Thiết kế máy #07: Đồng bộ 2 trục bằng xy lanh khí nén – Vì sao nên cẩn thận?

Trong thiết kế máy tự động FA, có một kiểu cơ cấu nhìn qua thì rất đơn giản, nhưng thực tế lại là nguyên nhân của rất nhiều lỗi cơ khí:

Dùng 2 xy lanh khí nén để đồng bộ chuyển động 2 trục.

Ví dụ thường gặp là nâng hạ một tấm plate lớn, đẩy một cụm jig dài ở hai đầu, kẹp đồng thời hai bên workpiece, hoặc di chuyển một cụm cơ cấu lớn bằng 2 xy lanh đặt song song.

Trên bản vẽ, phương án này nhìn khá hợp lý.

Hai xy lanh cùng model. Hai xy lanh cùng hành trình. Cùng một van điện từ. Cùng một áp suất khí. Cùng gắn vào một cụm plate.

Vì vậy, nhiều người sẽ nghĩ rằng hai bên sẽ chạy gần như cùng lúc.

Nhưng trong thực tế, xy lanh khí nén không phải là cơ cấu truyền động phù hợp để đồng bộ vị trí chính xác. Chỉ cần một bên chạy nhanh hơn một chút, một bên chạy chậm hơn một chút, cơ cấu có thể bị nghiêng, bị kẹt, bị vặn, ray dẫn hướng bị ép ngang, ty xy lanh bị cong hoặc workpiece bị rơi.

Đặc biệt với các cơ cấu nâng hạ, cơ cấu có hành trình dài, plate lớn, hoặc tải trọng lệch tâm, việc dùng 2 xy lanh khí nén độc lập cần được xem xét rất kỹ.

Bài viết này sẽ phân tích vì sao 2 xy lanh khí nén khó đồng bộ, những lỗi thiết kế thường gặp, và các phương án xử lý trong thực tế như meter-out, đường ống khí cùng chiều dài, rack & pinion, cơ cấu link, floating joint, external stopper và xy lanh điện.

1. Vì sao 2 xy lanh khí nén khó chạy đồng bộ?

1.1. Không khí có tính nén nên luôn có độ trễ

Nguyên nhân lớn nhất làm xy lanh khí nén khó đồng bộ là vì môi chất truyền động của nó là không khí.

Không khí có tính nén. Khi van điện từ mở ra và khí được cấp vào xy lanh, piston không lập tức chuyển động ngay. Áp suất bên trong buồng xy lanh phải tăng lên đến mức đủ thắng tải trọng, thắng ma sát seal, thắng lực cản cơ cấu, sau đó piston mới bắt đầu chạy.

Điều này khác hoàn toàn với truyền động điện như servo motor hoặc stepper motor.

Với servo, ta có thể điều khiển vị trí, tốc độ và gia tốc bằng tín hiệu số. Nhưng với xy lanh khí nén, ta đang điều khiển một hệ có độ đàn hồi, độ trễ, ma sát, sự biến thiên áp suất và nhiều sai số cơ khí khác.

Khi dùng 2 xy lanh song song, dù cả hai được cấp khí từ cùng một van, chỉ cần có sự khác nhau nhỏ giữa hai nhánh khí là thời điểm bắt đầu chuyển động đã có thể lệch.

Ví dụ:

Chiều dài ống khí bên trái và bên phải khác nhau.
Đường kính ống hoặc fitting khác nhau.
Một bên có co nối nhiều hơn.
Một bên có tải nặng hơn.
Một xy lanh có ma sát seal lớn hơn.
Một bên guide bị cứng hơn.
Áp suất tăng trong hai buồng xy lanh không giống nhau.

Kết quả là một xy lanh có thể đã bắt đầu chuyển động, trong khi xy lanh còn lại vẫn đang trong giai đoạn “tích áp”.

Với những cơ cấu nhỏ, sai lệch này có thể không gây vấn đề lớn. Nhưng với plate dài hoặc cơ cấu có khoảng cách hai trục lớn, chỉ cần lệch vài mm cũng có thể tạo ra moment xoắn rất lớn.

Vì vậy, điểm đầu tiên cần hiểu là:

Không thể kỳ vọng 2 xy lanh khí nén độc lập sẽ đồng bộ như 2 trục servo.

