Giới thiệu

Bài viết này cung cấp những hiểu biết chuyên sâu về hệ thống tự động hóa, tập trung chủ yếu vào cánh tay robot và bộ truyền động. Hãy đọc tiếp để tìm hiểu thêm về:

• Tổng quan về hệ thống tự động hóa
• Ưu điểm và nhược điểm của tự động hóa
• Các thành phần cơ bản
• Công cụ cuối cánh tay
• Và còn nhiều hơn thế nữa…

Hệ thống tự động hóa tích hợp các cảm biến, phần tử điều khiển và bộ truyền động để thực hiện các nhiệm vụ với sự can thiệp tối thiểu hoặc không cần sự can thiệp của con người. Công nghệ tiên tiến này là một phần của lĩnh vực Cơ điện tử, một ngành kỹ thuật liên ngành tích hợp các hệ thống cơ khí, điện và điện tử.

Nhìn chung, các hệ thống tự động hóa được phát triển từ các thao tác thủ công truyền thống như khoan, cắt và hàn. Các hệ thống này thường sử dụng cánh tay robot để điều khiển các công cụ cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ này. Trong các ứng dụng tập trung vào điều khiển quy trình, hệ thống tự động hóa quan sát và điều chỉnh các thông số quy trình bằng cách vận hành các thiết bị như máy sưởi, động cơ, máy bơm và máy nén, hoặc bằng cách quản lý các tuyến đường quy trình bằng van. Hệ thống tự động hóa có nhiều cấu hình khác nhau được thiết kế riêng cho các nhiệm vụ khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến bao gồm:

Những ưu điểm và nhược điểm của tự động hóa là gì?

Mục tiêu chính của hệ thống tự động hóa là giảm thiểu sự can thiệp của con người trong các quy trình công nghiệp, sản xuất và chế tạo. Người vận hành thường dễ mắc lỗi, mệt mỏi và hiệu suất không ổn định, dẫn đến tắc nghẽn năng suất, sai sót tốn kém và tai nạn lao động. Bằng cách tích hợp các giải pháp tự động hóa như hệ thống tự động hóa robot , robot công nghiệp , bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và hệ thống thị giác máy tính tiên tiến , các nhà sản xuất có thể đạt được hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn. Công nghệ tự động hóa cũng mở đường cho những tiến bộ của Công nghiệp 4.0 như nhà máy thông minh , kết nối IoT và phân tích dữ liệu thời gian thực . Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu những ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng hệ thống tự động hóa trong các ngành công nghiệp khác nhau:

Thuận lợi

• Sản xuất ổn định hơn: Hệ thống robot , bao gồm dây chuyền lắp ráp tự động và thiết bị tự động hóa công nghiệp, được thiết kế để đạt hiệu quả tối ưu. Robot tốc độ cao có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp như hàn, xử lý vật liệu, đóng gói và vận hành máy móc với độ ổn định vượt trội. Bằng cách loại bỏ sự biến động thủ công và thời gian chết, các giải pháp tự động hóa này mang lại sự gia tăng đáng kể về năng suất, khối lượng sản xuất lớn hơn và lợi nhuận tổng thể cao hơn. Cả sự tích hợp phần cứng và phần mềm—chẳng hạn như bộ điều khiển chuyển động và bộ truyền động servo—đảm bảo quy trình làm việc mượt mà hơn, tối đa hóa năng suất và giảm thời gian chết. Ngoài ra, khả năng xử lý máy tính mạnh mẽ cho phép hoạt động liên tục, vượt xa khả năng về tốc độ và sức bền của lực lượng lao động con người.

  

• Tăng khả năng lặp lại: Trong môi trường sản xuất, khả năng lặp lại của quy trình là rất quan trọng để duy trì các tiêu chuẩn đồng nhất. Hệ thống tự động hóa hoạt động hiệu quả trong các tác vụ lặp đi lặp lại như thao tác gắp và đặt, robot điều khiển bằng thị giác và kiểm tra tự động. Dây chuyền sản xuất duy trì hiệu quả vì mọi chuyển động—có thể lập trình thông qua phần mềm công nghiệp như SCADA (Hệ thống Giám sát và Thu thập Dữ liệu) và HMI (Giao diện Người-Máy)—đều nhất quán với độ sai lệch tối thiểu. Mức độ lặp lại cao này giúp tăng tính đồng nhất của sản phẩm và đơn giản hóa việc kiểm soát chất lượng .

