Trong bối cảnh khoa học công nghệ phát triển vượt bậc, robot đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Từ những dây chuyền sản xuất tự động hóa trong các nhà máy, đến những thiết bị hỗ trợ trong y tế, hay thậm chí là những người bạn đồng hành trong tương lai, robot ngày càng chứng minh vai trò quan trọng của mình trong việc nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng cuộc sống và giải quyết những thách thức phức tạp. Song, hiện nay, có rất nhiều loại cánh tay Robot được sử dụng rộng rãi, một trong số đó là cánh tay Robot thủy lực. Vậy, cụ thể cánh tay Robot thủy lực là gì? Chúng có cấu tạo và hoạt động như thế nào? Ứng dụng ra sao? Cùng Robotic Nguyên Hạnh tìm hiểu chi tiết trong bài viết sau!
Cánh tay Robot công nghiệp là gì?
Cánh tay Robot thủy lực, hay còn gọi là cánh tay cơ khí thủy lực, là một loại cánh tay Robot công nghiệp sử dụng hệ thống thủy lực để tạo ra lực và chuyển động. Thay vì dựa vào động cơ điện như các loại robot khác, cánh tay Robot thủy lực sử dụng chất lỏng thủy lực (thường là dầu) được nén để truyền lực đến các xi-lanh và bộ truyền động, từ đó điều khiển các khớp và bộ phận của cánh tay.
Đây là một giải pháp tự động hóa mạnh mẽ và linh hoạt, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khả năng xử lý tải trọng lớn và hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt.
Cấu tạo của cánh tay Robot thủy lực
Cánh tay Robot thủy lực là một hệ thống phức tạp, được tạo thành từ nhiều bộ phận phối hợp nhịp nhàng để thực hiện các tác vụ khác nhau. Về cơ bản, cấu tạo của một cánh tay Robot thủy lực bao gồm ba hệ thống chính: hệ thống cơ khí, hệ thống thủy lực và hệ thống điều khiển.
Hệ thống cơ khí
Hệ thống cơ khí tạo nên khung xương và các bộ phận chuyển động của cánh tay robot, quyết định hình dáng, kích thước và khả năng vận động của nó. Các thành phần chính bao gồm:
- Các khớp (Joints): Tương tự như các khớp trên cánh tay người, các khớp của Robot thủy lực cho phép các bộ phận của cánh tay xoay, gập, duỗi và thực hiện các chuyển động phức tạp. Các loại khớp thường gặp bao gồm:
- Khớp bản lề (Revolute Joint): Cho phép chuyển động xoay quanh một trục cố định. Ví dụ như khớp vai hoặc khớp khuỷu tay khi thực hiện động tác gập duỗi.
- Khớp xoay (Prismatic Joint hay Linear Joint): Cho phép chuyển động tịnh tiến dọc theo một đường thẳng. Ví dụ như sự di chuyển ra vào của một piston trong xi lanh.
- Khớp cầu (Spherical Joint): Cho phép chuyển động xoay tự do theo nhiều hướng, tương tự như khớp vai của con người.
- Số lượng và loại khớp quyết định mức độ linh hoạt và phạm vi hoạt động của cánh tay robot.
- Các bộ phận kết nối (Links): Đây là các thành phần cứng kết nối các khớp với nhau, tạo thành cấu trúc của cánh tay robot. Chúng bao gồm:
- Tay (Upper Arm/Shoulder): Phần kết nối với đế Robot và khớp vai.
- Cẳng tay (Lower Arm/Elbow): Phần kết nối giữa khớp vai và khớp khuỷu tay.
- Cổ tay (Wrist): Cho phép điều chỉnh hướng và vị trí của bộ phận cuối cùng.
- Bàn tay/Kẹp gắp (End Effector/Gripper): Bộ phận trực tiếp tương tác với đối tượng làm việc, có thể là kẹp gắp, giác hút, mỏ hàn, vòi phun sơn, v.v. Hình dạng và chức năng của bộ phận này phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của robot.
