Другие виды зацепления 4 страница

Рис. 7.7. Кулачковый распределительный вал

Анализируя циклограмму можно установить, что некоторые движения могут быть полностью или частично совмещены во времени. Появляется возможность уплотнить циклограмму, тем самым уменьшить Т_ц, что положительно сказывается на производительности машины.

Кулачковый распределительный вал выполняет две функции: функцию программоносителя и функцию передаточного механизма от двигателя к исполнительному органу. Возникающие при этом большие нагрузки снижают долговечность механизма. От этого недостатка свободен кулачковый командоаппарат. Он состоит из равномерно вращающегося кулачкового распределительного вала, воздействующего на переключатели, которые управляют индивидуальными приводами исполнительных органов.

7.5. Основы синтеза логических систем управления

При синтезе систем управления машин – автоматов часто требуется осуществить определенную последовательность работы исполнительных органов при изменяющейся длительности и изменяющихся параметрах технологического процесса. Использовать описанную выше систему с кулачковым распределительным валом нельзя, т. к. они пригодны только для жестко регламентированных по времени и неизменных по структуре процессов. Такие системы управления реализуются с помощью логических устройств. Действие их подчиняется законам алгебры логики или булевой алгебры. Изложим некоторые основные положения этой алгебры.

Ее отличие от обычной алгебры состоит прежде всего в том, что в ней переменные и их функции могут принимать только два значения, 0 и 1. Поэтому эта алгебра еще называется двоичной, а переменные и функции – двоичными.

Простейшими логическими функциями являются функция повторения (ДА), отрицания (НЕ), умножения (И), сложения (ИЛИ). Для обозначения логических операций используются соответствующие символы. Функция повторения f = x означает, что значение переменной сохраняется. Функция отрицания f = x означает, что значение переменной x отрицается, т.е., если x = 1, то f = 0, если x = 0, то f = 1. Функция умножения f = x₁ x₂ означает, что f = 1 в том и только в том случае, если x₁ и x₂ одновременно равны 1. Функция сложения f = x₁ + x₂ означает, что f=1, если равна 1 хотя бы одна из переменных. На основании простейших логических функций могут быть построены более сложные функции.

Применение двоичной алгебры к задачам управления объясняется тем, что для исполнительных органов характерны два состояния – начало и конец движения. Электрические (пневматические, гидравлические) цепи, управляющие работой исполнительных органов, могут находиться только в двух состояниях – есть ток (давление) или нет тока. Эти два состояния можно описать сигналами, принимающими значения 0 и 1.

В системах управления машин – автоматов значения аргументов представляют собой входные сигналы, а значения функций – выходные сигналы. Каждому набору входных сигналов соответствует определенное состояние системы управления.

Логические функции можно задавать как в алгебраическом, так и в табличном виде. В качестве примера в таблице 7.1 представлены функции f = x₁ x₂ x₃ и f₂ = x₁ x₂ x_{3 .}

_{Таблица 7.1}

Эта таблица называется таблицей состояний. По функции, заданной в алгебраическом виде, несложно составить таблицу состояний, обратное преобразование сделать труднее. При синтезе систем управления возникает задача составления выражений, называемых формулами включения, по известной таблице состояний.

Физическая реализация логических функций возможна с помощью устройств, которые могут находиться в двух конечных состояниях. Такие устройства называются реле или логические элементы. Оформлены они могут быть по разному. Применяются механические, электрические, пневматические, полупроводниковые, магнитные и др. логические элементы. Логические элементы, реализующие простейшие логические функции, выпускаются серийно. Они служат основой для создания автоматических устройств, реализующих сложные логические функции. Из всего многообразия логических элементов для примера рассмотрим электрические и электромагнитные, которые применяются наиболее часто (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Электрические и электромагнитные логические устройства

Электрический логический элемент повторения представляет нормально разомкнутый электрический выключатель (кнопку). При нажатии на него (x = 1) цепь замыкается (f = 1).

