книги / Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы

Г л а в а СБОРОЧНЫЕ АДАПТИВНЫЕ 7 ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ

7.1. Сборочное технологическое оборудование для производства радиоэлектронной аппаратуры

В настоящее время создано большое количество высоко­ производительного оборудования для производства радиоэлектрон­ ной аппаратуры. Дальнейшее резкое повышение эффективности этого производства может быть обеспечено лишь путем его комплексной автоматизации, создания гибких производственных систем, способ­ ных адаптироваться к изменяющимся условиям производства.

Первым шагом к созданию гибких производственных систем являются автоматические линии, широко применяемые в произ­ водстве радиоэлектронной аппаратуры. Такие системы должны адаптироваться к изменениям номенклатуры выпускаемых изделий, состояния технологиче кого оборудования, самих технологических процессов, параметров материалов, заготовок печатных плат и комплектующих изделий.

Гибкая производственная система, предназначенная для радио­ электронной промышленности, в общем случае состоит из ряда автоматических роботизированных рабочих мест, связанных авто­ матической транспортной сетью с устройствами загрузки и раз­ грузки.

Можно рассматривать три уровня управляющих устройств, на которых решаются определенные задачи.

К устройствам первого уровня относятся локальные системы управления оборудованием: командоаппараты, устройства ЧПУ, системы управления роботами, автооператорами, транспортными средствами. Возможности этих систем определяются характери­ стиками оборудования и часто ограничиваются решением логических задач.

Второй уровень устройств обеспечивает оперативное управление путем передачи соответствующих программ на локальные системы управления. Здесь реализуется автоматический и полуавтоматиче­ ский режимы работы.

Системы управления третьего уровня координируют работу гиб­ кой производственной системы в целом. Они обрабатывают адми­ нистративную и производственную информацию, регулируют гра­ фик работы оборудования и технологические маршруты, принимают организационные решения.

Далее рассмотрим вопросы построения систем управления пер­ вого и второго уровней.

193

Наиболее сложными и трудоемкими в производстве радиоэлек­ тронной аппаратуры являются сборочные операции. Под сборкой здесь понимается установка радиоэлементов на печатную плату, осуществляемая автоматически на специализированном оборудовав нии. При этом нужные точки печатной платы последовательно подво­ дятся под установочную головку, куда подаются необходимые ра­ диоэлементы. Для выполнения сборочных операций в наибольшей степени требуются системы управления, приспосабливающиеся к из­ менениям номенклатуры выпускаемой продукции.

Локальные системы управления в сборочном оборудовании могут состоять из контроллера на основе мини-ЭВМ, быстродействующего устройства считывания с ленты, а также запоминающего устройства с большой емкостью и нескольких периферийных устройств, в число которых могут быть включены быстродействующее печатающее устройство, перфоратор, телетайп и дисплей с клавиатурой.

Позиционирование стола можетосуществляться приводами на основе двигателей постоянного тока, включенных в систему с обрат­ ной связью, измерительным звеном которого является фотоэлектри­ ческий датчик перемещения.

Станки отличаются высоким быстродействием и точностью. Для

Отечественная промышленность также выпускает ряд станковавтоматов, которые являются промышленными роботами для сборки радиоэлектронной аппаратуры. Однако они имеют ограниченную производительность, так как в них используются приводы, построен­ ные на базе шаговых двигателей с системами ЧПУ.

Адаптивный электропривод на двигателях постоянного тока, который реализует оптимальное по быстродействию управление, предназначен для высокопроизводительного сборочного оборудова­ ния в производстве радиоэлектронной аппаратуры. При этом обеспе­ чивается максимальное быстродействие путем адаптации к перемеще­ ниям. Динамические характеристики такого привода значительно превосходят динамические характеристики привода на шаговых двигателях.

Станки с таким адаптивным приводом имеют следующие харак­ теристики:

Для обеспечения оптимального по быстродействию управления необходимо реализовать достаточно сложный закон управления.

194

Упрощенное дифференциальное уравнение движения привода имеет вид

где Гм — электромеханическая постоянная времени двигателя с при­

*иер(вп. C/*) = min/ne„(eHf V).

