หุ่นยนต์อุตสาหกรรมคืออะไร?

ครั้งแรกของโลกหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเกิดในสหรัฐอเมริกาในปี 1962 จอร์จ ชาร์ลส์ เดโวล จูเนียร์ วิศวกรชาวอเมริกันเสนอ "หุ่นยนต์ที่สามารถตอบสนองต่อระบบอัตโนมัติได้อย่างยืดหยุ่นผ่านการสอนและการเล่นซ้ำ" ความคิดของเขาจุดประกายความคิดให้กับนักธุรกิจโจเซฟ เฟรเดอริก เองเกิลเบอร์เกอร์ ซึ่งเป็นที่รู้จักในนาม "บิดาแห่งหุ่นยนต์" และด้วยเหตุนี้หุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่มีชื่อว่า “Unimate (= พันธมิตรการทำงานที่มีศักยภาพสากล)” จึงถือกำเนิดขึ้น
ตามมาตรฐาน ISO 8373 หุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นอุปกรณ์ที่มีข้อต่อหลายจุดหรือหุ่นยนต์ที่มีอิสระหลายระดับสำหรับภาคอุตสาหกรรม หุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นอุปกรณ์เครื่องกลที่ทำงานโดยอัตโนมัติและเป็นเครื่องจักรที่อาศัยกำลังและความสามารถในการควบคุมของตัวเองเพื่อให้บรรลุหน้าที่ต่างๆ หุ่นยนต์สามารถรับคำสั่งของมนุษย์หรือทำงานตามโปรแกรมที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าได้ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมสมัยใหม่ยังสามารถทำงานตามหลักการและแนวทางที่กำหนดโดยเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ได้อีกด้วย
การใช้งานทั่วไปของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมได้แก่ การเชื่อม การทาสี การประกอบ การเก็บรวบรวมและการจัดวาง (เช่น การบรรจุ การจัดวางบนพาเลท และ SMT) การตรวจสอบและทดสอบผลิตภัณฑ์ เป็นต้น งานทั้งหมดจะเสร็จสมบูรณ์อย่างมีประสิทธิภาพ ทนทาน รวดเร็ว และแม่นยำ
หุ่นยนต์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ หุ่นยนต์ข้อต่อ หุ่นยนต์สการา หุ่นยนต์เดลต้า และหุ่นยนต์คาร์ทีเซียน (หุ่นยนต์เหนือศีรษะหรือหุ่นยนต์ xyz) หุ่นยนต์มีอิสระในการทำงานในระดับต่างๆ กัน หุ่นยนต์บางตัวได้รับการตั้งโปรแกรมให้ดำเนินการเฉพาะซ้ำๆ (การกระทำซ้ำๆ) อย่างซื่อสัตย์ โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลง และด้วยความแม่นยำสูง การกระทำเหล่านี้กำหนดโดยโปรแกรมรูทีนที่กำหนดทิศทาง ความเร่ง ความเร็ว การชะลอความเร็ว และระยะทางของการกระทำที่ประสานงานกันเป็นชุด หุ่นยนต์อื่นๆ มีความยืดหยุ่นมากกว่า เนื่องจากอาจต้องระบุตำแหน่งของวัตถุหรือแม้แต่ภารกิจที่จะดำเนินการกับวัตถุนั้น ตัวอย่างเช่น เพื่อการนำทางที่แม่นยำยิ่งขึ้น หุ่นยนต์มักจะรวมระบบย่อยของระบบการมองเห็นของเครื่องจักรเป็นเซ็นเซอร์ภาพ โดยเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์หรือตัวควบคุมที่มีประสิทธิภาพ ปัญญาประดิษฐ์หรือสิ่งใดก็ตามที่เข้าใจผิดว่าเป็นปัญญาประดิษฐ์ กำลังกลายเป็นปัจจัยที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในหุ่นยนต์อุตสาหกรรมสมัยใหม่
