2888

муфт, вводимых в действие в точке позиционирования. Преимущество применения таких устройств состоит в том, что с их помощью может быть решена другая пробле-

ма — предотвращению самопроизвольного движения манипулятора при аварийном включении питания, что весьма важно для целого ряда технологических процессов.

В системах с электроприводом или пневмоприводом с этой целью часто используют

муфты трения, автоматически вводимые в действие при отключении питания (или

снятия сигнала управления). В системах с гидроприводом с релейным управлением для фиксации механизма используют эффект «гидрозамка». В регулируемом гидро-

приводе этот же эффект может быть достигнут применением специальной конст-

рукции электрогидравлического преобразователя, обеспечивающего практически полное перекрытие при нулевом сигнале. Примером такой конструкции является зо-

лотник «Муг» (Moog), используемый в роботах типа «Юнимейт» (Unimate, США).

Кроме выполнения отмеченных выше функций — управления разгоном и тор-

можением привода, фиксации в заданной позиции — блок ПУ должен вырабатывать также сигнал окончания отработки команды позиционирования. Как правило, для большинства позиций не требуется точного позиционирования, поэтому сигнал ис-

полнения команды выдается по достижении заданного программой рассогласования.

Обычно предусматривают несколько градаций точности, переключаемых в соответ-

ствии с требованиями управляемого процесса, что, в частности, позволяет обходить препятствия без снижения скорости. После выдачи сигнала исполнения движение

обычно продолжается до достижения максимальной точности.

В отличие от позиционной системы задача контурной системы состоит в от-

слеживании непрерывно изменяющегося задания по положению. Структурная схе-

ма контура управления положением совпадает со схемой позиционного управле-

ния при соответствующем изменении функций блоков БЗП и ПУ. БЗП генерирует с определенной частотой последовательность заданий по положению, составляю-

щих траекторию движения. Частота выдачи заданий должна быть достаточно вы-

сокой, чтобы дискретность не отражалась (практически) на плавности движения ме-

ханизма и устойчивости системы. Преобразующее устройство ПУ, выполняющее роль регулятора положения, обеспечивает преобразование формы сигнала управления скоростью и необходимый коэффициент усиления. Применяют и другие типы регуляторов положения (например, пи-регулятор), что придает системе

требуемые динамические свойства.

Отслеживание траектории выполняется со статической ошибкой, величина ко-

торой определяется коэффициентом усиления ПУ и скоростью движения. При посто-

янной скорости движения рабочего органа скорости движения отдельных звеньев ма-

нипулятора могут изменяться в широком диапазоне, что вызывает динамическую ошибку и соответственно повышенные требования к динамическим свойствам САУ.

Расчет динамики следящей системы, включающей такой объект управления, как ма-

нипулятор, весьма сложен, поскольку требует учета многих факторов: малых посто-

янных времени, упругих деформаций, люфта в передачах и ряда других нелинейно-

стей. Анализ осложняется дискретным характером сигналов, поскольку в ПР исполь-

зуются преимущественно цифровые способы управления движением. Последнее по-

лучает дальнейшее развитие при широком применении микроЭВМ.

Схемотехнические вопросы построения системы управления движением.

Однозначное техническое решение имеет система с цифровыми датчиками положе-

ния. В такой системе используют логико-вычислительное устройство (ЛВУ), входны-

ми данными которого являются цифровые сигналы датчиков и задание по положе-

нию, поступающее из цифрового запоминающего устройства, а выход связан со вхо-

дами контуров управления скоростью через цифро-аналоговые преобразователи

(ЦАП, рис. 3.5. Вариантом схемы является применение одного ЦАП и ряда аналого-

вых запоминающих элементов (АЭЗ), связанных с выходом ЦАП через аналоговый коммутатор.

Рис. 3.5. Структурная схема цифровой системы.

