Sự kỳ diệu của cánh tay robot công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp là một trong những robot phổ biến nhất trong thế giới sản xuất. Bài viết của chúng tôi sau đây sẽ cho bạn cái nhìn mới về sự kỳ diệu của cánh tay robot.

Robot xuất hiện đã thực sự thay đổi cuộc sống của con người nói chung và nền công nghiệp nói riêng.

Với hầu hết mọi người, hiểu biết về robot chỉ dừng lại ở hình ảnh: những chú robot với trí thông minh nhân tạo, có thể giao tiếp, giúp đỡ việc nhà, bán hàng trong siêu thị, chăm sóc các cụ già hay trông trẻ…

Nhưng họ không để ý đến vai trò đặc biệt quan trọng và sự xuất hiện ngày một nhiều của robot trong những ngành công nghiệp, chế tạo, lắp ráp và sản xuất hiện đại ở khắp các nhà máy, công xưởng trên thế giới.

Một trong những robot phổ biến nhất trong thế giới sản xuất là cánh tay robot. Cánh tay robot trong hầu hết các trường hợp được lập trình và sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, phổ biến nhất cho sản xuất, chế tạo và các ứng dụng công nghiệp.

Cánh tay robot công nghiệp, có thể bạn không phải là một người biết về kỹ thuật, nhưng chỉ cần nghe qua tên của nó, bạn cũng đoán được rằng để hoạt động được, nó sẽ phải tuân thủ các cấu tạo và nguyên tắc cử động giống như cánh tay của con người.

Thật vậy, đây là một thiết bị hoạt động theo cách tương tự như cánh tay người, với một số khớp có thể di chuyển dọc theo trục hoặc có thể xoay theo một số hướng nhất định. Trên thực tế, một số cánh tay robot được cấu tạo và lập trình hoạt động với cách bắt chước các chuyển động chính xác của cánh tay con người.

Chúng cũng giống như cánh tay của chúng ta, với một cổ tay, cẳng tay, khuỷu tay và khớp vai. Tuy nhiên, robot 6 trục có 6 bậc tự do, cho phép nó di chuyển sáu cách khác nhau, không giống như cánh tay của con người, có tới 7 bậc tự do.

Lợi ích tuyệt vời khi sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất

Cánh tay robot công nghiệp, tuy nhiên lại có thể di chuyển nhanh hơn nhiều so với cánh tay của con người. Một cánh tay robot công nghiệp làm tăng tốc độ của quá trình sản xuất và độ chính xác. Những cánh tay robot hoạt động trơn tru giúp cắt giảm gần như tối đa các lỗi trong quá trình sản xuất do người công nhân gây ra và giúp giảm được rất nhiều chi phí lao động.

Tại sao vậy?

Cánh tay robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời gian hơn con người

Mỗi cử động của robot, bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được con người kiểm soát. Nó được lập trình mô phỏng trong không gian ảo của phần mềm để lường trước những rủi ro về va chạm, quá tải hay bất hợp lý trong chuyển động.

Vì vậy, mỗi chuyển động thực tế của robot công nghiệp trong quá trình làm việc sẽ đều là một chuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác dư thừa. Bởi trong sản xuất, Cycle Time được tính tối ưu tới đơn vị hàng phần chục hoặc phần trăm giây.

Ngoài ra, chất lượng của sản phẩm có thể được cải thiện nhờ người lập trình liên tục tinh chỉnh cánh tay robot. Ví dụ, cắt chính xác xuống các cạnh, tạo ra các mối hàn cứng hơn hoặc khoan các lỗ chính xác. Điều này liên tục được người lập trình điều chỉnh thiết lập tới khi đạt trạng thái hoàn hảo. Từ đó dễ dàng cải tiến sản phẩm theo thời gian, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của thương hiệu.

Các chuyển động là chính xác và lặp lại hoàn toàn giống nhau

Các chuyển động chính xác đem lại kết quả chính xác trên sản phẩm theo đúng yêu cầu kỹ thuật từ đó giảm tối đa sản phẩm lỗi (NG) do những bất cẩn hoặc thao tác sai trong quá trình làm việc giống như con người.

Bởi con người chúng ta, trong quá trình làm việc, bộ não rất thường xuyên bị đánh mất sự tập trung do các yếu tố chủ quan và khách quan bên ngoài tác động vào. Các yếu tố đó bao gồm sức khỏe trong ca làm việc, tinh thần và sự tập trung, thái độ nghiêm túc trong công việc, tính kỷ luật của bản thân cũng như nhóm, tổ đội trong dây chuyền khi làm việc (nói chuyện, cười đùa…).

