Robot tự hành phụ thuộc vào một nhóm các bộ phận chung. Chúng bao gồm bộ truyền động, khớp nối, cánh tay, vỏ, hộp số, động cơ, bộ điều khiển, cảm biến và bộ phận cuối. Nhưng các thành phần robot tự hành này chỉ hoạt động tốt khi bạn lựa chọn đúng quy trình sản xuất, độ chính xác và vật liệu. Đó là điểm mấu chốt. Từ các thành phần đến quá trình sản xuất, mỗi lựa chọn đều thay đổi kết quả. Sai sót nhỏ trong gia công có thể gây ra các vấn đề lớn trong chuyển động hoặc cảm biến. Vì vậy, quy trình và vật liệu quan trọng không kém gì chính bản thân thành phần. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét thiết kế của từng bộ phận liên quan trực tiếp đến cách thức chế tạo và vật liệu cấu tạo nên nó. Mục tiêu là làm rõ mối liên hệ giữa quy trình, độ chính xác và vật liệu để tạo ra các thành phần robot tự hành đáng tin cậy.
Các thành phần cốt lõi của robot tự hành
Thiết kế robot không hề giống nhau. Robot khớp nối có các khớp xoay và tầm với dài. Robot SCARA di chuyển nhanh trên bề mặt phẳng. Robot Cartesian sử dụng các đường ray trượt thẳng. Robot Delta có cánh tay nhẹ, giống như con nhện. Robot hình trụ hoạt động bên trong không gian tròn. Robot khớp nối dẫn đầu thị trường. Năm 2025, chúng chiếm khoảng 67.7% thị trường. Robot SCARA chiếm 14.2%. Robot Cartesian hoặc robot giàn chiếm 9.1%. Robot Delta và robot hình trụ đảm nhiệm các vai trò nhỏ hơn. Mỗi loại cần một bộ phận robot khác nhau. Khung cơ khí thay đổi tùy thuộc vào nhiệm vụ của robot.
Các bộ phận cơ khí và kết cấu
Nhóm này bao gồm cánh tay, đế và vỏ. Các bộ phận này tạo nên khung xương. Chúng phải đủ cứng để chống lại sự uốn cong dưới tải trọng. Chúng cũng phải đủ nhẹ để giảm thiểu tiêu hao năng lượng. Hợp kim nhôm hoạt động tốt ở đây. Chúng cho độ bền gần 275 MPa với trọng lượng thấp. Thép không gỉ như 17-4 PH cho độ bền cao hơn, gần 1,000 MPa. Điều đó rất quan trọng đối với tải trọng nặng. Nhựa kỹ thuật như polycarbonate phù hợp cho lớp vỏ ngoài. Chúng có khả năng chống va đập và giảm trọng lượng.
Các phương pháp xử lý bề mặt giúp tăng độ bền. Anod hóa cứng bảo vệ nhôm khỏi bị mài mòn. Làm mịn bằng hơi nước tạo ra bề mặt nhẵn mịn trên vỏ nhựa. Điều đó giúp các vòng đệm kín hoạt động tốt hơn. Vỏ không chỉ có chức năng bảo vệ mà còn chứa các ổ bi, bộ giảm tốc và động cơ. Vì vậy, nó cần độ chính xác cao. Vỏ được gia công kém sẽ gây ra sự lệch trục. Điều đó dẫn đến rung động và độ chính xác kém.
Hệ thống truyền động, điều khiển và truyền tải
Nhóm bộ phận này giúp robot chuyển động. Bộ truyền động biến năng lượng thành chuyển động. Các khớp nối liên kết các đoạn cánh tay. Bộ giảm tốc chính xác và hộp số chính xác nằm giữa động cơ và tải trọng. Chúng tăng mô-men xoắn và giảm tốc độ. Bộ giảm tốc chính xác là yếu tố then chốt đối với các robot cần chuyển động lặp lại. Nếu không có nó, cánh tay không thể giữ vị trí dưới tải trọng.
Các động cơ servo điều khiển các hệ thống này. Chúng cung cấp khả năng điều khiển tốc độ và vị trí chính xác. Động cơ servo hoạt động cùng với bộ mã hóa để cung cấp phản hồi. Bộ điều khiển đọc tín hiệu và điều chỉnh động cơ. Vòng lặp này giúp cánh tay robot di chuyển đúng quỹ đạo. Nhiều robot sử dụng động cơ servo ở mỗi khớp. Vì vậy, một robot sáu trục có thể vận hành sáu động cơ servo cùng một lúc.
Việc lựa chọn hộp số chính xác phù hợp phụ thuộc vào nhiệm vụ của robot. Bộ truyền động hài hòa (harmonic drive) không có độ rơ (backlash). Điều này rất quan trọng đối với các công việc lắp ráp hoặc phẫu thuật. Bộ truyền động cycloidal (cycloidal drive) chịu được tải trọng va đập cao hơn. Một số robot sử dụng cả hai loại ở các khớp khác nhau.
