Sterowanie pozycyjne a sterowanie siłą
Sterowanie pozycyjne opiera się na założeniu, że położenie obrabianej powierzchni jest powtarzalne i zgodne z zaprogramowaną trajektorią. W szlifowaniu warunek ten rzadko jest spełniony. Na wynik procesu wpływają jednocześnie: nacisk narzędzia, prędkość przesuwu, prędkość obrotowa, kąt ustawienia narzędzia, rodzaj materiału ściernego, jego zużycie i lokalna krzywizna elementu. Nawet niewielka różnica między nominalnym a rzeczywistym położeniem powierzchni przekłada się na znaczną zmianę nacisku. Robot poruszający się po sztywnej trajektorii albo traci kontakt, albo dociska zbyt mocno – na powierzchni lakierowanej konsekwencje są natychmiastowe i widoczne.
Force Mode to tryb sterowania dostępny w robotach UR e-Series, w którym wybrane osie stają się podatne. Sterownik nie utrzymuje w nich sztywno zadanej pozycji, lecz koryguje położenie tak, aby zachować wymaganą siłę kontaktu mierzoną przez czujnik siły i momentu wbudowany w kołnierz narzędziowy. Czujnik rejestruje obciążenia w sześciu stopniach swobody: siły w osiach X, Y, Z oraz momenty wokół RX, RY, RZ. W praktyce robot prowadzi zaprogramowaną trajektorię w kierunkach stycznych do powierzchni, a w kierunku normalnym reguluje położenie tak, by utrzymać zadany nacisk. Jeśli powierzchnia leży bliżej niż zakłada model nominalny, robot się cofa; jeśli dalej – zwiększa wychylenie w osi podatnej.
Kontekst wdrożenia w Tychach
Zakład produkuje Jeepa Avengera, Fiata 600 i Alfę Romeo Junior na wspólnej platformie, w wersjach spalinowych, hybrydowych i elektrycznych. Standard jakości powierzchni musi być identyczny niezależnie od wariantu nadwozia, strony karoserii i zmiany produkcyjnej. Obszar overpaintingu, powstający w procesie dwukolorowego lakierowania, wymaga kontrolowanego wykończenia – wykonywany ręcznie jest monotonny, obciążający ergonomicznie i zależny od nacisku utrzymywanego przez konkretnego operatora.
Dwa roboty UR12e pracują po przeciwnych stronach linii, każdy prowadzi narzędzie rotacyjne Mirka po odpowiednim fragmencie karoserii. Integrację – projekt mechaniczny i elektryczny, oprogramowanie oraz uruchomienie w istniejącej infrastrukturze – realizowała firma DRIM Robotics. UR12e dysponuje udźwigiem 12,5 kg, zasięgiem 1300 mm, powtarzalnością ±0,05 mm i footprintem Ø190 mm. Parametry te okazały się kluczowe dla dobudowy do istniejącej linii: zasięg eliminował potrzebę dodatkowej osi liniowej, kompaktowa podstawa nie wymagała przenoszenia istniejących elementów, a funkcje bezpieczeństwa zgodne z PLd kat. 3 według EN ISO 13849-1 ograniczyły zakres wymaganego oprzyrządowania ochronnego.
Wybór układu odniesienia i ograniczenia Force Mode
PolyScope udostępnia trzy typy układu odniesienia dla Force Mode. Typ Simple stosuje się przy płaskich lub słabo zakrzywionych fragmentach z jednym stałym kierunkiem docisku – siła działa w osi Z wybranego elementu odniesienia. Typ Frame umożliwia zadanie siły i momentu w dowolnym z sześciu stopni swobody, co jest właściwe przy procesach wymagających jednoczesnej kontroli siły i momentu. Typ Point orientuje układ zadania tak, że oś Y jest skierowana na wybrany punkt i zmienia się w trakcie ruchu punktu narzędziowego (TCP) – stosowany przy obróbce wokół punktu i promieniowym prowadzeniu narzędzia. Wybór wynika z geometrii procesu. Przy zmiennej krzywiźnie proces należy podzielić na fragmenty i w każdym zapewnić poprawną orientację narzędzia.
Force Mode nie jest systemem wizyjnym. Nie rozpoznaje geometrii samochodu, nie wykrywa automatycznie obszaru overpaintingu i nie generuje trajektorii na podstawie obserwacji powierzchni. Robot nadal wymaga spełnienia następujących warunków technicznych:
- zaprogramowanej trajektorii nominalnej właściwej dla danego wariantu nadwozia,
- prawidłowo zdefiniowanego TCP zapewniającego poprawną interpretację sił i orientacji narzędzia,
- skonfigurowanej masy i środka ciężkości narzędzia eliminującej błędy kompensacji grawitacyjnej,
- poprawnie zorientowanego układu odniesienia zgodnego z lokalną geometrią obrabianej powierzchni,
- powtarzalnego pozycjonowania nadwozia w stacji gwarantującego stabilne warunki procesu.
Sterowanie siłą kompensuje odchyłki wokół zaprogramowanego procesu – nie zastępuje oprzyrządowania, kalibracji ani kontroli wariantu. Jeśli położenie detalu zmienia się w zakresie większym niż skonfigurowany limit wychylenia lub robot ma dopiero odnaleźć obszar obróbki, Force Mode należy uzupełnić o system wizyjny, pomiar 3D lub dodatkowy czujnik.
Granice wbudowanego czujnika i konfiguracja parametrów
Wbudowany czujnik nadgarstkowy e-Series jest przeznaczony do wykrywania kolizji, funkcji współpracy i prostej podatności. Dla UR12e jego parametry wynoszą: zakres ±100,0 N (siła) i ±10,0 Nm (moment), precyzja ±5,0 N i ±0,2 Nm, dokładność ±5,5 N i ±0,5 Nm. Przy gratowaniu i szybkich pętlach sprzężenia siłowego poziom szumu oraz wrażliwość na dryft termiczny stają się ograniczeniem. Jeśli okno akceptowalnej siły docisku jest wąskie w stosunku do dokładności pomiaru, wskazane jest zastosowanie zewnętrznego czujnika siły i momentu montowanego na kołnierzu – kosztem części dostępnego udźwigu i dodatkowego okablowania.
Stabilna regulacja siłą wymaga poprawnej konfiguracji kilku parametrów. Błędny TCP lub orientacja narzędzia powodują, że sterownik źle interpretuje siły i momenty, psując jednocześnie trajektorię i regulację. Niepoprawna masa i środek ciężkości narzędzia sprawiają, że sterownik część obciążenia grawitacyjnego interpretuje jako kontakt z powierzchnią – robot "widzi" siłę, której nie ma, a nacisk dryfuje przy zmianie orientacji nadgarstka. Kierunek podatności niezgodny z lokalną normalną do powierzchni generuje składową styczną docisku i nierównomierne zebranie materiału. Wartość siły docisku dobiera się do powłoki, materiału ściernego i prędkości obrotowej – wyższy nacisk nie oznacza szybszej ani lepszej obróbki, częściej powoduje przypalenie lub przetarcie. Limity prędkości i wychylenia chronią przed nadmiernym przemieszczeniem narzędzia przy braku detalu, błędnym programie lub utracie kontaktu. Źle dobrane parametry dynamiczne przy narzędziu rotacyjnym generującym drgania i moment reakcyjny mogą wprowadzać robota w oscylacje.
Rola narzędzia i bezpieczeństwo stanowiska
Force Mode utrzymuje zaprogramowaną siłę, lecz nie kompensuje zużytego materiału ściernego. Gdy materiał traci zdolność skrawania, regulator siły nadal wskazuje prawidłowy kontakt, a jakość powierzchni się pogarsza. Sam pomiar siły nie jest miarą jakości obróbki. Stabilny proces wymaga określonych zasad wymiany materiału ściernego, okresowej kontroli narzędzia i jednoznacznego kryterium oceny powierzchni. Przy doborze narzędzia rotacyjnego należy uwzględnić jego masę i środek ciężkości, prędkość obrotową i średnicę części roboczej, charakterystykę materiału ściernego, tempo zużycia elementu roboczego oraz sposób odprowadzania pyłu.
UR12e posiada stopień ochrony IP54, co oznacza ochronę przed pyłem w ograniczonym zakresie, a nie pyłoszczelność. Przy szlifowaniu uzasadnia to stosowanie skutecznego odciągu u źródła. Szerzej, robot współpracujący nie oznacza aplikacji bez zabezpieczeń. Obracające się narzędzie ścierne, pył, ostre krawędzie, ryzyko zakleszczenia i ruchy sąsiedniej linii pozostają źródłami zagrożenia niezależnie od funkcji współpracy robota. Zakres wymaganych zabezpieczeń określa ocena ryzyka całej aplikacji – łącznie z narzędziem, detalem i otoczeniem stanowiska.
Podsumowanie
Force Mode w robotach UR e-Series umożliwia kontrolowane prowadzenie narzędzia z utrzymaniem zadanego nacisku w zmiennych warunkach powierzchniowych, co czyni go właściwym rozwiązaniem dla procesów takich jak szlifowanie obszaru overpaintingu w Stellantis Tychy. Skuteczność wdrożenia zależy od poprawnej konfiguracji TCP, masy narzędzia, kierunku podatności i limitów ruchu, a także od właściwie dobranego i konserwowanego narzędzia procesowego. Sterowanie siłą kompensuje odchyłki wokół zaprogramowanej trajektorii, nie zastępuje jednak pozycjonowania detalu, kalibracji ani systemu wizyjnego w przypadkach wymagających aktywnej lokalizacji obszaru obróbki.
Źródło: Elmark Automatyka
Więcej na www.elmark.com.pl
