การควบคุมแรงของหุ่นยนต์: ตั้งแต่การตรวจจับการสัมผัสจนถึงกระบวนการที่เสถียร

การควบคุมตำแหน่งทำงานได้ดีเมื่อชิ้นงาน ฟิกซ์เจอร์ เครื่องมือ และหุ่นยนต์ยังคงอยู่ในตำแหน่งที่โปรแกรมคาดไว้ การเจียร การขัด การลบคม การสอดประกอบ การติดตามพื้นผิว และการทดสอบผลิตภัณฑ์ล้วนขัดกับสมมติฐานนี้ เนื่องจากแรงสัมผัสเปลี่ยนแปลงตามค่าความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วน ความคลาดเคลื่อนของฟิกซ์เจอร์ การสึกหรอของวัสดุขัด การขยายตัวจากความร้อน และรูปทรงพื้นผิวเฉพาะจุด

การควบคุมแรงจะเพิ่มข้อมูลป้อนกลับจากปฏิสัมพันธ์นั้นโดยตรง ตัวควบคุมสามารถตรวจจับการสัมผัส อนุญาตให้เกิดการเคลื่อนที่แบบยืดหยุ่น ควบคุมแรงกด หรือปรับความเร็วเมื่อแรงเบี่ยงเบนจากค่าเป้าหมายได้ จึงทำให้กระบวนการรองรับความแปรผันในระดับหนึ่งได้ดีขึ้น แต่ไม่ได้ขจัดความจำเป็นของกลไกที่เหมาะสม ข้อมูลน้ำหนักบรรทุกที่ผ่านการสอบเทียบ เครื่องมือที่มั่นคง หรือระบบลดความเสี่ยงที่มีระดับความปลอดภัยตามมาตรฐาน

เซนเซอร์ที่ข้อมือจะวัดแรงสัมผัสของกระบวนการใกล้กับเครื่องมือ พร้อมทั้งตรวจรับผลจากน้ำหนักบรรทุก การเร่ง สายเคเบิล และแรงเฉื่อยด้วย

เลือกแหล่งข้อมูลป้อนกลับให้เหมาะกับกระบวนการ

หุ่นยนต์บางรุ่นประเมินแรงบิดภายนอกจากกระแสมอเตอร์ข้อต่อและแบบจำลองไดนามิก วิธีนี้รองรับการตรวจจับการชนในภาพรวมและการเคลื่อนไหวแบบยืดหยุ่นได้โดยไม่ต้องเพิ่มฮาร์ดแวร์ที่ข้อมือ ความแม่นยำขึ้นอยู่กับแรงเสียดทานของชุดส่งกำลัง การชดเชยแรงโน้มถ่วง มวลน้ำหนักบรรทุก จุดศูนย์ถ่วง ท่าทางของหุ่นยนต์ อุณหภูมิ และการเร่ง แรงสัมผัสขนาดเล็กอาจแยกออกจากไดนามิกของหุ่นยนต์เองได้ยาก

เซนเซอร์วัดแรงบิดและแรงหกแกนภายนอกจะวัดแรงและโมเมนต์ใกล้กระบวนการมากกว่า จึงให้ความไวที่ดีกว่าและข้อมูลโดยตรงเกี่ยวกับการสัมผัสของเครื่องมือได้ แต่จะเพิ่มมวลและความสูงของชุดติดตั้ง เปลี่ยนแปลงน้ำหนักบรรทุกและแรงเฉื่อย ต้องเดินสายและผสานรวมสัญญาณ อีกทั้งมีความสามารถในการรับโหลดเกินจำกัด ต้องเลือกขนาดเซนเซอร์ให้รองรับทั้งโหลดจากเหตุการณ์ไม่คาดคิดและช่วงการทำงานปกติ อุปกรณ์ที่เลือกโดยคำนึงถึงความละเอียดสูงเพียงอย่างเดียวอาจเสียหายระหว่างการชนหรือการเปลี่ยนเครื่องมือ

