การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์คืออะไร ข้อได้เปรียบหลัก

การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ใช้หุ่นยนต์แบบหกแกนที่มีข้อต่อเป็นศูนย์กลางของเซลล์ผลิตโครงสร้างตัวถังเปล่า (body-in-white) โดยดำเนินการเชื่อมแบบ MIG หรือเชื่อมจุด (spot weld) ด้วยความสม่ำเสมอที่สถานีเชื่อมแบบใช้มือไม่สามารถทำได้ โรงงานขึ้นรูปโลหะแห่งหนึ่งในภูมิภาคมิดเวสต์ของสหรัฐอเมริกา ได้เปลี่ยนสถานีเชื่อมแบบใช้มือสามแห่งให้กลายเป็นเซลล์เชื่อมด้วยหุ่นยนต์เพียงเซลล์เดียว ส่งผลให้ปริมาณงานซ่อมแซมในช่วงเย็นวันอังคารลดลงอย่างเห็นได้ชัด จากที่เคยกองสูงเต็มรถเข็นไปเป็นเพียงกองเล็กๆ บนถาดใบหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้มุ่งหมายจะลดจำนวนคนงาน แต่เพื่อรักษารูปทรงของรอยต่อให้คงที่แม่นยำตลอดหลายพันรอบของการผลิต โดยไม่เกิดความล้าจากการปฏิบัติงาน

การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์มีลักษณะอย่างไรบนสายการผลิตจริง

จากสถานีเชื่อมแบบใช้มือสู่เซลล์เชื่อมเพียงเซลล์เดียว

โรงงานผลิตบานพับประตูและโครงย่อยเป็นชุดเล็ก ๆ โดยผู้ปฏิบัติงานยืนอยู่ที่อุปกรณ์ยึดชิ้นงานเป็นเวลาสูงสุดหกชั่วโมงต่อกะ คุณภาพของงานจึงขึ้นอยู่กับทักษะของแต่ละบุคคลที่ใช้ปืนเชื่อม ระบบหุ่นยนต์เชื่อมสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ถูกนำมาใช้ในรูปแบบเซลล์ขนาดกะทัดรัด ประกอบด้วยแขนหุ่นยนต์ติดตั้งบนพื้น โต๊ะหมุนสองตำแหน่ง และเครื่องป้อนลวดแบบดัน-ดึง เวลาในการผลิตแต่ละชิ้นลดลงจากประมาณเก้านาทีเหลือต่ำกว่าสี่นาที และคนงานสองคนเดิมเปลี่ยนมาทำหน้าที่โหลดชิ้นงาน ตรวจสอบคุณภาพ และปรับแต่งโปรแกรมแทนการถือปืนเชื่อม นอกจากนี้ ระบบหุ่นยนต์เชื่อมสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ยังช่วยลดระยะเวลาในการเปลี่ยนงาน (changeover) อีกด้วย เพราะโต๊ะหมุนสามารถให้ฝั่งหนึ่งโหลดชิ้นงานได้ในขณะที่อีกฝั่งกำลังเชื่อมอยู่ ทำให้เซลล์ไม่ต้องหยุดทำงานรอให้อุปกรณ์ยึดชิ้นงานว่าง

การทดลองโครงสร้างตัวถังรถยนต์แบบไม่มีสี (Body-in-White) ที่ลดงานแก้ไขซ้ำ

การทดลองที่สายการผลิตโครงสร้างรถเปล่า (body-in-white) ทางตอนเหนือของเม็กซิโก เปรียบเทียบโครงยึดใต้ตัวถัง (subframe) ที่เชื่อมด้วยมือจำนวนสิบชิ้น กับอีกสิบชิ้นที่ผลิตโดยหุ่นยนต์เชื่อมสำหรับยานยนต์บนแท่นจับเดียวกัน การทดสอบการลอกแบบทำลาย (destructive peel tests) แสดงว่าชุดที่เชื่อมด้วยหุ่นยนต์สามารถควบคุมความลึกของการเจาะ (penetration) ให้อยู่ในช่วงแคบเพียง 0.4 มิลลิเมตร ในขณะที่ชุดที่เชื่อมด้วยมือมีความแปรผันมากกว่า 1.5 มิลลิเมตร ระหว่างรอยเชื่อมที่แข็งแรงที่สุดกับรอยเชื่อมที่อ่อนแอที่สุด นอกจากนี้ ระบบหุ่นยนต์เชื่อมสำหรับยานยนต์ยังบันทึกข้อมูลตารางเวลาการเชื่อมทั้งหมดไว้ในระบบบันทึกประวัติการผลิต (line historian) ทำให้ฝ่ายควบคุมคุณภาพมีบันทึกที่ค้นหาได้เมื่อมีการตรวจสอบจากลูกค้าหลายสัปดาห์ต่อมา ความแปรผันที่แคบลงนี้ช่วยให้กระบวนการประกอบขั้นต่อไปสามารถข้ามขั้นตอนการปรับแต่งแต่ละชิ้น (per-part touch-up) ซึ่งก่อนหน้านี้ใช้เวลาราวหนึ่งชั่วโมงทุกเช้า

