Asamblare

Asamblarea motopropulsoarelor auto este o lucrare tradițional manuală, efectuată de operatori calificați cu ani de experiență. Această circumstanță se datorează faptului că angrenajele și alte componente critice ale ambreiajelor, convertoarelor de cuplu și așa mai departe trebuie aliniate cu o precizie foarte mare. Asemenea operațiuni, totuși, își pun tributul asupra muncii umane. Monotoane și obositoare, acestea pot duce la leziuni prin încordare la mișcare repetitivă, o calitate mai scăzută a produsului și o scădere a eficienței. Un robot capabil să performeze la același nivel ca un operator uman ar face, evident, perspectiva automatizării în acest domeniu de aplicație foarte atractivă. Dacă un robot controlat prin poziție încearcă să alinieze o pereche de roți dințate și programul său de control nu are informații precise despre pozițiile dinților de angrenare, singura opțiune a roboților este încercarea și eroarea iterativă, repetată până când se găsesc poziţiile relative ale dinţilor. Assembly of automotive power trains is a traditionally manual work, performed by skilled operators with years of experience. This circumstance is because gears and other critical components of the clutches, torque converters, and so on have to be aligned with very high precision. Such operations, however, take their toll on human labor. Tedious and fatiguing, they can lead to repetitive motion stress injury, lower product quality, and a drop in efficiency. A robot able to perform at the same level as a human operator would obviously make the prospect of automation in this application area very attractive. If a position-controlled robot tries to align a pair of gears and its control program does not have precise information about the gear tooth positions, the robots sole option is iterative trial and error, repeated until the relative tooth positions are found. Orice încercare a robotului de a potrivi angrenajele atâta timp cât acestea sunt nealiniate va face ca o roată dințată să apese puternic pe cealaltă, generând forțe de contact inacceptabil de mari. Chiar dacă dinții ar fi teșiți pentru a facilita împerecherea, nealinierea ar produce totuși forțe laterale mari, pe măsură ce robotul se luptă să deplaseze angrenajul de-a lungul traseului preprogramat către linia centrală de inserție. Mai mult ca sigur, angrenajele chiar s-ar bloca dacă nu sunt furnizate unele mijloace de conformitate mecanică (Johansson et al. 2004; Wang et al. 2008). Any attempt by the robot to fit the gears as long as they are misaligned will cause one gear to press hard against the other, generating unacceptably high contact forces. Even, if the teeth were chamfered to facilitate mating, misalignment would still produce large side forces as the robot struggles to move the gear along the preprogrammed path toward the centerline of insertion. More than likely, the gears would even jam unless some means of mechanical compliance is provided (Johansson et al. 2004; Wang et al. 2008).

Un studiu de caz este asamblarea robotică a carcasei convertorului de cuplu Ford F/N (Wang et al. 2008), care cântărea aproximativ 25 kg. În acest caz, a existat un angrenaj dublu canelat în care trebuia introdus un angrenaj de pompă (Johansson et al. 2004; Wang et al. 2008). Etanșarea angrenajului pompei a fost critică și a trebuit să se acorde mare atenție pentru a se asigura că nu a fost deteriorată în niciun fel în timpul inserției. A trebuit montat în același timp și un arbore canelat intern, complicând astfel asamblarea. Testele efectuate cu control avansat al forței în industria auto au demonstrat în mod convingător capacitatea acestuia de a îmbunătăți timpul ciclului și agilitatea în diferite aplicații de asamblare. Într-o aplicație care implică inserarea unui ambreiaj direct, o celulă de lucru cu un robot IRB4400 a avut o medie de 5,7 secunde pentru inserare cu o forță de reacție mai mică de 100 N. Într-o altă aplicație, convertoarele de cuplu F/N au fost asamblate într-un timp mediu de 6,98 s cu forța de contact limitată la 200 N, remarcându-se că, pe lângă piesa în sine cântărind aproximativ 25 kg, toleranța de poziție admisă a fost de 2 mm.A case study is the robotic assembly of Fords F/N torque converter case (Wang et al. 2008), which weighed about 25 kg. Inside this case, there was a double splined gearset into which a pump gear had to be inserted (Johansson et al. 2004; Wang et al. 2008). The seal of the pump gear was critical, and great care had to be taken to ensure that it was not damaged in any way during the insertion. An internal splined shaft had to be fitted at the same time, thus complicating the assembly. The tests carried out with advanced force control in the automotive industry convincingly demonstrated its ability to improve the cycle time and agility in different assembly applications. In one application involving the insertion of a forward clutch, a work cell with an IRB4400 robot averaged 5.7s for the insertion with a reaction force of less than 100 N. In another, F/N torque converters were assembled in an average time of 6.98 s with the contact force limited to 200 N, noting that, in addition to the part itself weighing about 25 kg, the allowed positional tolerance was 2 mm.

