Микропроцессорные средства в робототехнике и гибких автоматизированных производствах
Ключевым моментом для успешного решения задач создания и внедрения робототехники и гибкой технологии явилось появление микропроцессоров и микроЭВМ. Микропроцессорные средства обеспечивают не только гибкость технологического оборудования, но и экономическую целесообразность массового его применения в отраслях народного хозяйства.
В настоящее время существует необходимость в коренном пересмотре организационно-экономических и технологических характеристик производственной деятельности в направлении создания более динамических и сверхинтенсивных форм производства. Это вызвано потребностями ускорения темпов экономического развития и достигнутыми возможностями научно-технического прогресса.
Главная особенность состоит в том, что впервые в истории проблему интенсификации решают принципиально новым методом — за счет исключения исчерпавшего себя по интенсивности физического труда человека и применения практически неограниченного для интенсификации гораздо более гибкого интеллектуального труда человека, использующего широкие возможности современных ЭВМ.
Начальным этапом в проведении крупных мероприятий по совершенствованию технической и технологической базы в промышленности, а также использовании новых методов организации производства становится создание промышленной робототехники и гибких автоматизированных производственных систем, в которых микропроцессорные управляюще-вычислительные средства занимают в функциональном отношении одно из центральных мест.
Следует отметить, что ключевым моментом для успешного решения задач создания и внедрения робототехники и гибкой технологии явилось появление микропроцессоров и микроЭВМ. Эти микропроцессорные средства обеспечивают не только гибкость технологичсского оборудования, но и экономическую целесообразность массового его применения в отраслях народного хозяйства.
Состояние и перспективы микропроцессорного управления роботами
В последние годы у нас в стране и за рубежом широкое признание получила робототехника и, в частности, промышленная робототехника. С помощью промышленных роботов (ПР) можно эффективно и достаточно универсально автоматизировать наиболее трудоемкие, вредные или опасные для здоровья людей формы ручного труда.
Техническая база развития промышленных роботов заложена еще в X пятилетке. Тогда были созданы более ста моделей роботов, а около 7 тыс. внедрены в производство (главным образом в машиностроительных отраслях промышленности, т. е. там, где уже был богатый опыт создания традиционных средств автоматизации и механизации труда).
В СССР роботы использлвались в целом ряде достаточно хорошо освоенных производств: для установки заготовок и съема изделий, точечной сварки, загрузки кузнечных и штамповочных прессов, нанесения покрытий химическими красителями, контроля элементов конструкций ядерных реакторов и для исследований шельфа морей и океанов.
В XI пятилетке резко расширяется применение промышленных роботов. Усилия ученых, конструкторов и производственников направляются на использование этой техники наряду с машиностроительными также и в немашиностроительных отраслях народного хозяйства (горнодобывающей, металлургической, сельском хозяйстве, строительстве, легкой и пищевой промышленности, на транспорте). Предстоит внедрить свыше 40 тыс. промышленных роботов.
Увеличение количества роботов сопровождается расширением их функциональных возможностей главным образом за счет применения более совершенных систем и методов управления. Именно методы управления являются основой для классификации роботов по трем поколениям: роботы с программным, адаптивным и интеллектуальным управлением.
Управление роботами I поколения
Большая часть эксплуатируемых в настоящее время роботов принадлежит к поколению программно-управляемых и при серийном изготовлении характеризуется сравнительно невысокой стоимостью. Хорошо освоено производство простых роботов с цикловым и позиционным программным управлением, а также более сложных машин с контурным управлением. Отечественная промышленность разработала и серийно выпускает технические средства для реализации каждого вида управления. Это следующие устройства управления: УЦМ (циклового), УПМ (позиционного), УКМ (контурного), УПКМ (позиционно контурного). Главное преимущество роботов с программным управлением в том, что они перекрывают значительный диапазон технологических применений при достаточно простом конструктивном исполнении, но наиболее эффективны в условиях монотонно-циклических операций при сравнительно редких переналадках на новый вид работ. Поэтому с развитием последующих поколений ПР потребность в простых программных роботах не уменьшается, и они успешно совершенствуются.
