Управление усилием робота: от обнаружения контакта до стабильного процесса

Позиционное управление хорошо работает, когда заготовка, оснастка, инструмент и робот остаются там, где их ожидает программа. Шлифование, полирование, удаление заусенцев, установка, следование по поверхности и контроль продукции нарушают это допущение: сила контакта меняется из-за допусков детали, погрешностей оснастки, износа абразива, теплового расширения и локальной геометрии поверхности.

Силовое управление добавляет обратную связь непосредственно от взаимодействия. Контроллер может обнаруживать контакт, обеспечивать податливое движение, регулировать давление или адаптировать скорость, когда сила отклоняется от заданного значения. Это делает процесс устойчивым к ограниченным вариациям, но не устраняет необходимость в надежной механике, откалиброванных данных о полезной нагрузке, стабильном инструменте или системе снижения рисков с функциями безопасности.

Датчик на запястье измеряет контакт инструмента с процессом, одновременно фиксируя влияние полезной нагрузки, ускорения, кабеля и инерции.

Выбирайте источник обратной связи с учетом процесса

Некоторые роботы оценивают внешний момент по току двигателя привода сочленения и динамической модели. Это позволяет реализовать общее обнаружение столкновений и податливость без установки оборудования на запястье. Точность зависит от трения в приводе, компенсации силы тяжести, массы полезной нагрузки, положения центра тяжести, позы робота, температуры и ускорения. Небольшие контактные силы бывает сложно отделить от собственной динамики робота.

Внешний шестиосевой датчик силы и момента измеряет силы и моменты ближе к процессу. Он может обеспечить более высокую чувствительность и прямую информацию о контакте инструмента, но увеличивает массу и высоту сборки, изменяет полезную нагрузку и инерцию, требует прокладки кабелей и интеграции сигналов и имеет ограниченную допустимую перегрузку. Датчик необходимо выбирать с учетом как случайных нагрузок, так и нормального диапазона процесса; устройство, выбранное только ради высокого разрешения, может быть повреждено при столкновении или смене инструмента.

Третий вариант — механическая податливость, например плавающий инструмент, привод постоянного усилия или податливое запястье. Пассивная податливость может быть надежной и быстрой, а активная силовая обратная связь обеспечивает программируемость и диагностические данные. Во многих успешных ячейках сочетаются оба подхода: механическая податливость поглощает высокочастотные изменения, а контур робота корректирует более медленные изменения.

Согласуйте режим управления с задачей

Обнаружение контакта отслеживает порог силы или момента, после чего изменяет состояние или останавливает сближение. Это полезно для поиска поверхности или подтверждения посадки, но при выборе порога необходимо учитывать шум, массу инструмента, скорость сближения и инерционную нагрузку. Порог, подходящий для медленного теста, может сработать слишком поздно при контакте на производственной скорости.

Податливость позволяет выполнять движение под нагрузкой, часто вдоль выбранных осей при ограничении остальных. Управление постоянным усилием регулирует заданную нормальную силу, пока робот следует по поверхности. Процедуры поиска сочетают ограниченную силу со спиральным, растровым или направленным движением для нахождения элемента, в который выполняется установка. Адаптация скорости может замедлить траекторию обработки при повышении измеренной нагрузки, снижая перегрузку и сохраняя продвижение.

Для каждого режима необходимы ограничения: максимальное перемещение, максимальные сила и момент, разрешенные оси, пределы скорости, тайм-аут, направление отхода и поведение при потере датчика. Без этих ограничений силовой контур может продолжать давить, поскольку заданное значение так и не было достигнуто.

Стабильность контакта зависит от динамики робота, жесткости инструмента, скорости процесса, изменений поверхности, фильтрации и настройки контура.

