Revolutionierung des Roboterschleifens und -polierens:Kraftsensorische Materialabriebtechnologie für Präzision

Ohne Kraftsensortechnologie können Polier- und Schleifanwendungen nicht entwickelt werden. (Bild:Flexiv)

Die Fertigungslandschaft befindet sich im Wandel, angetrieben durch den Bedarf an innovativer, effizienter und präziser Technologie, die teure Handarbeit effektiv ersetzen kann. In diesem Artikel werden Fortschritte in der Materialabriebtechnologie von Flexiv untersucht, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf Schleif- und Polieranwendungen und dem Nutzen der Kraftkontrolltechnologie liegt.

Der unsichtbare Held:Präzise und langlebige Kraftsensoren

Eines der herausragenden Merkmale, die den automatisierten Materialabriebprozess ermöglichen, sind Kraftsensoren. Sie sind typischerweise in End-of-Arm-Schleifwerkzeuge herkömmlicher kollaborativer Roboter integriert und geben dem Roboter die Möglichkeit, die Oberfläche, mit der er interagiert, zu spüren und die Kraft, die er auf das Werkstück ausübt, entsprechend anzupassen.

Adaptive Roboter verwenden die gleiche Grundtechnologie, verwenden jedoch nicht nur einen Kraftsensor am Ende des Arms, sondern präzise Drehmomentsensoren, die in jeden der sieben Freiheitsgrade eines adaptiven Roboters eingebettet sind, sowie einen Kraftsensor am Ende des Arms. Diese Konfiguration ermöglicht die Verarbeitung von Kraftdaten aus mehreren Eingaben und bietet ein detaillierteres und differenzierteres Verständnis dafür, wie das End-of-Arm-Werkzeug mit dem Werkstück interagiert.

Dies ist nur dank der Entwicklung einer proprietären Verschiebungssensortechnologie möglich, die adaptiven Roboterbedienern zwei wesentliche Vorteile bietet:

• Stabilität und Genauigkeit:Widerstand gegen thermische Drift sorgt für verbesserte Präzision.

• Haltbarkeit:Die Sensoren sind für Millionen von Überlastzyklen ausgelegt und industrietauglich.

Im Vergleich zu herkömmlichen DMS-Wandlern gewährleisten diese entscheidenden Eigenschaften eine zuverlässige Leistung, selbst wenn thermische Kontraktions- und Ausdehnungsschwankungen auftreten, die herkömmliche Messgeräte nur schwer bewältigen können.

Ohne Kraftsensortechnologie können Polier- und Schleifanwendungen nicht entwickelt werden. Es ist wichtig zu wissen, wie viel Kraft auf ein Objekt ausgeübt werden muss, ebenso wie die Anpassung an konkave und konvexe Oberflächenvariationen.

Entfesselte Flexibilität:Das Sieben-Gelenk-Design

Bei der direkten Kraftsteuerung ist es nicht erforderlich, zusätzliche passive oder aktive Nachgiebigkeitsgeräte zwischen dem Roboterflansch und den Schleifmaschinen zu installieren. Dadurch wird die gesamte Schleiflösung leichter, zuverlässiger, kompakter und kosteneffizienter. (Bild:Flexiv)

Roboter müssen genauso flexibel und anpassungsfähig sein wie Menschen, um manuelle Arbeit effektiv zu ersetzen. Der menschliche Arm ist ein evolutionäres Wunderwerk mit sieben Gelenkpunkten, und deshalb verfügen adaptive Roboter üblicherweise über sieben Freiheitsgrade (DOF). Im Vergleich zu den sechs Freiheitsgraden eines herkömmlichen kollaborativen Roboters bietet diese zusätzliche Bewegungsdimension eine verbesserte Flexibilität und Manövrierfähigkeit in komplexen Betriebsumgebungen.

Da jedes Gelenk über einen eigenen Drehmomentsensor verfügt, erhält der Roboter eine präzise Kontrolle über jeden DOF und verbessert so die Gesamtgenauigkeit seiner Vorgänge. Diese Präzision ist besonders bei Anwendungen wie dem Schleifen von entscheidender Bedeutung.

Die Kraftkontrollleistung kann auch durch die Optimierung der Gelenkkonfigurationen weiter verbessert werden. Mit Hilfe des zusätzlichen DOF kann der Roboter die effizienteste „Gelenk“-Konfiguration nutzen, um die bestmögliche Reaktion und Genauigkeit der Kraftsteuerung zu erreichen.

Um die Bedeutung von Artikulation und Sensibilität zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, Sie schleifen ein Stück Holz von Hand. Die koordinierten Bewegungen Ihres Handgelenks, Ellenbogens und Ihrer Schulter in Verbindung mit Ihrem taktilen Feedback sind für den Schleifvorgang von grundlegender Bedeutung. Wenn Sie versuchen würden, mit dicken Handschuhen oder einem bewegungsunfähigen Ellbogen zu schleifen, wäre die Aufgabe unglaublich schwierig und zeitaufwändig.

Auch die omnidirektionale Compliance ist entscheidend, insbesondere bei Geräten wie Bandschleifern, bei denen der Roboter das Werkstück daran hält. Um einen kontinuierlichen Kontakt zwischen Werkstück und Bandschleifer aufrechtzuerhalten, muss der Roboter während des Schleifvorgangs ständig seine Kraftrichtung ändern. (Bild:Flexiv)

Im Wesentlichen wird der Prozess durch die Einbeziehung eines siebten Freiheitsgrads in Materialabriebaufgaben nicht nur leichter anpassungsfähig, sondern auch kinematisch effizienter und mit einem höheren Maß an Präzision.

Revolutionäre Präzision mit direkter Kraftkontrolle

Im Mittelpunkt des Materialabriebprozesses steht die Implementierung einer direkten Kraftsteuerung. Diese Methode wandelt Kraftbefehle sofort in gemeinsame Drehmomentbefehle um, was zu viel schnelleren Reaktionszeiten auf Kraftänderungen führt. Diese Methode ersetzt die häufig von kollaborativen Robotern verwendete indirekte Kraftsteuerung, bei der Kraft in Gelenkgeschwindigkeitsbefehle und anschließend in Gelenkdrehmoment- oder Strombefehle umgewandelt wird.

Durch das Überspringen dieser Zwischenschritte kann ein adaptiver Roboter die Steifigkeit in Kraftrichtung erheblich verringern und dadurch die Genauigkeit der Kraftsteuerung erheblich verbessern. Diese Verbesserung ist von entscheidender Bedeutung bei Feinschleif- und Polieraufgaben, bei denen die Aufrechterhaltung einer sorgfältigen Kraftkontrolle für die Erzielung einer hervorragenden Oberflächengüte unerlässlich ist.

Bei der direkten Kraftsteuerung ist es nicht erforderlich, zusätzliche passive oder aktive Nachgiebigkeitsgeräte zwischen dem Roboterflansch und den Schleifmaschinen zu installieren. Dadurch wird die gesamte Schleiflösung leichter, zuverlässiger, kompakter und kosteneffizienter.

Der Vorteil der omnidirektionalen Compliance

Omnidirektionale Compliance verleiht adaptiven Robotern die Fähigkeit, Kräfte in alle Richtungen innerhalb des kartesischen Raums zu kontrollieren. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Lösungen dar, die Kräfte nur in axialer oder radialer Richtung verwalten konnten.

Herkömmliche Roboterlösungen sind in dieser Hinsicht begrenzt, da sie auf Compliance-Geräte angewiesen sind. Ihre inhärenten Designbeschränkungen beschränken sie auf die Erzeugung linearer oder rotierender Bewegungen entlang oder um bestimmte Achsen. Obwohl diese traditionelle Technologie immer noch für grundlegende Schleifaufgaben verwendet werden kann, ist in der realen Fertigung häufig eine multidirektionale Kraftsteuerung erforderlich.

Die omnidirektionale Nachgiebigkeit ist für komplexe Materialabriebaufgaben, die eine gleichzeitige Kraftkontrolle in mehreren Richtungen erfordern, von entscheidender Bedeutung. Wenn wir uns einen Roboter vorstellen, der ein Objekt mit komplexen Kurven und unebenen Oberflächen schleift, muss es mehr geben als nur eine axiale oder radiale Kraftsteuerung. Komplexe Formen erfordern Geschicklichkeit bei der Kraftkontrolle in alle Richtungen im dreidimensionalen kartesischen Raum.

Roboter, die mit dieser omnidirektionalen Nachgiebigkeit ausgestattet sind, können die Kraftanpassung in jedem Tool Center Point (TCP)-Rahmen präzise definieren. Diese Fähigkeit ermöglicht eine dynamische Anpassung der ausgeübten Kraft im Verhältnis zum Endeffektor des Roboters und erhöht so die Vielseitigkeit bei komplexen Aufgaben.

Vibrationsreduzierung ist für Materialabriebaufgaben unerlässlich. Übermäßige Vibrationen können Werkstücke beschädigen und die Lebensdauer mechanischer Systeme erheblich verkürzen, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Vibrationen wie dem Schleifen. (Bild:Flexiv)

Auch die omnidirektionale Compliance ist entscheidend, insbesondere bei Geräten wie Bandschleifern, bei denen der Roboter das Werkstück daran hält. Um einen kontinuierlichen Kontakt zwischen Werkstück und Bandschleifer aufrechtzuerhalten, muss der Roboter während des Schleifvorgangs ständig seine Kraftrichtung ändern. Um dies zu erreichen, kann ein externer TCP in Bezug auf die Schleifmaschine eingestellt werden, was zu einer konsistenten Compliance-Richtung führt, selbst wenn sich die Pose des Roboters während des Betriebs ändert.

Die omnidirektionale Nachgiebigkeit ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das das Spektrum der Materialabriebaufgaben erweitert, die ein Roboter ausführen kann. Die Integration einer fortschrittlichen Kraftsteuerung mit omnidirektionaler Nachgiebigkeit erhöht nicht nur die Flexibilität, sondern rationalisiert auch den Kalibrierungs- und Feinabstimmungsprozess, wodurch der Zeit- und Arbeitsaufwand während der Bereitstellung und Feinabstimmung reduziert wird.

Kontaktwinkel und Konturverfolgung

Mit programmierbaren Kontaktwinkeln können Bediener die durchschnittliche auf eine Oberfläche ausgeübte Kraft direkt definieren, eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Methoden, bei denen der Kontaktwinkel die Kraft beeinflusst. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf industrielle Schleifaufgaben und ermöglicht es dem Bediener, die Kontaktwinkel entlang der Schleifbahn zu variieren, ohne die Einstellungen der Kraftsteuerung zu ändern und so einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten.

Die Konturverfolgung, ein weiterer Fortschritt, der die omnidirektionale Nachgiebigkeit nutzt, steht im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, bei denen es schwierig ist, bei unregelmäßigen Formen eine konstante Kraft aufrechtzuerhalten. Die Konturverfolgung ermöglicht automatische Anpassungen der Kraftrichtung in Echtzeit und sorgt so für eine gleichmäßige Anstrengung, unabhängig von Oberflächenkonturen oder Roboterbewegungen.

Diese Doppelfunktionen erhöhen die Ausgabequalität der Materialabriebaufgabe und reduzieren die für die Flugbahnabstimmung erforderliche Zeit. Einfach ausgedrückt können Kontaktwinkel und Konturverfolgung die Einsatzzeit von Stunden auf Minuten verkürzen. Dies erleichtert den Bereitstellungsprozess und minimiert die Notwendigkeit ständiger Anpassungen, sodass Werkstücke schneller und in einem höheren Standard als bisher fertiggestellt werden können.

Verbesserte Haltbarkeit durch Vibrationsreduzierung

Vibrationsreduzierung ist für Materialabriebaufgaben unerlässlich. Übermäßige Vibrationen können Werkstücke beschädigen und die Lebensdauer mechanischer Systeme erheblich verkürzen, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Vibrationen wie Schleifen.

Flexiv geht dieses Problem an, indem es Vibrationen durch gemeinsame Drehmomentsteuerung um etwa 25–50 Prozent reduziert. Dies verlängert nicht nur die Lebensdauer der vom Roboter verwendeten Ausrüstung, sondern verbessert auch die Gesamtqualität des Werkstücks, indem es die „Wirbel und Wirbel“ auf Oberflächen eliminiert, die durch Vibrationen während des Materialentfernungsprozesses entstehen können.

Zukunftsaussichten

Der Bereich der Robotik schreitet rasant voran und die jüngsten Entwicklungen in der adaptiven Robotik haben die Schaffung bahnbrechender Lösungen ermöglicht, die mit herkömmlicher kollaborativer Robotertechnologie einfach unmöglich waren.

Der Materialabrieb durch Roboter stellt immer noch große Herausforderungen dar; Direkte Kraftsteuerung, omnidirektionale Nachgiebigkeit und Vibrationsreduzierung machen effektive Lösungen jedoch machbar und praktisch.

Die Fähigkeit, mit größerer Präzision als bisher zu erfassen, eröffnet neue Möglichkeiten der Automatisierung. Wenn wir dies mit Plattformen wie dem künstlichen Intelligenzsystem NOEMA koppeln, sind der Automatisierung von Prozessen praktisch keine Grenzen gesetzt.

Die Automatisierung des Materialabriebs entwickelt sich parallel zu Fortschritten bei Hardware und intelligenten Softwarelösungen weiter und markiert eine Abkehr von den traditionellen arbeitsintensiven Ansätzen und Ausführungsmethoden, die noch vor wenigen Jahren üblich waren.

Mit Blick auf die Zukunft könnte der automatisierte Materialabtrag genauso alltäglich werden wie automatisierte Schraubverbindungen oder Pick-and-Place-Anwendungen.

Dieser Artikel wurde von Ran Xu, Robotics Engineering Manager, Flexiv Robotics (Santa Clara, CA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier  .