เหตุใดการเชื่อมด้วยมือจึงไม่สามารถรองรับปริมาณการผลิตระดับอุตสาหกรรมยานยนต์ได้

ผลกระทบจากควันและปัจจัยด้านสรีรศาสตร์ที่เกิดขึ้นหลังหัวปืนเชื่อม

การเชื่อมด้วยมือทำให้ควันฟลักซ์และรังสีอัลตราไวโอเลตเข้าสู่บริเวณที่ผู้ปฏิบัติงานหายใจตลอดกะการทำงาน ข้อบังคับ OSHA 29 CFR 1910.252 กำหนดมาตรฐานด้านระบบระบายอากาศและการสัมผัสสารอันตรายในการเชื่อม และการเชื่อมด้วยมืออย่างต่อเนื่องจำเป็นต้องใช้ระบบดูดควันที่มีราคาแพงพร้อมการหมุนเวียนพนักงานอย่างสม่ำเสมอ ส่วนการเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์จะจัดวางตำแหน่งอาร์คไว้ด้านหลังฝาครอบคงที่และแขนดูดควัน ทำให้ผู้โหลดชิ้นงานสามารถทำงานจากด้านข้างแทนที่จะก้มเข้าไปในแนวควันที่เกิดขึ้น นอกจากนี้ มาตรฐาน NFPA 79 ยังกำหนดแนวทางการออกแบบระบบไฟฟ้าภายในเซลล์เชื่อม เพื่อให้วงจรตู้ควบคุมและวงจรหัวเชื่อมแยกออกจากวงจรระบบป้องกันอย่างชัดเจน

ความลึกของการเชื่อมไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดของเสีย

ข้อต่อที่ดูมั่นคงอาจซ่อนการเชื่อมผิวที่ไม่ลึกพอ แม้ในปริมาณการผลิตยานยนต์เพียงร้อยละสองของข้อต่อที่อ่อนแอ ก็อาจส่งผลให้มีชิ้นส่วนประกอบที่น่าสงสัยเป็นร้อยชิ้นต่อสัปดาห์ การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์สำหรับยานยนต์ควบคุมแรงดันอาร์ก อัตราการป้อนลวด และความเร็วในการเคลื่อนที่ให้คงที่ตามโปรแกรม จึงทำให้ข้อต่อแต่ละจุดเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอไม่ว่าจะเป็นชิ้นแรกหรือชิ้นที่ห้าพัน การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์สำหรับยานยนต์เปลี่ยนความเสี่ยงนี้ให้กลายเป็นพารามิเตอร์ที่บันทึกได้ เพราะเซลล์จะแจ้งเตือนเมื่อกระแสอาร์กลดลงก่อนที่ข้อต่อที่ไม่ดีจะออกจากแท่นจับ ผลลัพธ์คือโครงสร้างรองถูกทิ้งน้อยลง และรายงานปัญหาจากภาคสนามที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมลดลง

วิธีที่การเชื่อมรักษาความสม่ำเสมอ

ความซ้ำซากของเส้นทางและการติดตามแนวรอยเชื่อมแบบปรับตัวได้

แขนกลสมัยใหม่ทำซ้ำเส้นทางของจุดศูนย์กลางเครื่องมือ (tool-center-point) ด้วยความแม่นยำประมาณ ±0.05 มิลลิเมตร โดยใช้ระบบขับเคลื่อนแบบเซอร์โวแบบปิดวงจร (closed-loop servo drives) ร่วมกับสัญญาณตอบกลับจากเรโซล์เวอร์ (resolver feedback) การเชื่อมชิ้นส่วนยานยนต์ด้วยหุ่นยนต์อาศัยความแม่นยำนี้เพื่อสร้างลวดลายการเชื่อมแบบเดียวกันทุกครั้ง ดังนั้น ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของอุปกรณ์ยึดชิ้นงาน (fixture tolerance) — ไม่ใช่หุ่นยนต์ — จึงกลายเป็นขีดจำกัดหลักของคุณภาพ การติดตามแนวรอยต่อผ่านอาร์ก (through-arc seam tracking) วัดแรงดันไฟฟ้าของอาร์กเพื่อระบุตำแหน่งรอยต่อ ในขณะที่การติดตามด้วยเลเซอร์สามารถจัดการกับช่องว่างที่กว้างกว่าได้ การเชื่อมแบบพัลส์เอ็มไอจี (pulsed MIG) ลดอุณหภูมิของโลหะหลอมเหลวระหว่างช่วงพัลส์ เพื่อลดเศษโลหะกระเด็น (spatter) บนแผ่นสังกะสีเคลือบบาง และการเชื่อมชิ้นส่วนยานยนต์ด้วยหุ่นยนต์สามารถปรับเส้นทางการเชื่อมแบบเรียลไทม์เมื่อขอบของชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์เบี่ยงเบนจากตำแหน่งที่กำหนด โปรแกรมการทำงานล่วงหน้า (offline programming) ช่วยให้ระบบหุ่นยนต์เชื่อมชิ้นส่วนยานยนต์สามารถฝึกปฏิบัติการกับชิ้นส่วนใหม่ในเซลล์เสมือน (virtual cell) ได้ ทำให้ชิ้นงานจริงชิ้นแรกสามารถวางตัวใกล้เคียงกับเส้นทางเป้าหมายตั้งแต่ต้น แทนที่จะต้องผลิตต้นแบบจำนวนมากแล้วเผาไหม้ไปเป็นสิบชิ้น

มาตรฐาน ISO 3834, มาตรฐาน AWS D1.1 และกฎความปลอดภัยสำหรับหุ่นยนต์

มาตรฐาน ISO 3834 กำหนดข้อกำหนดด้านคุณภาพสำหรับการเชื่อมแบบหลอมรวม ครอบคลุมการรับรองขั้นตอนการเชื่อมและการติดตามย้อนกลับ ซึ่งผู้จัดจำหน่ายชิ้นส่วนยานยนต์คาดหวังไว้ มาตรฐาน AWS D1.1 และ D1.3 ให้แนวทางในการยอมรับโครงสร้างและแผ่นเหล็ก ขณะที่เซลล์เชื่อมบันทึกตารางการเชื่อมทุกครั้งอย่างครบถ้วนเพื่อใช้ในการตรวจสอบ มาตรฐาน ANSI/RIA R15.06-2012 สอดคล้องกับมาตรฐาน ISO 10218 ว่าด้วยความปลอดภัยของหุ่นยนต์ โดยกำหนดให้ต้องประเมินความเสี่ยง ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกัน และจัดให้มีการหยุดทำงานอย่างควบคุมได้ เซลล์หุ่นยนต์สำหรับงานเชื่อมในอุตสาหกรรมยานยนต์ที่สอดคล้องตามมาตรฐานจะผสานระบบม่านแสง (light curtains) เข้ากับวงจรหัวเชื่อมที่ล็อกไว้ เพื่อไม่ให้การบำรุงรักษาเกิดขึ้นโดยไม่คาดคิดต่อผู้ปฏิบัติงาน

การเลือก การดำเนินงาน และการบำรุงรักษาเซลล์

วิธีการเลือกเซลล์ที่เหมาะสมกับชิ้นงาน

จับคู่ระยะการเข้าถึงของหุ่นยนต์ให้สอดคล้องกับเส้นทแยงมุมที่ยาวที่สุดของอุปกรณ์ยึดชิ้นงาน ไม่ใช่ขนาดเฉลี่ยของชิ้นงาน และกำหนดน้ำหนักบรรทุกให้เพียงพอสำหรับหัวเชื่อมพร้อมระบบจัดเรียงสายเคเบิล ระบบการเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ให้ผลตอบแทนที่คุ้มค่าเมื่อผู้รวมระบบสามารถพิสูจน์ตารางเวลาการเชื่อมบนวัสดุจริงที่นำมาซ้อนกันก่อนส่งมอบ เซลล์การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์สำหรับยานยนต์ที่ระบุข้อกำหนดอย่างรอบคอบจะมาพร้อมรายงานผลการตรวจสอบชิ้นงานแรก (first-article report) และแผนสำรองสำหรับไส้หัวเชื่อม (torch liner) ควบคุมเลอร์จะบันทึกสัญญาณเตือนเพื่อให้สามารถตรวจจับความแปรปรวนของกระบวนการได้จากข้อมูล แทนที่จะรอให้เกิดของเสียขึ้นจริง นอกจากนี้ เซลล์การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์สำหรับยานยนต์ควรมีเอกสารระบุมุมของหัวเชื่อมอย่างชัดเจน และมีระยะสำรองในการเข้าถึง (reach margin) อย่างน้อย ๕๐ มิลลิเมตร เพราะเซลล์ที่ทำงานใกล้ขีดจำกัดสูงสุดจะทำให้ระบบจัดเรียงสายเคเบิลสึกหรอเร็วขึ้น และเกิดความแปรปรวนของกระบวนการเร็วกว่าปกติ

การตรวจสอบประจำวันและการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน

ผู้ปฏิบัติงานควรตรวจสอบการไหลของก๊าซ แรงตึงของลวดเชื่อม และสภาพของหัวฉีดก่อนเริ่มกะงานแต่ละกะ และทำความสะอาดเศษโลหะที่เกาะบริเวณปลายหัวฉีดก่อนที่จะสะสมมากเกินไป การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์จำเป็นต้องตรวจสอบการปรับค่าหุ่นยนต์ (robot calibration) การสึกหรอของชุดอุปกรณ์เคลื่อนที่ (dress wear) และความต้านทานของคลิปต่อพื้นดิน (ground clamp resistance) ทุกหนึ่งเดือน เนื่องจากการต่อพื้นดินที่ไม่ดีเป็นสาเหตุแฝงที่ทำให้การลุกไหม้ของอาร์คไม่เสถียร ควรมีชุดอะไหล่สำรองวางไว้ใกล้สายการผลิตเสมอ และบันทึกการเปลี่ยนหัวเชื่อมทุกครั้ง เพื่อให้ค่าเฉลี่ยระยะเวลาในการเกิดความล้มเหลว (mean time between failures) คงที่และคาดการณ์ได้ตลอดสัปดาห์การผลิต การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ให้ผลตอบแทนที่ดีเมื่อใช้ระบบบันทึกแบบง่าย: เมื่อบันทึกการใช้งานของปลายหัวฉีด ที่รองลวด (liner) และปลายขั้วไฟฟ้า (contact tip) พร้อมจำนวนชิ้นงานที่ผลิต อะไหล่ที่สึกหรอก็จะถูกเปลี่ยนตามกำหนดอย่างแม่นยำ แทนที่จะรอจนเกิดปัญหาเศษโลหะกระเด็นสะสมมากเกินไป (spatter storm)

คำถามที่พบบ่อย

การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์มอบประโยชน์อะไรให้กับโรงงาน

การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ช่วยเพิ่มความแม่นยำซ้ำได้และความเร็วในการผลิต ขณะเดียวกันก็ลดการสัมผัสของคนงานกับไอเสียจากการเชื่อม ระยะเวลาแต่ละรอบสั้นลง การเจาะลึกของการเชื่อมคงที่อยู่ภายในช่วงแคบ และปัญหาขาดแคลนช่างเชื่อมที่ผ่านการรับรองไม่ขัดขวางกำลังการผลิตอีกต่อไป เซลล์การผลิตสามารถทำงานเพิ่มเป็นกะพิเศษโดยใช้โปรแกรมเดิม จึงขยายปริมาณการผลิตได้โดยไม่ต้องจ้างช่างเชื่อมที่ผ่านการรับรองเพิ่ม หรือต้องนำรถเข็นสำหรับงานแก้ไขย้อนหลังมาใช้ในเวลากลางคืน

การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์สามารถแทนช่างเชื่อมแบบทำด้วยมือได้ทั้งหมดหรือไม่

การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์แทนเฉพาะงานเชื่อมซ้ำๆ ด้วยหัวเชื่อมเท่านั้น ไม่ได้แทนการตัดสินใจของมนุษย์ คนงานยังคงมีหน้าที่จัดวางชิ้นงานในอุปกรณ์ยึดจับ กำหนดเส้นทางการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ และตรวจสอบตัวอย่างชิ้นงานแรก ส่วนชิ้นส่วนขนาดเล็ก ผลิตในปริมาณน้อย หรือต้องผ่านการปรับปรุงซ้ำบ่อยครั้ง มักยังคงใช้การเชื่อมด้วยมือต่อไป เพราะต้นทุนการจัดทำอุปกรณ์ยึดจับสูงกว่าผลประโยชน์ที่ได้รับ การใช้สายการผลิตแบบผสมผสานจึงมักให้ผลดีกว่าการเปลี่ยนแปลงแบบสุดโต่ง (ทั้งหมดหรือไม่มีเลย) โดยเฉพาะในโรงงานรับจ้างผลิตและงานต้นแบบ

