Commande de force des robots : de la détection de contact à un processus stable

Le contrôle de position fonctionne bien lorsque la pièce, le montage, l’outil et le robot restent là où le programme s’attend à les trouver. Le meulage, le polissage, l’ébavurage, l’insertion, le suivi de surface et les tests de produits remettent cette hypothèse en cause : la force de contact varie en fonction des tolérances de la pièce, des erreurs de montage, de l’usure de l’abrasif, de la dilatation thermique et de la géométrie locale de la surface.

Le contrôle de force ajoute un retour d’information issu de l’interaction elle-même. Le contrôleur peut détecter un contact, autoriser un mouvement compliant, réguler la pression ou adapter la vitesse lorsque la force s’écarte d’une valeur cible. Le processus tolère ainsi une variation limitée, mais cela ne supprime pas la nécessité d’une mécanique bien conçue, de données de charge utile étalonnées, d’un outil stable ni d’un système de réduction des risques conforme aux exigences de sécurité.

Un capteur monté au poignet mesure le contact du procédé à proximité de l’outil, tout en détectant les effets de la charge utile, de l’accélération, des câbles et de l’inertie.

Choisir la source de retour d’information en fonction du procédé

Certains robots estiment le couple externe à partir du courant des moteurs articulaires et d’un modèle dynamique. Cette approche peut assurer une détection générale des collisions et une compliance sans ajouter de matériel au poignet. La précision dépend du frottement de la transmission, de la compensation de la gravité, de la masse de la charge utile, de son centre de gravité, de la posture du robot, de la température et de l’accélération. Les faibles forces de contact peuvent être difficiles à distinguer de la dynamique propre du robot.

Un capteur externe six axes de force-couple mesure les forces et les moments plus près du procédé. Il peut offrir une meilleure sensibilité et des informations directes sur le contact de l’outil, mais il ajoute une masse et une hauteur d’empilement, modifie la charge utile et l’inertie, nécessite un câblage et une intégration des signaux, et possède une capacité de surcharge limitée. Le capteur doit être dimensionné pour les charges accidentelles comme pour la plage normale du procédé ; un appareil choisi uniquement pour sa résolution fine risque d’être endommagé lors d’une collision ou d’un changement d’outil.

Une troisième option est la compliance mécanique, par exemple un outil flottant, un actionneur à force constante ou un poignet compliant. La compliance passive peut être robuste et rapide, tandis que le retour de force actif offre une grande programmabilité et des données de diagnostic. De nombreuses cellules performantes combinent les deux : la compliance mécanique absorbe les variations à haute fréquence et la boucle robot corrige les changements plus lents.

Adapter le mode de contrôle à la tâche

La détection de contact surveille un seuil de force ou de couple, puis change d’état ou arrête l’approche. Elle est utile pour trouver une surface ou confirmer l’emboîtement, mais le seuil doit tenir compte du bruit, du poids de l’outil, de la vitesse d’approche et de la charge inertielle. Un seuil efficace lors d’un test lent peut se déclencher trop tard lors d’un contact à vitesse de production.

La compliance permet un mouvement sous charge, souvent le long de certains axes tout en contraignant les autres. Le contrôle à force constante régule une force normale cible lorsque le robot suit une surface. Les routines de recherche combinent une force limitée avec un mouvement en spirale, en balayage ou orienté pour localiser un élément d’insertion. L’adaptation de la vitesse peut ralentir une trajectoire d’usinage lorsque la charge mesurée augmente, afin de réduire la surcharge tout en poursuivant l’opération.

Chaque mode nécessite des limites : déplacement maximal, force et couple maximaux, axes autorisés, limites de vitesse, délai d’expiration, direction d’échappement et comportement en cas de perte du capteur. Sans ces limites, une boucle de force peut continuer à pousser parce que la valeur commandée n’a jamais été atteinte.

La stabilité du contact dépend de la dynamique du robot, de la rigidité de l’outil, de la vitesse du procédé, des variations de surface, du filtrage et du réglage de la boucle.

Adapter la bande passante de la boucle de contrôle à la compliance mécanique

Le contact modifie la dynamique du système. Un outil rigide contre une pièce rigide peut créer une fréquence naturelle élevée et amplifier les faibles retards ou le bruit de mesure. Un gain excessif peut provoquer des vibrations ; un filtrage important réduit le bruit, mais ajoute un retard de phase et peut déstabiliser la réponse ou la ralentir. Une interface souple est plus facile à contrôler, mais peut réduire la précision de trajectoire ou la régularité du procédé.

