Системы программного управления промышленных роботов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

филиал ФГБОУ ВПО Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского

г. Вязьма Смоленская обл.

Контрольная работа

Дисциплина: «Робототехнические системы и комплексы»

Тема: «Системы программного управления промышленных роботов»

Студент: Смирнов А.П.

Преподаватель: Грыжов В.К.

Вязьма, 2014 г.

Содержание

Введение

1. Структура промышленных роботов

2. Цикловая система программного управления промышленного робота

3. Разработка структурной и функциональной схемы устройства управления промышленного робота

4. Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

5. Принципы управления промышленным роботом

Заключение

Список литературы

Введение

Промышленные роботы способны заменить человека там, где требуется тяжелый физический труд, в условиях с повышенными температурой и влажностью, вибрацией, шумом загрязненным воздухом, взрывоопасностью и радиоактивностью. Промышленный робот представляет собой перепрограммируемую автоматическую машину, способную выполнять аналогичные человеческим двигательные функции по перемещению предметов производства или технологической оснастки.

Роботы позволяют заменить монотонный физический труд, повысить качество изделий, увеличить их выпуск. Один робот может заменить труд четырех человек.

Роботы первого поколения часто называют программными. Эти роботы предназначены для выполнения запрограммированной последовательности операций по четкой программе, составленной с учетом требований того или иного технологического процесса. Особенно эффективно применение роботов первого поколения при неизменных и строго определенных условиях эксплуатации. Поэтому они широко внедряются в производство при выполнении простейших операций сборки, установки, снятия, транспортирования и упаковки изделий. Однако благодаря простоте изменения программы, заложенной в память системы управления робота, возможно переобучение его путем перепрограммирования на выполнение другого класса операций.

Роботы второго поколения называют адаптивными. Системы управления этими роботами имеют более широкий по сравнению с программным набор датчиков информации о состоянии внешней среды и характеризуются большей сложностью. Алгоритм управления роботами второго поколения значительно сложнее, чем роботами с жесткой программой, и часто имеет ситуационный характер, что требует реализации его с помощью микроЭВМ или микропроцессора. Благодаря широко развитому программному обеспечению, наличию совершенных устройств системы очувствления роботы второго поколения способны приспосабливать свое поведение к изменяющейся обстановке.

Роботы третьего поколения называют интеллектуальными или разумными. Функциональные возможности этих роботов значительно расширены, от имитации физических действий человека до автоматизации элементов его интеллектуальной деятельности. По сравнению с адаптивными роботами они характеризуются значительно более сложной системой управления, включающей элементы искусственного интеллекта. Благодаря этому интеллектуальные роботы способны воспринимать разговорный язык и вести диалог с человеком, распознавать и анализировать различные ситуации, строить модель внешней среды, обучаться навыкам, программировать движения, усваивать понятия, планировать поведение в разнообразных условиях эксплуатации. В настоящее время выпускается большое число робототехнических устройств, различающихся по компоновочным схемам и конструктивному исполнению.

1. Структура промышленных роботов

Промышленный робот - это автоматическая машина, представляющая собой совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления для выполнения функций, заменяющих человека при перемещении предметов производства или технологической оснастки.

Для перемещения тела в пространстве и для его произвольной ориентации исполнительный механизм должен иметь не менее шести степеней подвижности: три - для осуществления транспортных (переносных) движений и три - для ориентирующих движений. Примером служит человеческая рука, которая имеет от предплечья до фаланг пальцев 22 степени подвижности, что и предопределяет универсальные возможности человека при выполнении им производственных функции.

Степени подвижности руки человека (а) и антропоморфного механизма (б)

Однако, как следует из рисунка, вся совокупность движений руки человека может быть сведена к транспортным (переносным) движениям X, Y, Z в декартовой системе координат и ориентирующим движениям ,, относительно соответствующих координат. Поэтому эквивалентом человеческой руки может быть механизм, имеющий ту же совокупность движений, к которой в общем случае сводятся движения человеческой руки. Такой механизм является промышленным роботом с шестью основными степенями подвижности X, Y, Z и ,,

Кинематическая структура промышленных роботов и их двигательные возможности определяются видом и последовательностью расположения кинематических пар.

