การทำงานของหุ่นยนต์ร่วมมือแบบใช้เลเซอร์ทำความสะอาดเป็นอย่างไร

การผสานรวมระหว่างออปติกส์ความแม่นยำสูงเข้ากับการเคลื่อนที่แบบอัตโนมัติในระบบหุ่นยนต์ร่วมมือแบบใช้เลเซอร์ทำความสะอาด

การขจัดสิ่งสกปรกบนพื้นผิวในอุตสาหกรรมเป็นปัญหาที่ค้างมานานหลายทศวรรษ การพ่นทรายทำให้อากาศเต็มไปด้วยฝุ่นซิลิกา การใช้สารเคมีในการลอกชั้นผิวสร้างของเสียอันตรายที่ต้องกำจัดโดยผู้รับอนุญาตเท่านั้น การขัดด้วยมือทำให้คนงานได้รับบาดเจ็บจากภาวะกล้ามเนื้อและข้อต่อถูกใช้งานซ้ำๆ และผลลัพธ์ไม่สม่ำเสมอระหว่างกะต่างๆ เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ที่ติดตั้งเข้ากับหุ่นยนต์แบบร่วมมือ (collaborative robot) ซึ่งเป็นแขนกลแบบหกแกนที่เขียนโปรแกรมให้เคลื่อนที่ตามรูปร่างที่แม่นยำของชิ้นงาน จะสามารถแก้ปัญหาทั้งสามประการนี้ได้ โดยลำแสงเลเซอร์แบบพัลซ์จะส่งพลังงานไปยังสิ่งสกปรก ในขณะที่หุ่นยนต์ควบคุมการเคลื่อนที่ ระยะเข้าถึง และความสม่ำเสมอ ซึ่งมนุษย์ไม่สามารถทำได้เท่าเทียมกันเมื่อต้องผลิตชิ้นส่วนที่เหมือนกันนับพันชิ้น

เทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังการใช้หุ่นยนต์ร่วมมือกับเลเซอร์ในการทำความสะอาดเริ่มต้นจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์เอง โดยเลเซอร์ไฟเบอร์แบบพัลซิ่งจะสร้างลำแสงพลังงานสูงที่มีความยาวช่วงเวลาเป็นนาโนวินาที แต่ละพัลซ์จะส่งมอบความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าค่าเกณฑ์การขจัดสิ่งสกปรก (ablation threshold) ของวัสดุสกปรก — โดยทั่วไปอยู่ที่ 4.26 จูลต่อตารางเซนติเมตร สำหรับคราบสนิมบนเหล็กกล้าคาร์บอน — แต่ต่ำกว่าค่าเกณฑ์ที่ทำให้วัสดุพื้นฐานเสียหาย เมื่อพัลซ์เลเซอร์กระทบชั้นสิ่งสกปรก จะเกิดกระบวนการทางกายภาพสามประการพร้อมกัน ได้แก่ การระเหิดด้วยความร้อนจากแสง (photothermal vaporization) ซึ่งสิ่งสกปรกดูดซับพลังงานเลเซอร์แล้วระเหิดทันที, การกระแทกเชิงโฟโตเมคานิก (photomechanical shock) ซึ่งการขยายตัวจากความร้อนของสิ่งสกปรกจะสร้างคลื่นความดันที่ทำลายพันธะระหว่างสิ่งสกปรกกับวัสดุพื้นฐาน และการยกตัวออกด้วยคลื่นเสียงแสง (photo-acoustic lift-off) ซึ่งคลื่นกระแทกจะผลักอนุภาคที่ระเหิดแล้วให้ลอยออกจากผิวพื้นผิว ผลลัพธ์คือการขจัดสิ่งสกปรกได้มากกว่า 95% โดยไม่ทำลายวัสดุพื้นฐาน และสามารถทำความสะอาดได้ในอัตรา 15–35 ตารางเมตรต่อชั่วโมงในระบบที่ใช้งานจริงในโรงงาน Wuhan Maohe Tianyu Laser Equipment ซึ่งดำเนินงานจากเขต Optics Valley ของประเทศจีน มีประสบการณ์การผลิตเลเซอร์มาแล้ว 15 ปี และสายการผลิตที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และ CE สำหรับส่งออกไปยังกว่า 140 ประเทศ ผลิตเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่งที่สามารถผสานเข้ากับหุ่นยนต์ร่วมมือได้ — โดยเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ปลายแขน (end-effector) บนแขนหุ่นยนต์ ขณะที่ระบบควบคุมหุ่นยนต์จัดการเส้นทางการเคลื่อนที่เพื่อการทำความสะอาด และระบบควบคุมเลเซอร์จัดการพลังงานและอัตราการปล่อยพัลซ์แบบเรียลไทม์

