Các hệ thống robot công nghiệp hiện đại dựa vào cơ sở hạ tầng ngày càng phức tạp để hỗ trợ khả năng trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học (ML) không ngừng phát triển, kết nối liền mạch và triển khai có thể mở rộng trong nhà máy. Các hệ thống này yêu cầu cảm biến, phần cứng bảo mật, bảo vệ mạch và các thành phần điều khiển để đáp ứng yêu cầu về băng thông cao, phản hồi thời gian thực và các tiêu chuẩn an toàn chức năng nghiêm ngặt.
Bài viết này tìm hiểu các công nghệ cơ bản hỗ trợ công nghệ rô-bốt Công nghiệp 4.0, tập trung vào cảm biến SICK, giải pháp an toàn và cách các bộ phận điều khiển công nghiệp của Eaton giúp đạt được khả năng kiểm soát chuyển động an toàn, hoạt động của hệ thống thích ứng và ra quyết định mang tính quyết định. Các chủ đề thảo luận cụ thể bao gồm các yếu tố thúc đẩy chính của tự động hóa thông minh đàn hồi, chẳng hạn như kiến trúc nhận thức, tuân thủ bảo mật máy, chiến lược kiểm soát khả năng chịu lỗi và tích hợp các mạng tự động hóa biên phân tán.
Hệ thống cảm biến tiên tiến cho môi trường năng động của nhà máy
Như được hiển thị trong Hình 1, robot Công nghiệp 4.0 đã đạt được hoạt động an toàn và hiệu quả trong các xưởng sản xuất thông qua các cảm biến tiên tiến. Mặc dù hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt như ánh sáng thay đổi liên tục, sự hiện diện của các hạt trong không khí và rung động cơ học, các cảm biến này vẫn phải có khả năng xử lý nhanh chóng dữ liệu thời gian thực để theo dõi chính xác nhân sự, robot di động và dây chuyền lắp ráp chuyển động nhanh.
Cánh tay robot công nghiệp 4.0 đa trục của Igus
Hình 1: Cánh tay robot đa trục Công nghiệp 4.0 sử dụng các cảm biến tích hợp và phản hồi theo thời gian thực để đạt được thao tác chính xác và nhanh chóng. (Nguồn hình ảnh: Igus)
Nền tảng robot tích hợp nhiều chế độ cảm biến để đảm bảo nhận thức không gian và phản hồi ở mức mili giây. Thuật toán tổng hợp cảm biến tổng hợp các thông tin đầu vào này lại với nhau để tạo ra mô hình nhất quán theo thời gian thực về môi trường vận hành của robot. Hệ thống hình ảnh quản lý việc phát hiện và định vị đối tượng, trong khi máy quét laser cấp độ an ninh giám sát các cách tiếp cận trái phép trong khu vực hạn chế. Cảm biến Thời gian bay (ToF) có độ trễ thấp thu thập dữ liệu không gian ba chiều, cho phép điều chỉnh đường đi theo thời gian thực và hành vi nhận biết ngữ cảnh.
Robot cũng dựa vào các cảm biến bên trong và cảm biến tiếp xúc để cải thiện khả năng tương tác và kiểm soát chuyển động. Cảm biến xúc giác, bao gồm cảm biến lực/mô-men xoắn và công tắc giới hạn, có thể cung cấp phản hồi cho các nhiệm vụ nắm bắt, lắp ráp và tuân thủ. Cảm biến tiệm cận cảm ứng, điện dung và siêu âm có thể phát hiện các vật thể ở gần mà không cần tiếp xúc và khoảng cách phát hiện của chúng thường ngắn hơn hệ thống ToF. Bộ mã hóa và chiết áp theo dõi vị trí và vận tốc khớp để lập kế hoạch chuyển động chính xác, trong khi các đơn vị đo quán tính (IMU) đo gia tốc và vận tốc góc để duy trì hướng và sự cân bằng. Cuối cùng, cảm biến điện theo dõi dòng điện và điện áp để đánh giá tải động cơ và phát hiện lỗi.
