Điều khiển lực robot: Từ phát hiện tiếp xúc đến quy trình ổn định

Điều khiển vị trí hoạt động tốt khi phôi, đồ gá, dụng cụ và robot vẫn ở đúng vị trí mà chương trình dự kiến. Mài, đánh bóng, làm sạch ba via, lắp ráp, bám theo bề mặt và kiểm tra sản phẩm đều vi phạm giả định đó: lực tiếp xúc thay đổi theo dung sai chi tiết, sai số đồ gá, độ mòn vật liệu mài, giãn nở nhiệt và hình học bề mặt cục bộ.

Điều khiển lực bổ sung phản hồi từ chính quá trình tương tác. Bộ điều khiển có thể phát hiện tiếp xúc, cho phép chuyển động tuân thủ, điều chỉnh áp lực hoặc thích ứng tốc độ khi lực lệch khỏi giá trị mục tiêu. Điều này giúp quy trình chịu được một mức biến thiên nhất định, nhưng không loại bỏ nhu cầu về cơ cấu cơ khí phù hợp, dữ liệu tải trọng đã hiệu chuẩn, dụng cụ ổn định hoặc hệ thống giảm thiểu rủi ro đạt chuẩn an toàn.

Cảm biến ở cổ tay đo tiếp xúc của quy trình gần dụng cụ, đồng thời cũng nhận biết ảnh hưởng của tải trọng, gia tốc, cáp và quán tính.

Chọn nguồn phản hồi phù hợp với quy trình

Một số robot ước tính mô-men xoắn bên ngoài từ dòng điện động cơ khớp và mô hình động lực học. Cách này có thể hỗ trợ phát hiện va chạm tổng quát và chuyển động tuân thủ mà không cần bổ sung phần cứng ở cổ tay. Độ chính xác phụ thuộc vào ma sát hệ truyền động, bù trọng lực, khối lượng tải, trọng tâm, tư thế robot, nhiệt độ và gia tốc. Các lực tiếp xúc nhỏ có thể khó phân biệt với động lực học của chính robot.

Cảm biến lực-mô-men sáu trục bên ngoài đo lực và mô-men gần quy trình hơn. Cảm biến có thể mang lại độ nhạy tốt hơn và thông tin trực tiếp về tiếp xúc của dụng cụ, nhưng làm tăng khối lượng và chiều cao cụm lắp, thay đổi tải trọng và quán tính, đồng thời yêu cầu đi dây, tích hợp tín hiệu và có giới hạn chịu quá tải. Cảm biến phải được chọn theo cả tải trọng sự cố lẫn phạm vi quy trình thông thường; thiết bị chỉ được chọn vì độ phân giải tinh có thể bị hỏng trong lúc va chạm hoặc thay dụng cụ.

Một lựa chọn thứ ba là cơ cấu tuân thủ cơ khí, chẳng hạn dụng cụ nổi, bộ chấp hành lực không đổi hoặc cổ tay tuân thủ. Cơ cấu tuân thủ thụ động có thể bền bỉ và nhanh, trong khi phản hồi lực chủ động mang lại khả năng lập trình và dữ liệu chẩn đoán. Nhiều cell thành công kết hợp cả hai: cơ cấu tuân thủ cơ khí hấp thụ biến thiên tần số cao, còn vòng lặp robot hiệu chỉnh các thay đổi chậm hơn.

Điều chỉnh chế độ điều khiển theo nhiệm vụ

Phát hiện tiếp xúc theo dõi một ngưỡng lực hoặc mô-men, sau đó chuyển trạng thái hoặc dừng chuyển động tiếp cận. Cách này hữu ích để tìm bề mặt hoặc xác nhận đã lắp đúng vị trí, nhưng ngưỡng phải tính đến nhiễu, trọng lượng dụng cụ, tốc độ tiếp cận và tải quán tính. Một ngưỡng hoạt động trong thử nghiệm chậm có thể kích hoạt quá muộn khi tiếp xúc ở tốc độ sản xuất.

Cơ cấu tuân thủ cho phép chuyển động dưới tải, thường dọc theo các trục được chọn trong khi hạn chế các trục khác. Điều khiển lực không đổi điều chỉnh lực pháp tuyến mục tiêu khi robot bám theo bề mặt. Quy trình tìm kiếm kết hợp lực giới hạn với chuyển động xoắn ốc, quét raster hoặc chuyển động định hướng để xác định vị trí đặc tính lắp ráp. Điều chỉnh tốc độ có thể làm chậm đường chạy gia công khi tải đo được tăng, giảm quá tải mà vẫn duy trì tiến độ.

Mỗi chế độ cần có các giới hạn: độ dịch chuyển tối đa, lực và mô-men tối đa, các trục được phép, giới hạn vận tốc, thời gian chờ, hướng thoát và hành vi sau khi mất tín hiệu cảm biến. Nếu không có các giới hạn đó, vòng lặp lực có thể tiếp tục đẩy vì giá trị được lệnh chưa bao giờ đạt tới.

Tiếp xúc ổn định phụ thuộc vào động lực học robot, độ cứng dụng cụ, tốc độ quy trình, biến thiên bề mặt, bộ lọc và việc hiệu chỉnh vòng lặp.