Дальнейшим развитием схемы с цифровым управлением является использова-

ние ЛВУ для вычисления корректирующих воздействий и обработки информации с датчиков скорости, момента и т. д., что требует соответствующего увеличения мощ-

ности управления ЛВУ и устройств ввода сигналов аналоговых датчиков. Построение системы с центральным вычислителем (микроЭВМ) затруднено, в частности, сложно-

стью настройки, увеличенной дискретностью во времени. Поэтому такие системы не получили широкого распространения.

Применение аналоговых датчиков положения предоставляет разработчику воз-

можность выбора одного из двух основных вариантов схем — с цифровым или анало-

говым сравнением.

При цифровом сравнении датчики подключаются к ЛВУ через АЦП, при этом могут использоваться один многоканальный АЦП с аналоговым коммутатором на входе или индивидуальные АЦП — в зависимости от времени преобразования, типа датчиков, требуемой точности и т. д.

Рис.3.6. Структурная схема канала системы управления робота «Шин Мэйва».

Схема с аналоговым сравнением имеет свои преимущества: отсутствие мертвой зоны управления, возможность уравновешивания механизма активным моментом двигателя; кроме того исключаются погрешности квантования цепи обратной связи по положению, что определяет возможность повышения точности отработки задания.

Рассмотрим в качестве примера контурную систему управления промышленного ро-

бота «Шин Мэйва» (Shin Mave, Япония) (рис. 3.6). Канал управления содержит анало-

говый сумматор [операционный усилитель (ОУ)], на входы которого поступают сиг-

налы задания по положению с выхода ЦАП и текущего положения с выхода потен-

циометрического датчика ДП. Вход ЦАП соединен с выходом цифрового БЗП через реверсивный счетчик Сч. В режиме обучения на последовательные входы Сч подают-

ся импульсы, изменяющие его выходной код. Изменение кода отслеживается следя-

щим приводом. Запись программы движения в ЗУ осуществляется с выхода Сч. При воспроизведении программы счетчик Сч используется в качестве регистра памяти, в

который заносится задание по положению.

В альтернативной схеме с цифровым сравнением АЦП выполнено, например,

по компенсационной схеме, содержащей последовательно соединенные узел управле-

ния (УУ), ЦАП и компаратор (К), на другой вход которого подается преобразуемое

напряжение. УУ генерирует по специальному алгоритму коды на входе ЦАП, уравно-

вешивая измеряемое напряжение. При этом используется цифровой сигнал на выходе К, отмечающий знак рассогласования.

Анализ источников погрешностей схем показывает, что система с аналоговым сравнением имеет преимущество в точности отработки задания, поскольку при ис-

пользовании однотипных со схемой узлов система не имеет погрешности квантования цепи обратной связи по положению. Недостатком системы является отсутствие АЦП

(точнее, его своеобразное исполнение, поскольку при обучении роль АЦП выполняет вся система, включая привод), что не позволяет использовать во время движения цифровую информацию о положении, необходимую в ряде случаев для учета взаим-

ного влияния координат, пересчета координат при интерполяции, формировании оп-

тимальной характеристики разгона-торможения при позиционном управлении и т. п.

Этот недостаток может быть устранен введением вспомогательного АЦП, требования к точности и быстродействию которого в ряде случаев могут быть снижены, напри-

мер, при позиционном управлении.

С введением указанного АЦП система управления сочетает преимущества ана-

логового сравнения с расширенными возможностями цифрового управления, что дает определенные преимущества по сравнению с ранее рассмотренными системами.

При использовании потенциометрических датчиков можно повысить точ-

ность системы применением в цепи обратной связи преобразователя «угол— интервал времени» (ШИМ) с автоматической калибровкой и соответственно ис-

ключением из прямой цепи управления аналоговых элементов. Сравнение в такой схеме выполняется в форме импульсных широтно модулированных сигналов,

синхронизированных по переднему фронту. Преобразование «код—интервал» (ПКИ)

выполняется с помощью счетчика, работающего на вычитание, в который по входам параллельной записи заносится код задания положения. Временной сдвиг импульса переноса счетчика пропорционален заданному коду. Постоянство масштаба преоб-

