счет криволинейности и упругих свойств
63
концентраторов) и усиленную тангенциальную (за счет сужаю-
щихся к зоне контакта с ротором 1 профилей концентраторов 2
и 2') составляющие скорости в зоне контакта. Характер взаимо-
действия концентраторов с ротором 1 в зонах контакта аналоги-
чен рассмотренному выше для схемы вибродвигателя, представ-
ленного на рис. 2.11, а; при этом функции возбудителей продоль-
ных и поперечных колебаний выполняет один элемент — криволи-
нейный концентратор (2 либо 2'). Упругое прижатие рабочих зон
концентраторов к поверхности ротора осуществляется упругими
элементами С. Совокупное действие нормальной и тангенциальной
составляющей скорости удара обеспечивает вращение о ротора 1,
причем направление вращения определяется соотношением (сме-
щением) фаз нормальной и тангенциальной составляющих ско-
рости в зонах контакта. Концентраторы, кроме радиусов криво-
линейности г0, Г] и гъ характеризуются неизменной шириной в лю-
бом сечении.
В табл. 2.2 и 2.3 приведены характеристики некоторых вибро-
двигателей линейного и ротационного движения.
Таблица 2.2. Характеристики линейных вибродвигателей
11 ар аметр ы	ВИБ-18	ВИБ-19
Номинальная скорость, м/с	0,1	0,15
•Развиваемое усилие при номинальной скорости, Н	1,2	4,0
Разрешающая способность, м	2 - 10-8	2 . 10-s
Минимальный шаг, м	4 • 10~8	5 . IO"8
	Определяется	
.Максимальный шаг	длиной	ползуна
Максимальная нагрузка на ползун в плоскости, перпен-	20,0	12,0
дикулярной вектору скорости, Н		
Напряжение питании при номинальной скорости, В	50	60
Частота питания, кГц	24	32
Материал преобразователя	ПКР-6	ПКР-10
Масса, кг	0,25	0,12
Т а б л и ц а 2.3. Характеристики ротационных вибродвигателей
Параметры	ВИБ-16	ВИБ-20	ВИБ-22	ВИБ-23	ВИБ-25
Номинальная скорость, рад/с	12,0	30,0	12,0	27,0	10,0
Момент при номинальной скорости, Н  м	0,06	0,2	0,35	0,25	0,8
Разрешающая	способ- ность, рад	0,7-10-6	2-10~6	о,б-ю-ь	2-10-6	0,6-10—6
Минимальный шаг, рад Максимальный шаг	Не огра- ничен	5-10-6 Г	3-10—6 1е ограни че	5-10—6 н	3-10“6
Напряжение при номи- нальной скорости, В	60	60	60	75	75
Частота питания, кГц	24	24	24	24	24
Масса, кг	0,1	0,1	0,18	0,2	0,26
Создаваемые на базе вибрационных проводов манипуляцион-
ные системы промышленных роботов просты по конструкции, име-
ют небольшую массу и габариты, повышенную точность позицио-
нирования.
Виброприводы не имеют промежуточных передаточных зве-
ньев, в них отсутствуют люфты и зазоры, они обладают высокой
разрешающей способностью перемещений, просты в управлении,
что позволяет стыковать системы управления приводами непо-
средственно с ЭВМ.
2.3.	Технологические модули промышленных роботов
Группа звеньев структуры ПР, обеспечивающих выполнение опера-
ции захвата и удержания объекта, контроля его свойств и пара-
метров, а также осуществляющих ориентирующие и посадочные
движения, может быть отнесена к технологическим модулям ПР.
Возможности манипулирования объектами определяются подвиж-
ностью цепи кисть—механизм технологических перемещений
схвата (см. п. 2.1).
При конструировании захватных устройств учитывают форму и
свойства захватываемого объекта, условия протекания технологи-
ческого процесса и особенности применяемой технологической ос-
настки, чем и обусловлено многообразие существующих захватных
органов ПР. Наиболее важными критериями при оценке выбора
захватных органов являются приспосабливаемость к форме
захватываемого объекта, точность захвата и сила захвата.
В классификации захватных устройств (ЗУ) в качестве клас-
сификационных выбраны признаки, характеризующие объект за-
хвата, процесс захвата и удержания объекта, обслуживаемый тех-
нологический процесс, а также признаки, отражающие структур-
но-функциональную характеристику и конструктивную базу ЗУ
(рис. 2.13).
К факторам, связанным с объектом захвата, относятся форма
объекта, его масса, механические свойства, соотношение размеров,
Рис. 2.13. Классификационные признаки захаатных устройств.
3
4-251
65
физико-механические свойства материалов объекта, а также со-
стояние поверхности. Так, масса объекта определяет требуемое
усилие захвата, т. е. грузоподъемность ПР, и позволяет выбрать
тип привода и конструктивную базу ЗУ; состояние поверхности
объекта предопределяет материал губок, которыми должно быть
снабжено ЗУ; форма объекта и соотношение его размеров также
влияют на выбор конструкции ЗУ.
Свойства материала объекта влияют на выбор способа захва-
та объекта, необходимую степень очувствления ЗУ, возможности
переориентирования объектов в процессе их захвата и транспор-
тирования к технологической позиции. В частности, для объекта
с высокой степенью шероховатости поверхности, но нежесткими
механическими свойствами, возможно применение только «мяг-
кого» зажимного элемента, оснащенного датчиками определения
усилия зажима.
Решение задачи выбора оптимальной конструкции ЗУ невоз-
можно без учета факторов, связанных с процессом захвата и
удержания объекта. Это прежде всего факторы собственно захва-
та и удержания, а также совмещения процесса захвата и удер-
жания с выполнением какой-либо вспомогательной или основной
технологической операции, например комплектации, сборки, свар-
ки, переориентирования, контроля положения и формы. Такой под-
ход, позволяющий совместить контрольные, транспортные и основ-
ные переходы, способствует оптимизации состава технических
средств в робототехнической системе и в то же время повышает
производительность сборочных систем.
При решении ряда технологических задач требуется произ-
вести захват объекта по внутренней или по наружной поверхности,
а с учетом механических свойств объекта (нежесткости, хруп-
кости и других)—с регулируемым усилием зажима. Исходя из
этого выделены группы зажимных и незажимных ЗУ с наличием
управления процессом захвата и удержания или без него.
Весьма важным фактором, связанным с процессом захвата
и удержания объекта, является кинематика связи ЗУ — объект.
При взаимодействии захвата с объектом произвольной формы,
закрепленным в неподвижной оснастке, требуется обеспечить по-
датливость захвата по шести направлениям: вдоль трех взаимно
перпендикулярных осей и вокруг них. Однако это число может
быть уменьшено благодаря особенностям формы детали и губок,
условиям закрепления детали и подвижности элементов оснастки.
При наличии жестких губок захватные органы могут контак-
тировать с поверхностью захватываемого объекта теоретически
не более, чем в трех точках. Точки контакта являются точками
наложения связей на захватываемый объект, и поэтому важно,
чтобы их было достаточно для его удержания, а места наложения
связей не должны препятствовать выполнению технологической опе-
рации и не быть избыточными. Практически число точек контакта и
места наложения удерживающих связей зависят от кинематики
пары захватываемого тела-объекта и губок захватных органов.
Возможные варианты наложения связей К и степени подвижнос-
66
Рис. 2.14. Кинематика связей захватное устройство-объект удержания.
3*
ти v объектов при захвате для различных сочетаний кинематики
и форм тел-объектов и губок захвата сведены в рис. 2.14 [5]. Эти
сочетания кинематики форм определяют индекс связи: например,
для цилиндрических деталей при их захвате плоскими губками —
индекс связи Р—С, количество точек контакта К=4, число степе-
ней подвижности тела-объекта при захвате v = 4. Расчетная форму-
ла удержания, учитывающая массу объекта Fm, силу инерции Fv,
вектор осевой составляющей R и коэффициент трения между объ-
ектом и губками р., такова:
Fg < -J- [Fm cos (Fh R) + Fu cos (Fy, £)]max.
r
Устойчивость захвата объекта зависит от распределения, раз-
мещения и относительного расположения точек контакта. Неточ-
ности взаимного положения губок, объекта и оснастки приводят
к нежелательным опасным нагрузкам, воспринимаемым системой
ПР — деталь — оснастка. Обычно компенсация погрешностей рас-
положения любого из элементов указанной системы осуществляет-
ся за счет податливости ПР путем создания дополнительных степе-
ней подвижности элементов захвата. Выполнять податливыми ки-
нематические звенья руки или привода нерационально, так как
податливость, приведенная к захвату, будет изменяться в зави-
симости от положения руки.
Объект в захватном органе может быть сцентрирован либо
сбазирован, причем центрирующие ЗУ могут определять и ось,
и плоскость симметрии, т. е. выполнять функцию технологической
оснастки.
Для выполнения некоторых технологических операций при
сборке требуется наличие очувствления ЗУ, которое реализуется
использованием дополнительного информационно-измерительного
звена, входящего в состав ЗУ. Кроме того, по условиям протека-
ния технологического сборочного процесса одним ПР приходится
обслуживать большое количество деталей, отличающихся по фор-
ме, физико-механическим свойствам, размерам и другим пара-
метрам, в связи с чем в отдельную группу выделяют ЗУ, облада-
ющие возможностью приспосабливаться к условиям технологиче-
ского процесса, а также обслуживать группы объектов.
Для правильного использования свойств ЗУ весьма важно зна-
ние возможностей формирования структурно-функциональной его
характеристики. Структуру практически любого ЗУ можно пред-
ставить в виде цепочки: привод — усилительно-передаточное зве-
но— зажимной (удерживающий) элемент — информационно-из-
мерительное звено. При этом звенья могут располагаться в раз-
личной последовательности. Усилительно-передаточное звено слу-
жит для передачи усилия и перемещения от привода к зажимным
элементам ЗУ. При «мягком» зажимном элементе контакт между
губками и объектом происходит по поверхности, тогда как при
«жестком» — по точкам и линиям. Наличие в зажимном элементе
самоустанавливающегося звена позволяет как компенсировать не-
точности взаимного расположения губок, объекта и оснастки, так
68
и производить захват объектов различной номенклатуры и типо-
размеров.
Информационно-измерительное звено включает тактильные и
локационные датчики, причем требования некоторых технологи-
ческих процессов предусматривают оснащение ЗУ и теми и дру-
гими датчиками.
Признак «Конструктивная база» предусматривает классифика-
цию ЗУ по принципу действия и их конструктивной реализации.
Специфика работы и особенности взаимодействия ЗУ с объектом
захвата, свойства объекта и требования к условиям работы ЗУ
с объектами наиболее наглядно раскрываются при анализе отли-
чий в конструктивном исполнении ЗУ с учетом способа удержа-
ния объекта (табл. 2.4) [5]. Так, в механических ЗУ дополнитель-
ная податливость обеспечивается механизмом захватного устрой-
ства, включающего привод 1, передающее звено 2, систему шар-
ниров 3 и губки 4. Кроме того, в реечно-рычажные и клино-ры-
чажные захваты входит промежуточное звено 5—6—7 рейка
(клин) —колесо (втулка) —прижимная пружина. Основными па-
раметрами механических захватных устройств являются коэффи-
циент передачи усилия и к. п. д. -г], которые с учетом элемен-
тов расчетной схемы определяются так (для рычажного захвата):
₽	/ d \ / d
(а+VgpH1+2T 8Р)
=----—Т" = 0,4,
1+^4
а з
где р — коэффициент трения.
Для вакуумных ЗУ характерен амортизирующий эффект, такие
захваты чаше всего используются для легкодеформируемых объектов.
Основной параметр — усилие захвата F— определяется площадью
контакта S с объектом и удельным давлением (разрежением) Др,
определяемым через отношение объемов Vi и Уо:
/7^4(1— К) Ю5,
где
К = X1	0,2—0,5; е = 0,6—0,8.
V2
Магнитные захватные устройства используются для захвата объек-
тов из магнитных материалов. Усилие захвата F определяется свой-
ствами материала объекта В и поверхностью контакта S так-
Захватные устройства снабжаются концентраторами магнит-
ного потока 3, расположенными на корпусе захвата 2. Питание
осуществляется через каналы 1.
69
Таблица 2.4. Классификация ЗУ по способам
I механические |
Тип захвата.
______Рычажные
Схема захвата
Расчетная схема
Рычажный.
Кулисно-
рычажный
реечно-
рычажный
'Клино-
рычажный
(обычного
исполнения)
Клино-
рычажные
(с плоско-
параллельным
перемещением губок)
Ian захвата
Многозвенный
Широкое распространение в приборостроении и в электронной
технике при работе с плоскими объектами находят струйные ЗУ,
которые обеспечивают одновременное ориентирование и накопле-
ние объектов, достаточно универсальны и просты по конструкции.
70
удержания объекта
Состоят они из корпуса 1, канала подвода рабочей среды 2 и на-
правляющих сопел 5.
Наиболее универсальны эластичноохватывающие захватные
Устройства, применяемые для захвата тел произвольной формы и
71
Рис. 2.15. Захватные устройства с бал-
лонными (а) и камерными (б) ис-
полнительными элементами.
Использование в качестве
а	5
жесткости. Такие захватные уст-
ройства обеспечивают необходи-
мую податливость, приспосабли-
ваемость к форме объекта и
равномерное распределение уси-
лия зажима по его поверхности.
Конструктивно такое ЗУ содер-
жит корпус 1, сильфон 2, кана-
лы 3 подвода рабочей среды, кор-
пус 4 и камеру 6 с силораспре-
деляющим нагнетателем среды 5,
которая подается в камеру 6 пос-
ле того, как объект 7 оказывает-
ся введенным в зону корпуса 4.
рабочих или исполнительных уст-
ройств ЗУ камерных элементов позволяет создавать простые по
конструктивному исполнению и надежно работающие устройства.
На рис. 2.15 представлены две компоновки ЗУ, в которых ис-
пользуется сжатый воздух для захвата и удержания объектов,
имеющих различные форму и геометрические размеры [6]. При
захватывании объектов захватом манипулятора (рис. 2.15, а)
сжатый воздух Рв по шлангам 1 через отверстия в корпусе 2
подается в каждый из баллонов губок 3 одновременно. При работе
с очень мелкими деталями сжатый воздух подается одновременно
в оба баллона 3. Если захватываемый объект имеет значительные
размеры, то воздух подается только в верхние баллоны. Измене-
нием давления сжатого воздуха, поступающего в баллоны-губки 3,
осуществляется регулировка удерживающего объект усилия. По-
этому ЗУ может удерживать объекты, имеющие не только различ-
ные размеры, но и массу. Для отпускания объекта воздух страв-
ливается из баллонов 3.
У захватного устройства, изображенного на рис. 2.15, б, паль-
цы 3 поворачиваются на осях, укрепленных в основании 1 16].
В этом же основании смонтирована в кольцевом желобе камера 2,
выполняющая функции привода пальцев. Когда сжатый воздух
в камере отсутствует, пальцы разведены так, как это показано
на рисунке. При подаче воздуха пальцы сходятся и зажимают
деталь. Особенностью данной конструкции является раздельное
управление каждым пальцем, причем на одной оси можно уста-
навливать ряд пальцев. В пальцах захвата расположены парал-
лельно его оси каналы 4, входящие в систему опознавания и уп-
равления положением объекта.
Захватные устройства не только являются составной частью
ПР, но в значительной мере определяют его основные характе-
ристики: переналаживаемость, функциональную и технологиче-
скую универсальность, надежность и другие. Эти характеристи-
ки могут быть улучшены, если предусмотреть конструкцию меха-
низма локальных перемещений с двумя автономно действующими
захватными устройствами (рис. 2.16, а). Расположенные на несу-
щей консоли 1 ротационные приводы 2 и 5, 3 и б соответственно
72
Рис. 2.16. Универсальные захватные устройства.
а — с двумя автономными захватами; б — с
быстросменными рубками; в — с эластично-
охватывающими элементами; г —с унифици-
рованными элементами сочленения.
Рис. 2.17. Механизм стыковки захватного
устройства.
с обеих сторон консоли 1 позволяют использовать ЗУ 4 и 7 для
выполнения сборочных операций. В частности, в изображенной
конструкции рычажное захватное устройство 4 захватывает объ-
ект сварки, а на месте захватного устройства 7 смонтирована сва-
рочная головка, так что процесс сварки осуществляется непосред-
ственно в кисти робота.
Дополнительные возможности открываются у механических
захватных устройств, если предусмотреть быстросменные губки
1 для различных классов захватываемых объектов (рис. 2.16, б).
В этом случае смонтированные на корпусе 3 захватного устрой-
ства цилиндр 6 с поршнем 5 и системой рычагов 4—2 позволяет
использовать ЗУ для широкой номенклатуры захватываемых объ-
ектов.
Преимущества захватного устройства, изображенного на рис.
2.16, в, уже описывались. Отметим только, что в последнее время
все больший интерес вызывают ЗУ, камеры которых 3 заполнены
электромагнитной или электрореологической жидкостью. В этом
случае после введения объекта захвата в область корпуса 2,
73
установленного на консоли 1 кисти, управляемыми электродами 4
создается электромагнитное или электрическое поле (соответст-
венно, для магнитной или электрореологической жидкости). Жи-
дкость 5 изменяет свою вязкость вплоть до затвердевания, удер-
живая, таким образом, захватываемый объект. Поскольку исполь-
зуются управляемые источники соответствующего поля, усилие
захвата не превосходит критических значений и объект не де-
формируется.
Еще одна возможность повышения технологической универ-
сальности ПР связана с созданием быстросменных унифициро-
ванных элементов сочленения кисти с захватным устройством (рис.
2.16, г). Здесь унифицированный элемент 4 сочленения кисти 5
с соединительной муфтой 3 захватного устройства 2 позволяет
производить быструю смену захвата при переходе на новую но-
менклатуру захватываемых объектов. Если же предусмотрена и
замена сменных губок 1, универсальность ПР повышается еще
в большей мере.
Более совершенным решением задачи создания элементов со-
членения ЗУ с кистью или технологическим механизмом ПР можно
считать решение [6], реализованное в конструкции, представлен-
ной на рис. 2.17. Схват соединяется с последним звеном ПР пос-
редством стыковочной колодки 3 со штырями 6 байонета, на ко-
торый установлены электрические контакты 4 контроля стыковки
и неподвижные контакты 1 электроразъема. Стыковочная колодка
имеет коническую боковую поверхность, выполняющую роль на-
правляющей при стыковке. Проходящий по оси колодки проме-
жуточный вал 7, подпружиненный в осевом направлении, служит
для передачи крутящего момента от привода на коническую шес-
терню через шлицевую муфту. Перед стыковкой ЗУ находится в
специальном магазине 9, подвешенном на пружинах 8. Во время
осевого перемещения ЗУ колодка поворачивается, натягивая пру-
жины держателя 9 в тангенциальном направлении по отношению
к ЗУ. После освобождения горизонтального участка прорезей ЗУ
поворачивается навстречу колодке за счет растяжения пружин 8.
При этом вал 7, утопленный при вводе, заходит шлицами в полу-
муфту шестерни. Стыковочная колодка поворачивается до совме-
щения контактов 1 электроразъема, что свидетельствует об окон-
чании стыковки. При этом насадка 4 возвращается под действием
пружин в исходное положение, стопорные зубья перекрывают фа-
сонные прорези, предупреждая самопроизвольную расстыковку.
2.4.	Разгруженные конструкции промышленных роботов
Создание адаптивных робототехнических систем связано с исполь-
зованием органов искусственного очувствления, обеспечивающих
промышленному роботу возможность взаимодействия с внешней
средой, а также с разработкой качественно новых высокофункци-
ональных исполнительных систем, которые обладают повышенны-
ми динамическими характеристиками. К таким исполнительным
системам относятся так называемые разгруженные конструкции
74
Рис. 2.18. Механическая система с шарнирно соеди-
ненными звеньями.
пеней свободы руки манипуля-
тора для различных типов си-
ловых двигателей.
промышленных роботов, или двигательные системы с приводами
на основании [6].
Под двигательной системой робота понимается совокупность
элементов и узлов, обеспечивающих рабочие перемещения звень-
ев его руки и рабочих органов.
Рациональная схема расположения приводов должна учитывать
тесовые характеристики двигателей и развиваемые ими моменты.
Если представить систему в виде п шарнирно соединенных звеньев
с длинами I (рис. 2.18), то суммарный момент всех п звеньев
может быть выражен соотношением
п—1
ms = p0/
/=0
где Ро — масса каждого из /-несущих звеньев руки (Р, — К/М,-
j=l, 2, ..., и—1; Mj — передаваемый момент); В — число сочле-
нений; К. — параметр, определяемый для компоновки с приводом
на основании из требований к прочности элементов передачи а уче-
том размеров звеньев руки и грузоподъемности робота.
Работа, затрачиваемая на изменение конфигурации руки:
п—1
да = р0/д? S
/=о
где Дер — приращение угла поворота руки в т-м шарнире.
На рис. 2.19 приведена зависимость Л4а от числа степеней сво-
боды п руки при использовании силовых двигателей различного
типа. Как видно, шаговые двигатели (кривая 1) и двигатели по-
стоянного тока (кривая 2) могут быть применимы только до п = 3.
Большее число степеней свободы реализуется при использовании
пневмодвигателей (кривая 3) и гидродвигателей (кривая 4).
Уменьшение произведения К1 до нуля приводит к предельной кри-
вой 5. Именно для промышленных роботов разгруженных кон-
струкций обеспечиваются околонулевые значения Kl в силу
75
малости К, а следовательно дости-
гается уменьшение энергозатрат в
таких конструкциях. Кроме того,
вынесенные на основание приводы
могут быть при этом электрически-
ми, что имеет ряд преимуществ в
эксплуатации.
К недостаткам компоновок ПР
с вынесенными на основание приво-
дами следует отнести сложность про-
граммирования (из-за кинематиче-
ской взаимосвязанности движений
в сложных планетарных механиз-
мах) и наличия зазоров в стыках
и упругостей кинематических цепей.
Поэтому для улучшения технико-
эксплуатационных характеристик
разгруженных конструкций ПР ре-
комендуется использование механиз-
мов компенсации взаимосвязанности движений и натяжения, что
реализуется в схеме компоновки, приведенной на рис. 2.18 (здесь
С — характеристика натяжения).
На рис. 2.20 приведена компоновочная схема двигательной си-
стемы с пассивным управлением. Механизмы компенсации, натя-
жения и уравновешивания смонтированы в едином моторном
блоке 2 с силовыми двигателями 1, причем каждый из двигате-
лей связан с шарнирами 5 соответствующих кинематических цепей.
Пространственное положение захватного устройства 4 определяет-
ся программой, формируемой системой управления (ЭВМ) и со-
ответствующим этой программе состоянием каждого из маломощ-
ных управляющих двигателей 3. Силовые двигатели 2 и мало-
мощные двигатели 3 связаны механической передачей и образуют
усилитель мощности, причем, если маломощный двигатель 3 не
возбужден, то соответствующий сустав заторможен, и поток мощ-
ности от силового двигателя не пропускается усилителем мощнос-
ти. Как только на управляющий двигатель 3 поступит сигнал от
системы управления, соответствующий шарнир оказывается рас-
торможенным, а поток мощности от двигателя 2 моторного блока
1 проходит на соответствующее звено руки.
Простейшим усилителем момента с достаточным передаточным
отношением, который может быть использован в разгруженных
конструкциях ПР, является червячная передача, входной вал ко-
торой— вал червяка, связан с приводным устройством, а выход-
ной— вал червячного колеса — с нагрузкой. Приближенно уси-
ление может быть выражено передаточным отношением червяч-
ной передачи при условии, если влиянием момента сил трения в
опорах качения и углом зацепления передачи (ввиду их малости)
можно пренебречь. Если через а обозначить угол подъема витков
червяка, а через р — угол трения передачи (рис. 2.21, а), то для
усилий 0 и N, действующих соответственно на делительных ок-
Рис. 2.21. Механический усилитель моментов:
о — схема сил и реакций; б — схема усилителя параллельного типа,
ружностях колеса и червяка, выигрыш по моменту может быть
выражен соотношением
р, = Q/N = 1/fg (р — а),
причем крутизна усилителя S = ptga для самотормозящих передач
(р = ir/2) принимает значение S = tg2a, а для несамотормозящих экст-
ремум S соответствует S = — tga. Обычно выбирают такой рабочий
участок характеристики передачи, на котором изменение угла тре-
ния р сопровождается незначительными изменениями крутизны S.
На рис. 2.21, б представлен механический усилитель параллель-
ного типа, представляющий червячную самотормозящую передачу
и имеющий значительно больший коэффициент усиления за счет
приложенного момента приводного двигателя /Мдв к валу червяч-
ного колеса, связанного с нагрузкой Мн. Таким образом, если
червяк, подключенный к управляющему серводвигателю с момен-
том Му, неподвижен, то приводной двигатель /Мдв не сможет про-
вернуть червячное колесо с нагрузкой Мн. При поступлении на
вход (червяк) управляющего сигнала червячное колесо освобожда-
ется и поворачивается приводным двигателем на угол, обуслов-
ленный управляющим сигналом.
Коэффициент полезного действия передачи определяется отноше-
нием мощности Р„, получаемой на выходе усилителя при равномер-
ном вращении вала червячного колеса, к суммарной мощности Р№ ф-
+ Руп, подводимой к передаче, т. е.
'<] = Л./^дв + Р уп)-
Уравнение энергобаланса передачи
Рдв + Руп = Ря + £Р»,
или
-^дв’Рд^ “к -Муп'/у = Мп^я^ “к SAfT'-?yG
где ЕРп — суммарные потери мощности в усилителе; ЕЛ1Т — сум-
марный момент сил трения, приведенный к приводному валу; фу —
угол поворота вала управляющего двигателя; i — передаточное отно-
шение усилителя.
Как видно из уравнения энергобаланса, в процессе управле-
ния усилителем не происходит перераспределения мощности,
а следовательно, при изменении углового передаточного коэффи-
циента передачи соответственно во столько же раз изменяется
77
4 5.5	7
Рис, 2.22. Схема фрикционного механи-
ческого усилителя момента.
отдаваемая в нагрузку мощность,
мощность потерь и мощность
потребления приводного двига-
теля. Поскольку усилие на пере-
мещение нагрузки действует не-
прерывно, то при движении в
одном направлении быстродей-
ствие определяется приводным
двигателем. Общим недостатком
механических усилителей момен-
та является нестабильность коэф-
фициента трения, определяющего
величину коэффициента усиления. С целью исключения перегрева
приводного двигателя в периоды между действием управляющих
воздействий между приводным двигателем и собственно червячной
передачей (червячным колесом) устанавливаются электромагнит-
ные муфты, что несколько усложняет конструкцию и ухудшает ди-
намические показатели передачи.
Муфту в двигателе можно заменить фрикционным механиче-
ским усилителем момента (рис. 2.22.). При этом приводной дви-
гатель— асинхронная машина — закрепляется с валами 1 и 3 и
приводит в движение шестерни 4 и 12. Поворот вала двигателя,
закрепленного с валом 2 фрикционного усилителя, приводит к за-
тягиванию ленты 6 или 10 одного из барабанов муфт 7 и 9. Муф-
ты охвачены внутренней жесткой отрицательной связью по поло-
жению выходного вала 8. Поскольку один из барабанов (в зави-
симости от направления вращения приводного вала 3) затормо-
жен лентой, направление движения передается второму бараба-
ну, а следовательно, выходному валу 8. При изменении направ-
ления вращения вала 3 осуществляется реверс выходного вала 8.
Коэффициент усиления по моменту составляет 50. Поскольку
потери на скольжение в муфтах, рассеиваемые в виде теплоты,
приводят к нагреву механизма и изнашиванию ленты, усилитель
целесообразно использовать при больших диапазонах изменения
скорости, которые, как правило, свойственны приводам исполни-
тельных устройств ПР.
Одним из основных достоинств промышленных роботов, по-
строенных по схеме с разгруженной конструкцией и использующих
описанные усилители мощности, является отсутствие длинных
кинематических цепей, охваченных обратной связью. Как извест-
но, стремление повысить быстродействие и уменьшить ошибки
позиционирования путем увеличения коэффициента усиления
обратной связи в конструкциях с длинными кинематическими
цепями часто приводит к потере устойчивости и возникновению
автоколебаний в механической системе ПР. Приближение источ-
ника энергии (маломощного управляющего двигателя) к испол-
нительному звену позволяет повысить точность и быстродействие
механических систем с приводами на основании, а вместе с тем
повысить коэффициент полезного использования энергии привод-
ных двигателей.
78
2.5.	Механические цепи с электрическими приводами
Рассмотрим систему дифференциальных уравнений механических
цепей, представленных на рис. 2.23 и являющихся передаточны-
ми механизмами многозвенного манипулятора в сферической си-
стеме координат, с учетом скручивания вращающихся валов [2].
Угловые скорости элементов механизмов связаны уравнениями:
/	*3\	/	%2\
«вх = «вых!----2*) 4” шизг I —	\ 4~ «01,
/ гл
«ВХ -- «ИЗГ I-2* ) “Ь W°’
где i»bx, и>вых — скорости вращения входного и выходного валов;
«>изг — скорость изгиба (скручивания) сустава; о>оь «о — скорости
вращения охватывающих звеньев 1 и 2, соответственно; Zi, Z2,
Z3 — передающие числа зубчатых колес механических цепей.
Механические цепи с такими валами могут быть составлены из
типовых звеньев, изображенных на рис. 2.24, а—г. Каждое из этих
звеньев описывается соответственно дифференциальным уравнением:
J1	2' ~ l-^gi С{ (?i — ?^+1) -^Tpi Sign У);]’,
d?y>i
Jt —5- —	— Ci—i (<p;_i — ср,) — Ci (<p; ?4-i) Ч- 44Тр sign
at
d~'-?,-
Jc-^2= [Mgi — Ci-i (cpe—i — <p/) — MTp sng u><];
Ji =	=	C£-i (<p£_! — <p£) — Сц (<p£ — СрЦ+Dl) — C{2 (<p£-
— Cpff-f-f )2> — Л4тр sing «11,
где Ji — приведенный момент инерции; <p£_i, <p£,	— углы пово-
рота участков валов; Ct-_i, С£—коэффициенты крутильной жест-
кости; о>£ = ср*’’; Л- —const; Mei — приводной момент двигателя
звена.
Рис. 2.23. Передаточные механизмы манипуляционных систем
с тремя (а) и с двумя (б) степенями свободы.
79
Рис. 2. 24. Типовые звенья механических цепей манипуляционных систем промыш-
ленных роботов.
Для схемы на рис. 2.24, д
М\ = J+ Q1 ср?+ Му', Му = J2<Р2 ( + 0.2^2 + М2‘,
М2 = С (cpt — ср2),
где Qi, Qi — коэффициенты вязкого трения; J\ = const; J2 = const.
В установившемся режиме вращения (ср?' = const, ср2)== const)
1 »,
<рс = cpi — <р2 = -^Mi.
Расчетные двухмассовые (в общем случае, трех- и четырехмас-
совые) схемы на рис. 2.24, д, е принимаются во внимание в зависи-
мости от операции, выполняемой роботом. Для схемы 2.24, е диф-
ференциальное уравнение без учета силы трения имеет вид
^1^2	. ( Л	(2) .	_
+ + +ср1“
= (р- + М\ ф- уг- М2 + рЛг М\,
где 7i =const, J2 = const.
При устранении заделки в стенку правого конца вала в схеме
на рис. 2.24, е при жестком конце справедливо выражение
447” + (J, + л) = м, + м, + h Aip.	(2.7)
Подставляя в (2.7) механическую характеристику электродви-
гателя
\	g /
получаем
где
80
ji— передаточное число от приводного двигателя к звену, а момент
/Иг учтен как момент сопротивления по отношению к моменту М,.
Уравнения для расчетных схем на рис. 2.24 записаны выше без
учета волнового движения деформации упругих валов.
Анализ влияния дополнительных изменений положений валов,
представляющих собой волновые упругие колебания изгиба, мо-
жет быть выполнен согласно методике, приведенной в [2].
Используя уравнения расчетных схем, приводят к общему ва-
лу как моменты инерции отдельных участков цепи, так и коэффи-
циенты жесткости упругих звеньев, исходя из закона сохранения
энергии.
Механические цепи с электрическими приводами. Рассмотрим
манипуляционную систему промышленного робота, работающего в
сферической системе координат (см. рис. 2.6). Если вращающий
момент Mi для Ай степени свободы манипуляционной системы
— Mgiji Jgi agt = Qi Л1тр sign "Qai
и механическая характеристика ЛЬ, = M£i (wgi) и системы силовой
электронный переобразователь — двигатель является линейной, т. е.
Мgl- = Mki f 1 - \
\ “ог/
можно записать систему дифференциальных уравнений приводов
трехзвенного манипулятора, считая, что b\ = const, bi = 0, b3 =
= const и S3 = const, в следующем виде:
J \Ц\ + 71 --------- + ^1Н-----~-------Н J^с\ = Mkiji — Мщ —
\ “goi	/ “gOl
— Л1ТР1 signer,
7 • t	( Mk212	, i \ ,	Mk2^c212	,	r p _ M ;	ил
J 2<?2 + <J2	I ---H ^2 I 4------------H	Jg2?c2 — ^£2/2
\ wg02 /	ш£02
— Mrp2 Sign qn2-
J 	• (ЛЧз'1з , , \ . Mk3^c3^l ! J _ M i M __________________
J 3Q3 + Яз I------ +	g3^c3 — M&з/з <V3
\ “s03	/	“g03
— MTp3 sign qn3;
..	. /^4/4	. \	. г г ____ Mi ______M ______
J\q^	<74	+ ^4j H-------------H Jg4sc4 — Mk4/4 M ,V4
— Л1тр4 sign qn4,
J ••	- /Mfe5E . , \ , Мк£м1 J p < M ; ________________Mm _____
J&q3 + 75 l—Д-----------------Д-------H 7g4?c4 MlMs JVlN5
\ “g05	/	'".05
— Л1тр5 sign 7„5-
(28)
Здесь qi, qit qi — управляемые координаты (qi = a, q2 = p, 73 — Y>
<74 = 0, 75 = ср) и их производные для соответствующих звеньев
81
манипуляционной системы промышленного робота; A^sign^—момент
сухого трения; qni— углы поворота валов приводов соответствую-
щих управляемых координат; Мм— момент короткого замыкания
двигателя t-й управляемой координаты; <о{ = о>£,-/Д — -rini = qni—уг-
ловая скорость вращения вала в i-м шарнире; о>£(-—угловая ско-
рость вала двигателя i-й координаты; woz = “>goi7/t— скорость иде-
ального холостого хода; = qc + \cl', Id— угол поворота (сколь-
жения) свободного конца Лй координаты по отношению к соединен-
ному с приводом концу, возникающий в результате крутильных
•или изгибных деформаций;	Jti — момент инерции дви-
гателя, приведенный к i-му звену;
Jt z== 7i (ttld Id Tf, qij i Xf = kj (fil'd Id fid qd Qi) ’
MNi — Mni (fiid Id fid qd qd	сосредоточенная масса t-го звена; li —-
длина звеньев (Л = b\, 1г = 3з, 13 = Ьз); г,—расстояние центров
тяжести звеньев от их оси вращения.
В системе (2.8) не учтена инерционность электрических силовых
цепей, влияние которой на уравнения движения управляемых ко-
ординат рассматривается в п. 4.6.
2.6. Передаточные механизмы манипуляционных систем
промышленных роботов
После определения закона и характера движения исполнитель-
ных звеньев манипуляционной системы ПР возникает задача вы-
бора наиболее целесообразных для данного конкретного случая
передаточных механизмов. В качестве последних применяются
рычаги, тяги, зубчатые сектора, рейки и другие устройства, боль-
шое многообразие которых значительно затрудняет унификацию
передаточных механизмов, а следовательно, выбор наиболее оп-
тимального варианта. Однако перечисленные механические эле-
менты передаточных механизмов не являются универсальными,
что не способствует обеспечению мобильности, увеличению на-
дежности, улучшению и упрощению компоновки и конструкции
манипуляционных систем ПР, а также сокращению сроков их
проектирования. В этом плане выгодно использование гибких ме-
ханических передаточных механизмов (ГПМ), структура которых
позволяет придавать им различные фиксируемые пространствен-
ные положения, не нарушая рабочей функции. Они подразделя-
ются на механизмы одностороннего и двустороннего действия
[10]. В зависимости от вида и структуры передаточных звеньев
в механизмах одностороннего действия рабочими нагрузками мо-
гут быть сжимающие или растягивающие усилия; при этом сило-
вое замыкание и отвод исполнительного механизма в исходное по-
ложение осуществляется, как правило, с помощью пружины.
При необходимости передачи нагрузки как при прямом, так
и при обратном ходе используются механизмы двустороннего дейст-
вия, которые могут быть пространственными (троссового типа)
и плоскостными (ленточного типа).
.82
Шариковый передаточный механизм (ШПМ). В автоматах »
полуавтоматах различного назначения наибольшее применение
в качестве передаточных механизмов нашли механизмы односто-
роннего действия (обычно передающие сжимающие усилия).
К наиболее рациональным и простым по конструктивному испол-
нению, надежным и удобным в эксплуатации можно отнести ша-
риковый передаточный механизм и его модификации [10]. Такие
механизмы являются особенно рентабельными при создании раз-
груженных конструкций ПР, у которых с целью уменьшения инер-
ционных факторов и повышения к. п. д. исполнительных звеньев-
приводные двигатели располагаются на основании либо значи-
тельно удалены от приводимого в движение звена.
Шариковый передаточный механизм, схема которого представ-
лена на рис. 2.25, а, представляет собой систему последовательно
расположенных в стальной или латунной калиброванной трубке 6
шариков 4, разделенных втулками 5. Трубка заполнена густой
смазкой. Вся передаточная система имеет пару толкателей 1 и 7,
расположенных со стороны исполнительного механизма 2 и прог-
раммоносителя (в данном случае на рисунке в качестве програм-
моносителя изображен кулачок 8, но могут использоваться, напри-
мер, шток пневмо- или гидроцилиндра,соленоиды). Обратный ход
исполнительного механизма 2 осуществляется, как правило, при
помощи пружины 3 (в данном случае возвращение механизма 2
осуществляется при помощи пружины 3, работающей на растя-
жение).
Габаритные размеры ШПМ определяются взаимным располо-
жением распределительного и исполнительного механизмов.
Шариковые передаточные механизмы, по сравнению с другими
механизмами аналогичного назначения, обладают преимущества-
ми, ряд которых делает особенно перспективным их применение в
робототехнике, а именно: простота конструкции, надежность и
удобство в эксплуатации; незначительная инерционность и способ-
ность передавать значительные перемещения и усилия с высокой
точностью; низкая подверженность износу и низкие затраты на
обслуживание; позволяют распараллеливать передаваемое движе-
ние от распределительного механизма к нескольким исполнитель-
ным механизмам; возможность создания компактных компоновок
83.
манипуляционных систем ПР в целом за счет практически незави-
симого расположения распределительного и исполнительного ме-
ханизмов; возможность унификации и стандартизации таких меха-
низмов и их элементов.
Работоспособность шарикового передаточного механизма во
многом определяется конструкцией и качеством изготовления мест
присоединения его к корпусу узла программного распределителя
и к исполнительному механизму. Особенно важно обеспечить лег-
кую разборность конструкции при профилактических осмотрах и
ремонтах манипуляционной системы ПР с надежным предохране-
нием от выпадания из трубопровода шариков и промежуточных
втулок.
На рис. 2.25, б представлена унифицированная конструкция
места присоединения ШПМ, которое осуществляется с помощью
накидных гаек 4 и штуцеров 2, надеваемых на концы трубопрово-
да 1. Штуцер 2 выполняет также роль центрователя трубопровода
во фланце 5. Для увеличения прочности соединения ШПМ концы
после одевания штуцеров развальцовываются и отбортовывают-
ся, а затем зажимаются между фланцем и штуцером 2 с помощью
накидной гайки 4. Иногда дополнительно производят припайку
штуцера 2 к трубопроводу 1.
При разборке ШПЛЙ или съеме последнего с исполнительного
звена манипуляционной системы ПР необходимо предусмотреть
меры, исключающие выпадание шариков и втулок из трубопрово-
да. Для этого толкатели, передающие движение от программоно-
сителя на ШПМ и от ШПМ на исполнительное звено манипуляци-
онной системы ПР, выполнены составными. Толкатели, находящи-
еся непосредственно в ШПМ (позиция 6, рис. 2.25 б), стопорятся
винтами 3, ввернутыми в штуцер 2. Таким образом, при демонта-
же ШПМ снимаются вместе с этими толкателями.
Силовой расчет ШПМ. В шариковом передаточном механизме
действуют две категории внутренних сил: осевые — силы взаимо-
действия между рабочими телами; радиальные — силы, действую-
щие между шариками и трубопроводом. Их величины зависят от
прикладываемой к ведомому толкателю нагрузки, геометрических
параметров ШПМ, а также от трения в системах шарик — втулка
и шарик — трубопровод.
Для осевых сил на любом радиусном участке трубопровода ха-
рактерно монотонное нарастание нагрузки Nr к движущей силе
Рг (такая же зависимость наблюдается и на прямолинейных участ-
ках ШПМ). Между движущей силой и нагрузкой существует про-
порциональная зависимость, в которой коэффициент пропорцио-
нальности носит название коэффициента возрастания осевых сил
и обозначается так: для радиусного участка — Кг, для прямого
участка — Ki и для ШПМ в целом — /(. Тогда:
Pr = KrNr- р1 = КШг, Р = К -N,
где Рг, Pi, Р — соответственно движущие силы радиусного и пря-
мого участков и ШПМ в целом; Nr, Nt, N — нагрузки на соответ-
ствующих участках ШПМ.
84
На радиусном участке (Л, С, рис. 2.25, а) величина К.г опреде-
ляется коэффициентом трения между шариком и втулкой, шариком
и трубопроводом и геометрическими параметрами радиусного уча-
стка, что при условии использования одного материала для изго-
товления втулок и трубопровода (а следовательно, одного значения
коэффициента трения) выражается зависимостью
cos20,5pcos2(l,5p — <pOr) cos"''-2 (р — <?Ол)
/\ г - --Z	п ’	'	„	9	“ »
c'os2l,5p cos2 (1,5р + уОг) cos r (Р — <рОг)
где р — угол трения; срог=срг/2.
Если принять, что р = 6° (/ 0,1), то
Кг^ 1,05
cosnr 2(Р — <fOr)
cos'1'’ 2 (р + уОл)
В отличие от радиусного, на прямом участке (В, рис. 2.25, а)
величина движущей силы Pi определяется углом трения р, зазором 5
между шариком и трубопроводом и длиной участка /. Коэффициент
возрастания осевых сил прямого участка
Ki= [
cos (р — т)
cos (р + т) ] ’
где у = arcsin о/6; b — шаг расположения шариков на участке ШПМ.
Картина распределения радиальных сил Тг, действующих на
радиальном участке, сложна и характеризуется следующими осо-
бенностями: в ряде точек осевой линии происходит скачкообразное
изменение их величины, а в двух крайних точках — изменение на-
правления; эти силы имеют экстремальное значение силы Trmax,
прикладывающейся с мягким ударом и лежащей под углом к
граничному радиусу. Между максимальной радиальной силой Атах
и движущей силой радиусного участка наблюдается пропорциональ-
ная зависимость (как и для прямого участка).
Коэффициент пропорциональности между указанными силами на-
зывается коэффициентом радиальных сил. Таким образом, на ра-
диусном и прямом участках радиальные силы определяются выра-
жениями
Т rmax — ErP г', Т /max = ElP I-
Коэффициент радиальных сил
р	cos р • cos 1,5?	____ . .	_ - .
r cos 0,5? • cos (1,5? — <pOr) cos (р— <рвг) S П	’ Р'’
принимая р = 6° (/0,1) и упростив выражение для Ег, получаем
Ег = 0,98 sin (tpor + 0,5р).
На прямом участке максимальная сила действует на конце та-
кого участка, где приложена движущая сила
Е1 =
cos (? — 7)
(2.10)
Итак, исходной величиной силового расчета является нагрузка N
на механизмы, которая одновременно является и нагрузкой на по-
85
следний прямой участок— Nц. Величина движущей силы последнего
прямого участка Ph определяется соотношением (2.10) по
коэффициенту Ki- Но поскольку участки соединены последовательно,
движущая сила Рц последнего участка является в то же время
нагрузкой на предпоследний участок (который, например, является
радиусным) и т. д. Иными словами, движущая сила последующего
участка является нагрузкой предыдущего. Отсюда коэффициент
возрастания Лшпм осевых сил ШПМ равен произведению коэффи-
циентов всех участков;
/Сшпм = П КгК,.
rl
Максимального действия внутренние силы ШПМ достигают при
прямом ходе в момент действия наибольшей нагрузки Мтах, которая
складывается из рабочей нагрузки Npmax и усилия замыкающей
пружины ПзтаХ (в механизмах одностороннего действия, когда об-
ратный ход выполняется за счет пружины)-
Мmax ~ Мртах	М,тах*
Максимальное усилие замыкающей пружины М3тах рассчитывают,
исходя из величины хода механизма и минимального усилия пру-
жины Лтах = 2К. Усилие Nmax действует в конце прямого хода.
В первом приближении к. п. д. ШПМ равен обратной величине
от коэффициента возрастания осевых сил, т. е.
тдшпм ~ UP-
Расчет ШПМ на прочность. Шариковые передаточные меха-
низмы рассчитываются на прочность по методу разрушающих на-
грузок. По этому методу проектирование ШПМ ведется таким
образом, чтобы внутренние силы, которые вызывают его разруше-
ние, не превосходили определенного предела. Поскольку рабочие
тела (шарики и втулки) ШПМ испытавают напряжения сжатия,
которым они могут противостоять без разрушения длительное
время, в первую очередь разрушению подвергается трубопровод,
который находится под действием растяжения, изгиба и местных
контактных напряжений. Самым распространенным видом разру-
шения трубопровода является его вспучивание в результате вдав-
ливания шарика в стенку трубопровода, что является следствием
действия главным образом радиальных сил. Поэтому при проек-
тировании необходимо обеспечить ограничение этих сил до допус-
тимого значения Таоп.
Таким образом, расчет на прочность выполняется параллельно
с проектированием ШПМ: определяют форму и размеры участков
и ШПМ в целом, а затем рассчитывают величины действующих
радиальных сил, которые не должны превосходить допустимых зна-
чений. Следует учитывать, что в общем случае совершеннее тот
вариант механизма, у которого суммарный угол колен закругления
ps меньше суммы углов S|3, радиусных участков (участков закруг-
ления);
< S8,.
Это условие достижимо в тех ШПМ, трубопроводы которых со-
единяют толкатели кратчайшим путем L.
86
f 1
Рис. 2.26. Типовые варианты компоновки ШПМ.
Возможности улучшения варианта компоновки ШПМ за счет
выбора рационального изгиба трубопровода видны из приведенных
на рис. 2.26 типовых решений. Сплошной линией показаны компо-
новки, имеющие наименьшее значение и L (или один из этих
параметров). Следует отметить, что форма ШПМ в значлтел!ной
степени определяется положением ведомого толкателя по отношению
к ведущему.
Расчет податливости ШПМ. Точность ШПМ определяется в
значительной мере податливостью с, являющейся причиной появле-
ния разности перемещений ведущего и ведомого толкателей (раз-
ность хода А/) под действием разности нагрузок ДМ:
с = Д//ДМ.
Общая разность хода ШПМ складывается из разности ходов,
создаваемых каждой парой рабочих тел со своим участком трубо-
провода, причем и на радиусном, и на прямых участках при одной
и той же нагрузке возникает одинаковая разность хода. Иными
словами, разность хода любого элементарного участка ШПМ про-
порциональна приращению нагрузки, действующей на него; коэф-
фициентом пропорциональности является податливость с', опреде-
ляемая так [10]:
с= 1,3 . 10~6 МН.
Следует различать статическую и динамическую составляющие
податливости. Основными источниками статической податливости
являются зазоры, которые выбираются при приложении нагрузки
и в правильно спроектированном ШПМ не проявляющиеся в про-
цессе эксплуатации из-за приложения замыкающего усилия.
Динамическая податливость пропорциональна площади, лежа-
щей между графиками наименьших и наибольших усилий. Анали-
тические зависимости для динамических податливостей при изме-
нении нагрузки cN и при реверсе сь таковы:
cn=cL-^-- Cb^cL-^.	,
Точность работы ШПМ. Закон движения, передаваемый ШПМ,
искажается в основном двумя факторами: податливостью и кине-
матической погрешностью. Погрешность, обусловленная податли-
востью:
Д/ Mn 4* Мь\ Мп = с^ДМ; ДА = сьРзгшп.
87
Величина расчетной кинематической погрешности ШПМ зави-
сит от величины хода механизма, причем если величина хода
больше шага Ь, то кинематическая погрешность не превосходит
суммарной кинематической погрешности на создаваемую механиз-
мами входа и выхода у ШПМ. В этом случае общая погрешность
А/ -*С CbP3min Ч"	(fl max ^amin) Ч* ,J) •
Если ход меньше шага Ь, то кинематическая погрешность про-
порциональна относительному ходу механизма. В этом случае
Ai С СЬРзпНп Ч" max E3min) Ч" 10 
Составляющие Д/.v и Д/* можно уменьшить или ликвидировать
совсем, если обеспечить плавность изменения нагрузки, что дости-
гается правильным профилированием закона управляющих воздей-
ствий на ШПМ. При этом разность хода определяется выражением
Д/м = cn&N (/).
Волновые механические передачи. Принцип действия волновых
механических передач основан на передаче и преобразовании дви-
жения путем волнового деформирования одного из звеньев меха-
низма. Наиболее простой является фрикционная волновая переда-
ча (рис. 2.27) [3]. Такая передача состоит из трех элементов
(звеньев): гибкового колеса 1, жесткого колеса 2 и генератора
волн деформации 3. Наружный диаметр недеформированного гиб-
кого колеса d{ меньше внутреннего диаметра жесткого колеса
d% — d\ = 2о)о,
где coo — радиальное перемещение точки гибкого колеса, располо-
женной на большой оси его контура (это перемещение называют
размером деформирования).
Гибкое колесо выполнено в виде кольца, переходящего в гибкий
цилиндр. Оно выполняет роль кинематического звена, в то время
как гибкий цилиндр выполняет роль упругой связи деформируемо-
го кольца с другим жестким не.дерформируемым элементом пере-
дачи, например, с ведомым валом или корпусом.
Существуют также волновые механические передачи без гиб-
ких цилиндров (рис. 2.28) [3]. В них (рис. 2.28, а) гибкое колесо
представляет собой кольцо , с двумя зубчатыми венцами и а%,
Рис. 2.27. Конструктивные схемы волновых механических передач:
а —с неподвижным гибким колесом; б —с неподвижным жестким колесом; в — гра-
фик перемещений точек гибкого колеса.
88
Рис. 2.28. Волновые передачи без гибких цилиндров:
а — с внешним расположением гибкого и жесткого колес; б — с внутренним за-
цеплением гибкого и жесткого колес.
зацепляющимися с двумя жесткими колесами bt и Ь2. Волновой
генератор R у них общий.
Приведенная на рис. 2.28, б схема отличается тем, что жесткое
колесо Ь2 расположено внутри гибкого колеса и имеет наружные
зубья, так что второе зацепление происходит в зоне малой оси
генератора.
В передачах по схеме рис. 2.27, а с ведомым валом соединено
жесткое колесо 2, а по схеме рис. 2.27, б — гибкое колесо 1. В пер-
вом случае левый недеформированный конец гибкого цилиндра
присоединен к корпусу. С правой стороны в гибкое колесо встав-
лен генератор 3, который в данном случае выполняет роль водила
с двумя роликами. Охватывающий размер по роликам больше
внутреннего диаметра гибкого колеса на 2(о0- Поэтому с правой
стороны колесо деформировано. Генератор устроен так, чтобы
деформированное гибкое колесо прижималось к жесткому колесу
с силой, достаточной для передачи нагрузки путем трения.
На рис. 2.27, в изображена зависимость радиальных переме-
щений м точек гибкого колеса от угла <р. При вращении генерато-
ра волна бежит по окружности гибкого колеса, поэтому передачу
назвали волновой, а звено 3 — генератором волн деформации.
Если в пределах длины окружности или угла ф=2л укладывают-
ся две волны, то такую передачу называют двухволновой. При
трех роликах, расположенных под углом 120°, получают трехвол-
новую передачу, при одном — одноволновую и т. д.
Передаточное отношение волновой передачи. Гибкое колесо
обкатывается по жесткому за счет вращения генератора, и при
отсутствии проскальзывания между элементами фрикционного
зацепления одно из колес должно повернуться на угол, определяе-
мый разностью длин окружностей:
17^2 - ~d| == 7t2(Uo.
Соответствующие углы поворота колес за один оборот генератора
по схеме (рис. 2.27, а) (при неподвижном гибком колесе) жесткое
колесо поворачивается в направлении вращения генератора на угол
<р2 = 4-шоМ, а для схемы по рис. 2.27, б (при неподвижном
жестком колесе) гибкое колесо поворачивается в направлении,
обратном вращению генератора, на угол ?! = —4к<»о/^ь Тогда пере-
даточные отношения!
89
(2-12)
для схемы рис. 2.27, а
1з—2 — “з/^г = <рз/?2 = ^з/(2юо) = с?2/ (с?2— di); |
для схемы рис. 2.27, б	>	(2.11)
(з—1 = —di/ (2u)o) = —<Л/(^2 — d\).	j
В простой фрикционной передаче передаточное отношение рав-
но отношению диаметров колес, а в волновой — отношению диа-
метра ведомого колеса к разности диаметров колес. Поскольку
разность диаметров колес может быть небольшой, передаточное
отношение волновой передачи — большим. В некоторых конструк-
циях фрикционных волновых передач эти отношения достигают
1000, в зубчатых передачах — до 300 в одной ступени.
В случае зубчатых волновых передач, выполненных по схемам
на рис. 2.28, а, б, гибкие колеса имеют наружные, а жесткие ко-
леса— внутренние зубья. При этом в формулах (2.11) отношение
диаметров заменяют отношением числа зубьев Z и получают
г1Ч2 = 22/(72-20 =г2/(ЛгЛ1),
4-! = -ZJ(Z2 -Z0 = -Z^Ol),
где М — число волн деформации в пределах окружности гибкого
колеса; 7<z=l, 2, 3,... — коэффициент разности чисел зубьев.
Нижнее предельное значение передаточных отношений ограничи-
вается прочностью гибкого колеса, а верхнее — соответственно
значениями 1000 и 300 для одной ступени передачи.
Вследствие незначительной разности диаметров колес в волно-
вых зубчатых передачах наблюдается многопарность зацепления,
т. е. одновременно в зацеплении находятся несколько пар зубьев
колес, что позволяет передавать значительные усилия (крутящие
моменты).
Волновое деформирование гибкого колеса можно осуществлять
не только роликовыми (механическими) генераторами, но и гид-
равлическими, пневматическими, электромагнитными.
Принципиальная схема передачи с электромагнитным генера-
тором изображена на рис. 2.29, [3]. Деформирование гибкого ко-
леса 1 в ней осуществляется электро-
магнитами неподвижного генератора 3,
имеющими вид полюсных наконечников.
С помощью специального управляющего
устройства производится поочередное
включение электромагнитов генератора
либо по часовой, либо против часовой
стрелки. Например, в случае работы гене-
ратора на часовой стрелке вначале вклю-
чаются полюса а, б, d, е, в следующий
такт — в, с, е, f и т. д. Магнитный поток
Ф диаметрально расположенных полюсов
замыкается через гибкое колесо 1, де-
формируя его и прижимая к жесткому
Рис. 2.29. Волновая передача с
электромагнитным генератором.
90
колесу 2. При смене пар полюсов в процессе работы генератора
образуется волна деформации, бегущая по окружности. Таким об-
разом, в данном устройстве реализуются две функции: электродви-
гателя с гибким ротором и волновой передачи.
Список литературы
1.	Бансявичюс Р. Ю., Рагульскис К. М. Вибродвигатели.— Вильнюс: Мокслас,
1981,—193 с.
2.	Егоров Ю. Н. Электроприводы роботов и манипуляторов.— Л.: изд. ЛПИ
им. М. И. Калинина, 1978,—77 с.
3.	Иванов М. Н. Волновые зубчатые передачи.— М.: Рысшая школа, 1981,—
4.	Кобринский А. Е. и др. Автоматические манипуляторы с программным управ-
лением (промышленные роботы). Состояние, перспективы, проблемы.— Станки
и инструмент, 1974, № 11, с. 4—11.
5.	Костюк В. И., Ямпольский Л. С., Карлов А. Г. Промышленные роботы и
их применение.—К.: изд. «Знание» УССР, 1980.— 72 с.
6.	Костюк В. И., Ямпольский Л. С., Иваненко И. Б. Промышленные роботы
в сборочном производстве.—К.: Техн1ка, 1983.—182 •.
7.	Попов Е, П., Верещагин А. Ф., Генерозов В. Л. Манипуляционные роботы.
Динамика и алгоритмы.—М.: Наука, 1978.—400 с.
8.	Промышленная робототехника/ Под ред. Я. А. Шифрина.— М.: Машиностро-
ение, 1982.— 415 с.
9,	Промышленная робототехника/ Под ред. Л. С. Ямпольского.— К.: Техшка,
1984.—264 с.
10.	Шаумян Г. А. и др. Шариковые передаточные механизмы,—М.: Машино-
строение, 1975.—136 с.
ГЛАВА 3
Автоматизированное проектирование
робототехнических систем
3.1. Системный подход как метод проектирования
сложных производственных систем
Основой методологии инженерно-технической деятельности яв-
ляется системный подход к проектированию и конструированию
как к объектам целенаправленной деятельности человека, т. е.
объектам управления, учитывающий все существенные социально-
технические связи создаваемого объекта с окружающим миром
(средой) [6]. Сюда включаются и морально-этические аспекты ин-
женерной деятельности, учитывающие необходимость правильного
определения общественной потребности в создании технического
объекта с заданными технико-экономическими характеристиками,
расходом природных ресурсов, влиянием на окружающую сре-
ду и т. д.
Уточним основные понятия рассматриваемой методологии.
Проект—результат умственной деятельности человека или
коллектива людей в сфере информации, являющийся в определен-
ном смысле абстракцией.
91
Изделие — результат деятельности в сфере материальных объек-
тов, т. е. конкретная субстанция.
Процесс изготовления представляет собой процесс придания
материальным объектам желаемых свойств. Эти свойства подчине-
ны конструкции, т. е. определенному классу структур и состоянии
изделия. Следовательно, замысел как результат умственной (абст-
рактно) деятельности человека представляет собой совокупность
структур и состояний, а вместе с тем и особенностей изделий.
Особенность изделия как технического средства проявляется
во взаимодействии его с другими объектами, т. е. его отношением
к другим объектам. Так, особенность промышленного робота как
технического средства с гибкими технологическими свойствами про-
являются во взаимодействии его с объектами манипулирования,
технологическими машинами, технологической оснасткой (накопи-
телями, питателями объектов манипулирования, ориентирующими
устройствами и т. д.), а также с другими промышленными робо-
тами, входящими в робототехническую систему.
Наука о проектировании и конструировании охватывает тео-
рию записи на языке символов и знаков. Использование ЭВМ
в проектно-конструкционном процессе связано с проблемой созда-
ния новых языков, ориентированных на операционное значение
записи.
Системный подход представляет основу системного проектиро-
вания, которое может быть противопоставлено частному (локаль-
ному) проектированию.
Часто понятия система и комплекс рассматриваются как сино-
нимы: так, робототехническая система отождествляется с робото-
технологическим комплексом. Между тем, понятия эти различны.
В общем смысле комплекс — это согласованная совокупность, ины-
ми словами, комплекс есть абстрактная или конкретная совокуп-
ность, определяемая с учетом ее свойств или особенностей таким
образом, что становится возможным отделить эту совокупность от
других.
Совокупность технических средств представляет собой мате-
риальные комплексы. Существенными элементами функционирова-
ния технических комплексов являются информация, энергия и ма-
териал, которые становятся характеристиками входа и выхода та-
ких комплексов.
Система характеризуется преобразованием и связями, различ-
ные соотношения которых дают различные комплексы, ибо отноше-
ния преобразований определяют состав (состояние)- элементов
комплекса, а отношения связей — его структуру. Техническая си-
стема представляет собой абстрактное отражение комплекса
взаимосвязанных технических средств, обеспечивающих преобразо-
вание материала, энергии и информации.
Структура комплекса — свойство, которое может быть установ-
лено вследствие относительной или абсолютной его стабильности.
Структура робототехнического комплекса связана со способом
взаимного расположения его элементов, определяемым отношением
(видом)' связей между ними.
92
Состояние комплекса — его свойство, зависящее от времени или
взаимодействия с другими комплексами. Состояние робототехноло-
гического комплекса зависит от состояния его элементов.
Элемент — часть целого, которая в различных совокупностях
может выступать как относительно целое, причем свойства этого
относительно целого остаются постоянными.
Конструкция — совокупность структур и состояний изделия,ко-
торая определяет класс некоторого множества изделий и тем са-
мым устанавливает возможность существования или существова-
ние изделий с одинаковыми свойствами.
Конструирование — подбор конструктивных характеристик, оп-
ределяющих логическую основу конструкции.
Проектирование — выбор некоторого способа действия или со-
ставления описания, необходимого для создания в заданных усло-
виях еще не существующего объекта на основе первичного описа-
ния этого объекта и (или) алгоритма его функционирования, пре-
образование первичного описания (в ряде случаев неоднократное),
автоматизация задания характеристик объекта и алгоритма его
функционирования, устранение некорректности первичного описа-
ния и его последовательности, представление (при необходимости)
описаний на различных языках.
Техническое проектирование — проектирование технической си-
стемы как логической основы действия технического средства или
технического комплекса, а также определение характеристик кон-
структивного вида материальных комплексов.
Автоматизированное проектирование — проектирование, при ко-
тором отдельные преобразования объекта и (или) алгоритма его
функционирования, а также представления описания на различных
языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ.
Системное проектирование — проектирование части целого с
точки зрения целого, с учетом интересов целого.
Системный подход — метод анализа материальных комплексов
и признаков его действия в процессе проектирования с системных
позиций.
К понятию «сложный объект» или «система» относятся объекты
любой природы, которые можно условно или физически расчленить
на совокупность более простых взаимосвязанных между собой час-
тей. К категории системных относятся только те объекты (процес-
сы), которые состоят из отдельных частей и элементов, но обла-
дают целостным характером функционирования. Системные объек-
ты обладают новыми функциями и свойствами которых может не
быть у отдельных составляющих их элементов. Например, собран-
ное из деталей сборочное соединение характеризуется свойствами
и функцией, которых нет у отдельных комплектующих его деталей.
Системные объекты и процессы Р описываются системными ха-
рактеристиками: связями С с окружающей средой, структурой N.
функцией F и набором свойств L [1], т. е.
Р= {С, N, F, L}.
93
Технологический процесс является частью производственного
процесса, связанной с качественным изменением состояния объек-
тов производства. Здесь важны две системные характеристики: це-
лостность процесса и его функции, ибо технологический процесс
является относительно обособленной частью производственного
процесса, связанной с другими его частями, а также процессом ка-
чественного и количественного преобразования объектов производ-
ства из состояния заготовок в состояние конечного продукта. Со
структурных позиций технологический процесс представляет собой
совокупность взаимосвязанных этапов, операций, переходов.
Относительная обособленность роботизируемого технологическо-
го процесса предусматривает наличие связей с окружающей средой,
взаимодействие с которой представляется в виде связей, разделяе-
мых по направлению воздействия на подмножество входов и под-
множество выходов. Через свои входы технологический процесс
воспринимает действие других подсистем управления и производ-
ства, а через выходы сам воздействует на них.
Если имеется исходное состояние предметов труда По, заданное
множеством параметров, характеризующих форму, размеры ком-
плектующих сборочное соединение деталей, марку материала и его
физико-механические свойства, относительное положение деталей
в пространстве, а также конечное состояние Пк в виде множества
параметров, характеризующих сборочное соединение, вид фиксации
и способ сопряжения, то функция сборочного технологического про-
цесса может быть описана отображением
Рп : По -> Пк.
Для операционных функций, на которые может быть разбит
технологический процесс (декомпозиция), характерно отображение
Ро: Я/—1 -> П;.
При этом промежуточное состояние характеризуется свой-
ствами промежуточного продукта труда, например подсборки /, по-
лученного в результате /-й операции. Декомпозиция структуры
технологического процесса на несколько уровней, а на каждом
уровне — на составные части приводит к соответствующей деком-
позиции общей функции процесса на отдельные подфункции. Для
реализации одной и той же функции могут быть созданы системы
с различной структурой, обладающие различными технико-эконо-
мическими параметрами. Это обстоятельство приводит к много-
вариантности задач синтеза робототехнических систем для реали-
зации технологического процесса на основе заданной функции.
Структуру системы следует рассматривать как единство проти-
воположных сторон: расчлененности и целостности. Расчлененность
системы характеризуется количеством, качеством частей и их взаим-
ным расположением. Выбор способа членения системы определя-
ется типом решаемых задач. Каждому способу членения соответ-
ствует определенный тип взаимосвязей частей системы — своя фор-
ма целостности.
94
Если система подразумевает наличие связей между компонен-
тами объекта, а также между объектом и окружающей средой, то
целостность системы предопределяет существенность внутренних
связей по сравнению1 с внешними связями системы и окружающей
средой.
Временная структура технологического процесса характеризует-
ся порядком выполнения во времени операций, переходов, рабочих
и вспомогательных ходов и приемов. Взаимосвязь основных струк-
турных элементов робототехнической системы, реализующих техно-
логические процессы, во времени описывается с помощью графа,
множество вершин которого изоморфно операциям, переходам,
приемам, а множество дуг — отношениям, отражающим временную
упорядоченность частей роботизируемого процесса.
Объектом проектирования является система, объектом конструи-
рования — конструкция. Система представляет собой логическую
основу как конструкции, так и действия технических средств.
Применение ЭВМ в проектных и конструкторских разработках
обусловлено следующими требованиями:
необходимостью уменьшения загрузки проектировщиков рутин-
ными видами работ и высвобождения их для творческой работы;
необходимостью уменьшения объема документации и упрощения
ее форм;
проведением расчетов, требующих большого количества вычис-
лительных операций;
улучшением качества проектирования за счет возможности про-
смотра многих вариантов проектируемых объектов.
Появление промышленных роботов и создание на их основе авто-
матизированных технологических или робототехнологических комп-
лексов по существу означает новый качественный скачок в авто-
матизации производственных процессов и приводит к необходимо-
сти совершенствования методов и средств проектирования.
Рационализация процессов проектирования РТК предполагает
развитие научных основ автоматизации проектирования, ориентиро-
ванных на формализованные методы с применением ЭВМ.
Робототехнологические комплексы представляют собой совокуп-
ность технических средств, состоящую из группы машин, роботов,,
оборудования, приборов и т. п. Исследование и проектирование та-
ких комплексов целесообразно проводить, используя методологию
системного подхода.
Сущность системного подхода состоит в рассмотрении исследуе-
мого объекта как системы, состоящей из множества взаимосвязан-
ных между собой элементов, выполняющих определенную функцию
Для достижения цели. Исследование свойств этих элементов, спе-
цифических связей, присущих элементам комплекса, разработка
определенных методов их описания и изучения составляют научную*
основу системного подхода.
В основу системного подхода положены следующие гипотезы:
описание элемента системы не имеет самостоятельного значения,
так как он исследуется не в изолированном виде, а с учетом его.
Роли в функционировании всей системы;
9а
Системный анализ
Рис. 3.1. Структура
системного анализа.
исследование системного объема не исчерпывается описанием
его элементов, а принимается во внимание характер взаимосвязи
между элементами;
одному и тому же исследуемому объекту присущи одновремен-
но разные характеристики, параметры, функции (одним из прояв-
лений этого является иерархическое строение системы);
исследования объекта неотделимы от исследований условий
его функционирования;
при исследовании сложных систем предполагается зависимость
состояния всей системы от состояния ее элементов и наоборот.
Основой методологии системного анализа является операция
количественного сравнения альтернатив с целью выбора альтерна-
тивы, подлежащей реализации. Иначе, системный анализ можно
определить как формальное рассмотрение альтернативных кон-
струкций комплекса с целью количественного определения наилуч-
шей, исходя из математических критериев оптимальности, т. е.
формализация проблемы с последующей оптимизацией (рис. 3.1).
В общем виде схема решения инженерных задач на базе систем-
ного анализа состоит в следующем:
постановка решаемой задачи — установление цели, выявление
условий и ограничений при решении и достижении цели, установ-
ление границы исследуемого комплекса и критерия эфективности
его состояния, выявление взаимосвязей между элементами комп-
лекса и их оценки;
анализ решаемой задачи — установление границ структурных
составляющих и существенных связей между ними, уточнение дан-
ных, описывающих состояние структурных составляющих, провер-
ка возможности использования установленных критериев, разра-
ботка схемы решения задачи, установление возможных вариантов
решения задачи, подлежащих сравнению для выбора оптималь-
ного;
решение поставленной задачи — разработка плана решения за-
дачи, установление количественной оценки связей между струк-
турными составляющими, оценка частичных и полных решений,
принятие решения, подлежащего реализации.
4)0
3.2. Формализация описания производственных
(роботизированных) процессов
Создание формализованных методов описания производственных
процессов связано с философскими концепциями о материаль-
ности мира, основными формами существования которого являют-
ся движение, пространство и время. При этом в производственных
процессах материя как объект труда в виде материалов, энергии
и информации подвергается воздействиям орудий труда (или вза-
имодействует с ними), которые представляют собой форму суще-
ствования орудий и объектов труда. Эти воздействия (взаимодей-
ствия) осуществляются во времени и пространстве, следуя друг
за другом в определенном порядке, заданном технологией преобра-
зования объектов труда в конечный продукт — изделие, и марш-
рут движения объектов определяет структуру производственной
системы. Таким образом, в производственной системе проявляется
закон всеобщности форм существования материи, ибо «в мире нет
ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не мо-
жет двигаться иначе, как в пространстве и во времени»*.
В производственных условиях взаимодействие орудий и объек-
тов труда сопровождается преобразованиями объектов труда, нося-
щими многофазовый характер. При этом реализуются связи между
определенными отдельными фазами преобразования. Совокуп-
ность преобразований и связей представляет собой систему. Про-
изводственная система определяется совокупностью преобразований
материалов, энергии и информации и взаимосвязей между ними,
которые характеризуют входы и выходы элементов системы и пред-
ставляют собой абстрактное отражение такой совокупности.
Собственные свойства системы целесообразно описывать на двух
уровнях: качественном и количественном. Качественный уровень
образуется из параметров, описывающих функцию и структуру си-
стемы, а количественный — параметрами, численно определяющи-
ми свойства системы. Поэтому реальную систему характеризуют не
только совокупность преобразований и связей, но и наличие отно-
шений преобразований при существовании отношений связей.
Именно отношение преобразований отражает качественную и коли-
чественную стороны преобразований, тогда как отношения связей—
характер взаимодействия между элементами реальной системы,
в которых осуществляются преобразования.
Так, реальной технической системе (рис. 3.2, а) свойственен ряд
элементов, обеспечивающих ее функционирование в соответствии
с отношением преобразований при наличии определенных отноше-
ний связей между элементами, аналитическая запись которых изо-
морфна графическому представлению на рисунке:
<4вх =	> В\ = Az —> Bz — Аз —> Вз = Ввых
А 2= Ви <— Аа = Вз.
улепим. В. И. Материализм и эмпириокритицизм.—Поли. собр. соч., т. 18,
4 4-251	97
Рис. 3.2. Структурная схема технической системы (а), ее прямой (6) и обратный
(в) графы.
Отношение между данной системой и другими системами рас-
крывают связи Двх = Л И Вз = Ввых; отношения между элементами
внутри системы определяются связями В[ = Az, Bz — A3, В3 = А4
и 64 = ^2; отношение преобразований — связями Ai-^Bi, A2->Bz
и т. д.
98
При решении задач анализа и синтеза производственных систем
возникает необходимость выбора формы записи системы. Кроме
приведенных выше, наиболее часто используется граф-запись, ког-
да вершинами графа обозначаются отношения преобразований, а
ребрами — отношения связей (рис. 3.2, 6}; возможно также построе-
ние обратных графов, для которых отношения преобразований ими-
тируются ребрами, а отношения связей (тождественных пар вхо-
дов и выходов потоков материалов, энергии или информации) —
вершинами графа (рис. 3.2, в).
На более высоком уровне детализации описания удобнее поль-
зоваться прямой формой граф-записи, при более низком уровне —
обратной формой1 граф-записи.
Формализация элементов производственного процесса связана
с описанием функций процессов (как объектов управления), опера-
ций (как совокупностей преобразований и связей в объекте управ-
ления), состава и функциональных задач элементов объекта управ-
ления (как отношений преобразований и связей, характеризующих
элементы). Целесообразно выделение пяти уровней иерархии фор-
мализованного описания процессов (рис. 3.3) [5, гл. 2]. Так, функ-
цией Ф любого производственного процесса в общем случае являет-
ся установление соответствия между объектами труда (материала-
ми М, энергией Э, информацией И), способами воздействия В на
объекты труда, моментами времени Т воздействия и пространствен-
ными координатами К объектов труда, которое может быть описа-
но декартовым произведением
Фс {М, Э, И} х Т х В х К.	(3.1)
Выражение (3.1) функции производственного процесса представ-
ляет первый уровень формализованного описания.
Подфункции (Ф„-процессы) предназначены для описания спо-
соба и времени воздействия на объекты труда и изменения их
пространственных координат:
Ф„1 (В, К) с {М, Э, И} х Т;
Фп2 (Т, К) с {М, Э, И} х В;
Фпц ({Л1,
Выражения (3.2) являются проекциями функциональных зависимо-
стей, описывающих производственные процессы, на соответствую-
щие координатные плоскости.
Дальнейшая детализация описания функции (3.1) позволяет вы-
делить второй уровень формализованного описания технологий, для
чего в выражении (3.1) осуществляется подстановка В = ВИ\/ВЛ\/
VВа\/Воб. Этот этап детализации описания является чрезвычай-
но важным для определения способа взаимодействия орудий
и объектов труда, но вместе с тем позволяет отразить качественные
изменения в развитии орудий труда, характеризующие переход к но-
вому классу (к следующей стадии их развития).
Коренные изменения характера этого взаимодействия позволя-
ют выделить четыре класса технологий. Первый из них характери-
зуется точечным Ви (индивидуальным) взаимодействием орудий
труда с отдельными объектами труда. Этот класс технологий отли-
чается малой производительностью. Второй класс предусматривает
линейное Вл воздействие орудий труда на объекты труда, либо
одновременное воздействие на несколько объектов, расположенных,
например, в ряд (строку). Производительность процессов растет
линейно и пропорционально числу объектов, расположенных в стро-
ку и подвергающихся одновременному воздействию. Еще более рез-
ко отличаются свойства технологий третьего класса, характеризую-
щихся «поверхностным» взаимодействием Вп орудий и объектов
труда, либо группой объектов, расположенных на поверхности (так
называемое групповое воздействие на объекты труда). Произво-
дительность процессов при этом возрастает пропорционально рабо-
чей поверхности орудий труда (в частности, пайка волной, группо-
вая сборка в кассетах). Четвертый класс технологий характери-
зуется пространственным взаимодействием орудий и объектов труда
Воб, при котором появляется возможность, наряду с резким повы-
шением производительности за счет одновременного воздействия на
объем объекта (или «массу» объектов), увеличения вероятности
осуществления производственного процесса или технологической
операции (например, одновременная обработка массива информа-
ции, обработка металлов давлением).
На втором уровне детализации выражение (3.1) принимает вид
Фг <- {М, Э, И} х (Ви V Вл V Bn V Воб) хТхК. (3.3)
Третий уровень детализации описания связан с установлением
характера непрерывности взаимодействия орудий и объектов труда,
для чего в выражении (3.3) осуществляется замена T==TH\/TR.
Этот уровень формализации описания позволяет выделить непре-
рывные Та (например, металлообработка резанием, прокатное про-
изводство, процессы преобразования информации в аналоговых
машинах) и дискретные TR (например, сборочные процессы, пре-
образование информации в цифровых вычислительных машинах
и дискретных автоматах) процессы. Различие в характере непре-
рывности взаимодействия орудий и объектов труда для непрерыв-
ных и дискретных производственных (технологических) процессов
требует не только принципиально различных по функциональным
свойствам орудий труда, а следовательно, различной их элементной
базы, но и существенных отличий в организации производственных
(технологических) процессов и их технологической подготовке.
Порядок выполнения Ф' -процессов этого уровня формализации
описания следует из определимости выражения
Ф' <= {Л1, Э, И} х (Ви V Вп у В„у Воб) х (Т„ V Тя) х Л. (3.4)
Выделение данного уровня формализации описания, характери-
зующего принцип функционирования орудий труда, позволяет пере-
йти к дальнейшей детализации описания функций на четвертом
уровне иерархии. Для этого в выражении (3.4) производится заме-
100
на характеристики К пространственных координат объектов труда
произведением П X Р, где П — множество линейных координат,
а Р — множество угловых координат. Таким образом,
Фо {М, И, Э} х (В„ V Вл V Bn v Воб) х (Т„ v Тд) х П х Р. (3.5)
Система выражений, определяющая функции орудий труда
и представляющая собой функциональные операции (Фо-операции),
может быть получена из (3.6) путем установления соответствия
между переменными, входящими в это выражение:
Фо, (В, Р) с {М, Э, И} х (Ти у Т.) х УУ;
Фог (В, П) с {М, Э, И} х (Тн у Та) х Р-,	.
Фоз (В) с {М, Э, И} х (Тк V Та) х П х Р-,	1
Так, в частности, первые выражения системы (3.6) представ-
ляют собой описания функциональных операций, устанавливающих:
соответствия во времени между объектами труда М, Э, И и линей-
ными координатами П при несущественных изменениях или фикси-
рованных значениях угловых координат Р для определенного спо-
соба взаимодействия Ви, Вл, Ва или Boq орудий и объектов труда;
соответствия во времени между элементами множеств М, Э, И и Р
при несущественном изменении или фиксированных значениях П
для определенного способа взаимодействия В орудий и объектов
труда; изменения во времени линейных П и угловых Р координат
элементов, принадлежащих М, Э, И для определенного способа
взаимодействия В орудий и объектов труда и т. д.
Таким образом, выделенные на данном уровне формализации
описания функции орудий труда позволяют установить их типаж по
полученным функциям. Иными словами, функции орудий труда реа-
лизуются соответствующими типами функциональных машин (М, Э,
И, ВГУУ-машиной реализуется М, Э, И, ВТУУ-операпия, ВТПP-маши-
ной реализуется ВТ ПР-операция и т. д.), принадлежащих вспомога-
тельной части производственных (технологических) систем.
Пятый иерархический функциональный уровень соответствует
функциональным переходам (Ф-переходам). Формирование множе-
ства Ф-переходов может быть осуществлено детализацией множе-
ства линейных У7 и угловых Р координат (движений), которые
могут занимать (выполнять) орудия и объекты труда в процессе
взаимодействия. Линейные координаты обеспечиваются определен-
ными классами функциональных устройств, позволяющим орудиям
и объектам труда перемещаться по координатам X, У и Z. Такие
устройства обеспечивают транспортные движения или линейное
позиционирование объектов и орудий труда. Угловые координаты
(ротации) а, р, у реализуются устройствами ротационного дей-
ствия. При этом в зависимости от направления оси ротации во вра-
щательных парах кинематических структур устройств ротационно-
го действия можно обеспечить и транспортные, и ориентирующие
движения орудиям и объектам труда. Так, продольно-вращатель-
ные пары Рп имеют оси вращения, совпадающие с продольными
101
осями звеньев устройств, так что такими устройствами реализуются
ориентирующие (ротационные) движения объектов и орудий труда;
кривошипно-вращательные Рк пары имеют оси вращения, перпен-
дикулярные продольным осям, и обеспечивают перенос объектов
с одновременным их разворотом вокруг оси в плоскости переноса.