เหตุใดจึงเลือกใช้หุ่นยนต์แบบร่วมมือแทนโครงสร้างแบบคงที่

ปัญหาเรื่องระยะเข้าถึงและมุมการใช้งาน

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบโครงสร้างคงที่จะส่งลำแสงเลเซอร์ไปยังชิ้นงานที่วางอยู่บนโต๊ะเรียบ — วิธีนี้ใช้งานได้ดีสำหรับแผ่นโลหะเรียบ แต่ไม่สามารถใช้กับส่วนตัวถังเรือที่โค้งงอ ส่วนประกอบรถยนต์ที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูปด้วยแรงดันสูง หรือพื้นผิวด้านในของท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ได้เลย ขณะที่หุ่นยนต์แบบร่วมมือที่มีข้อต่อ 6 แกนสามารถปรับตำแหน่งหัวเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ให้อยู่ในมุมใดก็ได้เทียบกับพื้นผิวชิ้นงาน โดยยังคงรักษาระยะโฟกัสที่เหมาะสมและมุมของลำแสงตามที่กระบวนการล้างด้วยเลเซอร์ต้องการ นอกจากนี้ ข้อต่อของหุ่นยนต์ที่สามารถตรวจจับแรงยังเพิ่มความปลอดภัยอีกด้วย: หากแขนหุ่นยนต์สัมผัสสิ่งกีดขวางโดยไม่คาดคิด มันจะหยุดทำงานภายในไม่กี่มิลลิวินาที — ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในพื้นที่ทำงานที่มนุษย์และหุ่นยนต์ทำงานร่วมกัน เพราะวิธีการขัดผิวด้วยทรายหรือการทำความสะอาดด้วยสารเคมีจำเป็นต้องแยกพื้นที่การทำงานอย่างสมบูรณ์

การประยุกต์ใช้จริง: การทำให้กระบวนการล้างชิ้นส่วนในสายการผลิตชิ้นส่วนรถยนต์เป็นระบบอัตโนมัติ

ผู้จัดจำหน่ายชิ้นส่วนยานยนต์ระดับที่หนึ่งรายหนึ่ง ซึ่งผลิตแผ่นโครงสร้างรถยนต์ที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยแรงดัน (stamped body panels) จำนวน 8,000 ชิ้นต่อวัน ได้ใช้วิธีเช็ดด้วยสารละลายแบบทำด้วยมือเพื่อขจัดคราบสนิมและชั้นออกไซด์ออกจากแผ่นเหล็กก่อนกระบวนการเชื่อม — ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้เวลาของพนักงานถึง 12 ชั่วโมงต่อกะ การสัมผัสไอของสารละลายทำให้จำเป็นต้องสวมอุปกรณ์ป้องกันระบบทางเดินหายใจ (respiratory PPE) และให้คุณภาพความสะอาดของผิวไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องจากความพรุนของการเชื่อม (weld-porosity defects) ประมาณร้อยละ 3 ของชิ้นส่วนที่ประกอบเสร็จ

ผู้จัดจำหน่ายติดตั้งเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่งยี่ห้อเหมาเหอ เทียนหยู่ จำนวนสองเครื่องเข้ากับแขนหุ่นยนต์ร่วมมือ (collaborative robot arms) ที่ติดตั้งอยู่ทั้งสองข้างของสายพานลำเลียงเครื่องขึ้นรูปโลหะ (stamping press conveyor) หุ่นยนต์ติดตามแผ่นโลหะแต่ละชิ้นขณะเคลื่อนที่ไปตามสายพาน โดยหัวเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์จะสแกนบริเวณขอบที่จะเชื่อมตามเส้นทางที่โปรแกรมไว้ ครอบคลุมขอบเขตสำคัญสำหรับการเชื่อมกว้าง 30 มิลลิเมตร เวลาทำความสะอาดต่อแผ่นโลหะลดลงจาก 18 วินาที (แบบทำด้วยมือ) เป็น 6 วินาที (แบบใช้หุ่นยนต์ควบคุมเลเซอร์) สินค้าคงคลังตัวทำละลาย ค่าใช้จ่ายอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล (PPE) และค่ากำจัดของเสียอันตราย หมดสิ้นไปโดยสิ้นเชิง — เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สร้างเพียงอนุภาคสิ่งสกปรกที่ระเหยเป็นไอ ซึ่งถูกดักจับโดยระบบดูดควัน (fume extraction unit) อัตราความบกพร่องจากโพรงอากาศในรอยเชื่อม (weld-porosity defects) ลดลงจาก 3% เป็น 0.2% ทำให้ประหยัดค่าแรงงานในการทำงานซ้ำและชิ้นส่วนที่ถูกทิ้งจากการผลิตได้ประมาณ 140,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี

คำถามที่พบบ่อย

ต้องใช้พลังงานเลเซอร์เท่าใดสำหรับการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบหุ่นยนต์

