Thiết kế máy #08: Tự động hóa siết vít – Không chỉ là gắn driver lên robot

Thiết kế máy #08: Tự động hóa công đoạn siết vít – không chỉ là gắn driver lên robot

Siết vít là một công đoạn rất quen thuộc trong sản xuất.

Nhìn bên ngoài thì đơn giản: đặt vít vào lỗ, dùng driver siết lại là xong. Nhưng trong sản xuất hàng loạt, công đoạn này lại dễ phát sinh nhiều lỗi:

Quên siết vít.
Siết thiếu lực.
Siết quá lực làm hỏng ren hoặc nứt nhựa.
Siết lệch, siết nghiêng.
Vít bị nổi đầu.
Vít không ăn ren nhưng máy vẫn báo đã siết.
Mỗi công nhân siết một kiểu, chất lượng không ổn định.

Vì vậy, khi nói đến tự động hóa siết vít, câu hỏi không nên chỉ là:

“Dùng robot nào và driver nào để siết vít?”

Câu hỏi đúng hơn phải là:

“Làm sao để vít được cấp ổn định, sản phẩm được định vị đúng, lực siết được kiểm soát, lỗi được phát hiện, và dữ liệu siết có thể truy xuất khi cần?”

Bài viết này chia sẻ cách nhìn thực tế khi muốn tự động hóa công đoạn siết vít trong sản xuất.

1. Trước khi tự động hóa, cần hiểu lỗi hiện tại nằm ở đâu

Nhiều người khi muốn tự động hóa siết vít thường nghĩ ngay đến robot.

Nhưng trong thực tế, robot chỉ là một phần của hệ thống. Nếu sản phẩm đặt lệch, vít cấp không ổn định, đồ gá yếu, hoặc loại vít không phù hợp để cấp tự động, thì robot có chính xác đến đâu cũng khó tạo ra chất lượng ổn định.

Trước khi chọn máy, nên kiểm tra các điểm sau:

Hiện tại lỗi siết vít đang là lỗi gì?
Lỗi do người thao tác hay do thiết kế sản phẩm?
Vít có dễ cấp tự động không?
Vị trí lỗ vít có ổn định không?
Sản phẩm có bị cong, vênh, biến dạng khi siết không?
Có cần quản lý torque không?
Có cần lưu dữ liệu siết theo từng sản phẩm không?
Sản phẩm có nhiều model không?
Cycle time mục tiêu là bao nhiêu?

Nếu chưa làm rõ các điểm này mà đã mua máy, rất dễ gặp tình trạng:

máy siết được, nhưng sản xuất không ổn định.

2. Tự động hóa siết vít mang lại lợi ích gì?

Lợi ích lớn nhất của tự động hóa siết vít là ổn định chất lượng.

Khi làm bằng tay, chất lượng phụ thuộc nhiều vào kỹ năng và tình trạng của công nhân. Người có kinh nghiệm có thể cảm nhận được vít đã ăn ren chưa, lực siết có bất thường không. Nhưng khi làm lặp lại hàng trăm, hàng nghìn lần mỗi ngày, sai sót là điều khó tránh.

Tự động hóa giúp giảm các sai lệch đó.

Một hệ thống siết vít tốt có thể kiểm soát:

Torque siết.
Tốc độ quay.
Góc quay.
Thời gian siết.
Hành trình đi xuống của đầu driver.
Kết quả OK/NG.
Dữ liệu từng vị trí vít.

Ngoài ra, tự động hóa còn giúp:

Giảm phụ thuộc vào tay nghề công nhân.
Giảm lỗi thiếu vít, lỏng vít.
Tăng tốc độ sản xuất.
Giảm thao tác đơn giản, lặp lại.
Giảm mệt mỏi cho công nhân.
Dễ xây dựng traceability cho sản phẩm.

Đặc biệt với các sản phẩm điện, thiết bị cơ khí, sản phẩm có yêu cầu an toàn hoặc sản phẩm cần truy xuất lỗi, việc lưu dữ liệu siết vít là một điểm rất quan trọng.