Данный уровень детализации позволяет выявить состав элемен-
тарных задач, решаемых на нижнем уровне иерархии, и формали-
зовать их описание.
С учетом способа и условий непрерывности взаимодействия ору-
дий и объектов труда, типажа орудий труда и состава элементар-
ных задач, полная номенклатура функциональных устройств опре-
деляется декартовым произведением
Фпер С [(Ви V Вл V Bn V Во6) X (Тну X X xY X Z х
X (ап V «к) X (рп V М X (уп V Тк)],	(3.7)
позволяющим получить 64 х (2я-1 — 1) = 64 х (28-1 — 1) = 8128 фак-
тор-множеств или функциональных устройств, на базе которых
формируются любые производственные процессы. Необходимо также
учитывать возможность одновременного выполнения условия (Ви V
V Вл V Bn V Воб) х (Т„ V Л) х X х Y х Z х (оск V [% V Тк) — уст-
ройствами как задач транспортирования, так и ориентирования
объектов и орудий труда.
Используя возможности морфологического описания производ-
ственных (роботизированных) процессов с помощью граф-записи,
уровни, выделенные на этапах детализации формализованного опи-
сания производственных систем, могут быть представлены следую-
щим образом.
Из условий определимости функционального отображения (3.1)
последовательность реализации Ф-производственных процессов опи-
сывается орграфом, изображенным на рис. 3.4, а, где
01, о2, Яз> fl4 € {Л1, Э, И} х X-
Аналогичным образом может быть определен порядок выполне-
ния Ф-технологий, который следует из определимости выражения
(3.3) и описывается представленным на рис. 3.4, б орграфом; Ф-тех-
нологических процессов, следующий из определимости соответ-
ствующего выражения (3.4), описывается представленным на
рис. 3.4, в орграфом; Ф-операций, который следует из определимо-
сти выражения (3.5) и описывается представленным на рис. 3.4, г
орграфом.
Полный функциональный орграф (ПФО) производственной си-
стемы представлен на рис. 3.4, д, где узлы соответствуют связям
между преобразованиями, а также входным и выходным связям,
а ребра — самим преобразованием объектов труда. ПФО следует
из определимости выражения (3.7) с учетом реализации продоль-
но- и кривошипно-вращательных пар (рис. 3.4, е).
В реальных производственных системах некоторые Ф-операции
могут не выполняться; в некоторых случаях цепочки Ф-операций
могут выполняться одним, в этом случае комбинированным функ-
102
Рис. 3.4. Морфологическое представление уровней детализации производственной системы;
а — Ф-процессов; б — Ф-технологий; в — Ф-технологических процессов; г — Ф-операций; д —
ПФО производственной системы; е — ПФО элементарных функциональных устройств.
циональным устройством. При использовании в качестве такого
устройства промышленного робота автоматизированная техниче-
ская система получает названия робототехнической системы.
3.3.	Методы описания объектов роботизации
Применение ЭВМ в технологическом проектировании налагает
свой отпечаток не только на решение, но и на постановку техноло-
гической задачи. В связи с тем, что исходная информация в виде,
например, чертежей, объектов проектирования, оснастки, паспор-
тов оборудования не может быть воспринята непосредственно ЭВМ,
необходим способ формального представления этой информации.
Рассмотрим некоторые методы представления геометрической
информации в системах автоматизированного технологического
проектирования. Одни из них ориентированы на создание форма-
лизованного технологического языка (ФТЯ), в основу которого по-
ложен метод системно-структурного анализа сложных объектов,
другие основаны на аналитическом описании геометрии детали.
Основной принцип построения таких языков состоит в том, что
деталь представляется как система, состоящая из множества
элементов, связанных между собой для выполнения какой-либо
функции. Различают два основных подхода к описанию деталей
[11]. Проекционный подход основан на описании проекций объема
на плоскости координат. В качестве смысловых единиц формально-
го языка выступают такие элементы описания, как точка, дуга,
окружность, отрезок прямой, отрезок произвольной линии. Связи
между этими элементами устанавливаются путем указания спосо-
бов или координатных точек пересечения. Этот способ применяется
103
при разработке программы для станков с ЧПУ, а также для описа-
ния информации, выводимой на чертежно-графические автоматы
[8J. Поскольку этот метод требует сложного логико-математическо-
го аппарата распознавания проекций объекта в пространстве, он
не применяется при проектировании технологических процессов.
Конструктивный подход состоит в том, что в конфигурации де-
тали сопоставляют пространственные образы, информация о кото-
рых в закодированном виде заносится в кодированную ведомость
и образует вместе со связями формальное описание структуры де-
тали. Примером такого подхода может служить система кодирова-
ния КОД-78, предназначенная для кодирования детали типа тела
вращения [11].
Примером аналитического описания сложных геометрических
объектов является метод R -функций [12]. Аппарат R -функций по-
зволяет составлять уравнения сложных чертежей и пространствен-
ных объектов, а также строить уравнения семейств, включающих
заданный геометрический объект. Суть метода R -функций состоит
в том, что указывается способ построения алгебраической функции
координат F(x, у, z), которая во всех точках контура положитель-
на, вне контура отрицательна, на границе обращается в нуль. Пусть,
например, необходимо описать поверхность детали, изображенной
на рис. 3.5, а. Поверхность детали может быть составлена из границ
следующих областей:
а)	бесконечного цилиндра Di, определяемого неравенством
16 — X2 — г/2 >0;
б)	бесконечного цилиндра D2, определяемого неравенством
64 — х2 — у2 > 0;
в)	слоя £>з, заключенного между плоскостями
г = 0 и г = 12;
г)	слоя D4, заключенного между плоскостями
г = 0 и г = 20;
д)	бесконечной призмы 7Д с ребрами, параллельными оси Ох.
имеющей в перпендикулярном сечении прямоугольник (рис. 3.5, б),
Область, определяющая рассматриваемую деталь, задается логи-
ческой формулой
D = [(£>) Л D4) V (О? /\D4/\ Д)] Л Da.
Уравнение поверхности детали записывается в виде
[(16 — х2 — у2) Д (20г —г2)] V [(64 — х2 — у2) Д (20г — г2) Л
Л (г2 — 12г)J V [—5 4- у2 + (г — 18)’ + | 3 - 18)2 + и211 = 0.
Этот метод описания применяется для решения многих задач
математической физики, механики, оптимального раскроя, машин-
ного распознавания геометрических образов и т. д.
Применение аппарата аналитической геометрии или аппарата
дискретных функций позволяет описывать геометрические объемы
104
Рис. 3.5. Поверхность описываемой детали (а), ее интерпретация с помощью
элементарных областей (б) и сборочная единица «Клапан редукционный» (в).
достаточно точно, но в этом случае возрастает количество парамет-
ров описания, усложняются функциональные связи между ними.
Для практических целей технологического проектирования с при-
менением ЭВМ удобней пользоваться приближенными методами,
описывающими с достаточной точностью геометрические объекты.
Одна из основных проблем при создании системы автоматизи-
рованного проектирования робототехнологических комплексов
механо-сборочного производства состоит в разработке методов опти-
мизации процесса сборки, его математическом описании и модели-
ровании при рациональном использовании ЭВМ. Эта задача пред-
полагает анализ сборочной единицы с целью определения возмож-
ных последовательностей сборки, исходя из конструктивно-техно-
логических особенностей объекта при наложении ограничивающих
условий, таких, как возможность базирования деталей, доступ в
зону сборки, а также наложения удерживающих связей (т. е. захват
детали промышленным роботом), не препятствующих установке
детали. Для решения поставленной задачи используется метод
формального описания формы и пространственного расположения
деталей в узле, в котором геометрический образ объекта представ-
ляется в виде математической координатной модели (МКМ) [5].
МКМ содержит информацию о геометрии детали в виде коорди-
нат поверхностных точек, которые определяются из уравнений по-
верхности, заданных в параметрической форме:
X = х (и, о); Y = у (и, о); Z = z (и, и).
При описании детали не всегда представляется возможным.
определить ее одной ограничивающей поверхностью или поверхно-
стью одного типа (например, сферической, цилиндрической), поэто-
105
Рис. 3.6. Набор элементарных координат модулей.
му целесообразно поверхность объекта разбивать на элементарные,
описание которых не составляет особого труда. Таким образом,
если определить ряд элементарных типовых поверхностей, то из со-
вокупности последних можно синтезировать пространственны?! об-
раз объекта с необходимой степенью точности. Это означает, что
МКМ детали в общем случае представляет собой набор элементар-
ных координатных моделей (ЭКМ) различных типов, жестко свя-
занных между собой. Для описания формы и расположения в про-
странстве каждой ЭКМ необходимо задать шесть функционально
независимых параметров:
три координаты начала отсчета собственной системы координат
ЭКМ относительно базовой;
три параметра, описывающие форму элементарной координатной
модели.
Рассмотрим три основных типа ЭКМ: ЭКМ «Параллелепипед»
(ЭКМП), ЭКМ «Цилиндр» (ЭКМЦ), ЭКМ «Сфера» (ЭКМС).
Варьируя параметрами формы, можно получить некоторые произ-
водные от этих типов ЭКМ, которые позволяют более точно описы-
вать реальные объекты.
1.	ЭКМ «Параллелепипед» (рис. 3.6, а). Параметры начала от-
счета собственной системы координат:
Х(7 = Х; К17 = К; Z(7 = Z.
Параметры, описывающие форму ЭКМ: хц = х; уц = у; хц = г,
где i — номер детали сборочной единицы, /— номер ЭКМ детали.
2.	ЭКМ «Цилиндр» (рис. 3.6, б). Параметры начала отсчета
собственной системы координат:
Х17 = Х; Yn = Y- Zii = Z.
Параметры, описывающие форму ЭКМ в цилиндрической системе
координат, таковы: ср, р, h.
Используя связь между декартовой и цилиндрической система-
ми координат при условии, что начала координат систем совпа-
дают, а главная прямая цилиндрической системы координат совпа-
дает с осью Z декартовой, получим следующие зависимости:
X = pcosy, Y = psin<p, Z = h.	(3.8)
106
Уравнения (3.8) характеризуют цилиндрическую поверхность
в декартовой системе координат (X, Y, Z). Следовательно, параметры
формы ЭК.МЦ таковы; Ху = х; у у = у, zy ~ z.
Параметры начала отсчета собственной системы координат:
Х;7 = Х; = Zl7 = Z.
3.	ЭКМ «Сфера» (рис. 3.6, в). Параметры, описывающие форму
ЭКМ «Сфера» в сферической системе координат: р, а>, 6. Используя
зависимость между декартовой и сферической системой координат,
получим
X = р cos ср sin 9; У = р sin 9 sin ср; Z = pcos9. (3.9)
Уравнения (3.9) описывают сферическую поверхность ЭКМС
в декартовой системе координат (х, у, г). Параметры формы ЭКМС:
Xtj = х; у у = у; zy = г.
Таким образом, из совокупности ЭКМ получают координатную
модель детали, выраженную через описание ее поверхности в де-
картовой системе координат.
Пусть необходимо, например, построить координатную модель
детали (см. рис. 3.5, б). Выбираем базовую систему координат
так, чтобы деталь находилась в первом октанте, т. е. чтобы
Хо>0; У17>0; Z« > 0.
Оси собственных систем координат ЭКМ преимущественно»
должны быть параллельны соответствующим осям базовой систе-
ме координат. Если это условие выполнимо не для всех ЭКМ, то»
необходимо, используя формулы поворота декартовой системы ко-
ординат вокруг проходящей через начало координат оси с из-
вестными направляющими косинусами
х' = 1\х + пьу + п:г;
у' = 12х + т2у + /г2г;
г' = l3x 4- т3у 4- п3г,
или в векторной форме
xr = хА;	гп\ пД
х' — (х, у, г');	А = I l2 т2 п2 I,
X = (х, у, z)\	Уз /Из Пз/
привести в соответствие систему координат ЭКМ базовой систе-
ме координат. Выбираем одну или несколько ЭКМ так, чтобы де-
таль находилась внутри координатной модели.
При анализе сборочной единицы с целью определения возмож-
ных вариантов сборки наиболее точно необходимо описывать те
поверхности, которые непосредственно соприкасаются в узле, а
также поверхности, предполагаемые для захвата детали промыш-
ленным роботом при автоматической сборке.
Деталь, изображенную на рис. 3.5, б, можно описать с помо-
щью трех ЭКМ.
107
1.	ЭКМП с началом собственной системы координат в точке 0ц
Параметры положения: х(| =30; г/ц = 10; гц ==30.
Параметры формы: = 20; г/ц = 35; гп = 20.
2.	ЭКМЦ с началом собственной системы координат в точке
О12. Параметры положения: х12 = 40; у]2 = 45; г]2 = 40.
Параметры формы: х\? = pcoscp; zi2= psincp; t/12=60; p = 20;
<p = 0—360°.
3.	ЭК.МС с началом собственной системы координат в точке О]3.
Параметры положения: х)3 = 40; г/!3 = 105; г:з = 40.
Параметры формы: Х13 = pcos<psin6; гы = р sin 6 sin <р; r/i3 =
= 7cos9,"p = 30; ? = 0—360°; 6 = 0—180°.
Рассмотрим формирование координатной модели сборочной еди-
ницы «Клапан редукционный» (см. рис. 3.5, в). Деталь 5 можно
описать двумя ЭКМЦ с началом собственных систем координат
в точке Osi (Х51, г/si, гы) и в точке О52 (х52, t/s2, Z52).
Параметры формы их соответственно равны:
X5i = pcoscp; :/5i = р sin <?; z3i = а\ ? = 0—360°.
Поскольку цилиндр полый, то в отличие от ЭКМЦ рис. 3.5, б
параметры формы будут таковы:
р = (/?,; Д2); x62 = pcos<p; у52 = р sin?; Z52 = 8,
где р = (Д2; /?з), ? = 0-4-360°.
Остальные детали описываются аналогично. Все они являются
телами цилиндрической формы, примеры описания которых при-
ведены выше. Технологические отверстия в деталях 3 и 4 во вни-
мание не принимаются, так как они не влияют на процесс сборки
узла. Пружина 2 может быть представлена упрощенно как полый
цилиндр с радиусами Г] и г2. Следовательно, используя предло-
женную выше методику, можно сформировать математическую
координатную модель сборочной единицы, которая однозначно ха-
рактеризует геометрическую форму деталей, а также их простран-
ственное расположение в узле относительно базовой системы
координат (X, У, Z). Такой способ представления геометрической
информации сочетает два основных подхода к описанию детали.
Пространственный образ детали, на основании системно-структур-
ного анализа, составляется из совокупности объемных элементов
(в данном случае ЭКМ), которые описываются аналитически че-
рез уравнения поверхности в параметрической форме.
Для машинной обработки геометрической информации о сбо-
рочном узле необходимо:
ввести в ЭВМ массивы, содержащие координаты начала от-
счета собственных систем координат ЭКМ каждой детали:
/Ur] и» ... Uu\
Ц = I (ЛI и22 ... i/2; I,
\Ui] U12 ... Utj
где U = [п, mJ; U = (X, Y, Z,); п.— количество деталей; т—
количество ЭКМ;
108
задать Параметры формы в соответствии с типом ЭКМ: для
ЭКМП — Х. 'У, Z; для ЭКМЦ — р, ср, /г; для ЭКМС—р, 7, 0.
После обработки соответствующих программ получают массивы
декартовых координат ЭКМ деталей:
«11	«12	...	«1?
«21	«22	. . . «2/
«<1	U12	. • - Иц,
где и — (х, у, г); и = [п, т\.
Массивы Utj и uq служат исходной информацией для составления
программ технологического проектирования.
3.4.	Принципы построения систем
автоматизированного проектирования
Характерными недостатками традиционных методов проектиро-
вания являются: недостаточный анализ и учет взаимосвязей меж-
ду отдельными элементами проектируемых комплексов, наличие
субъективизма в принятии отдельных решений, ограниченность в
сопоставлении и оценке различных вариантов решения поставлен-
ной задачи.
Устранение этих недостатков возможно при создании систем
проектирования, основанных на применении современных матема-
тических методов и средств вычислительной техники на всех эта-
пах процесса проектирования, т. е. создание систем автоматизи-
рованного проектирования (САПР).
Под САПР понимают совокупность взаимосогласованных и
увязанных друг с другом моделей стандартных и типовых про-
цедур, образующих логическую схему построения проекта и пред-
назначенных для принятия проектных решений и управления про-
цессом разработки изделий на основе математических методов
и средств вычислительной техники.
САПР — это организационно-техническая (человеко-машинная)
система, состоящая из комплекса средств автоматизации проекти-
рования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями про-
ектной организации или коллективом специалистов (пользовате-
лем системы), и выполняющая автоматизированное проектирова-
ние. Комплекс средств автоматизации проектирования состоит из
совокупности средств методического, организационного, информа-
ционного, программного и технического обеспечения (ГОСТ 23501.
09—79. Системы автоматизированного проектирования. Основные
положения. Введ. 01.01.80).
САПР является системной категорией, и системный подход к
ее построению заключается во всестороннем отображении моде-
лей проектируемых объектов в модели процесса проектирования,
и наоборот.
В соответствии с требованиями системного подхода в разра-
ботке САПР должны реализовываться следующие принципы [141.
1.	Блочно-модульный принцип, по которому система состоит
из отдельных частей, имеющих функциональную и качественную
109
Рис. 3.7. Структура САПР.
Разработка системной модели
(логическая постановка задачи)
Z___________I _
Формализация связей
'	I
Формализация задачи
~~~ X
Разработка программ
Разработка алгоритма
-----------1 "
Расчет на ЗВМ
х ;
Анализ результатов
"~~~Х
Принятие решения
Рис. 3.8. Последовательность проектирования.
определенность, и формируется не за один процесс, а отдельными
участками — блоками, модулями (например, блоком ограничений,
блоком кинематического анализа, модулем расчета растягиваю-
щих усилий).
2.	Принцип информационного единства, по которому все пото-
ки информации в системе должны быть совместимы. Необходимо
ввести один язык для описания информации, единую систему от-
счета, общую идентификацию. Для формирования и работы с про-
граммами управления проектированием удобно использовать про-
блемно-ориентированные языки, которые строятся двумя спосо-
бами: с помощью дескрипторов (ключевых слов) и командных
процедур или путем добавления специальных процедур в универ-
сальные алгоритмические языки.
3.	Принцип адаптации и развития, по которому система долж-
на быть приведена в соответствие со сложившейся практикой
проектирования.
4.	Принцип иерархии, подразумевающий иерархическое строе-
ние не только моделей и процессов, но и задач, критериев и т. д.
5.	Принцип итераций, означающий, что система работает по
принципу последовательных приближений (методу итераций). Это
обусловлено тем, что многие параметры на начальной стадии за-
даются из статистических соображений, а затем уточняются.
Структура системы автоматизированного проектирования пред-
ставлена на рис. 3.7, этапы проектирования оптимальных техни-
ческих систем — на рис. 3.8.
но
3.5.	Проектирование сборочных
робототехнологических комплексов
на основе анализа объектов роботизации
В основу процесса автоматизированного проектирования сбороч-
ных робототехнологических комплектов может быть положен ме-
тод, который базируется на анализе технологического процесса
сборки и сборочной единицы. Этот метод рационален при проек-
тировании новых роботизированных сборочных производств, а так-
же при освоении производства новых изделий. В целом можно
выделить следующие основные этапы метода.
1.	Проектирование технологического процесса сборки с исполь-
зованием методов математического описания и моделирования
сборочного процесса на ЭВМ. Этот этап включает:
а)	аналитическое описание формы и взаимного расположения
элементов сборочной единицы;
б)	разработку принципиальной схемы сборки: выбор схемы тех-
нологического членения изделия; выбор схемы базирования, кон-
структивной схемы сборочной оснастки; выбор последовательнос-
ти установки элементов сборочной единицы, исходя из конструк-
тивно-технологических характеристик объекта;
в)	разработку рабочего технологического процесса сборки: вы-
бор состава и последовательности выполнения операций соедине-
ния, контроля; выбор состава инструмента, оборудования, средств
подготовки среды для роботизированного производства, типа ПР;
выбор захватных устройств для захвата и манипулирования дета-
лями; расчет технико-экономических показателей и определение
оптимального варианта технологического процесса сборки; фор-
мирование карт технологического сборочного процесса.
2.	Решение задачи оптимальной компоновки выбранных элемен-
тов РТК по реализации разработанного технологического процесса
сборки. Исходными данными в задаче размещения объектов РТК
являются технологический сборочный процесс, геометрическое опи-
сание компонуемых объектов, схема движения материальных пото-
ков и их характеристики, параметры, необходимые для расчета
ограничений и оценки качества компоновки. При определении оп-
тимального размещения используемого оборудования необходимо
учитывать ограничения (технологические, техники безопасности,
обслуживания и др.), которым должно удовлетворять компоно-
вочное решение, и критерий оценки компоновочного решения (один
или несколько). Поскольку центральное место в РТК занимает
промышленный робот, то путь решения задачи оптимальной ком-
поновки во многом зависит от типа выбранного ПР. Так, если
в РТК используется робот с жестким управлением и число точек
позиционирования, следовательно, невелико (например, ПР МП-
9С), то уменьшается количество возможных компоновок, поскольку
количество вариантов схем размещения технологического обору-
дования ограничено малым числом точек позиционирования ПР.
На первом этапе метода при разработке принципиальной схе-
мы сборки необходимо прежде всего анализировать варианты
111
последовательности установки элементов узла с учетом ограниче-
ний доступа и базирования [9]. Последовательность установки оп-
ределяет структуру всего технологического процесса, который
включает, помимо упомянутых, подготовительные операции (чист-
ку, промывку, комплектование), непосредственно сборочные (по-
штучное отделение, ориентирование, подача в зону сборки, сопря-
жение, соединение) и послесборочные (контроль, испытание, гер-
метизация, упаковка) операции. Для анализа сборочной единицы
с целью определения возможных маршрутов ее сборки использу-
ется метод аналитического описания формы и взаимного располо-
жения деталей узла, описанный в п. 3.3.
Пусть сборочный узел А состоит из п элементов:
А = {аь а2,аг,. . ., ап}.
Последовательность установки элементов сборочного узла А пред-
ставляется как упорядоченный набор элементов ап£А, удовлетворя-
ющий некоторым ограничивающим условиям. Под условиями ограни-
чения понимаем условия доступа и условия базирования элементов.
Условия доступа определяют возможность установки элемента 0,4.1
на свое место в узле после установки о,- элементов, а также установки
детали с учетом наложенных связей при захвате ее промышленным
роботом в случае роботизированной сборки. Условия базирования
определяют возможность базирования детали at+l на о, при обеспе-
чении точности базирования и технологических требований.
Начальным этапом определения последовательности установки
элементов сборочного узла является формирование пространственно-
го геометрического образа каждой детали и узла в целом. Для этого,
анализируя чертеж узла, необходимо описать детали соответствующим
типом ЭКМ или набором типов ЭКМ и задать координаты начала
отсчета собственных систем координат ЭКМ — X, Y, Z, а также па-
раметр формы для каждой ЭКМ (пример описания см. в п. 3.3).
Далее, согласно алгоритму (рис. 3.9), определяется матрица меха-
нических связей деталей Ctj сборочного узла, элементы которой
|1, если t-я деталь сопряжена с j-й;
(О в противном случае.
Например, для сборочной единицы «Клапан редукционный» (см.
рис. 3.5, в) матрица механических связей имеет вид
1
1 О
2 1
Сц = 3 О
5 О
Ж
I
i
4 1
2 3 4 5<-j
10 10
0 10 0
10 11,
0 10 1
0 110
112
Рис. 3.9. Алгоритм определения матрицы механических связей сбо-
рочного соединения (КМ * —координатная матрица; С(/, У) —матрица
механических связей).
которой соответствует граф механических связей, показанный на
рис. 3.10.
При проверке условий сопряжения в случае наличия механи-
ческих связей между t-й и /-й деталями необходимо определить
поверхности, свободные от сопряжения, следовательно, пригодные-
для наложения связей по захватыванию детали промышленным
роботом. Этот аспект приобретает особое значение, когда ПР
непосредственно осуществляет сборку.
Граф механических связей элементов сборочного узла G является
исходной информацией при определении последовательности установ-
ки деталей. Анализ графа G (или матрицы G</) осуществляется сле-
дующим образом.
1.	Формируется массив номеров элементов, которые, исходя из
конструктивно-технологических особенностей, могут быть установле-
ны первыми—	= (ац, ai2, оцз, • • • Эти элементы являются
базовыми.
2.	Выбирается первый элемент а]} массива
3.	По матрице механических связей Ctj формируется массив номеров-
элементов, которые могут быть установлены вторыми:
{#)2* = {#21, #22, #23, • • -, #2*}-
Элементы массива определяются как нулевые элементы стро-
ки ап матрицы Сi/.
4.	Выбирается первый элемент ц21 массива {а}2Л;.
5.	Проверяются условия доступа и базирования элемента ац кац.
6.	Если условия выполняются, то
элемент «21 может быть установлен
вторым.
7.	Выполняется п. 5 для остальных
элементов {а}2е
8.	Если выполняется п. 5 для
свя-
Рис. ЗЛО. Граф
зей сборочного
механических
соединения.
113=
последующего элемента а22 из {aj2*, то он может быть установлен
третьим и т. д.
9.	Если массив {а}2* исчерпан, определяется массив номеров эле-
ментов следующего уровня установки аналогично п. 3.
Дальнейшие шаги анализа выполняются аналогично. Процесс
длится до тех пор, пока все элементы не будут включены в эту
последовательность. Далее необходимо вернуться к началу про-
цедуры, взять следующий базовый элемент и провести такой же
анализ и т. д. Таким образом, в результате анализа определяется
ряд реализуемых последовательностей установки деталей сбороч-
ного узла.
Описанную процедуру анализа графа G можно пояснить с по-
мощью модифицированного метода поиска в глубину на неориен-
тированном графе, в основу которого положен алгоритм поиска,
изложенный в работе [4]. Суть метода состоит в том, что прохож-
дение вершин неориентированного графа осуществляется в следу-
ющем порядке. Выбирается и «окрашивается» некоторая началь-
ная вершина а}. Затем, используя процедуру ПОИСК, определя-
ются ребра, индицентные вершине а}, а также вершины ас (i =
= 2, К), принадлежащие этим ребрам. Каждая из вершин ас мо-
жет быть «окрашена» после а} (т. е. второй а2).
Третьей может быть «окрашена» произвольная вершина из а(,
кроме а2, и т. д. Таким образом, если в результате работы про-
цедуры ПОИСК (^1) выявлено К-вершин, то число последова-
тельностей «окрашивания» этих вершин равно К. Определение вы-
ше упомянутых последовательностей выполняет процедура
ПЕРЕСТАНОВКА (а/,/ = 2, К). Пусть вершина а* — последняя «ок-
рашенная» вершина. Для продолжения процесса вызывается про-
цедура ПОИСК (йа), и дальнейшее «окрашивание» происходит
аналогично. На этом шаге «окрашенные» ранее вершины не рас-
сматриваются. Если на каком-либо этапе окажутся «окрашенными»
все вершины, граф возвращается на предыдущий этап, выбирается
следующая последовательность и происходит поиск.
Для более четкого понимания сути этого метода, рассмотрим
его применение при анализе графа G (см. рис. 3.10). Вначале все
вершины помечены как «неокрашенные». Допустим, выбирается
и «окрашивается» вершина а} как начальная. Выполняя процеду-
ру ПОИСК (Я1), находим вершины а2 и а4. Процедура ПЕРЕСТА-
НОВКА позволит получить пары сочетаний: (а2, а4) и (а4, а2).
Выбираем первую и «окрашиваем» вершины а2 и а4. Процедура
ПОИСК (а4) как вершины, последней из «окрашенных», выявит
новую пару вершин а3 и а$. Используя процедуру ПЕРЕСТАНОВ-
КА, определяем пару сочетаний: (а3> а5) и (а5, а3). Выбираем
первую перестановку (а3, а5) и «окрасим» эти вершины. Так как
все вершины графа оказались «окрашенными», выбираем вторую
перестановку (а5, as) и «окрашиваем» эти вершины. Вновь все
вершины графа оказываются «окрашенными», поэтому возвраща-
емся на предыдущий этап и выбираем вторую перестановку (а4,
а2), у которой последней из «окрашенных» оказывается вершина
114
аг. Процедура ПОИСК (п2) определяет вершину й3, которая пос-
ле «окраски» и процедуры ПОИСК (аз) выявит вершину а5. Ее
«окрашиванием» и заканчивается модифицированный метод поис-
ка в глубину. Таким образом, оказались определенными три пос-
ледовательности установки деталей при сборке:
U] — а-, — а4 — а3 — а5;
а.\ — а-2 — а4 — а-.— а3;
а.\ — а4 — а2 — а3 — aR.
Проверяя возможность включения каждого элемента в после-
довательность по условиям доступа и базирования, можно опре-
делить ряд реализуемых последовательностей установки деталей
в процессе сборки.
Выбор технических средств подготовки среды для роботизиро-
ванного производства, типа ПР и выбюр захватных устройств ПР
производятся с помощью метода определения состава элементов
производственной системы (т. е. РТК) по совокупности показа-
телей, характеризующих объект производства [16]. В основу это-
го метода положен принцип классификации объектов производст-
ва и элементов производственных сип ем.
На основании реализуемых последовательностей установки, а
также с учетом выбранных технических средств строится подроб-
ная технологическая схема сборки заданного узла. Определение
лучшего варианта технологического процесса производится сравне-
нием технико-экономических показателей схем сборки методами
сетевого планирования.
3.6.	Задачи разработки обеспечения САПР
робототехнических комплексов
Задачи многоцелевой оптимизации при разработке САПР РТК
могут быть частично упорядочены применением системных моде-
лей САПР [7]. Поскольку разные виды обеспечений САПР взаи-
мосвязаны, задача многоплановой оптимизации может быть сведе-
на к одноплановой за счет ранжировки и упорядочения, а также
взаимосвязанного отображения. Применяя системную модель к
разным видам обеспечения САПР, можно упорядочить эти задачи
в такую логическую последовательность: разработка методическо-
го обеспечения — разработка организационного обеспечения — раз-
работка информационного обеспечения — разработка состава ма-
тематического обеспечения (системного и прикладного) на основе
решения задач внутреннего проектирования — выбор (разработка)
состава технических средств.
При этом учитывается содержание видов обеспечения, а
именно:
методическое обеспечение — совокупность документов и мате-
риалов, устанавливающих состав, правила отбора и эксплуатации
средств обеспечения автоматизированного проектирования;
организационное обеспечение — совокупность документов, уста-
навливающих состав проектной организации и ее подразделений,
115
Задания
Qj<
Методическое
обеспечение
Системное
программное
обеспечение
СП1
программ
Техническое
обеспечение
Рис. 3.11. Топологическая модель обеспечения
САПР РТК.
Информационное
(семантическое,
языка бое) обеспечена е
Управление
Вычислительным процессом
Алгоритм
проектирования
Прикладное
программное
обеспечение
cnL —- СП,
(рис. 3.11) [7], на которой показаны
связи между ними, их функ-
ции, а также форму пред-
ставления проектных доку-
ментов, необходимых для
выполнения автоматизиро-
ванного проектирования;
информационное обеспе-
чение — совокупность сведе-
ний, необходимых для вы-
полнения автоматизирован-
ного проектирования, пред-
ставленных в заданной фор-
ме;
программное обеспече-
ние—-совокупность машин-
ных программ, необходи-
мых для выполнения авто-
матизированного проектиро-
вания, представленных в за-
данной форме;
техническое обеспече-
ние— совокупность взаимо-
связанных и взаимодейству-
ющих технических средств,
предназначенных для вы-
полнения автоматизирован-
ного проектирования.
Виды обеспечения САПР
РТК можно представить то-
пологической моделью иера-
рхической системы графов
взаимодействие частей САПР
на уровнях иерархии, а также взаимное отображение межуровне-
вых отношений.
На верхнем уровне иерархии находится методическое обеспече-
ние, которое позволяет отобразить процесс задания и прохожде-
ния проекта в САПР по уровням системной модели объекта про-
ектирования и гарантировать реализацию оптимальных методик
проектирования. Иными словами, методическое обеспечение — это
инструкция по работе с моделью, которая должна содержать опи-
сательную и преобразующую части проекта. В свою очередь, ме-
тодическое обеспечение представляет собой также иерархическую
структуру, включающую внешнее и внутреннее методическое обес-
печение. К внешнему обеспечению относятся руководящие методи-
ческие материалы и частично методы моделирования САПР,
а к внутреннему — алгоритм системного проектирования и методы
моделирования САПР.
Задача внешнего проектирования для организационного обес-
печения САПР заключается в установлении оптимального взаи-
модействия частей системы для достижения ее оптимальных ха-
116
рактеристик. Связи взаимодействия устанавливаются как сверху
вниз, так и слева направо в соответствии с этапами жизненного
цикла объекта проектирования.
Для реализации управления вычислительным процессом на
основе системного программного обеспечения необходима разра-
ботка языковых средств (языков программирования) управления
процессом проектирования, т. е. разработка информационного ви-
да обеспечения, представляющего один из уровней системной мо-
дели и позволяющего задавать и отображать альтернативы при
проектировании, в то время как их конкретная реализация будет
уже осуществляться средствами как математического, так и тех-
нического обеспечения. Языки представляют собой процедурную
часть информационного обеспечения. Для описания и наполнения
входной, выходной и промежуточной информации необходимы со-
ответствующие средства — библиотеки, архивы, банки данных.
В этой части обеспечения САПР РТК практически не отличается
от других вычислительных информационно-поисковых систем.
Основу математического обеспечения САПР РТК составляют
системное и программное обеспечения. В свою очередь, програм-
мное обеспечение состоит из стандартного и проблемно-ориенти-
рованного обеспечений, представляющих собой наборы програм-
мных модулей, пакетов прикладных программ проектирования,
физических расчетов и моделирования.
Таким образом, с позиций математического обеспечения авто-
матизация проектирования сводится к обеспечению в нужное вре-
мя и заданном месте посылки требуемого модуля.
Техническое обеспечение САПР РТК — это техническая система
в общем случае с переменным составом (структурой), отобража-
емым топологическими моделями типа иерархических графов
или структурных схем. При этом состав технических средств
должен гарантировать решение задач внутреннего проектирования
и обеспечивать условия дальнейшего развития системы.
В модели САПР РТК техническое обеспечение представляет
самый нижний уровень иерархии, на который нагружен уровень
программного (математического) обеспечения САПР.
Задача внешнего проектирования отождествляется с оптималь-
ным выбором состава технических средств САПР; исходной ин-
формацией при этом являются результаты анализа задач внутрен-
него проектирования в виде состава программных модулей и паке-
тов прикладных программ, а также требования к техническим
средствам в виде критериев и ограничений.
Для САПР, представляющих собой информационно-вычисли-
тельные системы, разрабатывается программное обеспечение, так
как основой реализации таких систем являются универсальные
средства дискретной вычислительной техники. Если же в качестве
пользователя выступает человек или группа людей, как при соз-
дании САПР РТК, то необходимы все виды обеспечения.
Структура САПР РТК [9, гл. 2] может быть проиллюстриро-
вана рис. 3.12, на котором изображены обеспечивающие системы
(информационно-поисковая система ИПС, диалоговая система
117
Рис. 3.12. Структура САПР РТК.
ввода-вывода, подсистема отображения и документирования, а
также мониторная система САПР РТК), собственно проектирую-
щие подсистемы САПР РТК и операционная система ЭВМ. Таким
образом, САПР РТК — человеко-машинная система, в которой
коллектив разработчиков является составной частью системы про-
ектирования и выполняет проектные работы во взаимодействии
с ЭВМ.
Если задачи обеспечения являются в определенной мере об-
щими для систем автоматизированного проектирования, то функ-
циональные задачи каждой САПР определяются ее назначением
и прикладным характером. В частности, компонентные уровни про-
ектирования сборочных РТК могут быть представлены иерархией
задач проектирования (рис. 3.13).
проекта^'
Создание информационного
сронда'
^^Реииаемые задачи^^—-
Классификация объектов производства.
Создание фонда проектных решений.
Разработка траектории движения рабочих
органов оборудования РТК
Разработка циклограммы работы ПР
Геометрическое согласование параметров ПР
и оборудования
Разработка вариантов технологических
планировок РТК
 Проектирование схем
размещения оборудования
РТК
Моделирование
РТК
Разработка системы управления РТК
^Техника-экономическое обоснование вариантов
Выбор ртк удовлетворяющего требованиям
Заказчика	__________________
Рис. 3.13. Иерархические уровни проектирования сборочных РТК.
118
3.7.	Логическая схема процесса проектирования
Собственно проектирующие подсистемы САПР РТК являются ма-
шинным отображением иерархии задач проектирования. Выделе-
ние функциональных уровней проектирующих подсистем САПР
РТК определяется задачами очередного этапа разработки РТК.
Группирование задач, как это показано на рис. 3.13, позволяет
перейти к построению функциональной схемы САПР, уже отобра-
жающей логику проектирования. Так, с учетом иерархии задач
проектирования САПР сборочных РТК функциональная схема
проектирующей подсистемы САПР может быть представлена рис.
3.14.
Процесс разработки САПР РТК представляется некоторой
иерархической структурной логической схемой процесса проекти-
рования, нижний уровень которой характеризуется практическим
отсутствием автоматизации или эпизодическим, разовым «подхо-
дом» к ЭВМ с отдельными программами физических расчетов
(пакетный способ обработки заданий — решение задач внутренне-
го проектирования). Здесь на ЭВМ возложены чисто вычислитель-
ные функции, а их программирование и использование — на чело-
века.
Следующий уровень автоматизации в САПР — удовлетворе-
ние задач внутреннего проектирования средствами системного
обеспечения. Для неавтоматизированной системы проектирова-
ния — это наличие достаточно квалифицированных исполнителей
(проектировщиков, конструкторов), которые вызываются по мере
необходимости выполнения задания, получают задания на проек-
тирование и ведут это проектирование и обсуждение результатов.
При автоматизированном проектировании чем длительнее процесс
проектирования без вмешательства человека, тем выше уровень
автоматизации в САПР.
Логическая схема процесса проектирования представляет собой
определенную последовательность действий, приводящих к постро-
Подсистема Н
_______„Изделие"_______г
Подсистем	„ к—
„Технологический маршрут" |—
подсистема „
„Промышленный рооот'
Подсистема. „
„Планировка РТК
ИПС
Подсистема
„СУ РТК"
Подсистема „
„МоделиробаниеРТК
Рис. 3.14. Функциональная схема САПР сборочного РТК.
119
ению описания проектируемого объекта [15]. На рис. 3.15 приве-
дена схема процесса автоматизированного проектирования робото-
технологических комплексов механосборочного производства.
В ней отображены основные этапы работ и логические связи
действий, направленные на создание системы, позволяющей спро-
ектировать наилучшим образом робототехнический комплекс по
сборке заданного технического объекта.
Автоматизированное проектирование не исключает участия че-
ловека в этом процессе. Именно человек принимает ответствен-
ные решения, выбирает альтернативы, разработанные с помощью
ЭВМ, и т. д. Таким образом, творческий подход к проектированию
не ограничивается, наоборот, машинные методы и современные
технические средства вычислительной техники позволяют проек-
тировщику освободиться от непроизводительного труда.
На подготовительном этапе разработки системы автоматизи-
рованного проектирования робототехнологических комплексов не-
обходимо создание информационного обеспечения, которое вклю-
чает такие массивы:
классифицированных типовых объектов манипулирования;
классифицированных типовых технологических процессов (ТП)
изготовления отдельных объектов, деталей и изделий в целом;
типовых компоновок оборудования РТК Для реализации от-
дельных технологических процессов и операций;
типовых схем размещения оборудования для реализации типо-
вых технологических процессов применительно к плану выпуска
продукции;
типовых циклограмм работы локальных РТК;
типовых схем управления для реализации рабочих циклограмм;
технических средств подготовки среды (ориентирующих, кассе-
тирующих, подающих и т. д. устройств) для данных типов объ-
ектов манипулирования;
технических средств, реализующих отдельные сборочные опе-
рации.
Этот этап требует кропотливой работы по поиску, классифи-
цированию и отображению информации, а от него во многом
зависит качество проектирования. Работа системы построена по
принципу информационного самообогащения, т. е. все, что разра-
батывается системой, или ищется вне системы, отображается в со-
ответствующих информационных массивах.
Автоматизированное проектирование осуществляется по двум
направлениям:
с использованием разработанных ранее типовых технологичес-
ких решений с учетом имеющихся технических средств;
путем анализа технологических процессов, разработки методов
формализованного описания структур технических систем, их функ-
ций и оптимизации.
Рассмотренная выше схема проектирования сочетает элементы
этих двух направлений. Ориентация на типовые решения целесо-
образнее, она дает возможность создавать технические системы,
более приспособленные к определенному виду производств,
120

к данной отрасли промышленности. Но на начальных стадиях
функционирования всей системы из-за информационной ограничен-
ности большая часть работ будет производиться по второму направ-
лению. По мере работы системы все больше типовых решений будет
накапливаться в информационных массивах, следовательно, умен-
шится доля оригинальных разработок технического оборудования,
технологических процессов, что значительно уменьшит время
и снизит стоимость выполнения проектных работ. На первом этапе
проектирования РТК по изготовлению заданного изделия необхо-
димо провести анализ каждого материального элемента изделия
с точки зрения пригодности к роботизированной сборке, что озна-
чает возможность автоматического выполнения дискретных опе-
раций первичного ориентирования (поштучное отделение, создание
однослойного потока деталей), вторичного ориентирования (фикси-
рования деталей в пространстве, например в кассетах), транспор-
тирования на технологическую позицию и т. д. Для такого анализа
вводят дифференцированную систему количественных оценок,
которая отображает основные свойства детали: габаритные разме-
ры, массу, конфигурацию, физико-механические свойства и другие.
Далее составляют условный код детали и на основе этого кодово-
го номера выявляют наличие признаков, приводящих к ухудшению
технологичности. Если такие признаки выявлены, следует оценить,
целесообразно ли устранять их путем модернизации детали или
необходим поиск не отображенных в системе технических средств,
способных обслуживать детали данного класса (модуль 4). При
модернизации детали выполняются модули 5 и 6. Поиск требу-
емых технических средств осуществляется по схеме, приведенной
на рис. 3.15. Если решение неизвестно, то дальнейшие работы по
проектированию РТК для сборки заданного изделия проводить
нецелесообразно, если известно, то необходимо па основании эко-
номических расчетов проверить, рационально ли разрабатывать
оригинальное техническое средство.
При создании роботизированных сборочных производств воз-
можны два подхода:
промышленные роботы и технические средства упорядочивания
среды встраиваются в существующий технологический процесс
(в существующую технологическую линию);
технологические роботизированные линии проектируются на
основе анализа процесса и сборочного изделия с точки зрения'
возможности его автоматизированного изготовления.
Второй подход более перспективен и рационален, так как дает
возможность применять научные методы моделирования техноло-
гических процессов, выбирать из множества возможных решений
наиболее рациональное.
Если технологический провесе определен (модуль 9, рис. 3.15),
анализируются функции человека в системе, выбираются места
возможного и рационального внедрения средств автоматизации
и определяются технологические операции. После этого проводится
анализ их пригодности к роботизированному производству. Если
они непригодны, выполняются модули 16, 17, 18; если пригодны,
122
Q Начат
№нец
<—/--------1----
Формирование
технических
средств
2 выпускается ле,
фамышюото ?
^мрлтся'м
опытные
Оформление	!
закала	>
на оборудование '
НЕТ
а "Шестшт-
техническое
'-^решение?..
5----------------.
Оформление
заказа	г
на документацию j
НЕТ
РазробатыВшпьлЦ'
сжит/шое
ФосрШже?
НЕТ
__I _____л_________
/ РоВотаироФжа /
-/ сборка
1 не целеаябризн
.д-------—
РазраНотка
оригинального
оВорудоданип
8------1-----
/ Отображение
IB информационных
массивах

Рис. 3.16. Схема поиска технических средств.
проверяется возможность обеспечения реализации технологических
операций имеющимися в информационных массивах системы тех-
ническими средствами (модуль 14). Далее, согласно схеме, выпол-
няются модули 15, 31 или происходит поиск необходимого обору-
дования, схема которого приведена на рис. 3.16. В случае, если
не найдено даже техническое решение на оборудование, реализую-
щее технологическую операцию, определяется возможность заме-
ны последней, и процесс поиска повторяется.
Следуя второму подходу при создании роботизированных сбо-
рочных производств, проектирование происходит по схеме, начиная
с модуля 19. С этой целью строят подробную технологическою
схему с характеристиками отдельных операций и переходов и опре-
деляют, разрабатывался ли ранее РТК, реализующий подобный
ТП изготовления изделия, аналогичному данному (модуль 22), т. е.
ищут типовое решение. Если такое решение есть, то согласовывают
параметры проектируемого и типового РТК и далее выполняются1
модули 23, 24, 25; если нет, то — модули 26—30. Поиск необхо-
димого оборудования происходит по схеме, показанной на
рис. 3.16, которая в общем виде включает модуль разработки ори-
гинальных технических средств.
Эта задача по иерархической структуре стоит ниже задачи
проектирования технологической роботизированной линии. Рас-
смотрим этапы ее реализации на примере проектирования про-
мышленного робота.
Процесс проектирования отвечает всем принципам машинного
проектирования и предполагает использование типовых решений,
123
т. е. подход к проектированию остается неизменным. При автома-
тизированном проектировании ПР выполняются следующие задачи:
расчет элементов траекторий перемещений исполнительных ор-
ганов применительно к полученному варианту компоновки РТК;
расчет скоростей перемещений отдельных звеньев ПР при от-
работке элементов траекторий в соответствии с заданной цикло-
граммой;
выбор кинематической схемы ПР, исходя из заданных техни-
ческих параметров и указанной рабочей зоны;
расчет основных параметров ПР и его элементов;
оптимизация динамических, кинематических характеристик;
расчет на прочность и жесткость отдельных элементов ПР;
формирование комплектующих элементов для компоновки ПР;
оформление компоновочных чертежей и др.
3.8.	Организация диалога
при проектировании роботизированных технологий
Этап проектирования РТК, связанный с анализом пригодности
объекта к роботизации (изделия, комплектующих его элементов,
технологических процессов и т. д.), может иметь самостоятельное
значение и реализуется подсистемой «Советчик конструктора».
Действительно, если объект роботизации оказывается непригод-
ным по одному или по ряду признаков, т. е. если подсистема по-
иска технических средств не смогла выбрать состав и структуру
РТК, обеспечивающих поставленную задачу из-за отсутствия ти-
повых средств и методов обслуживания объекта, конструктору по-
сылается запрос на изменение конструкции изделия или его со-
ставляющих (блоки 4, 6, 8 на рис. 3.15), а технологу — на изме-
нение маршрута технологического процесса с тем, чтобы повысить
количественную оценку технологичности объекта роботизации. При
этом необходимо обращение проектировщика к ЭВМ. с целью
итерационного приближения характеристик изделий и их ком-
понент, а также структуры сброчного соединения (в случае про-
ектирования сборочных РТК) и маршрута изготовления объек-
та роботизации к тем характеристикам, для которых САПР может
выдать типовое решение. Поэтому создание современных САПР
основано на использовании режима диалога [10]. При этом право
выбора тех или иных решений в наиболее сложных неформаль-
ных ситуациях остается за человеком. Получая доступ к ЭВМ
и располагая различными средствами визуального контроля, кон-
структор и технолог могут вмешиваться на любом этапе в про-
цесс проектирования РТК, используя свой опыт и интуицию.
Применение режима диалога позволяет повысить качество про-
ектируемых роботизированных технологий и расширить сферу ис-
пользования ЭВМ как по способам, так и по средствам произ-
водства, которые в них используются, но недостаточно отражены
в банках данных информационно-поисковых систем. Происходит
и обратный процесс — воздействие САПР на разработчиков изде-
лий с целью создания ими таких конструкторских и технологиче-
124
ских решений, которые обеспечиваются ограниченной номенкла-
турой типовых переналаживаемых средств автоматизации, в ре-
зультате чего при создании робототехнологических комплексов
могли бы использоваться методы агрегатирования из унифициро-
ванных элементов.
Техника диалога используется в основном при автоматизиро-
ванном проектировании роботизированных технологий, имеющих
сложные маршруты изготовления изделий при их многовариант-
ном характере. В этих случаях использование диалоговой системы
обеспечивает следующие возможности:
человек может вмешиваться в процесс решения задачи и по-
дыскивать необходимое решение, в частности при выборе структу-
ры процесса и отдельных операций, а также при выборе состава
и структуры робототехнологических комплексов; в этом случае
человек либо контролирует и исправляет (дополняет) варианты,
которые ему предлагает ЭВМ при наличии в системе соответ-
ствующих алгоритмов, либо вносит свой вариант при запросе ма-
шины;
при наличии равноценных результатов выбор окончательного
варианта остается за человеком, который руководствуется опера-
тивной производственной обстановкой, не учитываемой машиной;
кроме того, допуская возможность варьирования человеком ис-
ходных данных и параметров объектов роботизации, возможно
осуществление направленного выбора оптимального процесса, так
как можно варьировать конструктивными особенностями изделий
и их компонентов, изменять начальные условия в пределах, допус-
каемых производственной обстановкой, возможностями комплек-
тации РТК разным составом оборудования и технологической ос-
настки;
появляется возможность контроля за процессом проектирова-
ния и принятием решений и оперативного устранения возникаю-
щих ошибок по результатам вывода промежуточных данных и ре-
зультатов; такой режим работы позволяет существенно сократить
количество итераций, а следовательно, время на проектирование
РТК.
В качестве средств оперативного отображения информации ис-
пользуются текстовые и графические дисплеи. Вывод информации
на экран дисплея и ввод информации с визуальным контролем су-
щественно повышают оперативность системы. Диалог может про-
водиться с помощью дисплеев, входящих в состав как абонент-
ских пунктов ЕС ЭВМ, так и автоматизированного рабочего места
(АРМ), состыкованного с ЕС ЭВМ. В ряде случаев, не требую-
щих быстрого принятия решений, диалог может осуществляться
с помощью пультовой пишущей машинки. При большом объеме
промежуточной информации последняя может выводиться на ал-
фавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ).
Комплекс программных средств диалоговой системы включает
управляющую программу, программу анализа ответов и програм-
му обмена информацией со средствами ее оперативного отобра-
жения.
125
НЕТ
~г~
i-л этап
зрВачи
Анализ
информации
__ _ [контрольная
X точно
-Г Нужен
L Suoлог?
ПерехоЗ
к, (М-му
этапу
Рис. 3.17. Функциональная схема
проведения диалога.
[Шьйашж
6 ЭВМ
~ Анализ ,
— МеЗеннои
информации
и выполнение
задания
Функционирование диалоговой си-
стемы основано на прерывании про-
цесса проектирования в так называе-
мых контрольных точках программы
и выводе информации на оперативные
средства отображения (рис. 3.17).
После анализа этой информации опе-
ратором (конструктором или техноло-
гом) и ввода своей информации про-
цесс проектирования продолжается до
новой контрольной точки и т. д. до
тех пор, пока задача не будет решена.
С этой целью заранее процесс про-
ектирования разбивают на функцио-
нально законченные этапы и для каж-
дого из них определяют, в какой фор-
ме и каком объеме должна выводить-
ся информация. Функциональная схе-
ма проведения диалога предполагает
следующие варианты вывода инфор-
мации из ЭВМ: варианта решения;
промежуточной информации; требова-
ния на ввод недостающей информации.
Вывод варианта решения осуществляется при необходимости
уточнения конструктором или технологом некоторых условий, обес-
печивающих выполнение задания на проектирование, в частности
используются для накопления объектов роботизации сотовые или
шахтные накопители (например, для малогабаритных плоских
деталей). После анализа выведенных вариантов оператором вво-
дится в ЭВЛА указание на то, какой вариант нужно выбрать в ка-
честве исходного с учетом производственных возможностей.
Вывод промежуточной информации имеет своей задачей ин-
формировать разработчика о правильности функционирования си-
стемы проектирования, которое может быть скорректировано, на-
пример может выводиться массив с перечнем переходов проекти-
руемого процесса. Корректировка может заключаться в удалении
некоторых элементов (переходов) маршрута технологического
процесса и в их перестановках, диктуемых условиями оптималь-
ной структуры и состава РТК.
Требование на ввод недостающей информации обычно связа-
но с недостатком данных, требующихся для решения конкретной
технологической задачи. При этом необходимые данные могут от-
сутствовать либо во входной, либо в нормативно-справочной ин-
формации. Например, ЭВМ может выдать задание на ввод дан-
ных по уточнению механических свойств захватываемых деталей,
что является необходимым для определения условий наложения
удерживающих и неизбыточных связей на деталь при ее обслужи-
вании промышленным роботом, а следовательно, для выбора
(проектирования) захватных устройств ПР. В этом случае речь
идет об ошибке в исходных данных.
126
Как видно, последовательность действий человека во всех трех
случаях вывода информации жесткая и инициируется машиной,
что ограничивает свободу действий человека. Возможно рас-
ширение такой свободы, если предусмотреть «параллельный» прос-
чет вариантов, когда конструктор или технолог может прервать,
признанный неудовлетворительным вариант и перейти к новому,,
и т. д. Если же так и не удается обеспечить лучший вариант,,
то оператор должен иметь возможность обратиться к любой кон-
трольной точке для продолжения прерванных ранее по первона-
чальному варианту действий. Для этого предусматривается запо-
минание промежуточных вариантов проектирования. Действия в;
этом случае уже «навязываются» человеком, т. е. задания на вы-
полнение действий могут поступать как от ЭВМ, так и от челове-
ка. Такие диалоговые системы называются смешанными.
Изложенное выше указывает на возможность создания си-
стемы проектирования, содержащей задачи с разным уровнем
автоматизации их решения. Такие системы позволяют реализо-
вать принцип их последовательного развития и адаптации к ок-
ружающим условиям. По мере совершенствования и развития
САПР отдельные программные модули заменяются более совер-
шенными, дополняются новыми модулями, заменяющими ручные
операции. Происходит постепенное объединение САПР с другими
автоматизированными системами (например, с системой техноло-
гической подготовки производства), в результате чего создаются
интегрированные системы управления производством, в которых
комплекс программ для ведения диалога становится все более
важной частью общего математического обеспечения.
3.9.	Особенности построения САПР
промышленных роботов
При проектировании ПР приходится выполнять достаточно одно-
образные операции: выбор кинематической схемы манипуляцион-
ной системы с учетом особенностей технологического процесса и
возможности размещения оборудования на производственных
площадях; составление динамических уравнений механической си-
стемы ПР и его приводов; обоснование ограничений на систему;
расчет основных параметров манипуляционной системы; разра-
ботка системы управления; оптимизация основных характерис-
тик промышленного робота с учетом наложенных ограничений
и построение компоновочной схемы промышленного робота
и др.
Таким образом, создание ПР различного назначения связано-
с выполнением однообразных и стереотипных операций, что соз-
дает предпосылки для постановки задачи построения системы ав-
томатизированного проектирования промышленных роботов на
основе машинной реализации с обеспечением возможности диало-
га проектировщика с ЭВМ для достижения оптимального резуль-
тата. Такая система содержит ряд подсистем, ориентированных
на выполнение проектных решений, связанных с разработкой эле-
12?
Рис. 3.18. Структурная схема функциональных элементов САПР
промышленных роботов.
ментной базы ПР (технологических модулей, захватных устройств,
приводов), кинематических характеристик манипуляционной си-
стемы с учетом инерционности, упругости ее звеньев и деформа-
ций в стыках звеньев с учетом переменных нагрузок. В свою
очередь, САПР ПР является подсистемой САПР РТК, что под-
тверждает иерархический принцип построения последней. Ин-
формационно-поисковая система САПР ПР должна содержать
как банк типовых и накапливаемых в процессе проектирования
решений, так и банки данных по элементной базе промышленных
роботов.
Структурная схема функциональных элементов такой САПР
представлена на рис. 3.18.
Задача выбора кинематической схемы манипулятора в первом
приближении облегчается ограниченным количеством общих ки-
нематических схем манипуляционных систем ПР (рис. 3.19). Свер-
ху над каждой схемой в процентах указано количество промыш-
ленных роботов от общего их числа, в которых реализуется дан-
ная схема. Возможные комбинации кинематических структур
манипуляционных систем ПР для каждой из представленных на
рис. 3.19 схем представляют базу данных подсистем выбора кине-
матической схемы манипулятора. Аналогично рассмотренные в
гл. 2 типы и структуры захватных устройств представляют собой
базу данных подсистемы выбора кинематической схемы и типа
захватного устройства ПР.
Ограничения, связанные с особенностями обслуживаемого тех-
нологического процесса и условиями эксплуатации проектируе-
мого промышленного робота, позволяют выбрать тип приводов
для каждой из управляемых координат манипуляционной систе-
мы *, а также уточнить его основные энергофункциональные и
128
Рис. 3.19. Типовые кинематические структуры манипуляционных
систем промышленных роботов.
эксплуатационные характеристики. Эти ограничения, являющиеся
внешними по отношению к проектируемым промышленным робо-
там и их функциональным элементам, формируются подсистемой
формирования внешних ограничений на основании базы данных
ограничений для типовых роботизируемых технологических про-
цессов и изделий, изготавливаемых по данному процессу.
Кроме внешних, должны быть сформированы так называемые
внутренние ограничения, характерные для проектируемого элемен-
та ПР и отражающие физические явления, свойственные данному
элементу и определяющие условия его оптимального функциони-
рования. В частности, для пневмоприводов такими ограничиваю-
щими являются условия, обеспечивающие: непревышение давле-
ния в рабочей полости пневмоцилиндра давлению в магистрали,
тогда как давление в полости выхлопа не должно быть ниже ат-
мосферного; непревышение критического значения амплитуды из-
гибных колебаний в звеньях связи штока пневмоцилиндра с ра-
бочим органом на режиме торможения при выходе системы на
упор (что характерно для многосекционных дискретных линейных
и поворотных пневмоприводов) — величины точности позициони-
рования манипуляционной системы ПР.
Исходными данными для подсистемы расчета основных пара-
метров манипуляционной системы ПР и ее элементов являются
масса манипулируемого объекта, максимальные перемещения по
всем управляемым координатам, а также точность линейного и уг-
лового позиционирования. Определению подлежат конструктивные
параметры элементов манипуляционной системы ПР, а также мас-
сы и моменты инерции подвижных звеньев. Для определения ос-
новных параметров используются математические модели функ-
циональных элементов ПР, представляющие, в частности, для
исполнительных механизмов динамические уравнения движения
с учетом упругости промежуточных и выходного звеньев манипу-
ляционной системы, и уравнения изменения давлений в полостях
пневмоцилиндров приводов, представленных в безразмерной фор-
* В частности, многоэлементная сборка требует использования быстродей-
ствующих многопозиционных приводов для звеньев, обеспечивающих линейные
и поворотные перемещения рабочих органов ПР, а уточнение класса соби-
раемых соединений — например, объекты точного приборостроения — налагает
ограничение по точности позиционирования рабочих органов и определяет гру-
зоподъемность и инерционные факторы.
5 4-251	129
ме, если в качестве исполнительных устройств используются пнев-
моприводы (например, линейные и поворотные дискретные пнев-
моприводы, математические модели которых рассматривались
в гл. 2).
Задачей подсистемы оптимизации параметров может явиться,
например, определение таких сочетаний параметров манипуляци-
онной системы, которое обеспечивает минимальное время на вы-
полнение манипулирующих движений. Одновременно при этом для
системы управления оптимизация будет заключаться в реализа-
ции такого закона управления, который позволил бы минимизи-
ровать время включения приводов, демпфирующих и тормозных
устройств, а также минимизировать потери времени на участках
разгона и торможения при рассчитанных параметрах манипуля-
ционной системы. Иными словами, процесс оптимизации носит
итерационный характер последовательного улучшения показате-
лей манипуляционной системы и системы управления, направлен-
ного в конечном счете на обеспечение минимального времени
цикла.
Так, при решении задач планирования траектории движения
рабочих органов ПР требуется минимизация критерия оптималь-
ности по быстродействию, адаптации по массе и положению захва-
тываемой детали, адаптации к внешним помехам статического и
динамического характера, а также минимизация энергозатрат. При
этом объектом управления является исполнительный механизм ПР,
движение которого под действием сил F°, массы перемещаемого
объекта G° и моментов М° описывается уравнением Лагранжа 2-го
рода
D (9) • (Q) = A [q, q)q + B{q)M° + C{q) (G°+F°) + (л = 0,	(3.8)
где <?(/)—значение обобщенных координат исполнительного ме-
ханизма (ИМ), а ц характеризует влияние динамики приводов ИМ.
Последовательность решения задачи планирования траектории
движения рабочих органов ПР с учетом минимизации критерия
оптимальности по быстродействию включает составление уравне-
ния Эйлера и решение задачи классическим методом вариацион-
ного исчисления. Цель задачи — выработка таких управляющих
воздействий U(q), при которых обеспечивается выполнение мини-
мума функционала /= j'[g(/)]2cW-)-min при ограничениях 7tmin<
Гак как выражение (3.8) линеаризуется, необходима
подстройка модели путем расчета таких ППр(Ц, при которых
6	= | q U) — <7* \t} | < e,
где q* (t) —представление q(t) в модели ИМ.
При реализации задачи адаптации к массе и положению детали
объект управления также описывается выражением (3.8) в условиях
действия ограничений по массе детали G^Gmax и области поиска
детали на прямолинейной траектории (например, лента конвейера):
qi<q<qz- Цель задачи — выработка таких U(q), чтобы обеспечи-
валось (3.8) с учетом отмеченных ограничений.
130
Обе приведенные задачи решаются непосредственной подста-
новкой внешних данных в модель динамики ПР. Возникающая
при ориентации детали задача распознавания образов рассматри-
вается в гл. 5.
Задача обхода препятствий (статические помехи) в робототех-
нике хорошо изучена ;[7, гл. 2]; вместе с тем, задача реакции
к внешним движущимся помехам является мало исследованной
областью.
Объект управления описывается выражением (3.8). При этом
внешние возмущения Р и М определяются датчиками очувствления
информационной системы ПР. Для решения задачи требуется вы-
т
полнение условий f [q (t) ]2 ->-min и q*—?опт->0. Цель задачи —
о
выработка таких U(q, q), которые удовлетворяют приведенным
условиям при одновременном соблюдении условий надежности ра-
боты и обнаружения программных и технических сбоев в системе.
Последнее противоречит основным условиям в критических ситуа-
циях.
В задаче минимизации энергозатрат критерий оптимальности
имеет вид f U(t) •r(^)^->min, и при ограничениях q, q, q, зада-
О
ваемых из «приоритетных» задач в адаптивных и оптимальных
АСУ, цель управления — выработка таких U(q, q), при которых
достигается оптимальное при условии выполнения ограничений
управление. Задача выполняется при возникновении нескольких
альтернативных решений при траекторном управлении ИМ ПР,
а также обеспечивает отключение тех частей технического обеспе-
чения системы, которые не используются в кадре программы.
Таким образом, общая постановка задачи многопараметриче-
ского адаптивного и оптимального управления формулируется сле-
дующим образом: дано уравнение динамики для ИМ.; необходимо,
чтобы выполнялись критерии оптимальности и условия ограниче-
ний для тех задач, которые реализуются в системе адаптивного
и оптимального управления. Цель управления в такой системе —
выработка таких управляющих воздействий U(q, q, q), при кото-
рых выполняются критерии оптимальности и условия ограничений,
где каждому из ограничений соответствует свой коэффициент Tj
(/=1,8), причем	— уровень приоритета в системе.
Общий метод синтеза такой системы управления носит эвристи-
ческий характер. Причина этого — отсутствие априорной информа-
ции о параметрах обслуживаемого производства. В диалоговом
режиме пользователю системы предоставляется информация о всех
плюсах и минусах каждого контура адаптивного и оптимального
управления и информация по выбору подходящего ранга приори-
тета для каждого критерия в отдельности. Некоторые задачи могут
выполняться с одинаковым приоритетом, если их цели управления
не могут взаимно исключаться. Восстановление над некоторой за-
дачей более приоритетной эквивалентно добавлению дополнитель-
ных ограничений в постановку задачи.
5*
1 з J
Список литературы
1.	Автоматизированные системы подготовки технологических процессов меха-
носборочного производства/ Под ред. Н. М. Капустина.— М.; Машиностро-
ение, 1979.— 248 с.
2.	Автоматизированные системы технологической подготовки производства в
машиностроении/ Под ред. Г. К. Горанского.— М.: Машиностроение, 1976,—
240 с.
3.	Автоматизация поискового конструирования / искусственный интеллект в ма-
шинном проектировании/ Под ред. А. И. Половинкина.— М.; Радио и
связь, 1981.— 344 с.
4.	Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных
алгоритмов.— М. : Мир, 1979.— 535 с.
Б. Грунауэр А. А. Проектирование механизмов и машин с помощью цифровых
ЭВМ.— Харьков: Вища школа, 1980.—120 с.
6.	Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход/ Под
ред. В. М. Бродянского.— М. : Мир, 1981.—454 с.
7.	Жук К. Д„ Тимченко А. А. Автоматизированное проектирование логико-
динамических систем.— К.: Наукова думка, 1981.—320.
8.	Зозулевич Д. М. Машинная графика в автоматизированном проектирова-
нии.— М. : Машиностроение, 1976.— 267 с.
9.	Павлов В. В. Основы автоматизации проектирования технологических про-
цессов сборки — М. : изд. МАТИ, 1975.—92 с.
10.	Петренко А. И. Основы автоматизированного проектирования.— К.: Тех-
н1ка, 1982.—296 с.
11.	Митрофанов С. П. и др. Применение ЭВМ в технологической подготов-
ке серийного производства — М. : Машиностроение, 1981.— 287 с.
12.	Рвачев В. А. Геометрические приложения алгебры логики.— К. : Техшка,
1967,—211 с.
13.	Цветков В. Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация про-
ектирования технологических процессов.— Минск: Наука и техника, 1980.—
264 с.
14.	Юдицкий С. А., Тагаевская А. А., Ефремова Т. К.. Проектирование дискрет-
ных систем автоматики.— М. : Машиностроение, 1980.— 232 с.
15.	Ямпольский Л. С., Калин О. М. Система автоматизированного проектиро-
вания робототехнологических комплексов.— К.: изд. «Знание» УССР, 1982.—
22 с.
16.	Ямпольский Л. С., Ткач М. М., Костюк В. И. Технологическая подготовка
роботизированного производства.— К-: Изд. КГУ объединения «Вища шко-
ла», 1984.— 65 с.
Системы управления
и информационного
обеспечения про-
мышленных роботов
Системы управления
промышленными роботами
Информационное обеспечение
промышленных роботов
ГЛАВА 4
Системы управления
промышленными роботами
4.1.	Классификация систем управления
Основные классификационные признаки' систем управления про-
мышленными роботами таковы:
способ управления движением;
тип сигналов в управляющем устройстве;
количество совместно управляемых роботов;
характер участия в управлении человека-оператора.
По способу управления движением системы подразделяются
на системы управления по программе, по функции состояния внеш-
ней среды и комбинированные, в которых используются оба
способа.
Подавляющее большинство роботов, находящихся в эксплуа-
тации в промышленности, являются роботами с жестким программ-
ным управлением, в которых программа задается либо в форме
готовых для отработки приводами траекторий для каждой из ко-
ординат манипуляционной системы, либо в виде траекторий в ко-
ординатах рабочей зоны, которые затем преобразуются в реальном
режиме времени в координаты степеней подвижности манипуля-
ционной системы робота. Возможно также задание программы
в виде указания наименования типовой операции или последова-
тельного перечня таких операций (уровень IV, рис. 4.1). При этом,
в зависимости от типа привода соответствующей управляемой ко-
ординаты, отработка движения может быть как непрерывной
(контурные системы управления), так и дискретной (позиционные
системы); в первом случае программа реализуется в виде непре-
рывной траектории, а во втором — в виде конечной последователь-
ности позиций, заданных программой.
Системы, в которых число программируемых точек по каждой
из управляемых координат ограничено несколькими фиксирован-
ными значениями, включая начальную и конечную точки позицио-
нирования, являются цикловыми и представляют собой частный
случай позиционных систем управления. Позиционные системы
управления используются в тех случаях, когда требуется лишь
позиционирование объекта с заданной точностью, т. е. ориентиро-
ванное его расположение в ограниченном числе точек простран-
ства. При этом неважно, по какой траектории будет происходить
перемещение рабочих органов ПР (а следовательно, транспорти-
руемого объекта) между заданными позициями. К таким опера-
циям относится большинство операций транспортирования объе-
кта или обслуживания стационарного оборудования. При этом
позиционной системой обеспечиваются логическая последователь-
ность программы и ее распределение по проводам управляемых
координат манипуляционной системы робота, причем на каждом
шаге программы задается величина перемещения по каждой из
134
Рис. 4.1. Иерархическая структура управления промышленными роботами.
координат, а также распределяются команды на обслуживаемое
оборудование с синхронизацией действий робота.
Положение точек в пространстве определяется вектором, раз-
ложение которого на составляющие по координатам промышлен-
ного робота задает адрес (координату и направление движения)
и величину перемещения для отработки соответствующим приво-
дом. Следовательно, программа при позиционном управлении
представляет собой последовательность отдельных составляющих
векторов, которые записываются в запоминающее устройство либо
непосредственно оператором, либо в результате обучения робота.
Команда при такой организации управления представляет собой
совокупность данных о координате точки ориентации объекта и
характере технологической операции в точках позиционирования.
Порядок воспроизведения команд устанавливается при програм-
мировании или обучении и не изменяется в случае многократного
повторения одного и того же цикла.
Позиционное управление оказывается непригодным для ис-
полнительных промышленных роботов, выполняющих операции
нанесения защитных покрытий, газовой резки, дуговой сварки и
других, где требуется выдерживать непрерывную траекторию пе-
ремещения инструмента с заданной скоростью движения. В этих
случаях используются контурные системы управления, которые
позволяют непрерывно управлять перемещением инструмента,
ориентацией объекта и параметрами технологического оборудова-
ния. Контурные управления можно представить как синхронное
позиционное управление с большим числом программируемых и
расположенных близко друг от друга точек позиционирования.
Однако при контурном управлении можно программировать толь-
ко опорные точки воспроизводимой траектории, тогда как промежу-
точные будут определяться интерполированием с помощью специ-
альных логических устройств — линейных или круговых интерпо-
ляторов. В этом случае рабочие органы промышленного робота бу-
дут осуществлять движение по сглаженной кусочно-непрерывной
траектории. Таким образом, представляется возможным воспользо-
ваться по существу позиционной системой управления с включе-
нием в ее структуру интерполятора, и процесс обучения
135
промышленного робота с такой системой управления практически
мало отличается от процесса обучения ПР с позиционной системой.
В тех случаях, когда по отдельным степеням подвижности ПР
используются разные типы систем управления, находят примене-
ние смешанные системы контурно-позиционного типа. К таким си-
стемам можно отнести контурное управление по основным коор-
динатам регионального перемещения и позиционное управление
ориентацией (локальное перемещение) объекта и технологически-
ми параметрами. Кроме того, часто используются комбинирован-
ные системы управления в тех случаях, когда требуется для основ-
ных технологических операций применить контурное управление,
а для вспомогательных, например, ввода и вывода инструмента в
рабочую зону, комплектации сборочного соединения — позицион-
ное.
В зависимости от степени адаптации к изменениям внешней
среды различают системы неадаптивного управления в функции
состояния внешней среды, системы адаптивного управления и си-
стемы управления с искусственным интеллектом.
В системах первого вида алгоритм управления в течение все-
го процесса автоматической работы ПР остается без изменения.
В частности, такое управление имеет место в случае обработки
(сборки) нескольких моделей одного и того же изделия с неболь-
шими отличиями в конструкции, когда в системе управления пре-
дусматриваются запись и коммутация нескольких подпрограмм,
каждая из которых рассчитана на определенную модель изделия.
Вызов необходимой программы обеспечивается автоматически
после завершения обработки (обслуживания) очередного изделия.
Такой алгоритм работы промышленного робота в рамках выбора
подпрограммы не является адаптивным, но позволяет учесть изме-
нения в состоянии среды (в данном случае изменения в модели
изделия.).
В системах адаптивного управления структура или параметры
системы автоматически изменяются во времени либо для сохра-
нения качества управления, либо для его усовершенствования
в процессе накопления опыта. К адаптивным можно отнести си-
стемы управления, обеспечивающие оптимальные условия взаимо-
действия системы робот — объект — среда, в частности при выпол-
нении сборочных операций (методы адаптивного управления
сборкой см. в п. 7.5). В большинстве случаев адаптивные функции
реализуются сравнительно простыми техническими средствами и
существенно расширяют возможности промышленных роботов при
обслуживании существующих технологических циклов с минималь-
ными переделками технологического оборудования.
К наиболее совершенным относятся системы с искусственным
интеллектом, которые обеспечивают автономное функционирова-
ние робота в соответствии с поставленными в самом общем виде
целями и в условиях максимальной неорганизованности среды.
Такие системы постоянно совершенствуют алгоритм своей работы
на основании данных о состоянии внешней среды, строят динами-
ческую модель внешнего мира с учетом перспективы ее развития
136
и по результатам прогнозирования вырабатывают план действий.
Роботы, оснащенные системами с искусственным интеллектом,
работают в автоматическом режиме. При использовании на опре-
деленных этапах работы интеллекта человека-оператора управле-
ние роботом становится автоматизированным.
По типу сигналов в управляющем устройстве различают си-
стемы непрерывного и дискретного управления.
В системах непрерывного действия все звенья характеризуют-
ся непрерывными входными и выходными сигналами. В системах
дискретного действия хотя бы одна величина должна представ-
лять дискретный сигнал. В аналоговых системах программного
управления роботов вся информация запоминается и воспроизво-
дится в виде амплитуд и фаз напряжений. В цифровой системе
управления ПР оперируют с информацией в дискретной форме.
При использовании аналого-цифровой системы управления ПР си-
стема управления его приводами является аналоговой, а датчики
обратной связи — цифровыми; кроме того, в таких системах исполь-
зуются цифровые запоминающие устройства. Такое распределение
функций между аналоговыми и цифровыми элементами позволя-
ет наилучшим образом использовать преимущества как цифровых,
так и аналоговых систем управления. Поскольку в большинстве
дискретных систем имеются звенья как с непрерывными, так и с
дискретными входными и выходными сигналами, в таких системах
используются также звенья прямого и обратного преобразования
сигналов, т. е. аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые
(ЦАП) преобразователи.
По количеству совместно управляемых роботов системы уп-
равления подразделяются на системы индивидуального и группо-
вого управления.
В системах индивидуального управления каждый из промыш-
ленных роботов имеет систему локального управления (конструк-
тивно выполняется в виде стойки управления), задачей которой
является координация действий отдельных функциональных эле-
ментов промышленного робота друг с другом и с обслуживаемым
роботом технологическим оборудованием, подводящими и отводя-
щими транспортными системами, технологической оснасткой и
средствами упорядочения объектов роботизации, с которыми вза-
имодействует ПР. Как правило, для обеспечения оптимальных
условий взаимодействия системы индивидуального управления ПР
с системами управления технологическим оборудованием, транс-
портными системами требуется разработка дополнительных
средств сопряжения, которые позволяют согласовывать физиче-
скую природу сигналов и их абсолютные значения, используемые
в системах управления ПР, с другим оборудованием, входящим
в состав робототехнической системы.
При групповом управлении, которое может быть централизован-
ным, децентрализованным и комбинированным, осуществляется
синхронизированное управление группой промышленных роботов и
технологическим оборудованием от одного управляющего устрой-
ства (чаще всего от ЭВМ). Каждый робот при этом может иметь
137
Свою локальную систему управления (стойку), которая представ-
ляет нижний уровень управления (децентрализованное управле-
ние). Однако в последнее время все больше проявляется тенденция
к осуществлению прямого группового управления промышленными
роботами, связанными единым технологическим процессом изготов-
ления изделия, от ЭВМ или мини-ЭВМ. При этом значительно
повышается надежность функционирования всего комплекса, однако
для согласования сигналов, поступающих от ЭВМ, с исполнитель-
ными приводами ПР, необходимы устройства сопряжения в виде,
например, АЦП, ЦАП. Такое централизованное управление пре-
дусматривает иерархию самих роботов по выполняемых ими функ-
циям, т. е. возможно деление роботов на группы, внутри которых
один из роботов осуществляет централизованное управление (син-
хронизирует работу) другими роботами данной группы. В свою
очередь, все группы вместе со своими ведущими роботами входят
в общую централизованную систему управления. При таком ал-
горитме работы группу может представлять один робот со своей
локальной системой управления. При этом имеет место система
комбинированного управления.
По характеру участия в управлении человека-оператора систе-
мы управления ПР делятся на автоматические и автоматизирован-
ные.
Автоматические системы управления ПР обеспечивают любой
режим работы без участия человека. Такое управление, например,
обеспечивает системы управления по программе. Однако автома-
тические системы роботов еще не достигли совершенства с точки
зрения практического использования, так как адаптивные и осо-
бенно интеллектуальные роботы пока еще трудно реализуемы
даже в несложных случаях. Поэтому в настоящее время чаще
прибегают к биотехническим системам управления, а с целью
снижения непрерывности загрузки человека-оператора в процессе
управления, повышения быстродействия выработки решений и
уменьшения вызванной его утомляемостью вероятности ошибок —
к созданию интерактивных, т. е. человеко-машинных систем. Пер-
вой начальной разновидностью интерактивных систем являются
автоматизированные системы.
В автоматизированных системах управления, наряду с автома-
тическим действием промышленного робота, часть функций управ-
ления на определенных этапах выполняет человек-оператор. Следо-
вательно, автоматизированные системы характеризуются разделе-
нием биотехнических (управление от человека) и автоматических
режимов во времени.
При этом достигаются две цели. Во-первых, выполняя в авто-
матическом режиме поддающиеся на современном уровне развития
техники операции робота, достигается максимальная производи-
тельность. Во-вторых, предоставляя дистанционное управление ро-
ботом человеку в тех случаях, когда полная автоматизация, в си-
>лу ограниченности технических средств и методов управления, не-
возможна, обеспечивают выполнение любой сложной операции на
.местах, где непосредственное пребывание человека вредно или
•, 138
опасно. Подобные ситуации встречаются, например, при роботиза-
ции проходческих работ в шахтах, обслуживании энергетических
(ядерных) установок. При этом желательно в интересах повыше-
ния эффективности выполнения работ, с одной стороны, и разгрузки
оператора — с другой как можно большую и наиболее сложную
либо опасную часть элементов операции выполнять автоматически,
а к управлению от оператора прибегать тогда, когда иначе выпол-
нить операцию невозможно.
Характер функций и уровень управления, на котором осущест-
вляется подключение человека-оператора, позволяют выделить не-
сколько модификаций автоматизированных систем управления ПР:
участие человека на самом нижнем уровне иерархии управле-
ния (см. рис. 4.1) в копирующем режиме от задающего манипуля-
тора, в режиме настройки с управлением от кнопочного переклю-
чателя или выносного пульта управления, в режиме дублирования
автоматического управления в аварийных ситуациях, а также в ре-
жиме обучения робота;
участие человека на промежуточных уровнях иерархии управ-
ления с целью расширения адаптационных возможностей робота,
в системе управления которым не предусмотрены алгоритмы пове-
дения при определенных внешних воздействиях (изменениях) среды;
участие человека на верхнем уровне иерархии управления, ког-
да человек-оператор образует самостоятельный уровень управле-
ния над всей системой автоматического управления ПР с целью
расширения интеллектуальных возможностей робота за счет ис-
пользования интеллекта человека.
В двух последних модификациях автоматизированных систем
управления ПР с участием человека последним осуществляется
визуальный контроль за отработкой роботом заданных управляю-
щих воздействий и корректируется работа ПР, производится рас-
познавание объектов роботизации, выполняется контроль за ходом
роботизированного технологического процесса и за синхронизаци-
ей действий входящих в структуру робототехнической системы
устройств. Такой режим совместного управления ПР называется
супервизорным.