Электромагнитное реле того же назначения имеет замыкающте контакты, срабатывающие при перемещении якоря электромагнита. При наличии тока в обмотке электромагнита (x = 1) цепь замыкается (f = 1). В обоих устройствах, если нет сигнала (x = 0), цепь разомкнута (f = 0).

Электрический логический элемент отрицания представляет нормально замкнутый выключатель. При нажатии на него (x = 1) цепь размыкается (f = 0). Электромагнитное реле имеет контакты, которые при появлении тока в обмотке электромагнита размыкаются.

Логические элементы сложения и умножения представляют соответственно последовательно и параллельно соединенные нормально открытые электрические контакты или электромагнитные реле с замыкающими контактами.

7.6. Синтез избирательной системы управления

Избирательной системой управления называется система, выбирающая одну из возможных комбинаций выходных сигналов в зависимости от значений входных сигналов.

Примером является система управления контрольно – сортировочным автоматом, который измеряет изделия и в зависимости от результатов измерения сортирует изделия на три группы (рис. 7. 9).

Рис. 7.9. Схема системы управления сортировочным автоматом

Таблица 7.2

Размеры изделия измеряются с помощью проходного и непроходного калибров. При прохождении калибров через диаметр изделия они нажимают выключатели, создавая сигналы x₁ и x₂. Если проходят оба калибра, изделие бракуется – соответствующие входные сигналы x₁ = 1 и x₂ = 1. Если прошел проходной калибр и не прошел непроходной, деталь годна, соответствующие сигналы x₁ = 1 и x₂ = 0. Если деталь не прошла обе скобы, она возвращается на дополнительную обработку, соответствующие сигналы x₁ = 0 и x₂ = 0.

Эти условия представляют программу действия системы управления механизмов М1, М2, М3, производящих соответствующее адресование изделий, и могут быть представлены в виде таблицы состояний

Выходные сигналы, формируемые системой управления, обозначены f₁, f₂, f₃. В первом состоянии входных сигналов, определяющих брак, Выходным сигналом f₁ должен включаться механизм М1. Механизмы М2 и М3 должны быть включены, т.е. f₂ = 0, f₃ = 0. Подобным же образом определяются выходные сигналы в остальных состояниях.

Таблица 7.3

На основании таблицы состояний составим формулы включения, рассматривая выходные сигналы как логические произведения входных сигналов:

f₁ = x₁ x₂, f₂ = x₁ x₂, f₃ = x₁ x₂.

Упростим формулы включения. Из анализа таблицы состояний следует, что f₁ в состояниях 1, 2, 3 принимает значения 1, 0, 0. Такие же значения в этих состояниях имеет и сигнал x₂, тогда f₁ = x₂. Сигнал f₃ равен инверсному сигналу x₁. Функция f₂ упрощению не поддается. Итак, после упрощений имеем

f₁ = x₂, f₂ = x₁ x₂, f₃ = x₁ .

Следующий этап – построение структурной схемы (блок – схемы) системы управления, общей для логических элементов любых типов. Согласно формулам включения необходимо иметь два элемента повторения ДА, два элемента отрицания НЕ, один элемент умножения И.

Изображаем так называемый «черный ящик», проставляем входы в него x₁, x₂ и выходы f₁, f₂, f₃, производим соединение входов и выходов согласно формулам включения (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Блок схема системы управления и ее реализация на электрических выключателях и электромагнитных реле

Реализация блок – схемы на электрических выключателях и электромагнитных реле представлена на рис. 7.10. Механизмы М1, М2 и М3 включаются от выходных электромагнитных реле.

Проверим правильность работы схемы: нажаты оба выключателя – включен механизм М1 – брак, нажат выключатель x₁ и не нажат x₂ – включен механизм М2 – изделие годно, оба выключателя не нажаты – включен механизм М3.

Контрольные вопросы

1.Какими признаками характеризуется машина-автомат?

2. Приведите примеры аналогового управления машинами- автоматами.

3. Как осуществляется числовое управление?

4. Что такое система управления по времени?

5. В чем состоит преимущество логической системы управления?

6. На чем основано построение логических систем управления?

7. Что собой представляют логические элементы?