George Devol เป็นผู้เสนอแนวคิดหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นคนแรกและได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรในปี 1954 (สิทธิบัตรดังกล่าวได้รับการอนุมัติในปี 1961) ในปี 1956 Devol และ Joseph Engelberger ได้ร่วมกันก่อตั้ง Unimation โดยอาศัยสิทธิบัตรเดิมของ Devol ในปี 1959 หุ่นยนต์อุตสาหกรรมตัวแรกของ Unimation ถือกำเนิดในสหรัฐอเมริกา ซึ่งถือเป็นการเริ่มต้นยุคใหม่ของการพัฒนาหุ่นยนต์ ต่อมา Unimation ได้อนุญาตให้ใช้สิทธิ์เทคโนโลยีของตนแก่ Kawasaki Heavy Industries และ GKN เพื่อผลิตหุ่นยนต์อุตสาหกรรม Unimates ในญี่ปุ่นและสหราชอาณาจักรตามลำดับ ในช่วงเวลาหนึ่ง คู่แข่งเพียงรายเดียวของ Unimation คือ Cincinnati Milacron Inc. ในรัฐโอไฮโอ สหรัฐอเมริกา อย่างไรก็ตาม ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 สถานการณ์ดังกล่าวได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากหลังจากกลุ่มบริษัทขนาดใหญ่หลายแห่งของญี่ปุ่นเริ่มผลิตหุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่คล้ายคลึงกัน หุ่นยนต์อุตสาหกรรมเริ่มได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในยุโรป และในปี 1973 บริษัท ABB Robotics และ KUKA Robotics ได้นำหุ่นยนต์ออกสู่ตลาด ในช่วงปลายทศวรรษปี 1970 ความสนใจในหุ่นยนต์ก็เพิ่มขึ้น และบริษัทอเมริกันหลายแห่งก็เข้ามาในตลาดนี้ รวมถึงบริษัทขนาดใหญ่ เช่น General Electric และ General Motors (ซึ่ง FANUC ได้ร่วมทุนกับบริษัท FANUC Robotics ของญี่ปุ่น) บริษัทสตาร์ทอัพของอเมริกาได้แก่ Automatix และ Adept Technology ในช่วงที่หุ่นยนต์เฟื่องฟูในปี 1984 บริษัท Unimation ถูกซื้อโดย Westinghouse Electric ด้วยมูลค่า 107 ล้านดอลลาร์ Westinghouse ขาย Unimation ให้กับ Stäubli Faverges SCA ในฝรั่งเศสในปี 1988 ซึ่งยังคงผลิตหุ่นยนต์ข้อต่อสำหรับอุตสาหกรรมทั่วไปและการใช้งานในห้องปลอดเชื้อ และยังได้ซื้อแผนกหุ่นยนต์ของ Bosch ในช่วงปลายปี 2004 อีกด้วย