Супервизорный режим управления позволяет совместить пре-
имущества управления ЭВМ при решении формализуемых задач
с использованием интеллектуальных возможностей человека при
решении сложных неформальных задач. Здесь человек-оператор,
наблюдая на экране дисплея обстановку в месте действия робота,
подает в управляющую ЭВМ целеуказательные команды, предпи-
сывающие роботу отдельные рабочие операции, например, пе-
ревести захватное устройство или инструмент в заданную позицию.
После выполнения роботом этой операции в автоматическом режи-
ме человек вновь формирует команду в ЭВМ на следующее фраг-
ментарное действие, в частности «взять объект» или «развернуть
захватное устройство на такой-то угол» для совмещения осей за-
хватного устройства и объекта с целью выполнения оптимальных
условий их взаимодействия при захвате. И эту операцию робот
выполняет в автоматическом режиме с использованием средств
139.
сенсорного (тактильного) обеспечения. Далее следует новая коман-
да человека-оператора и т. д. Разработка супервизорных методов
управления требует:
четкого определения и разграничения функций между человеком
и ЭВМ при взаимодействии с роботом и исследования возмож-
ностей человека-оператора в контуре системы супервизорного уп-
равления роботом;
правильного выбора средств и методов сенсорного обеспече-
ния роботов;
разработки адаптивных алгоритмов управления.
Алгоритмы управления промышленными роботами обеспечива-
ют как реализацию типовых движений элементов манипуляцион-
ной системы робота, так и коррекцию его действий в соответствии
с поступающей от средств информационного (в том числе сенсор-
। ного) обеспечения информацией. В первом случае реализуются
так называемые алгоритмы непосредственного расчета характе-
ристических координат робота, а во втором — алгоритмы опти-
мизации.
Основой алгоритмов непосредственного расчета являются со-
отношения между звеньями и характеристическими координатами
руки робота, причем для манипуляционных систем с числом звень-
ев более трех необходимо, с целью избавления от избыточности,
наложение ограничений, например, в виде задания ориентации
схвата относительно рабочей плоскости, на которой роботом осу-
ществляются рабочие операции. К преимуществам таких алгорит-
мов управления можно отнести возможность вычисления характе-
ристических координат элементов манипуляционной системы ро-
бота в заданной точке за одну итерацию; к недостаткам относятся
неоптимальность получаемой траектории движения рабочих орга-
нов в заданную позицию и ограниченность применения данного
алгоритма только для данной кинематической структуры робота.
В алгоритмах управления путем коррекций рассогласование
между исходным и заданным положением рабочих органов мани-
пуляционной системы можно рассматривать как целевую функцию,
которая имитируется в процессе управления роботом с учетом
ограничений на ориентацию захватного устройства. Преимущест-
вами алгоритма управления путем коррекции является обеспечение
оптимальной траектории перемещения звеньев манипуляционной
системы, однако при этом резко увеличивается объем и время
вычислений.
Можно выделить два наиболее широко применяемых на прак-
тике метода реализации супервизорного управления [3; 5]: обще-
ние с ЭВМ тактического уровня, когда человеком-оператором
задаются элементарные части операции; общение с ЭВМ страте-
гического уровня, когда операция задается в общем виде, а робот
снабжен адаптационными возможностями.
При реализации первого метода ЭВМ тактического уровня
снабжается набором программ различных элементарных операций,
и роль человека сводится к оценке ситуации и подключению той
или иной операции из этого набора для отработки роботом. Следо-
140
I вательно, возможность выполнения роботом той или иной опера-
f ции регламентирована набором, класс которых может быть доста-
L точно обширным за счет варьирования последовательностью (ком-
ll бинацией) операций из данного набора.
Н Возможности второго варианта реализации супервизорного
 управления значительно шире, так как ПР снабжен адаптивной
” автоматической системой управления со стратегическим уровнем.
Поэтому от человека-оператора не требуется дробления операции
до элементарных составляющих, ибо это может быть сделано
роботом, в том числе и в частично неопределенной обстановке.
Активное взаимодействие ЭВМ с человеком на языках различ-
ного уровня, в том числе и на языке человека, реализуется с по-
мощью системы диалогового управления. При этом все манипули-
рующие движения робота осуществляются автоматически, но пла-
нирование этих действий на высшем уровне производится ЭВМ
совместно с человеком. Диалоговый режим управления предпола-
гает двустороннее общение человека с ЭВМ, осуществляющее
адаптивное управление на стратегическом уровне, или же управ-
ление с использованием элементов искусственного интеллекта на
высшем уровне. Это предусматривает «творческое» участие ЭВМ
и человека в выработке оптимальных решений о дальнейших дей-
ствиях робота при выполнении операции в экстремальных ситу-
ациях. Характерным для таких систем является режим интерак-
тивного распознавания, когда машина выдает на дисплей инфор-
мацию об обстановке в классах обслуживаемых объектов, а чело-
век помогает ей в управлении процессом распознавания.
Практический интерес представляет комбинирование автома-
тического режима управления с копирующим. Такой вид интер-
активного управления обладает значительно большими возможнос-
тями в условиях неопределенной или быстроменяющейся обстанов-
ки при выполнении произвольных операций, чем супервизорный ре-
жим. Действительно, здесь сохраняются все присущие супервизор-
ному управлению автоматические режимы (программные, адап-
тивные), а в случае необходимости включается копирующая си-
стема. В этой комбинированной системе управления человек-опе-
ратор выполняет две функции: производит включение и переклю-
чение программ автоматических режимов управления роботом,
включая адаптивные; осуществляет перевод управления на копирую-
щий режим в сложных или критических ситуациях, информацию
о которых он получает по приборам или средствам визуального
отображения хода операций.
4.2.	Иерархия управления промышленными роботами
Различают пять уровней иерархии управления роботами (см.
рис. 4.1) [1, 10]. На нижнем уровне /, представляющем исполни-
тельную систему приводов ПР, реализуется управление по отдель-
ным функциональным степеням подвижности робота. Именно ха-
рактеристики данного уровня определяют динамические и точност-
ные свойства промышленного робота.
141
Исполнительный уровень системы управления ПР представля-
ет собой совокупность следящих систем (приводов) каждой степе-
ни подвижности, причем рабочие механизмы робота вместе с ис-
полнительным уровнем управления называются манипуляционной
системой ПР. Исполнительный уровень системы управления имеет
свои внутренние связи по скорости, по положению, по моментам
(усилиям) и другим параметрам, что обеспечивает динамические
и статические характеристики каждой из степеней подвижности с
учетом упругости механических звеньев, трения и люфтов манипу-
ляционной системы в целом. Особое внимание уделяется синтезу
корректирующих средств исполнительного уровня для обеспечения
плавности перемещения рабочих органов на ползучих скоростях
движения, требуемых характеристик разгона и торможения с уче-
том инерционных факторов и ограничений по точности позицирова-
ния. С этой целью весьма эффективными являются разгруженные
и уравновешенные конструкции манипуляционных систем ПР.
Поскольку механическая система ПР представляет собой про-
странственную динамическую систему нескольких соединенных
между собой звеньев со взаимосвязанными движениями, совокуп-
ность следящих систем всех степеней подвижности ПР представля-
ет собой многомерную систему с взаимным влиянием каналов
управления.
Второй уровень управления представляет систему локального
управления ПР, в задачи которого входит расчет управляющих
воздействий, поступающих на исполнительный уровень I, и реали-
зация таким образом программного управления приводами. Кроме
задачи вычисления управляющих воздействий, на уровне II управ-
ления осуществляется пересчет координат цели из трехмерного
пространства, в котором задается перемещение рабочих органов
роботов, в пространство характеристических координат, а также
формирование траектории движения рабочих органов ПР в трех-
мерном пространстве. Таким образом, на уровне II реализуется
простое управление по жесткой программе, и если не требуется
увязки данной программы с работой внешнего оборудования, то
функции уровня П аналогичны функциям запоминающего устрой-
ства (программоносителя).
Второй (локальный) уровень управления ПР принято также
называть тактическим [3]. В общем случае на этом уровне могут
решаться три задачи: планирование элементарных движений ра-
бочих органов (захватных устройств, инструмента) ПР, разделение
этих целенаправленных движений на согласованные движения
приводов (следящих систем) каждой из степеней подвижности
манипуляционной системы ПР и расчет управляющих воздействий
на эти приводы с учетом ограничений технико-энерго-функцио-
нального характера. Задачи тактического уровня обеспечиваются
не только управляющими командами верхних уровней управления,
но и результатами обработки необходимой информации обратных
связей с нижестоящего исполнительного уровня, т. е. от рабочих
механизмов.
142
г
На уровне III синтезируются управления с учетом информации
о внешней среде. В совокупности с управлением по жесткой прог-
рамме (уровнем II) данные третьего уровня вносят коррекцию
в жесткое программирование с учетом состояния внешней среды и
самого робота на основании информации от соответствующих уст-
ройств очувствления робота. Как и на втором уровне, здесь также
реализуются алгоритмы выполнения элементарных типовых опера-
ций, в связи с чем ряд управляющих воздействий с третьего уров-
ня может непосредственно поступать на вход первого уровня, ми-
нуя уровень II. Поэтому по характеру реализации технологических
операций уровни II и III могут быть объединены в уровень син-
теза элементарных типовых операций. Таким образом, на третьем
уровне реализуется второй принцип управления роботами — управ-
ление в функции от состояния внешней среды (или принцип адап-
тивного управления).
Практически в системах управления ПР функции уровней в
зависимости от задачи могут переплетаться и иерархия в известной
степени является условной.
Если требуется задание программы в виде наименования опе-
раций или последовательности операций, используется четвертый,
стратегический уровень, на котором синтезируются законченные
сложные действия по достижению конкретной конечной цели,
в частности сварки изделия. Для этого на данном уровне произво-
дится разбиение операции как цели управления на ряд технологи-
ческих переходов, реализуемых нижним уровнем управления ПР
(например, ориентирование сварочной головки, формирование режи-
мов относительного перемещения рабочих органов, расчет траек-
тории перемещения, контроль качества сварного шва). На данном
уровне используется информация от устройств очувствления ПР
и состояния внешней среды для коррекции планов действий, фор-
мируемых на более высоком уровне управления. При этом синтез
и коррекция траектории перемещения могут производиться как до
начала работы ПР, так и в процессе его эксплуатации. В алгорит-
мическое обеспечение четвертого уровня входит разложение за-
данных планов действия на элементарные типовые операции для
третьего и второго уровней с использованием методов эвристиче-
ского программирования, лингвистических методов, а также диа-
логового общения с человеком-оператором на проблемно-ориенти-
рованном языке и выполнения заданных предписаний в режиме
реального времени. Диалоговый режим используется, в частности,
при недостаточном объеме информации для выполнения заданно-
го предписания.
От степени подробности расчленения крупной операции на чет-
вертом (стратегическом) уровне на элементарные составляющие за-
висят алгоритмы работы ЭВМ этого уровня и способы автоматиче-
ского планирования членения с удовлетворением критериев точ-
ности выполнения операции, производительности выполнения от-
дельных переходов, достижения жестких показателей качества
реализуемого технического процесса и др. Поэтому роль
143
информации обратных связей на третьем уровне управления осо-
бенно велика.
Высший, пятый, уровень системы управления ПР содержит
технические средства искусственного интеллекта, в частности сред-
ства восприятия обстановки и моделирования среды в той или
иной форме. Задачи пятого уровня управления заключаются в вы-
полнении анализа информации, поступающей в виде задания от
человека-оператора, а также в осуществлении обработки данных
от средств сбора информации о внешней среде и моделировании
внешней среды, в результате чего представляется возможным
планировать действия промышленного робота с учетом прогнозиро-
вания изменения состояния среды. Модель среды в процессе фун-
кционирования системы управления роботом может совершенство-
ваться путем построения формальных структур — пространства
состояний, деревьев цели. Кроме специальных задач, которые пред-
писываются для выполнения промышленному роботу, на уровне
V управления обеспечиваются также требования к условиям функ-
ционирования всех подсистем робота — надежность работы манипу-
ляционной, информационной систем и систем управления, последова-
тельность работы отдельных элементов, самоусовершенствование
алгоритма работы. Это происходит за счет централизованного
контроля подсистем робота в виде программных тестов. На этом
уровне общение с оператором осуществляется в диалоговом режи-
ме на ограниченном естественном языке; возможно, при наличии
соответствующих алгоритмов распознавания, речевое управление
роботом.
4.3.	Общение человека-олератора с роботом
В иерархической структуре управления роботом (см. рис. 4.1)
каждый из уровней иерархии для общения с более высоким или
более низким уровнем имеет свой язык. Перевод информации с од-
ного языка на другой осуществляется транслятором в соответствии
с алгоритмами работы ПР. Каждый вышестоящий уровень имеет
более мощный язык, так что его команда транслируется на более
низком уровне в виде нескольких команд. На любом из уровней
предусматривается возможность оперативного вмешательства че-
ловека-оператора. Поэтому язык общения оператора с соответст-
вующим уровнем должен обладать мнемоническими свойства-
ми, облегчающими усвоение оператором правил пользования язы-
ком, а последний, в свою очередь, должен быть ориентирован на
класс задач, решаемых данным уровнем управления роботом.
На нижних уровнях иерархии общение сводится к кодирова-
нию, т. е. человек-оператор формулирует задание роботу либо в
виде установок перемещений рабочих органов по соответствую-
щим координатам (первый уровень), либо в виде вектора скорости
движения рабочего органа или его координат с помощью специаль-
ных задающих устройств (второй и третий уровни). Наличие сен-
сорных устройств на третьем уровне управления позволяет органи-
зовать двухстороннее общение человека-оператора с роботом по
144
тракту отражения (реакции) на управляющие воздействия, напри-
мер, по погрузке и ее составляющим при выполнении сборочнок
(сопряжение, свинчивание) операции, по усилию зажима при за-
хвате объекта и т. д. Таким образом, при наличии сенсорных уст-
ройств (третий уровень) система управления роботом приобрета-
ет свойство адаптации, которая может осуществляться в автома-
тическом режиме и без участия человека-оператора. В автомати-
зированном режиме работы от сенсорных устройств на пульт
связи оператора поступают сигналы о состоянии внешней среды
(а в общем случае и о состоянии самого робота). Используя эту
информацию, человек-оператор принимает необходимое решение-
и вводит в систему управления корректирующую программу. Та-
ким способом удается предотвратить возникновение аварийных
ситуаций, в частности, перегрузок манипулирующей системы и сто-
лкновений с возникающими препятствиями.
Как отмечалось выше, четвертый уровень управления — супер-
визорный. На этом уровне человек-оператор взаимодействует с-
роботом путем формирования и выдачи директивных заданий на
проблемно-ориентированном языке, например, EHOS и РОДОЛ.
Далее взаимодействие с роботом приобретает форму диалога,,
когда директивные задания на проблемно-ориентированном языке-
трансформируются с помощью транслятора в соответствующие пе-
ремещения исполнительных устройств робота, а система управле-
ния запрашивает человека-оператора о дополнительной недоста-
ющей информации для выполнения операции. Обмен информацией'
ведется либо с использованием стандартных терминалов ЭВМ
(устройства ввода-вывода информации типа пишущая машинка,
дисплей), либо с помощью наиболее совершенного режима взаи-
модействия речевого аппарата на естественном языке с ограни-
ченным числом терминов и с контролем исполнения команд.
В отличие от четвертого уровня, на котором осуществляется
планирование операции и задается последовательность ее выпол-
нения, на пятом уровне указывается только сама операция, а пла-
нирование ее выполнения производится самим роботом. Соответ-
ственно языки пятого уровня управления обладают меньшей оп-
ределенностью для формулирования задания и содержат меньшее-
число знаков. В качестве примера наиболее простого языка высо-
кого уровня может служить язык ЯДРО [1]. Операторы языка-
ЯДРО позволяют определить, что необходимо сделать для выпол-
нения данной задачи, а на усмотрение робота оставляется страте-
гия ее решения, т. е. как задача должна выполняться.
4.4.	Логико-программное управление
транспортирующими и ориентирующими движениями
промышленных роботов
Исследование современных технологических процессов и обо-
рудования, тенденций и перспектив их развития показывает, что
в ближайшие 10—15 лет основным типом промышленных роботов
будут роботы с дискретным управлением, работающие по жестким,
145.
\~Исходные данные: траектория перемещения и ориентации*
детали В простанстВе
-----,---------------------------------------------------
Получение последовательности
перемещений кисти ПР
Получение последовательности
' действий 
Составление последовательности I
управляющих команд)
t ..................:
Исследование процесса
управления
----------------------.
_________i__________i
Устранение отказов
В управлении
у _________1
Получение системы уравнении
управляющих команд
•^Последовательность перемещении).
--------____________________
(последовательность действии у
f Последовательность
\ управляющих команд
---------------
^Система'логических
у управляющих кома)
V
1
н
Рис. 4.2. Блок-схема алгоритма получения последовательности управляю-
щих команд.
циклам управления с незначительными элементами адаптации.
Повышение эффективности внедрения роботов возможно за счет
значительного улучшения их технических характеристик и увели-
чения показателя функциональной универсальности, что достига-
ется использованием более совершенных, в частности, цифровых
исполнительных приводов, модульного принципа построения и со-
зданием относительно несложных, надежных и эффективных си-
стем управления, которые легко стыкуются с системами управле-
ния современного технологического оборудования и допускают бы-
строе перепрограммирование [9, гл. 2].
Анализ показал, что в промышленных роботах, предназначен-
ных для выполнения транспортных, загрузочно-разгрузочных и
отдельных видов сборочных операций, наиболее эффективно логи-
ко-программное управление, под которым понимается управление
движениями рабочих органов манипуляционной системы промыш-
ленного робота в соответствии с системой логических уравнений
управляющих команд. Важно отметить общность этих задач с за-
дачами большинства автоматизируемых операций, характеристи-
кой которых является перемещение объекта (или инструмента) в
•пространстве от одной позиции к другой по заданной траектории
(в том числе через определенные фиксированные позиции) с од-
новременной переориентацией объекта (инструмента).
Вся работа по разработке логико-программного управления
транспортирующими и ориентирующими движениями рабочих ор-
ганов промышленных роботов разбивается на следующие этапы
[4] (рис. 4.2).
1.	Анализ конструкции, режимов и условий эксплуатации про-
мышленных роботов с дискретным управлением, а также траекто-
рий перемещения объектов и инструмента, типичных для роботизи-
.146
руемой технологической операции с целью определения способов-,
задания траекторий перемещений и ориентации рабочих органов и
алгоритмов получения последовательности действий исполнитель-
ных приводов, встраиваемых в технологический процесс про-
мышленных роботов.
2.	Наложение ограничений на полученную последовательность-
действий исполнительных приводов ИП, вытекающих из допуще-
ний о виде и характере заданной траектории перемещения: траек-
тория представляет собой кусочно-непрерывную кривую, каждый
из участков которой соответствует перемещению только по одной
координате.
3.	Составление последовательности действий исполнительных
приводов ПР с учетом указанных ограничений.
4.	Построение функциональной модели и разработка алгорит-
ма функционирования системы логико-программного управления
с учетом возможных сбоев в управлении и их последствий на вы-
полнение последовательности действий исполнительных приво-
дов ПР.
5.	Получение последовательности управляющих команд — дис-
кретных сигналов, вызывающих срабатывание исполнительного
привода.
6.	Исследование исходной последовательности управляющих ко-
манд на возможность безотказного управления, а в случае непод-
тверждения безотказного управления, преобразование и дополне-
ние исходной последовательности управляющих команд с одновре-
менным выполнением условия сохранения ею требуемой последова-
тельности действий исполнительных приводов ПР.
7.	Разработка системы логических уравнений последовательно-
сти управляющих команд, с учетом того, что любая управляющая
команда может быть представлена в виде логически взаимосвязан-
ного множества сигналов о положении рабочих органов ПР и ра-
боте технологического оборудования, называемого логическим-
уравнением. Логические уравнения всех входящих в последова-
тельность управляющих команд образуют систему логических
уравнений, обеспечивающих строгое выполнение заданной после-
довательности действий исполнительных приводов ПР.
8.	Разработка общего алгоритма логико-программного управле-
ния транспортирующими и ориентирующими движениями ПР с уче-
том ограничений, обусловленных дискретным характером управле-
ния и специфическими особенностями эксплуатации ПР.
9.	Разработка комплекса программ для ЭВМ, реализующего-
общий алгоритм логико-программного управления и обеспечиваю-
щего проведение анализа массива данных, составление последова-
тельности действий исполнительных приводов ПР, получение по-
следовательности управляющих команд, формирование системы,
логических уравнений управляющих команд.
Массив исходных данных содержит информацию о заданной тра-
ектории перемещения и требуемой ориентации рабочего органа,,
а также вспомогательную информацию, отражающую специфиче-
ские особенности построения манипуляционной системы ПР.
147
 Наличие комплекса программ упрощает процесс программиро-
вания управления, ограничивая его заданием требуемой траекто-
рии перемещения и ориентации рабочего органа ПР и обеспечивая
возможность быстрого перепрограммирования.
Система логических уравнений может быть реализована в виде
системы дискретного управления — блоков с однородными логиче-
скими элементами и элементами памяти, соединенных штеккерной
панелью, на которую выводятся сигналы датчиков и технологиче-
ского оборудования, а также в виде программы для мини-ЭВМ.
Для системы дискретного управления процесс программирования
движений рабочих органов ПР осуществляется тривиальным спо-
собом — набором на штеккерной панели системы логических урав-
нений управляющих команд и, таким образом, не представляет
трудностей для оператора. Такая система управления надежна,
проста в обслуживании и легко перепрограммируема.
При использовании мини-ЭВМ система логических уравнений
управляющих команд записывается в виде программы в соответ-
ствующем машинном коде.
Более подробно процедура синтеза систем логико-программного
управления промышленными роботами и робототехнологическими
комплексами рассмотрена в работе [6, гл. 2]. Здесь же ограничимся
изложением основных положений логико-программного управ-
ления ПР.
Элементарная циклическая операция применительно к про-
мышленному роботу представляет собой строго заданную последо-
вательность определенных дискретных действий, выполнение кото-
рых характеризуется множеством сигналов Р. На каждом фиксиро-
ванном отрезке времени t может быть определен вектор сигналов С,
которым описываются ранее выполненные промышленным роботом
действия, а следовательно, характеризуются положение и ориента-
ция рабочего органа манипулирующей системы робота:
С = {Сь С2, С3,.. ., Сп\£Р.
В соответствии со вторым этапом алгоритма ' логико-программного
управления действиями ПР дальнейшее изменение его состояния оп-
ределяется одной координатой Ck, следовательно, преобразованием
векторов
C->Ci,
а полная последовательность действий — появлением последовательно'
го ряда векторов Ck (k = 1, 2, . . ., п).
Совокупность действий ПР является следствием выполнения про-
граммы системы управления, представляющей собой последовательность
управляющих команд, т. е. может быть установлено соответствие меж-
ду последовательностью дискретных действий ПР и последователь-
ностью управляющих команд В^
Bk Ck-
Дискретный характер управления предопределяет последователь-
ность следования команд и исполнительных действий, а именно—пе
448
реход к каждой последующей управляющей команде Вь+i осуществ-
ляется только после выполнения предыдущей Bk команды, т. е. при
появлении вектора сигналов Ck'-
Bk+\ = В (Ck)’
где F — логическая функция.
В общем случае управляющая команда, определяемая состоянием
системы управления в момент ее формирования, может быть пред-
ставлена как функция ряда
Bk = Z (Ck—\, Ck—2, • • -,Ci),
где Z — обобщенная логическая функция. Теоретически такая запись
показывает, что условие формирования команды определяется всем
подмножеством сигналов Pk^P, поступивших в систему от испол-
нительных приводов к моменту времени тй. В реальных условиях
может быть получено более узкое подмножество сигналов Pk (Pk <
< Pk), что обусловливается выбором функции, элементной базой сис-
темы управления и требованиями обеспечения надежности процесса
управления.
Возможность появления тождественных векторов
Ci = {Сь С%,.. ., Се] = Ст = {Сь С?, .. ., Сп]
либо тождественного включения одного вектора в другой
Ci = {Cl, С2, • . •. Се] Q CQ = {Cl, С2, . . ., Се, • • • Сп]
приводит к формированию управляющей команды (или нескольких
команд одновременно), нарушающей заданную последовательность
команд, а также к появлению ложных сигналов за счет различия
в быстродействии срабатывания элементов системы управления
и приводов робота, отказов в работе системы управления.
Поэтому цель программного управления промышленным робо-
том может быть сформулирована следующим образом: обеспечить
точное выполнение заданной последовательности действий путем
установления функциональной зависимости между управляющей
командой Вк и множеством сигналов Р* за счет необходимого и до-
статочного числа элементов подмножества Р*. С этой целью строит-
ся функциональная модель системы управления, которая является
логико-математическим описанием ее работы и позволяет рассмат-
ривать заданную последовательность действий в процессе управле-
ния ими как единое целое. В качестве аппарата морфологического
описания функционирующей модели целесообразно использовать
ориентированный функциональный граф. Выбор графического пред-
ставления функциональной модели диктуется также соображения-
ми использования единого аппарата формализованного описания
как задач управления, так и объектов роботизации—процессов,
деталей, сборочных соединений и структур робототехнологических
комплексов.
Состояние системы управления и формируемые в этих состояни-
ях управляющие команды могут быть представлены циклическим
функциональным графом (рис. 4.3, а). Дуги графа соответствуют
149
Рис. 4.3. Функциональные графы управления:
а — циклический исходный; б—подграф «Связь»; в — реального процесса управления^
множеству мгновенных состояний системы, причем логически обрат-
ные команды обозначены В"( в отличие от управляющих команд Bt
(1=1,2,...).
Построение модели начинается с подграфа «Связь», представля-
ющего собой совокупность линий, проведенных в функциональном
графе и связывающих вершины вида Bi— Bt (рис. 4.3, б). Каждое
ребро подграфа (линия «Связь») выделяет область существования уп-
равляющих команд Bi и Bi, а следовательно, соответствующих им
векторов Ci и Ci. Подграф «Связь» является естественным дополне-
нием любого функционального графа.
Наличие тождественных векторов сигналов системы управления
выявляется после построения неориентированного подграфа «Неоп-
ределенность» — совокупности проведенных в функциональном гра-
фе линий, не пересекающих ни одного ребра подграфа «Связь».
В случае наличия точек пересечения ребер подграфа «Неопределен-
ность» с дугами функционального графа система управления имеет
тождественные векторы сигналов; невозможность построения под-
графа «Неопределенность» свидетельствует об отсутствии состоя-
ний системы управления с тождественными векторами сигналов.
Задачей синтеза системы с безотказным управлением является
устранение тождества векторов сигналов в найденных состояниях
путем преобразования этих векторов за счет дополнительных ко-
ординат, представляющих сигналы вводимых в систему элементов
памяти ЭГГ.
Ci = {Ci, С2,. . ., Се} -> С^ = {Ci, Ci, .. ., Ce, Q+l).
Определение состояний срабатывания элементов памяти выпол-
няется построениями на функциональном графе с учетом следую-
щих требований:
дополняющие подграф «Связь» линии «Связь» элементов памя-
ти должны пересекать все ребра подграфа «Неопределенность»;
каждая линия «Связь» элементов памяти должна образовывать
максимально возможное число пересечений с теми ребрами подгра-
фа «Неопределенность», которые не были пересечены предыдущи-
ми линиями «Связь».
Первое требование устраняет состояние системы управления с
тождественными векторами сигналов, а второе — обеспечивает ми-
нимальное и достаточное количество элементов памяти.
150
С учетом изложенного реальный процесс управления описывает-
ся преобразованием — функциональным графом, изображенным
на рис. 4.3, в.
Функциональная зависимость между управляющими коман-
дами и соответствующими подмножествами сигналов устанавли-
вается с помощью логических уравнений управляющих команд,
представляющих ряд сигналов (подмножество рь),связанных со-
отношениями математической логики. В свою очередь, необходимое
и достаточное число элементов подмножества pk определяется
областью существования управляющей команды, которая может
представлять собой в общем случае ломаную линию из отрезков
пересекающихся линий «Связь-» с началом в вершине (обозначе-
нии) управляющей команды Bi. Замыкающая вершина определя-
ется методикой составления логических уравнении. Число изломов
линии, ограничивающей область существования управляющей ко-
манды, определяет необходимое и достаточное число сигналов,
а общая система логических уравнений управляющих команд пол-
ностью определяет процесс управления и его характеристики.
4.5. Методы управления планированием
траектории движения рабочих органов
промышленных роботов
Планирование траектории движения рабочих органов манипу-
ляционной системы осуществляется человеком-оператором с по-
мощью алгоритмов управления планированием на более высоких
уровнях управления. Эти алгоритмы управления в совокупности
с последующим решением обратных задач о положении исполни-
тельного механизма для формирования управляющих функций при-
водов рассматриваются как нелинейные алгоритмы разделения ко-
мандного движения по степеням подвижности манипуляционной си-
стемы. Их реализация связана с решением нелинейных уравнений,
характеризующих конфигурацию механизма при заданном положе-
нии рабочих органов ПР. Для решения таких нелинейных задач
прибегают либо к помощи ЭВМ, либо к имитационному моделиро-
ванию на физических объектах с использованием реальных моде-
лей манипуляционных систем ПР, искусственно помещая рабочие
органы в различные текущие положения и определяя таким обра-
зом характерные точки будущей траектории (в частности, так по-
ступают в процессе обучения промышленного робота).
Для линеаризации уравнений, описывающих поведение манипу-
ляционной системы при малых изменениях координат элементов
механизма, обычно прибегают к дифференцированию по времени
координат положения звеньев в сложном механизме, связанном не-
линейными зависимостями. После этого скорости изменения коорди-
нат положения звеньев для каждой конфигурации будут уже удо-
влетворять линейным уравнениям. При этом важно, чтобы все при-
ращения координат элементов манипуляционной системы ПР были
достаточно малыми, ибо в противном случае такая линеаризация
приведет к значительным погрешностям. Следствием линеаризации
является линейная связь между действующими на схват внешними
силами и обобщенными силами, отнесенными к координатам qc
(С = /,. . ., N). Линейные уравнения относительно скоростей, при-
ращений положений звеньев и действующих сил являются основой
для решения задач управления приводами манипуляционной си-
стемы, причем во всех случаях движение исполнительными меха-
низмами планируется на уровне поведения рабочих органов ПР.
Как правило, за человеком-оператором остаются функции выбо-
ра желаемой скорости (ее величины и направления) перемещения
рабочих органов при определении нового положения захватного
устройства, в которое оно должно быть выведено (это положение
может быть задано системой сил, которая, будучи приложена к за-
хватному устройству, выведет его в требуемое положение). Задачей
управления является выработать на основании этой информации
алгоритм оптимального функционирования приводов. При этом ис-
пользуется несколько методов управления планированием траекто-
рии движения рабочих органов ПР [7, гл. 2].
Метод управления по вектору скорости состоит в задании ско-
рости движения рабочих органов манипуляционной системы в виде
4 х 4-матрицы или в виде шестимерного вектора, представляющего
проекции векторов угловой скорости <в рабочего органа и скорости
о>о его некоторой точки в какой-либо системе координат, которые
формируются человеком-оператором или предусматриваются алгорит-
мами высшего уровня управления таким образом, чтобы полностью
определить скорость рабочего органа в текущей точке траектории.
Линейные системы алгебраических уравнений, характеризующих
компоненты векторов и> и ш0, имеют вид
(» = Jq", а>о = Joq,
где q—вектор командных скоростей обобщенных координат меха-
низма; J и Jq — 6х Л^-матрицы Якоби, зависящие от конфигурации
механизма. При числе степеней свободы механизма N = 6 и квад-
ратной матрице Якоби J для случая невырожденной матрицы имеем
решение
q = у-1о>.
Непосредственное использование этого решения для целей управ-
ления ограничивается возможным изменением ранга матрицы на тра-
ектории, так как для максимального ранга матрицы J при W > 6
имеет место множество решений q.
Обычно на практике желательна такая конструктивная реализа-
ция манипуляционной системы, которая обеспечивает наибольшее
возможное число степеней подвижности для рабочего органа. В про-
цессе планирования движения могут возникать неоднократно вы-
рожденные конфигурации механизма, которые должны учитывать-
ся алгоритмом управления. Кроме того, должно учитываться и то
обстоятельство, что компоненты манипуляционной системы не дол-
жны быть очень больших габаритов, так как работа таких звеньев
152
будет сопровождаться значительными линейными и угловыми по-
грешностями при отработке соответствующими приводами управ-
ляющих команд.
Компоненты вектора скорости формируются непосредственно
человеком-оператором на пульте управления в некотором масшта-
бе и поступают в вычислитель для решения системы алгебраиче-
ских уравнений. Отработка запланированных траекторий контро-
лируется в режиме обучения человеком-оператором, так что сис-
тема управления оказывается замкнутой по положению через не-
го. Каждому положению задающего набора сигналов соответствует
определенная (по направлению и величине) скорость движения
рабочего органа; такой режим управления является эффективным
при необходимости быстрого перевода рабочих органов из одного
положения в другое, не требующее высокой точности позици-
онирования.
Метод последовательных корректировок положения наиболее
широко применим при использовании в качестве систем управле-
ния ПР цифровых вычислительных машин. В этом случае алгоритм
управления по вектору скорости формулируется как приращение
координат манипуляционной системы за один цикл вычисления
алгоритма:
AS J (р) Др,
где J (<?)— матрица Якоби, зависящая от фактической конфигурации
манипуляционной системы ПР в рассматриваемый момент времени;
ДЗ — командный вектор приращений положения рабочего органа, за-
даваемый на уровне планирования его движения; Др — командный
вектор приращений обобщенных координат манипуляционной систе-
мы, который служит управляющим сигналом для исполнительного
уровня системы управления.
При реализации указанного метода следует помнить, что узло-
вые точки на сложной траектории должны выбираться достаточно
часто, чтобы переходы от одной точки к другой при планировании
траектории движения не меняли принципиально необходимой
картины движения.
Метод линейного программирования движения. Изменение ран-
га матрицы Якоби на траектории, избыточность степеней подвиж-
ности (У>6) манипуляционной системы, наличие ограничений на
координаты q приводят к тому, что эти особенности системы не
позволяют решать описывающие ее линейные уравнения стандарт-
ными методами. Однако для заданной конфигурации манипуля-
ционной системы все ограничения можно записать в виде линейных
уравнений и неравенств, и в этом случае оказывается приемлемым
метод линейного программирования [7, гл. 2]. Управление планиро-
ванием движения рабочих органов основано на использовании
линейной модели и состоит из следующих этапов:
определение текущих значений обобщенных координат q элемен-
тов манипуляционной системы и цели управления, задающих конеч-
ное положение SK захватного устройства;
153
вычисление текущего значения состояния ST захватного устрой-
ства и формирование командного вектора изменения его состояния
AS, если цель управления еще не достигнута;
построение линейной модели: вычисление матрицы Якоби J и
ограничений, зависящих от текущей конфигурации манипуляци-
онной системы и состояния среды, с которой она взаимодействует;
определение командных приращений обобщенных координат
А^ манипуляционной системы путем решения задачи линейного
программирования;
передача управляющих величин Aq на исполнительный уровень
управления и возвращение к первому этапу.
Управление манипуляционными системами ПР с помощью реше-
ния задач линейного программирования эффективно при наличии
избыточности степеней подвижности и необходимости учета огра-
ничений на координаты. Если же манипуляционная система обла-
дает недостаточным числом степеней подвижности для выполнения
заданного движения, то такое управление автоматически опреде-
ляет приближенное решение, минимизирующее ошибку.
Приближенные методы. При синтезе системы управления мани-
пуляционной! системы ПР по вектору скорости пользуются прибли-
женными решениями, которые вытекают из ограниченности задания
значений координат. Обычно берут по три значения: два крайних
и одно среднее, и для них вычисляют обратную матрицу J-1. Для
всех же других значений координат (в том числе и для узловых,
характерных точек траектории) обратная матрица вычисляется
интерполированием. Именно в силу этого обстоятельства такие
методы получили название приближенных методов управления.
Возникающие при интерполяции ошибки часто не имеют большого
значения, особенно в системах управлений, замкнутых по поло-
жению. Если же использовать решение
q = DJTw,
можно вообще отказаться от обращения матрицы J. В приведением
выражении D — диагональная матрица с неотрицательными элемен-
тами, а операция обращения заменена операцией транспонирования.
Смысл управления заключается в том, что рабочий орган движется
по вектору скорости оц, имеющему неотрицательную проекцию на
командный вектор <о, т. е. оф<о > 0. Во многих случаях, особенно при
наличии обратной связи по положению, этого оказывается вполне
достаточно для достижения конечной цели управления.
Метод управления по вектору силы. К недостаткам метода
управления по вектору скорости следует отнести невозможность
обеспечивать формализацию стремления перемещения рабочих
органов манипуляционной системы в заданном направлении, если
на заданной траектории встречаются точки, в которых матрица
Якоби является вырожденной. Кроме того, метод обладает доста-
точной сложностью реализации.
Тенденция к упрощению процесса управления и обусловленных
этим вычислений привели к использованию метода управления по
154
вектору силы, в котором имитационно реализуется идея управления
по заданному направлению. В действительности к рабочим орга-
нам ПР не прилагаются никакие силы, но следящие приводы раз-
вивают такую совокупность обобщенных сил, которые динамически
эквивалентны заданным силам, имитирующим их приложение к ра-
бочим органам. Вычислитель, получив на входе задающие сигналы,
определяет обобщенные силы, отнесенные к координатам, непос-
редственно управляемым приводами. В свою очередь, приводы
постоянно вырабатывают такие обобщенные силы, которые полу-
чаются на выходе вычислителя. В эти обобщенные силы могут
автоматически вводиться поправки.
Метод динамического программирования. Этот метод планиро-
вания траекторий требует точного решения обратной задачи в уз-
ловых точках и оказывается наиболее эффективным для класса
кинематических схем манипуляционных систем, для которых обрат-
ная задача может быть решена в конечном виде аналитически.
Трудности решения обратной задачи заключаются в неоднознач-
ности обратного отображения из шестимерного рабочего простран-
ства в пространство обобщенных координат в допустимой области
изменения последних, в том числе и для структур с числом степе-
ней подвижности Л'= 6. Это объясняется тем обстоятельством, что
одному и тому же положению рабочего органа манипуляционной
системы может соответствовать множество ее конфигураций, где
под конфигурацией понимается вектор значений обобщенных коор-
динат степеней подвижности. В отличие от обратной задачи в пря-
мой задаче положение рабочего органа однозначно определяется
конфигурацией манипуляционной системы. Для манипуляционной
системы с шестью степенями подвижности решение обратной за-
дачи может быть получено непосредственно из геометрических со-
отношений или с привлечением матричных методов решения данной
задачи [7, гл. 2].
Суть метода заключается в следующем. На начальном этапе про-
цесса планирования решается обратная задача для заданной после-
довательности (3(C)) или {TS(C)}, С= 1,.. Л7 состояний рабоче-
го органа в рабочей зоне промышленного робота. В результате по-
лучают последовательность {Q}, С = N множеств допустимых
конфигураций исполнительного органа
Qc= ЫС):3(С) =ПМС)П, i£qt,
где qi — целочисленное множество индексов I допустимых конфигу-
раций qi(C) для С-й узловой точки траектории. Допустимой счита-
ется такая конфигурация, для которой значения обобщенных коор-
динат удовлетворяют конструктивным ограничениям на пределы их
изменения:
qkm\t\ qk f/fcmax* k =z 1, 2, . . Л1.
Если некоторые из значений обобщенных координат не могут
быть определены, реализуются вырожденные состояния (конфигу-
рации) манипуляционной системы. Поэтому значения обобщенных
координат, которые не определены, полагают равными их зпаче-*
ниям в предыдущей узловой точке Qc_i так, что каждое из мно-
155
жеств Qc будет содержать при этом конечное число элементов.'
Траектория исполнительного органа в конечном итоге будет пред-
ставлять собой последовательность переходов из одной узловой
конфигурации в другую, и проблема сведется к выбору показателя
оптимальности, например энергетическому, временному.
4.6. Управление электроприводами промышленных роботов
В последние годы происходит увеличение количества промышлен-
ных роботов с электроприводами, что обусловлено определенными
преимуществами, связанными с легкостью монтажа и наладки,
снижением затрат на эксплуатационные расходы, отсутствием
трубопроводов и низким уровнем шума пр-и работе. Широкое|
внедрение электромеханических роботов ограничивается отсутст-
вием высокомоментных и быстроходных электродвигателей. Однар
ко создание новых типов электродвигателей с печатным цилиндри-
ческим или дисковым ротором, с линейным ротором позволило в
значительной степени повысить нагрузочные характеристики и
уменьшить моменты инерции робота при одновременном повышении
быстроходности.
Обобщенная схема электропривода промышленного робота опи-
сывается совокупностью основных блоков, приведенных на рис. 4.4.
[8]. Традиционно схема электропривода промышленных роботов
содержит электродвигатель, механическую передачу, элементы
обратной связи по положению и скорости, блок позиционирования,
включающий схемы сравнения сигналов по положению и скорости,
устройство ограничения максимальной скорости и усилитель мощ-
ности.
В промышленных роботах применяются электроприводы с дви-
гателями постоянного либо переменного тока. В роботах с позици-
онным управлением и цикловым управлением по упорам приме-*
няются электроприводы дискретного действия. Причем управление
скоростью для обеспечения позиционирования в заданной точке
также осуществляется дискретно. Изменение скорости обычно осу-
ществляется при использовании двигателей постоянного тока путем
включения гасящих сопротивлений в цепь якоря, а при использо-
вании двигателей переменного тока — переключением пар полюсов
Рис. 4.4. Обобщенная схема электропривода промышленного робота»
156
или переходом на другой двигатель, а также торможением с помо-
щью демпфирующих устройств.
В системах контурного управления необходимо осуществление-
непрерывного управления перемещением и скоростью перемещения-
рабочих органов ПР. Здесь наряду с электродвигателями непрерыв-
ного действия используются шаговые электродвигатели, обеспечи-
вающие высокую точность позиционирования при отсутствии допол-
нительных элементов обратной связи по положению и скорости.
Следует отметить ряд специфических особенностей использова-
ния электроприводов в промышленных роботах. К ним, прежде
всего, необходимо отнести работу в существенно нестационарных
нагрузочных режимах, обусловленных изменяющейся конфигура-
цией манипуляционной системы ПР. Это обстоятельство предъяв-
ляет повышенные требования к жесткости электропривода, что
и обусловливает наличие отдельного контура стабилизации скорос-
ти с тахогенераторами в качестве датчиков обратной связи. Кроме
того, нестационарность нагрузки приводит к существенным коле-
баниям приведенного к валу электродвигателя момента инерции
нагрузки, что предъявляет дополнительные требования к динами-
ческим характеристикам привода. Недопустимыми являются также
колебательные режимы работы или перерегулирования при отра-
ботке заданных программой перемещений с целью исключения
возможности ударов рабочих органов ПР по обслуживаемому
оборудованию или оснастке.
Среди разнообразия систем программного управления ПР наи-
более предпочтительными являются аналоговые, импульсные и
кодовые.
В аналоговых системах сигнал, определяющий величину пере-
мещения рабочего органа ПР, задается, например, в виде напря-
жения или другой физической величины, которая сравнивается
с аналогичным по физической сущности сигналом обратной связи,
характеризующим определенное положение рабочих органов ПР.
Величина и знак рассогласования между этими сигналами опреде-
ляют скорость и направление движения рабочих органов ПР
в каждый момент времени. При выходе рабочих органов в задан-
ное положение сигнал обратной связи становится равным задаю-
щему сигналу и подается команда на прекращение движения.
Аналоговые системы подразделяются на системы, работающие
по методу сравнения напряжений, и системы, работающие по ме-
тоду фазовой модуляции. Для первых физической величиной, опре-
деляющей программируемое и отрабатываемое перемещения,
является величина напряжения, для вторых аналогом программи-
руемого и отрабатываемого перемещения является фаза синусо-
идального напряжения.
На рис. 4.5 представлены различные структурные схемы систем
программного управления ПР. Так, на рис. 4.5, а приведена
структурная схема аналоговой позиционной системы управления,
работающей по методу сравнения напряжений. Система снабжена
потенциометрической обратной связью (ПОС). Информация
в виде числовой уставки через устройство ввода (УВ) поступает
15.Т
Фис. 4.5. Структурные схемы систем программного управления ПР.
яа цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), где числовая инфор-
мация преобразуется в напряжение, пропорциональное величине
заданного перемещения. С помощью блока сравнения (БС)
напряжение с ЦАП сравнивается с величиной напряжения,
поступающего от датчика потенциометрической обратной связи
ПОС и пропорционального текущему перемещению степени
подвижности манипуляционной системы (МС) промышленного
робота. В результате сравнения заданной и текущей величин
напряжений сигнал рассогласования с блока сравнения (БС)
увеличивается усилителем мощности (УМ) и подается на
исполнительный электродвигатель для приведения в действие
МС промышленного робота. При достижении элементом МС
заданного положения сигнал от ПОС становится равным по ве-
личине сигналу от ЦАП и с блока сравнения БС поступает
команда на выключение электродвигателя. В современных устрой-
ствах БС обеспечивается фиксация разности напряжений до
0,0001 В и менее, что позволяет добиваться точности перемещений
элементов МС ПР до 0,01 мм и выше. Недостатком систем такого
типа является их низкая помехоустойчивость, в связи с чем более
предпочтительным являются фазовые системы, построенные по
аналогичной системе.
Импульсные системы управления ПР бывают счетно-импульс-
ными и шагово-импульсными. В счетно-импульсных суммирующих
системах (рис. 4.5, б) величина перемещения рабочих органов ПР
задается в виде суммы импульсов, каждому из которых соответ-
ствует перемещение рабочих органов на какую-нибудь небольшую
величину, например на 0,01 мм. Характерной особенностью счетно-
импульсных систем является организация блока сравнения на
-основе реверсивного счетчика (PC), в который вводится от
158
устройства ввода (УВ) закодированная величина перемещения.
Поскольку в счетчике блока сравнения записано число, УМ вклю-
чен и запитывает обмотку возбуждения ЭД соответствующей, сте-
пени подвижности МС ПР. С перемещаемым элементом МС свя-
зан импульсный датчик обратной связи (ОС), преобразующий
величину перемещения в импульсы. По мере перемещения управ-i
ляемого элемента МС от датчика ОС на реверсивный счетчик (PC)
блока сравнения поступают импульсы, которые вычитаются из
ранее записанной на PC величины, характеризующей программу.
Когда элементом МС будет полностью отработано заданное прог-
раммой перемещение, на PC окажется записанным число «Нуль»,,
в связи с чем отключается УМ и обеспечивается ЭД. Можно в ка-
честве сравнивающего элемента блока сравнения использовать
счетчик, работающий на сложение. В этом случае от УВ на счет-
чик записывается число, дополняющее сумму импульсов запро-
граммированного перемещения до полного объема счетчика, и дви-
гатель будет отключен в момент переполнения счетчика.
Для увеличения точности позиционирования и исключения
инерционных факторов при подводе перемещаемого элемента МС к
точке позиционирования в счетно-импульсных системах приме-
няют специальные устройства (на рис. 4.5, б не показано), умень-
шающие скорость перемещения элемента МС перед его оста-
новкой.
В шагово-импульсных системах применяются шаговые двига-
тели, у которых вал двигателя поворачивается на определенный,
строго фиксированный угол при поступлении на обмотку управле-
ния одного импульса. Как правило, шагово-импульсные системы,
выполняются разомкнутыми, так как при выполнении определен-
ных требований к формированию управляющих импульсов (на-
пример, их форма, частота следования) ротор двигателя втяги-
вается в синхронизм без пропуска хотя бы одного импульса (при
этом не наблюдается потери информации). Эта характеристика
шагового двигателя называется приемистостью и характеризует
максимальный нагрузочный момент на валу двигателя, при кото-
ром шаговый двигатель реверсируется на номинальной частоте
следования импульсов без пропуска хотя бы одного импульса.
В этих системах (рис. 4.5, е) УВ предназначено для последова-
тельного ввода записанных на программоносителе импульсов-
в систему управления приводом соответствующей степени подвиж-
ности МС промышленного робота. Импульсы, поступающие из
устройства ввода УВ в унитарном коде, подготавливаются бло-
ком управления (БУ) для подачи на соответствующие секции
обмотки шагового двигателя ШД. При этом импульсы распреде-
ляются кольцевым коммутатором блока управления на цепи уси-
ления напряжения и мощности по каждой из фаз ШД. Каждый
импульс в результате преобразуется в поворот вала шагового
двигателя на определенный угол (шаг) и через гидравлический
усилитель моментов (ГУМ) — в элементарное перемещение со-
ответствующего звена МС. Так как частота следования импуль-
сов велика и может достигать сотен и тысяч импульсов в се-
159
кунду, то движение вала ШД, а следовательно, звена МС, оказы-
вается равномерным и непрерывным. Число импульсов характери-
зует величину перемещения, а частота их следования — скорость
.движения.
Существуют также комбинированные системы управления,
•в которых импульсы программы, определяющие величину и ско-
рость перемещения управляемых звеньев манипуляционной систе-
мы ПР, поступают в устройство управления. Туда же поступают
из цепи обратной связи импульсы, характеризующие фактичес-
кую величину и скорость перемещения управляемого звена МС.
В результате устройство управления выдает аналоговый сиг-
нал, пропорциональный рассогласованию чисел импульсов прог-
раммы и цепи обратной связи, который используется для непре-
рывной коррекции движения с целью устранения отклонений
действительного перемещения от заданного. Реализуют описан-
ный принцип импульсно-следящие и импульсно-фазовые системы.
Характерным для импульсно-следящих систем является нали-
чие блока синхронизации (БС, рис. 4.5, г) и реверсивного счетчи-
ка (PC). Здесь импульсы, задающие перемещение управляемому
звену манипуляционной системы МС робота, поступают от УВ
через БС и счетчик PC, на который также через БС подаются
импульсы от датчика импульсов обратной связи (ОС). Разность
импульсов от программы и от ОС направляется в дешифратор
(ДШ), который, на основании непрерывно поступающей на PC
информации о величине и знаке рассогласования, вырабатывает
соответствующий аналоговый сигнал. Последний подается через
УМ для управления ЭД с целью устранения рассогласования
между заданным и фактическим перемещением управляемого
звена МС.
Для импульсно-фазовых систем (рис. 4.5, д) основными функ-
циональными элементами являются фазовый преобразователь
(ФП) и фазовый дискриминатор (ФД), с помощью которых ана-
логовый сигнал управления ЭД формируется в результате изме-
нения сдвига по фазе последовательности импульсов ОС по
отношению к последовательности импульсов программы. Для со-
гласования выходных цепей фазового дискриминатора ФД и вход-
ных цепей ЭД по уровню сигнала используется УМ.
В импульсно-фазовых системах управления [2] трудно добить-
ся помехозащищенности импульсных и комбинированных систем
от случайных срабатываний. Поэтому в робототехнике чаще всего
используют кодовые системы или системы на схемах совпадения
(СС) (рис. 4.5, е), характерной особенностью которых является
использование кодовых датчиков в цепи ОС, предназначенных
для преобразования величины перемещения управляемого звена
МС робота в код. Кодовые датчики позволяют каждое положение
перемещаемого звена МС представить в виде соответствующего
закодированного сигнала или комбинации сигналов, которую еще
-называют кодом положения звена МС. Высокая разрешающая
способность системы управления определяется числом различимых
комбинаций сигналов датчика ОС, которое в силу этого должно
560
Рис. 4.6. Структурная схема потенциальной системы познцнровання (о) и логическая
операторная схема одноразрядного сумматора (б).
быть достаточно большим. Таким образом, обратная связь в та-
ких системах представляет собой датчик положения звена МС
и аналого-цифровой преобразователь АЦП для число-импульс-
ного представления информации о перемещении (положении)
управляемого звена МС. В процессе перемещения звена МС ин-
формация от АЦП поступает на схему совпадения, в которой
поразрядно осуществляется сопоставление информации задания
с информацией, характеризующей текущее положение звена
МС, выраженное в одном коде. При совпадении кода задания
и положения звена УМ отключается и ЭД обесточивается.
Как и в других позиционных системах, в конце перемещения управ-
ляемого звена МС скорость снижается с целью повышения точно-
сти позиционирования.
Значительно большими преимуществами обладают потенциаль-
ные следящие системы управления позиционированием (рис. 4.6, а)
[11], у которых в основе отсчета положения перемещаемого звена
манипуляционной системы МС лежит не подсчет последовательно
поступающих на накапливающий счетчик от отсчетного устройства
импульсов, а фиксация состояний датчика перемещения, т. е. коди-
рование этих состояний и передача закодированных величин че-
рез согласующие преобразователи канала грубого ПГО и точного
ПТО отсчета на соответствующие потенциальные сумматоры ПСГО
и ПСТО. В сумматорах производится сравнение состояний величин,
набранных на устройствах ввода УВГ и УВТ информации и посту-
пивших на соответствующие согласующие преобразователи ПГО
и ПТО. В случае совпадения состояний схемами совпадения ССГ
и ССТ для соответствующего канала отсчета формируются коман-
ды на перевод привода П на ползучую скорость и в режим дина-
мического торможения. Потенциальная система обладает повышен-
ной защищенностью против внешних помех, искажающих картину
реальной отработки приводом заданных устройствами ввода УВГ
и УВТ значений перемещений управляемого звена МС, так как
6 4-251	161
схемы совпадения ССГ и ССТ фиксируют не мгновенные (кратко-
временные) сигналы, а состояния (коды) на потенциальных сум-
маторах каналов грубого ПСГО и точного ПСТО отсчета со сто-
роны согласующих преобразователей ПГО и ПТО, с одной сторо-
ны, и преобразователей десятичного кода в двоичный П 10/2,
с другой. Иными словами, разряды потенциальных сумматоров
ПСГО и ПСТО постоянно возбуждены набором сигналов в опреде-
ленном коде на выходах преобразователей П 10/2 до тех пор, пока
аналогичное сочетание сигналов по разрядам ПСГО и ПСТО не
появится со стороны выходов преобразователей ПГО и ПТО, ха-
рактеризующее отработку задания приводом П. Поскольку програм-
ма в систему управления
вводится в десятичном коде, а в потен-
циальных сумматорах ПСГО и ПСТО
используется двоичный код, для связи
пультов управления с устройствами вво-
да УВГ и УВТ с сумматорами исполь-
зуются преобразователи П 10/2. Положе-
ние звена МС контролируется датчика-
ми точных ДТП и грубых ДТП переме-
щений.
Основным элементом системы, обу-
словившим ее принцип действия и обес-
печивающим высокую помехозащищен-
ность, является потенциальный сумматор,
набираемый из одноразрядных сумми-
рующих ячеек на три слагаемых. Для
синтеза одноразрядного потенциального
сумматора на три входа составляется
таблица истинности для функции алгеб-
ры логики от трех переменных а, Ь, с.
При этом можно получить 23 = 8 комби-
наций значений истинности (левая часть табл. 4.1), а поскольку
каждая из этих функций может быть либо 1, либо 0, то всего мо-
жет быть получено 28 = 256 комбинаций значений истинности фун-
кций трех переменных. Нас интересуют только две определенные
комбинации, а именно: комбинация Р, представляющая сумму
трех переменных, а также комбинация С,, соответствующая опе-
рации переноса в старший разряд. При этом уравнение для дизъ-
юнкции переменных а, Ь, с для суммы Р приобретет вид
Р — abc + abc + abc + abc.
(4.1)
Воспользовавшись правилом abc = abc+abc+abc + ... и приме-
няя операции склеивания и разложения на множители, а также
учитывая закон инверсии, выражение (4.1) можно переписать сле-
дующим образом:
P — abc + (a + b + c (ab + be + ac}.
(4.2)
>62
Уравнение функции переноса Cj, представляющей соответствующую
дизъюнкцию переменных а, Ь-, и с, может быть записано так:
Ci = abc + abc 4- abc + abc.	(4.3)
После соответствующих преобразований (операций склеивания) по-
лучаем
Cj = ab + be + ас.	(4.4)
Сопоставление выражений (4.2) и (4.4) показывает, что функ-
ция Р содержит функцию Сь Поэтому, произведя синтез логической
схемы по (4.2) и выделив соответствующие выражениям (4.2) и
(4.4) выходы, получим логическую операторную схему одноразряд-
ного сумматора на три входа (см. рис. 4.6,6), включая перенос из
предыдущего разряда, и два выхода, на одном из которых форму-
лируется функция Р, а на другом — функция Ci для связи со стар-
шим разрядом.
Электрические цепи с двигателями постоянного и переменного
тока. Наиболее важными характеристиками электропривода
являются механическая — статическая зависимость скорости вра-
щения от момента на валу, определяющая жесткость привода,
и динамические — быстродействие, качество переходного процесса
и точность. Эти характеристики могут быть получены из дифферен-
циальных уравнений движения электроприводов промышленных
роботов. Рассмотрим электрические цепи с двигателями постоян-
ного тока.
Практический интерес представляет рассмотрение широтно-им-
пульсного управления электродвигателем постоянного тока [2,
Рис. 4.7. Функциональная схема широтно-импульсного управления (а) и диаграм-
мы управляющих напряжений (б).
6*
163
гл. 2], принципиальная транзисторная схема которого показана на
рис. 4.7, а. Значение среднего тока в якоре
t’a.cp =
'я	'я
где гя — сопротивление якорной цепи; Е — э. д. с. вращения; т =
= t\jt\ t\ — длительность открытого состояния транзисторов VT1,
УГ4; /—период переключения транзисторов; Ua—напряжение пи-
тания схемы.
Току /я.ср соответствует механическая характеристика привода
= u>Jo (2т — 1) — Mg	(4.5)
где Cg — конструктивный коэффициент; ш^о = Vn]Cg. Момент корот-
кого замыкания Л1К можно определить из выражения
ц>‘п (2т — 1) с2„
Мк =	----’-Л..	(4.6)
гя
Пользуясь уравнениями (2.8) и (4.6), получаем описание движе-
ния привода i-ro управляемого звена манипуляционной системы ро-
бота:
J.q'i + qil^l + X Л +	+ Jg£ci = юйоА(2^-- 1) _
— MNi — Л1тр,sign <?„,•.	(4.7)
Работа схемы широтно-импульсного управления (рис. 4.7, а) мо-
жет быть пояснена диаграммами управляющих напряжений Ui, U-2,
U$ и Ut, приведенными на рис. 4.7, б. При вращении по часовой
стрелке вала электродвигателя ЭД транзистор VT4 закрыт, a VT3 —
открыт. Одновременно на интервале с относительной длительностью
т транзистор VTI открыт, a VT2— закрыт, и положительный по-
тенциал источника питания Un приложен к верхнему зажиму обмот-
ки якоря. При запирании VT\ и отпирании VT2 (пауза) ток якоря
течет в прежнем направлении, однако при некотором малом моменте
статической нагрузки на валу ЭД этот ток изменяет направление;
это приводит к некоторой рекуперации энергии (импульс). При вра-
щении вала ЭД против часовой стрелки VT1 заперт, a VT2— от-
крыт и теперь с регулируемой длительностью т переключаются
транзисторы VT3 и VT4. Механическая характеристика привода
такова:
<os = <OgQT —	(4.8)
что с учетом выражений (2.8) позволяет получить
. /’2 .2	,	z.2 :2	1	;
Jtq, -г 7.	+ М +	;С1 +	-
\	) rni	rai
— Mjvi — MTp( sign qni.	(4.9)
164
Рис. 4.8. Механические характеристики с биполярными (а) и однополярными {ty импуль-
сами управления.
При биполярных и однополярных импульсах ия механические
характеристики (4.5) и (4.8) имеют соответственно вид, приведен ный
на рис. 4.8, а, б. Граница области переменного тока показана пун-
ктиром. Изломы характеристик ab и cd в точках bad соответст-
венно вызываются действием отрицательной обратной связи по току
якоря. В точках излома при переходе от ab к Ьс и от cd к da ска-
чком изменяются скорость <»go и момент короткого замыкания Мк =
= wg° ~ С&—для биполярных и Л4К =	— для однополяр-
гя	г2
ных координат.
Характеристики (4.5) и (4.8) справедливы, если внутреннее со-
противление источника питания Un несоизмеримо с сопротивле-
нием якорной цепи гя; в противном случае требуется уточнение
механических характеристик и моментов .V1K. Это необходимо,
в частности, при использовании электромашинного генератора
с параллельно включенной аккумуляторной батареей, что реали-
зуется в транспортных (автономных) роботах. Тогда с учетом
электромагнитной инерции цепи якоря дифференциальное уравне-
ние движения привода i -го звена манипуляционной системы ПР
имеет вид (рассматривается вариант с однополярными импульса-
ми напряжения Пя):
+ b£xp+Xl V + &>) -	7ИГР1 signup-
ГЯ1	I	HI	'Я1
d(MTptSign?y>) +	+	(4Л0)
dt
Для случая биполярных импульсов U я в выражении (4.10) необ-
ходимо ti заменить на 2Ti_!. Необходимо, однако, учитывать, что
при увеличении номинальной мощности двигателя следует стремиться
к увеличению его коэффициента использования Ag = £я,срДя... (здесь
»я.д — действующее значение тока), и в этом случае вариант с одно-
полярными импульсами Ua предпочтителен.
165
Пульсации скорости вращения шг, вызванные пульсациями мо-
мента /Ид, определяются из выражения
1 с?‘я
'п
где Дгя—перепад тока 1Я за период /; j„ — момент инерции приво-
да, приведенный к валу двигателя. Уменьшение пульсаций
можно обеспечить повышением частоты переключения транзисторов
«А
/п >	~ А)’
где Кт — коэффициент, характеризующий отношение среднего то-
ка транзистора к амплитуде тока коллектора; гк— ток коллекто-
ра, соответствующий току короткого замыкания двигателя; /я.н —
ток, соответствующий номинальному току якоря; Кп—допустимая
кратность пускового тока двигателя; Тя — постоянная времени
электромагнитной цепи якоря.
С позиций эксплуатации предпочтение следует отдавать сило-
вым интегральным схемам с параллельно работающими транзис-
торами, что позволяет автоматически отключать любой из них при
достижении критического перегрева. Этим достигаются малые
значения Acog при высокой частоте fn.
В последние годы все большее распространение в робототехнике
получает тиристорное управление электроприводами. Схема тири-
сторного широтно-импульсного управления представляет собой мо-
стовую схему, плечами которой являются управляемые тиристоры
VS3—VS6, а диагональю — якорная цепь электродвигателя М
(рис. 4.9, а). Работа схемы заключается в коммутации тиристоров
IZS5—VS5 путем управления дросселями насыщения ДН1 и ДН2.
В открытом состоянии VS4 и закрытом состоянии VS5 периодиче-
ски коммутируются тиристоры УМ—УМ и вал двигателя М вра-
щается по часовой стрелке. При коммутации VS4 и У35 при закры-
том УМ и открытом УМ производится реверс двигателя М. Управ-
ляющие импульсы напряжения к электродам тиристоров поступа-
ют от логической схемы (на рис. 4.9, а не показана), модулирую-
щей их длительность, через оптронные пары. При коммутации схе-
мы рабочие точки ДН1 и ДН2 выходят на вертикальный участок
петли намагничивания сердечника, где магнитная проницаемость
увеличивается в сотни или тысячи раз по сравнению с проницае-
мостью в области насыщения, имеющей место в остальное время
работы схемы. Обмотки управления ДН1 и ДН2 питаются от авто-
номного источника тока Ду. В момент отпирания тиристора VS1
дроссель ДН1 выходит из насыщения, конденсатор С перезаряжа-
ется по контуру С—VS1—сок—А. Появляющийся на рабочей об-
мотке дросселя ДН1 импульс запирает VS6 (или VS5), и ток яко-
ря двигателя заканчивается на цепь VS4—УД2, (или УМ—УДЗ).
Отпирание тиристора VS2 приводит к закрытию VS3 (или VS4),
при этом импульс отпирания поступает на управляющий электрод
VS6 (или VS5). Время задержки включения второй пары тиристо-
ров моста при команде на реверс привода должно быть не меньше
двух периодов коммутации.
16b
Рис. 4.9. Функциональная схема тиристорного каскада с широтно-
импульсным управлением (а) и логическая схема управления кас-
кадом (б) и вид механической характеристики (в).
Представляет практический интерес управление приводом пос-
тоянного тока на тиристорных схемах, питающихся от источника
переменного тока. Для этого рассмотрим тиристорную схему с од-
нофазным двухполупериодным выпрямлением питающего источ-
ника переменного тока (рис. 4.9, в). Схема управления содержит
логическую и силовую части привода с раздельным управлением
двух групп тиристоров, причем каждый тиристор с усилителем пред-
ставляет собой оптронную пару. В управляющих электродах ти-
ристоров VS1—VS4 суммируются токи, создаваемые своим усили-
телем и блоком фиксируемых импульсов БФИ. Каждый из усили-
телей цепи управления тиристорами соединен с соответствующим
выходом логической схемы. Фиксированные импульсы БФИ отпи-
рают тиристоры всегда с постоянным электрическим углом,
167
близким к л, уменьшая при реверсе привода необходимую выдерж-
ку времени между включениями первой и второй групп тиристоров
(соответственно VS1, VS4 и VS2, VS3). Вал электродвигателя М вра-
щается по часовой стрелке при сигнале (7Р, эквивалентном буле-
вой единице, и против — при Up, эквивалентном нулю. В первом
случае в свои полупериоды питающего напряжения Un отпирают-
ся тиристоры VS2, VS3, а во втором—VS1, VS4. Вторичная об-
мотка силового трансформатора ТА имеет среднюю точку 2, на
которую подключена якорная цепь электродвигателя ЭД; напря-
жение между точками 1—2 вторичной обмотки ТА соответствует
До- Над вход 1 — п поступает сигнал управления Ду, представ-
ленный двоичным n-разрядным числом. Заполнение счетчика осу-
ществляется от генератора импульсов постоянной частоты fr. Для
ограничения тока (я якорной непи электродвигателя ЭД исполь-
зуется датчик Дя максимального тока, работающий в релейном
режиме. Реле Р служит для формирования эквивалента булевой
единицы при сигнале Ua > 0 и эквивалента булевого нуля при
Д'о <0. Во время перехода от единицы к нулю и наоборот форми-
руется единичный импульс, устанавливающий счетчик в нуль. За-
полнение счетчика импульсами fr происходит до тех пор, пока их
число не станет равным записанному от управления Ду, в ре-
зультате чего на выходе логической схемы появляется ток, отпи-
рающий через свои усилители соответствующие тиристоры.
Среднее значение
рывного тока ia
выпрямленного напряжения в режиме непре-
ТС . тс
где а = а0 — у +
п nVili . п
ия =________L sin _ cos а,
~ N
U3 — эффективное значение фазного анодного
напряжения; N — число фаз (для схемы на рис. 4.9, б N = 2); ао—
угол отпирания тиристора, отсчитываемый от начала синусоиды фаз-
ного напряжения.
Механическая характеристика системы выпрямитель — двигатель
= o>go cos а---Т- Mg,
cg
где шсо = -р- V 2 — sin -тг.
о,, it /V
гг	„12 V 2U
Для рассматриваемой схемы шйо = э -
Момент короткого замыкания Л4К = М.д (ш, = 0):
< = S°20s а. cl
Гя
(4.11)
Для привода г-го звена манипуляционной системы робота с учетом
(2.8) и (4.11) уравнение движения примет вид
(Z-2 ,-2	\	Г-2 ;2	1 ~2 .
+ х() + Silt \ci + /gl. Q = Mg0Z sa‘ -
) rni	гяС
— MNi — MTpl-signal.	(4.12)
168
С учетом электромагнитной инерции якорной кепи дифференци-
альное уравнение движения привода r-го звена манипуляционной
системы робота по аналогии с (4.12) примет вид
~ (<7)3’+w+4^	+
я»	\ Я1	ГЯ1	/
/	,	\	, U^N V2 -ТГ cos aiCoitl
+ Sik + hr х<" + хА + й!’) _	-----lii-
\ гя( Гя1	I	я1
~М L™ Mw — M sicrn <7(I> Lfli d ('Ml'PiSlgn
~~ "4li	Slgn^i -	1
гя(	'Я1
+ Me? +	(4.13)
В области прерывистого тока якоря гя среднее выпрямленное
напряжение
N
2те
U
в
“з	_	2v/N
§ ]/2H3 sin odd (i»fZ) + j Ed
“о	Ф
(4.14)
где wf — угловая частота анодного напряжения; а3 — угол прекраще-
ния протекания тока через тиристор, отсчитываемый от начала си-
нусоиды фазного напряжения; Е — э. д. с. вращения двигателя; <р=
= (а3 — а0) — угол, зависящий от параметров нагрузочной цепи и
величины тока и определяющий период протекания тока через ти-
ристор.
Интегрированием (4.14) получаем выражение среднего значения
тока якоря
NU3 /	tfE \
1я ср ~ к их (cos а° cos “э йх/
(4.15)
где ср < 2vlN. Выражение (4.15) может быть использовано для рас-
чета механических характеристик привода, если известно ао и оп-
ределено ср для заданной э. д. с.
Для построения характеристики = «ц (Л4Д необходимо также
рассчитать параметры силового трансформатора и выбрать пара-
метры тиристоров. Вид механической характеристики с учетом ре-
жимов непрерывного и прерывистых токов представлен на
рис. 4.9, б.
Рассмотрим электрические цепи с двигателями переменного
тока. Управление двигателями переменного тока осуществляется
от автономных инверторов напряжения или тока [2, гл. 2]. Для ре-
версивных приводов с диапазоном регулирования скорости свыше
20 : 1 и для следящих приводов, независимо от их мощности, целе-
сообразно использовать инверторы напряжения с широтно-им-
пульсной модуляцией (ШИМ), так как при питании двигателей от
обычного инвертора без ШИМ в зоне низких частот движение при-
вода носит дискретный характер. При незначительном диапазоне
169
регулирования частоты и напряженном повторно-кратковременном
режиме работы привода, характерном для ПР, целесообразно ис-
пользовать инверторы тока. Следует учитывать, что в ряде слу-
чаев, например при необходимости обеспечения большей надеж-
ности силовой части привода, а также при работе в пожаро- и
взрывоопасных условиях, применение приводов переменного тока
более предпочтительно.
При использовании транзисторного инвертора (рис. 4.10, а)
в качестве инвертора напряжения источник постоянного напряже-
ния Un шунтируется конденсатором С. В схеме транзисторного
(тиристорного) инвертора тока действует жесткая отрицательная
обратная связь по току. В работе [7] показано, как в этом случае
следует учитывать внутреннее сопротивление преобразователя вы-
прямитель—инвертор при расчете механических характеристик.
Управление транзисторами или тиристорами инвертора осуще-
ствляется от логических схем. В частности, на рис. 4.10 б пред-
ставлена схема формирования широтно-импульсной модуляции
управляющих импульсов по синусоидальному закону. Здесь на
вход последовательностной логической схемы (ЛС) поступают
импульсы фиксированной частоты fr, а на входы счетчиков Сч1,
Сч2 и СчЗ — импульсы высокой частоты fB. Двоичное число
с п разрядами на выходе ЛС изменяется вдоль временных тактов
по синусоидальному закону. Числа на выходах комбинационных
схем КС1 и КС2 сдвинуты относительно числа ЛС соответственно
на 2л/3 и 4л/3. Блоки БС1, БС2, БСЗ сравнивают числа на выхо-
дах ЛС, КС1, КС2 и счетчиков. При эквивалентности сравнивае-
мых чисел на выходе соответствующего блока сравнения форми-
руется единица, переводящая свой 5/?-триггер в нулевое состоя-
ние. В единичное состояние триггера переводятся импульсом fr.
Состояние X = 1 соответствует включению транзисторов УГ/или
VT4 (см. рис. 4.10, а), У=1—включению VT2 или VT5, Z=1 —
включению VT3 или VT6. Транзисторы VT1, VT2, VT3 включают-
ся внутри положительных полуволн синусоид, тогда как транзи-
сторы VT4, VT5 и VT6 — внутри отрицательных полуволн. Сигна-
лы указывают на полярность синусоид. Таким образом, частота
напряжения на статорной обмотке двигателя определяется циклич-
ностью запуска схемы, т. е. частотой следования импульсов /г, а
уровень напряжения — частотой fB.
Электромагнитный момент асинхронного двигателя [7]
М----------------_₽__________
где р — число пар полюсов; N — число фаз обмотки статора; —
напряжение фазы статора; гс, гр, Д, Д— активные и индуктивные
сопротивления статорной и роторной (с учетом приведения) обмоток
в Г-образной схеме замещения; fc — частота питающей сети; р =
(О
= 1—шд — угловая скорость вращения ротора двигателя; ш =
= 2,11 fJР =5 (1>до-
170
Рис. 4.10. Принципиальная схема транзисторного инвертора (а) и логическая схема
широтно-импульсиой модуляции (б).
Для рабочей части характеристики <вд = /(Л1эм)
зависимость
справедлива
(Од — (Одо	f,,Гг>
4 эм
которая аналогична механической характеристике двигателя постоян-
ного тока с независимым возбуждением.
t	ГМ
При управлении двигателем по закону ~ ~ ~ 1/ где ДН)
Н 'н V
М* — номинальные величины; М — момент механической пере-
дачи, получаем значение электромагнитного момента:
N
•Мэм --
__ <Vp гр^н ,2.
“ 2Нн /р

!71
Z7C : j-
'Н* О
/
Здесь Хр. — сопротивление намагничивания; 1С— ток статора; —
ток ротора; Ф—поток двигателя; гр = rv/C\\ хр = х^. + хР; хр ==
= r2/Ci; Ci ss 1 + —; Хс, хр — сопротивления статора и ротора, свя-
Д
занные с потоками рассеивания; — частота вращения ротора.
Из приведенных зависимостей для Л4ЭМ следует, что если не
измерять момент М, а управление осуществлять в функции только
тока статора (или тока ротора) С(гР) или потока Ф, невозможно
реализовать требуемый закон управления f — f (U, Л!). При управ-
лении от момента М необходимо ограничивать напряжение U как
сверху, так и снизу, чтобы избежать тепловых перегрузок при боль-
ших моментах нагрузки и чрезмерно «мягких» естественных меха-
нических характеристик-—при малых.
Возможно управление с поддержанием постоянства относитель-
ной частоты ротора /р//н с законом управления двигателем:
где Е — э. д. с.
При изменении входной координаты / скорость двигателя изме-
няется независимо от изменения момента нагрузки:
f/fw ~ шд/шдн "F /р//н-
Следует иметь в виду, что частотное управление асинхронным дви-
гателем при /р = const является наиболее экономичным.
Однако, поскольку реализация обратной связи по нагрузке с по-
мощью описанных в гл. 2 преобразователей момента не всегда
может быть обеспечена, на практике часто используют управление,
при котором Ujf = const либо Ф = const. В этих случаях появляется
другой существенный недостаток: потери в двигателе значительно
возрастают.
Поскольку рабочий поток машины определяется намагничиваю-
щим током /р. = Е/Н/Хр/, где Е — э. д. с. статора, управление из
условия Ф = const соответствует частотному управлению согласно
условию Е/f — const. С целью снижения потерь и обеспечения необ-
ходимой жесткости механических характеристик в системах с инвер-
тором напряжения применяется дополнительная коррекция по ско-
рости вращения ротора двигателя. Диапазон регулирования скорости
зависит здесь от характера нагрузки, причем более широкий диа
па зон обеспечивается в системах с контуром стабилизации потока.
Отметим, что в приводах с управляемым моментом на базе
синхронных и асинхронных машин, используемых в замкнутых си-
стемах регулирования, не могут возникать такие режимы, в ко-
торых синхронная машина выпадает из синхронизма, а асинхрон-
ная — опрокидывается. Это замечание справедливо для любого
характера изменения входного сигнала и нагрузки на валу. Сле-
172
дует также иметь в виду, что при конструировании стыков звеньев
манипуляционной системы ПР и встраивании в них электрических
машин одно звено может быть непосредственно статором, а дру-
гое — ротором двигателя.
Шаговые электродвигатели, применяемые в ПР, могут выпол-
нять две функции: во-первых, непосредственно привода исполни-
тельных звеньев манипуляционной системы ПР, когда с помощью
таких двигателей решаются задачи самостоятельного перемеще-
ния i -го звена в требуемую координату; во-вторых, преобразова-
теля импульсного сигнала в угловое или линейное перемещение
устройства, управляющего силовым исполнительным элементом,
например золотником гидроусилителя. Шагово-импульсный привод
(см. рис. 4.5, в) является простейшим вариантом исполнительного
позиционного привода. К его достоинствам можно отнести есте-
ственный характер связи с устройствами задания программы
в унитарном коде, относительную простоту исполнения, отсут-
ствие каналов обратной связи и средств измерения скорости
и положения рабочих органов ПР. Недостатками его является
ограничение по скорости, невосполнимый характер потери ин-
формации и необходимость выполнения условий приемистости
при разгоне и торможении. Поэтому, являясь по существу
разомкнутым, шаговый привод используется в ПР, предназна-
ченных для неответственных операций обслуживания, переадре-
сования объектов, в качестве транспортных элементов техно-
логических комплексов. В шаговых приводах используются как
силовые, так и несиловые шаговые двигатели. В последнем случае
сам двигатель является механическим задатчиком своеобразной
гидравлической копировальной системы с жесткой обратной
связью. Такая система выполняет функции усиления крутящего
момента, который для несиловых шаговых двигателей оказывается
явно недостаточным для приведения в действие звена манипуля-
ционной системы ПР. Таким образом, шаговые перемещения элек-
трического шагового двигателя воспроизводятся с усилением на
общем силовом выходе привода (на рис. 4.5, в для этих целей ис-
пользуется гидравлический усилитель моментов ГУМ).
Шаговый двигатель представляет собой двухсекционную ма-
шину с активным статором и реактивным зубчатым ротором.
Шесть статорных обмоток в каждой секции образуют по три пары
полюсов, т. е. двигатель располагает тремя фазами в каждой сек-
ции, а в целом является шестифазным. Полюсные башмаки стато-
ра завершаются зубцами, по три на каждом башмаке, причем шаг
зубца составляет 1/20 окружности. Следовательно, в статоре как
бы «не хватает» двух зубцов, причем один из «недостающих»
шагов распределен равномерно в шести зазорах между полюсны-
ми башмаками, а другой — «набирается» за счет смещения равно-
мерно (через 60°) расположенных по окружности осей башмаков
относительно соседних на целое число шагов и еще 1/6 шага. При
этом каждая роторная секция располагает ровно 20-ю зубцами
того же шага.
173

Статор
МуСи,1)и fy/АцА»
а	р
Рис. 4,11. Фиксированная развертка зубцов
роторной и статорной частей шагового
двигателя (а) и динамическая структура
механической части шагового привода (б).
дится против зубца полюсного
На рис. 4.11, а показана сов-
мещенная для обеих секций раз-
вертка зубцов роторной и статор-
ной частей двигателя. Зубцы ро-
тора и статора взаимодействуют
между собой, и магнитный поток
замыкается через больший или
меньший воздушный зазор в за-
висимости от взаимного располо-
жения зубцов ротора и статора.
При расположении ротора,
как это представлено на
рис. 4.11, а, зубец ротора нахо-
башмака фазы А статора. При
этом зубцы в соседних фазах А » В окажутся смещенными
на 1/6 шага соответственно в одну и другую стороны, при-
чем это смещение сохраняется для любых соседних фаз. Если
фаза А находится под напряжением, то магнитный поток ста-
тора замыкается на роторе через небольшой воздушный зазор,
определяемый совмещенными положениями зубьев ротора и ба-
шмака фазы А статора. Такое состояние является устойчивым,
поскольку сопротивление магнитному потоку при этом минималь-
но, а попытки сместить ротор относительно такого устойчивого
положения встречают противодействие магнитного поля.
