กระบวนการเชื่อมจึงเป็นสิ่งจำเป็นและเป็นองค์ประกอบส่วนหนึ่งในการออกแบบผลิตภัณฑ์  เพราะฉะนั้นการออกแบบการเชื่อมอย่างเฉลียวฉลาดเชิงสร้างสรรค์  ทำให้ราคาต้นทุนในการผลิตของผลิตภัณฑ์นั้นต่ำกว่าผลิตภัณฑ์อื่นๆ ในลักษณะของงานประเภทและขนาดเดียวกัน ดังนั้นกระบวนการเชื่อมจึงมีราคาถูกกว่าการหล่อหลอมโลหะ การตีขึ้นรูป หรือการใช้หมุดย้ำ (ดังแสดงในรูปที่ 1) หรือการใช้เกลียวและสลักเกลียว ส่วนความหนาของโลหะชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการหล่อ มักจะหนาและมีน้ำหนักมาก (ในบางกรณีที่ต้องการทำให้เกิดเป็นโพรงสำหรับให้น้ำโลหะที่หลอมละลายไหลผ่านได้สะดวก) เมื่อเทียบกับการตีขึ้นรูปแล้วนั้นจะมีข้อจำกัดในด้านของขนาดและรูปร่างของชิ้นงาน

 รูปที่ 1 โครงสร้างงานเชื่อมที่ใช้จำนวนชิ้นงานที่น้อยกว่าหมุดย้ำ 

ที่มา : (Howard B. Cary. Modern Welding Technology. Third Edition, 1994 : 574-575)

เพราะฉะนั้น จึงเป็นที่นิยมสูงในกระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์โลหะ เมื่อเทียบกับเครื่องจักรกลต่างๆ เช่น การตีขึ้นรูป การปั๊มขึ้นรูป และการหล่อ เพราะงานโลหะเกือบทุกชนิดจะต้องมีขั้นตอนสุดท้ายก็คือ กระบวนการเชื่อม รวมทั้งงานที่มิใช่โลหะก็ยังสามารถใช้กระบวนการเชื่อมได้เช่นกัน เพราะการต่อโลหะเข้าด้วยกันได้ดีที่สุดนั้น คือ กระบวนการเชื่อมที่ให้มีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงพบว่ากระบวนการเชื่อมจึงมีการใช้งานเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวกับโลหะทั่วไปในทุกๆ ที่และทุกๆ สถานที่ แต่มนุษย์ยังมีขีดจำกัดในการทำงานซ้ำๆ กันให้ได้ผลดีสม่ำเสมออย่างต่อเนื่องในระยะเวลานาน งานเชื่อมมีลักษณะเฉพาะของงาน ซึ่งเมื่อช่างเชื่อมดำเนินการไปเป็นระยะเวลานาน ช่างเชื่อมจะเกิดความเมื่อยล้าทางกาย และความเครียดทางประสาท ซึ่งจะเป็นการบั่นทอนความชำนาญของช่างเชื่อม ด้วยเหตุนี้เองกระบวนการเชื่อมจึงมีวิวัฒนาการเป็นแบบอัตโนมัติ เพื่อให้การควบคุมรอยเชื่อมของช่างเชื่อมง่ายขึ้นและเกิดรอยเชื่อมซึ่งมีคุณสมบัติตามความต้องการอย่างสม่ำเสมอ

ในทุกๆ วันนี้กระบวนการเชื่อมประสานโลหะด้วยไฟฟ้า ได้ถูกพัฒนารูปแบบเป็นไปในระบบกระบวนการเชื่อมแบบอัตโนมัติโดยแรกเริ่มวิธีการนี้เป็นที่รู้จักกันในวงงานอุตสาหกรรมรถยนต์ที่นำมาประยุกต์จนประสบความสำเร็จ

ปัจจัยหนึ่งของส่วนอื่นๆ ที่เป็นจุดเด่นและสำคัญที่สุด คือ ค่าแรงของแรงงาน  ก็คือ  คนงานที่กำลังมีปัญหาเกิดขี้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้ค่าแรงงานมีผลต่อการนำไปรวมกับงานเชื่อมด้วย

ในยุคเริ่มต้นของการส่งเสริมอุตสาหกรรมในประเทศ ทำให้เศรษฐกิจมีการขยายตัว อันเนื่องมาจากมีอุตสาหกรรมเกิดมากขึ้น นับตั้งแต่อุตสาหกรรมเพื่อทดแทนการนำเข้า อุตสาหกรรมเพื่อการส่งออก จนมาถึงในยุคปัจจุบันที่ต้องก้าวตามโลกให้ทัน ธุรกิจต่างๆ มีการขยายตัวออกไปอย่างไม่มีพรมแดน ความเจริญก้าวหน้าทางเทคโนโลยีทำให้การเดินทางสะดวก รวดเร็ว การแข่งขันทางธุรกิจจึงไม่ได้จำกัดอยู่เพียงภายในประเทศหรือกลุ่มผู้ประกอบการธุรกิจเดียวกันเท่านั้นแล้ว

