นวัตกรรมแขนหุ่นยนต์เปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมอย่างไร

แขนหุ่นยนต์สามารถทำซ้ำการเคลื่อนไหวเดิมได้หลายพันครั้งโดยไม่รู้สึกเหนื่อยล้า จึงเป็นเหตุผลที่โรงงานต่างๆ ยังคงเพิ่มแขนหุ่นยนต์เข้าไปในสายการผลิตงานเชื่อม การจัดการวัสดุ และการประกอบอย่างต่อเนื่อง

ผู้ผลิตตามสัญญาเติมช่องว่างด้านแรงงานอย่างไร

เมื่อแขนหุ่นยนต์เข้ามาควบคุมสายการผลิตงานเชื่อมที่มีความเสี่ยง

ผู้ผลิตตามสัญญาแห่งหนึ่งในภูมิภาคมิดเวสต์ประสบปัญหาในการจัดหาบุคลากรสำหรับเซลล์งานเชื่อมที่มีอุณหภูมิสูง เสียงดัง และงานซ้ำซาก ทำให้อัตราการลาออกสูงมาก และคุณภาพของงานเปลี่ยนแปลงไปตามพนักงานแต่ละกะที่ปฏิบัติงาน โรงงานจึงติดตั้งแขนหุ่นยนต์แบบหกแกนพร้อมหัวเชื่อมและอุปกรณ์ปรับตำแหน่งชิ้นงาน จากนั้นจึงเขียนโปรแกรมใหม่ให้ทั้งเซลล์ทำงานรอบแขนหุ่นยนต์นี้ ภายในสองเดือน อัตราความสำเร็จของการตรวจสอบคุณภาพชิ้นงานเชื่อม (first-pass yield) ของโครงสร้างที่ผ่านการเชื่อมแล้วเพิ่มขึ้นเกินร้อยละ 95 ส่วนช่างเชื่อมมนุษย์ย้ายไปทำหน้าที่จัดวางชิ้นงานและตรวจสอบคุณภาพ ซึ่งเป็นงานที่ต้องอาศัยการตัดสินใจและประสบการณ์ของพวกเขาอย่างแท้จริง

การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการแทนที่บุคคล แต่เป็นการย้ายพวกเขาไปสู่งานที่เหมาะสมกับศักยภาพของตน และปล่อยให้เครื่องจักรรับภาระงานที่ซ้ำซากและมีความเสี่ยง

ผลประโยชน์ที่เหนือกว่าความเร็วเพียงอย่างเดียว

อัตราการผลิตเพิ่มขึ้น แต่ชัยชนะที่เงียบงันกว่านั้นคือความสม่ำเสมอ แขนหุ่นยนต์ไม่รู้สึกเหนื่อยล้าแม้หลังผ่านไปแปดชั่วโมง ดังนั้นชิ้นส่วนชิ้นสุดท้ายจึงมีคุณภาพเท่ากับชิ้นแรก ของเสียจากรอยเชื่อมที่ไม่สม่ำเสมอลดลง และเวลาในการขัดชิ้นส่วนในขั้นตอนถัดไปก็ลดตามไปด้วย การใช้พลังงานต่อชิ้นส่วนดีขึ้น เนื่องจากระบบทำงานอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีการหยุดและเริ่มใหม่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงแบบทำด้วยมือ ผู้ผลิตยังได้รับความแน่นอนในการวางแผนการผลิตมากขึ้น เพราะปริมาณผลผลิตไม่ขึ้นอยู่กับว่าพนักงานคนใดจะลาป่วย

องค์ประกอบที่ทำให้แขนอุตสาหกรรมทำงานได้

แกนเคลื่อนที่ น้ำหนักบรรทุก และระยะเข้าถึง

แขนกลอุตสาหกรรมได้รับความยืดหยุ่นจากข้อต่อที่สามารถเคลื่อนไหวได้ แกนการเคลื่อนไหวจำนวนหกแกนสามารถรองรับงานในพื้นที่ส่วนใหญ่ได้ ขณะที่จำนวนแกนที่น้อยกว่านั้นเหมาะกับงานแบบหยิบและวางที่เรียบง่ายกว่า น้ำหนักบรรทุกคือมวลที่แขนกลสามารถยกได้ที่ระยะทางสูงสุดโดยไม่สูญเสียความแม่นยำ ส่วนระยะทางสูงสุดจะกำหนดขอบเขตของพื้นที่ทำงาน การเลือกใช้แขนกลที่มีขนาดเล็กเกินไปจะทำให้ต้องเคลื่อนที่ช้าและระมัดระวังมากขึ้น ซึ่งจะทำให้สูญเสียข้อได้เปรียบด้านความเร็วไปอย่างสิ้นเชิง แขนกลที่เลือกไว้ด้วยระยะเผื่อเพียงพอจะทำงานได้ลื่นไหลยิ่งขึ้นและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแขนกลที่ถูกใช้งานจนถึงขีดจำกัดสูงสุดในทุกไซเคิล

