Asamblarea fără controlul forței
Introducere
Au fost dezvoltate mai multe metode pentru a realiza asamblări de precizie pentru a reduce eforturile de proiectare și costul dispozitivelor de fixare care sunt de obicei cerute de aplicațiile de asamblare robotică de înaltă acuratețe. Dispozitivul de conformitate pasivă sau Remote Center Compliance (RCC) este un exemplu care permite unui robot de asamblare să compenseze erorile de poziționare din cauza inexactității mașinii, vibrațiilor sau toleranței, reducând astfel forțele de contact și evitând deteriorarea pieselor și a sculei. Există multe lucrări de cercetare (Gravel și Newman 2001; Turges și Laowattana 1994; Xu și Paul 1990) efectuate folosind dispozitivul de conformitate pasivă pentru asamblare sau alte sarcini. Dar, dispozitivele specifice de conformitate pasivă trebuie proiectate și fabricate pentru piese cu geometrii diferite, ceea ce face ca asamblarea robotică cu dispozitive de conformitate pasivă să fie mai dificilă. De asemenea, aceste dispozitive sunt costisitoare de proiectat și fabricat. Pentru a depăși deficiențele dispozitivelor de conformitate pasivă, a fost dezvoltată atunci asamblarea robotică folosind controlul forței (Gottschlich și Kak 1989; Newman și colab. 2001), așa cum este descris în secțiunea „Asamblarea cu controlul forței”. Un senzor de forță/cuplu este utilizat pentru a măsura forța/cuplul de contact, iar semnalele de forță/cuplu sunt folosite pentru a controla mișcarea uneltei de asamblare. Deoarece controlul forței/cuplului este sensibil la contactul cu mediul înconjurător, poziția/orientarea sculei poate fi controlată cu acuratețe. Acest lucru face ca asamblarea controlată de forță să fie o soluție bună pentru asamblarea robotică. Există multe povești de succes despre asamblarea robotică controlată de forță, în afară de ceea ce este descris în secțiunea „Asamblare cu control al forței”, cum ar fi asamblările ambreiajului direct și corpului supapei, în implementări industriale (Zhang et al. 2004; Gravel și Newman 2001; Robotics Application Manual – Force Control for Assembly; Chen et al. 2007). Erorile de poziție și orientare cauzate de fixarea piesei sau erorile de locație pot fi ușor compensate folosind strategia de control al forței. Prin urmare, metoda de control al forței poate reduce foarte mult cerințele elementelor de fixare ale piesei. Mai mult, poate fi folosită pentru asamblări de mare precizie sau de mare acuratețe. Însă, metoda de control al forței necesită dispozitive suplimentare, cum ar fi senzorii de forță/cuplu și pachetul software de control etc., care pot face sistemul de control al robotului mai complicat și mai scump. Prin urmare, această secțiune discută o metodologie mai simplă de control al robotului, conformă, pentru a efectua asamblare industrială de înaltă precizie, care nu necesită echipamente sau costuri suplimentare, dar care poate fi utilizată cu succes în multe cazuri.
Controlul poziției roboților industriali este foarte exact atunci când este realizat cu câștiguri mari ale controlerului. Dar, forțele de contact cresc rapid atunci când sculele robotului intră în contact cu mediul, făcând roboții industriali dificil de utilizat atunci când este necesară o forță de contact limitată în asamblările de înaltă precizie. Prin reducerea câștigurilor buclei de control al robotului, servomecanismele pot face robotul să fie conform cu mediul înconjurător, creând așa-numita capacitate de „soft servo”. Această metodă „soft servo” poate fi implementată pentru a efectua unele dintre sarcinile de asamblare de înaltă precizie în care erorile de localizare a pieselor necesită de obicei utilizarea metodelor de control al forței sau RCC. Asamblarea corpului supapei a fost realizată folosind atât soft servo cât și controlul forței pentru a demonstra performanța ambelor metode.
Proces de asamblare de înaltă precizie
O asamblare robotică de înaltă precizie necesită ca un robot să realizeze asamblări în care toleranța de asamblare este mai bună decât sau apropiată de repetabilitatea roboților. Figura 12 prezintă o metodă tipică utilizată pentru asamblări de înaltă precizie. Există trei pași în strategia de asamblare. În primul rând, robotul va căuta la nivel local poziția corectă a orificiului de pe corpul supapei pentru a compensa micile erori datorate acurateței sistemului de viziune și repetabilității robotului. În al doilea rând, forța constantă de-a lungul direcției Z împinge acumulatorul în jos spre gaură, în timp ce alte direcții sunt de asemenea menținute conforme pentru a face față erorilor de orientare. În cele din urmă, robotul va așeza acumulatorul în partea de jos a corpului supapei și apoi se aplică o forță de recuperare pentru a recupera unealta.