กำหนดพารามิเตอร์ แก้ไข จำนวนแกน – ต้องใช้แกนสองแกนเพื่อเคลื่อนที่ไปในระนาบใดก็ได้ ต้องใช้แกนสามแกนเพื่อเคลื่อนที่ไปในอวกาศใดก็ได้ เพื่อควบคุมการชี้ของแขนปลายแขน (เช่น ข้อมือ) อย่างสมบูรณ์ ต้องใช้แกนอีกสามแกน (แพน พิทช์ และโรล) การออกแบบบางแบบ (เช่น หุ่นยนต์ SCARA) ยอมสละการเคลื่อนที่เพื่อให้ได้ต้นทุน ความเร็ว และความแม่นยำ องศาอิสระ – มักจะเท่ากับจำนวนแกน ซองการทำงาน – พื้นที่ในอวกาศที่หุ่นยนต์สามารถเข้าถึงได้ จลนศาสตร์ – การกำหนดค่าจริงขององค์ประกอบและข้อต่อของหุ่นยนต์ที่แข็งแรง ซึ่งกำหนดการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ที่เป็นไปได้ทั้งหมด จลนศาสตร์ของหุ่นยนต์ ได้แก่ แบบข้อต่อ แบบคาร์ดานิก แบบขนาน และแบบ SCARA ความจุหรือความจุในการรับน้ำหนัก – น้ำหนักที่หุ่นยนต์สามารถยกได้ ความเร็ว – ความเร็วที่หุ่นยนต์สามารถวางแขนปลายแขนให้เข้าที่ พารามิเตอร์นี้สามารถกำหนดเป็นความเร็วเชิงมุมหรือเชิงเส้นของแกนแต่ละแกน หรือเป็นความเร็วเชิงผสม ซึ่งหมายถึงความเร็วของแขนปลายแขน ความเร่ง – ความเร็วที่แกนสามารถเร่งความเร็วได้ ซึ่งเป็นปัจจัยจำกัด เนื่องจากหุ่นยนต์อาจไม่สามารถไปถึงความเร็วสูงสุดได้เมื่อทำการเคลื่อนไหวระยะสั้นหรือเส้นทางที่ซับซ้อนซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางบ่อยครั้ง ความแม่นยำ – หุ่นยนต์เข้าใกล้ตำแหน่งที่ต้องการได้มากเพียงใด ความแม่นยำจะวัดจากระยะห่างระหว่างตำแหน่งสัมบูรณ์ของหุ่นยนต์กับตำแหน่งที่ต้องการ ความแม่นยำสามารถปรับปรุงได้โดยการใช้อุปกรณ์ตรวจจับภายนอก เช่น ระบบการมองเห็นหรืออินฟราเรด ความสามารถในการทำซ้ำ – หุ่นยนต์จะกลับสู่ตำแหน่งที่ตั้งโปรแกรมไว้ได้ดีเพียงใด ซึ่งแตกต่างจากความแม่นยำ หุ่นยนต์อาจได้รับคำสั่งให้ไปยังตำแหน่ง XYZ ตำแหน่งหนึ่ง แต่กลับเข้าใกล้ตำแหน่งนั้นเพียง 1 มม. เท่านั้น นี่คือปัญหาด้านความแม่นยำและสามารถแก้ไขได้ด้วยการปรับเทียบ แต่หากตำแหน่งนั้นได้รับการสอนและเก็บไว้ในหน่วยความจำของตัวควบคุม และกลับมาอยู่ภายใน 0.1 มม. ของตำแหน่งที่สอนทุกครั้ง ความสามารถในการทำซ้ำจะอยู่ภายใน 0.1 มม. ความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำเป็นหน่วยวัดที่แตกต่างกันมาก ความสามารถในการทำซ้ำมักจะเป็นข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดสำหรับหุ่นยนต์และมีความคล้ายคลึงกับ "ความแม่นยำ" ในการวัด - โดยอ้างอิงถึงความแม่นยำและความเที่ยงตรง ISO 9283[8] กำหนดวิธีการวัดความแม่นยำและความเที่ยงตรง โดยปกติ หุ่นยนต์จะถูกส่งไปยังตำแหน่งที่ฝึกไว้หลายครั้ง โดยแต่ละครั้งจะไปยังตำแหน่งอื่นอีกสี่ตำแหน่งและกลับไปยังตำแหน่งที่ฝึกไว้ จากนั้นจะวัดข้อผิดพลาด จากนั้นจะวัดความสามารถในการทำซ้ำเป็นค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของตัวอย่างเหล่านี้ในสามมิติ หุ่นยนต์ทั่วไปอาจมีข้อผิดพลาดของตำแหน่งที่เกินความสามารถในการทำซ้ำได้ ซึ่งอาจเป็นปัญหาด้านการเขียนโปรแกรม นอกจากนี้ ส่วนต่างๆ ของซองงานจะมีความสามารถในการทำซ้ำที่แตกต่างกัน และความสามารถในการทำซ้ำยังแตกต่างกันไปตามความเร็วและปริมาณงาน ISO 9283 ระบุว่าความแม่นยำและความเที่ยงตรงจะต้องวัดที่ความเร็วสูงสุดและปริมาณงานสูงสุด อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนี้ให้ผลลัพธ์ที่มองในแง่ร้าย เนื่องจากความแม่นยำและความเที่ยงตรงของหุ่นยนต์จะดีกว่ามากที่น้ำหนักและความเร็วที่เบากว่า ความสามารถในการทำซ้ำในกระบวนการอุตสาหกรรมยังได้รับผลกระทบจากความแม่นยำของเทอร์มิเนเตอร์ (เช่น กริปเปอร์) และแม้กระทั่งการออกแบบ "นิ้ว" บนกริปเปอร์ที่ใช้ในการจับวัตถุ ตัวอย่างเช่น หากหุ่นยนต์หยิบสกรูขึ้นมาโดยใช้หัว สกรูอาจอยู่ในมุมสุ่ม ความพยายามในการวางสกรูลงในรูสกรูในครั้งต่อๆ ไปมีแนวโน้มที่จะล้มเหลว สถานการณ์เช่นนี้สามารถปรับปรุงได้ด้วย "คุณลักษณะนำเข้า" เช่น การทำให้ทางเข้าของรูเป็นทรงเรียว (ตัดมุมเฉียง) การควบคุมการเคลื่อนไหว - สำหรับการใช้งานบางอย่าง เช่น การประกอบแบบหยิบและวางง่ายๆ หุ่นยนต์จะต้องเดินไปมาระหว่างตำแหน่งที่สอนไว้ล่วงหน้าจำนวนจำกัดเท่านั้น สำหรับการใช้งานที่ซับซ้อนกว่า เช่น การเชื่อมและการพ่นสี (การพ่นสี) จะต้องควบคุมการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องไปตามเส้นทางในอวกาศในทิศทางและความเร็วที่กำหนด แหล่งพลังงาน - หุ่นยนต์บางตัวใช้มอเตอร์ไฟฟ้า ในขณะที่บางตัวใช้ตัวกระตุ้นไฮดรอลิก แบบแรกเร็วกว่า แบบหลังทรงพลังกว่าและมีประโยชน์สำหรับการใช้งาน เช่น การพ่นสีที่ประกายไฟอาจทำให้เกิดการระเบิดได้ อย่างไรก็ตาม แรงดันอากาศต่ำภายในแขนจะป้องกันไม่ให้ไอระเหยที่ติดไฟได้และสารปนเปื้อนอื่นๆ เข้ามา การขับเคลื่อน – หุ่นยนต์บางตัวเชื่อมต่อมอเตอร์เข้ากับข้อต่อผ่านเฟือง ในขณะที่หุ่นยนต์บางตัวเชื่อมต่อมอเตอร์เข้ากับข้อต่อโดยตรง (ขับเคลื่อนโดยตรง) การใช้เฟืองจะส่งผลให้เกิด “การตีกลับ” ที่วัดได้ ซึ่งก็คือการเคลื่อนที่อิสระของแกน แขนหุ่นยนต์ขนาดเล็กมักใช้มอเตอร์ DC ความเร็วสูง แรงบิดต่ำ ซึ่งโดยปกติแล้วต้องใช้อัตราทดเกียร์ที่สูงกว่า ซึ่งมีข้อเสียคือตีกลับ และในกรณีดังกล่าว มักใช้ตัวลดเกียร์ฮาร์มอนิกแทน ความสอดคล้อง – นี่คือการวัดปริมาณมุมหรือระยะทางที่แรงที่ใช้กับแกนของหุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ได้ เนื่องจากความสอดคล้อง หุ่นยนต์จะเคลื่อนที่ต่ำลงเล็กน้อยเมื่อบรรทุกน้ำหนักบรรทุกสูงสุดเมื่อเทียบกับเมื่อไม่บรรทุกน้ำหนักใดๆ ความสอดคล้องยังส่งผลต่อปริมาณการวิ่งเกินในสถานการณ์ที่ต้องลดการเร่งความเร็วด้วยน้ำหนักบรรทุกสูง