ปลายแขนกล เซ็นเซอร์ และระบบควบคุม

แขนกลเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของระบบทั้งหมด ส่วนที่ทำหน้าที่ทำงานจริงคือเกรปเปอร์หรือเครื่องมือที่ติดตั้งอยู่ที่แผ่นยึดปลายแขน ตัวอย่างเช่น ถ้วยดูดสุญญากาศ เกรปเปอร์สองนิ้ว และหัวเชื่อมแต่ละแบบล้วนเหมาะสมกับชิ้นส่วนที่ต่างกัน แขนกลรุ่นใหม่ๆ ใช้มอเตอร์เซอร์โวคู่กับเอนโคเดอร์ที่รายงานตำแหน่งหลายพันครั้งต่อวินาที จึงสามารถรักษาระดับความซ้ำได้แม่นยำมักไม่เกิน ±0.02 มม. แขนกลที่ควบคุมด้วยระบบวิชันคอมพิวเตอร์สามารถตรวจจับตำแหน่งของชิ้นส่วนที่ไม่ได้จัดวางอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการใช้จิ๊กที่ต้องตั้งค่าอย่างละเอียด และเร่งกระบวนการเปลี่ยนระหว่างผลิตภัณฑ์ต่างๆ

การเลือกและการติดตั้งอย่างปลอดภัย

การจับคู่แขนกลกับงานจริง

ผู้ซื้อควรวิเคราะห์วงจรการใช้งานจริงอย่างละเอียด ได้แก่ น้ำหนักชิ้นส่วน ระยะที่ต้องเข้าถึง และความแม่นยำที่กระบวนการต้องการ แขนหุ่นยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับการจัดเรียงสินค้าบนพาเลทอาจไม่มีความแข็งแกร่งเพียงพอสำหรับงานกลึงที่ต้องการความแม่นยำสูง ควรพิจารณาพื้นที่บนพื้นที่ใช้จริง (floor footprint) และวิธีที่เซลล์หุ่นยนต์จะเชื่อมต่อกับระบบลำเลียงหรือเครื่องกดที่มีอยู่แล้ว ขอให้ผู้ขายแสดงการสาธิตการทำงานกับชิ้นส่วนจริงของผู้ซื้อ ไม่ใช่ชิ้นตัวอย่างในห้องโชว์เท่านั้น ต้นทุนการบูรณาการ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ยึดจับและระบบความปลอดภัย มักสูงกว่าราคาของแขนหุ่นยนต์เอง ดังนั้นควรจัดสรรงบประมาณสำหรับทั้งเซลล์หุ่นยนต์ ไม่ใช่แค่แขนหุ่นยนต์เพียงอย่างเดียว

ความปลอดภัย การฝึกอบรม และการบำรุงรักษา

หุ่นยนต์มีพลังสูงและไม่ให้อภัยข้อผิดพลาด ดังนั้นวิศวกรรมด้านความปลอดภัยจึงต้องมาก่อนเสมอ มาตรฐาน ISO 10218 และ ANSI/RIA R15.06 กำหนดข้อกำหนดเกี่ยวกับรั้วป้องกัน อุปกรณ์ล็อกอัตโนมัติ (interlocks) และปุ่มหยุดฉุกเฉิน แขนหุ่นยนต์ที่ติดตั้งภายในเซลล์ที่มีระบบป้องกันแล้ว จำเป็นต้องจัดทำประเมินความเสี่ยงก่อนที่จะเปิดใช้งานครั้งแรก ผู้ปฏิบัติงานต้องได้รับการฝึกอบรมการใช้งานแผงควบคุมแบบสอน (teach pendant) และขั้นตอนการล็อก-แท็ก (lockout procedures) รวมทั้งต้องดำเนินการบำรุงรักษาตลับลูกปืน สายเคเบิล และเกียร์ลดความเร็ว (reducers) ตามตารางที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ แขนหุ่นยนต์ที่ได้รับการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอจะคงความแม่นยำในการทำงานซ้ำ (repeatability) ไว้ได้ ในขณะที่แขนหุ่นยนต์ที่ถูกละเลยจะค่อยๆ เสียความแม่นยำจนนำไปสู่ของเสีย

