Cánh tay robot là gì và ứng dụng trong sản xuất hiện đại

Cánh tay robot, một thành tựu đỉnh cao của kỹ thuật tự động hóa, đã và đang định hình lại ngành công nghiệp sản xuất toàn cầu. Với khả năng vận hành chính xác, linh hoạt và không ngừng nghỉ, cánh tay robot không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm vượt trội. 

Bài viết này của DACO sẽ cung cấp thông tin chi tiết về cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng tiêu biểu của cánh tay robot trong công nghiệp cũng như những xu hướng phát triển mới nhất trong lĩnh vực này.

Cánh tay robot là gì?

Cánh tay robot là một thiết bị tự động hóa được thiết kế để mô phỏng các chuyển động của cánh tay người, nhưng với độ chính xác, tốc độ và sức mạnh vượt trội. Được cấu tạo từ các khớp nối, bộ phận xoay và cơ cấu điều khiển tinh vi, vận hành bằng động cơ, cánh tay robot công nghiệp có thể thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại, nặng nhọc hoặc đòi hỏi độ chính xác cao trong nhiều lĩnh vực. 

Từ những thao tác lắp ráp tinh vi đến việc nâng nhấc vật nặng, kích thước của chúng rất đa dạng. Ban đầu được ứng dụng trong hàn ô tô, ngày nay, cánh tay robot đã trở thành “trợ thủ đắc lực” trong sản xuất công nghiệp, gia công cơ khí, y tế, thực phẩm, và thậm chí cả hàng không vũ trụ.

>>>Có thể bạn muốn biết: Thiết bị tự động hóa là gì? Phân loại và ứng dụng trong công nghiệp

Cấu tạo của cánh tay robot công nghiệp

Cấu tạo của một cánh tay robot công nghiệp điển hình bao gồm ba thành phần chính, mỗi thành phần đảm nhiệm một chức năng riêng biệt, phối hợp nhịp nhàng để thực hiện các nhiệm vụ được giao:

Tay máy

Phần khung cơ khí, hay còn gọi là tay máy, là cấu trúc vật lý chính của robot. Nó thường được chế tạo từ các vật liệu có độ bền cao như gang và thép để đảm bảo khả năng chịu lực và hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp. 

Tay máy được thiết kế mô phỏng cấu trúc của cánh tay người, bao gồm các bộ phận tương ứng như: đế, vai, khuỷu tay, cẳng tay và cổ tay. Số lượng khớp nối trên tay máy thường dao động từ 4 đến 6, tương ứng với số bậc tự do (khả năng di chuyển theo các hướng khác nhau) của robot.

Bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm chịu trách nhiệm tiếp nhận, xử lý tín hiệu và điều khiển mọi hoạt động của hệ thống. Khi nhận được tín hiệu từ các cảm biến hoặc chương trình đã được lập trình, bộ điều khiển sẽ phân tích và đưa ra các lệnh điều khiển động cơ. 

Các động cơ này sẽ di chuyển các khớp nối của tay máy theo một chuỗi động học đã được xác định trước, cho phép robot thực hiện các thao tác mong muốn. Chức năng của bộ điều khiển có thể từ đơn giản (ví dụ: di chuyển đến một vị trí cụ thể) đến phức tạp (ví dụ: thực hiện một quy trình lắp ráp nhiều bước).

Hệ thống phần mềm vận hành và quản lý

Giao diện lập trình và điều khiển là phần mềm được cài đặt trên máy tính, cho phép người vận hành (thường là kỹ thuật viên) tương tác với cánh tay robot. Thông qua giao diện này, người dùng có thể lập trình các thao tác, thiết lập các thông số hoạt động, giám sát trạng thái của robot và can thiệp khi cần thiết. 

Giao diện này kết nối trực tiếp với bộ điều khiển trung tâm, truyền tải các lệnh và nhận thông tin phản hồi, tạo thành một vòng điều khiển khép kín. 

Nguyên lý hoạt động của cánh tay robot là gì?

Cánh tay robot trong công nghiệp hoạt động dựa trên một chuỗi các bước phối hợp chặt chẽ, được lập trình sẵn để thực hiện các nhiệm vụ một cách tự động và lặp lại với độ chính xác cao.

1. Lập trình nhiệm vụ

Trước tiên, nhiệm vụ mà cánh tay robot cần thực hiện sẽ được xác định rõ ràng. Các kỹ sư lập trình sẽ tạo ra một chương trình chi tiết, quy định các chuyển động, tốc độ và thao tác của bộ phận gắp hoặc công cụ tại đầu mút cánh tay.

