Sử dụng robot trong các ngành công nghiệp

Theo ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi

Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành unseecified chiếm 25%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất-cao su-nhựa chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%. Robot đang được ứng dụng vào mọi lĩnh vực đời sống, xã hội, mang lại nhiều thay đổi mạnh mẽ cho nền kinh tế. Tại sao gọi là Robot công nghiệp? Có những loại robot nào và ứng dụng của robot trong sản xuất công nghiệp ra sao?

1. Robot công nghiệp là gì? 

Robot là một loại máy có thể thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot được lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng mục đích phục vụ công việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm. Robot công nghiệp có tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp.

2. Các loại robot công nghiệp

2.1. Theo không gian làm việc

Được phân chia dựa vào tầm với của robot, hay có thể gọi là giới hạn tầm hoạt động của robot.

 - Robot tọa độ vuông góc

Robot này là loại làm việc với không gian hình hộp chữ nhật nên thường được sử dụng trong không gian làm việc rộng lớn và chính xác.

Hình 1.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của robot tọa độ vuông góc

- Robot tọa độ trụ

Robot gồm ba trục cơ bản trong đó có hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục để quay.

Hình 1.2. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của robot tọa độ trụ

- Robot tọa độ cầu

Robot hình cầu là một robot có hai khớp quay và một khớp lăng trụ, có không gian làm việc theo tọa độ hình cầu.

Hình 1.3. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của robot tọa độ cầu 

- Robot khớp bản lề

Robot khớp nối (khớp bản lề) là một robot hoạt động với các khớp quay gồm hai khớp nối đơn giản đến các hệ thống có 10 khớp hoặc nhiều khớp hơn tương tác với nhau.

Hình 1.4. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của robot khớp bản lề

2.2. Theo thế hệ

2.2.1. Robot hệ thứ nhất

Bao gồm các dạng robot hoạt động với một chu trình được cài đặt sẵn và không thay đổi. Chương trình được cài đặt có thể cố định hoặc thay đổi dựa vào yêu cầu công nghệ.

Đặc điểm:

+ Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình.

+ Điều khiển vòng hở.

 + Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên loại này không thay đổi chương trình được.

 + Sử dụng phổ biến trong công việc gắp - đặt (pick and place).

2.2.2. Robot hệ thứ hai

Robot được trang bị các bộ cảm biến với khả năng phản hồi các thông tin như trạng thái, không gian hoạt động, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của môi trường,... Điều này có thể giúp cho chúng ta biết được năng suất làm việc của robot từ đó có những thay đổi phù hợp hơn.

 Đặc điểm:

 + Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.

 + Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước.

 + Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, pa-nen điều khiển.

2.2.3. Robot hệ thứ ba

Đây là robot dạng phát triển cao nhất, được lập trình những thuật toán xử lý những tình huống thích nghi với môi trường xung quanh. Nhờ vậy, chúng có thể tự nhận biết được công việc mình phải làm để hoàn thành việc được giao.

 Đặc điểm:

 + Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems – Camera).

 + Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau.

 2.2.4. Robot hệ thứ tư

Dạng robot này được trang bị các thuật toán và hoạt động theo mô hình xác định, giúp robot đưa ra những thao tác ứng xử phù hợp.

Đặc điểm:

 + Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.

 + Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tượng đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.

 2.2.5. Robot hệ thứ năm

Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot)

Đặc điểm:

 + Robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v… để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó.

 + Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.

 + Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tượng thích với những tín hiệu nhận được từ môi trường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời.

 2.3. Phân loại theo bộ điều khiển

2.3.1. Robot gắp đặt

Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén.

Được hoạt động dựa vào các tín hiệu được phản hồi từ giới hạn hành trình cơ khí.

2.3.2. Robot đường dẫn liên tục

Được hoạt động dựa vào bộ điều khiển vòng kín, lập trình một cách chính xác.

