หุ่นยนต์ในงานอุตสาหกรรม

หุ่นยนต์ในโรงงานอุตสาหกรรม

โครงสร้างตัวหุ่นยนต์ (Robot Structure)

จากตอนที่แล้วผมได้เกริ่นนำเกี่ยวกับเรื่องของระบบหุ่นยนต์อุตสาหกรรมให้กับทุกๆ ท่านทราบแล้วนะครับว่าสถานการณ์ในปัจจุบันนั้นกำลังมีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก การปรับตัวของภาคอุตสาหกรรมการผลิตเองก็ต้องมีการปรับตัวเพื่อให้สามารถแข่งขันได้ในตลาดธุรกิจ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่นำมาช่วยในกระบวนการผลิตจึงเป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีเครื่องจักกลอัตโนมัติที่สำคัญเลยทีเดียว และในตอนที่ 2 จะเป็นการแนะนำให้ทุกท่านได้รู้จักกับหุ่นยนต์ในงานอุตสาหกรรมมากยิ่งขึ้น เพื่อเตรียมความพร้อมก่อนที่จะสามารถโปรแกรมการทำงานของมันได้ นั่นก็คือ โครงสร้างของตัวหุ่นยนต์และลักษณะการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์นั่นเอง ทั้งนี้ จากที่ทุกท่านทราบกันแล้วนะครับว่าองค์ประกอบของระบบการควบคุมหุ่นยนต์พื้นฐานนั้นจะมีอยู่ด้วยกัน 3 ส่วน ประกอบด้วย

1. ตัวหุ่น หรือ Robot Boy หรือ Manipulator
2. อุปกรณ์ควบคุมหุ่นและโปรแกรมหุ่น (Programming Pendent)
3. Controller & Amplifier Set

องค์ประกอบทั้ง 3 ส่วนที่กล่าวมาข้างต้นนั้นเรียกได้ว่าเป็นสิ่งที่สำคัญมาก เพราะเนื่องจากการควบคุมการทำงานของหุ่นยนต์หรือการโปรแกรมหุ่นยนต์ให้สามารถทำงานได้นั้น จะต้องมีความรู้ในข้อมูลที่เกี่ยวกับรายละเอียดที่สำคัญของตัวหุ่นยนต์ด้วยจึงจะสามารถโปรแกรมหุ่นยนต์ได้อย่างถูกต้อง สำหรับตอนนี้จะขอกล่าวถึงรายละเอียดในส่วนขององค์ประกอบตัวแรก คือ ‘ตัวหุ่นยนต์’

โครงสร้างตัวหุ่นยนต์

ตัวหุ่นยนต์ (Robot Body / Manipulator) เป็นส่วนที่สำคัญที่สุด เพราะเวลาที่เราจะพิจารณาเลือกใช้หุ่นยนต์สักตัวเพื่อทำมาใช้ช่วยในกระบวนการผลิตจะต้องคำนึงถึงลักษณะของงาน พื้นที่ สิ่งแวดล้อม เนื่องจากตัวหุ่นยนต์นั้นเป็นส่วนที่ต้องนำมาใช้ในกระบวนการทำงานอยู่ตลอดเวลา ซึ่งลักษณะงานที่แตกต่างกันก็จะเป็นตัวบ่งบอกในเรื่องของขนาดโครงสร้างของตัวหุ่นยนต์ด้วย ซึ่งตรงนี้หลายๆ ท่านอาจนึกภาพออก ซึ่งถ้าเปรียบเทียบกับคน หากคนที่ตัวเล็กอาจยกของได้น้อยกว่าคนตัวใหญ่นั่นเอง ดังนั้น เราจึงต้องมาศึกษาให้เข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของตัวหุ่นยนต์ก่อนว่าประกอบไปด้วยอะไรบ้าง เพราะหากเราไม่ทราบเราก็จะไม่สามารถโปรแกรมหุ่นยนต์ให้ทำงานได้ ที่สำคัญ คือ เราจะคุยกับคนอื่นไม่รู้เรื่องอีกด้วย

หุ่นยนต์งานเชื่อมกระบวนการเชื่อมอัตโนมัติ

กระบวนการเชื่อมที่ใช้ในงานก่อสร้าง ท่อลำเลียงก๊าซธรรมชาติระยะทางไกลๆ ที่เชื่อมโยงระหว่างประเทศและข้ามประเทศนำมาสู่ที่พักอาศัยเพื่อใช้สำหรับการประกอบอาหาร และให้ความร้อนก็มีการเชื่อม ท่อสำหรับลำเลียงน้ำมันและอีกมากมาย ดังนั้นกระบวนการเชื่อมจึงนับได้ว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญที่มีส่วนร่วมอยู่ในกระบวนการทำงานด้วยทั้งสิ้น

หุ่นยนต์งานเชื่อมกระบวนการเชื่อมอัตโนมัติกระบวนการเชื่อมเป็นส่วนหนึ่งที่ใช้ในงานก่อสร้างท่อลำเลียงก๊าซธรรมชาติระยะทางไกลๆที่เชื่อมโยงระหว่างประเทศและข้ามประเทศนำมาสู่ที่พักอาศัยเพื่อใช้สำหรับการประกอบอาหารและให้ความร้อนก็มีการเชื่อม ท่อสำหรับลำเลียงน้ำมัน หัวเจาะเพื่อสำรวจผลิตภัณฑ์น้ำมันปิโตรเลียม

แท่นขุดเจาะก๊าซธรรมชาติในมหาสมุทร หอถังเหล็กเก็บน้ำสำเร็จรูป ถังเก็บน้ำมันใต้ดิน

สะพานที่มีขนาดความยาวมากๆรวมถึงตึกที่สูงที่สุดในโลกก็มีการเชื่อม  ดังนั้นกระบวนการเชื่อมจึงนับได้ว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญที่มีส่วนร่วมอยู่ในกระบวนการทำงานด้วยทั้งสิ้น

เมื่อเทียบกับเครื่องจักรกลต่างๆ เช่น การตีขึ้นรูป การปั๊มขึ้นรูป และการหล่อ เพราะงานโลหะเกือบทุกชนิดจะต้องมีขั้นตอนสุดท้ายก็คือ กระบวนการเชื่อม รวมทั้งงานที่มิใช่โลหะก็ยังสามารถใช้กระบวนการเชื่อมได้เช่นกัน เพราะการต่อโลหะเข้าด้วยกันได้ดีที่สุดนั้น คือ กระบวนการเชื่อมที่ให้มีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงพบว่ากระบวนการเชื่อมจึงมีการใช้งานเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวกับโลหะทั่วไปในทุกๆ ที่และทุกๆ สถานที่ แต่มนุษย์ยังมีขีดจำกัดในการทำงานซ้ำๆ กันให้ได้ผลดีสม่ำเสมออย่างต่อเนื่องในระยะเวลานาน งานเชื่อมมีลักษณะเฉพาะของงาน ซึ่งเมื่อช่างเชื่อมดำเนินการไปเป็นระยะเวลานาน ช่างเชื่อมจะเกิดความเมื่อยล้าทางกาย และความเครียดทางประสาท ซึ่งจะเป็นการบั่นทอนความชำนาญของช่างเชื่อม ด้วยเหตุนี้เองกระบวนการเชื่อมจึงมีวิวัฒนาการเป็นแบบอัตโนมัติ เพื่อให้การควบคุมรอยเชื่อมของช่างเชื่อมง่ายขึ้นและเกิดรอยเชื่อมซึ่งมีคุณสมบัติตามความต้องการอย่างสม่ำเสมอ

ในทุกๆ วันนี้กระบวนการเชื่อมประสานโลหะด้วยไฟฟ้า ได้ถูกพัฒนารูปแบบเป็นไปในระบบกระบวนการเชื่อมแบบอัตโนมัติโดยแรกเริ่มวิธีการนี้เป็นที่รู้จักกันในวงงานอุตสาหกรรมรถยนต์ที่นำมาประยุกต์จนประสบความสำเร็จ ปัจจัยหนึ่งของส่วนอื่นๆ ที่เป็นจุดเด่นและสำคัญที่สุด คือ ค่าแรงของแรงงาน  ก็คือ  คนงานที่กำลังมีปัญหาเกิดขี้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้ค่าแรงงานมีผลต่อการนำไปรวมกับงานเชื่อมด้วย

ความเป็นมาและชนิดของหุ่นยนต์งานเชื่อม

หุ่นยนต์ได้รับความสนใจจากโลกภาพยนตร์ เรื่อง สตาร์วอร์ (Star Wars) ที่มี R2D2 (อาทูดีทู) และเพื่อนสนิท C3PO (ซีทีพีโอ) โดยหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีความหลากหลาย สำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมรุ่นแรกที่เสร็จสมบูรณ์ที่ได้จดสิทธิบัตรในปี ค.ศ. 1970 (พ.ศ. 2513) ซึ่ง จอร์จ ซี ดีโวท์ (George C Devol) โดยเขาได้ทำการผสมผสานของแขนกลระหว่างการแสดงผลงานทางเทคโนโลยีของการควบคุมตัวเลข จึงเรียกอุปกรณ์นี้ว่า “อุปกรณ์ควบคุมโปรแกรม” (Program-Controlled Equipment) โดยมี โจเซฟ เอฟ เอนเจลเบอร์เกอร์ (Joseph F. Engelberger) ทำงานร่วมกับ ดีโวท์ (Devol) ต่อมาโจเซฟ เอฟ เอนเจลเบอร์เกอร์ ได้เป็นที่รู้จักว่าเป็น “บิดาของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม” ในการคิดการเคลื่อนที่และยังสนับสนุนความคิดตลอดจนยังให้ชื่อมันว่า “หุ่นยนต์” (Robot) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากภาษาเชก (เชกโกสโลวาเกีย : Czech) ที่มีคำว่า “โรบ็อทตา” (Robota) โดยมีความหมายว่า ผู้ใช้แรงงาน (Forced Labor) ในปี ค.ศ. 1920 (พ.ศ. 2463) คาเรล คาเปก (Karel Capek's) ได้เขียนบทละครล้อการเมืองเรื่อง รอสซูมิ ยูนิเวอร์ซัล โรบ็อท (Rossum’s Universal Robots) RUR โดยสามารถตีความตามความหมายว่า “ใช้แรงงานอย่างกับทาส”

หุ่นยนต์อุตสาหกรรม

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นเครื่องจักรที่มีการควบคุมแบบอัตโนมัติ สามารถใช้โปรแกรมใหม่ได้ ใช้งานได้เอนกประสงค์และมีระดับความอิสระในการเคลื่อนที่หลายๆ แกน หรือการเคลื่อนที่แตกต่างกันเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับจำนวนขององศาอิสระหรือระดับความอิสระในการเคลื่อนที่ (Degrees of Freedom : DOF) คือ มีความเป็นอิสระในการเคลื่อนที่ในทิศทางใดๆ ซึ่งอาจจะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่ง คือ อาจอยู่ประจำที่หรือเคลื่อนที่เร็ว เพื่อสำหรับนำไปใช้ในวงการอุตสาหกรรมอัตโนมัติ

โดยส่วนมากใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีการเคลื่อนที่ในลักษณะของการเคลื่อนที่เหมือนกัน โปรแกรมได้ถูกบรรจุใส่เข้าไว้ในอุปกรณ์ของหน่วยความจำและยังสามารถปฏิบัติย้อนกลับได้ในระหว่างการปฏิบัติงานได้ต่อเนื่องกัน การย้อนกลับใช้ควบคุมพลังงานเพื่อการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ทำงานหรือตัวกระตุ้น โดยจัดให้มีการเคลื่อนที่ 3 มิติ อุปกรณ์ย้อนกลับจะแสดงถึงหน่วยความจำของคำสั่งในการปฏิบัติงานตามลำดับ ชุดของหน่วยความจำจะประเมินถึงค่าของสัญญาณย้อนกลับและการเคลื่อนที่ไปสู่ขั้นตอนต่อไปของโปรแกรม โดยปรกติหุ่นยนต์น็อนเซอร์โวของการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่ง  ใช้หน่วยความจำอย่างง่ายเพื่อจัดอันดับของการปฏิบัติงานของลำดับย้อนกลับ โดยพลังงานของการย้อนกลับถูกส่งไปตามทิศทางและตรวจจับสัญญาณย้อนกลับจนกระทั่งสามารถแสดงถึงตำแหน่งของขอบเขตโดยเฉพาะ ในที่สุดการปฏิบัติตามคำสั่งสามารถทำให้สำเร็จได้ ด้วยหน่วยความจำที่ได้ทำไปตามขั้นตอนต่อไปและกระบวนการนี้สามารถทำวนซ้ำจนกระทั่งถึงขั้นตอนทั้งหมดของลำดับที่ทำได้สำเร็จสมบูรณ์ ชุดหน่วยควบคุมเซอร์โว  จะมีเส้นทางแบบต่อเนื่องกับหุ่นยนต์ที่เป็นตัวบ่งชี้ถึงเกณฑ์มาตรฐานของเวลา โดยปรกติจะเป็นเวลา 60 ครั้งต่อวินาที ชุดเหล่านี้ได้บ่งชี้ถึงของการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งได้อย่างราบเรียบและรวดเร็ว โดยปรกติชุดหน่วยควบคุมเซอร์โว จะมีเส้นทางแบบต่อเนื่องกับหุ่นยนต์ที่ถูกสอนด้วยเวลาจริงๆ เพื่อสำหรับนำทางในการเคลื่อนที่ และการเริ่มต้นของโปรแกรมยังสามารถทำการแก้ไขเพื่อนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นได้ ระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์พื้นฐานนี้มีความสามารถปฏิบัติตามการคำนวณของข้อมูลที่เข้ามาซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับหุ่นยนต์สมัยใหม่ หุ่นยนต์ไฟฟ้าจะใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนเป็นแบบเซอร์โวมอเตอร์  ที่อยู่บนแกนของแต่ละแกน ชุดหน่วยควบคุมหุ่นยนต์สามารถแยกออกเป็นประเภทต่างๆ ได้ดังนี้ คือ ชุดหน่วยควบคุมเซอร์โว หรือ ชุดหน่วยควบคุมน็อนเซอร์โว  และชุดหน่วยควบคุมเซอร์โวหุ่นยนต์สามารถแยกเป็นชุดหน่วยควบคุมการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งหรือชุดหน่วยควบคุมเซอร์โวจะมีเส้นทางแบบต่อเนื่อง