กระบวนการผลิตชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์: ทุกสิ่งที่คุณควรรู้

วิธีการผลิตชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่ การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC, DMLS, การฉีดขึ้นรูป, การหล่อแบบ, การหล่อแบบแม่พิมพ์ และการตีขึ้นรูป สำหรับวัสดุที่ใช้ในการผลิตหุ่นยนต์นั้น ส่วนใหญ่จะเป็นโลหะ เช่น สแตนเลสและไทเทเนียม พลาสติก และวัสดุผสม การเลือกส่วนประกอบแขนหุ่นยนต์ที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับความแข็งแรง น้ำหนัก ต้นทุน และความทนทาน แขนหุ่นยนต์สำหรับงานอัตโนมัติหนักต้องการส่วนประกอบที่แตกต่างจากแขนหุ่นยนต์สำหรับงานประกอบที่ต้องการความแม่นยำ คู่มือนี้ครอบคลุมถึงวัสดุ วิธีการผลิต ปัจจัยในการเลือก และความท้าทายในโลกแห่งความเป็นจริง คุณจะได้เรียนรู้ว่าแต่ละทางเลือกส่งผลต่อระบบอัตโนมัติของหุ่นยนต์อย่างไร ตั้งแต่ฐานหุ่นยนต์ไปจนถึงส่วนปลาย ทุกการตัดสินใจเกี่ยวกับส่วนประกอบแขนหุ่นยนต์มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการทำงาน

วัสดุสำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์

วัสดุที่ใช้ทั่วไปในงานหุ่นยนต์: พลาสติก โลหะ วัสดุผสม

วัสดุที่ใช้ในอุตสาหกรรมหุ่นยนต์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม ได้แก่ พลาสติก โลหะ และวัสดุผสม แต่ละกลุ่มมีหลายเกรด เกรดที่เลือกจะมีผลต่อความแข็งแรง น้ำหนัก และต้นทุน ส่วนประกอบของแขนหุ่นยนต์ ได้แก่ ข้อต่อ ตัวขับเคลื่อน เซ็นเซอร์ ตัวจับยึด และโครงสร้างตัวเรือน ส่วนประกอบแต่ละชิ้นของแขนหุ่นยนต์ต้องการวัสดุที่แตกต่างกัน

พลาสติกวิศวกรรม

พลาสติกวิศวกรรมใช้สำหรับทำฝาครอบ ตัวเรือนเซ็นเซอร์ และอุปกรณ์ปลายแขนกลขนาดเล็ก เนื่องจากมีความแข็งแรง ขึ้นรูปง่าย และมีราคาถูกกว่าวัสดุวิศวกรรมอื่นๆ ส่วนใหญ่

โลหะ: สแตนเลสสตีลและไทเทเนียม

โลหะเป็นวัสดุที่รับน้ำหนักมากในหุ่นยนต์ เหล็กกล้าไร้สนิมมีความแข็งแรงสูงและทนทานต่อสนิมได้ดี ในขณะที่ไทเทเนียมมีน้ำหนักเบาและแข็งแรงกว่าเมื่อเทียบกับน้ำหนัก อีกทั้งยังทนทานต่อสนิมเช่นกัน โลหะทั้งสองชนิดนี้พบได้ในแอคชูเอเตอร์ เพลาขับ และตัวเรือนข้อต่อ นอกจากนี้โลหะผสมอื่นๆ ก็มีความสำคัญเช่นกัน ตารางด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบโลหะทั่วไปบางชนิดในหุ่นยนต์

การกำหนดวัสดุ	ความหนาแน่น (g / cm³)	ความแข็งแรง (MPa)	การใช้งานหุ่นยนต์หลัก
อะลูมิเนียม Al7075-T6	2.81	503	ตัวยึดโครงสร้างรับแรงสูง, ตัวยึดเชื่อมต่อ
แมกนีเซียม AZ91D	1.81	150	ข้อต่อแขนหุ่นยนต์น้ำหนักเบา แผงตัวเรือน
เหล็กกล้า AISI 4140	7.85	655	เพลาขับสำหรับงานหนัก, เฟืองดาวเคราะห์

สำหรับแอคชูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำสูง มักมีการนำโลหะผสมอีกสองชนิดมาใช้ AlSi10Mg พิมพ์ได้ดีและมีคุณสมบัติที่สมดุล ส่วน A6061 มีความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงมากและขึ้นรูปได้ง่าย

โลหะผสม	จุดแข็งที่สำคัญ	ความชอบทั่วไปในด้านหุ่นยนต์
อัลซี10มก	พิมพ์ได้ดีเยี่ยม คุณสมบัติโดยรวมดี การนำความร้อนสูง ทนต่อการกัดกร่อน และมีความแข็งแรงทนทานต่อความล้าสูง	เหมาะอย่างยิ่งเมื่อความสามารถในการพิมพ์และคุณสมบัติที่สมดุลเป็นสิ่งสำคัญ
A6061	มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงมาก (สามารถเพิ่มได้ด้วยการอบชุบความร้อน) ขึ้นรูปง่าย ทนทานต่อการกัดกร่อนดีเยี่ยม และมีความแข็งแรงต่อความล้าดี	เลือกใช้เมื่อความแข็งแรงสูงสุดเป็นปัจจัยสำคัญ