Chính vì các yếu tố đó, với cùng một công việc, tuy là lặp lại nhưng chất lượng của mỗi sản phẩm hay một công đoạn lại thường bị phụ thuộc và phó mặc vào cảm xúc và sự hứng thú của người công nhân thao tác nó. Điều này thực sự nguy hiểm với những công việc hay mặt hàng đòi hỏi độ chính xác cao trong thao tác và sự tập trung cao độ.

Quan trọng hơn là năng suất mà những cánh tay robot công nghiệp mang lại

Con người có thể hiện diện và làm việc trong nhà máy 24h/ ngày, 7 ngày/ tuần và 365 ngày/ năm ở cùng một vị trí công việc của dây chuyền sản xuất hay không?

Câu trả lời là có…nhưng bạn phải sử dụng nhiều người thay nhau làm công việc đó ở vị trí đó. Ngay cả trong trường hợp bạn có đủ người (xét ở một chừng mực nào đó) thì công việc đôi khi vẫn bị ngừng trệ vì không có lao động. Một vài lí do bất khả kháng như ốm đau, tai nạn lao động, nghỉ thai sản, nghỉ việc, đào tạo lao động mới…đôi khi chỉ là những gián đoạn cục bộ nhưng lại xảy ra phổ biến đến mức bạn mặc nhiên chấp nhận nó tồn tại.

Với robot thì không, khả năng làm việc 24/7 không mệt mỏi và gần như không bao giờ xin “nghỉ ốm” của nó đem lại năng suất cao. Nhà đầu tư còn cắt giảm được rất nhiều chi phí từ các nghĩa vụ bắt buộc với người lao động như BHYT, BHXH, chi phí tăng ca…

Với các nhiệm vụ nguy hiểm, và môi trường làm việc độc hại, rủi ro như khói bụi, nhiệt, phóng xạ…Robot là sự thay thế hoàn hảo cho con người. Rõ ràng, nhờ chúng, chúng ta giảm thiểu được số vụ tai nạn lao động đáng kể.

Chúng ta sẽ tiếp tục đi sâu vào các tiến bộ kỹ thuật của cánh tay robot giúp nó ngày càng hữu ích hơn

Cảm biến và tầm nhìn Robotics

Một tiến bộ quan trọng trong việc sử dụng cánh tay robot là sự phát triển của các cảm biến. Cánh tay robot thường có cảm biến để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể và đảm bảo an toàn cho người lao động. Mặc dù các robot ban đầu có các cảm biến để đo các góc khớp của robot, những tiến bộ trong các cảm biến robot đã có tác động đáng kể đến công việc mà robot có thể đảm nhận một cách an toàn.

Một số các cảm biến phổ biến trên cánh tay robot công nghiệp:

• Cảm biến Tầm nhìn 2D kết hợp với một máy quay video cho phép robot phát hiện chuyển động trên một vị trí cụ thể. Điều này cho phép robot điều chỉnh các chuyển động hoặc hành động của nó liên quan đến dữ liệu mà nó thu được từ máy ảnh.
• Cảm biến Tầm nhìn 3D là một công nghệ mới nổi có tiềm năng hỗ trợ robot trong việc đưa ra các quyết định phức tạp hơn. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng hai camera ở các góc khác nhau hoặc sử dụng máy quét laser để cung cấp góc nhìn ba chiều cho robot.
• Một cảm biến Force Torque giúp cánh tay robot hiểu được lượng lực mà nó đang áp dụng và cho phép nó thay đổi lực cho phù hợp.
• Cảm biến phát hiện va chạm cung cấp cho robot nhận thức về môi trường xung quanh.
• Cảm biến an toàn được sử dụng để đảm bảo mọi người làm việc xung quanh robot được an toàn.

Các cảm biến an toàn cảnh báo cho robot nếu nó cần di chuyển hoặc ngừng hoạt động nếu nó cảm nhận được một người trong một phạm vi nhất định.Có nhiều cảm biến khác có sẵn bao gồm cảm biến xúc giác hoặc cảm biến nhiệt.

Lợi ích của các loại cảm biến khác nhau cho cánh tay robot là:

Cảm biến robot cung cấp cho robot thông tin chi tiết và đa dạng từ đó nó có thể đưa ra quyết định.

Robot càng có nhiều thông tin, nó càng có nhiều quyết định phức tạp.

Cuối cùng, mục đích của những cảm biến này là giúp làm cho môi trường làm việc xung quanh robot an toàn chính nó và an toàn cho mọi người cũng như các thiết bị, dây chuyền xung quanh không gian nó làm việc.