Согласно принципу максимума для оптимальности по быстро­ действию следует выбирать управление, доставляющее максимум функции

сЮ/dt. '

Можно показать, что управляющее воздействие, минимизиру­ ющее время перехода, будет иметь интервал подачи разгоняющего привод воздействия Um (I) и интервал торможения под воздействием

После преобразований получим общий вид фазовой траектории оптимального торможения

е = kUmT H In (1 + ^ - ) - T MV = F (V ).

Структурная схема привода представлена на рис. 7.1.

195

Рис. 7.1. Структурная схема АСУ ТП участка сборки печатных плат

Блок 1 вычисления требуемой скорости формирует задание контуру 2 отслеживания скорости. Информацией, необходимой для работы блока /, являются рассогласование 0 и ограничение на ско­ рость Vm. Выходной сигнал блока 1 вычисляется следующим об­ разом:

Утр = 7 sign в/7!,

где

у < 1 — коэффициент запаса, учитывающий неточность задания па­ раметров системы и динамические погрешности контура 2.

Как показывает практика, выбор коэффициента у = 0,95^0,85 обеспечивает отсутствие перерегулирования.

В соответствии с определенным выше законом оптимального по быстродействию управления синтезировано устройство управления прецизионным быстродействующим приводом, которое условно можно разделить на основные функциональные блоки: анализатор направ­ ления движения; счетчик реверсивный; регулятор скорости.

Данная система выполнена в конструктивах ЕС ЭВМ на микро­ схемах серий К155 и К553.

В качестве датчиков обратной связи в быстродействующих пре­ цизионных приводах постоянного тока используются обтюрационные растровые фотоэлектрические датчики угловых перемещений, кото­ рые кинематически связываются с валом двигателя постоянного тока.

Фотоэлектрический датчик угла формирует три серии сигналов, функционально связанных с углом поворота его вала. Серии А и В предназначены для измерения углового положения, серия С служит для фиксации точки отсчета.

196

Усилитель мощности, являясь составной частью любой системы автоматического управления, в значительной мере определяет ка­ чество всей системы в целом, и к нему предъявляют ряд специфи-' ческих требований:

малое время запаздывания; хорошая перегрузочная способность, позволяющая обеспечить

пусковой и реверсивный ток двигателя; обеспечение динамического или рекуперативного торможения

двигателя, что необходимо для импульсного управления его ско­ ростью;

малое выходное сопротивление усилителя; достаточно высокая частота коммутации, необходимая для обес­

печения малых пульсаций тока в цепи якоря двигателя.

Из большого количества усилителей мощности, применяемых для систем автоматического регулирования, наиболее полно пере­ численным требованиям удовлетворяют полупроводниковые усили­ тели, работающие в режиме переключений (класс Д). Усилители такого рода с широтно-импульсной модуляцией обладают рядом преимуществ но сравнению с усилителями других типов.

Основные технические характеристики усилителя мощности

Как уже отмечалось, локальные системы управления предназна­ чены для управления отдельными единицами оборудования. В дан­ ном случае каждая локальная система управляет одним робототех­ ническим комплексом, состоящим из сборочного автомата, автома­ тизированных бункерных накопителей и специализированного про­ мышленного робота, осуществляющего загрузочно-разгрузочные опе­ рации. Работа локальной системы управления определяется тех­ нологической программой, введенной в оперативную память опера­ тором или системой управления второго уровня.

В состав локальной системы управления (рис. 7.2) входят устрой­ ство программного управления; пульт управления; фотосчитыва­ ющее устройство; интерфейсные блоки.

Устройство программного управления построено на микроЭВМ «Электроника-60». Специальное программное обеспечение устройства программного управления содержит монитор, инициирующий ра­ боту системы; драйвер клавиатуры; драйвер центра управления, осуществляющий прием сигналов внешних устройств, выполнение команд центра управления и управления работой станка.

197

Рис. 7.2. Структурная схема локальной систеиьг управления

Структура локальной системы управления обеспечивает адапта­ цию практически к любому типу сборочного технологического обо­ рудования.

АСУ ТП участка сборки пе­ чатных плат является системой вто­ рого уровня. Она представляет собой центр, предназначенный для

централизованного диспетчерского управления работой локальных систем управления, управления транспортной системой участка, автоматизации подготовки технологических программ, создания банка программ и данных участка, сбора диагностической информа­ ции и концентрации данных о работе сборочного участка для по­ следующей передачи в АСУ более высокого уровня. Центр управле­ ния обеспечивает быструю и эффективную адаптацию участка к из­ меняющимся условиям производства.