  

• Độ chính xác và tính chuẩn xác: Như đã đề cập trước đó, các bộ truyền động trong thiết bị tự động hóa hiện đại được thiết kế để chuyển động nhất quán và chính xác. Cho dù được điều khiển bởi PLC tiên tiến hay hệ thống điều khiển nhúng, các bộ truyền động này duy trì độ chính xác trong mỗi chu kỳ, cho phép độ chính xác ở mức micromet trong các quy trình như lắp ráp vi mô và sản xuất điện tử. Công nghệ tự động hóa cũng cho phép hiệu chuẩn tự động và sửa lỗi theo thời gian thực bằng cách sử dụng phản hồi cảm biến và điều khiển thích ứng. Điều này dẫn đến ít lỗi hơn và ít lãng phí vật liệu hơn.

  

• Nâng cao chất lượng sản phẩm: Việc sử dụng tự động hóa giúp giảm thiểu sai sót do lỗi của con người và tính chủ quan. Các hệ thống đảm bảo chất lượng tự động, chẳng hạn như kiểm tra bằng thị giác máy tính và kiểm tra trực tuyến, liên tục xác minh xem mỗi sản phẩm có đáp ứng các tiêu chuẩn đã định trước hay không. Các quy trình kiểm soát chất lượng tự động này dẫn đến giảm đáng kể số lượng sản phẩm lỗi, sản phẩm bị thu hồi và chi phí bảo hành, từ đó cải thiện sự hài lòng của khách hàng và độ tin cậy của thương hiệu.
• Điều kiện làm việc tốt hơn: Tự động hóa nâng cao an toàn lao động bằng cách giao các nhiệm vụ nguy hiểm hoặc lặp đi lặp lại cho robot và máy móc tự động. Môi trường có rủi ro cao—những môi trường liên quan đến nhiệt độ khắc nghiệt, điện áp cao, nâng vật nặng hoặc hóa chất độc hại—được hưởng lợi rất nhiều từ các giải pháp tự động hóa công nghiệp. Sự chuyển đổi này thúc đẩy việc tuân thủ OSHA, giảm tỷ lệ thương tích và hỗ trợ một nơi làm việc lành mạnh hơn, cho phép người vận hành tập trung vào vai trò giám sát, bảo trì và giải quyết vấn đề chuyên môn.
• Giảm chi phí vận hành: Theo thời gian, đầu tư vào công nghệ tự động hóa mang lại những lợi thế kinh tế rõ rệt. Bên cạnh năng suất cao hơn, hệ thống tự động hóa giảm thiểu lãng phí nguyên liệu thông qua các quy trình được tối ưu hóa (ví dụ: hệ thống cấp liệu và định lượng tự động) và giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Lập kế hoạch bảo trì tự động và phân tích thời gian thực giúp cải thiện hơn nữa hiệu quả sử dụng tài nguyên. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho tự động hóa có thể cao, nhưng khoản tiết kiệm tích lũy từ lao động, năng lượng và vật liệu sử dụng đảm bảo lợi tức đầu tư (ROI) mạnh mẽ và tính bền vững hoạt động lâu dài.

Lợi ích bổ sung: Tự động hóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng quy mô sản xuất, cho phép các nhà sản xuất nhanh chóng thích ứng với nhu cầu thị trường thay đổi. Việc tích hợp với ERP (Hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp) và MES (Hệ thống quản lý sản xuất) cho phép quản lý liền mạch trên toàn bộ chuỗi cung ứng. Các hệ thống tự động hóa hiện đại cũng hỗ trợ giám sát từ xa và bảo trì dự đoán , giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến ​​và nâng cao hiệu quả tổng thể của thiết bị (OEE). Các công ty áp dụng tự động hóa có vị thế tốt hơn để đạt được chuyển đổi số và duy trì lợi thế cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

Nhược điểm

• Chi phí đầu tư cao: Chi phí đầu tư vốn cao cần thiết cho tự động hóa—bao gồm robot, hệ thống điều khiển, cảm biến máy móc, tích hợp phần mềm và cơ sở hạ tầng hỗ trợ—thường là rào cản chính đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs). Bên cạnh các thành phần cốt lõi như cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động, tự động hóa còn cần các hệ thống hỗ trợ phụ trợ (nguồn điện, khí nén, hệ thống thủy lực và bôi trơn ). Robot tiên tiến và các giải pháp tự động hóa tùy chỉnh có thể có giá từ hàng trăm nghìn đến hàng triệu đô la, tùy thuộc vào độ phức tạp của hệ thống, khả năng tích hợp và các yêu cầu tùy chỉnh. Phân tích ROI cẩn thận là điều cần thiết trước khi triển khai quy mô lớn.
• Bảo trì bổ sung cần thiết: Mặc dù hệ thống tự động hóa loại bỏ các lỗi do mỏi vật liệu, nhưng hoạt động liên tục của chúng làm tăng tốc độ hao mòn các bộ phận cơ khí, điện và điện tử. Điều này đòi hỏi một chương trình bảo trì toàn diện bao gồm chẩn đoán dự đoán, giám sát thời gian thực và thay thế phụ tùng theo lịch trình. Sự cố bất ngờ của máy móc tự động có thể cần đến kỹ thuật viên dịch vụ chuyên nghiệp và có thể dẫn đến thời gian ngừng sản xuất nếu không được quản lý đúng cách.
• Tính linh hoạt thấp: Hầu hết các hệ thống tự động hóa thông thường được thiết kế cho các nhiệm vụ cố định, lặp đi lặp lại và thiếu tính linh hoạt. Việc cấu hình lại các cụm robot hoặc thiết bị lập trình cho các sản phẩm mới hoặc đa dạng thường đòi hỏi thời gian và đầu tư đáng kể. Mặc dù các mô-đun có thể thay thế nóng và robot lập trình lại hiện đại mang lại tính linh hoạt được cải thiện, nhưng chúng làm tăng chi phí ban đầu. Không giống như con người, robot thường không thể thích ứng với những thay đổi không lường trước được hoặc các tình huống không tiêu chuẩn mà không cần thiết kế lại đáng kể, điều này có thể ảnh hưởng đến sự nhanh nhẹn trong sản xuất.

