Учебное пособие 800427
.pdfванием, а также формирования сигналов условий выполнения программы выполняет блок ввода-вывода технологической информации (БВВТИ); функции формирования временных и синхронизирующих сигналов — блок синхронизации (БС).
Рассмотренные блоки (модули) совместно с пультами управления и обучения составляют единую унифицированную функциональную основу структур обеих сис-
тем управления.
В системе управления УПМ-331 блок управления скоростью обеспечивает пе-
ремещение подвижных органов манипулятора с заданной скоростью с учетом дина-
мических характеристик манипулятора и требуемой производительности, а также осуществляет накопление текущей информации о движении манипулятора по коор-
динатам. В состав блока входят «координатные» узлы управления скоростью
(УУС1—УУСЗ), накопители информации 1—3. Узел управления скоростью данной координаты обеспечивает выдачу на соответствующий коммутатор дискретного при-
вода и накопитель информации сигналов унитарного кода перемещения по координа-
те. Накопитель информации осуществляет накопление и хранение кода текущего по-
ложения подвижного органа манипулятора с учетом информации исходного положе-
ния манипулятора, поступающей по шине С из АЛУ ОЛБ.
Координатные коммутаторы блока управления дискретным приводом (КШП1-
3) представляет собой схемы 12-тактной коммутации, необходимые для управления дискретными двигателями.
Блок управления приводом в системе УПМ-772 первоначально был построен на основе цифроаналоговых преобразователей со схемами местного управления
(ПКН1—ПКН7) и усилителей сигналов привода (УМ1—УМ7), обеспечивающих формирование выходных управляющих напряжений постоянного тока при поступле-
нии напряжения из соответствующего ПКН или из пульта обучения по данной коор-
динате.
В качестве модификации структуры блока позднее был использован единый,
работающий в режиме разделения времени, функциональный цифроаналоговый пре-
образователь с элементами запоминания выходных напряжений, поступающих на привод. Управление скоростью движения манипулятора при работе устройства по программе осуществляется в обоих случаях путем изменения кода информации, по-
ступающей на вход блока.
Измерительная система (ИС) обеспечивает цифровое измерение положений ко-
ординат манипулятора и содержит канальные преобразователи сигналов датчиков в сдвиги фаз грубого и точного счетов (формирователи фаз ФФ1—ФФ7), преобразова-
тели «фаза— код» (ПФК1—ПФК7) и общий блок питания датчиков (БПД).
Системы управления УПМ-331 и УПМ-772 работают по сканирующему прин-
ципу. Частота сканирования переменна и зависит от длины ветви алгоритма управле-
ния, т. е. числа циклов, участвующих в выполнении той или иной конкретной опера-
ции. Такое многократное выполнение одной операции значительно повышает общую надежность системы, так как отдельные случайные сбои не оказывают влияния на ко-
нечный результат.
Реализация систем управления по структуре с центральным вычислителем по сравнению с децентрализованной структурой на основе интегральных микросхем, на-
пример, серии К155, является предпочтительной, так как в отличие от аппаратной реализации алгоритмов управления она позволяет более гибко осуществлять построе-
ние различных алгоритмов путем смены микропрограммы в МПА без изменения ап-
паратуры других функциональных блоков и структуры системы в целом; повышает информационно-вычислительные возможности системы, что обеспечивает ее приме-
нение для решения более широкого круга задач позиционного и контурного управле-
ния ПР и т. д.
Микропрограммный автомат в системах УПМ-331 и УПМ-772 рассчитан на ис-
пользование состояний с числом не более 256, которое является достаточным для ав-
томатизации технологических операций средней сложности с использованием пози-
ционных ПР, например, загрузка-разгрузка металлорежущих станков (до 4-х единиц),
контактно-точечная сварка, штабелирование и т. д.
Структура и функциональный состав систем управления ПР различны в зависимости от автоматизируемой задачи управления. Сложность систем, а следова-
тельно, и объем затрат могут существенно изменяться в зависимости от сложности задачи управления при использовании так называемой жесткой системы, при которой логическая взаимосвязь основных модулей оборудования и алгоритм управления вы-
полнен преимущественно аппаратным способом. Неуклонно увеличивающийся объем задач управления, их разнообразие и специфика при одновременно существующих сегодня возможностях использования в системах программного управления ПР мик-
роЭВМ и БИС, относительно дешевых и малогабаритных, обладающих доста-
точной надежностью и быстродействием, предопределяют при построении современ-
ных средств программного управления использование так называемых мягких принципов программирования. МикроЭВМ и БИС в структуре рассматриваемых
систем позволяют автоматизировать выполнение разнообразных операций и их ком-
бинаций и обеспечивают возможность программирования алгоритмов управления путем изменения состава программного (математического) обеспечения без сущест-
венного изменения структуры и объема аппаратуры изделия. Однородность структу-
ры, высокая степень совмещения реализации различных алгоритмов на одном и том же аппаратном оборудовании, возможность формализации описания алгоритмов обеспечивают таким системам с использованием принципов блочно-модульного построения аппаратной и программной частей системы более эффективное реше-
ние поставленных задач управления, а также получение без излишней избыточности требуемых модификаций систем с удовлетворительными технико-экономическими показателями.
