Việc chọn đúng tay kẹp robot thoạt nhìn có vẻ rất đơn giản. Một chi tiết cần được gắp lên, di chuyển và đặt xuống. Vậy là bước tiếp theo dường như đã quá rõ ràng: So sánh các loại tay kẹp và chọn lấy một loại phù hợp. Tuy nhiên, đây chính là điểm khiến nhiều dự án cơ cấu tay gắp trở nên phức tạp hơn mức cần thiết.

Tay kẹp robot không đơn thuần chỉ là một linh kiện gắn ở đầu cánh tay robot. Đó chính là cầu nối trực tiếp giữa robot, phôi và quy trình sản xuất. Nó ảnh hưởng đến độ tin cậy khi kẹp giữ, thời gian chu kỳ, độ chính xác khi định vị, mức tiêu thụ năng lượng, công sức tích hợp cũng như quá trình chạy thử.

Đó là lý do tại sao việc chọn tay kẹp robot không nên bắt đầu từ chính tay kẹp. Thay vào đó, hãy bắt đầu từ ứng dụng.

Mục tiêu là xác định được một giải pháp gắp thả phù hợp nhất cho phôi, đồng thời cân nhắc kỹ chuyển động, cấu hình robot, kiến trúc hệ thống và môi trường sản xuất. Một khi các yếu tố này đã được làm rõ, việc thu hẹp phạm vi để chọn đúng tay kẹp robot công nghiệp, giải pháp chân không hay một cơ cấu tay gắp hoàn chỉnh sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

Dưới đây là quy trình năm bước thực tiễn.

1. Xác định ứng dụng thực tế
Đánh giá phôi, chuyển động, môi trường, dung sai và yêu cầu về tính linh hoạt

2. Lựa chọn phương án kẹp giữ
Lựa chọn tay kẹp chân không hoặc cơ khí dựa trên đặc tính của phôi và độ ổn định của quy trình

3. Xác định kiến trúc hệ thống
Lựa chọn hệ thống chân không tập trung hoặc phi tập trung, truyền động khí nén hoặc điện, các cổng giao tiếp với robot cũng như hệ thống điều khiển

4. Lựa chọn loại tay kẹp
Lựa chọn tay kẹp song song, tay kẹp góc, tay kẹp hướng tâm, tay kẹp 3 ngón hoặc tay kẹp thích ứng dựa trên hình dáng và chuyển động

5. Thiết kế và xác thực phương án tiếp xúc
Thiết kế ngón tay kẹp, giác hút, dung sai, đặc tính bề mặt và thử nghiệm trong điều kiện thực tế

Trước khi so sánh các công nghệ kẹp giữ, hãy xác định rõ hệ thống gắp thả robot phải làm gì trong thực tế.

Bắt đầu từ phôi. Hãy nhìn xa hơn dữ liệu danh định và kiểm tra các điều kiện sản xuất thực tế:

• Trọng lượng và trọng tâm
• Hình dáng và khả năng tiếp cận
• Cấu trúc bề mặt và độ ma sát
• Độ nhạy đối với áp lực, vết hằn hoặc biến dạng
• Vị trí và hướng đặt tại điểm gắp
• Hướng đặt và độ chính xác cần thiết khi đặt
• Dung sai về hình dáng, bề mặt, vị trí hoặc trọng lượng
• Bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, nhiệt độ hoặc hóa chất tẩy rửa
• Các thay đổi về định dạng ở hiện tại và tương lai

Tiếp theo, hãy xem xét đến chuyển động. Thời gian là vàng! Thời gian gắp cần phải ngắn nhất có thể, nhưng cũng phải đủ dài theo yêu cầu của ứng dụng. Hãy tính toán trước: Một ngày nào đó, có thể bạn sẽ muốn tăng tốc quy trình. Khi đã gắp được phôi, chỉ duy trì lực kẹp ổn định trong ở trạng thái tĩnh là chưa đủ. Phôi phải được giữ chắc chắn ngay cả khi robot tăng tốc, giảm tốc, đổi hướng và đặt chi tiết xuống.

Đây thường là công đoạn mà giải pháp thiết kế bắt đầu phải đối mặt với những thử thách. Nếu biểu đồ chuyển động của robot, thời gian chu kỳ, vị trí gắp hoặc yêu cầu đặt xuống không rõ ràng, thì thiết kế cơ cấy tay gắp có thể trở nên phức tạp hơn mức cần thiết. Các đội ngũ có thể sẽ tăng thêm lực kẹp, tăng trọng lượng hoặc đẩy biên độ an toàn lên cao hơn chỉ để an tâm hơn.

Câu hỏi cốt lõi đặt ra là: Phôi được dịch chuyển từ vị trí gắp đến vị trí thả như thế nào? Và thời gian chu kỳ cho phép là bao nhiêu để tạo ra chuyển động gắp thả ổn định?

Một khi ứng dụng thực tế đã được làm rõ, bạn có thể tự tin hơn khi đánh giá nguyên lý kẹp giữ.

Quyết định kỹ thuật đầu tiên thường là lựa chọn giữa tay kẹp chân không hoặc tay kẹp cơ học. Quyết định này phải luôn nên dựa trên ứng dụng tế. Không có công nghệ kẹp giữ nào vượt trội hơn công nghệ nào.

Trường hợp nên sử dụng giải pháp kẹp bằng chân không

Công nghệ kẹp bằng chân không thường phù hợp khi:

• Phôi có bề mặt cho phép tạo độ bám kín ổn định
• Cần thao tác nhẹ nhàng
• Cần nâng đỡ các bề mặt có kích thước lớn
• Phải thao tác với nhiều kích cỡ hoặc hình dáng khác nhau
• Các chi tiết phẳng, có độ đàn hồi, dễ hư hại hoặc khó kẹp bằng cơ khí
• Có thể bố trí nhiều điểm hút để tăng độ ổn định

Giải pháp kẹp giữ bằng chân hoạt động hiệu quả đối với các tấm, lá, bao bì, thùng carton và nhiều loại phôi dễ hư hại. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là bề mặt thực tế của phôi. Độ xốp, độ nhám, độ cong, bụi bẩn, dầu mỡ và hiện tượng rò rỉ khí đều có thể làm thay đổi kết quả vận hành trong sản xuất.

Công nghệ kẹp cơ khí thường phù hợp khi:

• Chi tiết có các cạnh, hình dáng hoặc điểm kẹp rõ ràng
• Phải kiểm soát chính xác việc định vị
• Chất lượng bề mặt khiến giải pháp chân không không đảm bảo độ tin cậy
• Chuyển động động lực học đòi hỏi phải kẹp giữ cực kỳ chắc chắn
• Kiểu kẹp theo hình dáng hoặc kẹp bằng lực ma sát mang lại độ ổn định cao hơn
• Phôi phải được kẹp giữ từ bên trong hoặc bên ngoài

Giải pháp kẹp cơ khí giúp kiểm soát vị trí và chuyển động rất hiệu quả. Thiết kế ngón kẹp, lực kẹp, bề mặt tiếp xúc và bù dung sai cần phải tương thích với phôi.

Điều cốt lõi không phải là hỏi: “Loại tay kẹp nào là tốt nhất?”

Mà hãy hỏi: Phương án kẹp giữ nào tối ưu nhất cho đặc tính của phôi, quỹ đạo chuyển động và độ ổn định cần thiết của quy trình?

Sau khi làm rõ phương án kẹp giữ, bước tiếp theo là xác định kiến trúc hệ thống. Ở bước này, tay kẹp robot sẽ được kết nối với toàn bộ hệ thống tự động hóa.

Đối với giải pháp chân không, có thể lựa chọn phương án tạo chân không tập trung hoặc phi tập trung. Tạo chân không tập trung là một lựa chọn tối ưu khi sử dụng nhiều điểm hút. Trong khi đó, tạo chân không phi tập trung lại phát huy hiệu quả khi thời gian phản hồi, khả năng kiểm soát cục bộ hoặc phân chia các vùng gắp theo mô-đun là những yếu tố cần ưu tiên.

Đối với tay kẹp cơ khí, việc lựa chọn kiến trúc thường liên quan đến việc quyết định sử dụng hệ thống truyền động điện hay khí nén.

Tùy thuộc vào thiết kế, tay kẹp khí nén có khả năng kết hợp giữa kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ với lực kẹp mạnh mẽ. Chúng thường rất phù hợp cho các tác vụ bốc xếp năng, chạy tốc độ cao hoặc vận hành trong không gian hạn chế, đặc biệt là khi đã có sẵn nguồn khí nén.

Tay kẹp điện có thể là lựa chọn thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phải kiểm soát định vị chính xác, điều chỉnh được hành trình, điều khiển lực kẹp hoặc cần tín hiệu phản hồi. Loại này rất tiện lợi khi phải thường xuyên thay đổi định dạng hoặc khi cần thu thập thêm dữ liệu quy trình để chạy thử và chẩn đoán.

Thiết kế kiến trúc hệ thống còn phải tính đến:

• Tải trọng và giới hạn quán tính của robot
• Trọng tâm và cách phân bổ khối lượng
• Phương án quản lý dây cáp và ống dẫn
• Cổng giao tiếp và phương án quản lý điều khiển, truyền thông
• Kiến trúc điều khiển và hệ sinh thái của robot
• Mức độ tiêu thụ năng lượng và khí nén
• Khả năng tiếp cận để bảo trì
• Khả năng mở rộng cho các loại hình sản phẩm trong tương lai
• Các yêu cầu về cảm biến và chức năng chẩn đoán

Đây chính là lý do vì sao việc lựa chọn cơ cấu tay gắp là một quyết định ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Một cơ cấu chấp hành cuối của robot có thể rất hoàn hảo khi đứng độc lập, nhưng vẫn sẽ gây ra sự cố nếu không ăn khớp với robot, kiến trúc điều khiển hoặc cấu hình sản xuất.

Câu hỏi định hướng ở đây là: Kiến trúc nào sẽ phù hợp nhất với toàn bộ hệ thống gắp thả?

Nếu phương án thiết kế phù hợp là kẹp cơ khí, bước tiếp theo sẽ là chọn loại tay kẹp. Đây vẫn chưa phải là bước chọn linh kiện cụ thể. Điều cần xác định là cách tay kẹp sẽ tiếp cận, kẹp giữ, di chuyển và đặt phôi.

Các loại tay kẹp robot phổ biến bao gồm:

Việc chọn đúng loại tay kẹp sẽ phụ thuộc vào hình dáng, khả năng tiếp cận, độ chính xác định vị, độ ổn định khi chuyển động, không gian cho phép và khả năng thích ứng linh hoạt trong tương lai.

Câu hỏi cốt lõi ở đây là: Tay kẹp phải tiếp cận, kẹp giữ, di chuyển và đặt phôi như thế nào trong quy trình vận hành thực tế?

Phương án tiếp xúc là bước mà việc thiết kế cơ cấu tay gắp bắt đầu đi vào chi tiết cụ thể. Đây cũng là công đoạn mà những thay đổi nhỏ trong lựa chọn có thể gây ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy khi kẹp giữ.

Một hệ thống gắp thả robot có thể được tính toán kích thước hoàn hảo trên lý thuyết, nhưng vẫn có nguy cơ thất bại khi đưa vào sản xuất nếu điểm tiếp xúc không ăn khớp với bề mặt thực tế của phôi. Bụi bẩn, dầu mỡ, độ cong, độ xốp hoặc sự sai lệch bề mặt có thể làm thay đổi kết quả.

Việc xác thực sẽ giúp giảm thiểu rủi ro đó.

Trước khi chuyển sang các bước thiết kế kỹ thuật chi tiết, hãy đối chiếu phương án thiết kế với các điều kiện thực tế:

• Phôi có được kẹp giữ chắc chắn trong quá trình robot di chuyển không?
• Các hệ số dung sai có ảnh hưởng đến quá trình gắp hoặc thả phôi không?
• Thời gian chu kỳ có khả thi với tốc độ gắp đã định không?
• Hệ thống phản ứng thế nào trước tác động của bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm hoặc nhiệt độ?
• Phương án thiết kế có thể phát hiện tình trạng gắp hụt phôi không?
• Chỉ cần tín hiệu phản hồi nhị phân là đủ hay phải thu thập cả các giá trị chẩn đoán?
• Phương án thiết kế này có thể xử lí các loại phôi khác trong tương lai không?
• Chỉ cần chạy mô phỏng là đủ hay bắt buộc phải chạy thử nghiệm ứng dụng này trong thực tế?

Khâu xác thực sẽ giúp biến các giả định thành bằng chứng chắc chắn. Nó giúp cắt giảm các chu trình thiết kế lại, hạn chế chậm trễ khi chạy thử và tránh tình trạng chọn dư tải. Do đó, việc tiến hành kiểm thử trong điều kiện thực tế luôn được khuyến nghị.