Вместе с тем ПР с программным управлением не всегда удовлетворяют требованиям новых задач из-за необходимости в строгой упорядоченности и организованности технологической среды, в которой работает робот. Эти дополнительные требования усложняют технологический процесс и удорожают в целом разработку, создание и эксплуатацию роботизированного производства.
Управление роботами II и III поколений
Развивая систему программного управления роботом, удастся преодолеть ограниченность роботов I поколения. Поэтому сейчас интенсивно разрабатываются более совершенные роботы, снабженные средствами очувствления, адаптации и технически воспроизводящие отдельные интеллектуальные функции, присущие человеку.
Задача построения адаптивного управления роботом обычно включает три важных раздела: создание сенсорных устройств, обработка информации с сенсорных датчиков и синтез адаптивных законов управления. Отечественная промышленность выпускает самые разнообразные сенсорные датчики, из которых наиболее популярными в роботехнике становятся тактильные, сило-моментные, устройства технического зрения и, кроме того, более перспективные датчики, основанные на новых принципах и открытиях в области полупроводников, лазерной и ультразвуковой техники. В настоящее время предусмотрено освоение в производстве средств очувствления ПР: несколько типов систем технического зрения, ближней локации, сило-моментного очувствления, датчики внутренней информации о состоянии механических систем робота.
Полезность сенсорных элементов в полной мере проявляется только после обработки и представления в определенном виде информации с датчиков. Среди методов и технических средств обработки сенсорной информации очень важное место занимают методы распознавания образов это общее название для процессов обработки информации, связанных чаще всего с определением геометрических форм, места расположения и ориентации в пространстве объектов. Получаемые от датчиков данные в виде токов, напряжений, чисел и т. п. обрабатываются методами рас познавания, в результате чего из этих данных формируется информационный образ или информационная картина объектов внешней среды. Характерно, что методология распознавания образов все более тонко специализируется по мере расширения ее применений в робототехнике (наиболее быстро — при создании робототехнических средств визуализации и систем речевого анализа и синтеза).
Опыт разработки адаптивных алгоритмов управления был накоплен задолго до появления роботов. Поэтому в робототехнике можно применять апробированные и наиболее современные методы синтеза адаптивного управления. Уже сегодня работы по созданию адаптивных робототехнических систем (РТС) имеют вполне зрелые и качественные результаты. Особенно быстрый прогресс наблюдается при роботизации сверхпрецизионцых микросборочных технологических процессов, свойственных точному приборостроению и электронной промышленности. Требуемая в таких процессах точность манипулирования на уровне единиц и десятков микрон принципиально не достижима без адаптивного управления и средств очувствления с высокими разрешающими свойствами. Перспективны здесь системы технического зрения, использующие в качестве чувствительных элементов видиконы или ПЗС-матрицы (приборы с зарядовой связью).
Адаптивное управление — прочная основа для робототехники новых поколений с высокоорганизованным интеллектуальным управлением, которое уже сейчас разрабатывается исследователями для перспективных робототехнических систем. При этом значительна роль технической имитации и моделирования биологических механизмов регуляции и управления. Реализация интеллектуального управления ПР и РТС несомненно ускорится благодаря микропроцессорным средствам управляющей и вычислительной техники.
Внедрение микропроцессорных средств в робототехнику
Главным стратегическим направлением в развитии систем управления робототехники — переход к микропроцессорным средствам вычислительной техники: микропроцессорам и микроЭВМ. По существу, наступило время полного вытеснения традиционных немикропроцессорных систем управления роботами.
Микропроцессорная техника, обладая высокой гибкостью и универсальностью, может успешно решать следующие наиболее распространенные классы задач робототехники:
Цифровое управление исполнительными механизмами. В таких задачах требуется высокое быстродействие, низкая стоимость, специальная организация архитектуры в виде магистральных шин и стековой адресации памяти. Вместе с тем разрядность микропроцессора в пределах 4—8 обычно достаточна для обработки информации; ограничение на число выводов БИС сказывается мало, что позволяет применять однокристальные микропроцессоры.
