Vì sao robot công nghiệp đang trở thành yêu cầu thiết yếu đối với ngành sản xuất
Ngành robot công nghiệp đã vượt ra ngoài vai trò truyền thống là tăng tốc độ sản xuất. Đối với nhiều nhà sản xuất, robot hiện đang trở thành một phần của cơ sở hạ tầng thiết yếu để duy trì năng suất, chất lượng và tính liên tục trong vận hành.
Thay đổi này được thúc đẩy đồng thời bởi nhiều áp lực. Tình trạng thiếu lao động, chi phí vận hành tăng, yêu cầu chất lượng nghiêm ngặt hơn, kỳ vọng giao hàng nhanh hơn và sự đa dạng sản phẩm ngày càng tăng đang buộc các nhà sản xuất phải xem xét lại cách tổ chức công việc sản xuất.
Theo tôi, thay đổi quan trọng nhất không chỉ là robot ngày càng có năng lực hơn. Thay đổi thực sự là các nhà sản xuất đang bắt đầu xem tự động hóa như một chiến lược vận hành dài hạn, thay vì một khoản đầu tư riêng lẻ vào thiết bị.
Robot và khả năng chống chịu của ngành sản xuất
Những gián đoạn trên toàn cầu gần đây đã cho thấy một điểm yếu quan trọng trong các môi trường sản xuất phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công. Khi người lao động không thể vào nhà máy hoặc số lượng nhân sự thay đổi nhanh chóng, năng lực sản xuất có thể sụt giảm gần như ngay lập tức.
Thiết bị tự động không thể loại bỏ mọi rủi ro vận hành, nhưng có thể giảm sự phụ thuộc vào sự hiện diện liên tục của con người đối với các công việc sản xuất lặp đi lặp lại. Robot có thể tiếp tục thực hiện các thao tác được lập trình sẵn qua nhiều ca làm việc, trong khi người vận hành và kỹ sư giám sát sản xuất từ xa.
Điều này không có nghĩa là các nhà máy tự động được miễn nhiễm trước gián đoạn. Cảm biến có thể hỏng, bộ điều khiển có thể ngừng hoạt động, mạng có thể mất kết nối và các bộ phận cơ khí cần được bảo trì. Tuy nhiên, một hệ thống tự động hóa được thiết kế đúng cách có thể giúp phát hiện, chẩn đoán và khắc phục sự cố sản xuất dễ dàng hơn.
Châu Âu cho thấy những hướng đi khác nhau trong quá trình robot hóa
Sản xuất tại châu Âu là một ví dụ hữu ích cho thấy việc áp dụng robot khác nhau giữa các ngành và khu vực như thế nào. Sản xuất ô tô vẫn là một trong những lĩnh vực sử dụng robot công nghiệp nhiều nhất, vì quá trình sản xuất xe đòi hỏi chuyển động có thể lặp lại, quy trình được kiểm soát, năng suất cao và chất lượng ổn định.
Ngành sản xuất điện tử có các yêu cầu tương tự, dù những thách thức về tự động hóa lại khác. Linh kiện nhỏ, vật liệu dễ hư hỏng, sản phẩm thay đổi thường xuyên và yêu cầu kiểm tra nghiêm ngặt tạo ra nhu cầu về điều khiển chuyển động chính xác và thị giác máy.
Các quốc gia có hệ sinh thái tự động hóa phát triển cũng được hưởng lợi từ các nhà tích hợp hệ thống, nhà phân phối, công ty kỹ thuật và chuyên gia bảo trì tại địa phương. Cơ sở hạ tầng hỗ trợ này thường quan trọng không kém bản thân robot.
Một robot được lắp đặt mà không có đủ năng lực tích hợp, hỗ trợ phụ tùng thay thế, kiến thức lập trình và nguồn lực bảo trì có thể trở thành một cỗ máy độc lập đắt tiền thay vì một tài sản sản xuất hiệu quả.
Các động lực kinh tế chính thúc đẩy việc robot hóa
Hiếm khi chỉ có một lý do để đưa robot vào sử dụng. Hầu hết các dự án thành công đều kết hợp nhiều yêu cầu kinh doanh và kỹ thuật.