Реализация систем управления с использованием микропроцессорных наборов и микроЭВМ в качестве управляюще-вычислительной части приводит к традицион-
ной структуре средств вычислительной техники, в которой центральный вычислитель через систему унифицированных шин связи по стандартному каналу подключен к пе-
риферийным функциональным блокам (модулям), номенклатура которых соответст-
вует конкретному исполнению системы с заданными техническими характеристика-
ми.
На рис. 2.4 приведена структурная схема системы управления на базе микро-
ЭВМ со следящим приводом, функциональный состав которой для удобства сравне-
ния аналогичен описанной ранее системе управления, показанной на рис. 2.11. В ка-
честве вычислителя в системе применена микроЭВМ, технические характеристики которой (быстродействие, объем внутренней памяти, система команд и др.) должны удовлетворять требуемому уровню управления робототехнического комплекса. По каналу микроЭВМ (системе стандартных связей) осуществляется обмен адресной, чи-
словой и управляющей информацией с подключаемыми периферийными модулями аппаратуры системы.
Внешний программоноситель — кассетный накопитель на магнитной ленте
(КНМЛ) взаимодействует с микроЭВМ через модуль управления КНМЛ, организация сопряжения которого подчинена требованиям канала связи. Модуль постоянного за-
поминающего устройства (ПЗУ) обеспечивает хранение программного обеспечения устройства (ПРО), отдельных стандартных подпрограмм управляющей программы и т.д. Модуль оперативной памяти (ОЗУ) используется для хранения управляющей про-
граммы, промежуточной информации вычислений и т.д. В зависимости от сложности решаемых задач управления осуществляется выбор типа микроЭВМ и объемов (числа модулей) постоянного и оперативного запоминающего устройств с учетом возможно-
го сочетания способов хранения ПРО в обоих типах памяти.
Рис. 3.12. Структурная схема системы управления ПР на базе микроЭВМ:
Модули: 1 – управления приводом; 2 – сопротивления с датчиком; 3 – ввода ТК; 4 –
вывода ТК; 5 – таймера; 6 – сопряжения ПО; 7 – сопряжения Поп; 8 – Управления КНМЛ.
Функциональное назначение модулей управления приводом, сопряжения с из-
мерительным датчиком положения, ввода и вывода технологических команд (ТК) ос-
тается прежним, изменяется лишь организация внутренней связи с вычислителем. Со-
став этих модулей определяется из соотношения минимального и максимального числа управляемых каналов связи с внешним оборудованием и должен быть опти-
мальным для построения различных модификаций системы в отношении избыточно-
сти оборудования, неизбежной при построении унифицированных систем по блочно-
модульному принципу.
Модуль таймера обеспечивает формирование требуемой серии синхронизи-
рующих сигналов, временных выдержек в широком диапазоне и т.д.
Характерной особенностью пультов оператора в системах управления, постро-
енных по данной структуре, является наличие клавиатуры для набора, редактирова-
ния и т.д. массивов информации ПРО, а также развитой системы отображения этой информации на пульте. В качестве средств отображения в этом случае обычно ис-
пользуют электронно-лучевые трубки, плоские газоплазменные дисплеи, наборы цифровых индикаторов и т.д.
Распределение общего для системы состава органов управления, средств инди-
кации, сигнализации на пультах оператора и обучения различно и осуществляется главным образом по критерию удобств программирования в процессе обучения, а
также с учетом степени использования их при эксплуатации непосредственно в ре-
жиме управления.
Программирование алгоритмов управления в системах, построенных по рас-
сматриваемой структуре, осуществляется на основе математического обеспечения,
позволяющего, например, на одном и том же функциональном составе оборудования системы производить позиционное или контурное управление с различными видами интерполяции; видоизменить логическую организацию управления в соответствии с изменением технологического процесса; расширить состав функций управления.