- Vật liệu chế tạo: Các bộ phận cơ khí thường được chế tạo từ các vật liệu có độ bền cao, chịu được tải trọng lớn và môi trường làm việc khắc nghiệt, chẳng hạn như thép hợp kim, nhôm hợp kim hoặc vật liệu composite. Yêu cầu về độ chính xác gia công và lắp ráp cũng rất cao để đảm bảo hoạt động trơn tru và chính xác của cánh tay robot.
Hệ thống thủy lực
Hệ thống thủy lực đóng vai trò là “hệ thống cơ bắp” của cánh tay robot, cung cấp năng lượng và tạo ra lực để thực hiện các chuyển động. Các thành phần chính của hệ thống thủy lực bao gồm:
- Bơm thủy lực (Hydraulic Pump): Đây là “trái tim” của hệ thống, có chức năng chuyển đổi năng lượng cơ học (thường từ động cơ điện) thành năng lượng thủy lực dưới dạng dòng chất lỏng (dầu thủy lực) có áp suất cao. Có nhiều loại bơm thủy lực khác nhau như bơm bánh răng, bơm cánh gạt, bơm piston, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng.
- Xi lanh thủy lực (Hydraulic Cylinder/Actuator): Đây là các bộ phận trực tiếp tạo ra chuyển động cơ học. Xi lanh thủy lực bao gồm một ống hình trụ, một piston di chuyển bên trong ống, và một hoặc hai cổng để dẫn dầu vào và ra. Khi dầu thủy lực có áp suất tác động lên piston, nó sẽ tạo ra lực đẩy hoặc kéo, gây ra chuyển động tuyến tính. Các xi lanh thủy lực được kết nối với các khớp của cánh tay Robot để tạo ra các chuyển động xoay hoặc tịnh tiến.
- Van điều khiển thủy lực (Hydraulic Control Valve): Các van này đóng vai trò “bộ não” của hệ thống thủy lực, kiểm soát hướng, lưu lượng và áp suất của dòng dầu thủy lực. Có nhiều loại van khác nhau, bao gồm:
- Van điều hướng (Directional Control Valve): Điều khiển hướng di chuyển của dầu đến các xi lanh khác nhau, từ đó quyết định hướng chuyển động của các khớp.
- Van tiết lưu (Flow Control Valve): Điều chỉnh lưu lượng dầu, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của các bộ phận.
- Van áp suất (Pressure Control Valve): Đảm bảo áp suất trong hệ thống nằm trong phạm vi an toàn và điều chỉnh lực tác động của xi lanh.
- Ống dẫn dầu và các phụ kiện kết nối (Hydraulic Hoses and Fittings): Các ống dẫn dầu chịu áp lực cao được sử dụng để truyền dẫn dầu thủy lực giữa các thành phần của hệ thống. Các phụ kiện kết nối đảm bảo sự kín khít và an toàn của hệ thống.
- Bình chứa dầu thủy lực (Hydraulic Reservoir/Tank): Chứa lượng dầu thủy lực cần thiết cho hệ thống, đồng thời giúp làm mát và loại bỏ bọt khí trong dầu.
- Bộ lọc dầu (Hydraulic Filter): Loại bỏ các tạp chất có trong dầu thủy lực, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ của các thành phần.
Xem thêm: Các loại Robot công nghiệp được ứng dụng phổ biến hiện nay
Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển đóng vai trò là “hệ thần kinh” của cánh tay Robot thủy lực, nhận lệnh từ người vận hành hoặc chương trình, xử lý thông tin và điều khiển hoạt động của hệ thống thủy lực để tạo ra các chuyển động mong muốn. Các thành phần chính bao gồm:
- Cảm biến (Sensors): Thu thập thông tin về trạng thái của cánh tay Robot và môi trường làm việc, chẳng hạn như vị trí các khớp, áp suất dầu, lực tác động, nhiệt độ, v.v. Các loại cảm biến thường được sử dụng bao gồm cảm biến vị trí (encoder, potentiometer), cảm biến áp suất, cảm biến lực, v.v.