Tự động hóa quy trình với cánh tay robot trong công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp có kết cấu kim loại (gang, thép hoặc hợp kim nhôm đúc), được chế tạo với các bộ phận bắt đầu từ chân đế, kết thúc bằng cổ tay và bất kỳ bộ phận đầu cuối nào cũng cần thiết để thực hiện nhiệm vụ nâng hạ của cánh tay.

Mỗi khớp được dẫn động bởi một động cơ servo do bộ điều khiển robot điều khiển. Một số cánh tay lớn hơn, được sử dụng để nâng tải trọng lớn, được chạy bằng các nguồn thủy lực và khí nén.

Công việc của cánh tay robot phổ biến là di chuyển sản phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị công nghiệp từ nơi này sang nơi khác – nhặt, nâng lên – đặt xuống, tháo ra hoặc hàn một bộ phận hoặc toàn bộ phần công việc. Những cánh tay robot này có thể được lập trình để làm một số công việc khác nhau hoặc một công việc cụ thể tùy theo yêu cầu trong các công đoạn theo yêu cầu của con người.

Những gì xuất hiện sau cánh tay Robot và những gì được thêm vào xung quanh robot, khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Nhưng bất kể là ứng dụng nào, robot của bạn sẽ luôn cần được trang bị các thành phần khác để hoạt động tốt. Những thành phần này có thể bao gồm các công cụ ở cuối cánh tay (kẹp, mỏ hàn, đầu đánh bóng) và cảm biến (như cảm biến lực-mô-men, cảm biến an toàn, hệ thống quan sát).

Khi các nhà máy lắp đặt một hệ thống robot, mục đích của họ là tự động hóa một quy trình. Quá trình đó có thể là một quá trình mà hiện tại đang được thực hiện thủ công hoặc nó có thể là một chức năng hoàn toàn mới.

Một cánh tay robot đi kèm với hai yếu tố quan trọng, theo MachineDesign: bộ điều khiển, là máy tính điều khiển chuyển động của nó và Teach Pendant – tay dạy lập trình, là giao diện người dùng mà người vận hành sử dụng để lập trình cho robot.

Cánh tay robot công nghiệp- những tuyệt tác kim loại này sẽ tiếp tục hoạt động trong sản xuất trong nhiều năm tới – đem lại độ chính xác và năng suất cao gấp nhiều lần so với phương thức sản xuất truyền thống.

Tất cả những lợi ích này sẽ tiếp tục phát triển khi robot tiếp tục được cải thiện và nâng cao theo thời gian.

Phát triển robot công nghiệp

Robotics dựa trên hai công nghệ liên quan: điều khiển số và điều khiển từ xa. Điều khiển số (NC) là một phương pháp điều khiển trục máy công cụ bằng các con số đã được mã hóa trên băng giấy đục lỗ hoặc các phương tiện khác. Nó được phát triển vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950. Máy công cụ điều khiển số đầu tiên được trình diễn vào năm 1952 tại Hoa Kỳ tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Nghiên cứu tiếp theo tại MIT đã dẫn đến sự phát triển của Ngôn ngữ APT (Công cụ được lập trình tự động) để lập trình máy công cụ.

Máy điều khiển từ xa là một máy điều khiển cơ học được điều khiển bởi con người từ một vị trí từ xa. Công việc ban đầu về thiết kế máy điều khiển từ xa có thể được bắt nguồn từ việc xử lý chất phóng xạ vào đầu những năm 1940. Trong một cách triển khai điển hình, con người di chuyển một cánh tay và bàn tay cơ học tại một vị trí, và những chuyển động này được người thao tác nhân bản tại một vị trí khác.

Robot công nghiệp có thể được coi là sự kết hợp của công nghệ điều khiển số và điều khiển từ xa. Điều khiển số cung cấp khái niệm về một máy công nghiệp có thể lập trình được và công nghệ điều khiển từ xa đóng góp vào khái niệm về một cánh tay cơ khí để thực hiện công việc hữu ích. Robot công nghiệp đầu tiên được lắp đặt vào năm 1961 để dỡ các bộ phận từ quá trình đúc khuôn. Sự phát triển của nó phần lớn là do nỗ lực của người MỹGeorge C. Devol, một nhà phát minh, và Joseph F. Engelberger, một doanh nhân. Devol khởi nguồn thiết kế cho một bộ điều khiển có thể lập trình, bằng sáng chế của Hoa Kỳ được cấp vào năm 1961. Engelberger đã hợp tác với Devol để thúc đẩy việc sử dụng robot trong công nghiệp và thành lập công ty đầu tiên trong lĩnh vực robot — Unimation, Inc.