8. Приведите пример функционирования избирательной системы управления.

8. РОБОТЫ И МАНИПУЛЯТОРЫ

8.1. Общие сведения о роботах и манипуляторах

Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и механики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновременно функции рабочих и информационных машин.

Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупносерийном производстве на основе использования не перепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производительность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70% современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. В этих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации, и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.

Слово "робот" ввел в обращение К.Чапек в своей пьесе "R.U.R." в 1920 году — так назывались искусственно созданные механические работники, использующиеся на тяжелых физических работах. Чешское слово "robota" означает тяжелый физический труд. Предсказания писателя оказались пророческими – мы являемся свидетелями того, как фантастическая идея реализуется в виде универсального автомата, способного выполнять трудовые функции человека, заменив его на тяжелых, вредных, малоэффективных работах.

Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого термина? Существует большое число определений понятия "робот". Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропоморфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей средой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулировано следующее определение.

Робот — это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения двигательных и умственных функций человека, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой.

Это машина-автомат нового типа. Обычные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автоматы для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы — универсальные системы многоцелевого назначения; они способны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобучаться с одной операции на другую.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленными.

Уже накоплен определенный опыт эксплуатации промышленных роботов, позволяющий отметить следующие их достоинства.

Повышение безопасности труда — это одно из первоочередных назначений роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышленности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, потенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработке хлопка, асбеста и т.п.

При использовании роботов происходит интенсификация рабочего процесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели производства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается качество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процессы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на человека.

Однако эффективность применения робота проявляется только при правильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.

Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудностями. Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего, обслуживающего технологическое оборудование или совершающего технологическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физического труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.

8.2. История развития робототехники

Идея создания и использования механического двойника человека зародилась очень давно. Вначале это были культовые статуи, театральные и зрелищные автоматы. В средние века создавались часы с движущимися фигурами, автоматические человекоподобные игрушки в виде писцов и рисовальщиков, некоторые из них дошли до нашего времени. В них использовались механизмы типа часовых, в качестве программных устройств применялись кулачки. Кулачковые механизмы встречались во всех программируемых автоматических механизмах того времени и были наиболее распространены в станках и машинах вплоть до недавнего времени.

В 1805 г. был разработан автоматический ткацкий станок, в котором рисунок задавался, выражаясь современным языком, "перфокартой". Этот метод программирования был использован в первых механических калькуляторах. Перфокарты и сейчас являются одним из способов хранения цифровых данных.

Предшественниками современных роботов явились различные технические устройства для осуществления манипуляционных действий, управляемые человеком. Впервые такие манипуляторы были созданы в 1940—1950 гг. для использования в атомной промышленности. Вначале они приводились в движение за счёт мускульной силы человека, затем были созданы манипуляторы с приводами, но управляемые человеком.

Робототехника возникла в последние два десятилетия, когда были созданы необходимые предпосылки в кибернетике и вычислительной технике. Изобретение компьютера позволило реализовать новый принцип управления. Техника управления с помощью ЭВМ основана на непрерывном сравнении потока данных о реальном состоянии объекта с заданным состоянием. Блоки сравнения и коррекции образуют цепь обратной связи. Принцип управления с обратной связью называется сервоуправлением.

Первый робот "Versatran", предназначенный для практического использования, появился в США в 1962 г. Затем появились роботы "Unimate-1900", получившие применение на заводах фирм "Дженерал Моторс" и "Форд". В 1967 г. начался выпуск этих роботов по лицензии США в Англии, а затем в Японии и Швеции.

В настоящее время около 40 % всех выпускаемых в мире роботов — это простейшие пневматические роботы, примерно столько же роботов с гидравлическим приводом, остальные приходятся на долю электромеханических роботов. Однако ожидается, что в дальнейшем это соотношение изменится в пользу роботов с электроприводом. Динамика роста парка роботов за рубежом в последние годы даже превышает даже оптимистические прогнозы.

В скором времени предполагается широкое внедрение роботов во все сферы деятельности человека, в том числе в сферу обслуживания и домашнего хозяйства.