วัสดุคอมโพสิต: โพลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน

พอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน (CFRP) มีความแข็งแรงสูงแต่มีน้ำหนักเบา คุณสมบัติของมันแตกต่างจากโลหะ เนื่องจากคุณสมบัติของมันขึ้นอยู่กับทิศทางของเส้นใย ลักษณะนี้เรียกว่า แอนิโซโทรปี (anisotropy) ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบ CFRP กับอะลูมิเนียม 6061

อสังหาริมทรัพย์	คาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิต (CFRP)	อลูมิเนียม 6061
ความหนาแน่น	~1.5–1.7 ก./ซม.³	~2.70 ก./ซม.XNUMX
โมดูลัสยืดหยุ่น	ขึ้นอยู่กับทิศทาง	~69 เกรดเฉลี่ย
ความต้านแรงดึง	ขึ้นอยู่กับทิศทาง	~300 เมกะปาสคาล (ค่าโดยประมาณ)
การขยายตัวทางความร้อน	ขึ้นอยู่กับทิศทาง มักอยู่ต่ำตามแนวเส้นใย	~23 ppm/K
พฤติกรรมทางวัตถุ	anisotropic	โดยประมาณเป็นไอโซโทรปิก
พฤติกรรมการกัดกร่อน	โดยทั่วไปแล้วถือว่ายอดเยี่ยมสำหรับ CFRP เอง	ดี แต่พื้นผิวอาจต้องมีการป้องกันเพิ่มเติม

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร IEEE Access ได้ศึกษาโครงสร้างแขนหุ่นยนต์แบบไฮบริดโดยใช้วัสดุพลาสติกเสริมใยคาร์บอนและโลหะผสมอะลูมิเนียมโดยเฉพาะ นักวิจัยรายงานว่าต้นแบบที่ได้รับการตรวจสอบแล้วมีมวลลดลง 24.32% เมื่อเทียบกับแบบอ้างอิงที่ทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียม

คุณสมบัติและการใช้งาน

ความแข็งแรง น้ำหนัก และความต้านทานการกัดกร่อน

อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักเป็นปัจจัยหลักในการเลือกวัสดุ แขนกลที่เบากว่าจะเคลื่อนไหวได้เร็วกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่า ความต้านทานการกัดกร่อนมีความสำคัญในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นหรือมีสารเคมี สแตนเลสและไทเทเนียมทนทานได้ดี อลูมิเนียมจำเป็นต้องมีการปกป้องพื้นผิวในบางสภาพแวดล้อม CFRP ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ด้วยตัวเอง

ตำแหน่งของวัสดุแต่ละชนิดในส่วนประกอบแขนหุ่นยนต์

โลหะเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักสูง เช่น เกียร์ เพลาขับ และข้อต่อต่างๆ พลาสติกเหมาะสำหรับฝาครอบ ตัวนำสายเคเบิล และขายึดไฟ วัสดุคอมโพสิตโดดเด่นในข้อต่อแขนยาวและท่อโครงสร้าง การออกแบบแบบผสมผสานมักจะประสบความสำเร็จ จากการศึกษาพบว่าวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เบากว่าอะลูมิเนียม 42% และเบากว่าเหล็กถึง 3 เท่า ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับทั้งสองวัสดุในการสร้างชิ้นส่วนที่ต้องการความเบาเป็นพิเศษ ประโยชน์ที่ได้รับ ได้แก่:

• เบากว่าอลูมิเนียมถึง 42%
• ความแข็งเพิ่มขึ้น 30%
• ความสามารถในการรับน้ำหนักที่มากขึ้นของชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์
• ความเร็วในการทำงานของชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่สูงขึ้น
• ทนทานมากขึ้น/ใช้งานได้นานขึ้น

ข้อจำกัดของวัสดุแต่ละประเภท

ต้นทุน ความสามารถในการขึ้นรูป และปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม

ไทเทเนียมมีราคาสูงกว่าเหล็กและขึ้นรูปได้ช้า วัสดุ CFRP ต้องการเครื่องมือพิเศษและการวางชั้นอย่างระมัดระวัง พลาสติกราคาถูกและขึ้นรูปได้เร็ว แต่จะอ่อนตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า โลหะที่ใช้ในหุ่นยนต์ทนความร้อนได้ดีกว่ามาก การรีไซเคิลก็แตกต่างกัน โลหะรีไซเคิลได้อย่างสะอาด แต่คอมโพสิตหลายชนิดทำไม่ได้

เมื่อใดควรหลีกเลี่ยงพลาสติกหรือวัสดุผสม

ควรหลีกเลี่ยงพลาสติกสำหรับข้อต่อที่รับน้ำหนักสูงหรือสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เพราะพลาสติกจะเสียรูปทรงเมื่อรับแรงกดอย่างต่อเนื่อง และควรหลีกเลี่ยงวัสดุคอมโพสิตเมื่อต้องการคุณสมบัติที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือการผลิตจำนวนมากในราคาประหยัด เพราะวัสดุคอมโพสิตก็มีปัญหาเรื่องการสึกหรอจากการเสียดสีเช่นกัน สำหรับหุ่นยนต์ที่ใช้ในการขัดหรือการผลิตโลหะ ชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่เป็นโลหะมักจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า ส่วนหุ่นยนต์ทางการแพทย์หรือหุ่นยนต์ในห้องปลอดเชื้อ ตัวเรือนพลาสติกเรียบอาจเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

กระบวนการผลิตชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์

การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC และ DMLS เป็นวิธีการหลักสำหรับชิ้นส่วนโลหะ สำหรับพลาสติก การฉีดขึ้นรูปเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป ชิ้นส่วนระบบส่งกำลัง เช่น เกียร์บ็อกซ์ เกือบทั้งหมดผลิตจากการตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC กระบวนการที่คุณเลือกจะกำหนดต้นทุน ความแข็งแรง และความแม่นยำขั้นสุดท้าย แต่ละวิธีเหมาะสมกับความต้องการเฉพาะด้านในหุ่นยนต์สมัยใหม่ DMLS เหมาะสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนที่มีคุณลักษณะภายในที่เครื่อง CNC เข้าไม่ถึง การฉีดขึ้นรูปเป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์พลาสติกปริมาณมาก

การตีขึ้นรูปเพื่อผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูง

การตีขึ้นรูปเป็นกระบวนการผลิตที่สามารถใช้กับชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูง โดยเกี่ยวข้องกับการขึ้นรูปโลหะโดยใช้แรงอัด กระบวนการนี้มีประโยชน์สำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่ต้องการความแข็งแรงสูงและทนทานต่อความล้า

การหล่อแบบแม่พิมพ์และการหล่อแบบแม่พิมพ์หล่อ

การหล่อแบบฉีดขึ้นรูปและการหล่อแบบแม่พิมพ์ขี้ผึ้งสามารถผลิตรูปทรงที่ซับซ้อนได้ด้วยความแม่นยำสูง กระบวนการเหล่านี้มักใช้กับตัวเรือน ตัวยึด และชิ้นส่วนปลายแขนหุ่นยนต์ และใช้งานได้ดีกับวัสดุทางวิศวกรรมหลายชนิด การหล่อแบบฉีดขึ้นรูปเป็นการดันโลหะหลอมเหลวเข้าไปในแม่พิมพ์เหล็กภายใต้แรงดันสูง ในขณะที่การหล่อแบบแม่พิมพ์ขี้ผึ้งใช้แบบจำลองขี้ผึ้งที่เผาไหม้ไป ทั้งสองวิธีสามารถสร้างชิ้นส่วนที่ยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรได้

การหล่อขึ้นรูปอลูมิเนียมและสังกะสี

การหล่อขึ้นรูปอลูมิเนียมให้ชิ้นส่วนที่แข็งแรงและน้ำหนักเบา สามารถขึ้นรูปรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและผนังบางได้ถึงประมาณ 1 มม. การหล่อขึ้นรูปสังกะสีมีราคาถูกกว่าและหล่อได้ง่ายกว่าด้วยรายละเอียดสูง แต่สังกะสีมีน้ำหนักมากกว่าและมีความแข็งแรงน้อยกว่า สำหรับตัวเรือนหุ่นยนต์และโครงยึดโครงสร้าง อลูมิเนียมจึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า สังกะสีเหมาะสำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ขนาดเล็ก เช่น โครงยึดเซ็นเซอร์และตัวนำสายเคเบิล

การหล่อแบบแม่พิมพ์สำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

การหล่อแบบแม่พิมพ์ขี้ผึ้งใช้แม่พิมพ์ขี้ผึ้งที่เคลือบด้วยสารละลายเซรามิก ขี้ผึ้งจะละลายออกไป เหลือเป็นโพรง จากนั้นโลหะหลอมเหลวจะเข้าไปเติมเต็มโพรงนั้น วิธีนี้สร้างรูปทรงที่มีรายละเอียดสูงและมีพื้นผิวเรียบ ตารางแสดงความหนาของผนังขั้นต่ำสำหรับโลหะผสมต่างๆ ในหมวดวัสดุนี้

ประเภทล้อแม็ก	ความหนาผนังขั้นต่ำ (ส่วนขนาดเล็ก)	ความหนาผนังขั้นต่ำ (สำหรับส่วนขนาดใหญ่)
โลหะผสมอลูมิเนียม	1.0 มม	2.0 มม
เหล็กกล้าไร้สนิม	1.5 มม	2.5 มม
โลหะผสมไทเทเนียม	2.0 มม	3.0 มม
นิกเกิล ซูเปอร์อัลลอย	1.25 มม	2.3 มม
โลหะผสมที่มีส่วนประกอบของโคบอลต์	1.5 มม	2.5 มม
โลหะผสมที่มีทองแดง	1.25 มม	2.0 มม