Ближайшим устойчивым состоянием является совмещение зуб-
ца ротора с зубцом полюсного башмака фазы В статора, что со-
ответствует повороту ротора на 1/6 шага зубцов. Такое состояние
может быть обеспечено передачей напряжения фазе В статора.
Нетрудно заметить, что угол поворота состоит 360/(20-6) = 3°,
причем эта величина и определяет цену шага (или импульса),
если законом коммутации фаз предусматривается простая переда-
ча напряжения от одной фазы к соседней. Цену шага (или сле-
довательно управляющего импульса) можно уменьшить вдвое,
если обеспечить закон коммутации фаз в следующем сочетании:
А—АВ—В—ВС и т. д., т. е. после очередной фазы записывается
следующая без снятия напряжения с предыдущей. Такой закон
обеспечивает устойчивые промежуточные состояния «Зубец против
зубца со смещением на 1/12 шага». При выборе закона комму-
тации следует, однако, учитывать, что развиваемый шаговым дви-
гателем крутящий момент тем выше, чем больше фаз включено
одновременно.
Для шестифазных двигателей применяют, как правило, две-
надцатитактный цикл коммутации фаз, представленный в
табл. 4.2. При коммутации фаз вектор непрерывно поворачивается
с угловой скоростью, соответствующей частоте коммутирующих
управляющих импульсов. В силу инерционных факторов ротор
отстает от вектора магнитного поля, что и обусловливает «натяг»
в магнитном поле и движущий (синхронизирующий) момент.
С повышением частоты следования управляющих импульсов или
увеличением нагрузки на роторе отставание ротора от изменения
174
Таблица 4.2. Коммутационные состояния шестифазного шагового двигателя
Фаза	Так г										
	1 1 2		3	4	5	6 |	7	8	9	.0	11	12
А	I !	I !	0	0	0	о о	0 1	0 1	1 1	1 1	1
В	1	1		1	0	0 | 0|	0	0 1	0	0 1	1
С	0	1	1.1	1 1	1 .	1 1 1 0	1 0	1 0	1 0	1 о|	0
D	0	0	0	1	1	1 1 1 !	1 1	0 1	0 1	0 1	0
Е	0	0	0	0	0	1 1 1	!•	1	1 1	0 1	0
F	0	0	0	0	0	0 о	1	1	. 1	1 1	1
положения вектора магнитного поля также возрастает. Однако
оно не может превысить двенадцати целых шагов, так как даль-
нейшее отставание вызовет нарушение синхронизации и приведет
к невосполнимой потере информации. Поэтому основными харак-
теристиками шагового дивигателя являются частота приемис-
тости (мгновенный перепад частоты управления, отрабатываемый
шаговым двигателем без потери синхронизации) и максимальная
частота управления (частота управления, которая допустима
в режиме плавного разгона). Для наиболее распространенных
шаговых двигателей частота приемистости лежит в области
2000 Гц, а максимальная управляющая частота может достигать
16—18 кГц. Максимальный статический синхронизирующий
момент несиловых шаговых двигателей может составлять
30 Н-см, что вполне достаточно для приведения в движение сис-
темы усиления крутящего момента. Для силовых шаговых двига-
телей этот параметр достигает 30 Н-м и более. В таких двигате-
лях проблематичной является проблема отвода теплоты, так как
мощность рассеиваемого через корпус тепла может достигать
1 кВА и более.
В математической модели привода с несиловым шаговым дви-
гателем и системой усиления момента следует, в первую очередь,
учитывать наиболее существенные связи между элементами
привода. Вал двигателя имеет жесткую связь с входным валом
гидроусилителя; вал гидроусилителя перемещается поступатель-
но и открывает в процессе перемещения рабочие щели усилите-
ля, что предопределяет перераспределение потоков масла и по-
ворот выходного вала гидромотора; вращение выходного вала
гидромотора передается исполнительному органу посредством
редуктора, а в случае необходимости преобразования вращатель
кого движения в поступательное — посредством шариковой вин-
товой пары; для замыкания контура гидравлического усиления
обратной связью вращение выходного вала гидромотора пере-
дается золотнику гидравлического усилителя.
Структура силовой части шагового привода подачи приводит-
ся к двухмассовой модели [6] и представляется на рис. 4.11,6,
175
где приведенные массы двигателя тя и нагрузки т „ связаны
упругим звеном с приведенной жесткостью С, приведенным демп-
фированием D и моментом упругих сил, который представляет
собой сопротивление для первой массы и движущий момент для
второй. Таким образом, упругое звено, которое является фиктив-
ным, удобно располагать между зубчатыми колесами редуктора
и приводить к валу двигателя (гидромотора). В математической
модели привода с несиловым шаговым двигателем используются
следующие параметры двухмассовой модели: приведенные момен-
ты инерции /д и Л, движущий Л4Д и нагрузочный Мн моменты, угол
поворота вала двигателя ад и угол ан поворота упругого звена в
сечении приведения массы тн.
К валу ротора двигателя (гидромотора) приводятся моменты
инерции ротора, соединительной муфты и входного зубчатого
колеса редуктора; к другому концу упругого звена приводятся
моменты инерции перемещаемого элемента манипуляционной
системы ПР, ходового винта, его подшипников, связанного с ним
выходного зубчатого редуктора. Под приведенной податливостью
1/С понимают сумму приведенных к упругому звену податливос-
тей, вызванных кручением и изгибом валов, податливостью вин-
товой и зубчатой передач, шпоночных и шлицевых соединений.
Приведенное демпфирование характеризует рассеяние энергии,
причем, если в механической цепи привода нет специальных дем-
пфирующих элементов (например, муфт, динамических гасите-
лей), то демпфирование определяется рассеянием энергии в сты-
ках, поскольку рассеянием энергии в материале деталей можно
пренебречь. Тогда формулы приведения представляются следую-
щим образом:
\ пр/	\ Пр/
1/C = S 1/С ^2+£1/с(^2;
где <оПр — угловая скорость упругого звена привидения; v — ско-
рость поступательного движения перемещаемого элемента манипу-
ляционной системы ПР; индекс i указывает на подвергающийся
приведению элемент механической цепи привода.
Поэлементно дифференциальные уравнения движения составля-
ющих привода записываются так:
для двухмассовой модели механического редуктора:
, ct2a„ 4а„
=s (ад — ан) С;
176
для
модели исполнительного гидравлического двигателя:
£Д = О —/С2ДРд;
гч е da	е2 i dAPn
Ва= 27 1Г +	+ ^2 ~dT>
Мд = А- ДРд;
*	2~ д
модели движения ротора шагового двигателя (индуктив-
обмоток шагового двигателя в пределах частоты приемис-
ДЛЯ
ностью
тости пренебрегаем):
Jш.д^ "ЬI ’57’ +	— Мс;
для обратной связи, охватывающей гидроусилитель:
h = (7 — ад) 2^.
Здесь В — расход рабочей жидкости в выходных магистралях
гидравлического усилителя; h — раскрытие щелей гидравлического-
усилителя; ДРд — перепад давления в выходных магистралях гидрав-
лического усилителя, связанный с подключением к гидромотору;
/Ci и /<2 — коэффициенты линеаризованной расходной характеристи-
ки гидроусилителя; е — рабочая подача гидромотора; — коэффи-
циент удельных утечек гидромотора; Л\с — коэффициент жесткости
/	е2Е \
масляного столба в подводящих каналах гидромотора /Со = —;—
у	4^VM j
Е — модуль упругости масла; VM — объем рабочей жидкости в магист-
рали подхода (слива) гидромотора от гидроусилителя; /ш.д — сум-
марный момент инерции ротора шагового двигателя и входного вала
гидроусилителя момента; q — координата угла поворота ротора ша-
гового двигателя; у— коэффициент демпфирования шагового двига-
теля; — синхронизирующий момент на роторе; Мт — момент тре-
ния на входном валу гидроусилителя; tB— шаг винта в механизме
жесткой связи гидравлического усилителя.
В системе для модели исполнительного гидравлического двига-
теля первое уравнение представляет линеаризованную статическую
характеристику гидроусилителя моментов; второе — запись принципа
неразрывности расхода в подводящих каналах гидроусилителя и
каналах гидродвигателя; третье — указывает на характер связи дви-
жущего момента Мд и перепада давлений &РЛ в каналах гидро-
двигателя.
После подстановок, исключающих промежуточные переменные
ЛГУ и В, полная система описывающих шаговый привод уравнений,
принимает вид
7Д <12ад
С
Jad2aH . D da	_
м
177
Kit	e5 da	dM
2я(К2 + Ку) ^2(к2+Л\) dt ^2KC(K,+ Ky) dt + Д’
Jm.n d?q . j_ dt? _ , _ ^t.
4 dt2 + Mcdt	Ma’
h=T^~^-
Первые два уравнения последней системы относятся к механи-
ческой части привода (собственно двухмассовой системы), третье
описывает гидравлическую систему усиления момента (гидроусили-
тель и гидродвигатель), четвертое — шаговый двигатель, а пятое
представляет собой условие замыкания обратной связи.
Переходя к операторной форме записи, получаем математическую
модель динамической системы шагового привода
(Тдр2 + 1) ад = Мд/С + ®я'. Crip2 + ТDp + 1) ан = ад — Мй/С',
K3h — Кцра-ц = (Лр + 1) Мд; (Tip2 + Г3р) q = ус — ут;
h ~ Кь(я ад),
где
Л-Kj; T-, = F7^C: Тц-о/С-,
: т' - ; п = К7Ж т‘ =
еК,	е2
Зя (д2 + Лу)	(Л2-ГЛу)
р— оператор Лапласа; Tt — постоянные времени; Ki— коэффициен-
ты; -г/с— безразмерный синхронизирующий момент с единичным амп-
литудным значением; = Л4Т/Л4С — безразмерный момент трения со
стороны входного вала гидроусилителя (черточка над обозначением
параметра является символом преобразования по Лапласу).
Следует отметить, что использование ротационных шаговых
электродвигателей в промышленной робототехнике ограничи-
вается наличием промежуточных передач и преобразователей
движений в случае применения их в поступательных исполни-
тельных механизмах ПР. Этот вопрос актуален при создании ПР
и РТК с прямоугольной системой координат, характеризующихся
наименьшим по сравнению с другими системами координат зна-
чением суммарной погрешности позиционирования, обеспечением
сохранения ориентации объекта в пространстве в процессе его
транспортирования, а также возможностью обходиться наиболее
простым программным обеспечением.
Значительные перспективы создания эффективных ПР и РТК
с прямоугольной системой координат открываются при использо-
вании электромагнитных модулей линейного движения [9], исполь-
зующих только электромагнитные силы при полном устранении
378
из системы привода промежуточных передач. При этом обеспе-
чивается низкий уровень собственных шумов, высокая надеж-
ность, отсутствие загрязнения окружающей среды, низкая стои-
мость электромеханической части, сравнительная простота и удоб-
ство обслуживания, эксплуатации, ремонта. На практике реа-
лизованы диапазоны тяговых усилий линейного электромаг-
нитного привода 1—5000 Н, скорости перемещения 0—1,5 м/с,
точность позиционирования до 10 мкм и широкий диапазон ва-
риации динамических состояний подвижной системы, что свиде-
тельствует о перспективности применения данного привода также
для адаптивных ПР и РТК.
На рис. 4.12, а показана структура восьмифазного двигателя из'
статорных секций с концентрическими обмотками управления 1—8
и помещенного в расточке статора с возможностью продольного
перемещения якоря, состоящего из равномерно чередующихся по его
длине ферромагнитных элементов с аксиальным размером /р., разде-
ленных немагнитными звеньями с размером 1^. Таким образом,
период структуры якоря /я = ф- 1^, а полюсное деление секции-
статора равно длине ферромагнитного элемента якоря, т. е. t = /р.
Секции статора также разделены немагнитными вставками, но это
разделение выполнено таким образом, что полюсные наконечники
каждой фазы смещены относительно ферромагнитных элементов
якоря на величину /я/8, представляющую линейный шаг двигателя
=/я/8. Линейный шаг двигателя определяет линейное перемещение
якоря при подаче на двигатель одного управляющего импульса.
Соотношение между периодом /я структуры якоря и полюсным
делением х определяется выражением
т~ = (т — 1) /я,
где т — количество фаз.
Максимальное тяговое усилие Ft, соответствующее ему смещение
хТ и крутизна статической характеристики (3 в положении магнитного'
равновесия, определяют в общем случае статическую характери-
стику двигателя
₽ = |^| •
r I dx |х=0	'
Основной конструктивной характеристикой двигателя является,
удельное тяговое усилие, представляющее отношение максимального-
тягового усилия к единице мощности, т. е. Ку = Кт/Мд. Удельное
тяговое усилие в двигателях подобного типа составляет 6—ЮН/Вт,.
что свидетельствует о достаточных энергетических показателях подоб-
ных электромагнитных структур для их использования в промыш-
ленной робототехнике.
Предельное пусковое усилие двигателя обеспечивается совме-
щением двух смежных статистических характеристик, получае-
мых при одновременном включении двух и более фаз. Каждому
такту коммутации соответствует дискретное перемещение элек-
тромагнитного поля статора, что, в свою очередь, вызывает сме-
щение статической характеристики на величину шага. При этом
осуществляется перемещение якоря в новую точку устойчивого
179-
ЕЕ] ЕЕ] ЕЕ] ЕЕ] ЕЕ] EEI ЕЕ]
Гис. 4 .12. Электромагнитный линейный восьмнфазный двигатель:
,а — структура двигателя; б — последовательность включения фаз; « — кар-
тина магнитных полей в секции.
равновесия, если выполняется условие Fnv,<Fc, где Fc — силы со-
противления и нагрузки. Это условие обеспечивает работу двига-
теля без сбоев и потери шага и характеризует перегрузочную спо-
собность двигателя, которая растет с увеличением числа фаз и
тактов коммутации. Однако при большом количестве фаз двига-
теля предельное пусковое усилие F„p приближается к максималь-
ному.
Важными характеристиками двигателя, определяющими его
динамические свойства, являются динамическая добротность
Sn=Fj/F пи частота приемистости. Предельное значение час-
180
тоты приемистости f„ равно максимальному скачкообразному
изменению частоты следования управляющих импульсов, которое
отрабатывается двигателем без потери информации. Это значе-
ние предельной частоты приемистости связано с динамическим
состоянием подвижной части электромагнитной системы двигате-
ля, в связи с чем различают предельную частоту пуска, реверса
и останова из установившегося и переходного режимов работы
двигателя.
Предельное значение можно значительно повысить, если
частоту следования импульсов набрасывать постепенно по опре-
деленному режиму программного разгона, как это делается и в
случае шаговых двигателей. Следует только учитывать, что часть
энергии расходуется на притормаживание на каждом шаге, что
приводит к ухудшению энергетических показателей привода.
Устранить это нежелательное явление можно путем соответствую-
щей коммутации включения обмоток статора, т. е. реализацией
режима автосинхронного движения, как это выполняется в кол-
лекторных двигателях постоянного тока. При этом повышаются
диапазон рабочих скоростей, устойчивость и качество движения,
что немаловажно для промышленных роботов, работающих
с переменными нагрузками.
К. п. д. привода максимален в режиме автокоммутации. Стати-
ческая ошибка двигателя определяется величиной отклонения
нагруженного якоря от положения магнитного равновесия вклю-
ченных фаз в режиме форсированной остановки, и при постоянной
нагрузке статическая ошибка определяется крутизной стати-
ческой характеристики в окрестности точки устойчивого равно-
весия. Последовательность переключения фаз в шаговом режиме
и при автокоммутации показана на рис. 4.12, б. Как видно из
таблицы последовательности переключения фаз, режим непрерыв-
ного движения можно обеспечить как постепенным увеличением
тока фазы 2 до номинального значения при включенной фазе 1,
а затем отключением фазы 1, так и одновременным снижением
тока в фазе 1 при увеличении тока в фазе 2. Происходит как бы
перекачка энергии из фазы 1 в фазу 2, причем темп такого про-
цесса должен соответствовать темпу перемещения подвижной
части — ротора. При этом повышается точность позиционирова-
ния и одновременно реализуются ползучие скорости перемещения.
Наличие трения покоя снижает точность позиционирования и
создает так называемую мертвую зону. Для ликвидации этого
нежелательного явления используют осцилляцию, т. е. колеба-
тельный режим движения якоря при подходе к точке позициони-
рования с последующей фиксацией его в требуемом положении.
Такой осцилляционный эффект реализуется релейным принципом
управления переключением предыдущей и последующей фаз.
При перекачивании энергии из одной фазы в другую для плавно-
го втягивания в синхронизм механической системы двигателя, а
также для плавного торможения используется принцип цифроана-
логового преобразования управляющих сигналов. С этой целью
используются двухканальные цифроаналоговые преобразователи
181
(ЦАП), напряжения на выходах которых имеют форму равносто-
роннего треугольника и инвертированы по сигналу выхода один
относительно другого в обоих каналах. Тогда, подключив к одно-
му из выходных каналов ЦАП через усилитель мощности группу
нечетных, а ко второму — группу четных по последовательности
включения обмоток статора двигателя, можно с помощью матри-
цы переключателей (функции которых выполняют автоматические
электронные ключи) осуществить автокоммутацию включения
обмоток двигателя каждой из групп поочередно, причем при
спадании тока в отключаемой обмотке синхронно нарастает ток
во включаемой, что и позволяет осуществлять плавное перетя-
гивание ротора между включенными секциями двигателя.
Статические характеристики двигателя рассчитываются с уче-
том закона изменения проводимости воздушного зазора и ее
производной от перемещения якоря. Удобство расчета заключа-
ется в том, что его можно производить только для одной секции.
Полную статическую характеристику строят методом наложения.
Пользуясь методом вероятных путей потока магнитного поля,
можно аналитически приближенно выразить проводимости. Крае-
вые проводимости между соответствующими гранями секции
определяются интегрированием элементарных трубок в пределах
их взаимного расположения. Для положения якоря, изображен-
ного на рис. 4.12, в, краевые проводимости определяются следу-
ющим образом:
участок Д1С1
С(А1С1)=’[
k ' J л/2 • г к	6	’
b
где р.р = 4тг-10~7 Гн/м — магнитная постоянная; = 2тг (ri Д-8 —
— УЪ (fl Ц- 8)] —эффективная длина в направлении, нормальном к
силовым линиям;
участок А2С2
ь/ъ
Г, / Д С \ _ f	HoZ2 , 6/2
G(A2c2) = j	1п—,
8
где /2 = 2~ (fl + У8 • Ь/2) — эффективная длина в направлении, нор-
мальном к силовым линиям;
участок В3С3
G (В3С3)
J у •'' + ₽i (г + хз)
где /3 = 2тгп — эффективная длина в нормальном по отношению к
силовым линиям направлении;
182
участок В3С2
г /D r > f __ Ho*4, X2
G(53C2)-J	- p ln6,
6
где /4 = 2тг (г, 4- V Bx2);
участок ДС2
участок В2С2
2^о (ri + V?j4) 4
G (В2С2) = G (Д2С2) =----—In f.
Полная проводимость у первого статорного полюса определяется
суммированием проводимостей у всех зон
G = G (А ,С1) + G (А 1С2) + G (Я2С2) + G (А2В2),
где
rt&R\ ~ 1'1 + 2 Ь ~ Г1М2}
О ( A2d2) = ----------j--------------
проводимость между гранями А2 и В2.
Результирующая проводимость у второго полюса определяется
суммированием краевых проводимостей
G2 = G (В3С3) -f- G (В3С2) Ц- G (В,С2) G (В2С2).
Производная проводимость у первого полюса определяется диа-
пазоном перемещений. Для рассматриваемого диапазона перемещений
якоря только проводимость G (А]С2) зависит от перемещения якоря,
и поэтому на данном участке производная проводимость определя-
ется выражением
dG] 2^0 (g +4)
dx	b
У второго полюса в данном диапазоне перемещений изменяются
только проводимости G (В3С2) и G (В3С3), поэтому результирующая
производная проводимости
dG2__	Г] V” 6 । х2 .
* “	₽	*2	2]/^ П ь + х2
2w^0
"2 + ₽i
1
183
Электромагнитная сила находится суммированием сил, создавае-
мых у первого и второго полюсов:
U2, aG,	Ui dG~
эм 2	dx	2	dx ’
где U\ — магнитодвижущая сила в рабочем зазоре; U2 — магнито-
движущая сила в нерабочем зазоре; dGi, dG2 — производные прово-
димости у первого и второго полюсов соответственно.
При больших зазорах (х\ > bpi) проводимость основного зазора
Gi мала и падение магнитодвижущей силы [7, на нем практически
равно магнитодвижущей силе катушки и мало зависит от положения
якоря.
Наоборот, падение магнитодвижущей силы у второго зазора
мало, так как проводимость второго зазора велика. Производная
проводимости на этом участке перемещения якоря у первого
зазора возрастает, а у второго практически равна нулю и эле-
ктромагнитная сила увеличивается.
В процессе внедрения якоря в полость полюса проводи-
мость основного зазора увеличивается, а ее производная практи-
чески остается постоянной; магнитодвижущая сила по мере
продвижения якоря падает, что приводит к уменьшению тягового
усилия.
Таким образом, переход от возрастающего к убывающему
участку изменения электромагнитной силы в процессе перемеще-
ния якоря порождает максимум характеристики тягового усилия
FT в функции перемещения х якоря, абсцисса максимума лежит
в районе раздела возрастающего и падающего участков характе-
ристики (х\ = Ьр1).
Дальнейшее продвижение якоря вызывает уменьшение прово-
димости у второго статорного полюса, причем ее производная
практически постоянна и отрицательна, что приводит к появле-
нию тормозящей силы.
Существует положение магнитного равновесия, при котором
якорь устанавливается посредине между полюсами, и силы,
возникающие у первого и второго полюсов, оказываются равны-
ми, т. е. результирующая сила будет равна нулю.
Описанные приводы с разомкнутой системой программного уп-
равления применяются при погрузочно-разгрузочных, транспорт-
ных и ориентирующих операциях. При использовании системы
управления со схемой электронного дробления шага привод ста-
новится приводом непрерывного действия с возможностью пози-
ционирования в любой точке его рабочей характеристики. Такие
приводы применяются в исполнительных промышленных роботах
— сборочных, покрасочных, сварочных.
Список литературы
1.	Игнатьев М. Б., Кулаков В. Л1., Покровский А. М. Алгоритмы управления
роботами-манипуляторами.— Л. : Машиностроение, 1972.— 248 с.
2.	Киселев В. М. Фазовые системы числового программного управления стан-
ками,—М..: Машиностроение, 1966.— 375 с.
184
3.	Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипу-
ляционных роботов /Под ред. Е. П. Попова.—М.: Наука, 1978 —416 с.
4.	Николаенко Л. Ю., Ямпольский Л. С. К решению задачи логико-програм-
много управления траспортирующимн и ориентирующими движениями авто-
матического манипулятора.— В кн.: Идентификация и автоматизация тех-
нологических процессов и промышленых установок.— Куйбышев; изд. КАИ,
1982, с. 30—35.
5.	Патон Б. Е„ Спыну Г. А., Тимошенко В. Г. Промышленные роботы для
сварки — К.: Наукова думка, 1978.— 288 с.
6.	Программное управление станками. /Под ред. В. Л. Сосонкина.— М.; Ма-
шиностроение, 1981,— 398 с.
7.	Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асин-
хронными двигателями.— М. : Энергия, 1974, с. 34—158.
8.	Системы управления промышленными роботами /Под ред. Е. И. Юревича.—
Л.: Изд-во ЛГУ, 1980,— 182 с.
9.	Афонин А. А. и др. Управление линейным движением электромагнитного
модуля робота.— К. : изд. Ин-та электродинамики АН УССР, 305, 1983.—
46 с.
10.	Управление роботами от ЭВМ./Под ред. Е. И. Юревича.— М. : Энергия,
1980.—262 с.
И. Ямпольский Л. С. Потенциальная система управления позиционированием —
В ки. : Автоматизация производственных процессов в машино- и приборо-
строении.— Львов, Изд-во ЛГУ, 1972, вып. 12, с. 37—42.
ГЛАВА 5
Информационное обеспечение
промышленных роботов
5.1.	Функции информационного обеспечения
промышленных роботов
Целенаправленное взаимодействие робота с реальной окружаю-
щей средой может строиться в ряде случаев на основании инфор-
мации о свойствах и состоянии отдельных ее объектов в рабочей
зоне. Сопоставление этой информации с результатами анализа
состояния самого робота, его исполнительных органов относитель-
но обслуживаемых объектов позволяет решать задачу формиро-
вания целенаправленных оптимальных действий ПР. Основные
параметры состояния робота (положение и скорость движения
звеньев, усилия в звеньях, точность позиционирования в рабочую
точку и другие) и среды (класс, положение и ориентация объек-
тов, их форма, параметры возмущений, поступающих на робот в
процессе его работы) определяются так называемыми сенсорны-
ми устройствами, составляющими основу информационной системы
его восприятия.
Проблемы создания промышленных роботов с очувствлением
приводят к необходимости более глубокого усвоения логических
процессов переработки информации, поступающих от сенсорных
устройств. При этом восприятие внешней среды может рассмат-
риваться как вычислительно-логическая обработка информации,
направленная на построение целостного образа, или модели внеш-
ней среды.
185
В общем виде задача, выполняемая промышленным роботом,
состоит из следующих этапов: поиска объекта (или объектов)
заданного класса, передвижения руки с захватным устройством
(инструментом) к объекту, ориентации захватного устройства (ин-
струмента) относительно базовых (рабочих) поверхностей объекта
определенным образом, выполнения различного рода манипуляций
с объектом или инструментом, возвращения руки в исходное поло-
жение или перехода к следующей операции, перемещения всей
манипуляционной системы робота в реальных условиях (на уча-
стке цеха, в цехе завода и т. д.), обхода препятствий.
В связи с этим промышленный робот должен иметь информа-
цию о геометрических характеристиках объектов, о взаимном их
расположении и рук манипуляционной системы робота в про-
странстве, о параметрах движения звеньев рабочих органов. Та-
ким образом, информационные системы ПР представляют собой
устройства сбора, хранения и обработки информации как о вну-
треннем состоянии робота, так и о состоянии внешней среды.
Общие требования к информационным системам таковы: эко-
номичность информации с точки зрения загрузки управляющей
системы робота, поскольку такая система может обслуживать
манипуляционные и информационные системы нескольких роботов;
некоторая избыточность информации для достижения требуемого
уровня надежной работы робота с учетом возможности отказа
отдельных устройств сбора и каналов передачи информации; ис-
пользование по возможности датчиков бесконтактного типа, что
позволит уменьшить вероятность потери информации при распо-
ложении датчиков непосредственно на рабочих органах, в местах
подвижных сочленений кинематических звеньев ПР; организация
передачи информации по нескольким каналам с целью повышения
помехозащищенности информационных сигналов.
Информационные системы состоят из устройства сбора инфор-
мации о состоянии рабочих органов манипуляционной системы
промышленного робота (сенсорного устройства внутренней ин-
формации) и устройства сбора информации о состоянии внешней
среды (сенсорного устройства внешней информации)
5.2.	Методы анализа зрительной информации
Связь с внешней средой является необходимым условием функ-
ционирования промышленных роботов. В ряде случаев, когда при-
сутствие человека в контуре управления невозможно либо неже-
лательно, возникает необходимость в самостоятельной обработке
роботом информации о внешней среде. При этом особая роль
отводится задаче очувстления робота, т. е. развитию способов обра-
ботки воспринимаемой информации. Возможности роботов в вос-
приятии информации о внешнем мире ограничены зрением и ося-
занием, причем зрительному каналу отводится особая роль.
Общий принцип работы систем, использующих зрительный ка-
нал для связи с внешней средой, состоите том, что телевизионная
камера обозревает рабочее пространство и передает информацию
186
в ЭВМ, которая ее обрабатывает и выдает описание картинки,
попавшей в поле зрения камеры. Это описание в дальнейшем ис-
пользуется для управления целенаправленными действиями испол-
нительных устройств робота по соответствующей программе. Такой
принцип построения последовательности работы используется во
всех информационных системах зрительного восприятия. Исполь-
зование зрительной информации может осуществляться двумя
путями: путем предварительной обработки информации и после-
дующего управления манипуляционной системой робота, в течение
которых визуальная связь с внешней средой робота отсутствует;
путем непрерывной корректировки от текущей зрительной инфор-
мации управляющих воздействий.
В простейшем случае описание картинки может быть таким: «в
поле зрения нет объекта» или «в поле зрения есть объект». Как
правило, такое упрощенное описание используется промышлен-
ными роботами, работающими с упорядоченной средой по принад-
лежности к классу, наличию, ориентированному положению
объектов.
Следующим уровнем сложности описания (детализации) явля-
ется выделение из совокупности объектов в поле зрения камеры
представителей требуемого класса: «в поле зрения есть объект
данного класса». При такой постановке задачи робот должен
уметь различать признаки объектов и классифицировать объекты
по этим признакам.
Наконец, наибольшим интеллектуальным уровнем обладают
роботы, которые решают задачу не только распознавания и выде-
ления из совокупности объекта с определенным составом призна-
ков, но и указания взаимного расположения нескольких (всех)
объектов, попавших в поле зрения камеры. Для таких картинок
описание может выглядеть следующим образом: «в поле зрения
есть объекты типа цилиндр, шар, пирамида, причем цилиндр рас-
полагается за шаром, а пирамида опирается своей гранью на ци-
линдр». Описание может быть детализировано дополнительными
характеристиками, например указанием координат вершин и гра-
ней в виде матриц, характеризующих эти координаты в общей си-
стеме координат.
Отметим, что все алгоритмы описания картинок основаны на
предварительном выделении контурного изображения объекта
с последующей интерпретацией этого изображения [7, гл. 2], ко-
торое содержит информацию, достаточную для решения постав-
ленной перед роботом задачи. Поэтому в большинстве исполь-
зуемых программ обработки зрительной информации элементы
описания контурного изображения служат исходными данными
для программ управления манипуляционной системой робота.
С помощью телекамеры и ряда промежуточных устройств изоб-
ражение фрагмента рабочего пространства робота представляется
в памяти ЭВМ в виде прямоугольного массива чисел I (п,т), где
п— 1, 2, ..., N; т = 1, 2, ..., М, каждое из которых есть средней
освещенностью некоторого элемента изображения. Функцию
W7 (*, У) на плоской проекции анализируемой картинки в систе-
187
Рис. 5.1. Осреднение (а) и задание в многограннике (б) функции освещен-
ности и апрокснмация многогранника кругом (а) ( -г ---------непрерывная ос-
вещенность; ------------ осредиенная; ------------- квантованная).
ме координат OXY называют функцией освещенности. Эта функция
содержит всю информацию об анализируемом изображении.
Преобразование функции W(x, у) в функцию I (п, т) обусловли-
вается конечностью памяти ЭВМ, что определяет необходимость
осреднения функции освещенности на участках поля зрения
(рис. 5.1, а). Кроме того, ограниченность разрядной сетки ЭВМ и
дискретность аналого-цифровых преобразователей приводят к не-
обходимости квантования осредненного значения функции W (х, у)
внутри выделенных участков поля зрения. Чем больше градаций
яркости, тем надежней будут последующие алгоритмы обработки
зрительной информации. Разбиение поля зрения на элементарные
участки может осуществляться неравномерно; дискретность боль-
ше там, где освещенность W (х, у) изменяется быстро.
Таким образом, переход от функции освещенности W (х, у)
к функции массива чисел I (п, т) вызван конечностью памяти
ЭВМ и ограниченностью ее разрядной сетки. Такая замена позво-
ляет считать, что функция I (п, т) задает освещенность плоской
проекции сцены и является элементом входных данных для про-
граммы анализа зрительной информации.
Алгоритмы выделения точек перепада яркости являются по су-
ти алгоритмами численного дифференцирования функции двух пе-
ременных, заданных на целочисленной решетке. Процесс выделе-
ния перепадов яркости изображения состоит из двух этапов —
сглаживания и дифференцирования. Наиболее распространены
операторы, обеспечивающие одновременное сглаживание и диф-
ференцирование функции I (п, т), среди которых наиболее мощ-
ным является оператор Хюркеля [7, гл. 2]. Суть оператора заклю-
чается в следующем. Пусть W (х, у) — функция освещенности,
заданная в многоугольнике Р (рис. 5.1,6), Q — круг, аппроксими-
рующий этот многоугольник (рис. 5.1, в). Введем функцию
I е, ах + Ьу < р
F (х, у, а, Ь, с, d, е) <= \
(е а, ах + by > р
и определим меру близости функций W и F так:
Z(a, b, с, d, е) = f(g(x, y)—F(x, у, a, b, с, d, e)]2dxdy.
Q
188
Задача заключается в подборе параметров a, b, с, d, е, обеспе-
чивающих минимум интеграла меры близости. Для этого необходимо
разложить функции W и F в ряд Фурье на круге Q: x2 + r/2< 1 по
функциям Нп (х, у), п = 0, 1, 2, . . представляющим полную орто-
нормированную систему. Применение указанного оператора приводит
к появлению некоторого перепада q* во всех кругах Q индуциро-
ванного им разбиения. При этом линии контура покрывают лишь
часть поля зрения. Поэтому найденные параметры a*, b*, с*, d*, е*
проверяются на содержймость в выделенном окне части контура по
выполнению неравенства
где /1, /г — пороговые значения чувствительности; Д — косинус угла
между векторами W и F. Для изображений с 16 градациями ярко-
сти 0,86 <С t\ < 0,90; 1,50 < ti < 4,00.
Недостатками описанного оператора являются большое время
обработки и принципиальная невозможность обнаружения пере-
сечения двух и более линий контура.
После того, как с помощью сглаживающих и дифференцирую-
щих операторов применительно к функции освещенности I (п, т)
каждому элементарному многоугольнику из разбиения поля зре-
ния поставлен в соответствие вектор градиента освещенности, пе-
реходят к выделению в поле зрения точек, принадлежащих выде-
ленному контуру. Наиболее простым является способ, заключаю-
щийся в установлении порога чувствительности t, когда точка
считается принадлежащей контуру, если модуль градиента осве-
щенности в исследуемой точке превышает порог чувствительности:
точка (п, т) принадлежит контуру, если | gr (n, т) | > t;
точка (п, т) не принадлежит контуру, если [gr (л, т) | < t.
Поскольку перепады яркости на границах областей в разных
местах поля зрения могут существенно отличаться, более рациональ-
ным является выбор порога t, который зависит от градиента осве-
щенности в окрестности исследуемой точки, например:
trw,, = Д1 max | gr (по + и, ш0+m)
—п^<п^п
Кроме того, выделение контурных точек может заключаться в
сравнении модуля градиента | grad («о» шо) | и возможного направ-
ления контура h (и0, ш0) не только с порогом, но и со значениями
модуля градиента и его направления в соседних точках.
Предварительная информация о виде элементов контура (на-
пример, отрезков прямых, дуг окружности), а также об их воз-
можных направлениях позволяет существенно улучшить процесс
выделения контуров, так как в этом случае ведется целенаправ-
ленный поиск и анализу подвергается не все поле зрения, а лишь
малая часть его. Это способствует увеличению быстродействия
процедуры поиска. Такие методы получили название методов вы-
деления контура с использованием априорной информации.
189
Во всех перечисленных методах для выделения контурных то-
чек использовалась величина градиента освещенности, полученная
«применением оператора сглаживания и дифференцирования.
Возможно также выделение контурных точек методом нара-
щивания области [7, гл. 2], алгоритм которого состоит из разби-
ения поля зрения на элементарно связанные области, число ко-
торых может достигать нескольких сотен, и использования ряда
.эвристических правил для объединенных областей, имеющих об-
щие границы. Одна из возможных эвристик заключается в выпол-
нении условия
G > <pi min (Г1, г2),
«где Г] и г2 — периметры двух соседних областей; h — часть общей
«границы, вдоль которой уровень освещенности разнится не более
чем на некоторое пороговое число t; <pi — некоторый безразмерный
коэффициент. Применение этой эвристики сопровождается лишни-
ми деталями, затемняющими изображение, для ликвидации кото-
рых применяют другую эвристику, связанную с выполнением ус-
ловия
G > угЛ,
определяющего слияние соседних областей с периметрами г\ и г2.
Для картинок, содержащих многогранники, применение ука-
занных эвристик обеспечивает удовлетворительное разбиение ис-
ходного поля зрения. При большей сложности картинок с целью
«предотвращения неправильного объединения областей на ранних
этапах работы алгоритма в процессе анализа изображения уча-
ствует человек, время от времени блокирующий слияние областей.
В результате удается получить двумерный массив координат то-
чек контура, и дальнейшая задача сводится к соединению этих
точек линиями с целью получения окончательного контурного
изображения картинки. Для этого массив разбивается на части,
•соответствующие элементам контура (отрезки прямых, дуги
окружностей, эллипсов), и по этому разбиению строится уравне-
ние соответствующего элемента. Процесс разбиения множества
точек на подмножества, каждое из которых соответствует одному
элементу контура, называется сегментацией контура.
За сегментацией следуют этапы подгонки линий, т. е. аппрок-
симации выделенных подмножеств точек элементами контура,
а также поиска узловых точек — вершин контура. Последователь-
ный принцип организации программ выделения контура представ-
лен на рис. 5.2. Как видно из схемы, последним этапом является
описание контурного изображения. Это описание включает топо-
логические и метрические свойства контурного рисунка. Часть
описания, относящаяся к топологии, обычно реализуется в виде
описания элементов контура (узлов, ребер и областей) и отноше-
ний между ними. Метрические свойства выражаются координата-
ми узлов контурного рисунка. Эти свойства используются в даль-
нейшем при анализе контура и при индентификации объектов кар-
тинки и определении их пространственного расположения.
Д90
Рис. 5 2. Схема последовательности выделения контура.
Основной задачей, решаемой системой обработки зрительной
информации, является получение ответа на вопросы нахождения
месторасположения объекта в рабочем пространстве. Процесс
анализа контурного рисунка производится на основании свойств
узлов на плоском изображении картинки. Под узлом же понима-
ется точка, в которой сходятся две или более линии контура сце-
ны. Узлы классифицируются на типы по относительному располо-
жению и количеству входящих в них линий (рис. 5.3, а). Размет-
ка линий контура без учета теней может быть представлена
рис. 5.3, б. Линии контура сцены, как правило, являются ребрами
объектов. В соответствии с рис. 5.3, б выделяют девять разметок
ребер:
неразделимое выпуклое ребро, образованное пересечением двух
видимых плоскостей, составляющих выпуклый угол; Rt и R2—
области, принадлежащие одному телу;
неразделимое вогнутое ребро, образованное пересечением двух
видимых плоскостей, составляющих вогнутый двухгранный угол;
Ri и R2 — области, принадлежащие одному телу;
загораживающее ребро, образованное пересечением двух тел,
причем тело, частью которого является область R2, загораживает
тело, частью которого является область R,;
то же, но Ri загораживает R2,
разделимое загораживающее вогнутое ребро R2 поддержи-
вает Ri;
то же, но Ri поддерживает R2;
разделимое вогнутое ребро, образованное соприкосновением
трех тел, причем /?! и R2 принадлежат разным телам, которые не
могут опираться друг на друга;
ребро стыка, образованное соприкосновением граней двух тел,
причем грани лежат в одной плоскости; R2 лежит перед Re
то же, но Ri лежит перед R2.
Приведенные девять разметок формализуют способы получе-
ния линий в реальных картинках и представляют собой возмож-
ные трехмерные интерпретации линии. Пользуясь этими разметка-
ми, можно разметить всю картину (см. рис. 5.3, в).
Для успешного взаимодействия робота, снабженного системой
зрительного восприятия, с окружающей средой, ему необходимо
191
Рис. 5.3. Классификация узлов (а), разметка линий контура (б) и раз-
метка картинок (в).
решать задачи индентификации объектов картинки. Под инденти-
фикацией объектов картинки понимают приписывание каждому
из них имени из набора имен прототипов, описание которых хра-
нится в ЭВМ. Таким образом, необходим способ описания прото-
типов и сравнения этого описания с полученными в процессе ана-
лиза картинки. В результате принимается решение о наличии или
отсутствии в поле зрения того или иного объекта.
Одним из способов описания прототипа является задание его
функции освещенности pf (п, пг) в некоторой области Plt причем
индекс характеризует номер прототипа среди хранящихся в памяти
ЭВМ. Для выяснения того, содержит ли сцена с функцией осве-
щенности I (п, пг) заданный прототип с освещенностью pf (п, т), не-
обходимо ввести меру близости между этими функциями (7, гл. 2):
zf i) = S П (n> m>> — Pf(n — if rn. — /);.
(n—I.
Поскольку месторасположение прототипа заранее неизвестно, мера
близости Zt является функцией двух аргументов i и /, характери-
зующих плоскопараллельный сдвиг прототипа без изменения его
ориентации. Расстояние между прототипом с номером f и объектом
Z? (io, jo) = min Zf (i, j).
a. pQd
Ближайшим идентифицируемым прототипом присутствующего на
картинке объекта является прототип с номером
/’ = argminZ° (i0, j0).
192
Рис. 5.4. Графы элементов контура для описания пирамиды (а), вершинами которого
служат узлы (б), ребра (в) и области (г).
Таким образом, из памяти машины будет выбран такой прото-
тип, для которого мера близости с объектом минимальна. Для
описания прототипов была выбрана функция освещенности, т. е.
характеристика самого низкого уровня. Можно получить более
тонкую процедуру идентификации, если воспользоваться тополо-
гическими свойствами прототипа. Суть процедуры заключается
в том, что прототип описывается совокупностью графов, вершины
которых представляют один из трех элементов контура (узел,
ребро или область), а ребра — отношения соседствования между
элементами контура. В качестве примера на рис. 5.4 показаны
графы элементов контура, служащие описанием для пирамиды.
Если каждому прототипу поставлен в соответствие граф, процесс
идентификации каждого объекта картинки заключается в провер-
ке изоморфности графа объекта графу одного из прототипов. Ис-
пользование такого способа позволяет идентифицировать все тела
с плоской проекцией, топологически совпадающей с прототипом.
Для исключения ошибок при идентификации различных фигур,
описываемых одинаковыми изоморфными графами, необходимо
каждой вершине графа приписать свойства, касающиеся свойств,
характерных для узла, ребра, области.
Работа программы анализа зрительной информации заканчи-
вается идентификацией тел анализируемой картинки и выясне-
нием их пространственного расположения. В дальнейшем форми-
руется программа управления исполнительными механизмами ма-
нипуляционной системы робота. В частности, при решении задач
сборки соединений из комплектующих элементов конструкции
основная цель будет заключаться в организации сборочного про-
цесса таким образом, чтобы не допустить развала картинки, так
как повторный ее анализ занял бы дополнительное время и сни-
зил эффективность применения системы зрительного восприятия
для решения прикладных задач робототехники.
5.3.	Сенсорные устройства внутренней информации
Основными параметрами промышленных роботов, требующими
измерения (регистрации) в процессе их работы, являются сило-
вые деформации (усилия, крутящие и изгибающие моменты)
и линейные и угловые перемещения элементов манипуляционной
74-251
193
системы. Соответствующие скорости и ускорения звеньев легко
определяются путем последовательного дифференцирования.
Угловые перемещения чаще всего измеряются потенциометри-
ческими датчиками, преобразующими угол поворота в напряже-
ние. Точность прецизионных потенциометров достигает 0,01—
0,05 %, а разрешающая способность — до 0,01 °/0. Как правило,
повышение разрешающей способности сопровождается увеличе-
нием габаритных размеров прецизионных потенциометров (диамет-
ром до 150 мм, высотой до 90 мм). Это создает определенные
трудности в использовании потенциометров в качестве устройств
внутренней информации для промышленных роботов, особенно
минироботов.
Широкое распространение в робототехнике получили многообо-
ротные спиральные потенциометры с малыми габаритными раз-
мерами и высокой разрешающей способностью. Однако общие
недостатки потенциометрических датчиков — износ трущихся
токосъемных элементов, ограниченная разрешающая способность
и низкая чувствительность по напряжению — обусловливают сни-
жение надежности функционирования в промышленной робото-
технике. Использование же потенциометрических датчиков для
измерения линейных перемещений связано с необходимостью пре-
образования линейного перемещения во вращательное движение,
что приводит к потере информации в связи с погрешностями пре-
образования. Применение вращающихся трансформаторов и сель-
синов позволяет получать напряжения переменного тока, пропор-
циональные тригонометрическим функциям угла поворота или
самому углу в интервале рабочего измерения 0—л. К недостаткам
трансформаторных преобразователей можно отнести низкую точ-
ность воспроизведения функции угла поворота, не превышающей
в большинстве случаев 0,1 %.
Для измерения линейных перемещений используются также
индуктивные датчики. Однако для непосредственного измерения
перемещения с помощью таких датчиков необходим рабочий диа-
пазон перемещения подвижного звена до 100 мм. Для повышения
точности измерения применяют датчики дифференциального типа
с двумя рабочими обмотками. К основным недостаткам таких дат-
чиков, кроме ограниченного диапазона перемещения, следует от-
нести нелинейность характеристик, что затрудняет их широкое
использование в качестве сенсорных устройств для определения
величины линейных перемещений рабочих органов манипуляцион-
ной системы.
Значительно выше пределы измерения и чувствительность у
преобразователей с проходным зубчатым якорем, где уменьшение
магнитного сопротивления в воздушном зазоре достигается путем
увеличения количества рабочих граней, т. е. создания полюсных
наконечников на сердечниках и якоре не плоской, а зубчатой фор-
мы. Повышение чувствительности достигается одновременной ра-
ботой нескольких зубцов полюсных наконечников и дифферен-
циальностью при взаимном сдвиге сердечников на половину шага
резьбы якоря.
194
Рис. 5.5. Схема индуктивного преобразователя линейных перемещений.
Для отсчета линейных или угловых перемещений с ценой де-
ления, меньшей величины шага нарезки зубцов, используется
индуктивный преобразователь (рис. 5.5), по конструктивному
оформлению аналогичный преобразователю с проходным зубча-
тым якорем. Отличительной чертой такого устройства является
наличие дополнительной пары сердечников, сдвинутой относитель-
но основной пары на целое число четвертей шага резьбы преобра-
зователя. Датчик состоит из шины 2 с магнитными пластинами
(магнитная «шкала») и индикаторных головок 1. Расстояние С
между магнитными пластинами равно ширине пластины f.
Таким образом, величина шага к — C + f. Здесь IF, и W?—
катушки возбуждения, а IF,, Wi, W? и IF?— индикаторные катушки,
смещенные на расстояние пк -4- у • Наименьшее магнитное сопротив-
ление у выступа с обмоткой У выступов с обмотками IF? и IF?
магнитное сопротивление одинаковое. Катушки IF , и IF? соединены
последовательно и питаются от сети переменного тока частотой
400 Гц, наводя в сердечниках 1 магнитные потоки Ф\ и Ф2 соот-
ветственно. При перемещении индикаторной головки относительно
магнитной шкалы значение общего магнитного сопротивления, а сле-
довательно, и величины суммарных магнитных потоков Фь Фл оста-
ются постоянными.
Значения потоков 0, Нфр
Ф, = ф0 4- ДФ sin 2тс у; .
ф\ ~ф(у — ДФг sin
где Фо — мгновенное значение общего потока Ф,; Фп == Ф,;1 sin <»г;
ДФо — половина амплитуды отклонения магнитного потока в одном
выступе за один шаг при х = пк', х — сдвиг индикаторной головки;
ш — круговая частота напряжения питания катушки возбуждения.
Значения потоков Ф? и Ф2-
Ф‘2 = Фл + Д Фо cos 2тс 4;
Л
ф^ = ф(. — ДФ0 COS 2т: у.
В индикаторных катушках наводятся напряжения
X
Ei =-----г = —Ф,по> cos wt — &Фт<о cos <ot • sin 2л —;
at	л
f" _ —	= —фтю cos iot + ДФт<и cos iot - sin 2л E
dt	k
Катушки W7! и Wi (соответственно W2 и IF2) соединены последо-
вательно и встречно. При этом общее напряжение, индуцируемое
в элементах /,
Е\ = Е\—= 2ДФтш cos wZ-sin 2л^-;
Е2 = Е2— Еч = 2ДФто> cos wOcos 2л 4,
Частота этих напряжений совпадает с частотой напряжения пи-
тания, а амплитуда является циклической функцией сдвига х с перио-
дом Т. После сдвига напряжения Е2 на у имеем
Его = 2ДФти> sin iot • cos 2л 4-.
Суммируя Ei и Е2, получим результирующее выходное напря-
жение
Ер = A sin (wt 4- пх),
где А = 2ДФтш; п =
А
Таким образом, сдвиг по фазе напряжения Ер относительно
входного напряжения Евх прямо пропорционален перемещению
х. Описанный преобразователь довольно прост, но требует точно-
го изготовления и качественного монтажа. Одним из серьезных
недостатков преобразователя является трудность обеспечения ли-
нейно изменяющейся индукции вследствие неоднородности мате-
риала магнитопровода. Для уменьшения влияния неоднородности
материала на линейность выходной характеристики прибегают к вы-
сокотемпературному отжигу образцов с последующим медленным
охлаждением.
К преобразователям, основанным на фазовом принципе дей-
ствия, относятся индуктосины и поворотные трансформаторы,
используемые, главным образом, для выполнения различных мате-
матических операций над тригонометрическими величинами и ре-
же— как датчики в системах информационного обеспечения ПР.
Особую группу сенсорных устройств внутренней информации
ПР, предназначенных для измерения линейных и угловых пере-
мещений, представляют счетно-импульсные и кодовые датчики,
т. е. датчики, у которых выходная величина характеризуется
числом импульсов или определенным набором сигналов. В тех
случаях, когда требуется различать направление изменения из-
196
Рис. 5.6. Электромагнитный преобразователь линейных перемещений!
а — схема преобразователя; б —рабочая характеристика; в — система отсчета
информации.
меряемой величины, применяют двухфазную систему восприни-
мающих элементов.
Кодовые фотоэлектрические датчики угловых перемещений [5]
осуществляют преобразование угла поворота исполнительных ме-
ханизмов манипуляционных систем ПР в последовательность им-
пульсов (унитарный код) или определенный набор сигналов (на-
пример, циклический или двоичный код).
Особенностью электромагнитных преобразователей линейных
и угловых перемещений является возможность совмещения функ-
ций задающего и контролирующего устройства в одной конструк-
ции [7]. Схема одной из разновидностей такого преобразователя
представлена на рис. 5.6. Преобразователь состоит из двух основ-
ных элементов: вала 3 с профилированной резьбой, в которую
укладывается бифилярно питающая обмотка 4, блока втулок 1 с
аналогичными резьбами на внутренних поверхностях, в пазы кото-
рых также бифилярноуложены измерительные обмотки (рис. 5.6, а).
Втулки разнесены так, что нитки резьб каждой из втулок сдвину-
ты на ’Д шага резьбы. Задание на отработку рабочими органами
ПР линейных или угловых перемещений определяется относитель-
ным смещением ниток резьбы вала с уложенной в пазы резьбы
питающей обмоткой и ниток резьбы втулок, конструктивно за-
крепленных в общем корпусе 5. При этом неважно, как задано это
смещение — линейным перемещением вала относительно блока
втулок либо поворотом на определенный угол вала относительно
втулок (или, наоборот, втулок относительно вала). С позиционируе-
мым узлом 2 соединяют либо вал 3, либо блок измерительных
втулок 1. Вся система установлена на подшипниках 6. Обмотки
втулок работают в определенной последовательности, при которой
поочередно используются только выделенные линейные участки
характеристики /—IV (рис. 5.6, б). Для отчета информации о пе-
ремещении позиционируемого узла используется измерительная
197
схема с каналами грубого КГО и точного КТО отсчета (рис. 5.6, s).
Входящий в состав КГО триггер Шмитта ТШ фиксирует моменты'
прохождения развертками выходных сигналов обмоток втулок, т. е.
переходы через нулевые значения сигналов (каждые '/< шага);
Отсчет перемещений внутри ’Д шага ведется каналом КТО.
С этой целью кодо-аналоговым преобразователем АКП осуще-
ствляется перевод уровня напряжения, соответствующего теку-
щему положению перемещаемого узла, в число импульсов.
В остальном каналы КГО и КТО содержат аналогичные по
функциональному назначению блоки: накопители Н импульсов,
преобразователи П двоичного кода в десятичный и блоки визуаль-
ного контроля за отработкой рабочими органами манипулирующей
системы заданной программы. Измерительный блок ИБ, кроме ин-
формационного датчика ИД перемещений, содержит также уси-
литель У и фазочувствительный выпрямитель для определения
направления линейного (углового) перемещения рабочих органов
ПР. Диапазон измерений описанного преобразователя составляет
200 мм при точности 0,05 мм линейных перемещений.
Как правило, объем обрабатываемой информации у адаптив-
ных роботов требует использования специального вычислителя
или ЭВМ для ее обработки, в связи с чем возникает необходимость
построения дискретных цифровых измерительных систем, у кото-
рых унифицированным выходным параметром является число
импульсов или код, а не аналоговая величина тока или напряже-
ния. Поэтому предпочтение должно быть отдано созданию непосред-
ственно дискретных, например частотных, датчиков, основой
которых являются автоколебательные системы в режиме генерации.
При этом измеряемая величина является элементом частотно зави-
симой цепи автоколебательной системы и определяет тем самым
значение генерируемой частоты. В результате частота выходных
импульсов является однозначной функцией измеряемой величины.
Частотные датчики с сосредоточенными электрическими парамет-
рами представляют собой электронные генераторы, в частотно за-
висимую цепь которых включаются параметрические датчики актив-
ного, индуктивного или емкостного сопротивления. В частности, при
использовании емкостных датчиков с переменной площадью пере-
крытия можно обеспечить квадратичную зависимость емкости от
измеряемой величины. В этом случае период генерируемых коле-
баний является принципиально линейной функцией измеряемой ве-
личины, а заполнение его импульсами образцовой частоты позво-
ляет создать простую число-импульсную систему высокой точно-
сти [7].
Наряду с измерением угловых и линейных перемещений часто
необходимо иметь информацию о различного рода деформациях
и механических напряжениях в звеньях манипуляционной системы
ПР или в захватных устройствах, особенно при работе последних
с легкодеформируемыми или повреждаемыми поверхностями
объектов захвата.
Для измерения относительных деформаций в пределах 0,005—
1,5 % используются проволочные тензометры на бумажной осно-
198
ве, а также фольговые и пленочные тензосопротивления с крайне
малой инерционностью, позволяющей применять их в диапазоне
частот 0—100 кГц. Однако ограничивающим фактором у таких
датчиков является частотная характеристика, и этот фактор следует
учитывать при создании РТК-
Значительно эффективнее полупроводниковые тензодатчики как
с положительным, так и с отрицательным коэффициентом тензо-
чувствительности, имеющие малые габаритные размеры (до 1 мм),
высокую тензочувствительность (на два порядка выше, чем у про-
волочных тензометров) и высокий уровень выходного сигнала за
счет встроенного усилителя. Однако при использовании полупро-
водниковых тензосопротивлений следует принимать во внимание
зависимость коэффициента тензочувствительности от уровня де-
формации, температуры, удельного сопротивления материала, что
ограничивает область их применения в промышленной робото-
технике.
Более надежными являются магнитоупругие датчики, принцип
действия которых основан на изменении намагниченного состояния
ферромагнитного материала, помещенного в стабильном и неиз-
менном магнитном поле под действием переменных напряжений,
вызванных силами скручивания, сжатия, растяжения или изгиба.
При этом деформирующийся элемент магнитоупругого силоме-
ра является датчиком механических напряжений и одновременно
выполняет функции преобразователя механических величин в
электрические. Конструкция датчика, преобразующего давление
в электрический сигнал, изображенная на рис. 5.7, а, представляет
собой выполненный из сплошного металла магнитопровод 1, имею-
щий замкнутую магнитную цепь с обмоткой 2 на среднем стержне,.
В последнем имеется открытая с одной стороны полость с запол-
нителем 3 (водой или маслом), через который давление контро-
лируемой среды передается преобразователю. Гибкая прокладка 4
служит одновременно воспринимающим элементом датчика. Элект-
рическая схема датчика (рис. 5.7, б) состоит из двух симметрич-
ных половин — магнитоупругих преобразователей П1 и П2, нагру-
жаемых соответственно измеряемой нагрузкой Р1 и опорной на-
грузкой Р2, выпрямительных мостов В1 и В2, а также источников
питания U1 и U2. Выход схемы нагружен на измерительный при-
бор ИП. Для выбора рабочих точек обеих половин схемы, а так-
же с целью удобства настройки схемы на начальный сигнал ис-
пользуются регулировочные сопротивления R1 и R2. Сопротивле-
ниями Rk обеспечивается компенсация температурной погрешно-
сти, возникающей в выпрямителях при изменении окружающей
температуры.
При нагружении преобразователя П1 измеряемой силой Р1 из-
меняются магнитная проницаемость щ и комплексное сопротивле-
ние датчика Z1, вследствие чего на выходе схемы появляется про-
порциальное усилию напряжение Ui=f(Pi). Магнитная про-
ницаемость и комплексное сопротивление опорного преобразова-
теля П2, нагруженного постоянной силой Р2, остаются неизмен-
ными и напряжение на выходе выпрямителя В2 не меняется.
199
Рис. 5.7. Магнитоупругие преобразователи давления:
а — конструкция преобразователя; б — измерительная схема; в — схема включе-
ния дроссельного термокомпеисированного преобразователя.
Поскольку напряжения UZ1 и UZ2 включены встречно, резуль-
тирующее напряжение (7ВЬП пропорционально разности контроли-
руемого и опорного давления, т. е.
^вых = U\ — и^ = f (Р| — Р2).
Описанный датчик может быть использован для измерения как
малых, так и больших (от 5,0 Н и выше) сил.
Конструкция дроссельного термокомпенсированного датчика,
предназначенного для измерения сжимающих усилий в диапазо-
не 0—20 Н, представлена на рис. 5.7, в. Магнитопровод датчика
имеет три стержня, причем сечение среднего стержня 1 с питаю-
щей обмоткой не менее чем в два раза превосходит сечения бо-
ковых стержней 2 и 3 со вторичными обмотками W? и .В схем-
ном отношении датчик представляет собой два независимых дрос-
селя, выполняемых на отдельных боковых ветвях трехстержневого
магнитопровода. Измеряемая сила Р подается на одну из бо-
ковых ветвей магнитопровода, в то время как другая служит в ка-
честве компенсационного опорного датчика. В принципе работа
такого датчика аналогична работе схемы с двумя датчиками, но
имеет некоторые преимущества. В частности, трехстержневая кон-
струкция датчика является термокомпенсированной в силу того,
что обе половины датчика работают в идентичных температурных
условиях. Кроме того, магнитопроводы обеих половин датчика
совершенно идентичны и обладают одинаковыми характеристика-
ми, так как выполнены из одной заготовки. Схема включения дат-
чика также является упрощенной по сравнению с описанной. Раз-
ность напряжений U\ и £/2, снимаемых с выпрямителей В1 и В2,
пропорциональна изменению силы Р. Компенсация начального
уровня сигнала осуществляется сопротивлениями R1 и R2.
200
Параметром, характеризующим изменение нагрузки в приводах
ПР, может служить пропорциональная величина — крутящий мо-
мент, который также можно определять магнитоупругими сило-
метрами [8]. Принцип их действия основан на изменении намагни-
ченного состояния ферромагнитного материала, помещенного в ста-
бильное магнитное поле, под действием переменных напряжений,
вызванных возникновением сил скручивания, сжатия, растяжения
и изгиба.
5.4.	Сенсорные устройства внешней информации
Существуют два класса задач построения модели внешней сре-
ды. Первый класс связан с работой в хорошо организованной (упо-
рядоченной) среде. Сюда относится построение моделей внешней
среды промышленных и подвижных роботов, основанных на апри-
орной информации о ее свойствах — расположении и описании
объектов, а также на специально организованной информации —
отличительных признаках объектов, меток-ориентиров и меток-
классификаторов и других. Вопросы построения систем информа-
ционного обеспечения промышленных роботов в данном случае ре-
шаются с учетом оптимального распределения функций среды
и собственно ПР по обеспечению робототехнической системы тре-
буемым объемом информации.
Второй класс задач построения модели внешней среды связан
с работой в заранее неопределенной или недостаточно упорядочен-
ной среде. Подобные задачи возникают при работе с объектами,
месторасположение которых заранее неизвестно, а наличие не-
скольких различимых положений предполагает поступление объек-
та на позицию опроса в любом из этих заранее неопределяемых
положений.
Таким образом, оба класса задач построения модели внешней
среды могут быть решены путем использования специальной из-
бирательности восприятия, которая обеспечивается системой. Ха-
рактерными для обоих классов являются следующие принципиаль-
ные особенности работы ПР: активному изучению (ощупывание
тактильными сенсорами, обзор — фотометрическими и дальномет-
рическими устройствами, «прослушивание» — сенсорами с гене-
рацией направленных высокочастотных сигналов и т. д.) подлежат
наиболее информированные части объекта и пространства, обла-
дающие существенными отличительными признаками; ориентация
сенсоров в пространстве осуществляется по нормали к изучаемой
(облучаемой) поверхности объекта или по максимальному уров-
ню отраженного сигнала в заданных точках (временных интерва-
лах) траектории движения рабочих органов манипулирующей си-
стемы ПР; происходит разделение функций робота на фазу освое-
ния пространства (создание модели, выделение ориентиров, при-
нятия решения о траектории движения и др.) и фазу выполнения
работы (собственно взаимодействие рабочих органов манипуля-
ционной системы ПР с окружающей средой). Эти фазы могут
201
р
Рис. 5.8. Схемы датчиков:
а — тактильного; б — с использованием поверхностных ультразвуковых волн;
в — фотометрического ближнего обнаружения.
перекрываться во времени, и в этом случае требуется меньший
объем памяти для хранения информации о внешней среде, но в то
же время достоверность принимаемых решений будет менее обо-
снованной.
Если, как было отмечено выше, основной задачей восприятия
внешней среды является построение на основе вычислительно-ло-
гической обработки информации образа (или модели) внешней
среды, то задачей сенсорных устройств внешней информации
является обеспечение управляющей системы ПР необходимыми
составом и объемом информации о состоянии внешней среды
и результатах воздействия на нее рабочих органов ПР. Человек
в условиях практически неорганизованной среды действует целе-
направленно, так как с помощью центральной нервной системы
и органов чувств собирает информацию о внешней среде и объек-
тах взаимодействия, обрабатывает ее и разумно строит свои фи-
зические движения. Ту же роль в промышленных роботах выпол-
няют сенсорные устройства сбора информации о состоянии внеш-
ней среды. В РТС применяются две группы таких устройств.
К первой группе относится тактильные датчики, в которых
усилие преобразовывается в деформацию чувствительного элемента
либо в перемещение подвижной части чувствительного элемента.
Отличительной особенностью таких датчиков является возмож-
ность приложения значительных статических и динамических на-
грузок.
На рис. 5.8, а приведена конструкция тактильного датчика с
жесткой рабочей поверхностью в виде металлической пластины 4,
свободно подвешенной на плоских пружинах 2. Чувствительные
элементы в виде магнитоупругих, кристаллических полупровод-
никовых, пьезоэлектрических и других устройств (на рисунке не
показаны) могут быть расположены по периметру рабочей плас-
тины 4 в нескольких точках. Это позволяет суммировать сигнал
и повысить общую чувствительность и избирательность тактильно-
го датчика практически независимо от места приложения внешне-
го усилия Р. Датчик можно плавно регулировать (настраивать)
202
винтами /, с помощью которых изменяется жесткость плоских
пружин, а следовательно, рабочий диапазон измеряемых усилий.
Отсутствие трения в направляющих 5 позволяет уменьшить поте-
ри и использовать датчик для измерения малых усилий, а нали-
чие упоров 3 предохраняет конструкцию датчика от перегрузок.
Особое значение это имеет в случае использования в качестве
чувствительных элементов тензоэлементов, резистивный элемент
которых выполнен из полупроводникового материала, например
кремния. Эти тензодатчики способны обеспечить выходное напря-
жение почти в 100 раз больше, чем обычные тензосопротивления,
однако в них затруднена компенсация температурной зависимости
с помощью термисторов.
Поскольку полупроводниковый материал не обладает доста-
точной пластичностью, т. е. возможны его разрушения от резких
изгибов и нажатий, в конструкции датчика предусмотрены упоры 3.
Коэффициент тензочувствительности /G определяется удельным
сопротивлением р материала, длиной I, площадью S и объемом V
тензодатчика и электрическим сопротивлением г [1, гл. 4].
Обычно Кт = 2,2. Фактически
Кт=(1+2v) + [(dp/p)/(dl/01,
где v — коэффициент Пуассона. Первый член описывает пространст-
венный эффект (v = 0,33 для металлов). Для полупроводников основ-
ным является второй член, который описывает пьезорезисторный
эффект.
Рассмотренный тактильный датчик используется в качестве ор-
гана осязания для кисти (захватного устройства) ПР. При необ-
ходимости использования большого количества тензодатчиков,
расположенных в непосредственной близости друг от друга (как
в промышленных роботах), целесообразно применять импульсное
возбуждение для развязки измерительной системы и исключения
взаимных помех при работе тензодатчиков.
К простейшим типам тектильных датчиков относятся контакт-
ные датчики, в которых механические перемещения вызывают за-
мыкание или размыкание контактов. Наибольшее распространение
в промышленной робототехнике получили датчики с магнитоуправ-
ляемыми контактами (герконы), которые свободны от присущих
контактным датчикам недостаткам: невозможности использования
в химически активной среде и под водой, необходимости периоди-
ческой зачистки контактов и др. Такие датчики представляют со-
бой стеклянную герметичную капсулу с нейтральным газом или
вакуумом, в которую вмонтированы пластинки из ферромагнитно-
го материала с контактными поверхностями в виде специальных
покрытий для уменьшения их износа в процессе срабатываний
датчика. Под действием на капсулу внешнего магнитного поля кон-
такты замыкаются, включая те или иные управляющие цепи си-
стемы управления ПР. Время срабатывания — до 3 мс, отпуска-
ния— 0,8 мс; общее число срабатываний — до 108. Датчики с маг-
нитоуправляемыми контактами являются помехозащищенными от
внешних электрических полей, обладают вибро и ударостойкостью,
203
могут работать в широком диапазоне температурных колебаний
окружающей среды.
В промышленной робототехнике возможно применение тактиль-
ных датчиков с использованием поверхностных ультразвуковых
волн, генерируемых источником ультразвуковых колебаний [1(
гл. 4]. Работа таких датчиков основана на использовании эффек-
та поверхностного распространения ультразвуковых волн, пред-
ставляющих собой наложение продольных и поперечных поверх-
ностных волн по отношению к направлению распространения ко-
лебаний. Для создания такого эффекта источник колебаний 2
(рис. 5.8, б) должен располагаться под определенным углом к по-
верхности 1, деформацию которой требуется измерить. Деформация
поверхности 1 может быть следствием, например, воздействия
сил на губки захватных устройств ПР, возникающих при пе-
рекосах сопрягаемых в процессе сборки деталей, когда опера-
ция сборки осуществляется непосредственно промышленным ро-
ботом.
Необходимый угол наклона излучателя обеспечивается приз-
матическим клином 3, угол которого подбирается таки-м образом,
чтобы, выходя из призмы, волна распространялась вдоль поверх-
ности до встречи с приемником 4. При наличии деформации
поверхности 1 ультразвуковая волна изменяет фазу и амплитуду,
что фиксируется приемником 4. Основными ограничениями для
нормальной работы такого датчика являются требования непре-
рывности поверхности 1 и отсутствие резких изменений ее кривиз-
ны. Для обеспечения поверхностного эффекта оптимальным явля-
ется диапазон ультразвуковых колебаний 1 —10 МГц.
Вторая группа датчиков сбора информации о состоянии внеш-
ней среды включает датчики ближнего обнаружения объектов и
препятствий. Это, прежде всего, фотометрические датчики, осуще-
ствляющие измерение интенсивности отраженного светового пото-
ка с модулированием по амплитуде светового потока источника
света для обеспечения избирательности в условиях светового шу-
ма. Такие фотометрические устройства содержат два канала: ка-
нал излучения светового потока и воспринимающий канал. Канал
излучения содержит набор стандартных элементов — модулятор М
(рис. 5.8, в), источник света И и оптическое фокусирующее уст-
ройство Ф. Воспринимающий канал содержит приемное оптическое
устройство П, фотодатчик ФД (фотодиод или фототранзистор) и из-
бирательный мультивольтметр В. Система облучения и измерения
настраивается таким образом, чтобы рабочая зона РЗ охватывала
полностью облучаемый объект О или характерный (отличительный)
признак объекта, например участок его тела с явными отличи-
тельными признаками. Эта рабочая зона образуется пересечением
излучаемого и принимаемого светового потока. Датчик обладает
высокой чувствительностью и избирательностью к изменению ин-
тенсивности светового потока при небольших габаритных разме-
рах (объем до 1,5-10-6 м3, масса до 60 г).
В оптически малопрозрачных средах использование фотометри-
ческих датчиков малоэффективно, в связи с чем целесообразно
204
Рис. 5.9. Схема высокочастотного датчика обнаружения.
использование ультразвуковых и высокочастотных датчиков.
Такие датчики могут применяться для решения задач не только
распознавания формы и положения объекта, но и материала, на-
личия скрытых дефектов у объектов распознавания.
Работа ультразвукового датчика ближнего обнаружения осно-
вана на регистрации сигналов, отраженных от предметов в зоне
устойчивых восприятий приемника (в интервале 0,01—0,1 м).
Весьма перспективными являются высокочастотные датчики,
принцип действия которых основан на особенностях распростране-
ния высокочастотного электромагнитного поля. Измерения могут
проводиться бесконтактным способом на расстоянии в несколько
миллиметров от измеряемой поверхности, а также при разделении
измерительного устройства от поверхности контролируемой дета-
ли металлической стенкой, что особенно важно при расположении
измерительной позиции в непосредственной близости от рабочей
зоны. Указанные преимущества, а также электрический выход и
малая инерционность позволяют легко встраивать такие прибо-
ры в системы информационного обеспечения промышленных
роботов.
Схема высокочастотного датчика [7], представленная на рис.
5.9, включает генератор Г, собранный по схеме гетеродина с за-
земленной средней точкой (контур Ы—L2—L3—С6 и транзистор
VT1); фильтр сосредоточенной селекции ФСС (контуры L4—СЗ—
С4 и L5—C8 с емкостной связью Cs); апериодического усилителя
АУ (собран на транзисторе VT2); индикатора ИП и блока пита-
ния БП.
Гетеродин собран по схеме с емкостной обратной связью С7,
с помощью которой подбирается необходимый уровень генерации.
Частота генерации может быть достаточно высокой (до 5 МГц) и
регулируется весьма устойчиво. Для понижения интенсивности
комбинированных частот путем подбора емкости обратной связи
устанавливается необходимая амплитуда генерации.
205
Максимальная чувствительность датчика обеспечивается пра-
вильным подбором режима работы первого транзистора VT1, что
достигается регулированием смещения, определяемого делителем
R1—R2. Наличие выносной измерительной головки ИГ (L2), со-
стоящей из ферритового сердечника и обмотки, помешенных в фер-
ритовый концентратор, позволяет проводить дистанционные изме-
рения, если основная схема датчика с индикатором располагается
в безопасном и удобном для наблюдения месте.
С изменением расстояния между измерительной головкой и
контролируемой поверхностью меняются потери поля, а вместе с
тем и комплексное сопротивление контура L1—L2—L3—С6. По-
следнее приводит к отклонению частоты генератора от резонанс-
ной, на которую с помощью индуктивностей L4 и L5 настраива-
ется фильтр ФСС, а также к изменению тока в коллекторной цепи
транзистора VT2 (фиксируется индикатором ИП).
Каждому типовому размеру и материалу измеряемых деталей
соответствует определенный габаритный размер ферритового кон-
центратора. Настройка прибора осуществляется по рабочей харак-
теристике датчика, из которой следует, что начальный зазор между
торцевой поверхностью измерительной головки и контролируе-
мой деталью должен соответствовать настройке датчика на часто-
ту, при которой характеристика имеет максимальный наклон (что
соответствует максимальной чувствительности) при необходимой
для диапазона измерений величине линейного участка.
Перспективными устройствами очувствления промышленных ро-
ботов являются пневмоакустические чувствительные элементы [6].
В состав таких устройств входят пневмоакустические генераторы,
акустико-пневматические преобразователи, концентраторы акусти-
ческих колебаний и вторичные преобразователи (рис. 5.10). Ряд
свойств, общих для перечисленных устройств (миниатюрность,
экономичность, простота конструкции и достаточная мощность
206
ультразвукового излучения при значительной пропускной частот-
ной способности и\ чувствительности акустико-пневматических пре-
образователей) делают этот класс чувствительных элементов весь-
ма перспективным для использования в промышленной робототех-
нике при создании систем информационного обеспечения робото-
технологических комплексов.
Наиболее полно перечисленные требования удовлетворяются в
генераторе с угловым расположением резонатора относительно пи-
тающего сопла (рис. 5.11, а). Особенностью такого генератора яв-
ляется относительно низкое давление питания Р (до 60 кПа) с ча-
стотой излучаемых колебаний 20—60 кГц. Генератор состоит из
корпуса 3 с расположенным на нем питающим соплом 1 с резо-
натором 2, установленным под определенным углом к образующей
сопла. Резонатор представляет собой глухое отверстие с диамет-
ром d и длиной I. При движении потока воздуха из сопла 1 к ре-
зонатору 2 в последнем возбуждаются акустические колебания,
излучаемые в окружающее пространство с частотой f=(l+
0,39d) с/4, тле с—скорость звука. При выборе конструктивных па-
раметров пневмоакустических генераторов следует принимать:
c/=l,2D; Z= (2,5—3);	ср = 40—60°, причем D — диаметр пита-
ющего сопла /.
Акустико-пневматический преобразователь является приемни-
ком акустических колебаний и осуществляет преобразование по-
следних в давление. Он состоит из корпуса 1 с расположенными
в нем двумя капиллярами: питающим 2 и приемным 3 (рис. 5.11, б).
!	2
Рис. 5.11. Элементы пневмоакустического датчика внешней локации (а — генератор;
б - акустико-пневматический преобразователь и схема расположения датчика иа
манипулирующей системе промышленного робота («).
207
Между капиллярами расположена диафрагма 4. Работа преоб-
разователя основана на эффекте турбулизации ламинарного пото-
ка, попадающего в приемный капилляр 3 и создающего на его вы-
ходе давления. Турбулизация ламинарного потока происходит в
результате воздействия на него акустического сигнала определен-
ной частоты /т, так что давление в приемном канале капилляра 3
уменьшается. При этом диафрагма 4 снижает остаточное давление
в приемном капилляре. Для повышения чувствительности, рабочего
диапазона измерений и направленности пневмо-акустических уст-
ройств применяются фокусирующие элементы.
Примером использования пневмоакустического датчика внешней
локации для очувствления промышленного робота при решении за-
дач обнаружения и выведения рабочих органов в зону расположе-
ния объектов может служить приведенная на рис. 5.11, в схема
манипулятора с пневмоакустическим локатором [6]. Манипулятор
состоит из пневмоцилиндра 1 модуля линейных радиальных пере-
мещений, на выходном конце штока которого размещен пневмо-
акустический датчик (пневмоакустический генератор 5 направ-
ленного излучения с частотой 40 кГц), акустико-пневматического
приемника 3, использующего эффект разрушения ламинарной
струи ультразвуковыми волнами с рабочим перепадом из-
меряемого давления в 2 кПа. Акустическая система вклю-
чает также струйный элемент 2 типа СТ-55 «Волга» и усили-
тели типа ПФ67-21, соединенные с левой и правой полостя-
ми пневмоцилиндра 1 и питаемые от рабочей магистрали с давле-
нием Ро- Направляющая 6 модуля радиальных перемещений
связана с регистрирующим устройством 7, с помощью которого
осуществляется измерение линейных перемещений штока пневмо-
цилиндра 1, а также и определение положения обнаруживаемых
объектов 4.
Манипулирующая система по обнаружению объекта и выведе-
ния в область его расположения рабочих органов (например, за-
хватных устройств) работает следующим образом. В начальный
момент поршень с датчиком находятся в крайнем левом положе-
нии. Подачей давления Ли и Р02 на генератор 5 и приемник 3 со-
ответственно включают в работу датчик внешней информации. Си-
стема настроена на оптимальное расстояние L до поверхности об-
наруживаемого объекта; если объект отсутствует, отраженные
ультразвуковые волны отсутствуют, а давление на выходе прием-
ника 3 максимальное. Оно переключает струйный элемент 2, вслед-
ствие чего срабатывает усилитель, и поршень вместе с датчиком
перемещается вправо к объекту 4. Как только объект 4 попадает
в зону обнаружения датчика, излучаемые генератором 5 акусти-
ческие колебания отражаются от объекта и попадают в приемник
3, что приводит к турбулизации струи в последнем и уменьшению
давления на его выходе. Первый усилитель выключается струйным
элементом 2, а второй усилитель включается. В результате движе-
ние штока вправо прекращается, и он начинает двигаться влево.
При выходе кромки объекта 4 за пределы зоны чувствительности
датчика происходит обратное переключение, т. е. выключается вто-
208
рой усилитель. Происходит движение штока пневмоцилиндра t
вправо до обнаружения кромки объекта. Таким образом, манипу-
лирующая система осуществляет сканирующее движение относи-
тельно кромки объекта. Регистрирующее устройство определяет
координаты расположения кромки объекта, а при использовании
ротационного движения колонны, на которой установлен модуль ли-
нейного перемещения, возможно решение задачи распознавания
класса объекта (или его ориентации в пространстве).
Необходимым условием надежной работы пневмо акустической
локационной системы является тщательная звукоизоляция прием-
ника 3 со стороны генератора 5 с целью исключения явления ин-
терференции от наложения прямых и отраженных волн, а следо-
вательно, ложных срабатываний системы.
Как известно,основной объем информации (до 80 %) человек
получает от системы зрительного восприятия. Поэтому и понятно
стремление строить систему восприятия для робота на базе искус-
ственного зрения. Для сбора информации об окружающей среде
используются телевизионные камеры, служащие аналогом глаза.
Снабжение промышленного робота зрением — чрезвычайно важная
и сложная задача. Желательно, чтобы ПР мог распознавать объ-
екты реального внешнего мира, автономно выполнять сборочные
работы, формируя программу своих действий на основании инфор-
мации о состоянии внешней среды.
Оценивая уровень развития систем технического зрения, осно-
ванных на использовании телевизионных устройств и являющихся
сложными вычислительными комплексами со специальным тех-
ническим и математическим обеспечением, следует отметить, что
даже при решении задач моделирования (исследовании картинок,
состоящих из многогранников) время, затрачиваемое на процесс
сбора информации и идентификацию объектов, является домини-
рующим по сравнению с остальными временными затратами робо-
та. Это является следствием, в первую очередь, ограниченных воз-
можностей современной вычислительной базы: недостаточного
объема памяти, относительно невысокого быстродействия и непри-
способленности большинства ЭВМ для решения задач по обработ-
ке телевизионных изображений. Отсутствие специализированных
стандартных систем ввода телевизионного изображения с ЭВМ
с соответствующим необходимым программным обеспечением за-
трудняет выбор схемы обработки зрительной информации для про-
мышленного робота и формирование требований на разработку
видеодатчиков для такого рода систем. Как показывает практика,
разработки систем технического зрения на базе телекамер, мини-
мальные аппаратурные и программные затраты обеспечиваются
использованием интерфейса накопителя на магнитной ленте для
организации сопряжения элементов информационной системы
с ЭВМ. При этом, имитируя работу накопителя, система ввода-вы-
вода изображения полностью подчиняется стандартным командам
и воспроизводит ответные сигналы; таким образом, система техни-
ческого зрения способна функционировать в системе ЕС ЭВМ. В ка-
честве датчика могут использоваться телекамеры КТП-39 серийно
2(»
•выпускаемой промышленной телевизионной установки ПТУ-28.
