Технологические операции контроля, измерения, диагностики, широко распространенные в промышленности, наиболее трудно поддаются автоматизации. Без автоматизации операций контроля невозможно создание гибких производственных систем и автоматизированных производств с ограниченным количеством рабочих. Для завершения автоматизации всего производственного цикла применяются контрольно-измерительные робототехнические системы (КИРС). Обычно в КИРС сочетаются манипуляционные действия с функциями контроля, измерения, диагностики различных технологических объектов, законченных изделий и заготовок, среды, процессов и т.п. непосредственно в ходе производства. Контрольные операции могут выполняться КИРС как в процессе выполнения технологических операций на различных этапах, так и в конце технологических процессов, когда необходима проверка готовой продукции. Изучение направлений исследований в данной области в нашей стране и за рубежом приводит к выводу о целесообразности использования КИРС в большинстве существующих или разрабатываемых технологических процессов. КИРС в настоящее время находят применение (рис. 1) в процессах сборки, сварки, сортировки, тестирования поверхностей сложных форм, например, лопаток турбин, а также неразрушающего контроля качества материалов и изделий, включая анализ внутренних дефектов в материалах, контроль формы и геометрии изделий, анализ механических величин, проведение диагностики машин и механизмов.
Рис. 1
В отличие от традиционных манипуляционных промышленных роботов КИРС снабжена дополнительным первичным преобразователем для целей технической диагностики, более широким набором тактильных датчиков и устройством обработки, диагностической информации, которым может служить мини- или микро ЭВМ. Применяемая в КИРС ЭВМ или микропроцессорная сеть осуществляет две функции: управление целенаправленным движением исполнительных органов по программе, которая может корректироваться в процессе движения в зависимости от дополнительной информации от тактильных и иных датчиков; прием информации от первичных преобразователей о состоянии контролируемого объекта в процессе манипулирования, ее хранение, автоматическую обработку в соответствии с заданными алгоритмами диагностики и принятие решения о результатах измерения.
В общем случае система управления КИРС состоит из двух основных контуров (рис. 2): программного, управляющего перемещением приводов манипулятора, и диагностического, осуществляющего измерение, контроль или диагностику объекта, а также классификацию исследуемых параметров по определенным признакам, автоматический анализ которых обеспечивает принятие решения. В результате принятия решения производится классификация, например, разбраковка изделий или группирование по классам допусков.
Рис.2
Программный контур может включать первичные преобразователи, предназначенные, например, для поиска и обнаружения края объекта, слежения за его контуром, а также для адаптации к изменяющимся условиям внешней среды, интерфейсный блок согласования с приводами, блок преобразования для связи с микропроцессором.
В диагностический контур могут входить датчики качества материалов, например, предназначенные для обнаружения трещин, раковин, дефектов (после сварки). Информационно-измерительная система КИРС в этом случае будет содержать специальные датчики измерения и диагностирования (рис. 3).
Рис. 3
Области использования КИРС изучаются многими организациями и зарубежными фирмами ведущих отраслей промышленности: машиностроения, авиакосмической промышленности, судостроения, автомобилестроения, приборостроения и других. Сочетание операций транспортирования с операциями измерения или диагностики способствует повышению быстродействия технологического комплекса и стабилизации высоких качественных характеристик контролируемых объектов. Отличительным свойством КИРС является выполнение исследовательских функций. Это стимулирует применение КИРС в промышленной технологии и энергетике, для океанологических и космических исследований. В данной монографии рассматриваются манипуляционные технологические КИРС, условия внешней среды которых не полностью детерминированы. Некоторые общие положения справедливы и для исследовательских роботов иных назначений. Вместе с тем отметим, что океанологические и космические КИРС обладают рядом специфических особенностей, и их рассмотрение представляет предмет отдельного исследования.
Чувствительные элементы и информационные системы КИРС.
