Control de fuerza robótica: de la detección del contacto a un proceso estable

El control de posición funciona bien cuando la pieza de trabajo, el dispositivo de sujeción, la herramienta y el robot permanecen donde el programa espera que estén. El rectificado, el pulido, el desbarbado, la inserción, el seguimiento de superficies y las pruebas de productos contradicen esa suposición: la fuerza de contacto cambia debido a las tolerancias de la pieza, los errores del dispositivo de sujeción, el desgaste del abrasivo, la expansión térmica y la geometría local de la superficie.

El control de fuerza añade retroalimentación de la propia interacción. El controlador puede detectar el contacto, permitir un movimiento adaptable, regular la presión o ajustar la velocidad cuando la fuerza se aleja de un objetivo. Esto hace que el proceso tolere una variación limitada, pero no elimina la necesidad de una mecánica adecuada, datos de carga útil calibrados, una herramienta estable ni un sistema de reducción de riesgos con funciones de seguridad certificadas.

Un sensor de muñeca mide el contacto del proceso cerca de la herramienta y, al mismo tiempo, detecta los efectos de la carga útil, la aceleración, los cables y la inercia.

Elige la fuente de retroalimentación según el proceso

Algunos robots estiman el par externo a partir de la corriente del motor de las articulaciones y de un modelo dinámico. Esto puede permitir una detección general de colisiones y cierta adaptabilidad sin añadir hardware en la muñeca. La precisión depende de la fricción del tren de transmisión, la compensación de la gravedad, la masa de la carga útil, el centro de gravedad, la postura del robot, la temperatura y la aceleración. Puede ser difícil separar las fuerzas de contacto pequeñas de la propia dinámica del robot.

Un sensor externo de fuerza y par de seis ejes mide las fuerzas y los momentos más cerca del proceso. Puede proporcionar una mayor sensibilidad e información directa sobre el contacto de la herramienta, pero añade masa y altura de montaje, modifica la carga útil y la inercia, requiere cableado e integración de señales y tiene una capacidad de sobrecarga limitada. El sensor debe dimensionarse tanto para las cargas accidentales como para el rango normal del proceso; un dispositivo seleccionado únicamente por su alta resolución puede dañarse durante una colisión o un cambio de herramienta.

Una tercera opción es la adaptabilidad mecánica, como una herramienta flotante, un actuador de fuerza constante o una muñeca adaptable. La adaptabilidad pasiva puede ser robusta y rápida, mientras que la retroalimentación activa de fuerza proporciona capacidad de programación y datos de diagnóstico. Muchas celdas exitosas combinan ambas: la adaptabilidad mecánica absorbe las variaciones de alta frecuencia y el lazo del robot corrige los cambios más lentos.

Adapta el modo de control a la tarea

La detección de contacto supervisa un umbral de fuerza o par y, a continuación, cambia de estado o detiene la aproximación. Es útil para encontrar una superficie o confirmar el asentamiento, pero el umbral debe tener en cuenta el ruido, el peso de la herramienta, la velocidad de aproximación y la carga inercial. Un umbral que funciona durante una prueba lenta puede activarse demasiado tarde durante el contacto a velocidad de producción.

La adaptabilidad permite el movimiento bajo carga, a menudo a lo largo de ejes seleccionados mientras restringe los demás. El control de fuerza constante regula una fuerza normal objetivo mientras el robot sigue una superficie. Las rutinas de búsqueda combinan una fuerza limitada con un movimiento en espiral, rasterizado o direccional para localizar una característica de inserción. La adaptación de velocidad puede ralentizar una trayectoria de mecanizado cuando aumenta la carga medida, reduciendo la sobrecarga mientras mantiene el avance.

Cada modo necesita límites: desplazamiento máximo, fuerza y par máximos, ejes permitidos, límites de velocidad, tiempo de espera, dirección de escape y comportamiento después de perder el sensor. Sin esos límites, un lazo de fuerza puede continuar empujando porque nunca se alcanzó el valor ordenado.

El contacto estable depende de la dinámica del robot, la rigidez de la herramienta, la velocidad del proceso, la variación de la superficie, el filtrado y el ajuste del lazo.

