Sterowanie pozycją sprawdza się dobrze, gdy obrabiany przedmiot, oprzyrządowanie, narzędzie i robot pozostają w miejscach przewidzianych przez program. Szlifowanie, polerowanie, gratowanie, osadzanie, podążanie po powierzchni i testowanie produktów naruszają to założenie: siła kontaktu zmienia się pod wpływem tolerancji części, błędów oprzyrządowania, zużycia materiału ściernego, rozszerzalności cieplnej i lokalnej geometrii powierzchni.

Sterowanie siłą dodaje sprzężenie zwrotne z samej interakcji. Sterownik może wykrywać kontakt, umożliwiać ruch podatny, regulować nacisk lub dostosowywać prędkość, gdy siła odbiega od wartości zadanej. Dzięki temu proces jest odporny na ograniczone zmienności, ale nie eliminuje potrzeby stosowania prawidłowej mechaniki, skalibrowanych danych obciążenia, stabilnego narzędzia ani systemu redukcji ryzyka z funkcjami bezpieczeństwa.

Czujnik nadgarstkowy mierzy kontakt procesu w pobliżu narzędzia, a jednocześnie rejestruje wpływ obciążenia, przyspieszenia, przewodu i sił bezwładności.

Dobierz źródło sprzężenia zwrotnego do procesu

Niektóre roboty szacują zewnętrzny moment obrotowy na podstawie prądu silników przegubów i modelu dynamicznego. Umożliwia to ogólne wykrywanie kolizji i podatność bez dodawania sprzętu przy nadgarstku. Dokładność zależy od tarcia w układzie napędowym, kompensacji grawitacji, masy obciążenia, środka ciężkości, pozycji robota, temperatury i przyspieszenia. Małe siły kontaktu mogą być trudne do odróżnienia od własnej dynamiki robota.

Zewnętrzny sześcioosiowy czujnik siły i momentu mierzy siły oraz momenty bliżej procesu. Może zapewniać większą czułość i bezpośrednią informację o kontakcie narzędzia, ale zwiększa masę i wysokość stosu, zmienia obciążenie oraz bezwładność, wymaga przewodów i integracji sygnałów, a także ma ograniczoną odporność na przeciążenia. Czujnik należy dobrać zarówno do obciążeń przypadkowych, jak i normalnego zakresu procesu; urządzenie wybrane wyłącznie pod kątem wysokiej rozdzielczości może ulec uszkodzeniu podczas kolizji lub wymiany narzędzia.

Trzecią opcją jest podatność mechaniczna, na przykład narzędzie pływające, siłownik utrzymujący stałą siłę lub podatny nadgarstek. Podatność pasywna może być wytrzymała i szybka, natomiast aktywne sprzężenie zwrotne siły zapewnia możliwość programowania i dane diagnostyczne. Wiele udanych cel łączy oba rozwiązania: podatność mechaniczna pochłania zmienności o wysokiej częstotliwości, a pętla robota koryguje wolniejsze zmiany.

Dopasuj tryb sterowania do zadania

Wykrywanie kontaktu monitoruje próg siły lub momentu, a następnie zmienia stan albo zatrzymuje dojazd. Jest przydatne do wyszukiwania powierzchni lub potwierdzania osadzenia, ale próg musi uwzględniać szum, masę narzędzia, prędkość dojazdu i obciążenie bezwładnościowe. Próg działający podczas powolnego testu może zadziałać zbyt późno przy kontakcie z prędkością produkcyjną.

Podatność umożliwia ruch pod obciążeniem, często wzdłuż wybranych osi przy ograniczeniu pozostałych. Sterowanie stałą siłą reguluje zadaną siłę normalną, gdy robot podąża po powierzchni. Procedury wyszukiwania łączą ograniczoną siłę z ruchem spiralnym, rastrowym lub kierunkowym, aby znaleźć element przeznaczony do osadzenia. Dostosowanie prędkości może spowolnić ścieżkę obróbki, gdy zmierzone obciążenie rośnie, ograniczając przeciążenie przy zachowaniu postępu.

Każdy tryb wymaga ograniczeń: maksymalnego przemieszczenia, maksymalnej siły i momentu, dozwolonych osi, limitów prędkości, limitu czasu, kierunku wycofania oraz zachowania po utracie sygnału z czujnika. Bez tych ograniczeń pętla siły może nadal wywierać nacisk, ponieważ zadana wartość nigdy nie została osiągnięta.

Stabilny kontakt zależy od dynamiki robota, sztywności narzędzia, prędkości procesu, zmienności powierzchni, filtracji i strojenia pętli.

Pasmo pętli sterowania a podatność mechaniczna

Kontakt zmienia dynamikę układu. Sztywne narzędzie dociskane do sztywnej części może generować wysoką częstotliwość naturalną oraz wzmacniać niewielkie opóźnienia lub szum pomiarowy. Zbyt duże wzmocnienie może powodować drgania; silna filtracja redukuje szum, ale dodaje opóźnienie fazowe i może destabilizować reakcję lub ją spowalniać. Miękki interfejs jest łatwiejszy do sterowania, lecz może zmniejszać dokładność ścieżki lub powtarzalność procesu.

