O controle de posição funciona bem quando a peça, o dispositivo de fixação, a ferramenta e o robô permanecem onde o programa espera que estejam. Esmerilhamento, polimento, rebarbação, inserção, acompanhamento de superfícies e testes de produtos violam essa premissa: a força de contato muda com a tolerância da peça, erros de fixação, desgaste do abrasivo, dilatação térmica e a geometria local da superfície.

O controle de força adiciona feedback da própria interação. O controlador pode detectar contato, permitir movimento complacente, regular a pressão ou adaptar a velocidade quando a força se afasta de um valor-alvo. Isso torna o processo tolerante a variações limitadas, mas não elimina a necessidade de uma mecânica adequada, dados de carga útil calibrados, uma ferramenta estável ou um sistema de redução de riscos com classificação de segurança.

Um sensor no punho mede o contato do processo próximo à ferramenta, mas também detecta efeitos da carga útil, da aceleração, dos cabos e da inércia.

Escolha a fonte de feedback de acordo com o processo

Alguns robôs estimam o torque externo a partir da corrente dos motores das juntas e de um modelo dinâmico. Isso pode viabilizar a detecção ampla de colisões e a complacência sem adicionar hardware ao punho. A precisão depende do atrito do trem de acionamento, da compensação da gravidade, da massa da carga útil, do centro de gravidade, da postura do robô, da temperatura e da aceleração. Pode ser difícil separar pequenas forças de contato da própria dinâmica do robô.

Um sensor externo de força e torque de seis eixos mede forças e momentos mais próximos do processo. Ele pode oferecer maior sensibilidade e informações diretas sobre o contato da ferramenta, mas adiciona massa e altura ao conjunto, altera a carga útil e a inércia, exige cabeamento e integração de sinais e tem capacidade limitada de sobrecarga. O sensor deve ser dimensionado tanto para cargas acidentais quanto para a faixa normal do processo; um dispositivo selecionado apenas pela alta resolução pode ser danificado durante uma colisão ou troca de ferramenta.

Uma terceira opção é a complacência mecânica, como uma ferramenta flutuante, um atuador de força constante ou um punho complacente. A complacência passiva pode ser robusta e rápida, enquanto o feedback ativo de força oferece capacidade de programação e dados de diagnóstico. Muitas células bem-sucedidas combinam os dois: a complacência mecânica absorve variações de alta frequência, e o loop do robô corrige mudanças mais lentas.

Associe o modo de controle à tarefa

A detecção de contato monitora um limite de força ou torque e, em seguida, muda de estado ou interrompe uma aproximação. Ela é útil para localizar uma superfície ou confirmar o assentamento, mas o limite deve considerar ruído, peso da ferramenta, velocidade de aproximação e carga inercial. Um limite que funciona durante um teste lento pode ser acionado tarde demais durante o contato na velocidade de produção.

A complacência permite movimento sob carga, geralmente ao longo de eixos selecionados enquanto restringe os demais. O controle de força constante regula uma força normal-alvo enquanto o robô acompanha uma superfície. Rotinas de busca combinam força limitada com movimento espiral, raster ou direcional para localizar um recurso de inserção. A adaptação de velocidade pode desacelerar um percurso de usinagem quando a carga medida aumenta, reduzindo a sobrecarga e mantendo o avanço.

Cada modo precisa de limites: deslocamento máximo, força e torque máximos, eixos permitidos, limites de velocidade, tempo limite, direção de escape e comportamento após a perda do sensor. Sem esses limites, um loop de força pode continuar empurrando porque o valor comandado nunca foi atingido.

O contato estável depende da dinâmica do robô, da rigidez da ferramenta, da velocidade do processo, da variação da superfície, da filtragem e do ajuste do loop.

A largura de banda do loop de controle encontra a complacência mecânica

O contato altera a dinâmica do sistema. Uma ferramenta rígida contra uma peça rígida pode criar uma frequência natural alta e amplificar pequenos atrasos ou ruídos de medição. Ganho excessivo pode causar vibração; uma filtragem intensa reduz o ruído, mas adiciona atraso de fase e pode desestabilizar ou tornar a resposta mais lenta. Uma interface macia é mais fácil de controlar, mas pode reduzir a precisão do percurso ou a consistência do processo.