Những điều cần cân nhắc cho người ra quyết định: Khi đánh giá việc tự động hóa, các nhà sản xuất nên xem xét nhu cầu sản xuất cụ thể, khối lượng dự kiến, yêu cầu về kỹ năng và chiến lược kinh doanh dài hạn. Các yếu tố như khả năng tích hợp hệ thống , khả năng nâng cấp và hỗ trợ từ nhà cung cấp rất quan trọng để tối đa hóa giá trị từ các khoản đầu tư tự động hóa. Việc hợp tác với các nhà tích hợp hệ thống và tư vấn tự động hóa giàu kinh nghiệm được khuyến nghị mạnh mẽ để đạt được kết quả tối ưu và khả năng mở rộng trong tương lai.

Các thành phần cơ bản của một hệ thống tự động hóa là gì?

Hệ thống tự động hóa là một mạng lưới phức tạp gồm các thiết bị kết nối và kiến ​​trúc điều khiển được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ với sự can thiệp tối thiểu của con người. Các thành phần thiết yếu của một hệ thống tự động hóa bao gồm các thiết bị đầu vào như cảm biến hoặc giao diện người máy (HMI), một hệ thống máy tính (đôi khi được gọi là bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc bộ điều khiển công nghiệp), và các phần tử đầu ra được gọi là bộ thao tác hoặc bộ truyền động thực hiện các hành động vật lý. Những yếu tố nền tảng này cùng nhau cho phép máy móc tự động và thiết bị tự động hóa công nghiệp hoạt động hiệu quả trong sản xuất, công nghiệp chế biến và các ứng dụng robot.

Trong số các thành phần này, hệ thống điều khiển — có thể dựa trên phần cứng (như PLC) hoặc phần mềm — đóng vai trò là “bộ não” của hệ thống. Có hai loại hệ thống điều khiển chính: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín (hoặc phản hồi). Trong hệ thống điều khiển vòng hở , bộ điều khiển gửi lệnh đến bộ chấp hành chỉ dựa trên đầu vào được lập trình sẵn, mà không giám sát kết quả thời gian thực, do đó phù hợp với các tác vụ tự động hóa đơn giản, lặp đi lặp lại. Mặt khác, hệ thống vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi được tạo ra bởi cảm biến để đo phản hồi của bộ chấp hành — trực tiếp hoặc gián tiếp — cho phép so sánh liên tục giữa đầu ra thực tế và đầu ra mong muốn. Sau đó, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh các lệnh một cách linh hoạt, đảm bảo độ chính xác, hiệu quả và tính ổn định của quy trình, điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống tự động hóa robot tiên tiến và môi trường sản xuất thông minh.

Các thiết bị đầu vào đóng vai trò là giao diện chính cho các hệ thống tự động hóa. Chúng bao gồm các giao diện người-máy (HMI) – màn hình cảm ứng, bảng điều khiển hoặc bảng điều khiển phần mềm – cho phép người vận hành nhập các điểm đặt, lệnh hoặc ghi đè các quy trình tự động. Cảm biến (ví dụ: cảm biến tiệm cận, bộ chuyển đổi nhiệt độ, đồng hồ đo áp suất, cảm biến quang học) rất quan trọng đối với việc giám sát quy trình theo thời gian thực. Chúng phát hiện hoặc đo một loạt các thuộc tính vật lý và điện từ, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, vị trí, từ tính, bức xạ hoặc mức chất lỏng. Dữ liệu này được chuyển đổi thành tín hiệu điện được truyền đến bộ điều khiển, tạo thành xương sống của việc điều khiển quy trình công nghiệp theo thời gian thực . Bằng cách sử dụng các công nghệ cảm biến tiên tiến trong tự động hóa, các nhà sản xuất có thể đạt được độ chính xác cao hơn, đảm bảo chất lượng tốt hơn và bảo trì dự đoán hiệu quả.

