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Vom Fehler zur Präzision: Wie kann die Kraftkontrolle unvollkommene Umgebungen kompensieren?
Die Kraftkontrolle hat im Maschinenbau, in der Industrie und in der Servicerobotik zunehmend an Bedeutung gewonnen. Der Hauptzweck dieser Steuerungstechnologie ist die Sicherheit. Sie kann versehentliche Kollisionen zwischen Menschen und Maschinen wirksam verhindern und so Schäden und Verletzungen reduzieren. In vielen Fällen kann die Bewegung eines Roboters durch Hindernisse blockiert werden, weshalb die Anwendung einer Kraftkontrolle von entscheidender Bedeutung ist.
Die Kraftregelung vermeidet Schäden an Geräten und Werkstücken und verringert die Wahrscheinlichkeit von Verletzungen des Personals während des Betriebs durch die Anpassung der Kontaktkraft zwischen Maschine und Umgebung bzw. Werkstück.
Bei der herkömmlichen Bewegungssteuerung werden Manipulationsvariablen hinzugefügt, um Positionsfehler zu korrigieren, wenn der Pfad falsch ist. Derartige Vorgehensweisen können jedoch unerwartete Folgen haben und sogar zu Maschinenschäden oder einer Instabilität der Arbeitsumgebung führen. Aus diesem Grund wurden Kraftkontrollsysteme entwickelt, die diese potenziell gefährlichen Situationen durch Begrenzung der Maximalkraft der Maschine vermeiden sollen.
Bei der spanenden Bearbeitung kommt es häufig zu Unebenheiten des Werkstücks, die zu Problemen führen. Beispielsweise kann es bei einer Positionsregelung dazu kommen, dass das Werkzeug zu tief in die Oberfläche eindringt oder den Kontakt zum Werkstück verliert. Dabei ist der Einsatz der Force-Control-Technologie besonders wichtig, da diese einen gleichmäßigen Materialabtrag durch stabile Anpresskraft gewährleistet.
Anwendungsbereich
Kraftregelungsanwendungen können in signifikante Kontaktaufgaben und potenzielle Kontaktaufgaben unterteilt werden. Bei berührungsintensiven Aufgaben ist der Kontakt zwischen Maschine und Umgebung bzw. Werkstück zentraler Bestandteil der Aufgabe, wobei es sich meist um mechanische Verformungen und Oberflächenbearbeitungen handelt. Bei Aufgaben, bei denen Kontakt ein potenzielles Problem darstellt, sollte die Maschine in der Lage sein, die Erzeugung übermäßiger Kontaktkräfte in einer dynamischen Umgebung zu vermeiden.
Kraftregelung wird häufig bei mechanischen Fertigungsvorgängen wie Schleifen, Polieren und Entgraten sowie bei kraftgesteuerten Prozessen wie kontrolliertem Fügen, Biegen und Einpressen von Nieten in vorgefertigte Löcher eingesetzt.
Die Kraftregelung kann auch zum Scannen unbekannter Oberflächen eingesetzt werden. Der Anpressdruck kann dabei relativ konstant gehalten werden, wodurch eine positionsgeregelte Bewegung des Scan-Kopfes möglich ist. Die Anwendung dieser Methode kann helfen, die Oberflächengeometrie detailliert zu beschreiben und die Bearbeitungsgenauigkeit weiter zu verbessern.
Technologische Entwicklung
Die Technologie zur Kraftregelung reicht bis ins Jahr 1980 zurück, als John Kenneth Salisbury von der Stanford University das Konzept der aktiven Steifigkeitskontrolle vorschlug. Im Laufe der Zeit wurde die Kraftregelung intensiv erforscht und weiterentwickelt. Insbesondere mit der Weiterentwicklung der Sensortechnologie und der Steuerungsalgorithmen wurde die Anwendung der Kraftregelung immer umfassender.
Moderne Maschinensteuerungen sind in der Lage, eine eindimensionale Kraftregelung in Echtzeit mit einer Zykluszeit von weniger als 10 Millisekunden durchzuführen, was darauf hindeutet, dass die Technologie der Kraftregelung längst ausgereift ist.
Bei der Kraftregelung ist die genaue Messung der Kontaktkräfte von entscheidender Bedeutung. Während bei herkömmlichen direkten Messmethoden der Schwerpunkt auf der Verwendung von Kraft-/Drehmomentsensoren zur Ermittlung der aktuellen Kontaktkraft liegt, besteht eine weitere kostengünstige Möglichkeit darin, diese Daten indirekt durch die Schätzung des Motorstroms während der Bewegungssteuerung zu erhalten. Dieser Ansatz senkt nicht nur die Kosten, sondern verringert auch das Risiko eines Sensorausfalls.
Steuerungskonzept
Zu den verschiedenen Regelungskonzepten der Kraftregelung gehören vor allem die direkte Kraftregelung und die indirekte Regelung. Während das Ziel der direkten Kraftregelung darin besteht, die gewünschte Kontaktkraft auf einen bestimmten Wert einzustellen, erhöht die indirekte Regelung in der Regel die Flexibilität und Reaktionsfähigkeit der Maschine durch Regulierung der Impedanz der Maschine. In der tatsächlichen Umsetzung ergänzen sich diese beiden Steuerungsmethoden häufig und die beste Steuerungstechnologie wird basierend auf den aktuellen Umgebungsbedingungen ausgewählt.
In Zukunft wird die Kraftsteuerungstechnologie wahrscheinlich in mehr Bereichen eine größere Rolle spielen, beispielsweise bei medizinischen Robotern, Servicerobotern und ihren kollaborativen Anwendungen. Eine vollautomatische Kraftregelung sorgt für Sicherheit und Stabilität bei der Zusammenarbeit mit Menschen und anderen Maschinen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wird diese Steuerungsmethode komplexere Anwendungsszenarien unterstützen und so die allgemeine Arbeitseffizienz verbessern. Ob Maschinen diese Herausforderungen erfolgreich meistern können, sei es in dynamischen Umgebungen oder bei unterschiedlichen technischen Anforderungen, wird sich erst mit der Zeit zeigen.
