เทคโนโลยีเลเซอร์

หุ่นยนต์เชื่อมเป็นหน่วยปฏิบัติงานหลักของสายการผลิตการเชื่อมอัตโนมัติสมัยใหม่ ความแม่นยำในการเคลื่อนที่ ความเร็วในการตอบสนอง และความสามารถในการรับน้ำหนักของหุ่นยนต์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนเป็นส่วนใหญ่ ระบบขับเคลื่อนทำหน้าที่แปลงคำสั่งควบคุมให้กลายเป็นการเคลื่อนไหวของข้อต่อหุ่นยนต์

วิธีการขับเคลื่อนหุ่นยนต์เชื่อมสามารถจัดแบ่งออกได้เป็นประเภทพื้นฐานต่อไปนี้:

1.หุ่นยนต์ที่ใช้ระบบส่งกำลังแบบไฮดรอลิก:  ตามชื่อที่ระบุ หุ่นยนต์ประเภทนี้ใช้พลังงานไฮดรอลิกในการขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวเชิงกล โดยมีลักษณะเด่น ได้แก่ ความสามารถในการจับวัตถุได้มากกว่า 100 กิโลกรัม การส่งกำลังที่เรียบเนียน โครงสร้างที่กะทัดรัด และการเคลื่อนไหวที่ไวต่อการตอบสนอง อย่างไรก็ตาม หุ่นยนต์ประเภทนี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากต่ออุปกรณ์ซีล

ข้อดี:

อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูง:  แรงผลลัพธ์มีค่ามากกว่าระบบขับเคลื่อนแบบลมและแบบไฟฟ้าอย่างมาก สำหรับปริมาตรเดียวกัน

การเคลื่อนที่อย่างเรียบเนียน: น้ำมันไฮดรอลิกมีคุณสมบัติในการดูดซับแรงสั่นสะเทือนและทนต่อแรงกระแทกได้ดี

หล่อลื่นตัวเอง:  น้ำมันไฮดรอลิกทำหน้าที่หล่อลื่นชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ และมีอายุการใช้งานยาวนาน

ข้อจำกัด:

มีแนวโน้มรั่วซึม:  การสึกหรอของซีลอาจทำให้น้ำมันรั่วซึมได้ง่าย ส่งผลให้ชิ้นงานที่เชื่อมแล้วปนเปื้อน

ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำมันส่งผลให้ความหนืดเปลี่ยนแปลง ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำในการควบคุม

การบำรุงรักษาที่ซับซ้อน:  ต้องใช้สถานีไฮดรอลิก ระบบระบายความร้อนและระบบกรอง รวมทั้งใช้พื้นที่ขนาดใหญ่

2.หุ่นยนต์ควบคุมด้วยลม  คือหุ่นยนต์ที่ใช้อากาศอัดในการขับเคลื่อนตัวขับเคลื่อน โดยข้อได้เปรียบหลักคือ แหล่งอากาศพร้อมใช้งานได้ง่าย แรงขับออกต่ำ การทำงานด้วยลมรวดเร็ว โครงสร้างค่อนข้างเรียบง่าย และต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของหุ่นยนต์ประเภทนี้ ได้แก่ ความเร็วในการทำงานไม่คงที่เนื่องจากอากาศมีสมบัติการอัดตัวได้ ส่งผลให้เกิดแรงกระแทกสูง และโดยทั่วไปสามารถจับวัตถุได้หนักสุดประมาณ 30 กิโลกรัม เนื่องจากความดันอากาศค่อนข้างต่ำ เมื่อเปรียบเทียบกับหุ่นยนต์ควบคุมด้วยไฮดรอลิก หุ่นยนต์ควบคุมด้วยลมจึงเหมาะสมกว่าสำหรับงานที่ต้องการความเร็วสูง น้ำหนักบรรทุกเบา อุณหภูมิสูง และสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นมาก

ข้อดี:

ราคาถูก  แหล่งอากาศและตัวขับเคลื่อนราคาถูก บำรุงรักษาง่าย

ไม่เกิดความร้อนสะสม: ระบายความร้อนได้ดี เหมาะสำหรับการเคลื่อนไหวเสริมในสภาพแวดล้อมการเชื่อมที่มีอุณหภูมิสูง

ความสะอาด:  ไอเสียไม่ก่อให้เกิดมลพิษ

ข้อจำกัด:

ความสามารถในการจัดตำแหน่งต่ำ:  ยากต่อการจัดตำแหน่งที่จุดกลางใดๆ จึงเหมาะเฉพาะกับการจัดตำแหน่งที่จุดปลายเท่านั้น

