ระบบหุ่นยนต์อุตสาหกรรมสมัยใหม่อาศัยโครงสร้างพื้นฐานที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อรองรับความสามารถด้านปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการเรียนรู้ของเครื่องจักร (ML) ที่พัฒนาอย่างต่อเนื่อง การเชื่อมต่อที่ราบรื่น และการปรับใช้ที่ปรับขนาดได้ภายในโรงงาน ระบบเหล่านี้ต้องการเซ็นเซอร์ ฮาร์ดแวร์รักษาความปลอดภัย การป้องกันวงจร และส่วนประกอบการควบคุมเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของแบนด์วิธสูง การตอบสนองแบบเรียลไทม์ และมาตรฐานความปลอดภัยด้านการทำงานที่เข้มงวด
บทความนี้สำรวจเทคโนโลยีพื้นฐานที่สนับสนุนเทคโนโลยีหุ่นยนต์อุตสาหกรรม 4.0 โดยมุ่งเน้นไปที่เซ็นเซอร์ SICK โซลูชันด้านความปลอดภัย และวิธีที่ส่วนประกอบการควบคุมทางอุตสาหกรรมของ Eaton ช่วยให้บรรลุการควบคุมการเคลื่อนไหวที่ปลอดภัย พฤติกรรมของระบบที่ปรับเปลี่ยนได้ และการตัดสินใจที่เด็ดขาด หัวข้ออภิปรายเฉพาะประกอบด้วยปัจจัยผลักดันที่สำคัญของระบบอัตโนมัติอัจฉริยะที่ยืดหยุ่น เช่น สถาปัตยกรรมการรับรู้ การปฏิบัติตามความปลอดภัยของเครื่องจักร กลยุทธ์การควบคุมที่ทนต่อข้อผิดพลาด และการบูรณาการเครือข่ายระบบอัตโนมัติ Edge แบบกระจาย
ระบบตรวจจับขั้นสูงสำหรับสภาพแวดล้อมไดนามิกของโรงงาน
ดังแสดงในรูปที่ 1 หุ่นยนต์อุตสาหกรรม 4.0 ประสบความสำเร็จในการทำงานที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพในโรงงานผ่านเซ็นเซอร์ขั้นสูง แม้ว่าจะทำงานภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น แสงที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา การมีอยู่ของอนุภาคในอากาศ และการสั่นสะเทือนทางกล เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังต้องสามารถประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ได้อย่างรวดเร็วเพื่อติดตามบุคลากร หุ่นยนต์เคลื่อนที่ และสายการประกอบที่เคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วได้อย่างแม่นยำ
แขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมหลายแกน 4.0 ของ Igus
รูปที่ 1: แขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรม 4.0 แบบหลายแกนใช้เซ็นเซอร์ในตัวและการตอบสนองแบบเรียลไทม์เพื่อให้การทำงานแม่นยำและรวดเร็ว (แหล่งรูปภาพ: อิกัส)
แพลตฟอร์มหุ่นยนต์ผสานรวมโหมดเซ็นเซอร์หลายโหมดเพื่อให้มั่นใจถึงการรับรู้เชิงพื้นที่และการตอบสนองระดับมิลลิวินาที อัลกอริธึมการรวมเซ็นเซอร์จะรวบรวมข้อมูลอินพุตเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมการทำงานของหุ่นยนต์ที่สอดคล้องกันแบบเรียลไทม์ ระบบการมองเห็นจะจัดการการตรวจจับและการวางตำแหน่งวัตถุ ในขณะที่เครื่องสแกนเลเซอร์ระดับความปลอดภัยจะตรวจสอบแนวทางที่ไม่ได้รับอนุญาตภายในพื้นที่จำกัด เซ็นเซอร์ Time of Flight (ToF) เวลาแฝงต่ำจับข้อมูลเชิงพื้นที่สามมิติ ช่วยให้สามารถปรับเส้นทางแบบเรียลไทม์และพฤติกรรมการรับรู้บริบท
หุ่นยนต์ยังอาศัยเซ็นเซอร์ภายในและเซ็นเซอร์สัมผัสเพื่อปรับปรุงการควบคุมการเคลื่อนไหวและการโต้ตอบ เซ็นเซอร์สัมผัส รวมถึงเซ็นเซอร์วัดแรง/แรงบิด และลิมิตสวิตช์ สามารถให้ผลตอบรับสำหรับงานจับ การประกอบ และการปฏิบัติตามข้อกำหนด พรอกซิมิตี้เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ คาปาซิทีฟ และอัลตราโซนิกสามารถตรวจจับวัตถุใกล้เคียงโดยไม่ต้องสัมผัส และระยะการตรวจจับมักจะสั้นกว่าระบบ ToF ตัวเข้ารหัสและโพเทนชิโอมิเตอร์จะติดตามตำแหน่งและความเร็วของข้อต่อเพื่อการวางแผนการเคลื่อนไหวที่แม่นยำ ในขณะที่หน่วยวัดเฉื่อย (IMU) จะวัดความเร่งและความเร็วเชิงมุมเพื่อรักษาทิศทางและความสมดุล สุดท้ายนี้ เซ็นเซอร์ไฟฟ้าจะตรวจสอบกระแสและแรงดันไฟฟ้าเพื่อประเมินโหลดของมอเตอร์และตรวจจับข้อผิดพลาด
ความปลอดภัยของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมตามมาตรฐาน
หุ่นยนต์อุตสาหกรรม 4.0 ต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยสากลที่เข้มงวดเพื่อปกป้องความปลอดภัยของบุคลากรและอุปกรณ์ มาตรฐานหลักสามมาตรฐาน ได้แก่ ISO 13849, IEC 62061 และ ISO 10218 ระบุข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของระบบควบคุมการทำงานและการควบคุมสำหรับระบบหุ่นยนต์เวิร์กช็อปในโรงงาน
ISO 13849 สรุปมาตรฐานการออกแบบและการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับส่วนประกอบการควบคุมที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย มาตรฐานนี้ใช้แนวทางที่อิงตามความเสี่ยงและใช้ระดับประสิทธิภาพ (PL) เพื่อจัดประเภทความสมบูรณ์ของระบบตามความรุนแรงของอันตราย ความถี่ในการรับสัมผัส และสถานการณ์การหลีกเลี่ยงที่อาจเกิดขึ้น IEC 62061 ระบุปริมาณการลดความเสี่ยงที่จำเป็นสำหรับความปลอดภัยในการทำงานของระบบควบคุมไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และแบบตั้งโปรแกรมได้โดยใช้ระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัย (SIL) มาตรฐานเหล่านี้ระบุข้อกำหนดการออกแบบ การใช้งาน และการตรวจสอบความถูกต้องโดยรวมสำหรับฟังก์ชันการรับรู้และการควบคุมในการใช้งานที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย
มาตรฐาน ISO 10218 ใช้หลักการเหล่านี้กับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมโดยเฉพาะ ซึ่งครอบคลุมข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับการออกแบบหุ่นยนต์ โครงร่างหน่วยงาน การรวมระบบ และการปฏิบัติงาน ซึ่งรวมถึงการใช้เซ็นเซอร์ระดับความปลอดภัยเพื่อดำเนินการต่างๆ เช่น การหยุดฉุกเฉิน การป้องกัน และการตรวจสอบการเคลื่อนไหว ส่วนประกอบเหล่านี้ต้องเป็นไปตามเกณฑ์ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่ระบุ และโดยทั่วไปจะแสดงผ่านการทดสอบและการตรวจสอบเชิงโครงสร้าง
มาตรฐาน ISO 13849, IEC 62061 และ ISO 10218 เป็นมาตรฐานหลักของมาตรฐานความปลอดภัยของหุ่นยนต์ มาตรฐานอื่นๆ รวมถึงมาตรฐานความปลอดภัยทางไฟฟ้า IEC 60204-1 และมาตรฐาน ISO/TS 15066 Human Machine Collaboration ได้ขยายกรอบการทำงานพื้นฐานสำหรับการปรับใช้และการบูรณาการด้านความปลอดภัย
ระบบรักษาความปลอดภัยแบบบูรณาการสำหรับการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และเครื่องจักร
ผู้ปฏิบัติงานในโรงงานใช้โซลูชั่นรักษาความปลอดภัยจากซัพพลายเออร์ เช่น SICK และ Eaton เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานในแง่ของฟังก์ชันการทำงานและความปลอดภัยของเครื่องจักร ตัวอย่างเช่น ระบบ Safe EFI Pro ของ SICK ใช้เซ็นเซอร์ ตัวควบคุม และแอคทูเอเตอร์ในตัวเพื่อรองรับการควบคุมฟังก์ชันด้านความปลอดภัยแบบเรียลไทม์สำหรับหุ่นยนต์ทั้งแบบอยู่กับที่และเคลื่อนที่ ดังแสดงในรูปที่ 2 ส่วนประกอบสำคัญของระบบ ซึ่งก็คือเครื่องสแกนเลเซอร์นิรภัย microScan สามารถทำการตรวจจับการเคลื่อนไหวแบบปรับตัวและขึ้นอยู่กับสถานการณ์ในสภาพแวดล้อมแบบไดนามิก
เครื่องสแกนเลเซอร์นิรภัย SICK microScan3
รูปที่ 2: เครื่องสแกนเลเซอร์นิรภัย microScan3 ของ SICK สามารถตรวจสอบพื้นที่ที่ได้รับการป้องกันและตรวจจับการเคลื่อนไหวแบบไดนามิก โดยให้การสนับสนุนการป้องกันแบบปรับตัวในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม (แหล่งรูปภาพ: ป่วย)
ผู้ปฏิบัติงานยังสามารถใช้ระบบป้องกันปลายแขน (EOAS) ของ SICK เพื่อรักษาโซนการป้องกันแบบไดนามิกรอบๆ หัวเครื่องมือหุ่นยนต์ EOAS ใช้เทคโนโลยี ToF เพื่อให้เกิดการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และเครื่องจักรแบบไม่สัมผัสอย่างปลอดภัย โดยมีเวลาตอบสนองน้อยกว่า 110 มิลลิวินาที
เพื่อเป็นส่วนเสริมของระบบอัตโนมัติเหล่านี้ SICK ยังมีส่วนประกอบความปลอดภัยแบบแมนนวลและอุปกรณ์ต่อพ่วงอีกด้วย ผู้ปฏิบัติงานสามารถปิดเครื่องได้อย่างรวดเร็วโดยใช้งานสวิตช์หยุดฉุกเฉิน ES21 ในกรณีฉุกเฉิน สวิตช์นิรภัยแบบไม่สัมผัส STR1 ใช้เทคโนโลยี RFID เพื่อให้มีการตรวจสอบการป้องกันการงัดแงะและการป้องกัน รองรับการเขียนโค้ดขั้นสูง และเป็นไปตามมาตรฐาน EN ISO 14119