Хранение и считывание информационных данных для программного управления. В этих задачах микропроцессоры используются в качестве программируемых запоминающих устройств, поэтому требования к вычислительным возможностям минимальны. Обычно высоки требования к надежности работы, особенно, при перерывах напряжения источников питания. Кроме того, необходимы специальные средства для быстрой отладки и коррекции программ. Основой комплекта системы управления являются микросхемы ЗУ.
Предварительная обработка больших массивов данных в системах очувствления роботов. Эти задачи, как правило, требуют широкого применения параллельной обработки и мультипрограммных режимов, значительной емкости памяти, организации прямого доступа к памяти. Вычислительные процедуры чаще всего стандартизованы, а поэтому состав команд может быть ограниченным. Возможна реализация задач на модульных микропроцессорных наборах.
Алгоритмические или математические задачи. В этих задачах главными ограничениями являются недостаточные производительность и быстродействие микропроцессоров, поэтому приходится прибегать к специальным аппаратным и программным решениям. Предпочтительные средства решения — микроЭВМ со спецпроцессорами и функциональными расширителями.
Управление сложными РТС в режимах реального времени. Эти задачи наиболее трудны для решения из-за включения в состав РТС различных роботов, нескольких типов технологического оборудования, разнородной вычислительной техники, а также в связи с необходимостью предельно быстро обрабатывать информацию при формировании управляющих воздействий. Для успешного решения подобных задач обычно нужен синтез системы управления на основе мультипроцессорных способов обработки информации. Сочетание многофункциональности с условиями режима реального времени требует высокого быстродействия вычислительных средств (>500 тыс. простых операций/с), большой разрядности в передаче . данных (32 разряда), емкости адресуемой памяти более чем 512 кбайт, организации параллельных режимов работы, развитых систем прерываний и синхронизации, контроля и диагностики, наличия мощных трансляторов, и специальных архитектурных построений. Предпочтительные средства решения — многомашинные и мультипроцессорные управляющие вычислительные комплексы и локальные управляющие сети па базе современных микро и мини-ЭВМ.
Следует особо отметить, что, несмотря на все большее применение универсальных микропроцессорных вычислительных машин при создании систем управления РТС, пути использования микропроцессоров в робототехнике часто не совпадают с направлениями их применения в вычислительных системах широкого назначения. Это вынуждает более дифференцированно рассматривать вопросы организации логики и вычислений, построения архитектуры микропроцессорных систем управления роботами и выбора технических средств и математического обеспечения РТС.
Гибкие автоматизированные производства и микропроцессорная техника
В конце 1960-х годов прогресс вычислительной техники и средств автоматизации технологических процессов достиг такого уровня, что в промышленно развитых странах был поставлен вопрос о крупномасштабной автоматизации на основе ЭВМ.
Однако в то время нельзя было точно ответить, где именно проявится наибольший эффект от внедрения новых технических средств — в самой технологии или в областях, связанных с организацией технологии (исследование, проектирование, конструирование, организационное управление).
Поэтому в 1970-х годах достаточно автономно стали развиваться главным образом две сферы автоматизация обработки информации — автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР) автоматизация технологии производства — технологическое оборудование с управлением от ЭВМ, автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), промышленные роботы.