ดังนั้นจึงได้นำเทคโนโลยีที่มีความยืดหยุ่นสูง ได้แก่ หุ่นยนต์อุตสาหกรรม (Industrial Robot) ซึ่งสามารถทำการเปลี่ยนการทำงานได้อย่างรวดเร็วโดยเพียงแต่เปลี่ยนโปรแกรม และอุปกรณ์ตัวช่วยอื่นๆ เท่านั้น ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพตามมาตรฐานที่กำหนด  โดยจะขอกล่าวถึงหุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับหุ่นยนต์งานเชื่อม (Robotics Arc Welding)

ความเป็นมาและชนิดของหุ่นยนต์งานเชื่อม

หุ่นยนต์ได้รับความสนใจจากโลกภาพยนตร์ เรื่อง สตาร์วอร์ (Star Wars) ที่มี R2D2 (อาทูดีทู) และเพื่อนสนิท C3PO (ซีทีพีโอ) โดยหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีความหลากหลาย สำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมรุ่นแรกที่เสร็จสมบูรณ์ที่ได้จดสิทธิบัตรในปี ค.ศ. 1970 (พ.ศ. 2513) ซึ่ง จอร์จ ซี ดีโวท์ (George C Devol) โดยเขาได้ทำการผสมผสานของแขนกลระหว่างการแสดงผลงานทางเทคโนโลยีของการควบคุมตัวเลข จึงเรียกอุปกรณ์นี้ว่า “อุปกรณ์ควบคุมโปรแกรม” (Program-Controlled Equipment) โดยมี โจเซฟ เอฟ เอนเจลเบอร์เกอร์ (Joseph F. Engelberger) ทำงานร่วมกับ ดีโวท์ (Devol) ต่อมาโจเซฟ เอฟ เอนเจลเบอร์เกอร์ ได้เป็นที่รู้จักว่าเป็น “บิดาของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม” ในการคิดการเคลื่อนที่และยังสนับสนุนความคิดตลอดจนยังให้ชื่อมันว่า “หุ่นยนต์” (Robot) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากภาษาเชก (เชกโกสโลวาเกีย : Czech) ที่มีคำว่า “โรบ็อทตา” (Robota) โดยมีความหมายว่า ผู้ใช้แรงงาน (Forced Labor) ในปี ค.ศ. 1920 (พ.ศ. 2463) คาเรล คาเปก (Karel Capek's) ได้เขียนบทละครล้อการเมืองเรื่อง รอสซูมิ ยูนิเวอร์ซัล โรบ็อท (Rossum’s Universal Robots) RUR โดยสามารถตีความตามความหมายว่า “ใช้แรงงานอย่างกับทาส” 

แต่ดั้งเดิม "หุ่นยนต์" หรือ “โรบ็อท” (Robot) ได้ถูกกำหนดตามหน้าที่ของอุปกรณ์การผลิตด้วยระบบอัตโนมัติหรือเครื่องจักรที่ปฏิบัติตามหน้าที่ด้วยตัวของมันเอง เปรียบเหมือนมนุษย์ที่ขาดอารมณ์และความรู้สึกหรือคนงานที่ไม่มีความรู้สึก และยังสามารถทำงานหนักได้มากกว่ามนุษย์เป็นสองเท่า สำหรับในปัจจุบันประเทศสหรัฐอเมริกาได้เลิกใช้ความหมายนี้แล้ว โดยหุ่นยนต์ได้ถูกกำหนดตามความสามารถในการตั้งโปรแกรมได้หลายๆ ครั้ง 

ไอแซก อาสิมอฟ (Isaac Asimof) หนึ่งในนักเขียนเรื่องที่เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ที่น่าเชื่อถือมาก เป็นคนแรกที่ใช้คำว่า “ศาสตร์หุ่นยนต์” (Robotics) ซึ่งได้ทำการตั้งกฎไว้ 3 ข้อ คือ 

1.1 ประกอบด้วยฐาน (Base) แขนหุ่นยนต์ (Arm) ระบบการเคลื่อนที่ (Drive System) ที่ออกแบบเพื่อการเคลื่อนที่ของวัตถุให้เกิดประโยชน์ได้หลายๆ หน้าที่ด้วยกัน เช่น ยกหรือหยิบจับชิ้นส่วน และยังสามารถเคลื่อนย้ายวัตถุอุปกรณ์ เครื่องมือ หรืออุปกรณ์พิเศษต่างๆ โดยอาศัยวิธีการของตัวแปรโปรแกรมของการเคลื่อนที่ที่เปลี่ยนไป สำหรับผลของการปฏิบัติงานหรือสมรรถนะอันหลากหลายของการทำงานได้ตามความต้องการของงานนั้นๆ นี่คือคำนิยามของสมาคมอุตสาหกรรมหุ่นยนต์ ในญี่ปุ่นสมาคมหุ่นยนต์แห่งอุตสาหกรรมญี่ปุ่น (JIRA : The Japan Industrial Robot Association) ได้ให้ความหมายของหุ่นยนต์ไว้ 6 ประเภท ดังนี้ คือ