Bộ truyền động là thiết bị đầu ra quan trọng, có chức năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành chuyển động cơ học. Một bộ truyền động điển hình bao gồm một cơ cấu dẫn động (như động cơ điện hoặc nam châm điện) và một cụm cơ khí gồm các khớp và liên kết. Cơ cấu dẫn động tạo ra lực hoặc mô-men xoắn cần thiết để kích hoạt các bộ phận được liên kết. Bộ truyền động được phân loại theo lực dẫn động của chúng:

• Bộ truyền động điện: Sử dụng động cơ hoặc nam châm điện để chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động tuyến tính hoặc quay, thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển chính xác, robot và máy móc tự động hóa.
• Bộ truyền động thủy lực : Sử dụng chất lỏng có áp suất để tạo ra chuyển động — lý tưởng cho các công việc đòi hỏi lực lớn, chẳng hạn như máy ép công nghiệp và thiết bị xử lý vật liệu hạng nặng.
• Bộ truyền động khí nén: Sử dụng khí nén để tạo chuyển động. Chúng được ưa chuộng cho các ứng dụng tốc độ cao, lặp đi lặp lại trong các dây chuyền tự động hóa và hệ thống đóng gói.

Các hệ thống thủy lực và khí nén thường dựa vào áp suất chất lỏng tác động lên piston, xi lanh, cánh quạt hoặc thùy để vận hành. Việc điều khiển được thực hiện bằng các van điện từ mở hoặc đóng các đường dẫn cho chất lỏng dẫn động, mang lại khả năng tự động hóa linh hoạt và thích ứng trong các môi trường công nghiệp đòi hỏi cao.

Các liên kết (các phần tử cấu trúc cứng) và khớp nối của hệ thống cơ khí cho phép chuyển động và định vị “cánh tay” của robot thao tác. Bậc tự do (DOF) mô tả các chuyển động độc lập được cho phép, với ba trục tịnh tiến (lên-xuống, trái-phải, tiến-lùi) và ba trục quay (nghiêng, xoay, lật). Để tối ưu hóa chi phí, độ phức tạp và bảo trì, hầu hết các robot công nghiệp và cánh tay tự động hóa đều giới hạn các khớp nối ở một hoặc hai bậc tự do trên mỗi trục hoặc liên kết. Thiết kế cẩn thận này tối đa hóa tính phù hợp ứng dụng và giảm thiểu các điểm gián đoạn trong môi trường sản xuất tự động .

Cấu hình cánh tay

Cánh tay robot hay bộ điều khiển robot là cốt lõi của nhiều hệ thống tự động hóa công nghiệp và được thiết kế để gắn các dụng cụ đầu cánh tay (EOAT) khác nhau như kẹp, máy hàn hoặc cảm biến. Cấu hình của cánh tay—được xác định bởi sự kết hợp của các khớp nối—ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động, tính linh hoạt và ứng dụng của nó trong sản xuất tự động, dây chuyền lắp ráp và xử lý vật liệu. Các khớp nối thường được phân loại là khớp quay (quay) hoặc khớp tịnh tiến (tuyến tính), ảnh hưởng đến bậc tự do và hình dạng không gian làm việc của cánh tay. Việc lựa chọn kiến ​​trúc cánh tay phù hợp là rất cần thiết trong tích hợp robot để tối ưu hóa hiệu quả, độ chính xác và tính phù hợp cho tự động hóa theo nhiệm vụ cụ thể.

• Robot Cartesian: Robot Cartesian chỉ bao gồm ba khớp tịnh tiến (tuyến tính) được căn chỉnh theo các trục X, Y và Z của hệ tọa độ Descartes. Kiến trúc này đơn giản hóa việc điều khiển chuyển động và lập trình, lý tưởng cho các hoạt động gắp và đặt chính xác, máy móc CNC và in 3D. Chuyển động bị giới hạn ở góc vuông, khiến robot Cartesian hoàn hảo cho các ứng dụng tập trung vào vận chuyển tuyến tính với chuyển động quay tối thiểu. Ví dụ, hệ thống giàn và máy xếp pallet trên cao sử dụng cấu hình Cartesian cho các tác vụ tự động hóa đơn giản.

  

• Cánh tay robot Polar (Robot hình cầu): Robot Polar có hai khớp quay và một khớp tịnh tiến, tạo ra một phạm vi làm việc hình cầu. Cánh tay có thể kéo dài hoặc thu ngắn dọc theo phần tịnh tiến của nó và xoay trong bán kính hình cầu, thích hợp cho các nhiệm vụ yêu cầu chuyển động rộng, quét – chẳng hạn như đúc khuôn, hàn và đặt các bộ phận nặng. Hình dạng độc đáo cho phép dễ dàng tiếp cận vào và xung quanh các không gian làm việc phức tạp.