Таким образом, реализация данной структуры на основе блочномодульного принципа построения функциональных узлов аппаратуры позволяет осуществить
«варьирование» функционального состава изделия без изменения его структуры и по-
лучить необходимую модификацию системы. Кроме того, построение по модульному принципу системы программного (математического) обеспечения позволяет без су-
щественных затрат также получить требуемый состав ПРО для конкретного исполне-
ния системы. Все это сокращает сроки разработки и изготовления систем, обеспечи-
вает лучшую их эксплуатацию, дает возможность без особой сложности внести до-
полнения в системы даже после их установки у потребителя.
На основе такой структуры построены, например, отечественные системы управления типа УКМ-552, УКМ-772, зарубежные системы роботов типа ПУМА
(PUMA), «Юнимейт» (Unimate) и т. д.
Номенклатура основных функциональных модулей аппаратуры современных
систем управления позиционно-контурного класса включает, помимо приведенных выше, модули управления накопителями на гибких магнитных дисках, связи с ЭВМ,
приема информации от сенсорных датчиков, сопряжения с различными типами при-
водов (следящих, шаговых, комбинированных), измерительных датчиков (фазовых,
кодовых, аналоговых) и т. д.
Следует отметить, что построение унифицированных систем управления на ба-
зе микропроцессорных наборов и микроЭВМ с использованием блочно-модульного принципа приводит к определенной избыточности оборудования и не является при всех его преимуществах единственным эффективным способом построения систем управления данного класса. В ряде случаев построение специализированных систем управления ПР целевого назначения, например, для определенных видов сборки или окраски экономически оправдано и целесообразно.
Рис. 2.5. Сравнительная оценка эффективности системы управления ПР.
На рис. 2.5 дана качественная оценка аппаратных затрат систем управления, по-
строенных по различным принципам структурного построения, в зависимости от ин-
формационно-вычислительных возможностей (числа функций управления), необхо-
димых системе для управления робототехническим комплексом оборудования с раз-
личной степенью автоматизации технологических процессов.
Линия 1 показывает зависимость аппаратных затрат оборудования в системе с реализацией алгоритма управления «жестким» аппаратным способом; линия 2 харак-
теризует системы управления, алгоритм управления которых реализован также аппа-
ратурно, но с возможностями его варьирования в блоке управления без изменения структуры и других блоков системы (например, система УПМ-772) линия 3 характе-
ризует зависимость для систем, построенных на базе ЭВМ и гибко реализующих ал-
горитм управления за счет ПРО.
Повышение информационно-вычислительных возможностей систем управления по-
зиционно-контурного класса, построенных на базе микропроцессорной техники, свя-
зано с увеличением «мощности» центрального вычислителя и соответственно объе-
мов памяти при реализации структуры, или созданием мультипроцессорной системы управления, в которой, например, функции управления движением руки манипулято-
ра возложены на один процессор, функции обработки логической информации — на другой и т. д. Примером построения такой мультипроцессорной системы может слу-
жить система управления роботом СКИЛАМ (SKILAM, Япония).
2.3. Универсальные системы
Современные ПР, эксплуатируемые в различных сферах производств, в своем большинстве являются разомкнутыми по отношению к внешней среде; они эффек-
тивно работают по жесткой программе при условии хорошей организации производ-
ственного процесса и исключения случайных изменений в программе. Двигательные системы таких роботов в той или иной степени копируют руку человека (антропо-
морфные конструкции с большим числом управляемых координат), их неотъемлемой частью являются управляющие микро-ЭВМ. Совокупность средств очувствления и всего математического обеспечения систем управления ПР составляет то, что сейчас принято называть системой искусственного интеллекта.
Создаваемые для роботов «органы чувств» адекватны органам чувств человека и условно делятся на тактильные, зрительные и слуховые средства очувствления или адаптации.
Основными предпосылками к появлению вычислительных систем о параллель-
ной обработкой информации явились:
-необходимость решения задач, недоступных одной ЭВМ (включая задачи распознавания образов, оптимального выбора маршрутов и т. п.);
-появление микропроцессоров и микроЭВМ, которые можно использовать в качестве технических средств для построения параллельных вычислитель-
ных систем;
-потребность в повышении производительности микропроцессорныx систем;
-необходимость создания живучести управляющих систем, способных про-
должать функционировать при выходе из строя отдельных блоков.
При создании мультипроцессорных адаптивных систем управления очувст-
вленными роботами предпочтительна система с трехуровневой структурой. На ниж-
нем уровне решаются простые задачи управления перемещением, на среднем — про-
изводится обработка информации от сенсорных устройств, на верхнем — вырабаты-
вается модель окружающей среды, которая сравнивается с моделью, записанной в памяти для данного этапа выполнения задачи, а также принимается решение о даль-
нейшем ходе выполнения задачи.