2. Điều khiển  

Chương trình đã được lập trình sẽ được nạp vào bộ điều khiển trung tâm của robot. Bộ điều khiển này, về bản chất là một máy tính chuyên dụng, có nhiệm vụ giải mã các lệnh trong chương trình và chuyển chúng thành các tín hiệu điều khiển cụ thể. 

3. Thực hiện chuyển động

Bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến các động cơ đặt tại các khớp nối của cánh tay ro-bot. Tùy thuộc vào kích thước và yêu cầu ứng dụng, robot có thể sử dụng động cơ điện, thủy lực hoặc khí nén để tạo ra lực di chuyển. Khi động cơ hoạt động, các khớp nối sẽ xoay theo các lệnh đã được lập trình, tạo ra chuyển động chính xác của cánh tay rô bốt.

4. Phản hồi và điều chỉnh

Cánh tay ro-bot được trang bị các cảm biến để theo dõi vị trí và chuyển động theo thời gian thực. Nếu phát hiện bất kỳ sai lệch nào so với chương trình, bộ điều khiển sẽ ngay lập tức điều chỉnh tín hiệu gửi đến các động cơ, đưa cánh tay trở lại đúng quỹ đạo. Hệ thống vòng phản hồi này đảm bảo tính chính xác và ổn định của hoạt động.

5. Thực hiện thao tác

Cuối cùng, bộ phận công tác (kẹp, hàn, sơn,…) được gắn trên cổ tay robot sẽ thực hiện các thao tác cụ thể theo lập trình đã được truyền đạt từ bước 1.

Có bao nhiêu loại cánh tay robot trong công nghiệp?

Các nhà sản xuất và chuyên gia trong ngành đã phát triển nhiều loại cánh tay rô bốt khác nhau để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng đa dạng. Có thể kể đến như:

1. Cánh tay robot khớp (Articulated robot)

Cánh tay robot khớp, với thiết kế mô phỏng cánh tay người, là một trong những loại phổ biến nhất. Chúng có một cánh tay cơ khí duy nhất, được gắn vào đế thông qua một khớp xoay. Cánh tay này bao gồm nhiều khớp nối (thường từ 4 đến 6 khớp), cho phép robot có phạm vi chuyển động rộng và linh hoạt. Robot sáu trục là loại phổ biến nhất trong nhóm này.

Ứng dụng của cánh tay robot khớp rất đa dạng, bao gồm: hàn hồ quang, hàn điểm, sơn, lắp ráp, gắp/thả vật liệu, xếp dỡ hàng hóa, và nhiều tác vụ khác.

2. Cánh tay robot trụ (Cylindrical Robot)

Trong lĩnh vực robot công nghiệp, robot trục trụ là loại cánh tay được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ đòi hỏi sự chính xác trong không gian hạn chế. 

Với thiết kế một cánh tay duy nhất di chuyển theo trục dọc, kết hợp khớp xoay và trượt, chúng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng như lắp ráp chi tiết nhỏ, vận hành máy móc trong không gian hẹp, hoặc phủ lớp vật liệu mỏng. Sự nhỏ gọn và khả năng hoạt động linh hoạt theo chiều dọc và trượt khiến robot trục trụ trở thành lựa chọn hiệu quả cho các quy trình tự động hóa đơn giản.

3. Cánh tay robot hình chữ nhật

Robot hình chữ nhật, còn được gọi là robot tuyến tính hoặc robot giàn, là một loại robot công nghiệp đặc trưng bởi chuyển động của nó dọc theo ba trục tuyến tính. Những chuyển động này được kiểm soát bởi hệ tọa độ Descartes (X, Y, Z), cho phép robot di chuyển theo đường thẳng: lên và xuống, vào và ra, và trái và phải.

Loại cánh tay ro-bot này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi cấu hình linh hoạt. Người dùng có thể điều chỉnh các tham số khác nhau, chẳng hạn như tốc độ, độ chính xác, chiều dài hành trình và kích thước tổng thể của cánh tay ro-bot, để phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

Robot hình chữ nhật thường được sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ, chẳng hạn như máy CNC (điều khiển số bằng máy tính) và máy in 3D, nơi chúng mang lại độ chính xác và khả năng kiểm soát cần thiết cho các hoạt động phức tạp

4. Cánh tay robot song song (Delta Robot)

Cánh tay rô bốt song song, hay còn gọi là robot Delta, có cấu trúc đặc biệt với ba cánh tay được kết nối với một đế chung phía trên không gian làm việc. Thiết kế này cho phép robot di chuyển nhanh và chính xác trong không gian hình nón ngược. Tất cả các động cơ đều được đặt ở đế, giúp giảm trọng lượng và quán tính của phần di chuyển.