  

• Cánh tay robot hình trụ: Được phân biệt bởi một khớp quay ở đế và hai khớp tịnh tiến, cánh tay robot hình trụ tạo ra không gian làm việc hình trụ. Khả năng quay ở đế và điều chỉnh tuyến tính dọc theo trục Z và bán kính mang lại khả năng xếp chồng, tải và lắp ráp chính xác tuyệt vời. Thiết kế này thường được sử dụng trong đóng gói, lắp ráp điện tử và vận hành máy móc.

  

• Cánh tay robot khớp nối có khả năng điều chỉnh linh hoạt (SCARA): Robot SCARA được tối ưu hóa cho các tác vụ yêu cầu khả năng điều chỉnh linh hoạt theo phương ngang nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững theo phương thẳng đứng. Với hai khớp quay song song để mở rộng và gập lại trong mặt phẳng XY, và trục Z cứng vững, robot SCARA cung cấp các chuyển động lắp ráp và gắp đặt nhanh chóng, chính xác, thường thấy trong tự động hóa điện tử và dược phẩm. Khả năng điều chỉnh linh hoạt có thể lựa chọn của chúng rất lý tưởng để lắp ráp các linh kiện trên bảng mạch và đóng gói các sản phẩm dễ vỡ mà không làm giảm tốc độ hoặc độ chính xác.

  

• Cánh tay robot khớp nối hoặc hình người: Robot khớp nối mô phỏng sự khéo léo và tự do của cánh tay người, sử dụng nhiều khớp quay và thường có hơn bốn hoặc năm bậc tự do. Số bậc tự do tăng lên cho phép chuyển động rất linh hoạt, hỗ trợ các công việc như hàn, sơn và lắp ráp các bộ phận phức tạp. Cánh tay robot khớp nối thường được sử dụng trong sản xuất ô tô, gia công chính xác và bất kỳ kịch bản tự động hóa nào đòi hỏi sự thao tác phức tạp các vật thể trong không gian 3D.

  

Khi lựa chọn hoặc thiết kế hệ thống tự động hóa , điều cần thiết là phải xem xét các yếu tố như độ phức tạp của chuyển động yêu cầu, khả năng tải trọng, yêu cầu về tốc độ và điều kiện môi trường. Các giải pháp tự động hóa khác nhau—cho dù là robot công nghiệp, robot cộng tác (cobot) hay hệ thống xử lý chuyên dụng—đều mang lại những lợi thế riêng biệt về hiệu quả, an toàn và khả năng mở rộng. Bằng cách hiểu được sự tương tác giữa các cảm biến đầu vào, hệ thống điều khiển, bộ truyền động và thiết kế cơ khí, các doanh nghiệp có thể tối ưu hóa các giải pháp tự động hóa của mình và đảm bảo tính bền vững cho hoạt động sản xuất trong tương lai, hướng tới Công nghiệp 4.0 và tích hợp nhà máy thông minh.

Công cụ cuối cánh tay robot (EOAT) trong tự động hóa là gì?

Các dụng cụ gắn ở đầu cánh tay robot (EOAT), còn được gọi là bộ phận tác động cuối, là các thành phần được thiết kế để tương tác với sản phẩm hoặc quy trình. Hầu hết các EOAT là các loại kẹp, dùng để xử lý vật thể bằng cách nâng, thả, di chuyển hoặc định hướng lại chúng. Kẹp có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để xử lý vật thể và được phân loại thành kẹp tác động (hàm cơ khí), kẹp xâm nhập (kim), kẹp chặt (chân không và từ tính) và kẹp tiếp xúc (bám dính). Ngoài ra, EOAT có thể được tùy chỉnh cho các nhiệm vụ cụ thể như phay hoặc hàn.

• Bộ kẹp cơ khí: Loại này được sử dụng cho các hệ thống robot gắp và đặt cơ bản. Bộ kẹp có từ một đến ba bộ hàm cơ khí, thường được điều khiển bởi động cơ servo hoặc bộ truyền động khí nén. Các hàm này được cấu tạo từ một đường thẳng nối với cổ tay bằng khớp quay hoặc khớp tịnh tiến. Để điều khiển lực kẹp khi sử dụng động cơ servo, phản hồi được tạo ra bởi các cảm biến biến dạng hoặc dòng điện của động cơ. Đối với bộ kẹp sử dụng bộ truyền động khí nén, lực kẹp có thể được tăng lên mà không làm hỏng vật thể nhờ tính chất nén được của không khí. Các hàm có thể được cấu tạo dưới dạng chĩa, ngón tay, tấm song song hoặc bề mặt theo hình dạng của vật cần kẹp. Khả năng kẹp tốt hơn đạt được bằng cách phủ các bề mặt bằng vật liệu đàn hồi, có độ ma sát cao.