Se folosește o metodă de căutare pentru a găsi locația exactă a piesei de prelucrat. După ce piesa este cuplată cu piesa de prelucrat, se aplică o forță de inserție pentru a introduce piesa în piesa de prelucrat. În timpul introducerii, orientarea sculei este modificată în funcție de orientarea piesei de prelucrat pentru a evita blocajele. Prin urmare, orice metodă de asamblare dezvoltată trebuie să poată localiza piesa de prelucrat cu acuratețe și să ajusteze în consecință orientarea sculei.
Fig. 12 Procesul de asamblare pentru asamblări de înaltă precizie
Metoda de control Soft Servo
Pentru un manipulator rigid de n segmente (legături), ecuația dinamică a mișcării în spațiul articular este
(2)
unde
τ Є Rn vector al cuplurilor articulare aplicate
q ЄRn vector al pozițiilor articulațiilor
M Є Rn matrice de inerție a manipulatorului simetrică pozitivă definită (SPD)
C Є Rn vector al cuplurilor Coriolis și centrifugal
B ЄRn vector al cuplurilor datorate frecării care acționează asupra articulațiilor manipulatorului
G Є Rn vector al cuplurilor gravitaționale
Când există o forță externă aplicată efectorului final al robotului, ecuația dinamică 2 devine
(3)
unde
τe Є Rn este vectorul forțelor/cuplurilor exercitate asupra mediului de către efectorul final al manipulatorului exprimat în spațiul articular.
Pentru controlul bazat pe model, sunt estimați parametrii modelului. Să presupunem că parametrii corespunzători estimați sunt
un controler tipic PD (proporțional plus derivativ) cu reglare în buclă deschisă poate fi exprimat ca
(4)
unde
ep, e˙p Є Rn sunt vectori ai erorilor de poziție și respectiv de viteză în spațiul articular.
Comparând ecuațiile 3 și 4, avem
(5)
unde
Δτ Є Rn este vectorul erorilor de forțe/cupluri generate de eroarea de estimare a modelului.
Presupunând că Δτ este mic, erorile de poziție și viteză vor echilibra forțele/cuplurile externe exercitate asupra efectorului final al robotului. Prin urmare, prin scăderea câștigurilor buclei de control a poziției, erorile de poziție a robotului ar putea fi crescute pentru a face robotul să fie conform cu mediul. Deoarece câștigurile de control ale fiecărei articulații pot fi reglate individual, este formulată o metodă de soft-servo a articulației. Unul dintre avantajele articulației soft-servo este că orientarea sculei poate fi ajustată datorită conformității fiecărei articulații. Prin urmare, poziția și orientarea sculei pot fi modificate continuu în funcție de contactul cu mediul. Fluxul general al sistemului de control cu soft-servo este prezentat în Fig. 13.
Fig. 13 Controlerul unui sistem robotic cu soft-servo
Există un comutator pentru a selecta controlul obișnuit al poziției cu câștig ridicat și controlul soft-servo. În bucla normală de control al poziției, este utilizat controlul obișnuit al poziției cu câștig ridicat. Pentru controlul soft-servo, modelul de căutare și modelele de oscilație sunt implementate pentru a realiza asamblări de înaltă precizie.
Pentru direcțiile X și Y, metoda de căutare în spirală descrisă în Ec. 2 este folosită pentru a căuta poziția găurii. Pentru direcția Z, care este direcția de inserție, trebuie menținută o anumită forță de contact în procesul de asamblare a inserției. Pentru a realiza acest lucru, se menține o eroare constantă de-a lungul axei Z:
F = KpzΔz (6)
unde Kpz este câștigul proporțional de-a lungul axei Z și Δz este eroarea setată de-a lungul axei Z. Aceste două valori ar trebui reglate astfel încât forța de contact să poată fi menținută într-un anumit interval. Deoarece piesa introdusă poate fi blocată în timpul asamblării, se adaugă o oscilație în direcția Z pentru a împiedica blocarea piesei:
Δzs = dz sinwst (7)
unde Δzs este oscilația de poziționare de-a lungul axei Z și dz și ws sunt amplitudinea și, respectiv, frecvența oscilației.
Rezultate experimentale
Pentru a demonstra o asamblare de înaltă precizie folosind soft-servo, au fost efectuate mai multe experimente. Procesul de asamblare folosind controlul forței (Detalii în secțiunea „Asamblare cu controlul forței”) a fost, de asemenea, implementat pentru a compara performanța asamblării între soft-servo și controlul forței.