ไม่มีความหนาผนังขั้นต่ำที่กำหนดไว้ตายตัวสำหรับทุกโครงการ ผู้ผลิตบางรายระบุว่า 2 มม. ถึง 3 มม. เป็นค่าพื้นฐาน ขีดจำกัดที่แท้จริงขึ้นอยู่กับขนาดชิ้นส่วน รูปทรง และความสามารถในการไหลของโลหะผสม คุณต้องตรวจสอบแบบจำลอง 3 มิติเฉพาะเพื่อทราบค่าขั้นต่ำที่ปลอดภัย สำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่ซับซ้อน การหล่อแบบแม่พิมพ์ช่วยลดงานหลังการผลิตเมื่อเทียบกับวิธีการผลิตอื่นๆ กระบวนการนี้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงในระบบอัตโนมัติและหุ่นยนต์ สามารถผลิตชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่มีส่วนเว้าและช่องภายในที่กระบวนการอื่นๆ ทำไม่ได้

การพิจารณาความเรียบผิวและความคลาดเคลื่อน

พื้นผิวของข้อต่อชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์มีผลต่อการเคลื่อนไหวและอายุการใช้งาน การตกแต่งพื้นผิวที่เหมาะสมหมายความว่าวงแหวนด้านนอกของตลับลูกปืนจะสัมผัสกับที่นั่งอย่างเต็มที่ ตารางด้านล่างแสดงค่าความหยาบทั่วไปสำหรับคุณลักษณะต่างๆ ในชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ แต่ละค่ามีจุดประสงค์ ที่นั่งตลับลูกปืนต้องการพื้นผิวที่เรียบมากเพื่อหลีกเลี่ยงจุดที่เกิดความเครียด พื้นผิวของตัวเรือนที่ใช้เพื่อความสวยงามสามารถหยาบกว่าได้เนื่องจากไม่ได้รับน้ำหนัก

คุณสมบัติ (Feature)	ค่าความหยาบผิวทั่วไป (Ra)
ที่นั่งแบริ่ง	0.4–0.8 ไมโครเมตร
อินเทอร์เฟซไดรฟ์ฮาร์มอนิก	0.8–1.6 ไมโครเมตร
พื้นผิวสำหรับติดตั้งเซอร์โว	1.6 ไมครอน
พื้นผิวที่อยู่อาศัยเครื่องสำอาง	1.6–3.2 ไมโครเมตร
คุณสมบัติภายในที่ไม่สำคัญ	3.2 ไมครอน

ความเรียบผิวของแกนแบริ่งที่ระดับ Ra 0.4 μm ช่วยให้การเคลือบ MoS₂ ยึดเกาะได้ดี ความเรียบผิวระดับนี้ช่วยให้การเคลือบฟิล์มสม่ำเสมอและยึดเกาะได้ดี หากความเรียบผิวมากเกินไป พื้นที่สัมผัสจะลดลง จุดที่มีความเค้นสูงจะปรากฏขึ้นและอาจทำให้เกิดการสึกหรอเล็กน้อย (micro-fretting) เมื่อเวลาผ่านไปหลายล้านรอบ ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพ ความแตกต่างระหว่าง 0.4 μm และ 3.2 μm คือความแตกต่างระหว่างข้อต่อที่ทำงานได้อย่างราบรื่นเป็นเวลาหลายปีกับข้อต่อที่สึกหรอเร็ว

การจัดแนวข้อต่อให้ตรงกันอย่างสม่ำเสมอและได้ผลลัพธ์ที่คงที่

การจัดแนวข้อต่อขึ้นอยู่กับค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบและการตกแต่งพื้นผิวที่เหมาะสม เบาะรองตลับลูกปืนต้องมีค่า Ra 0.4–0.8 μm เพื่อให้วางวงแหวนรอบนอกได้อย่างถูกต้อง ช่างเครื่องต้องใช้การป้อนละเอียดและความเร็วต่ำเพื่อให้ได้ค่าเหล่านี้ พื้นผิวที่หยาบกว่าจะทำให้ตลับลูกปืนเลื่อนภายใต้ภาระ การจัดแนวที่ไม่ถูกต้องนั้นจะนำไปสู่การสึกหรอและความแม่นยำที่ลดลง สำหรับหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ซ้ำเส้นทางเดิมหลายพันครั้ง เรื่องนี้มีความสำคัญมาก แม้แต่การจัดแนวที่ไม่ถูกต้องเพียงเล็กน้อยก็สะสมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในหลายรอบการทำงาน

การวัดและการควบคุมคุณภาพ

การควบคุมคุณภาพในการผลิตชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์นั้นใช้เครื่องวัดพิกัด (CMM) และเครื่องวัดความเรียบของพื้นผิว CMM ตรวจสอบตำแหน่งรูและระดับความเรียบของพื้นผิว ส่วนเครื่องวัดความเรียบจะวัดค่า Ra จริง เครื่องมือเหล่านี้ตรวจสอบว่าทุกมิติอยู่ในเกณฑ์ที่กำหนด กระบวนการตรวจสอบจะตรวจจับข้อผิดพลาดก่อนการประกอบ ชิ้นส่วนที่มีผิวสำเร็จไม่ถูกต้องหรือรูที่ไม่ได้มาตรฐานจะถูกคัดออก ซึ่งจะช่วยประหยัดเวลาและทำให้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีความน่าเชื่อถือ สำหรับหุ่นยนต์ทางการแพทย์หรือระบบอัตโนมัติในห้องปลอดเชื้อ คุณภาพระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์