Șlefuire și lustruire

Utilizarea roboților industriali pentru debavurarea, șlefuirea și lustruirea automată este un exemplu interesant de proces în care capabilitățile de detectare externă sunt cruciale. Controlul exact al forțelor de contact poate ajuta la creșterea calității produsului final, precum și la flexibilitate în procesul de debavurare. Pentru a gestiona abaterile de la geometria nominală a piesei de prelucrat care sunt consecințe inevitabile ale procesului de turnătorie, un anumit comportament conform trebuie să fie inclus în sistemul utilizat pentru debavurare. Ca o alternativă la adăugarea fizică a conformității mecanice la configurarea sistemului, de exemplu, prin utilizarea unei scule conforme, controlul forței poate fi utilizat pentru a programa un comportament conform dorit și pentru a menține o forță de contact dorită în timpul procesului de debavurare.
The use of industrial robots for automated deburring, grinding, and polishing is an interesting example of a process where external sensing capabilities are crucial. Accurate control of the contact forces can help increase the quality of the final product, as well as flexibility in the deburring process. To handle the deviations from the nominal workpiece geometry that are inevitable consequences of the foundry process, some compliant behavior needs to be included in the system used for deburring. As an alternative to physically adding mechanical compliance to the system setup, for instance, by using a compliant tool, force control can be used to program a desired compliant behavior and to maintain a desired contact force during the deburring process.

În proiectul european Autofett, au fost efectuate experimente de șlefuire pe un robot ABB IRB6400 la compania Kranendonk Production Systems BV, Olanda, folosind o sculă specială de șlefuit dezvoltată la KU Leuven, Belgia; vezi Fig. 12. Forța de contact a fost menținută la o valoare constantă (F = 150 N), în timp ce scula de șlefuit a fost deplasată pe suprafață (Johansson et al. 2004; Fig. 13).
In the European project Autofett, grinding experiments were carried out on an ABB IRB6400 robot at the company Kranendonk Production Systems BV, the Netherlands, using a special grinding tool developed at KU Leuven, Belgium; see Fig. 12. The contact force was maintained at a constant value (F = 150 N), while the grinding tool was moved across the surface (Johansson et al. 2004; Fig. 13).