อีกทางเลือกหนึ่งคือความยืดหยุ่นเชิงกล เช่น เครื่องมือแบบลอย แอคชูเอเตอร์แรงคงที่ หรือข้อมือแบบยืดหยุ่น ความยืดหยุ่นแบบพาสซีฟมีความแข็งแรงทนทานและตอบสนองได้รวดเร็ว ขณะที่ข้อมูลป้อนกลับแรงแบบแอ็กทีฟให้ความสามารถในการตั้งโปรแกรมและข้อมูลวินิจฉัย เซลล์ที่ประสบความสำเร็จจำนวนมากผสานทั้งสองแบบเข้าด้วยกัน โดยให้ความยืดหยุ่นเชิงกลดูดซับความแปรผันความถี่สูง และให้ลูปของหุ่นยนต์แก้ไขการเปลี่ยนแปลงที่ช้ากว่า

จับคู่โหมดการควบคุมให้เหมาะกับงาน

การตรวจจับการสัมผัสจะเฝ้าดูค่าเกณฑ์ของแรงหรือแรงบิด จากนั้นจึงเปลี่ยนสถานะหรือหยุดการเคลื่อนที่เข้าหา มีประโยชน์สำหรับการค้นหาพื้นผิวหรือยืนยันการนั่งเข้าตำแหน่ง แต่ค่าเกณฑ์ต้องคำนึงถึงสัญญาณรบกวน น้ำหนักเครื่องมือ ความเร็วในการเข้าหา และโหลดจากแรงเฉื่อย ค่าเกณฑ์ที่ใช้ได้ระหว่างการทดสอบความเร็วต่ำอาจตรวจจับได้ช้าเกินไปเมื่อสัมผัสด้วยความเร็วระดับการผลิต

ความยืดหยุ่นช่วยให้เกิดการเคลื่อนที่ภายใต้โหลด โดยมักอนุญาตให้เคลื่อนที่ตามแกนที่เลือกไว้ ขณะจำกัดแกนอื่น การควบคุมแรงคงที่จะควบคุมแรงปกติเป้าหมายขณะที่หุ่นยนต์ติดตามพื้นผิว รูทีนค้นหาจะผสานแรงที่จำกัดเข้ากับการเคลื่อนที่แบบเกลียว แบบกวาดเป็นแถบ หรือแบบมีทิศทาง เพื่อระบุตำแหน่งจุดสำหรับการสอดประกอบ การปรับความเร็วสามารถลดความเร็วของเส้นทางการตัดเฉือนเมื่อโหลดที่วัดได้เพิ่มขึ้น เพื่อลดการรับโหลดเกินและยังคงเดินหน้ากระบวนการต่อไป

แต่ละโหมดต้องมีขอบเขต ได้แก่ การกระจัดสูงสุด แรงและแรงบิดสูงสุด แกนที่อนุญาต ขีดจำกัดความเร็ว เวลาหมดอายุ ทิศทางการถอยออก และพฤติกรรมหลังสูญเสียสัญญาณจากเซนเซอร์ หากไม่มีขีดจำกัดเหล่านี้ ลูปควบคุมแรงอาจยังคงดันต่อไป เนื่องจากยังไม่ถึงค่าที่สั่งไว้

การสัมผัสที่เสถียรขึ้นอยู่กับไดนามิกของหุ่นยนต์ ความแข็งของเครื่องมือ ความเร็วกระบวนการ ความแปรผันของพื้นผิว การกรองสัญญาณ และการปรับจูนลูป