การออกแบบที่ดีเริ่มต้นจากหน้าที่ที่แขนหุ่นยนต์ต้องทำ ตัวขับเคลื่อนจะขับเคลื่อนข้อต่อทุกข้อ มอเตอร์ไฟฟ้าเหมาะสำหรับงานที่สะอาดและแม่นยำ กระบอกสูบแบบนิวแมติกเคลื่อนที่ได้เร็วและประหยัด หน่วยไฮดรอลิกรับน้ำหนักได้มาก แต่ละประเภทจะส่งผลต่อการเลือกใช้วัสดุสำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่อยู่ใกล้เคียง ตัวขับเคลื่อนไฮดรอลิกต้องการซีลและตัวเรือนที่ทนต่อของเหลวและแรงดัน ส่วนตัวขับเคลื่อนไฟฟ้าต้องการทางเดินความร้อนและโครงสร้างที่เบา ปลายแขนหุ่นยนต์ก็แตกต่างกันเช่นกัน ตัวจับยึด ตัวพ่น และสว่าน ต่างก็สัมผัสกับโลกในรูปแบบที่แตกต่างกัน ตัวจับยึดต้องการก้ามหนีบที่แข็งแรงและเบา ตัวพ่นต้องการตัวที่ทนต่อสารเคมี สว่านต้องการฐานยึดที่แข็งแรงและทนต่อการสึกหรอ ความต้องการเหล่านี้เป็นตัวกำหนดการตัดสินใจทุกอย่างเกี่ยวกับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์

อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

เหตุใดความจุในการบรรทุกจึงขึ้นอยู่กับสิ่งนี้

ความสามารถในการรับน้ำหนักจะลดลงเมื่อมวลของแขนเพิ่มขึ้น ทุกๆ กิโลกรัมในแขนคือหนึ่งกิโลกรัมที่มอเตอร์ต้องเคลื่อนที่ แขนท่อนล่างที่หนักจะแย่งความสามารถในการรับน้ำหนักจากข้อมือ นั่นเป็นเหตุผลที่วิศวกรหุ่นยนต์พยายามสร้างความแข็งแรงโดยไม่เพิ่มน้ำหนัก ข้อต่อที่เบากว่าหมายถึงการเคลื่อนไหวที่เร็วขึ้นและการใช้พลังงานที่น้อยลง สำหรับแขนกลอุตสาหกรรมที่ทำงานตลอดทั้งวัน นี่จะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้อย่างแท้จริง

การเลือกวัสดุและรูปทรงเรขาคณิต

โลหะอย่างอะลูมิเนียมและไทเทเนียมให้ความแข็งแรงสูงต่อกิโลกรัม วัสดุคอมโพสิตให้ความแข็งแรงมากกว่านั้น งานวิจัยจาก IEEE Access พบว่าการใช้วัสดุผสมระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และอะลูมิเนียมช่วยลดน้ำหนักของแขนกลลงได้ถึง 24.32% รูปทรงก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน โครงสร้างแบบซี่โครง ส่วนกลวง และข้อต่อแบบเรียวช่วยลดน้ำหนักส่วนเกิน ชิ้นส่วนที่มีรูปทรงดีมักดีกว่าวัสดุที่ดูหรูหรา

ตัวขับเคลื่อนต้นทุน

ต้นทุนวัตถุดิบ

ไทเทเนียมมีราคาสูงกว่าเหล็กมาก วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์แบบพรีเพรกยิ่งแพงกว่า ส่วนพลาสติกยังคงมีราคาถูก ราคาวัตถุดิบเป็นตัวกำหนดราคาขั้นต่ำ ผู้ซื้อควรเลือกวัสดุให้เหมาะสมกับน้ำหนักบรรทุก ไม่ใช่ตามความเคยชิน

ผลกระทบจากเครื่องมือ แรงงาน และปริมาณ

การผลิตแม่พิมพ์ตีขึ้นรูปและแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกนั้นมีต้นทุนเริ่มต้นสูงมาก ค่าใช้จ่ายนั้นจะคุ้มค่าก็ต่อเมื่อผลิตในปริมาณมาก การผลิตในปริมาณน้อยเหมาะกับการใช้เครื่องจักร CNC ซึ่งไม่ต้องใช้เครื่องมือเพิ่มเติม ค่าแรงในการผลิตชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่ทำด้วยมือจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การผลิตในปริมาณมากจะกระจายเครื่องมือไปในหลายหน่วยการผลิตและลดต้นทุนต่อหน่วยลง

ความทนทานและการสึกหรอ

ความต้านทานต่อความล้าและการปรับสภาพพื้นผิว

การรับน้ำหนักซ้ำๆ ทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความล้าเมื่อเวลาผ่านไป การเคลือบผิวช่วยให้โลหะต้านทานต่อรอยแตกร้าวได้ อลูมิเนียมนั้นอ่อนตัวโดยธรรมชาติ การชุบอะโนไดซ์แบบแข็งประเภท III ช่วยแก้ไขปัญหานี้ได้ โดยจะสร้างชั้นออกไซด์คล้ายเซรามิกหนา 40–60 ไมโครเมตร ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชิ้นส่วน ความแข็งของพื้นผิวสูงกว่า 60 HRC ซึ่งสูงกว่าอลูมิเนียมที่ไม่ผ่านการเคลือบผิวอย่างมาก