- Bộ vi điều khiển/PLC (Microcontroller/Programmable Logic Controller): Đây là bộ não trung tâm của hệ thống điều khiển, nhận tín hiệu từ cảm biến và thực hiện các thuật toán điều khiển để đưa ra các lệnh điều khiển cho van thủy lực.
- Hệ thống truyền động (Actuation System): Trong hệ thống điều khiển thủy lực, các van điều khiển (đặc biệt là servo valve và proportional valve) đóng vai trò là bộ phận truyền động, chuyển đổi tín hiệu điều khiển điện tử thành sự thay đổi về dòng chảy và áp suất dầu một cách chính xác và nhanh chóng. Servo valve cho phép điều khiển chính xác cao hơn so với proportional valve.
- Giao diện người dùng (User Interface): Cho phép người vận hành tương tác với robot, nhập lệnh điều khiển, giám sát trạng thái hoạt động và lập trình các tác vụ. Giao diện có thể là bảng điều khiển vật lý, màn hình cảm ứng hoặc phần mềm trên máy tính.
Sự phối hợp nhịp nhàng giữa ba hệ thống này đảm bảo cánh tay Robot thủy lực có thể thực hiện các tác vụ phức tạp với độ chính xác, sức mạnh và độ tin cậy cao.
Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot thủy lực
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cánh tay Robot thủy lực dựa trên khả năng truyền lực và chuyển động thông qua chất lỏng không nén được, thường là dầu thủy lực. Khi một lực tác động lên một chất lỏng bị giới hạn trong một không gian kín, áp suất sẽ được truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng (theo định luật Pascal). Hệ thống thủy lực của cánh tay Robot tận dụng nguyên lý này để tạo ra các chuyển động mạnh mẽ và chính xác.
Quá trình hoạt động có thể được mô tả qua các giai đoạn chính sau:
- Tạo áp suất dầu thủy lực:
- Bơm thủy lực đóng vai trò trung tâm trong việc tạo ra dòng dầu thủy lực có áp suất cao. Bơm được dẫn động bởi một nguồn năng lượng cơ học, thường là một động cơ điện.
- Khi động cơ hoạt động, nó làm quay các bộ phận bên trong bơm (ví dụ: bánh răng, cánh gạt, piston). Chuyển động này tạo ra sự thay đổi về thể tích trong buồng bơm, hút dầu từ bình chứa vào và đẩy dầu ra với áp suất cao.
- Áp suất của dầu thủy lực được tạo ra phụ thuộc vào thiết kế và tốc độ hoạt động của bơm, cũng như tải trọng mà hệ thống phải chịu. Áp suất càng cao, lực tác động mà hệ thống có thể tạo ra càng lớn.
- Điều khiển dòng dầu thủy lực:
- Van điều khiển thủy lực đóng vai trò “người điều phối” dòng dầu áp suất cao trong hệ thống. Chúng được điều khiển bằng tín hiệu điện từ bộ vi điều khiển hoặc PLC.
- Van điều hướng có nhiệm vụ chuyển hướng dòng dầu đến các xi lanh thủy lực khác nhau. Tùy thuộc vào lệnh điều khiển, van sẽ mở hoặc đóng các đường dẫn dầu, cho phép dầu chảy đến khoang này hoặc khoang kia của xi lanh.
- Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng dầu chảy qua các xi lanh, từ đó kiểm soát tốc độ chuyển động của piston và các bộ phận cơ khí liên kết.
- Van áp suất đảm bảo an toàn cho hệ thống bằng cách giới hạn áp suất tối đa, ngăn ngừa quá tải và hư hỏng.
- Tạo chuyển động cơ học tại các xi lanh:
- Khi dầu thủy lực có áp suất được dẫn vào một khoang của xi lanh thủy lực, nó tác động lên bề mặt piston, tạo ra một lực đẩy.
- Lực này làm cho piston di chuyển dọc theo xi lanh (chuyển động tuyến tính).
- Piston được kết nối cơ khí với các khớp của cánh tay Robot thông qua các thanh truyền hoặc cơ cấu khác. Chuyển động tuyến tính của piston sẽ được chuyển đổi thành chuyển động xoay tại các khớp (nhờ các liên kết cơ học), cho phép cánh tay Robot gập, duỗi, xoay và thực hiện các động tác khác.
