Системы автоматического контроля

Система автоматического контроля (САК) является важнейшим звеном автоматического производства в смысле обеспечения возможности реализации безлюдного технологического процесса.

Под техническим контролем понимается проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям. Технический контроль охватывает все средства производства и осуществляется посредством САК. Эта система решает следующие задачи:

• 1) получение и предоставление информации о свойствах, техническом состоянии и пространственном расположении контролируемых объектов, а также о состоянии технологической среды и производственных условий;
• 2) сравнение фактических значений параметров с заданными;
• 3) передача информации о расхождениях с параметрами моделей производственного процесса для принятия решений на различных уровнях управления производством;
• 4) получение и предоставление информации об исполнении заданных функций.

Система автоматического контроля должна обеспечивать автоматическую перенастройку средств контроля в пределах заданной номенклатуры контролируемых объектов, полноту и достоверность контроля, а также надежность средств контроля. Динамические характеристики САК должны соответствовать динамическим свойствам контролируемых объектов.

Целью контроля может быть, с одной стороны, поддержание требуемого уровня качества продукции с помощью контроля параметров материала, заготовок, инструмента, приспособлений; режима изготовления, измерения и испытания изделия; параметров технологических средств и изделия, а с другой — поддержание в работоспособном состоянии всего автоматического оборудования, вычислительной техники и программного обеспечения путем контроля и диагностирования.

По виду решаемой задачи контроль может быть приемочным, профилактическим и прогнозирующим, а по взаимодействию с объектом — активным и пассивным, параметрическим и функциональным.

Активный контроль, в отличие от пассивного, позволяет исключить появление брака за счет своевременного введения корректирующих воздействий по результатам измерений. Параметрический контроль осуществляется посредством измерения значений параметров объекта контроля.

Функциональный контроль определяет способность правильного выполнения функций, возлагаемых на контролируемый объект, и осуществляется путем сравнения с заданными значениями выходных состояний объекта контроля, например электронной схемы. При этом может выполняться анализ и обработка результатов сравнения, а также диагностирование и поиск дефектов.

По конструктивному решению контроль подразделяется на внутренний и внешний. Внутренний контроль в отличие от внешнего позволяет проводить самоконтроль за счет встроенных средств, например датчиков состояния. Применительно к электронной аппаратуре в этом смысле часто используется термин самотестирование, когда при контроле объект функционирует не на рабочих, а на тестовых воздействиях. Соответственно по реализации во времени контроль может быть непрерывным, когда он производится в процессе функционирования объекта, и периодическим, когда используются тестовые воздействия.

В зависимости от условий производства осуществляется контроль, необходимый для обеспечения техники безопасности. Его основное назначение — профилактика или корректирование работы систем для обеспечения номинальных условий их эксплуатации. Например, пожаробезопасность обеспечивается своевременным обнаружением дыма или огня специальными датчиками. На технологическом оборудовании самоконтроль позволяет остановить систему в случае разрегулирования серводвигателя или зажимного патрона при наличии перегрузок или появлении постороннего предмета в зоне обработки.

Место САК в автоматическом производстве показано на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Место САК в автоматическом производстве Типовая структура САК включает три уровня (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Типовая структура САК

Верхний уровень обеспечивает общий контроль совокупности автоматических ячеек для координации их взаимодействия, перенастройки и ремонта; выдачу информации на пульт управления ГАЛ; решение задач по получению и обработке информации с автоматических ячеек, а также по самоконтролю.

Средний уровень гарантирует контроль автоматической ячейки и предоставление на верхний уровень обобщенной информации о свойствах, техническом состоянии и пространственном расположении контролируемых объектов и составных частей ячейки. При этом решаются задачи по получению и обработке информации о контролируемых параметрах объекта, технологической среды и автоматической ячейки, а также по самоконтролю.

Нижний уровень обеспечивает контроль объектов обработки, технического состояния и пространственного расположения составных частей элементарной автоматической системы, которой может быть станок с ЧПУ, ПР или другое автоматическое оборудование. На этом уровне САК решает задачи по получению и преобразованию информации о контролируемых параметрах и функциях объекта обработки и составных частей элементарной автоматической системы; контролю за исполнением технологических переходов; передаче информации на средний уровень, а также в систему технического обслуживания для прогнозирования постепенных отказов инструмента и оборудования.

Контроль обеспечивающих систем может быть распределен по разным уровням в зависимости от конкретных условий производства.