Điện, Cảm biến và Bộ phận tác động cuối
Lớp điện tử kết nối mọi thứ lại với nhau. Động cơ cần nguồn điện. Bộ điều khiển thực thi logic. Cảm biến cung cấp phản hồi về vị trí, lực và khoảng cách. Các loại phổ biến bao gồm bộ mã hóa, cảm biến momen xoắn và lidar. Đây là những thành phần phổ biến trong hầu hết mọi thiết kế robot tự hành.
Các bộ phận cuối của robot đóng vai trò như bàn tay của robot. Chúng có thể là các bộ kẹp, mỏ hàn hoặc camera. Một robot gắp và đặt có thể sử dụng bộ kẹp hút chân không. Một robot hàn sử dụng mỏ hàn có hệ thống cấp dây. Tất cả các thành phần robot tự hành này phải hoạt động cùng nhau. Độ chính xác của hộp số ảnh hưởng đến vị trí của bộ phận cuối. Độ chính xác của cảm biến giới hạn khả năng điều chỉnh lỗi của bộ điều khiển. Vì vậy, mọi bộ phận đều quan trọng.
Quy trình sản xuất các linh kiện robot tự hành
Mỗi bộ phận robot đều bắt đầu bằng việc lựa chọn phương pháp chế tạo. Không thể tách rời hình dạng của một bộ phận khỏi cách thức chế tạo nó. Một vỏ khớp nối có các hốc sâu cần một phương pháp nhất định. Một phôi bánh răng trơn nhẵn cần một phương pháp khác. Các quy trình sản xuất bạn chọn sẽ quyết định dung sai, độ hoàn thiện bề mặt và chi phí cuối cùng. Vì vậy, hãy cùng xem xét các lựa chọn chính và xem mỗi lựa chọn phù hợp với vị trí nào.
Gia công CNC và sản xuất chính xác
Gia công CNC là công cụ chủ lực trong sản xuất chính xác. Một dụng cụ quay cắt kim loại hoặc nhựa thành hình dạng gần giống với sản phẩm cuối cùng. Máy hoạt động theo tệp kỹ thuật số, do đó mọi chi tiết đều giống nhau. Điều này rất quan trọng khi bạn cần hàng trăm giá đỡ hoặc tấm nối giống hệt nhau.
Độ chính xác là điểm mạnh của máy CNC. Một xưởng gia công tốt sẽ đặt ra giới hạn chặt chẽ cho các chi tiết quan trọng như đường kính lỗ ổ bi và lỗ lắp đặt. Bề mặt hoàn thiện cũng phải đủ nhẵn mịn cho các gioăng và tiếp xúc trượt. Mức độ kiểm soát đó là lý do tại sao gia công chính xác cao lại phù hợp với vỏ hộp số, giá đỡ bộ truyền động và giá đỡ cảm biến đến vậy.
Điều đáng chú ý là không phải mọi xưởng gia công đều cho ra kết quả như nhau. Các công ty như NOBLE, một công ty sản xuất hàng đầu tại Trung Quốc, kết hợp gia công CNC chính xác với dịch vụ hỗ trợ toàn diện. Họ đảm nhiệm việc tạo mẫu và sản xuất hàng loạt các linh kiện robot tự hành, từ sản phẩm mẫu đầu tiên đến sản xuất hàng loạt. Một đối tác như vậy rất quan trọng khi thiết kế của bạn có hình dạng phức tạp.
Từ góc độ thực tiễn, gia công chính xác bao gồm các bộ phận chịu tải hoặc giữ thẳng hàng. Hãy nghĩ đến vỏ hộp giảm tốc chính xác. Lỗ khoan của nó phải khớp hoàn hảo với trục động cơ. Bất kỳ sự lệch nào ở đó đều thể hiện dưới dạng độ rơ ở đầu cuối của bộ phận chấp hành. Vì vậy, quá trình này bảo vệ toàn bộ chuỗi chuyển động.
Đúc, rèn và ép phun
Không phải mọi chi tiết đều cần được cắt từ một khối đặc. Đúc là quá trình rót kim loại nóng chảy vào khuôn. Phương pháp này phù hợp với các hình dạng phức tạp như tấm đế robot và các đoạn cánh tay robot. Nhược điểm là dung sai lỏng lẻo hơn so với gia công CNC. Bạn thường cần gia công thêm một lần nữa trên các mặt quan trọng.
Quá trình rèn xử lý kim loại dưới áp lực. Cấu trúc hạt trở nên đặc hơn và bền hơn. Điều đó giúp ích cho các bộ phận chịu tải trọng va đập, chẳng hạn như khớp cổ tay hoặc các khớp chịu tải nặng. Sau đó là công đoạn gia công hoàn thiện để đạt được kích thước cuối cùng.
Ép phun nhựa áp dụng ý tưởng tương tự vào nhựa. Hạt nhựa tan chảy và lấp đầy khuôn thép. Bạn có thể sản xuất nắp đậy, vỏ máy và các kẹp nhỏ một cách nhanh chóng và rẻ tiền với số lượng lớn. Chi phí khuôn ban đầu khá cao. Vì vậy, phương pháp này chỉ hiệu quả khi bạn cần sản xuất nhiều sản phẩm giống hệt nhau.
Gia công kim loại tấm hỗ trợ tất cả những điều này. Uốn và dập tạo ra các giá đỡ, tấm và tấm gắn. Đây là một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí để xây dựng khung bao quanh các thiết bị điện tử của bạn.
DMLS và các phương pháp phụ gia
Công nghệ thiêu kết laser kim loại trực tiếp, hay DMLS, chế tạo các bộ phận từng lớp một từ bột kim loại. Nó thay đổi những gì các nhà thiết kế có thể thực hiện. Bạn không còn bị giới hạn bởi hình dạng mà dụng cụ cắt có thể tiếp cận nữa.
Lợi ích đối với việc sản xuất linh kiện robot là có thật:
- Công nghệ DMLS cho phép in các bộ phận robot tự hành có hình dạng hình học phức tạp phục vụ cho các ứng dụng robot.
- Các bộ phận này có thể tích hợp các kênh làm mát bên trong.
- Chúng có cấu trúc dạng lưới nhẹ giúp giảm trọng lượng tổng thể.
- Chúng đạt được tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng cao, mang lại lợi ích cho các bộ phận cuối của robot.
Điểm cuối cùng đó rất quan trọng. Bộ phận cuối nhẹ hơn cho phép động cơ servo di chuyển nhanh hơn với mô-men xoắn thấp hơn. Các kênh bên trong giúp tản nhiệt khỏi các điểm nhạy cảm. Lõi dạng lưới giúp giảm khối lượng mà không làm giảm độ cứng.
Điểm mấu chốt nằm ở độ hoàn thiện và dung sai. Bề mặt DMLS sau khi gia công thường thô hơn so với bề mặt được gia công bằng máy. Các mặt quan trọng thường cần gia công nhẹ thêm một lần nữa. Vì vậy, các phương pháp gia công bồi đắp và gia công cắt gọt thường được sử dụng kết hợp với nhau.
Từ góc độ thực tiễn, các quy trình sản xuất cho các hệ thống con của robot hiếm khi hoạt động độc lập. Một cánh tay robot có thể kết hợp đế đúc, khớp nối rèn, bộ phận đầu cuối DMLS và các lỗ khoan được gia công CNC. Mỗi phương pháp đều có vị trí riêng của nó. Kỹ năng nằm ở việc lựa chọn quy trình phù hợp với hình dạng, tải trọng và khối lượng cần thiết.
Vật liệu cho các bộ phận robot tự hành
Việc lựa chọn vật liệu cho một bộ phận robot đòi hỏi phải tìm ra sự cân bằng. Bạn cần so sánh bốn yếu tố: trọng lượng, độ bền, khả năng chống gỉ và chi phí. Khi thay đổi một trong bốn yếu tố, các yếu tố khác cũng sẽ thay đổi theo. Một cánh tay robot nhẹ hơn sẽ di chuyển nhanh hơn, nhưng nó có thể bị cong dưới tải trọng. Một hợp kim bền hơn sẽ giữ được hình dạng, nhưng nó đắt hơn và mất nhiều thời gian hơn để gia công. Vì vậy, lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào chức năng thực sự của bộ phận đó.
Nhôm và hợp kim của nó
Nhôm là lựa chọn hàng đầu cho các bộ phận như tay đỡ, giá đỡ và vỏ bọc. Nó nhẹ, dễ gia công và chống gỉ sau khi được anot hóa. Loại 6061-T6 thường được sử dụng trong các cánh tay robot. Nó hàn tốt và có giá thành vừa phải. Loại 7075-T6 mạnh hơn nhưng khó hàn hơn. Các chỉ số về độ bền mỏi cho thấy sự khác biệt.
| Hợp kim | Sức mạnh mệt mỏi | chu kỳ |
| 6061-T6 | 14,000 psi (96 MPa) | 5 × 10 ^ 8 |
| 7075-T6 | 23,000 psi (159 MPa) | 5 × 10 ^ 8 |
Hợp kim 7075-T6 có khả năng chịu mỏi tốt hơn khoảng 1.6 lần. Điều này khiến nó trở nên phù hợp cho các bộ phận chịu tải lặp đi lặp lại, chẳng hạn như các bộ phận xe hiệu suất cao. Đối với một cánh tay robot thay đổi hướng hàng nghìn lần mỗi ngày, sự khác biệt này rất quan trọng.
Thép không gỉ và Titan
Thép không gỉ có khả năng chống gỉ và độ bền cao. Loại 17-4 PH là lựa chọn hàng đầu cho các bộ phận robot tự hành phải chịu ứng suất và độ ẩm. Nó có thể được xử lý nhiệt để đạt được độ bền kéo tối đa gần 1,300 MPa (190,000 psi). Mô đun đàn hồi của nó khoảng 197 GPa. Điều kiện xử lý nhiệt sẽ ảnh hưởng đến kết quả, như biểu đồ bên dưới cho thấy.
Titan, đặc biệt là Ti-6Al-4V, rất phù hợp cho các ứng dụng robot đòi hỏi cao. Nó kết hợp độ bền cao với mật độ thấp và khả năng chống gỉ tuyệt vời. Nhược điểm là giá thành cao và khó gia công. Bạn chỉ sử dụng nó khi việc tiết kiệm trọng lượng đáng giá với chi phí bỏ ra.
Nhựa kỹ thuật và vật liệu tổng hợp
Nhựa giúp giảm trọng lượng và chi phí. Vỏ polycarbonate chịu được va đập. Acetal và nylon thích hợp cho các bánh răng và bạc lót trượt hoặc quay. Trong một số thiết kế, chúng không cần bôi trơn. Vật liệu composite sợi carbon còn vượt trội hơn nữa. Chúng mang lại độ cứng cao với khối lượng thấp, giúp ích cho các cánh tay chuyển động nhanh. Nhược điểm là chi phí và độ khó khi ghép nối chúng. Bạn không thể hàn chúng như kim loại. Vì vậy, bạn phải thiết kế dựa trên các ốc vít hoặc chất kết dính.
Sản xuất chính xác kết nối mọi thành phần của robot tự hành.
Robot là một hệ thống, không chỉ là một đống các bộ phận riêng lẻ. Cánh tay robot, hộp số, động cơ và cảm biến chỉ hoạt động tốt khi chúng được sắp xếp thẳng hàng thành một khối thống nhất. Đó là lúc sản xuất chính xác phát huy tác dụng. Nó là sợi dây liên kết các bộ phận cơ khí, truyền động và điện thành một cỗ máy hoạt động hoàn chỉnh. Khi làm đúng, robot sẽ di chuyển trơn tru. Khi làm sai, mọi lỗi đều hiển thị ở đầu dụng cụ.
Dung sai và độ chính xác kích thước
Sai số tích lũy là vấn đề tiềm ẩn trong mọi cụm lắp ráp. Robot không bao giờ nhìn thấy các kích thước riêng lẻ. Trục dẫn động động cơ, lỗ ổ bi, mặt lắp hộp số, tâm trục và các lỗ định vị đều tương tác với nhau. Mỗi chi tiết có thể vượt qua kiểm tra riêng lẻ. Nhưng sự biến đổi kết hợp của chúng vẫn đẩy cụm lắp ráp cuối cùng lệch khỏi vị trí chính xác. Sự lệch này làm giảm độ chính xác định vị, ngay cả khi robot lặp lại cùng một vị trí sai trong mỗi chu kỳ. Khả năng lặp lại và độ chính xác không giống nhau, và đây chính là lý do tại sao.
Các số liệu đã chứng minh điều này. Trong một thí nghiệm robot công nghiệp được công bố, các nhà nghiên cứu của NIST đã giảm sai số định vị trung bình xuống 97%, chỉ còn 0.3 mm, thông qua việc định vị và hiệu chuẩn tốt hơn. Đó là một bước tiến rất lớn. Tuy nhiên, việc hiệu chuẩn không bao giờ được phép bỏ qua một vấn đề căn chỉnh cơ khí mà bạn hoàn toàn có thể tránh được. Trước khi sản xuất, hãy xem xét lại cấu trúc điểm chuẩn, chuỗi dung sai, các bộ phận robot tự hành ghép nối, phương pháp kiểm tra và độ ổn định gia công. Nếu không, một giá đỡ động cơ được gia công hoàn hảo sẽ trở thành một khớp robot bị lệch.
Đây là cách mà sản xuất chính xác kết nối mọi thành phần. Dung sai kích thước chặt chẽ trên các trục ổ bi, vòng bi con lăn và mặt lắp đặt bộ giảm tốc hài hòa giữ cho chuỗi truyền động hoạt động ổn định. Thông thường, các chi tiết này nằm trong phạm vi ISO H6/h6, đảm bảo khe hở giúp chuỗi truyền động hoạt động chính xác. Khoảng cách tâm bánh răng hành tinh cũng được giữ ở dung sai chặt chẽ. Các trục dẫn hướng stato động cơ được quy định theo giới hạn ISO h6. Đó không phải là những con số phù phiếm. Chúng quyết định liệu bộ giảm tốc chính xác của bạn có giữ được vị trí hay bị lệch dưới tải trọng.
Hoàn thiện bề mặt và độ vừa vặn
Độ khít phụ thuộc vào độ hoàn thiện. Một ổ bi được ép vào một lỗ khoan thô ráp sẽ không bao giờ khớp hoàn hảo như bản vẽ thiết kế. Răng bánh răng cũng vậy. Bánh răng có độ chính xác cao duy trì dung sai nghiêm ngặt về biên dạng và bước răng phù hợp với cấp độ của chúng, với độ nhám bề mặt được giữ ở mức thấp để hỗ trợ chuyển động đáng tin cậy. Tiêu chuẩn ISO 1328 phân loại độ chính xác của bánh răng thành các cấp độ bao gồm bước răng, độ dày răng, biên dạng, độ lệch tâm và khe hở. Mỗi yếu tố đều ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và khả năng lặp lại của chuyển động.
Hãy nghĩ về tác động của độ rơ lên hộp số chính xác. Một khe hở nhỏ ở bộ giảm tốc sẽ trở thành sự rung lắc rõ rệt ở đầu cánh tay robot. Việc căn chỉnh cảm biến cũng bị ảnh hưởng. Một bộ mã hóa đọc trục bị lệch tâm sẽ báo cáo vị trí mà cánh tay robot chưa bao giờ đạt tới. Vì vậy, độ hoàn thiện bề mặt và độ khít không chỉ là chi tiết thẩm mỹ. Chúng là nền tảng vật lý cho cách các bộ phận của robot tự hành hoạt động cùng nhau.
Kiểm tra, Thử nghiệm và Tiêu chuẩn
Bạn không thể khẳng định độ chính xác nếu không thể đo lường được. Máy đo tọa độ đã thay đổi khía cạnh này trong sản xuất các bộ phận robot. Dưới đây là những lợi ích mà chúng mang lại:
- Máy đo tọa độ (CMM) loại bỏ sai sót của con người trong quá trình đo bằng cách chuẩn hóa việc kiểm tra với độ chính xác ở mức micromet, giúp giảm thiểu việc loại bỏ sai và các khuyết tật không được phát hiện.
- Hệ thống này phát hiện sai lệch sớm thông qua kiểm tra thời gian thực, giúp bạn khắc phục quy trình trước khi toàn bộ lô hàng bị hỏng.
- Chúng xử lý hình học phức tạp bằng cách thu thập hàng ngàn điểm dữ liệu trên các bề mặt phức tạp.
- Họ cải thiện khả năng kiểm soát quy trình bằng cách theo dõi xu hướng mài mòn dụng cụ và tối ưu hóa các thông số gia công.
- Họ lập ra các báo cáo chi tiết hỗ trợ việc tuân thủ chất lượng và giảm rủi ro bị từ chối trong quá trình kiểm tra của khách hàng.
Các nền tảng CMM hiện đại bổ sung kiến trúc mở theo tiêu chuẩn I++DME, khả năng đa cảm biến với các tùy chọn thị giác, ánh sáng cấu trúc và siêu âm, cùng khả năng định vị 5 trục giúp tăng tốc độ kiểm tra đáng kể so với phương pháp 3 trục truyền thống. Các thiết bị chuyên dụng trong xưởng sản xuất giúp hoàn thiện vòng phản hồi giữa quá trình đo lường và gia công.
Các tiêu chuẩn tạo ra một ngôn ngữ chung cho tất cả những điều này. ISO 1328 quy định độ chính xác của bánh răng. ISO H6 và các cấp độ lắp ghép h6 quy định đường kính lỗ và trục. Cùng với việc kiểm tra nghiêm ngặt, chúng biến các bộ phận robot tự hành được chế tạo chính xác với dung sai chặt chẽ thành một hệ thống mà bạn có thể tin tưởng. Niềm tin đó thể hiện ở độ chính xác, khả năng lặp lại, khả năng chịu tải và tuổi thọ. Các bộ phận được chế tạo chính xác và các bộ phận robot tự hành chính xác chỉ có ý nghĩa khi toàn bộ chuỗi hoạt động trơn tru. Vì vậy, hãy coi độ chính xác gia công, kiểm tra và lắp ráp là một quy trình liên tục. Đó là cách các bộ phận robot tự hành trở thành một robot hoàn chỉnh.
Các yếu tố cần cân nhắc trong thiết kế sản xuất linh kiện robot tự hành
Mỗi lựa chọn thiết kế bạn đưa ra đều đóng lại một số cánh cửa và mở ra những cánh cửa khác. Chọn thành mỏng thì phương pháp đúc khuôn cát không còn khả thi. Chọn hốc sâu thì phương pháp đúc đơn giản cũng không dùng được. Vì vậy, thiết kế và quy trình sản xuất phải đi cùng nhau. Bạn không thể tách chúng ra.
Trọng lượng, sức mạnh và sự cân bằng
Các bộ phận nhẹ di chuyển nhanh hơn. Đó là sự thật đơn giản đằng sau hầu hết thiết kế robot. Nhưng các bộ phận nhẹ cũng dễ bị uốn cong hơn. Vì vậy, bạn cần tìm sự cân bằng phù hợp. Tối ưu hóa cấu trúc giúp ích cho việc này. Một nghiên cứu đã báo cáo sự giảm đáng kể khối lượng trong khi vẫn duy trì độ bền và độ chính xác. Một nghiên cứu khác đã giảm khối lượng đáng kể trong khi vẫn giữ được độ cứng. Vì vậy, bạn có thể giảm trọng lượng mà không làm mất độ cứng. Bạn chỉ cần phương pháp phù hợp.
Cân bằng cũng rất quan trọng. Một bộ phận cuối nặng sẽ buộc phải sử dụng động cơ servo lớn hơn. Động cơ servo lớn hơn lại làm tăng thêm trọng lượng. Vòng luẩn quẩn đó không bao giờ kết thúc tốt đẹp. Vì vậy, hãy giữ khối lượng gần với phần đế khi có thể.
Các yếu tố nhiệt và môi trường
Nhiệt độ làm thay đổi kích thước. Một bộ phận vừa khít ở nhiệt độ phòng có thể bị kẹt ở 60°C. Lớp phủ cứng giúp kiểm soát điều này. Mạ crom cứng hoặc anot hóa cứng cung cấp độ cứng bề mặt (tối thiểu 30Rc) để ngăn các vòng đệm làm mài mòn trục nhôm hoặc polymer. Các lớp phủ crom mỏng, đặc có thể được lắng đọng chính xác, giúp kiểm soát sự giãn nở nhiệt.
Rung động là một sát thủ thầm lặng khác. Một cổ tay giảm chấn tùy chỉnh nhắm vào các tần số rung động quan trọng. Giảm chấn thụ động đã giảm đáng kể độ rung trong quá trình thử nghiệm. Bộ giảm chấn thụ động vượt trội hơn bộ giảm chấn chủ động ở điểm này. Chúng không làm tăng thêm nhiều trọng lượng, kích thước hoặc tiêu thụ năng lượng. Hệ thống chủ động có nguy cơ gây mất ổn định và chiếm nhiều không gian. Vì vậy, đối với nhiều cánh tay robot, giảm chấn thụ động là lựa chọn thông minh hơn.
Thiết kế hướng đến khả năng sản xuất và lắp ráp
Thiết kế để dễ sản xuất bắt đầu từ việc xem xét quy trình. Một chi tiết dành cho gia công CNC cần có khả năng tiếp cận dụng cụ. Một chi tiết dành cho đúc khuôn cần có góc nghiêng và thành đồng nhất. Bỏ qua những nguyên tắc này, bạn sẽ phải trả nhiều tiền hơn. Bạn cũng sẽ phải chờ lâu hơn.
Thiết kế tối ưu hóa sản xuất cũng bao gồm cả khâu lắp ráp. Ít chi tiết hơn đồng nghĩa với ít mối nối hơn. Ít mối nối hơn đồng nghĩa với việc giảm thiểu sai số tích lũy. Vì vậy, hãy nhóm các chi tiết thành một khối gia công duy nhất khi có thể. Sử dụng các chi tiết tự định vị. Chuẩn hóa các loại ốc vít trong toàn bộ sản phẩm. Những lựa chọn này giúp tăng tốc độ sản xuất các bộ phận bằng robot và giảm thiểu các nguồn gây lỗi. Thiết kế tốt cho sản xuất và lắp ráp không phải là công việc thêm vào, mà chính là công việc cần làm.
Các thành phần robot tự hành tùy chỉnh so với các thành phần tiêu chuẩn
Mỗi dự án chế tạo robot đều đi đến cùng một lựa chọn. Bạn mua một bộ phận đã được sản xuất sẵn, hay đặt làm riêng một bộ phận cho mình? Câu trả lời của bạn sẽ ảnh hưởng đến chi phí, thời gian giao hàng và hiệu quả hoạt động. Nó cũng ảnh hưởng đến cách các bộ phận còn lại của hệ thống hoạt động cùng nhau.
Khi các bộ phận tiêu chuẩn phù hợp
Các bộ phận tiêu chuẩn có ưu thế về chi phí và tốc độ. Một bộ kẹp có sẵn trong danh mục hoặc một hộp số có sẵn sẽ được giao trong vài ngày, chứ không phải vài tuần. Khuôn mẫu đã có sẵn. Vì vậy, giá thành mỗi đơn vị vẫn thấp, ngay cả đối với các đơn hàng nhỏ. Đối với một robot Cartesian di chuyển các hộp trên một lưới cố định, một bộ kẹp tiêu chuẩn thường hoạt động tốt. Nhiệm vụ lặp đi lặp lại theo cùng một cách. Các bộ phận đều giống nhau. Không có gì ép buộc thiết kế vào một tình huống khó khăn.
Các bộ phận tiêu chuẩn cũng giúp việc bảo trì dễ dàng hơn. Khi một khớp nối bị hỏng, bạn chỉ cần thay thế bằng một bộ phận mới có sẵn. Không cần bản vẽ, không cần chờ đợi xưởng gia công. Điều này rất quan trọng đối với các hệ thống robot tự hành được phân bố rộng rãi trong kho. Nhược điểm là độ khớp. Một bộ phận tiêu chuẩn cung cấp cho bạn kích thước mà nhà sản xuất đã chọn, chứ không phải kích thước mà thiết kế của bạn cần.
Khi sản xuất theo yêu cầu mang lại giá trị gia tăng
Việc chế tạo theo yêu cầu sẽ mang lại hiệu quả khi nhiệm vụ vượt quá khả năng của một bộ phận có sẵn trong kho. Ví dụ như thao tác gắp và đặt dụng cụ phẫu thuật. Một bộ kẹp tiêu chuẩn không thể gắp được một chiếc dập ghim nặng, tỷ lệ thành công là 0%. Một bộ phận gắp theo yêu cầu đã đạt tỷ lệ thành công 100% trong cùng nhiệm vụ đó. Nó cũng đặt các dụng cụ vào giá đỡ một cách hoàn hảo, trong khi bộ phận tiêu chuẩn thất bại trong mọi lần thử.
| Kịch bản | Bộ phận cuối tùy chỉnh | Kẹp tiêu chuẩn |
| Chọn máy dập ghim loại nặng | 100% thành công | 0% thành công |
| Đặt nhạc cụ vào giá đỡ | 100% thành công | 0% thành công |
| Dung sai dịch chuyển trục | Hào phóng | Không áp dụng |
| Dung sai xoay ngang | Hào phóng | Không áp dụng |
Khoảng cách này xuất phát từ các chi tiết thiết kế. Hai điểm tiếp xúc được bố trí dọc theo trục giúp phân tán tải trọng và ngăn ngừa hiện tượng nghiêng. Một khớp nối không được che chắn cho phép thiết bị quay quanh khối lượng lệch tâm của chính nó, cho phép căn chỉnh theo phương thẳng đứng trong không gian chật hẹp. Đây là các bộ phận robot tự hành được sản xuất theo yêu cầu riêng, thực hiện những điều mà không một bộ kẹp tiêu chuẩn nào có thể làm được.
Sự đánh đổi ở cấp độ hệ thống
Các lựa chọn tích hợp ảnh hưởng đến toàn bộ máy móc. Kiến trúc điều khiển là một ví dụ điển hình. Điều khiển tập trung chỉ sử dụng một bộ xử lý và một chương trình, phù hợp với các máy móc đơn giản. Việc đi dây tại hiện trường trên các hệ thống lớn có thể chiếm một phần đáng kể chi phí lắp đặt. Điều khiển phân tán giúp giảm bớt việc đi dây bằng cách sử dụng các nút cục bộ trên một cáp mạng duy nhất, nhưng lại bổ sung thêm các bộ chuyển mạch, bảng đấu nối và cáp quang.
Tiêu chí lựa chọn khá rõ ràng. Điều khiển tập trung thường đơn giản hơn đối với các hệ thống nhỏ, trong khi điều khiển phân tán trở nên tiết kiệm hơn khi quy mô hệ thống tăng lên. Hệ thống phân tán cũng kiểm soát lỗi tốt hơn, vì một lỗi không làm dừng toàn bộ dây chuyền. Chúng mở rộng quy mô bằng cách thêm một nút, chứ không phải bằng cách viết lại một chương trình nguyên khối. Vấn đề nằm ở kỹ năng. Khắc phục sự cố mạng đòi hỏi nhân viên phải hiểu về mạng, chứ không chỉ là logic bậc thang.
Vì vậy, sự lựa chọn không bao giờ chỉ xoay quanh một bộ phận đơn lẻ. Nó liên quan đến cách bộ phận đó, quy trình của nó và lớp điều khiển của nó hoạt động như một hệ thống tổng thể.
NOBLE: Đối tác cung cấp linh kiện robot tự hành
Những sản phẩm tốt không tự nhiên mà có. Chúng đến từ một xưởng biết cách cắt kim loại và cả cách xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh. NOBLE chuyên gia công kim loại và nhựa cho robot. Sự chuyên tâm đó rất quan trọng khi thiết kế của bạn sử dụng vỏ nhôm, trục thép và nắp nhựa cùng một lúc.
Gia công kim loại và nhựa
NOBLE chuyên gia công chính xác cả kim loại và nhựa. Phạm vi sản phẩm bao gồm tất cả các loại linh kiện robot. Bạn có thể nhận được các bộ phận từ tay robot bằng nhôm, khớp nối bằng thép và bạc lót bằng nhựa từ một đối tác duy nhất. Thông thường, việc thay đổi vật liệu giữa chừng dự án đồng nghĩa với việc phải thay đổi xưởng sản xuất. Nhưng ở đây thì không.
Xưởng này kết hợp sản xuất chính xác với hỗ trợ toàn diện. Cả việc tạo mẫu thử và sản xuất hàng loạt đều diễn ra tại cùng một nơi. Vì vậy, chi tiết đầu tiên và chi tiết thứ mười nghìn của bạn đều sử dụng cùng một quy trình. Sự nhất quán đó là điều mà các bộ phận robot chất lượng cao cần có. Nó cũng giúp giảm thời gian giữa việc phê duyệt thiết kế và lô hàng đầu tiên.
Chứng nhận và chất lượng
Chứng nhận cho thấy nhà cung cấp có hệ thống chứ không chỉ là máy móc. Các chứng nhận như ISO 9001:2015 về quản lý chất lượng chung và ISO 13485:2016 về thiết bị y tế rất quan trọng đối với các nhà cung cấp trong lĩnh vực robot. Hệ thống chất lượng của NOBLE tuân thủ các tiêu chuẩn này.
Hỗ trợ từ thiết kế đến lắp ráp
NOBLE không chỉ sản xuất linh kiện. Đội ngũ của họ hỗ trợ từ khâu thiết kế đến lắp ráp. Điều đó có nghĩa là họ đưa ra lời khuyên về thiết kế để sản xuất trước khi bắt đầu bất kỳ công đoạn gia công nào. Điều đó có nghĩa là dữ liệu kiểm tra giúp cải thiện quy trình. Điều đó có nghĩa là các linh kiện được hoàn thiện sẵn sàng để lắp ráp, không cần thêm bất kỳ công đoạn nào khác.
Điều này rất quan trọng đối với việc chế tạo các bộ phận robot. Một vỏ hộp số có điểm tham chiếu sai có thể làm lãng phí hàng tuần trời. Một đối tác phát hiện ra rủi ro đó sớm sẽ tiết kiệm được những tuần quý giá. Trên thực tế, việc chế tạo các bộ phận cho robot sẽ mang lại lợi ích cho các xưởng sản xuất biết suy nghĩ vượt ra ngoài việc chỉ đơn thuần cắt gọt. NOBLE thể hiện điều đó trong mỗi báo giá.
Việc lựa chọn linh kiện, quy trình sản xuất, độ chính xác và vật liệu đều có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Thay đổi một yếu tố sẽ dẫn đến thay đổi ở các yếu tố khác. Một cánh tay robot nhẹ hơn cần loại hợp kim phù hợp. Một khớp nối chắc chắn cần dung sai chính xác. Sản xuất chính xác là mắt xích giữ cho mọi linh kiện của robot tự hành hoạt động như một hệ thống đáng tin cậy. Vì vậy, hãy xem xét thiết kế của bạn với tất cả những yếu tố này trong tâm trí. Hãy tự hỏi mỗi bộ phận sẽ được chế tạo như thế nào, độ khít cần thiết là bao nhiêu và nó được làm bằng vật liệu gì. Những quyết định sản xuất tốt hơn sẽ dẫn đến chuyển động mượt mà hơn, tuổi thọ cao hơn và các hệ thống tự hành có khả năng hơn trong tương lai.
Câu hỏi thường gặp về các thành phần của robot tự hành
Các bộ phận của robot tự hành là gì?
Chúng là những bộ phận cơ bản mà mọi robot đều cần. Bộ truyền động, khớp nối, cánh tay, vỏ, hộp số, động cơ, bộ điều khiển, cảm biến và bộ phận cuối cánh tay robot đều rất quan trọng. Mỗi bộ phận chỉ hoạt động tốt khi quy trình, độ chính xác và vật liệu của nó phù hợp với nhiệm vụ được giao.
Loại vật liệu nào phù hợp nhất cho cánh tay robot?
Điều đó phụ thuộc vào tải trọng. Nhôm 6061-T6 nhẹ và dễ gia công. Nhôm 7075-T6 chịu được mỏi tốt hơn. Thép không gỉ 17-4 PH có độ bền cao cho tải trọng nặng. Titan Ti-6Al-4V giúp tiết kiệm trọng lượng khi chi phí không phải là mối quan tâm chính.
Dung sai của các bộ phận robot cần phải chính xác đến mức nào?
Các chi tiết quan trọng cần có giới hạn chặt chẽ. Các trục ổ bi và mặt lắp hộp giảm tốc hài hòa thường nằm trong phạm vi ISO H6/h6, đảm bảo độ chính xác cao. Khoảng cách tâm bánh răng hành tinh cũng cần tuân thủ dung sai chặt chẽ. Dung sai lỏng lẻo sẽ gây ra hiện tượng rơ và lệch trục.
Khi nào thì nên chọn gia công CNC thay vì đúc?
Chọn gia công CNC cho các bộ phận chịu tải và cần độ chính xác cao. Phương pháp này giữ được dung sai và độ hoàn thiện bề mặt tốt. Đúc phù hợp với các hình dạng phức tạp như tấm đế, nhưng cần gia công thêm một lần nữa trên các mặt quan trọng. Rèn thích hợp cho các bộ phận chịu tải trọng va đập.
Công nghệ DMLS mang lại lợi ích gì cho việc sản xuất linh kiện bằng robot?
Công nghệ DMLS chế tạo các bộ phận kim loại từng lớp một. Nó cho phép tạo ra các kênh làm mát bên trong và cấu trúc lưới nhẹ. Điều này giúp giảm khối lượng trong khi vẫn duy trì độ cứng cao. Bề mặt sau khi chế tạo thường thô ráp, vì vậy các mặt quan trọng thường cần được gia công nhẹ thêm sau đó.
Tại sao sự tích lũy dung sai lại quan trọng trong mối nối?
Robot không bao giờ nhìn thấy các kích thước riêng lẻ. Trục dẫn động động cơ, lỗ ổ trục và mặt hộp số đều tương tác với nhau. Mỗi chi tiết có thể vượt qua kiểm tra riêng biệt. Tuy nhiên, sự biến đổi tổng hợp của chúng vẫn làm thay đổi cấu hình lắp ráp cuối cùng. Điều đó làm giảm độ chính xác và tính lặp lại của việc định vị.
Khi nào thì việc sử dụng đầu kẹp tùy chỉnh là đáng giá?
Việc chế tạo theo yêu cầu riêng sẽ mang lại hiệu quả khi một bộ phận có sẵn không thể hoàn thành nhiệm vụ. Trong một thử nghiệm so sánh, một bộ kẹp tiêu chuẩn đã không thể kẹp được một chiếc dập ghim nặng. Một bộ phận kẹp tùy chỉnh đã đạt được tỷ lệ thành công 100% trong cùng một công việc. Chính những chi tiết thiết kế đã tạo nên sự khác biệt.
Nhà cung cấp linh kiện robot cần có những chứng nhận nào?
Hãy tìm kiếm tiêu chuẩn ISO 9001:2015 làm tiêu chuẩn chất lượng cơ bản. Đối với công việc liên quan đến thiết bị y tế, tiêu chuẩn ISO 13485:2016 quy định việc quản lý chất lượng. Các nhà cung cấp uy tín đều tuân thủ các tiêu chuẩn này.
