Revolutioneren robotisch schuren & polijsten: Krachtsensor-technologie voor precisie

Zonder krachtsensortechnologie kunnen schuren- en polijstapplicaties niet worden ontwikkeld. Dit artikel onderzoekt de vooruitgang in Flexiv's materiaalafrijtingstechnologie, met name gericht op schuren- en polijstoepassingen en de nut van krachtcontroletechnologie.

De onziene held: Precieze en duurzame krachtsensoren

Een van de kenmerkende eigenschappen die het geautomatiseerde materiaalafrijtingsproces mogelijk maakt, zijn krachtsensoren. Doorgaans geïntegreerd in end-of-arm schuurgereedschappen op traditionele cobots, geven ze de robot de mogelijkheid om het oppervlak waar het mee interacteert te "voelen" en de kracht die het op het werkstuk uitoefent dienovereenkomstig aan te passen.

Adaptieve robots gebruiken dezelfde basistechnologie, maar in plaats van alleen een end-of-arm krachtsensor te gebruiken, gebruiken ze precieze draaisensoren die in elk van de zeven vrijheidsgraden van een adaptieve robot zijn ingebouwd, samen met een krachtsensor aan het einde van de arm. Deze configuratie maakt verwerking van krachtdata van meerdere invoeren mogelijk, wat een gedetailleerder en genuanceerder begrip biedt van hoe de end-of-arm tooling interacteert met het werkstuk.

Dit is alleen mogelijk dankzij de ontwikkeling van eigen verplaatsingssensortechnologie die adaptieve robotoperators twee essentiële voordelen biedt:

• Stabiliteit en nauwkeurigheid: Weerstand tegen thermische drift biedt verbeterde precisie.

• Duurzaamheid: Ontworpen om miljoenen overbelastingcycli aan te kunnen, zijn de sensoren industrieklant.

Vergelijkbaar met conventionele rekstrekkensor-transducers, zorgen deze kritieke kenmerken voor betrouwbare prestaties, zelfs bij thermische contractie en uitrekkingsschommelingen die traditionele sensoren lastig vinden om te accommoderen.

Zonder krachtsensortechnologie kunnen polijst- en schuuraanwendingen niet worden ontwikkeld. Weten hoeveel kracht op een object toegepast moet worden is cruciaal, net als het accommoderen van ingehollerde en uitbollende oppervlaktevariaties.

Flexibiliteit ontketend: Het zeven-gewichtsontwerp

Met directe krachtcontrole is er geen behoefte aan extra passieve of actieve compliantieapparaten tussen de robotflens en de schuur-/slijpmachines. Dit maakt de gehele schuuroplossing lichter, betrouwbaarder, compacter en kostenefficiënter.

Robots moeten zo flexibel en aanpasbaar zijn als mensen om handmatige arbeid effectief te vervangen. De menselijke arm is een evolutionair wonder met zeven artikulatiepunten, en dat is waarom adaptieve robots meestal zeven vrijheidsgraden (DOF) hebben. Vergeleken met een traditionele cobot's zes DOF, biedt deze extra bewegingsdimensie verbeterde flexibiliteit en manoeuvreerbaarheid in complexe operationele omgevingen.

Met elk gewricht met zijn eigen draaisensor, wordt de robot voorzien van nauwkeurige controle over elke DOF, wat de algehele nauwkeurigheid van de operaties verbetert. Deze precisie is vitaal, vooral in toepassingen zoals schuren.

Krachtcontroleprestaties kunnen verder verbeterd worden door gewrichtsconfiguraties te optimaliseren. Met de hulp van de extra DOF kan de robot de meest efficiënte 'gewrichts' configuratie gebruiken om de best mogelijke krachtcontrole respons en nauwkeurigheid te bereiken.

Om het belang van articulatie en gevoeligheid te illustreren: stel je je voor handmatig een stuk hout te schuren; de gecoördineerde bewegingen van je pols, elleboog en schouder, in combinatie met je tastterugkoppeling, zijn fundamenteel voor het schuringsproces. Als je probeerde te schuren met dikke handschoenen of met een geïmmobiliseerde elleboog, zou de taak ongelooflijk moeilijk en tijdrovend worden.