- Bằng cách điều khiển dòng dầu vào và ra khỏi các khoang khác nhau của xi lanh, hệ thống có thể điều khiển hướng và tốc độ chuyển động của từng khớp một cách độc lập hoặc phối hợp.
- Điều khiển toàn bộ quá trình:
- Hệ thống điều khiển đóng vai trò “bộ não” điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động.
- Cảm biến liên tục thu thập thông tin về vị trí, vận tốc, lực tác động và các thông số khác của cánh tay robot.
- Bộ vi điều khiển/PLC nhận tín hiệu từ cảm biến, so sánh với lệnh điều khiển đã được lập trình hoặc nhận từ người vận hành, và đưa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp đến các van thủy lực.
- Hệ thống truyền động (servo valve, proportional valve) chuyển đổi tín hiệu điều khiển điện tử thành sự thay đổi chính xác về dòng chảy và áp suất dầu, đảm bảo các chuyển động của cánh tay Robot diễn ra theo đúng yêu cầu.
- Quá trình này diễn ra liên tục theo một vòng lặp khép kín (feedback loop), cho phép hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được độ chính xác và hiệu suất mong muốn.
Lợi ích của cánh tay Robot thủy lực
- Khả năng chịu tải lớn: Đây là một trong những ưu điểm nổi bật nhất của hệ thống thủy lực. Chất lỏng gần như không thể nén được, cho phép truyền lực hiệu quả và tạo ra lực tác động rất lớn từ các xi lanh có kích thước tương đối nhỏ. Điều này làm cho cánh tay Robot thủy lực lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi nâng và di chuyển các vật thể nặng.
- Lực tác động mạnh mẽ: Nhờ khả năng tạo ra áp suất cao, cánh tay Robot thủy lực có thể thực hiện các tác vụ đòi hỏi lực lớn như ép, dập, cắt gọt vật liệu cứng, hoặc siết chặt các mối nối một cách mạnh mẽ và đáng tin cậy.
- Độ chính xác cao trong các ứng dụng đòi hỏi lực lớn: Mặc dù đôi khi bị cho là kém chính xác hơn so với robot điện trong các tác vụ nhẹ, nhưng trong các ứng dụng cần lực lớn, hệ thống thủy lực có thể duy trì độ chính xác cao do khả năng kiểm soát lực tốt và độ cứng vững của hệ thống.
- Hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt: Hệ thống thủy lực thường được thiết kế kín, ít bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, độ ẩm hoặc nhiệt độ cao so với các hệ thống điện tử nhạy cảm. Điều này làm cho Robot thủy lực phù hợp với các môi trường làm việc công nghiệp nặng, xây dựng hoặc khai thác mỏ.
- Khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp: Với việc điều khiển lưu lượng và hướng dầu một cách linh hoạt, cánh tay Robot thủy lực có thể thực hiện các chuỗi chuyển động phức tạp và phối hợp giữa nhiều khớp một cách mượt mà.
- Độ bền và tuổi thọ cao: Các thành phần thủy lực thường được chế tạo chắc chắn và có tuổi thọ cao nếu được bảo trì đúng cách. Hệ thống có khả năng chịu được các tải trọng và va đập lớn trong quá trình làm việc.
Ứng dụng của cánh tay Robot thủy lực
Công nghiệp sản xuất
- Gắp và đặt phôi liệu nặng: Trong các nhà máy sản xuất kim loại, ô tô, hoặc các ngành công nghiệp nặng khác, cánh tay Robot thủy lực được sử dụng để nâng, di chuyển và định vị các phôi liệu có trọng lượng lớn một cách chính xác và an toàn.
- Hàn, sơn, lắp ráp các chi tiết lớn: Robot thủy lực có thể được trang bị các công cụ hàn, súng phun sơn hoặc các đầu lắp ráp đặc biệt để thực hiện các công việc này trên các sản phẩm kích thước lớn như khung xe, vỏ tàu, hoặc các cấu kiện thép. Lực tác động mạnh mẽ giúp đảm bảo chất lượng mối hàn, lớp sơn đều và sự lắp ráp chắc chắn.
- Cắt gọt kim loại: Với khả năng chịu lực tốt, cánh tay Robot thủy lực có thể được tích hợp với các công cụ cắt gọt như dao phay, máy mài để thực hiện các công đoạn gia công trên các chi tiết kim loại lớn và cứng.
- Robot trong dây chuyền sản xuất tự động: Trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa, Robot thủy lực có thể thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại như lắp ráp, kiểm tra chất lượng, đóng gói, giúp tăng năng suất và giảm chi phí nhân công.
Xây dựng và khai thác
- Máy xúc, máy đào: Đây là những ví dụ điển hình về ứng dụng của hệ thống thủy lực trong các thiết bị xây dựng và khai thác. Cánh tay thủy lực mạnh mẽ của máy xúc và máy đào cho phép chúng đào đất đá, nâng vật liệu nặng và thực hiện các công việc san lấp mặt bằng hiệu quả.
- Cẩu tháp: Các hệ thống cẩu tháp sử dụng xi lanh thủy lực để nâng hạ các cấu kiện xây dựng nặng một cách an toàn và chính xác ở độ cao lớn.
- Các thiết bị hỗ trợ xây dựng công trình lớn: Nhiều loại máy móc xây dựng khác như máy đóng cọc, máy khoan địa chất cũng sử dụng hệ thống thủy lực để tạo ra lực cần thiết cho các hoạt động thi công.
Có thể bạn quan tâm: 5+ ứng dụng robot trong công nghiệp phổ biến
Nghiên cứu và phát triển
- Robot thám hiểm dưới nước sâu: Trong môi trường áp suất cực lớn dưới đại dương sâu thẳm, hệ thống thủy lực là lựa chọn lý tưởng cho các robot thám hiểm do khả năng chịu áp lực tốt và truyền lực hiệu quả. Các cánh tay Robot thủy lực trên các tàu ngầm điều khiển từ xa (ROV) được sử dụng để thu thập mẫu vật, thực hiện các thao tác bảo trì và nghiên cứu khoa học.
- Các hệ thống robot mô phỏng chuyển động sinh học: Các nhà nghiên cứu đôi khi sử dụng hệ thống thủy lực để tạo ra các robot có khả năng mô phỏng các chuyển động phức tạp của động vật hoặc con người, phục vụ cho mục đích nghiên cứu về cơ sinh học hoặc phát triển các thiết bị hỗ trợ.
Các ứng dụng đặc biệt khác
- Trong lĩnh vực cứu hộ, tháo gỡ bom mìn: Các robot được trang bị cánh tay thủy lực mạnh mẽ và điều khiển từ xa có thể được sử dụng để tiếp cận các khu vực nguy hiểm, gỡ bỏ vật cản, và xử lý bom mìn một cách an toàn cho con người.
- Trong nông nghiệp (một số loại máy móc thu hoạch): Một số loại máy móc nông nghiệp như máy thu hoạch cây trồng lớn có thể sử dụng hệ thống thủy lực để điều khiển các bộ phận cắt, nâng và vận chuyển nông sản.
- Trong lĩnh vực y tế (một số thiết bị hỗ trợ phẫu thuật): Mặc dù robot điện thường được ưu tiên trong phẫu thuật tinh vi, nhưng hệ thống thủy lực vẫn có thể được sử dụng trong một số thiết bị hỗ trợ lực hoặc các ứng dụng đòi hỏi độ bền và khả năng chịu tải.
Hy vọng những chia sẻ trên đây đã giúp bạn có cái nhìn sâu sắc hơn về cánh tay Robot thủy lực, một công nghệ truyền động mạnh mẽ và linh hoạt, đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng công nghiệp và các lĩnh vực khác. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về cánh tay Robot thủy lực và giải pháp tự động hóa cho doanh nghiệp mình, hãy liên hệ ngay Robotic Nguyên Hạnh qua hotline: 0909 664 233 để nhận tư vấn chi tiết từ chuyên gia nhé!