Для сборки печатных плат каждого вида требуется своя техно­ логическая программа, которая готовится автоматически в центре управления и затем передается в локальную систему управления конкретным сборочным оборудованием. Кроме того, центр управле­ ния оперативно вмешивается в работу транспортной системы участка, корректируя маршруты движения заготовок при изменении задания или состояния технологического оборудования. Вместе с тем полная автономность каждой локальной системы управления гарантирует высокую надежность сборочного участка в целом.

контроль и диагностирование оборудования.

Задача технологической подготовки производства включает сле­ дующие подзадачи:

генерирование комплекта технологических программ (при этом в режиме диалога с оператором центр управления проверяет и редактирует всю информацию): автоматическая сортировка элемен­ тов по сборочным автоматам; оптимизация последовательности сборки; расчет производительности оборудования и выдача техноло­ гических программ на входном языке локальней системы управ­ ления;

организация долговременного хранения комплектов технологи­ ческих программ в банке программ и обслуживание оператора при работе с банком;

организация долговременного хранения всей условно постоянной информации в справочнике центра управления и обеспечение управ­ ления справочником при его взаимодействии с оператором и внутрен­ ними подсистемами центра управления.

198

Рис.7.3. Структура специального программного обеспечения

В комплекс задач диспетче­ ризации участка входят:

разработка оптимального гра­ фика работы оборудования;

формирование документов, ре­ гламентирующих загрузку сбо­

рочного технологического оборудования необходимыми элементами; управление обслуживающим персоналом участка; управление транспортной системой участка;

передача технологических программ локальной системе управ­ ления и диспетчерское управление этой системой в соответствии с графиком работы участка;

сбор и предварительная обработка технико-экономической ин­ формации, предназначенной для руководства участка и АСУ более высокого уровня.

При решении задач контроля и диагностирования центр управ­ ления выполняет следующие операции: выявляет отказавшие под­ системы; информирует оператора о сбоях и аварийных ситуациях; выдает рекомендации по устранению неисправностей и проводит административно-статистический учет их причин.

Система управления является обучаемой и при появлении нового оборудования допускает введение дополнительных диагностических алгоритмов.

Все программное обеспечение системы построено по модульному принципу, в соответствии с которым оно делится на компоненты, а те, в свою очередь, делятся на программные модули. Вызов мо­ дулей внутри компоненты осуществляется по методу Ашкрофта— Манны — через коммутатор модулей, который вызывает модули в заданной последовательности. Такая организация программного обеспечения позволяет использовать оверлейный режим работы (программно-организованная виртуальная память). Это экономит объем оперативной памяти, хотя время работы программ возрастает.

В состав программного обеспечения входят следующие компо­ ненты: «Диалог»; «Генератор» (подготовка программ); «Библиотека»; «Справочник»; «Управление и диагностирование технологического оборудования».

Каждая из компонент является законченной программой, кото­ рая может работать самостоятельно. Структура специального про­ граммного обеспечения приведена на рис. 7.3.

«Диалог» является постоянной работающей программой и позво­ ляет оператору вызывать компоненты программного обеспечения и задавать для их работы исходные данные.

«Справочник» хранит всю условно-постоянную информацию об используемых оборудовании и радиоэлементах. Посредством диа­ лога с оператором информация в «Справочнике» может дополняться и корректироваться.

199

«Библиотека» хранит готовые технологические программы. По за­ просам программы «Управление и диагностирование» технологиче­ ские программы передаются в программу «Библиотека» и далее в сборочное технологическое оборудование. Посредством диалога возможна коррекция библиотеки, ввод технологических программ и их вывод на внешние устройства ЭВМ.

«Генератор» составляет технологические программы на основе введенных в файл исходных данных, таблицы спецификаций и коор­ динат и помещает готовую технологическую программу в библиотеку.

Компонента «Управление и диагностирование технологического оборудования» передает технологические программы для сборочного технологического оборудования, следит за ходом их выполнения, выполняет команды оператора по изменению режима работы обору­ дования и передает оператору сообщения о неустранимых сбоях,

атакже оперативную информацию о ходе выполнения задания. Центр управления реализован на мини-ЭВМ СМ-3 и обеспечи­

вает управление группой сборочного оборудования (до 10 единиц). Описанный центр управления и локальная система управления яв­ ляются основой для создания интегральных сборочных комплексов в производстве радиоэлектронной аппаратуры.