3. Nhưng không phải lúc nào cũng nên tự động hóa hoàn toàn

Tự động hóa không phải lúc nào cũng là lời giải tốt nhất.

Nếu sản phẩm còn thay đổi liên tục, số lượng ít, hoặc vị trí vít thay đổi nhiều theo từng model, việc đầu tư một máy siết vít tự động hoàn toàn có thể không hiệu quả.

Lý do là máy chuyên dụng thường cần:

Thiết kế đồ gá riêng.
Lập trình riêng.
Điều chỉnh feeder theo loại vít.
Dạy lại vị trí siết khi đổi model.
Kiểm tra lại điều kiện torque.
Bảo trì và xử lý lỗi khi kẹt vít.

Nếu sản lượng chưa đủ lớn, hoặc sản phẩm chưa ổn định, nên bắt đầu từ bán tự động trước.

Đây là điểm nhiều nhà máy dễ bỏ qua. Không phải cứ robot hóa là tốt. Quan trọng là chọn đúng mức tự động hóa.

4. Các mức tự động hóa công đoạn siết vít

Có thể chia tự động hóa siết vít thành 4 mức chính.

4.1. Bán tự động bằng electric driver và bộ cấp vít

Đây là cách dễ bắt đầu nhất.

Công nhân vẫn cầm electric driver để thao tác, nhưng vít được cấp tự động từ bộ cấp vít. Công nhân không cần dùng tay nhặt từng con vít nữa.

Cách này phù hợp khi:

Sản lượng chưa quá lớn.
Sản phẩm có nhiều model.
Muốn giảm thao tác nhặt vít.
Muốn giảm lỗi rơi vít, thiếu vít.
Chưa muốn đầu tư máy tự động hoàn toàn.
Công đoạn vẫn cần con người xử lý linh hoạt.

Nếu kết hợp thêm arm treo driver hoặc spring balancer, công nhân không phải cầm toàn bộ trọng lượng của driver. Driver cũng dễ giữ vuông góc hơn, giúp giảm lỗi siết nghiêng.

Trong nhiều trường hợp, chỉ cần làm tốt mức bán tự động này đã cải thiện hiện trường rất nhiều.

Không nên xem bán tự động là phương án “thấp cấp”. Với sản xuất nhiều model, đây đôi khi là phương án hợp lý nhất.

4.2. Máy siết vít đơn trục

Máy siết vít đơn trục dùng một cụm driver để siết từng con vít theo thứ tự.

Cụm driver có thể được gắn lên:

Trục X-Y.
Robot Cartesian.
SCARA robot.
Cơ cấu chuyên dụng.
Bàn trượt servo.

Phương án này phù hợp khi:

Một sản phẩm có vài vị trí vít.
Vị trí vít nằm trên cùng một mặt phẳng.
Sản phẩm tương đối ổn định.
Cần tự động hóa nhưng vẫn muốn giữ tính linh hoạt.
Cycle time không quá gắt.

Ưu điểm là dễ thay đổi chương trình hơn so với máy đa trục. Khi đổi model, có thể thay đồ gá và chỉnh tọa độ siết.

Nhược điểm là vì siết từng con một, cycle time sẽ lâu hơn so với siết nhiều vít cùng lúc.

4.3. Máy siết vít đa trục

Máy siết vít đa trục dùng nhiều driver để siết nhiều vít cùng lúc.

Ví dụ sản phẩm có 4 vít ở 4 góc, máy có thể dùng 4 driver để siết đồng thời. Nếu thiết kế tốt, cycle time sẽ rất ngắn.

Phương án này phù hợp khi:

Sản lượng lớn.
Sản phẩm ổn định lâu dài.
Vị trí vít ít thay đổi.
Cycle time là yêu cầu quan trọng.
Cần sản xuất liên tục.

Ưu điểm là tốc độ cao.