  

• Cơ cấu hút chân không: Loại này được sử dụng để nhặt các vật thể có bề mặt nhẵn như màng phim, thủy tinh và đĩa. Một cách phổ biến để tạo ra chân không là sử dụng ống Venturi được cung cấp khí nén. Để tạo ra lực hút lớn hơn, người ta sử dụng một dãy các giác hút. Cơ cấu hút chân không sạch hơn so với các loại kẹp cơ học và có thể cho phép một số sai lệch vị trí. Loại cơ cấu này không phù hợp với các bề mặt gồ ghề, xốp hoặc không đều. Hơn nữa, vật thể có thể trượt ra khỏi giác hút khi được gia tốc quá nhanh.

  

• Bộ kẹp từ: Loại thiết bị nâng hạ điện cực (EOAT) này sử dụng nam châm điện để nâng các vật thể có từ tính. Nam châm vĩnh cửu cũng được sử dụng vì nó không tiêu thụ điện năng liên tục. Tuy nhiên, nó cần một thiết bị cơ khí để lấy vật thể đã được nâng lên. Nam châm điện được ưa chuộng hơn do hoạt động đơn giản, vì vật thể có thể được nâng lên hoặc thả xuống chỉ bằng cách cấp hoặc ngắt nguồn điện cho nam châm điện. Tuy nhiên, ngoài hạn chế sử dụng trên vật liệu có từ tính, nó còn làm cho các bộ phận bị nhiễm từ. Ngoài ra, nó không thể tăng tốc quá nhanh vì vật thể được gắn có thể bị trượt.

  

• Vòng và ống bơm hơi: Có thể hình dung vòng bơm hơi như một ống đàn hồi dạng vòng được đỡ bởi một cấu trúc cứng ở chu vi bên ngoài. Nó kẹp vật thể bằng cách giãn nở ống trong khi thả ra bằng cách xì hơi. Chúng thường được sử dụng trong việc kẹp giữ các sản phẩm hình ống hoặc hình trụ trong không gian hai chiều.

  

• Kẹp kim: Loại này thực hiện thao tác kẹp bằng cách xuyên qua vật thể hoặc khối vật liệu bằng kim hoặc lông vũ. Các thiết bị kẹp điện cực (EOAT) này thường cố định, không có bất kỳ khớp nối chuyển động nào. Kẹp kim được sử dụng để xử lý các vật thể xốp hoặc dạng sợi như vải dệt, sợi carbon và sợi thủy tinh, nơi mà việc xuyên thủng nhỏ không phải là vấn đề.

  

• Kẹp dính: Như tên gọi, loại kẹp này giữ sản phẩm bằng cách bám dính bề mặt. Một loại keo đặc biệt được phủ lên bề mặt của một miếng đệm hoặc tấm tiếp xúc với sản phẩm cần nâng. Ưu điểm chính của kẹp dính là khả năng hoạt động mà không cần khí nén hoặc nguồn điện. Tuy nhiên, chúng chỉ có giới hạn trong việc xử lý các vật nhẹ và có xu hướng giảm hiệu quả kẹp theo thời gian.

  

• Công cụ (Cố định và Có thể thay đổi): Công cụ có thể được gắn vào khớp ngoài cùng của cổ tay thay vì kẹp. Công cụ có thể được gắn cố định hoặc có thể thay đổi. Các công cụ phổ biến cho bộ phận cuối của robot bao gồm tua vít, cờ lê, máy khoan, máy cắt xoay, laser, vòi phun nước, vòi phun sơn, điện cực hàn và chất hàn. Các bộ phận cuối chuyên dụng khác bao gồm hệ thống kiểm tra với các cảm biến được gắn kèm. Ví dụ như máy ảnh hoặc thiết bị quang học khác được sử dụng để kiểm tra không tiếp xúc và đo lường 3D. Kết quả đo chính xác đến từng phần mười milimét nhờ tính lặp lại, độ chính xác và độ tin cậy vốn có của hệ thống robot.

  

  Các công cụ hiện có được lắp đặt trên cánh tay robot cũng có thể được thay đổi theo thời gian do những sửa đổi mang lại bởi các yêu cầu sản phẩm mới, cải tiến hệ thống hoặc sự lỗi thời của một số bộ phận. Khi quyết định xem công cụ mới có phù hợp hay không, cần phải xác minh một số yếu tố:

  • Trọng lượng của dụng cụ mới;
  • Độ chính xác về vị trí và góc khi căn chỉnh với phôi;
  • Lực và mô-men xoắn do dụng cụ tác dụng;
  • Yêu cầu về độ cứng;
  • Bộ chuyển đổi, khớp nối và cơ chế tháo lắp nhanh;
  • Hệ thống điều khiển phản hồi và các cảm biến gắn kèm;
  • Yêu cầu hệ thống phụ trợ.