Согласование скоростей обмена видеоинформацией осуществляет-
ся при этом через буферное аналоговое запоминающее устройство
на базе запоминающей электронно-лучевой трубки, максимальный
размер оцифрованного изображения на которой составляет 512\
512 элементов, а количество уровней квантования — 64.
Поэтому в последнее время значительное распространение в си-
стемах информационного обеспечения промышленных роботов по-
лучают сканирующие локационные устройства, предназначенные
для обнаружения объектов в рабочей зоне робота и определения
координат и положения в пространстве таких объектов. В частно-
сти, в диапазоне малых расстояний для этих целей может быть
использовано описанное выше (см. рис. 5.11) пневмоакустическое
устройство, поскольку скорость распространения звуковых колеба-
ний в воздухе составляет 330 м/с. На малых расстояниях обнаруже-
ния работают также оптические (фотометрические и лазерные) и ло-
кационные устройства, использующие ионизирующие излучения
(рентгеновские, у-излучение). Общим в работе всех локационных
устройств является процесс сканирования при обзоре местности:
бескадровое непрерывно-построчное, покадровое, автономное,авто-
номно-покадровое [2]. В тех случаях, когда сканирующая система
установлена на рабочем органе ПР и перемещается с определенной
скоростью относительно исследуемого объекта, используется метод
бескадрового непрерывно-построчного сканирования в перпендику-
лярном к объекту направлении.
Если исследуемый объект всегда располагается в определенном
заранее установленном участке обозреваемого пространства, так
что вся необходимая информация может разместиться в пределах
одного кадра, используется метод покадрового многократного ска-
нирования этого участка пространства при неподвижной относи-
тельно объекта сканирующей системе (например, телевизионной).
При автономном сканировании луч может совершать любые
перемещения с любой последовательностью и подробностью обзо-
ра местности с ограничением по кадру и без него, причем возмож-
но изменение разрешающей способности контроля отдельных уча-
стков местности. Такой метод используется чаще всего в самона-
страивающихся и адаптивных сканирующих системах, когда зара-
нее не известно, какой объем информации может быть получен
при покадровом сканировании, и в результате работы системы об-
наруживается необходимость обзора участков с полезной инфор-
мацией, которая не может быть размещена в одном кадре.
При автономно-покадровом сканировании обзор местности осу-
ществляется в пределах ограниченного кадра, а сам кадр непре-
рывно смещается по отношению к исследуемому объекту. Этот ме-
тод в последнее время получил наибольшее распространение.
В настоящее время достаточно хорошо разработаны оптические
(фотометрические и лазерные) локационные устройства, исполь-
зуемые в системах информационного обеспечения промышленных
роботов. Здесь особо следует выделить класс лазерных локацион-
ных систем [2], имеющих высокую точность определения коорди-
510
нат, разрешающую способность, что объясняется острой направ-
ленностью луча лазера. К перспективным датчикам сбора инфор-
мации о состоянии внешней среды относятся фотометрические дат-
чики в волоконно-оптическом исполнении [1, гл. 4]. Работа их
основана на измерении количества световой энергии, попадающей
из одного волоконного оптического канала в другой при отраже-
нии от поверхности обозреваемого объекта.
Однако локационные устройства, решающие задачи навигации
робота в целом или отдельных его рабочих органов по выведению
последних в заданную область, а также определяющие наличие
объектов, оказываются недостаточно эффективными при определе-
нии принадлежности объекта к классу и занимаемого им ориенти-
рованного положения в пространстве в связи с малым мгновенным
охватом (обзором) поверхности или контура распознаваемого объ-
екта. Время же, необходимое для обзора всего контура, достаточ-
но велико, чтобы способствовать повышению производительности-
технологических операций, выполняемых на базе роботов с таким
информационным обеспечением. Поэтому явными преимуществами
обладают такие информационные системы, которые используют
принцип «поверхностного» или «объемного» обзора пространства
одновременно. Определенные перспективы связаны с информаци-
онными системами на базе очувствленных поверхностей [6, гл. 2].
Дискретное информационное поле (рис. 5.12) представляет со-
бой матрицу, установленную неподвижно в зоне действия робота
и выполняющую роль сетчатки искусственного глаза. Использова-
ние в качестве чувствительных элементов матричного поля элект-
роконтактных, фотоэлектрических, пневматических и электромаг-
нитных датчиков позволяет «видеть» двухмерное изображение
объектов, т. е. поверхность объекта, которой он повернут к инфор-
мационному полю. При использовании ультразвуковых датчиков
появляется возможность распознавать класс трехмерных объектов-
и их расположение в пространстве.
Принцип ультразвуковой информационной системы основан на-
активной локации одновременно всей поверхности объекта, распо-
ложенной на ультразвуковом матричном поле. Расположенный на
поле объект перекрывает отдельные сочетания ультразвуковых дат-
чиков. Анализ характера такого перекрытия дает информацию-
о конфигурации основания (нижней поверхности) объекта в коор-
динатах X—У. Для определения координаты Z используется эхо-
импульсный метод ультразвуковой локации, при котором на ультра-
звуковые датчики последовательно поступают зондирующие
импульсы (менее 1 мкс) с большой амплитудой (100—150 В) .Датчи-
ки, возбуждаясь, посылают ультразвуковую волну в объект, распо-
ложенный на X—У-поле. Распространяясь в объекте, волна встре-
чается с препятствиями в виде границы двух сред, образованной
физическими свойствами материала объекта и воздуха, отражается
и возвращается к датчику в виде эхо-сигнала. Зная скорость рас-
пространения ультразвуковых колебаний в среде v, можно опреде-
1 tv ,
лить высоту детали , где t — время прохождения ультразву-
211
Рис, 5.12. Дискретное информационное поле
Примером использования
ковых колебаний от пьезопреоб-
разователя до верхней поверхно-
сти объекта и обратно. Следова-
тельно, h = f (/). Одновременно
с помощью таких полей можно
производить отбраковку объек-
тов по скрытым технологи-
ческим дефектам материала
, (например, раковинам, трещи-
нам).
тодатчиков в решении задач рас-
познавания объектов может служить описанная в работе [4] фото-
электронная система для распознавания и классификации движу-
щихся деталей различной формы, которая обеспечивает зрительное
очувствление промышленного робота при обслуживании конвейе-
ров. Принцип распознавания деталей различной формы заключа-
ется в выделении основного характерного признака детали, в част-
ности площади ее плоской проекции, а также ряда дополнительных
признаков для исключения однозначной классификации при оди-
наковых плоских проекциях деталей, но различной их конфигура-
ции — габаритных высоты и ширины детали в плоскости под-
вески.
На рис. 5.13, а схематично представлена компоновка системы
и ее основные элементы:
импульсный газоразрядный светоизлучатель 4 с такими пара-
метрами световых импульсов: начальное отсвечивание 100 кд • с
и длительность 10-4 с, которые могут варьироваться в зависимости
от характеристики облучаемых объектов (параметров поверхно-
сти), удаленности источника от конвейера, скорости движения по-
следнего и минимального растояния между объектами на кон-
вейере;
фотоприемник 1, расположенный вертикально в пространстве и
параллельно плоскости X—У подвески объектов 3 на расстоянии
z2—Z\ от подвески конвейера 2 и г2 от светоизлучателя 4 и пред-
ставляющий собой линейку с набором равноотстоящих фотодатчи-
ков (фотодиодов) для приема световой информации и формирова-
ния электрических сигналов;
оптические устройства на выходе (излучатель) и входе (фото-
приемник) системы (на рис. 5.13, б не показаны);
устройство первичной обработки информации УОИ.
Плотность размещения фотодатчиков определяется требуемой
точностью работы системы, так как характеризует зону нечувстви-
тельности зрительного очувствления промышленного робота, и за-
дается зависимостью
К

L
1
d + /i’
где К — количество фотодатчиков на линейке; L — длина линейки;
d — диаметр фотодатчиков; h — расстояние между фотодатчиками.
212
Рис. 5.13. Компоновка фотоэлектронной системы распознавания движущихся объектов (а),
структурная схема системы (б) и дискретная интерпретация объекта (в).
Работа системы распознавания осуществляется в такой последо-
вательности. В момент вспышки светоизлучателя на фотоприемнике
образуется совокупность сигналов	(1 = 1, 2 . .	К), пред-
ставляющая собой дискретную аппроксимацию фрагмента проекции
детали. Опрос всех фотодатчиков осуществляется устройством УОИ
первичной обработки параллельно во времени и с частотой следова-
ния импульсов от светоизлучателя. При этом образ детали форми-
руется фрагментами — мгновенными сечениями при ее движении на
конвейере плоскостью, перпендикулярной к плоскости подвески
детали и проходящей через фотоприемник. Количество опросов М
зависит, таким образом, от частоты F вспышек светоизлучателя
и времени t движения детали в зоне датчика, т. е.
М = tF,
причем, чем больше F, тем больше фрагментов-сечений детали по-
падет на регистрацию, тем выше точность распознавания.
Устройство первичной обработки информации преобразует мно-
жество сигналов от фотодатчиков в символы «1» (фотодатчик ос-
вещен) и «О» (фотодатчик затемнен) и определяет количество за-
темненных фотодатчиков, т. е. определяет фрагменты освещенной
части детали, а следовательно, площадь плоскости проекции.
Площадь S детали (рис. 5.13, в) определяется как сумма раз-
верток затемненных фотодатчиков за число вспышек светоизлуча-
теля в процессе прохождения детали через зону действия визуаль-
ного датчика:
м
s= X к,,
<=1
где Ki— количество затемненных фотодатчиков в момент z-й вспышки
(i= 1,2, . .., М).
Высота детали у определяется наибольшим количеством затем-
ненных фотодиодов среди всех Kt дискретных затемнений:
y = K'i.
213
Ширина детали х равна количеству вспышек светоизлучателя
за время прохождения детали через зону обзора:
х =? М = tF.
В момент выхода детали из зоны действия фотоприемника (все
фотодатчики засвечены) значения S, у, х параллельно во времени
передаются в классификатор, который работает по принципу коди-
рования сигналов от устройства первичной обаботки номером кана-
ла. Такое кодирование обеспечивает генерацию соответствующего
элемента классификатора в зависимости от значения сигнала, а сле-
довательно, от технологического номера детали. Классификатор
может «переобучаться» в процессе эксплуатации системы, т. е. допу-
скается изменение кодирования при смене номенклатуры распозна-
ваемых деталей. Кроме того, наличие свободных каналов в класси-
фикаторе позволяет расширить состав обслуживаемых деталей.
Система защищена от вертикального смещения деталей при
перемещении их по конвейеру и является помехозащищенной от
внешних световых излучений до 70 кд-с. Система выполнена на
интегральных схемах и кремниевых фотодиодах типа ФД-К'155.
5.5.	Методы и средства логического
распознавания объектов
Весьма перспективным методом логического распознавания объек-
тов является метод, связанный с применением информационных
поверхностей, размещаемых в рабочей зоне робота (5, гл. 2). Суть
его заключается в использовании очувствленной поверхности,
снабженной матрицей чувствительных элементов с двумя гранич-
ными состояниями: «1» — если распознаваемый объект накрывает
данный элемент, и «О» — в противном случае. Попадая на очув-
ствленную поверхность, объекты как бы активизируют различные
сочетания ее чувствительных элементов, и снимаемая информация
после обработки используется для идентификации объектов или
их расположения на поверхности с целью формирования необхо-
димых управляющих воздействий на исполнительные устройства
промышленных роботов или других элементов робототехнической
системы.
Задача идентификации в такой информационной системе cboj
дится к разделению выбранной совокупности объектов на классы
в процессе сопоставления априорной информации о каждом клас-
се объектов в виде набора признаков с информацией о неизвестном
объекте, полученной «опросом» чувствительной поверхности. Пре-
имуществом таких информационных систем является возможность
решения задачи идентификации плоских объектов относительно
несложной геометрической формы за небольшое время, а следо-
вательно, управления адаптивным роботом в реальном масштабе
времени.
С целью сокращения времени на распознавание класса объекта
или его расположения (ориентации) в пространстве, а также повы-
шения надежности работы информационной системы за счет умень-
шения количества чувствительных элементов в матрице очувствлен-
214
ной поверхности используются методы и средства логического
ориентирования. Типовое решение такой задачи может быть полу-
чено на основе математической логики, в частности алгебры логи-
ки и теории конечных автоматов как аппарате формализованного
описания положений объектов и синтеза систем логикопрограмм-
ного управления процессами ориентирования. При этом в усло-
виях часто переналаживаемого производства наиболее эффектив-
ным является синхроимпульсный метод контроля и метод после-
довательных сечений [6, гл. 2].
Сущность синхроимпульсиого метода контроля положения
объекта состоит в том, что в процессе перемещения по транспорт-
ным устройствам робототехнической системы считывается инфор-
мация одновременно по всей проекции объекта по характерным
точкам его контура, причем синхронизирующий момент считыва-
ния задается самим движущимся объектом.
Модификацией этого метода является метод контроля положе-
ния детали по поперечным сечениям, который предполагает раз-
мещение контрольных точек xt— хп поперечно в одну линию.
Движущаяся деталь просматривается контрольными точками
своеобразной измерительной «линейки» по частям. Участки раз-
биения кодируются расположенными на пути детали синхроточ-
ками. Выбор длины кодируемых участков обеспечивается соответ-
ствующим смещением синхроточек относительно «линейки» или
друг друга по ходу движения детали. Количество синхроточек
всегда на единицу меньше числа последовательно контролируемых
участков детали. В пределах разбиения указанным выше способом
осуществляется поиск минимального числа и местоположения син-
хроточки и контрольных точек «линейки». Кодирование различи-
мых положений ряда деталей может осуществляться с помощью
меньшего числа аргументов, чем в случае синхроимпульсиого мето-
да, за счет многократного участия в указанном процессе одних и
тех же контрольных точек «линейки».
Синхроимпульсный метод распознавания и логико-программно-
го управления манипулирующими системами может использоваться
не только для распознавания положения объекта в пространстве,
но и для активно-принудительного переориентирования объектов
по кратчайшему пути. Синтез, конструкцию и работу манипулято-
ров с логической системой управления можно рассмотреть на при-
мере распознавания положения, ориентирования и отбраковки
простейших деталей с несимметрично расположенными на их по-
верхностях сквозными отверстиями, которые могут занимать на
поверхности транспортной системы (например, лотка) восемь раз-
личимых положений, отличающихся расположением отверстий.
Отсутствие отверстия в детали фиксируется логической схемой
как брак производства [6, гл. 2].
Поштучно подаваемые по лотку Л (рис. 5.14, а) детали Д при-
водятся в заданное положение на чувствительной поверхности УП
манипулятора, где опознающее устройство в виде распознающей
маски определяет положение детали по состоянию восьми фото-
диодов А, В, С, Н, а логическая схема по результатам контроля
215
Рис. 5.14. Схема расположения детали иа лотке (а), граф представления алгоритма
работы матрицы (б) и принципиальная схема распознающей системы (о).
выбирает кратчайший путь решения поставленной задачи. Коман-
дой на выполнение очередной операции служит окончание преды-
дущей.
На рис. 5.14, б в виде графа представлен алгоритм работы фо-
тодиодов распознающей маски, управляющих процессом распозна-
вания, ориентирования и отбраковки. Освещенное состояние одно-
го фотодиода при затемнении остальных однозначно характеризует
каждое из возможных положений детали. Затемненное состояние
всех восьми фотодиодов означает появление на чувствительной по-
верхности бракованной детали.
Состояния фотодиодов с соответствующими схемами усиления
и формирования УФ1 — УФ4 в опознающем устройстве манипуля-
тора (рис. 5.14, в) характеризуются логическими функциями А =
= CV Е V F V Н; Pa = B\/G-, Р3 = D; Р^ — А. В устройстве при-
менена отрицательная логика, т.е. освещенному состоянию фото-
диода (состояние «1») соответствует отрицательный потенциал на
выходе усилительной схемы, а затемненному (состояние «О») потен-
циал земли. Единичное значение функции Pi указывает на необхо-
димость поворота детали в горизонтальной плоскости на 90° в на-
правлении против часовой стрелки, что осуществляется при сраба-
216
тывании через схему совпадения И1 триггера Т1 и электромагни-
та К1, управляющего прямым вращением приводного двигателя
манипулирующего устройства.
Единичное значение функции Р2 приводит к срабатыванию че-
рез ячейку И2 триггера Т2 и электромагнита К2, осуществляющего
реверс приводного двигателя. Равенство единице функции Р3 приво-
дит к запуску через ячейку ИЗ одновибратора ОВ1, на время дли-
тельности импульса которого t\ включается электромагнит КЗ,
вызывающий поворот детали на 180° в вертикальной плоскости.
Функция Pi принимает единичное значение, если деталь на
чувствительной поверхности ориентирована. При этом через
ячейку И4 запускается одновибратор ОВ2, который включает на
время действия импульса t2 электромагнит К4, выталкивающий
деталь с чувствительной поверхности. В случае поступления на
последнюю бракованной детали управляющий сигнал с инверторов
НЕ1 — НЕ4 подается на схему совпадения И5, и осуществляется
запуск одновибратора ОВЗ. На время действия импульса t3 одно-
вибратора ОВЗ срабатывает электромагнит К5, удаляющий бра-
кованную деталь с распознающей чувствительной поверхности.
Для синхронизации работы фотодиодов распознающей маски
и задания тактов работы чувствительной поверхности используются
микровыключатель МВ, фиксирующий каждую 1/4 оборота рабо-
чей позиции с деталью, и одновибратор ОВ4, запускающий на
время действия импульса /4 электромагнит Кб отсекателя меха-
низма поштучной выдачи деталей. Для исключения ложных сра-
батываний схемы длительность импульса /4 выбирается большей
времени, необходимого для прохождения деталью расстояния от от-
секателя до рабочей позиции. Тактовые импульсы формируются
дифференцирующими цепочками Ц1, Ц2 и логической схемой ИЛИ
в моменты отпускания предварительно нажатого микровыключа-
теля МВ, либо задним фронтом импульса одновибратора ОВ4.
В результате на выходе одной из схем совпадения И1—И5 по-
явится сигнал, управляющий включением исполнительных электро-
магнитов К1—Кб.
Длительность выходного импульса t\ с одновибратора ОВ1
должна обеспечить прохождение деталью (после выталкивания с
распознающей маски) пути до исполнительного электромагнита,
направляющего ее в коробчатый поворотный лоток. В свою
очередь, длительность выходного импульса /3 одновибратора ОВЗ
определяется расстоянием и скоростью движения детали от рас-
познающей маски до магазина для бракованных деталей.
Триггеры сбрасываются в исходные состояния передним фрон-
том импульса /2 одновибратора ОВ2; задним фронтом этого им-
пульса запускается через дифференцирующую цепочку ЦЗ одно-
вибратор ОВ4, обеспечивающий подачу на рабочую позицию оче-
редной детали. Длительность импульса выбирается из условий
h + t2 > Ч; /4 Д— /2 > t3-
Чувствительная поверхность (распознающая маска) с деталью
получает периодическое вращение на 1/4 оборота от мальтийского
механизма, водило которого периодически через каждые 90° пово-
217
рота включает задатчик тактов — микровыключатель МВ. Распо-
знающая маска с фотодиодами УД1—УД8 является сменной
в зависимости от формы и возможного брака распознаваемых и
ориентируемых деталей, чем обеспечивается переналаживаемость
распознающей системы под номенклатуру обслуживаемых в произ-
водственных условиях объектов. Длительность импульсов и = 0,5 с;
4 = 0,3 с; 4 = 0,6 с; 4=0,4 с. Производительность устройства—до
45 деталей/мин.
Задача идентификации объектов с помощью чувствительных
поверхностей может быть расширена до рассмотрения плоских фи-
гур произвольного выпуклого контура при одновременном сокра-
щении времени на обработку информации на этапе выделения
контура объекта с помощью соответствующих алгоритмов иденти-
фикации [3], в которых машинное время определяется не числом
накрытых объектом точек чувствительной поверхности, а числом
точек, лежащих на его контуре. Практически аналогичная задача
решалась и в случае рассмотренного синхроимпульсиого метода
контроля положения объектов. Однако количество и расположение
контрольных точек при этом обусловливались заранее известным
классом распознаваемых объектов, а задача заключалась в рас-
познавании ориентации объекта. Отличие в данном случае заклю-1
чается в том, что объект может занимать произвольное положение
на чувствительной поверхности, причем класс объекта заранее
неизвестен.
Блок-схема алгоритма приведена на рис. 5.15, а. Исходным
является банк данных с эталонными признаками распознаваемых
объектов. Задача заключается в нахождении среди этих объектов
такого, который по своим признакам был бы наиболее близок
к расположенному на чувствительной поверхности объекту, а так-
же нахождению расположения центра масс объекта и параметров
его ориентации на поверхности.
Пусть в качестве объекта рассматривается произвольный четы-
рехугольник а, в с d, расположенный на чувствительной поверхнос-
ти (рис. 5.15, б), где траектория просмотра дискретной матрицы,
чувствительной поверхности показана пунктирной линией.
Первоначально при запуске информационной системы осущест-
вляется сканирование чувствительных элементов поверхности
с большим шагом до момента, пока хотя бы один из элементов не
примет состояние «1» (пусть такой исходной точкой является точ-
ка Е на рис. 5.15, б). Далее, перемещаясь по заранее выбранному
направлению (например, справа налево), можно просмотреть эле-
менты чувствительной поверхности, расположенные на данной
строке матрицы. Появление элементов с состоянием «О» свидете-
льствует о нахождении границы объекта, причем центр масс объек-
та располагается справа от границы. Последний элемент с состоя-
нием «1» маркируется на поверхности как точка 1-го порядка
(точка К). Точка 1-го порядка имеет восемь направлений, причем
каждые два соседних направления образуют сектор 45°. В случае
прямолинейности отслеживаемого контура объект всегда будет
находиться в одном секторе. В частности, в рассматриваемом при-
218
рис. 5.15. Алгоритм распознавания (а), схема расположения объекта на чувствительной
поверхности (б) и последовательность работы анализатора системы распознавания (в).
мере объект ограничен прямой ав, имеющей угол наклона 90° <
<ср<135°. Поэтому рассматриваемая прямая всегда лежит в за-
штрихованном секторе 1—К.п—2 точки и хотя бы одна из точек 1
или 2 будет иметь состояние «1» (на рис. 5.15, б состояние «1»
имеет точка 2). Таким образом, определяется следующая точка
контура, в которую перемещается исходная позиция следующего
шага поиска. В дальнейшем цикл, включающий анализ состояния
множества точек 1 и 2, повторяется многократно до тех пор, пока
пошаговое движение по контуру не прерывается на шаге, в котором
219
состояния точек 1 и 2 одновременно становятся нулевыми. Это сви-
детельствует о наличии излома в отслеживаемом контуре объекта
в пределах рабочего сектора 1—Кп—2 точки первого порядка
(здесь —• п номер шага, на котором встретился излом). Абсолют-
ные координаты центра точки Кп запоминаются и принимаются
за координаты вершины объекта (в1). Запоминается также но-
мер вектора точки Кп = в1, который в дальнейшем используется
для определения конца обхода контура.
Вращением по часовой стрелке в точке находим следующий
сектор точки первого порядка, в котором хотя бы одна из точек
с чувствительным элементом имеет состояние «1» (на рис. 5.15, б
сектор 3—в'—4). Эта процедура представлена на схеме рис. 5.15, а
как цикл с параметром 1, равным номеру вектора направления
точки Кп. Таким образом, прямая, принадлежащая контуру объ-
екта, лежит в секторе 3— в1—4, так что дальнейшему анализу
в соответствии с описанной методикой подвергаются точки 3 и 4.
Возможно получение ложных вершин (например, точка Л4),
если прямая, образующая контур объекта, имеет направление,
близкое к направлению одного из векторов текущей точки первого
порядка и существенно удалена от предварительно найденной вер-
шины. Для прямой контура вс рабочим сектором в вершине в1 яв-
ляется сектор 4—в1—5, однако вследствие указанного ошибочно
был выбран сектор 3—в’—4, что привело к отысканию ложной вер-
шины (точка Л4). При определении ложной вершины осуществля-
ется переход в следующий сектор (т. е. сектор 4—в1—5), а коорди-
наты ложной вершины стираются.
Таким образом, осуществляется обход всего контура, координа-
ты вершин а, в, с, d запоминаются, а обход контура заканчивается
при встрече точки, с которой началось отслеживание. При этом
автоматически выдерживается условие замкнутого контура.
Описанный алгоритм позволяет обходить не только прямоли-
нейные, но и произвольно выпуклые криволинейные контуры,
получая их отображение, аппроксимированное отрезками прямых.
Точность аппроксимации криволинейных контуров может быть
повышена введением точки 2-го порядка с шестнадцатью направ-.
лениями и более, для чего необходимо использовать чувствительное
поле с большей разрешающей способностью или меньшей дискрет-
ностью расположения чувствительных элементов. Повышение точ-
ности аппроксимации ограничивается конструктивными особенностя-
ми используемых чувствительных элементов.
На выходе процедуры обхода контура формируется массив ко-
ординат вершин объекта. По этим данным рассчитываются коорди-
наты центра тяжести объекта, его площадь, периметр и размеры
сторон, расстояния между вершинами для определения минималь-
ного и максимального моментов инерции. Расчет этих данных
необходим для выполнения идентификации объекта по заданным
признакам и, в частности, по значениям Q2/S, 7min//max (здесь Q —
периметр; 3 — площадь; Jmin, /max— минимальный и максималь-
ный центральные моменты инерции). Расположение объекта опреде-
ляется найденными координатами центра тяжести контура, а ори-
220
ентация объекта — направлением главных центральных осей
инерции относительно базовой системы координат. Для правильных
фигур ориентация определяется направлением максимальной из
граней.
Последовательность и принцип работы анализатора системы
распознавания могут быть проиллюстрированы на рис. 5.15, в. Как
только объект попадает на чувствительную поверхность (позиция
1), в соответствии с описанным алгоритмом определяются контур
проекции объекта и ее центр тяжести, после чего изображение
сдвигается в центр кординатной сетки (позиция 2). Далее данные
о положении объекта в прямоугольной системе координат перево-
дятся в полярную систему координат (позиция 3). Затем вычисля-
ются признаки 5, Р, Jmin, Утах, координаты вершин и длина наи-
большей стороны проекции, после чего коммутирующим устрой-
ством 4 эта информация об объекте попадает на блок сравнения 5
и одновременно по каналам связи — в банк эталонных образов 6',
где хранятся данные о номенклатуре обслуживаемых робототехни-
ческой системой объектов.
Из банка образов данные об очередном рассматриваемом объек-
те поступают для сравнения с изображением реального объекта
в блок сравнения 5. Для совмещения контуров сравниваемых обра-
зов реального и эталонного объектов входное изображение эталон-
ного образа вращается до совмещения по наибольшим сторонам
с образом реального объекта (позиция 5). Принадлежность объек-
та определяется при наиболее близком соответствии совмещаемых
контуров (визуальная идентификация) и параметров (машинная
идентификация) реального объекта эталону.
Описанная процедура идентификации может также использова-
ться в системах автоматизированного проектирования робототехно-
логических комплексов как при решении задачи формирования
банка данных о номенклатуре подлежащих роботизированному
изготовлению объектов, так и при обратной задаче — вводе в
САПР данных о конкретном объекте с целью определения номен-
клатуры функциональных устройств, которые должны в составе
проектируемого РТК обслуживать объект
5.6.	Пути повышения информативности
промышленных роботов
Развитие и совершенствование промышленных роботов, а так-
же расширение областей их применения в настоящее время все
больше связывают с задачей создания очувствленных захватных
устройств, позволяющих совмещать функции захвата объектов
с контролем геометрических их параметров и формы, определением
принадлежности объектов к определенному классу и их располо-
жением в пространстве. Исследования по очувствлению роботов
ведутся главным образом в двух направлениях: оснащения их тех-;
ническим зрением и тактильной чувствительностью.
Существующие промышленные роботы в значительной мере яв-
ляются специализированными устройствами, предназначенными для
решения определенного круга задач: захвата и переноса объектов
221
из одной позиции в другую, штабелирования, сборки отдельных
неответственных соединений и т. д. Для этих целей используются
как правило, промышленные роботы либо без элементов очувствле-
ния и адаптации, либо снабженные простыми сенсорными элемен-
тами с использованием относительно несложных алгоритмов обра-
ботки сенсорной информации, поскольку номенклатура обслужи-
ваемых объектов и их взаиморасположение ограничены или
априорно заданы.
Расширение функциональных возможностей промышленных ро-
ботов, связанное с необходимостью обслуживания объектов раз-
личной конфигурации, массы, материалов и технических свойств,
требует использования сложных приемов и технических средств
получения и обработки сенсорной информации. Наиболее эффек-
тивно такие задачи решаются при использовании адаптивных за-
хватных устройств. При этом создаются условия для многоуровне-
вой организации обработки информации, обеспечивающей уже на
нижнем уровне (собственно захватных устройств) выделение с по-
мощью детекторов простейших признаков захватываемого объекта,
существенных для его распознавания, а также для переналадки
в широком диапазоне порога чувствительности встроенных сенсор-
ных каналов в зависимости от поставленной задачи и состояния
окружающей среды.
На рис. 5.16, а представлено захватное устройство [9, гл. 2]-
обеспечивающее повышение надежности захвата объектов путем
точного их базирования, а также позволяющего осуществлять конт-
роль геометрических параметров захватываемых объектов. Захват-
ное устройство содержит две съемные губки 8, установленные на
рычагах 7. Рычаги посажены на оси 6 с роликом, охваченные гиб-
кой лентой 5. Оси роликов 6 установлены в корпусе 1 захватного
устройства и, таким образом, являются неподвижными по отноше-
нию к перемещающейся в направляющих корпуса 1 рамке 4.
Гибкая лента 5 одним концом заделана жестко с левой гранью
рамки, а вторым — с помощью шарнира соединена с коротким
плечом двухплечего рычага 11, длинное плечо которого связано
с регулировочным винтом 12. Такая механическая система пред-
ставляет собой преобразователь линейных возвратно-поступатель-
ных движений выходного штока приводного двигателя 2 во враща-
тельное движение установленных на оси роликов 6, а вместе с тем
в сводящее и разводящее движения посаженных на ролики 6 ры-
чагов 7 захватного устройства. Демпфирующее действие обеспе-
чивается упругими свойствами связи 3 штока приводного двигате-
ля 2 с рамкой 4. Губки 8 выполнены в виде призм, в которых
устанавливаются сменные контактные пластины 13.
Работает захватное устройство следующим образом (теория
расчета таких устройств разработана инж. Б. Н. Певзнером).
В исходном положении шток приводного двигателя с рамкой 4
находятся в левом крайнем положении и рычаги 7 с губками 8
разведены в стороны. После выведения захватного устройства мани-
пуляционной системой робота в область расположения объекта 9
системой управления ПР формируется команда на захват объекта.
222
Рис. 5.16. Адаптивные захватные устройства: с контролем геометрических
параметров захватываемых объектов (а), для объектов сложной формы (б)
и с информационной распознающей матрицей в виде чувствительного по-
ля (в).
Включается приводной двигатель 2, шток которого через упругую
связь 3 воздействует на рамку 4, а последняя перемещается слева
направо, протаскивая гибкую ленту 5 через укрепленные на осях
ролики 6. Рычаги 7 начинают сходиться до захвата объекта 9 губ’
ками 8. Поскольку размер захватываемого объекта 9 может быть,
отличным от номинального (например, при его максимальном зна-
чении), в кинематической цепи оси роликов 6 рычаги 7 — губки
8 — сменные контактные пластины 13 — объект 9 возникают де-
формации. Предотвращение чрезмерных деформаций, приводящих
223
к аварийным ситуациям, а также к повреждению поверхности
объекта, достигается наличием демпфирующей упругой связи 3
и правильным подбором угла охвата роликов 6 гибкой лентой 5,
соотношением коэффициентов трения материалов роликов и ленты
и натяжением ленты регулировочным механизмом 11, 12. Вместе
с тем сжатие упругой связи 3 повышает надежность захвата объек-
та губками 8 захватного устройства.
При необходимости захвата и контроля многоступенчатых объек-
тов (типа ступенчатого вала, втулки) захватное устройство снаб-
жается несколькими преобразователями поступательных перемеще-
ний во вращательные, имеющими различные передаточные отноше-
ния за счет подбора диаметров роликов соответственно ступеням
объектов, на которые накладываются удерживающие связи,
и выполненными аналогично переобразователю S—5—6—7. Преоб-
разователи располагаются друг над другом и приводятся в движе-
ние от одного приводного двигателя.
Усилие захвата объекта в описанном захватном устройстве опре-
деляется выражением
р = CYnpi = CY св
где С — жесткость упругой связи 3; i — передаточное отношение
кинематической цепи рычаг 7 — ролик 6; Усв — ход упругой связи;
cl — диаметр ролика 6; L — длина рычага 7.
Как видно из приведенного выражения, усилие захвата зависит
от хода упругой связи. Для обеспечения постоянства усилия за-
хвата и предусмотрена конструкция захватного устройства с фрик-
ционной связью между приводными роликами 6 и рычагами 7
устройства. Регулировка усилия захвата осуществляется по объек-
ту с наименьшим возможным диаметром. Тогда перемещение рам-
ки 4 будет происходить до тех пор, пока шток приводного двигате-
ля 2 и упругая связь 3 не займут свои крайние правые положения,
что будет соответствовать расчетному усилию зажима. При захва-
тывании других (большего диаметра) объектов шток двигателя 2
дойдет до своего крайнего правого положения, а упругая связь 3
при своем перемещении после создания расчетного усилия зажима
вызовет дальнейшее перемещение рамки 4, но уже в режиме про-
скальзывания ленты 5 относительно роликов 6. Таким образом,
усилие зажима оказывается равным силе трения между лентой 5
и роликами 6 и практически не зависящим от абсолютного разме-
ра захватываемого объекта в диапазоне, на который настроено
захватное устройство. Для удержания захватываемого объекта
должно соблюдаться равенство
4Fif = G,
где / — коэффициент трения между захватываемым объектом и губ-
кой захватного устройства; G — масса захватываемого объекта; Ft —
действующая со стороны губок на объект сила от одной из четырех
контактных пластин 13. Усилие в соединении рычаг 7 — губка 8
т т
sin-g 4/sin-g-
‘224
где у — угол створа контактных пластин 13, расположен ных на
одной губке. Для надежного удержания объекта должно соблюдаться
неравенство
М-р, Л1ТР| Д- /ИтРг,
где MFt — момент силы F2; AfTPi— момент силы трения ленты о ро-
лик; Л1ГР! — момент силы трения ролика об ось ролика.
Для левой губки
M?P = (S2-S!)
где Si и S2— усилия натяжения ленты, развиваемые левым и правым
роликами соответственно; d\ — диаметр левого ролика.
Для правой губки
Л1?р, = (Si - Т)
где Т — усилие натяжения ленты, устанавливаемое регулировочным
механизмом 11, 12\ d2— диаметр правого ролика.
По формуле Эйлера
S2 = Sie^®’ = 71е<^“>+^«а,);
Si = Те'л,
где f\, f-г — соответственно коэффициенты трения ленты о правый
и левый ролики; аь а2— углы обхвата соответственно правого и
левого роликов лентой.
После подстановок и преобразований получаем:
M^Pt =	— Те'л)	— 1) • у;
<р, = Г (ef*a’- 1) у.
С учетом сил трения роликов об оси соответствующие моменты
сил трения:
da	,
Л1?Рг =/?2/з у;
где
Ri = Т Уе2?'а' -4- 1 4- 2е' sin (3; Т?2 = Те*'*1 V1 + е2)гЛ’ 4- 2ef^’ sin
[3 — угол между вектором силы Si и горизонталью; d3, <Д— соот-
ветственно диаметры осей левого и правого роликов; /3 — коэффи-
циент трения ролика на осях.
С учетом полученного выражения для F? момент силы
Mf=FL =
т
4( sin
8 4-251
225
и условие удержания объекта принимает вид
 ° -— < Т (е^“> — !)-£+ е'«ъ — 1)^+ К1 + е2'>‘. + 2ef>’>sin74-
4Zsin| L
ем, 1 е2/л + 2е^“« sin |3
Задаваясь значениями массы G объекта и допустимыми из
условий механических его свойств нагрузками F\ пред на поверх-
ность захвата, можно определить конструктивные параметры за-
хватного устройства из последнего выражения.
Переналадка захватного устройства заключается в регулирова-
нии натяжения гибкой ленты регулировочным винтом 12, смене ры-
чагов 7, контактных пластин 13, роликов 6 и упругой связи 3.
Расширение технологических возможностей, повышение произ-
водительности и надежности эксплуатации промышленных роботов
обеспечиваются применением универсальных захватных устройств,
не только допускающих обслуживание объектов произвольной
формы, но и совмещающих функции захвата с распознаванием
класса захватываемого объекта и его расположения в пространстве.
Одним из перспективных направлений разработки очувствлен-
ных универсальных захватных устройств является создание много-
пальцевых конструкций, снабженных преобразователями линейных
перемещений для каждого из пальцев устройства [6, гл. 2]. Кон-
структивно захватное устройство изображено на рис. 5.16, б, где
представлены сечение А—А, вид Б и приведена конструктивная
реализация пальца с сечением В — В. Захватное устройство содер-
жит корпус 8 с пневмокамерой, стенки 3 которой представляют
собой сотовую поверхность со сквозными отверстиями в качестве
направляющих для пальцев 2. Система подводящих и отводящих
каналов 4 служит для подачи и отвода воздуха из полости пневмо-
камеры захватного устройства. Корпус 8 устройства крепится к
кронштейну 5, связывающему захватное устройство с кистью или
рукой манипуляционной системы промышленного робота. Пальцы 2
имеют систему внутренних каналов а — д, выполняющих следу-
ющие функции. Каналы а, в, г, д предназначены для подачи сжато-
го воздуха к упругим элементам/О-эластичным камерам, смонтиро-
ванным в кольцевых проточках пальца 2. Упругие элементы для
создания герметичности зафиксированы в проточках пружинными
кольцами И.
При необходимости для усиления захватывающего действия
захватное устройство снабжается вакуумной камерой 7 с системой
каналов 6 откачивания воздуха из полости камеры 7, при этом на
рабочем торце каждого из пальцев смонтирована вакуумная при-
соска 1, сообщающаяся посредством канала 6 пальцев 2 с каме-
рой 7. Ход всех пальцев 2 внутри корпуса 8 ограничен буртиком 9.
Работа захватного устройства осуществляется следующим обра-
зом. В исходном состоянии камеры корпусов 7 и 8 связаны с атмо-
сферой, пальцы 2 находятся в крайнем нижнем положении. Мани-
пуляционная система промышленного робота выводит захватное
226
устройство в область расположения объекта или группы объектов,
которые должны быть захвачены и перетранспортированы в задан-
ную позицию. Затем захватное устройство вместе с кронштейном 5
по команде от системы управления промышленным роботом начи-
нает опускаться вертикально вниз. Те пальцы, которые оказались
непосредственно над горизонтальными участками наружной поверх-
ности захватываемого объекта (или группы объектов), утаплива-
ются в корпус 8. Те пальцы, которые не упираются своими торцами
в горизонтальные участки наружной поверхности объекта, остаются
в исходном максимально опущенном положении, опираясь при этом
буртиком 9 на стенку 3 корпуса 8. После этого в пневмокамеру
корпуса 8 подается сжатый воздух через каналы 4, который далее
по каналам а, в, г, д пальцев 2 поступает к упругим элементам 10.
Последние деформируются наружу и входят в соприкосновение с
боковыми наружными и внутренними вертикальными и наклон-
ными поверхностями объекта. Происходит обжатие объекта по
этим поверхностям, что и обусловливает усилие захвата объекта.
При этом упругие элементы 10 фиксируют пальцы 2 на той вы-
соте, которую они заняли под действием на них захватываемых
объектов. Для усиления захватывающего действия используются
вакуумные присоски 1, в связи с чем в камере корпуса 7 создает-
ся разряжение после того, как поверхность присосок вошла в со-
прикосновение с горизонтальными участками поверхности захваты-
ваемого объекта. Кроме того, вакуумные присоски используются
при работе с плоскими объектами.
Для освобождения объектов давление в пневмокамере корпу-
са 8 выравнивается с атмосферным, упругие элементы 10 умень-
шают поперечный размер пальцев 2 до исходного, происходит
расфиксация пальцев, отключается вакуум, и пальцы под дейст-
вием собственной массы при подъеме захватного устройства за-
нимают исходное положение, опираясь при этом буртиками 9 на
стенку 3 корпуса 8 устройства.
Таким образом, при захвате объекта расположение утоплен-
ных пальцев может являться достаточной информацией о харак-
тере и конфигурации наружных поверхностей захватываемых
объектов, а также о пространственном положении, занимаемом
объектом перед его захватом. Для количественной оценки геомет-
рических параметров захватываемых объектов пальцы снабжаются
датчиками линейных перемещений (например, потентиометриче-
скими, растровыми, емкостными), фиксирующими ход каждого
пальца в процессе их утапливания при захвате объекта. При
этом воссоздается геометрический образ захватываемого объекта,
представляющий собой совокупность электрических (или других)
сигналов, обработка которых системой распознавания промыш-
ленного робота позволяет однозначно судить о принадлежности
объекта к определенному классу, а также определять занимаемое
объектом пространственное положение.
Информационное поле очувствленных захватных устройств
может быть организовано либо набором утапливаемых пальцев,
снабженных преобразователями линейных (угловых — при наличии
а*
227
изгибающих моментов при захвате объектов) перемещений, либо
с помощью расположенных определенным образом магнито-
проводов (при работе с объектами из ферромагнитных матери-
алов). При этом информационное поле выполняет функции как
источника информации о положении и конструктивных особен-
ностях объекта, так и захватного устройства [9, гл. 2]. Устрой-
ствами данного класса осуществляется распознавание ориенти-
рованного положения объекта в момент поиска и захвата и фор-
мирование программы на переориентирование объектов и ее реа-
лизацию в процессе их транспортирования к рабочей позиции.
Эти функции захватного устройства могут быть обеспечены,
если его информационное поле выполнено в виде системы чере-
дующихся, например, в шахматном порядке магнитопроводов,
снабженных индивидуальными электрическими обмотками и дат-
чиками наличных объектов. Правильно выбранный и организо-
ванный состав элементов системы информационного обеспечения
включает банки образов номенклатуры и устойчивых различимых
положений объектов, а также логическую схему формирования
программы переориентирования объектов в процессе их транспор-
тирования к рабочей позиции.
Захватное устройство с информационным полем представлено
на рис. 5.16, в, где приведена также схема системы питания
и управления работой захватного устройства в режимах поиска,
распознавания, захвата и переориентирования объекта.
Информационное поле, располагаемое на корпусе 4 захватно-
го устройства и крепящееся в руке 5 манипулирующей системы
промышленного робота, представляет собой систему чередующих-
ся и расположенных в шахматном порядке магнитопроводов 2,
снабженных индивидуальными электрическими обмотками 3 и
разделенных экранирующими элементами 6. Каждая секция элек-
трических обмоток 3 магнитопроводов содержит датчик 11 нали-
чия объекта 1, связанный электрически с системой управления
промышленным роботом 7 и с входом банка 9 образов номен-
клатуры объектов. В свою очередь, банк образов 9 объектов со-
единен с банком образов 10 различимых устойчивых положений
объекта. Последний связан с логической схемой 8 формирования
программы переориентирования объекта, которая поступает в
систему управления 7 промышленным роботом. Питание электри-
ческих обмоток 3 магнитопроводов осуществляется от источников
переменного 13 и постоянного 14 тока через коммутирующее
устройство 12 изменения режимов работы индивидуальных обмо-
ток, причем программа работы коммутирующего устройства 12
регламентируется системой управления 7.
Работа захватного устройства осуществляется в различных ре-
жимах.
Режим поиска. В исходном состоянии все обмотки 3 магнито-
проводов 2 отключены от цепей питания и контакты коммутиру-
ющего устройства 12 изменения режима работы обмоток 3 разом-
кнуты. Входные каналы банка 10 образов объектов зашунтирова-
ны системой управления 7.
228
По сигналу системы управления 7 промышленным роботом на
поиск объекта 1 срабатывает коммутирующее устройство 12 и
соединяет группу электрических обмоток 3 магнитопроводов, рас-
положенных в центральной части корпуса 4 захватного устрой-
ства, с источником питания 13 переменного тока. Рука 5 про-
мышленного робота начинает осуществлять сканирующие движе-
ния автопоиска области расположения объектов, причем закон
сканирующих движений определяется системой управления 7
промышленного робота. Когда в процессе поиска под системой
включенных (центральных) магнитопроводов 2 окажется ферро-
магнитный объект 1, магнитные силовые линии замыкаются че-
рез последний, при этом сопротивление магнитных цепей вклю-
ченных магнитопроводов уменьшается. Изменение падения
напряжения на обмотках 3, подключенных к источнику питания 13,
фиксируется датчиками И наличия объекта. На выходе датчиков
11 формируются сигналы, поступающие в систему управления 7
для прекращения сканирующего движения.
Режим распознания. С поступлением от датчиков И сигнала о
наличии объекта в области информационного поля система управ-
ления 7 подает команду на коммутирующее устройство 12 на
подключение обмоток 3 всех магнитопроводов 2 информационно-
го поля к источнику питания 13 переменного тока. Теперь сигна-
лы с датчиков И не воспринимаются системой управления 7 и
поступают на входы банка 9 образов номенклатуры объектов, где
осуществляется поиск образа, соответствующего классу распоз-
наваемого и расположенного под захватным устройством объек-
та 1. После решения устройством 9 задачи идентификации образа
объекта возникает задача определения его пространственного
расположения. Так как объекты могут находиться в зоне захвата
в нескольких устойчивых различимых положениях, то после
идентификации образа объекта банк 9 образов номенклатуры
объектов осуществляет коммутацию каналов выходов датчи-
ков 11 на входы банка 10 образов различимых устойчивых
положений идентифицированного объекта на позиции захвата.
После решения банком 10 задачи идентификации положения на-
ходящегося на позиции захвата объекта данные об объекте посту-
пают в логическую схему 8 формирования программы на пере-
ориентирование объекта 1.
По окончании формирования программы на переориентирова-
ние объекта 1 программа передается в систему управления 7 про-
мышленным роботом, последняя формирует команду коммути-
рующему устройству 12 изменения режимов работы на отключе-
ние индивидуальных электрических обмоток 3 магнитопроводов 2
от цепи источника питания 13 переменного тока.
Режим захвата и переориентирование объектов. По сигналу от
системы управления 7 коммутирующее устройство 12 подключает
всю или необходимую для захвата находящегося в определенном
различимом устойчивом положении объекта группу обмоток 3
магнитопроводов 2 к источнику питания 14 постоянного тока.
Объект 1 притягивается под действием магнитных сил к включенным
229
магнитопроводам 2 и по сформированной логической схемой
8 программе переориентирования объекта система управления 7
формирует необходимые сигналы на приводные устройства мани-
пуляционной системы промышленного робота для выполнения
последней ориентирующих движений захватного устройства.
Одновременно производится транспортирование (перенос) объек-
та на рабочую позицию. По окончании транспортирования и пере-
ориентирования объекта в требуемое положение по команде
системы управления 7 коммутирующее устройство 12 отключает
обмотки 3 от источника питания 14 постоянного тока. Объект 1
освобождается и располагается в требуемом ориентированном по-
ложении на рабочей позиции.
Цикл работы захватного устройства на этом заканчивается,
обмотки 3 обесточиваются, банк 10 образов различимых устойчи-
вых положений объектов шунтируется системой управления 7,
захватное устройство возвращается манипуляционной системой
промышленного робота в исходное положение.
Захватное устройство, описанное выше, отличается конструк-
тивной простотой, отсутствие подвижных элементов в нем повы-
шает надежность работы промышленного робота в целом. Совме-
щение функций захвата с распознаванием образа объекта
и возможностью формирования программы на переориентирова-
ние объекта по результатам работы информационной системы
значительно расширяют технологические и функциональные воз-
можности подобного класса адаптивных захватных устройств.
Список литературы
1.	Дискретная математика и математические вопросы кибернетики /Под ред.
С. В. Яблонского и О. Б. Лупанова.— М.: Наука, 1974.— Т.1.— 430 с.
2.	Катыс Г. П. Оптические информационные системы роботов-манипуляторов.—
М. : Машиностроение, 1977.—386 с.
3.	Лашко Е. Б., Саламандра Б. Л. Алгоритм идентификации объектов на дис-
кретной информационной поверхности.— В кн.; Экспериментальное исследо-
вание и диагностирование роботов.— М.: Наука, 1981, с. 144—149.
4.	Мещеряков А. Ю. Фотоэлектронная система распознания движущихся дета-
лей.— Механизация и автоматизация производства, 1980, № 11, с. 11—12.
5.	Рабинович А. Н. Системы управления автоматических машин.— К. : Техн1ка,
1973.—438 с.
6.	Шельпяков А. М„ Исупов Г. П. Манипулятор с пневмоакустическим датчи-
ком внешней информации.— Приборы и системы управления, 1981, № 6,
с. 6—8.
7.	Ямпольский Л. С., Брунштейн Ю. Г. Преобразователи линейных перемеще-
ний.— К.: Техника, 1974.— 144 с.
8.	Ямпольский Л. С., Тараненко В. А., Евдокимов В. Д. Средства и методы ав-
томатического управления режимами обработки металлов резанием.— Кд
Изд. УьрНИИНТИ, 1975.— 61 с.
РАЗДЕЛИ
Организация
робототехнических
систем и эксплуата-
ция промышленных
роботов
Технологические
основы роботизации производства
•
Эксплуатация
промышленных роботов
•
Обеспечение
основных показателей
качества
промышленных роботов
ГЛАВА 6
Технологические основы
роботизации производства	1
6.1.	Организационно-технические мероприятия
по технологической подготовке производства
Под технологической подготовкой производства в общем случае
понимается комплекс работ по обеспечению технологичности конст-
рукции изделия, проектированию технологических процессов и
средств технологического оснащения, расчету технически обосно-
ванных материальных и трудовых нормативов, необходимого коли-
чества технологического оборудования и производственных площа-
дей, внедрению технологических процессов и управлению ими
в производстве, обеспечивающих возможность производства нового
изделия в заданных объемах.
Технологическая подготовка роботизированного производства
имеет свои специфические особенности, обусловленные использова-
нием принципиально новых методологических основ, широким
применением новейших типов высокопроизводительного оборудо-
вания, работающего по переналаживаемым гибким программам,
роботов и робототехнических комплексов, использованием на ряде
этапов технологической подготовки производства экономико-мате-
матических методов проектирования, всесторонней автоматизацией
инженерного труда, применением ЭВМ для инженерных расчетов
и управления роботами и робототехническими системами.
Технологическая подготовка производства на предприятии,
организация и управление процессом технологической подготовки
производства регламентируются Единой системой технологической
подготовки производства (ЕСТПП), например ГОСТ 14.001—73,
ГОСТ 14.002—73, ГОСТ 14.102—73.
Технологический процесс является основной частью производ-
ственного процесса. Поэтому детальная его разработка является
непременным условием успешного функционирования производства
в целом, а также системы автоматизированного управления произ-
водством (АСУП) с подсистемами технико-экономического плани-
рования, оперативно-календарного планирования производства,
бухгалтерского учета и движения материальных нормативов, труда
и заработной платы и др.
Успех внедрения любого технологического процесса базируется
на основе научной организации технологической подготовки произ-
водства. Для крупносерийного и массового производства этой
основой являются подробнейшая детализация технологического
процесса и широко развитая нормативная база, для единичного
и серийного производства — унификация и стандартизация техно-
логических процессов, разработка групповой технологии и оснаще-
ния. Таким образом, уровень автоматизации производства, степень
его роботизации, вид и состав существенно влияют на всю систему
технологической подготовки производства.
232
ЕСТПП предусматривает: повышение применения типовых тех-
дологических процессов, стандартной переналаживаемой оснастки,
агрегатного переналаживаемого оборудования, средств автоматиза-
ции инженерно-технических работ. Она взаимодействует с система-
ми разработки и поставки продукции на производство, предусмат-
ривает широкую унификацию машин и приборов, обеспечение
единства измерений, классификацию и кодирование технико-эконо-
мической информации, документации (ЕСКД, ЕСТД) и др.
Основные этапы технологической подготовки производства на
предприятии таковы:
отработка изделия на технологичность (например, по ГОСТ
14.201—83, ГОСТ 14.202—73,ГОСТ 14.203—73, ГОСТ 14.204—73);
классификация деталей, сборочных единиц;
определение состава, объема и сроков выполнения работ;
распределение работы между технологическими подразделе-
ниями и оптимизацией структуры подразделений в период прове-
дения работ;
разработка технологической документации на основе ЕСТПП
и ЕСТД (ГОСТ 14.301—83) и технологических процессов с учетом
программ для станков с числовым программным управлением
(ЧПУ);
моделирование и оптимизация технологических процессов;
разработка материальных и трудовых нормативов;
проектирование средств технологического оснащения (ГОСТ
14.301—83);
создание информационного технологического массива объекта
производства;
» организационно-технологический анализ производства;
расчет производственных мощностей;
разработка производственно-технолбгйческих планировок;
изготовление средств технологического оснащения;
экспериментальная отработка новых и сложных технологиче-
ских процессов;
разработка, при необходимости, автоматизированной системы,
управления технологическими процессами (АСУТП);
внедрение в производство разработанного комплекса техноло-
гических процессов, оснащения и специализированного оборудова-
ния с целью выпуска нового изделия.
В условиях конкретного роботизированного производства необ-
ходимо добиваться применения оптимального варианта технологии,,
основанного на экономически целесообразном выборе оборудова-
ния, типа и моделей промышленных роботов, приспособлений1
и инструмента, обеспечивающих заданный уровень механизации,
и автоматизации производственных процессов.
На оптимизацию технологического процесса и его структуры
оказывает существенное влияние большое число исходных данных
и факторов, затрудняющих в большинстве случаев анализ техно-
логических процессов с позиций сравнения конкурирующих вариан-
тов. В основном технолог осуществляет выбор окончательного»
варианта технологии на основании опыта. Анализ комплекса
233
технологических мероприятии, связанных с подготовкой произвол-
ства, производится традиционными методами, в большинстве слу.
чаев вручную. В связи с этим системный подход к проектированию
технологических процессов затруднителен, а в условиях многова-
риантности практически не может быть одновременно обеспечена
оптимизация процесса, требуемый уровень качества выпускаемой по
нему продукции и высокие показатели экономичности проектных
работ. В определенной степени преодолеть эти трудности удается
в условиях роботизации производства, когда для технологической
подготовки производства (расчета программ, траекторий переме- '
шения схвата манипулятора и составления технологических карт)
и непосредственного управления роботами, группой роботов или
робототехнического комплекса широко используются ЭВМ совмест-
но со средствами автоматизации инженерно-технических работ.
Степень совершенства технологической подготовки производства 1
на промышленном предприятии определяется уровнем применения
стандартов ЕСТПП, применением прогрессивных технологических
процессов, оснастки и оборудования, типа роботов, средств механи-
зации и автоматизации производственных процессов, инженерно-
технических и управленческих работ.
При разработке технологических процессов роботизированного
производства первостепенное значение имеют следующие вопросы:
системность проектирования с учетом комплекса действующих
внешних переменных факторов, непосредственно оказывающих
влияние на проектируемый технологический процесс с позиций его
структуры, обеспечения параметров качества продукции и показа-
телей экономической эффективности машиностроительного произ-
водства;
оптимизация технологического процесса по параметрам точно-
сти изготовления деталей и режимов резания;
оптимизация сочетания и взаимоувязки применяемых типовых
и индивидуальных технологических процессов на всех уровнях ав-
томатизации роботизированного производства и на всех этапах его
технологической подготовки.
Современное производство на машиностроительных предприя-
тиях характеризуется многономенклатурностью и частой сменяе-
мостью объектов производства, появлением новых конструктивных
решений, разработкой новых технологических процессов и материа-
лов. Все это требует сокращения длительности цикла технологиче-
ской подготовки производства. Поэтому в числе основных задач,
стоящих перед технологическими службами предприятий, является
отыскание путей и методов, позволяющих сократить цикл подго-
товки и снизить трудоемкость проводимых работ.
Одним из таких путей является проведение комплекса работ
по совершенствованию системы технологической подготовки произ-
водства на принципах ЕСТПП, т. е. создание такой системы, кото-
рая базируется на принципах стандартизации, типизации и унифи-
кации, а также на рациональной организации, механизации и
автоматизации работ технологической подготовки производства.
Эти работы необходимо проводить системно с поэлементным реше-
234
нием задач по пяти основным направлениям: совершенствование
структуры подразделений технологической службы и управления
технологической подготовки производства; сокращение сроков про-
ектирования технологических процессов, а также проектирования
и изготовления технологической оснастки, внедрения технологиче-
ских процессов и разработки систем управления ходом технологи-
ческого процесса.
Важным моментом является выбор рациональной структуры
технологической службы в период подготовки новых изделий с уче-
том структуры по видам работ и специализации производственных
подразделений предприятия. При изучении опыта работы техноло-
гических служб при децентрализованной и централизованной си-
стемах организации работ по технологической подготовке произ-
водства новых изделий установлено, что децентрализованная
система не позволяет качественно на базе стандартизации и уни-
фикации провести подготовку производства, а централизованная
система не позволяет оперативно в производственных подразделе-
ниях решать возникающие вопросы при освоении нового изделия.
Поэтому для роботизированного производства целесообразно при-
нимать с учетом специфики предприятия смешанную систему тех-
нологических работ (централизованная система разработки техно-
логических процессов и основного технологического оснащения),
которая дает возможность сохранить основное преимущество де-
централизованной системы — оперативность в решении текущих
вопросов и в то же время достичь высокой производительности и
качества работ путем централизации и специализации инженерно-
технических работников. При выборе структуры необходимо учи-
тывать внедрение в последующем в нее диалоговой системы чело-
век-ЭВМ.
Управление технологической подготовкой производства пред-
ставляет собой процесс разработки и осуществления мероприятий
по обеспечению функционирования такой подготовки и корректи-
рованию хода выполнения работ при возникших отклонениях.
Управление включает решение вопросов планирования, учета, конт-
роля и регулирования. Планирование, координацию, учет и конт-
роль в технологической службе должно осуществлять специальное
подразделение (бюро или группа). Задачи этого подразделения:
оперативное планирование технологической подготовки произ-
водства новых и модернизируемых изделий во всех подразделениях
технологической службы на основании директивных сроков комп-
лексного графика технической подготовки производства нового
изделия;
планирование работ по технологической подготовке, связанных
с конструкторскими изменениями;
планирование работ подразделениям по научно-исследователь-
скому плану и плану организационно-технических мероприятий;
диспетчирование прохождения технологической документации
по подразделениям технологической службы;
разработка и корректировка нормативов на выполнение работ
по технологической подготовке производства;
235
контроль и учет состояния выполнения запланированных работ
по технологической подготовке;
регулирование работ во времени по всем звеньям технологиче-
ской службы для обеспечения всей полноты технологической под-
готовки производства.
Необходимо при этом так построить маршруты движения техно-
логической и конструкторской документации по подразделениям
службы, чтобы циклы прохождения в период проработки их под-
разделениями технологической службы были минимальными. В то
же время схема движения документации должна предусматривать
регистрацию ее движения на каждом этапе планирующим подраз-
делением, что дает возможность руководству службы постоянно
иметь достоверную информацию о состоянии технологической под-
готовки производства.
Основные задачи планирования при технологической подготовке
нового изделия: определение состава, реальных объемов и сроков
выполнения работ; распределение оптимальных объемов работ
между подразделениями службы с учетом запросов текущего про-
изводства; установление оптимальной последовательности и рацио-
нального сочетания работ для достижения минимальной продол-
жительности цикла подготовки.
По ГОСТам на ЕСТПП рациональная организация структуры
технологической службы, с обеспечением возможности гибко ре-
шать поставленные задачи, является одним из существенных эта-
пов технологической подготовки производства.
С развитием автоматизации машиностроительных производств
в службах главного технолога предприятий, содержащих традици-
онные функциональные подразделения, все в более широких мас-
штабах начали функционировать отделы механизации и автома-
тизации.
Созданные повсеместно как подразделения для разработки
нестандартного оборудования с развитием работ по роботизации
технологических процессов, эти отделы постепенно претерпевают
существенные структурные и функциональные изменения, превра-
щаясь в мощные подразделения средств механизации и автомати-
зации производственных процессов. Такие отделы разрабатывают
(наряду с другими средствами механизации и автоматизации про-
изводства) специализированные робототехнические комплексы и
системы, автоматические линии с гибкой связью на базе станков
с ЧПУ и промышленных роботов, роботизированных линий сборки.
В составе подразделений автоматизации создаются специали-
зированные бюро (лаборатории) робототехники. В зависимости от
объема выполняемых работ эти подразделения могут функциональ-
но входить в отделы ЧПУ или выделиться в самостоятельные бюро
или отделы. Независимо от этого указанные службы по функцио-
нальному назначению по-прежнему остаются подразделениями
автоматизации. Таким образом, развитие роботизации производства
видоизменяет традиционно сложившуюся структуру служб главно-
го технолога, обусловливая появление в ее составе инженеров
новых специальностей: по робототехнике, по программированию,
236
электронике, математике, по обслуживанию систем автоматизации
и| ЭВМ.
Мисленный состав такого бюро зависит от объемов работ, опреде-
ляющихся количеством действующих в производстве промышлен-
ных роботов, количеством и сложностью систем управления робо-
тами, в том числе и систем с ЧПУ, применяемых на заводе, номен-
клатурой и сложностью изделий, повторяемостью партий изготав-
ливаемых изделий. Структура и численность бюро (отделов)
робототехники устанавливается руководством предприятия.
В общем случае бюро робототехники состоит из следующих
четырех подразделений: технологическая группа, конструкторская
группа, группа расчетов и программирования, группа специалистов
по электронике и систем управления. Численность бюро рекомен-
дуется устанавливать в зависимости от количества роботов и от
количества разрабатываемых в год программ (для инженеров-
программистов) .
Основные задачи бюро робототехники: установление областей
возможного применения роботов на предприятии; определение ти-
пажа роботов и моделей основного технологического оборудования,
предназначенного для обслуживания роботами; подбор номенкла-
туры деталей для разработки технологических процессов; опреде-
ление потребности в основном технологическом оборудовании и
промышленных роботах; разработка технологических процессов,
расчет и внедрение управляющих программ для роботов; оснаще-
ние роботов специальными технологическими приспособлениями и
средствами организации внешней среды; внедрение в производство
промышленных роботов, робототехнических комплексов и систем;
координация работ всех технологических служб, связанных с внед-
рением робототехники; обучение и подготовка специалистов по
электронике, программистов и наладчиков для собственных нужд;
обеспечение эффективного внедрения роботов; осуществление сис-
тематического контроля за использованием в производстве ротобо-
техники.
Основные функции группы расчета и программирования: рас-
чет исходной информации для получения управляющих программ,
определение координат геометрических и технологических опорных
точек траектории движения манипулятора робота, определение
координат при ручном программировании. Эта группа осуществля-
ет описание исходных данных на конструктивно-технологическом
языке систем автоматизированного управления, а также кодирова-
ние информации в коде определенного проблемно-ориентированно-
го языка. Эта же группа разрабатывает карты набора штекерных
панелей, а также технологические карты обучения робота. В обя-
занности группы входит также внедрение разработанных программ.
Основными функциями технологической группы является уста-
новление области применения роботов, определение их типажа
и количества, а также оформление заказов на приобретение или
заказов на конструирование в конструкторских подразделениях.
Технологическая группа разрабатывает и согласовывает техниче-
ские задания на создание специализированных промышленных
237
роботов и определяет номенклатуру деталей — объектов роботизации.
Эта группа осуществляет разработку графиков внедрения робо-
тов, просмотр чертежей на технологичность с учетом специфики
роботизации производства, согласовывает намечаемые изменения
в чертежах с отделом главного конструктора.
Выдача технических заданий на проектирование необходимой
оснастки, вспомогательных устройств и инструмента, согласование
спроектированной оснастки, контроль за ее изготовлением являют-
ся основными функциональными обязанностями технологической
группы. Технологическая группа разрабатывает маршрутный тех-
нологический процесс, производит пробную обработку деталей на
роботизированных комплексах, выдачу данных для расчета траек-
тории перемещения манипулятора, определяет последовательность
и направление обработки, устанавливает режимы резания. Силами
технологической группы бюро робототехники проводятся экспери-
ментально-технологические работы, направление на совершенство-
вание механической обработки на станках и сборки. Эта группа
принимает участие в организации производственных участков, ос-
нащенных роботами, а также внедряет роботы и робототехнические
системы, технологические процессы с составлением акта внедрения.
Важными этапами являются контроль за изменением чертежей
деталей, изготовляемых в производстве на робототехнических комп-
лексах, своевременное внесение по конструкторским замечаниям
изменений в технологические процессы и выдача заданий на соот-
ветствующую корректировку чертежей технологического оснаще-
ния, а в случае необходимости — на корректировку управляющей
программы.
Технологическая группа систематически изучает технические
характеристики и технологические возможности новых моделей
роботов и информирует технологов завода о последних отечествен-
ных и зарубежных разработках. Она же участвует в пуске и на-
ладке роботов и робототехнических комплексов совместно с пред-
ставителями заводов-изготовителей или специализированных пуско-
наладочных организаций, а также координирует работу всех служб
завода, связанных с внедрением средств робототехники.
Конструкторская группа бюро (отдела) робототехники осущест-
вляет весь комплекс конструкторских и проектных работ по
созданию робототехнических комплексов, систем и участков,
проектированию специального инструмента и технологического ос-
нащения. Она проектирует средства организации внешней среды,
а в ряде случаев — самостоятельно разрабатывает специализиро-
ванные роботы. Группа участвует в разработке конструкторской
документации в цехах нестандартного оборудования и инструмен-
тальных цехах предприятия, оперативно внося изменения в черте-
жи по мере изготовления инструментов, специальной оснастки,
специализированных роботов и средств организации внешней сре-
ды. Конструкторская группа участвует также в проведении испы-
таний вновь созданных роботов и робототехнических систем.
Основными функциями группы специалистов по электронике
и системам управления являются изучение и освоение систем
238
! правления промышленных роботов и проведение модернизации
истем управления с целью повышения их надежности, долговеч-
ости, удобств управления и обслуживания, обслуживание и ремонт
ппаратуры для подготовки управляющих программ, находящихся
i бюро (отделе).
Силами группы осуществляется наладка робототехнических
систем совместно с наладчиками заводов-изготовителей, обучение
^аладчиков и операторов правилам управления и эксплуатации,
•(ехники безопасности.
I Техническое обслуживание и надзор за исправным состоянием
и правильной эксплуатацией промышленных роботов в производ-
стве возлагается на службы отдела главного механика и главного
энергетика. Однако бюро (отделы) робототехники имеют право
проверять на участках, оснащенных промышленными роботами,
соблюдение правил техники безопасности и выполнение графиков
профилактических осмотров и ремонтов их.
Численный состав бюро (отделов) робототехники рекомендует-
ся устанавливать с учетом данных, приведенных в табл. 6.1—6.3.
Приведенные в табл. 6.1—6.3 данные о численности бюро (от-
делов) роботизации определены, исходя из обеспечения двухсмен-
ной работы роботов и робототехнических систем. В состав служб,
кроме инженерно-технических работников, входят специалисты-
наладчики, операторы, машинистки, архивариусы. Их общая чис-
ленность может достигать 10—15% состава отдела (бюро) робо-
тотехники.
Одной из важнейших работ в системе технологической подго-
товки производства является проектирование (разработка) техно-
логического процесса.
Существуют различные методологические подходы к разработ-
ке технологических процессов. Наиболее широкое распространение
получило проектирование индивидуальных маршрутных техноло-
гических процессов. Как и во всех других случаях, основой проек-
тирования технологического процесса является рабочий чертеж
детали и сборочный чертеж узла, в который входит данная деталь.
Анализ этой документации, а также комплекса технических усло-
вий на изготовление в сочетании с заданной подетальной произ-
водственной программой позволяют определить тип производства
и величину партий деталей. Методология расчетов и необходимые
формулы разработаны в общей теории технологии машинострое-
ния и приведены в ряде фундаментальных работ [1, 3, 6, 7].
На следующем этапе разработки технологии определяют вид
и размеры заготовок. В случае необходимости рассчитываются
припуски и оформляется чертеж заготовки.
Последующим этапом проектирования технологического про-
цесса является определение последовательности технологических
операций, состоящий из прикидки межцехового маршрута обработ-
ки, а также выбора оборудования, инструмента и приспособлений,
расчета и назначения режимов обработки, а также определения
норм времени (при необходимости) и подсчета себестоимости.
Дальнейшим этапом разработки технологического процесса
239
Таблица 6.1. Структура и численность подразделений робототехники
Наименование подразделения	Численность подразделения (чел.) при разрабатываемых в год управляющим программам				
	10	50	100	350	1000
Руководство	1	1	1	1	1
Технологическая группа	1	1	2	3	5
Конструкторская группа	1	1	2	5	10
Группа расчета и программирования	1	2	4	8	16
Группа специалистов по электронике и си- стемам управления	2	2	3	4	6
Всего	6	7	12	21	38
Таблица 6.2. Численный состав групп специалистов по электронике
и системам управления
Состав группы	Численность группы (чел.) при обслуживании роботов				
	ДО 10	10-20	20—30	30—50	более 50
Руководитель	1	1	1	1	1
Специалист по электро-	1	1	2	4	5
нике					
Инженер-электрик	1	2	3	5	8
Всего	3	4	6	10	14
Таблица 6.3. Структура н численность отдела робототехники
Наименование подразделения	Численность отдела (чел.) при обслуживании роботов							
	10	20	30	50	100	150	200	более 200
Руководство	1	1	1	1	1	1	1	1
Технологическое бюро	1	2	3	4	5	8	12	15
Конструкторское бюро	1		5	7	10	15	20	25
Бюро расчета и програм-	2	4	6	10	15	18	20	25
мирования Бюро специалистов по электронике и системам	3	4	6	10	14	15	18	20
управления Бюро внедрения	—	—	2	2	3	3	5	8
Всего	8	13	23	34	48	60	76	94
Удельное отношение чис- ленности сотрудников к числу роботов	0,8	0,65	0,75	0,68	0,5	0,4	0,38	0,3
является составление и оформление варианта процесса. Составная
часть работ этого этапа — использование и учет результатов ранее
выполненных работ (выбор оборудования, оснастки, режимов ре-
зания). При необходимости производятся уточненные расчеты.
Одновременно оформляются заказы и производится конструктив-
ная разработка специальной оснастки для заготовительных цехов,
240
а также выполняется конструктивная разработка приспособлений,
режущего, мерительного и вспомогательного инструмента для
основного производства.
Параллельно осуществляется заказ и приобретение недоста-
ющей стандартной оснастки. После изготовления специальной тех-
нологической оснастки для заготовительных и основных цехов
наступает этап внедрения технологии в производственных усло-
виях.
Приведенная последовательность этапов проектирования тех-
нологического процесса может видоизменяться в зависимости от
конкретного характера и типа производства, однако структурное
построение процесса сохраняется стабильным. Общая схема раз-
работки технологического процесса в соответствии с приведенными
принципами приведена на рис. 6.1.
Частным случаем приведенной выше общей схемы является
разработка технологических процессов на основе типовых марш-
рутов.
В условиях современного машиностроительного производства
существует практика обработки одинаковых и подобных деталей
по сходным технологическим маршрутам. Такая практика позво-
Рис. 6.1. Схема разработки технологического процесса.
24 К
ляет ограничить количество имеющихся в производстве технологи-
ческих процессов, позволяет создать необходимые технические
предпосылки к типизации и свести к целесообразному минимуму
межцеховые потоки деталей.
Недостатком технологических процессов на основе типовых
маршрутов является то, что они не всегда приближаются к опти-
мальным.
Разработка индивидуальных технологических процессов на базе
типовых маршрутов имеет ряд основных общих принципов. Среди
них необходимо, в первую очередь, отметить следующие: создание
эффективных процессов на основе общности методов механической
обработки подобных по геометрическим признакам, форме и раз-
мерам деталей;
изготовление заготовок с минимально допустимыми припуска-
ми под механическую обработку, которые назначаются, в основ-
ном, по данным многочисленных статистических наблюдений
и опыта предшествующих разработок;
применение в процессе механической обработки деталей еди-
ной технологической оснастки, а в случаях, если это представля-
ется возможным, переналаживаемой оснастки и инструмента;
использование в процессе механической обработки единого прин-
ципа базирования и минимально возможного количества способов
крепления заготовок на различных операциях технологического
процесса;
сохранение единства структуры и последовательности операций
как при движении деталей между различными цехами, так и в
пределах одного механообрабатывающего цеха;
выделение в маршрутной технологии основных операций, без
детального оформления технического содержания работ (порядок
установки и закрепления, режимы резания и т. д.);
использование в пределах производства возможностей и высо-
копроизводительного оборудования;
использование принципа максимальной концентрации опера-
ций, когда предполагаемое инженерное содержание работ реали-
зуется на основе использования опыта и высокой квалификации
рабочих-исполнителей;
ориентировочное определение пределов трудоемкости изготов-
ления детали с целью планирования загрузки оборудования по ук-
рупненным нормативам.
Приведенная структура маршрутной технологии позволяет, ис-
пользуя принцип подобия, разработать с минимальными трудовы-
ми затратами общую схему обработки деталей любого класса.
Главной особенностью метода разработки индивидуальных тех-
нологических процессов на основе типовых маршрутов является
проектирование двух вариантов процесса: простейшего — для вы-
пуска деталей в условиях опытного и единичного производства,
обладающего приемлемой оптимальностью и эффективностью, и
более совершенного — с указанием применяемого оснащения, ре-
жущего и мерительного инструмента, рациональным назначением
режимов обработки на типовых операциях. Обычно в первом ва-
242
рианте процесса предусматривают минимальный набор универ-
сальных станков, обеспечивающих полную обработку той или иной
детали. Чаще всего приспособления первого варианта — простей-
шего типа с ручными винтовыми зажимами. Повысить эффектив-
ность процесса можно применением прогрессивной оснастки, уни-
версальных гидравлических и пневматических приспособлений,
комбинированных и специальных инструментов.
Во втором варианте, который прорабатывается более деталь-
но, обычно применяют высокопроизводительное автоматизирован-
ное оборудование, что позволяет добиться более высокой эффектив-
ности при внедрении технологии в производство. Повысить эффек-
тивность удается, в частности, применением многоместных пнев-
матических приспособлений и увеличением степени концентрации
операций.
В современном машиностроительном производстве наиболее
распространены методы проектирования технологических процес-
сов на основе типовых технологических решений для деталей са-
мых разнообразных машин и приборов, основывающихся на общ-
ности технологической классификации деталей.
Типизация технологических процессов — главное направление
технологической унификации. Основой технологической унифика-
ции является классификация деталей и их поверхностей по груп-
пам и конструктивно-технологическим признакам. Под типизацией
понимается создание основополагающих технологических процес-
сов для изготовления всех деталей данного класса, базирующихся
на сходных высокопроизводительных методах обработки с исполь-
зованием современных механизированных и автоматизированных
средств производства и орудий труда.
Технологическая унификация, являясь основой рациональной
организации производства, обеспечивает решение главных задач
мелкосерийного и серийного производства — внедрение поточных
линий, создание замкнутых предметно-технологических участков
и автоматических линий, кооперирование и спецификацию произ-
водства. Она создает необходимые условия для успешного при-
менения вычислительной техники для решения как сугубо техно-
логических задач, так и задач нормирования, учета и планирова-
ния.
Технологическая унификация, разработанная на основе обоб-
щения передового опыта, позволяет создавать не только типовые,
но и стандартные технологические процессы. Это обеспечивает,
особенно в условиях специализации отдельных производств, обра-
ботку поверхностей, деталей, узлов методами самой современной
технологии, облегчает решение вопросов применения ЭВМ для
АСТПП.
Методика типизации и классификации деталей по однотипно-
сти технологического процесса изложена в [7]. Классификацион-
ными признаками для типизации технологических процессов явля-
ются форма (конфигурация), размер детали, точность обработки
и качество обработанной поверхности, материал детали,объем про-
изводственного задания.
243
Общепринятым является построение классификационной схе-
мы по принципу класс — подкласс — группа — тип.
Класс является основой классификационного деления, в котором
группируются детали подобной конфигурации, характеризующие-
ся общностью технологических задач. Каждый класс разбивается
«а подклассы, причем основным классификационным признаком
является конфигурация деталей. В свою очередь, подклассы де-
лятся на группы, а каждая из групп — на типы. Типы — это сово-
купность сходных деталей, характеризуемая общностью техноло-
гического процесса. Поэтому главной целью классификации явля-
ется определение всей номенклатуры типовых деталей, а цель
типизации технологических процессов — обобщение передовых при-
емов изготовления деталей и на этой основе создание прогрессив-
ных и высокоэффективных типовых технологических процессов изго-
товления однотипных деталей.
Опыт работы отечественной промышленности показал, что ти-
пизация развивается по трем направлениям:
типизация непосредственно технологических процессов безот-
носительно к деталям производства (в основу берется технологи-
ческий процесс);
типизация технологических процессов, основанная на классифи-
кации деталей (в основу берется реальная деталь);
типизация на базе сочетания типового технологического про-
цесса с классификацией реальных деталей.
Первое направление находит широкое применение в заготови-
тельных производствах, а также в специальных видах производ-
ств (например, гальваническом, химическом, термическом). Иног-
да типовая технология доводится до уровня отраслевых и общесо-
юзных стандартов.
Второе направление типизации находит наибольшее распрост-
ранение в механообрабатывающих цехах машиностроительных и
приборостроительных заводов.
Третье направление отличается наибольшей гибкостью, так как
для него характерна возможность регулирования содержания ти-
повых операций путем их корректировки в зависимости от изме-
няющейся производственной ситуации и изменений вносимых
в конструкцию детали. Этот вид типовой технологии обычно дово-
дится до уровня стандартов предприятия и получил наибольшее
распространение в серийном производстве.
Схема типизации технологических процессов на базе класси-
фикации объектов производства и элементов поверхностей приве-
дена на рис. 6.2. В соответствии с этим объектами типизации яв-
ляются элементарные поверхности, их сочленения, детали, узлы,
изделия, а для их изготовления разрабатываются элементарные
технологические процессы, типовые технологические операции
и типовые технологические процессы.
Типовые технологические процессы на обработку элементарных
поверхностей отличаются глубокой детальной проработкой, опти-
мизацией необходимых переходов, режимов и рациональным вы-
бором технологической оснастки и инструмента. Такие процессы
244
Рис. 6.2. Схема типизация технологических процессов.
составляют необходимую информационно-нормативную основу для
разработки комплексных технологических процессов обработки де-
талей.
Групповой метод производства является современной прогрес-
сивной ступенью развития унификации технологии. При групповом
методе открываются широкие возможности механизации и авто-
матизации производства. Основным признаком классификации и
группирования по этому методу являются средства технологическо-
го оснащения.
Метод групповой технологии, основу которого составляет объ-
единение изделий, деталей и сборочных единиц по общности не
только их конструктивного оформления, но и технологических
операций, независимо от их назначения, позволяет в условиях
мелкосерийного и серийного производства с большей эффективно-
стью переходить на высокопроизводительные методы, характер-
ные для крупносерийного и массового производства. Чем выше
уровень унификации технологии на базе группового метода, тем
выше и рациональней формы организации производства.
Основой группового метода производства являются: методика
классификации и группирования деталей, видов работ и технологи-
ческих процессов; методика классификации и конструирования
групповой технологической оснастки; целевая модернизация и спе-
циализация оборудования; внедрение групповых поточных и авто-
матических линий.
Групповой метод технологического оснащения на базе стандар-
тизации конструктивных элементов приспособлений позволяет сни-
зить сроки и затраты на технологическую подготовку производства.