Существует пять режимов функционирования САК: запуск, рабочий, наладочный, «плановый останов» и аварийный.

Режим запуска начинается с опроса всех элементов и систем ГАП. При этом проводится диагностика их технического состояния, дается команда на выход всех систем в начальное положение и контролируется ее исполнение, проверяются наличие и коды инструментов и заготовок. В процессе проверки система следит за устранением выявленных неисправностей. В режиме запуска задействованы все уровни контроля. На нижнем уровне системы определяются значения параметров и функции контролируемых компонентов элементарной автоматической системы и затем оценивается их соответствие заданным нормам. Информация о техническом состоянии и пространственном расположении компонентов элементарной автоматической системы передается в управляющую ЭВМ. Эта информация является основой для принятия решений о техническом состоянии средств обработки и объекта обработки. Техническое состояние самой управляющей ЭВМ контролируется ЭВМ высшего уровня.

Информация о техническом состоянии объектов обработки передается на ЭВМ для накопления и статистической обработки. Затем ЭВМ среднего уровня передает информацию о техническом состоянии автоматической ячейки и обобщенную информацию об объектах обработки на ЭВМ верхнего уровня. ЭВМ среднего уровня подвергается периодическому самоконтролю по сигналам с центральной ЭВМ и передает ей информацию о своем техническом состоянии. ЭВМ верхнего уровня подвергается периодическому самоконтролю и принимает решение о режиме функционирования САК по информации от автоматических ячеек.

В номинальном режиме САК обеспечивает контроль за качеством изготовления продукции; потоками изделий, инструментов, энергии, информации; функционированием вспомогательных систем (очистка от стружки, промывка, охлаждение, кондиционирование воздуха и др.); техническим состоянием всех элементов и систем ГАП.

В наладочном режиме управляющая информация поступает на ЭВМ верхнего уровня, которая принимает решения о реконфигурации системы контроля на среднем и нижнем уровнях. ЭВМ нижнего уровня устанавливает совокупность контролируемых параметров и функций объектов обработки, а также нормы контроля.

Режим «планового останова» — специфический режим функционирования ГАП, предназначенный для обеспечения последующего запуска не с начального момента работы системы, а с момента ее останова. Обычно в данном режиме предусматриваются завершение операции обработки на станках, снятие и отправка деталей на накопители или склад, разгрузка и приведение роботов-автооператоров и иггабелеров в необходимое для останова положение, запись состояния на носитель, отключение всех видов энергоносителей и всех пультов. Задача САК при этом состоит в контроле отработки сигналов управления. Кроме этого, поскольку реализация режима занимает некоторый промежуток времени, в течение которого элементы и системы Г АП последовательно прекращают функционирование, можно провести диагностику систем и выдать диспетчеру информацию для наладчиков и ремонтников.

Аварийный режим инициируется любым уровнем САК. На нижнем уровне он вызывается превышением допустимого брака, отклонением от нормы параметров либо элементарной автоматической системы, либо самих средств контроля. Сигнал об аварийном состоянии с каждого из уровней передается на более высокий уровень и отображается на пульте управления ГАП.

Технические средства контроля включают в себя измерительные преобразователи, аналого-цифровые преобразователи, сенсорные подсистемы технического зрения, автоматические тестеры и координатные измерительные машины.

Измерительные преобразователи являются первичными носителями информации и составляют важнейший класс устройств контроля. Измерительный преобразователь — это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. К измерительным преобразователям относятся датчики. Датчик состоит из первичного и вторичного преобразователей. Первичный преобразователь преобразует измеряемую величину в электрический выходной сигнал. Вторичный преобразователь преобразует выходной сигнал первичного преобразователя в сигнал стандартного диапазона выхода датчика.

В зависимости от конкретных условий эксплуатации к датчикам предъявляются самые различные требования, основными из которых являются следующие:

• • однозначная зависимость выходной величины от входной;
• • высокая чувствительность;
• • стабильность характеристик во времени;
• • соответствие динамических характеристик условиям измерений;
• • помехоустойчивость и взрывобезопасность;
• • технологичность конструкции;
• • удобство монтажа и обслуживания.

Условная классификация датчиков приведена на рис .2.17.

Рис. 2.17. Условная классификация датчиков

По способности восприятия информации на различных расстояниях от ее источника датчики делятся на бесконтактные и контактные.