แบนด์วิดท์ของลูปควบคุมต้องสอดคล้องกับความยืดหยุ่นเชิงกล

การสัมผัสจะเปลี่ยนแปลงไดนามิกของระบบ เครื่องมือที่แข็งกดกับชิ้นส่วนที่แข็งอาจสร้างความถี่ธรรมชาติสูง และขยายผลจากความล่าช้าหรือสัญญาณรบกวนในการวัดเพียงเล็กน้อย อัตราขยายที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดการสั่นกระพือ ขณะที่การกรองอย่างหนักช่วยลดสัญญาณรบกวน แต่เพิ่มความล่าช้าของเฟสและอาจทำให้การตอบสนองไม่เสถียรหรือช้าลง อินเทอร์เฟซที่อ่อนนุ่มควบคุมได้ง่ายกว่า แต่อาจลดความแม่นยำของเส้นทางหรือความสม่ำเสมอของกระบวนการ

การเริ่มใช้งานควรเริ่มที่ความเร็วต่ำและแรงที่ระมัดระวัง พร้อมตรวจสอบมวลเครื่องมือและจุดศูนย์ถ่วงแล้ว ปรับไบแอสของเซนเซอร์ในท่าทางและสภาวะอุณหภูมิที่ถูกต้อง จากนั้นประเมินท่าทางของหุ่นยนต์หลายแบบ เนื่องจากการชดเชยแรงโน้มถ่วงและความแข็งเชิงโครงสร้างเปลี่ยนแปลงไปทั่วพื้นที่ทำงาน ติดตามแนวโน้มแรงจริง ค่าแรงเป้าหมาย การแก้ไขตำแหน่ง ความเร็ว และแฟล็กการอิ่มตัว ค่าเฉลี่ยที่ราบเรียบอาจปกปิดจุดพุ่งสูงที่สร้างความเสียหายได้ ดังนั้นควรเก็บข้อมูลด้วยความเร็วเพียงพอสำหรับเหตุการณ์สัมผัส

แยกการควบคุมกระบวนการออกจากความปลอดภัยของเครื่องจักร

ค่าเกณฑ์แรงที่ใช้ควบคุมคุณภาพไม่ได้เป็นฟังก์ชันความปลอดภัยโดยอัตโนมัติ อันตรายต่อบุคลากรยังอาจเกิดจากเครื่องมือคม ชิ้นส่วนร้อน พลังงานลมอัดที่สะสม จุดหนีบ และโมเมนตัมของหุ่นยนต์หรือน้ำหนักบรรทุก การทำงานร่วมกับมนุษย์ก็ต้องอาศัยการประเมินความเสี่ยงเฉพาะการใช้งาน ขีดจำกัดที่ผ่านการตรวจสอบยืนยัน และฟังก์ชันที่มีระดับความปลอดภัยตามมาตรฐาน ไม่ใช่เพียงมีการตรวจจับแรงบิดเท่านั้น

การออกแบบเครื่องจักรควรกำหนดสิ่งที่จะเกิดขึ้นระหว่างการหยุดฉุกเฉิน การหยุดเพื่อป้องกัน การขัดข้องของเซนเซอร์ การขัดข้องของเครือข่าย การแตกหักของเครื่องมือ และการสูญเสียชิ้นงาน หากแรงที่สะสมไว้อาจปลดปล่อยการเคลื่อนที่หลังตัดกำลังไฟ ขั้นตอนการกู้คืนต้องจัดการกับประเด็นนี้ การเริ่มระบบใหม่ควรกำหนดให้เซลล์ยืนยันเครื่องมือ น้ำหนักบรรทุก สถานะเซนเซอร์ และสถานะที่ไม่มีการสัมผัสให้ทราบแน่ชัดก่อนเริ่มควบคุมแรงอีกครั้ง

กำหนดอินเทอร์เฟซที่ชัดเจนให้ PLC

ลูปแรงความถี่สูงควรอยู่ในหุ่นยนต์หรือตัวควบคุมการเคลื่อนที่โดยเฉพาะ PLC ควรแลกเปลี่ยนสถานะระดับเครื่องจักร เช่น พร้อม อนุญาตให้เข้าหา พบการสัมผัส กำลังดำเนินกระบวนการ กระบวนการเสร็จสมบูรณ์ ผลลัพธ์คุณภาพ และข้อขัดข้อง นอกจากนี้ควรรับค่าการวินิจฉัยที่จำเป็นสำหรับบันทึกการผลิตและการบำรุงรักษา โดยไม่พยายามปิดลูปควบคุมแรงผ่านเครือข่ายอุตสาหกรรมที่ช้ากว่า