Uruchamianie należy rozpocząć przy niskiej prędkości i zachowawczej sile, po zweryfikowaniu masy narzędzia oraz środka ciężkości. Wyzeruj czujnik w prawidłowej pozycji i temperaturze, a następnie oceń wiele pozycji robota, ponieważ kompensacja grawitacji i sztywność konstrukcji zmieniają się w całej przestrzeni roboczej. Rejestruj rzeczywistą siłę, wartość zadaną, korektę pozycji, prędkość i flagi nasycenia. Płynna wartość uśredniona może ukrywać szkodliwe piki, dlatego dane należy rejestrować wystarczająco szybko dla danego zdarzenia kontaktowego.

Oddziel regulację procesu od bezpieczeństwa maszyny

Próg siły używany do sterowania jakością nie jest automatycznie funkcją bezpieczeństwa. Zagrożenia dla personelu mogą nadal wynikać z ostrych narzędzi, gorących części, zgromadzonej energii pneumatycznej, punktów zgniotu oraz pędu robota lub obciążenia. Praca współdzielona z robotem również zależy od oceny ryzyka właściwej dla danego zastosowania, zweryfikowanych limitów i funkcji bezpieczeństwa, a nie tylko od obecności pomiaru momentu.

Projekt maszyny powinien określać zachowanie podczas zatrzymania awaryjnego, zatrzymania ochronnego, awarii czujnika, przerwania komunikacji sieciowej, uszkodzenia narzędzia i utraty obrabianego przedmiotu. Jeśli zgromadzona siła może uwolnić ruch po odłączeniu zasilania, procedura przywracania działania musi to uwzględniać. Ponowne uruchomienie powinno wymagać potwierdzenia przez celę znanego narzędzia, obciążenia, stanu czujnika i braku kontaktu, zanim sterowanie siłą zostanie wznowione.

Zapewnij sterownikowi PLC jasny interfejs

Pętla siły o wysokiej częstotliwości powinna działać w robocie lub dedykowanym sterowniku ruchu. PLC powinien wymieniać stany na poziomie maszyny, takie jak gotowość, zezwolenie na dojazd, wykrycie kontaktu, aktywny proces, zakończenie procesu, wynik jakości i błąd. Powinien również odbierać wartości diagnostyczne potrzebne do dokumentacji produkcji i utrzymania ruchu, ale nie próbować zamykać pętli siły za pośrednictwem wolniejszej sieci przemysłowej.

Określ, kto zarządza recepturami i limitami. Jeśli PLC wybiera recepturę części, robot powinien potwierdzić wczytane parametry siły, prędkości, narzędzia i wyszukiwania przed rozpoczęciem ruchu. Zmiany progów i filtrów wymagają kontroli wersji, ponieważ wpływają zarówno na jakość, jak i obciążenie urządzeń.

Wykorzystuj dane siły jako dowód przebiegu procesu

Przebiegi siły mogą ujawniać więcej niż wynik pozytywny lub negatywny. Rosnący maksymalny pik siły podczas osadzania może wskazywać na niewspółosiowość, zadziory, utratę smarowania lub przesunięcie oprzyrządowania. Rosnąca średnia siła polerowania przy tej samej wartości zadanej może wskazywać na zużycie narzędzia lub zmianę podatności. Nagła zmiana sygnatury sześcioosiowej może ujawnić poluzowane narzędzie lub nieprawidłową orientację części.

Limity statystyczne powinny wynikać ze znanych danych prawidłowego procesu i tolerancji inżynieryjnych, a nie z arbitralnych wartości procentowych. Wraz z wynikiem zachowuj recepturę, identyfikator narzędzia, pozycję robota i istotne cechy siły. Taki kontekst pomaga odróżnić zmienność produktu od przesunięcia zera czujnika lub prac konserwacyjnych.

Komponenty układów ruchu można znaleźć w kategorii Napędy i sterowanie ruchem, a sprzęt przeznaczony do robotów w kolekcji Robotyka ABB.

Perspektywa inżynieryjna

Sterowanie siłą jest najbardziej wartościowe, gdy oprzyrządowanie i proces są już na tyle powtarzalne, aby zdefiniować stabilne zadanie kontaktowe, ale nadal występują w nich zmienności, których samo sterowanie pozycją nie może ekonomicznie kompensować. Nie powinno ono stać się programową poprawką na luźne oprzyrządowanie lub niekontrolowane narzędzia. Dobre wdrożenie łączy odpowiednie czujniki, ograniczone tryby sterowania, podatność mechaniczną, rozdzielenie funkcji bezpieczeństwa, trendy diagnostyczne i testy wiarygodnych stanów awaryjnych.