Групповые приспособления и универсально-сборочное оснаще-
ние позволяют не только резко сократить затраты и сроки подго-
товки производства, но и обеспечить достаточную степень его на-
сыщения высокопроизводительными переналаживаемыми приспо-
соблениями.
Внедрение на предприятии групповой обработки требует про-
ведения подготовительных мероприятий: группирования (класси-
фикации) деталей; разработки технологического процесса для
группы деталей; проектирования групповой технологической ос-
настки; модернизации оборудования и создание специальных стан-
ков; организации групповых потоков и групповых автоматических
линий; создания системы календарно-оперативного планирования.
245
Группа —это совокупность деталей, которая характеризуется
при обработке общностью оборудования, оснастки, наладки и опе-
рационного технологического процесса. Группа деталей при груп-
повом производстве — это единство конструкторских признаков
(формы, размеров, требований качества поверхности) и техноло-
гических (общности технологии и оснащения), единство планиро-
вания и организации производства (организационно-плановые при-
знаки) .
Разработка группового технологического процесса начинается
с проектирования групповых технологических операций, представ-
ляющих собой общие операции для группы различных деталей
с определенной группой оснасткой на данном оборудовании.
Групповой технологический процесс — это совокупность груп-
повых технологических операций, обеспечивающих обработку раз-
личных деталей группы по общему технологическому маршруту
[5, 6], что позволяет организовать в производстве предметно-зам-
кнутые участки, а в ряде случаев — многопредметные поточные
линии.
На первом этапе разработки группового процесса производит-
ся классификация и группирование деталей, формируются некото-
рые принципиальные основы будущего технологического процес-
са, так как сам процесс классификации для группового метода
производится с учетом возможных методов обработки, применяе-
мого состава оборудования и оснастки.
Следующим этапом разработки технологии является определе-
ние последовательности технологических операций или переходов
при групповом операционном технологическом процессе.
Далее формулируются требования к групповой оснастке, вы-
бирается универсально-сборная оснастка и оформляются заказы
на ее компоновку.
Одновременно с определением состава оснастки производится
уточнение применяемого для обработки оборудования, выбор но-
вейших моделей высокопроизводительных станков, пригодных для
быстрой переналадки на обработку деталей других типов.
На заключительном этапе окончательно оформляется техноло-
гическая документация, которая должна содержать всю необходи-
мую информацию для удобного использования ее на рабочих ме-
стах.
Разработка технологических процессов на базе классификации
поверхностей деталей является наиболее высокой степенью унифи-
кации технологического проектирования, относящейся по своей
сущности к области стандартизации элементов технологических
процессов. Стандартизация технологических процессов — это ус-
тановление единых оптимальных методов и средств обработки ана-
логичных деталей или их отдельных элементов. В ее основу (как
и при групповом методе) заложена классификация деталей, их эле-
ментов, методов и средств обработки. Типовая схема стандартиза-
ции технологических процессов показана на рис. 6.3. Она охваты-
вает стандартизацию операций и переходов на базе классифика-
ции технологических поверхностей с учетом оптимизации методов
246
их обработки, рационального выбора станочного оборудования и
метода базирования деталей.
После завершения работ по классификации поверхностей, яв-
ляющихся начальным этапом разработки технологического процес-
са, приступают к проектированию оснастки. Количество техноло-
гических приспособлений и их типоразмеры определяются габарит-
ными размерами и формой деталей.
Следующий шаг разработки технологии — стандартизация тех-
нологических переходов, на базе сочетания которых формируются
стандартизированные операции. Последние служат основой для
составления стандартизированных технологических процессов. На
заключительном этапе технологического проектирования оформ-
ляется технологическая документация для производства.
Летали данного произдадстда
Классификация шнмогиших | mfepmami по Видам одрадотки
Г',Г'.',	,1'/Г,-..................I,
Свершше Токарные
'Длифовсль- Равные Строгальные Фрезерные
Другие
По типа размерам
По моделям станков
р	Дбт-
По типам одорддсвония
БШЗ\ (Другие
Другие
Многюмнтые.
По типовым схемам бозировония и закрепления |
операции
операции
Сдноыемжше
поЬермош
.Многоэлементные иднозтметае
поверхности I пЛерхности I
Мштёреходные I МюшаДые
операции
Однопергходные ушперехармые
операции
азмерам
j Стойдортизовойнйя
| операция
СтФртизойонт
операция
Единичный техшогичесш I
процесс!
Типовой техшгичеаий
процесс
Единичный тешигтш
процесс
Рис. 6.3. Схема стандартизации технологических процессов:
1 — конструктивный размерный ряд обрабатываемого элемента; Л — ряд технологических
размеров; /// — режущий и мерительный инструмент; /V — норма времени; 1—3 типы мно-
гопереходной операции; Тк. — токарно-карусельные станки; ТР — токарно-револьверные
станки; ТВ — токарно-вииторезиые станки; ТП — токарио-прецизионные станки; ПФ •—про-
дольно-фрезерные станкн; КФ — копировально-фрезерные станки; ГФ — горизонтально-фре-
зерные станки; ВФ — вертикально-фрезерные станки; Рд — другие станки.
247
Проведение работ йб стандартизации технологических опера-
ций и маршрутов создает предпосылки для обработки различных
деталей на отдельных операциях одними и теми же методами,
с использованием одних и тех же средств, а также позволяет прове-
сти в широких масштабах проектирование стандартной техноло-
гической оснастки. Все это резко сокращает сроки подготовки
производства и создает необходимые технологические условия для
успешного внедрения на предприятии робототехнических систем.
Приведенные методы проектирования не исчерпывают все мно-
гообразие технологических процессов. Однако они, являясь основ-
ными, получили наибольшее распространение в практике машино-
и приборостроительных заводов и составляют основу технологиче-
ской подготовки производства.
В условиях широкой роботизации различных отраслей маши-
не- и приборостроения, повсеместного применения роботов и робо-
тотехнических систем характер технологической подготовки про-
изводства, соответствуя по структуре и сущности ГОСТам ЕСТПП,
претерпевает существенные изменения.
Прежде всего появляется самостоятельная система мероприя-
тий по организации проектирования и внедрения робототехниче-
ских комплексов в общей системе технологического перевооруже-
ния и реконструкции действующего производства. Эта система, а
также ее элементы используются при разработке технологической
части проектов новых и расширяемых производственных подразде-
лений.
В соответствии с этой системой исходными данными для орга-
низации работ по роботизации производственных процессов явля-
ются:
результаты предварительного обследования производства;
предварительное определение объектов роботизации;
технико-экономическое обоснование и задания на выполнение
проектов с робототехническими комплексами;
плановые задания на внедрение промышленных роботов.
Следует особо отметить, что организация мероприятий по ро-
ботизации производства осуществляется на предприятиях в рам-
ках действующей системы технологической подготовки произ-
водства.
Технологическая подготовка внедрения промышленных роботов
преследует целью разработку и внедрение экономически рацио-
нальной технологии новых, расширяемых и реконструируемых про-
изводств на базе внедрения роботов. При этом техническое пере-
вооружение производства и организационно-технические меропри-
ятия рассматриваются как компоненты и элементы наиболее
общего процесса-реконструкции.
Виды реконструкции производственных подразделений, в рам-
ках которых осуществляется внедрение промышленных роботов,
определяется диаграммой Эйлера—Венна (рис. 6.4) [1]. В соот-
ветствии с диаграммой различают: единичные виды реконструкции,
частично комплексные и полностью комплексные.
248
т
\ ° \/ с /
\ -V у Рис. 6.4. Диаграмма ©Йлера-Венна для определении типов
^у	. реконструкции производства ври организации внедрения нро-
мышлеииых роботов.
Единичные виды реконструкции:
Т — технологическая перестройка производства (техническое
перевооружение первого типа);
О — организационная перестройка производства (организаци-
онная реконструкция первого типа);
С — строительная перестройка производства (строительная
реконструкция).
Частично комплексные виды реконструкции:
Т и О — организационно-техническая перестройка производ-
ства (техническое перевооружение второго типа);
Т и С — строительно-технологическая перестройка производ-
ства (техническое перевооружение третьего типа);
О и С — организационно-строительная перестройка производ-
ства (организационная реконструкция второго типа).
Полностью комплексные виды реконструкции включают полную
технологическую, организационную и строительную перестройку
производства (комплексная реконструкция). На рис. 6.4 полная
комплексная реконструкция обозначена заштрихованной зоной.
Внедрение промышленных роботов на уровне организационно-
технических мероприятий осуществляется без полной разработки
технологической части проекта реконструкции или технического
перевооружения, но с обязательным выполнением определенных
мероприятий.
Технологическая подготовка внедрения промышленных роботов
должна включать взаимосвязанные работы по общей машино-
строительной подготовке производства на базе стандартов ЕСТПП,
а также работы по созданию робототехнических комплексов. Струк-
турная схема технологической подготовки роботизированного
производства представлена на рис. 6.5. Каждая из функций (ви-
дов работ) этой схемы должна рассматриваться в тесной взаимо-
связи с другими подсистемами управления предприятием, а имен-
но: технико-экономического оперативно-календарного планирова-
ния; материально-технического снабжения и сбыта; подготовки
кадров; энергетического, ремонтного и инструментального обслу-
живания производства; капитального строительства; конструктор-
ской подготовки производства. Задачи, решаемые на различных
этапах технологической подготовки внедрения промышленных ро-
ботов, определяются табл. 6.4.
Следует отметить, что общий технологический анализ состоит
из технологического анализа конструкций и технологического
249
Рис. 6.5. Структурная схема основных этапов работ по технологической подготовке
роботизированного производства.
анализа производства. При этом особые требования к технологич-
ности конструкции изготовляемых деталей, сборочных единиц
и изделий в целом для условий применения промышленных робо-
тов определяются следующими факторами:
конструкторско-технологическими признаками групп и типов,
изделий, подлежащих обработке с использованием промышленных
роботов;
Таблица 6.4. Задачи, решаемые на различных этапах технологической
подготовки роботизированного производства
Основные этапы работ	Задачи, решаемые на этапе	Используемая докумен- тация
Управление и ор- ганизация техноло- гической подготов- кой внедрения про- мышленных робо- тов	Планирование, контроль, учет и регу- лирование работ по роботизации про- изводства Организация комплексных тем, целе- вых программ или специализирован- ных проектно-технологических служб, обеспечивающих проектирование и внедрение робототехнических комп- лексов	ГОСТ 14.107—76 Плановые	задания
Технологический анализ конструк- ций изделий	Обеспечение технологичности конст- рукций изделий по условиям исполь- зования промышленного робота Технологический контроль конструк- торской документации по условиим использовании промышленных роботов Структурный анализ конструкций из- делий с целью определения номенкла- туры их составных частей, пригодных для изготовления с использованием про- мышленных роботов	ГОСТ 14.201—73 ГОСТ 14.203—73 ГОСТ 14.204—73 ГОСТ 18831—73 Ведомости структурно- го состава изделий
250
Продолжение табл. 6.4
Основные этапы работ	Задачи, решаемые иа этапе	Используемая докумен- тация
Технологический анализ производ- ства	Окончательное определение объектов роботизации Определение производственной мощ- ности групп оборудовании, обслужи- ваемых промышленными роботами Определение возможностей достижения затаниой производственной мощности при использовании поомышленных ро- ботов на существующих площадях Определение рациональных уровней ав1имагизации	р обототехн и чески х комплексов Оценка возможностей и целесообраз- ности перестройки технологических процессов и технологической схемы с целью внедрения промышленных ро- ботов	Межведомственные правила выбора объек- тов роботизации Эксплуатационная до- кументация на обору- дование
Расцеховка	Определение номенклатуры и марш- рута прохождения сборочных единиц, деталей и материалов по цехам и службам предприятия в условиях ис- пользования робототехнических комп- лексов Согласование разработанных техноло- гических маршрутов с данными тех- нологического анализа производства Оформление ведомостей расцеховок изделий, изготовляемых на робототех- нических комплексах	Рабочая конструктор- ская документация Ведомости и другие данные технологиче- ского анализа произ- водства
Выбор и проекти- рование транспорт- но-тех нологи ческ их схем	Выбор транспортно-технологической схемы процессов перемещения Проектирование технологического про- цесса Проектирование процессов перемеще- ния изделий Проектирование контрольно-учетных процессов	ГОСТ 14.308—74 ГОСТ 3.1602—74 Государственные стандарты ЕСТД
Разработка техно- логической части проекта	Оформление исходных данных к про- ектам робототехнических комплексов: производственной программы; основных положений организации производства; транспортно-технологических схем процессов перемещения норм вре- мени Расчеты и обоснования по оборудова- нию робототехнических комплексов: численности оборудования	Документация, выпол- ненная на предшеству» ющих этапах ГОСТ 14.314—74 Отраслевые нормы тех- нологического проек- тирования
251
Продолжение табл. 6.4
Основные этапы работ	Задачи, решаемые на этапе	Используемая докумен- тация
	технических заданий на нестан- дартное оборудование спецификаций и смет затрат на оборудование; общих данных по применению средств механизации и автомати- зации специальных фундаментов и стро- ительных элементов под оборудо-	М а шиностроительные справочники по про- ектированию заводов и цехов
	вание Расчеты и обосновании по составу ра- ботающих и условиям труда: численности работающих и их квалификации мероприятий техники безопас- ности, охраны труда, пожаро- и взрывобезопасности Расчеты и обоснования по площадям робототехнических комплексов: расчеты площадей составление компоновочных пла- нов разработка планировок Расчеты и обосновании по произвол- ственным запасам: материалов технологической оснастки запасных частей инвентаря Расчеты и обоснования по применению энергии для технологических нужд: электроэнергии сжатого воздуха пара воды специальных газов (кислород, во- дород, азот, углекислый газ) Расчеты технико-экономических пока- зателей и обоснование новых данных робототехнических комплексов	Руководящие матери- алы по расчетам чис- ленности работающих, техники безопасности, производственной са- нитарии и пожарной! безопасности Руководящие норма- тивные документы и нормы технологическо- го проектировании Нормы расходов Общие методики опен- ки технико-экономиче- ской эффективности промышленных робо- тов
Проектирование средств технологи- ческого оснащения робототехнических комплексов	Разработка комплекта рабочих черте- жей на специальный инструмент Разработка чертежей на средства ор- ганизации внешней среды Разработка дополнительного нестан- дартного оборудования Разработка специальных устройств и элементов роботов (специальные за- хваты, датчики)	—
252
Продолжение табл. 6.4
Основные этапы работ	Задачи, решаемые на этапе	Используемая доку- ментация
Изготовление	и приобретение средств технологи- ческого оснащения	В соответствии с требованиями ГОСТ 15.001—73 и общими положениями по инструментальной подготовке произ- водства	—
Разработка норм технологического проектирования	Разработка норм и требований для выполнении работ по всем функциям технологической подготовки произ- водства	Государственные и от- раслевые стандарты, руководящие норма- тивные документы, ме- тодические и справок ные материалы
Монтаж и отладка робототехнических комплексов	Разработка технологических планиро- вок и монтажных схем Монтаж и наладка робототехнического комплекса Изготовление опытной партии н при- емно-сдаточные испытания Освоение производственной мощности робототехнического комплекса	Технологические пла- нировки, монтажные схемы, чертежи робо- тов, инструкции по эксплуатации роботов, настроечно-регулцро- вочиым и регламент- ным работам
схемой базирования и захвата;
признаками ориентации;
массой изделия.
Структурный анализ проводится путем отбора деталей, подоб-
ных по конструктивно-технологическим признакам (например, от-
носящихся к одному виду по классификатору ЕСКД, близких по
массе и номенклатуре требуемых для их изготовления операций).
При разработке технологических планировок и монтажно-ком-
поновочных схем робототехнических комплексов на чертежах
планировок наряду с технологическим оборудованием, местами
подвода инженерных сетей, рабочими местами, складочными и дру-
гими площадками необходимо указывать промышленный робот
(упрощенным внешним контуром с указанием крайних положений
движущихся частей), рабочую зону робота (пунктирной линией)
и постоянные ограждения.
Часто возникает необходимость разработки транспортно-тех-
нологических схем и основных грузопотоков. Они оформляются в
соответствии с общими требованиями ЕСТД и обозначаются в со-
ответствии с табл. 6.5. Графически они изображаются полужирны-
ми линиями. Если технологические, транспортные, контрольно-
учетные и другие операции выполняются без других средств техно-
логического оснащения и без применения промышленных роботов,
то они обозначаются тонкой линией.
Пример транспортно-технологической схемы представлен на
рис. 6.6.
253
Наименование операции
Технологическая
Загрузив оборудования
Сьем с оборудования
Погрузло, Выгрузка
Транспортная
Складирование, хранение,
накопление
Штобелиробание
Дештабелиробание
Контрольно-учетная
Условные
обозначения
Та б л ип а 6,5. Условные обозна-
чения операций, выполняющих про-
мышленным роботом
Рис. 6.6. Транспортно-технологическая
схема.
D®
©
О
На заключительных стадиях технологической подготовки про-
изводства по результатам разработки транспортно-технологических
схем в соответствии с требованиями ЕСКД оформляется вся по-
операционная технологическая документация.
Финишными этапами разработки технологической части проек-
тов робототехнических комплексов являются расчеты основных и
дополнительных технико-экономических показателей [1, 8].
6.2.	Технологичность объектов роботизации
Отработка на технологичность конструкций деталей, узлов, ма-
шин и механизмов является одним из важнейших элементов тех-
нологической подготовки любого производства. Технологичность
определяется как соответствие вида продукции требованиям эко-
номической технологии ее изготовления. Иными словами, техноло-
гичность— это такое свойство конструкции машин, узлов и дета-
лей, при котором обеспечиваются их высокие технические и экс-
плуатационные характеристики с минимальными затратами об-
щественно-полезного труда на их изготовление.
При роботизации производства условие повышения технологич-
ности вызывает появление особых требований к конструкции де-
талей, узлов, машин и приборов, обрабатываемых или собираемых
с помощью роботов на робототехнических комплексах и системах.
Детали и узлы, изготовляемые на робототехнических комплек-
сах, называют объектами роботизации. В общем случае технологи-
чность конструкций объектов роботизации определяется возмож-
ностью простого и надежного ориентирования разнотипных дета-
лей.
При отработке на технологичность конструкций объекта робо-
тизации необходимо учитывать следующее.
1.	Детали (объекты роботизации) должны иметь оптимальное
соотношение исполнительных размеров, точности и шероховатости
поверхности и физико-механических свойств.
2.	Форма деталей должна быть сравнительно простой, без ост-
рых кромок и больших выступов, с минимальным числом ребер
жесткости, особенно на поверхностях, предназначенных для захва-
та деталей. Указанное требование создает условия для простого и
надежного ориентирования разнотипных деталей.
254
3.	Деталь должна иметь возможно большее количество плоско-
стей и осей симметрии.
4.	Объект роботизации должен иметь минимальное количество
различных устойчивых положений.
5.	Объекты роботизации должны обладать ярко выраженными
ориентирующими элементами.
6.	Деталь должна занимать в пространстве только возможные
стабильные положения, при этом необходимо обеспечить макси-
мальные удобства для осуществления требуемых вращений и пере-
мещений в пространстве.
7.	Весьма важным является обеспечение совмещения направ-
ляющих координатных осей деталей с осями координат системы
робота.
8.	Деталь должна иметь удобные базы, что особенно важно
для повышения точностных характеристик сопрягаемых деталей.
9.	Схемы базирования должны обеспечить собираемость по
кратчайшей размерной цепи.
10.	Необходимо, чтобы ориентируемая деталь была подготов-
лена к автоматическому перемещению роботом, а не вручную. Это
иногда может привести к некоторому усложнению конструкции де-
тали по сравнению с конструкцией, предназначенной для манипу-
лирования руками человека.
11.	Объекты роботизации должны быть оптимизированы по мас-
со-габаритным характеристикам.
12.	Сборочная единица должна состоять из оптимального коли-
чества деталей, допускать рациональное расчленение общей трудо-
емкости, обеспечить концентрацию операционных переходов и при-
менение групповых технологических процессов.
13.	Конструкция сборочной единицы должна предусматривать
возможность применения минимального числа одновременно рабо-
тающих манипуляторов и максимальную доступность к деталям
сборочной единицы.
14.	Сборочная единица должна иметь рациональное расположе-
ние минимального количества сопрягаемых поверхностей (деталей).
Типы соединений должны быть простыми и легко выполнимыми.
15.	Желательным является симметричное расположение соби-
раемых и ориентируемых деталей, наличие центрирующих, фикси-
рующих и компенсирующих устройств, а также ориентирование по
кратчайшим размерным цепям, простота требуемого ориентирова-
ния и дальнейшее сохранение ориентации при сопряжении.
16.	Обязательным требованием для сборочных единиц являет-
ся соблюдение принципа последовательности сборки, т. е. отсутст-
вие промежуточной разборки или других дополнительных работ.
Перечисленные принципы технологичности объектов роботиза-
ции не исчерпывают всего многообразия и специфики проблем,
возникающих при роботизации производства. Так, решая вопросы
роботизации сборки, необходимо исходить из главной конечной
цели — получения минимальной трудоемкости работ и технологи-
ческой себестоимости. При этом иногда целесообразно несколько
ухудшить технологичность отдельных деталей, входящих в сборо-
255
Рис. 6.7. Граф модели процесса отработки на тех.
нелогичность объектов роботизации.
чную единицу (однако
обязательным и непре-
менным условием являет-
ся получение общего сум-
марного положительного
эффекта).
Решая задачу получе-
ния трудоемкости и себе-
стоимости сборки, необ-
ходимо оптимизировать
траекторию перемещения
рабочего органа промышленного робота. Она должна быть
простой по перемещению, иметь минимальную протяженность, со-
держать максимальное число прямолинейных участков, сопрягае-
мых возможно большими радиусами. Желательно стремиться
к минимальному числу опорных точек траектории и стандартизации
ее отдельных элементов. Необходимо также соблюдение минималь-
ности различных исходных положений и использование принципа
возможных совмещений при минимальном количестве одновремен-
но действующих управляющих координат.
Как видно, указанные специфические требования технологич-
ности сборочной единицы присущи только процессу роботизиро-
ванной сборки. К этому следует добавить, что для высокой точнос-
ти сборки при заданной производительности процесса желательно
использовать максимальную скорость перемещения рабочих орга-
нов манипуляторов, простые обратные связи, а также применять
такие способы сборки, которые обеспечивают наибольшую точ-
ность позиционирования разнотипных деталей. Кроме того, следу-
ет стремиться к тому, чтобы количество технологических команд
было минимальным.
В общем виде модель процесса отработки объекта роботизации
на технологичность можно описать с помощью графа (рис. 6.7).
На первых этапах отрабатываются общие требования, связанные
с выбором материала и физико-механических свойств поверхности,
на последующих этапах — требования к внешней форме деталей,
базирующим и ориентирующим элементам, а также схемам ориен-
тирования. Формирование каждого параметра производится на ос-
нове реализации отдельных требований, хотя возможно обратное
влияние отдельно сформированных параметров на предыдущие.
Приведенный граф может быть описан системой уравнений вида
ПО].
КЛ —	= 0;
К23К3 —	— 0;
Кз2^1 —	— 7?s3 = 0;
К 54X4 — Bz2s — о,
где Ху, Х2, ..., Хь — переменные, соответствующие получению
определенных параметров технологичности после реализации тре-
256
бований, т.е. этапами отработки на технологичность; S = в,-
1=1
Ьц — реализация отдельных требований.
В матричной форме система управления
0 К12 0 0		Х1		
0 0 0 0		*2		В%2
0 К.32 0 0	•	Хз	=2	В^23
0 0 Км 0		Х5		В$ъ
Поскольку приведенный граф не имеет собственных ветвей узлов,
диагональные элементы основной матрицы равны нулю; взаимные
ветви, соответствующие коэффициентам технологичности по от-
дельным параметрам, образуют под и наддиагональные элементы,
а внешние ветви, соответствующие реализации отдельных требо-
ваний, отвечают свободным числам уравнения.
Используя определители системы, при D^Q решение можно
найти по формулам Крамера [10], т. е. определить этапы отработ-
ки на технологичность объекта роботизации:
= D\lD\ Х.% --- Dz/D', Х3 = D3I D\ Х4 = Di/D", Х5 = DcjD.
Обобщенный коэффициент технологичности можно получить с помо-
щью преобразования графа и определения общего коэффициента пере-
дачи Кц.
Для данной модели отработки деталей на технологичность обобщен»
ный коэффициент технологичности может быть записан в виде [1, 10]
„	_ _______*12*54 (!	*23*34*42)____
""" “ ( 1 - ^42*54)	- *23*34 ~ *32*34)’
Графы, полученные после преобразования модели, показаны на
рис. 6.8.
Характеристическая модель процесса отработки на технологич-
ность сборочной единицы в графическом изображении представля-
ет собой циклический граф (рис. 6.9). Прежде всего отрабатывают-
ся требования к составу сборочной единицы, затем к выбору
базирующих деталей, соединению составных частей, процессу ори-
ентирования, процессу программирования и применяемым универ-
сальным ориентирующим устройствам. Как и в предыдущем
случае, формирование каждого из параметров производится за счет
реализации отдельных требований с учетом влияния отдельно
сформулированных параметров на предыдущие. Модель может
быть описана системой линейных уравнений.
K12X2-BS, =0;	j
К23Х3 — В,2 = 0;	j
/С34Х4 — В,3 = 0;
Кб1Х1 + КезХз + Кб4^4 — Вч = 0.
9 4-251
257
Рис. 6.8. Графы, полученные после преоб-
разования графа модели процесса отра-
ботки на технологичность объектов ро-
ботизации.
Рис. 6.9. Циклический граф характерис-
тической модели процесса отработки иа
технологичность сборочной единицы.
В матричной
форме эта система уравнений записывается так_-
0	Х12 0	0 ...	0		Xj		
0	0 К 34	0 ...	0		х2		
0	0 0	Кз4 • . .	0	•	Хз	—	Bs?
Аб1	0 Кез	Кб4  . •	0		х6		
Система может быть решена аналогично предыдущему случаю
с помощью формул Крамера или любым другим способом.
Обобщенный коэффициент технологичности сборочной роботи-
зируемой единицы можно получить с помощью преобразования
графа и определения общего коэффициента передачи
К
^21^42^43^41
(J-K.2) к21 1-
^Ь1К4|К63 
_________^43-^64^63________
О ^34^43) О К45К5бЛб4
^43^23^42 \
1 Кз4К4з/
В соответствии с изложенной методикой разработаны алгорит-
мы отработки на технологичность изделий, предназначенных для
изготовления на робототехнических комплексах. Алгоритм состоит
из выполнения таких основных этапов [1, 10]: ввод исходных дан-
ных и формирование отсутствующей информации; последователь-
ное определение пяти основных групп параметров, характеризую-
щих деталь; определение и расчет основных и дополнительных
показателей технологичности в соответствии с ГОСТ 14.202—73,
ГОСТ 14.203—73, установление уровня технологичности; форми-
рование рекомендаций по улучшению отдельных показателей.
После определения каждой группы параметров сравниваются по-
258
Начало
20
Определение
информации
г2 J
г//________L_______
Определение
технологического
процесса
~!2___I
Вызов информации. 
5.
Определение состава
соединения
/—1—
(Принятые критерии
El
т>
Г-15Л_____________
Определение
ориентирующего
устройства
г-22
Расчет
дополнительных-
___показателей
78 UA
значения
Г5
Определение,
базирующей детали
Л ♦	~
\ HFT
критерии —
Определение типа
соединения
.8_______I
.9.	_
Определение точности
соединения
//
Т/й
г-^й-----------
Определение
комплексного
показателя
16______±
г^тттг1---------
Определение
причины
несоответствует
_/а_ .
Определение блока
доздрата
г-19_______I_____
Определение
количества,
показателей
У20.
Расчет основных •
показателей
29-----------------
Корректировка
 основных показателей ~
г25--------------
Корректировка
 дополнительных
показателей
г26______I____
 Изменение
 исходной
информации
НЕТ/-Я	\М
—< Базовые показатели)**-
28------1-------
Определение уровня
технологичности
г29 t
Показатель
технологичности
♦
Конец )

х-1
I
Т2к
I
1
Рис. 1.10. Блок-схема алгоритма отработки иа технологичность сборочной роботизи-
рованной единицы.
лученные показатели с принятыми критериями и только при полу-
чении положительных результатов процесс продолжается. При от-
рицательных результатах формируются рекомендации по улучше-
нию и параметры определяются повторно.
На рис. 6.10 представлена в качестве примера блок-схема алго-
ритма отработки на технологичность сборочной роботизируемой
единицы. Алгоритм заключается в последовательном определении
и сравнении шести основных групп параметров: состава сборочной
единицы, базирующей детали, типа соединения, его точности, па-
раметров предполагаемого процесса ориентирования и универ-
9*
259
сального ориентирующего устройства. При положительном резуль-
тате с принятыми критериями определяются показатели и уровень
технологичности сборочной единицы. По этому алгоритму может
быть разработана программа для ЭВМ. Ее выполнение позволяет
получить детали и узлы с высокими показателями уровня техно-
логичности. Эти же алгоритмы могут быть использованы и для
ручной отработки на технологичность конструкторской докумен-
тации. При условии обеспечения требуемого уровня качества по-
ступающих на сборку из механообрабатывающих цехов деталей,
подузлов и узлов (сборочных единиц) современной технической
культуре производства и должной технологической дисциплине
можно гарантировать высокое качество собираемых роботами из-
делий.
6.3.	Методика обследования производственных процессов
Выявление отдельных рабочих мест и технологических процессов,
подлежащих роботизации. Критериями выявления отдельных ра-
бочих мест и технологических процессов, которые необходимо ро-
ботизировать, являются [4, 11]:
монотонные, часто повторяющиеся, однообразные движения
рабочих по неизменяющейся от цикла к циклу траектории;
наличие опасных, вредных и тяжелых условий труда в произ-
водственном процессе;
изменение параметров объектов роботизации одного типа (на-
пример, массы, формы, прочности, состояния поверхности, магнит-
ных свойств);
возможность перехода к групповой технологии обработки
(сборки) объектов роботизации;
отсутствие требований по тщательному визуальному контролю
качества объектов роботизации в каждом цикле;
необходимость обеспечения высокого коэффициента загрузки,
коэффициента сменности и ритмичности работы технологического
оборудования.
Выбор отдельных рабочих мест или технологических процессов
с целью их роботизации необходимо проводить при непосредст-
венном наблюдении за рабочими местами (технологическими про-
цессами) в цехе с использованием технологической планировки
цеха, различной технической документации, результатов гигиени-
ческих и психофизических исследований на этих рабочих местах
(технологических процессах), анализа последовательности трудо-
вых движений рабочего и загрузки рабочего места.
Анализ номенклатуры и программы выпуска изделий на ото-
бранных для роботизации рабочих местах (технологических про-
цессах). Вся номенклатура объектов роботизации, изготовляемая
(собираемая) на отобранных для роботизации рабочих местах
(технологических процессах) подразделяется на два типа:
объекты роботизации, масса, конфигурация и материал которых
позволяют обеспечить манипулирование ими с помощью захвата
(механического, электрического, пневматического и иного типа)
260
робота и объем партии которых не ниже минимально допустимой
реличины;
объекты роботизации, не отвечающие перечисленным требова-
ниям.
Отнесенные к первому типу объекты роботизации подлежат
изготовлению (сборке) в проектируемом роботизируемом произ-
водстве. Объекты роботизации второго типа на данном этапе раз-
вития технологии производства и робототехники изготовлению
(сборке)' в роботизированном производстве не подлежат.
Объекты роботизации, отобранные для изготовления (сборки)
в роботизированном производстве, подразделяются по форме на
три группы: тела вращения; тела произвольной формы; тела не-
постоянной формы.
Идентификация объектов роботизации и анализ их технологич-
ности. Объекты роботизации, отобранные для изготовления (сбор-
ки) в роботизированном производстве, подразделяются на классы.
Классификация проводится по конструктивно-технологическим
признакам (рис. 6.11), характерным для каждого вида производ-
ства, с учетом возможностей ПР и вспомогательного оборудования
РТК.
Определенный состав признаков обусловлен тем, что каждый
из них позволяет, в конечном счете, определять состав вспомога-
тельного оборудования РТК, грузоподъемность ПР, тип захватно-
го органа ПР, средства подготовки среды.
После классификации объектов роботизации необходимо прове-
сти анализ технологичности типового представителя каждого клас-
са, являющейся характеристикой конструктивных особенностей
объектов роботизации и играющей важную роль при разработке
роботизированных технологических процессов и средств автома-
тизации.
Оценка технологичности конструкции может быть качественная
и количественная.
Качественная оценка характеризует технологичность конструк-
ции обобщенно на основании опыта, количественная оценка тех-
нологичности конструкции объекта роботизации выражается по-
казателем, численное значение которого характеризует степень
удовлетворения требований к технологичности конструкции.
Технологичность сборочной единицы с учетом особенностей ро-
ботизации сборочных операций необходимо оценивать с учетом
следующих показателей [4]: количество объектов роботизации,
входящих в сборочную единицу; технологичность объектов робо-
тизации, составляющих данную сборочную единицу; технологич-
ность объектов роботизации с точки зрения возможности захват-
ного устройства ПР; технологичность способа сопряжения; техно-
логичность вида фиксации (табл. 6.6—6.8).
Степень технологичности объекта роботизации определяется
так:
1=1
261
Рис. 6.11. Классификация объектов (деталей) роботизации.
где т— сумма цифр по всем разрядам кода для данного объекта
роботизации; Ski—максимально возможная сумма цифр по всем
разрядам кода; п—количество разрядов.
Оценка технологичности объектов роботизации с точки зрения
возможности захватного устройства осуществляется на уровне
принципа удержания объекта и отражает эффективность данного
принципа роботизации (табл. 6.6—6.8).
Выбор вспомогательного оборудования РТК и захватного уст-
ройства ПР. Согласно табл. 6.8—6.17 определяется тип и функ-
ции вспомогательного оборудования РТК, а также тип захвата
ПР, при определении которого необходимо учитывать ряд факто-
ров, связанных с объектом, процессом захвата и удержания, тех-
нологическим процессом и со структурно-функциональной харак-
теристикой и конструктивной базой захватного устройства
(ЗУ).
262
признано.
Масса	Хароктиристики, абеспечи- Оачивашцие возможность ориентирования
- Сверхлегкие 
| go Юг 7
[ от Ю-50 г )-
пт50-Ю0г~\-
. Асимметрия
физических сдоистд
| Азродиномичности	)-
Теплопроводности	[-
[ Плотности	)-
	В состоянии СШЯ	
		
	Одно положение	-
		
ДПа
положения
* Легкие
Асимметрия
свойств поверхности "
| от Ю0-200г |-
вт200г-1ке\-
| от 1-5кг j-
| от 5~!0кг~~^
[ Первости
| Шероховатости
Отражательные
способности
Средние
ртЮ до 100кг
Тяжелые
от 100-1000кг
Сверхтяжеяые
>Ю00кг
_ ♦
Наружной
поверхности
выступы
Проточки
-] Прорезы
*-( Срезы
Г
Устойчивость
Три и далее
положений
» При дЪижении\
Определение таких факторов, как структурно-функциональная
характеристика и конструктивная база ЗУ тесно связано со свой-
ствами объектов роботизации. Так, по форме объекта производит-
ся выбор конструктивной базы ЗУ, например тела вращения целе-
сообразно захватывать механическим рычажным, механическим
цанговым или гравитационным призматическим схватом, для плос-
ких объектов типа колец возможно применение струйных схватов.
При этом попутно может решаться задача по ориентированию
263
Таблица 6.6 Признаки способа сопряжения
| СЗорочная евинира
Примечание. П-поступательное перемещение- В-Вращение.
Таблица 6.7. Признаки фиксации
Характер соединения	Соединение а помощью деталей			Соединение е помощью матери- алов			Соединение с помощью энергии	
Вид деформа- ции, состояние материала, вид энергии	без деформа- ции детали	с упру- гой де- формаци- ей детали	С пласти- ческой деформа- цией детали	твер- дых	жид- ких	газо- образ- ных	ме- хани- ческой	теп- ловой
Оценка техноло- гичности		t'5	Е3		Ез	£-	£,	Е-
объекта роботизации относительно ЗУ. Кроме того, форма объек-
та влияет на выбор зажимного элемента и количества их в за-
хвате (табл. 6,8).
Такое свойство объекта, как масса, указывает на требуемое
усилие удержания объекта в ЗУ. Усилие удержания определяется
функциональными возможностями ЗУ, принципом его действия.
Так, усилие удержания механических ЗУ зависит от их конструк-
ции, т. е. от усилительно-передаточного звена и соотношения меж-
ду его элементами. Кроме того, важное влияние на силовые свой-
ства механических захватных органов оказывает тип привода и
его конструктивные особенности.
Как показывает опыт, наибольшее усилие удержания позволяет
получить гидравлический привод, а наибольшее быстродействие —
пневматический и электромагнитный.
На выбор конструкции ЗУ оказывает влияние также материал,
264
из которого изготовлен объект. Механические свойства материа-
ла указывают на необходимость управления процессом захвата
и усилием удержания при захвате объектов роботизации из хруп-
ких и упругих материалов. Для объектов из таких материалов воз-
можно применение очувствленных ЗУ, например как Ст. 1, Ст. 2,
Ст. М, СУЗ (табл. 6.9).
Учет электрических свойств материала позволяет решить зада-
чу ориентирования объектов в электрическом поле, а также зада-
чу захвата объектов из диэлектриков при помощи электростатиче-
ских ЗУ. Использование магнитных свойств материала дает
возможность производить не только захват и удержание, но и пере-
ориентацию объектов в пространстве и решать задачу нахож-
дения объекта на позиции захвата.
Широкое применение для захвата объектов небольшой массы
находят вакуумные и струйные ЗУ. Грузоподъемность последних
зависит от создаваемой аэродинамической силы, а вакуумных —
от размеров присосов и величины создаваемого разряжения.
Вспомогательное оборудование РТК можно разделить на две
группы: загрузочно-разгрузочное и транспортирующее. Загрузоч-
но-разгрузочное в свою очередь подразделяется на три типа: ма-
газинное, бункерно-магазинное (штабельное) и бункерное, а транс-
портирующее на два типа: транспортеры и лотки.
В зависимости от компоновки и формы различают изогнутые,
прямолинейные, спиральные, трубчатые и бункерно-кассетирующие
устройства.
Прямолинейные и изогнутые применяются для объектов само®
различной конфигурации: цилиндров гладких и со шляпками, плос-
ких кругов, конических роликов, стержней, валиков ступенчатой
формы, рычагов; спиральные — для конических и цилиндрических
объектов, имеющих буртики, а также в случаях, когда во время
движения объекта необходимо изменить его положение.
Трубчатые магазины и бункерно-магазинные загрузочные
устройства применяются для объектов типа шариков и цилиндров,
относящихся к группе тел вращения, а также небольших плоских
заготовок. Трубчатые (шахтные) применяются для плоских объек-
тов в форме дисков, квадратов, прямоугольников, а стержневые
(шахтные) — для объектов класса пластин.
Бункерные устройства позволяют накоплять большое число
объектов роботизации, укладываемых в ориентированном положе-
нии рядами (например, куски проволоки); их можно подразделить
на следующие группы.
1.	Устройства, осуществляющие ориентирование надеванием
объектов на крючок. К ним относятся крючковые и штыревые
бункерные загрузочные устройства, применяющиеся для подачи
цилиндрических колпачков, у которых l/d > 1.
2.	Устройства, осуществляющие ориентирование западанием'
объекта в щель: секторные (с секторами различной конфигурации
в зависимости от конфигурации надеваемых объектов); дисковые;
элеваторные (с различными конструкциями лопастей); шиберные;
лопастные (для подачи четырех и шестиреберных гаек и подобных.
265
Таблица 6.8 Схемы захватных устройств и элементов сопряжения
№
п/п Тип захвата
Схема захвата
Схема
сопряжения
Область
применения
Механические захватные устройства (рычажные)
Кулисно-
рычажный
Реечно-
рычажный.
Клино-
рычажный.
Клино-
рычажный
с плоско-
параллельным
перемещением
губок
Для плоских
и
цилиндрических
жестких
деталей.
Механические захватные устройства (пальцевые)
Для жестких
и легко
деформируемых
деталей .
произвольной
срормы
Продолжение табл. 6.8
№ п/п	Тип захвата	Схема захвата			Схема сопряжения			Область применения
		вакуумные захватные устройства						
1	Амортизирующий индивидуального захвата							Для легко
2	Индивидуального захвата объектов							деформируемых и хрупких  деталей различной конфигурации
• 3	Группового захвата объектов		—					
Струйные захватные устройства
t Со стержневым
накопителем
С шахтным
накопителем
Для плоских
Оеталей.
со сквозным
отверстием
для плоских
 сеталей
произвольной.
срормы
Продолжение табл. 6.8
№ п/п	Тип захвата	Схема захвата	Схема сопряжения '	Овлзсть применения
Эластачно-охбатывающие захватные устройства				
Эластичный
с сико-
распределяющим
наполнителем
2
Эластичный
пальцевый
Для
хрупких легко
деформируемых
деталей
(объемных)
Магнитные захватные устройства
 Плоский .
электро-
магнитный
Для
срерромагнитных
деталей
Табл и да 6.9. Технические характеристики чувствительн ых схватов
Марка	Масса захватываемо- го объекта, кг	Чувствительные устройства		
		тип	количество	дальность действия, мм
СТ-1	5	Светолок ациониые	8	20
		Тактильные	12	—
СТ-2	1	Светолокационные	16	20
		Тактильные	26	—
СТ-М	30	Светолокационные	9	30
		Тактильные	8	—
СУ-3	1	Ультразвуковые	7	20—100
		Светолокационные	1	—
268
Таблица 6.10. Технические характеристики крючковых и штыревых
бункерно-ориентирующих устройств
Характеристики	Тип			
	крючковые с колебатель- ным движением	с возвратно- поступательным движением	с радиальным наружным распо- ложением крючков по окружности вращающегося диска	в наклонным расположением штырей на внутренней поверхности вращающегося кольца
Область примене- ния	Для шайб при dmax = 4 мм; ^тах=2»5 мм; толщине стенки h = 1 мм	Для колпачков ПРИ dmax = = 20 мм; 'max = 25 ММ; минимальной толщине стен- ки h = 0,5 — — 1,0 мм	Для колпачков и трубок при dmin =6 мм; dmax = 30 ММ-’ 1 — 20 мм: толщине стен- ки h = 0,3 мм	Для колпачков и трубок при dmin = Ю мм; dmax =40 мм; 1 = 90 мм; толщине стен- ки h = 0,3 мм
Число захватных органов, шт.	1	1	9—12	60—70
Минимальная про- изводительность, шт/мин	20—30	50—70	120—140	140—250
Максимальная ско- рость захватного органа, мм/мин	—	—	0,2—0,5	0,15—0,2
Коэффициент веро- ятности захвата	0,15	0,2	0,5—0,6	0,2
Таблица 6.11. Технические характеристики лотков
7/5- п/п	Тил	Схема					. Область применения
Лотки							
1	[расположением деталей. вдоль канала лотка	Ж Ж щ					Для, подачи цилиндричес- ких деталей с прямыми, коническими, ссрерически- ми торцами, трубочек, калпачкоо, у которых t/d>l
2	С расположением деталей поперёк канала лотка			j=!	1 4		Для подачи деталей ти- па цилиндров, шайб, кру- гов сориентированных о горизонтальной плос- кости большим пара- метром (длиной).
3	.[ расположением деталей под углом к горизонтальной плоскости	ЛЬ*	68 4&J 'A	I			2 SSQ		Для подачи цилиндричес- ких деталей ср шля яка- ми,гладких цилиндроо, отулок, кругов
Таблица 6.12. Технические характеристики магазинных и
магазинных загрузочных устройств
п/п\	Тип		Схема			Область применения
Магазинные и бункерно-магазинные загрузочные устройства					
1	Трубчатые				Для подачи деталей 6 Биде тонких кругов а ци- линдров .
2	Бункерные				Для накопления боль- шого числа деталей, уло- женных 6 ориентирован- ном положении рядами
3	Бункерно- кассетные				Для быстрой загрузка магазина деталями
4	Спиральные \	1			1		Для подачи конических и цилиндрических дета- лей,имеющих буртики, а также, когда Во Бре- мя движения детали не- обходимо изменить ее положение
Таблица 6.13. Технические характеристики транспортеров не кас-
сетирующих устройств
/V5 л/л	Тип	Схема					Область применения
Транспортеры							
1	Электромагнитные	Ж»					 Для перемещения дета- лей. из магнитного ма- териала
2	Пневматические						Для перемещения хруп- ких.и легких деталей
3	Вибрационные .						Для перемещения дета- лей только В горизонталь- ной плоскости или под небольшим углом
й	тракционные	I I. I L_					Для перемещения раз- личных деталей
5	Штыревые	Ф-А-					Для перемещения дета- лей В строго сориентиро- ванном положении
Кассетирующие устройства							
1	Гнездовые	га !	1				Для загрузки пластинча- тых и стеожнебых деталей
2	Штыревые	1	ф			1	Для трубчатых дета- лей с захватом по Внут- ренним поверхностям
							
3	Клеммобые		П.Г-,				Для стержневых дета- лей с захватом по наруж- ной поверхности
Таблица 6.14. Технические характеристики секторных, шелевых и лопастных
бункерно-ориентирующих устройств
Характеристики	Тип		
	секторные	бу а кер но -щелевые	лопастные
Область применения	Для подачи деталей со шляп- ками (заклепок, винтов)	Для подачи деталей со шляп- ками (заклепок, винтов)	Для подачи граненых дета лей
Средняя производитель- ность, шт/мнн	120—130	200—250	150—200
Частота	вращения, об/мин (или частота двойных уходов в минуту)	30—40	5—16	4-6
Длина рабочей поверх- ности сектора или диа- метр диска, мм	300—400	450—600	10—16
Таблица 6.15. Технические характеристики бункерно-ориентирующих устройств
с карманами и зубьями
Характеристики	Тип	
	с карманами	зубчатое
Область применения	Для подачи цилиндриче- ских деталей с центром тяжести, смещенным с оси симметрии (по длине)	Для подачи цилиндриче- ских деталей с центром тяжести, смещенным к донышку
Средняя производительность, шт мин	180—250	180—200
Число ориентирующих гнезд, шт.	20—32	30—70
Частота вращения диска, об/мин	8—12	3—10
им объектов). Они предназначены для подачи объектов в форме
цилиндров или конусов со шляпками (например, болтов, заклепок).
Некоторые из них могут подавать объекты типа шайб, гаек.
3.	Устройства, осуществляющие ориентирование путем запада-
ния объекта в фасонный вырез по его профилю. Они могут быть
дисковые или карманчиковые; предназначены для подачи колпач-
ков со сферической наружной поверхностью донышка и I< d.
4.	Устройства, осуществляющие ориентирование поворотом объ-
екта роботизации на фасонных губках и других опорах за счет сме-
щенного центра тяжести. Они предназначены для подачи цилинд-
рических объектов и объектов произвольной формы, у которых
272
Таблица 6.16. Технические характеристики бункерно-ориентирующих устройств
> с ориентирующей трубкой
Характеристики	Тип	
	с поступательно движущейся трубкой	с вращающейся приемной трубкой с ворошителем
Область применения Средняя производительность Число двойных ходов труб- ки в минуту Частота вращения ориенти- рующей трубки, об/мин	Для подачи цилиндриче- ских деталей 80—100 15—30	Для подачи цилиндриче- ских деталей 120—150 30—60
Таблица 6.17. Технические характеристики вибрационных бункерно-
ориентирующих устройств
Характеристики	Тип								
	Б В-60	БВ-100	БВ-160	Б В-200	Б В-250	БВ-315	БВ-400	БВ-500	БВ-630 j
Диаметр чаши, мм	60	100	160	200	250	315	400	500	630-
Высота бункера, мм	114	175	190	285	300	386	406	600	630
Напряжение питания, В	220		220		220		220		220
Потребляемая мощность, ВА	20	50		100		200		450	
Максимальный габарит загружаемой детали, мм	3	8	12	18	22	30	40	50	60
Максимальная масса пар- тии загружаемых дета- лей, кг	0,05	0,5	1,0	3,0	4,0	12	15	35	60
Скорость движения дета- лей по лотку, мм/мин	1,5	3,5		5		6		7	
Масса, кг	3	15		40		100		240	
центр тяжести смещен с оси симметрии. Различают два вида таких
устройств: карманчиковые, применяемые для подачи объектов со
смещенным с оси симметрии центром тяжести; зубчатые, приме-
няемые для подачи объектов роботизации с центром тяжести,сме-
щенным к донышку.
5.	Устройства, ориентирующие путем западания объектов в
трубку: с поступательно движущейся трубкой; с вращающейся
трубкой. Эти устройства применяют в том случае, когда объект
на позицию может быть подан любым1 концом.
273
6.	Устройства с особыми способами ориентирования, например
устройство, осуществляющее ориентирование по электрическим
свойствам объектов. Они применяются для ограниченных групп
объектов.
В настоящее время широкое применение получили вибрацион-
ные бункерные загрузочные устройства, которые просты по устрой-
ству и обслуживают широкую номенклатуру объектов роботизации.
Транспортерные устройства подразделяются на транспорте-
ры для непрерывного перемещения объектов — цепные, ленточные
(одноленточные, двухленточные и прокатные), конвейерные рас-
пределители, винтовые (для точного перемещения объектов) и ро-
ликовые; для прерывистого перемещения объектов—пильчатые
(для стержневых объектов) и гребенчатые (для объектов с запле-
чиками типа шатунов).
Лотки различают для самоточного и полусамоточного транспор-
тирования. Последние бывают механическими и пневматическими
и применяются для объектов: у которых поверхности скольжения
имеют гальваническое покрытие (хромированы, никелированы и
т. д.); из материала с высокими фрикционными свойствами (ре-
зины, пластмассы, керамики и т. д.); перемещаемых с малыми
скоростями.
Важное место среди устройств вспомогательного оборудования
РТК занимают кассетирующие устройства, которые бывают трех
типов: гнездовые, штыревые и клеммовые. В первых объекты раз-
мещаются в гнездах — ячейках кассеты, во вторых — нанизывают-
ся на штыри, в третьих — зажимаются клеммовыми держателями.
Каждый из этих типов имеет целый ряд разновидностей в зави-
симости от вида загружаемых объектов и выполняемых с ними
операций. Гнездовые кассеты применяют в основном для загрузки
пластинчатых и стержневых объектов, штыревые — трубчатых,
захватываемых за внутренние поверхности; клеммовые—для стер-
жневых, но с захватом за наружные поверхности. Разновидностью
штыревых кассет являются трубчатые, в которых на общей пли-
те вместо штырей установлены втулки (трубки) для захвата
объектов за наружные поверхности.
Штыревые кассеты применяют также для комплектации шайб,
гнездовые — стержней. Все описанные типы кассет выполняют как
однорядными, так и многорядными.
Вспомогательное оборудование РТК подразделяют на катего-
рии: серийно выпускаемое; типовое, но серийно не выпускаемое;
с конструкторской документацией; основанное только на научных
разработках, но без конструктивного решения; оригинальной раз-
работки.
Выбор промышленных роботов. Требования к ПР определяют-
ся при всестороннем анализе технологического процесса (опера-
ции), подлежащего роботизации, а также технологического анализа
конструкции объектов роботизации. Эти требования подразделя-
ются на три группы: технологические; эксплуатационные; эконо-
мические.
Технологические требования устанавливают функциональные
274
w
характеристики ПР, необходимые для его применения в составе
организуемого РТК. Так, номинальную грузоподъемность и пре-
дельную величину ускорений при перемещении устанавливают
после анализа объектов роботизации (конфигурации, массы, физи-
ческих свойств), изготовление (сборка) которых будет произво-
|диться при работе РТК-
Следует иметь в виду, что грузоподъемность является основ-
ным количественным показателем только для вспомогательных
ПР, тогда как для • технологических ПР грузоподъемность — тех-
нологический показатель процесса.
Геометрические характеристики рабочей зоны*, способ установ-
ки на рабочем месте, число степеней подвижности устанавлива-
ются при разработке компоновочных схем и планировок РТК.
Вид управления, число точек и точность позиционирования,
число ориентирующих степеней подвижности устанавливаются в
результате анализа технологического процесса (операции). Ско-
рость перемещения рабочих органов устанавливается в зависимос-
ти от требуемых скоростей выполнения операций, обусловливаю-
щих производительность РТК-
Эксплуатационные требования к ПР являются специфическими
и поэтому определяются аналогично требованиям к другому тех-
нологическому оборудованию.
Экономические требования определяют стоимость ПР и затра-
ты, связанные с его эксплуатацией, и устанавливаются из условий
получения планируемого экономического эффекта.
Кроме того, при анализе технологического процесса важное
место имеет определение возможности разбиения его на отдельные
технологические операции, поддающиеся роботизации, так как в-
ряде случаев из-за сложности технологического процесса и невоз-
можности его разбиения роботизация затруднена.
Выбор ПР осуществляется путем сравнения требуемых харак-
теристик с характеристиками существующих моделей ПР. Если-
среди существующих моделей ПР отсутствуют модели с требуемы-
ми характеристиками или если приобретение их является невоз-
можным, то необходимо произвести повторный анализ технологи-
ческого процесса (операции) и объектов роботизации с целью из-
менения отдельных требований к ПР, что позволит применить
существующие модели. Если же и в результате повторного ана-
лиза выбрать ПР не представляется возможным, то необходимо-
разработать техническое задание на проектирование (или до-
работку) ПР, в котором формулируются общие требования к ПР.
Выбор компоновки технологических переналаживаемых роботи-
зированных систем. В основе построения робототехнических систем
* Рабочие зоны некоторых типов ПР представлены на рис. 2.4, где а —
глубина основания; в — ширина основания; h. — высота робота; G — крайнее
верхнее положение руки; А — положение максимально выдвинутой руки; В —
исходное положение руки; С — величина хода руки; L — крайнее нижнее поло-
жение руки; К — величина подъема руки; Е — крайнее верхнее положение за-
хвата; г — радиус качания захвата; Q — крайнее нижнее положение захвата;,
а — максимальный угол поворота руки; И, N, М, Р — параметры запретной зоны.
275
Рис. 6.12. Схемы компоновки переналаживаемых типовых РТК:
о — РТК-1: б— РТК-2: в— РТК-3: „ — РТК-4; б — РТК-5.
в действующих производствах лежит оценка схем расположения
оборудования в цехах. Анализ показывает, что существует объек-
тивная связь между габаритными размерами технологического
оборудования и параметрами, характеризующими область рабо-
чего места; кроме того, на компоновку робототехнических систем
оказывают влияние особенности обслуживаемых роботами техно-
логических процессов, требования охраны труда и техники безо-
пасности для наладчика-оператора при проведении работ по «обу-
чению», смене инструмента и оснастки, профилактических осмотрах.
На основании анализа различных структур робототехнологиче-
ских комплексов можно выделить следующие основные схемы их
размещения в механообрабатывающих и сборочных цехах
(рис. 6.12).
РТК-1—один робот (автономный или встроенный) обслужи-
вает одну технологическую единицу (робототехнологическая еди-
ница). Применяется в условиях массового и крупносерийного про-
изводства. Возможно территориальное объединение робототехно-
логических единиц по признаку однотипности обслуживаемого тех-
276
нологического оборудования или типовости операций (как это по-
казано на рис. 6.12, а), что удобно в обслуживании и наладке РТК.
Такая компоновка предусматривает наличие питателей 2, обес-
печивающих промышленные роботы 4 упорядоченными по наличию,
принадлежности к классу и положению заготовками для дальней-
шей загрузки технологического оборудования 1. Функции опера-
тора 5 сводятся к наблюдению за правильностью функционирова-
ния элементов РТК.
РТК-2 — один робот обслуживает группу из двух-четырех еди-
ниц технологического оборудования (рис. 6.12, б). Работа ПР 4
и технологического оборудования 1 синхронизирована с работой
подводящей А и отводящей D транспортных систем таким образом,
что выполнение отдельных операций на одной из единиц техноло-
гического оборудования позволяет обслуживать роботом вторую
единицу оборудования. Одновременно промышленным роботом мо-
жет производиться замена инструмента и оснастки, расположен-
ных в магазинах 2 и 3 соответственно. Оператор 5 производит
наладку оборудования, «обучение» робота и следит за функциони-
рованием элементов РТК.
РТК-3 — несколько промышленных роботов и единиц техноло-
гического оборудования с транспортными межоперационными свя-
зями, питателями и накопителями объектов труда представляют
единое целое и объединены единым технологическим процессом
преобразования материальных объектов (рис. 6.12, в). Питатель
2 обеспечивает с помощью подающей транспортной системы А на
входе робототехнологического комплекса подачу на позицию об-
служивания промышленного робота 4 упорядоченные по положе-
нию и принадлежности к классу заготовки для загрузки с помо-
щью ПР технологического оборудования 1. После завершения
очередной операции роботы перегружают полуфабрикаты с обору-
дования на межоперационную транспортную систему D — А, под-
готавливая, таким образом, загрузку следующей единицы обору-
дования с помощью соответствующего промышленного робота,
итак до завершающей операции, после чего готовое изделие скла-
дируется очередным промышленным роботом в накопитель 3.
Функции оператора 4 аналогичные рассмотренным выше.
РТК-4 — несколько роботов обслуживают группу технологиче-
ских машин, число которых превышает количество роботов. При
такой компоновке выделяется несколько предметных участков
с законченным циклом преобразования объектов труда, в част-
ности, подсборок сборочного соединения, а весь технологический
процесс сборки изделия объединен транспортной системой
(рис. 6.12, г).
Объединенные таким образом в единую роботизированную ли-
нию робототехнологические комплексы обеспечивают последова-
тельную комплектацию сборочного соединения на транспортном
конвейере путем установки промышленными роботами 4 на рас-
положенные на транспортере базовые детали комплектующих
элементов соединения, находящихся в накопителях 2 и 3 в упоря-
доченном по наличию, положению и принадлежности к классу
состоянии. В случае отсутствия очередного элемента в накопителе
или наличии бракованного (неориентированного) элемента, доу-
порядочение накопителей осуществляется операторами 5, обслу-
живающими линию.
РТК-5 — роботы различной сложности используются в роботи-
зированных производственных системах. В этом случае выделяют-
ся предметные участки, формируемые по принципу завершенно-
сти операций и процессов. В частности, на рис. 6.12, д представ-
лена компоновка роботизированного участка, включающего тех-
нологическое оборудование 1, 3, 6 и 7, промышленные работы 4
различной сложности, накопители 2 с упорядоченными по нали-
чию, положению и принадлежности к классу объектами труда
и межоперационные связи 8, на которых могут производиться со-
путствующие (гибка, лужение, мойка, зачистка) или контрольные
операции. Технологическое оборудование может снабжаться ин-
дивидуальными стойками 9 локального управления, а участок в це-
лом управляется от мини-ЭВМ-10, являющихся одновременно эле-
ментами сопряжения с верхним уровнем иерархии — центральным
процессором, осуществляющим управление производственной сис-
темой. Функции операторов 5 расширяются, и теперь они не толь-
ко следят за правильностью функционирования участка, но также
осуществляют обслуживание средств и систем управления участком.
Таким образом, можно принять три основные схемы взаимного
расположения оборудования и роботов: круговую (рис. 6.12,6), ли-
нейную (рис. 6.12, а, е) и линейно-параллельную (рис. 6.12, г, д).
Выбор базовой модели ПР для данного производства. После
сравнения характеристик ПР, выбранных для отдельных классов
объектов роботизации, зная схему РТК, выбирают базовую (опти-
мальную) модель ПР для данного производства или, если такой
модели не существует, то составляют требования на доработку-
и определяют степень модернизации наиболее приближающейся
к требуемой существующей модели ПР. Далее определяют основ-
ные параметры каждого РТК.
6.4. Запуск роботизированного производства
Запуск роботизированного производства является заключитель-
ной стадией подготовки производства, предшествующей переходу
предприятия на выпуск новой продукции (или старой продукции
на новом техническом уровне производства).
Всю совокупность работ по внедрению ПР можно условно раз-
бить на три части: предпроектные работы; подготовительные рабо-
ты; собственно внедрение.
Предпроектные работы в свою очередь состоят из двух ста-
дий— предварительной и исследовательской.
На предварительной стадии разрабатывается план организаци-
онно-технических мероприятий предприятия, в который в качестве
основных технологических позиций включаются работы по внедре-
нию промышленных роботов и робототехнических систем. Планом
мероприятий устанавливаются источники финансирования работ и
круг ответственных исполнителей. Распоряжением по предприятию
278
назначается руководитель работ, а при больших объемах внедрения
в составе технологической службы создаются группа, бюро и отдел.
На предварительной стадии производится обследование объек-
тов роботизации и предварительный выбор моделей роботов и дру-
гих технических средств. Последнее обстоятельство имеет чрезвы-
чайно важное значение, так как в случае неудачного выбора моделей
роботов можно обречь идею роботизации на провал и потребуются
долгие годы, чтобы на данном предприятии созрел необходимый
психологический климат для новых практических действий по ро-
ботизации.
На предварительной стадии выполняются также предваритель-
ные технико-экономические обоснования намечаемых вариантов
внедрения и разрабатываются план-графики создания и внедрения
промышленных роботов и робототехнических систем.
Таблица 6.18. Типы промышленных роботов для машиностроительных
отраслей промышлеииостн
Типы	Грузе* подъем- । ность, кг 1	Число степеней подвиж- ности	Точность позици- онирова- ния, мм	Тип системы управления	Конструктивная особенность робота
	3—10	6	±0,1	Цикловой	Стационарный
Универсаль- ные	20 20 40 40	6 7 6 7	±1,5 ±0,05 ±0,1 ±0,2	ЧПУ с обуче- нием	Стационарный Передвижной Стационарный Передвижной
	60 90 150 200	7 7 7 7	±1,5 ±1,5 ±2,0 ±2,0	ЧПУ а воз- можностью уп- равления от ЭВМ	Подвесной Подвесной Подвесной
	1—10	3—4	±0,1	Цикловый	Взрывозащнщеннын
Спецнализи-	20 20 20 20 20 20	3—5 4 6 7 7 7	±1,5 ±1,5 ±1,5 ±1,0 ±1,0 ±1,0	ЧПУ с обуче- нием	Термостойкий Пылестойкий Взрывозащищенный Термостойкий Пылестойкий Подвесной термостойкий
рованные	40 40 40 60 60	7 7 7 7 7	±2,0 + 2,0 ±2,0 ±2,0 ±2,0	ЧПУ е воз- можностью уп- равления от ЭВМ	Подвесной пылестойкий Подвесной взрывозащи- щенный Подвесной	термостой- кий Подвесной пылестойкий Передвижной термостой- кий
Специаль- ные	40 90 150	3 3 3	±2,0 ±2,0 ±2,0	Дистанционный	Манипулятор встроен в оборудование
279
Таблица 6.19. Основные технические характеристики промышленных роботов
отечественного производства
Техническая характеристика	УМ-1	Унцвер- сал-50М	Универ- сал-5	Цик- лон-з.01	ПР-юн	Бриг-10	МП-6
Линейные переме- щения руки, мм: по вертикали	760	900	650	100	2С0	100	250
по горизонтали	760	900	700	600	600	600	600
Поворот кисти во-	240	180	120	180	220	240	180
круг продольной и вертикальной осей, град Число степеней	5	5	6	6	4	5	4
подвижности Точность позици-	±2	±3	±2	±0,1	±0,3	±0,3	±0,3
онирования, мм Линейные скорости перемещения руки, мм/с: по горизонтали	1000	900	870	700	800	600	1000
по вертикали	1000	400	250	100	300	300	250
Грузоподъемность,	40	50	5	3	10	10	15
КГ Способ программн-	Пульт	Штекер-	Штекер-	Матрич-	Набор-	Ште-	Набор-
рования	ЧПУ,	ный	ный	НО’	ное поле,	керная	ное поле
	перфо-	набор	барабан	штырь-	набор	панель	на пере-
	лента			ковая панел ь	провод- ников		ключате- лях
Типы и характеристики некоторых ПР приведены в табл. 6.18—
6.21.
На исследовательской стадии осуществляется выполнение оп-
ределенного количества предварительных работ из всей совокуп-
ности мероприятий по технологической подготовке производства.
В частности, определяются задачи необходимых эксперименталь-
ных исследований, создаются техническая база и программы экспе-
риментов, выполняются экспериментально-технические исследова-
ния. Уточняется вариант построения робототехнического комплекса
или системы, разрабатываются технические задания на проектиро-
вание оборудования, которое не изготавливается промышленностью.
Подготовительные работы включают основную совокупность
работ по технологической подготовке производства. На этой ста-
дии, в частности, разрабатываются (уточняются) структурные
схемы робототехнических систем, специальные технические средст-
ва, осуществляется разработка чертежей на общие виды, узлы,
компоновки, оснастку, модернизацию основного технологического
оборудования, уточняются и изменяются чертежи объектов робо-
тизации.
Следует отметить, что именно на этой стадии учитываются гео-
метрические параметры (форма, габаритные размеры) и масса ма-
нипулируемого объекта, так как они определяют, в первую очередь
280
аблииа 6.20. Общие характеристики роботов для различных видов производства
Особые требования	I ! Термостойкий пылезаши- ; щенный	Термостойкий	Защищенный от свароч- ных брызг	1	1	Термостойкий	Пылезащищенный
’4JOOH -кач-йов -osAdj	1 1 3000 1	500	До 500 [	О о	001—I	1—100	1—100^
ЙИП -ЭУОМОЦ	Il ‘I		I, II	1 II ‘I	1 11, Ш,	11 ‘I	I, Н
WW *вии -еаобино -ириеои чхэоиьо!	±10	±3	1 1 1Т	-н	ю о 44	±3	±1
Тип управления	С отдельным пультом	С отдельным пультом	С отдельным пультом на роботе	С пультом на роботе и от ЭВМ	С пультом на роботе и от ЭВМ	С отдельным пультом, пультом на роботе и от ЭВМ	С пультом на роботе и от ЭВМ
Вид передвижение	Неподвижный, подвесной !	Неподвижный, напольный	Подвижный напольный, и подвесной	! i	Неподвижный, наполь- ный, подвесной и под- вижный	Напольный, подвесной и подвижный	Напольный, неподвижный и подвижный	Неподвижный Напольный
Тип приводов	Пневматический Электрический	Пневматический Электрический	1 I Пневматический Гидравлический Электрический	Электрический Гидравлический > Пневматический	1 Электрический Пневматический Гидравлический	Электрический Пневматический	Электрический Пневматический
Вид производства	Литейное 1 1	Кузнечно- прессовое	Сварочное	Mexatio- обрабатыва- юшее	Сборочные	Термическое	ПрОИЗВОд- 1 ство пласт- 1 масс
281
конструкцию захватного устройства. Масса манипультируемого
объекта и мощности его приводов. Если же манипулируемым,
объектом является технологический инструмент, то необходимо
(кроме массовых и геометрических характеристик) учитывать свя-
зи инструмента с основным технологическим оборудованием (свар-
ка, окраска, резка).
На этой же стадии решаются вопросы, связанные с роботиза-
цией технологических процессов, со спецификой использования
технологического оборудования и, в первую очередь, с теми их
особенностями, которые определяют все поведение (манипуляции)
рабочего органа ПР и необходимы для автоматизации технологи-
ческого процесса.
Например, при механической обработке ограничивающими фак-
торами являются геометрические размеры рабочего пространства
станка, форма его элемента (стола, суппорта, конфигурации и
взаимного расположения центров), а также конструкция станоч-
ного приспособления (цанги, патрона, штампа). Эти факторы
определяют форму и размеры захватного устройства манипулято-
ра, траекторию его перемещения, конструкцию губок схвата
и габаритно-планировочные характеристики роботизируемого
участка.
Таблица 6.21. Основные технические характеристики промышленных роботов
зарубежного производства
Техническая характеристика	Юиимейт-2200 (США)	Версатран-500 (США)	SR-10 (Япо- ния)	Кавасаки- Юиимейт (Япония)	' Аутохенл (Япония)	Марк-3 (Япония)	Оливетти* (Италия)
Линейные перемещения руки, мм: по вертикали	80—	762	300	762	100	600	300
по горизонтали	2300 1067	762	500	800	360—	1000	1010
Поворот кисти вокруг	200	180	180	240	600 180	210	180
продольной и вертикаль- ной осей, град Число степеней подвиж- ности	6	5	5	5	4	4	4
Точность позиционирова- ния, мм	±1,2	±2	±1,2	±2	±0,1	±2	±0,1
Линейные скорости пере- мещения руки, мм/с: по горизонтали	762	920	1000	762	1000	800	50
по вертикали	1270	920	500	500	200	600	50
Грузоподъемность, кг	34	40	10	20	5	40	5
Способ программирования	Me-	Ште-	Штырь-	Мини-	На-	Диод-	Мини-
	тодом	керный	ковая	КОМ	борное	ные	КОМ-
	обуче-	бара-	панель	пыотер	поле	матри-	пыотер
	НИЯ	бан				цы	
* Робот «Оливетти» имеет два манипулятора.
282
На этапе собственно внедре-
ния ПР выполняются работы по
изготовлению необходимых ори-
гинальных устройств механизмов
и приспособлений, поставке, мон-
тажу и наладке оборудования.
Производится поузловой и общий
монтаж, наладка и испытания
всех узлов и систем в целом.
Отметим, что монтаж и отлад-
ка робототехнических комплек-
сов в условиях действующего про-
изводства должны осуществляться
на основе разработки совме-
щенных сетевых планов техничес-
кой подготовки внедрения про-
мышленных роботов и оператив-
но-календарных планов действую-
щего производства без снижения
плановых объемов выпуска про-
дукции в заданном календарном
году.
На стадии пуска и освоения
проводятся испытания робототех-
нического комплекса или систе-
мы под нагрузкой (приемо-сда-
точные испытания) и осуществ-
Рис. 6.13. Ступица колеса компрессора
ЗИФ- ПВ 5»
ляется опытно-промышленная эксплуатация, т. е. начальная реа-
лизация возможностей, заложенных в технологическом оборудова-
нии, роботах, транспортных линиях и системах управления, состав-
ляющих в совокупности робототехнический комплекс.
На этапе опытно-промышленной эксплуатации уточняются все
факторы, определяющие эффективность внедрения РТС: произво-
дительность и надежность оборудования, стоимость системы и ее
элементов, необходимое количество обслуживающих рабочих. Та-
кой подход позволяет обеспечить оптимальный вариант построе-
ния робототехнической системы и провести его корректировку для
получения максимальных технико-экономических показателей.
Изложенные положения проиллюстрируем на примере подго-
товки и запуска в производство роботизированного комплекса ме-
ханической обработки ступицы колеса компрессора ЗИФ-ПВ5
(рис. 6.13).
Анализ детали показывает, что она содержит большое число обра-
батываемых поверхностей (условно обозначенных на чертеже зна-
ком V). Масса детали в чистом виде —10 кг, масса заготовки —12 кг.
По существующему технологическому циклу обработка ступи-
цы происходила на специализированном участке механической обра-
ботки, состоящего из трех станков-многошпиндельного токарного
автомата IK22, горизонтально-расточного полуавтомата и свер-
лильного агрегата полуавтомата.
283
На первом полуавтомате с помощью двух установок осущест-
влялась полная токарная обработка внутренних и наружных по-
верхностей детали. На первой установке в ступице обрабатывались
поверхности А—Д. При этом деталь вручную вверх фланцем
устанавливалась в трехкулачковом самоцентрирующемся патроне
и зажималась по выступающей части втулки 0 108 мм так, чтобы
поверхность фланца М упиралась в торцы кулачков патрона, а реб-
ра жесткости К располагались между кулачками.
На второй установке обрабатывались поверхности Е, И, О, Ж.
и Л. Для этого ступица переворачивалась на 180°, устанавлива-
лась вручную центрирующим пояском — выточкой В — в приспо-
соблении и зажималась по выступу А.
Чистовая токарная обработка поверхностей Д и О выполнялась
на горизонтальном алмазно-расточном полуавтомате. На этой опе-
рации изделие вручную устанавливалось в приспособлении с креп-
лением по углублению В.
Обработка отверстий П во фланце ступицы (сверление с по-
следующим зенкерованием) выполнялась на сверлильном агрегат-
ном полуавтомате. Установка детали производилась вручную
с фиксацией и креплением по поверхности В.
Анализ конструктивно-технологических особенностей обраба-
тываемой детали, действующего технологического процесса, ха-
рактеристик основного технологического оборудования и исполь-
зуемых приспособлений показал, что имеется возможность комп-
лексной автоматизации всего технологического процесса. С этой
целью необходимо прежде всего автоматизировать вспомогатель-
ные операции установки, ориентации, фиксации и крепления изде-
лия в приспособлениях станков. Эти работы могут быть выполне-
ны с помощью промышленного робота. Так как робот должен об-
служивать три станка, то целесообразно выбрать конструкцию
перемещающегося электромеханического робота в подвесном ис-
полнении с возможностью передвижения на колесах по подвижным
направляющим в пространстве над оборудованием. С учетом мас-
со-габаритных характеристик обрабатываемой детали (масса за-
готовки и детали в чистом виде после обработки — менее 15 кг)
наиболее подходящей моделью робота для этих целей является
промышленный робот МП-1. Робот МП-1 имеет грузоподъемность
15 кг, точность позиционирования ±0,4 мм, число степеней под-
вижности— пять, широкие технологические возможности с точки
зрения высоких скоростей перемещения рабочего органа, манипу-
лирования руки и частоты срабатывания исполнительных меха-
низмов [9].
С учетом изложенного осуществить комплексную автоматизацию
полной механической обработки ступицы компрессора ЗИФ-ПВ5
можно после роботизации следующих вспомогательных операций.
1.	Взять заготовку и сориентировать ее для установки в трех-
кулачковый патрон на вертикально многошпиндельном токарном
полуавтомате IK22. Автоматизация этой операции ввиду сложно-
сти конфигурации детали (наличие ребер жесткости, приливы-бо-
бышки на фланце) затруднена, так как применяемый для этой
284
цели робот МП-1 должен обладать элементами очувствления, чего-
нет у выбранной модели робота. Задача значительно упрощаете»
и может быть успешно решена путем создания простейших
средств организации внешней среды — применением специальной
тары с ориентированным расположением ступиц.
2.	Установить деталь вертикально фланцем вверх в трехкулач-
ковом патроне первого станка в условиях, когда патрон после об-
работки очередного изделия останавливается в произвольном по-
ложении. Автоматизировать эту операцию можно нескольким»
способами. Простейшие их них—применение зажимного приспо-
собления, в котором не требовалась бы ориентированная установ-
ка детали, и модернизация станка путем введения в него специаль-
ного датчика остановки патрона в строго определенном положении.
Наиболее сложные способы — это оснащение робота датчиками
углового положения остановки патрона и создание средств для
соответствующей установки роботом изделия в патроне, а также
создание в станке дополнительных устройств сигнализации о по-
ложении кулачков патрона при каждой остановке шпинделя с со-
ответствующим оснащением промышленного робота устройствами
приема указанного сигнала и выработке решения об установке
детали в патрон.
Приемлемым для упрощения системы автоматизации данной
операции является путь конструктивной доработки изделия, повы-
шения технологичности изделия в интересах роботизации путем
удаления ребер жесткости и создания возможности произвольной
установки детали в патроне.
3.	Снять обработанное изделие с позиции первой токарной об-
работки и установить его на промежуточной позиции, сориенти-
ровав при этом в целях упрощения последующих вспомога-
тельных операций, требующих ориентирования и установки. Так
как при остановке шпинделя патрон с кулачками может занять
любое произвольное положение, то автоматизировать операцию
снятия детали со станка можно теми же способами, которые при-
ведены выше для автоматизации второй операции.
4.	Снять изделие с промежуточной позиции и установить его для
второй токарной операции на станке модели 1К22 в зажимном при-
способлении. При этом необходимо обеспечить точность позицио-
нирования порядка 0,04 мм для совмещения пояска В с соответ-
ствующим выступом приспособления. Отметим, что выбранная
модель робота МП-1 не обладает требуемой точностью позици-
онирования. Поэтому автоматизировать данную операцию возможно
либо путем усложнения робота за счет введения элементов адап-
тации (что нежелательно), либо путем совершенствования кон-
струкции изделия или изменения зажимного приспособления (не-
редко обоих вместе) так, чтобы исключить необходимость точной
фиксации и создать возможность установки детали промышлен-
ным роботом с небольшой точностью позиционирования (отметим,
что второй путь более прост и целесообразен).
5.	Снять ступицу компрессора со второй токарной установки,
перенести к горизонтальному алмазно-расточному полуавтомату
285
для последующей чистовой обра-
ботки поверхностей Д и О, уста-
новить деталь в горизонтальном
положении на втором станке
и зажать в приспособлении. По-
скольку и в данном случае тре-
буется достигнуть точности пози-
ционирования детали в приспо-
соблении порядка 0,04 мм, то для
автоматизации приемлемы реко-
мендации для четвертой операции.
6. Снять изделие с горизон-
тального алмазно-расточного
станка, транспортировать его к
сверлильному агрегату полуавто-
мату, соориентировать деталь по углу обрабатываемых пяти
отверстий П в соответствии с расположением режущих инструмен-
тов и установить с обеспечением высокой точности позиционирова-
ния. Автоматизация этой операции усложнена требованием четкой
ориентации детали в сочетании с необходимостью точного позици-
онирования. Для нее могут быть применены способы автоматиза-
ции, описанные для операций 1—5.
В результате тщательного анализа всех вспомогательных опе-
раций и возможных методов их автоматизации целесообразными
были признаны следующие мероприятия.
1. Введение изменения в чертеж ступицы колеса компрессора
ЗИФ-ПВ5, что повышает технологичность объекта роботизации
и приводит к удалению ребер К (см. рис. 6.13) за счет некоторо-
го утолщения цилиндрической части, исключению приливов-бобы-
шек и замене их утолщением фланца с введением обработки по-
верхности Ц. Кроме того, для создания более удобной технологи-
ческой базы введена обработка цилиндрической части Ф наружной
поверхности фланца. Чертеж модернизированной конструкции ступи-
цы колеса компрессора ЗИФ-ПВ5 приведен на рис. 6.14.
2. Введение позиции загрузки первого станка — многошпиндель-
ного токарного полуавтомата модели IK22. В качестве средства
упорядочения внешней среды применена тара с матричным рас-
положением ячеек под заготовки изделия.
3.	Введение промежуточной позиции у первого станка, необходи-
мой для упрощения обслуживания зажимного приспособления
для второй установки детали на станке 1К22.
4.	Введение позиции приема готовых изделий после обработки
на третьем станке — сверлильном агрегатном полуавтомате. Сбор де-
талей осуществляется в тару с матричным расположением ячеек.
Такая позиция нужна для облегчения автоматизации последующих
операций технологического процесса, например термических, галь-
вано-химических и шлифовальных.
5.	Изменение конструкции зажимных приспособлений на вто-
рой, третьей и четвертой вспомогательных операциях. Новая кон-
струкция приспособлений предусматривает базирование по поверХ-
286
кости Ф фланца (см. рис. 6.14) и наличие увеличенной конусной
заборной части в базовой выточке зажимного приспособления, что
позволяет снизить требования к точности позиционирования робота.
Перечисленные изменения конструкции детали и технологичес-
кого процесса позволяет сушественно упростить требования к про-
мышленному роботу и приступить к реализации задачи комплекс-
ной автоматизации и технической обработки ступицы колеса комп-
рессора ЗИФ-ПВ5.
Приняв перечисленные решения к исполнению следует присту-
пать к проектированию и изготовлению новых приспособлений в
дополнительного технологического оснащения — тары и стеллажей.