Полученный опыт показал, что автоматизация обработки информации в отрыве от автоматизации технологии не приводит к желаемым результатам. По этой причине в 1980-х годах был взят курс на интеграцию указанных сфер автоматизации, а в настоящее время синтезируются такие разрозненно развивающиеся направления, как САПР, СЧПУ (автоматизация технологического оборудования с использованием числового программного управления). АСУ ТП (автоматизация производства и технологических процессов с помощью ЭВМ), ПР (автоматизация ручного труда средствами промышленной робототехники). Объединение ведется в рамках направления, получившего название гибкие автоматизированные производства (ГАП). Создание таких производств связано с коренной перестройкой управления производственной технологией на основе значительно более комплексной, чем до сих пор автоматизации производства с крупномасштабным применением средств вычислительной техники и роботизированных средств автоматизации, включая автоматизированное технологическое оборудование, автоматизированные транспортные системы, автоматизированное складское хозяйство. Первоначальный мировой опыт разработки и внедрения гибких автоматизированных производств наглядно продемонстрировал жизнеспособность концепции ГАП как высоконнтенсивной и вместе с тем трудосберегающей формы производства.
Отечественный опыт разработок гибких производств также подтверджает их высокую эффективность. Таких примеров в нашей стране уже немало. Например, на Днепропетровском электровозостроительном заводе создан гибкоперестраиваемый цех механообработки многономенклатурной продукции (400 наименований изделий), достигнуто увеличение производительности в 3,3 раза при сокращении численности работающих на 30% и уменьшении производственных площадей на 40%. Смоленский НИИТехноприбор создал несколько роботизированных систем для предприятий своей отрасли. Они позволяют, например, автоматизировать производство терморегуляторов для всех типов изготовляемых в СССР бытовых холодильников, а также сборку измерительных приборов широкой номенклатуры с числом модификаций, превышающим 1000 наименований. Аналогичные примеры есть и в других отраслях промышленности.
Практика разработок выявила разные подходы к решению задачи создания ГАП. Одни разработчики шли простым близким к традиционному путем автоматизации, а другие более широко и смело внедряли наиболее современные прогрессивные технические решения.
Весьма характерно, что относительная стоимость ГАП снижается при использовании системных решений нетрадиционного характера.
Например, английская фирма «Ingersol Engineers» провела в 1981 г. анализ свыше 50 опытных гибких производств в Японии, США и Западной Европе. По данным этой фирмы даже первые далеко не самые совершенные ГАП увеличивают в среднем интенсивность использования оборудования на 30%, уменьшают его простои на 40%, снижают стоимость единицы продукции на 10%, уменьшают потребность в персонале на 30%, обеспечивают поточное изготовление единичных партий изделий, поступающих в случайном порядке при номенклатуре до нескольких десятков единиц. Причем эти цифры получены в условиях, когда новое гибкое производство соседствует с обычным производством и обеспечивает от 3 до 10% в общей мощности выпуска продукции данным предприятием. Стоимость созданных ГАП в станкостроении, автомобильной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении, космической индустрии, пищевом машиностроении составила от 2 до 15 млн. долл, на каждую систему. Следует отмстить, что срок окупаемости был 2-3 года.
Самыми недорогими оказались ГАП, созданные в Японии фирмами «Toshiba», «Hitachi Seiki», «Toioda Machinery», «Fanuc». Из пяти лет, в среднем затраченных на создание ГАП, эти фирмы дольше других (примерно 2 года) отвели на скрупулезный анализ автоматизируемого производства, и детальное планирование хода разработки систем. И именно в ГАП этих фирм наиболее полно было представлено управление всех систем от ЭВМ и другие особенности, свойственные ГАП.
Структура гибкой автоматизированной производственной системы
1 — модели, 2 — структурный анализ, 3 — генерация программ ЧПУ, 4 — изготовление макета, 5 — чертежи и документы, 6 — генерация данных контроля, 7 — оборудование с ЧПУ, 8 — склады-автоматы, 9 — автоматический транспорт, 10 — роботы, 11 — контроль и диагностика, 12 — проект оснастки, 13 — проект оборудования, 14 — выбор оборудования и маршрутов, 15 — оперативная коррекция, 16 — загрузка оборудования, 17 — запуск производства, 18 — проект конструкции, 19 — уточнение характеристик изделия, 20 —- проект узлов и деталей
Общая структура гибкой автоматизированной производственной системы (рисунок выше) состоит из ряда основных подсистем: исследования и комплексного моделирования; проектирования и конструирования; планирования; технологической подготовки производства; изготовления, складирования, сборки и контроля продукции.
