Г л а в а 16

УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ СИСТЕМЫ МЕХАНИЗМОВ

Совокупность механизмов, соединенных между собой определенным образом и предназначенных для выполнения взаимосогласованных дви­ жений, подчиненных общим для данной совокупности закономерностям, называют системой механизмов. Система механизмов является основой практически любых современных машин. Разнообразные механизмы обес­ печивают требуемое движение звеньев, связанное с преобразованием энер­ гии, состояния, свойств или положения объектов и материалов, с управле­ нием, контролем и регулированием движения рабочих органов машины. Системы механизмов бывают достаточно сложными.

В любой системе механизмов должны быть согласованы параметры функционирования, т.е. положения, скорости и ускорения исполнитель­ ных звеньев отдельных механизмов, управляющих и контролирующих устройств. Достижение требуемой цели путем преднамеренного управля­ ющего воздействия на объект или систему называют управлением. Со­ вокупность предписаний (т.е. последовательность и содержание команд), обеспечивающих заданное функционирование системы механизмов, назы­ вают программой управления или алгоритмом управления.

16.1. Система программного управления движением механизмов

К системе программного управления относятся средства, на которые возложена задача управления работой в заданном режиме функционально взаимосвязанных механизмов. Сово­ купность средств программного управления, участвующих в выработке по заданной программе управляющих воздействий на исполнительные органы машины и другие механизмы, включает в себя технические средства (приводы, аппараты электроавтоматики, измерительные преобразователи, устрой­ ства контроля, адаптации и диагностики, вычислительно­ логические устройства, каналы связи и т.п.) и программное

Рис. 16.1

обеспечение, осуществляющее организацию процесса управле­ ния и реализацию задач управления применительно к конкрет­ ной системе механизмов. Для примера на рис. 16.1 представ­ лена принципиальная схема системы механизмов технологи­ ческой машины, на которой выделены механизмы, предназна­ ченные для обеспечения функционирования машины и выпол­ нения совокупности действий, необходимых для обработки за­ готовки (материала) и получения изделия с заданными пара­ метрами.

Систему, обеспечивающую согласованность перемещений всех исполнительных органов в соответствии с заданной про­ граммой управления, называют системой управления машин. Если система управления обеспечивает требуемую согласован­ ность всех исполнительных устройств в зависимости от време­ ни, то ее называют системой управления машины по времени. Если система управления обеспечивает требуемую согласован­ ность движения всех исполнительных устройств в зависимости от их положения, то ее называют системой управления маши­ ны по пути.

В системе автоматического управления (САУ) все уп­ равляющие воздействия осуществляются без непосредствен­ ного участия человека. При полуавтоматическом и ручном управлении управляющие воздействия выполняются или вы­ рабатываются с участием человека-оператора.

воздействия. Например, в системах управления металлорежу­ щими станками самоприспособляюшиеся устройства обеспечи­ вают автоматическое приспособление работы станка к изме­ няющимся условиям обработки: снижают продольную подачу суппорта с целью уменьшения прогиба обрабатываемой заго­ товки, когда текущее значение силы резания превысит задан­ ное пороговое значение.

Адаптивные системы имеют датчики, позволяющие полу­ чать информацию от внешней среды и в зависимости от этой информации осуществлять те или иные движения. Например, адаптивные роботы снабжены помимо основной программы до­ полнительными подпрограммами, позволяющими роботу ори­ ентироваться в окружающей обстановке и изменять режим ра­ боты с помощью обратной связи.

В более сложных системах управления достаточно задать конечную цель работы. Используя компьютер и информацию о состоянии машины, такие САУ логически оценивают ситуа­ цию и находят оптимальное решение с учетом конкретной об­ становки в соответствии с разработанными алгоритмами по­ иска. Перечень функций конкретной системы программного управления зависит от уровня сложности управляемой систе­ мы механизмов. Например, системы числового программного управления металлообрабатывающим оборудованием (станка­ ми) в зависимости от функциональных возможностей (количе­ ства осей координат) подразделяют на системы:

для станков с прямоугольным формообразованием по од­

ной оси координат; для станков с контурным формообразованием по двум или

трем осям координат; для обрабатывающих центров и станков со сложным объ­

емным формообразованием по четырем-пяти осям координат; для тяжелых и уникальных станков и станочных модулей со специальными задачами управления по десяти-двенадцати

осям координат.

Компоненты устройств, входящих в систему программно­ го управления (СПУ), по своему информационному назначению подразделяют на ранги определенных уровней, которые связа­ ны между собой информационными каналами.

Программа в дискретных САУ реализуется в виде сово­ купности дискретных величин, задаваемых обычно в алфа­ витно-цифровой форме, зафиксированной на специальных про­ граммоносителях (перфорированных картах и лентах, магнит­ ных дисках, лентах и картах или специальных коммутаторах).