Nếu yêu cầu thiết kế là “hai trục phải đi đúng vị trí theo thời gian thực”, thì dùng 2 xy lanh khí nén độc lập là một phương án rủi ro.

1.2. Hiện tượng stick-slip làm lệch thời điểm khởi động

Một nguyên nhân quan trọng khác là hiện tượng stick-slip.

Bên trong xy lanh khí nén có các seal cao su để làm kín piston và ty xy lanh. Khi piston đang đứng yên, lực ma sát tĩnh thường lớn hơn lực ma sát động. Nói đơn giản, để làm piston bắt đầu chuyển động cần một lực lớn hơn so với khi piston đã chạy rồi.

Vì vậy, khi bắt đầu cấp khí, áp suất trong xy lanh sẽ tăng dần. Đến khi áp suất đủ lớn để thắng ma sát tĩnh, piston sẽ bắt đầu chuyển động. Trong nhiều trường hợp, nó không chạy thật mượt ngay từ đầu mà có xu hướng “bung” ra một chút.

Đây là hiện tượng rất thường gặp trong khí nén.

Vấn đề là ma sát ban đầu của hai xy lanh gần như không bao giờ hoàn toàn giống nhau.

Dù dùng cùng một model, cùng một hãng, cùng một stroke, vẫn có thể có sai khác do:

Tình trạng grease bên trong xy lanh.
Độ mòn của seal.
Sai số gia công.
Điều kiện nhiệt độ.
Độ lệch lắp ráp.
Lực ngang tác động lên ty.
Tải thực tế hai bên khác nhau.

Vì vậy, một xy lanh có thể bắt đầu chạy sớm hơn xy lanh còn lại. Khi một bên đã chuyển động trước, plate hoặc jig bắt đầu bị nghiêng. Nếu cơ cấu dẫn hướng không đủ cứng, hiện tượng nghiêng này tiếp tục làm tăng ma sát ở bên còn lại, khiến nó càng chạy chậm hơn.

Kết quả là sai lệch nhỏ ban đầu có thể bị khuếch đại thành lỗi lớn.

Đây là lý do nhiều máy lúc mới lắp có thể chạy tạm ổn, nhưng sau một thời gian sử dụng lại bắt đầu bị kẹt, chạy giật hoặc lệch hai bên. Khi seal mòn, guide bẩn, grease khô hoặc tải thực tế thay đổi, sự đồng bộ vốn đã mong manh sẽ dễ bị phá vỡ.

1.3. Tải trọng lệch làm một bên chạy chậm hơn

Trong bản vẽ 2D, nhiều khi ta thấy plate được đỡ bởi 2 xy lanh hai bên nên mặc định tải chia đều. Nhưng trong thực tế, tải trọng hiếm khi chia đều tuyệt đối.

Nếu trọng tâm của cụm chuyển động lệch sang bên trái, xy lanh bên trái sẽ chịu tải lớn hơn. Nếu lệch sang phía trước hoặc phía sau, guide có thể chịu moment lớn hơn. Nếu workpiece thay đổi vị trí đặt, tải trọng hai bên cũng thay đổi theo từng chu kỳ.

Khi một bên chịu tải lớn hơn, xy lanh bên đó cần áp suất lớn hơn để bắt đầu chuyển động. Tốc độ của nó cũng dễ bị giảm hơn khi có dao động áp suất hoặc ma sát tăng.

Đặc biệt với cơ cấu nâng hạ theo phương thẳng đứng, tải lệch là vấn đề rất nguy hiểm. Nếu một bên xy lanh nâng nhanh hơn, plate sẽ nghiêng. Khi plate nghiêng, tải lại dồn thêm về một bên, làm cơ cấu càng dễ kẹt.

Với thiết kế 2 trục, không nên chỉ hỏi:

Xy lanh có đủ lực nâng không?

Mà phải hỏi thêm:

Khi tải bị lệch, một bên chạy trước hoặc chạy sau thì cơ cấu có bị kẹt không?

Nếu câu trả lời là “có thể kẹt”, thiết kế đó chưa an toàn.