Nhà sản xuất thường xem xét khả năng cung ứng lao động, sản lượng, thời gian chu kỳ, chất lượng sản phẩm, an toàn nơi làm việc, lãng phí vật liệu, mức độ sử dụng máy móc và lợi tức đầu tư dự kiến.
Đó là lý do việc lựa chọn robot không bao giờ nên bắt đầu bằng câu hỏi: "Chúng ta nên mua robot nào?" Câu hỏi phù hợp hơn là: "Chúng ta đang cố gắng loại bỏ hạn chế nào trong sản xuất?"
Sự phân biệt này có thể cải thiện đáng kể các quyết định tự động hóa.
Chi phí chuyển đổi thấp hơn và thông lượng cao hơn
Robot có thể giảm chi phí chuyển đổi khi thay thế các thao tác thủ công lặp đi lặp lại hoặc giúp thiết bị sản xuất hiện có hoạt động hiệu quả hơn.
Một cell robot có thể duy trì thời gian chu kỳ xác định trong thời gian sản xuất dài mà không có biến động liên quan đến mệt mỏi. Khi được tích hợp đúng cách, cell này cũng có thể phối hợp việc xử lý vật liệu, nạp máy, kiểm tra và dỡ phôi trong cùng một trình tự sản xuất.
Tuy nhiên, lợi ích tài chính phụ thuộc rất nhiều vào mức độ sử dụng.
Một robot hoạt động một ca mỗi ngày có thể mang lại hiệu quả đầu tư rất khác so với một hệ thống tương đương hoạt động liên tục qua nhiều ca. Vì vậy, các phép tính đầu tư nên xem xét mức độ sử dụng thực tế thay vì chỉ dựa vào giá mua robot.
Năng suất không chỉ là tốc độ robot
Tốc độ robot thường được nhấn mạnh khi lựa chọn thiết bị, nhưng chỉ riêng tốc độ không quyết định sản lượng.
Một robot nhanh được kết nối với quy trình gia công chậm, luồng vật liệu được thiết kế kém hoặc trạm kiểm tra không hiệu quả sẽ không tự động tạo ra một nhà máy nhanh hơn.
Toàn bộ chu kỳ sản xuất đều quan trọng.
Nhà sản xuất nên đánh giá chuyển động của robot, thời gian phản hồi của máy, việc thay dụng cụ, nạp và dỡ phôi, kiểm tra, giao tiếp, sự can thiệp của người vận hành và khả năng khôi phục sau sự cố. Trong nhiều ứng dụng, cải thiện năng suất lớn nhất đến từ việc loại bỏ thời gian chờ thay vì tăng gia tốc của robot.
Robot hiện đại đang trở nên linh hoạt hơn
Robot công nghiệp đã phát triển vượt xa chuyển động lặp đi lặp lại cố định.
Các hệ thống hiện nay có thể xử lý nhiều tải trọng khác nhau, sử dụng nhiều dụng cụ ở đầu cánh tay, thay đổi công thức sản xuất, giao tiếp với các hệ thống điều khiển và phản hồi thông tin từ cảm biến. Điều này khiến robot ngày càng phù hợp với các môi trường sản xuất nơi các biến thể sản phẩm thường xuyên thay đổi.
Tự động hóa linh hoạt đặc biệt có giá trị đối với các nhà sản xuất không thể biện minh cho việc xây dựng một dây chuyền sản xuất chuyên dụng cho từng sản phẩm.
Một cell robot có thể lập trình về cơ bản có thể hỗ trợ nhiều hoạt động thông qua việc thay đổi dụng cụ, phần mềm, đồ gá và các thông số sản xuất. Điều này không loại bỏ công việc kỹ thuật, nhưng có thể giảm yêu cầu tái cấu trúc vật lý khi nhu cầu sản xuất thay đổi.
Thị giác máy bổ sung một lớp khả năng thích ứng mới
Thị giác máy là một trong những công nghệ đã làm thay đổi đáng kể năng lực thực tế của robot công nghiệp.