แขนหุ่นยนต์มีความจำเป็นเมื่องานนั้นต้องทำซ้ำๆ ต้องการความแม่นยำสูง หรือมีความเสี่ยงต่อมนุษย์ การใช้งานที่ให้ผลดีที่สุดคือการจับคู่เครื่องจักรกับบุคลากรที่ผ่านการฝึกอบรมอย่างเหมาะสม พร้อมประเมินความเสี่ยงอย่างตรงไปตรงมา จากนั้นวัดผลลัพธ์เทียบกับมาตรฐานเดิมที่ถูกแทนที่ การเลือกแบบมีระยะปลอดภัย การผสานเข้าเป็นเซลล์การผลิตอย่างสมบูรณ์ และการบำรุงรักษาตามกำหนดเวลา จะเปลี่ยนการลงทุนครั้งใหญ่ให้กลายเป็นศักยภาพการผลิตที่มั่นคงและคาดการณ์ได้

คำถามที่พบบ่อย

อุตสาหกรรมใดใช้แขนหุ่นยนต์มากที่สุด

อุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมแปรรูปโลหะเป็นผู้นำ แต่อุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์อาหาร อุตสาหกรรมยา และอุตสาหกรรมโลจิสติกส์ก็เร่งนำแขนหุ่นยนต์มาใช้งานเช่นกัน แขนหุ่นยนต์สามารถใช้ได้กับงานทุกประเภทที่ต้องทำซ้ำๆ มีความแม่นยำสูง หรือไม่ปลอดภัยต่อมนุษย์ งานที่พบบ่อยได้แก่ การเชื่อม การดูแลเครื่องจักร การจัดเรียงสินค้าบนพาเลท และการประกอบ ปัจจัยสำคัญในการตัดสินใจคือความสม่ำเสมอของรอบการทำงาน: เมื่อคุณภาพขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวแบบเดิมซ้ำๆ อย่างสมบูรณ์แบบ การใช้ระบบอัตโนมัติจะคุ้มค่า

แขนหุ่นยนต์ต้องมีกี่แกน

งานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้แขนหุ่นยนต์ที่มีแกนการเคลื่อนไหวหกแกน ซึ่งช่วยให้ข้อมือสามารถเอื้อมถึงทิศทางเกือบทุกแบบภายในพื้นที่ทำงาน สำหรับงานแบบหยิบแล้ววางอย่างง่ายอาจต้องการเพียงสามหรือสี่แกนเท่านั้น การเพิ่มจำนวนแกนจะทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น แต่ก็ส่งผลให้ต้นทุนและระดับความซับซ้อนในการเขียนโปรแกรมสูงขึ้นด้วย ดังนั้น แขนหุ่นยนต์ที่มีจำนวนแกนน้อยที่สุดเท่าที่จะรองรับงานได้ตามความต้องการ มักเป็นทางเลือกที่ชาญฉลาดกว่า เพราะการเพิ่มองศาของการเคลื่อนไหว (degrees of freedom) เกินความจำเป็นแทบไม่คุ้มค่าในงานที่มีรอบการทำงานคงที่และกำหนดไว้อย่างชัดเจน

คำว่า ‘โหลดที่ยกได้’ (payload) หมายถึงอะไรกันแน่

‘โหลดที่ยกได้’ (payload) คือมวลของวัตถุที่แขนหุ่นยนต์สามารถยกได้ขณะยื่นออกเต็มที่ โดยยังคงรักษาความแม่นยำตามที่ระบุไว้ รวมถึงน้ำหนักของเครื่องมือ (tool) และชิ้นส่วนที่จับอยู่ด้วย การใช้งานเกินขีดจำกัดนี้จะทำให้แขนหุ่นยนต์เคลื่อนที่ช้าลง และทำให้ตัวลดความเร็ว (reducers) สึกหรอก่อนเวลาอันควร แขนหุ่นยนต์ที่มีค่าโหลดที่ยกได้สูงพอที่จะรองรับชิ้นส่วนที่หนักที่สุดที่คาดว่าจะใช้งานจริง พร้อมมีค่าเผื่อสำรอง จะทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า และรักษาระดับความแม่นยำได้นานขึ้น ผู้ซื้อจึงควรนำน้ำหนักของ end effector มาบวกเข้ากับน้ำหนักของชิ้นส่วนก่อนเปรียบเทียบข้อมูลจำเพาะ