2. Tỷ lệ tải nên chọn thấp hơn khi cần đồng bộ

Khi chọn xy lanh cho chuyển động đơn giản, nhiều trường hợp ta có thể chọn với tỷ lệ tải tương đối cao. Tuy nhiên, với cơ cấu 2 trục cần chạy đồng bộ, nên chọn dư lực nhiều hơn.

Tỷ lệ tải là tỷ lệ giữa tải thực tế và lực đẩy lý thuyết của xy lanh.

Nếu tỷ lệ tải quá cao, xy lanh gần như đang làm việc sát giới hạn. Khi đó, chỉ cần áp suất khí giảm nhẹ, ma sát tăng một chút, hoặc tải lệch một bên, tốc độ xy lanh sẽ thay đổi rõ rệt.

Với cơ cấu 2 xy lanh, điều này rất dễ làm hai bên lệch nhau.

Vì vậy, khi thiết kế 2 trục khí nén, nên chọn xy lanh có dư lực tương đối tốt. Trong thực tế, tỷ lệ tải khoảng 0.3 đến 0.5 thường an toàn hơn so với việc chọn quá sát.

Điều kiện hoạt động của xy lanh	Tỷ lệ tải khuyến nghị	Ghi chú thiết kế
Chuyển động ngang / đứng thông thường	≤ 0.7	Có thể dùng cho chuyển động đơn giản
Tốc độ dưới 500 mm/s	0.3 ～ 0.5	Ưu tiên ổn định tốc độ
Tốc độ trên 500 mm/s	0.2 ～ 0.3	Cần xét thêm va đập và quán tính
2 trục cần chạy đồng bộ	0.3 ～ 0.5	Nên có dư lực để giảm ảnh hưởng tải lệch

Nguồn tham khảo: SMC Corporation https://www.smcworld.com/catalog/BEST-technical-data/pdf/AirCylinder-Select-Tech.pdf

Điểm cần lưu ý là xy lanh lớn hơn không phải lúc nào cũng tốt. Nếu xy lanh quá lớn, lực va đập cuối hành trình cũng tăng, cơ cấu stopper phải chịu lực lớn hơn, và chuyển động có thể khó mềm mại.

Do đó, mục tiêu không phải là chọn xy lanh càng lớn càng tốt, mà là chọn sao cho có đủ dư lực, nhưng vẫn kiểm soát được tốc độ, va đập và an toàn cơ khí.

3. Sai số hành trình cũng làm lệch vị trí cuối

Ngay cả khi hai xy lanh chạy gần như đồng bộ trong quá trình di chuyển, vẫn còn một vấn đề khác ở cuối hành trình: sai số stroke.

Xy lanh khí nén là chi tiết cơ khí, nên hành trình thực tế có dung sai chế tạo. Hai xy lanh cùng model, cùng hành trình danh nghĩa, nhưng vị trí dừng cuối cùng vẫn có thể lệch nhau một lượng nhỏ.

Ví dụ, trên bản vẽ cả hai xy lanh đều có stroke 300 mm. Nhưng trong thực tế, một cái có thể đi đủ 300 mm, cái còn lại có thể dừng khác đi một chút trong phạm vi dung sai cho phép.

Nếu plate hoặc jig được bắt cứng vào cả hai ty xy lanh, sai số này sẽ biến thành lực vặn ở cuối hành trình.

Một bên đã chạm hết hành trình. Bên còn lại vẫn còn thiếu một chút. Nhưng vì hai bên bị bắt cứng vào cùng một plate, cơ cấu sẽ bị ép cưỡng bức.

Kết quả có thể là:

Plate bị vặn.
Guide bị ép ngang.
Ty xy lanh chịu lực lệch.
Stopper bên trong xy lanh bị va đập không đều.
Máy chạy một thời gian thì phát sinh kẹt hoặc mòn bất thường.

Vì vậy, với cơ cấu cần vị trí cuối chính xác, không nên để từng xy lanh tự quyết định điểm dừng bằng stopper bên trong của nó.

Cách tốt hơn là dùng external stopper chung cho cả cụm chuyển động.

External stopper giúp tạo một mặt chuẩn cơ khí chung. Khi plate di chuyển đến cuối hành trình, toàn bộ cụm sẽ dừng theo mặt chuẩn này, thay vì phụ thuộc vào sai số riêng của từng xy lanh.