1.1.2 หุ่นยนต์ที่ปฏิบัติตามลำดับอย่างแน่นอน (Fixed–Sequence Robot) สามารถทำงานตามกำหนดได้ซ้ำๆ อีก หรือทำงานได้อย่างต่อเนื่องกันหลายครั้งหลายหนตามขั้นตอนที่ได้กำหนดไว้แน่นอนล่วงหน้าตามลำดับ และไม่สามารถทำการเปลี่ยนแปลงได้โดยง่าย ซึ่งการเคลื่อนที่ได้ถูกกำหนดขอบเขตของการทำงาน 

1.1.3 หุ่นยนต์ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยง่ายและรวดเร็ว (Variable–Sequence Robot) มีลักษณะเหมือนกับหุ่นยนต์ที่ปฏิบัติตามลำดับอย่างแน่นอน ยกเว้นข้อมูลนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ 

1.1.4 หุ่นยนต์ที่ทำงานย้อนกลับได้ (Playback Robot) เป็นหุ่นยนต์ที่ต้องอาศัยการทำงานจากผู้ปฏิบัติงานเป็นตัวอย่างครั้งแรกก่อน โดยขณะที่ผู้ปฏิบัติงานได้ทำงานอยู่นั้น หุ่นยนต์จะจดจำการทำงานทุกขั้นตอนเอาไว้ในหน่วยความจำ ซึ่งครั้งต่อๆ ไป หุ่นยนต์จะทำงานเองตามข้อมูลที่เก็บเอาไว้ จึงมีความสามารถทำงานย้อนกลับได้ ซึ่งสิ่งเหล่านี้ได้มาจากหน่วยความจำของการปฏิบัติงานเพื่อต้องการให้ปฏิบัติตามข้อมูล แต่ดัง้เดิมสามารถทำงานให้สำเร็จได้ภายใต้การควบคุมของมนุษย์ อันได้แก่ ลำดับขั้นตอน เงื่อนไข ตำแหน่ง หรือข้อมูลอื่นๆ

1.1.5 หุ่นยนต์ที่ควบคุมด้วยตัวเลขหรือเอ็นซี (Numerical Control Robot : NC) คือ ส่วนที่ประกอบกันเป็นตัวหุ่นยนต์ที่สามารถกระทำตามเงื่อนไขของภาระหน้าที่ได้ตามลำดับ และการหาตำแหน่งโดยการสั่งผ่านทางตัวเลข เพื่อเป็นข้อมูลส่งเข้าสู่การ์ด โดยการเจาะให้เป็นรูหรือเทปกระดาษหรือดิจิตอลสวิตช์ (Digital Switch)

1.1.6 หุ่นยนต์ที่มีความสามารถในการเรียนรู้หรือหุ่นยนต์ที่มีสมองเทียม (Intelligent Robot) เป็นหุ่นยนต์ที่จัดอยู่ในระดับชั้นที่สูงที่สุด ซึ่งส่วนที่ประกอบกันเป็นตัวหุ่นยนต์ได้ถูกรวบรวมจากการสัมผัสและความรู้สึกในรับรู้จากการสัมผัส การจำแนก ความคิดรวบยอดหรือสรุป การเปลี่ยนแปลง เพื่อสำหรับในการตรวจและเปลี่ยนให้ถูกต้องตามสภาวะแวดล้อมที่เกิดขึ้นของงานด้วยความสามารถในการตัดสินใจ

2. ส่วนประกอบของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม             

ในการใช้งานด้านอุตสาหกรรม หุ่นยนต์ที่มีประโยชน์มากจะต้องประกอบด้วยเหตุผล หลักการต่างๆ และหลายๆ อย่างรวมเข้าด้วยกัน ดังนี้ คือ

2.2. แขนกลต้องมีความคล่องตัวอิสระสามารถทำการเคลื่อนที่ได้โดยสะดวก

2.4. มีกำลังเพียงพอที่จะยกน้ำหนักของชิ้นส่วนรวมทั้งน้ำหนักของตัวหุ่นยนต์เอง

2.6. สามารถโปรแกรมและจัดลำดับขั้นการทำงานได้

2.8. ต้องทำงานได้อย่างรวดเร็วกว่าหรือเท่ากับหรือมากกว่ามนุษย์ที่ทำด้วยมือ

ประกอบด้วย 3 ส่วนที่สำคัญ ดังนี้

3.1 ลำตัว (Body) โดยลำตัวของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมประกอบด้วย ฐาน แขนกล มือ และลำตัว ซึ่งเป็นส่วนที่มีการเคลื่อนที่และจะต้องทำงานอยู่ตลอดเวลา บางครั้งอาจจะต้องทำการยกของหนัก ดังนั้น ลำตัวจะต้องมีโครงสร้างที่มีความ

3.2 ระบบของการควบคุม (Controller) เป็นส่วนที่ใช้ในการควบคุมการเคลื่อนที่ของลำตัวให้ทำงานได้ตามที่ต้องการ ส่วนนี้จะทำหน้าที่โปรเซสข้อมูลทั้งหลายที่ใช้ในการควบคุม และรับข้อมูลจากการวัด ออกคำสั่งให้กลไกแต่ละชิ้นในหุ่นยนต์ทำงาน การควบคุมแขนหุ่นยนต์ จะมีวิธีการควบคุมตามลำดับการทำงาน และควบคุมตำแหน่งหรือระยะทางโดยการควบคุมแบบป้อนกลับ เครื่องควบคุมส่วนใหญ่จะประกอบด้วยไมโครคอมพิวเตอร์อยู่ภายใน และแป้นพิมพ์ที่ใช้สำหรับป้อนข้อมูล ฯลฯ

3.3 ระบบของการขับเคลื่อน (Drive of System) เป็นส่วนที่จ่ายพลังงานป้อนให้ลำตัวของหุ่นยนต์ทำงาน ถ้าหุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ส่วนนี้จะเป็นส่วนจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับมอเตอร์แต่ละตัว บางครั้งส่วนขับเคลื่อนจะอยู่ภายในส่วนควบคุมด้วย แต่ถ้าหุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิก จะต้องมีส่วนขับเคลื่อนแยกออกมาต่างหาก หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนโดยใช้ลมก็ต้องมีแหล่งลมจ่ายเข้ามาเช่นเดียวกัน แต่อาจจะจ่ายให้อุปกรณ์อื่นๆ ในระบบด้วย ดังนั้นจึงควรรู้จักถึงหน้าที่การทำงานของระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้า ระบบไฮดรอลิก ระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้ลมหรือนิวแมติก

ปัจจุบันมีอยู่ 3 ลักษณะ คือ

4.1 ระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้า  มอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนสำหรับหุ่นยนต์จะเป็นมอเตอร์แบบเซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor) เป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงโดยทั้งนี้จะใช้ร่วมกับเซนเซอร์หรือทรานสดิวเซอร์ต่างๆ ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) กล่าวคือ อุปกรณ์ที่แปลงค่าพารามิเตอร์ทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิ ความดัน หรือน้ำหนักเป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือที่นำมาใช้กับหุ่นยนต์ ก็ คือ การแปลงตำแหน่งและส่งสัญญาณดิจิตอลกลับไปยังชุดควบคุม เพื่อการประมวลผลและควบคุมตำแหน่งต่อไป) เพื่อสำหรับตรวจจับตำแหน่ง ความเร็วหรือความเร่ง แล้วส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์ควบคุม ดังนั้นการขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้านี้ให้ความละเอียดค่อนข้างเงียบและสามารถใช้กับมอเตอร์ขนาดเล็กในการเคลื่อนที่ได้ดี จึงทำให้มีสมรรถนะในการทำงานเพิ่มสูงขึ้น

- ประกอบด้วยระบบของพลังงานอันหลากหลายที่ได้จัดเตรียมไว้

- ระบบนี้ง่ายต่อการควบคุม และสามารถทำงานได้อย่างแม่นยำ

- อาจจะไม่ตอบสนองได้ดีเท่ากับระบบไฮดรอลิกและมีความยากกว่าระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้ลม ณ ความกดดันต่ำ

- มีหลายแบบด้วยกัน เช่น แบบแม่เหล็กถาวรในดีซีมอเตอร์(DC Motor) แบบสเต็ปปิ้งมอเตอร์ (Stepping Motor) มอเตอร์แบบนี้ไม่จำเป็นที่จะต้องใช้เซนเซอร์ในการตรวจ แต่จะใช้สัญญาณพัลล์ (Pulse) สั่งงานจากอุปกรณ์ควบคุมโดยตรง แบบวงจรพิมพ์  และแบบขับเคลื่อนโดยตรง ส่วนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับนั้น  มักไม่ค่อยนิยมนำมาใช้กับหุ่นยนต์ ทั้งนี้เพราะว่า  การควบคุมความเร็วหรือตำแหน่งค่อนข้างทำได้ยากกว่ามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนั่นเอง

- มีราคาถูก

- มักจะใช้กับอุตสาหกรรมขนาดเบา

ข้อดีและข้อเสียของระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้า มีดังนี้ คือ

ข้อดี

- มีความแม่นยำและแน่นอนในการควบคุม ระดับความเที่ยงตรงสูง และสามารถทำซ้ำได้ดี จึงทำให้มีประสิทธิภาพสูง

- สะอาดและเงียบ

- ใช้กับโหลดขนาดใหญ่

- มีส่วนของระบบความดันอากาศและความดันน้ำมันประกอบเล็กๆ น้อย

ข้อเสีย

- การบำรุงแปรงถ่านจำเป็นกับดีซีมอเตอร์

- มีอัตราส่วนระหว่างกำลังที่ได้จากมอเตอร์ต่อน้ำหนักของมอเตอร์นั้นต่ำจึงจำเป็นต้องใช้มอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่