กำหนดผู้รับผิดชอบสูตรการผลิตและขีดจำกัดให้ชัดเจน หาก PLC เลือกสูตรสำหรับชิ้นส่วน หุ่นยนต์ควรยืนยันค่าแรง ความเร็ว เครื่องมือ และพารามิเตอร์การค้นหาที่โหลดไว้ก่อนเริ่มการเคลื่อนที่ การเปลี่ยนแปลงค่าเกณฑ์และตัวกรองต้องมีการควบคุมแก้ไข เนื่องจากส่งผลทั้งต่อคุณภาพและการรับโหลดของอุปกรณ์

ใช้ข้อมูลแรงเป็นหลักฐานของกระบวนการ

กราฟแรงสามารถเปิดเผยข้อมูลได้มากกว่าเพียงผ่านหรือไม่ผ่าน ยอดแรงสูงสุดขณะสอดประกอบที่เพิ่มขึ้นอาจบ่งชี้ถึงการจัดแนวไม่ตรง ครีบ น้ำมันหล่อลื่นลดลง หรือฟิกซ์เจอร์เคลื่อน การเพิ่มขึ้นของแรงขัดเฉลี่ยภายใต้คำสั่งเดิมอาจบ่งชี้ถึงการสึกหรอของเครื่องมือหรือการเปลี่ยนแปลงของความยืดหยุ่น การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของลักษณะสัญญาณหกแกนอาจระบุเครื่องมือหลวมหรือการวางแนวชิ้นส่วนไม่ถูกต้อง

ขีดจำกัดทางสถิติควรมาจากข้อมูลกระบวนการที่ทราบว่าอยู่ในสภาพดีและค่าความคลาดเคลื่อนทางวิศวกรรม ไม่ใช่เปอร์เซ็นต์ที่กำหนดขึ้นโดยไม่มีหลักเกณฑ์ เก็บสูตรการผลิต ข้อมูลระบุเครื่องมือ ตำแหน่งหุ่นยนต์ และคุณลักษณะแรงที่เกี่ยวข้องไว้พร้อมกับผลลัพธ์ บริบทดังกล่าวช่วยแยกความแปรผันของผลิตภัณฑ์ออกจากไบแอสของเซนเซอร์หรืองานบำรุงรักษาได้

สามารถดูส่วนประกอบของระบบการเคลื่อนที่ได้ที่ ระบบขับเคลื่อนและการควบคุมการเคลื่อนที่ และดูฮาร์ดแวร์เฉพาะสำหรับหุ่นยนต์ได้ในคอลเลกชัน หุ่นยนต์ ABB

มุมมองทางวิศวกรรม

การควบคุมแรงมีคุณค่ามากที่สุดเมื่อฟิกซ์เจอร์และกระบวนการมีความสามารถในการทำซ้ำมากพอที่จะกำหนดงานสัมผัสที่เสถียรได้ แต่ยังมีความแปรผันที่การควบคุมตำแหน่งเพียงอย่างเดียวไม่สามารถรองรับได้อย่างคุ้มค่า การควบคุมแรงไม่ควรกลายเป็นแพตช์ซอฟต์แวร์สำหรับฟิกซ์เจอร์ที่หลวม หรือเครื่องมือที่ควบคุมไม่ได้ การใช้งานที่แข็งแกร่งต้องผสานการตรวจจับที่เหมาะสม โหมดควบคุมที่มีขอบเขต ความยืดหยุ่นเชิงกล การแยกฟังก์ชันความปลอดภัย แนวโน้มข้อมูลวินิจฉัย และการทดสอบสภาวะขัดข้องที่มีความเป็นไปได้จริง