Рассмотрим способы и особенности программирования траектории технологических роботов на примере РТК механообработки (п.4.4 и 5.5).

Выбор декартовой системы координат для задания траектории L в выражениях (5.1) и (5.16) предопределен тем, что во всех рассмотренных технологических операциях необходимо управлять движением непосредственно рабочего органа относительно объекта работ.

Применяются следующие основные способы программирования траектории:

1)  обучение робота человеком-оператором с помощью дистанционного пульта,

2)  автоматизированная подготовка программы на внешнем компьютере с использованием средств САПР и последующей е загрузкой в систему управления робота.

3)  метод "самообучения" робота.

Примером современного дистанционного пульта может служить пульт управления "KUKA Control Panel’, которым оснащаются технологические роботы АО АВТОВАЗ.

Пульт изготовлен с учетом эргономических требований и выполняет функции интерфейса "человек – машина" в режимах обучения и управления движением. Пульт имеет 8-дюймовый дисплей (разрешение VGA 640×480), пленочную клавиатуру, мышь 6D для управления по шести координатам, кнопки аварийного отключения, включения выключения приводов, переключатель режимов работы и выключатели разрешения. С помощью стандартного штекера к пульту можно дополнительно подключить клавиатуру персонального компьютера. Микроконтроллер отправляет клавиатурные данные по стандартной шине в персональный компьютер, дисплейная информация передается через высокоскоростной последовательный интерфейс.

При этом движение рабочего органа как конечного управляемого звена обеспечивается согласованными перемещениями всех исполнительных приводов и звеньев манипулятора.

Предлагаемый параметрический подход позволяет также учесть влияние рабочего процесса на движение робота при выполнении операции. Можно выделить два вида технологических возмущений при механообработке:

а)      погрешности базирования и формы объекта работ, которые имеют систематический характер для конкретного изделия,

б)      случайные изменения технологических параметров, например, колебания припуска и локальные изменения свойств материала.

Систематические погрешности в рассматриваемой системе учитываются на этапе программирования траектории L. Использование адаптивного регулятора позволяет компенсировать влияние отклонений технологических параметров, которые носят случайный характер. Таким образом, осуществляется комбинация коррекции траектории рабочего органа в пространстве (в режиме off-line) с адаптивным управлением контурной скоростью робота во времени (в режиме on-line).

Использование параметрического подхода позволяет свести задачу адаптивного управления многомерной нелинейной системой “технологический робот – рабочий процесс” к синтезу адаптивного управления скалярным параметром – контурной скоростью. Решение этой задачи в реальном масштабе времени, как показали эксперименты, возможно с использованием         серийно выпускаемых микропроцессорных устройств управления.

Важно подчеркнуть, что аргументом векторной функции в уравнении (5.13) является не время t, как в традиционных системах автоматического убавления, а геометрическая переменная – путь.

Желаемое значение контурной скорости определяется по выражением:

где Fpr – желаемое значение управляемой составляющей силы резания (тангенциальной или нормальной к траектории инструмента), F – текущее значение, измеряемое датчиком силы, f – оператор (в общем случае нелинейный), определяющий алгоритм управления контурной скоростью робота.

В частном случае для ряда операций механообработки целесообразно стабилизировать мощность резания. Тогда выражение (5.14) приводится к виду(5.15):

где N – заданное значение мощности резания.

Таким образом, особенность параметрическою полхода состоит в независимом задании траектории рабочего органа в пространстве и в адаптивном управлении его контурной скоростью во времени. Раздельное формирование законов управления движением мехатронной системы в пространстве и во времени позволяет использовать различные критерии при их оптимизации, что соответствует постановке задач управления мехатронными системами, рассмотренной в п.5.1.

Рис 5.11. Блок-схема контурного силового управления

Задачи интерполяции траектории и решения обратной задачи о положении (см.(5.3)) выполняются управляющей ЭВМ в реальном масштабе времени. Результатом работы этих программ является формирование вектора обобщенных координат q(t), который определяет желаемые перемещения степеней подвижностей манипулятора.

Программная траектория (L) рабочего органа определяется геометрическими характеристиками обрабатываемой поверхности и задается как параметрическая функция :

где
 - вектор-столбец, определяющий программное положение и ориентацию рабочего органа в базовой системе координат (см (5.1)),

  – путь, пройденный рабочим органом вдоль траектории (скалярный параметр, который в дифференциальной геометрии называется л октальным).

Контурная скорость робота для операции механообработки целесообразно регулировать в зависимости от величины внешнего силового воздействия. Это позволяет обеспечивать высокую производительность при изменении силы в широком диапазоне из-за переменных размеров и формы заусенцев, а также предупреждать силовые перегрузки исполнительной системы робота. Например, эксперименты показали, что при зачистке облоя на шасси видеомагнитофона с помощью промышленного робота РМ-01 вследствие колебаний размеров заусенцев амплитуда силы резания колебалась в диапазоне (10 – 300%) от номинального значения.

На рис 5.11 приведена блок-схема системы контурного силового управления, которая обеспечивает адаптацию движения робота к возмущающему силовому воздействию. Силомоментный датчик, установленный в запястье манипулятора (рис.4.4), дает информацию о силах, действующих непосредственно на рабочий орган. Силовая обратная связь замыкает систему управления на тактическом уровне, что в сочетании с обратными связями в исполнительных приводах обеспечивает необходимую точность движения. Вычислитель контурной скорости служит для задания технологически рационального скоростного режима движения робота по заданной траектории.

Рассмотрим построение системы управления тактического уровня для технологического робота, выполняющего операции механообработки (описание данного РТК приведено а в.4.3) на основе параметрического подхода.

