Системы группового управления технологическим оборудованием

4.1. Групповое управление оборудованием и роботами

 

Проблема группового управления оборудованием включает в себя два аспекта.

Первый аспект: системотехнический, включающий в себя вопро­сы информационно-технического интерфейса и вопросы синхронизации работы разнородного оборудования, входящего в состав РТК, гиб­кой производственной ячейки, участка, цеха и т.п.

Второй аспект: включает в себя вопросы координации движений группы роботов, манипуляторов, многозвенных захватных устройств ("пальцев рук") с целью уклонения от столкновений при выполнении той или иной технологической задачи.

Под групповым управлением оборудованием понимают взаи­модействие в группе оборудования на уровне связи и синхронизации работы программ числового управления. При этом задачу координиро­ванного управления движущими объектами называют групповым управлением роботами.

При групповом управлении оборудованием проблема организации взаимосвязанного функционирования различных устройств комплекса заключается в сложности программирования и синхронизации их рабо­ты. Сложность программирования и синхронизации определяется раз­нородностью обрабатываемых данных в системе группового управле­ния оборудованием, что требует определенной стандартизации проце­дур передачи и обработки данных.

Передача данных в производственной системе между ЭВМ раз­личных уровней осуществляется, как правило, на основе протокола, определяющего структуру передачи, максимальные пределы времени, код и формат передаваемых данных. Помимо необходимости согласо­вания физических параметров интерфейса необходимо согласовывать параметры на уровне информационного взаимодействия. С этой целью в системе управления используются устройства, выполняющие функ­ции промежуточного хранения данных, связи с оператором, регистра­ции рабочих параметров, концентрации, т.е. подсоединения нескольких систем управления. В качестве средств связи и управления, обеспечи­вающих развитие структуры и высокие скорости обработки данных, в неоднородных вычислительных системах используются локальные сети ЭВМ.

Один из подходов к построению распределенной системы группо­вого управления оборудованием основан на использовании контролле­ров ГПМ и связывающей их между собой локальной вычислительной сети.

Выбор и синхронизация программ работы оборудования в распре­деленной системе группового управления основаны на реализации системой функций логического управления. При этом решают два клас­са задач:

-синхронизация последовательности работы оборудования;

-комбинаторное управление работой оборудования, связанное с анализом состояния системы, проверкой условий и выбором действий. Решение этих задач потребовало разработки и применения специаль­ных проблемно-ориентированных языков в виде имитационного моде­лирования и искусственного интеллекта. Этиязыки так и называются "КОНТРОЛЛЕР" и "КООРДИНАТОР" и подробно описаны в работе [4]. Язык "КОНТРОЛЛЕР" реализует задачи первого класса. Язык ”КО­ОРДИНАТОР" используют для решения задач второго класса, в том числе задач логического управления.

Такое построение группового управления оборудованием позволя­ет достичь более высокой гибкости перепрограммирования системы управления по сравнению с традиционным подходом построения про­граммного обеспечения на основе универсальных языков программиро­вания.

Групповое управление роботами представляет собой координиро­ванное управление движением, позволяющее промышленным роботам уклоняться от столкновений друг с другом или с препятствиями при выполнении ими функциональных задач. Необходимость координации действий промышленных роботов возникает при непосредственной пе­редаче роботами деталей друг другу, совместной работе над деталью или узлом (например металлообработке или сборке), а также при вза­имном уклонении от столкновений в ходе выполнения промышленны­ми роботами независимых задач. Аналогичные задачи координации возникают при управлении захватным устройством с несколькими мно­гозвенными пальцами.

Координация роботов подразумевает две фазы:

- моделирование движения роботов в динамической среде для прогнозирования возможности столкновений;

- управление роботами, обеспечивающее упреждение столкнове­ний и обход препятствий.