разования «угол—интервал» осуществляется автоматической калибровкой, вы-

полняемой регулярно с частотой основного преобразования. Синхронизация рабо-

ты ПКИ и ШИМ, а также идентичность их масштабов преобразования достигается с помощью узла управления УУ, представляющего собой дешифратор состояний счетчика Сч, действующего в циклическом режиме. На вход Сч, а также на входы

ПКИ и преобразователя «интервал—код» ПИК поступают импульсы общего генера-

тора ГИ, что обеспечивает отсутствие влияния ухода частоты ГИ на точность управ-

ления. Наибольший эффект такого технического решения системы может быть по-

лучен при непосредственном управлении широтно-импульсным преобразователем мощности (ШИП), что исключает промежуточные преобразования. Однако для такого непосредственного управления схема нуждается в некоторых уточнениях. От-

метим прежде всего несоответствие масштаба импульсов рассогласования желаемому масштабу импульсов управления приводом. Очевидным является то, что максималь-

ной скорости привода должна соответствовать максимальная длительность импульса,

тогда как рассогласование, при котором скорость должна достигать максимального значения, соответствует зоне торможения и может составлять несколько процентов полной длительности. Это противоречие может быть устранено отключением при больших рассогласованиях (т. е. когда требуется максимальная скорость) обратной связи. При этом прямая цепь управления работает в режиме отработки задания по скорости, а обратная связь с ЛВУ осуществляется через преобразователь «интервал— код» (ПИК). При достижении малого рассогласования определенной величины не-

прерывная обратная связь вновь подключается к УС, и на вход ПКИ поступает зада-

ние по положению. При работе в контурном режиме непрерывная обратная связь су-

ществует постоянно. Обратная связь по скорости подключается к ЛВУ через много-

канальный АЦП. Ограничение по току якоря может быть выполнено, например, с по-

мощью компаратора, отключающего импульсы управления при превышении установ-

ки тока. Частота преобразования «интервал—код» должна соответствовать частоте управления широтно-импульсного преобразователя мощности, составляющей обычно

1—2 кГц.

По аналогичной схеме может быть построена система о индукционными датчи-

ками положения, используемыми в фазовом режиме (рис. 3.7).

Датчики положения, например вращающиеся трансформаторы (ВТ), «запиты-

ваются» от блока питания датчиков БПД однофазным синусоидальным сигналом. С

выходами вторичных обмоток ВТ соединены RC-цепочки, формирующие сигналы,

сдвиг фаз между которыми (временной интервал) пропорционален углу поворота. Ра-

бота рассматриваемой схемы аналогична работе схемы с потенциометрическими дат-

чиками.

Применение комплектных электроприводов со стандартными уровнями вход-

ных сигналов в форме напряжения постоянного тока или гидроприводов с электро-

гидравлическими преобразователями, управляемыми постоянным током, требует преобразования широтно-импульсного сигнала управления скоростью в напряжение постоянного тока.

Рис.3.7. Структурная схема системы управления с фазовращающими датчиками по-

ложения.

Рис.3.8. Структурная схема многоканальной цифроаналоговой САУ.

В качестве примера такой системы рассмотрим многоканальную цифроанало-

говую схему управления позиционно-контурного устройства ЕСМ-04 (рис. 3.8), кото-

рая содержит МП, выполняющий вместе с запоминающим устройством ППЗУ функ-

цию задатчика программы. МП производит необходимые вычисления, связанные с интерполяцией траектории в контурном режиме и оптимизацией характеристики управления в позиционном режиме. МП связан через шину данных (ШД) со входом модуля измерения (МИ), назначение которого состоит в выработке широтномодули-

рованных импульсных сигналов управления скоростью. МИ содержит ШИМ и анало-

говый коммутатор АК1, последовательно подключающий выходы датчиков ко входу ШИМ. Выходной сигнал ШИМ — интервал времени, пропорциональный угловому положению, преобразуется в код с помощью регистра (Рг), в который по окончании интервала заносится код с выхода циклически работающего счетчика Сч. Выход Рг связан черед ШД с МП.