8.3. Классификация роботов

Современные роботы весьма разнообразны. В широком смысле понятие "робот" включает класс технических систем, которые воспроизводят двигательные и интеллектуальные функции человека. При таком подходе к роботам можно отнести вычислительные и логические машины, машины, играющие в шахматы, сочиняющие музыку, автоматические переводчики, кассиры, автопилоты и т. д. Поэтому все роботы можно разделить на манипуляционные, локомоционные (шагающие, самодвижущиеся, экзоскелетоны), информационные, творчески-игровые. Далее будут рассматриваться только манипуляционные роботы.

Следует различать биотехнические, интерактивные и автоматические роботы.

Биотехническими называются роботы, которые не обладают собственной памятью и непрерывно управляются человеком. Простейшими являются роботы с командным управлением, когда нажатием на кнопку, тумблер или рукоятку человек-оператор пускает в ход привод одной степени подвижности (рис. 8.1,а). Точности этого робота невелика. Такое устройство еще нельзя назвать в полном смысле роботом — это его низшая ступень.

Рис. 8.1 - Способы управления биотехническими роботами:

а — командный; б — копирующий; в — полуавтоматический

Следующий вид биотехнического робота — копирующий робот. Обычно имеется задающее устройство, кинематически подобное руке робота. В его суставах находятся датчики следящих систем, приводы которых размещаются в соответствующих суставах исполнительной руки

(рис.8.1,б). Перемещая рукоятку задающего устройства, оператор создает нужную ориентацию рабочего органа руки. Недостатком такого вида управления является отсутствие обратной связи по усилию: оператор не ощущает действия нагрузки. Чтобы устранить этот недостаток, управляющая рукоятка снабжается автоматическим устройством имитации нагрузки. Тем не менее такой способ управления достаточно утомителен.

В полуавтоматических манипуляторах, в отличие от предыдущих, имеется специализированное вычислительное устройство. Сигнал управления подается человеком с помощью управляющей рукоятки, которая может иметь любую схему; отличающуюся от схемы руки робота (рис. 8.1,в ). Нажимая на рукоятку в произвольном направлении, человек-оператор задает направление и скорость движения рабочего органа. Сигналы, снимаемые с рукоятки, поступают в специальное вычислительное устройство, в котором формируются команды для каждой степени подвижности. Такой способ управления более удобен для человека, энергетически экономичнее и менее утомителен.

К интерактивным роботам относятся роботы с системой управления человек—машина.

У автоматизированных интерактивных роботов имеет место чередование биотехнических и автоматических режимов работы. При выполнении некоторых задач робот работает в автоматическом режиме по программе; другие задачи, которые нельзя запрограммировать, реализуются под управлением человека.

При супервизорном управлении человек-оператор наблюдает по экрану обстановку в месте действия робота, подает в управляющую ЭВМ команды, предписывающие перемещения его звеньев. Робот выполняет эти команды в автоматическом режиме. Затем следуют другие команды.

Диалоговое управление осуществляется при взаимодействии ЭВМ с человеком на языках различного уровня, в том числе на языке человека. При этом все манипуляции производятся автоматически, но планирование их осуществляет ЭВМ совместно с человеком. ЭВМ участвует в выработке решений о дальнейших действиях и наилучшем способе управления.

Смысл применения всех интерактивных систем управления — использование интеллекта человека в сложных, непредвиденных ситуациях.

Функциональная схема автоматического робота представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2 - Функциональная схема автоматического робота

Достаточно развитый робот состоит из трех систем: информационной, управляющей, исполнительной.

Информационная (сенсорная) система, как и органы чувств человека, предназначена для сбора информации о состоянии внешней среды. В качестве ее элементов используются телевизионные, светолокационные, ультразвуковые, тактильные и другие датчики.

Управляющая система, как и мозг человека, служит для выработки законов управления двигателями исполнительных органов на основании существующих предписаний (программ) и собранной информации.

Исполнительная система служит для отработки управляющих сигналов. Она реализуется в виде манипулятора.