• Bộ kẹp hình người và thích ứng: So với bộ kẹp cơ khí, bộ kẹp hình người có các khớp nối phức tạp hơn. Bộ kẹp cơ khí thường có một khớp nối với cổ tay bằng khớp quay hoặc khớp tịnh tiến. Mặt khác, bộ kẹp hình người có hai hoặc nhiều khớp nối được xích lại với nhau bằng các khớp quay. Chúng có thể được cấu hình để cung cấp khả năng kẹp hai hoặc ba chiều bằng cách có hai hoặc ba bộ ngón tay. Để thích ứng, mỗi ngón tay được điều khiển độc lập với các cảm biến được gắn để kiểm tra khoảng cách và lực kẹp. Bộ kẹp hình người và thích ứng rất hữu ích trong các ứng dụng mà các vật thể thường xuyên thay đổi, chẳng hạn như trong hệ thống phân loại và đóng gói nhiều dòng sản phẩm.

  

Bộ truyền động làm gì trong tự động hóa?

Bộ truyền động là các thành phần cung cấp lực hoặc mô-men xoắn để tạo ra chuyển động. Chúng được kết nối với các liên kết và khớp nối thông qua gân, bánh răng, xích, cam hoặc trục, tạo thành hệ thống truyền động cốt lõi. Bộ truyền động thường được phân loại thành ba loại: điện, thủy lực và khí nén.

• Bộ truyền động điện: Bộ truyền động điện là loại bộ truyền động được sử dụng rộng rãi nhất cho robot công nghiệp. Loại bộ truyền động điện phổ biến nhất là động cơ servo được cấp nguồn bằng nguồn điện một chiều (DC). Chuyển động quay của động cơ có thể được chuyển đổi thành chuyển động tuyến tính bằng nhiều hệ thống truyền động cơ khí khác nhau như dây đai, cáp và xích. Các bộ truyền động điện tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp cũng tồn tại dưới dạng động cơ tuyến tính và nam châm điện. Các loại bộ truyền động điện chính được tóm tắt dưới đây:

  • Động cơ servo: Loại bộ truyền động điện này hoạt động thông qua hệ thống vòng kín hoặc hệ thống phản hồi, xử lý tín hiệu đầu ra để điều khiển vị trí, vận tốc và gia tốc của nó. Các động cơ được sử dụng trong cơ cấu servo có thể là động cơ DC chổi than, động cơ DC không chổi than, động cơ AC, và thậm chí cả động cơ tuyến tính. Cơ cấu servo có một cảm biến, bộ chuyển đổi hoặc chiết áp được gọi là bộ mã hóa (encoder) để đo vị trí và tốc độ của động cơ và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tử. Tín hiệu, có thể là kỹ thuật số hoặc tương tự, được đưa đến bộ khuếch đại và bộ điều khiển, sau đó thay đổi điện áp hoặc tần số của nguồn điện cung cấp cho động cơ.

    

  • Động cơ bước: Khác với động cơ servo, động cơ bước không cần vòng phản hồi. Chúng hoạt động thông qua việc liên tục cấp điện và ngắt điện cho các cực của stato để kéo các cực của rôto. Stato có các cực được cấp điện riêng biệt để kéo các cực của rôto và tạo ra chuyển động quay theo bước hoặc theo chỉ số. Rôto được làm bằng vật liệu sắt từ nhiều lớp với số cực khác với stato. Sự khác biệt về số cực giữa rôto và stato cho phép chỉ một bộ hoặc một cặp cực được hút tại một thời điểm. Bộ điều khiển và bộ khuếch đại cấp điện cho các cực theo tốc độ đã được lập trình của động cơ. Động cơ bước đơn giản hơn động cơ servo nhưng công suất thấp hơn. Nếu tải trọng vượt quá giới hạn, động cơ có thể bị trượt. Vì không có vòng phản hồi tích hợp, nên không có cách nào để hiệu chỉnh độ lệch.

    

• Bộ truyền động khí nén : Bộ truyền động khí nén hoạt động bằng khí nén, thường ở áp suất khoảng 6 đến 10 bar. Lưu lượng khí nén được điều khiển bởi các van điện từ. Các loại bộ truyền động khí nén phổ biến nhất là xi lanh hoặc pít tông. Xi lanh khí nén có một pít tông giãn ra hoặc co lại khi có áp suất tác dụng bên trong xi lanh. Một đầu của pít tông được nối với một thanh truyền động, thanh này được nối với cánh tay robot. Các phương pháp nối khác cũng có thể được sử dụng như cáp và nam châm. Lực tạo ra phụ thuộc vào áp suất và diện tích bề mặt hiệu dụng của pít tông.