Кинематические пары: а - поступательная, б…д - ротационные

В свою очередь, требуемый характер движения рабочих органов промышленного робота, при выполнении вспомогательных и технологических операций и переходов, определяется производственными условиями. Три поступательные пары, оси которых взаимно перпендикулярны, реализуют схему промышленного робота, работающего в прямоугольной системе координат, с зоной обслуживания в виде параллелепипеда; две поступательные пары и ротационная пара, ось вращения которой параллельна плоскости, образованной направлением осей поступательных пар, реализует схему промышленного робота, работающего в цилиндрической системе координат с зоной обслуживания в виде полного цилиндра; две ротационные пары и одна поступательная реализует схему промышленного робота, работающего в сферической системе координат с зоной обслуживания в виде полной сферы; три ротационные пары реализуют схему робота, работающего в ангулярной системе координат.

Геометрия зон обслуживания промышленного робота, работающего в прямоугольной (а), цилиндрической (б), сферической (в), ангулярной (г) системах координат

В общем случае промышленный робот содержит манипулятор, средства очувствления, устройство управления и пульт оператора. Промышленный робот может быть оснащён ещё устройством передвижения.

Манипулятор (М) обычно представляет собой многозвенный механизм с числом степеней подвижности от 3 до 9 и поступательными или вращательными сочленениями, заканчивающийся рабочим органом в виде захватного устройства или какого-либо специального технологического инструмента (пульверизатора, гайковерта и т.п.). Рабочий орган может быть сменным.

Каждая степень подвижности имеет двигатель, механизм передачи движения и исполнительное звено. Существуют манипуляторы с одним двигателем на несколько степеней подвижности, снабженные механизмами распределения движения (например муфтами и т.п.).

Пульт оператора часто конструктивно монтируется в устройство управления (УУ). Он предназначен для ввода и контроля выполнения задания. Устройство управления, кроме пульта оператора, обычно содержит, запоминающее устройство (ЗУ), в котором хранятся программы робота и другая информация, вычислительное устройство (ВУ), в котором реализуется алгоритм управления роботом и устройство управления двигателями, а точнее, блок управления приводами манипулятора (БУП).

Промышленные роботы классифицируются по следующим признакам:

1. По техническим возможностям:

- по числу манипуляторов - у роботов в большинстве случаев ограничено одним манипулятором, однако в зависимости от назначения существуют конструкции роботов с двумя, тремя и четырьмя манипуляторами.

- по быстродействию - быстродействие манипулятора определяется скоростью его перемещения по отдельным степеням подвижности, быстродействие разделяют на три группы:

- малое - при линейных скоростях по отдельным скоростям подвижности до 0,5 м/с;

- среднее - при линейных скоростях свыше 0,5 до 1 м/с;

- высокое - при линейных скоростях свыше 1 м/с.

- по точности движений - точность манипулятора характеризуется результирующей погрешностью позиционирования или обработки заданной траектории, точность роботов общего применения разделяют на три группы:

- малая - при линейной погрешности от 1 мм и выше;

- средняя - при линейной погрешности от 0,1 до 1 мм;

- высокая - при линейной погрешности менее 0,1 мм.

- по грузоподъемности - обуславливаются грузоподъемностью его манипуляционных устройств, грузоподъемность манипулятора определяется массой перемещаемых им объектов и делятся на:

- сверх легкие - до 1 кг;

- легкие - от 1 до 10 кг;

- средние - от 10 до 200 кг;

- тяжелые - от 200 до 1000 кг;

- сверх тяжелые - свыше 1000 кг.

- по типу приводов - используемых в роботах, делятся на:

- пневматический;

- гидравлический;

- электрический;

- комбинированный.