Главная особенность структуры — системное комплексное использование ЭВМ для автоматизации не только технологических процессов изготовления, контроля, складирования продукции, но и этапов исследования, проектирования, конструирования, планирования, технологической подготовки производства. Следует отметить, что вопросы исследований, моделирования приобретают в ГАП принципиально новое значение. Если в традиционном производстве исследованием и моделированием занимались отдельные организации или подразделения в отрыве от самого производства, то в ГАП комплексное моделированис становится органической частью производственного процесса, поскольку гибкость перестроения системы управления ГАП требует ее постоянного анализа и развития даже в процессе эксплуатации.
Подсистема исследований осуществляет системный анализ всей производственной деятельности и ее отдельных звеньев, производит математическое, имитационное, полунатурное и натурное моделирование и макетирование систем и техпроцессов, вырабатывает рекомендации по техническому и программному обеспечению гибкости перестроения ГАП.
Подсистема проектирования, уточняет характеристики изделия по грубым моделям, осуществляет структурный анализ элементов изделия, разрабатывает программы ЧПУ для изготовления макетных образцов, проектирует детали и узлы конструкции, выпускает все необходимые чертежи и документацию.
Подсистема планирования обеспечивает оптимальный запуск, загрузку и регулирование хода производства с учетом динамики распределения ресурсов системы.
Подсистема технологической подготовки производства разрабатывает необходимое техническое оборудование (штампы, пресс-формы, специальный инструмент) и оснастку, выпускает чертежи и документацию на оборудование и оснастку, готовит программы ЧПУ для изготовления оснастки, генерирует исходные данные для контроля и измерений в процессе производства.
Подсистема изготовления, складирования, сборки и контроля продукции управляет оборудованием с ЧПУ по изготовлению оснастки, деталей и узлов изделий; управляет автоматическим складированием деталей и узлов; управляет транспортной сетью, технологическими, сборочными и транспортными роботами; осуществляет контроль и диагностику продукции, технологического оборудования; обеспечивает надежность функционирования производственной системы в целом.
Во всех подсистемах возможно использование микропроцессорной техники. Однако это должно быть связано с организацией структуры системы в виде локальной многоуровневой управляющей сети. Нижним и достаточно автономным уровнем является подсистема изготовления, складирования, сборки и контроля продукции. Для нижнего уровня характерны, во-первых, автоматическое управление технологическим оборудованием без участия людей и, во-вторых, групповая организация управления в условиях взаимодействия большого числа единиц разнородной техники. Значительные преимущества здесь могут быть получены в результате встраивания микропроцессорных средств в управляемое оборудование. Именно поэтому в ближайшей перспективе ожидается быстрое развитие микроконтроллерной техники, которая по возможностям приближается к существующим сейчас микроЭВМ.
Остальные подсистемы ГАП более высоких уровней сочетают микроЭВМ с малыми и более высокопроизводительными ЭВМ, что связано с особенностями решаемых на этих уровнях задач.
Таким образом, для построения ГАП необходима весьма разнородная по классам управляющая и вычислительная техника, что выдвигает на первый план не только проблему надежности, но и ряд других, в частности, проблему совместимости.
Совместимость аппаратных и программных средств
К настоящему времени создан достаточно разнообразный набор микропроцессорных вычислительных средств, используемых для построения систем управления. Попытки их унификации наталкиваются на большие затруднения по многим причинам. Так, развитие технологии производства микропроцессоров ведет к расширению номенклатуры изготовляемых устройств. Однако созданный задел программных средств для микроЭВМ часто не позволяет без потерь переключить существующее производство микропроцессорной техники па другие ее типы, так как накопление программного обеспечения дается ценой многолетнего труда разработчиков.
В условиях такого разнообразия микропроцессорной техники серьезной проблемой становится совместимость аппаратных и программных средств.