Nhược điểm là tính linh hoạt thấp. Nếu sản phẩm đổi vị trí lỗ vít, đổi kích thước, đổi số lượng vít, máy có thể phải sửa cơ khí khá nhiều.

Nói đơn giản:

Sản phẩm ổn định, sản lượng lớn → máy đa trục có lợi. Sản phẩm nhiều model, thay đổi thường xuyên → cần cân nhắc kỹ.

4.4. Robot siết vít

Robot siết vít là phương án gắn driver siết vít lên robot.

Có thể dùng:

Robot Cartesian.
SCARA robot.
Robot 6 trục.
Robot cộng tác.

SCARA phù hợp với thao tác siết vít trên mặt phẳng, tốc độ nhanh, thường dùng trong lắp ráp điện tử hoặc cụm cơ khí nhỏ.

Robot 6 trục phù hợp khi cần siết ở nhiều góc độ khác nhau, hoặc sản phẩm có hình dạng phức tạp.

Robot cộng tác phù hợp khi muốn bố trí gần người, tiết kiệm không gian, hoặc kết hợp người thao tác và robot trong cùng một cell.

Tuy nhiên, không nên hiểu đơn giản rằng robot cộng tác thì lúc nào cũng an toàn và không cần đánh giá rủi ro. Khi đầu robot gắn driver, bit, trục Z, cơ cấu cấp vít, vẫn cần xem xét tốc độ, lực, vùng kẹp và thao tác của người vận hành.

Robot linh hoạt hơn máy chuyên dụng, nhưng hệ thống robot siết vít vẫn phụ thuộc rất nhiều vào:

Đồ gá.
Feeder.
Driver.
Sensor kiểm tra.
Chương trình quản lý model.
Thiết kế an toàn.

Robot không giải quyết được tất cả nếu phần cơ khí nền tảng không ổn.

5. Máy siết vít và robot siết vít khác nhau thế nào?

Hai khái niệm này dễ bị nhầm.

Máy siết vít thường là thiết bị chuyên dụng cho công đoạn siết vít. Nó có thể gồm driver, feeder, trục Z, đồ gá và cơ cấu di chuyển.

Robot siết vít là hệ thống dùng robot làm nền tảng chuyển động, sau đó gắn driver và các thiết bị liên quan để thực hiện thao tác siết.

Tiêu chí	Máy siết vít chuyên dụng	Robot siết vít
Mục tiêu	Tối ưu cho một sản phẩm/công đoạn	Linh hoạt cho nhiều vị trí, nhiều model
Tốc độ	Có thể rất nhanh	Tùy robot và đường chạy
Tính linh hoạt	Thấp đến trung bình	Cao hơn
Phù hợp	Sản lượng lớn, ít đổi model	Nhiều model, nhiều vị trí
Chi phí thay đổi	Có thể cao nếu đổi sản phẩm	Dễ hơn nếu thiết kế tốt
Độ phức tạp	Cơ khí chuyên dụng nhiều	Lập trình và an toàn phức tạp hơn

Không có phương án nào luôn tốt hơn. Chọn đúng hay sai phụ thuộc vào sản phẩm và điều kiện sản xuất.

6. Một hệ thống siết vít tự động gồm những gì?

Một hệ thống siết vít tự động thường có 4 phần chính:

Driver siết vít.
Trục Z.
Bộ cấp vít.
Controller.

Ngoài ra còn cần đồ gá, sensor, cơ cấu an toàn, robot hoặc trục di chuyển nếu muốn tự động hóa hoàn toàn.

6.1. Driver siết vít

Driver là phần trực tiếp quay và siết vít.

Với công đoạn đơn giản, có thể dùng electric driver thông thường. Nhưng nếu cần quản lý chất lượng, nên chọn driver có khả năng kiểm soát torque, tốc độ, angle và xuất dữ liệu.

Các thông số cần chú ý:

Dải torque.
Độ chính xác torque.
Tốc độ quay.
Kiểm soát góc quay.
Khả năng phát hiện lỗi.
Giao tiếp với PLC hoặc PC.
Khả năng lưu dữ liệu siết.