El ancho de banda del lazo de control debe adaptarse a la flexibilidad mecánica

El contacto cambia la dinámica del sistema. Una herramienta rígida contra una pieza rígida puede crear una frecuencia natural alta y amplificar pequeños retardos o el ruido de medición. Una ganancia excesiva puede causar vibraciones; un filtrado intenso reduce el ruido, pero añade retardo de fase y puede desestabilizar o ralentizar la respuesta. Una interfaz blanda es más fácil de controlar, pero puede reducir la precisión de la trayectoria o la uniformidad del proceso.

La puesta en marcha debe comenzar a baja velocidad y con una fuerza conservadora, con la masa y el centro de gravedad de la herramienta verificados. Ajusta el sesgo del sensor en la postura y las condiciones de temperatura correctas y, después, evalúa varias posturas del robot, porque la compensación de la gravedad y la rigidez estructural cambian en todo el espacio de trabajo. Registra la tendencia de la fuerza real, el objetivo de fuerza, la corrección de posición, la velocidad y los indicadores de saturación. Un promedio suavizado puede ocultar picos dañinos, por lo que se deben capturar datos con una frecuencia suficiente para el evento de contacto.

Separa la regulación del proceso de la seguridad de la máquina

Un umbral de fuerza utilizado para controlar la calidad no es automáticamente una función de seguridad. Pueden persistir peligros para el personal debido a herramientas afiladas, piezas calientes, energía neumática almacenada, puntos de aplastamiento y el momento del robot o de la carga útil. Del mismo modo, la operación colaborativa depende de una evaluación de riesgos específica de la aplicación, límites validados y funciones con clasificación de seguridad, no simplemente de la presencia de sensores de par.

El diseño de la máquina debe definir qué sucede durante una parada de emergencia, una parada de protección, un fallo del sensor, una interrupción de la red, la rotura de la herramienta y la pérdida de la pieza de trabajo. Si la fuerza almacenada puede liberar movimiento después de retirar la alimentación, el procedimiento de recuperación debe contemplarlo. El reinicio debe requerir que la celda establezca una herramienta, una carga útil y un estado del sensor conocidos, así como un estado sin contacto, antes de reanudar el control de fuerza.

Proporciona al PLC una interfaz clara

El lazo de fuerza de alta frecuencia debe residir en el robot o en un controlador de movimiento específico. El PLC debe intercambiar estados a nivel de máquina, como listo, aproximación permitida, contacto detectado, proceso activo, proceso completado, resultado de calidad y fallo. También debe recibir los valores de diagnóstico necesarios para los registros de producción y el mantenimiento, sin intentar cerrar el lazo de fuerza a través de una red industrial más lenta.

Define quién controla las recetas y los límites. Si el PLC selecciona una receta de pieza, el robot debe confirmar la fuerza, la velocidad, la herramienta y los parámetros de búsqueda cargados antes del movimiento. Los cambios en los umbrales y filtros necesitan control de revisiones porque afectan tanto a la calidad como a la carga del equipo.

Utiliza los datos de fuerza como evidencia del proceso

Las trazas de fuerza pueden revelar más que un resultado aprobado o rechazado. Un aumento del pico de inserción puede indicar una desalineación, rebabas, pérdida de lubricación o deriva del dispositivo de sujeción. Un aumento de la fuerza media de pulido con la misma orden puede indicar desgaste de la herramienta o un cambio en la adaptabilidad. Un cambio repentino en la firma de seis ejes puede identificar una herramienta floja o una orientación incorrecta de la pieza.

Los límites estadísticos deben basarse en datos de procesos conocidos como correctos y en tolerancias de ingeniería, no en porcentajes arbitrarios. Conserva la receta, la identidad de la herramienta, la posición del robot y las características de fuerza relevantes junto con el resultado. Ese contexto ayuda a distinguir la variación del producto del sesgo del sensor o de las tareas de mantenimiento.

Los componentes de sistemas de movimiento pueden consultarse en Accionamientos y control de movimiento, mientras que el hardware específico para robots se encuentra en la colección Robótica ABB.

Perspectiva de ingeniería

El control de fuerza es más valioso cuando el dispositivo de sujeción y el proceso ya son lo bastante repetibles como para definir una tarea de contacto estable, pero aún contienen variaciones que el control de posición puro no puede absorber de forma económica. No debe convertirse en un parche de software para una sujeción deficiente o herramientas sin control. Una implementación sólida combina sensores adecuados, modos de control limitados, adaptabilidad mecánica, separación de la seguridad, tendencias de diagnóstico y pruebas de estados de fallo creíbles.