Tay máy (manipulator)

Định nghĩa được chấp nhận rộng rãi nhất về rô bốt công nghiệp là định nghĩa do Hiệp hội công nghiệp rô bốt phát triển:

Robot công nghiệp là một bộ thao tác đa chức năng, có thể lập trình lại được thiết kế để di chuyển vật liệu, linh kiện, công cụ hoặc thiết bị chuyên dụng thông qua các chuyển động được lập trình thay đổi để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Công nghệ người máy liên quan đến việc thiết kế bộ điều khiển cơ học và hệ thống máy tính được sử dụng để điều khiển nó. Nó cũng quan tâm đến các ứng dụng công nghiệp của robot, được mô tả dưới đây.

Bộ điều khiển cơ học của rô bốt công nghiệp được tạo thành từ một chuỗi các liên kết và các tổ hợp khớp . Các liên kết là các cơ cấu cứng kết nối các khớp. Các khớp (còn gọi là trục) là thành phần chuyển động của robot gây ra chuyển động tương đối giữa các liên kết liền kề . Có 5 loại khớp cơ khí chính được sử dụng để kết cấu tay máy. Hai trong số các khớp là tuyến tính, trong đó chuyển động tương đối giữa các liên kết liền kề là tịnh tiến, và ba là loại quay, trong đó chuyển động tương đối liên quan đến chuyển động quay giữa các liên kết.

Thao tác có thể được chia thành hai phần:

(1) cánh tay và thân, thường bao gồm ba khớp nối với nhau bằng các liên kết lớn, và

(2) cổ tay, gồm hai hoặc ba khớp nhỏ gọn. Được gắn vào cổ tay là một bộ kẹp để nắm một bộ phận gia công hoặc một công cụ (ví dụ: súng hàn điểm) để thực hiện một quy trình.

Hai bộ phận thao tác có các chức năng khác nhau: phần tay và thân được sử dụng để di chuyển và định vị các bộ phận hoặc công cụ trong không gian làm việc của robot, trong khi cổ tay được sử dụng để định hướng các bộ phận hoặc công cụ tại vị trí làm việc. Phần cánh tay và thân của hầu hết các rô bốt thương mại dựa trên một trong bốn cấu hình: tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu và khớp nối (articulated). Mỗi giải phẫu, như chúng đôi khi được gọi, cung cấp một lớp vỏ công việc khác nhau (tức là, không gian mà cánh tay của robot có thể tiếp cận) và phù hợp với các loại ứng dụng khác nhau.

Lập trình robot

Các hệ thống máy tính điều khiển người thao tác phải được lập trình để dạy cho rô bốt biết trình tự chuyển động cụ thể và các hành động khác phải được thực hiện để hoàn thành nhiệm vụ của nó. Có một số cách mà robot công nghiệp được lập trình. Phương pháp thứ nhất là lập trình dẫn dắt (lead-through programming). Điều này đòi hỏi người thao tác phải được điều khiển thông qua các chuyển động khác nhau cần thiết để thực hiện một nhiệm vụ nhất định, ghi lại các chuyển động đó vào bộ nhớ máy tính của robot . Điều này có thể được thực hiện bằng cách di chuyển vật lý người thao tác thông qua chuỗi chuyển động hoặc bằng cách sử dụng hộp điều khiển để điều khiển người thao tác qua trình tự.

Phương pháp lập trình thứ hai liên quan đến việc sử dụng một ngôn ngữ lập trình rất giống ngôn ngữ lập trình máy tính . Tuy nhiên, ngoài nhiều khả năng của một ngôn ngữ lập trình máy tính (tức là, xử lý dữ liệu, tính toán, giao tiếp với các thiết bị máy tính khác và ra quyết định), ngôn ngữ robot cũng bao gồm các câu lệnh được thiết kế đặc biệt để điều khiển robot. 

Các khả năng này bao gồm (1) điều khiển chuyển động và (2) đầu vào / đầu ra. Các lệnh điều khiển chuyển động được sử dụng để hướng robot di chuyển bộ điều khiển của nó đến một số vị trí xác định trong không gian. 

Ví dụ, câu lệnh “move P1” có thể được sử dụng để hướng robot đến một điểm trong không gian được gọi là P1. Các lệnh đầu vào / đầu ra được sử dụng để điều khiển việc nhận tín hiệu từ các cảm biến và các thiết bị khác trong ô làm việc và bắt đầu các tín hiệu điều khiển đến các phần thiết bị khác trong ô làm việc. 

Ví dụ: câu lệnh “signal 3, on” có thể được sử dụng để bật động cơ trong ô, nơi động cơ được kết nối với dòng đầu ra 3 trong bộ điều khiển của rô bốt.