کنترل نیروی ربات: از تشخیص تماس تا فرایند پایدار
کنترل نیروی ربات، فرایندهای تماسی را با تغییرات واقعی سازگار میکند. این راهنما روشهای حسگری و حالتهای کنترل را مقایسه میکند و سپس تنظیمات، محدودههای ایم...
کنترل موقعیت زمانی عملکرد خوبی دارد که قطعهکار، فیکسچر، ابزار و ربات در همان موقعیتی باقی بمانند که برنامه انتظار دارد. سنگزنی، پولیشکاری، پلیسهگیری، جاگذاری، دنبالکردن سطح و آزمون محصول این فرض را نقض میکنند: نیروی تماس با تلرانس قطعه، خطای فیکسچر، فرسودگی ساینده، انبساط حرارتی و هندسه موضعی سطح تغییر میکند.
کنترل نیرو از خودِ تعامل بازخورد دریافت میکند. کنترلر میتواند تماس را تشخیص دهد، حرکت تطبیقی را امکانپذیر کند، فشار را تنظیم کند یا هنگام فاصلهگرفتن نیرو از مقدار هدف، سرعت را تغییر دهد. این قابلیت، فرایند را در برابر تغییرات محدود مقاوم میکند، اما نیاز به مکانیک مناسب، دادههای کالیبرهشده بار، ابزار پایدار یا سامانه کاهش ریسک دارای رده ایمنی را از بین نمیبرد.
حسگر مچی، تماس فرایند را نزدیک ابزار اندازهگیری میکند و همزمان اثرات بار، شتاب، کابل و اینرسی را نیز میبیند.
منبع بازخورد را بر اساس فرایند انتخاب کنید
برخی رباتها گشتاور خارجی را از جریان موتور مفصل و یک مدل دینامیکی تخمین میزنند. این روش میتواند تشخیص کلی برخورد و حرکت تطبیقی را بدون افزودن سختافزار به مچ ربات پشتیبانی کند. دقت آن به اصطکاک مجموعه انتقال نیرو، جبران گرانش، جرم بار، مرکز ثقل، وضعیت ربات، دما و شتاب بستگی دارد. جداکردن نیروهای تماس کوچک از دینامیک خود ربات ممکن است دشوار باشد.
حسگر خارجی نیرو-گشتاور ششمحوره، نیروها و ممانها را در نزدیکی فرایند اندازهگیری میکند. این حسگر میتواند حساسیت بهتر و اطلاعات مستقیمتری از تماس ابزار فراهم کند، اما جرم و ارتفاع مجموعه را افزایش میدهد، بار و اینرسی را تغییر میدهد، به سیمکشی و یکپارچهسازی سیگنال نیاز دارد و ظرفیت محدودی در برابر اضافهبار دارد. حسگر باید برای بارهای ناخواسته و همچنین محدوده عادی فرایند انتخاب شود؛ دستگاهی که فقط برای وضوح بالا انتخاب شده باشد، ممکن است هنگام برخورد یا تعویض ابزار آسیب ببیند.
گزینه سوم، تطبیقپذیری مکانیکی است؛ مانند ابزار شناور، عملگر نیروی ثابت یا مچ تطبیقپذیر. تطبیقپذیری غیرفعال میتواند مقاوم و سریع باشد، در حالی که بازخورد فعال نیرو، قابلیت برنامهریزی و دادههای تشخیصی فراهم میکند. بسیاری از سلولهای موفق این دو را ترکیب میکنند: تطبیقپذیری مکانیکی تغییرات پربسامد را جذب میکند و حلقه ربات تغییرات کندتر را اصلاح میکند.
حالت کنترل را با وظیفه هماهنگ کنید
تشخیص تماس، یک آستانه نیرو یا گشتاور را زیر نظر میگیرد و سپس وضعیت را تغییر میدهد یا نزدیکشدن را متوقف میکند. این قابلیت برای یافتن سطح یا تأیید نشستن قطعه مفید است، اما آستانه باید نویز، وزن ابزار، سرعت نزدیکشدن و بار اینرسی را در نظر بگیرد. آستانهای که در آزمایش کند عملکرد خوبی دارد، ممکن است هنگام تماس با سرعت تولید، خیلی دیر عمل کند.
تطبیقپذیری امکان حرکت تحت بار را فراهم میکند؛ اغلب در امتداد محورهای انتخابشده، در حالی که محورهای دیگر محدود میشوند. کنترل نیروی ثابت، نیروی نرمال هدف را هنگام دنبالکردن سطح توسط ربات تنظیم میکند. روالهای جستوجو، نیروی محدود را با حرکت مارپیچی، رفتوبرگشتی یا جهتدار ترکیب میکنند تا ویژگی محل جاگذاری پیدا شود. تطبیق سرعت میتواند هنگام افزایش بار اندازهگیریشده، مسیر ماشینکاری را آهسته کند و در عین حفظ پیشروی، اضافهبار را کاهش دهد.
هر حالت به مرزهایی نیاز دارد: حداکثر جابهجایی، حداکثر نیرو و گشتاور، محورهای مجاز، محدودیتهای سرعت، زمانپایان، جهت عقبنشینی و رفتار پس از ازدسترفتن حسگر. بدون این محدودیتها، حلقه نیرو ممکن است به فشار ادامه دهد، چون مقدار فرماندادهشده هرگز به مقدار هدف نرسیده است.
تماس پایدار به دینامیک ربات، سختی ابزار، سرعت فرایند، تغییرات سطح، فیلترگذاری و تنظیم حلقه بستگی دارد.