Các hệ thống robot truyền thống thường phụ thuộc vào việc định vị phôi thật chính xác. Hệ thống thị giác cho phép robot thu thập thông tin về vị trí, hướng, kích thước, tình trạng bề mặt hoặc nhận dạng của vật thể.
Điều này cho phép thực hiện các ứng dụng như gắp bằng robot, xác minh lắp ráp, kiểm tra lỗi, xác thực đóng gói, dán nhãn, theo dõi và phân loại.
Điểm quan trọng là thị giác không chỉ đơn giản là cung cấp cho robot “đôi mắt”. Nó tạo ra một đường phản hồi giữa môi trường sản xuất vật lý và hệ thống điều khiển.
Phản hồi đó có thể giúp hoạt động của robot trở nên linh hoạt hơn đáng kể.
Trí tuệ nhân tạo đang mở rộng khả năng ra quyết định của robot
Trí tuệ nhân tạo cũng đang được đưa vào robot công nghiệp, đặc biệt trong nhận thức, kiểm tra, phân loại, tối ưu hóa và phân tích quy trình.
Các hệ thống dựa trên AI có thể giúp nhận diện những mẫu hình ảnh khó xác định bằng các phương pháp kiểm tra truyền thống dựa trên quy tắc. Chúng cũng có thể hỗ trợ phân tích sản xuất bằng cách xác định mối liên hệ giữa các thông số quy trình và kết quả chất lượng.
Tuy nhiên, không nên xem AI là giải pháp thay thế cho điều khiển công nghiệp thông thường.
Logic PLC, hệ thống an toàn, bộ điều khiển chuyển động, mạch liên động, giao tiếp xác định và các quy trình kỹ thuật đã được thiết lập vẫn là nền tảng. AI hữu ích nhất khi bổ sung trí thông minh vào một kiến trúc điều khiển được thiết kế đúng cách, thay vì cố gắng thay thế chính kiến trúc đó.
Cobots đang mở rộng ranh giới tự động hóa
Rô-bốt cộng tác đã đưa ra một cách tiếp cận khác đối với tự động hóa công nghiệp.
Thay vì đặt mọi ứng dụng rô-bốt phía sau hàng rào bảo vệ thông thường, cobot được thiết kế cho những ứng dụng mà hoạt động của con người và rô-bốt có thể được phối hợp trong các điều kiện an toàn được xác định rõ.
Các ứng dụng điển hình gồm cấp phôi cho máy, lắp ráp, đóng gói, kiểm tra và xử lý vật liệu.
Lợi thế lớn nhất của chúng không nhất thiết là khả năng thay thế rô-bốt công nghiệp truyền thống. Đúng hơn, chúng cung cấp một lựa chọn tự động hóa cho những quy trình mà việc triển khai các trạm rô-bốt thông thường có thể khó chứng minh hiệu quả do hạn chế về không gian, sản lượng hoặc sự đa dạng của sản phẩm.
Đánh giá an toàn vẫn là bắt buộc. Một rô-bốt cộng tác không tự động khiến ứng dụng trở nên an toàn chỉ vì nó được tiếp thị là rô-bốt cộng tác.
Tích hợp đã trở thành một yếu tố cạnh tranh quan trọng
Các dự án tự động hóa hiện đại ngày càng phụ thuộc vào khả năng tích hợp hơn là hiệu suất của từng phần cứng riêng lẻ.
Rô-bốt phải giao tiếp với PLC, bộ điều khiển an toàn, HMI, bộ truyền động, hệ thống thị giác, cảm biến, hệ thống điều hành sản xuất và mạng nhà máy. Chất lượng của các giao diện này ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nghiệm thu và khả năng bảo trì lâu dài.
Các giao thức truyền thông công nghiệp được tiêu chuẩn hóa, kiến trúc điều khiển mô-đun, công cụ mô phỏng và môi trường lập trình được cải tiến đã giúp việc tích hợp trở nên dễ dàng hơn so với các thế hệ trước.
Tuy vậy, kỷ luật kỹ thuật vẫn rất cần thiết. Thiết kế mạng kém, cấu trúc tín hiệu không rõ ràng, khả năng chẩn đoán không đầy đủ và phần mềm không được lập tài liệu có thể gây ra những vấn đề đáng kể sau khi nghiệm thu.