2. По числу степеней свободы (подвижности): от 2 до 9 степеней подвижности.

3. По технологическому назначению - делятся на:

- сварочные;

- сборочные;

- покрасочные.

4. По возможности передвижения - делятся на:

- стационарные;

- передвижные.

5. По способу установки на рабочем месте - делятся на:

- напольные;

- настенные;

- потолочные;

- встроенные;

- подвесные.

6. По работе в системе координат - делятся на:

- прямоугольные;

- цилиндрические;

- сферические;

- угловые вертикальные;

- угловые горизонтальные;

- сложно-цилиндрические;

- сложно-сферические;

- комбинированные.

7. По характеру выполнения операций - делятся на:

- операционные;

- обслуживающие.

8. По способу программирования - делятся на:

- жестко программируемые;

- аналитически программируемые;

- обучаемые.

9. По специализации - делятся на:

- специальные;

- специализированные;

- универсальные.

10. По унификации и агрегатно модульности построения - делятся на:

- индивидуальные;

- модульные;

- агрегатно-модульные.

11. По характеру систем управления - делятся на:

- цикловые - рабочий орган манипулятора робота перемещается по дискретной траектории с ограниченным числом остановки (4-12);

- позиционные - рабочий орган манипулятора робота, перемещается по дискретной траектории, с большим числом остановок;

- контурные - рабочий орган перемещается по непрерывной траектории.

2. Цикловая система программного управления промышленного робота

Цикловая система программного управления промышленного робота является простейшей, обеспечивая в основном двухточечное позиционирование, осуществляемое по жестким упорам. Основой ЦСПУ является программно-временное устройство с блоком управления переходами и раздельными блоками запоминания информации о последовательности включения звеньев манипулятора и времени (продолжительности работы механизмов). Информация о положении звеньев непосредственно в запоминающее устройство не вводится, а обеспечивается определенной установкой жестких упоров или флажков путевых выключателей, что является конструктивной особенностью промышленного робота с позиционированием по упорам.

Запоминание информации о последовательности и направлении движения звеньев осуществляется на коммутационных элементах и блоках коммутационных элементов - диодных штекерных матрицах, программных барабанах, разъемах, многопозиционных переключателях, тумблерах и т.д. Информация о времени задается на потенциометрах и отрабатывается каким-либо временным устройством - таймером (например, реле времени).

Блок управления положением звеньев изготавливается обычно на контактных или бесконтактных элементах релейного типа. Он выдает на приводы звеньев манипулятора команды типа «включено-выключено». Блок управления переходами выполняется на обычных коммутаторах (шаговых искателях, счетчиках с дешифраторами, регистрах сдвига и т.д.).

При программировании промышленного робота с ЦСПУ оператор включением программоносителей (штекеров, переключателей и т.п.) вносит в запоминающее устройство информацию о последовательности и направлении отработки и величине временных выдержек, а установкой упоров или флажков путевых выключателей формирует информацию о величинах перемещений.

При отработке программы информация о последовательности выполнения операций поступает в блок управления положением, который включает или выключает приводы звеньев манипуляционной системы промышленного робота и технологического оборудования, обеспечивая движение звеньев в запрограммированной последовательности. Заданные перемещения и фактические положения звеньев сравниваются с помощью датчиков или механических упоров. При достижении всеми звеньями положений, заданных кадром, сигналы с датчиков или от временного устройства поступают в блок управления переходами для выработки сигнала перехода к следующему шагу программы и т.д.

Характерным представителем цикловых систем программного управления является электронное цикловое программное устройство ЭЦПУ-6030, разработанное ЦНИИ РТК при Санкт-Петербургском политехническом институте, выпускаемое серийно отечественной промышленностью и широко применяемое для управления ПР с позиционированием по упорам. Устройство предназначено для управления простейшими манипуляторами, имеющими двухпозиционные звенья, и соответствующим технологическим оборудованием при автоматизации операций холодной штамповки и простой сборки в условиях массового, крупносерийного и серийного производств.