Под интегральным сборочным комплексом понимается система, состоящая из единого транспортного поля, исполнительных двух­ координатных приводов, специализированных манипуляторов, ро- ботов-загрузчиков, автоматизированных бункерных кассет и системы управления. Такой комплекс выполняет все множество операций по сборке радиоэлектронной аппаратуры и при минимальных за­ тратах на переналадку оборудования.

7.2.Сборочные роботы

ссиломоментным очувствлением

Автоматизация сборочных операций, в особенности в условиях мелко- и среднесерийного производства, является в настоящее время одним из основных направлений применения адаптивных роботов с силомоментным очувствлением.

Трудности на пути решения задачи автоматизации механической сборки с помощью адаптивных роботов связаны с наличием погреш­ ностей относительного положения и ориентации собираемых деталей, значительно превышающих допуск. Эти погрешности обусловлены погрешностями позиционирования робота, а также неточностью установки объектов в фиксирующем устройстве и в захвате манипу­ лятора. Суммарные погрешности относительного положения объек­ тов могут достигать единиц миллиметров, в то время как допустимая погрешность позиционирования при сборке составляет в среднем 10—30 мкм. Погрешности позиционирования и ориентации собирае­ мых деталей можно уменьшить путем применения различных меха­ нических направляющих и фиксаторов, однако при этом возрастает стоимость сборочного оборудования и снижается гибкость всей

200

Рис. 7.4. Конструкция механического центрирующего устрой­ ства (МЦУ):

i — последнее звено манипулятора; 2 — корпус МЦУ; 3 — упругие элементы МЦУ, обеспечивающие податливость по линейным координатам; 4 — упругие элементы МЦУ, обеспе­ чивающие податливость по угловым координатам; 5 — за­ хват; 6 — деталь типа вал; 7 — фокус МЦУ; 8 — деталь типа

втулка

системы при переходе на выпуск повои продукции. Уменьшение погрешности пози­ ционирования автоматических манипулято­ ров до 10—15 мкм — технически разре­ шимая задача, однако стоимость таких роботов будет значительной.

Компромиссное решение заключается в применении сборочных роботов, погреш­ ность позиционирования захвата которых составляет ~0,1 мм, для сборки по жест­ кой программе широкой номенклатуры из­ делий с соизмеримыми допусками. Эти же роботы, оснащенные дополнительными ус­ тройствами для адаптации к погрешностям

позиционирования объектов, могут быть использованы для прецргзиоиной сборки изделий с относительными зазорами порядка 10 мкм.

Примерами автоматических манипуляторов, обладающих ука­ занными характеристиками, могут служить отечественные роботы типа ПР4-1, роботы «Рита» фирмы «Юнимейшн» (США) и роботы типа «Pragma-A-ЗООО» фирмы ДЭА (ФРГ).

Идея сопряжения деталей, например, вала и втулки, с относи­ тельным зазором порядка 10 мкм с помощью манипулятора, обеспе­ чивающего погрешность позиционирования захвата не более 100 мкм, состоит либо в применении массивных механических центрирующих устройств, либо в использовании дополнительных обратных связей в системе управления робота от датчика вектора сил и моментов, действующих в точке контакта деталей. Хотя пассивный и активный способы адаптации служат одной и той же цели — компенсации по­ грешностей относительного линейного и углового расположения сопрягаемых деталей, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Пассивные механические центрирующие устройства (МЦУ), уста­ навливаемые между последним звеном манипулятора и захватом (рис. 7.4), обладают податливостью по линейным н угловым коорди­ натам, что обеспечивает возможность смещения вала, зажатого в захвате, под действием сил и моментов, приложенных в точке контакта вала с втулкой. Особенностью МЦУ является то, что центр вращения вала относительно осей координат, связанных с захватом, располагается на торцовой поверхности вала, контактирующей с втулкой. Это обеспечивает наилучшие условия сопряжения дета­ лей без возникновения заклинивания.

Основной недостаток применения механических центрирующих устройств, устанавливаемых на роботе, заключается в сложности

201