Asamblarea corpului supapei a fost implementată folosind un robot ABB IRB140, care este montat orizontal pe un suport. Software-ul pentru soft-servo și controlul forței a fost dezvoltat pe controlerul ABB IRC5. Un senzor de forță/cuplu ATI Delta pentru controlul forței a fost montat pe efectorul final al robotului, iar sub senzorul de forță/cuplu a fost montat o unealtă de aspirație folosită pentru a ridica acumulatorul. Sistemul experimental este prezentat în Fig. 14.
Corpul supapei a fost plasat într-o menghină și, pentru a demonstra un proces generic de asamblare, asamblarea a fost efectuată pe direcția orizontală.
Fig. 14 Un sistem de asamblare robotică de o precizie ridicată. Unealta de aspirație ridică acumulator și îl introduce în orificiul din corpul supapei. Controlerul robotului nu este prezentat în figură.
Fig. 15 Proces de asamblare a corpului supapei. Acumulatorul este introdus în corpul supapei.
Pentru procesul de căutare folosind modelul în spirală, raza de căutare R a fost setată la 1,5 mm și numărul de spire la 4 (β [0, 8π]). Pentru soft-servo, amplitudinea oscilației a fost setată la 1 mm și frecvența la 3 Hz. Punctul de stabilire a fost setat la 20 mm, deoarece nu există feedback disponibil. Pentru controlul forței, forța de căutare a fost setată la 20 N. Pentru procesul de inserare, constanta forței arcului Kpz a fost setată la 50 N/mm și forța de stabilire la 50 N.
O configurație de referință a fost instruită prin introducerea manuală a acumulatorului în corpul supapei în timp ce controlul forței este activ. Poziția și orientarea sunt înregistrate ca poziție și orientare de referință în cadrul de bază al robotului. Prin urmare, nu există erori de poziție și orientare dacă sunt utilizate poziția și orientarea de referință. Însă, deoarece există întotdeauna erori de fixare într-o linie de producție, erorile au fost adăugate în mod intenționat la axele X și Y ca perturbări în timpul experimentelor. Pentru a compara performanța între soft-servo și controlul forței fără polarizare, erorile sunt adăugate atât de-a lungul direcțiilor pozitive cât și negative de-a lungul axelor X și Y, așa cum se arată în tabelul 1. Pentru asamblarea cu diferite erori, timpul de inserție atât pentru soft-servo, cât și pentru controlul forței este înregistrat și prezentat în Tabelul 1.
Datele din Tabelul 1 arată că timpul de inserare utilizând controlul forței este destul de apropiat de cel cu soft-servo. Prin urmare, soft-servo poate fi folosit pentru a efectua asamblare de înaltă precizie cu un timp de ciclu comparabil cu cel care utilizează controlul forței. Pentru erori mai mari (ambele axele X și Y au decalaje), timpul de inserare este mai lung. Acest lucru se datorează faptului că timpul de căutare cu erori mari este mai lung. Pentru soft-servo, timpul de ciclu este chiar mai lung. Astfel, rezultatele experimentale ilustrează că controlul soft-servo nu este la fel de sensibil ca controlul forței.
Figura 15 prezintă procesul de asamblare a corpului supapei. Acumulatorul este introdus în corpul supapei. Figura 16 arată că există decalaje de-a lungul ambelor direcții X și Y în cadrul sculei înainte de începerea metodei de căutare.
Semnalele forței de contact atât pentru soft-servo, cât și pentru controlul forței au fost înregistrate și sunt prezentate în Fig. 17 și, respectiv, 18.
Fig. 16 Proces de asamblare a corpului supapei. Există decalaje de-a lungul ambelor axe X și Y.
Fig. 17 Semnalul de forță înregistrat pentru asamblarea controlată de forță
Fig. 18 Semnalul de forță înregistrat pentru asamblarea bazată pe soft-servo
Semnalele de forță înregistrate în Fig. 17 și 18 ilustrează faptul că forța de contact pentru ambele metode este relativ apropiată. Pentru controlul forței, forța de referință este setată la 20 N, iar semnalele de forță reală sunt destul de apropiate de forța de referință. Deoarece nu există un control direct al forței folosind soft-servo, forța de contact este controlată indirect de decalajul de poziție. Forța maximă înregistrată este de aproximativ 40 N, ceea ce este rezonabil pentru asamblarea de inserare a corpului supapei. Astfel, tehnicile soft-servo pot fi utilizate pentru asamblarea de înaltă precizie, cu performanțe rezonabile în comparație cu metoda de control al forței. Însă, semnalele forței de contact sunt mult mai netede folosind controlul forței decât cele cu ajutorul soft-servo. De asemenea, forța de retragere folosind controlul forței este aproape 0, în timp ce există o forță de retragere mare atunci când se utilizează soft-servo. Acest lucru se datorează faptului că soft-servo se bazează încă pe o buclă de control al poziției, iar câștigurile de control mai mici generează încă forță mare de contact. Timpul de căutare folosind soft-servo este, de asemenea, mult mai lung decât cel folosind controlul forței, iar căutarea folosind soft-servo nu este la fel de lină ca cea folosind controlul forței.