В нашей стране и за рубежом имеется несколько различающихся направлений или идеологий построения мини- и микроЭВМ. Главные отличия определяются выбором микроэлемеитиой базы, а также архитектуры ЭВМ и выражаются в электрических, информационных и конструктивных несоответствиях микропроцессорных устройств (по уровням напряжения источников питания, ферматам и составу команд, способам обмена данными, конструктивам плат и интерфейса).
В СССР широкое развитие получили два направления создания микропроцессоров и микроЭВМ: семейство моделей «Электроника» (типичные представители микроЭВМ «Электропика-60» и ряд машин «Электроника НЦ») и семейство моделей на базе 8-разрядного микропроцессорного комплекта КР580 (типичные представители — микроЭВМ СМ-1800, системы МС УВТ В7, КТС-ЛИУС-2) с переходом в дальнейшем на 16-разрядные однокристальные микропроцессоры.
Характерно, что внутри указанных направлений обеспечена достаточно полная совместимость аппаратуры и программного обеспечения, однако между моделями разных направлений совместимость отсутствует. Это создает трудности для разработчиков микропроцессорных систем управления, поскольку и микроЭВМ семейства «Электроника», и микроЭВМ на базе набора КР580 широко распространены в промышленных разработках и часто возникает необходимость в их совместном использовании, например, в локальных сетях управления, при групповых методах управления роботами или технологическим оборудованием с числовым программным управлением.
Совместимость программных средств — комплексное понятие, рассматриваемое на уровнях операционных систем, языков программирования, протоколов обмена информацией. В самом общем виде совместимость операционных систем означает возможность для разных ЭВМ обмениваться управляющими воздействиями. Совместимость языков программирования предполагает взаимообмен прикладными программами. Совместимость протоколов — возможность одновременной работы большого числа соединенных между собой ЭВМ и внешних устройств.
Наиболее трудная задача — достижение совместимости на уровне операционных сиг. тем, так как они самым тесным образом привязаны к архитектуре и даже конфигурации конкретной вычислительной системы. Поэтому операционные системы совместимы в пределах семейства ЭВМ одного направления, например, в различных операционных системах реального масштаба времени по-разному осуществляется обработка прерываний, диспетчеризация и синхронизация задач, обмен данными, управление внешними устройствами, динамическое распределение памяти, редактирование, отладка и трансляция программ.
Итак, при создании гибких автоматизированных производств необходимо особое внимание уделять проблеме совместимости используемых микропроцессорных средств.
Современные средства микроэлектронной вычислительной техники и промышленной робототехники стимулировали поворот к новому этапу в развитии комплексной автоматизации производства и привели к созданию роботизированных электронно-управляемых гибких автоматизированных производств, резко интенсифицирующих промышленное производство при одновременном более рациональном использовании производственного потенциала в отраслях экономики.
Литература:
- Управление робототехническими системами и их очувствление /Под ред. И. М. Макарова, Д. Е. Охоцимского и Е. П. Попова. — М.: Наука, 1983.
- Белянин П. II. Ключ к эффективности — гибкость и автоматизация. — Наука и жизнь, 1983, № 8
- Шкабардня М. С. Роботостроение. Новая отрасль промышленности. — Наука и жизнь, 1983, № 10
- The Ingcrsoll Engineers, England, IFS (publications) Ltd. and Ingersoll Engineers, 1982.
- МикроЭВМ CM-1800. M.. ИНЭУМ, 1983.
- Средства автоматизации управления электротехническими системами и изделиями /Под ред. чл.-кор. АН СССР Н. Н. Шереметьевского. М : ВНИИЭМ, 1980.
- Отраслевой каталог.— М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1981, т. 4, № 10, вып. 4.
УДК 681.3-181.48:007.52
Игорь Михайлович Макаров,
заместитель министра высшего и среднего специального образования СССР,
член-корреспондент АН СССР
Виль Закирович Рахманкулов,
заведующий лабораторией Всесоюзного научно-исследовательского института
системных исследований ГКНТ и АН СССР
Статья поступила 15 декабря 1983 г.