Găurire

Sistemele automate de găurire au o istorie lungă atât în ​​industrie, cât și în comunitatea de cercetare. În special, utilizarea roboților industriali pentru găurire este interesantă datorită programării lor flexibile și costului relativ scăzut al sistemelor de roboți industriali. Însă, găurirea cu robot este o sarcină foarte dificilă din cauza rigidității mecanice relativ scăzute a roboților industriali în serie tipici utilizați astăzi. În general, prinderea este necesară în găurirea robotică pentru a evita vibrațiile în timpul procesului de găurire, deoarece scula de găurire generează forțe verticale, orizontale și axiale în timpul procesului de tăiere. Conformitatea face ca robotul să deflecteze, uneori până la câțiva milimetri, din cauza forțelor aplicate extern în timpul prinderii și găuririi. Datorită îndoirii legăturilor robotului și a elasticității angrenajelor, deflexia locală la punctul de contact nu are loc neapărat în direcția (axială) forței aplicate, dar poate avea componente tangențiale care sunt de același ordin de mărime ca și deviația axială. Această deformare tangenţială are ca rezultat o calitate slabă a găurii şi o poziţionare inexactă. În schimb, toleranțele aerospațiale necesită ca găurile să fie exacte cu 0,2 mm (Summers 2005). În ceea ce privește o comparație de ultimă generație cu privire la găurirea și fixarea robotice, ne referim la aplicațiile de testare a capacității robotului raportate recent care vizează aplicațiile din industria aerospațială cu roboții de testare KUKA KR240, KUKA KR60, ABB IRB7600 și Staubli RX170 (Manual de aplicație - Controlul forţei pentru asamblare 2006).
Systems for automatic drilling have a long history in both the industry and the research community. In particular, the use of industrial robots for drilling is interesting due to their flexible programming and the comparatively low cost of industrial robot systems. However, robot drilling is a very challenging task due to the comparatively low mechanical stiffness of the typical serial industrial robots in use today. In general, clamp-up is necessary in robotic drilling to avoid vibration during the drilling process as the drill tool generates vertical, horizontal, and axial forces during the cutting process. The compliance makes the robot deflect, sometimes up to several millimeters, due to the externally applied forces during clampup and drilling. Due to the bending of the robot links and the elasticity in the gears, the local deflection at the contact point does not necessarily occur in the (axial) direction of the applied force, but may have tangential components which are on the same order of magnitude as the axial deflection. This tangential deformation results in poor hole quality and inaccurate positioning. In contrast, aerospace tolerances require drilled holes to be accurate within 0.2 mm (Summers 2005). As for a stateof-the-art comparison on robotic drilling and fastening, we refer to the recently reported robot capability test targeting applications in the aerospace industry with the test robots KUKA KR240, KUKA KR60, ABB IRB7600, and Staubli RX170 (Application Manual – Force Control for Assembly 2006).

În acest studiu de la Airbus UK, au fost analizate limitările legate de deflectarea statică și dinamică, repetabilitate, acuratețe absolută, eroare de temperatură și histerezis, concluzia fiind că o acuratețe absolută de 0,2 mm nu a fost realizabilă. Folosind abordări antipatinare de ultimă generație, Atkinson și coautorii de la Boeing-Hawker de Havilland au concluzionat că acuratețea absolută a rămas la limita acceptabilității pentru asamblarea aeronavei (Atkinson și colab. 2007).
In this study from Airbus UK, limitations related to static and dynamic deflection, repeatability, absolute accuracy, temperature error, and hysteresis were surveyed, the conclusion being that an absolute accuracy 0.2 mm was not achievable. Using state-of-the-art anti-skating approaches, Atkinson and coauthors from Boeing-Hawker de Havilland concluded that absolute accuracy remained on the edge of acceptability for aircraft assembly (Atkinson et al. 2007).