Không nên chỉ chọn driver theo torque lớn nhất. Cần chọn theo dải torque làm việc thực tế và độ ổn định ở dải đó.

6.2. Trục Z

Trục Z đưa driver đi xuống để tiếp xúc với vít và sản phẩm.

Có thể dùng:

Xy lanh khí nén.
Trục servo.
Cơ cấu lò xo hỗ trợ lực nhấn.
Module Z chuyên dụng cho siết vít.

Xy lanh khí nén đơn giản và rẻ, nhưng khó kiểm soát chính xác tốc độ xuống và lực nhấn.

Servo Z cho phép điều khiển tốt hơn:

Tốc độ đi xuống.
Vị trí dừng.
Lực nhấn.
Profile chuyển động.
Hành trình sau khi vít bắt đầu ăn ren.

Trong siết vít tự động, lực nhấn xuống rất quan trọng. Lực quá nhỏ thì bit dễ trượt. Lực quá lớn thì dễ làm biến dạng sản phẩm, hỏng ren hoặc làm vít ăn sai.

6.3. Bộ cấp vít

Bộ cấp vít là phần rất dễ bị xem nhẹ, nhưng lại quyết định lớn đến độ ổn định của hệ thống.

Nhiệm vụ của feeder là đưa vít từ trạng thái rời rạc thành từng con một, đúng hướng, đúng thời điểm.

Một số dạng thường gặp:

Bowl feeder.
Feeder dạng rail.
Cấp vít bằng khí qua ống.
Cấp vít đến vị trí pick-up.
Cấp vít trực tiếp đến đầu driver.

Khi chọn feeder, nên test bằng đúng loại vít thực tế. Không nên chỉ dựa vào catalog.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cấp vít:

Đường kính vít.
Chiều dài vít.
Hình dạng đầu vít.
Tỷ lệ chiều dài/đường kính.
Vật liệu và xử lý bề mặt.
Vít có dính dầu không.
Vít có dễ chồng lên nhau không.
Vít có dễ kẹt trong rail hoặc ống không.

Nhiều hệ thống không ổn định không phải vì robot kém, mà vì vít cấp không ổn định.

6.4. Controller

Controller là phần điều khiển và giám sát hệ thống.

Một controller tốt không chỉ ra lệnh siết vít, mà còn phải phát hiện được lỗi.

Ví dụ:

Không có vít.
Vít cấp sai.
Torque NG.
Angle NG.
Thời gian siết bất thường.
Vít bị tuôn ren.
Vít nổi.
Driver chưa về gốc.
Feeder kẹt vít.
Sản phẩm chưa đặt đúng vị trí.

Nếu máy chỉ siết nhưng không phát hiện lỗi, thì tự động hóa có thể làm lỗi xảy ra hàng loạt nhanh hơn.

Đây là điểm rất quan trọng.

7. Đồ gá quan trọng không kém robot

Trong tự động hóa siết vít, đồ gá là nền tảng.

Nếu sản phẩm đặt vào đồ gá không ổn định, vị trí lỗ vít thay đổi, sản phẩm bị cong hoặc bị nhấc lên khi driver đi xuống, thì điều kiện siết sẽ không ổn định.

Một đồ gá tốt cần đảm bảo:

Định vị sản phẩm chắc chắn.
Có mặt chuẩn rõ ràng.
Không làm biến dạng sản phẩm.
Có đủ khoảng trống cho đầu driver.
Có cơ cấu chống đặt nhầm chiều.
Có sensor xác nhận sản phẩm đã đặt đúng.
Có thể tháo lắp sản phẩm dễ dàng.
Dễ vệ sinh và bảo trì.

Một lỗi thường gặp là cố dùng camera để bù cho đồ gá kém.

Camera có thể bù sai lệch nhỏ, nhưng không nên dùng camera để sửa một thiết kế cơ khí không ổn định.