Выходной сигнал МИ преобразуется в напряжение постоянного тока с помо-

щью интегратора с программно-переключаемой постоянной времени (ИН). По окон-

чании преобразуемого интервала напряжение с выхода интегратора записывается че-

рез коммутатор АК2 в соответствующий аналоговый запоминающий элемент (АЗЭ).

Модуль формирования сигналов (МФС) предназначен для преобразования «интервал

- напряжение» по 8 каналам.

Система работает в двух режимах. В режиме непосредственного управления скоростью выход ШИМ отключается от устройства сравнения. Обратная связь по по-

ложению через модуль синхронизации (МС) поступает в МП, который выдает на вход ПК.И код задания по скорости. Этот режим используется при больших рассогла-

сованиях, когда необходимо формировать сложную характеристику, разгона-

торможения. При малых рассогласованиях система работает в режиме управления положением с использованием непрерывных сигналов задания и текущего положе-

ния. Сигнал управления на, выходе МФС в этом режиме имеет непрерывную характе-

ристику (без «мертвой» зоны). Характеристика деформируется по программе в широ-

ких пределах, что позволяет учитывать особенности привода, нагрузки, скорости и т.д.

3.4. Измерительная система

Измерительная система (ИС) предназначена для сбора и обработки информа-

ции о состоянии ПР, оборудования и объектов, с которыми он взаимодействует, а

также о состоянии окружающей среды. Развитость ИС определяется функциональным назначением ПР и условиями, в которых он выполняет свои производственные функ-

ции. ИС включает датчики, линии связи и вторичные преобразователи. Последние размещают, как правило, в стойке управления, однако в некоторых случаях с целью увеличения помехоустойчивости передачи информации их частично или полностью выносят к датчикам. Датчики, предназначенные для контроля движения ПР, разме-

щают на его степенях подвижности (концевые выключатели, датчики положения,

скорости), на захватном устройстве или рабочем инструменте (датчики касания, уси-

лий, проскальзывания и др.) и на основании ПР или вне его (устройство технического зрения, координаторы, локаторы и т. п.). Кроме геометрических параметров, в ряде случаев контролируются также другие параметры — температура, освещенность,

плотность, химический состав и т. д.

Рассмотрим более подробно устройства для измерения углового положения,

наиболее широко используемые для управления движением роботов.

Диапазон погрешности управления положением для подавляющего большинства ПР с позиционным или контурным управлением составляет 0,2-2 мм, что эквивалентно от-

носительной погрешности 2-15-2-11 (по отношению к используемым в ПР диапазонам перемещения).

Наибольшее применение получили датчики потенциометрические (пленочные)

и индукционные (вращающиеся трансформаторы и сельсины). Кодовые и импульс-

ные датчики применяют реже. Существенно отметить, что ПР, оснащенные аналого-

выми датчиками, не характеризуются меньшей точностью управления положением по сравнению с ПР, оснащенными цифровыми датчиками, что объясняется не только развитием техники аналого-цифрового преобразования, но и применением метода обучения при программировании ПР. Как известно, особенностью метода обучения является запись в память информации о положении непосредственно с датчиков об-

ратной связи при ручном управлении роботом. Такой способ программирования обеспечивает компенсацию при управлении систематической погрешности измерения положения, включая нелинейность датчиков, что позволяет достичь значительно бо-

лее высокой точности управления положением по сравнению с точностью датчиков.

Это относится как к позиционному, так и к контурному управлению с использовани-

ем интерполяции, поскольку производимые в последнем случае вычисления относят-

ся к малым отрезкам траектории между позициями-записанными при обучении.

При конструировании ПР часто оказываются важными вес и габаритные разме-

ры датчиков, поскольку их, как правило, устанавливают непосредственно в сочлене-

ниях манипулятора ПР. В особенности это относится к роботам с малой грузоподъем-

ностью. Важное значение имеют также особые условия окружающей среды, посколь-

ку во многих случаях ПР предназначаются для работы в экстремальных условиях, в

том числе при повышенных температуре, влажности, запыленности, загазованности,

радиации и т. д. Поэтому они имеют соответствующую конструкцию датчиков или устройств защиты. Условия эксплуатации влияют также на выбор схемы измеритель-

ной системы с учетом чувствительности к дестабилизирующим факторам.