Thiết kế này cho phép robot Delta di chuyển nhanh và chính xác, đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng gắp và đặt tốc độ cao trong ngành thực phẩm, dược phẩm và điện tử.

5. Robot cực tọa

Cánh tay robot cầu, hay còn gọi là robot cực, có một khớp xoay ở đế, một khớp xoay và một khớp trượt kết hợp để tạo ra không gian làm việc hình cầu.  

Robot cực tọa là một trong những loại robot công nghiệp đầu tiên được phát minh và thường được ứng dụng trong các quy trình ép khuôn, đúc áp lực, hàn và xử lý vật liệu.

6. Cánh tay robot SCARA  

Robot SCARA có cấu trúc đặc biệt với hai khớp xoay song song, cho phép chuyển động linh hoạt trong mặt phẳng ngang (X, Y) và một khớp tịnh tiến theo chiều dọc (Z). 

Thiết kế này mang lại độ cứng vững cao theo phương thẳng đứng và độ linh hoạt trong mặt phẳng ngang. Robot SCARA thường được sử dụng cho các ứng dụng lắp ráp, gắp/thả, và các tác vụ yêu cầu độ chính xác cao trong mặt phẳng.

Một vài ứng dụng cánh tay robot trong sản xuất

Trong các nhà máy thông minh và môi trường sản xuất hiện đại, cánh tay rô bốt được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng hoạt động với tốc độ cao, độ chính xác vượt trội và độ ổn định đáng tin cậy. Chúng không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất, mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu rủi ro cho người lao động. 

Khả năng tùy chỉnh và tích hợp với các hệ thống khác (cảm biến, phần mềm MES) cũng là một yếu tố quan trọng, cho phép robot thực hiện các tác vụ phức tạp và cung cấp dữ liệu thời gian thực để tối ưu hóa quy trình.

Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu: 

Tự động hóa xếp dỡ hàng hóa  

Robot Palletizing là dòng cánh tay robot chuyên dụng cho việc xếp dỡ hàng hóa lên  pallet. Được lập trình với các thuật toán thông minh, chúng có thể tự động gắp sản phẩm từ băng chuyền, sắp xếp chúng lên pallet theo một trình tự đã định, và lấp đầy pallet một cách hiệu quả. Khả năng nâng vật nặng của nhiều loại robot giúp thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, giảm thiểu nguy cơ chấn thương.

Tự động hóa quy trình hàn  

Hàn là một công việc đòi hỏi độ chính xác cao nhưng lại tiềm ẩn nhiều nguy hiểm cho người lao động. Việc ứng dụng robot trong hàn cơ khí không chỉ giúp bảo vệ người lao động khỏi các tác nhân độc hại (khói hàn, tia lửa, bức xạ nhiệt) mà còn cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn, đảm bảo độ đồng đều và chính xác cao.

Kiểm tra chất lượng sản phẩm  

Thay vì chỉ kiểm tra chất lượng ở cuối dây chuyền, robot có thể được tích hợp vào từng công đoạn sản xuất để thực hiện kiểm tra chất lượng trong thời gian thực. 

Được trang bị cảm biến, hệ thống thị giác máy tính (camera) và trí tuệ nhân tạo (AI), robot có thể phát hiện các lỗi sản phẩm (kích thước, hình dạng, màu sắc…) ngay từ sớm, giúp giảm thiểu lãng phí và thời gian dừng máy.

Gắp và đặt sản phẩm  

Cánh tay robot gắp sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa yêu cầu di chuyển sản phẩm từ vị trí này sang vị trí khác. Được trang bị hệ thống nhận dạng (thường là camera và cảm biến), robot có thể xác định vị trí, hướng và loại sản phẩm, sau đó gắp và đặt chúng vào vị trí đã định một cách chính xác. 

Ứng dụng này thường thấy trong các dây chuyền phân loại sản phẩm, lắp ráp linh kiện, đóng gói, và chuẩn bị đơn hàng.

Lợi ích của cánh tay robot công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp mang lại nhiều lợi ích thiết thực, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất trong các nhà máy thông minh.

Tăng tốc độ sản xuất

Với khả năng vận hành liên tục bằng thủy lực hoặc khí nén, cánh tay rô bốt có thể hoạt động ngày đêm với các thao tác và lực cố định, duy trì quy trình sản xuất liền mạch. Năng suất của robot được đánh giá cao hơn nhiều lần so với con người trong cùng một khoảng thời gian. Chu kỳ nhiệm vụ của robot ngắn, giúp tối ưu hóa sản xuất.

Cải thiện chất lượng sản phẩm

Robot hoạt động chính xác và linh hoạt nhờ lập trình sẵn, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như sức khỏe, thời tiết hay không gian làm việc. Điều này đảm bảo tính đồng đều và nhất quán của sản phẩm. Các robot hiện đại còn được trang bị cảm biến, giúp chúng đưa ra quyết định phức tạp hơn dựa trên thông tin chi tiết về tốc độ di chuyển và độ khó của thao tác.

>>>Có thể bạn muốn biết: Quy trình cải tiến chất lượng trong sản xuất

Giảm chi phí vận hành

Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao, việc triển khai robot công nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế lâu dài. Sai số hoạt động cực thấp giúp giảm thời gian kiểm tra thành phẩm, đồng thời giảm lãng phí do sản phẩm lỗi. 

Robot có thể thay thế con người trong các môi trường nguy hiểm như hàn, cơ khí, hóa chất và hoạt động trong dải nhiệt độ từ -40°C đến 120°C, giúp phòng tránh tai nạn lao động và tiết kiệm chi phí nhân công.

Trong mô hình nhà máy thông minh, việc triển khai cánh tay robot công nghiệp là một bước tiến quan trọng trong tự động hóa. Để chuyển đổi số sản xuất thành công, doanh nghiệp cần chú trọng cả công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT). Những lợi ích mà cánh tay ro-bot mang lại trong công nghệ vận hành sẽ góp phần cải thiện các chỉ số: Tốc độ (Speed), Chất lượng (Quality), Chi phí (Cost) và Tiến độ (Delivery), giúp doanh nghiệp tiến gần hơn đến việc tham gia vào chuỗi cung ứng toàn cầu.

Quy trình lắp đặt cánh tay robot

Tư vấn và đánh giá chuyên sâu

Bước đầu tiên và quan trọng nhất là tiến hành tư vấn với các chuyên gia về tự động hóa. Doanh nghiệp thường khó có thể tự đánh giá một cách toàn diện về các công đoạn sản xuất có thể được tự động hóa. 

Các chuyên gia sẽ tiến hành khảo sát thực tế dây chuyền sản xuất, phân tích đặc điểm sản phẩm, và đánh giá các yếu tố kỹ thuật khác để đưa ra phương án tối ưu nhất. Trách nhiệm của họ bao gồm lập kế hoạch tổng thể, thiết kế hệ thống, và triển khai giải pháp từ giai đoạn ý tưởng đến khi đi vào hoạt động thực tế.

Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống

Sau khi thống nhất phương án, giai đoạn thiết kế và chế tạo sẽ được tiến hành. Các cánh tay rô bốt, cùng với các thiết bị phụ trợ như cảm biến, hệ thống điều khiển, và các cơ cấu chấp hành khác, sẽ được lựa chọn, chế tạo (nếu cần) và lắp đặt. 

Quá trình này không chỉ bao gồm việc lắp đặt phần cứng mà còn cả việc cài đặt và cấu hình phần mềm điều khiển. Đồng thời, cần xác định rõ vai trò của con người trong quy trình mới, phân chia công việc giữa người và robot để đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng. 

Môi trường nhà máy cũng cần được điều chỉnh để phù hợp với việc vận hành robot, bao gồm việc bố trí không gian làm việc, đảm bảo an toàn, và cung cấp các điều kiện cần thiết khác.

Giám sát vận hành và bảo trì

Sau khi hệ thống được lắp đặt, việc giám sát vận hành và bảo trì định kỳ là vô cùng quan trọng. Mặc dù cánh tay ro-bot có khả năng tự động hóa cao, sự can thiệp của con người vẫn cần thiết để theo dõi hiệu suất, xử lý các sự cố bất thường, và thực hiện bảo trì theo lịch trình. Điều này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, bền bỉ và đạt hiệu quả tối đa.

Những lưu ý khi lựa chọn cánh tay robot công nghiệp

Để quá trình tự động hóa sản xuất đạt hiệu quả cao, doanh nghiệp cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố sau khi lựa chọn mua cánh tay robot công nghiệp:

1. Số trục hoạt động

Số lượng trục của robot quyết định tính linh hoạt của nó. Robot có nhiều trục hơn có thể di chuyển theo nhiều hướng và thực hiện các thao tác phức tạp hơn. Tuy nhiên, nhu cầu thực tế của doanh nghiệp là yếu tố quyết định. Đối với các tác vụ đơn giản như gắp và đặt, robot có dưới 5 trục có thể là đủ. Trong khi đó, các hoạt động đòi hỏi di chuyển phức tạp hơn sẽ cần robot có 5 trục trở lên.