Информационные системы КИРС принимают и производят первичную обработку измерительной информации не только для целей планирования механических движений манипуляторов, но и для проведения контроля и диагностики различных объектов. Поэтому информационные системы КИРС обладают необходимым числом чувствительных элементов, обеспечивающих решение поставленной задачи, и довольно сложной развитой структурой. Важнейшими свойствами информационной системы можно считать получение достоверной и адекватной по отношению к измеряемым параметрам информации, отсутствие избыточности и выдача только необходимой информации, которая требуется для проведения контроля и осуществления необходимых движений. Наличие избыточной информации может усложнить алгоритмы обработки, ухудшить помехозащищенность и быстродействие системы.
Информационные системы КИРС несколько сложнее представленных в главе 1 систем роботов, осуществляющих только манипуляционные функции, и содержат самые разнообразные чувствительные элементы, основанные на различных физических принципах. Наибольшее распространение получили устройства технического ирония, пневматические сенсоры, ультразвуковые, электромагнитные, индукционные датчики, лазерные, СВЧ и иные преобразователи 'неразрушающего контроля и дефектоскопии, приспособленные для условий функционирования в КИРС.
В главе 1 были рассмотрены системы очувствления различных типов манипуляционных роботов, в том числе устройства технического зрения как наиболее информативные, и пневматические устройства как наиболее простые и надежные (хотя и менее информативные). В данной главе рассмотрим некоторые особенности и схемы чувствительных элементов оптического и пневматического типов применительно к их функционированию в составе КИРС
Оптические системы находят широкое применение для выполнения контрольно-измерительных функций и для целей управления. Эти системы могут располагаться раздельно по отношению к роботу, а также непосредственно на одном из его звеньев, например, в схвате, если это допускается габаритами и массой оптических систем. Наибольшее распространение получают два типа оптических преобразователей:
1) твердотельные фоточувствительные матрицы - ПЗС-структуры,
фотодиодные матрицы и другие;
2) телевизионные передающие трубки - видиконы, диссектеры, секоны.
Информационные системы КИРС на основе телевизионных трубок имеют сравнительно большие габариты передающей камеры (минимальный диаметр ~40 мм, длина 100-200 мм), однако обладают большой пространственной разрешающей способностью и высокой чувствительностью. Для уменьшения габаритов входного элемента датчика в зоне захватного устройства робота начинает находить применение волоконная оптика. Современные видиконы снабжены волоконно-оптическими пластинами на входе, что обеспечивает их стыковку со жгутами и с модульными усилителями яркости изображения. Твердотельные фоточувствительные матрицы наиболее перспективны дня применения в робототехнике и, в частности, в КИРС Дискретные матрицы позволяют квантовать изображения на входе, обладают широким динамическим диапазоном (до 80 дБ), отличаются высокой помехозащищенностью, быстродействием, что обеспечивает хорошие информационные показатели , а также имеют малые габариты и массы.
Оптические системы позволяют производить анализ больших массивов измерительной информации, их первичную обработку и последующий ввод в мини-ЭВМ для распознавания, улучшения и сравнения изображений объектов внешней среды роботов, что необходимо для высококачественной работы КИРС.
Принцип анализа и преобразования изображения в числовой массив -последовательный (в телевизионных системах) или параллельный (в когерентно-оптических системах). Средства технического зрения КИРС содержат (рис. 4) источники освещения объекта манипулирования, оптическую систему формирования изображения и преобразования его в видеосигнал, интерфейсное устройство стыковки с микропроцессором и далее с ЭВМ, монитор, выключатель блока детектирования. Оптические характеристики объектов измеряются посредством различных фотометрических устройств, использующих явления интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии света, а также нелинейные оптические эффекты, возникающие в результате взаимодействия лазерного излучения с веществом. Для одномерных измерений применяются оптические линейки, для двумерных изображений — фотоматрицы, для объемных изображений - специальные многослойные матрицы, две или три телекамеры или специально разрабатываемые голографические устройства.