Бесконтактные датчики позволяют определять в основном геометрические характеристики объектов с помощью технического зрения и локации.

Контактные датчики измеряют действующие силы и моменты, а также фиксируют координаты точек их приложения посредством силомоментных и тактильных методов измерения.

Техническое зрение используется в промышленности на операциях распознавания и сортировки деталей, взятия деталей из навала, измерения координат движущихся деталей, определения ориентации деталей на сборочных и других участках производства, а также на операциях контроля качества деталей.

Локационные датчики используются для измерения в случае нецелесообразности или невозможности применения технического зрения. Например, эффективна установка локационных датчиков в захвате ПР для слежения сварочной головки за траекторией шва. Использование локационных датчиков в качестве датчиков безопасности позволяет предотвращать столкновение подвижных частей технологического оборудования с предметами и людьми, случайно оказавшимися в рабочей зоне. Многообразие типов локационных датчиков представлено на рис. 2.18.

Силомоментные датчики применяются при выполнении механической сборки, абразивной зачистки и шлифовки изделий, где в процессе выполнения технологической операции необходимо измерять силы и моменты.

Тактильные датчики целесообразно использовать при поиске объектов, идентификации и определении их пространственного расположения; для обнаружения проскальзывания детали и при регулировании усилия захватывания детали, например, в захватном устройстве ПР.

Схема датчика определения направления и величины проскальзывания детали приведена на рис. 2.19.

Рис. 2.18. Типы локационных датчиков

Рис. 2.19. Схема датчика определения направления и величины проскальзывания:

/ - зубчатый шар, 2 — корпус, 3 — стержень, 4 — диск,

5 — электрические контакты

Схема включает свободно вращающийся зубчатый шар, который отклоняет тонкий стержень, установленный на оси проводящего диска. Под диском равномерно расположены электрические контакты. Вращение шара, вызванное проскальзыванием по нему объекта, приводит к вибрации стержня и диска с частотой, пропорциональной скорости вращения шара. От направления вращения зависит, какой контакт будет задействован вибрирующим диском. Усредненное направление проскальзывания определяется по импульсам в соответствующих выходных электрических контурах.

Если контактное усилие не вызывает смещений и деформаций контролируемого объекта, то применяются щуповые методы контроля размеров и формы изделий. Измерительные щупы могут быть выполнены в виде как одиночных щупов для контроля по одной координате, так и трехкоординатньгх измерительных головок или головок со сменными щупами для контроля сложнопрофильных изделий.

Точечные электронные щупы позволяют проводить измерение, не останавливая движение измерительной головки, причем многопозиционные точечные щупы с гнездами для сменяемых наконечников могут контролировать все грани детали без изменения направления щупа.

Электронные щупы для непрерывного сканирования осуществляют точное непрерывное измерение геометрических линий и поверхностей в трехмерном пространстве. Они позволяют повысить динамические характеристики измерительной машины.

На рис. 2.20 изображен внешний вид электронного щупа непрерывного сканирования.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это вид технических средств контроля, обеспечивающий преобразование аналоговых сигналов, поступающих с датчиков, в эквивалентные значения цифрового кода для последующей обработки.

Рис. 2.20. Электронный щуп непрерывного сканирования:

1 — корпус с преобразователем, 2 — измерительный наконечник

К основным элементам аналоговой части АЦП относятся операционные усилители, компараторы напряжения, схемы выборки и хранения, а также аналоговые ключи и коммутаторы, которые используются для коммутации аналоговых сигналов между источником и нагрузкой. Цифровая часть, реализуемая на логических комбинационных схемах, сдвиговых регистрах, счетчиках и других элементах, выполняет функции кодирования, запоминания, сравнения, сдвига и сложения цифровой информации.

Аналого-цифровые преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Способы преобразования в АЦП определяют достижимые значения их основных параметров, в частности таких, как время преобразования и число разрядов.

Сенсорные системы технического зрения представляют собой терминальные подсистемы предварительной обработки видеоинформации, которые могут взаимодействовать через стандартные линии связи с ЭВМ верхнего уровня. Они являются универсальным средством для решения широкого круга задач контроля качества, идентификации и обеспечения управления, в частности, сборочными операциями.

Характерным примером структурной реализации системы технического зрения является схема, приведенная на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Схема системы технического зрения

В качестве рецепторных блоков используются несколько видеокамер, каждая из которых управляется платой аналогового интерфейса путем сравнения с пороговым уровнем для преобразования изображения в цифровое отображение. После сжатия по критерию значимости информация анализируется центральным процессорным боком.