การเคลื่อนที่แบบคลานความเร็วต่ำ:  การเคลื่อนที่ไม่เสถียรที่ความเร็วต่ำ

เสียงดังมาก:  ระดับเสียงไอเสียมักเกิน 75 เดซิเบล

3. แขนหุ่นยนต์แบบส่งกำลังเชิงกล: แขนหุ่นยนต์ประเภทนี้ขับเคลื่อนด้วยกลไกการส่งกำลังเชิงกล เป็นแขนหุ่นยนต์เฉพาะทางที่ติดตั้งอยู่กับเครื่องจักรหลัก โดยพลังงานส่วนใหญ่จะถูกส่งผ่านจากกลไกการทำงานของเครื่องจักรหลัก ลักษณะเด่นหลักคือ การเคลื่อนที่ที่แม่นยำและเชื่อถือได้ ความถี่ในการทำงานสูง แต่มีโครงสร้างขนาดใหญ่ และโปรแกรมการเคลื่อนที่คงที่ นิยมใช้สำหรับการโหลดและปลดโหลดวัสดุบนเครื่องจักรหลัก

ข้อดี:

ความแม่นยำสูงและอัตราส่วนการส่งกำลังที่แม่นยำ: การส่งกำลังเชิงกลอาศัยการขบกันอย่างแข็งแรงหรือการสัมผัสโดยตรง โดยไม่มีการลื่น (เช่น ฟันเฟืองหรือสกรูเลื่อน) ทำให้สามารถควบคุมอัตราส่วนการส่งกำลังได้อย่างแม่นยำและมีความสามารถในการทำซ้ำได้สูง จึงหลีกเลี่ยงปัญหาการรั่วไหลหรือความล่าช้า (hysteresis) ซึ่งมักเกิดขึ้นในระบบไฮดรอลิก

ความเร็วในการตอบสนองสูง:  ชิ้นส่วนกลไกมีความแข็งแกร่งสูง และขาดคุณสมบัติในการยุบตัวที่พบได้ในน้ำมันไฮดรอลิกหรือก๊าซ ส่งผลให้การถ่ายโอนการเคลื่อนไหวเป็นไปโดยตรง และตอบสนองอย่างรวดเร็วเมื่อเริ่มต้น หยุด และเปลี่ยนทิศทาง การขับเคลื่อนแบบนี้จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วสูง

ความสามารถในการบรรทุกน้ำหนักสูง: ผ่านระบบเกียร์หรือกลไกเชื่อมโยงที่ออกแบบมาอย่างดี ระบบสามารถรับน้ำหนักคงที่และน้ำหนักแบบไดนามิกได้มาก และมีประสิทธิภาพในการถ่ายทอดพลังงานสูง (โดยเฉพาะการส่งกำลังผ่านเกียร์ ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่า 90%)

ความน่าเชื่อถือสูงและอายุการใช้งานยาวนาน:  ภายใต้สภาวะหล่อลื่นที่ดีและสภาวะการใช้งานปกติ ชิ้นส่วนกลไกมีอายุการใช้งานก่อนเกิดความล้าได้นาน มีรูปแบบการเสียหายที่ชัดเจน และสามารถทำนายและบำรุงรักษาได้อย่างง่ายดาย

ข้อดี:  ความสามารถในการปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมได้ดี: ต่างจากขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ซึ่งไวต่อการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และต่างจากขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิก ซึ่งไวต่อการปนเปื้อนของน้ำมัน ระบบส่งกำลังแบบกลไกล้วนๆ มีความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง ฝุ่นละออง และรังสี ได้ในระดับหนึ่ง

ข้อจำกัด:  

โครงสร้างซับซ้อนและมีขนาดใหญ่/น้ำหนักมาก:  การบรรลุการเคลื่อนไหวแบบหลายองศาอิสระต้องอาศัยการจัดเรียงที่ซับซ้อนของชิ้นส่วนเชื่อมต่อ ข้อต่อ และเกียร์ ซึ่งส่งผลให้หุ่นยนต์มีขนาดใหญ่และมีโมเมนต์ความเฉื่อยสูง จึงจำกัดประสิทธิภาพเชิงพลศาสตร์ที่ความเร็วสูง

ความยืดหยุ่นต่ำ: เมื่อการออกแบบและการผลิตระบบส่งกำลังเชิงกลล้วน (เช่น แคมและกลไกข้อต่อ) เสร็จสมบูรณ์แล้ว เส้นทางการเคลื่อนที่และระยะการเคลื่อนที่จะถูกกำหนดตายตัว ทำให้ยากต่อการปรับตัวให้สอดคล้องกับความต้องการในการผลิตที่ยืดหยุ่น เช่น การผลิตแบบหลายชนิดในปริมาณน้อย การเปลี่ยนแปลงลักษณะการเคลื่อนที่มักจำเป็นต้องเปลี่ยนแคมหรือปรับแต่งข้อต่อ ซึ่งใช้เวลานานและต้องใช้แรงงานมาก