Un proces de găurire implică mutarea unui efector final de găurire în poziția corectă a găurii. Înainte de găurire, se folosește o pedală de presiune pentru a presa piesele împreună pentru a evita pătrunderea bavurilor între plăci (Fig. 14). În plus, pedala de presiune asigură menținerea stabilă a mașinii de găurit pe tot parcursul ciclului de găurire. Un mecanism de autoalimentare este utilizat în mod normal pentru a trece burghiul prin stiva de materiale. Găurirea automată în industria aerospațială utilizează astăzi roboți mari în două scopuri majore: pentru a manevra ansambluri mari și pentru a contrabalansa cu exactitate forțele de găurire implicate în procesul de găurire. Există multe moduri diferite de a depăși forțele în găurire și fixare folosind roboți industriali. O abordare este împărțirea procesului în două etape, în care, în prima etapă, rigiditatea robotului este mapată prin aplicarea forțelor la TCP robot și măsurarea deflexiei acestuia, în timp ce în a doua etapă, robotul este reglat înapoi la poziția nominală sub sarcină. Aceste valori de compensare sunt apoi aplicate ca un filtru pentru a programa robotul în timpul execuției procesului (De'goulange et al. 1994). A drilling process involves moving a drilling end effector to the correct position of the hole. Prior to drilling, a pressure foot is used to press the parts together in order to avoid burrs entering in between the plates (Fig. 14). In addition, the pressure foot assures that the drilling machine is kept stable throughout the drilling cycle. A self-feeding mechanism is normally used to feed the drill through the stack of materials. Automated drilling in the aerospace industry today uses large robots for two major purposes: to handle the large assemblies and to accurately counterbalance the drilling forces involved in the drilling process. There are many different ways to overcome forces in drilling and fastening using industrial robots. One approach is to divide the process in two steps, where in the first step, the robot stiffness is mapped by applying forces to the robot TCP and measuring its deflection, while in the second step, the robot is adjusted back to the nominal position under load. These compensation values are then applied as a filter to program the robot during process execution (De´goulange et al. 1994). Maparea rigidității robotului în acest fel poate fi, totuși, extrem de consumatoare de timp. Alte metode de rezolvare a problemei patinării au fost testate prin utilizarea sistemelor de metrologie pentru supravegherea robotului; vezi, de exemplu, (Kihlman 2005; Van Duin 2006; Summers 2005; Van Duin și Kihlman 2005). În astfel de metode, un sistem de metrologie este conectat la controllerul robotului printr-o buclă de feedback externă pentru a actualiza poziția nominală a robotului cu măsurători în timp real. Însă, utilizarea metrologiei nu este o soluție simplă, deoarece robotul va deflecta pe măsură ce pedala de presiune este cuplată.
Mapping the robot stiffness in this way can, however, be extremely time-consuming. Other methods to solve the skating problem have been tested by using metrology systems to supervise the robot; see, for example, (Kihlman 2005; Van Duin 2006; Summers 2005; Van Duin and Kihlman 2005). In such methods, a metrology system is connected to the robot controller via an external feedback loop to update the nominal position of the robot with measurements in real time. However, using metrology is not a straightforward solution, as the robot will deflect as the pressure foot is engaged.

Comun abordărilor tradiționale este lipsa de feedback a senzorilor de înaltă performanță către robot, prin care robotul nu poate fi actualizat suficient de rapid pentru a face față procesului dinamic pe care îl implică găurirea. Sistemele de control al roboților sunt în mod tradițional închise, o circumstanță care a împiedicat integrarea sistemului de manipulatoare, senzori și alte echipamente, iar o astfel de integrare a sistemului a fost adesea realizată la un nivel ierarhic necorespunzător de înalt. Ca o soluție mai rentabilă, tehnicile de feedback cu lățime de bandă mare pot fi utilizate pentru a controla proprietățile procesului de găurire. Cercetarea și dezvoltarea găuririi cu forță-controlată nu a primit atât de multă atenție ca multe alte aplicații ale controlului industrial al forței, cum ar fi asamblarea, debavurarea, frezarea sau lustruirea (Blomdell și colab. 2005; Zhang și colab. 2005). Common to the traditional approaches is the lack of high-performance sensor feedback to the robot, whereby the robot cannot be updated fast enough to cope with the dynamic process that drilling involve. Robot control systems are traditionally closed, a circumstance which has hampered system integration of manipulators, sensors, and other equipment, and such system integration has often been made at an unsuitably high hierarchical level. As a more cost-effective solution, highbandwidth feedback techniques can be used to control the properties of the drilling process. Research and development on force-controlled drilling has not received as much attention as many other applications of industrial force control, such as assembly, deburring, milling, or polishing (Blomdell et al. 2005; Zhang et al. 2005). Motivul este probabil dificultățile implicate în găurirea robotică și lipsa sistemelor robotice industriale disponibile cu capacitate de control al forței cu lățime de bandă mare (Siciliano și Villani 1999; Caccavale et al. 2005; Johansson și Spong 1994). Unele rezultate privind controlul forței pentru mașinile speciale de găurit au fost raportate în Kawaji și colab. (2001). Sisteme experimentale pentru găurirea robotică controlată de forță au fost prezentate în Alici (1999), unde a fost utilizat un controller de forță cu control al poziției interioare pentru controlul forței de forță de forță, și în Lee și Shih (2006), unde o aplicație la forarea osului în a fost prezentată chirurgia ortopedică. Concluzii similare se pot face pentru procesele de tăiere (Fig. 13). Caccavale și colab. 2005; Johansson și Spong 1994). Unele rezultate privind controlul forței pentru mașinile speciale de găurit au fost raportate în Kawaji și colab. (2001). Sisteme experimentale pentru forarea robotizată controlată de forță au fost prezentate în Alici (1999), unde a fost utilizat un controler de forță cu control al poziției interioare pentru controlul forței de împingere la găurire, și în Lee și Shih (2006), unde o aplicație de găurire a osului a fost prezentată în chirurgia ortopedică. Concluzii similare se pot face pentru procesele de tăiere (Fig. 13).
The reason is probably the difficulties involved in robotic drilling and the lack of available industrial robot systems with capacity for high-bandwidth force control (Siciliano and Villani 1999; Caccavale et al. 2005; Johansson and Spong 1994). Some results on force control for special drilling machines have been reported in Kawaji et al. (2001). Experimental systems for force-controlled robot drilling have been presented in Alici (1999), where a force controller with inner position control was used for the drilling thrust force control, and in Lee and Shih (2006), where an application to bone drilling in orthopedic surgery was presented. Similar conclusion can be made for cutting processes (Fig. 13).

Deși există produse disponibile comercial pentru controlul forței – de exemplu, de la ABB Robotics (Application Manual – Force Control for Machining 2006; Application Manual – Force Control for Assembly 2006) – niciunul dintre pachetele disponibile nu include caracteristici specifice și/sau nivelul de flexibilitate necesar pentru aplicația de găurire, adică abilitatea de a reproiecta servocontrolul buclei interioare pentru o rejectare îmbunătățită a perturbațiilor.
While there exist commercially available products for force control – e.g., from ABB Robotics (Application Manual – Force Control for Machining 2006; Application Manual – Force Control for Assembly 2006) – none of the available packages include the particular features and/or level of flexibility required for the drilling application, i.e., the ability to redesign the inner-loop servo control for improved disturbance rejection.

Frezarea

Ca urmare a cererii crescute de eficiență a costurilor și flexibilitate în industria de producție, roboții industriali au apărut în ultimul deceniu ca o alternativă atractivă la mașinile-unelte dedicate pentru efectuarea de operațiuni de prelucrare de mare acuratețe, cum ar fi frezarea și șlefuirea. Datorită forțelor semnificative de proces necesare în timpul operațiunilor de prelucrare, flexibilitățile articulațiilor în combinație cu lipsa măsurătorilor pe partea brațului robotului limitează acuratețea realizabilă (Zhang et al. 2005). În consecință, în timpul operației de prelucrare pot apărea abateri de la traseul nominal. Pentru a depăși limitările roboților industriali atunci când efectuează operațiuni de prelucrare, a fost dezvoltat anterior un micromanipulator piezo-acționat (Puzik et al. 2009). As a result of the increased demand on cost efficiency and flexibility in the manufacturing industry, industrial robots have emerged during the past decade as an appealing alternative to the dedicated machine tools for performing highaccuracy machining operations, such as milling and grinding. Because of the significant process forces required during machining operations, joint flexibilities in combination with lack of measurements on the arm side of the robot limit the achievable accuracy (Zhang et al. 2005). Consequently, deviations from the nominal path may occur during the machining operation. To overcome the limitations of industrial robots when performing machining operations, a piezo-actuated micromanipulator has previously been developed (Puzik et al. 2009). Scopul micromanipulatorului dezvoltat este de a compensa abaterile de cale, pe care robotul în sine nu este în stare să le compenseze (Yoshikawa et al. 1994). Micromanipulatorul realizează acest lucru prin acționare rigidă, realizată de actuatoare piezo, combinate cu un design mecanic astfel încât lățimea de bandă a micromanipulatorului este semnificativ mai mare decât cea a robotului industrial. Urmând conceptele introduse de Sharon et al. (1993), termenii micromanipulator și macromanipulator vor fi folosiți pentru mecanismul de compensare și respectiv robot (Arifin et al. 2013). Am prezentat o schemă de control prototip fără modelare explicită a comportamentului neliniar al actuatoarelor piezo în Olofsson și colab. (2011, 2012) și o evaluare experimentală ulterioară în So¨rnmo et al. (2012). Însă, deoarece actuatoarele piezo din micromanipulator sunt în mod inerent neliniare în dinamica lor intrare-ieșire, performanța schemei de control și, prin urmare, performanța de prelucrare, poate fi crescută prin modelarea dinamicii neliniare și utilizarea modelelor pentru controlul feedforward (anticipat) în schema de control.
The purpose of the developed micromanipulator is to compensate for path deviations, which the robot per se is unable to compensate for (Yoshikawa et al. 1994). The micromanipulator achieves this by stiff actuation, realized by piezo actuators, combined with a mechanical design such that the bandwidth of the micromanipulator is significantly higher than that of the industrial robot. Following the concepts introduced by Sharon et al. (1993), the terms micromanipulator and macromanipulator will be used for the compensation mechanism and the robot, respectively (Arifin et al. 2013). We presented a prototype control scheme without explicit modeling of the nonlinear behavior of the piezo actuators in Olofsson et al. (2011, 2012) and a subsequent experimental evaluation in So¨rnmo et al. (2012). However, since the piezo actuators in the micromanipulator are inherently nonlinear in their input–output dynamics, the performance of the control scheme, and hence the machining performance, can be increased by modeling the nonlinear dynamics and utilizing the models for feedforward control in the control scheme.