Подсистемы технического зрения способны идентифицировать детали на движущемся конвейере, распознавать ориентацию деталей и выделять перекрывающиеся детали. В процессе распознавания процессор рассчитывает параметры объекта и сравнивает их с данными, сформированными на этапе обучения.

Автоматические тестеры (АТЕ) — это автоматические контрольно-измерительные комплексы, в которых основной метод контроля заключается в подаче с помощью ЭВМ, являющейся внешней по отношению к контролируемому объекту, тестирующих воздействий с контролем путем сравнения с заранее заданным значением ответных реакций контролируемого объекта. В радиопромышленности, например, АТЕ используются для контроля интегральных схем и печатных узлов. Типовая секция формирования тестовых воздействий для АТЕ имеет в своем составе программируемые источники питания, генераторы и схемы коммутируемой подачи сигналов на тестируемый объект.

В состав измерительной части АТЕ обычно входят цифровые мультипликаторы, счетчики-таймеры и коммутируемые схемы приема выходных сигналов с тестируемого объекта. Как правило, все перечисленные устройства в блочном исполнении комплектуются ЭВМ. Конкретный состав блоков, их технические характеристики, возможности коммутации и перепрограммирования зависят от типа контролируемых объектов, а также от вида контроля. В составе АТЕ могут быть использованы внешние интерфейсы для включения АТЕ в локальную вычислительную сеть.

Координатные измерительные машины (КИМ) — это автоматическое средство высокоточных измерений, обладающее универсальной техникой программирования. Они могут не только измерять типовые поверхности, но и определять систему координат положения различных специальных поверхностей относительно базовых. Универсальные КИМ позволяют контролировать параметры корпусных деталей, валов, рычагов, втулок и других изделий, поверхности которых образуют плоскости, цилиндры, конусы, сферы, а также линии пересечения различных поверхностей. При этом результаты измерений представляются в виде отпечатанных протоколов аттестации или оперативных сообщений на средствах отображения буквенно-цифровой и графической информации. Одновременно эти данные могут накапливаться в ЭВМ для последующей статистической обработки.

Обобщенная схема КИМ дана на рис. 2.22.

Координаты точек детали, измеряемой с помощью прямолинейных перемещений измерительных головок ощупывающей подсистемы, измеряются в декартовой системе координат. При этом начало координат выбирается свободно, з направления осей должны совпадать с направлениями перемещения подвижных узлов базовой части КИМ, несущих измерительные головки или измеряемую деталь.

Рис. 2.22. Обобщенная схема КИМ

С помощью встраиваемых поворотных столов можно обеспечить увеличение числа координатных перемещений за счет поворота измеряемой детали относительно координатных осей. Перемещения реализуются обычно подсистемой электромеханических приводов, а автоматическое считывание значений перемещений — измерительными преобразователями индукционного и фотоэлектрического типов. Вся обработка результатов измерения осуществляется управляющим вычислительным комплексом, в состав которого кроме ЭВМ, стандартных периферийных устройств и блока управления электроприводами входят нормирующие и другие необходимые виды преобразователей. К основным задачам обработки измерений относятся определение координат центров измерительных наконечников, формирование системы координат измеряемой детали и сравнение обработанных результатов измерений с эталонными данными.

На базе универсальных измерительных машин и унифицированных измерительных систем отдельных параметров изделий создаются контрольно-измерительные ячейки. Их использование позволяет повысить технико-экономические показатели САК при выходном контроле сложных изделий, например, сверхбольших интегральных схем.

При выносном контроле, обеспечиваемом контрольноизмерительными ячейками, широкое распространение получили измерительные машины для контроля линейных размеров, формы и взаимного расположения плоскостей. В измерительных ячейках, осущестатяющих послеоперационный контроль, целесообразно использовать измерительные роботы, предназначенные для встраивания в технологические линии. На рис. 2.23 изображен внешний вид измерительного робота.

Рис. 2.23. Измерительный робот:

1 — манипулятор, 2 — станина, 3 — измеряемые детали

Такие роботы имеют манипуляторы, перемещающиеся относительно станины, и обладают высокими динамическими возможностями. Для повышения точности в них применяют компенсацию возможных ошибок программным способом по параметрам эталонной детали, записанным в памяти робота.