มาตรฐานความปลอดภัยใดบ้างที่ใช้บังคับ

มาตรฐาน ISO 10218 ครอบคลุมด้านความปลอดภัยของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ส่วน ANSI/RIA R15.06 คือมาตรฐานที่เทียบเท่ากันในทวีปอเมริกาเหนือ ทั้งสองมาตรฐานนี้กล่าวถึงรั้วป้องกัน อุปกรณ์ล็อกเชื่อมโยง ปุ่มหยุดฉุกเฉิน และการประเมินความเสี่ยง แขนหุ่นยนต์ที่ทำงานแบบร่วมมือ (collaborative mode) ก็อยู่ภายใต้ขอบเขตของมาตรฐาน ISO/TS 15066 ด้วย การปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้ไม่ใช่เพียงแค่การจัดทำเอกสารเท่านั้น แต่ยังส่งผลโดยตรงต่อการออกแบบเซลล์ผลิตภัณฑ์ หากมองข้ามมาตรฐานเหล่านี้อาจนำไปสู่อุบัติเหตุและผลการตรวจสอบที่ไม่ผ่าน ดังนั้นจึงควรรวมมาตรฐานเหล่านี้ไว้ในแผนงานตั้งแต่วันแรก

แขนหุ่นยนต์สามารถจัดการกับตำแหน่งชิ้นส่วนที่เปลี่ยนแปลงได้หรือไม่

ได้ ถ้าใช้งานร่วมกับระบบเครื่องมองเห็น (machine vision) หรืออุปกรณ์ยึดชิ้นส่วนที่ปรับเปลี่ยนได้ (flexible fixturing) แขนหุ่นยนต์ที่ติดตั้งกล้องสามารถระบุตำแหน่งชิ้นส่วนบนสายพานลำเลียงแล้วปรับเส้นทางการเคลื่อนที่ให้สอดคล้องกัน ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการวางชิ้นส่วนให้อยู่ในตำแหน่งที่แม่นยำล่วงหน้า แต่หากไม่มีระบบเครื่องมองเห็น ชิ้นส่วนจะต้องถูกนำเข้ามาในตำแหน่งที่ทราบแน่ชัดอยู่แล้ว แม้ระบบเครื่องมองเห็นจะเพิ่มต้นทุนและซับซ้อนต่อการเขียนโปรแกรม แต่สำหรับการผลิตแบบผสมผสาน (mixed batches) ระบบนี้ช่วยกำจัดความล่าช้าจากการเปลี่ยนรูปแบบการผลิต และทำให้เซลล์ผลิตภัณฑ์สามารถดำเนินการต่อเนื่องได้แม้จะมีความหลากหลายของผลิตภัณฑ์

เมื่อใดที่การบำรุงรักษาจะกลายเป็นเรื่องสำคัญ

การบำรุงรักษาเป็นสิ่งสำคัญที่สุดหลังจากช่วงบริการเริ่มต้นสิ้นสุดลง ซึ่งเมื่อนั้นจึงเริ่มเห็นสัญญาณของการสึกหรอ ตัวลดความเร็ว สายเคเบิลที่ข้อต่อ และตลับลูกปืน จะเสื่อมสภาพตามจำนวนรอบการทำงาน การดำเนินการบำรุงรักษาเชิงป้องกันอย่างสม่ำเสมอจะช่วยรักษาความแม่นยำในการทำงานซ้ำได้ และหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานแบบฉับพลันที่ทำให้สายการผลิตต้องหยุดนิ่ง การบันทึกจำนวนรอบการทำงานและตรวจสอบสายเคเบิลทุกสามเดือน จะช่วยตรวจจับปัญหาก่อนที่จะลุกลามจนเกิดของเสียหรือการชนกัน ทั้งนี้เพื่อคุ้มครองทั้งปริมาณการผลิตและเงินลงทุนที่ใช้ไป