پهنایباند حلقه کنترل با تطبیقپذیری مکانیکی هماهنگ میشود
تماس، دینامیک سیستم را تغییر میدهد. ابزار سخت در برابر قطعه سخت میتواند فرکانس طبیعی بالایی ایجاد کند و تأخیرهای کوچک یا نویز اندازهگیری را تقویت کند. بهره بیشازحد ممکن است باعث نوسان شود؛ فیلترگذاری سنگین نویز را کاهش میدهد، اما تأخیر فازی ایجاد میکند و میتواند پاسخ را ناپایدار یا کند کند. رابط نرمتر کنترل را آسانتر میکند، اما ممکن است دقت مسیر یا یکنواختی فرایند را کاهش دهد.
راهاندازی باید با سرعت کم و نیروی محافظهکارانه آغاز شود و جرم و مرکز ثقل ابزار تأییدشده باشند. حسگر را در وضعیت و شرایط دمایی مناسب بایاس کنید، سپس چندین وضعیت ربات را ارزیابی کنید، زیرا جبران گرانش و سختی سازه در سراسر محدوده کاری تغییر میکند. نیروی واقعی، هدف نیرو، اصلاح موقعیت، سرعت و پرچمهای اشباع را روندگیری کنید. میانگینگیری نرم ممکن است قلههای آسیبزا را پنهان کند؛ بنابراین دادهها را با سرعتی ثبت کنید که برای رویداد تماس کافی باشد.
تنظیم فرایند را از ایمنی ماشین جدا کنید
آستانه نیرو که برای کنترل کیفیت استفاده میشود، خودبهخود یک عملکرد ایمنی نیست. خطرات پرسنلی ممکن است از ابزارهای تیز، قطعات داغ، انرژی پنوماتیکی ذخیرهشده، نقاط لهشدن و تکانه ربات یا بار همچنان باقی بمانند. کارکرد مشارکتی نیز به ارزیابی ریسک ویژه کاربرد، حدود اعتبارسنجیشده و عملکردهای دارای رده ایمنی وابسته است، نه صرفاً وجود حسگر گشتاور.
طراحی ماشین باید مشخص کند هنگام توقف اضطراری، توقف حفاظتی، خرابی حسگر، قطع شبکه، شکستن ابزار و ازدسترفتن قطعهکار چه اتفاقی میافتد. اگر نیروی ذخیرهشده بتواند پس از قطع برق حرکت را آزاد کند، روش بازیابی باید این موضوع را پوشش دهد. راهاندازی مجدد باید مستلزم آن باشد که سلول پیش از ازسرگیری کنترل نیرو، ابزار، بار، وضعیت حسگر و حالت بدون تماس را بهطور مشخص برقرار کند.
رابط کاربری مشخصی برای PLC فراهم کنید
حلقه نیروی پربسامد باید در ربات یا کنترلر اختصاصی حرکت اجرا شود. PLC باید وضعیتهای سطح ماشین مانند آماده، مجازبودن نزدیکشدن، یافتشدن تماس، فعالبودن فرایند، تکمیل فرایند، نتیجه کیفیت و خطا را مبادله کند. همچنین باید مقادیر تشخیصی موردنیاز برای سوابق تولید و نگهداری را دریافت کند، بدون آنکه بخواهد حلقه نیرو را از طریق یک شبکه صنعتی کندتر ببندد.
مالکیت دستورالعملها و حدود را مشخص کنید. اگر PLC دستورالعمل قطعه را انتخاب میکند، ربات باید پیش از حرکت، نیروی بارگذاریشده، سرعت، ابزار و پارامترهای جستوجو را تأیید کند. تغییر آستانهها و فیلترها به کنترل نسخه نیاز دارد، زیرا هم بر کیفیت و هم بر بارگذاری تجهیزات اثر میگذارد.
از دادههای نیرو بهعنوان شواهد فرایند استفاده کنید
نمودارهای نیرو میتوانند چیزی بیش از قبول یا رد را آشکار کنند. افزایش اوج نیروی جاگذاری ممکن است نشاندهنده ناهمراستایی، پلیسه، کاهش روانکاری یا جابهجایی فیکسچر باشد. افزایش نیروی متوسط پولیشکاری با همان فرمان میتواند فرسودگی ابزار یا تغییر تطبیقپذیری را نشان دهد. تغییر ناگهانی در امضای ششمحوره میتواند ابزار شل یا جهتگیری نادرست قطعه را مشخص کند.
حدود آماری باید از دادههای فرایند سالم و تلرانسهای مهندسی شناختهشده به دست آیند، نه از درصدهای دلخواه. دستورالعمل، هویت ابزار، موقعیت ربات و ویژگیهای مرتبط نیرو را همراه با نتیجه نگه دارید. این زمینه به تشخیص تفاوت تغییرات محصول از بایاس حسگر یا عملیات نگهداری کمک میکند.
اجزای سامانه حرکت را میتوان در بخش درایو و کنترل حرکت بررسی کرد و سختافزار ویژه ربات در مجموعه رباتیک ABB قرار دارد.
دیدگاه مهندسی
کنترل نیرو زمانی بیشترین ارزش را دارد که فیکسچر و فرایند آنقدر تکرارپذیر باشند که بتوان یک وظیفه تماس پایدار تعریف کرد، اما همچنان تغییراتی وجود داشته باشد که کنترل صرفاً موقعیتی نتواند بهصرفه جذب کند. کنترل نیرو نباید به وصله نرمافزاری برای فیکسچرهای شل یا ابزارهای کنترلنشده تبدیل شود. یک پیادهسازی قوی، حسگر مناسب، حالتهای کنترل محدودشده، تطبیقپذیری مکانیکی، جداسازی ایمنی، روندهای تشخیصی و آزمون وضعیتهای خرابی محتمل را با هم ترکیب میکند.