Omnidirectionele compliantie is ook cruciaal, vooral met apparatuur zoals bandschuurmachines waar de robot het werkstuk tegen de bandschuur houdt. Om continue contact tussen het werkstuk en de bandschuur te behouden, moet de robot constant zijn krachtrichting verschuiven tijdens het afrijtingsproces.

In essentie, door een zevende vrijheidsgraad in materiaalafrijtingstaken op te nemen, wordt het proces niet alleen gemakkelijker om te conformeren, maar ook kinematisch efficiënter, met een verhoogd precisieniveau.

Revolutioneren precisie met directe krachtcontrole

Centraal in het materiaalafrijtingsproces is de implementatie van directe krachtcontrole. Deze methode transformeert krachtcommando's direct in gewrichtsmomentcommando's, wat resulteert in veel snellere reactietijden op krachtveranderingen. Deze methode vervangt de indirecte krachtcontrole die vaak door cobots wordt gebruikt, waarbij kracht omgezet wordt in gewrichtssnelheidscommando's en vervolgens in gewrichtsmoment- of stroomcommando's.

Door deze intermediaire stappen over te slaan, kan een adaptieve robot de stijfheid in de krachtrichting aanzienlijk verminderen, wat de krachtcontrole-nauwkeurigheid aanzienlijk verbetert. Deze verbetering is cruciaal in fijnschuur- en polijstaken, waar het handhaven van meticulouse krachtcontrole imperatief is voor het bereiken van een superieure oppervlakteafwerking.

Met directe krachtcontrole is er geen behoefte aan extra passieve of actieve compliantieapparaten tussen de robotflens en de schuur-/slijpmachines. Dit maakt de gehele schuuroplossing lichter, betrouwbaarder, compacter en kostenefficiënter.

Het voordeel van omnidirectionele compliantie

Omnidirectionele compliantie voorziet adaptieve robots van de mogelijkheid om krachten in alle richtingen in de Cartesische ruimte te controleren. Dit vertegenwoordigt een verbetering ten opzichte van traditionele oplossingen die alleen kracht in axiale of radiale richtingen konden managen.

Traditionele robotoplossingen zijn hierin beperkt door hun afhankelijkheid van compliantieapparaten. Hun inherent ontwerpbeperkingen beperken hen tot het produceren van lineaire of rotatiebewegingen langs of om specifiekeassen. Hoewel deze traditionele technologie nog steeds gebruikt kan worden voor basisafrijtingstaken, is multidirectionele krachtcontrole vaak noodzakelijk in real-world manufacturing.

Omnidirectionele compliantie is vitaal voor ingewikkelde materiaalafrijtingstaken die gelijktijdige krachtcontrole in meerdere richtingen vereisen. Als we een robot voorstellen die een object met complexe kurven en oneffen oppervlakken schuurt, moet er meer zijn dan alleen axiale of radiale krachtcontrole. Complexe vormen vereisen vakmanschap in krachtcontrole over alle richtingen in driedimensionale Cartesische ruimte.

Robots uitgerust met deze omnidirectionele compliantie kunnen de krachtaanpassing in elk Tool Center Point (TCP) frame precies definiëren. Deze capaciteit stelt dynamische aanpassing van de uitgeoefende kracht toe, relatief aan de robot-einduitvoer, wat de veelzijdigheid in complexe taken verbetert.

Omnidirectionele compliantie is ook cruciaal, vooral met apparatuur zoals bandschuurmachines waar de robot het werkstuk tegen de bandschuur houdt. Om continue contact tussen het werkstuk en de bandschuur te behouden, moet de robot constant zijn krachtrichting verschuiven tijdens het afrijtingsproces. Om dit te bereiken, kan een externe TCP ingesteld worden ten opzichte van de schuurmachine, wat resulteert in consistente compliantierichting, zelfs als de robotpose tijdens de operatie verandert.