Согласуйте пропускную способность контура управления с механической податливостью

Контакт изменяет динамику системы. Жесткий инструмент у жесткой детали может создать высокую собственную частоту и усилить влияние небольших задержек или измерительного шума. Чрезмерное усиление может вызвать вибрацию; сильная фильтрация уменьшает шум, но добавляет фазовую задержку и может дестабилизировать или замедлить отклик. Мягкий интерфейс проще контролировать, но он может снизить точность траектории или стабильность процесса.

Ввод в эксплуатацию следует начинать на низкой скорости и при консервативном усилии, предварительно проверив массу инструмента и положение центра тяжести. Выполните компенсацию смещения датчика в правильной позе и при соответствующей температуре, затем оцените несколько поз робота, поскольку компенсация силы тяжести и конструкционная жесткость меняются в пределах рабочей зоны. Отслеживайте фактическую силу, заданное значение силы, коррекцию положения, скорость и флаги насыщения. Плавное усредненное значение может скрыть опасные пики, поэтому данные следует регистрировать достаточно быстро для фиксации события контакта.

Отделяйте регулирование процесса от безопасности машины

Порог силы, используемый для управления качеством, автоматически не является функцией безопасности. Опасности для персонала могут сохраняться из-за острых инструментов, горячих деталей, накопленной пневматической энергии, точек защемления, а также импульса робота или полезной нагрузки. Совместная работа также зависит от оценки рисков для конкретного применения, подтвержденных ограничений и функций безопасности с соответствующей категорией надежности, а не только от наличия измерения момента.

В конструкции машины необходимо определить, что происходит при аварийной остановке, защитной остановке, отказе датчика, прерывании сети, поломке инструмента и потере заготовки. Если накопленная сила может вызвать движение после отключения питания, это должно быть учтено в процедуре восстановления. Перед возобновлением силового управления перезапуск должен требовать от ячейки подтверждения установленного инструмента, полезной нагрузки, состояния датчика и отсутствия контакта.

Обеспечьте понятный интерфейс для ПЛК

Высокочастотный силовой контур должен работать в роботе или выделенном контроллере движения. ПЛК должен обмениваться состояниями уровня машины, такими как готовность, разрешение на сближение, обнаружение контакта, активный процесс, завершение процесса, результат проверки качества и неисправность. Он также должен получать диагностические значения, необходимые для производственных записей и технического обслуживания, но не пытаться замыкать силовой контур через более медленную промышленную сеть.

Определите, кто отвечает за рецепты и ограничения. Если ПЛК выбирает рецепт детали, робот должен подтвердить загруженные параметры силы, скорости, инструмента и поиска перед началом движения. Изменения порогов и фильтров требуют контроля версий, поскольку они влияют как на качество, так и на нагрузку оборудования.

Используйте данные о силе как свидетельство состояния процесса

Графики силы могут показать больше, чем просто «годно» или «не годно». Рост пикового усилия при установке может указывать на несоосность, заусенцы, потерю смазки или смещение оснастки. Рост среднего усилия полирования при той же команде может свидетельствовать об износе инструмента или изменении податливости. Внезапное изменение шестиосевого профиля может выявить ослабление инструмента или неправильную ориентацию детали.

Статистические пределы должны основываться на данных заведомо исправного процесса и инженерных допусках, а не на произвольных процентах. Сохраняйте вместе с результатом рецепт, идентификатор инструмента, положение робота и соответствующие характеристики силы. Такой контекст помогает отличить вариации продукции от смещения датчика или работ по техническому обслуживанию.

Компоненты систем движения можно посмотреть в разделе Приводы и управление движением, а оборудование для роботов — в разделе Робототехника ABB.

Инженерный взгляд

Силовое управление наиболее ценно, когда оснастка и процесс уже достаточно повторяемы, чтобы определить стабильную задачу контакта, но все еще содержат вариации, которые чистое позиционное управление не может экономично компенсировать. Оно не должно превращаться в программный костыль для ненадежной оснастки или неконтролируемого инструмента. Надежная реализация сочетает подходящие датчики, ограниченные режимы управления, механическую податливость, отделение функций безопасности, диагностические тренды и испытания правдоподобных отказов.