La mise en service doit commencer à faible vitesse et avec une force prudente, après vérification de la masse de l’outil et de son centre de gravité. Effectuez la mise à zéro du capteur dans la bonne posture et dans les conditions de température appropriées, puis évaluez plusieurs postures du robot, car la compensation de la gravité et la rigidité structurelle varient dans l’espace de travail. Suivez la force réelle, la force cible, la correction de position, la vitesse et les indicateurs de saturation. Une moyenne lissée peut masquer des pics dommageables ; capturez donc les données assez rapidement pour couvrir l’événement de contact.

Séparer la régulation du procédé de la sécurité de la machine

Un seuil de force utilisé pour contrôler la qualité n’est pas automatiquement une fonction de sécurité. Des dangers peuvent subsister en raison d’outils tranchants, de pièces chaudes, d’énergie pneumatique accumulée, de points d’écrasement et de l’élan du robot ou de la charge utile. Le fonctionnement collaboratif dépend lui aussi d’une évaluation des risques propre à l’application, de limites validées et de fonctions conformes aux exigences de sécurité, et pas simplement de la présence d’une mesure du couple.

La conception de la machine doit définir ce qui se passe lors d’un arrêt d’urgence, d’un arrêt de protection, d’une défaillance du capteur, d’une interruption du réseau, d’une rupture d’outil ou de la perte de la pièce. Si une force accumulée peut libérer un mouvement après la coupure de l’alimentation, la procédure de récupération doit en tenir compte. Le redémarrage doit exiger que la cellule établisse un outil, une charge utile et un état du capteur connus, ainsi qu’un état sans contact, avant la reprise du contrôle de force.

Fournir au PLC une interface claire

La boucle de force à haute fréquence doit être exécutée dans le robot ou dans un contrôleur de mouvement dédié. Le PLC doit échanger des états au niveau de la machine, tels que prêt, approche autorisée, contact détecté, procédé actif, procédé terminé, résultat qualité et défaut. Il doit également recevoir les valeurs de diagnostic nécessaires aux enregistrements de production et à la maintenance, sans tenter de fermer la boucle de force via un réseau industriel plus lent.

Définissez la responsabilité des recettes et des limites. Si le PLC sélectionne une recette de pièce, le robot doit confirmer les paramètres de force, de vitesse, d’outil et de recherche chargés avant tout mouvement. Les modifications des seuils et des filtres doivent être soumises à un contrôle des versions, car elles influent à la fois sur la qualité et sur les charges appliquées à l’équipement.

Utiliser les données de force comme preuves du procédé

Les courbes de force peuvent révéler davantage qu’un simple résultat conforme ou non conforme. Une augmentation du pic d’insertion peut indiquer un défaut d’alignement, des bavures, une perte de lubrification ou une dérive du montage. Une hausse de la force moyenne de polissage à commande identique peut signaler une usure de l’outil ou une modification de la compliance. Un changement soudain de la signature six axes peut révéler un outil desserré ou une mauvaise orientation de la pièce.

Les limites statistiques doivent être établies à partir de données de procédé connues comme bonnes et de tolérances d’ingénierie, et non de pourcentages arbitraires. Conservez la recette, l’identité de l’outil, la position du robot et les caractéristiques de force pertinentes avec le résultat. Ce contexte aide à distinguer une variation du produit d’un biais du capteur ou d’une intervention de maintenance.

Les composants des systèmes de mouvement peuvent être consultés dans la collection Entraînements et contrôle du mouvement, tandis que le matériel spécifique aux robots se trouve dans la collection ABB Robotics.

Perspective d’ingénierie

Le contrôle de force est particulièrement utile lorsque le montage et le procédé sont déjà suffisamment répétables pour définir une tâche de contact stable, tout en présentant encore des variations que le contrôle de position seul ne peut pas absorber de manière économique. Il ne doit pas devenir un correctif logiciel pour un montage instable ou un outillage mal maîtrisé. Une mise en œuvre solide associe une détection appropriée, des modes de contrôle encadrés, une compliance mécanique, une séparation claire des fonctions de sécurité, un suivi des diagnostics et des tests portant sur des états de défaillance plausibles.