Băng thông vòng điều khiển tương tác với độ tuân thủ cơ khí

Tiếp xúc làm thay đổi động lực học của hệ thống. Dụng cụ cứng tiếp xúc với chi tiết cứng có thể tạo ra tần số riêng cao và khuếch đại các độ trễ nhỏ hoặc nhiễu đo. Độ lợi quá cao có thể gây rung giật; bộ lọc mạnh làm giảm nhiễu nhưng tăng độ trễ pha, từ đó có thể gây mất ổn định hoặc làm phản hồi chậm hơn. Giao diện mềm dễ điều khiển hơn nhưng có thể làm giảm độ chính xác quỹ đạo hoặc tính nhất quán của quy trình.

Việc chạy thử nên bắt đầu ở tốc độ thấp và lực thận trọng, với khối lượng dụng cụ và trọng tâm đã được xác minh. Cân bằng cảm biến ở đúng tư thế và điều kiện nhiệt độ, sau đó đánh giá nhiều tư thế robot vì bù trọng lực và độ cứng kết cấu thay đổi trong toàn bộ không gian làm việc. Theo dõi lực thực tế, lực mục tiêu, hiệu chỉnh vị trí, tốc độ và các cờ bão hòa. Giá trị trung bình mượt có thể che giấu các đỉnh lực gây hư hỏng, vì vậy cần ghi dữ liệu đủ nhanh cho sự kiện tiếp xúc.

Tách điều chỉnh quy trình khỏi an toàn máy

Ngưỡng lực dùng để kiểm soát chất lượng không tự động là một chức năng an toàn. Mối nguy đối với con người vẫn có thể đến từ dụng cụ sắc, chi tiết nóng, năng lượng khí nén tích trữ, điểm nghiền và mô-men động lượng của robot hoặc tải. Vận hành cộng tác cũng phụ thuộc vào đánh giá rủi ro theo ứng dụng, các giới hạn đã được xác nhận và chức năng đạt chuẩn an toàn, chứ không chỉ vào sự hiện diện của cảm biến mô-men.

Thiết kế máy phải xác định điều gì xảy ra khi dừng khẩn cấp, dừng bảo vệ, hỏng cảm biến, gián đoạn mạng, gãy dụng cụ và mất phôi. Nếu lực tích trữ có thể giải phóng chuyển động sau khi ngắt nguồn, quy trình khôi phục phải xử lý tình huống đó. Việc khởi động lại chỉ nên được phép sau khi cell xác lập dụng cụ, tải trọng, trạng thái cảm biến và trạng thái không tiếp xúc đã biết trước, rồi mới tiếp tục điều khiển lực.

Cung cấp giao diện rõ ràng cho PLC

Vòng lặp lực tốc độ cao thuộc về robot hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng. PLC nên trao đổi các trạng thái cấp máy như sẵn sàng, cho phép tiếp cận, đã phát hiện tiếp xúc, quy trình đang hoạt động, quy trình hoàn tất, kết quả chất lượng và lỗi. PLC cũng nên nhận các giá trị chẩn đoán cần thiết cho hồ sơ sản xuất và bảo trì, nhưng không cố khép vòng lặp lực qua mạng công nghiệp chậm hơn.

Hãy xác định rõ quyền quản lý công thức và giới hạn. Nếu PLC chọn công thức cho chi tiết, robot phải xác nhận lực, tốc độ, dụng cụ và thông số tìm kiếm đã nạp trước khi chuyển động. Các thay đổi đối với ngưỡng và bộ lọc cần được quản lý phiên bản vì chúng ảnh hưởng đến cả chất lượng lẫn tải trọng thiết bị.

Sử dụng dữ liệu lực làm bằng chứng của quy trình

Đường cong lực có thể cho biết nhiều hơn kết quả đạt hoặc không đạt. Đỉnh lực lắp ráp tăng có thể cho thấy lệch tâm, ba via, thiếu chất bôi trơn hoặc đồ gá bị trôi. Lực đánh bóng trung bình tăng ở cùng một lệnh có thể cho thấy dụng cụ bị mòn hoặc độ tuân thủ thay đổi. Sự thay đổi đột ngột trong tín hiệu sáu trục có thể xác định dụng cụ lỏng hoặc chi tiết đặt sai hướng.

Giới hạn thống kê nên được xây dựng từ dữ liệu quy trình đạt yêu cầu và dung sai kỹ thuật đã biết, không phải từ các tỷ lệ phần trăm tùy ý. Lưu lại công thức, mã dụng cụ, vị trí robot và các đặc tính lực liên quan cùng với kết quả. Bối cảnh đó giúp phân biệt biến thiên sản phẩm với độ lệch cảm biến hoặc công việc bảo trì.

Các linh kiện của hệ thống chuyển động có thể được xem tại Truyền động & Điều khiển chuyển động, còn phần cứng chuyên dụng cho robot có trong bộ sưu tập Robot ABB.

Góc nhìn kỹ thuật

Điều khiển lực có giá trị nhất khi đồ gá và quy trình đã đủ lặp lại để xác định một nhiệm vụ tiếp xúc ổn định, nhưng vẫn chứa biến thiên mà điều khiển vị trí thuần túy không thể hấp thụ một cách kinh tế. Không nên biến nó thành bản vá phần mềm cho đồ gá lỏng lẻo hoặc dụng cụ không được kiểm soát. Một triển khai hiệu quả kết hợp cảm biến phù hợp, các chế độ điều khiển có giới hạn, cơ cấu tuân thủ cơ khí, sự tách biệt về an toàn, xu hướng chẩn đoán và các thử nghiệm đối với những trạng thái hỏng hóc có thể xảy ra.