Измерительные системы на базе потенциометрических датчиков. Для вто-

ричного преобразования наиболее часто применяют аналого-цифровые преобразова-

тели (АЦП) поразрядного уравновешивания на резисторных матрицах. Разработаны быстродействующие 14-и 16-разрядные микросхемы АЦП. На рис. 3.17 приведена структурная схема измерительной системы с использованием АЦП. Схема содержит коммутатор аналоговых сигналов (КА), с помощью которого сигналы датчиков пода-

ются на вход компаратора (К); другой вход подключен к выходу цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Узел управления (УУ) осуществляет переключение разрядов кода на входе ЦАП, уравновешивая измеряемое напряжение. С целью исключения погрешности от нестабильности питания датчиков резистивная матрица ЦАП «запи-

тывается» тем же напряжением, что и датчики. Основную погрешность в схеме вно-

сят КА из-за температурной нестабильности сопротивления открытого канала и од-

нопроводная линия связи, которую трудно защитить от помех.

Чтобы уменьшить влияние помех, применяют двухпроводную линию связи.

Второй провод подключают к средней точке потенциометра или, при использовании двухсекционного датчика, к движку второй секции. Последний вариант предпочти-

тельней, так как при тех же напряжениях питания датчиков, ограниченных напряже-

нием пропускания КА, сигнал на выходе дифференциального усилителя (ДУ) вдвое больше, что увеличивает разрешающую способность измерительной системы. Кроме того, выравнивание выходных сопротивлений источников сигналов на входе линии увеличивает помехоустойчивость и температурную стабильность измерения угла.

Синфазные помехи, наводимые на линию, ослабляются ДУ. С целью повышения синфазности помех и уменьшения их амплитуды провода свивают и экранируют. Од-

нако ДУ вносит собственную погрешность, что снижает достоинства такой схемы.

Повышения точности можно достичь, отказавшись от КА и ДУ и располагая АЦП в непосредственной близости от датчика. При этом необходимо организовать коммута-

цию выходных кодов АЦП и магистраль передачи кодированной информации, что может быть с успехом применено при наличии соответствующих микросхем.

Другой путь повышения точности при использовании потенциометрических датчиков заключается в применении преобразователей с автоматической калибров-

кой, что позволяет компенсировать погрешности КА и ДУ, а также снизить требова-

ния к элементам преобразователя. Преобразование напряжения в интервал времени выполняется путем его сравнения с пилообразным напряжением. Цикл генератора пилообразного напряжения ГПН задает УУ, представляющий собой дешифратор со-

стояний делителя (Д). Частота f0, поступающая на вход Д от генератора импульсов

(ГИ), используется также в преобразователе «интервал — код» ПИК для заполнения

интервала времени, формируемого К, что обеспечивает независимость преобра-

зования «интервал — код» от частоты f0. Постоянство масштаба преобразования «на-

пряжение — интервал» достигается калибровкой пилообразного напряжения. Узел калибровки (УК) контролирует моменты пересечения пилообразным напряжением опорных уровней напряжения, выявляя отклонения этих моментов от эталон-

ных, задаваемых УУ, и воздействует на смещение и наклон пилообразного напряже-

ния с целью устранения этих отклонений. В качестве опорных уровней служат на-

пряжения на входе ДУ при подключенных к его входам с помощью К напряжениях,

имитирующих сигналы датчиков в крайних угловых положениях. Подключение этих напряжений (с чередованием полярностей) ко входам ДУ выполняется узлом УУ в фазе калибровки согласованно с состоянием пилообразного напряжения. При ка-

либровке имеет место соотношение

Ax / A Tx T0 / Tз Т 0 ,

где А - полный диапазон изменения угла; Ax - измеряемый угол.

Погрешность преобразования угла в код складывается (без учета нелинейно-

стей датчика и АЦП) из погрешности нестабильности передаточной характеристики

«угол — интервал» в диапазоне измерения (калибровка относится только к двум точ-