2. Tầm với (độ sải)

Tầm với, hay độ sải, là khoảng cách tối đa mà robot có thể vươn tới. Thông số này được xác định theo hai chiều:

• Tầm với ngang: Khoảng cách từ tâm đế robot đến điểm xa nhất mà bộ phận công tác (ví dụ: kẹp) có thể đạt tới.
• Tầm với dọc: Khoảng cách từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất mà robot có thể vươn tới.

Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, doanh nghiệp nên lựa chọn robot có ưu thế về tầm với ngang hoặc tầm với dọc.

3. Tốc độ vận hành

Tốc độ vận hành của robot, thường được đo bằng độ/giây, là một thông số quan trọng cần được nhà cung cấp cung cấp. Doanh nghiệp cần đảm bảo rằng tốc độ này đáp ứng được yêu cầu sản xuất, kể cả trong các giai đoạn cao điểm, và có khả năng điều chỉnh để tối ưu hóa năng suất.

4. Tải trọng cho phép

Tải trọng cho phép của robot bao gồm cả trọng lượng của vật thể cần nâng/di chuyển và trọng lượng của bộ phận công tác (ví dụ: kẹp, dụng cụ). Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, robot cần có tải trọng lớn hơn trọng lượng tối đa của vật thể và bộ phận công tác mà nó sẽ thao tác.

5. Độ chính xác lặp lại

Độ chính xác lặp lại là khả năng của robot quay trở lại cùng một vị trí đã được lập trình một cách chính xác trong nhiều lần thực hiện. Yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và tính ổn định của quy trình sản xuất. Robot có độ chính xác cao hơn thường có giá thành cao hơn, do sự phức tạp trong thiết kế và các yếu tố liên quan như độ cứng vững của đế, tốc độ và tầm với. 

Xu hướng phát triển của cánh tay rô bốt

Cánh tay robot trong công nghiệp đang trải qua quá trình phát triển mạnh mẽ, được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong nhiều lĩnh vực công nghệ. Các xu hướng chính bao gồm:

1. Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI): Việc ứng dụng AI giúp robot cải thiện đáng kể khả năng ra quyết định, học hỏi từ kinh nghiệm và thích ứng với các tình huống thay đổi. AI cho phép chúng thực hiện các tác vụ phức tạp hơn, tự động điều chỉnh quy trình và thậm chí tự chẩn đoán và khắc phục sự cố.
2. Hệ thống cảm biến tinh vi: Robot thế hệ mới được trang bị một loạt các cảm biến tiên tiến (thị giác máy, cảm biến lực, cảm biến tiệm cận, v.v.), giúp chúng “cảm nhận” môi trường xung quanh một cách chi tiết và chính xác hơn. Điều này tăng cường khả năng tương tác an toàn và hiệu quả với con người và các vật thể khác.
3. Giao diện người dùng thân thiện: Các nhà sản xuất đang tập trung vào việc phát triển giao diện người dùng trực quan, dễ sử dụng, giúp cho việc lập trình, vận hành và bảo trì robot trở nên đơn giản hơn, ngay cả với những người không có chuyên môn sâu về robot.
4. Thiết kế mô-đun hóa: Xu hướng thiết kế mô-đun cho phép các nhà sản xuất và người dùng dễ dàng tùy chỉnh, nâng cấp và thay thế các bộ phận của robot. Điều này giúp tăng tính linh hoạt, giảm chi phí và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
5. Khả năng kết nối vạn vật (IoT): Robot ngày càng có khả năng kết nối mạnh mẽ với các thiết bị khác trong nhà máy (máy móc, cảm biến, hệ thống quản lý sản xuất) thông qua các giao thức kết nối Internet of Things (IoT). Điều này tạo ra một hệ thống sản xuất thông minh, nơi dữ liệu được chia sẻ và phân tích để tối ưu hóa toàn bộ quy trình.

Lời kết

Bài viết trên hy vọng đã mang đến cho bạn những thông tin giá trị về vai trò không thể thiếu của cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất hiện đại. Đây chính là chìa khóa để nâng cấp nhà máy sản xuất lên một tầm cao mới. Việc ứng dụng tự động hóa bằng robot sớm bao nhiêu, doanh nghiệp càng có lợi thế cạnh tranh trên thị trường bấy nhiêu. 

Nếu quý vị cần tư vấn thêm về các giải pháp tự động hóa sản xuất và nhà máy thông minh, xin vui lòng liên hệ DACO Việt Nam qua hotline 0904.675.995 để được hỗ trợ tận tình.