Траекторию перемещения звена представляют в виде оп­ ределенной последовательности элементарных перемещений вдоль координатных осей.

Пример системы механизмов, движение которых осуще­ ствляется с помощью дискретных управляющих сигналов, приведен на рис. 16.3, б. Движение точки А по заданной траек­ тории /3 —/3осуществляется с помощью электродвигателей Ml

иМ2 , которые могут вращаться одновременно или иметь оста­ новки. Сложная траектория (3 —(3 обеспечивается совместной

исогласованной работой двух винтовых механизмов с винта­

ми 2 и 5, получающими вращение от электродвигателей 3 и 4 в соответствии с программой управления. Характерный вид подобной траектории показан на рис. 16.3, б при движении зве­ на из начальной точки с координатами х^н, удн Д° конечной точки с координатами хдк, удк. Последовательность управ­ ляющих воздействий для перемещения по осям координат в соответствии с функциональной связью между координатами опорных точек, заданных программой управления, вырабаты­ вается с помощью специальных вычислительных устройств,

например интерполяторов в системах числового программно­ го управления.

В аналоговых САУ значения непрерывных сигналов явля­ ются непрерывными функциями времени, которые реализуют­ ся в виде изменения каких-либо физических элементов. Приме­ рами аналоговых САУ являются системы с кулачками, распре­ делительными валами, с устройствами изменения угла сдвига по фазе двух напряжений и т.д.

Пример системы механизмов с аналоговой системой упра­ вления приведен на рис. 16.3, а. Движение точки А но заданной траектории осуществляется в результате сложения перемеще­ ний: звена 1 (например, продольное перемещение стола метал­ лообрабатывающего станка) и звена 8 (перемещение суппор­ та), осуществляемых посредством цилиндрического кулачка 4 и вращающегося толкателя 3 и дискового кулачка £, в контакте с которым находится ролик 7, закрепленный на поступатель­ но движущемся толкателе 8. Источником движения является электродвигатель 5. В качестве программоносителя в данной системе являются профили кулачков, являющиеся аналогами относительных перемещений звеньев 1 и 8. Подобные системы управления называют незамкнутыми САУ с одним априорным потоком информации прямого действия (без усилителей).

Во многих случаях используют смешанную систему зада­ ния алгоритма управления, в которой часть программы реа­ лизуется в аналоговой форме, а часть программы — в число­ вой форме. Например, смешанный способ задания алгоритма управления используется в ряде станков-автоматов для обра­ ботки заготовок.

Управление системой механизмов может быть централи­ зованным, децентрализованным и смешанным.

При централизованном управлении обеспечивается вы­ полнение заранее установленной программы, независимой от положения звеньев тех или иных механизмов. Такое управле­ ние осуществляется в функции времени программным упра­ влением. Система механизмов при программном управле­ нии функционирует достаточно надежно, но при ее проекти­ ровании предусматривают определенные предохранительные

устройства, гарантирующие выключение механизмов, тормо­ жение или останов двигателей при перегрузках или аварий­ ных ситуациях. При таком управлении команды подаются от распределительных валов, командоаппаратов или с помощью пультов.

При децентрализованном управлении движением меха­ низмов в функции положения звеньев информация передается от упоров, путевых и конечных переключателей и выключа­ телей или иных датчиков положения или перемещения. На­ дежность функционирования системы механизмов при децент­ рализованном управлении зависит от надежности датчиков и других элементов системы управления. Децентрализованное управление может быть также с регулированием по заданным режимам работы (например, по давлению, предельной нагруз­ ке, скорости и т.д.).

При смешанном управлении движением системы механиз­ мов используются отдельные элементы централизованного и децентрализованного управления, что обеспечивает большую надежность и универсальность. При смешанном управлении можно уменьшить количество предохранительных устройств, заменив их установкой датчиков, контролирующих выполне­ ние команд или положение звеньев. Например, при работе ав­ томатической линии при смешанном управлении невыполнение какой-либо команды о перемещении звена в определенное по­ ложение фиксируется путевым датчиком, по сигналу которого отключается командоавтомат, вал которого при нормальной работе вращается равномерно. При устранении неисправно­ стей командоаппарат включается, что обеспечивает дальней­ шее функционирование системы механизмов по системе про­ граммного управления.

При смешанном управлении осуществляется наиболее оп­ тимальное сочетание разнообразных требований, обеспечива­ ющих управление по времени, по положению и перемещению звеньев, по ограничиванию режимов движения звеньев и на­ грузок на звенья и в кинематических парах.

Одним из методов программирования промышленных ро­ ботов (ПР) является программирование методом обучения, при котором в памяти устройств программного управления

(УПУ) формируются данные, определяющие автоматическое функционирование ПР в рабочем режиме. Процесс обучения состоит из четырех фаз: приведение системы в требуемое со­ стояние; запоминание состояния систем ПР; преобразование запомненных данных; воспроизведение движения. В процессе обучения формируется либо линейная управляющая програм­ ма, либо управляющая программа с ответвлениями, обеспечи­ вающая адаптивное поведение ПР (поисковые движения, конт­ рольные операции, реакция на сбои и отказы и т.п.).

Структуру системы управления движением промышлен­ ного робота можно проследить по схеме, приведенной на рис. 16.4, отражающей определенные уровни управления. На первом уровне автоматизированные приводы для всех степеней подвижности обеспечивают движение исполнительных звеньев и механизмов робота в пределах рабочей зоны с помощью упра­ вляющих программ по каждому частному циклу. Информация о положении исполнительных звеньев, характеристиках внеш­ ней среды и объекта манипулирования вырабатывается датчи­ ками и по каналам обратной связи передается оператору или в специальные устройства более высоких уровней управления для внесения коррективов в движение, если в этом возникает необходимость. Формирование сигналов управления движени­ ем приводов и устройствами автоматики обычно осуществля­ ют на втором уровне, обеспечивающем согласование движения звеньев робота во взаимодействии с окружающей средой, т.е. с другими устройствами, в частности с технологическим обо­ рудованием.

При отработке управления программированием ПР мето­ дом обучения устройствами памяти (оперативными запомина­ ющими устройствами — ОЗУ) запоминаются все параметры движения, осуществляемого при ручном управлении циклом, и в последующем многократно воспроизводятся в рабочем режи­ ме. В блоке памяти на магнитной ленте или барабане записы­ вается кодовая информация о координатах звеньев для каждой заданной позиции, о скорости движения, о временных задерж­ ках, о сигналах об исполнении команд управления, о комби­ нации и порядке переходов элементарных операций и шагов программы.

Ри с . 1 6 .4

Вблок памяти также записываются внешние сигналы об обслуживаемой среде (команды передачи и разрешения приема сигналов обслуживаемых устройств, технологического обору­ дования и т.д.), сигналы о скорости движения, о временных интервалах, о вспомогательных операциях по захвату объекта,

опоследовательности переходов при выполнении цикла работы

ит.п.

Удобство разработки управляющих программ в режиме обучения по сравнению с аналитическим методом программи­ рования заключается в простоте принципа, возможности ис­ пользования любой системы координат, уточнения позицио­ нирования при наличии зазоров в кинематических парах, по­ датливости звеньев и деформации их под нагрузкой.

Программное управление движением может быть цикло­ вым, позиционным, контурным или комбинированным.

При цикловом управлении задают координаты, скорости и другие параметры, необходимые для выполнения последова­ тельности движения в пределах частных циклов, и временные

интервалы между частными циклами. Информация о выпол­ нении частных циклов вырабатывается обычно средствами пу­ тевой автоматики для предельных значений по каждой из ко­ ординат (концевые выключатели и т.п.).

При позиционном управлении задают независимые пере­ мещения по каждой координате, соответствующие требуемой точке рабочей зоны манипулятора.

При контурном управлении обеспечивается одновремен­ ное, непрерывное и согласованное движение приводов зве­ ньев манипулятора, обеспечивающее движение исполнитель­ ного звена по заданной траектории в рабочей зоне с требуе­ мыми скоростью и ускорением. Контурное управление требу­ ет сложного программного обеспечения, связанного с циклами интерполяции участков траектории и с отработкой команд в реальном масштабе времени. Обычно при контурном управ­ лении используют мини-ЭВМ, цифровые дифференциальные анализаторы и другие устройства.

При комбинированном управлении используют методы циклового, позиционного и контурного управления, сочетая их возможности и преимущества при решении конкретных задач. Информация о положении рабочих органов машин, о режиме движения звеньев механизмов, о параметрах и характеристи­ ках процессов, необходимая для автоматического функциони­ рования системы механизмов в соответствии с алгоритмами управления, вырабатывается датчиками.

По характеру создаваемых импульсов различают датчи­ ки: механические, электрические, фотоэлектрические, элек­ тронные, пневматические, гидравлические и т.д.

Различают следующие причины, вызывающие появление импульса датчика: силовые, когда давление рабочей среды или сила, действующая на определенные элементы звеньев меха­ низма, достигают заданной величины; размерные, когда раз­ мер, определяющий требуемое положение, достигает заданной величины; путевые, когда движущееся звено механизма зани­ мает определенное (предусмотренное) положение; скоростные, когда скорость движения звена механизма достигает заданно­ го значения величины; временные, когда сигналы подаются по заданному промежутку цикла работы.