มีการเลื่อนกลับ (Backlash):  การเข้าฟันของเกียร์และการเชื่อมต่อแบบบานพับจะมีการเลื่อนกลับเกิดขึ้นโดยหลีกเลี่ยงไม่ได้ การสึกหรอสะสมในระยะยาวจะทำให้การเลื่อนกลับเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้ระยะการส่งกำลังและความแม่นยำในการจัดตำแหน่งลดลง กระทบต่อคุณภาพของเส้นทางการเชื่อม

ต้นทุนการผลิตสูงและต้องการการบำรุงรักษาอย่างเข้มงวด:  เกียร์ความแม่นยำสูง แท่งเกลียวความแม่นยำสูง และชิ้นส่วนอื่นๆ นั้นยากและมีต้นทุนสูงในการผลิต ขณะเดียวกัน ข้อต่อเชิงกลจำเป็นต้องได้รับการหล่อลื่นอย่างสม่ำเสมอ การป้องกันฝุ่น และการตรวจสอบการสึกหรอ ซึ่งส่งผลให้มีภาระงานด้านการบำรุงรักษาจำนวนมาก

ข้อดี:  เสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน: ระหว่างการทำงานที่ความเร็วสูง แรงกระแทกจากการเข้าฟันของเกียร์และอินเนอร์เชียของข้อต่อจะก่อให้เกิดเสียงรบกวนและแรงสั่นสะเทือนเชิงกลอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความมั่นคงของอาร์คการเชื่อม

4. แขนหุ่นยนต์แบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า: แขนหุ่นยนต์ประเภทนี้ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำที่ออกแบบพิเศษ ระบบขับเคลื่อนเชิงกล-ไฟฟ้าเชิงเส้น หรือมอเตอร์สเต็ปเพาเวอร์ในการขับเคลื่อนแอคทูเอเตอร์โดยตรง เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้กลไกแปลงพลังงานระหว่างกลาง โครงสร้างเชิงกลจึงค่อนข้างเรียบง่าย โดยเฉพาะแขนหุ่นยนต์ที่ใช้มอเตอร์เชิงเส้น ซึ่งให้ความเร็วสูงและระยะการเคลื่อนที่ยาว รวมทั้งสะดวกต่อการบำรุงรักษาและการใช้งาน

ข้อดี:

ความแม่นยำสูงสุด: สามารถเชื่อมเส้นโค้งเชิงพื้นที่ที่ซับซ้อนได้ (เช่น ส่วนโค้งวงกลมและเส้นโค้งสไปน์)

ควบคุมได้อย่างยืดหยุ่น:  ง่ายต่อการดิจิทัลไลซ์ สร้างเครือข่าย และดำเนินการเขียนโปรแกรมแบบสอน (teach programming)

ประสิทธิภาพพลังงานสูง: ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานสามารถสูงกว่า 90% พร้อมการใช้พลังงานขณะอยู่ในโหมดพร้อมทำงาน (standby) ต่ำ

การบำรุงรักษาต่ำ:  ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำมันไฮดรอลิกหรือท่อลม จึงรับประกันความสะอาด

ข้อจำกัด:

ค่าใช้จ่ายสูง: มอเตอร์เซอร์โวและลดความเร็วแบบความแม่นยำสูงมีราคาแพง

ระบบป้องกันความร้อนเกิน ต้องตรวจสอบระบบระบายความร้อนของมอเตอร์อย่างใกล้ชิดระหว่างการเชื่อมด้วยความเร็วสูงอย่างต่อเนื่องภายใต้โหลดเต็ม

ไวต่อการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า:  ต้องมีการป้องกันการรบกวนด้วยการหุ้มฉนวน (shielding) และการต่อกราวด์ (grounding) อย่างเหมาะสม

โดยรวมแล้ว หุ่นยนต์เชื่อมสมัยใหม่กำลังพัฒนาไปสู่การใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างเต็มรูปแบบ ความแม่นยำสูง การเชื่อมต่อเครือข่าย และการทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด การผสานรวมอย่างลึกซึ้งระหว่างระบบขับเคลื่อนและระบบส่งกำลัง (เช่น การตัดออกของเกียร์ลดรอบในมอเตอร์ทอร์คแบบไดร์เวกต์โดยตรง และการรวมโมดูลขับเคลื่อนไว้ภายในข้อต่อ) ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพในการติดตามเส้นทางให้ดียิ่งขึ้น ในอนาคต ด้วยการผสานรวมอัลกอริธึมควบคุมเซอร์โว (เช่น การควบคุมแรงและการควบคุมด้วยภาพ) เข้ากับเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ หุ่นยนต์เชื่อมจะพัฒนาไปสู่ระดับที่ชาญฉลาดและยืดหยุ่นมากยิ่งขึ้น เพื่อรับมือกับกระบวนการเชื่อมที่ซับซ้อนขึ้นเรื่อยๆ และความต้องการของสภาพแวดล้อมการผลิตที่เปลี่ยนแปลงไป