Nguyên tắc tốt hơn là:

Đồ gá làm ổn định trước. Camera chỉ dùng để bù phần sai lệch còn lại.

8. Cần kiểm tra gì sau khi siết vít?

Siết xong không có nghĩa là đạt.

Tùy yêu cầu chất lượng, có thể cần kiểm tra:

Vít có đủ số lượng không.
Vít có bị nổi đầu không.
Torque có nằm trong giới hạn không.
Angle có bất thường không.
Chiều sâu vít có đúng không.
Có dấu hiệu tuôn ren không.
Có siết nhầm vị trí không.
Có đúng loại vít không.

Các phương án kiểm tra có thể gồm:

Dữ liệu torque/angle từ driver.
Sensor kiểm tra chiều cao đầu vít.
Camera kiểm tra có/không có vít.
Laser displacement sensor.
Cơ cấu kiểm tra cơ khí.
Liên kết dữ liệu với mã serial sản phẩm.

Với sản phẩm quan trọng, nên lưu dữ liệu theo từng sản phẩm. Khi có lỗi ngoài thị trường, dữ liệu này giúp truy xuất lại quá trình sản xuất.

9. Tự động hóa siết bolt và nut

Không chỉ vít nhỏ, bolt và nut cũng có thể tự động hóa.

Với các ứng dụng cần torque lớn và độ tin cậy cao, thường dùng nutrunner điện. Nutrunner có thể kiểm soát torque, angle và lưu dữ liệu tốt hơn các tool đơn giản.

Khi tự động hóa bolt/nut, cần chú ý thêm:

Phản lực khi siết lớn hơn.
Đồ gá phải đủ cứng.
Tool có thể nặng hơn.
An toàn quan trọng hơn.
Cấp bolt/nut cần cơ cấu định hướng riêng.
Có thể cần tool changer nếu có nhiều loại bolt/nut.

Bolt và nut thường dễ gắp hơn vít nhỏ vì kích thước lớn, nhưng yêu cầu về lực siết, độ cứng và an toàn lại cao hơn.

10. Nên chọn phương án nào?

Có thể chọn theo hướng sau.

Điều kiện sản xuất	Phương án nên cân nhắc
Sản lượng thấp, nhiều model	Bán tự động, electric driver, feeder, arm treo
Sản lượng trung bình, vị trí vít ổn định	Máy đơn trục, robot Cartesian, SCARA
Sản lượng lớn, sản phẩm ổn định	Máy đa trục, máy chuyên dụng
Nhiều model, cần linh hoạt	Robot siết vít
Cần traceability	Driver/nutrunner có xuất dữ liệu
Vít khó cấp tự động	Cần test feeder trước khi thiết kế máy
Sản phẩm dễ biến dạng	Cần ưu tiên đồ gá và kiểm soát lực nhấn

Điểm quan trọng là không nên chọn thiết bị theo cảm giác.

Nên bắt đầu từ:

Sản phẩm.
Loại vít.
Số lượng vị trí siết.
Cycle time.
Yêu cầu chất lượng.
Mức độ thay đổi model.
Không gian lắp đặt.
Ngân sách.
Khả năng bảo trì tại hiện trường.

11. Về chi phí đầu tư

Chi phí tự động hóa siết vít dao động rất lớn.

Một phương án bán tự động có thể chỉ gồm:

Electric driver.
Bộ cấp vít.
Arm treo.
Đồ gá đơn giản.

Nhưng một hệ thống tự động hoàn toàn có thể gồm:

Robot.
Driver servo.
Feeder.
Trục Z.
Đồ gá.
Sensor.
Camera.
PLC.
Safety.
PC thu thập dữ liệu.
Phần mềm traceability.

Khi tính chi phí, không nên chỉ nhìn giá thiết bị chính.

Cần tính cả:

Thiết kế cơ khí.
Gia công đồ gá.
Thiết kế điện.
Lập trình PLC/robot.
Điều chỉnh điều kiện siết.
Chạy thử bằng sản phẩm thật.
Tài liệu hướng dẫn.
Đào tạo vận hành.
Phụ tùng thay thế.
Thời gian cải tiến sau khi đưa vào sản xuất.

Một hệ thống rẻ nhưng chạy không ổn định sẽ tốn kém hơn rất nhiều so với một hệ thống được thiết kế đúng ngay từ đầu.

12. Một số hãng thường gặp

Trong lĩnh vực siết vít tự động, có nhiều hãng khác nhau tùy theo mục đích sử dụng.

Một số tên thường gặp tại Nhật:

Nitto Seiko: vít, máy siết vít, hệ thống lắp ráp tự động.
ESTIC: nutrunner điện, kiểm soát torque/angle.
HIOS: electric driver, ứng dụng vít nhỏ.
Janome: robot bàn, ứng dụng siết vít tự động.
Daihen: robot công nghiệp, hệ thống robot với tool changer.
Uryu, Yokota: dụng cụ siết công nghiệp.

Tuy nhiên, khi chọn hãng, không nên chỉ hỏi “máy bao nhiêu tiền”.

Nên chuẩn bị trước các thông tin sau:

Bản vẽ sản phẩm.
Vị trí các vít.
Loại vít.
Torque yêu cầu.
Số lượng sản xuất/ngày.
Cycle time mục tiêu.
Số lượng model.
Yêu cầu OK/NG.
Yêu cầu lưu dữ liệu.
Không gian lắp đặt.
Cách cấp và lấy sản phẩm.
Yêu cầu an toàn.

Thông tin càng rõ, đề xuất nhận được càng sát thực tế.

13. Checklist trước khi triển khai tự động hóa siết vít

Trước khi đặt mua máy hoặc yêu cầu báo giá, nên kiểm tra các điểm sau:

Mục tiêu tự động hóa là gì?
Lỗi hiện tại đang xảy ra ở đâu?
Loại vít có phù hợp cấp tự động không?
Vị trí lỗ vít có ổn định không?
Sản phẩm có bị biến dạng khi siết không?
Đồ gá đã đủ ổn định chưa?
Có cần kiểm tra vít nổi không?
Có cần quản lý torque/angle không?
Có cần lưu dữ liệu theo serial sản phẩm không?
Sản phẩm có đổi model thường xuyên không?
Cycle time mục tiêu là bao nhiêu?
Không gian lắp đặt có đủ không?
Công nhân sẽ thao tác phần nào?
Khi máy NG thì xử lý sản phẩm thế nào?
Khi feeder kẹt vít thì ai xử lý?
Bit driver thay thế có dễ mua không?
Có cần dự phòng cho thay đổi thiết kế trong tương lai không?

Nếu chưa trả lời được các câu hỏi này, chưa nên vội chốt phương án thiết bị.

Kết luận

Tự động hóa siết vít không chỉ là gắn driver lên robot.

Một hệ thống tốt cần xử lý được toàn bộ quá trình:

cấp vít ổn định → định vị sản phẩm đúng → đưa driver đúng vị trí → kiểm soát lực siết → phát hiện lỗi → lưu dữ liệu → đảm bảo an toàn và dễ vận hành.

Nếu sản phẩm còn thay đổi nhiều, nên bắt đầu từ bán tự động: electric driver, bộ cấp vít, arm treo và đồ gá tốt.

Nếu sản phẩm ổn định, sản lượng lớn, có yêu cầu chất lượng rõ ràng, khi đó mới nên cân nhắc máy siết vít tự động hoặc robot siết vít.

Tự động hóa không nên bắt đầu từ thiết bị. Nó nên bắt đầu từ hiện trường: sản phẩm đang lỗi gì, thao tác nào đang mất thời gian, dữ liệu nào cần quản lý, và công đoạn đó có thật sự phù hợp để tự động hóa hay không.

Đó mới là cách triển khai tự động hóa siết vít bền vững trong sản xuất.

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA