Cơ cấu chấp hành khí nén, thủy lực và điện – Tự động hoá

1/ Cơ cấu chấp hành trong tự động hoá

Cơ cấu dẫn hướng là bộ truyền động tuyến tính tác động vào một tải nào đó, có thể trong công đoạn lắp ráp các thành phần hoặc thành phẩm, theo một đường thẳng. Nó chuyển đổi năng lượng thành chuyển động hoặc lực và có thể được tạo bởi bởi dòng chất lỏng có áp suất hoặc không khí, cũng như điện. 

Các loại cơ cấu chấp hành này được sử dụng rất phổ biến trong tự động hoá công nghiệp. Hầu như ở các loại máy móc, hệ thống sản xuất,… đều có các thiết này. Tương ứng với mỗi loại cơ cấu chấp hành sẽ có những đặc điểm: Năng lượng, lực sinh ra, khả năng chịu tải, tốc độ, tuổi thọ, môi trường làm việc. Những kỹ sư thiết kế máy phải chọn lựa được đúng loại nhằm tối ưu hoá hệ thống

1.1/ Tóm tắt nguyên lý hoạt động của các loại cơ cấu chấp hành

• Bộ truyền động tuyến tính bằng khí nén bao gồm một piston bên trong một xi lanh rỗng. Áp suất từ máy nén bên ngoài hoặc máy bơm bằng tay sẽ di chuyển piston bên trong xi lanh. Khi áp suất tăng, xi lanh chuyển động dọc theo trục của piston, tạo ra một lực tuyến tính. Piston trở lại vị trí ban đầu của nó bằng lực hồi lưu của lò xo hoặc dòng chất lỏng được đẩy vào phía bên kia của piston.
• Bộ truyền động tuyến tính thủy lực hoạt động tương tự như bộ truyền động khí nén, nhưng chất lỏng được truyền từ máy bơm chứ không phải không khí áp suất cao sẽ đẩy xi lanh.
• Một thiết bị truyền động tuyến tính điện chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn. Một động cơ điện được kết nối cơ học sẽ quay một vít dẫn. Một dây dẫn ren hoặc đai ốc bi có ren tương ứng khớp với ren của vít được ngăn không cho vít quay. Khi trục vít quay, đai ốc được truyền động dọc theo các ren. Hướng di chuyển của đai ốc phụ thuộc vào hướng mà trục vít quay và cũng đưa cơ cấu truyền động trở lại vị trí ban đầu.

2. Cơ cấu chấp hành khí nén

2.1/ Ưu điểm

• Lợi ích của thiết bị truyền động khí nén chủ yếu bởi sự đơn giản của chúng. Hầu hết các thiết bị truyền động bằng nhôm khí nén có định mức áp suất tối đa là khoảng 1 MPa với kích thước lỗ khoan nằm trong khoảng từ 12.7 đến 203 mm, chuyển thành lực khoảng 14 đến 3400 kg. Thiết bị truyền động bằng thép có định mức áp suất tối đa là 1.7 MPa với kích thước lỗ khoan từ 12.7 đến 356 mm. Và chúng tạo ra lực từ 22 đến 17400 kg.
• Bộ truyền động khí nén tạo ra chuyển động tuyến tính chính xác bằng cách cung cấp độ chính xác, ví dụ: trong vòng 0.25 cm và khả năng lặp lại trong vòng 0.025 mm.
• Các ứng dụng điển hình của thiết bị truyền động khí nén liên quan đến các khu vực có nhiệt độ khắc nghiệt. Phạm vi nhiệt độ điển hình là – 40 ° C (-40 ° F) đến 121 ° C (250 ° F). Về mặt an toàn và kiểm tra, bằng cách sử dụng không khí, thiết bị truyền động khí nén tránh sử dụng các nguồn nhiên liệu nguy hiểm. Chúng đáp ứng các yêu cầu về chống cháy nổ và an toàn máy móc vì chúng không tạo ra nhiễu từ tính do không có động cơ.
• Trong những năm gần đây, các cơ cấu khí nén đã có nhiều cải tiến trong việc thu nhỏ, vật liệu và tích hợp với điện tử và giám sát tình trạng. Giá thành của thiết bị truyền động khí nén khá thấp so với các thiết bị truyền động khác. Theo Bimba Manufacturing, ví dụ, thiết bị truyền động khí nén trung bình có giá từ $ 50 đến $ 150. Thiết bị truyền động khí nén cũng có trọng lượng nhẹ, yêu cầu bảo trì tối thiểu và có các thành phần bền giúp cho khí nén trở thành một phương pháp chuyển động thẳng hiệu quả về chi phí.

2.2/ Nhược điểm

• Thất thoát áp suất và khả năng nén của không khí làm cho khí nén kém hiệu quả hơn các phương pháp chuyển động thẳng khác. Các giới hạn của máy nén và phân phối khí có nghĩa là các hoạt động ở áp suất thấp hơn sẽ có lực thấp hơn và tốc độ chậm hơn. Ngoài ra, máy nén phải chạy liên tục với áp suất hoạt động ngay cả khi không có gì chuyển động.
• Để thực sự hiệu quả, thiết bị truyền động khí nén phải có kích thước phù hợp với một công việc cụ thể. Do đó, chúng không thể được sử dụng cho các ứng dụng khác. Việc kiểm soát chính xác và hiệu quả đòi hỏi các van và bộ điều chỉnh tỷ lệ, nhưng điều này làm tăng chi phí và sự phức tạp.
• Mặc dù không khí luôn có sẵn, nó có thể bị lẫn tạp chất bởi dầu hoặc chất bôi trơn, dẫn đến phải ngừng hoạt động và bảo trì. Các công ty vẫn phải trả tiền mua khí nén, khiến nó trở thành chi phí tiêu hao, còn máy nén và đường dây dẫn khí là một vấn đề bảo trì khác.

3/ Cơ cấu chấp hành thủy lực

3.1/ Ưu điểm

• Bộ truyền động thủy lực chắc chắn và thích hợp cho các ứng dụng chịu lực cao. Chúng có thể tạo ra lực lớn hơn 25 lần so với các xi lanh khí nén có cùng kích thước. Chúng cũng hoạt động ở áp suất lên đến 4000 psi (27.6 MPa).
• Động cơ thủy lực có tỷ số mã lực trên trọng lượng cao hơn động cơ khí nén từ 1 đến 2 mã lực / lb.
• Một bộ truyền động thủy lực có thể giữ lực và mô-men xoắn không đổi mà không cần bơm cung cấp thêm chất lỏng hoặc áp suất do tính không thể nén của chất lỏng
• Thiết bị truyền động thủy lực có thể đặt máy bơm và động cơ của chúng ở một khoảng cách đáng kể với mức tổn thất điện năng tối thiểu.

3.2/ Nhược điểm

• Có khả năng rò rỉ chất lỏng. Giống như thiết bị truyền động khí nén, mất chất lỏng dẫn đến hiệu quả kém hơn. Tuy nhiên, rò rỉ chất lỏng thủy lực dẫn đến các vấn đề về độ sạch và khả năng gây hại cho các bộ phận và khu vực xung quanh.
• Bộ truyền động thủy lực yêu cầu nhiều bộ phận đồng hành, bao gồm bình chứa chất lỏng, động cơ, máy bơm, van xả và bộ trao đổi nhiệt, cùng với thiết bị giảm tiếng ồn. Điều này làm cho các hệ thống chuyển động tuyến tính lớn và khó đáp ứng.

4/ Cơ cấu chấp hành điện (xylanh điện)

4.1/ Ưu điểm

• Bộ truyền động điện cung cấp khả năng định vị điều khiển chính xác cao nhất. Một ví dụ về phạm vi độ chính xác là +/- 0,000315 in. Và độ lặp lại nhỏ hơn 0,0000394 in. Các thiết lập của chúng có thể mở rộng cho bất kỳ mục đích hoặc yêu cầu lực và yên tĩnh, chuyển động trơn tru và có thể lặp lại.
• Bộ truyền động điện có thể được kết nối mạng và lập trình lại nhanh chóng. Chúng cũng cung cấp khả năng phản hồi ngay lập tức để chẩn đoán và bảo trì.
• Chúng cung cấp khả năng kiểm soát hoàn toàn các cấu hình chuyển động và có thể bao gồm bộ mã hóa (encoder) để kiểm soát vận tốc, vị trí, mô-men xoắn và lực tác dụng.
• Về vấn đề tiếng ồn, chúng êm hơn các thiết bị truyền động khí nén và thủy lực
• Bởi vì không có rò rỉ chất lỏng, các nguy cơ môi trường được loại bỏ.

4.2/ Nhược điểm

• Chi phí đầu tư ban đầu của thiết bị truyền động điện cao hơn so với thiết bị truyền động khí nén và thủy lực. Theo ví dụ từ Bimba Manufacturing, một thiết bị truyền động điện có thể dao động từ 150 đô la đến hơn 2000 đô la tùy thuộc vào thiết kế và thiết bị điện tử của nó.
• Thiết bị truyền động điện không phù hợp với mọi môi trường, không giống như thiết bị truyền động khí nén, an toàn trong các khu vực nguy hiểm và dễ cháy
• Động cơ chạy liên tục sẽ quá nóng, làm tăng mức độ hao mòn hộp giảm tốc. Động cơ cũng có thể có kích thước lớn hơn và gây ra các vấn đề lắp đặt.
• Động cơ được chọn có giới hạn lực, lực đẩy và tốc độ của thiết bị truyền động ở một mức cố định. Nếu mong muốn một bộ giá trị khác cho lực, lực đẩy và tốc độ, động cơ phải được thay đổi.