Sudarea prin frecare-agitare

Sudarea robotică prin frecare-agitare (FSW) este un proces de îmbinare în stare solidă care utilizează o sculă robotică pentru a uni două suprafețe (Fig. 15). O zonă foarte moale în apropierea sculei FSW este generată între sculă și material cauzată de căldura de frecare. Amestecând mecanic cele două bucăți de metal la locul îmbinării, metalul încălzit și înmuiat poate fi îmbinat folosind presiunea mecanică aplicată de sculă. FSW este utilizat, în principal, pe materiale precum aluminiul și cuprul. Provocarea în controlul forței robotice este de a realiza forțe mari de interacțiune a sculei FSW, menținând în același timp o acuratețe ridicată, în ciuda conformității robotului cauzată de reflectarea forțelor de interacțiune a sculei asupra structurii robotului. Noile dezvoltări FSW, cum ar fi tehnica de bobbing plutitor, reduc semnificativ forțele necesare procesului (Threadgill et al. 2009). FSW a fost inventat și brevetat de Institutul de sudură, Marea Britanie, în 1991 (Thomas et al. 1991).
Robotic friction-stir welding (FSW) is a solid-state joining process that uses a robotic tool to join two surfaces (Fig. 15). A very soft region near the FSW tool is generated between the tool and material caused by frictional heat. Mechanically intermixing the two pieces of metal at the place of the joint, the heated and softened metal can be joined using mechanical pressure applied by the tool. FSW is mainly used on materials such as aluminum and copper. The challenge in robotic force control is to accomplish high FSW tool interaction forces while maintaining high accuracy despite the robot compliance caused by the reflection of tool interaction forces on the robot structure. New FSW developments like the floating bobbing technique significantly reduces the needed process forces (Threadgill et al. 2009). FSW was invented and patented by the Welding Institute, UK, in 1991 (Thomas et al. 1991).

Controllere industriale de forță de prima generație

Produsele de control al forței vor deveni în mod evident din ce în ce mai avansate, iar experiențele de aplicare ulterioare vor contribui la o utilizare mai răspândită a controlului forței, în special dacă această opțiune nu este excesiv de costisitoare. Cum să împachetați controlul forței este, de asemenea, un subiect care va evolua. Un instantaneu al controllerelor robot disponibile, care sunt capabile să controleze forța, este prezentată în Fig. 16.
Force control products clearly will become more and more advanced, and further application experiences will contribute to a more widespread use of force control, in particular, if that option is not overly costly. How to package the force control is also a topic that will evolve. A snapshot of the available robot controllers that are capable of force control is presented in Fig. 16.

Fig. 16 Produse de control robot cu funcții de control al forței începând cu 2009 (Din Marvel și Falco 2012)
Fig. 16 Robot control products with force control functions as of 2009 (From Marvel and Falco 2012)