Omnidirectionele compliantie is een krachtig hulpmiddel dat het bereik van materiaalafrijtingstaken die een robot kan ondernemen verbreedt. De integratie van geavanceerde krachtcontrole met omnidirectionele compliantie verbetert niet alleen de flexibiliteit, maar stroomlijnt ook het kalibratie- en finetuningproces, wat de tijd en inspanning tijdens implementatie en finetuning vermindert.

Contacthoek en contourvolging

Probeerbare contacthoeken laten operators de gemiddelde kracht die op een oppervlak wordt uitgeoefend direct definiëren, een verbetering ten opzichte van conventionele methoden waar de contacthoek de kracht beïnvloedt. Dit heeft significante implicaties voor industriële slijptaken, waardoor operators contacthoeken langs het slijppad kunnen variëren zonder krachtcontrole-instellingen te wijzigen, waardoor consistente druk behouden blijft.

Contourvolging, een andere vooruitgang die gebruikmaakt van omnidirectionele compliantie, staat in contrast met traditionele systemen die worstelen met het handhaven van constante kracht tegen oneffen vormen. Contour tracking stelt real-time automatische aanpassingen van krachtrichting toe, wat consistente uitoefening garandeert, ongeacht oppervlaktecontouren of robotbewegingen.

Deze dubbele functies verhogen de uitvoerkwaliteit van de materiaalafrijtingstaak en verminderen de benodigde tijd voor trajectafstelling. Simpel gezegd, contacthoek en contourvolging kunnen implementatietijd van uren naar minuten reduceren. Dit vergemakkelijkt het implementatieproces en minimaliseert de behoefte aan constante aanpassingen, waardoor werkstukken sneller en op een hogere standaard kunnen worden voltooid dan voorheen mogelijk.

Verbeterde duurzaamheid met trillingsreductie

Trillingsreductie is essentieel voor materiaalafrijtingstaken. Overmatige trillingen kunnen werkstukken beschadigen en de operationele levensduur van mechanische systemen aanzienlijk verkorten, vooral bij hoge-trillingsapplicaties zoals slijpen.

Flexiv aanvaardt dit probleem door trillingen met ongeveer 25-50 procent te verminderen via gewrichtsmomentcontrole. Dit verlengt niet alleen de operationele levensduur van de door de robot gebruikte apparatuur, maar verbetert ook de algehele werkstukkwaliteit door de 'zwabbers en wenteltjes' op oppervlakken die trillingen tijdens het materiaalverwijderingsproces kunnen veroorzaken, te elimineren.

Toekomstperspectief

Het veld van robotica vordert snel, en de recente ontwikkelingen in adaptieve robotica hebben breekbare oplossingen mogelijk gemaakt die gewoon onmogelijk waren met traditionele cobottechnologie.

Robotische materiaalafrijting stelt nog steeds formidabele uitdagingen; echter, directe krachtcontrole, omnidirectionele compliantie en trillingsreductie maken effectieve oplossingen haalbaar en praktisch.

In staat zijn om met meer precisie te voelen dan voorheen mogelijk was, opent een nieuw bereik van automatiseringsmogelijkheden. Wanneer we dit koppelen aan platforms zoals het NOEMA kunstmatige intelligentie-systeem, zijn er praktisch geen limieten aan welke processen geautomatiseerd kunnen worden.

Materiaalafrijtingsautomatisering evolueert in evenwijdigheid met vooruitgang in hardware en intelligente software-oplossingen, wat een verschuiving markeert van de traditionele arbeidsintensieve benaderingen en uitvoeringsmethoden die nog maar een paar jaar geleden gangbaar waren.

Kijkend naar de toekomst, kan geautomatiseerde materiaalafrijting net zo algemeen worden als geautomatiseerde schroefbevestiging of pick-and-place toepassingen.

Dit artikel is geschreven door Ran Xu, Robotics Engineering Manager, Flexiv Robotics (Santa Clara, CA). Voor meer informatie, bezoek hier.