 2.4. Theo nguồn dẫn động

2.4.1. Robot sử dụng nguồn điện

Thường sử dụng nguồn DC, thường sử dụng các động cơ bước, động cơ AC Servo, … Thiết kế với kích thước gọn, khả năng định vị chính xác và hoạt động êm ái.

2.4.2. Robot sử dụng khí nén

Là loại robot hoạt động dựa trên các thiết bị máy nén, các bình chứa khí, … Sử dụng trong các công việc không cần có độ chính xác cao.

 2.4.3. Robot sử dụng thủy lực

Robot sử dụng dầu ép để tạo lực, trang bị các thiết bị bơm để tạo dầu, sử dụng cho xe loại lớn

 2.5. Theo tính năng

2.5.1. Robot di động

Là robot với nhiệm vụ chính mà các định đường đi tối ưu, lưu chỉnh định vị và thiết lập bản đồ sử dụng

 2.5.2.Tay máy

Hoạt động như cánh tay của con người với khả năng cầm nắm, di chuyển, …

 2.5.3. Haptics – điều khiển từ xa

Là robot được điều khiển trực tiếp thông qua hệ thống trung gian. Giups con người dễ dàng tương tác với vật xung quanh

2.6. Theo các ngành nghề công nghiệp

- Sử dụng trong sản xuất ô tô, xe máy

- Sử dụng trong ngành gia công cơ kí

- Sử dụng trong ngành y tế

- Sử dụng trong ngành hóa chất

- Sử dụng trong ngành công nghiệp gỗ

- Sử dụng trong ngành chế tạo linh kiện điện tử

3. Ứng dụng của robot công nghiệp trong sản xuất

- Tăng tính linh hoạt trong sản xuất

- Tiết kiệm chi phí, cải thiện chất lượng môi trường lao động

- Sử dụng robot  tự động hóa trong công nghiệp giúp tăng năng suất

- Tiết kiệm nguyên nhiên vật liệu và hạ giá thành sản phẩm

- Nâng cao hiệu quả đầu tư của doanh nghiệp

- Nâng cao uy tín thương hiệu, tăng sức cạnh tranh của doanh nghiệp

 4. Những loại Robot công nghiệp phổ biến hiện nay

4.1. Robot Palletizing – Bốc xếp hàng hóa

- Xếp bao từ dây chuyền sản xuất lên pallet

- Xếp các loại thùng hàng

Hình 1.5. Robot Palletizing – Bốc xếp hàng hóa

4.2. Robot Arc Welding – Robot gia công cơ khí

Tùy theo từng mục đích sử dụng mà có nhiều loại robot về hàn như hàn tích, hàn dây, hàn điểm, hàn laze, …

Hình 1.6. Robot Arc Welding – Robot gia công cơ khí 

4.3. Robot Pick and Place – Gắp và sắp xếp sản phẩm

Robot này được dùng để gắp và thay đổi vị trí của sản phẩm, có thể sử dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất, từ cấp nhiên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm,...

Hình 1.7. Robot Pick and Place – Gắp và sắp xếp sản phẩm

4.4. Robot Waterjet Cutting – Robot cắt sử dụng tia nước

Được dùng để cắt các vật từ nguyên liệu như hợp kim, phi kim, kim loại, … bằng tia nước. Thích hợp sử dụng cho các vật khó cắt bằng nhiệt.

Hình 1.8. Robot Waterjet Cutting – Robot cắt sử dụng tia nước

4.5. Robot Milling – Robot Phay

Robot phay được dùng để gia công các vật liệu, loại bỏ các vật liệu thừa từ các ngành cơ khí, gia công kim loại, chế tạo máy, điện, điện tử, nội thất, xây dựng, ô tô, xe máy, sắt thép, nhựa, đồ chơi, nghiên cứu khoa học, y tế, đặc biệt là trong ngành điêu khắc.

Hình 1.9. Robot Milling – Robot Phay