สภาพพื้นผิว	ความแข็งผิว	ความต้านทานการสึกหรอ
อะลูมิเนียมที่ยังไม่ได้ผ่านการบำบัด	พื้นผิวเนื้อนุ่ม	รอยขีดข่วนจากการลื่นไถลและสิ่งสกปรก
ชุบอะโนไดซ์แข็งชนิด III	60+ ชม	ทนทานต่อรอยขีดข่วนและการเสียดสีได้ดีเยี่ยม

การเคลือบด้วย PTFE ช่วยลดแรงเสียดทานลงอีก ทำให้สามารถใช้งานบูชแบบแห้งได้

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและการกัดกร่อน

ความชื้น สารเคมี และฝุ่นละออง ล้วนเป็นสิ่งที่ทำลายชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ สแตนเลสและไทเทเนียมทนต่อการกัดกร่อนได้ดี อลูมิเนียมจำเป็นต้องเคลือบผิวในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้น วัสดุคอมโพสิตทนต่อสนิมแต่สึกหรอได้ง่ายเมื่อถูกเสียดสี การใช้งานจริงพิสูจน์ให้เห็นแล้ว การขัด การทำงานไม้ และการผลิตโลหะ ทำให้พื้นผิวที่ต้องเลื่อนไปมาเกิดความเสียหาย การเรียงซ้อนพาเลทและการปรับสภาพพื้นผิวทำให้ข้อต่อที่เบาและแข็งแรงเหมาะสมกว่า หุ่นยนต์ทางการแพทย์และหุ่นยนต์ในห้องปลอดเชื้อต้องการตัวเรือนที่เรียบและทำความสะอาดง่าย เลือกวัสดุให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อม แล้วความทนทานก็จะตามมา

การคัดเลือกวัสดุและกระบวนการสำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์

การเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมสำหรับแขนหุ่นยนต์หมายถึงการจับคู่สิ่งที่คุณต้องการกับสิ่งที่แต่ละตัวเลือกสามารถทำได้ คู่มือการเลือกวัสดุสามารถช่วยคุณได้ คุณสามารถเปรียบเทียบความแข็งแรง น้ำหนัก ต้นทุน และความทนทานกับงานที่แขนหุ่นยนต์ต้องทำ

การจับคู่วัสดุกับการใช้งาน

หุ่นยนต์ความเร็วสูงเทียบกับหุ่นยนต์บรรทุกน้ำหนักสูง

หุ่นยนต์ความเร็วสูงต้องการชิ้นส่วนที่เบา วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และอะลูมิเนียมจึงเหมาะสมที่สุด เพราะช่วยลดแรงเฉื่อยและทำให้มอเตอร์เคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น ส่วนหุ่นยนต์ที่รับน้ำหนักมากต้องการความแข็งและความทนทาน เหล็กและไทเทเนียมสามารถรับน้ำหนักได้มากโดยไม่บิดงอ การเลือกวัสดุจะมีผลต่อเวลาในการทำงานและปริมาณพลังงานที่หุ่นยนต์ใช้

ข้อกำหนดเกี่ยวกับห้องปลอดเชื้อและความปลอดภัยด้านอาหาร

หุ่นยนต์ในห้องปลอดเชื้อต้องการพื้นผิวเรียบและไม่มีรูพรุน สแตนเลสช่วยยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย กระบวนการแปรรูปอาหารเพิ่มข้อกำหนดอีกชั้นหนึ่ง สแตนเลสทนต่อกรดในอาหารและสารเคมีทำความสะอาดโดยไม่เป็นสนิม โพลิเมอร์ที่ได้มาตรฐานสำหรับอาหารใช้งานได้ดีกับส่วนปลายที่สัมผัสกับผลิตภัณฑ์โดยตรง สารหล่อลื่นที่ได้รับการรับรอง NSF H1 เป็นสิ่งจำเป็นในทุกที่ที่อาจมีการสัมผัสโดยบังเอิญ วัสดุเหล่านี้ช่วยรักษาความปลอดภัยของอุปกรณ์ทางการแพทย์และระบบอาหาร

การจับคู่กระบวนการกับปริมาณการผลิต

การสร้างต้นแบบเทียบกับการผลิตในปริมาณน้อย

สำหรับการสร้างต้นแบบ การใช้เครื่อง CNC และ DMLS ช่วยให้คุณทำงานได้รวดเร็วโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายด้านเครื่องมือ DMLS สามารถสร้างช่องภายในที่ซับซ้อนซึ่งเครื่องมือตัดไม่สามารถเข้าถึงได้ ในขณะที่ CNC รักษาความคลาดเคลื่อนที่แม่นยำสำหรับส่วนเชื่อมต่อที่สำคัญ แนวทางแบบผสมผสานจึงได้ผลดีในกรณีนี้ พิมพ์รูปทรงที่ใกล้เคียงกับรูปทรงสุดท้าย จากนั้นจึงทำการปรับแต่งที่นั่งแบริ่งและเกลียวให้มีความคลาดเคลื่อน ±0.005 มม. วิธีนี้เป็นการผสมผสานอิสระในการออกแบบเข้ากับความแม่นยำ

เศรษฐศาสตร์การผลิตจำนวนมาก

สำหรับการผลิตในปริมาณมาก การฉีดขึ้นรูปเหมาะสำหรับพลาสติก และการหล่อขึ้นรูปเหมาะสำหรับโลหะ ต้นทุนเครื่องมือจะถูกกระจายไปในหลายพันชิ้น ราคาต่อหน่วยลดลงอย่างรวดเร็ว สำหรับการผลิต 10 ถึง 2,000 ชิ้น การใช้เครื่องจักร CNC มักจะคุ้มค่ากว่าทั้งในด้านต้นทุนและปริมาณการผลิต แต่หากเกินกว่านั้น การใช้เครื่องมือเฉพาะทางจะคุ้มค่ากว่า

การทดสอบและการตรวจสอบ

วิธีการทดสอบเชิงกล

การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการออกแบบใช้งานได้จริงหรือไม่ การทดสอบแรงดึงตรวจสอบความแข็งแรง การทดสอบความล้าจำลองการใช้งานนับล้านรอบ การทดสอบความแข็งยืนยันการปรับสภาพพื้นผิว วิธีการเหล่านี้ช่วยค้นหาจุดอ่อนก่อนเริ่มการผลิต

การทดสอบวงจรการใช้งานจริง

การทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่สามารถจำลองทุกสภาวะได้ การใช้งานจริงทำให้ชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ต้องเผชิญกับฝุ่นละออง ความชื้น และการสั่นสะเทือน การขัดและการทำงานไม้ทำให้พื้นผิวที่เลื่อนไปมาสึกหรอ การเรียงซ้อนพาเลทต้องการข้อต่อที่แข็งแรงและเบา ทดสอบการเคลื่อนไหวจริงของแขนหุ่นยนต์ วัดการสึกหรอและการจัดแนวเมื่อเวลาผ่านไป นี่เป็นการพิสูจน์ว่าการออกแบบนี้ใช้งานได้กับระบบอัตโนมัติที่ทำงานตลอดทั้งวัน

ใบสมัคร / คุณสมบัติ	วิธีการแนะนำ	การเลือกใช้วัสดุ	ความอดทนที่สามารถบรรลุได้
บล็อกของเหลวความแม่นยำสูง	งานกัดซีเอ็นซี 5 แกน	อัล6061-T6	± 0.010 มม
ช่องทางภายในที่ซับซ้อน	ดีเอ็มแอลเอส	เหล็กกล้าเครื่องมือ 1.2709	± 0.008 มม
การจำลองภาพ	การพิมพ์ SLA 3D	เรซิน UV-Curable	± 0.15 มม

ความเชี่ยวชาญด้านชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ของ NOBLE

พันธมิตรผู้ผลิตควรมีความสามารถในการจัดการกระบวนการต่างๆ รวมถึงการตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC, DMLS, การฉีดขึ้นรูป และการหล่อสำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ นอกจากนี้ พวกเขาควรมีมาตรการควบคุมคุณภาพที่เหมาะสมด้วย

พลาสติก โลหะ และวัสดุผสม ต่างก็มีบทบาทในด้านหุ่นยนต์ โลหะใช้รับน้ำหนักมาก พลาสติกช่วยให้ชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์มีน้ำหนักเบาและราคาถูก วัสดุผสมให้ความแข็งแรงสูงสำหรับข้อต่อที่น้ำหนักมีความสำคัญที่สุด การเลือกใช้วัสดุที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับความแข็งแรง น้ำหนัก ต้นทุน และความทนทาน กระบวนการผลิตก็มีความสำคัญเช่นกัน การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC ช่วยให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนที่แม่นยำสำหรับข้อต่อ การตัดเฉือนด้วยเลเซอร์แบบ DMLS ทำให้ได้ช่องภายในที่ซับซ้อน การหล่อแบบ Die casting และ Investment casting เหมาะสำหรับตัวเรือนที่ซับซ้อน การตีขึ้นรูปสามารถใช้สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูง พันธมิตรด้านการผลิตที่มีทักษะจะช่วยคุณเลือกส่วนผสมที่เหมาะสม พวกเขาทำงานทั้งกับโลหะและพลาสติก ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงและเพิ่มคุณภาพ ในอนาคต กระบวนการผลิตแบบไฮบริดและวัสดุใหม่ๆ จะช่วยขยายขีดความสามารถของแขนหุ่นยนต์ให้กว้างขึ้น การผสมผสานที่ดีขึ้นหมายถึงแขนที่เบากว่า รอบการทำงานที่เร็วขึ้น และการใช้งานใหม่ๆ ในด้านต่างๆ เช่น ระบบอัตโนมัติทางการแพทย์

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับส่วนประกอบของแขนหุ่นยนต์

วัสดุชนิดใดเหมาะสมที่สุดสำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์?

ขึ้นอยู่กับลักษณะงาน โลหะอย่างเหล็กและไทเทเนียมเหมาะสำหรับรับน้ำหนักมาก พลาสติกเหมาะสำหรับทำฝาครอบและตัวเรือนเซ็นเซอร์ โพลีเมอร์เสริมใยคาร์บอนเหมาะสำหรับชิ้นส่วนยาวๆ ที่น้ำหนักมีความสำคัญที่สุด เลือกวัสดุให้เหมาะสมกับความแข็งแรง น้ำหนัก ต้นทุน และความทนทานที่ต้องการ

ฉันควรเลือกกระบวนการผลิตแบบใด?

การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC และ DMLS เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโลหะที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ การฉีดขึ้นรูปเหมาะสำหรับชิ้นส่วนพลาสติก การหล่อขึ้นรูปเหมาะสำหรับโครงสร้างที่ซับซ้อน การตีขึ้นรูปสามารถใช้สำหรับชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ที่มีความแข็งแรงสูง ปริมาณการผลิตและรูปทรงของชิ้นส่วนจะเป็นตัวตัดสินว่าเทคโนโลยีใดเหมาะสมที่สุด

เมื่อใดที่การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC ดีกว่าการพิมพ์ 3 มิติ?

CNC ชนะเลิศในเรื่องความคลาดเคลื่อนที่แคบและพื้นผิวเรียบ สามารถรักษาความเรียบของเบาะรองตลับลูกปืนได้ที่ Ra 0.4–0.8 μm ส่วน DMLS โดดเด่นในเรื่องช่องภายในที่ซับซ้อนซึ่งเครื่องมือตัดไม่สามารถเข้าถึงได้ วิธีการแบบผสมผสานได้ผลดี: พิมพ์รูปทรงใกล้เคียงกับรูปทรงสุดท้าย จากนั้นจึงทำการปรับแต่งส่วนเชื่อมต่อที่สำคัญให้มีความแม่นยำ ±0.005 มม.

ฉันควรเลือกอย่างไรระหว่างพลาสติกกับโลหะ?

เลือกใช้พลาสติกสำหรับงานที่มีน้ำหนักเบา ฝาครอบ และตัวเรือนสำหรับห้องปลอดเชื้อ เพราะมีราคาถูกกว่าและขึ้นรูปได้เร็ว แต่ควรหลีกเลี่ยงพลาสติกสำหรับจุดที่มีความร้อนสูงหรือข้อต่อที่มีแรงกดสูง เนื่องจากพลาสติกจะเสียรูปทรงเมื่อได้รับแรงกดอย่างต่อเนื่อง โลหะทนความร้อน การสึกหรอ และการใช้งานหนักได้ดีกว่ามาก วัสดุคอมโพสิตเหมาะสำหรับข้อต่อที่ต้องการความเบาเป็นพิเศษ

ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อต้นทุนของชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์?

วัตถุดิบตั้งต้นเป็นตัวกำหนดราคา ไทเทเนียมและคาร์บอนไฟเบอร์มีราคาสูงกว่าเหล็กหรือพลาสติก ค่าใช้จ่ายในการผลิตแม่พิมพ์ขึ้นรูปและแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกนั้นสูงมาก แต่ค่าใช้จ่ายนี้จะคุ้มค่าเมื่อผลิตในปริมาณมาก สำหรับการผลิตในปริมาณน้อย การใช้เครื่องจักร CNC จะเหมาะสมกว่า เพราะไม่ต้องใช้แม่พิมพ์เลย

เหตุใดการตกแต่งพื้นผิวจึงมีความสำคัญมาก?

พื้นผิวเรียบช่วยให้ตลับลูกปืนเข้าที่ได้อย่างถูกต้อง พื้นผิวหยาบจะลดพื้นที่สัมผัสและสร้างจุดความเค้น จุดเหล่านั้นจะทำให้เกิดการสึกหรอเล็กน้อยเมื่อใช้งานไปหลายล้านรอบ ช่องว่างระหว่างค่า Ra 0.4 μm และ Ra 3.2 μm จะเป็นตัวตัดสินว่าข้อต่อจะทำงานได้อย่างราบรื่นเป็นเวลาหลายปีหรือจะสึกหรอเร็ว

ฉันจะทดสอบชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ก่อนการผลิตจำนวนมากได้อย่างไร?

ทำการทดสอบทางกลก่อน จากนั้นจำลองการใช้งานจริง การขัดและการทำงานไม้ทำให้พื้นผิวที่เลื่อนได้สึกหรอ การซ้อนพาเลทจะให้ประโยชน์กับข้อต่อที่แข็งแรงและเบา วัดการสึกหรอและการจัดแนวเมื่อเวลาผ่านไป นี่เป็นการพิสูจน์ว่าการออกแบบนี้ใช้งานได้กับระบบอัตโนมัติที่ทำงานตลอดทั้งวัน

ฉันควรพิจารณาอะไรบ้างในการเลือกพันธมิตรด้านการผลิต?

มองหาพันธมิตรที่มีประสบการณ์ทั้งด้านการแปรรูปโลหะและพลาสติก ตรวจสอบใบรับรองคุณภาพที่เกี่ยวข้อง สอบถามเกี่ยวกับการสนับสนุนด้านการออกแบบ การประกอบ และการทดสอบ พันธมิตรที่ครอบคลุมทุกขั้นตอนตั้งแต่การออกแบบจนถึงการส่งมอบจะช่วยลดความเสี่ยงของคุณ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในด้านหุ่นยนต์ เนื่องจากทุกส่วนประกอบส่งผลกระทบต่อแขนกลทั้งหมด