4.2 ระบบไฮดรอลิก เป็นระบบที่ง่ายต่อการดูแลรักษา ทนทาน การเคลื่อนที่ทำได้รวดเร็ว และเหมาะสมกับงานขนาดใหญ่หรืออุตสาหกรรมหนัก หุ่นยนต์เหล่านี้จะถูกออกแบบมาให้ใช้ประโยชน์จากความได้เปรียบทางกล ซึ่งสามารถใช้พลังงานของของไหลหรือน้ำมันได้ แต่อย่างไรก็ตาม เนื่องจากหุ่นยนต์ที่ใช้พลังงานไฮดรอลิกจะต้องอาศัยพลังงานความดันของน้ำมันจึงจำเป็นต้องมีชุดต้นกำลังที่ใช้ขับด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าอยู่ดี

ลักษณะพิเศษของอุปกรณ์ทำงานหรือตัวกระตุ้น (Actuator) ของระบบไฮดรอลิก อาจจะสรุปดังต่อไปนี้

- เป็นระบบลูกสูบแบบเชิงเส้น และแบบเชิงมุมหรือแบบใบพัดโรตารี (Rotary Vane)

- ณ อัตราพลังงานสูงต่อน้ำหนัก เหมาะสมที่จะใช้สำหรับโหลดสูงที่ความเร็วปานกลาง

- การควบคุมง่าย เนื่องจากความหนืดในระบบไฮดรอลิก

- รักษากำลังที่ทำให้เกิดการหมุนได้คงที่ตลอดในระดับความเร็วต่างๆ กัน กำลังที่ก่อให้เกิดการหมุนนั้นยังคงอยู่ในระดับที่สูงในระดับเดียวกับเมื่อตอนเริ่มสตาร์ท (ความเร็วเท่ากับ 0) และมีความสามารถด้านการรับน้ำหนักได้ดี

ข้อดี

- ปลอดภัยกับสภาพแวดล้อม เช่นการ พ่นสี

- ใช้กับโหลดขนาดใหญ่

- สามารถที่จะรักษาระดับกำลังที่ก่อให้เกิดการหมุนได้ตลอดของช่วงเวลานานๆ โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหายเมื่อหยุดการทำงาน

- สามารถขนย้ายน้ำหนักบรรทุกได้มากถึง 2,000 ปอนด์ (907 กิโลกรัม) หรือมากกว่านั้น

- มีความเร็วและความแม่นยำในการวางตำแหน่งอยู่ในระดับปานกลาง

ข้อเสีย

- เกิดการลดประสิทธิภาพในการทำงาน อันเนื่องมาจากการรั่วซึมของน้ำมันออกจากระบบ จึงก่อให้เกิดความรำคาญ

- ต้องมีเครื่องกรอง

- ในระบบไฮดรอลิกอาจจะเกิดฟองอากาศที่ก่อให้เกิดความยากลำบากในการเคลื่อนที่ จึงต้องมีเครื่องดักอากาศ

- ให้ความเที่ยงตรงในการทำงานน้อยกว่าการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า แต่มากกว่าระบบการขับเคลื่อนโดยใช้ลม เพราะว่าน้ำมันนั้นไม่สามารถที่จะอัดตัวได้แบบลม นั่นเองคือ มันไม่สามารถที่จะเปลี่ยนแปลงปริมาตรของมันเองได้ เพราะว่าการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเป็นผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดัน

- ต้องการแหล่งจ่ายกำลังที่มีราคาสูง จึงทำให้มีราคาแพง

- ต้องการการดูแลรักษาเป็นอย่างดีและต้นทุนในการดูแลรักษามีราคาสูง

- ต้องการวาล์วที่มีความเที่ยงตรงแน่นอนซึ่งมีราคาสูง

- นอกจากนั้นอาจเกิดเสียงดังที่มาจากปั้ม 

- เซอร์โวมอเตอร์ ที่ใช้ควบคุมการไหลของเหลวให้เคลื่อนที่ ต้องติดตั้งให้อยู่ใกล้กับอุปกรณ์ทำงานหรือตัวกระตุ้น เพื่อเพิ่มแรงขึ้นในระบบควบคุม  เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของอากาศที่รุนแรง อันเกิดมาจาก ฝุ่น ความสกปรก และความชื้น 

5.3 ระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้ลมหรือนิวแมติก เป็นระบบที่ใช้กับหุ่นยนต์ขนาดเล็กและเป็นระบบที่ไม่ยุ่งยากในการใช้งาน หุ่นยนต์ระบบนี้ค่อนข้างจะได้รับความนิยมมากกว่าหุ่นยนต์ที่ใช้ไฮดรอลิก ทั้งนี้เนื่องมาจากระบบนี้มีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าระบบไฮดรอลิก โดยมีโครงสร้างของระบบที่คล้ายคลึงกันกับระบบการขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิก

ลักษณะพิเศษของอุปกรณ์ทำงานหรือตัวกระตุ้น (Actuator) ของระบบของการขับเคลื่อนโดยใช้ลม อาจจะสรุปดังต่อไปนี้ คือ

5.3.1 ใช้กับงานที่ไม่ต้องการส่วนที่ประกอบกันเป็นตัวหุ่นยนต์มากนัก

5.3.2 โดยปรกติใช้กับเครื่องจักรในการหยุดในตำแหน่งที่แม่นยำโดยการควบคุมแบบน็อนเซอร์โว (Nonservo)

5.3.3 ส่วนใหญ่ใช้ระบบลูกสูบเดี่ยวหรือคู่ หรือโรตารีแบบใบพัด

5.3.4 โดยตัวมันเองแล้ว จะมีน้ำหนักเบา ณ ความดันใช้งานแบบปานกลาง

5.3.5 แรงที่ได้จากลมอัดจะต่ำกว่าแรงที่ได้จากน้ำมันไฮดรอลิก

5.3.6 การควบคุมโดยส่วนใหญ่จะอาศัยการทำงานเป็นแบบจุดต่อจุด

ข้อดี

- ปรกติจะนำมาใช้กับเครื่องจักรที่มีระบบไม่ซับซ้อน เพราะจะมีตัวหยุดกลไก เป็นตัวทำให้ก้านสูบเคลื่อนที่จนกระทั่งทำให้ก้านสูบหยุด ด้วยเหตุนี้ผลที่ได้รับจากการหยุดการเคลื่อนที่จึงมีระดับความเที่ยงตรงสูง

- การใช้งานจะอยู่ในเครื่องจักรที่มีระบบง่ายๆ

-ให้ความเร็วในการทำงานได้สูงสุด

- ต้นทุนต่ำ เมื่อเทียบกับการขับเคลื่อนชนิดอื่นๆ

- ง่ายต่อการบำรุงรักษา

- สามารถที่จะรักษาระดับกำลังที่ก่อให้เกิดการหมุนให้คงที่ตลอดไว้ได้ในระดับความเร็วที่ต่างๆ กัน (แต่น้อยกว่าในระบบขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิก)

- สามารถที่จะรักษาระดับกำลังที่ก่อให้เกิดการหมุนได้ตลอดช่วงเวลานานๆ โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหาย เมื่อหยุดการทำงาน

- งานที่มีความจำเป็นที่จะต้องใช้ต้นทุนต่ำ

- สามารถขนย้ายน้ำหนักบรรทุกได้ทั้งขนาดเล็กและขนาดปานกลาง

- เมื่ออากาศมีการอัดตัวได้ในระดับที่สูง ทำให้ความสามารถในการควบคุมผลที่จะเกิดตลอดขอบเขตการทำงานนั้นลดความเที่ยงตรงแม่นยำลง

- มีปัญหาของการสั่นสะเทือนขณะหมุนของแขนกล เมื่อมอเตอร์ระบบนิวแมติกหรือกระบอกสูบหยุดการทำงาน

- ต้องการสารหล่อลื่นให้กับกระบอกสูบ

โครงสร้างของลำตัว ประกอบด้วย แขน และมือ ส่วนต่อระหว่างแขนและมือเรียกว่า ข้อต่อ ปกติแขนจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในตำแหน่งที่กำหนดโดย ระยะพิกัด 3 มิติ และมือจะหมุนทำมุมตามที่กำหนดในการทำงาน การทำงานของแขนหุ่นยนต์ ณ จุดใดจุดหนึ่ง ใน 3 มิตินั้น จะต้องมีแขนที่มีระดับความอิสระในการเคลื่อนที่ 3 ทิศทาง คือ C, U, และ Z ส่วนมือจะมีระดับความอิสระในการเคลื่อนที่ 3 ทิศทาง เช่นเดียวกัน คือ (a, b และ g) รวมระดับความอิสระในการเคลื่อนที่ทั้งหมดเท่ากับ 6 ทิศทาง (ดังแสดงในรูปที่ 1)

รูปที่ 2 การกำหนดตำแหน่งการทำงานของแขนหุ่นยนต์

ที่มา : (กฤษดา วิศวธีรานนท์, เทคโนโลยี, (ตุลาคม-พฤศจิกายน) 2537 ปีที่ 21 ฉบับที่ 117 : 67)

ความแตกต่างในคำนิยามเหล่านี้อยู่ในส่วนของความรับผิดชอบของหุ่นยนต์ที่มีจำนวนมากมายที่ได้นำไปใช้งานอย่างน้อยเพียงแต่ชื่อ สำหรับในประเทศญี่ปุ่นมีหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมากที่สุดในโลก ทั้งๆ ที่ประเทศสหรัฐอเมริกาเป็นประเทศที่คิดค้นหุ่นยนต์ขึ้นมาก่อน แต่ปรากฏว่าไม่เป็นที่สนใจในกลุ่มอุตสาหกรรมของประเทศสหรัฐอเมริกา ในยุโรป หุ่นยนต์อุตสาหกรรมได้ถูกกำหนดตาม ISO/TR 8373

5. หุ่นยนต์อุตสาหกรรม

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นเครื่องจักรที่มีการควบคุมแบบอัตโนมัติ สามารถใช้โปรแกรมใหม่ได้ ใช้งานได้เอนกประสงค์และมีระดับความอิสระในการเคลื่อนที่หลายๆ แกน หรือการเคลื่อนที่แตกต่างกันเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับจำนวนขององศาอิสระหรือระดับความอิสระในการเคลื่อนที่ (Degrees of Freedom : DOF) คือ มีความเป็นอิสระในการเคลื่อนที่ในทิศทางใดๆ ซึ่งอาจจะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่ง คือ อาจอยู่ประจำที่หรือเคลื่อนที่เร็ว เพื่อสำหรับนำไปใช้ในวงการอุตสาหกรรมอัตโนมัติ

โดยส่วนมากใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีการเคลื่อนที่ในลักษณะของการเคลื่อนที่เหมือนกัน โปรแกรมได้ถูกบรรจุใส่เข้าไว้ในอุปกรณ์ของหน่วยความจำและยังสามารถปฏิบัติย้อนกลับได้ในระหว่างการปฏิบัติงานได้ต่อเนื่องกัน การย้อนกลับใช้ควบคุมพลังงานเพื่อการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ทำงานหรือตัวกระตุ้น โดยจัดให้มีการเคลื่อนที่ 3 มิติ อุปกรณ์ย้อนกลับจะแสดงถึงหน่วยความจำของคำสั่งในการปฏิบัติงานตามลำดับ ชุดของหน่วยความจำจะประเมินถึงค่าของสัญญาณย้อนกลับและการเคลื่อนที่ไปสู่ขั้นตอนต่อไปของโปรแกรม โดยปรกติหุ่นยนต์น็อนเซอร์โวของการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่ง  ใช้หน่วยความจำอย่างง่ายเพื่อจัดอันดับของการปฏิบัติงานของลำดับย้อนกลับ โดยพลังงานของการย้อนกลับถูกส่งไปตามทิศทางและตรวจจับสัญญาณย้อนกลับจนกระทั่งสามารถแสดงถึงตำแหน่งของขอบเขตโดยเฉพาะ ในที่สุดการปฏิบัติตามคำสั่งสามารถทำให้สำเร็จได้ ด้วยหน่วยความจำที่ได้ทำไปตามขั้นตอนต่อไปและกระบวนการนี้สามารถทำวนซ้ำจนกระทั่งถึงขั้นตอนทั้งหมดของลำดับที่ทำได้สำเร็จสมบูรณ์ ชุดหน่วยควบคุมเซอร์โว  จะมีเส้นทางแบบต่อเนื่องกับหุ่นยนต์ที่เป็นตัวบ่งชี้ถึงเกณฑ์มาตรฐานของเวลา โดยปรกติจะเป็นเวลา 60 ครั้งต่อวินาที ชุดเหล่านี้ได้บ่งชี้ถึงของการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งได้อย่างราบเรียบและรวดเร็ว โดยปรกติชุดหน่วยควบคุมเซอร์โว จะมีเส้นทางแบบต่อเนื่องกับหุ่นยนต์ที่ถูกสอนด้วยเวลาจริงๆ เพื่อสำหรับนำทางในการเคลื่อนที่ และการเริ่มต้นของโปรแกรมยังสามารถทำการแก้ไขเพื่อนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นได้ ระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์พื้นฐานนี้มีความสามารถปฏิบัติตามการคำนวณของข้อมูลที่เข้ามาซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับหุ่นยนต์สมัยใหม่ หุ่นยนต์ไฟฟ้าจะใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนเป็นแบบเซอร์โวมอเตอร์  ที่อยู่บนแกนของแต่ละแกน ชุดหน่วยควบคุมหุ่นยนต์สามารถแยกออกเป็นประเภทต่างๆ ได้ดังนี้ คือ ชุดหน่วยควบคุมเซอร์โว หรือ ชุดหน่วยควบคุมน็อนเซอร์โว  และชุดหน่วยควบคุมเซอร์โวหุ่นยนต์สามารถแยกเป็นชุดหน่วยควบคุมการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งหรือชุดหน่วยควบคุมเซอร์โวจะมีเส้นทางแบบต่อเนื่อง

6. การแบ่งตามลักษณะการควบคุม

6.1. หุ่นยนต์เส้นทางแบบจุดต่อจุด หุ่นยนต์แบบนี้สามารถทำการเคลื่อนที่จากจุดที่ระบุไว้แน่นอนจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง แต่ไม่สามารถหยุดที่จุดอื่นี่ไม่ได้กำหนดไว้ก่อน เป็นหุ่นยนต์แบบที่ง่ายที่สุดและมีราคาถูกที่สุด จุดที่หยุดมักจะหยุดโดยทางกล ซึ่งต้องปรับทุกๆ การทำงานในแต่ละประเภท หุ่นยนต์แบบเส้นทางจุดต่อจุดอาจจะขับเคลื่อนโดยมีการควบคุมตำแหน่งซึ่งมักจะใช้ความต้านทานปรับค่าได้ ตั้งค่าเพื่อให้หุ่นยนต์ไปหยุดที่จุดที่กำหนดตัวอย่างของหุ่นยนต์แบบเส้นทางจุดต่อจุด ก็คือ หุ่นยนต์เชื่อมแบบจุด

รูปที่ 3 ส่วนของตัวถังรถยนต์เกือบทั้งหมดทำการเชื่อมจุด (Spot Welding) ด้วยหุ่นยนต์

ที่มา :(Howard B. Cary. Arc Welding Automation, 1995 : 275)

6.2. หุ่นยนต์เส้นทางแบบต่อเนื่อง หุ่นยนต์แบบนี้สามารถหยุดที่ตำแหน่งใดๆ ตามเส้นทางได้ ตัวอย่าง คือการเชื่อมอาร์ก การเคลื่อนที่ของทุกๆ แกนจะเกิดขึ้นพร้อมกันแต่มีความเร็วต่างกัน ดังนั้น หุ่นยนต์จะเดินทางพร้อมกับทำงานตามเส้นทางที่ต้องการอย่างต่อเนื่องได้ทุกๆ จุดที่จะเคลื่อนที่ไปจะถูกกำหนดและเก็บไว้ในหน่วยความจำอยู่ก่อนแล้ว

6.3. หุ่นยนต์ที่สามารถสร้างแนวการเคลื่อนที่เองได้  อุปกรณ์ควบคุมของหุ่นยนต์แบบนี้สามารถสร้างการเคลื่อนที่ซึ่งควรจะเป็นเส้นตรง วงกลม เส้นโค้ง หรืออื่นๆ ด้วยความแม่นยำสูงในหุ่นยนต์บางตัว เส้นทางเดินสามารถกำหนดในเทอมตารางเรขาคณิตหรือสูตรพีชคณิต ความแม่นยำที่ดีของมันจะทำให้ได้จุดต่างๆ ตามทางแนวที่ก่อนควบคุมของมันด้วยระยะพิกัด (Coordinate) ของจุดเริ่มต้น จุดสุดท้ายและคำจำกัดความการเคลื่อนที่เท่านั้น

6.4. หุ่นยต์แบบเซอร์โวและน็อนเซอร์โว เป็นหุ่นยนต์ที่ควบคุมแบบเซอร์โว จะหมายถึงหุ่นยนต์ที่มีการตรวจจับตำแหน่งของตัวมัน และมีการป้อนกลับตำแหน่งที่ตรวจนับเพื่อนำไปใช้ในการควบคุม ส่วนหุ่นยนต์แบบน็อนเซอร์โวจะไม่มีทางรู้ได้เลยว่าอยู่ที่ตำแหน่งที่ต้องการหรือยัง โดยหุ่นยนต์ที่สามารถสร้างการเคลื่อนที่เองได้จะต้องมีความสามารถในการป้อนกลับ ซึ่งจะทำให้มันเป็นเส้นทางได้อย่างถูกต้อง เพื่อที่จะมีการเคลื่อนที่ตามที่ได้กำหนดไว้

รูปที่ 4 เครื่องจักรผลิตแบบกระสวยชนิดพิเศษหรือแบบแม่พิมพ์หรือแบบถาวร (Die Casting)  

ที่มา : (DJ Todd Fundamentals of Robot Technology, 1986 : 118)

หุ่นยนต์แต่ดั้งเดิมจะเป็นเครื่องจักรแบบการเคลื่อนที่แบบจุดต่อจุดหรือจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งและเหมาะสำหรับการปฏิบัติงานที่เกี่ยวกับการจับและวางหรือยกของในโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องการความรวดเร็ว ที่สามารถทำการดัดแปลงเครื่องมือและเครื่องจักรสำหรับใส่ชิ้นงานและนำชิ้นงานออกได้ เครื่องจักรผลิตแบบกระสวยชนิดพิเศษหรือแบบแม่พิมพ์หรือแบบถาวร (ดังแสดงในรูปที่ 3) และการปฏิบัติงานที่มีส่วนคล้ายคลึงกัน จากที่ได้กล่าวมาแล้วทั้งหมดนี้เป็นที่นิยมและมีชื่อเสียงในวงการอุตสาหกรรมยานยนต์ ที่ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงสำหรับการเชื่อมจุด และหุ่นยนต์จะได้รับการพัฒนาสำหรับการผลิตตัวถังรถยนต์โดยอัตโนมัติ และในไม่ช้าตัวถังรถยนต์สามารถทำการเชื่อมโดยอาศัยการเชื่อมแบบความต้านทานด้วยหุ่นยนต์ได้อย่างสมบูรณ์ (ดังแสดงในรูปที่ 4) ดังเช่นทุกวันนี้ ที่ทุกๆ ส่วนของตัวถังรถยนต์เกือบทั้งหมดสามารถผลิตโดยการเชื่อมจุด ด้วยหุ่นยนต์

สำหรับฉบับหน้าจะกล่าวถึงเหตุผลสำคัญในการเลือกใช้หุ่นยนต์, ข้อดีของการใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรม, หลักเกณฑ์การพิจารณาความสามารถของหุ่นยนต์และข้อควรพิจารณาคุณสมบัติทางกล, การออกแบบหุ่นยนต์  และการประยุกต์ใช้งาน โปรดคอยติดตาม

เอกสารอ้างอิง

2.Howard B.Cary. Modern Welding Technology. 4rded. New Jersey : Prenuce-Hall,Inc, 1989.

4.Howard B. Cary.  Arc Welding Automation.New York : Marcel Dekker, Inc,1995.