Одновременно с этим осуществляют согласование автоматик»
робота с автоматикой основного технологического оборудования,
а при необходимости — модернизацию станков. Например, после
подачи детали роботом в зажимное устройство первого станка
1К.22, ориентации и установки ее в приспособлении должна после-
довать команда на пневмосистему (гидросистему) приспособления
для надежного зажима детали, после чего по новой команде схват
робота должен освободить деталь, а рука робота переместится
в нейтральную позицию, не мешающую процессу токарной обра-
ботки, или в позицию установки (снятия) детали с третьего стан-
ка. Такие управляющие сигналы-команды могут быть легко орга-
низованы с помощью путевых датчиков, монтируемых на роботе,
или различного рода конечных переключателей, вводимых в
соответствующих местах приспособлений. Во всех случаях появ-
ляются дополнительные линии связи, простейшие схемы управле-
ния, требующие согласования цикла работы системы робот — станок.
После модернизации станков и согласования схем автоматичес-
кого управления разрабатывают циклограмму работы роботизиро-
ванной системы и увязывают ее с программой управления робота.
В рассматриваемом случае робот МП-1 снабжен управляющим
устройством, представляющим собой позиционную систему число-
вого программного управления (ЧПУ) с релейным программным
запоминающим устройством (ПЗУ) на Е-образных ферритовых
сердечниках.
Обучение робота МП-1 осуществляется после изготовления и
монтажа всех приспособлений и устройств. Режим обучения —
ручной. При этом в процессе ручного управления манипуляторов
одновременно составляется программа управления с цифровой
индикацией в двоичном коде текущих координат. В режиме «Ро-
бот» обеспечивается автоматическое управление манипулятором
и технологическим оборудованием согласно записанной в ПЗУ
программе.
После монтажа робототехнического комплекса, отработки цик-
лограммы и проверки программы проводятся производственные
испытания, для уточнения программы, регулировки и устранения
возникших неполадок.
Далее робототехнический комплекс передают в постоянную
производственную эксплуатацию, что оформляется актом внед-
рения.
287
Список литературы
1.	Гавриш А. П., Воронец Б. М. Роботизированные механообрабатыва-
ющие комплексы машиностроительного производства.— К. : Техшка, 1984.—
197 с.
2.	Демьянюк Ф. С. Технологические основы поточно-автоматизированного
производства.— М.: Высшая школа, 1968.— 700 с.
3.	Картавое С. А. Технология	машиностроения.— К.: Высшая школа,
1974 — 270 с.
4.	Костюк В. И., Ямпольский Л. С., Ткач M.WT Технологическая подготовка
роботизированного производства.— К. : Вища школа, 1984.—72 с.
5.	Кузнецов М. М., Волчкевич Л. Н., Залечалов Ю. П. Автоматизация
производственных процессов.— М. : Высшая школа, 1978 — 432 с.
6.	Митрофанов С. П. Научная организация машиностроительного произ-
водства.— Л.: Машиностроение, 1976.— 710 с.
7.	Митрофанов С. П. Научные основы технологической подготовки груп-
пового производства.— М. ; Машиностроение, 1965.— 395 с.
8.	Соколовский А. П. Научные основы технологии машиностроения,— М.:
Машгиз, 1955.— 516 с.
9.	Устройство промышленных роботов.— Л.: Машиностроение, 1980.— 333 с.
10.	Шабайкович В. А. Ориентирующие устройства с программным управ-
лением.— К. : Техшка, 1981.— 183 с.
11.	Ямпольский Л. С., Ткач М. М. Подготовка роботизированного производ-
ства.— К.: изд. «Знание» УССР, 1983.— 64 с.
ГЛАВА 7
Эксплуатация промышленных роботов
7.1.	Промышленные роботы для автоматизации
погрузочно-разгрузочных работ
В последние годы как в СССР, так и за рубежом в широких мас-
штабах началось применение промышленных роботов для вспомо-
гательных операций по перегрузке, транспортированию, упаковке,
складированию деталей и готовой продукции. Введены в эксплуа-
тацию системы автопогрузки с роботами в автомобильной,
авиационной и химической промышленности, а также в промыш-
ленности, выпускающей пластические массы, стеклянные изделия,
и других. В автомобильной промышленности для автоматизации
процесса выгрузки деталей двигателя автомашин из моечной
машины и укладки их в тару успешно используется промышлен-
ный робот УМ-1. Схема расположения оборудования на участке
мойки показана на рис. 7.1.
Для перекладки изделий различной грузоподъемности и формы
освоен выпуск погрузочных роботов серии АМППУ с цилиндриче-
ской системой координат и пневматическим поворотом захвата.
Некоторые основные технические характеристики этих роботов
приведены в табл. 7.1. Все модели роботов-перекладчиков АМППУ
выполнены в блочно-модульном исполнении и имеют цикловую
систему управления, метод программирования роботов — наборное
поле, количество команд в памяти — 20.
288
Рис. 7Л. Схема расположения оборудования на участке мойки поршней:
/ — робот УМ-1; 2 — ящик с ячейками для поршней; 5 — тумбочка; 4 — тележка; 5 — огра-
ждение; 6 — поддон моечной машины; 7 — моечная машина; 8 — пульт управления робота.
Таблица 7.1. Основные технологические характеристики погрузочных роботов
АМППУ
Техн ическа я х ар ак теристи^ а	АМ11ПУ-1	АМППУ-2	АМППУ-3
Грузоподъемность, к.	25—40	3—5	25—50
Число степеней подвижности	3	5	4
Точность позиционирования, мм	±2	±0,8	± 1
Поворот руки в горизонтальной	180	60—220	60-220
плоскости, град Скорость поворота руки, градус	80	80	50—60
Горизонтальное перемещение	—•	600	300
руки, мм Вертикальное перемещение, мм	300	300	300
Скорость горизонтального пере-	—	0,3—0,5	0,5
мещения, м/с Скорость вертикального переме-	0,3—0,5	0,3—0,5	0,5
мещения, м/с Поворот захвата, град	90	90	90
Скорость поворота захвата,	60	60—80	50—80
граде Габаритные размеры, мм	1070 x 880x1160	1365X540X1085	1290X 540x1186
Ю 4-251
289
Компоновочная схема робота
АМППУ-3 и его рабочая зона (за-
штрихована) показаны на рис. 7.2.
Для транспортирования изделий
между единицами технологического
оборудования используется транспорт-
ный манипулятор МТ (рис. 7.3). При-
менять его рекомендуется в условиях
серийного и крупносерийного произ-
водств на операциях транспортировки
штамповочных деталей массой до 1,6 кг
между прессами КД2122—КД2128,
КД2130. Манипулятор не имеет тради-
ционной руки и выполнен конструктив-
но в виде плавно перемещающегося
с помощью пневматического привода
предметного столика; грузоподъем-
ность его — 1,6 кг, число степеней под-
вижности— два. Манипулятор имеет
высокую точность позиционирова-
ния— ±0,1 мм и достаточную надеж-
ность (наработка на отказ —100 ч,
срок службы — 6 лет).
Для комплексной автоматизации
Рис. 7.2. Компоновочная схема ро- ТрЭНСПОрТНЫХ работ рекомендуется
бота амппу-3.	использовать транспортный робот
ТРТ-1-250. Наибольший эффект дости-
гается при применении его в составе робототехнических комплек-
сов транспортно-складских систем. Робот имеет грузоподъемность
250 кг, точность позиционирования ± 10 мм; снабжен электропри-
водом. Конструктивной особенностью робота является то, что он
монтируется на монорельсе в подвесном состоянии на высоте
5, 5 м и имеет возможность смены схватов различных типораз-
меров.
В массовом производстве кинескопов с размером экрана 40—
67 мм и массой до 25 кг на операциях перегрузочно-установочных
работ широко используются роботы-переставители стеклооболочек
и кинескопов. Отечественная промышленность освоила выпуск для
этих целей роботов моделей 094.0061, 094.0062, 094.0063, 094.0069,
094.0070, 094.0073, 094.0076 и др. Все они имеют блочно-модуль-
ную компоновку с одним схватом в комплекте, обычно выполнены
с одной рукой и снабжены вакуумными захватными устройствами
или устройствами эжекционного типа.
На рис. 7.4. показана схема встраивания в автоматическую
транспортно-перегрузочную систему производства кинескопов ро-
бота, обслуживающего карусельную машину монтажа. Подвесной
конвейер подает изделия в рабочую зону робота так, чтобы оболоч-
ки кинескопов были ориентированы зеркалом экрана вверх.
В этом положении от сигналов конечных выключателей и Х2
изделие останавливается, а робот-переставитель своей рукой пово-
290
Рис. 7.4 Схема встраивания робота-нереставнтеля в автома»
тическую транспортно-иерегрузочную систему.
рис. 7.3. Транс-
портный манипу-
лятор МТ.
рачивается к изделию, вакуумным присосом захватывает его и по-
дает на стол карусельной машины. Синхронизация рабочего ритма
робота и карусельной машины осуществляется датчиками Хз, Xt
и Х5, а также путевыми упорами стола.
В качестве робота-переставителя может быть применен робот
модели 094.0061 грузоподъемностью 25 кг с тремя степенями под-
вижности, точностью позиционирования ±2 мм. Робот имеет воз-
можность выполнять горизонтальное перемещение руки на рас-
стояние до 700 мм со скоростью 140—400 мм/с, вертикальный
подъем на величину до 600 мм со скоростью 130—350 мм/с и по-
ворот руки по азимуту на 240 град со скоростью 25—90 град/с.
Привод робота — пневматический, система программного управле-
ния — позиционная с использованием путевых и внешних датчи-
ков.
Для переноса и установки различных грузов массой до 100 кг
используются погрузочные манипуляторы МП 100-1, МП 100-2,
МП 100-3 [1,5,7].
7.2.	Роботизация процессов заготовительного производства
На рис. 7.5 показаны типовые компоновки рабочих мест с приме-
нением роботов в литейном производстве.
Для автоматизации процесса дозирования и заливки расплав-
ленного металла на машинах литья под давлением отечественная
промышленность выпускает дозаторы различного типа с диапазо-
ном дозирования расплавленного металла 0,5—10 кг при точности
дозирования ±3 °/0. Дозаторы позволяют повысить качество отли-
вок за счет стабилизации температурных процессов. Они способст-
вуют увеличению производительности не менее, чем на 10—20%.
10’
291
Рис. 7.5. Типовые компоновки рабочих мест с применением роботов в литейном произ-
водстве:
и — обслуживание машин для литья под давлением (/—робот, 2 — тара для отливок, 3—
пресс для удаления облоя, 4 — машина лнтья под давлением);
б — обслуживание стайка для удаления керамической формы с отливок (/ — тара для
отлнвок, 2 — робот, 3 — вибростаиок, 4 — решетка, <5 — транспортер для керамики):
ь— обслуживание печей для прокалки форм (7 — прокалочиая печь, 2 — загрузочно-разгру-
зочный стол 3 — робот подвесной);
г — обслуживание ваниы для удаления модельной массы из керамических блоков (/—ро-
бот, 2 — загрузочный стол, 3 — ванна для выплавления модельной массы, 4 — загрузочный
стол).
Дозатор работает в комплекте с машиной литья под давле-
нием. Нередко приборы управления дозаторами выносят на пульт
литейной машины.
В литейных цехах для дозированной подачи алюминиевого рас-
плава из раздаточной печи в камеру прессования машины литья
под давлением применяют промышленный робот РДП-5 [3]. Ре-
комендуется при изготовлении деталей из алюминия массой 0,1 —
7,0 кг; предназначен для обслуживания одной литейной машины,
имеет сферическую систему координат, три степени подвижности,
точность позиционирования в горизонтальной и вертикальной
плоскостях — 3—5 мм. Рука робота может поворачиваться в гори-
зонтальной плоскости на 180°, в вертикальной — на 60°, раздаточ-
ный ковш—на 90°. Робот располагается либо перед литейной
машиной так, чтобы раздаточная печь оказалась справа от него,
либо за литейной машиной с расположением печи слева.
Для обслуживания машин литья под давлением также приме-
няют робот МАК-1 грузоподъемностью 5 кг. Имеет такие степени
подвижности: выдвижение руки, поворот руки, движение каретки,
подъем руки, вращение схвата, три промежуточные точки остано-
ва. Перемещение руки по оси X— 1100 мм, по Y — 400 мм, по оси
Z — 410 мм со скоростью 0,3—0,7 м/с. Захват выполнен с возмож-
ностью вращения на ± 90°; точность позиционирования по всем
координатам составляет ±0,5 мм.
Для выполнения операций съема отливок с литейных машин
рекомендуется робот МАК-4 (рис. 7.6) грузоподъемностью 6 кг,
с двумя степенями подвижности и точностью позиционирования
± 3 мм. Перемещение руки по оси X составляет 200 мм, по оси
У— 1600 мм, по оси Z — на 400 мм. Робот снабжен пневмоэлект-
рическим приводом, имеет одну руку и компонуется из агрегатных
модулей. Система программного управления — цикловая.
292
Рис. 7.6 Внешний вид робота МАК-4 для съема отливок с литейных
машин.
Робот МАК-4 выполняет следующие операции: извлекает от-
ливки из литейной формы, опускает их в закалочную ванну, пере-
дает на пресс обрубки облоя и помещает на конвейер. Кроме того,
он очищает и смазывает литейные формы перед очередным вспрыс-
ком металла.
Тяжелые условия работы в кузнечных цехах обусловливают
объективную необходимость использования средств механизации и
автоматизации, которые освободили бы рабочего от манипулиро-
вания раскаленными крупногабаритными заготовками. Практика
показала, что положительных результатов можно достичь при ав-
томатизации трудоемких операций путем использования ковочных
телеоператоров и роботов.
Они загружают заготовки в нагревательную печь, извлекают
их в нагретом состоянии, переносят к ковочной машине, осущест-
вляют необходимые манипуляционные действия при ковке и укла-
дывают детали в транспортные средства для доставки на после-
дующие технологические операции. Даже простейшие телеопера-
торы не менее чем в 1,5—2 раза повышают производительность
труда и существенно облегчают условия работы кузнецов. Типо-
вая схема организации ковочного робототехнического комплекса
показана на рис. 7.7.
В нашей стране разработаны и успешно применяются для авто-
матизации кузнечно-прессовых цехов промышленные роботы раз-
личных моделей. Например, для обслуживания кузнечно-прессо-
вого оборудования усилием от 2500 до 6300 т используется про-
мышленный робот РПМ-25.01, выполненный по принципу модульной
компоновки. Он может оперировать с деталями массой до
25 кг (с использованием модуля руки с одной-тремя степенями
подвижности) и до 100 кг (при использовании модуля руки без
степеней подвижности). Имеет возможность горизонтального
293
Рис. 7.7. Схема участка кузнечного цеха
< применением робота:
/ — пульт управления; 2 — ориеитатор за-
готовок; 3 — нагревательная установка;
4 — бункер; 5 — кузнечно-штамповочный
пресс; 6— тара для готовых деталей; 7 —
обрезной пресс; 8 — тара для облоя; 9 —
промышленный робот.
Рис. 7.8. Схема технологической планиров-
ки роботов РПМ-25.01 для гибочных опе-
раций:
/ — пресс закрытый, двухстоечный; 2 —
приемное устройство; 3 — робот; 4 — пульт
управления роботом 5; 5 —штамп гибоч-
ный; 6 —пульт управления роботом 7;
7 — робот; 8 — захватное устройство; 9 —
подающее устройство; 10— штамп гибоч-
ный.
перемещения тележки, поворота относительно вертикальной оси,
качания относительно горизонтальной оси (верхнее и нижнее), по-
ворота кисти, сгибания кисти и поворота захвата. Обеспечивается
точность позиционирования в пределах ± 0,5 мм. Пределы пере-
мещений руки: вращение относительно вертикальной оси — 300° со
скоростью 130 град/с, качание относительно нижней горизонталь-
ной оси — 90° со скоростью 60 град/с, качание относительно верх-
ней горизонтальной оси — 90° со скоростью 60 град/с. Захват кон-
структивно выполнен так, что он может вращаться до 350° со ско-
ростью 180 град/с. Система управления роботом РПМ-25.01 — по-
зиционная, аналоговая и цифровая. Метод программирования —
обучение по первому циклу. В качестве программоносителя исполь-
зуется штекерный барабан.
Следует отметить, что размеры деталей, с которыми манипули-
рует робот РПМ-25.01, в значительной степени определяются ком-
поновкой оборудования, размерами штампов и программируемыми
перемещениями руки при загрузке — разгрузке прессов.
С помощью роботов РМП-25.01 могут быть созданы робототех-
нические комплексы в составе до четырех-пяти единиц оборудова-
ния. На рис. 7.8 показана схема технологической планировки ком-
плекса для гибочных последовательных операций на одном
прессе.
Для автоматизации высокопроизводительного кузнечно-прес-
сового оборудования усилием 6—40 т рекомендуется применение
промышленных роботов серии «Ритм-05.01», конструктивно выпол-
ненных двурукими. Грузоподъемность — до 0,5 кг, 7 степеней под-
вижности с точностью позиционирования по всем координатам
±0,1 мм. Обеспечивается перемещение руки по оси X на 400 мм
со скоростью 1,2 м/с, по оси У—на 300 мм со скоростью 1 м/с и
294
по оси Z — на 50 мм со скоростью 0,5 м/с. Захват робота имеет
возможность поворота на 180 со скоростью 180 град/с. Система
программного управления — цикловая на элементно-конструк-
тивной базе в виде интегральных микросхем. Метод программиро-
вания:— предварительный набор программ с помощью программо-
носителя— диодной платы.
Подобное конструктивное исполнение имеет промышленный
робот модели 3388 (рис. 7.9), созданный в объединении «АвтоЗИЛ».
и широко используемый для выполнения транспортно-загрузочных
операций при обслуживании прессов, штампов, металлообрабаты-
вающих станков и другого оборудования.
1400 пип
Рис. 7.10. Схема технологической планировки роботизированной линии:
I — оульт управления роботом; 2 — пулы управления роботехническогс комплекса; ?—> про-
мышленный робот модели 3388;	4 устройство контроля количества засповок в cxuaie;
5— подающее устройство; 6 —устройство контроля верхнего положения в подающем уст-
ройстве; / — устройство контроля отсутствия детали в штампе; 8 — штамп; 9 — устройств®
контроля положения детали в штампе; 10—* штамповочный пресс; 77 —тара; 12 — передаю-
щее у®тройство.
2уа
На рис. 7.10 показана схема роботизированной линии на базе
штамповочных прессов и роботов модели 3388.
Особо следует остановиться на проблеме свободной ковки круп-
ногабаритных поковок массой до 200 т и создании для этих целей
автоматизированных ковочных комплексов (АКК). Первые подоб-
ные АКК уже созданы и внедрены на нескольких заводах тяжелого
машиностроения и предназначены для работы с поковками мас-
сой 30—200 т.
Применение робототехнических систем в производстве крупных
поковок эффективно при максимальной автоматизации на всех
этапах производственного процесса, начиная от разработки техно-
логии ковки, которая включает разработку маршрута заготовки:
помещение слитка в печь для нагрева, транспортировку нагретого
слитка из печи на АКК, ковка на АКК, транспортировка на про-
межуточный подогрев в печь; разработку оптимизированных режи-
мов ковки на АКК; разработку управляющих программ для следя-
щих приводов АКК; реализацию запрограммированных манипуля-
ций с заготовкой механизмами АКК и другого оборудования,
включенного в робототехническую систему. Это обстоятельство
предполагает широкое применение ЭВМ. В ЦНИИТМАШе создана
система автоматизированной подготовки управляющих программ
ковки для АКК применительно к расчету параметров ковки дета-
лей с удлиненной осью.
Функционирующие в настоящее время АКК оснащены система-
ми управления, предусматривающими присутствие человека-опе-
ратора за пультом управления и позволяющими вести свободную
ковку по жесткой программе. При этом возможны следующие ре-
жимы управления: ручной, полуавтоматический по предваритель-
ному набору на пульте, полуавтоматический по программе, авто-
матический по программе.
Эти системы управления позволяют гибко осуществлять техно-
логический процесс ковки: использовать автоматический режим
при многократно повторяющихся движениях, например при про-
тяжке проходом, по винту, кольцами или при шлихтовке, которые
занимают до 70 °/0 машинного времени прессов при ковке крупно-
габаритных поковок; использовать полуавтоматический режим на
коротких участках программы ковки, когда человек-оператор
включает АКК в работу для отработки каждого кадра программы,
а сама отработка производится автоматически до следующего
кадра; использовать ручной режим при операциях, которые еще
не поддаются автоматизации, например рубка заготовки, размет-
ка. Учитывая то обстоятельство, что обработка каждой крупно-
габаритной поковки (массой до 200 т) занимает сравнительно
большое время (до нескольких часов), использование автомати-
ческого режима даже не на всем протяжении программы,
а только на некотором ее участке дает положительный эффект;
повышает производительность, облегчает условия труда,
улучшает качество поковок, снижает металлоемкость поковок.
Производительность, например, при протяжке повышается в 1,6—
2 раза; в целом производительность труда повышается на 30%.
296
Значительно улучшаются условия труда: оператор находится в
кабине с контролируемой атмосферой в комфортных условиях, изо-
лированной от запыленности, повышенной температуры, загазован-
ности. Количество персонала снижается при этом на 20%, экономия
металла за счет уменьшения допусков и припусков при изго-
товлении поковок достигает 5—10%, повышается качество метал-
ла поковки за счет более точного соблюдения технологических
режимов ковки.
В СССР впервые в мире были созданы роботизированные ко-
вочные комплексы с усилием 6000 т для производственного объе-
динения «Ижорский завод» и с усилием 15 000 т завода «Энерго-
машспецсталь», где они успешно эксплуатируются.
Широко применяются роботы для автоматизации холод-
ной листовой штамповки, штамповки из штучных заготовок, глу-
бокой вытяжки и других технологических процессов штамповки
II, 3, 9].
Для автоматизации операций установки и съема деталей мас-
сой до 3 кг в холодно-штамповочном производстве рекомендуется
применять робот РК.ТБ-1 с четырьмя степенями подвижности, в ко-
тором обеспечивается перемещение с точностью позиционирования
± 0,5 мм по координате X (выдвижение руки) на величину до
500 мм со скоростью 500 мм/с и по координате Z (подъем руки) —
до 800 мм со скоростью 80 мм/с. Захват имеет возможность пово-
рота в пределах до 180° со скоростью 180 град/с, принцип компо-
новки— модульный, система управления — цикловая с регулируе-
мыми упорами исполнительных органов. На рис. 7.11 показана
планировка робототехнического комплекса для холодной штам-
повки.
Для обслуживания штамповочного производства при массе де-
талей до 1 кг используются роботы РКТБ-2 и РКДБ-6, при массе-
деталей до 0,3 кг — робот РКТБ-3.
Для автоматизации холодно-штамповочного и прессового обо-
рудования используется манипулятор с программным управлением
модели 7605 (рис. 7.12), хорошо зарекомендовавший себя в серий-
ном производстве при изготовлении деталей массой до 5 кг. Сис-
тема координат — цилиндрическая, число степеней подвижности—
три. Перемещение руки по координате X на расстояние до 500 мм
со скоростью 600—1000 м/с, по координате У— до 150 мм со
скоростью 150—200 мм/с. Точность позиционирования не более
±0,1 мм. Система программного управления — цикловая электро-
механическая с набором программы на штекерной панели.
На Вильнюсском заводе радиоизмерительных приборов разра-
ботан, внедрен и успешно эксплуатируется робот-штамповщик с
автоматическим питателем [3, 9], предназначенный для автомати-
ческой подачи штучных заготовок с питателя роторного типа в
штамп на операциях листовой штамповки, гибки, формовки и вы-
тяжки. Удаление отштампованных деталей осуществляются пнев-
мосдувом (рис. 7.13). Заготовки укладываются вручную в трафа-
рет роторного столика и равноудалены от центра вращения стола.
Штамповка производится в следующей последовательности: пово-
297
Рис. 7.14. Манипулятор
мод. 7605.
Рнс. 7.11. Планировка робото-
технического комплекса холод-
ной штамповки:
с программным управлением
I — робот РКТБ-1; 2 —магазни-
накопитель; 3 — штамповочный
пресс: # —тара; 5-* транспор-
тер.
рот столика на определенный угол; опускание руки и захват
заготовки; подъем и поворот руки с заготовкой в штамп; опус-
кание руки и укладка заготовки в штамп; подъем и поворот руки;
штамповка; сдув детали.
Робот имеет грузоподъемность до 0,2 кг, система координат —
цилиндрическая, число степеней подвижности — две, перемещение
руки по вертикали — 30 мм, ее поворот — на 45°, точность позицио-
нирования— не более ±0,5 мм. Роторный столик выполнен со
сменными накладками, обеспечивающими в зависимости от потреб-
ности 6, 9, 12 и 18 позиций заготовок. Робот снабжен электромеха-
нической позиционной системой управления. В качестве програм-
моносителя используется кулачковый барабан.
Создан роботизированный комплекс для изготовления обоймы
трансформатора широковещательной аппаратуры [3, 13]. Изготов-
ление обоймы состоит из двух этапов: гибка I и гибка II (рис. 7.14).
Изготовление деталей осуществляется в следующей последова-
тельности. В исходном положении рука робота ПР-10И поднята,
втянута и повернута к прессу 2- В исходном положении рука робо-
та «Момент» поднята, втянута и повернута к загрузочному устрой-
ству 8. Далее рука робота «Момент» 4 опускается. Заготовка из
загрузочного устройства захватывается электромагнитным схватом.
Затем рука поднимается и поворачивается к прессу 2, выдвигается
опускается и отключается схват. Заготовка при этом отделяется от
руки и фиксируется в штампе, рука втягивается.
Конечный выключатель, установленный на руке, подготавлива-
ет цепь включения рабочего хода пресса. Включение рабочего хо-
да осуществляется с пульта управления «Цикл-Б».
После срабатывания пресса 2 рука робота ПР-10И 3 выдвига-
ется, опускается и берет деталь из штампа пресса 2 с помощью
электромагнитного схвата. Затем рука втягивается и поворачива-
ется к прессу 1.
293
Рис. 7.13. робот-штамповщик с автома-
тическим питателем:
а —общий вид; б —планировка робото-
технического комплекса U — манипулятор;
2 — роторный столик; 3— штамп: •**
штамповочный пресс; 5 — пневмосдув).
Рис. 7.14. Роботизированный штамповоч-
ный комплекс:
/ — пресс НР-63; 2 — пресс Д-63; 3 — ро-
бот ПР-1ОИ; 4 — робот «Момент»: 5 —
пульт управления ПЦУ-1; 6— пулы уп-
равления «Цикл-Б>; 7 — блок адаптации;
8 — загрузочное устройство; 9—тара для
детален.
Чтобы поместить заготовку в штамп пресса 1, рука робота 3 вы-
двигается, опускается, электромагнитный схват отключается и рука
втягивается. Цепь включения рабочего хода пресса 1 подготав-
ливается конечным выключателем, расположенным на руке робо-
та 3. Включение рабочего хода пресса происходит от пульта 5. От-
штампованная деталь зависает на пуансоне штампа и удаляется
с него специальным приспособлением на схвате робота 3 при за-
грузке пресса. Вытолкнутая деталь по лотку попадает в тару 9.
Взаимная работа роботов согласована. Программы их работы
набираются на пультах управления. Блок адаптации 7 включает
датчики, необходимые для безаварийной работы комплекса.
Загрузочное устройство — шиберного типа, подача заготовки
осуществляется пневмоцилиндром, управление загрузочным уст-
ройством осуществляется пультом управления «Цикл-Б». Произ-
водительность комплекса — 500 деталей/ч. Его внедрение сущест-
венно повысило производительность труда и позволило высвободить
двух рабочих.
На Кременчугском автомобильном заводе функционирует робо-
тизированный участок холодной объемной штамповки шарового
299
пальца грузового автомобиля КрАЗ. В состав участка входят пресс,
автоматический манипулятор модели 3388 и бункер с элевато-
ром [3].
Из бункера производится поштучная выдача заготовок. По лот-
ку, который одновременно служит накопителем, заготовки посту-
пают в штамповое пространство пресса. Загрузка штампа и уда-
ление готовых поковок осуществляются двуруким манипулятором.
При ходе рук манипулятора вверх правая рука снимает заготовку
с лотка и поворачивает ее на 90°, а левая вынимает поковку из
штампа. Далее происходит поворот рук налево, ход вниз и разжим
схватов. При этом заготовка помешается в штампе, а поковка сбра-
сывается и поворот в тару. Затем руки манипулятора совершают ход
назад и поворот направо, одновременно с чем происходит штампов-
ка. Далее цикл повторяется. В целях обеспечения безопасности
штамповки для контроля наличия заготовки на лотке и удаления
готовой детали из штампового пространства на подающем и отво-
дящем лотках предусмотрены бесконтактные конечные выключате-
ли. Создание этого участка позволило высвободить двух рабочих.
На Ново-краматорском машиностроительном заводе им. В. И. Ле-
нина успешно эксплуатируется роботизированный участок автома-
тической холодной штамповки, предназначенный для обработки
штучных листовых заготовок и выполнения операций пробивки от-
верстий, вырубки, неглубокой вытяжки, гибки и отбортовки [3, 9].
Участок состоит из пресса, двух манипуляторов МК-1, проме-
жуточного стола, магазинного устройства емкостью 150—350 заго-
товок, пульта управления и тары для готовых деталей. Размеры
обрабатываемых на участке деталей: толщина — 0,8—2 мм; дли-
на — 100—*420 мм; ширина — 100—420 мм.
Цикл изготовления деталей включает захват заготовки из мага-
зина и перенос ее в рабочую зону пресса, укладку заготовки в
штамп, штамповку изделия, вынос отштампованного изделия из
рабочей зоны пресса и укладку изделия в тару.
При необходимости изготовления детали в несколько переходов
(два и более — в зависимости от количества операций) участка
могут быть объединены в автоматическую линию, в которой мани-
пулятор, забирающий отштампованное изделие с пресса первого
участка, передает его на приемную позицию последующего участ-
ка. Автоматическая линия состоит из трех таких участков.
На Херсонском заводе карданных валов внедрен участок листо-
вой штамповки мелких деталей, в состав которого входят пресс уси-
лием 40 т, оснащенный автоматическим манипулятором МП-9С и
вибробункером модели УСБЗ-О1.ОЗ.
Работа участка осуществляется следующим образом. Заготовки
из вибробункера поштучно подаются на лоток, по которому поступа-
ют на исходную позицию загрузки в штамп. Загрузка штампа осу-
ществляется автоматически манипулятором. Схватом манипулято-
ра заготовка подается на позицию штамповки, одновременно стал-
кивая готовую деталь на лоток, по которому та скатывается в тару.
В целях обеспечения безопасности штамповки, для контроля
наличия заготовки на лотке и удаления готовой детали из
300
штампового пространства на подающем и отводящем лотках пре-
дусмотрены бесконтактные конечные выключатели.
Внедрение участка на заводе обеспечило высвобождение трех
рабочих [2, 3].
7.3.	Роботизированные технологические линии	>
в металлообработке резанием
Универсальность промышленных роботов позволяет применять
их для автоматизации вспомогательных операций на металлорежу-
щих станках различного функционального назначения. Наиболее
эффективно применение роботов в сочетании со станками с число-
вым программным управлением (ЧПУ), так как при использовании
станков с ЧПУ рабочий полностью освобожден от функций управ-
ления процессом обработки и выполняет только операции установ-
ки— снятия деталей с рабочих позиций, а в отдельных случаях —
контрольные. Поэтому автоматизация этих операций с помощью
роботов позволяет перейти к решению задачи комплексной автома-
тизации механообрабатывающего производства.
Вместе с тем при реконструкции действующего производства,
имеющего в составе парк универсальных станков и полуавтоматов,
роботизация механообработки также дает положительные резуль-
таты.
Во всех случаях в порядке технологической подготовки произ-
водства необходимо доработать технологическое оборудование,
вводя в него блоки автоматики. В компоновке с роботами успешно
работает только универсальное оборудование с ЧПУ, а также обо-
рудование, оснащенное цикловой автоматикой — автоматами, полу-
автоматами и специализированными металлорежущими станками.
Конструкция детали (заготовки) должна обеспечить возмож-
ность захвата и переноса ее рукой робота. Это обусловливает
необходимость более точного изготовления заготовок деталей
с улучшенным качеством поверхности.
В большинстве случаев возникает необходимость в накопителях
деталей и заготовок, причем желательно (для упрощения техноло-
гии) детали в накопителях ориентировать. Возникает также необ-
ходимость в проектировании и изготовлении специальной оснаст-
ки — зажимных элементов рук роботов, специальных зажимных,
разжимных и фиксирующих устройств технологического оборудова-
ния (патронов, упоров, цанг, выталкивателей), кантователей.
Для нормального функционирования робота нужны хорошая
подготовка и контроль управляющих программ. Этого можно дос-
тичь тщательной разработкой технологических процессов и выпол-
нением всех необходимых технологических расчетов (режимы реза-
ния, время обработки, необходимое вспомогательное и подготови-
тельно-заключительное время, циклы и циклограммы). Необходима
также всесторонне обдуманная планировка взаимного расположе-
ния основного технологического оборудования и роботов. Послед-
нее обстоятельство имеет особое значение, так как применение
роботов позволяет перейти к новому этапу автоматизации
301
производства — созданию роботизированных линий и участков
станков с ЧПУ, управляемых от ЭВМ, а также созданию роботи-
зированных цехов металлообработки.
В механообрабатывающих цехах кроме станков с ЧПУ и робо-
тов в переналаживаемых автоматических линиях целесообразно
применять штабелеры с программным управлением и автоматизи-
рованные транспортные устройства с ЧПУ универсального назна-
чения.
Перечисленные мероприятия в комплексе обеспечивают высокую
производительность средств автоматизации, снижение сроков их
окупаемости, возрастание прибыли и, главное, резкое сокращение
сроков подготовки производства новых изделий.
Рассмотрим более подробно некоторые вопросы роботизации
механической обработки на примере обслуживания двух металло-
режущих станков-полуавтоматов АТ-250 П роботом УМ-1 при об-
работке втулки колеса (рис. 7.15). Заготовка втулки (рис. 7.16, а)
отливается из магниевого сплава в кокиль, при этом обеспечива-
ются требуемая точность и шероховатость поверхности диаметром
60 мм. После отливки тщательно удаляются прибыли и литниковая
система. Робот захватывает заготовку, вводя захват в отверстие
диаметром 60 мм. Заготовка обрабатывается на токарных полуав-
томатах по торцам, снаружи и по внутренней поверхности. Эскиз
обработанной детали показан на рис. 7.16, б. Взаимное расположе-
ние станков АТ-250П, робота УМ-1 и его пульта управления тща-
тельно выверяется и контролируется.
Для успешного использования промышленного робота УМ-1
требуется специальный захват, специальные кулачки к патрону
станка АТ-250П № 1, специальный патрон к станку АТ-250П№2,
обеспечивающий крепление детали за наружную поверхность флан-
ца, и загрузочно-разгрузочное устройство типа стеллажа. Сами
станки АТ-250П должны быть доработаны путем введения в них
блоков связи с системой ЧПУ робота УМ-1. Эти блоки принимают
от системы ЧПУ робота команды «Разжим патрона», «Зажим
патрона», «Пуск» и посылают в систему ЧПУ робота сигналы о вы-
полнении этих команд каждым станком. Кроме того, система ЧПУ
робота в необходимые моменты цикла посылает запросы на каж-
дый из станков о его готовности к приему или съему заготовок
(детали). При неподтверждении цикл работы станков и робота
прекращается.
Технологический процесс обработки втулки построен следующим
образом. Захват робота в виде цанги с упором берет заготовку за
внутреннее отверстие из фиксированного положения загрузочного
устройства стеллажного типа и устанавливает в три спецкулачка
патрона станка АТ-250П № 1. Крепление заготовки осуществляется
по наружному диаметру заготовки (рис. 7.16, б) с поджатием пру-
жинными упорами захвата кисти руки робота вдоль продольной
оси до упора заготовки во внутреннюю поверхность фланца. После
установки заготовки в станке № 1 система ЧПУ робота УМ-1 вы-
дает управляющий сигнал на зажим заготовки и включение стан-
ка, при этом осуществляется цикл обработки втулки со стороны
302
1— робот УМ-1; 2 — загрузочно-разгрузочное устройство; 3 — обраба-
тываемая деталь; 4— токарный полуавтомат № 1; & — пульт управ-
ления робота; 6 — токарный полуавтомат № 2.
фланца или широкого торца (токарная операция № 1). После вы-
полнения этой операции станок № 1 по линиям обратной связи вы-
дает сообщение системе ЧПУ робота об окончании работы и готов-
ности станка к съему заготовки. По этой команде робот в соответ-
ствии с разработанной программой берет своим зажимом деталь,
вынимает ее из патрона станка, переносит и ставит на полку загру-
зочно-разгрузочного устройства стеллажного типа, после чего по-
ворачивает кисть своей руки на 180° и снова берет деталь за вну-
треннее отверстие диаметром 60 мм, но уже с широкого торца
втулки. Затем робот переносит деталь к станку № 2 и устанавлива-
ет ее в спеппатроне, оборудованном автоблокировкой для выклю-
чения приводов станка в случае ненадежного зажима заготовки.
Это полностью исключает вероятность выпадения зажатой заготов-
ки из патрона, повреждения оборудования и травматизма операто-
ров. После установки детали в патроне система ЧПУ робота дает
команду блоку управления станка зажать деталь и включить ста-
нок № 2 для завершения запрограммированного цикла обработки
втулки со стороны малого торца (токарная операция № 2). Сигнал
об окончании токарной операции с блока управления станка № 2
303
поступает на систему ЧПУ робота, который по программе снимает
деталь со станка, переносит ее на разгрузочное устройство, разжи-
мает свой захват и освобождает руку для перехода ее в исходное
положение с целью выполнения следующего цикла работ.
Обработка различных поверхностей втулки на станках № 1 и
№ 2 происходит одновременно в параллельном цикле.
Разработка технологического процесса по позициям и координа-
там движения робота осуществляется на основании технологиче-
ской планировки с учетом фактических расстояний между обслужи-
ваемым оборудованием и роботом, при этом проектируя траекторию
движения руки робота необходимо стремиться к минимуму движе-
ний и совмещению перемещений захватного устройства руки по
координатам X, У и Z с поворотом кисти руки.
Пример оформления технологического процесса обработки втул-
ки на двух станках АТ-250П с обслуживанием их роботом УМ-1
представлен в табл. 7.2. Трудоемкость разработки данного техно-
логического процесса составляет 20 ч, а его программирование,
включающее 108 команд, осуществляется в бюро ЧПУ за 4 ч. Наи-
более рациональным представляется следующий порядок програм-
мирования: описать в общем виде последовательность работы стан-
ков и робота; обучить робот на рабочем месте, переводя его рабо-
чий орган в нужные точки рабочей зоны и фиксируя на програм-
моносителе координаты этих точек; внести изменения в программы,
подготовленные для автономной работы металлорежущих станков,
с целью введения в них команд стыковки с программой работы
робота; при фазовых системах управления роботами, спроектиро-
вать траекторию перемещения рабочего органа робота, произвести
ее кодирование, подготовить перфоленту, а затем с помощью
транслятора произвести запись требуемых сигналов на магнитную
ленту; при аналоговопозиционной системе управления роботом
произвести описание траектории движения рабочего органа, зако-
дировать координаты этих перемещений и изготовить управляющую
перфоленту с записью буквенно-цифрового кода БЦК-5.
Задачи программирования траектории перемещения рабочего
органа робота, как и программирования комплекса выполняемых
роботом технологических операций, усложняются при использова-
нии в производстве роботов второго и третьего поколений.
Автоматизация операций установки — снятия деталей, их конт-
роля и подналадки станков в условиях роботизации механической
Таблица 7.2. Технологический процесс обслуживания роботом УМ-1
двух станков АТ-250П при обработке втулки
Команды	Перемещение руки робота по координатам			Состояние
	X, мм	Y, мм	ср. град	
Исходное положение	-300	0	0	Кисть внизу, ось охва- та параллельна про- дольной оси руки
304
Продолжение табл. 7.2
Команды	Перемещение руки робота по координатам			Состояние
	X. мм | У . мм		р. град	
Перемещение руки по вертикали до совмещения оси схвата и заготовки в загрузочном устройстве • Движение рукн к заготовке Открытие схвата	0 +257	+ 125	0	Взятие заготовки в загрузочном устрой- стве
Вертикальное перемещение руки Перемещение руки с заготовкой до исходного положения Вертикальное перемещение руки до оси разворота Разворот руки к первому станку Готовность станка № 1	—300	+ 155 +310	—90	Перемещение рабочего- органа
Перемещение руки до оси шпинделя Подача заготовки в патрон станка Закрытие схвата Подача заготовки до упора в торец благодаря пружине схвата) Зажим патрона станка № 1	+247 +250	+25	—	Установка заготовки- в патрон станка
Вывод схвата из заготовки Перемещение руки по вертикали на позицию разворота Пуск цикла станка № 1	0	+310	—	Обработка детали
Готовность станка № 1 к снятию детали Вертикальное перемещение руки до оси шпинделя Перемещение схвата Разжим патрона станка № 1 Открытие схвата	+ 247	+25	—	Снятие детали со станка
Перемещение руки по горизонтали к площадке кантования загрузочного устройства Разжим схвата	+257	—	—	Освобождение детали и установка ее на пло- щадке кантования за- грузочного устройства
Поворот кисти руки	1 ~	—	+ 180	Взятие детали загру- зочного устройства
Перемещение руки с заготовкой в ис- ходное положение Вертикальное перемещение руки до оси разворота Поворот руки к станку № 2*	—300	+ 155	+90	Перемещение рабочего органа
* Цикл повторяется на станке № 2,
305
обработки позволяет создать роботизированные линии, участки и
цехи. Некоторые примеры компоновок показаны на рис. 7.17.
Для автоматизации вспомогательных операций и комплексной
роботизации производства в нашей стране широко используются
роботы «Бриг-10», «Универсал-5.01», «Универсал-15.01», «Универ-
сал-60,01», «Циклон-03.01», «Циклон-5.01», «Ритм-05.01», «РПМ-
25.01, ПР-4, ПР-10И и другие.
С помощью пневматического промышленного робота ПР-4 орга-
низован и успешно работает на многих заводах страны роботизи-
рованный технологический комплекс (РТК) в составе токарного
станка с ЧПУ и фрезерного станка типа «Обрабатывающий центр».
В функции РТК входят: загрузка и обработка деталей в автомати-
ческом режиме на станках с ЧПУ, запуск оборудования вводом
перфоленты и обработкой ее перемоткой, прием обработанных
деталей и их укладка в контейнер загрузочного устройства. Управ-
ляется комплекс от устройства управления роботом ПР-4, имеюще-
го шесть степеней подвижности.
Для автоматической подачи заготовок здесь применяется авто-
матическое загрузочно-приемное устройство (АЗПУ). Оно осуще-
ствляет поштучную выдачу из контейнера точно базированных ци-
линдрических заготовок на заданный уровень под захват робота и
прием обработанных деталей на заданном уровне в контейнер.
Связь технологического оборудования с устройством управле-
ния робота осуществляется через блок сопряжения (БС), выполня-
ющий роль коммутатора. В функции БС входят: прием управля-
ющих сигналов, коммутация цепей управления, запуск станков и
прием от них сигналов обратной связи. Работает РТК по циклам
в следующей последовательности: подача заготовки из ячейки кон-
тейнера АЗПУ в рабочую зону робота, ее зажим схватом, транс-
портирование к токарному станку и его загрузка, прием сигнала
«Конец программы», съем детали, транспортирование и загрузка
фрезерного станка, съем и складирование обработанной детали в
контейнер. После выполнения каждого цикла робот возвращается
в первоначальное положение [12, 13].
На базе промышленного робота «Бриг-10» возможны компонов-
ки роботизированных комплексов в составе одного или нескольких
токарных полуавтоматов АТПр2М12У (рис. 7.18). В связи с необ-
ходимостью доступа к пультам управления станками лотки-мага-
зины располагают непосредственно на кожухах станков. При за-
грузочно-разгрузочных операциях манипулятор робота «Бриг-10»
совершает подъем, поворот и движение руки, поворот и перемеще-
ние кисти. Обработанные детали робот подает на наклонные лотки,
расположенные возле станков. Годовой экономический эффект от
внедрения робота «Бриг-10» на одном рабочем месте составляет
4 гыс. руб. [13].
С помощью роботов «Универсал» и «Циклон» созданы и успеш-
но эксплуатируются робототехнические линии обработки деталей
в составе токарных и фрезерных станков различных моделей
(рис. 7.19).
.306
РйНочая .зона
munjjwmopa
Рис. 7.18. Компоновка роботов «Бриг-10» с технологическим оборудованием:
а—при обслуживании одного стайка; б — при обслуживании двух станков (/ — токарные
полуавтоматы АТПр2М12У; 2 — загрузочные устройства; 3 — робот; 4 — пульты управления
станками).
Рис. 7. 19. Схемы робототехнических лиииий механической обработки:
а — обработка деталей типа «Крестовина» (/ — промышленный робот «Уииверсал-15.01»
(4 шт.); 2 —система управления роботом ПУР-2М (4 шт.); 3 — электроталь на монорельсе;
4 — транспортер загрузочный; 5 — установка размагничивания; 6 — станок отрезной модели
8В66; 7 — станок фрезерно-центровальный модели МР-73М; 8 — электрошкаф стайка модели
МР-73М; 9 — промежуточный транспортер (3 шт.); 10 — станок токарный модели 1А.625Ц;
// — система управления станком модели 1А625Ц; 12 — система управления оснасткой
на станке модели 1А625Ц; /3 — станок токарный модели 1722; И —станок вертикально-
фрезерный модели 123ФМО; 15— электрошкаф стайка модели 123ФМО; /5 —система уп-
равления станком модели 123ФМО; /7 — станок токарный модели РТ706Ф312 (2 шт.); 18 —
система управления станком модели РТ706Ф312 (2 шт.); 19— гидростанция станка модели
РТ706Ф312 (2 шт.); 20 — разгрузочный транспортер; 21 — электроталь на монорельсе; 22 —
станок вертикально-фрезерный модели «Контур-3»; 23 — система управления станком модели
«Контур-3»; 24 — система управления станком модели «Контур-3»;
б — обработка деталей типа «Поршень» велодвигателя (/ — промышленный робот «Цик-
лон-5.02» (5 шт.); 2 — система управления роботом модели ПУР-Ц (5 шт.); 3 —согласую-
щее устройство (5 шт.); 4 — загрузочное устройство (2 шт.); 5 — тара с заготовками; 6 —
система управления станком модели 2706 (4 шт.); 7 — система управления станком моде-
ли 1Е61МФ2 (4 шт.); 8 — система управления станком модели ТС-135М; 9— накопитель).
308
гг
I 7.4. Роботы для сварочных и покрасочных работ
Развитие сварочного производства и его автоматизация обус-
ловили появление специализированных сварочных роботов. Их спе-
цифика состоит в том, что промышленному роботу передаются
функции управления технологическими параметрами сварочного
процесса и учета особенностей выполнения транспортных операций
при сварке.
Сварочные промышленные роботы должны обладать высокораз-
витыми системами управления, обеспечивающими всю необходи-
мую совокупность движения исполнительного органа робота по
нескольким рабочим координатам; повышенной жесткостью кон-
струкции, способствующей выполнению требования высокой точ-
ности позиционирования; простой и точной системой обучения; вы-
сокой помехоустойчивостью и надежностью устройства управления
для защиты от помех, обусловленных сварочным аппаратом; адап-
тацией к отклонениям в пространственном расположении и ориен-
тации заготовок от заданных [8].
При автоматизации контактной точечной сварки роботы приме-
няются на операциях трех видов:
установке и снятии свариваемых изделий на специализирован-
ной сварочной машине, где робот выполняет роль обычного транс-
портного позиционера;
обслуживании сварочной машины, где робот подает на сварку
очередную деталь, требуемым образом ориентирует ее, включает
сварочную машину, перемещает деталь в процессе сварки, а по
окончании работ — снимает деталь со сварочной позиции;
сварке с помощью автоматически работающих сварочных кле-
щей, укрепленных на конце руки робота.
Особенностью сварочных роботов для контактной точечной
сварки является напряженный режим работы, так как сварка про-
исходит в долю секунды и время передвижения детали (инструмен-
та) не должно быть больше времени сварки, в противном случае
робот будет снижать производительность процесса.
В Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР создан,
успешно прошел испытания и внедрен на Горьковском автомобиль-
ном заводе и киевском заводе «Красный экскаватор» робот ИЭС-
690 (рис. 7.20), предназначенный для перемещения и ориентирова-
ния сварочных клещей при выполнении контактной точечной свар-
ки. Конструкция робота создавалась применительно к производству
узлов кузова и кабины автомобилей на Горьковском автомобиль-
ном заводе. Работает в сферической системе координат, объем ра-
бочего пространства — 8,4 м3; имеет пять степеней подвижности;
максимальная грузоподъемность — 20 кГ; обеспечивается поворот
руки на 220° со скоростью 40 град/с, наклон руки в диапазоне от
+ 30° до — 25° со скоростью 40 град/с, радиальное выдвижение
на величину до 1000 мм со скоростью 0,8 м/с. Кинематическая схе-
ма позволяет осуществить наклон кисти робота в пределах ±90°
309
ft
Рис. 7.20. Сварочный промышленный робот ИЭС-690.
со скоростью 270 град/с и поворот кисти на ±180° со скоростью
270 град/с. Точность позиционирования составляет ± 1 мм.
Сложнее для роботизации дуговая сварка, поскольку в этом
случае движения инструмента должны регулироваться непрерывно
в течение всего технологического цикла так, чтобы получить равно-
мерный и качественный шов по всей длине сварного соединения.
Кроме того, должны регулироваться параметры режима сварки —
сварочный ток, напряжение дуги, приток газа и другие.
Компоновка робота со сварочным оборудованием не представ-
ляет особых технических трудностей. Обычно сварочную головку
закрепляют на кисти робота, а питание током, подачу газа и про-
волоки осуществляют по подвесным линиям и встроенным в робот
магистральным питателям. На рис. 7.21 показан типовый комплекс
для автоматизации дуговой сварки плавлением, созданный в Ин-
ституте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР.
Дуговую сварку плавящимся электродом в среде углекислого
газа выполняют серийным полуавтоматом, закрепляя мундштук на
штанге, присоединяемой к кисти робота.
Лучшие результаты роботизации обеспечиваются внешним про-
граммированием робота. Обычно программу дуговой сварки изде-
лия готовят на ЭВМ и записывают на магнитную ленту запомина-
ющего устройства его системы управления.
Для процесса автоматической дуговой сварки роботом характер-
но незначительное разбрызгивание металла и качественная форма
сварного шва по сравнению со сваркой вручную. Вся партия сва-
ренных роботом деталей оказывается совершенно однородной [8].
Во Всесоюзном институте сварочного производства (ВИСП)
созданы и успешно внедрены в промышленность сварочные роботы
моделей 114А и 117А. Они конструктивно выполнены в прямоуголь-
ной системе координат, снабжены системами адаптации и предназ-
начены для формирования сварочных комплексов различного наз-
начения. Обычно сварочные роботы комплектуются в сочетании с
транспортными роботами, которые с помощью приспособлений-
310
Рис. 7.21, Робототехнический комплекс для автоматизации дуговой сварки плавЛввием:
/—манипулятор рабочего органа; 2 — система управления; 3 — шкаф управления свароч-
ной аппаратурой; 4 — баллон с защитным газом; 5 — источник питания; 6 — механизм по-
дачи электродной проволоки; 7,— манипулятор изделия.
спутников доставляют детали на сварочные позиции и выполняют
операции «Взять изделие», «Извлечь его со спутника» и «Передать
на сварочную позицию».
На Волжском автомобильном заводе (ВАЗ) внедрена автома-
тическая линия для сварки кузовов легковых автомобилей. На рис.
7.22 показана схема сварочной линии. В состав линии входит свар-
ной помост, над которым на четырех позициях установлено восемь
стационарных сварочных роботов. Непосредственно на сварочном
помосте смонтировано в навесном варианте еще три робота. В цент-
ре помоста проходит пульсирующий конвейер для перемещения
свариваемых кузовов. Точность позиционирования каждого из 11
роботов составляет ± 1 мм. Все роботы имеют по пять степеней
подвижности. Максимальная грузоподъемность сварочных кле-
щей — до 20 кг.
Разумная компоновка роботов в линии обеспечила экономию
производственных площадей и повышение производительности тру-
да в 1,8 раза.
Значительный технико-экономический эффект может быть дос-
тигнут при внедрении в производство промышленных роботов для
окраски. Так, для нанесения лакокрасочных покрытий в мелкосе-
рийном производстве используют робот «Контур-002», выполненный
в сферической системе координат. Обладает следующими степеня-
ми подвижности: поворот плеча, качание плеча, качание пред-
плечья, качание кисти в двух направлениях, ротация кисти. Кине-
матика робота обеспечивает одновременное перемещение по шести
координатам. Снабжен электрогидравлическим следящим приво-
дом. Предназначен для работы во взрывоопасных средах с рабочим
311
Рис. 7.22. Схема автоматической линии для сварки кузовов легковых автомашин.
диапазоном температур от +5° до + 50 °C. Робот однорукий, мо-
дульного исполнения. Конструкция предусматривает варианты на-
польной, настенной и подвесной установки.
Внедрение роботов «Контур-002» для покраски изделий на При-
лукском заводе противопожарного оборудования обеспечило уве-
личение производительности труда в два раза и высвободило
10 рабочих.
Окрасочный двурукий робот РП-11-600 предназначен для авто-
матизации нанесения покрытий: точность позиционирования ±25 мм,
обеспечивается скорость перемещения руки с распылителем по
координате X — 20—60 м/мин, по координате У—1 —1,5 м/мин.
Предназначен для работы во взрывоопасных помещениях с темпе-
ратурой окружающей среды от +15° до +40°C. Система управ-
ления — адаптивная.
При установке роботов для нанесения покрытий в поточных меха-
низированных линиях автоматическая смена программ производит-
ся по сигналу датчиков с конвейера, на котором подвешены детали.
Для увеличения зоны работы манипуляторов их устанавливают на
подвижные платформы, которые могут перемещаться вертикаль-
но или горизонтально в направлении движения конвейера.
При крупносерийном и массовом производстве и высоком темпе
работы окрасочных конвейеров, перемещающих крупногабаритные
детали и узлы, вдоль конвейера устанавливают несколько роботов,
каждый из которых запрограммирован на окраску определенной
части изделия. Экономически целесообразно групповое применение
роботов, причем на участке необходимо иметь резервный робот
для быстрой замены вышедшего из строя [И].
7.5. Роботизация механосборочного производства
Комплексную механизацию и автоматизацию сборочных про-
цессов можно осуществлять двумя путями: созданием узко специ-
ализированных автоматов и сборочных автоматических линий; ис-
312
пользованием универсальных быстропереналаживаемых техноло-
гических линий на базе промышленных роботов.
Автоматизация на основе специализированных автоматов целе-
сообразна при программе выпуска 500 тыс. изделий в год и более
и сохранении ее в течение двух лет. Кроме того, наиболее рента-
бельной областью применения сборочных автоматов принято счи-
тать изделия, комплектуемые из четырех — двенадцати деталей.
Использование промышленных роботов оказывается экономи-
чески оправданным при сборке изделий, имеющих значительно
меньшую серийность, когда количество комплектующих деталей
не является лимитирующим.
К специфическим особенностям сборочного робототехнологиче-
ского комплекса относится наличие ряда функциональных уст-
ройств, которые могут отсутствовать в комплексах другого назна-
чения:
загрузочно-ориентирующие устройства, накопители деталей и
сборочных соединений, в которых объекты принимают и сохраняют
строго ориентированное положение;
питатели и устройства поштучного отделения объектов для вы-
дачи их на позицию «Опрос» промышленного робота;
технологические устройства, осуществляющие фиксацию дета-
лей в сборочном соединении путем свинчивания, склеивания, сва-
ривания, запрессовки, развальцовки, склепывания;
устройства специального назначения, обеспечивающие нанесе-
ние флюса, клеющие и герметизирующие составы, смазочно-защит-
ные покрытия;
устройства компенсации неточности позиционирования рабочих
органов робота при совмещении контуров сопрягаемых деталей;
оснастка, а также контрольные приспособления для проверки
правильности осуществления операции;
приемная тара и транспортные устройства для отвода готовой
продукции со сборочной позиции.
Поскольку сборочные процессы являются наиболее сложными,
начинать их роботизацию целесообразно со сборки несложных уз-
лов и выполнять ее поэтапно. На первых этапах рекомендуется
использовать ПР на операциях установки базовой детали на тех-
нологическую позицию или конвейер автоматической линии и сня-
тия с нее собранного соединения, далее переходить к операциям
склеивания, точечной сварки и к более сложным операциям —
свинчивания, селективной сборки высокоточных соединений и дру-
гим.
Исходными данными для проектирования технологического
процесса роботизированной сборки на действующем производстве
являются:
исходный чертеж изделия с чертежами всех входящих в соеди-
нение элементов;
масса и габаритные размеры изделия;
технические условия на изготовление и приемку изделий;
условия труда на сборке и характеристика рабочих движений и
функций оператора-сборщика;
313
применяемое оборудование, приспособления и инструмент;
описание технологического процесса с указанием трудоемкости;
наличие производственных площадей;
сменность работы.
Подготовка сборочного роботизированного производства осу-
ществляется в соответствии с перечнем этапов, изложенных в гл. 6.
Основой для проектирования сборочных РТК является техно-
логическая схема сборки, на основании которой и анализа рабо-
чих движений оператора-сборщика предварительно выбирают мо-
дель промышленного робота и разрабатывают циклограмму его
движений по узловым точкам схемы. Далее осуществляют ориенти-
ровочный расчет производительности комплекса с учетом разра-
ботанной циклограммы и технических характеристик (скоростей,
переходных процессов) выбранного промышленного робота.
Следующий этап — оснащение роботизированного сборочного
комплекса с позиций функциональных возможностей промышлен-
ного робота, которые ограничены жесткими границами обслужива-
емой рабочей зоны, количеством и видом степеней подвижности,
погрешностями повторяемости движений, отсутствием в большинст-
ве случаев средств восприятия внешней среды и информации о
внутреннем состоянии элементов ПР. Расширение технологических
возможностей ПР достигается разработкой и изготовлением специ-
альной сборочной оснастки — подающих и отводящих устройств,
технологических модулей локальных перемещений и захватных уст-
ройств к ПР, контрольно-измерительных устройств, устройств для
сопряжения деталей.
Особое значение при создании сборочных роботизированных
технологий приобретает выбор методов компенсации неточностей
взаимной ориентации деталей при их сборке промышленным ро-
ботом.
Изменение расположения, размера или ориентации деталей при-
водят к их заклиниванию и разрушению, а также к простоям
оборудования. Для успешного выполнения сборочных операций не-
обходимо, чтобы изменения размеров и формы деталей и их положе-
ния в пространстве были сведены к минимуму. В условиях массо-
вого и крупносерийного производства эти требования обеспечива-
ются применением тщательно разработанной и дорогостоящей
оснастки, зажимных приспособлений и значительными затратами
на создание систем управления производством. В условиях мелко-
серийного и индивидуального производства такой подход оказы-
вается неприемлемым из-за частой смены объектов производства
и низкой эффективности применения специальной оснастки.
Сборочные машины специального назначения состоят из агре-
гатов, сгруппированных вдоль передаточной системы определенно-
го типа (линейной или роторной), предназначенной для транспор-
тирования деталей. Каждый агрегат выполняет одну задачу
посредством соответствующего оборудования, зажимных приспо-
соблений, фиксаторов и специального инструмента.
Если в сборочном производстве преобладает смещение моде-
лей, объем производства мал, а расчетная долговечность сбороч-
314
ного оборудования незначительна, прибегают к адаптивной и про-
граммируемой сборке. В этом случае сборочное оборудование ав-
томатически приспосабливается к погрешностям расположения и
отклонениям размеров и формы деталей и может быть повторно
запрограммировано для последовательного выполнения одной или
более сборочных работ*.
Независимо от физического источника погрешностей в размерах
и взаимном расположении сопрягаемых деталей, которые могут
быть вызваны как самими деталями, так и зажимными приспособ-
лениями, фиксаторами, инструментами, передаточными механиз-
мами транспортных систем и другими причинами, геометрически
эти погрешности могут быть классифицированы как линейные или
угловые. К типовой линейной погрешности относится смещение
осей сопрягаемых деталей, а к типовой угловой погрешности —
наклон осей относительно друг друга для сопрягаемых деталей.
Линейная и угловая погрешности могут быть причиной невоз-
можности совмещения сопрягаемых деталей и заклинивания в про-
цессе сопряжения или значительных контактных напряжений при
сборке. Угловые погрешности могут возникнуть и в процессе са-
мой сборки, даже если первоначально обе детали были выверены
в угловом направлении, но имеют незначительное (в пределах
фаски одной из сопрягаемых деталей) линейное смещение осей
деталей. При этом в процессе скольжения при сопряжении воз-
никает момент, вызывающий угловое смещение деталей.
При сопряжении деталей желательным является колебание
вводимой детали, что облегчает сопряжение двух деталей. Следует
иметь в виду, что при сопряжении могут возникнуть два состоя-
ния— заедание и заклинивание. Заедание создает сопротивление
непрерывному движению сборки, тогда как заклинивание делает
сборку невозможной. Чтобы исключить заклинивание и уменьшить
сопротивление непрерывному движению при сопряжении от заеда-
ния необходимо обеспечить податливость вводимой детали, т. е. ис-
пользовать упругие оснастку и захватные устройства для вводи-
мой детали. При этом слишком большая податливость может вы-
звать продольный изгиб и разрушение оснастки и захватных
устройств, а высокая жесткость свести к минимуму упругую де-
формацию и податливость и не позволит избавиться от заедания
и заклинивания.
Выделяют следующие направления обеспечения сопряжений
при роботизированной сборке [4—6]:
расчет размерных цепей в системе робот — приспособление —
деталь; при этом прямая сборка осуществляется с компенсацией
допустимых неточностей позиционирования за счет, например,
фасок, ловителей, заходных конусов;
расширение функциональных возможностей робота, направлен-
ных на увеличение вероятности сопряжения деталей; при этом
сборка осуществляется на основании информации о характере взаи-
модействия сопрягаемых деталей;
* Исследования по созданию адаптивных сборочных машин основываются
на теории сопряжения, изучающей явления, возникающие при сборке деталей.
315
Рис. 7.23. Схемы сборки с использованием расчета размерных цепей:
а —с жестким базированием; б —с применением направляющих фасок у сопрягаемых
деталей; в — с применением ловителей.
создание автономных систем поиска взаимоудовлетворительно-
го расположения сопрягаемых деталей; в этом случае задача ре-
шается применением сборочных головок в составе ПР или РТК,
осуществляющих взаимные направленные сканирующие движения
поиска для элементов сборки-
Для первого направления наиболее распространенные способы
сборки представлены на рис. 7.23. Вероятность сопряжения Рси де-
талей при этом равна произведению вероятностей двух событий:
Рт — попадания деталей с захватным устройством робота в зону
заходных контуров по транспортирующим координатам и Ро—
образования угла перекоса детали по ориентирующим координа-
там, т. е.
Реп = Рт[(Ао АД <= D\ Ро (ср < сркр),
причем
0 g
сркр = arccos ———,
В +
где Zmin минимальный вероятностный зазор в сопряжении (Zmin =
= oamin ~~ 8втах’ здесь 8д — отклонение размеров детали в системе
отверстия; Зв — отклонение размеров детали в системе вала); D —
допустимое смещение деталей, при котором гарантируется сборка.
Для прямой сборки по жесткой схеме (рис. 7.23,a) D~D\ =
= Z— As — Дпр; при использовании нежесткой системы для деталей
с фасками (рис. 7.23, б) D ~ О2 = А4 Д- Дв О,; в случае примене-
ния ловителей или направляющих конусов (рис. 7.23, в) D = О3 =
= г + Z)i.
В приведенных формулах Дх, — линейные погрешности пози-
ционирования по координатам X и Y\ ср — текущее значение ошибки
позиционирования по ориентирующим координатам; с»кр — предельно
допустимый угол взаимного перекоса осей сопрягаемых деталей;
0 а, 0в — диаметры деталей соответственно в системе отверстий
и в системе вала; г — радиус захвата детали ловителем; Ад, As —
диаметральные размеры фасок сопрягаемых деталей.
316
Упрощенно для наихудшего случая базирования при условии
линейности задачи и нормальном законе распределения ошибок
позиционирования расчетная формула вероятности сопряжения имеет
вид
где х — текущее значение ошибки позиционирования по транспорти-
рующим координатам; щ — среднее квадратичное отклонение рас-
пределения случайной величины погрешности позиционирования
захватных устройств робота по транспортирующим координатам
(при отсутствии статистических данных щ = 1/3 точности позициони-
рования по паспортным данным ПР); As, Лпр — ошибка в изготовле-
нии посадочной поверхности относительно базовой и ошибка уста-
новления детали в приспособлении, соответственно; — среднее
квадратичное отклонение распределения случайной величины угловой
погрешности позиционирования робота по ориентирующим координа-
там (в случае отсутствия статистических данных	где
^тах
Ьтах — длина руки робота на максимальном выдвижении).
Для гладких цилиндрических соединений, собираемых по схеме
рис. 7.23, а:
сркр = arccos
0в
В случае сборки тех же деталей с компенсацией погрешности
позиционирования за счет фасок, ловителей и т. п. (рис. 7.23, в>
?кр = 90° — Рт — а — 7,
где рт — угол трения; а — угол наклона образующей конуса фаски;
7 — угол между вектором силы сборки Лсб и осью вала.
Если вероятность сопряжения деталей не позволяет обеспе-
чить достаточно надежную работу комплекса робот — оснастка —
деталь, то переходят к исследованию возможности применения
других направлений сопряжения (рис. 7.24, 7.25).
Расширение функциональных возможностей роботов, направ-
ленных па увеличение вероятности сопряжения деталей, основы-
вается на использовании методов и средств тактильной (рис. 7.24,.
а) и зрительной (рис. 7.24, б) информации, а также повторных по-
пыток сопряжения по заданной программе (рис. 7.24, в).
После решения задачи общего синтеза захватного устройства
возникает задача управления процессом выравнивания осей соби-
раемых деталей и совмещения осей. С этой целью может быть ис-
пользована силовая обратная связь по результатам разложения
усилий и моментов на поверхности раздела (контактной поверхно-
сти) сопрягаемых деталей, причем задача заключается в ликвидации
317
»Рис. 7.24. Схемы сборки с использованием адаптивных систем:
а — с использованием тактильной информации; б — с использованием зрительной инфор-
мации; в — с использованием повторных попыток сопряжений.
Рис. 7.25. Схемы сборки с использованием систем автопоиска элементов.
поперечных сил и моментов от заеданий и одновременно — в про-
должении операции сопряжения. При этом рабочая скорость
сборки ограничивается допустимыми усилиями, контролируемыми
при ее выполнении.
Упругие устройства, реализующие вышеприведенные ограни-
чения, представляют собой многоосные шарнирно закрепленные
для обеспечения поперечного и углового выравнивания осей соби-
раемых деталей механизмы. Благодаря характерной податливости
их несущих элементов и упругой реакции на возникающие при по-
перечном и угловом выравнивании осей собираемых деталей, до-
стигается эффект самоустановки вводимой детали, причем, точка
вращения оси вводимой детали находится далеко за пределами ее
конструкции. Такие устройства содержат две самостоятельные
части: компенсации поперечной погрешности Ах, Ау расположения
осей собираемых деталей (работает на этапе соприкосновения фа-
сок деталей); компенсации углового рассогласования <р осей соп-
рягаемых деталей (работает при введении детали).
.318
В случае решения задачи с адаптивным роботом вероятность
сопряжения деталей РС1) может быть равной единице при соблюдении
условия
Дд ДЛ.
Сопряжение при этом осуществляется коррекцией процесса
сборки по информации от датчиков о силовом взаимодействии си-
стемы захватное устройство — устанавливаемая деталь — базовая
деталь.
К преимуществам осуществления сопряжения на основе зри-
тельной адаптации следует отнести возможность организации про-
цесса сборки из неориентированных деталей: при этом камера 1
(см. рис. 7.24, б) осуществляет общий обзор местности, а камера 2—
контроль точной установки детали. Однако следует помнить, что
стоимость информационного обеспечения в этом случае, а следова-
тельно, всего сборочного РТК, резко возрастает. Вероятность
сборки РСп = 1 при выполнении условия
Т4 2mtn,
где М— разрешающая способность средств зрительного восприятия.
Детали, собираемые с помощью визуальных сенсоров, должны
иметь четкие контуры, градацию в отражательной способности,
легко выявляемые особенности для идентификации и последующей
ориентации, одинаковую окраску.
Характерной особенностью способа сопряжения с помощью по-
вторных попыток по заданной программе является неоднократно
повторяющаяся после неудачных попыток операция сборки соеди-
нения с другими комплектами сопрягаемых деталей (при этом
может заменяться либо только одна из сопрягаемых деталей, ли-
бо полностью пара). Вероятность сборки при повторных попытках
возрастает и определяется зависимостями:
Pi = /’сп((Дг, c=Dl = P;
Р7 = 2Р — Р\
р3==2Р — 2Р’ + Р3;
р^2Р — 2Р+2Р'~Р\
Численно Ру — 0,8; Р? — 0,96; Р? = 0,992; Р$ = 0,991.
Создание автещомных систем поиска взаимоудовлетворительно-
го расположения деталей связано с разработкой сборочных голо-
вок, обеспечивающих условия для автоматического самоцентриро-
вания деталей по сопрягаемым поверхностям путем формирования
для одной из сопрягаемых деталей (либо для обеих одновременно)
определенного закона ориентирующих движений. При этом исполь-
зуются движения автопоиска одной детали относительно другой
следующим образом:
обе детали перемещаются в плоскости, перпендикулярной оси
соединения, но по разным осями с разными частотами (рис. 7.25, а);
вставляемая деталь движется вдоль оси сборки, а базовая
получает движение, перпендикулярное этой оси (рис. 7.25, б);
3ia
базовая деталь неподвижна, устанавливаемая деталь получает
поисковое движение, перпендикулярное оси сборки, а также дви-
жение по оси сборки (рис. 7.25, в).
Поиск, который реализуется сборочной головкой, может описы-
ваться любым законом движения — круговым, маятникообразным,
возвратно-поступательным, расходящейся и сходящейся спирали,
а также представлять совокупность этих и более сложных движе-
ния. Автономные системы поиска при этом будут различаться ти-
пом привода перемещения рабочих органов сборочных головок.
Наибольшими преимуществами при использовании в сборочных
процессах обладают двурукие сборочные ПР, а также ПР со спа-
ренными захватными устройствами, которые позволяют произво-
дить сборку без дополнительных базирующих устройств.
Особое значение выбор правильного метода компенсации не-
точности взаимной ориентации деталей приобретает при реализа-
ции сборки высокоточных соединений. В этом случае наибольши-
ми преимуществами обладают системы захватное устройство —
устанавливаемая деталь—базовая деталь, оснащенные элемента-
ми очувствления, позволяющими осуществлять сборку на основа-
нии информации о характере взаимодействия сопрягаемых дета-
лей. Как известно, посадочную операцию микронной точности
трудно выполнить с помощью промышленных роботов первого
поколения или традиционных сборочных автоматов. Эти трудности
объясняются сложностью проведения процесса относительного
ориентирования с требуемой точностью; кроме того, сам процесс
сопряжения становится невозможным вследствие так называемого
явления зацепки из-за малого зазора. Указанную сборочную опе-
рацию можно осуществить на основе исследований чувствительной
функции пальцев человека.
При сопряжении цилиндрических деталей по базовым поверх-
ностям возникают так называемые явления заклинивания и заеда-
ния. Например, при сборке вала 2 с базовой деталью 1 (рис. 7.26, а,
левая схема) практически не представляется возможным обеспе-
чить соосность, параллельность и совместимость осей деталей, что
приводит к появлению реакции R в точке контакта и требует
выведения вала 2 в исходное положение (перемещение по Z)
и смещения вала 2 относительно базовой детали 1 вправо (пере-
мещение по X). Для улучшения процесса сборки прибегают, как
уже отмечалось выше, к направляющим фаскам у сопрягаемых
деталей (см. рис. 7.23, б, в). Тем не менее, это не исключает пере-
косов и, как следствие, явлений заклинивания и заедания.
Заклинивание появляется, когда вал 2 с наружным диаметром
г/в устанавливается в отверстие dA базовой детали 1 под таким
внешним углом <ркр, что отношение l/d-a оказывается меньше коэф-
фициента трения скольжения К/ в момент, когда происходит
касание в двух точках с реакциями У и У(, (вторая слева схема
на рис. 7.26, а). Для дальнейшего движения нужен опрокидываю-
щий момент М. Если lldb>Rj, заклинивание не наблюдается,
но дальнейшее движение вала 2 может сопровождаться заеданием
(третья слева схема на рис. 7.26, а). Для исключения этого явления
320
г.
Ряс. 7.26. Схема сопряжения цилиндрических деталей По базовым поверхностям:
а — расположение сопрягаемых деталей при заклинивании н заедании; б — общая компо-
новка устройства поворота и раскачивания деталей при сборке; © — техническая реализа-
ция задачи «мягкой» посадки сопрягаемых деталей; г — этапы операции «мягкой» по-
садки.
следует вращать вал 2 или покачивать его в пределах допустимого
угла ср до тех пор, пока при движении вала 2 по направляющим
отверстия базовой детали 1 отношение l/de не достигнет порогового
11 4'2 51
321
значения, при котором явление заедания исчезнет. Это соответст-
вует углу раскачивания а (крайняя справа схема на рис. 7.26, а).
Принцип построения устройства, обеспечивающего указанные
движения (поворот и раскачивание) вала 2 при сопряжении с де-
талью 1 и исключающего явления заклинивания и заедания, про-
является на рис. 7.26, б [2, 91. Вертикальные звенья 4 подвески, при-
крепленные снизу к корпусу 5 захватного устройства, а сверху —
к плавающему кронштейну 6, обеспечивают расположение центра
деформации в бесконечности. Поэтому горизонтальные силы, воз-
никающие при сопряжении деталей 1 и 2, вызывают только гори-
зонтальное движение X. Наклонные стержни 4, которые нижними
связями удерживают вал 2, а верхними прикреплены к плаваю-
щему кронштейну 6, обеспечивают расположение центра деформа-
ции на нижнем торце вала 2 в точке О. Поэтому наличие горизон-
тальных сил на конце вала приводит к угловому вращению (скру-
чиванию относительно оси 1—1), что исключает заедание при
сопряжении деталей 1 и 2.
Техническая реализация задачи «мягкой» посадки вала 2 с по-
мощью активной системы представлена на рис. 7.26, в. Часть
кисти 5 робота представляет собой упругую гибкую подвеску 4, на
которой укреплены элементы собственно захватных органов 3 за-
хватного устройства, удерживающие вал 2 при сопряжении с базо-
вой деталью 1. Перекосы детали 2, являющиеся следствием несов-
падения осей (эксцентриситет 6), приводят к возникновению реак-
ций R и и воспринимаются упругой подвеской 4. Деформация
(составляющие Rx, Rz) упругих элементов подвески 4 детектируется
и является управляющей информацией для выполнения посадочной
операции, которая реализуется в такой последовательности: нача-
ло посадочной работы — подход —поиск — посадка—завершение
посадочной работы (рис. 7.26, г),
7.6. Применение роботов в электро-
и радиомонтажных работах
Для автоматизации электро- и радиомонтажных работ в нашей
стране создана и внедрена в производство система «Трасса», вклю-
чающая роботы «Трофей» и «Трамплин», а также средства органи-
зации внешней среды в виде специализированных автоматов
«Тракт», «Трал» и «Трос».
Работа системы осуществляется в следующей последователь-
ности. Первоначально на установке «Тракт», являющейся одним
из агрегатов организации внешней среды, производится рихтовка,
обрезка и вклейка в ленту радиоэлементов с осевыми выводами.
Расчетная производительность — 5000 элементов; размеры элемен-
тов: диаметр корпуса 2,2—9 мм, длина корпуса —5—30 мм, длина
элемента с выводами—54—100 мм, диаметр вывода—0,5—1,2 мм.
Засыпка элементов — бункерная. С помощью вибраций элементы
из бункера по лотку поступают в рабочий механизм, где они рих-
туются (при необходимости), обрезаются до требуемого размера
и вклеиваются в ленту. Шаг вклейки — 5 и 10 мм. Установка
322
Рис. 7.27. Двурукий робот «Трофей».
и поступивших с установки «Тракт».
переналаживается на лю-
бой типоразмер элемента,
время переналадки — 10—
12 мин. Лента с вклеенны-
ми в нее элементами одно-
го типоразмера наматыва-
ется на бобину.
На следующем этапе с
установки «Тракт» бобины
поступают на установку
«Трал», которая предназна-
чена для программной
вклейки радиоэлементов с
осевыми выводами и про-
водников-перемычек без изо-
ляции. Установка «Трал»
представляет собой автомат
секционного типа, управле-
ние которым осуществляет-
ся от ЭВМ. Вклейка радио-
элементов производится с
20—60 бобин, установлен-
ных в верхней части автомата
По сигналам от ЭВМ в соответствии с разработанной программой
из каждой ленты, намотанной на бобину, вырезается элемент и
вклеивается в новую ленту. Так как на бобины намота-
ны ленты с радиоэлементами различных номиналов, то постепенно
на новую ленту в установленной программной последовательности
поступают различные элементы и автоматически вклеиваются
в требуемом порядке. Эта лента наматывается на бобину, показан-
ную на рисунке в правом верхнем углу. Производительность
вклейки — 18 000 элементов/ч> Шаг вклейки — 5 и 10 мм (в зави-
симости от требований), наружная ширина ленты после вклейки
элементов — 40, 50 и 60 мм. Далее элементы, в определенной
последовательности закрепленные на ленте, поступают на робот
для монтажа печатных плат.
Монтаж плат производится на двуруком роботе «Трофей»
(рис. 7.27), каждая рука которого совершает вертикальные пере-
мещения на величину до 50 мм. Печатные платы закрепляются на
столе робота, имеющем возможность перемещения по координатам
X и У на величину 400 мм. Бобины с радиоэлементами устанавли-
ваются в верхней части робота. Управление им осуществляется
от ЭВМ по программе, учитывающей порядок вклейки элементов
в ленте.
При перемещении руки робота в вертикальном направлении
элементы автоматически выкусываются из ленты, их осевые выводы
подгибаются на угол 90° и устанавливаются на плату. При этом
кисть руки удерживает элемент за его центральную часть, а по-
догнутые осевые выводы проходят через отверстия платы и авто-
матически подгибаются с целью крепления к плате и удержания
11*
323
до операции пайки. Установив элемент на плате, кисть освобождает
его и приступает к выполнению нового цикла; причем в этот мо-
мент по управляющему сигналу от ЭВМ. стол с закрепленными на
нем пластинами передвигается на требуемую по программе вели-
чину по координатам X и У.
Точность позиционирования составляет 0,05 мм, производитель-
ность установки — 18000 элементов/ч.
Для подготовки интегральных схем к установке на печатные
платы используется автомат «Трос», в котором рихтуются выводы
интегральных схем — им придается форма, удобная для после-
дующего монтажа на печатных платах. Автомат обрабатывает
интегральные схемы с количеством выводов от 8 до 16. Подготов-
ленные элементы автоматически устанавливаются в специальном
пенале длиной до 1,5 м. Производительность установки состав-
ляет 4000 элементов/ч.
Установка интегральных схем на печатные платы осуществля-
ется на специализированном роботе «Трамплин». Управление ро-
ботом происходит с помощью ЭВМ. В верхней его части крепят-
ся пеналы с наборами интегральных схем. Рука робота перемеща-
ется в вертикальном направлении на величину до 150 мм. Стол
с раздельными приводами перемещается по координатам X и У
на величину до 560 мм. На поверхности стола закрепляются пе-
чатные платы. По сигналам от ЭВМ рука робота принимает от
одного из пеналов интегральную схему, удерживая ее за корпус
и подавая выводами-лепестками в соответствующие отверстия
печатной платы. При движении руки вниз лепестки с противопо-
ложной стороны платы подгибаются, обеспечивая механическое
крепление до операции распайки. После этого рука освобождает
схему и поднимается вверх в исходное положение, а по команде
от ЭВМ стол перемещается по координатам X и У на требуемую
величину. Точность позиционирования — 0,05 мм, производитель-
ность робота—4000 элементов/ч.
Комплекс «Трасса» позволяет устанавливать в год 18—20 млн.
элементов с осевыми выводами и 4—5 млн. интегральных схем.
При этом обеспечивается уровень автоматизации монтажа печат-
ных плат до 65—75 %• Окончательную сборку платы производят
вручную, устанавливая на них отдельные крупногабаритные
элементы.
Внедрение одного комплекса оборудования системы «Трасса»
высвобождает 20—25 рабочих. Срок окупаемости комплекса — 2—
2,5 года.
Список литературы
1.	Белянин П. Н. Промышленные роботы.— М.: Машиностроение, 1975.—
400 с.
2.	Белянин Н. П. Промышленные роботы в Японии.— М.: Изд. НИИ
авиационной технологии, 1976.— 456 с.
3.	Гавриш А. П„ Воронец Б. М. Роботизированные механообрабатываю-
щие комплексы машиностроительного производства.— К.: Технжа, 1984.—
197 с.
324
4.	Гусев А А. Адаптивные устройства сборочных машин.— М. : Машиностро-
ение, 1979.—196 с.
5.	Корсаков В. С. Автоматизация производственных процессов.— М.; Ма-
шиностроение, 1978.—327 с.
6.	Новиков М. П. Основы технологии сборки машин.— М. •. Машиностро-
ение, 1979.—296 с.
7.	Пашута Н. Т., Ушневич Я. К-, Шраменко В. М. Производительность,
точность, надежность (эффективность применения машиностроитель-
ной продукции, в народном хозяйстве) /Под ред. Я. К. Ушневича.— К.:
Техшка, 1980.—205 с.
8.	Патон Б. Е„ Спыну Г. А., Тимошенко В. Г. Промышленные роботы
для сварки.— К. : Наукова думка, 1977.—228 с.
9.	Промышленная робототехника / Под ред. Л. С. Ямпольского.—К.: Техшка,
1984,—264 с.
10.	Ямпольский С. С. Принципы построения сборочных роботизированных
технологических комплексов.— К.: изд. Знание УССР, 1980,—24 с.
11.	Вильчинский Ю. С., Тучкова Т. И. Применение промышленных ро-
ботов для нанесения защитно-декоративных покрытий.— Технология автомо-
билестроения, 1980, № 9, с. 11—12.
12.	Даровский В. Д. Автоматизация резьбонарезного полуавтомата путем
применения промышленного робота.— В кн.; Исследование автоматических
систем технологических процессов.— Фрунзе: Наука, 1980, с. 64—71.
13.	Карпенко В. И. Автоматические манипуляторы семейства «Бриг» —
Механизация и автоматизация производства, 1981, Ms 7, с. 1—4.
ГЛАВА 8
Обеспечение основных показателей
качества промышленных роботов
8.1.	Гибкие переналаживаемые робототехнические комплексы
Гибкость РТК может быть достигнута применением метода ре-
гулирования отдельных параметров процесса при сохранении мо-
ноблочной конструкции функциональных элементов, но только в
пределах технологического ряда изделий. Поэтому при автомати-
зации мелкосерийного многономенклатурного производства метод
регулирования может быть использован при переналадке функци-
ональных элементов РТК в ограниченных пределах, в то время как
изменение состава и структуры РТК при обслуживании изделий
вне данного технологического ряда требует быстрой замены функ-
циональных элементов. В этом случае тенденция многократной
обратимости и переналаживаемости автоматического сборочного
оборудования как основной предпосылки применения методов круп-
носерийного производства при автоматизации мелкосерийного
производства может получить должное развитие при широком при-
менении принципа агрегатирования и модульного построения пере-
налаживаемого сборочного РТК (ПС РТК,).
325
Создание на производстве предметных участков, на которых
комплексно обслуживаются конкретные группы деталей, позволя-
ет обоснованно выбирать наиболее рациональное размещение тех-
нологического оборудования. По мере широкого внедрения методов
групповой технологии, например, по принципу выполнения одина-
ковых операций или сборки узлов определенных типоразмеров, ве-
личины партий однотипных деталей соответственно увеличиваются,
что в большей степени позволяет использовать приемы упорядоче-
ния среды с помощью переналаживаемых элементов, а также ши-
ре применять агрегатирование при разработке обслуживающих или
выполняющих сопутствующие и основные технологические опера-
ции роботов.
В случае роботизации сборочных процессов существенное вли-
яние на выбор варианта компоновки комплекса оказывают вид
соединения в сборочном изделии, внешний контур и форма сопряга-
емых деталей, физико-механические свойства их материалов, что,
в конечном счете, обусловливает способы закрепления, конструк-
тивные особенности захватных органов, средств накопления и
ориентирования деталей, режимы перемещения на сборочную пози-
цию. Поэтому при анализе технологического процесса и решении
вопроса о дифференциации или концентрации операций необходимо
учитывать отмеченные особенности сборочных соединений, так как
они определяют сложность и стоимость создаваемых РТК и их ком-
поновку. Дифференцированная поточно-цикловая сборка преду-
сматривает выполнение одной операции сопряжения и фиксации
одного заданного вида соединения на данной позиции; сборочные
и загрузочные устройства в течение сопряжения имеют фиксиро-
ванное положение и могут находиться в непосредственной бли-
зости друг от друга, так как наличие устройств обслуживания
других позиций исключено. При этом сборочные единицы переме-
щаются циклично от одной позиции к следующей с последова-
тельным наращиванием сборочного соединения.
Концентрированная стационарная сборка предусматривает
выполнение двух и более операций сопряжения деталей и фикса-
ции соединения на одной сборочной позиции; единственное сбо-
рочное приспособление неподвижно, загрузочные и инструмен-
тальные устройства для выполнения сборочной операции нахо-
дятся на различных позициях, местоположение которых опреде-
ляется возможностями размещения всех инструментальных и за-
грузочных устройств.
При многоэлементной сборке с использованием нескольких
промышленных роботов возникают трудности выведения захватных
органов в одну позицию с точностью, определяемой характеристи-
ками сопряжения элементов сборочной единицы. Это объясняется
тем, что механическая система ПР, включая плечо, предплечье,
приводы и захватные органы, выполнена таким образом, что не
обеспечивает подачу расположенных на разных позициях дета-
лей в одну и ту же точку. Кроме того, приходится учитывать по-
грешность базирования элементов комплекса, включая подающие
и отводящие транспортные линии, загрузочные (питающие) уст-
326
Рис. 8.1. Схемы многофункциональных сборочных робототехнических систем; а —
переналаживаемый сборочный агрегат; б — многорукий сборочно-комплектующее а*»
регат.
ройства и накопители готовой продукции, основное технологиче-
ское оборудование, по отношению к системе координат располо-
жения входящих в комплекс промышленных роботов. Решение
задачи многоэлементной сборки существенно облегчается, если
воспользоваться разработанным для подобных целей перенала-
живаемым сборочным агрегатом, снабженным манипуляторами
(рис. 8.1, а) [6, гл. 2].
Сборочный агрегат представляет собой комплекс механизмов,
включающий установленные на кольце круглого сечения 3 (общая
база) комплектующие 1 и отводящий 2 „манипуляторы. В центре
агрегата расположена сборочная (рабочая) позиция 4, оборудо-
ванная на подвижном в вертикальном направлении штоке, а за-
грузочные позиции А (вибропитатели), обеспечивающие подачу
комплектной номенклатуры деталей, размещены с наружной сто-
роны кольца 3. Комплектация (сборка) узла осуществляется в
строгом соответствии с технологией, в связи с чем работа мани-
пуляторов 1 синхронизирована с технологическим процессом.
Готовая продукция (собранный или скомплектованный узел) пе-
регружается манипулятором 2 с позиции 4 на отводящий конвей-
ер D или на упорядоченный накопитель, расположенный на этом
конвейере.
Стремление к снижению металлоемкости и повышению точно-
сти позиционирования рабочих органов при выполнении сбороч-
ных операций, а также обеспечение компактности и технологич-
ности РТК потребовало принципиально нового похода к исполне-
нию составляющих элементов комплекса и, прежде всего, входя-
щих в их состав роботов. Такая задача решается в сборочном
РТК, показанном на рис. 8.1, б. Основу данной конструкции
327
3>
составляет преобразователь перемещений 1, имеющий платформу
с заделанными в нее концами гибких лент, охватывающих рамки
с расположенными на них манипулирующими органами 2.
Диаметры роликов подбираются таким образом, чтобы обеспечить
в крайнем левом положении платформы механизма 1 совмещение
рук 2 и 3 над отводящим конвейером D. В правом крайнем поло-
жении платформы руки 2 и 3 находятся над загрузочными пози-
циями виброзагрузочных устройств Л, обеспечивающих номенкла-
туру необходимых деталей. Таким образом, за один двойной ход
платформы обеспечивается комплектация (сборка) и установка
узла на конвейер D.
Рассмотрим оригинальную конструктивную реализацию ком-
поновки ПС РТК, выполненной на базе многорукого манипулято-
ра (рис. 8.2, а). Вид А определяет положение манипуляторов на
рабочих или загрузочных позициях. На рис. 8.2, б представлена
двухъярусная компоновка РТК, который содержит верхнее 2 и
нижнее 18 основание (станины), в которых на подшипниках 3 и
11 соответственно установлены две колонны: колонна 4 с ролика-
ми 20 и колонна 5 с роликами 21 [6, гл. 2]. Между роликами 20
и 21 (рис. 8.2, а) пропущены гибкие металлические ленты 1 и 10,
охватывающие эти ролики и жестко закрепленные в подвижных
прямоугольных рамах 17 и 16. Рамки соответственно жестко свя-
заны со штоками пневмо- либо гидроприводов 19, 22, рабочие
полости которых связаны с общим приводом 23.
На поворотных колоннах 4 и 5 установлены соответственно
руки 6 и 7 манипуляторов с захватами. На ленте транспортера 14
находятся рабочие позиции 13. В состав ПС РТК входят загру-
зочные позиции 8, 9, 12 и 15 (вид Л), на которых располагаются
комплектующие сборочные соединения детали.
Двухъярусная компоновка ПС РТК (рис. 8.2, б) содержит
основания 10—13, в которых с возможностью вращения установ-
лены две верхние колонны 9 и 4, соединенные с роликами 5 и 6,
а также две нижние колонны 15 и 16, соединенные соответственно
с роликами 3 и 14. Между роликами 5, 6 и 3, 14 пропущены гиб-
кие ленты 8 и 2, которые охватывают соответствующие ролики.
Концы верхней ленты 8 закреплены в рамке 7, а нижней ленты 2—
в рамке 1. Рамки 7 и 1 жестко связаны с раздельными приводами
(на рисунке не показны).
При подаче управляющих сигналов в блоки управляющих зо-
-лотников штоки приводов 19 и 22 (рис. 8.2, а), жестко связанные
ю рамками 17 и 16, начинают перемещать последние в зависимос-
ти от команд в противоположные стороны (т. е. сводить или
разводить). Связанные с рамками 17 и 16 ленты 1 и 10 приводят
во вращение соответствующие пары роликов 20 и 21. Одновремен-
но с роликами 20 и 21 начинают поворачиваться колонны 4 и 5
левой 17 и правой 16 рамок; при этом руки б и 7 с захватами
начинают расходиться на загрузочные позиции 15, 12 в 8, 9. Кроме
того, плечи рук б и 7 перемещают захваты вдоль осей рук в ра-
диальных направлениях.
В момент выхода рук б и 7 с захватами на позиции загрузки
328
Рис. 8.2. Техническая реализация многоруких сборочных агрегатов с одноярусной
(а) и двухъярусной (б) компоновкой.
12 «ЛИ
329
осуществляется захват собираемых деталей, а после подачи
соответствующих управляющих команд начинается обратное пе-
ремещение рамок 17 и 16. Руки 6 и 7 сходятся до совмещения их
захватов с позицией сборки 13, расположенной на транспортере
14. Рамки в этот момент останавливаются, на позиции сборки 13
происходит соединение и закрепление собираемого изделия. Затем
рамки опять начинают расходиться (17 — вправо, 16 — влево). При
этом левая рука 6 выходит на позицию 8, правая 6 — на позицию
9 (соответственно левая рука 7 — на позицию 15, а правая рука
7—на позицию 12). Осуществляется вновь захват деталей на
указанных позициях. Затем рамки 17 и 16 начинают двигаться в
обратных направлениях и цикл повторяется. Позиции 8, 15, 9 и
12 расположены в разных плоскостях (рис- 8.2, а) и не мешают
захвату деталей.
ПС РТК по двухъярусной компоновке (рис. 8.2, б) функциони-
рует аналогичным образом с преимуществом в том, что при раз-
мещении системы требуются меньшие производственные площади,
однако обслуживание такой системы затруднено ввиду ограничен-
ности доступа к основным функциональным механизмам.
8.2.	Методы испытания и оценки уровня качества
промышленных роботов
Согласно РД—50—149—79 «Методические указания по оценке
технического уровня и качества промышленной продукции», все
вновь создаваемые образцы промышленной продукции должны
быть аттестованы по трем категориям качества. Для традицион-
ной продукции промышленности методики оценки технического
уровня и качества достаточно тщательно разработаны и требует-
ся лишь соблюдение соответствующих ГОСТов и ОСТов, чтобы
корректно оценить комплексные показатели качества. При этом
оценка технического уровня и качества продукции во всех отраслях
промышленности должна базироваться на изложенных в РД—50—
149—79 методах и принципах квалиметрии.
Под квалиметрией роботов следует понимать раздел теории
машин, посвященный теоретическим основам определения и мето-
дам количественной оценки качества ПР, а также применение
этих методов в процессе разработки, изготовления и эксплуатации
роботов [3].
К основным задачам квалиметрии роботов относят количест-
венное определение данных для разработки указаний на проек-
тирование, расчет и экспериментальное исследование показате-
лей и характеристик (экономических, технологических, стандар-
тизации и унификации, патентно-правовых, эргономических и эс-
тетических) на этапах проектирования, изготовления опытного и
серийных образцов роботов, а также на испытания роботов в про-
цессе их эксплуатации.
Выделяют четыре этапа научно-исследовательских работ, не-
обходимых при разработке новых конструкций ПР, предназначен-
ных для серийного изготовления.
330
1.	Подготовительный этап, включающий разработку техниче-
ского задания, определение критериев качества, исследование ана-
логов конструкций ПР, их узлов и систем управления, прибли-
женный расчет параметров и коэффициентов, разработку предва-
рительной программы испытаний.
2.	Этап выбора вариантов конструкций, их расчет и исследо-
вание на математических моделях с целью выбора параметров,
уточнение элементов- конструкций и программы стендовых испы-
таний.
3.	Этап создания, испытаний и исследований опытных образ-
цов узлов или всей конструкции ПР и РТК.
4.	Этап испытаний и исследований серийного образца.
К основным критериям качества ПР и элементов РТК относят
их точность, производительность, надежность и технологическую
универсальность. Кроме этого, учитываются жесткость, виброус-
тойчивость, уровень шума, к. п. д., удельная мощность (отношение
полезно расходуемой мощности к массе привода или ПР), техно-
логичность конструкции, габаритные размеры, приспособленность
к обслуживанию человеком, экономичность. Многие из них опре-
деляют требования, предъявляемые к функциональным механиз-
мам и системе управления.
Критерии качества механизмов ПР и РТК, измеряемые коли-
чественно, могут быть разделены на пять групп [3]: кинематиче-
ские и динамические; энергетические; тепловые; надежности; гео-
метрические и массовые. Основные критерии, входящие в первую
группу и характерные для ПР, представлены в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Критерии качества ПР, соответствующие параметры
и обозначения
К инематнче- ские и динамиче- ские критерии качества	Параметры качества	Формулы для расчета	Измеряемый пара- метр	
			выходное звено	входное звено
Быстродей- ствие	Время одного цикла выполнение заданной операции движение	6=1 l==l tn	ДЛ 6. V, со а, в Р, м, t	
Соотноше- ние времени движения и выстоя	Коэффициент времени: движения выстоя фиксации	-u % = VTi "^ф t$J^n -p ^ф6) = *фЛц	У, <0 at в t	
12*
331
Продолжение табл. 8.1.
Кииематиче- ск ие и динамиче- ские критерии качества	Параметры качества	Формулы для расчета	Измеряемый пара- метр	
			ВЫХОДИО‘ звено	входное звено
Быстроход- ность	Средняя скорость	°о> “о °ср ~ LIT а? “ср = = ф/л уср. о = LHп> “ср. о -	l, 0) Д1, Еф ГЛ to	^’о» o>0 1, По
	Максимальная скорость	ymax Мер. с wrnax ^ш^ср. о	I	
	Коэффициент быстроход- ности	3 ki =	G, = = “срГ/ 3 Ч=% о Kg, k^ = 3 = “ср. o/J		
	Зависимость коэффициен- та быстроходности от пути и погрешности по- зиционирования	kt = avL1^		
Точность	Коэффициент заполнения	wcp. o/wmax	Al	to0
воспроизве- дения задан- ного закона движения	Коэффициент асиммет- рии, разгона и торможе- ния	Va	з^п* ^раз =	0)» V	l
	Коэффициент неравномер- ности	6  = = =		
	Величина скачков при малых перемещениях	Al = f (v)		
	Число Ньютона Коэффициент А	PT/mvg. Av^mv20/PT, Am = = /o>g//WT		
	Отношение наибольших абсолютных величин от- рицательных и положи- тельных ускорений	| °т 1 /flmax’ 1 et |'Emax		
	Коэффициенты динамич- ности	br * ”• S g g 11 II II JO m O э	3	Э ca	to	и X	x	X J -s *O	ср	. 0»	n	rt 2	"	I. Al, 5ф Vf to	^лв ДВ
332
Продолжение табл. 8.1
Кинемати- ческие и динамические критерии качества	Параметры качества	Формулы для расчета	Измеряемый пара- метр	
			выходное звено	входио* звено
		5	Q	О ОТ а.	сх	р. ""х	~~Х	X от	от	от Е	Е	Е —	СЗ	°* <	II	II II	Q	Q -£г/	а, е р, м t	
	Кинетограмма	/ = и/дв). Ф=/(М		
	Коэффициент корреляции	г 2 (Т) si (/b2 (t)dt 0		
	Фазовые портреты	С-=/•-=,•(/) U) = ф = f (ф)		
Точность отработки координат	Погрешность позициони- рования: линейного углового Изменение погрешности во времени	4/ ч Д/= /,</)- ^ = ’2(0	1	
Нагрузоч- ная способ-	Наибольший рабочий мо- мент или усилие	р	Л1 раб. max’ раб. max	Р, М	
ность	Изменение полезного мо- мента во времени	Л’Г “ о 11 г? —	Р, t м	
Жесткость	Статическая	суммар- ная	/с, = А-Ст/Д/. Сст = -	Д/. о, ф	ду ^фдв
	Баланс жесткости	G^CT’ •••’	р	Рдв
	Динамическая характе- ристика	iD = (Р/Д/) Сд =	е/1' Со = 4r.W		Л1дв ‘яв t
	Амплитудно-фазовая час- тотная характеристика	U'/ (/2) = = Р	(/Q)		
333
Испытания опытных образцов ПР классифицируют следующим
образом:
по назначению — контрольные, исследовательские, граничные,
определительные, оценочные, приемно-сдаточные, периодические,
типовые, аттестационные;
по способу проведения — эксплуатационные, стендовые, поли-
гонные;
по стадиям разработки — доводочные, предварительные и при-
емочные испытания опытного образца, ведомственные, межведо1м-
ственные и государственные приемочные испытания, испытания
образцов установочной серии, испытания головной серии.
Среди них особо выделяют приемочные, исследовательские, ре-
сурсные и эксплуатационные.
Основной задачей приемочных испытаний является проверка
соответствия ПР их функциональному назначению — одному из
главных критериев оценки. По результатам этих испытаний дает-
ся общая оценка образца (по конструктивным, технологическим
и другим показателям).
Исследовательские испытания проводят с целью получения
уточненных данных, необходимых для выбора наилучших зако-
нов движения, для установления оптимальных соотношений между
массой объекта манипулирования, скоростью перемещений и точ-
ностными параметрами, для расчета основных механизмов и узлов
и в итоге для разработки рекомендаций по улучшению созданной
конструкции.
При ресурсных (или стендовых) испытаниях выявляются отка-
зы вследствиве погрешностей изготовления и определяется слож-
ность их устранения; исследуются зависимость функциональных
характеристик от длительности работы и от износа деталей; оп-
ределяются показатели надежности (время наработки на отказ,
ресурс до первого капитального ремонта, гарантийный срок и
другие).
Эксплуатационные испытания в основном выполняют те же
функции, что и ресурсные, но проводят их в типичных производ-
ственных условиях. От вида испытаний зависит выбор совокуп-
ности определяемых параметров и измерительных средств.
Программа приемочных испытаний ПР—основного вида ис.
пытаний — включает следующее: подготовку опытного образца
к испытаниям; проверку соответствия опытного образца техниче-
ской документации; испытания на холостом ходу; испытания под
нагрузкой; проверку соответствия опытного образца сдаточным
нормам точности; проверку качества изготовления базовых дета-
лей и качества сборочно-монтажных работ [1].
Проверки рекомендуется проводить простыми измерительными
средствами, аттестованными в установленном порядке и имеющи-
ми соответствующий паспорт. Основные результаты испытаний
оформляют в виде протокола. Таблицы, графики, схемы приводят
в приложении к протоколу.
Из видов приемочных испытаний ПР подробней следует выде-
лить испытания на холостом ходу и под нагрузкой.
334
Испытана я ПР на холостом ходу. Номенклатура проверок на
холостом ходу зависит от конструкции ПР, вида привода и систе-
мы управления. К типовым проверкам относятся:
подключение ПР к электросети (правильность подключения,
надежность заземления и т. п.);
работа механизмов на холостом ходу (визуальная проверка
возможности осуществления движений по всем координатам);
проверка герметичности гидро- и пневмосистем;
надежность действия блокировок, предохраняющих рабочие ор-
ганы от поломок, и защитных устройств, предусмотренных прави-
лами техники безопасности (блокировки включают не менее пяти
раз);
совместая работа ПР и системы управления ( режимах —
ручном, обучения, покадровой отработки программ, автоматиче-
ском);
работа ПР на холостом ходу (непрерывная работа ПР в авто-
матическом режиме по тестовой программе в течение 5—8 ч).
Испытания ПР под нагрузкой. Здесь к типовым проверкам
относят:
проверку грузоподъемности и размеров переносимых заготовок
(берутся заготовки максимальной массы и размеров в соответст-
вии с паспортными данными); программируются при этом наи-
большие перемещения руки в режиме ручного управления не ме-
нее 10 раз;
проверка скоростей перемещений; в технических характеристи-
ках большинства ПР приведены значения максимальных или ус-
тановившихся скоростей; иногда быстродействие ПР оценивают
по времени выполнения движения на всей длине хода или на
контрольных участках пути.
Экспериментальные исследования показали, что паспортные
данные, как правило, не отражают всего многообразия условий
работы ПР. В частности, максимальные значения скоростей не
дают возможности судить о быстродействии ПР. У двух роботов
с одинаковыми максимальными скоростями оно может быть раз-
ным, т. е. различны кривые их разгона и торможения. Поэтому
значения максимальных скоростей целесообразно приводить в тех-
нических характеристиках как справочные. Паспортные данные
необходимо дополнять рядом развернутых динамических харак-
теристик (условиями определения скоростей, зависимостями ско-
ростей от длины пути, параметрами колебаний исполнительных
органов, формами кривых разгона и торможения). Однако этот
перечень четко не регламентирован. В связи с этим предлагается
характеризовать быстродействие ПР с цикловым управлением
временем перемещений в обоих направлениях на максимальную
величину хода (без учета колебаний), а роботов с программируе-
мыми перемещениями — таблицей времени перемещений на ряде
контрольных участков пути. За время перемещения принимают
среднее время из десяти измерений в одном направлении. Время
измеряют измерителем временных параметров типа Ф 738 или
другими аналогичными приборами.
335
В обшем случае при испытаниях ПР на месте проведения ис-
пытаний должны быть исключены резкие колебания температуры,
шум, вибрации, помехи. ПР передаются для испытаний в пригод-
ном для эксплуатации состоянии, с полным комплектом принад-
лежностей в соответствии с сопроводительной документацией или
техническим заданием. Должна быть исключена возможность
изменения параметров ПР во время испытаний (последнее, в
первую очередь, относится к испытаниям па надежность). Если
испытывают несколько роботов одновременно, то при их установ-
ке необходимо исключить взаимовлияние.
Особое внимание следует уделить технике безопасности: учас-
ток для проведения испытаний необходимо оградить, а в проходе
установить предупредительные надписи, запрещающие вход на
участок посторонним лицам; на полу красной полосой шириной
не менее 100 мм должна быть отмечена граница рабочего про-
странства, в котором не должны находиться посторонние пред-
меты и оборудование, препятствующие движению манипулятора.
Объем приемочных испытаний должен быть минимальным, но
достаточным для получения результатов, позволяющих оценить
технико-экономический уровень ПР и сделать вывод о его при-
годности к серийному производству. Указанные испытания
необходимо проводить при наиболее неблагоприятном сочетании
определяемых параметров, которое допускается технической до-
кументацией (при максимальных скоростях и вылете схвата, но-
минальной грузоподъемности и при использовании по возможности
простейших измерительных средств).
Приемосдаточные испытания проводятся по программе, пред-
ставляющей собой выборку из программы приемочных испытаний.
При этом в основном проверяют те показатели, на которые влия-
ет качество изготовления ПР (грузоподъемность, погрешность
позиционирования, нормы точности, надежность). Ряд проверок
допускается проводить в меньшем объеме, чем при приемочных
испытаниях (например, проверка устройств, обеспечивающих безо-
пасную и безаварийную работу, работа ПР на холостом ходу и
под нагрузкой). Полный объем приемосдаточных испытаний дол-
жет быть указан в методиках испытаний конкретных ПР.
Предварительные, аттестационные и периодические испытания
проводят по программе и методике приемочных испытаний. Пери-
одические испытания необходимы для сравнения качества серий-
ных образцов, выпущенных в разное время. Рекомендуемая пери-
одичность — один раз в два — три года. Аттестационные испытания
должны, как правило, совпадать с ближайшими по срокам пери-
одическими испытаниями.
Типовые испытания проводятся для оценки эффективности из-
менений, внесенных в серийные образцы, по методикам, разра-
ботанным в соответствии с методиками приемочных и исследова-
тельских испытаний, и в объеме, необходимом для проверки функ-
циональной работоспособности измененной составной части мани-
пулятора и определения ее влияния на работу ПР в целом,
336
Рассмотим некоторые особенности определения наиболее важ-
ных показателей ПР применительно к исследовательским прие-
мочным испытаниям.
Номинальная грузоподъемность определяется как суммарная-
грузоподъемность всех рук или схватов ПР без учета их масс.
При динамических испытаниях масса переносимого объекта ма-
нипулирования (ОМ) является варьируемым параметром, в зави-
симости от которого исследуют погрешность позиционирования,,
быстродействие, колебания исполнительных органов, инерционные
нагрузки, статические и динамические жесткости и другие.
При приемочных испытаниях грузоподъемность определяется
при переносе заготовок номинальной массы в автоматическом ре-
жиме с наибольшими скоростями. Число циклов работы, включа-
ющих максимальные перемещения (при их наиболее неблагопри-
ятных соотношениях, допускаемых технической документацией),
по всем координатам — не менее 10.
Визуально проверяют возможность осуществления движения
по всем координатам, отсутствие выпадания и проскальзывания
заготовок. При приемо-сдаточных испытаниях число циклов со-
ставляет не менее пяти.
Погрешность позиционирования определяется для подъемотран-
спортных, сборочных и других ПР, оснащаемых цикловыми и по-
зиционными системами управления. При динамических испыта-
ниях ее исследуют для различных точек рабочего пространства
в зависимости от массы переносимого груза, величины и скорости
перемещений, режимов разгона и торможения, при приемочных и
приемосдаточных испытаниях—для одной из точек рабочего про-
странства, координаты которой указываются в методиках испы-
таний конкретной модели ПР. Измерения проводят не менее де-
сяти раз для приемочных испытаний и не менее пяти — для при-
емосдаточных.
Погрешность отработки траектории является характеристикой
точности сварочных, окрасочных и других ПР, оснащенных кон-
турными системами ПУ. Для ее определения в захватное устрой-
ство робота устанавливается карандаш, отрабатываются поочеред-
но совмещенные в плоскостях координат тестовые программы и
оцениваются отклонения от идеальной (теоретической) траекто-
рии. Этот метод рекомендуется для приемочных и приемосдаточ-
ных испытаний.
Средние и максимальные скорости при динамических испыта-
ниях определяют в зависимости от массы ОМ, величины и на-
правлений перемещений, режимов разгона и торможения с учетом
и без учета колебаний в конце хода. При приемочных испытани-
ях это проводится в автоматическом режиме.
При определении средних скоростей (быстроходности) фикси-
руется время двойного хода по каждой из координат при макси-
мальных перемещениях с ОМ номинальной массы без выдержки
времени в конце хода. Число двойных ходов для каждой степени
подвижности — не менее пяти. При определении максимальных
скоростей фиксируется время перемещения на отрезке пути после
337
окончания разгона и до начала торможения. Величины отрезков
указываются в методиках испытаний конкретных ПР. Исходя из
измеренного среднего времени, рассчитывают средние и макси-
мальные скорости для данного ПР. Необходимость проверки ско-
ростей при приемосдаточных испытаниях указывается в методи-
ках испытаний для данной модели робота.
Особое значение при разработке РТК в условиях «безлюдной»
технологии приобретает проведение испытаний по проверке блоки-
ровок и устройств обеспечения безопасности и безаварийной
работы ПР. Наличие таких устройств должно предусматривать:
невозможность присутствия человека в рабочей зоне ПР; отключе-
ние ПР при превышении допустимых значений параметров энер-
гопитания; надежность захвата и удержания объекта манипули-
рования при самых неблагоприятных сочетаниях режимов работы
и параметров ПР (в том числе при внезапном отключении источ-
ников энергии); ограничение максимальных перемещений исполни-
тельных органов в пределах рабочей зоны по схеме технологиче-
-ской компоновки РТК- При приемных и приемосдаточных испы-
таниях блокировка должна проверяться не менее пяти раз; при
этом блокировочные устройства должны срабатывать от гидрав-
лической, пневматической и электрической систем управления
«функциональными элементами ПР.
Усилие зажима захватного устройства при приемочных и при-
емосдаточных испытаниях определяется в режимах наибольших
скоростей перемещений объектов номинальной массы по коорди-
нате, совпадающей с осью объекта, при внезапном поступлении
команды «Стоп» по отсутствию выпадания и проскальзывания
объекта.
Кроме показателей качества самого робота часто необходимо
определять параметры окружающей среды и показатели качества
выполнения технологических функций, например сборки. На
рис. 8.3. приведена краткая классификация регистрируемых при
испытаниях величин.
Для роботов с развитым сенсорным аппаратом и достаточно
сложной системой управления диагностирование многих парамет-
ров существенно проще, поскольку информация, которая исполь-
зуется для регулирования кинематических и динамических пара-
метров механической системы, может быть непосредственно
направлена по соответствующим каналам диагностической аппа-
ратуры.
Разносторонее применение параметров, определяемых при ква-
лиметрическом исследовании роботов, обусловливает необходи-
мость системного подхода к проведению исследований производ-
ственных испытаний.
При обосновании рациональных методов и оптимального коли-
чества измеряемых параметров целесообразно учитывать, в пер-
вую очередь, тип механизмов позиционирования, возможности си-
стемы управления ПР и доступность преобразующей и регистри-
рующей аппаратуры.
338
Рис. 8.3. Схема регистрации параметров ПР при испытаниях.
Поскольку целевым назначением роботов серии PC и РО явля-
ется ориентирование, подача и сборка изделий небольших масс
(до 100 Г) и габаритных размеров, то целесообразно в качестве
основных параметров, подлежащих испытаниям, рассматривать точ-
ность позиционирования (как интегральный показатель, определя-
ющий возможность сборки соединений определенного типа и клас-
са) и быстроходность (как показатель, обеспечивающий уровень
достижимой производительности сборки). При анализе надежно-
сти отказом целесообразно считать выход на паспортные гранич-
ные значения точности позиционирования или снижение быстро-
ходности до заданного нижнего предела.
Проанализируем методы и некоторые средства для измерений
точности позиционирования промышленных роботов.
Установка вала, удерживаемого захватом, в отверстие с гори-
зональной или вертикальной осью. При этом разница в диамет-
рах вала и отверстия должна соответствовать паспортной точно-
сти позиционирования. Метод отличается простотой, однако он
дает лишь возможность установить, что у испытуемого образца точ-
ность позиционирования не хуже паспортной величины, численное
ее значение не устанавливается.
Прокалывание иглой, закрепленной в захвате, листа плотной
бумаги. В этом случае точность позиционирования А1=(А—d)/2,
где А — максимальная величина зоны рассеяния точек; d — диа-
метр иглы (этим методом не рекомендуется пользоваться при силь-
ных колебаниях руки ПР, а следует заменить иглу подпружинен-
ным карандашом).
Определение точности позиционирования с помощью индикато-
ров, жестко установленных в точках позиционирования. Любым
из указанных методов точность позиционирования нужно опреде-
лять при перемещении заготовки максимальной массы в автома-
тическом режиме. Программа должна обеспечивать движение по
всем координатам, захват и освобождение заготовки, остановку
в конце цикла на время, необходимое для снятия показаний при
339
измерении индикатором. Измерения производят не менее 10 раз.
В протоколе отмечают четкость установки вала в отверстие (для
первого метода); точность позиционирования, определенную по
приведенной выше формуле (для второго метода); максимальное
отклонение центра захвата (для третьего метода).
Проверка работы под нагрузкой. Испытание проводится в авто-
матическом режиме и заготовкой максимальной массы. Время ис-
пытаний не менее 4 ч. Программа должна обеспечивать движение
по всем координатам и взаимодействие ПР с имитаторами техноло-
гического и вспомогательного оборудования. Визуально проверя-
ют безотказность работы всех узлов механической системы и си-
стемы управления, четкость исполнения технологических команд
при загрузке-разгрузке стендов-имитаторов, надежность удержа-
ния заготовок в процессе перемещений.
Проверка соответствия ПР нормам точности. После испытаний
на холостом ходу и под нагрузкой проверяют соответствие ПР внут-
ризаводским и приемосдаточным нормам. Номенклатура проверок
и величины норм существенно зависят от конструкции ПР, его
компоновки и назначения.
В частности, для ПР, выполненных по типу японского робота
«Aida», характерна проверка перпендикулярности хода руки отно-
сительно опорной колонны. Проверка осуществляется с помощью
измерительных приборов (например, рамных уровней), устанавли-
ваемых на руке и опорной колонне.
Для ПР портальной компоновки, обслуживающих металлоре-
жущие станки, типовыми являются: проверка параллельности на-
правления перемещения каретки робота оси оправки, зажатой в
центрах станка; проверка параллельности оси оправки, зажатой
в захвате, направлению перемещения каретки. Проверки осущест-
вляются в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью
индикаторов. Отклонения в каждой плоскости определяют как
наибольшую величину алгебраической разности показаний инди-
катора. В протоколе в виде таблиц приводят значения норм точ-
ности то ТУ и результатам проверок.
Проверка качества изготовления базовых деталей и качества
сборочно-монтажных работ. Проверяют соответствие базовых дета-
лей требованиям рабочих чертежей и ТУ; результаты оформляют
в виде таблиц; качество сборочно-монтажных работ оценивают
внешним осмотром; все дефекты фиксируют в протоколе.
Кроме основных проверок, рассмотренных выше, при приемоч-
ных испытаниях по усмотрению комиссии может быть определен
ряд дополнительных данных, не вошедших в программу и методи-
ку испытаний.
По результатам проведенных приемочных испытаний в прото-
коле дают заключение о соответствии опытного образца ПР функ-
циональному назначению. Критериями оценки являются: грузо-
подъемность, число степеней подвижности, размеры рабочей зоны,
мобильность, компоновочная схема, система управления. Дается
также общая оценка испытуемого ПР по конструктивным, техно-
логическим и эксплуатационным качествам, по художественному
340
оформлению и технико-экономическим показателям и производит-
ся сравнение с лучшими зарубежными образцами.
Измерение траектории промышленных роботов. Возможности
использования промышленных роботов для выполнения различных
технологических операций во многом определяются точностью и
траекторией перемещения их звеньев. Для контроля точности функ-
ционирования таких роботов в процессе их обучения или наладки
вручную задается пространственная траектория руки, а затем эта
траектория воспроизводится автоматически. При этом требуется
определить отклонения фактической траектории, воспроизведен-
ной автоматически, от заданной.
Разработка методов контроля ПР является сложной задачей.
Своеобразие ее заключается в необходимости автоматического из-
мерения координат точек звеньев робота не только в статистике,
но и в процессе их перемещения в пространстве. Разнообразие и
сложность кинематической структуры роботов и широкая номен-
клатура выполняемых ими операций практически исключает воз-
можность разработки единого универсального метода оценки точ-
ности функционирования и контроля траектории различных роботов.
Методы контроля ПР можно разделить на три группы: осно-
ванные на прямом автоматическом измерении координат точек
траектории; основанные на прямом измерении модулей векторов
отклонений траекторий; основанные на косвенном исследовании
точности функционирования робота.
В метрологической практике не существует единого подхода к
оценке отклонений одной пространственной кривой от другой* В ка-
честве критерия отклонения фактической траектории от заданной
в какой-либо точке может быть принят нормальный к заданной
траектории вектор, соединяющий данную точку с фактической
траекторией. Такой критерий практически пригоден для оценки не-
совпадения точек траекторий. Однако он не может быть использо-
ван для точек заданной траектории, через которые проходит нор-
мальная плоскость, не пересекаемая фактической траекторией.
В последнем случае критерием оценки отклонений служит вектор,
нормальный к фактической траектории в некоторой точке и соеди-
няющий эту точку с заданной траекторией.
Для большинства траекторий критерием оценки является век-
тор, направленный от точки заданной траектории к ближайшей
точке фактической траектории. В отдельных случаях может ока-
заться, что в некоторой точке заданной траектории не существует
нормали к фактической траектории. Тогда критерием оценки сте-
пени несовпадения траектории может служить вектор, соединяю-
щий точку заданной траектории с ближайшей точкой фактической
траектории. Таким образом, последний критерий наиболее универ-
сален. Часто информация о направлении векторов отклонений не
представляет практического интереса, и тогда оказывается доста-
точно информации о модулях векторов.
При исследовании и производственном контроле точности уни-
версальных роботов с контурными системами управления должны
автоматически программироваться и воспроизводиться различные
341
траектории точек движения руки робота, вектор формы которых
должен определяться эксплуатационными возможностями робота.
Такие траектории называют контрольными. Траектории, описыва-
емые точками руки робота при выполнении ими технологических
операций, называют рабочими.
Если в принятой системе определены координаты точек задан-
ной и фактической траекторий, то с помощью ЭВМ можно оценить
точность функционирования робота по любому из указанных выше
критериев. Далее рассмотрим принципиальные схемы устройств для
прямого автоматического измерения координат точек заданной и
фактической траектории. Схема координатометра с линейными
датчиками показана на рис. 8.4, а. Рука 1 робота связана посред-
ством сферического шарнира со штоком 2, который может переме-
щаться в направляющих 5 вдоль оси Z. Направляющие жестко
связаны с кареткой 3, благодаря чему они могут перемещаться
вдоль штока 7, параллельного оси X. Шток 7, в свою очередь, свя-
зан кареткой 10 со штоком 8 и перемещается вдоль оси У. Таким
образом, сферический шарнир, траектория центра которого иссле-
дуется, может перемещаться по любой траектории в рабочем про-
странстве координатометра. Текущие координаты х, у и z центра
сферического шарнира измеряются датчиками линейных переме-
щений 9, 6 и 4 соответственно. С этих датчиков информация посту-
пает в блок 11 регистрации координат, управляемый тактовым ге-
нератором 12.
В процессе обучения робота измеряются координаты заданной
траектории, а при его автоматической работе — координаты фак-
тических траекторий. Собранная информация посылается в память
блока 11 и затем может быть введена в ЭВМ для математической
обработки с целью оценки точности воспроизведения траекторий.
Однако существуют пневматические структуры роботов, где нель-
зя применить координатометр для определения точности воспроиз-
ведения траектории во всем рабочем пространстве робота, но мож-
но размещать его в различных областях этого пространства и ис-
пользовать для оценки точности траекторий, характерных для этих
областей.
В качестве датчиков линейных перемещений можно применять
индуктосины, обеспечивающие измерение перемещений до метра и
более с точностью до сотых долей миллиметра.
Схема координатометра с круговыми датчиками Показана на
рис. 4, б. Тросик 2 одним концом соединен с роботом, а другим —
с натяжным барабаном 7 и обматывает измерительный ба-
рабан 9, углы поворота которого измеряются круговыми датчика-
ми 8. Последние тарированы с учетом линейного перемещения тро-
сика и диаметра барабана 9. Тросик пропущен через направляющую
втулку 3, которая может поворачиваться относительно двух вза-
имно перпендикулярных осей. Углы аир поворота втулки измеря-
ют круговыми датчиками 10 и 4.
При движении руки 1 робота тросик сматывается с натяжного
барабана или наматывается на него, приводя во вращение барабан
9 (привод натяжного барабана 7 на рис. 8.4, б не показан).
342
Рис. 8.4. Принципиальные схемы устройств для прямого автоматическоготзмере-
ния координат: а — координатомера с линейными датчиками; б — координатомера
с круговыми датчиками; в — трехкоординатной модульной головки и плоского шаб-
лона; г — двухкоординатной модульной головки и прямолинейной направляющей;
д — обучаемых роботов е косвенным определением координат.
Одновременно втулка разворачивается в пространстве, а сигналы
с датчиков 8, 4 к 10 поступают в блок регистрации 5, управляе-
мый тактовым генератором 6.
Достоинством данного метода является возможность размеще-
ния координатометра за пределами рабочего пространства робо-
та, благодаря чему этот метод удобен для применения в различ-
ных условиях эксплуатации. В качестве датчиков можно исполь-
зовать, например, круговые индуктосины, обеспечивающие точность
измерения порядка нескольких угловых секунд. Оба координато-
метра пригодны для исследования рабочих и контрольных траек-
торий.
Однако координатометры сложны по конструкции и громоздки.
Упрощения можно достигнуть, если использовать методы исследо-
343
вания, основанные на задании и автоматическом воспроизведении
номинально плоских траекторий (фактическая траектория оказы-
вается пространственной вследствие практически неизбежных по-
грешностей функционирования робота). Плоские траектории можно
задавать в рабочем пространстве робота так, чтобы его звенья,
участвующие в формировании траекторий, совершали одновремен-
но значительные по величине перемещения. Благодаря этому такие
методы для большинства роботов не уступают по полноте выдавае-
мой информации методам, основанным на воспроизведении про-
странственных траекторий.
Ниже рассмотрена возможность исследования точности функ-
ционирования робота с помощью трехкоординатной модульной го-
ловки и плоских шаблонов. Корпус головки крепится в захвате
робота, и плита с шаблоном размещается в рабочем пространстве
робота. Перед обучением последнего необходимо создать натяг
головки путем смещения наконечника от нейтрального положения
(чтобы обеспечить при автоматическом обходе траектории посто-
янный контакт наконечника с шаблоном и плитой). Затем подвиж-
ные элементы головки стопорят винтами и показание головки
в этом положении принимают за нулевое. В процессе обучения
робота измерительный наконечник обходит шаблон, касаясь также
плиты. При этом центр сферы наконечника описывает плоскую тра-
екторию, которую принимают в качестве заданной. Затем стопор-
ные винты ослабляют и отрабатывается автоматический цикл об-
вода шаблона. Условие постоянного контакта наконечника с шаб-
лоном и плитой определяется неравенствами
I < Н cos <zi; I < И cos а2,
где Н — величина измерительной головки; а\— угол между на-
правлением натяга в данной точке и проходящей через эту точку
нормалью к контуру шаблона; аг — угол между направлением на-
тяга в данной точке и нормалью к плоскости плиты; I — наиболь-
шая величина вектора отклонения фактической траектории от за-
данной (Z может быть измерена головкой при данных значени-
ях Н, си, аг без нарушения контакта).
В процессе автоматического обхода шаблона измеряются непо-
средственные модули векторов отклонений фактической простран-
ственной траектории от плоской, заданной в направлении нормали
к последней.
Почти все неудобства и ограничения, связанные с необходимо-
стью соблюдения указанных условий, можно устранить, если поль-
зоваться специальными шаблонами (рис. 8.4, в). В плите I выпол-
нен V-образный паз 4, в который вводят измерительный нако-
нечник 2 модульной головки. На шаблон наложены пластины 3,
удерживающие наконечник в пазу. В процессе обучения робота
наконечник следует фиксировать в нейтральном положении, а пе-
ред воспроизведением заданной траектории освободить.
Вследствие погрешностей функционирования робота измеритель-
ный наконечник стремится к смещению, и показания трехко-
344
ординатной головки, закрепленной в захвате робота, соответству-
ют модулям векторов отклонений фактической траектории от за-
данной. При этом способе измерений не требуется предваритель-
ный натяг головки.
Частным случаем плоских траекторий являются прямолинейные,,
которые можно располагать в рабочем пространстве робота так,
чтобы заставить его звенья совершать перемещения, характерные
для структуры данного робота. Прямолинейные траектории можно
исследовать более простыми способами, чем пространственные и
плоские криволинейные траектории.
Принципиальная схема измерительного устройства, состоящего-
из двухкоординатной модульной головки и прямолинейной направ-
ляющей, показана на рис. 8.4, г. Рука / робота связана с измери-
тельным наконечником 2 (двухкоординатной модульной головки),
являющимся одновременно элементом сферического шарнира. Рав-
ноплечный рычаг 3 соединен с корпусом 4 посредством сфериче-
ского шарнира 5. На конце рычага закреплен сферический нако-
нечник 6, контактирующий с внутренней конической поверхностью-
ползуна 7. Последний поджимается пружиной 8 к наконечнику 6,
а поступательные перемещения ползуна измеряются датчиком 9.
Стопор 10 предназначен для фиксации рычага 3. Корпус головки
может перемещаться вдоль прямолинейной направляющей 11 толь-
ко поступательно. Перед обучением робота рычаг 3 крепят стопо-
ром 10 в нейтральном положении.
В процессе обучения робота при перемещении головки вдоль
направляющей центр измерительного наконечника (траектория
движения которого исследуется) постоянно находится на оси X.
Перед автоматическим воспроизведением траектории стопор 10
ослабляют. Погрешности функционирования робота вызывают пе-
ремещение центра наконечника 2 в плоскости ZY. Эти перемещения,
равные модулю вектора отклонения фактической траектории от за-
данной по нормали к последней, передаются ползуну 7 и измеря-
ются датчиком 9.
Методы прямого измерения предназначены, главным образом,
для исследования точности воспроизведения контрольных траек-
торий. При исследовании рабочих траекторий не всегда удается
разместить измерительные средства в рабочем пространстве-
робота.
Рассмотренными методами нельзя исследовать одновременно-
траектории нескольких точек какого-либо звена робота, следова-
тельно, получать информацию о его текущем положении. Этот не-
достаток особенно сказывается в тех случаях, когда требуется ис-
следовать траектории точек, принадлежащих инструменту, устано-
вленному в захвате (например, электроду).
Рассмотрим метод косвенного определения координат точек
звеньев робота и векторов отклонений, не связанный перечисленны-
ми ограничениями, но также имеющий недостатки. Конструкции
обучаемых роботов (рис. 8.4, д) имеют датчики 1 для измерения
текущего относительного положения их звеньев. На этапе обучения
эту информацию используют для формирования программы, а на
345
этапе автоматического воспроизведения запрограммированной тра-
ектории датчики иногда используют в цепи обратной связи системы
управления роботов (если последняя построена по замкнутой схе-
ме). На датчики 1 можно возложить функцию выдачи (по коман-
дам тактового генератора 2) в память счетно-решающего блока 3
или в память ЭВМ информации о текущем относительном положе-
нии звеньев робота как в процессе обучения, так и при отработке
автоматического цикла. По этой информации, а также по подготов-
ленной заранее информации о кинематической структуре робота,
размерах его звеньев и положении на звене робота интересующей
точки (или точек) рассчитываются координаты точек траекторий,
векторы (или модули) отклонений траекторий и текущие положе-
ния звеньев.
Описанный метод позволяет выявить влияние погрешностей
подготовки программы, а также кинематических и динамических
погрешностей работы приводов на точность функционирования ро-
бота. При использовании косвенного метода нельзя учесть влияние
изменения упругих и тепловых деформаций звеньев и наличия за-
зоров при переходе от обучения к автоматическому режиму
работы.
3.3. Показатели надежности промышленных роботов
и робототехнических комплексов
Одним из основных факторов, в значительной мере определяющих
работоспособность ПР, является его надежность.
Надежность — свойство изделия (например, машин, механиз-
мов, элементов управления) выполнять заданные функции, сохра-
няя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в те-
чение требуемого промежутка времени. Выбор номенклатуры пока-
зателей надежности — один из основных вопросов, который должен
разрешаться при проектировании ПР.
Теория надежности определяет ряд показателей для оценки на-
дежности, например вероятность безотказной работы, средняя вы-
работка до первого отказа, среднее время восстановления. Слож-
ность состоит в том, как определить показатели, которые следует
включать в техническую документацию на ПР, и какие из них
считать основными. Задача затрудняется тем, что промышленный
робот представляет собой совокупность трех взаимодействующих
систем — механической (манипуляционной), информационной и уп-
равления, выполненных на различных элементных базах и реша-
ющих различные функциональные задачи. Поэтому выбор номен-
клатуры показателей надежности должен быть строго обоснован,
так как он может не учитывать специфику состава элементов, а
также оказать существенное влияние на структуру ПР и РТК
в целом. Следует также различать надежность собственно ПР и
надежность технологической оснастки ПР или РТК (сборочного
инструмента, приспособлений).
Обычно к показателям надежности ПР и РТК в процессе их
опытной эксплуатации относятся [4,6, гл. 2];
346
средняя наработка на отказ ПР или элементов РТК (включая
технологическую оснастку)
п
lu ^пр(э) .
гр	m=l	1
где ?'пр(э) — наработка на отказ между т-1 и т отказами; Хпр(э)—
количество наблюдаемых отказов для всей номенклатуры п элементов
ПР (РТК);
среднее время восстановления ПР или элементов РТК
V Тт
£4 * вт
т= 1
1 в - п ’
где Tsm — время восстановления после т-го отказа;
вероятность безотказной работы ПР (элементов РТК)з
~ХПР(Э) С ~(г~гпр(э))2
Рпр(э> = J е 2з dt,
с I' 2-jc о
(где о — среднее квадратичное отклонение; t — интервал времен»
наблюдения), показывающая, с какой вероятностью за данный от-
резок времени можно ожидать появления отказов оборудования,
но не указывающая на соотношение длительности наработки на-
отказ и времени восстановления, что имеет первостепенное значе-
ние при эксплуатации РТК в производственных условиях;
коэффициент надежности
4Jnp(3) (^) = РПр(Э)^Сг>
показывающий, с какой вероятностью за определенный промежу-
ток времени можно ожидать появления отказа оборудования,
характеризующегося данным коэффициентом готовности; здесь-
^=1+^-----------
1 + йпр(э)
коэффициент готовности, где
S Тв
______ т=1
пр О)_п-----------
Ъ Т'пр(э)
т=>
удельная длительность восстановления оборудования после отказа.
Поскольку приведенные показатели надежности для элементов
РТК (включая ПР) будут иметь различные численные значения,
для выявления уровня надежности каждого из элементов на об-
щий уровень надежности РТК следует определить коэффициент
347
надежности РТК, зависящий от соответствующих показателей как
ПР, так и других элементов (включая технологическую оснастку):
IJpTK (/) ~ Рртк (^ ) /Си,
еде РрТО (0 = Рпр (t)Py (0 — вероятность безотказной работы РТК;
к _______________1____________
- l + Snp + 5,+ BTo + Bopt
коэффициент использования РТК;
У т™т
вт.о = ^---------
У, Гпр(э)
т=1
удельная длительность простоев РТК на техническом обслуживании;
У Г°РГ/Г>
о _ т—1
° орг — ~Ц
У Т'прО)
т=1
потери времени по организационным причинам.
Рассмотренная группа показателей может явиться основой для
прогнозирования направлений развития элементной базы ПР и
РТК, однако для определения этих показателей применительно к
конкретным моделям ПР и созданным на их базе РТК статистиче-
ских данных этих показателей явно недостаточно. Поэтому при
проектировании приходится ограничиваться соотношениями, позво-
ляющими теоретически оценить надежность ПР и РТК по отказам,
вызванным постепенными отклонениями рабочих параметров эле-
ментов ПР и РТК, и рассчитать ее по внезапным отказам при ми-
нимуме исходных статистических данных [4]. При этом основными
исходными зависимостями являются:
'ртк (0 = У 'т (0 —
т=1
интенсивность отказов РТК, где ).т (/) — интенсивность отказов
.для m-го элемента РТК;
Рртк (/) = П Рт (О —
т=1
вероятность безотказной работы РТК, где Pm(t)—вероятность
безотказной работы для m-го элемента РТК- Рассчитанные таким
образом данные по каждому из элементов ПР или РТК вносятся
,в таблицы, где также указывается величина коэффициента нагруз-
ки данного элемента с учетом условий эксплуатации и состояния
внешней среды (например, температура, влажность).
Показатели Хргк и Рртк условно характеризуют ожидаемую
-надежность РТК в целом и могут рассчитываться на первом этапе
348
проведения проектных работ по РТК. Реальная надежность РТК
может быть значительно повышена за счет улучшения условий ра-
боты и приближения номинальных значений (которые использова-
лись при расчете) интенсивности отказов X м	^<71 CM С FIT О В ИХ
минимальным предельным значениям XmIn.
Второй этап — оценка надежности реального РТК в лаборатор-
ных условиях, когда уточняются отдельные показатели надежности
с учетом введения профилактических осмотров элементов РТК с
целью предотвращения внезапных отказов элементов путем опре-
деления периодичности осмотров по опасности отказов параметров
элементов РТК.
При решении вопроса повышения надежности и долговечности
элементов РТК следует учитывать такие факторы: его стоимость,
соответствующую определенному уровню производительности, на-
дежности и долговечности; эксплуатационные затраты на едницу
продукции; затраты на ремонт РТК и их возрастание по мере уд-
линения срока эксплуатации; возможность модернизации РТК и
связанные с этим затраты.
Затраты, связанные с амортизацией, эксплуатацией и ремонтом
(восстановлением) элементов РТК за весь период эксплуатации,
выражаются зависимостью
IF (/) = С + З3/рте +
где С—первоначальная стоимость РТК; З3— ежегодные затраты на
зарплату обслуживающего персонала; /ртк— срок службы РТК;
д/2
р™ —ежегодные затраты на ремонт; Д— ежегодный прирост зат-
рат на ремонт.
При годовом выпуске продукции М удельные затраты на едини-
цу продукции
S== М'ртЛ •
Как видно из последнего соотношения, уменьшить удельные за-
траты 5 можно увеличением /ртк и уменьшением ежегодных затратна
ремонт при значительном увеличении Ки.
Очевидно, при некотором оптимальном значении срока службы
стоимость продукции, собираемой РТК, окажется минимальной.
Действительно, при
39 К2СД
8 ~ мкп 
Таким образом, при анализе надежности РТК необходимо ис-
следовать как техническую, так и экономическую стороны вопроса,
причем с точки зрения экономической определяющими являются
удельные затраты на единицу продукции, зависящие в большой
349
мере от коэффициента использования (а вместе с тем коэффициен-
та готовности) РТК. При этом удельные затраты на единицу про-
дукции являются своеобразным экономическим показателем надеж-
ности РТК.
8.4. Методика приемосдаточных испытаний
сборочных роботов
В соответствии с ГОСТ 17510—79 «Надежность в технике. Си-
стема сбора и обработки информации. Планирование наблюдений»
номенклатура объектов наблюдений, типовые режимы и условия
эксплуатации устанавливаются в техническом задании на проведе-
ние сбора информации, а планы наблюдения, параметры опреде-
ляющие режим работы и способ их измерения, допустимая погреш-
ность и требуемая достоверность определения оценок регламентиру-
ются в рабочих методиках по сбору информации, разрабатываемых
в зависимости от типа объекта, целей наблюдения, оцениваемых
показателей надежности, условий эксплуатации. Данный ГОСТ
предусматривает пять основных планов наблюдений; NUN; NUM;
NUT; NRM; NRT, из которых наибольший интерес с точки зрения
проверки сборочных роботов на надежность представляют планы
NUT (наблюдениям подлежат N объектов, отказавшие объекты но-
выми не заменяют и не восстанавливают, наблюдения прекраща-
ют по истечении времени Г) и NRT (наблюдениям подлежат N
объектов, отказавшие обекты заменяются новыми или восстанав-
ливаются, наблюдения прекращают по истечении времени Т).
С точки зрения плана NRT восстановленный объект эквивален-
тен новому.
Данный стандарт устанавливает для каждого из типовых пла-
нов объем испытаний N образцов для того, чтобы с доверительной
вероятностью р можно было определить среднюю наработку на от-
каз с заданной степенью точности б при определяемом коэффици-
енте вариации и. Расчеты необходимых объемов партии и длитель-
ностей испытаний показывают, что при стандартных значениях р,
б и и длительность испытания одного робота примерно на порядок
превышает его предполагаемый ресурс, поэтому данный стандарт
не может быть рекомендован для приемосдаточных испытаний, и
им целесообразно пользоваться при определении технически обо-
снованных значений ресурса в условиях разработчика с распрост-
ранением этого значения на все образцы данной серии роботов.
Приводимая ниже методика учитывает необходимость сведения
к минимуму объема приемосдаточных испытаний на заводе-изгото-
вителе. При этом обеспечивается возможность объективной оценки
надежности и качества партии изделий, исходя из предварительно
установленного времени безотказной работы. Эти испытания про-
водятся согласно планам, определенным ГОСТ 17572—72 «Надеж-
ность в технике. Испытания с ограниченным числом отказов» и
позволяют проверить соответствие уровня надежности изделия за-
данному при наработке как до заданного количества отказов, так
и (в частном случае) до первого отказа. Объем испытаний зависит
350
от их плана, значений риска поставщика а, риска потребителя 7,
приемочного значения наработки на отказ Го (средней наработки
до первого отказа) и браковочного значения 7\ наработки на
отказ. При всяком испытании рискует и поставщик, так как суще-
ствует вероятность неприемки годного изделия а, и приемщик, так
как существует вероятность приемки бракованного изделия. Значе-
ния величин риска а и у выбираются в зависимости от специфи-
ки изделий, возможностей промышленности, требований заказчика
и особенностей (условий) функционирования изделий.
Попытка уменьшения значения риска приводит к увеличению
объема необходимых испытаний. Испытания на надежность с огра-
ниченным числом отказов прекращаются только в момент возник-
новения последнего из заданного числа отказов МПред- Число отка-
зов Л4Пред находят из табл. 1—4 ГОСТ 17572—72 по значениям
величин а, р, Г, и Го. Под величинами можно понимать как время,
так и количество циклов испытаний. При плане без замены и вос-
становления количество одновременно работающих образцов дол-
жно быть больше Л4ПРед. Из этого следует, что план NUT может
быть реализован только при одновременных испытаниях двух и
более роботов. Для испытания одного робота необходимо приме-
нять план NRT, предусматривающий замену робота или его вос-
становление. По этому же плану можно организовать испытания
робота, восстанавливающего свою работоспособность автоматиче-
ски, например, имеющего предохранительное устройство, которое
не допускает выхода элементов из строя, либо использующего под-
программы выброса бракованного изделия с автоматическим про-
должением цикла. Увеличение партии испытываемых роботов М
повышает эффективность испытаний, особенно при надежности
робота, превышающий То- Для сборочных роботов эквивалентом
правильного функционирования его элементов является признак
реализации сборочного процесса, который и является главным
«потребительским» качеством сборочного робота, ибо сбои, связан-
ные с отказами сборки, значительно более вероятны, чем механи-
ческие поломки или отказы системы управления. При этом метод
сборки должен выбираться наиболее неблагоприятным, например,
с жесткими базами.
Поскольку испытания робота требуют больших затрат сжатого
воздуха, электроэнергии, производственных площадей и времени,
и как правило, партии одновременно испытываемых роботов на
практике невелики, вместо планов с ограниченным количеством
отказов можно применять планы испытаний до первого отказа по
схеме сбора информации NUT согласно ГОСТ 17572—72. Величины
степени риска а и у должны оговариваться приемщиком и постав-
щиком, часто они полагаются равными. Затем назначаются брако-
вочные Ti и приемочные То средние наработки на отказ, причем
браковочное время Ti заносится в технические условия робота, а
приемочное значение То определяет срок испытаний t„. Минимиза-
ция срока испытаний t„ и объема партии п достигается следующим
образом. Принимается МПред=1 (т. е. испытания ведутся до перво-
го отказа). Затем выбирается значение длительности 7\ и по отно-
351
шению 7’i/T’o и значениям а и у по табл. 1—4 ГОСТ 17572—72
выбирают код плана и отношения приемочной константы приемоч-
ному периоду а/Т0. После этого определяется время суммарной
наработки на отказ робота в процессе испытания
Те = (П--Л4Пред) /и + J] t i,
Z== 1
где п — величина партии испытываемых роботов (п > 1); Л1пред—
количество отказов; /и— срок испытания до последнего отказа (в дан-
ном случае до первого).
Затем вычисляется относительная величина опытной оценки
среднего времени безопасной работы робота
К _ 7S
Т0 Л1предТ0-
Заключение о приемке или браковке партии делается на осно-
вании сравнения полученного значения относительной величины
оценки со стандартным значением. Если выполняется неравенство
Т п
то принимается решение о приеме испытываемой пар-
1 о 1 о
тии из п роботов. В противном случае принимается решение о
несоответствии партии роботов требованиям надежности. Таким
образом, при испытании до первого отказа оказывается возмож-
ным определить точно значение времени испытаний tK, необходимое
для приемки или браковки партии роботов. В случае до первого
отказа не имеет смысла продолжать испытания после отказа, по-
этому Ti = /и. Обоснованное время проведения испытаний!
может быть выбрано из табл. 8.2 для уровня риска приемщика
7 = 0,2 и количество отказов Л4Пред=1.
Таблица 8.2. Выбор времени испытаний до первого отказа
т.	зоо	320	340	360	380	400	450	640	660	680	700
tH при п= 2	34	36	38	41	43	45	51	72	76	77	79
f при п= 3	22,4	24	25,4	26,9	28,3	29,8	33,7	47,3	49,5	51	52,5
/и при п= 4	17	18	19	20,2	21,3	22,5	25,2	26	36,9	37	39,4
8.5. Экономическая эффективность
внедрения промышленных роботов
В условиях совершенствования методов хозяйственного расчета
и усиления значения экономических показателей важную роль иг-
рает получение значительного экономического эффекта от внедре-
ния новой техники, в частности ПР, а также снижение себестоимо-
сти продукции и повышение рентабельности производства. В ко-
352
нечном счете технические, технологические, организационные и со-
циальные преимущества применения ПР должны материализовать-
ся в повышении показателей экономической эффективности. При
этом одной из главных проблем является оценка целесообразности
внедрения ПР как направления новой техники в соответствии с по-
казателями экономической эффективности.
Сравнительные данные, характеризующие показатели внедрения
средств механизации и автоматизации в сборочное производство
(табл. 8.3), свидетельствуют о перспективности использования про-
мышленных роботов на основных и вспомогательных операциях.
При этом учитывается, что сборочные ПР позволяют осуществлять
частичную или комплексную автоматизацию процесса методами
полной, частичной и групповой взаимозаменяемости, регулирования
с помощью неподвижных или подвижных компенсаторов [2].
Таблица 8.3. Сравнительные данные внедрения средств механизации
и автоматизации в сборочное производство
Пути увеличения эффективности
сборочных процессов
Показатели	механи- зация	специаль- ные автоматы	автоматы на базе унифици- рованных узлов	гибк ие роботизи- рованные ЛИНИИ
Возможный объем механизации и автома-
тизации от общего объема продукции, %
Коэффициент повышения сменной произ-
водительности основного оборудования
Коэффициент повышения производитель-
ности живого труда
Средняя стоимость оснащения для одного
и того же вида работ, тыс. руб.
Среднее число машин, обслуживаемых
одним рабочим, шт.
Условное высвобождение рабочих в рас-
чете на 1000 человек, чел.
Время проектирования, изготовления,
внедрения, годы
До 90	3—8	15—20	До 80
1,5—2,0	2,0—3,0	2,0—3,0	1,5—2,0
1,5—2,0	2—6	2—6	4,5—8,0
До 1	5—30	3—20	3—50
1	1—3	1—3	3-5
300—500	25—40	100—170	650—700
До 1	2—4	1—3	До 1
Экономический эффект, достигаемый от условного высвобожде-
ния рабочих при их замене промышленными роботами, проявляет-
ся в повышении интенсивности использования трудовых ресурсов,
росте производительности труда, улучшении использования основ-
ного технологического оборудования, повышении его сменности и
загрузки, а следовательно, увеличении годового фонда времени
работы оборудования. Кроме того, уменьшение производственных
потерь от брака, неравномерности ритма работы на протяжении
смены при ручном обслуживании оборудования или ручной сборке
приведет к возрастанию часовой и сменной производительности на
роботизированном производстве без увеличения площадей и капи-
тальных затрат на дополнительное оборудование.
353
Важное место в системе показателей, отражающих эффектив-
ность внедрения ПР в сборочное производство, занимает уменьше-
ние затрат и средств на техническую подготовку производства при
переходе на выпуск новой продукции, оптимизация оборотных за-
делов деталей и сборочных единиц, снижение нормы амортизацион-
ных отчислений, что объясняется возможностью многократной пе-
реналадки ПР на выпуск новой продукции. При этом увеличение
затрат, связанных с потерей времени на переналадки, не должно
превышать экономии, достигнутой за счет роста интенсивности ра-
боты оборудования при роботизации производства.
При определении экономической эффективности от внедрения
роботов в производство, кроме экономии зарплаты, необходимо учи-
тывать стоимость всей системы жизнеобеспечения человека и соци-
альные аспекты: стоимость обучения рабочего, услуг здравоохране-
ния, жилищных условий, социального обеспечения и др.
Годовой экономический эффект от внедрения робота определя-
ется разностью между суммой затрат на заменяемого роботом
рабочего и суммой затрат на внедрение робота [6, гл. 2]. В сумму
затрат на рабочего входят: основная и дополнительная зарплата,
стоимость обучения рабочего своей профессии. Кроме того, поско-
льку коэффицент загрузки оборудования при обслуживании робо-
том близок к единице, учитывается увеличение выпуска продукции
с единицы оборудования. В сумму затрат на внедрение робота вхо-
дят ежегодные амортизационные отчисления от стоимости робота,
затраты на его эксплуатацию и амортизационные отчисления от
стоимости специального технологического оборудования, необходи-
мого для обслуживания робота.
При оценке экономической эффективности роботизированного
производства нельзя в выборе объекта анализа ограничиваться
только самим промышленным роботом. Необохдимо рассматривать
комплекс средств — автоматизированную технологическую систему,
построенную на базе применения одного или группы роботов.
Методика оценки экономической эффективности от внедрения
автоматизированного сборочного оборудования учитывает сопос-
тавление стоимостных показателей, к которым относятся дополни-
тельные капитальные вложения и себестоимость продукции,
1.	Дополнительные капитальные вложения (руб.):
Кд = Кд.и Кз.б,
где Л’з.н. — новые капитальные затраты, связанные с созданием
и внедрением РТК; К3.ъ — базовые капитальные затраты, необ-
ходимые для организации сборки без РТК.
2.	Полный экономический эффект (руб.):
Зп = Зс.т +ЭТ 4-Э0,
где Эс.т. — годовой экономический эффект от снижения трудоем-
кости сборки с помощью РТК; Эт — экономический эффект за счет
сокращения затрат на технологическую подготовку производства
при смене объектов сборки; Эо — экономический эффект за счет
сокращения сроков освоения новых изделий.
354
3.	Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений
(годы);
4.	Годовой экономический эффект (руб.):
Эсл — (Сб "Г ^оЛз.б) — (С„ 4* ЕОК3 н),
где Сб и Сн — соответственно себестоимость сборки машин в расчете
на годовую программу до и после внедрения РТК; Еп — отраслевой
нормативный коэффициент эффективности.
«Типовая методика определения экономической эффективности
капитальных вложений» предусматривает значение Ео в целом по
народному хозяйству не ниже 0,12, например, для приборостроения
Ео = 0,2.
5.	При использовании части оборудования из числа действую-
щего при внедрении РТК и передаче высвобожденной части для
эффективного использования в других цехах предприятия размер
капитальных вложений по внедрению РТК уменьшается на сумму
эффективно используемого старого оборудования. Если же часть
действующего оборудования идет на лом, остальная стоимость
оборудования, за вычетом суммы реализации по цене лома, добав-
ляется к стоимости оборудования после внедрения. Сумма оста-
точной стоимости
СО = СП — (S Ва.0-Вэк) —Сл,
где Сп—первоначальная стоимость оборудования по оптовой цене;
SBa.o — сумма начисления амортизационных отчислений за все годы
функционирования оборудования; Взк—затраты на эксплуатацию
оборудования за время его службы; Сл — стоимость оборудования
по цене лома.
Тогда годовой экономический эффект
'9с.т — (Cq 4* Е0Кз.б) — Сн -J- Ео (Кз.н •— со).
6.	С учетом роста объема выпуска изделий в результате внедре-
ния РТК годовой эффект
Зс.т=(Сб + Е0Кз.6)~--Сн + Е0(К3.н-С0),
где Вп и Вд — соответственно объемы выпуска изделий в проектиру-
емом и действующем производствах.
7.	Технологическая себестоимость для z-й операции:
Сн = Сзс 4* Вэк 4~ Сос 4- Кпл,
где Сз.с,— основная и дополнительная заработная плата производ-
ственных рабочих с начислениями в фонд социального страхования,
приходящиеся на узел при выполнении i-й операции; Взк-—затраты
на содержание оборудования при тех же условиях; Сос — затраты
на эксплуатацию оснастки; Кпп — затраты на содержание произ-
водственных площадей.
355
Здесь
Д-'
_ ^ШтТс.н^д.з^Н . г; _ Г) , п
^З.с-----go 100	, D3Ki — Da.oi -f- DMi -f- D,i,
где /Шт — штучное время на i-й операции, мин; Тсв— часовая та-
рифная ставка на i-й операции, коп.; К д., —коэффициент, учитыва-
ющий дополнительную зарплату; Кн — коэффициент, учитываю-
щий начисления в фонд социального страхования; B„.oi—аморти-
зационные отчисления на узел при выполнении i-й операции, руб.;
Вэ, — стоимость энергетических затрат на узел при выполнении
i-й операции, руб.; В1м — затраты на ремонт оборудования, при-
ходящиеся на узел при выполнении i-й операции, руб.
8.	Амортизационные отчисления
/ Д’ л
&	_	1 щт цн.опн
а-ш ~	60~Ф ’
где Кн.о — балансовая стоимость оборудования, руб.; А„ — действу-
ющая норма амортизации; Ф — действительный фонд времени работы
оборудования, ч.
9.	Расходы на ремонт оборудования (руб.):
D _
См! ~ 60 • 1р ’
где Ао — норма затрат на ремонт единицы ремонтной сложности обо-
рудования, руб.; /’-—группа ремонтной сложности оборудования;
ip — продолжительность межремонтного периода, ч.
10.	Затраты на все виды энергии на узел при выполнении i-й
операции:
о *шТ-^д5П
-------60”--’
где Ц — тариф 1 квт  ч потребляемой энергии (в переводе на элек-
троэнергию); Мд—мощность основных двигателей оборудования;
КыКк
Б„ =	-----коэффициент, учитывающий потери энергии.
Л д
11. Эффективность внедрения РТК состоит не только в сниже-
нии трудоемкости сборки, но и в сокращении средств при пере-
ходе от сборки одних типов изделий к другим из-за переналажи-
ваемости РТК- Рост затрат на автоматизацию означает повыше-
ние уровня автоматизации и будет сопровождаться расширением
номенклатуры и снижением серийности выпуска средств автома-
тизации.
12. Среднегодовой экономический эффект за счет сокращения
затрат на подготовку производства при смене объектов сборки:
q   сп + со + с Л.	Лтк
1	ф	ф *
где Сп, Со, Cz — соответственно расходы на проектирование, изго-
товление опытного образца и единицы оборудования при серийном
его изготовлении; Оя — необходимое количество единиц оборудова-
ния на программу года; Сртк — расходы на проектирование и изго-
товление части РТК, которая используется при выпуске как ста-
356
рых, так и осваиваемых новых изделий; Фэ и ФвыП—соответственно
фонды времени эффективной работы РТК и непрерывного выпуска
ИЗДеЛИЙ (Фэ>Фвып).
13. Среднегодовой экономический эффект, получаемый народ-
ным хозяйством в результате сокращения сроков освоения новых
изделий в связи с внедрением РТК (руб.):
Q ЧФвып-1)
° Г Фвь.пК-1)’
где эг = эс т Эу—экономический эффект от внедрения РТК; г =
УУ
— 1	— коэффициент сложности процента; Нр — норма рента-
бельности в отрасли.
При оценке экономической эффективности от внедрения робо-
тов в автоматизированное сборочное производство можно восполь-
зоваться укрупненными технико-экономическими показателями.
1.	Период окупаемости (годы)
В„
Т _________Р____
ок Г — В. 9 9
3	I « £
где —общая экономия труда в год, руб.; В|>2 — затраты на со-
держание робота в год при одно- и двухсменной его работе соот-
ветственно, руб.; Вр — затраты на изготовление робота, руб.
2.	С учетом коэффициента X повышения (снижения) производи-
тельности труда и стоимости оборудования D, обслуживаемого
роботом, период окупаемости
Т =
Т. —вь2 ± X (Т +D) ’
где знак « + » берется при повышении производительности, знак
« — » при понижении.
Список литературы
1.	Аншин С. С., Великович В. Б., Козырев Ю. Г. Общая методика испытаний
автоматических манипуляторов.— Станки и инструмент, 1981, № 12, с. 2—5.
2.	Герасимова В. Д. Экономическая эффективность роботизации сборочных
процессов в машиностроении.— В кн. : Технология и организация применения
промышленных роботов. Куйбышев: изд. Куйбышевского политехи, ин-та,
1977, с. 106—110.
3.	Нахапетян Е. Г. Определение критериев качества и диагностирование
механизмов.— В кн. : Экспериментальное исследование и диагностирование
роботов. М. : Наука, 1977, с. 89—117.
4.	Ямпольский Л. С. Анализ надежности ЦСАР процесса бесцентрового
шлифования: Технология и организация производства.— К. : изд. УкрНИИНТИ,
1967, № 3, с. 21—24.
357
Тенденции развития робототехники
Целью применения ПР в настоящее время является в основном
сокращение ручного труда на сравнительно простых, монотонно
повторяющихся цикловых операциях, программа действия которых
заранее четко спланирована и не предусматривает каких-либо от-
клонений и изменений в пределах цикла. Однако сфера рабочих
•операций, на которых сегодня применяются или могут применять-
ся роботы, сравнительно ограничена.
Для расширения этой сферы необходимо приблизить возможнос-
ти роботов к возможностям человека, т. е. повысить их технические
характеристики. В первую очередь следует обеспечить большую
подвижность манипуляционной системе робота и связанную с этим
•большую гибкость действий его исполнительных органов, т. е. уве-
личить число степеней подвижности манипулятора, уменьшить раз-
меры отдельных его звеньев и упростить связи между ними. При
этом существует принципиальная возможность существенно прев-
зойти возможности человека-оператора, поскольку число звеньев,
их сочетаний и сопряжений могут быть значительно увеличены и
оказаться более разнообразными, чем у человеческой руки. Далее
следует увеличить количество рук и исполнительных механизмов
ПР, что позволит резко повысить их производительность, много-
кратно превышающую производительность труда человека.
Необходимо также повысить информативность ПР, оснащая за-
хватные устройства различного рода тактильными датчиками и
другими сенсорными средствами очувствления. Большую роль иг-
рает при этом очувствление рук по величине усилия захвата дета-
ли (объекта), что особенно важно, если зажим детали осуществ-
ляется с минимальным усилием, требуемым для ее удержания.
В настоящее время четко проявляется тенденция группового
применения роботов при полной автоматизации технологического
процесса. Групповое использование ПР обеспечивает преимущест-
ва с позиций технического обслуживания, обеспечения запас-
ными частями, большей отдачи в смысле надежности и продуктив-
ности. Групповое применение роботов позволяет подняться на бо-
лее высокую ступень управления — управления от ЭВМ. Преиму-
щества такой организации автоматизированного производства наи-
более полно проявляются, когда информация от различных дат-
чиков передается в ЭВМ, а управление роботами осуществляется
на основе обработки этой информации.
В развитии промышленных роботов наметились два направле-
ния, которые взаимно дополняют и обогащают друг друга. Первое
направление — разработка универсальных роботов. У таких ро-
ботов рабочий орган должен обладать минимум шестью степеня-
ми подвижности, идентифицировать предметы, с которыми он
взаимодействует и работает. Они должны получать необходимую
информацию из окружающей среды и могут эффективно использо-
ваться на самых разных рабочих местах. Второе направление со-
358
стоит в разработке специальных роботов, нацеленных на выполне-
ние конкретных и более узких задач.
Как отмечалось, использование ПР объединяется обычно с кон-
цепцией полностью автоматизированных предприятий, на которые
участие человека ограничивается лишь надзором и контролем зэ
правильностью функционирования оборудования. Производствен-
ные системы с промышленными роботами являются первым шагом
на пути создания заводов без обслуживающего персонала, пред-
ставляющих собой большие системы с иерархическим управлением.
Преимущество иерархической системы управления состоит в том,
что неполадки на некотором из уровней не приводят к сбоям
во всей системе, и ее функции оптимальным образом распределе-
ны между всеми элементами.
На современном этапе научно-технического прогресса развитие
робототехники определяется по существу одной тенденцией — воз-
можно в большей степени приспособить ПР к условиям, особеннос-
тям и требованиям окружающей среды, обслуживаемому оборудо-
ванию, объектам обработки и изготовления, а также к специфике
определенной технологии. Подобная тенденция позволяет четко
уяснить и использовать возможности ПР, а также представить мес-
то робототехники в общем комплексе автоматизированного произ-
водства. Однако существует и прямо противоположная тенден-
ция — обеспечить большую приспособленность объектов, оборудо-
вания и технологии к наиболее типичным и сильным сторонам ПР.
Учет только первой тенденции хоть и ведет к совершенствова-
нию робототехнических средств, но в то же время приводит к их
усложнению и дополнительным эксплуатационным издержкам, за-
частую неоправданным. Учет только второй тенденции приводит
к аналогичным результатам, но отнесенным уже к объектам, обо-
рудованию и технологии. Поэтому наиболее рациональное решение
состоит в учете обеих тенденций, в результате чего в робототехни-
ке достигаются наиболее простые и эффективные технические и
технологические решения с наименьшими затратами сил, средств,
и времени.
Внедрение роботов как органов замены человека на рабочих
операциях производства объективно приводит к оснащению всех
элементов робототехнического комплекса средствами и системами
очувствления, которые позволяют более информативно, а значит,
более надежно осуществлять рабочий процесс изготовления любых
объектов. Естественно, при этом система управления как отдель-
ными звеньями, так и всем комплексом производства в целом ста-
новится более развитой, сложной и требует большего внимания и
больших затрат для поддержания нормального функционирования.