Технологическая постановка задачи предполагает одновременное управление перемещением рабочего органа по заданной траектории (кривая L) и развиваемой в процессе движения силой (вектор F), которая воздействует на объект работ (рис 5.10) Таким образом, в системе должны сочетаться методы контурного и силового управления движением робота.

Рис. 5.10. Схема роботизированной механообработки

Робот при этом действует аналогично человеческой руке. Действительно, развивая определенные усилия в суставах руки, человек может перемещать в пространстве предметы, выполнять механическую работу. В то же время он с помощью нервно-мышечной системы воспринимает и обратные силовые воздействия со стороны объекта, что позволяет выполнять человеку многие сложные операции, (например, сборочные) даже вслепую.

Приложение принципа двустороннею действия для технологических роботов требует учета их специфики как объекта автоматического управления, а также особенностей роботизированных технологических операций.

Результатом нечеткого вывода является лингвистическое значение искомой переменной. Далее по функции принадлежности необходимо найти ее численное значение (для ПИД-регулятора – конкретные значения его параметров).

Разработаны многочисленные компьютерные методы автоматического выполнения нечетких выводов, фазификации и дефазификации переменных, с которыми можно ознакомиться в специальной литературе.

В принципе операции с нечеткими множествами возможно реализовать и на универсальных компьютерах. Однако в современных системах управления все шире используются специальные аппаратные средства – нечеткие компьютеры и нечеткие контроллеры (ЭВМ шестого поколения). В состав таких компьютеров входят следующие обязательные блоки:

-  блоки, реализующие функции нечеткой логической суммы и произведения, на основе которых можно построить более сложные операционные устройства,

-  устройства нечеткой памяти, технологически выполненные на отдельном кристалле,

- машина нечетких выводов (производительность японского цифрового нечеткого процессора FC110 составляет 28000 логических правил в 1с);

-  блок дефазификации,

-  устройства ввода вывода информации.

Анализ современных тенденций развития теории и техники управления показывает, что нечеткие контроллеры являются одним из наиболее перспективных устройств управления для сложных технических (в частности, мехатронных) систем. Мы рассмотрели применение нечеткого контроллера на низшем – исполнительном уровне управления. Но тем более данный подход эффективен для высших уровней управления, где требуется принимать решения и планировать движение системы в условиях неопределенной информации о внешней среде и объектах работ.

В уравнении (5.14) первое слагаемое соответствует интегральной компоненте ПИД – регулятора, второе слагаемое  - пропорциональной компоненте и третье – дифференциальной составляющей регулятора.

На основании выражения (5.14) составлены следующие ЛПУ для нечеткого контроллера:

Здесь величины Pi, Pui и Ni, Nui (i=l, 2, 3) – соответственно положительные и отрицательные переменные для сигналов рассогласования и управления, функции принадлежности, которых представлены на рис. 5.9. Функции принадлежности для сигнала ошибки имеют вид кривой с насыщением (типа арктангенса), для убавляющего сигнала – обычную линейную форму.

Правило ЛПУ1 означает, что "если текущая скорость х(к) меньше заданной (другими словами, ошибка e(k) положительна), то увеличить управляющий сигнал".

Правило ЛПУ4: "если скорость возрастает (т.е. приращение ошибки отрицательно), то понизить управляющий сигнал". Можно заметить, что в ряде ситуаций нечеткий вывод должен заключаться в компромиссе между противоположными по знаку действиями (например, по правилам ЛПУ 1 и ЛПУ4).

Для вычисления суммы на текущем ни шаге, входящей в данное уравнение, необходимо помнить все предыдущие значения сигнала ошибки е(к), к =0,…,i. Поэтому этот алгоритм мало эффективен для управления в реальном времени. Для получения рекуррентною алгоритма достаточно вычесть из уравнения (5.12) следующее уравнение:

В результате получим формулу для определения приращения управляющего сигнала:

где
 - конечные разности соответственно 1-го и 2-го порядков дискретного сигнала ошибки.

Для математического представления нечеткой информации используются нечеткие множества, состав объектов которых зависит от мнения экспертов, цели и времени формирования множества. Состав множества задастся с помощью функций принадлежности, имеющих вероятностный характер. Так, выражение mA(Х)= С означает, что элемент А принадлежит множеству X с вероятностью С.

Функции принадлежности допускают графическую интерпретацию, при этом по оси ординат может откладываться как числовая, так и лингвистическая переменная, причем возможно как непрерывное, так и дискретное представление функции.

В качестве иллюстрации на рис.5.8 приведены графики функций принадлежности, описывающие для сигнала рассогласования е(t) в замкнутой системе (рис 5.7) нечеткое множество X = "Большая ошибка" (по оси абсцисс отложена безразмерная величина относительной ошибки е0).

Лингвистические значения – это уровни, присвоенные описательной информации в результате экспертного опроса. Важно подчеркнуть, что они соответствуют числовой вероятностной функции, поэтому для их хранения в базе знаний можно использовать стандартные формы (например, двумерные массивы). Разработан математический аппарат, позволяющий выполнять над нечеткими множествами и функциями принадлежности все необходимые операции при фазификации, однако его изучение выходит за рамки данного пособия.

Лингвистические правила управления (ЯНУ) рассмотрим на примере построения нечеткого ПИД-регулятора для управления скоростью движения мехатронного модуля (рис.5 7).

Уравнение ПИД-рсгулятора в непрерывной форме имеет вид (5.10). Для малых периодов квантования Т это уравнение можно преобразовать в разностное, если заменить производную разностью первого порядка, а интеграл – суммой. При использовании численного интегрирования по методу прямоугольников получаем для k-го шага управления: