Tìm hiểu về scara robot

Với kích thước nhỏ hơn nhiều so với các loại robot công nghiệp khác, robot SCARA đặc biệt hiệu quả trong các công việc mà chúng được thiết kế. Khả năng kết hợp giữa tốc độ, tính nhỏ gọn và độ chính xác cao làm cho chúng nổi bật trong những loại robot sản xuất hiện nay. Điều này tạo ra một vị trí đặc biệt cho chúng trong lĩnh vực công nghiệp, nơi mà sự linh hoạt và hiệu suất cao được đưa lên hàng đầu. Bài đăng này sẽ giới thiệu cho bạn về robot SCARA trong qua những chủ đề sau đây, bắt đầu với việc tìm hiểu về loại robot này.

Robot SCARA của tập đoàn FANUC

Robot SCARA là gì?

SCARA là viết tắt của Se-lective Compliance Articulated Robot Arm hay còn gọi là “Cánh tay robot có tính tuân thủ có chọn lọc”. Đó là những cánh tay robot có phạm vi chuyển động theo hướng hơi tuân theo mặt phẳng ngang hay còn gọi là mặt phẳng X-Y trong không gian ba chiều và chúng chỉ có thể di chuyển lên xuống theo chiều dọc ở phần trục làm việc. Đặc điểm của loại robot này là chiều dọc chính giữa luôn được giữ cố định và không thế di chuyển lên xuống như những loại robot khác.

Hình ảnh robot SCARA

Robot SCARA được thiết kế với sự kết hợp giữa các trục quay cứng rắn và linh hoạt, điều này làm cho chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ như vận chuyển vật phẩm cũng như giúp giúp cho quá trình sản xuất trở nên năng suất và nhanh chóng hơn. Tuy nhiên, điểm mạnh lớn nhất của robot SCARA là khi chúng được sử dụng để thực hiện các ứng dụng rắp láp. Các ứng dụng này có thể bao gồm từ việc xử lý các linh kiện bán dẫn cho đến các ứng dụng trong y tế và đóng gói sản phẩm.

Robot SCARA của hãng EPSON

Sankyo Seiki , Pentel và NEC là những công ty, tập đoàn của Nhật Bản đã giới thiệu robot SCARA như một khái niệm hoàn toàn mới của robot robot lắp ráp vào năm 1981, robot SCARA này đã được phát triển dưới sự chỉ đạo, hướng dẫn của Hiroshi Makino, giáo sư của trường đại học Yamanashi, Nhật Bản.

Khả năng di chuyển của robot SCARA

Với số lượng khớp nối mà robot có, kết hợp với số lượng trục có trong mỗi khớp thì chúng ra có thể xác định được các bậc tự do của nó. Robot SCARA là loại robot có bốn bậc tự do tức là có 3 khớp quay cùng với một khớp điều chỉnh độ cao của trục làm việc, nhờ có các khớp quay nên robot SCARA có thể di chuyển trong các mặt phẳng ngang là trục XY trong không gian và có thể xoay 360 độ quanh trục Z.

SCARA robot có bốn bậc tự do

Sự kết hợp giữa các trục này cho phép robot có thể thực hiện các tính toán động học ngược đối với các chuyển động nội suy tuyến tính.
Động học ngược: Inverse Kinematics – là một phương pháp tính toán vị trí và góc xoay của các khớp dựa trên vị trí mong muốn của trục làm việc. Ví dụ bạn muốn robot đặt trục làm việc cụ thể ở một vị trí, lúc này robot sẽ xác định tọa độ điểm đấy trên không gian và sau đó sẽ tính toán cách các khớp của robot cần di chuyển để đưa trục làm việc đến vị trí đó.
Chuyển động nội suy tuyến tính: Linear interpolated moves – Là việc di chuyển đối tượng từ vị trí này đến vị trí khác theo một đường thẳng tuyến tính được ước lượng. Trong trường hợp của robot SCARA, chuyển động nội suy tuyến tính giúp robot di chuyển một cách mượt mà và hiệu quả giữa các vị trí và góc quay.
Nhờ sự tính toán động học ngược một cách chính xác và những chuyển động nội suy tuyến tính một cách mượt mà đã giúp robot có khả năng di chuyển một cách linh hoạt, nhanh chóng và đem lại hiệu suất cao trong quá trình hoạt động.

Robot SCARA công ty EPSON

Phạm vi làm việc và diện tích chiếm dụng của robot SCARA

Phạm vi làm việc (Work Envelope) là một khoảng không gian mà robot có thể tiếp cận thực hiện các nhiệm vụ. Trong trường hợp của robot SCARA, do có khả năng quay quanh trục Z cố định tạo ra một phạm vi làm việc hình trụ, điều này có nghĩa là robot có thể di chuyển và thực hiện công viện trong một không gian hình trụ xung quanh nó. Thông thường khi lựa chọn một loại robot cho sản xuất, phạm vi làm việc là yếu tố quyết định hơn hết. Trong một số ứng dụng, phạm vi làm việc của robot SCARA có thể bị hạn chế ở phía trước và cạnh bên do có nối thêm bộ cáp và ống thoát khí ở phía sau. Tuy nhiên, nhờ khả năng làm việc trong phạm vi của mình giúp cho robot SCARA duy trì được diện tích chiếm dụng tối thiểu trong khi tối đa hóa được không gian làm việc.

Phạm vi làm việc và diện tích chiếm dụng của robot SCARA

Tốc độ làm việc của robot SCARA

Tốc độ là một yếu tố được đưa lên hàng đầu khi lựa chọn robot sản xuất. Robot SCARA là một trong những loại robot nhanh nhất trên thị trường. Với bốn bậc tự do, robot SCARA có ít khớp nối di động hơn so với những loại robot khác như robot sáu trục, giúp chúng có một tốc độ vượt trội hơn cả. Hơn nữa, sự giảm bớt trong số khớp nối giúp đơn giản quá quá trình tình toán và lập trình trong lúc cài đặt. Khi trong một giai đoạn sản xuất mà chu kỳ thời gian được yêu cầu quá khắt khe, robot SCARA sẽ là một lựa chọn phù hợp nhất dành cho các công việc trong giai đoạn này.

Robot SCARA có tốc độ nhanh

Những ứng dụng cụ thể của robot SCARA

Do thiết kế cơ học của chúng, robot SCARA có những trường hợp sử dụng cụ thể khác nhau. Loại robot này là loại đặc biệt hơn so với các robot có khớp nối thông thường hoặc là robot sáu trục (six-axis robots) khác. Điều này có nghĩa là robot SCARA không có quá nhiều ứng dụng trong việc sản xuất như những robot khác, nhưng loại robot này sẽ là lựa chọn xuất sắc nhất cho mỗi ứng dụng mà nó được chế tạo. Các ứng dụng đấy bao gồm:

.

Robot sáu trục

• Lắp ráp (Assembly): Robot SCARA thường được sử dụng để thực hiện quy trình lắp ráp nhanh chóng và có độ chính xác cao trong dây chuyền sản xuất.

Lắp ráp (Assembly) 

• Tháo rời (Disassembly): Trong quy trình tái sử dụng và bảo dưỡng thiết bị, robot SCARA có thể thực hiện công việc tháo rời các thành phần một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Tháo rời (Disassembly)

• Nhặt lên và đặt xuống (Picking and Placing): Khả năng linh hoạt của robot SCARA làm cho chúng có khả lý tưởng để nhặt lên và đặt xuống các sản phẩm, linh kiện ở các vị trí chính xác trong quá trình sản xuất hoặc đóng gói.

Nhặt lên và đặt xuống (Picking and Placing)

• Xử lý vật liệu (Material Handling): Robot SCARA có thể dùng để di chuyển và xử lý vật liệu để tạo thành thành phẩm trong quy trình sản xuất.

Xử lý vật liệu (Material Handling) 

• Hàn PCB (PCB Soldering): Trong ngành công nghiệp điện tử, robot SCARA có thể thực hiện quy trình hàn PCB với độ đồng đều và chính xác cao. Hàn PCB là quá trình hàn (gắn kết) các linh kiện điện tử vào PCB (Printed Circuit Board - Bảng Mạch In) để tạo ra các mạch và thiết bị điện tử.

Hàn PCB (PCB Soldering)

• Phân phối chất lỏng (Dispensing): Robot SCARA có thể được tích hợp vào hệ thống phân phối chất lỏng nhằm thực hiện việc chính xác và kiểm soát lượng chất lỏng được phân phối.

Phân phối chất lỏng (Dispensing)

Bạn hoàn toàn có thể giao các nhiệm vụ trên cho nhiều loại robot khác nhau trong sản xuất nhưng điều gì khiến cho robot SCARA trở thành một lựa chọn tốt hơn cả so với các loại robot khác. Ví dụ như: Các ứng dụng nhỏ, cần tốc độ cao thì không cần đến loại robot có tính linh hoạt cao như robot sáu trục (six-axis robot) mà chỉ cần một loại robot có tính chính xác cao với mức chi phí tiết kiệm hơn, đây là điều kiện hoàn hảo để có thể triển khai robot SCARA vào trong dây chuyền sản xuất thay vì chọn những loại robot khác.

Điều gì khiến robot SCARA trở thành lựa chọn tốt hơn cả

Cấu trúc cơ học của robot SCARA thường có lợi thế cao hơn so với các loại robot khác khi thực hiện các nhiệm vụ trên. Tính tuân thủ có chọn lọc (Se-lective compliance) có nghĩa là các cánh tay của robot chỉ có thể di chuyển tuân theo các chiều cụ thể. Điều này khác biệt đáng kể so với các loại robot sáu trục thông thường khác có thể uốn cong và xoắn ở bất kỳ góc nào mà bạn có thể tưởng tượng. Việc di chuyển tuân thủ theo chọn lọc nghe có vẻ sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng khác nhưng lại mang lại những lợi ích đáng kể đối với những ứng dụng cụ thể như trên. Tính cứng cáp trong những chuyển động của robot SCARA cho phép robot có mức độ làm việc chính xác cao hơn so với những loại robot khác. 

Thực hiện những nhiệm vụ có quy mô nhỏ với tốc độ cao

Những ngành công nghiệp phù hợp với robot SCARA

Robot SCARA có những ứng dụng cụ thể ở nhiều công việc khác nhau, bạn sẽ tìm thấy chúng trong nhiều ngành công nghiệp có tính chất sản xuất như:

• Ngành điện tử
• Ngành viễn thông
• Ngành thực phẩm và đồ uống
• Ngành sản xuất bán lẻ
• Ngành lắp ráp ô tô
• Ngành dược phẩm

Những ngành công nghiệp này thường đòi hỏi các tác vụ đã được liệt kê ở phần ứng dụng trên, thường sử dụng những vật phẩm nhỏ và sản xuất ra các thành phẩm nhỏ hơn. Đặc biệt, những ngành này thường sản xuất với quy mô lớn và sản xuất hàng loạt, với tốc độ của robot SACRA, nó có thể hoàn thành xuất sắc các nhiệm vụ trong môi trường này, vừa giúp tăng năng suất làm việc và vừa giảm thời gian sản xuất sản phẩm.

Lợi ích và hạn chế của robot SCARA

Lợi ích

Robot SCARA là lựa chọn tuyệt vời cho một số ứng dụng cụ thể nhưng không phải là lựa chọn tốt cho những ứng dụng khác. Việc hiểu rõ điểm mạnh và điếm yếu của loại robot này là điều quan trọng để có thể đưa ra những quyết định đầu tư đúng đắn. Những điểm mạnh của robot SCARA bao gồm:

• Tốc độ vượt trội: Robot SCARA có khả năng di chuyển nhanh chóng, giúp tăng cường hiệu suất trong những quy trình sản xuất đòi hỏi sự nhanh nhẹn.

Tốc độ vượt trội

• Độ chính xác cao: Khả năng vận hành với độ chính xác cao là một điểm mạnh của robot SCARA, làm cho chúng phù hợp với các nhiệm vụ yêu cầu sự chính xác và đồng đều.

Độ chính xác cao

• Kích thước nhỏ gọn: Sự đồng nhất kích thước của robot SCARA làm cho chúng phù hợp trong những không gian làm việc hạn chế. Điều này giúp tối ưu hóa sử dụng không gian trong môi trường sản xuất.

Kích thước nhỏ gọn

Robot SCARA có kích thước nhỏ, di chuyển nhanh và chính xác. Một lý do quan trọng cho sự chính xác này là do tính cứng cáp trong chuyển động của chúng. Cụ thể, thiết kế của robot không cho chúng quay lên và xuống mà chỉ có thể quay theo chiều ngang. Điều này là lý do mà chúng thường được triển khai trong các nhiệm vụ lắp ráp PCB (Printed Circuit Board - Bảng Mạch In) và có nhiệm vụ hàn. Bởi vì các bảng mạch in thường có cấu trúc phẳng và việc hàn và lắp ráp các linh kiện này không đòi hỏi mức độ linh hoạt cao như những robot sáu trục (six-axis robots) khác. Bảng mạch in cũng rất nhỏ gọn và chứa đựng các thành phần nhỏ, điều này có nghĩa là độ chính xác là vô cùng quan trọng khi làm các công việc liên quan đến bảng mạch này. Robot SCARA có thể xuất sắc hoàn thành công việc nhanh chóng và vẫn đạt được độ chính xác cao nhờ vào số lượng trục ít và phạm vi chuyển động giới hạn theo chiều ngày. Điều nay dẫn đến ít lỗi hơn so với các hệ thống robot khác.

Hàn PCB 

Hạn chế

Tất nhiên, robot SCARA cũng có những nhược điểm riêng của chúng. Loại robot này thường không được xếp cùng loại với robot đa chức năng khác và không thể triển khai trong hầu hết mọi ứng dụng. Những hạn chế này bao gồm:

• Phạm vi chuyển động hạn chế: Robot SCARA thường có phạm vi chuyển động nhỏ hơn so với các loại robot khác, điều này có thể hạn chế khả năng của chúng trong những nhiệm vụ đòi hỏi phạm vi di chuyển lớn.

Phạm vi chuyển động hạn chế

• Khả năng chịu tải nhẹ: Robot SCARA có khả năng chịu tải kém, nghĩa là chúng không thích hợp cho việc xử lý các linh kiện, vật phẩm có trọng lượng lớn hoặc các nhiệm vụ yêu cầu sức nâng mạnh.
• Tuân thủ có chọn lọc (Se-lective compliance): Một trong những đặc tính của robot SCARA là khả năng tuân theo chọn lọc, có nghĩa là chúng có thể linh hoạt trong một số ứng dụng nhất định nhưng không phải là lựa chọn lý tưởng cho các tác vụ đòi hỏi tính linh hoạt cao hơn.

Tuân thủ có chọn lọc

Có thể gây nhầm lẫn cho bạn khi tính tuân thủ có chọn lọc (Se-lective compliance) được liệt kê ở đây như một hạn chế của robot, tính năng này rất tốt với những nhiệm đòi hỏi độ chính xác và tốc độ cao. Tuy nhiên, đối với những tác vụ đòi hỏi hỏi tính linh hoạt của cơ khí, đó là một hạn chế chắc chắn. Ví dụ, hãy xem xét một tác vụ là hàn cho khung xe ô tô. Để thực hiện một quá trình hàn đầy đủ và chất lượng, một robot phải có khả năng linh hoạt để hàn sang ngang và hàn xuống hoặc lên theo một mối hàn để từ đó tạo ra một đường hàn liền mạch và đồng đều trên toàn bộ mối nối của khung xe, nhưng robot SCARA chỉ có thể hàn theo chiều ngang do những giới hạn về thiết kế. Tính tuân thủ có chọn lọc (Se-lective compliance) của loại robot này sẽ không cho phép nó xoay tròn và quay ngang để có thể thực hiện nhiệm vụ này. Theo cách này, tính tuân thủ có chọn lọc đã giới hạn khả năng của robot SCARA trong nhiều ứng dụng. Hơn nữa, chúng cũng là những robot nhỏ không được thiết kế cho các tải trọng nặng. Ngoài ra, chúng cũng không thể đạt được khoảng các cần thiết cho một số nhiệm vụ lớn hơn.

Khi nào thì bạn nên đầu tư vào robot SCARA

Bây giờ thì bạn đã hiểu robot SCARA là gì, ứng dụng và điểm mạnh của chúng. Nhưng thì nào thì robot SCARA sẽ phù hợp trong sản xuất. Sau đây sẽ là một số yêu tố chính cần xem xét khi bắt đầu đầu tư vào dự án robot SCARA:

Kịch bản kinh doanh

Nếu bạn đang đọc bài đăng này, rất có thể bạn là người đang tìm cách để cái thiện quy trình sản xuất thông qua tự động hóa và robot sản xuất chính là giải pháp để cải thiện quá trình này. Nhưng làm thế nào bạn có thể xác định được dự án từ động hóa nào sẽ mang lại nhiều giá trị nhất cho bạn. Bạn có thể sử dụng những công cụ tìm kiếm tiềm năng để có thể giúp bạn tìm hiểu về những loại robot và xác định ảnh hưởng của chúng đối với doanh nghiệp của bạn. Có rất nhiều trang web về lĩnh vực robot tự động hóa có thể giúp bạn nghiên cứu vấn đề này. Khi đã xác định được những quy trình cần cải thiện bằng robot, bạn có thể xem xét được việc sử dụng robot SCARA có phải là lựa chọn đúng hay không.

