Positionssteuerung funktioniert gut, wenn Werkstück, Vorrichtung, Werkzeug und Roboter dort bleiben, wo das Programm sie erwartet. Schleifen, Polieren, Entgraten, Einsetzen, Oberflächenverfolgung und Produktprüfungen verletzen diese Annahme: Die Kontaktkraft verändert sich durch Teiletoleranzen, Vorrichtungsfehler, Verschleiß des Schleifmittels, thermisches Wachstum und die lokale Oberflächengeometrie.

Kraftregelung ergänzt die Rückkopplung um Informationen aus der Interaktion selbst. Der Regler kann Kontakt erkennen, eine nachgiebige Bewegung ermöglichen, den Anpressdruck regeln oder die Geschwindigkeit anpassen, wenn die Kraft vom Sollwert abweicht. Dadurch wird ein Prozess gegenüber begrenzten Abweichungen toleranter; die Notwendigkeit einer soliden Mechanik, kalibrierter Nutzlastdaten, eines stabilen Werkzeugs oder eines sicherheitsgerichteten Risikominderungssystems entfällt jedoch nicht.

Ein Handgelenksensor misst den Prozesskontakt nahe am Werkzeug und erfasst zugleich Nutzlast-, Beschleunigungs-, Kabel- und Trägheitseffekte.

Wählen Sie die Rückkopplungsquelle passend zum Prozess

Manche Roboter schätzen externe Drehmomente anhand des Motorstroms der Gelenke und eines dynamischen Modells. Dies kann eine umfassende Kollisionserkennung und Nachgiebigkeit ermöglichen, ohne zusätzliche Hardware am Handgelenk. Die Genauigkeit hängt von Getriebereibung, Schwerkraftkompensation, Nutzlastmasse, Schwerpunkt, Roboterstellung, Temperatur und Beschleunigung ab. Kleine Kontaktkräfte lassen sich nur schwer von der Eigendynamik des Roboters unterscheiden.

Ein externer sechsachsiger Kraft-Momenten-Sensor misst Kräfte und Momente näher am Prozess. Er kann eine höhere Empfindlichkeit und direkte Informationen über den Werkzeugkontakt liefern, erhöht jedoch Masse und Bauhöhe, verändert Nutzlast und Trägheit, erfordert Verkabelung und Signalintegration und besitzt eine begrenzte Überlastfähigkeit. Der Sensor muss sowohl für versehentliche Belastungen als auch für den normalen Prozessbereich ausgelegt sein; ein Gerät, das ausschließlich wegen seiner feinen Auflösung ausgewählt wurde, kann bei einer Kollision oder einem Werkzeugwechsel beschädigt werden.

Eine dritte Möglichkeit ist mechanische Nachgiebigkeit, etwa durch ein schwimmend gelagertes Werkzeug, einen Aktuator mit konstanter Kraft oder ein nachgiebiges Handgelenk. Passive Nachgiebigkeit kann robust und schnell sein, während aktive Kraftregelung Programmierbarkeit und Diagnosedaten bietet. Viele erfolgreiche Zellen kombinieren beides: Die mechanische Nachgiebigkeit absorbiert hochfrequente Schwankungen, während die Roboterschleife langsamere Änderungen korrigiert.

Stimmen Sie den Regelungsmodus auf die Aufgabe ab

Die Kontakterkennung überwacht einen Kraft- oder Drehmomentschwellenwert und ändert anschließend den Zustand oder stoppt eine Annäherung. Sie eignet sich zum Auffinden einer Oberfläche oder zur Bestätigung des Einsetzens, doch der Schwellenwert muss Rauschen, Werkzeuggewicht, Annäherungsgeschwindigkeit und Trägheitslast berücksichtigen. Ein Schwellenwert, der bei einem langsamen Test funktioniert, kann den Kontakt bei Produktionsgeschwindigkeit zu spät erkennen.

Nachgiebigkeit ermöglicht eine Bewegung unter Last, häufig entlang ausgewählter Achsen, während die übrigen Achsen begrenzt werden. Die Konstantkraftregelung regelt eine vorgegebene Normalkraft, während der Roboter einer Oberfläche folgt. Suchroutinen kombinieren begrenzte Kraft mit einer spiralförmigen, rasterförmigen oder gerichteten Bewegung, um ein Einsetzmerkmal zu finden. Durch Geschwindigkeitsanpassung kann ein Bearbeitungspfad verlangsamt werden, wenn die gemessene Last steigt, wodurch eine Überlastung reduziert und der Prozessfortschritt aufrechterhalten wird.

Jeder Modus benötigt Grenzen: maximaler Weg, maximale Kraft und maximales Drehmoment, zulässige Achsen, Geschwindigkeitsgrenzen, Zeitüberschreitung, Ausweichrichtung und Verhalten bei Sensorausfall. Ohne diese Begrenzungen kann eine Kraftschleife weiter drücken, weil der vorgegebene Wert nie erreicht wurde.

Stabiler Kontakt hängt von Roboterdynamik, Werkzeugsteifigkeit, Prozessgeschwindigkeit, Oberflächenabweichung, Filterung und Reglereinstellung ab.

Die Bandbreite des Regelkreises muss zur mechanischen Nachgiebigkeit passen

Kontakt verändert die Dynamik des Systems. Ein steifes Werkzeug an einem steifen Werkstück kann eine hohe Eigenfrequenz erzeugen und kleine Verzögerungen oder Messrauschen verstärken. Zu hohe Verstärkung kann Rattern verursachen; starke Filterung reduziert zwar das Rauschen, fügt jedoch eine Phasenverzögerung hinzu und kann die Reaktion instabil oder langsam machen. Eine weiche Schnittstelle ist einfacher zu regeln, kann jedoch die Bahngenauigkeit oder Prozesskonstanz beeinträchtigen.

Die Inbetriebnahme sollte bei niedriger Geschwindigkeit und konservativer Kraft beginnen, mit überprüfter Werkzeugmasse und überprüftem Schwerpunkt. Führen Sie die Nullpunktkompensation des Sensors in der richtigen Stellung und bei geeigneter Temperatur durch und bewerten Sie anschließend mehrere Roboterstellungen, da sich Schwerkraftkompensation und Struktursteifigkeit im Arbeitsraum verändern. Zeichnen Sie die tatsächliche Kraft, den Kraftsollwert, die Positionskorrektur, die Geschwindigkeit und Sättigungskennzeichen als Verlauf auf. Ein geglätteter Mittelwert kann schädliche Spitzen verbergen; daher müssen die Daten schnell genug für das Kontakt Ereignis erfasst werden.

Prozessregelung und Maschinensicherheit voneinander trennen

Ein zur Qualitätsregelung verwendeter Kraftschwellenwert ist nicht automatisch eine Sicherheitsfunktion. Gefahren für Personen können weiterhin von scharfen Werkzeugen, heißen Teilen, gespeicherter pneumatischer Energie, Quetschstellen sowie dem Impuls von Roboter oder Nutzlast ausgehen. Auch der kollaborative Betrieb hängt von einer anwendungsspezifischen Risikobeurteilung, validierten Grenzwerten und sicherheitsgerichteten Funktionen ab – nicht allein vom Vorhandensein einer Drehmomenterfassung.

Die Maschinenkonstruktion sollte festlegen, was bei Not-Halt, Schutzstopp, Sensorausfall, Netzwerkunterbrechung, Werkzeugbruch und Verlust des Werkstücks geschieht. Wenn gespeicherte Kraft nach dem Abschalten der Energie eine Bewegung auslösen kann, muss die Wiederherstellungsprozedur dies berücksichtigen. Vor der Wiederaufnahme der Kraftregelung sollte der Neustart erfordern, dass die Zelle ein bekanntes Werkzeug, eine bekannte Nutzlast, einen überprüften Sensorstatus und einen kontaktfreien Zustand herstellt.

Geben Sie der SPS eine klare Schnittstelle

Die Kraftschleife mit hoher Abtastrate gehört in den Roboter oder eine dedizierte Bewegungssteuerung. Die SPS sollte Zustände auf Maschinenebene austauschen, etwa bereit, Annäherung freigegeben, Kontakt gefunden, Prozess aktiv, Prozess abgeschlossen, Qualitätsergebnis und Fehler. Sie sollte außerdem die für Produktionsprotokolle und Wartung erforderlichen Diagnosewerte empfangen, ohne zu versuchen, die Kraftschleife über ein langsameres Industrienetzwerk zu schließen.

Legen Sie fest, wer für Rezepte und Grenzwerte zuständig ist. Wenn die SPS ein Teile-Rezept auswählt, sollte der Roboter vor der Bewegung die geladenen Kraft-, Geschwindigkeits-, Werkzeug- und Suchparameter bestätigen. Änderungen an Schwellenwerten und Filtern benötigen eine Versionskontrolle, da sie sowohl die Qualität als auch die Belastung der Ausrüstung beeinflussen.

Nutzen Sie Kraftdaten als Prozessnachweis

Kraftverläufe können mehr als nur Gut oder Schlecht erkennen. Ein zunehmender Einsetzspitzenwert kann auf Fehlausrichtung, Grate, fehlende Schmierung oder eine driftende Vorrichtung hindeuten. Eine steigende durchschnittliche Polierkraft bei unverändertem Sollwert kann auf Werkzeugverschleiß oder eine veränderte Nachgiebigkeit hinweisen. Eine plötzliche Verschiebung eines sechsachsigen Signals kann ein loses Werkzeug oder eine falsche Werkstückausrichtung erkennen lassen.

Statistische Grenzwerte sollten aus Daten eines nachweislich guten Prozesses und aus technischen Toleranzen abgeleitet werden, nicht aus willkürlichen Prozentsätzen. Speichern Sie Rezept, Werkzeugidentität, Roboterposition und relevante Kraftmerkmale zusammen mit dem Ergebnis. Dieser Kontext hilft dabei, Produktabweichungen von Sensorbias oder Wartungsarbeiten zu unterscheiden.

Komponenten für Bewegungssysteme finden Sie unter Antriebe & Bewegungssteuerung; roboterspezifische Hardware ist in der Kollektion ABB Robotics verfügbar.

Aus Sicht der Entwicklung

Kraftregelung ist besonders wertvoll, wenn Vorrichtung und Prozess bereits ausreichend wiederholbar sind, um eine stabile Kontaktaufgabe zu definieren, aber noch Abweichungen enthalten, die eine reine Positionssteuerung wirtschaftlich nicht auffangen kann. Sie sollte kein Software-Pflaster für lose Vorrichtungen oder unkontrollierte Werkzeuge werden. Eine starke Umsetzung kombiniert geeignete Sensorik, begrenzte Regelungsmodi, mechanische Nachgiebigkeit, eine Trennung von der Sicherheit, diagnostische Verlaufdaten und Tests realistischer Fehlerzustände.