Манипулятор — оснащенное рабочим органом механическое устройство, предназначенное для перемещения в пространстве тела (объекта манипулирования), удерживаемого захватом. Манипулятор (лат. "manipulus" — кисть руки) можно рассматривать как аналог руки человека. Его конструкция в большей степени определяет возможности робота.

Возможности руки робота значительно ниже возможностей руки человека, которая обладает 27 степенями подвижности или, если не учитывать движения пальцев руки, 12 степенями подвижности. Число степеней подвижности манипулятора ограничено и обычно не превышает семи.

8.4. Промышленные роботы

Автоматические роботы, получившие распространение в промышленности, называются промышленными роботами (ПР). ГОСТ 25686—85 дает следующее определение этого понятия.

Промышленный робот — это автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства для выполнения в производственном процессе двигательных или управляющих функций.

Промышленные роботы по степени совершенства принято делить на роботы 1, 2 и 3-го поколений.

Роботы 1-го поколения имеют жесткую программу (поэтому они еще называются программными роботами) и требуют точного позиционирования деталей, с которыми работают. Большинство применяемых в настоящее время в промышленности роботов относится к 1-му поколению. Они состоят из манипулятора и программных блоков: генератора машинного времени, устройства считывания, устройства ввода и хранения программы.

Человек-оператор через панель управления задает режим работы (обучения, автоматический, ручного управления, поциклового исполнения программы), осуществляет пуск и остановку робота. Робот может управлять технологическим оборудованием. Темп исполнения программы определяется генератором машинного времени.

Программные устройства могут иметь различные принципы построения и реализовываться на различной элементной базе. В целом они строятся на аналоговых либо на цифровых принципах. В качестве хранителей программы (элементов памяти) используются штекерные панели, штекерные барабаны, кассеты с магнитной лентой и т.п.

Первоначальная программа действий робота записывается в его память, как правило, с помощью человека. Это называется этапом обучения робота. Различают три метода обучения: 1) с помощью настройки механических устройств типа кулачков, конечных переключателей, барабанов — "обучение по точкам"; 2) с помощью пульта управления, как у станков с ЧПУ, — "обучение с пульта", аналитическое программирование; 3) непосредственно рукой оператора — "обучение показом".

Эта информация запоминается, т.е. хранится в элементах памяти, затем по сигналу пуска воспроизводится, считывается и отрабатывается приводами.

Роботы 2-го поколения представляют более совершенные устройства, в определенной степени приспособленные к изменяющейся внешней обстановке и не требующие точного позиционирования деталей. Их поэтому еще называют адаптивными. Роботы 2-го поколения имеют большое преимущество перед роботами 1-го поколения, так как не требуют разработки дополнительных устройств, обладают необходимой гибкостью. Сфера применения таких роботов значительно шире, чем роботов 1-го поколения.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по доводке адаптивных роботов до промышленных образцов.

Функциональная схема управления роботом 2-го поколения включает схему управления роботом 1-го поколения, дополненную элементами адаптации. Блоки адаптации включают датчики процесса и блоки коррекции сигналов управляющих устройств. Средства очувствления адаптивных роботов весьма разнообразны. Сравнительно просто реализуется тактильное очувствление. Тактильные датчики устанавливаются непосредственно на рабочих органах — губках схватов. Применяются также локационные датчики, работа которых основана на различных принципах. Чаще всего они могут работать на небольших расстояниях от предметов. Локационные датчики дают возможность еще до соприкосновения с предметом управлять направлением и скоростью сближения.

В качестве сенсорных устройств могут применяться и любые другие датчики, определяющие температуру, цвет предметов, магнитные и электрические свойства, химический состав и т.п.

Роботы 3-го поколения способны воспринимать окружающую обстановку и в зависимости от нее выбирать способ движения для достижения цели, сформулированной в программе в общем виде. Их называют интегральными или интеллектуальными. Такой робот должен уметь строить модели внешней среды на основе информации, получаемой от различных датчиков. Человек по отношению к роботу 3-го поколения выступает уже не как оператор, а как диспетчер (выдает задания, принимает информацию об исполнении).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: