เกียร์บ็อกซ์หุ่นยนต์ ABB คืออะไร

โดยทั่วไปแล้ว ผู้คนมักพูดถึงหุ่นยนต์อุตสาหกรรม โดยเน้นที่การปรับแต่งคอนโทรลเลอร์ การเขียนโปรแกรม หรือการติดตามเส้นทางการเคลื่อนที่ ซึ่งเป็นสิ่งที่มองเห็นและจับต้องได้ แต่หากคุณใช้เวลาอยู่ในโรงงานนานๆ จนซึมซับจริงๆ คุณจะเข้าใจว่า ความเรียบเนียนหรือความไม่เรียบเนียนของการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์นั้น แท้จริงแล้วขึ้นอยู่กับโครงสร้างกลไกหรือ 'กระดูก' ของตัวหุ่นยนต์เองเป็นหลัก ซึ่งส่วนที่สำคัญที่สุดและมักถูกมองข้ามมากที่สุดของโครงสร้างนี้คือเกียร์

ส่วนประกอบชิ้นนี้ทำหน้าที่อะไรในหุ่นยนต์?

ลองใช้อุปมาแบบคร่าวๆ ดังนี้: มอเตอร์หมุนอย่างรวดเร็วมาก แต่หากต้องการให้มอเตอร์นั้นยกคีมเชื่อมหรืออุปกรณ์ยึดจับที่มีน้ำหนัก 80–100 ปอนด์โดยตรง ก็จะไม่มีกำลังพอ จึงไม่สามารถยกได้เลย ในทางกลับกัน เมื่อหุ่นยนต์ทำงาน จะต้องมีแรงที่คงที่และแม่นยำ ไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่เร็วมากนัก แต่ต้องมีกำลังเพียงพอ และตำแหน่งที่หยุดต้องแม่นยำถึงระดับเส้นผม

ความต้องการทั้งสองข้อนี้ขัดแย้งกันอย่างสิ้นเชิง กล่องเกียร์ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางของการ ‘แปลง’ และ ‘ปรับเปลี่ยน’ งานนี้ — โดยลดความเร็วที่สูงมากของมอเตอร์ลงในขณะที่เพิ่มแรงบิดไปพร้อมกัน และยังต้องรับประกันว่าพลังงานจากมอเตอร์จะถูกส่งผ่านไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง หากไม่มีกล่องเกียร์ มอเตอร์จะเชื่อมต่อโดยตรงกับแขนและขาของหุ่นยนต์ ซึ่งจะทำให้หุ่นยนต์สั่นกระตุกหรือพังทลายลงทั้งหมด

หากคุณเคยถอดหุ่นยนต์ ABB ออกและไล่ตรวจสอบตามแนวแขนลงมา จะพบกล่องเกียร์ได้ที่ข้อต่อขนาดใหญ่บริเวณฐาน บริเวณที่แขนใหญ่เชื่อมต่อกับแขนสองข้าง และบริเวณข้อต่อขนาดเล็กที่ข้อมือซึ่งสามารถหมุนรอบได้ ข้อต่อขนาดใหญ่กับข้อต่อขนาดเล็กนั้นไม่เหมือนกัน: ข้อต่อขนาดใหญ่ต้องแข็งแรงทนทาน เพื่อรับน้ำหนักของโครงสร้างขนาดใหญ่ได้ ในขณะที่ข้อต่อขนาดเล็กต้องไม่มีช่องว่าง (zero clearance) และมีความแม่นยำสูงในการควบคุมการเคลื่อนไหวของมือ

มีหลายประเภทของกล่องเกียร์ที่ใช้กันทั่วไปในโรงงาน

เกียร์ชนิดหนึ่งเรียกว่าเกียร์ RV หรือบางครั้งเรียกว่าเกียร์ไซโคลอิดพินวีล ชิ้นส่วนนี้มีหัวที่แข็งแรงมาก โดยทั่วไปจะติดตั้งอยู่บริเวณฐานและแขนของหุ่นยนต์ในตำแหน่งที่รับแรงขนาดใหญ่ มีคุณสมบัติเด่นคือทนต่อการผลิต ความแข็งแกร่งเพียงพอ ทำให้หุ่นยนต์สามารถแกว่งค้อนตอกแบบหนักๆ หรือทำงานเชื่อมจุด (spot welding) ที่ต้องใช้แรงมากได้ทุกวัน และยังสามารถรับน้ำหนักได้ดี

อีกชนิดหนึ่งคือเกียร์ฮาร์โมนิก ซึ่งมีหลักการทำงานที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง เกียร์ชนิดนี้มีล้อแบบยืดหยุ่นอยู่ภายใน อาศัยการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นในการขับเคลื่อน จึงสามารถลดช่องว่าง (backlash) ให้ใกล้ศูนย์ได้ ทั้งยังมีความแม่นยำสูงและมีขนาดเล็กมาก ท่านสามารถสังเกตบริเวณข้อมือของหุ่นยนต์ ซึ่งมีความคล่องแคล่วเหมือนฝ่ามือมนุษย์ — ส่วนใหญ่จะใช้เกียร์ชนิดนี้เป็นหลัก สำหรับงานประกอบแบบแห้ง (dry assembly) หรือการจับชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ต้องการความแม่นยำสูง ก็ล้วนพึ่งพาความแม่นยำของเกียร์ชนิดนี้

นอกจากนี้ยังมีเกียร์แบบแพลเนทารี (planetary gearbox) ซึ่งเป็นทางเลือกแบบประนีประนอม มีขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพดี จึงมักพบเห็นได้ในแกนเสริมบางประเภทที่มีข้อจำกัดด้านต้นทุน หรือไม่ต้องการความแม่นยำสูงมากนัก

หากเกียร์เริ่มสูญเสียความเสถียร หุ่นยนต์จะไม่สามารถทำงานได้ตามปกติ

มีหลายสิ่งหลายอย่างที่เกิดขึ้นบนพื้นโรงงานซึ่งส่งผลให้ชิ้นส่วนต่าง ๆ ไปอยู่ในตำแหน่งที่ผิด

ตัวอย่างเช่น ความแม่นยำของหุ่นยนต์ลดลงเมื่อใช้งานไปเรื่อย ๆ ในอดีต หุ่นยนต์สามารถจัดวางชิ้นส่วนให้แนบสนิทได้ แต่ปัจจุบันกลับมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยเสมอ ไม่ว่าจะมีการปรับโปรแกรมหรือปรับค่าศูนย์ใหม่แล้วก็ตาม ในกรณีนี้ ความเป็นไปได้สูงคือระยะห่างภายในหัวเกียร์ (gearhead) ได้ขยายตัวออก มีช่องว่างระหว่างฟันเฟือง และเมื่อสั่งให้หุ่นยนต์เคลื่อนไปยังตำแหน่งนั้น มันจะสั่นเล็กน้อย ส่งผลให้ความคลาดเคลื่อนระหว่างตำแหน่งที่สั่งกับตำแหน่งจริงเพิ่มขึ้น

อีกกรณีหนึ่งคือ หุ่นยนต์เคลื่อนที่แบบสะดุดและสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่าว่ามีลักษณะสั่นไหว ไม่เรียบเนียนเหมือนเดิม ซึ่งโดยส่วนใหญ่มักเกิดจากความสึกหรอที่ไม่สม่ำเสมอภายใน หรือสารหล่อลื่นไม่ทำงานตามปกติ ทำให้เกิดการเสียดสีแบบแห้ง (dry grinding)

หุ่นยนต์รุ่นดั้งเดิมทำงานเงียบ แต่ตอนนี้กลับมีเสียงคลิก เสียงแตรหรือเสียงครางคล้ายหม้อต้ม — เสียงเหล่านี้คือ 'เสียงร้องขอความช่วยเหลือ' ซึ่งบ่งชี้ว่าตลับลูกปืนหรือฟันเฟืองภายในกำลังมีปัญหาที่ต้องได้รับการแก้ไข

มีการเคลื่อนที่โดยตรงมากขึ้น ซึ่งก่อนหน้านี้สามารถเคลื่อนส่วนนั้นได้ตามปกติ แต่ตอนนี้เกิดสัญญาณเตือนขึ้น รู้สึกว่าหุ่นยนต์ไม่มีกำลังเพียงพอ สิ่งนี้หมายความว่าประสิทธิภาพในการส่งกำลังลดลงอย่างมาก และพลังงานถูกสูญเสียไปภายในกล่องเกียร์

สถานการณ์ที่พบบ่อยที่สุดในภาคสนาม

มาเลย ขอเล่าให้คุณฟังเกี่ยวกับสถานการณ์บางประการที่คุณคงคุ้นเคยดี ลูกค้าโทรมาบอกว่า “หุ่นยนต์ของผมจุดที่เคยตั้งค่าไว้ถูกต้องมาโดยตลอด ตอนนี้กลับเบี่ยงเบนไปหมด ไม่ใช่แค่คลาดเคลื่อนเล็กน้อยเท่านั้น แต่รบกวนใจมากจริงๆ” ปฏิกิริยาแรกของคนจำนวนมากคือคิดว่าโปรแกรมหายหรือหุ่นยนต์ชนเข้ากับสิ่งกีดขวาง แต่ความเป็นไปได้ที่แท้จริงคือช่องว่างภายในเกียร์มีขนาดใหญ่เกินไป อีกกรณีหนึ่งคือมีน้ำมันรั่ว ซึ่งเห็นหยดน้ำมันหยดลงมาจากข้อต่อที่แขวนอยู่ และพื้นใต้หุ่นยนต์เปื้อนเป็นคราบน้ำมันเป็นแอ่งใหญ่ สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากซีลยางกันน้ำมันเสื่อมสภาพ เมื่อมีการรั่วไหลของน้ำมันเป็นเวลานาน น้ำมันจะค่อยๆ หมดลงจนภายในเกียร์แห้งและเกิดการเสียดสีแบบแห้ง ปัญหาเล็กน้อยจึงลากยาวกลายเป็นความเสียหายรุนแรงที่ต้องซ่อมแซมใหญ่ นอกจากนี้ยังมีอาการที่รู้สึกว่าข้อต่อหมุนร้อนผิดปกติ ร้อนกว่าปกติมาก ซึ่งอาจเกิดจากภาระงานที่หนักเกินไป หรือระบบหล่อลื่นล้มเหลว ทำให้ชิ้นส่วนภายในเกิดการเสียดสีกันอย่างรุนแรง

แล้วฉันควรเปลี่ยนเกียร์เมื่อไหร่ดี

หัวหน้าหลายคนไม่สามารถจ่ายค่าใช้จ่ายในการทำเช่นนั้นได้ จึงกำลังพิจารณาที่จะใช้งานต่อไปอีกสักระยะหนึ่ง แต่จริงๆ แล้ว ความแม่นยำลดลงอย่างมาก สามารถรู้สึกถึงการสั่นสะเทือนได้ด้วยมือ เสียงดังมากจนผู้คนข้างๆ ต้องหันมามอง น้ำมันรั่วซึมไม่สามารถหยุดได้ อุณหภูมิสูงผิดปกติ สัญญาณทั้งห้าข้อนี้ หากปรากฏขึ้นพร้อมกันสองข้อขึ้นไป ก็ไม่ควรเลื่อนการซ่อมบำรุงออกไปอีก เพราะหากชิ้นส่วนเกียร์หลุดร่วงเข้าไปในมอเตอร์หรือเอนโค้เดอร์และกวาดไปทั่ว ค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงจะสูงกว่าราคาของตัวเกียร์เสียอีก

เกียร์ที่ใช้ในหุ่นยนต์ของเราเหมือนกับเกียร์ที่ใช้ในอุปกรณ์ทั่วไปหรือไม่

มันไม่ใช่สิ่งเดียวกัน การเกียร์ของอุปกรณ์ทั่วไปนั้น ช่องว่างเล็กน้อยไม่เป็นปัญหา แทบจะสามารถหมุนได้ตามปกติ แต่หุ่นยนต์ทำเช่นนั้นไม่ได้ หากช่องว่างใหญ่ขึ้นเพียงเล็กน้อย ความคลาดเคลื่อนของหัวเครื่องมือจะขยายตัวจนถึงหลายมิลลิเมตร นี่คือเหตุผลที่ข้อกำหนดเรื่องการเลื่อนย้อนกลับ (backlash) สำหรับเกียร์หุ่นยนต์นั้นมีค่าต่ำมาก และความสามารถในการทำซ้ำ (repeatability) ต้องคงที่ตลอดอายุการใช้งาน ดังนั้นจึงไม่มีพื้นที่ให้เกิดความคลุมเครือในประเด็นนี้เลย

สุดท้าย