O comissionamento deve começar em baixa velocidade e com força conservadora, após verificar a massa e o centro de gravidade da ferramenta. Faça o ajuste de offset do sensor na postura e na condição de temperatura corretas e, em seguida, avalie várias posturas do robô, pois a compensação da gravidade e a rigidez estrutural mudam em diferentes regiões do espaço de trabalho. Registre a tendência da força real, do alvo de força, da correção de posição, da velocidade e dos indicadores de saturação. Uma média suavizada pode ocultar picos prejudiciais; portanto, capture dados com velocidade suficiente para o evento de contato.

Separe a regulação do processo da segurança da máquina

Um limite de força usado para controlar a qualidade não é automaticamente uma função de segurança. Os perigos para as pessoas podem continuar existindo devido a ferramentas afiadas, peças quentes, energia pneumática armazenada, pontos de esmagamento e o momento do robô ou da carga útil. A operação colaborativa também depende de uma avaliação de riscos específica da aplicação, limites validados e funções com classificação de segurança — não apenas da presença de detecção de torque.

O projeto da máquina deve definir o que acontece durante uma parada de emergência, parada de proteção, falha do sensor, interrupção da rede, quebra da ferramenta e perda da peça. Se a força armazenada puder liberar movimento após a remoção da energia, o procedimento de recuperação deverá abordar essa condição. A reinicialização deve exigir que a célula estabeleça uma ferramenta, uma carga útil, um status do sensor e uma condição sem contato conhecidos antes que o controle de força seja retomado.

Forneça uma interface clara ao CLP

O loop de força de alta taxa deve ficar no robô ou em um controlador de movimento dedicado. O CLP deve trocar estados no nível da máquina, como pronto, aproximação permitida, contato encontrado, processo ativo, processo concluído, resultado da qualidade e falha. Ele também deve receber os valores de diagnóstico necessários para registros de produção e manutenção, sem tentar fechar o loop de força por meio de uma rede industrial mais lenta.

Defina a responsabilidade pelas receitas e pelos limites. Se o CLP selecionar uma receita de peça, o robô deverá confirmar a força, a velocidade, a ferramenta e os parâmetros de busca carregados antes do movimento. Alterações nos limites e filtros precisam de controle de revisão, pois afetam tanto a qualidade quanto o carregamento do equipamento.

Use os dados de força como evidência do processo

Os gráficos de força podem revelar mais do que aprovado ou reprovado. Um pico de inserção crescente pode indicar desalinhamento, rebarbas, perda de lubrificação ou deslocamento do dispositivo de fixação. Uma força média de polimento crescente com o mesmo comando pode indicar desgaste da ferramenta ou alteração da complacência. Uma mudança repentina na assinatura de seis eixos pode identificar uma ferramenta solta ou a orientação incorreta da peça.

Os limites estatísticos devem vir de dados de um processo conhecido como bom e de tolerâncias de engenharia, não de porcentagens arbitrárias. Mantenha a receita, a identidade da ferramenta, a posição do robô e as características de força relevantes junto com o resultado. Esse contexto ajuda a distinguir a variação do produto de um desvio do sensor ou de uma atividade de manutenção.

Os componentes do sistema de movimento podem ser consultados em Acionamentos e Controle de Movimento, enquanto o hardware específico para robôs está disponível na coleção Robótica ABB.

Perspectiva de engenharia

O controle de força é mais valioso quando o dispositivo de fixação e o processo já são suficientemente repetíveis para definir uma tarefa de contato estável, mas ainda apresentam variações que o controle de posição puro não consegue absorver de forma econômica. Ele não deve se tornar um remendo de software para fixação frouxa ou ferramental sem controle. Uma implementação sólida combina sensoriamento adequado, modos de controle limitados, complacência mecânica, separação da segurança, tendências de diagnóstico e testes de estados de falha plausíveis.