Řízení síly robotu: od detekce kontaktu ke stabilnímu procesu

Polohové řízení funguje dobře, když obrobek, přípravek, nástroj a robot zůstávají na místech, která program očekává. Broušení, leštění, odjehlování, zasouvání, sledování povrchu a testování výrobků tento předpoklad narušují: kontaktní síla se mění v závislosti na toleranci dílu, chybě přípravku, opotřebení brusiva, tepelné roztažnosti a místní geometrii povrchu.

Řízení síly přidává zpětnou vazbu ze samotné interakce. Řídicí systém dokáže detekovat kontakt, umožnit poddajný pohyb, regulovat tlak nebo přizpůsobit rychlost, když se síla odchýlí od požadované hodnoty. Díky tomu je proces tolerantnější k omezeným odchylkám, neodstraňuje to však potřebu správné mechanické konstrukce, kalibrovaných údajů o užitečném zatížení, stabilního nástroje ani bezpečnostního systému pro snižování rizik s bezpečnostní certifikací.

Snímač na zápěstí měří kontaktní síly procesu v blízkosti nástroje a zároveň zachycuje vlivy užitečného zatížení, zrychlení, kabelů a setrvačnosti.

Zvolte zdroj zpětné vazby podle procesu

Některé roboty odhadují vnější moment na základě proudu motorů kloubů a dynamického modelu. To může podporovat obecnou detekci kolizí a poddajnost bez přidání hardwaru na zápěstí. Přesnost závisí na tření v převodech, kompenzaci gravitace, hmotnosti užitečného zatížení, poloze těžiště, poloze robota, teplotě a zrychlení. Malé kontaktní síly může být obtížné odlišit od vlastní dynamiky robota.

Externí šestiosý snímač síly a momentu měří síly a momenty blíže procesu. Může nabídnout vyšší citlivost a přímější informace o kontaktu nástroje, ale přidává hmotnost a výšku sestavy, mění užitečné zatížení a setrvačnost, vyžaduje kabeláž a integraci signálu a má omezenou kapacitu pro přetížení. Snímač musí být dimenzován na náhodná zatížení i běžný rozsah procesu; zařízení zvolené pouze pro jemné rozlišení se může poškodit při kolizi nebo výměně nástroje.

Třetí možností je mechanická poddajnost, například plovoucí nástroj, pohon s konstantní silou nebo poddajné zápěstí. Pasivní poddajnost může být robustní a rychlá, zatímco aktivní zpětná vazba síly poskytuje programovatelnost a diagnostická data. Mnoho úspěšných pracovišť kombinuje obojí: mechanická poddajnost pohlcuje vysokofrekvenční odchylky a regulační smyčka robota koriguje pomalejší změny.

Přizpůsobte režim řízení úloze

Detekce kontaktu sleduje prahovou hodnotu síly nebo momentu a poté změní stav nebo zastaví přibližování. Je užitečná při hledání povrchu nebo potvrzení dosednutí, ale prahová hodnota musí zohledňovat šum, hmotnost nástroje, rychlost přibližování a setrvačné zatížení. Prahová hodnota, která funguje při pomalém testu, může při kontaktu výrobní rychlostí reagovat příliš pozdě.

Poddajnost umožňuje pohyb při zatížení, často podél vybraných os při omezení ostatních. Řízení konstantní síly reguluje požadovanou normálovou sílu, zatímco robot sleduje povrch. Vyhledávací rutiny kombinují omezenou sílu se spirálovým, rastrovým nebo směrovým pohybem a lokalizují prvek pro zasunutí. Přizpůsobení rychlosti může při zvýšení naměřeného zatížení zpomalit obráběcí dráhu, snížit přetížení a zároveň zachovat postup.

Každý režim potřebuje omezení: maximální posunutí, maximální sílu a moment, povolené osy, rychlostní limity, časový limit, směr úniku a chování po ztrátě signálu snímače. Bez těchto omezení může smyčka řízení síly pokračovat v tlačení, protože požadované hodnoty nebylo nikdy dosaženo.

Stabilní kontakt závisí na dynamice robota, tuhosti nástroje, rychlosti procesu, proměnlivosti povrchu, filtrování a nastavení regulační smyčky.

Šířka pásma regulační smyčky se musí sladit s mechanickou poddajností

Kontakt mění dynamiku systému. Tuhý nástroj proti tuhému dílu může vytvořit vysokou vlastní frekvenci a zesílit malé prodlevy nebo měřicí šumy. Nadměrné zesílení může způsobit kmitání; silné filtrování sice omezuje šum, ale přidává fázové zpoždění a může destabilizovat nebo zpomalit odezvu. Měkké rozhraní se řídí snadněji, ale může snížit přesnost dráhy nebo konzistenci procesu.

Uvádění do provozu by mělo začít nízkou rychlostí a konzervativní silou, s ověřenou hmotností nástroje a polohou těžiště. Snímač nastavte na nulu ve správné poloze a při odpovídajících teplotních podmínkách a poté vyhodnoťte více poloh robota, protože kompenzace gravitace a konstrukční tuhost se v pracovním prostoru mění. Sledujte skutečnou sílu, požadovanou sílu, korekci polohy, rychlost a příznaky saturace. Plynulý průměr může zakrýt škodlivé špičky, proto data zaznamenávejte dostatečně rychle pro zachycení kontaktní události.

Oddělte regulaci procesu od bezpečnosti stroje

Prahová hodnota síly používaná pro řízení kvality není automaticky bezpečnostní funkcí. Nebezpečí pro obsluhu mohou představovat ostré nástroje, horké díly, nahromaděná pneumatická energie, místa s rizikem rozdrcení a hybnost robota nebo užitečného zatížení. Kolaborativní provoz rovněž závisí na posouzení rizik konkrétní aplikace, ověřených limitech a bezpečnostních funkcích s bezpečnostní certifikací, nikoli pouze na přítomnosti snímání momentu.

Konstrukce stroje by měla definovat, co se stane při nouzovém zastavení, ochranném zastavení, poruše snímače, přerušení sítě, zlomení nástroje a ztrátě obrobku. Pokud může uložená síla po odpojení napájení uvolnit pohyb, musí to zohlednit postup obnovení provozu. Restart by měl vyžadovat, aby pracoviště před obnovením řízení síly stanovilo známý nástroj, užitečné zatížení, stav snímače a stav bez kontaktu.

Zajistěte PLC jasné rozhraní

Rychlá regulační smyčka síly patří do robota nebo vyhrazeného řídicího systému pohybu. PLC by si mělo vyměňovat stavy na úrovni stroje, jako jsou připraveno, povoleno přibližování, kontakt nalezen, proces aktivní, proces dokončen, výsledek kvality a porucha. Mělo by také přijímat diagnostické hodnoty potřebné pro výrobní záznamy a údržbu, ale nemělo by uzavírat regulační smyčku síly prostřednictvím pomalejší průmyslové sítě.

Definujte, kdo spravuje receptury a limity. Pokud PLC vybírá recepturu dílu, robot by měl před pohybem potvrdit načtené parametry síly, rychlosti, nástroje a vyhledávání. Změny prahových hodnot a filtrů vyžadují řízení revizí, protože ovlivňují kvalitu i zatížení zařízení.

Využijte data o síle jako důkaz o procesu

Průběhy síly mohou odhalit více než pouhé vyhověl/nevyhověl. Rostoucí špička síly při zasouvání může signalizovat nesouosost, otřepy, ztrátu mazání nebo posun přípravku. Rostoucí průměrná síla při leštění při stejném příkazu může ukazovat na opotřebení nástroje nebo změnu poddajnosti. Náhlý posun v šestiosém podpisu může odhalit uvolněný nástroj nebo nesprávnou orientaci dílu.

Statistické limity by měly vycházet z dat známého dobrého procesu a technických tolerancí, nikoli z libovolných procent. Spolu s výsledkem uchovávejte recepturu, identifikaci nástroje, polohu robota a relevantní charakteristiky síly. Tento kontext pomáhá odlišit proměnlivost výrobku od posunu nuly snímače nebo údržbářského zásahu.

Komponenty systémů pohybu najdete v kolekci Pohony a řízení pohybu, zatímco hardware určený pro roboty je v kolekci Robotika ABB.

Technický pohled

Řízení síly je nejcennější tehdy, když jsou přípravek a proces již dostatečně opakovatelné na to, aby definovaly stabilní kontaktní úlohu, přesto však obsahují odchylky, které čisté polohové řízení nedokáže ekonomicky absorbovat. Nemělo by se stát softwarovou záplatou pro volné upínání nebo nekontrolované nástroje. Kvalitní řešení kombinuje vhodné snímání, omezené režimy řízení, mechanickou poddajnost, oddělení bezpečnostních funkcí, diagnostické trendy a testování věrohodných poruchových stavů.