Основные понятия о машинах-автоматах, манипуляторах, роботах

Машина-автомат (МА) — это машина, в которой все технологические процессы, связанные с преобразованием энергии, материалов и информации выполняются без участия человека (кроме наладки и устранения неполадок).

В технологических МА заданные перемещения, необходимые для изменения размеров или свойств обрабатываемого предмета и соответствующего контроля этих изменений, производится исполнительным органом, который соединен с источником энергии непосредственно или через ряд промежуточных механизмов.

Движение исполнительного (рабочего) органа в машине-автомате определяется программой — совокупностью предписаний для выполнения данного технологического процесса (например, изготовления конкретной детали). Автоматическое выполнение программы обеспечивается системой управления, согласующей все движения исполнительных органов. Для изменения программы при обработке различных изделий необходимо иметь механизм с изменяемым законом движения выходного звена. Таким механизмом может быть механизм со сменными кулачками — копирами (рис. 12.3). Ползун 1 получает заданное горизонтальное перемещение (подача), щуп 2 под действием замыкающего устройства прижат к копиру 3 и получает также вертикальное перемещение г/, которое называется следящей подачей. Исполнительный орган (например, режущий инструмент) 4, связанный со щупом, копирует его движение.

Рис. 12.3. Механизм с копирами

В машине-автомате с управлением от копиров переход на другую программу, как правило, требует изготовления новых копиров. Более прост процесс переналадки на другую программу в машинах-автоматах с числовым управлением (ЧПУ). Здесь информация о требуемых перемещениях исполнительных органов сообщается системе управления в виде чисел. Если задано необходимое перемещение х, то информационное число должно быть ближайшим целым к величине 2 = x/h, где h — шаг перемещения, выбираемый в зависимости от заданной точности перемещений.

На рис. 12.4 показана блок-схема ЧПУ для одного исполнительного органа. В систему управления входит шаговый электродвигатель, в котором ротор поворачивается на строго определенный угол при каждом импульсном включении цепи питания. Для требуемого перемещения необходимо послать в цепь питания соответствующее число импульсов. Они посылают;

Рис. 12.4. Блок-схема ЧПУ

с я через блок управления от заданной программы, включающей и другие вспомогательные команды. Требуемое значение следящей подачи рассчитывается по чертежу детали в соответствии с заданным перемещением заготовки. Значения следящей подачи определяют информационные числа и соответствующее число импульсов, фиксируемых в программе.

Оптимальные условия выполнения технологического процесса изменяются со временем из-за износа инструментов, изменения свойств обрабатываемого материала и других причин. Поэтому для достижения большей точности работы МЛ созданы системы управления, в которых программа корректируется с учетом результатов выполнения заданного процесса, такие системы называются самонастраивающимися.

Рис. 12.5. Манипулятор.

Манипулятором называют техническое устройство, предназначенное для воспроизведения рабочих движений (функций) руки человека. Пример схемы манипулятора дан на рис. 12.5. Он состоит из управляющего (У) и исполнительного (И) механизмов. Эти механизмы идентичны, и движения звеньев И копируют движения звеньев У посредством механической, электрической, пневмогидралической или иной связи. Указанный механизм (см. рис. 12.5) образован пространственной незамкнутой кинематической цепыо. По аналогии с рукой человека звенья цепи имею названия: 1 — плечо, 2 — предплечье, 3 — кисть (захват), 4 — палец, 5 — корпус. При рассмотрении кинематики и динамики звено 3 объединяют со звеном 4.

Кинематическая цепь показанного манипулятора состоит из трех подвижных звеньев. Кинематическая пара 1—2 — вращательная, кинематические пары 1—5 и 2—3 — сферические трехподвижные. Данный манипулятор имеет семь степеней свободы, поскольку для незамкнутой кинематической цепи общее число степеней свободы определяется суммой подвижностей кинематических пар. Захват 3 может принимать любое положение в пространстве в пределах конструктивных размеров звеньев. Копирующие манипуляторы применяются для выполнения операций в условиях, когда присутствие человека вблизи обрабатываемого изделия невозможно (радиоактивность, высокая температура, вакуум и т. д.).

Различают манипуляторы с ручным и автоматическим управлением. В первом случае оператор воздействует на исполнительный орган через звенья управляющего механизма. Это воздействие может быть затруднено ограниченными силовыми возможностями человека — оператора. Поэтому в автоматическом управлении манипулятором используют сервопривод — вспомогательный привод, приводящий в движение звенья исполнительного механизма по сигналам, вырабатываемым при движении отдельных звеньев управляющего механизма. Сервопривод при автоматическом управлении работает по заданной программе, а управляющий механизм служит только для выработки программы работы. Все действия оператора преобразуются датчиками в механические или электрические сигналы с записью на магнитную ленту или перфокарту.

Манипуляторы с автоматическим управлением, применяемые для механизации однообразных утомительных операций (при обработке, сборке, транспортировке), называют промышленными роботами (IIP). Роботы обладают свойством переналаживаемое™.

Робот предназначен для выполнения манипуляционных действий, т. е. действий, выполняемых рукой человека, по перемещению и ориентировке объектов в пространстве. Двигательные функции ПР выполняются исполнительным устройством, в состав которого входят манипуляторы (подобно рассмотренному выше) и устройство передвижения. Приводы IIP могут быть электромеханическими и пнсвмогидравлическими. Система управления ПР включает управляющее устройство, воздействующее на исполнительный механизм в соответствии с заданной программой, измерительное устройство для сбора информации о состоянии робота и устройство связи человек — робот.

Промышленный робот первого поколения с программным управлением применяют для складских работ и вспомогательных операций. ПР второго поколения — это очувствленные роботы. Под очувствлением понимается использование данных о состоянии робота (скорости и положении звеньев) для адаптивного управления или для выполнения операций, которые не могут быть реализованы программным управлением (например, для движения по контуру, нанесенному на внешних предметах). Эти промышленные роботы имеют так называемое супервизорное управление — управление попеременно оператором и автоматической системой.

Промышленные роботы третьего поколения являются роботами с элементами искусственного интеллекта и имеют систему сенсорных (чувствительных) элементов, включая техническое зрение, позволяющее распознавать образы, давать анализ состояния объекта воздействия и среды.