  

  Xi lanh khí nén có thể là loại tác động đơn hoặc tác động kép. Xi lanh tác động đơn chỉ có một cửa nạp, nơi khí nén đẩy pít tông theo một hướng duy nhất. Hành trình trở lại được thực hiện bởi một lực bên ngoài như lực lò xo hoặc trọng lực. Mặt khác, xi lanh tác động kép có hai cửa ở cả hai đầu xi lanh, hoạt động như cả cửa nạp và cửa xả. Khí nén được cung cấp ở một đầu và được giải phóng ở đầu kia. Điều này cho phép pít tông di chuyển và tạo lực theo cả hai hướng. Một loại xi lanh khí nén ít phổ biến hơn là xi lanh lồng nhau, bao gồm các vỏ lồng vào nhau và giãn ra khi có khí nén được đưa vào. Xi lanh lồng nhau có thể là loại tác động đơn hoặc tác động kép.

  Để tạo chuyển động quay bằng khí nén, người ta sử dụng động cơ khí nén. Các động cơ khí nén phổ biến là cánh quạt quay và tuabin. Cánh quạt quay hoạt động dựa trên sự dịch chuyển tích cực của không khí khi nó đi qua rôto. Tuabin tạo ra chuyển động quay bằng cách sử dụng động năng của không khí đi qua. Bên cạnh xi lanh và động cơ khí nén, còn có các loại bộ truyền động khí nén khác như ống, ống xếp và màng ngăn. Mặc dù khác nhau về cấu tạo, chúng hoạt động theo cùng một cách như xi lanh và động cơ.

• Bộ truyền động thủy lực : Bộ truyền động thủy lực hoạt động tương tự như bộ truyền động khí nén. Sự khác biệt duy nhất là về cường độ lực tạo ra, độ bền cấu tạo, mạch chất lỏng và khả năng điều khiển servo. Bộ truyền động thủy lực có thể tạo ra lực rất lớn, phù hợp để nâng tải trọng nặng. Điều này là do tính không nén được của chất lỏng thủy lực hoặc dầu. Áp suất có thể lên tới 130 bar. Do áp suất cao, bộ truyền động thủy lực được chế tạo bằng kim loại rất dày và cứng. Các pít tông và trục chính được xử lý bề mặt và bịt kín để ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng.

  

  Các mạch khí nén thường là mạch hở, trong đó không khí không được tuần hoàn lại trong hệ thống. Trong các mạch thủy lực, chất lỏng được đưa trở lại bộ phận bơm, nơi dầu được lọc và làm mát trước khi tuần hoàn. Khi bị nén ở áp suất rất cao, chất lỏng có xu hướng nóng lên, điều này có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp của nó.

  Một đặc điểm đáng mong muốn khác của bộ truyền động thủy lực là khả năng điều khiển bằng servo. Xi lanh khí nén chỉ có khả năng kéo dài hoặc thu ngắn hoàn toàn. Mặt khác, xi lanh thủy lực có khả năng điều khiển bằng servo, trong đó chiều dài và tốc độ kéo dài của chúng có thể được điều khiển chính xác.

Phần kết luận

• Hệ thống tự động hóa là sự tích hợp của các cảm biến, bộ điều khiển và bộ chấp hành được thiết kế để thực hiện một chức năng với sự can thiệp tối thiểu hoặc không cần sự can thiệp của con người.
• Áp dụng hệ thống tự động hóa sẽ mang lại lợi ích đáng kể về lợi nhuận, năng suất, an toàn và chất lượng. Chi phí ban đầu cao hơn khi áp dụng hệ thống tự động hóa thường được bù đắp bởi những lợi ích này.
• Hệ thống tự động hóa bao gồm một thiết bị có khả năng nhận đầu vào (cảm biến, giao diện người-máy, v.v.), một hệ thống tính toán (bộ xử lý) và các bộ phận thao tác thực hiện công việc thực tế (bộ truyền động).
• Cánh tay robot là một tập hợp các liên kết và khớp nối có phạm vi chuyển động cố định. Chúng có thể là hệ tọa độ Descartes, hệ tọa độ cực, hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ SCARA và hệ tọa độ khớp nối.
• Các công cụ gắn ở đầu cánh tay robot (EOAT), còn được gọi là bộ phận tác động cuối, là công cụ hoặc thiết bị vận hành được thiết kế để tương tác với sản phẩm hoặc quy trình.
• Bộ truyền động là các thành phần cung cấp lực hoặc mô-men xoắn để tạo ra chuyển động. Chúng được phân loại thành bộ truyền động điện, thủy lực và khí nén.