มาตรฐานใดบ้างที่ใช้บังคับกับเซลล์หุ่นยนต์สำหรับการเชื่อมยานยนต์

มาตรฐาน ISO 3834 ครอบคลุมระบบคุณภาพการเชื่อม มาตรฐาน AWS D1.1 และ D1.3 ครอบคลุมการรับรองวัสดุเหล็ก และมาตรฐาน ANSI/RIA R15.06 ร่วมกับ ISO 10218 ครอบคลุมความปลอดภัยของหุ่นยนต์ มาตรฐาน OSHA 29 CFR 1910.252 เพิ่มข้อกำหนดด้านการระบายอากาศขณะเชื่อมและมาตรการป้องกันอัคคีภัย ส่วนมาตรฐาน NFPA 79 ให้แนวทางการออกแบบระบบไฟฟ้า การปฏิบัติตามข้อกำหนดเริ่มต้นด้วยการประเมินความเสี่ยงเป็นลายลักษณ์อักษร ไม่ใช่เพียงแค่การติดตั้งรั้วรอบเซลล์เท่านั้น

ผู้ซื้อควรพิจารณาขนาดของเซลล์หุ่นยนต์เชื่อมอย่างไร

เลือกช่วงการเข้าถึงของหุ่นยนต์ให้สอดคล้องกับระยะแนวทแยงของอุปกรณ์ยึดชิ้นงานที่ใหญ่ที่สุด และพิจารณาน้ำหนักบรรทุกให้เพียงพอสำหรับหัวเชื่อมพร้อมสายเคเบิลที่ห่อหุ้ม (torch plus dress) ต้องเรียกร้องให้มีการทดสอบจริงกับชิ้นงานจริงที่ประกอบกันแล้ว (real material stack) และรายงานผลการตรวจสอบชิ้นงานแรก (first-article report) ก่อนยอมรับงาน ยืนยันให้มีระบบบันทึกสัญญาณเตือน (alarm logging) มีลวดนำไฟสำรอง (spare liner) พร้อมใช้งาน และเวลาตอบสนองของผู้รวมระบบ (integrator support response time) เพราะความพร้อมใช้งาน (uptime) ขึ้นอยู่กับรายละเอียดเหล่านี้มากกว่าเพียงแค่ตัวเลขระบุน้ำหนักบรรทุกในเอกสารข้อมูลจำเพาะ (spec-sheet)

การบำรุงรักษาแบบใดที่ช่วยรักษาความน่าเชื่อถือของหุ่นยนต์เชื่อม

ตรวจสอบการไหลของก๊าซ แรงตึงของลวดเชื่อม และหัวฉีดเมื่อเริ่มกะงาน; กำจัดเศษโลหะที่กระเด็นออกให้เร็วที่สุด ทุกหนึ่งเดือน ตรวจสอบการปรับค่าหุ่นยนต์ใหม่ การแต่ง (dress) ส่วนที่สึกหรอ และความต้านทานของคลิปต่อพื้นดิน จัดเก็บอุปกรณ์สิ้นเปลืองไว้ใกล้แนวการผลิตเสมอ และบันทึกการเปลี่ยนหัวเชื่อมทุกครั้ง การต่อพื้นดินที่ไม่ดีเป็นสาเหตุเงียบๆ ที่พบบ่อยที่สุดของความไม่เสถียรของอาร์ค จึงต้องใส่รายการนี้ลงในรายการตรวจสอบประจำสัปดาห์อย่างเคร่งครัด

หุ่นยนต์แบบร่วมมือ (cobots) สามารถดำเนินการเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ได้อย่างปลอดภัยหรือไม่

โคบอทที่จำกัดแรงสามารถเชื่อมชิ้นส่วนที่บางกว่าด้วยความเร็วต่ำกว่า และอาจไม่จำเป็นต้องใช้รั้วกั้นแบบแข็งภายในโซนที่ประเมินความเสี่ยงแล้ว สำหรับงานเชื่อมโครงสร้างตัวรถ (body-in-white) ที่มีปริมาณสูง เซลล์หุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่มีระบบป้องกันยังคงเหนือกว่าในด้านความเร็ว ให้เลือกรูปแบบการใช้งานตามน้ำหนักชิ้นส่วน รอบเวลาการผลิต และการประเมินความเสี่ยง แทนที่จะเลือกตามเทรนด์ทั่วไป และต้องจัดทำเอกสารขอบเขตการปฏิบัติร่วมกันอย่างชัดเจนสำหรับทุกกะงาน