Система выполнена на пяти микропроцессорах, из которых первый использован для выполнения операции преобразования координат, второй — для вычисления тра-
ектории движения, третий — для обработки информации от системы технического зрения, четвертый — для обработки информации от тактильных датчиков и датчиков усилия и пятый — для связи с мини-ЭВМ. При дальнейшем развитии этой адаптив-
ной системы управления возможно создание более сложной иерархической структуры с перекрестными связями, состоящими из многих десятков микропроцессоров для управления робототехническими комплексами и полностью автоматизированными производствами, в состав которых входят очувствленные ПР.
2.4. Системы группового управления
Групповое управление необходимо при организации совместного управления роботами в составе робототехнических комплексов (РТК) и является одним из основ-
ных аспектов управления промышленными роботами и технологическим оборудова-
нием автоматических производств. Подобная задача возникает и при управлении не-
сколькими манипуляторами одного робота. Специфика последней задачи состоит: в
наличии пространственно-временных ограничений на движение отдельных манипу-
ляторов, конструктивно находящихся на одном основании, рабочие зоны которых мо-
гут пересекаться. Простейшим вариантом группового управления является управле-
ние автономно действующими роботами. В этом случае задача группового управле-
ния сводится к распределению мощности управляющей ЭВМ между несколькими пользователями.
Как показывает опыт внедрения и эксплуатации отдельных РТК на участках машиностроительных производств, не всегда удается получить желаемые показатели
технико-экономической эффективности — необходим комплексный подход к реше-
нию вопросов автоматизации производства.
Комплексно-автоматизированный участок с применением ПР, включающает в общем случае следующие основные системы:
-одно- и многоманипулярные РТК, обеспечивающие загрузку основного тех-
нологического оборудования и обработку деталей;
-транспортную систему (транспортный робот или конвейер), обеспечиваю-
щую передачу деталей между РТК и складом;
-систему складирования для упорядоченного хранения заготовок межопера-
ционных заделов и готовых деталей;
-систему центрального управления участков, организующую планирование работы участков и обеспечивающую связь с АСУ высшего ранга.
Приведенный пример иллюстрирует постановку новых требований управления,
предъявляемых к средствам программного управления в составе РТК: с одной сторо-
ны, необходимость увеличения информационно-вычислительных возможностей ло-
кального устройства управления РТК как «модуля» всей системы управления; с дру-
гой стороны, иерархичность уровней управления автоматизируемого участка, увели-
чивающаяся на переходе к автоматизации переналаживаемых линий, цехов, произ-
водств.
Управление гибкими автоматизированными производствами (ГАП) базируется сегодня на использовании современных средств вычислительной техники.
Применение мультипроцессорных систем для построения средств управления роботами и робототехническими комплексами отвечает основным тенденциям разви-
тия управляющих систем робототехники благодаря таким общим свойствам мульти-
процессорных систем, как параллельность выполнения большого числа операций, мо-
дульность и однородность, а также программная изменяемость логической структу-
ры.
Суть принципа параллельности состоит в том, что в системе одновременно вы-
полняется обработка информации по большому числу программ и их частей. Это по-
зволяет организовать большое число контуров управления.
Согласно принципу модульности и однородности систему строят из идентич-
ных базовых модулей, аналогичным образом соединенных между собой. Модуль-
ность архитектуры отвечает требованиям унификации и стандартизации со всеми вы-
текающими отсюда преимуществами.
Программная изменяемость логической структуры определяет возможность ор-
ганизации из отдельных модулей управляющих систем, наиболее соответствующих оптимальным для конкретных задач алгоритмам управления. Важной особенностью систем с переменной логической структурой является их высокая живучесть, ^ обес-
печиваемая реконфигурацией системы (неисправный модуль исключается, и его функции распределяются между исправными модулями).
Известно большое число вариантов архитектуры мультипроцессорных систем, кото-
рые различаются степенью реализации в них указанных выше принципов.
Рис.2.5. Варианты мультипроцессорной структуры вычислительных систем: ВМ – вычислительный модуль; ЦК – центральный коммутатор:
а – с общим запоминающим устройством; б – шинная архитектура с центральным коммутатором; в – двухмерный массив ВМ с регулярной связью; г – трехмерная регу-
лярная архитектура.
На рис. 2.5 показаны четыре типа мультипроцессорной структуры. Варианты,
показанные на рис. 2.5, а и б, получили наибольшее распространение в первых систе-
мах параллельной обработки информации как наиболее простые. Более полно основ-