An toàn robot công nghiệp dựa trên tiêu chuẩn
Robot công nghiệp 4.0 phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế nghiêm ngặt để bảo vệ sự an toàn của con người và thiết bị. Ba tiêu chuẩn chính ISO 13849, IEC 62061 và ISO 10218 quy định các yêu cầu an toàn về chức năng và hệ thống điều khiển đối với hệ thống rô-bốt xưởng sản xuất.
ISO 13849 phác thảo các tiêu chuẩn thiết kế và xác nhận cho các bộ phận kiểm soát liên quan đến an toàn. Tiêu chuẩn này áp dụng cách tiếp cận dựa trên rủi ro và sử dụng mức hiệu suất (PL) để phân loại tính toàn vẹn của hệ thống dựa trên mức độ nghiêm trọng của các mối nguy hiểm, tần suất tiếp xúc và các tình huống phòng tránh tiềm ẩn. IEC 62061 định lượng mức giảm rủi ro cần thiết đối với an toàn chức năng của các hệ thống điều khiển điện, điện tử và lập trình bằng cách sử dụng Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL). Các tiêu chuẩn này quy định chung các yêu cầu về thiết kế, triển khai và xác nhận đối với các chức năng nhận thức và kiểm soát trong các ứng dụng quan trọng về an toàn.
Tiêu chuẩn ISO 10218 áp dụng những nguyên tắc này cụ thể cho rô-bốt công nghiệp, bao gồm các yêu cầu về an toàn trong thiết kế rô-bốt, bố trí đơn vị công việc, tích hợp hệ thống và vận hành. Điều này bao gồm việc sử dụng các cảm biến cấp độ an toàn để thực hiện các nhiệm vụ như dừng khẩn cấp, bảo vệ và giám sát chuyển động. Các thành phần này phải đáp ứng các ngưỡng hiệu suất và độ tin cậy được chỉ định và thường được thể hiện thông qua kiểm tra và xác thực có cấu trúc.
Các tiêu chuẩn ISO 13849, IEC 62061 và ISO 10218 tạo thành cốt lõi của các tiêu chuẩn an toàn cho robot. Các tiêu chuẩn khác, bao gồm Tiêu chuẩn An toàn Điện IEC 60204-1 và Tiêu chuẩn Hợp tác Máy Người ISO/TS 15066, đã mở rộng khuôn khổ cơ bản để triển khai và tích hợp an toàn.
Hệ thống bảo mật tích hợp cho sự hợp tác giữa con người và máy móc
Nhà điều hành nhà máy áp dụng các giải pháp bảo mật từ các nhà cung cấp như SICK và Eaton để đáp ứng các tiêu chuẩn về chức năng và an toàn máy móc. Ví dụ: hệ thống Safe EFI Pro của SICK sử dụng các cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động tích hợp để hỗ trợ kiểm soát các chức năng an toàn theo thời gian thực cho cả robot cố định và robot di động. Như được hiển thị trong Hình 2, thành phần chính của hệ thống, máy quét laser an toàn microScan, có thể thực hiện phát hiện chuyển động thích ứng và phụ thuộc vào tình huống trong môi trường động.
Máy quét laser an toàn SICK microScan3
Hình 2: Máy quét laser an toàn microScan3 của SICK có thể giám sát các khu vực được bảo vệ và phát hiện chuyển động một cách linh hoạt, cung cấp hỗ trợ bảo vệ thích ứng trong môi trường công nghiệp. (Nguồn ảnh: SICK)
Người vận hành cũng có thể sử dụng Hệ thống bảo vệ cuối cánh tay (EOAS) của SICK để duy trì vùng bảo vệ động xung quanh đầu công cụ robot. EOAS sử dụng công nghệ ToF để đạt được sự cộng tác an toàn giữa con người và máy móc với thời gian phản hồi dưới 110 mili giây.
Là phần bổ sung cho các hệ thống tự động này, SICK cũng cung cấp các thành phần bảo mật thủ công và ngoại vi. Người vận hành có thể nhanh chóng tắt máy bằng cách vận hành công tắc dừng khẩn cấp ES21 trong trường hợp khẩn cấp. Công tắc an toàn không tiếp xúc STR1 áp dụng công nghệ RFID để đạt được khả năng giám sát bảo vệ và chống giả mạo, hỗ trợ mã hóa nâng cao và tuân thủ tiêu chuẩn EN ISO 14119.