Deși soft-servo poate fi utilizat pentru asamblări de înaltă precizie, există unele limitări. Parametrii, cum ar fi câștigul controlerului și forța de contact menținută în timpul asamblării, trebuie reglați cu atenție; în caz contrar, piesele sau sistemul robotic ar putea fi deteriorate dacă a existat un blocaj în timpul procesului de introducere. Motivul principal este că soft-servo nu este sensibil la forța de contact, deoarece se bazează pe erorile de poziție și nu pe măsurarea forței. De asemenea, procesul de asamblare utilizând soft-servo nu este la fel de lin ca cel care utilizează controlul forței și pot exista forțe de contact mari generate în timpul asamblării. Metoda soft-servo nu este, de asemenea, la fel de stabilă ca metoda de control al forței. Deși poate fi folosită pentru a efectua asamblări cu erori mici, dacă există decalaje mari, probabil că va eșua și va genera forță de contact mare. Din cauza acestor limitări, este necesară o analiză atentă a sistemului prevăzut înainte de implementarea soft-servo într-o aplicație industrială, chiar dacă implementarea în laborator pare promițătoare.
Deși există unele deficiențe semnificative pentru metodele de asamblare soft-servo cu conformitate în toate direcțiile, performanța acestuia poate fi destul de apropiată de cea care utilizează controlul forței, în special pentru erorile inițiale mici de poziționare și când se utilizează roboți mici. Pentru perturbări mari, ar putea fi utilizat un sistem de viziune pentru a compensa erorile de localizare a piesei de prelucrat, dar costul și complexitatea adăugate ar putea fi similare cu utilizarea controlului forței.
Rezumat
În această secțiune, este introdusă o metodă de asamblare care utilizează un soft-servo pentru a efectua sarcini de asamblare în care erorile de localizare a pieselor necesită de obicei utilizarea metodelor de control al forței sau RCC, iar procesul de asamblare necesită conformitate în toate direcțiile. Câștigurile controlerului proporțional și derivativ sunt reduse pentru a face robotul conform atunci când efectuează sarcini de asamblare. Un algoritm de căutare este dezvoltat pentru a găsi locația unei caracteristici, cum ar fi o gaură într-o piesă. Scula este menținută în contact cu piesa în timp ce se efectuează mișcarea de căutare. O mișcare de oscilație este adăugată de-a lungul direcției de contact ori de câte ori frecarea de contact este severă pentru a preveni legarea. Odată ce scula este cuplată cu piesa, se utilizează o poziție relativă de împerechere măsurată (de exemplu, distanța de inserare) pentru a determina finalizarea asamblării. A fost utilizată o asamblare de corp de supapă pentru a valida metoda dezvoltată. Experimentele au avut succes în mod constant atunci când erorile relative de locație ale pieselor au fost în limita de 1 mm, arătând că strategia soft-servo dezvoltată poate îndeplini sarcini de asamblare cu erori mici de localizare a pieselor. Experimentele cu controlul forței au fost, de asemenea, implementate pentru a compara performanța dintre soft-servo și controlul forței. S-a constatat că metodele de control al forței sunt mult mai sensibile la contactul cu mediul, iar forțele de contact pot fi controlate direct. Dimpotrivă, forța de contact nu poate fi controlată direct atunci când este utilizată soft-servo deoarece este pasivă la contact. Prin urmare, soft-servo necesită programare și reglare atentă pentru a reduce forțele de contact; în caz contrar, ar putea fi cauzate daune produselor, precum și sistemului robotic. De asemenea, pentru erori mai mari de localizare a pieselor, soft-servo fie nu reușește să asambleze piesele, fie generează forțe de contact mai mari decât asamblarea controlată cu forță. Astfel, aplicațiile soft-servo sunt mai limitate, în timp ce controlul forței poate fi utilizat cu succes în majoritatea aplicațiilor. Sunt necesare investigații suplimentare pentru a determina utilizarea industrială practică a soft-servo pentru anumite tipuri de asamblare de precizie.