Ứng dụng phù hợp

Trước đó, bạn đã tìm hiểu về những loại ứng dụng phù hợp với robot SCARA mà chúng có thể hoàn thành tốt và nhanh chóng. Tuy nhiên, những ứng dụng đấy vẫn có thể được làm bởi nhiều loại robot khác nhau. Vậy, câu hỏi được đặt ra ở đây là khi nào robot SCARA là sự lựa chọn tối ưu hơn để áp dụng vào quy trình sản xuất. Hãy liệt kê chi tiết những ứng dụng cụ thể mà bạn muốn robot làm trong sản xuất và cân nhắc cùng với những yếu tố khác như chi phí, phạm vi làm việc,....Điều này sẽ giúp bạn xác định loại robot nào phù hợp nhất để sử dụng. Bạn có thể liên hệ và tham khảo một số trang web chuyên về tự động hóa để tìm ra những giải pháp phù hợp nhất cho doanh nghiệp của bạn nếu còn đang phân vân giữa các dự án với nhau.

Chi phí lắp đặt và vận hành robot SCARA

Chi phí là một vấn đề chính khi lập các kế hoạch về vốn đầu tư. Đa số các nhà sản xuất thường có một cảm nhận tổng quan rằng robot thường đắt đỏ và tốn nhiều chi phí. Điều này phần lớn sẽ phụ thuộc vào mục đích sử dụng và loại robot được áp dụng. Tuy nhiên, robot SCARA sẽ thường có chi phí thấp hơn so với các loại robot khác. Chi phí thấp là do robot SCARA ít có thành phần như động cơ và hộp số để vận hành và chúng cũng là một loại robot nhỏ gọn cũng giúp tiết kiệm chi phí lắp đặt hơn. Một robot SCARA tầm trung đến lớn có giá khoảng 45.000USD tương đương với khoản 1 tỷ đồng tiền việt, nhưng giá cả có thể biến động tùy thuộc vào số lượng tính năng bổ sung và khả năng chịu tải của robot, thông thường có thể giao động 25.000USD cho đên 400.000USD tường đương với khoản 500 triệu cho đến 9 tỷ cho robot này.

Robot SCARA trong dây chuyền sản xuất

Chi phí bổ sung cũng là một loại chi phí bạn nên đưa vào kế hoạch đầu tư của bạn. Robot robot SCARA sẽ yêu cầu nhiều loại chi phí tích hợp như: cài đặt vật lý, lập trình, thiết lập và chi phí giảm thiểu rủi ro. Những thiết bị an toàn cũng cần thiết cho loại robot này như: hàng rào an toàn, rèm chắn ánh sáng, máy quét an toàn, nút dừng khẩn cấp,…. Ngoài ra cần có lịch trình bảo trì liên tục đế giữ cho robot của bạn hoạt động ở mức tối ưu. Các nhiệm vụ bảo trì này bao gồm bôi trơn, kiểm tra cơ khí và kiểm tra hiệu suất,….

Chi phí bổ sung

Nhờ vào chi phí trả trước của robot SCARA thấp hơn các loại robot khác khiên chúng trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho những doanh nghiệp mới thành lập để bắt đầu quá trình tự động hóa của mình.

Nguồn tham khảo

Trong quá trình tìm hiểu thông tin để hoàn thiện bài viết này, chúng tôi có tham khảo một số dữ tiệu theo đường link dưới đây. Chúng tôi xin chân thành cám ơn các tác giả (tên được in đậm ngay sau tên tư liệu). Chúng tôi cũng không chịu bất cứ trách nhiệm gì nếu nội dung tham khảo bị thay đổi bởi bên thứ ba sau khi chúng tôi đăng bài viết này.

• 1. SCARA Robots: Guide to The Most Versatile and Sought After Robot , nguồn #Howtorobot
• 2. SCARA , nguồn Wikipedia
• 3. EVERYTHING YOU NEED TO KNOW ABOUT SCARA ROBOTS , nguồn DIY robotics

Tác giả bài viết
Catherine Bernier