Основой координации движений является выбор стратегии укло­нения роботов, для чего используют эвристики различной сложности в зависимости от характера решаемой технологической задачи. Основ­ными типовыми стратегиями управления для двух роботов являются

1) общие рабочие зоны блокируются для обоих роботов при их совместном движении;

2) вход одного из роботов в общую рабочую зону блокирует вход в нее другого робота на все время пребывания первого робота в общей рабочей зоне;

3) вход в общую рабочую зону не заблокирован. Робот с правом приоритета совершает свободное траекторное движение в об­щей рабочей зоне, другой робот уклоняется от столкновения, корректируя собственную траекторию движения.

Анализ рассмотренных стратегий управления показывает, что при первой стратегии имеются ограничения допустимого класса технологи­ческих операций. Например, операции сборки или транспортировки требуют присутствия роботов в общей рабочей зоне. При второй стра­тегии замедляется работа роботов, так как появляется дополнительное время ожидания свободного состояния общей рабочей зоны. Третья стратегия требует быстрых вычислений коррекции траекторий роботов в реальном масштабе времени.

Основным подходом решения задачи автоматического уклонения является геометрическое моделирование. Оно позволяет визуализиро­вать движение каждого робота в трехмерном пространстве и комбини­ровать аналитическое программирование роботов с графическим про­граммированием движений на экране дисплея.

Решение задачи автоматического управления уклонением роботов связано с решением двух подзадач:

- планирование траекторий;

- программирование движений роботов.

Для решения первой задачи используют методы глобального и ло­кального планирования траекторий. Глобальное планирование и свя­занное с ним прогнозирование столкновений осуществляют для всей рабочей зоны роботов. Локальное планирование характерно для теку­щего положения каждого робота.

Методы программирования движений роботов существенно зави­сят от способов планирования траекторий и делятся на два класса:

- программирование в режиме "OFF-LINE";

- программирование в режиме реального масштаба времени. Режим "OFF-LINE" предусматривает программирование до начала

движения роботов, и поэтому методы глобального планирования траек­торий преимущественно используются в этом режиме. Методы локального планирования траекторий применяют при программировании в режиме реального масштаба времени.

Управление при решении задач уклонения в режиме "OFF-LINE" сводится к прогнозированию запретных зон для движения роботов и последующему глобальному планированию траекторий движения, ис­ключающих их попадание в запретные зоны.

Решение задачи уклонения в реальном масштабе времени услож­няется двумя причинами:

- задача является динамической, так как приходится рассматривать движение в окрестности препятствия с учетом неточностей, неоп­ределенных воздействий разброса во время срабатывания роботов;

- из-за ограниченности времени по анализу движения трудно разде­лить этапы обнаружения препятствий и планирования траекторий. Поэтому для управления в реальном масштабе времени характер­ным является совмещение процедур обнаружения препятствий с локальным планированием траектории движения. На практике это означает, что коррекция траектории движения осуществляется в момент первого обнаружения ближайшего препятствия до распо­знавания в ней карты столкновений.

Наибольшее применение для решения последней задачи находит метод иерархического нелинейного группового управления. Этот метод реализует стратегию управления № 3, схема которого при управлении двумя роботами приведена на рис. 4.1.

Основным элементом структуры является координатор 1, который автоматически формирует уклонение одного из роботов при назначен­ном приоритете другому роботу. На вход координатора поступают век­торы W₁(t), W₂(t) и y₁(t), y₂(t), задающие соответственно желаемые и те­кущие значения траекторий роботов. Блок детекции 2 области столкно­вения выявляет существование области столкновений для сегментов траектории с координатами W₁(t + 1), y₁(t), W₂(t + 1), y₂(t). Если область столкновений отсутствует, то желаемые значения векторов W₁(t + 1), W₂(t + 1) после преобразования координат непосредственно используют для управления приводами роботов. В противном случае корректируют желаемые значения векторов   в прогно­зируемый момент времени t + 1 в соответствии с маневром уклонения, который формируют по специальным таблицам выбора решений.