3. Разработка структурной и функциональной схемы устройства управления промышленного робота

Блок управления - предназначен для обработки информации по заданной программе и выдачи управляющих воздействий на манипулятор и технологическое оборудование.

Пульт управления - обеспечивающий задание режимов работы устройства, выполнение операций включения - выключения питания, запуска в работу.

Запоминающее устройство - предназначенный для набора и хранения требуемой программы работы робота.

Блок выходных усилителей - обеспечивающий выдачу управляющих команд на распределители манипулятора и технологическое оборудование;

Блок питания - обеспечивающий питание электронного оборудования, датчиков манипулятора и технологического оборудования.

Рассмотрим более подробно модули:

Блок питания предназначен для защиты от короткого замыкания обеспечивает подачу трехфазного напряжения (380В), низковольтных +15В, +5. промышленный робот устройство управление

Блок управления для выработки управляющего воздействия на асинхронный двигатель в блок управления входит модуль силового преобразователя позволяющий обеспечивать подачу регулировочных напряжений, регулирование частоты вращения. Также в данный блок входит модуль измерителя мощности который позволяет выполнить измерение параметров сети переменного тока (U, I, f, cos(ц)).

Персональный компьютер (ПК) выступает в качестве пульта управления, а также для регистрации сигналов преобразователя частоты.

Функциональная схема частотного управления представлена на (рис. 4.2). Она состоит из неуправляемого выпрямителя НВ, преобразующего сетевое напряжение переменного тока частотой 50 Гц в напряжение питания постоянного тока U_п, и автономного инвертора АИ, регулирующего частоту и амплитуду и преобразующего напряжение U_п в трехфазное напряжение изменяемой частоты f₁. Управляющее устройство, вырабатывает управляющее воздействие согласно заданному закону.

Система управления имеет обратную связь по скорости вращения через импульсный датчик скорости, а также по току ротора.

4. Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока. В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей. Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле - поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита. Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.

Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра - асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:

s = (n - n1) / n.

В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем. Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М.О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.

Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя. Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.

В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками. Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки - северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т.е. полюсы при этом переместятся на 120°.

В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки - северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки - южный полюс (Ю), т.е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°. Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов). При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.

Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырех полюсное вращающееся магнитное поле. При девяти обмотках поле будет шести полюсным.

Управление промышленных роботов бывает нескольких типов:

· Программное управление -- самый простой тип системы управления, используется для управления роботами на промышленных объектах. В таких моделях отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC.

· Адаптивное управление -- роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов, принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.

· Программирование основанное на методах искусственного интеллекта.

· Управление человеком (например, ручное дистанционное управление).

5. Принципы управления промышленным роботом

Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.

Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.

Подчинённое управление служит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то cистема управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью. Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её. Управление роботом может осуществляться как человеком-оператором, так и системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков

Заключение

Промышленные роботы способны выполнять как вспомогательные (транспортные операции), так и основные (формообразование, изменения размеров заготовки, окраска, сборка) технологические операции. В наше время сферы применения промышленных роботов настолько же многообразны, как и современное производство. Мировой опыт показал, что возможно роботизирование практически любого технологического процесса, главное условие, чтобы это было экономически выгодно. Уже около двух десятилетий предприятия проявляют повышенный интерес к роботизированным технологиям резки и сварки, но в последние годы наметилось значительное увеличение спроса на промышленные роботы для автоматизации производства: обслуживания станков и технологического оборудования, механической обработки, покраски и др.

Список использованной литературы

1.Локтева С.Е. Станки с программным управлением и промышленные роботы 2010 г

2.Платонов А. К. Программное обеспечение промышленных роботов 2005 г

3.ru./wiki/ Промышленный Робот

4.Мартыничев А.К. Системы программного управления производственными установками и технологическими комплексами. Учебное пособие, Чебоксары, ЧГУ, 2008.

Размещено на Allbest.ru

...