การกำจัดออกไซด์แบบเบาสำหรับชิ้นส่วนความแม่นยำต้องใช้พลังงาน 50–100 วัตต์ การกำจัดสนิมและคราบสเกลจากชิ้นส่วนเหล็กต้องใช้พลังงาน 150–300 วัตต์ การกำจัดสีที่หนาหรือคราบกัดกร่อนที่หนามากต้องใช้พลังงานมากกว่า 400 วัตต์ เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่งของมาโอเหอ เถียนหยู่สามารถให้ช่วงพลังงานตามที่กล่าวมาได้ พร้อมปรับความหนาแน่นของพลังงานได้ตามชนิดของสิ่งสกปรกกับวัสดุพื้นผิวที่แตกต่างกัน

หุ่นยนต์ร่วมงานกับมนุษย์ที่ติดตั้งระบบทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถทำความสะอาดได้เร็วเพียงใด

ความเร็วในการทำความสะอาดขึ้นอยู่กับกำลังเลเซอร์ ประเภทของสิ่งสกปรก และพื้นที่ผิวที่ต้องทำความสะอาด ระบบที่มีกำลัง 300 วัตต์ ใช้กำจัดสนิมบางๆ บนแผ่นเหล็กเรียบได้ด้วยอัตรา 25–35 ตารางเมตรต่อชั่วโมง ส่วนการกำจัดสีอีพอกซีที่หนาบนพื้นผิวที่มีความโค้งซับซ้อนจะลดลงเหลือเพียง 8–12 ตารางเมตรต่อชั่วโมง ความเร็วในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ตามเส้นทางที่กำหนดมักอยู่ระหว่าง 50–200 มิลลิเมตรต่อวินาที ขึ้นอยู่กับความหนาของสิ่งสกปรก

การใช้หุ่นยนต์ในการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ปลอดภัยต่อผู้ปฏิบัติงานหรือไม่

ใช่ หุ่นยนต์ร่วมงานมีข้อต่อที่จำกัดแรงซึ่งจะหยุดทำงานทันทีเมื่อสัมผัสกับวัตถุ เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ที่มีฝาครอบและระบบดูดควันสามารถจับอนุภาคที่ระเหิดได้ ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องสวมแว่นตากันเลเซอร์ที่ได้รับการรับรองสำหรับความยาวคลื่นเฉพาะ (โดยทั่วไปคือ 1064 นาโนเมตรสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์) แต่ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันระบบทางเดินหายใจหรือชุดป้องกันสารอันตราย Maohe Tianyu ระบุว่าระบบของบริษัทสอดคล้องตามมาตรฐาน CE และ REACH

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถทำให้วัสดุพื้นฐานเสียหายได้หรือไม่

ไม่ — หากตั้งค่าอย่างถูกต้อง พลังงานเชิงความหนาแน่นของเลเซอร์แบบพัลซิ่งจะถูกปรับให้อยู่เหนือเกณฑ์การกำจัดสิ่งสกปรก แต่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่ทำให้วัสดุพื้นฐานเสียหาย โลหะผสมอลูมิเนียมต้องการพลังงานฟลูเอนซ์เพียง 60–80% ของค่าที่ปลอดภัยสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน ทีมเทคนิคของ Maohe Tianyu ให้คำแนะนำพารามิเตอร์เฉพาะวัสดุสำหรับแต่ละการใช้งาน

ระบบหุ่นยนต์ทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ต้องบำรุงรักษาอย่างไร

ทุกวัน: ทำความสะอาดหน้าต่างป้องกันบนหัวเลเซอร์ และตรวจสอบไส้กรองระบบดูดควัน ทุกสัปดาห์: ตรวจสอบการปรับค่าความแม่นยำของข้อต่อหุ่นยนต์ และตรวจสายไฟเบอร์ออปติกเพื่อหาจุดงอหรือบิด ทุกเดือน: ทำความสะอาดไส้กรองของเครื่องทำความเย็น และตรวจสอบกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ด้วยมิเตอร์วัดกำลัง เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบไฟเบอร์มีอายุการใช้งานตามมาตรฐาน 10,000 ชั่วโมง — ซึ่งเทียบเท่ากับประมาณ 5–7 ปี กรณีใช้งานสัปดาห์ละ 40 ชั่วโมง

สามารถติดตั้งเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เข้ากับหุ่นยนต์ที่มีอยู่แล้วได้หรือไม่

ได้ — ถ้าหุ่นยนต์มีความสามารถในการรับน้ำหนักที่เพียงพอ (หัวเลเซอร์มีน้ำหนักโดยทั่วไป 2–5 กิโลกรัม บวกกับน้ำหนักของสายไฟเบอร์ออปติก) และคอนโทรลเลอร์รองรับการสื่อสารกับอุปกรณ์เสริม เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ของมาเหอ เถียนหยู่ สื่อสารกับคอนโทรลเลอร์หุ่นยนต์ผ่านโปรโตคอลมาตรฐาน I/O หรืออุตสาหกรรมอีเธอร์เน็ต เพื่อควบคุมเส้นทางและการปล่อยพลังงานแบบประสานงานกัน