Tự động hóa trên nền tảng hiện hữu thường thực tế hơn tự động hóa trên nền tảng mới hoàn toàn
Các nhà sản xuất không phải lúc nào cũng cần xây dựng một dây chuyền sản xuất hoàn toàn mới để hưởng lợi từ rô-bốt.
Nhiều nhà máy vẫn vận hành PLC, bộ truyền động, rô-bốt, cảm biến và thiết bị sản xuất đã hoạt động hơn một thập kỷ. Thay thế mọi thứ cùng lúc có thể tạo ra những rủi ro kỹ thuật và tài chính không cần thiết.
Một cách tiếp cận thực tế hơn thường là xác định một quy trình có vấn đề rõ ràng về năng suất hoặc chất lượng, rồi tự động hóa công đoạn đó trong khi vẫn tận dụng thiết bị hiện có còn hữu ích.
Cách tiếp cận này cho phép các nhà sản xuất đánh giá kết quả thực tế trước khi mở rộng dự án.
Theo kinh nghiệm của tôi, tự động hóa theo từng giai đoạn thường bền vững hơn vì mỗi dự án tạo ra kiến thức vận hành có thể áp dụng cho dự án tiếp theo.
Tình trạng thiếu lao động đang làm thay đổi bài toán tự động hóa
Nguồn nhân lực sẵn có đã trở thành một trong những lý do thuyết phục nhất cho tự động hóa công nghiệp.
Các nhà sản xuất ngày càng gặp khó khăn trong việc tuyển người cho những vị trí sản xuất lặp đi lặp lại, đòi hỏi thể lực, nguy hiểm hoặc có tính chuyên môn cao. Đào tạo nhân viên mới cũng đòi hỏi thời gian, sự giám sát và nguồn lực.
Robot có thể đảm nhiệm các thao tác lặp đi lặp lại, trong khi nhân viên chuyển sang những hoạt động có giá trị cao hơn như lập trình, bảo trì, quản lý chất lượng, kỹ thuật quy trình và giám sát sản xuất.
Điều này thể hiện một điểm khác biệt quan trọng: tự động hóa không nhất thiết loại bỏ công việc của con người. Nó thay đổi nơi chuyên môn của con người được áp dụng.
Do đó, các nhà máy tự động hóa thành công cần đầu tư vào kỹ năng kỹ thuật đồng thời với đầu tư vào máy móc.
Không thể tách rời an toàn và tính nhất quán khỏi tự động hóa
Robot có thể giảm mức độ tiếp xúc với các thao tác nguy hiểm liên quan đến nhiệt, hóa chất, vật liệu nặng, chuyển động lặp đi lặp lại hoặc các rủi ro khác tại nơi làm việc.
Chúng cũng có thể giúp thực hiện nhất quán hơn các thao tác đã được xác định trước.
Tuy nhiên, tự động hóa cũng tạo ra những mối nguy riêng. Chuyển động bất ngờ, năng lượng cơ học tích trữ, lỗi phần mềm, hỏng cảm biến, cấu hình không chính xác và sai sót khi bảo trì đều có thể gây ra rủi ro an toàn.
Do đó, các hệ thống robot công nghiệp cần có hàng rào bảo vệ phù hợp, chức năng điều khiển đạt chuẩn an toàn, đánh giá rủi ro, chức năng dừng khẩn cấp, cơ cấu liên động, quy trình bảo trì và đào tạo người vận hành.
Bản thân robot không phải là giải pháp an toàn. An toàn đến từ thiết kế tổng thể của hệ thống.
Phân tích tài chính phải bao gồm nhiều hơn khoản tiết kiệm chi phí lao động
Lợi tức đầu tư thường được tính dựa trên việc giảm chi phí lao động, nhưng đây chỉ là một phần của bức tranh tổng thể.
Một phân tích hiệu quả kinh doanh thực tế cũng nên xem xét công suất sản xuất, giảm phế phẩm, cải thiện chất lượng, mức độ sử dụng máy, thời gian ngừng hoạt động, bảo trì, mức tiêu thụ năng lượng, dụng cụ, chi phí tích hợp, đào tạo và vòng đời dự kiến của thiết bị.
Số lượng ca sản xuất đặc biệt quan trọng. Một hệ thống robot hoạt động liên tục có thể mang lại hiệu quả kinh tế khác biệt đáng kể so với hệ thống chỉ được sử dụng không thường xuyên.
Các nhà sản xuất cũng nên tính toán chi phí của việc không hành động. Nếu khả năng tuyển dụng lao động tiếp tục giảm hoặc yêu cầu về chất lượng của khách hàng trở nên nghiêm ngặt hơn, việc duy trì quy trình hiện tại có thể tốn kém hơn tự động hóa.
Các nhà sản xuất quy mô nhỏ có thể bắt đầu với những dự án tập trung
Robot không còn bị giới hạn trong các nhà máy ô tô quy mô lớn.
Các nhà sản xuất quy mô nhỏ có thể bắt đầu với những ứng dụng được xác định rõ ràng như xếp pallet, đóng gói, hàn, cấp phôi cho máy, các thao tác gắp và đặt, kiểm tra, dán nhãn hoặc vận chuyển vật liệu.
Dự án đầu tiên tốt nhất thường không phải là dự án ấn tượng nhất về mặt công nghệ. Đó là quy trình có vấn đề đo lường được và cơ hội tự động hóa có thể dự đoán.
Một chương trình thí điểm thành công nên xác lập các giá trị có thể đo lường như thời gian chu kỳ, số giờ lao động, tỷ lệ lỗi, mức độ sử dụng thiết bị, thời gian ngừng hoạt động và yêu cầu bảo trì.
Khi có những kết quả này, ban quản lý có thể đưa ra quyết định đầu tư tiếp theo dựa trên dữ liệu vận hành thay vì các giả định.
Tôi kỳ vọng gì ở giai đoạn tiếp theo của robot công nghiệp
Bước phát triển lớn tiếp theo sẽ không chỉ là những robot nhanh hơn. Đó sẽ là các hệ thống robot được kết nối tốt hơn, kết hợp điều khiển chuyển động, thị giác máy, mạng công nghiệp, phân tích dữ liệu và phần mềm ngày càng mạnh mẽ.
Robot sẽ được tích hợp sâu hơn với kiến trúc tự động hóa tổng thể thay vì hoạt động như những máy sản xuất độc lập.
Điều này cũng sẽ làm tăng tầm quan trọng của an ninh mạng, kiến trúc dữ liệu, các giao diện tiêu chuẩn hóa, hoạt động chẩn đoán và kỹ thuật vòng đời. Khi ngày càng nhiều thiết bị robot được kết nối với mạng lưới nhà máy, các nhà sản xuất sẽ cần xem robot là một phần trong hạ tầng số công nghiệp của mình.
Từ lợi thế cạnh tranh đến yêu cầu thiết yếu trong sản xuất
Robot công nghiệp đang dần chuyển từ một khoản đầu tư năng suất tùy chọn thành yêu cầu chiến lược đối với nhiều nhà sản xuất.
Lý do thuyết phục nhất không phải là robot có thể thay thế con người hoặc vận hành nhanh hơn. Lập luận mạnh mẽ hơn là tự động hóa có thể mang lại cho các nhà sản xuất khả năng kiểm soát tốt hơn đối với năng lực sản xuất, chất lượng, tính nhất quán, an toàn và tính liên tục trong vận hành.
Những công ty có nhiều khả năng hưởng lợi nhất không nhất thiết là những công ty mua số lượng robot lớn nhất. Đó sẽ là những công ty xác định đúng quy trình, tích hợp thiết bị chính xác, đào tạo lực lượng lao động, đo lường kết quả và không ngừng cải tiến kiến trúc tự động hóa.
Vì vậy, nhà máy tương lai sẽ không được định hình bởi số lượng robot trên sàn sản xuất. Nhà máy sẽ được định hình bởi mức độ hiệu quả khi những robot đó phối hợp với con người, máy móc, hệ thống điều khiển, dữ liệu và các quy trình kỹ thuật.