Phạm vi hành trình	Dung sai cho phép	Ghi chú
≤ 250 mm	+1.0 / 0	Xy lanh nhỏ và trung bình
251 ～ 1000 mm	+1.4 / 0	Xy lanh lớn
1001 ～ 1500 mm	+1.8 / 0	Xy lanh rất lớn

Nguồn tham khảo: TAIYO Ltd. https://www.taiyo-ltd.co.jp/products/pneumatic/docs/Catalog_7A2.pdf

Sai số 1 mm nghe có vẻ nhỏ, nhưng với cơ cấu 2 trục, nhất là khi khoảng cách hai trục lớn, nó có thể tạo ra moment đáng kể.

Trong thiết kế máy, sai số nhỏ ở linh kiện có thể trở thành lỗi lớn khi đi vào cơ cấu tổng thể.

4. Nếu vẫn dùng 2 xy lanh khí nén thì cần làm gì?

Không phải lúc nào cũng phải cấm tuyệt đối việc dùng 2 xy lanh khí nén. Có nhiều trường hợp vẫn dùng được, nếu yêu cầu đồng bộ không quá cao và cơ cấu được thiết kế đúng.

Tuy nhiên, cần hiểu rằng các biện pháp dưới đây là để giảm rủi ro, không phải để biến khí nén thành servo.

4.1. Dùng meter-out để chuyển động ổn định hơn

Khi điều khiển tốc độ xy lanh khí nén, có hai cách chính là meter-in và meter-out.

Meter-in là tiết lưu khí cấp vào xy lanh. Meter-out là tiết lưu khí xả ra khỏi xy lanh.

Trong nhiều cơ cấu khí nén thông thường, đặc biệt là cơ cấu cần chạy ổn định, meter-out thường được ưu tiên hơn.

Lý do là khi tiết lưu khí xả, buồng phía sau piston vẫn có một lượng áp suất giữ lại. Piston không bị “phóng” tự do theo áp cấp, mà chuyển động trong trạng thái có back pressure. Điều này giúp giảm hiện tượng giật, giảm dao động tốc độ và làm chuyển động dễ kiểm soát hơn.

Với cơ cấu 2 xy lanh, meter-out giúp hạn chế phần nào việc một bên bung ra quá nhanh. Tuy nhiên, nó không loại bỏ hoàn toàn sai lệch giữa hai bên.

Nói cách khác:

Meter-out giúp cơ cấu dễ chỉnh hơn, nhưng không phải là giải pháp đồng bộ chính xác.

Nếu thiết kế vốn đã bị tải lệch, guide yếu, plate dài và hai bên bị bắt cứng, chỉ chỉnh speed controller sẽ không giải quyết được gốc rễ.

4.2. Làm chiều dài ống khí hai bên bằng nhau

Đường ống khí cũng ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng.

Nếu ống khí bên trái dài hơn bên phải, thể tích khí cần nạp vào nhánh đó lớn hơn. Áp suất có thể tăng chậm hơn. Ngoài ra, số lượng fitting, co nối, van phụ hoặc tiết lưu cũng làm thay đổi đặc tính dòng khí.

Vì vậy, khi dùng 2 xy lanh cần chạy gần đồng bộ, nên cố gắng làm hai nhánh khí giống nhau nhất có thể:

Cùng chiều dài ống.
Cùng đường kính ống.
Cùng loại fitting.
Cùng số lượng co nối nếu có thể.
Speed controller cùng model.
Bố trí van gần xy lanh nếu cần giảm độ trễ.

Trong thực tế, nếu một bên bắt buộc phải đặt gần van hơn, có thể cuộn thêm ống ở bên ngắn để cân bằng chiều dài với bên dài. Đây là cách đơn giản nhưng có hiệu quả nhất định.

Tuy nhiên, cần nhấn mạnh lại: equal piping chỉ giúp giảm độ lệch thời gian đáp ứng. Nó không xử lý được sai lệch do tải, ma sát, dung sai stroke hoặc độ cứng cơ cấu.

4.3. Không nên kỳ vọng chỉnh speed controller là đủ

Một lỗi rất thường gặp là khi hai xy lanh chạy lệch, người thiết kế hoặc người lắp máy chỉ chỉnh speed controller hai bên.

Ban đầu có thể chỉnh được.

Nhưng sau đó máy chạy một thời gian lại lệch.

Lý do là speed controller chỉ điều chỉnh lưu lượng khí trong một điều kiện cụ thể. Khi tải thay đổi, áp suất khí thay đổi, seal mòn, nhiệt độ thay đổi hoặc guide bẩn, điểm cân bằng đó sẽ thay đổi.

Vì vậy, nếu cơ cấu phụ thuộc hoàn toàn vào việc “chỉnh hai cái speed controller cho bằng nhau”, thì thiết kế đó không ổn định về dài hạn.

Một thiết kế tốt không nên cần người vận hành phải tinh chỉnh liên tục để máy không bị kẹt.

5. Khóa đồng bộ bằng cơ khí: rack & pinion

Nếu hai bên bắt buộc phải đi cùng vị trí, giải pháp chắc chắn hơn là dùng cơ cấu cơ khí để khóa đồng bộ.

Một phương án phổ biến là rack & pinion.

Hai bên cơ cấu chuyển động được gắn rack. Hai rack này ăn khớp với pinion hoặc một trục pinion chung. Khi một bên có xu hướng đi trước, cơ cấu bánh răng sẽ buộc bên còn lại đi theo. Nhờ đó, hai bên được ràng buộc vị trí bằng cơ khí.

Ưu điểm của rack & pinion là:

Đồng bộ vị trí tốt hơn so với chỉ điều chỉnh khí.
Ít phụ thuộc vào áp suất khí và ma sát từng xy lanh.
Dễ tạo chuyển động song song cho plate dài.
Phù hợp với cơ cấu cần giữ hai bên không bị lệch nhiều.

Tuy nhiên, rack & pinion cũng có những điểm cần chú ý.

Thứ nhất là độ cứng xoắn của trục. Nếu trục pinion quá nhỏ hoặc quá dài, khi hai bên có lực lệch, trục có thể bị xoắn. Khi đó, hai bên vẫn có sai lệch vị trí.

Thứ hai là backlash. Bánh răng và rack luôn có khe hở ăn khớp nhất định. Nếu cơ cấu đổi chiều hoặc chịu tải đảo chiều, backlash có thể gây rơ và làm giảm độ chính xác.

Thứ ba là độ chính xác lắp ráp. Hai rack phải song song, khoảng cách ăn khớp phải đúng, trục pinion phải đủ thẳng và đủ cứng. Nếu lắp lệch, cơ cấu có thể bị nặng, mòn nhanh hoặc phát sinh tiếng ồn.

Thứ tư là lực lệch giữa hai xy lanh. Nếu một xy lanh đẩy mạnh hơn bên còn lại, lực chênh lệch đó sẽ truyền vào rack, pinion và trục. Vì vậy cần tính độ bền cho bộ truyền, không chỉ chọn theo cảm giác.

Ngoài ra, nếu dùng nhiều bánh răng trên cùng một trục, cần chú ý đến vị trí răng và vị trí rãnh then. Không phải bánh răng tiêu chuẩn nào cũng đảm bảo vị trí răng và rãnh then được căn pha chính xác.

Theo thông tin tham khảo từ KHK Kohara Gear, bánh răng tiêu chuẩn của họ không có sản phẩm mặc định căn chỉnh chính xác vị trí răng và rãnh then. Nếu cần căn chỉnh, phải đặt gia công theo yêu cầu, và độ chính xác cũng chỉ ở mức căn theo dấu, không phải độ chính xác tuyệt đối.

Đây là chi tiết nhỏ nhưng rất quan trọng khi thiết kế cơ cấu đồng bộ bằng bánh răng.

6. Cách tốt hơn: dùng một nguồn truyền động và chia lực bằng cơ cấu link

Trong nhiều trường hợp, giải pháp tốt nhất không phải là dùng 2 xy lanh rồi cố đồng bộ chúng.

Giải pháp tốt hơn là dùng một xy lanh duy nhất, sau đó chia chuyển động sang hai bên bằng cơ cấu cơ khí.

Ví dụ:

Parallel link.
Toggle link.
Rocker link.
Cơ cấu tay đòn đối xứng.
Trục xoay chung.
Cam hoặc cơ cấu đòn kéo hai bên.

Khi chỉ có một nguồn truyền động, vấn đề “hai xy lanh chạy lệch nhau” gần như biến mất. Hai bên được ràng buộc bằng cùng một cơ cấu, nên chuyển động tự nhiên đồng bộ hơn.

Đây là một tư duy rất quan trọng trong thiết kế máy:

Nếu có thể dùng một nguồn truyền động và chia lực bằng cơ khí, đừng vội dùng nhiều xy lanh rồi cố chỉnh bằng khí.

Cách này thường có nhiều lợi ích:

Giảm số lượng xy lanh.
Giảm số lượng van.
Giảm ống khí.
Giảm điểm cần chỉnh.
Dễ bảo trì hơn.
Ít phụ thuộc vào áp suất khí.
Hành vi cơ cấu dễ dự đoán hơn.

Tất nhiên, cơ cấu link cũng cần thiết kế đúng. Cần kiểm tra hành trình, góc link, lực tại các khớp, độ rơ, độ cứng, điểm chết cơ khí và không gian lắp đặt.

Nhưng nếu làm tốt, đây thường là phương án sạch hơn và ổn định hơn so với việc dùng 2 xy lanh độc lập.

7. Dẫn hướng phải đủ cứng, không để xy lanh làm guide

Một lỗi thiết kế rất nguy hiểm là để xy lanh vừa tạo lực, vừa kiêm luôn nhiệm vụ dẫn hướng.

Xy lanh khí nén không được thiết kế để chịu lực ngang lớn. Ty xy lanh chủ yếu nên chịu lực dọc trục. Nếu có lực ngang hoặc moment lớn tác động lên ty, seal và bạc dẫn hướng bên trong xy lanh sẽ nhanh hỏng.

Với cơ cấu 2 trục, khi hai bên chạy lệch, plate sẽ có xu hướng nghiêng. Nếu không có guide đủ cứng, lực nghiêng này sẽ truyền vào ty xy lanh.

Kết quả có thể là:

Ty xy lanh bị cong.
Seal mòn nhanh.
Xy lanh bị rò khí.
Cơ cấu chạy giật.
Plate bị kẹt.
Tuổi thọ máy giảm mạnh.

Vì vậy, trong thiết kế đúng, vai trò phải được tách rõ:

Guide chịu lực dẫn hướng và moment. Xy lanh chỉ tạo lực đẩy hoặc kéo.

Với các cơ cấu nâng hạ hoặc plate dài, nên dùng linear guide, guide shaft, slide guide hoặc cơ cấu dẫn hướng riêng có đủ độ cứng. Không nên trông chờ vào độ cứng của ty xy lanh.

Đây là nguyên tắc rất cơ bản nhưng lại bị bỏ qua khá nhiều trong thiết kế máy nhỏ.

8. Floating joint giúp tránh lực ngang lên ty xy lanh

Khi gắn ty xy lanh trực tiếp vào plate hoặc jig, chỉ cần có sai lệch nhỏ về tâm lắp ráp, ty xy lanh đã bị ép lệch.

Sai lệch này có thể đến từ:

Lỗ lắp không đúng vị trí tuyệt đối.
Plate bị nghiêng nhẹ.
Guide và xy lanh không song song hoàn toàn.
Hai xy lanh chạy lệch nhau một chút.
Hành trình thực tế hai bên khác nhau.
Cụm cơ cấu bị biến dạng khi tải thay đổi.

Floating joint được dùng để hấp thụ những sai lệch nhỏ này.

Nó cho phép đầu ty xy lanh có một mức tự do nhất định, giúp lực truyền vào xy lanh chủ yếu là lực dọc trục. Nhờ đó giảm lực ngang có hại lên ty và seal.

Với cơ cấu 2 xy lanh, floating joint gần như là chi tiết nên có, đặc biệt khi:

Hành trình dài.
Plate lớn.
Có linear guide riêng.
Có nguy cơ lệch tâm khi lắp ráp.
Cần giảm tải ngang lên xy lanh.
Hai bên có thể chạy không hoàn toàn đồng bộ.

Tuy nhiên, cần hiểu đúng vai trò của floating joint.

Floating joint không làm hai xy lanh đồng bộ hơn. Nó chỉ giúp xy lanh không bị phá hỏng bởi sai lệch nhỏ. Nói cách khác, nó là chi tiết bảo vệ và hấp thụ lệch tâm, không phải cơ cấu đồng bộ.

9. Cần có cảm biến và logic phát hiện lệch trục

Trong cơ cấu 2 trục, một tình huống nguy hiểm là một bên đã chạy tới vị trí, nhưng bên còn lại chưa tới hoặc bị kẹt.

Nếu hệ thống vẫn tiếp tục cấp khí, cơ cấu có thể bị vặn hoặc phá hỏng.

Vì vậy, nên có cảm biến kiểm tra trạng thái của cả hai bên.

Ví dụ:

Cảm biến đầu hành trình cho xy lanh trái.
Cảm biến đầu hành trình cho xy lanh phải.
PLC kiểm tra thời gian đến vị trí của hai bên.
Nếu một bên ON mà bên kia không ON trong thời gian cho phép, dừng máy và báo lỗi.
Nếu một bên không rời khỏi vị trí ban đầu đúng thời gian, báo lỗi.
Nếu chu kỳ trước có bất thường, không cho chạy tiếp chu kỳ sau.

Với cơ cấu nâng hạ, còn cần xem xét thêm các trường hợp:

Mất khí.
Mất điện.
Dừng khẩn cấp.
Một xy lanh bị rò khí.
Một bên bị kẹt cơ khí.
Work bị lệch vị trí.
Plate đang nâng thì áp suất giảm.

Trong các trường hợp này, nếu có nguy cơ rơi tải, cần có cơ cấu chống rơi hoặc khóa cơ khí riêng. Không nên chỉ dựa vào áp khí để giữ tải.

Một số cảm biến dạng line sensor cho xy lanh cũng có thể hữu ích trong cơ cấu cần theo dõi vị trí piston liên tục hơn cảm biến ON/OFF thông thường.

Ngoài ra, theo tinh thần thiết kế an toàn của hệ thống khí nén, cần xem xét các nguy hiểm có thể dự đoán trước và đưa vào thiết kế cơ khí, mạch khí và logic điều khiển. Không nên chỉ xử lý lỗi sau khi máy đã bị kẹt.

10. External stopper giúp vị trí cuối ổn định hơn

Như đã nói ở trên, không nên để vị trí cuối của cơ cấu 2 trục phụ thuộc hoàn toàn vào stopper bên trong từng xy lanh.

Lý do là mỗi xy lanh có dung sai stroke riêng. Nếu plate được bắt cứng vào hai xy lanh, sai số này có thể làm plate bị ép vặn ở cuối hành trình.

External stopper là giải pháp rất quan trọng.

Thay vì để từng xy lanh dừng theo stroke riêng của nó, ta thiết kế một stopper cơ khí bên ngoài để toàn bộ cụm plate dừng theo cùng một mặt chuẩn.

External stopper có thể là:

Stopper block.
Stopper bolt.
Urethane stopper.
Shock absorber.
Hard stop có bề mặt chuẩn.
Stopper kết hợp sensor xác nhận vị trí.

Khi dùng stopper ngoài, cần chú ý:

Stopper phải đủ cứng.
Vị trí stopper phải có thể chỉnh được nếu cần.
Lực va chạm cuối hành trình phải được tính.
Nếu tốc độ cao, nên dùng shock absorber.
Không để lực va đập truyền xấu vào guide hoặc plate mỏng.
Hai bên stopper nên được thiết kế sao cho không gây vặn cơ cấu.

External stopper không chỉ giúp tăng độ chính xác vị trí cuối, mà còn làm cơ cấu dễ điều chỉnh hơn khi lắp ráp thực tế.

11. Khi nào nên chuyển sang xy lanh điện?

Nếu yêu cầu của cơ cấu là đồng bộ chính xác, dừng nhiều vị trí, thay đổi vị trí theo recipe, kiểm soát tốc độ mềm hoặc cần độ lặp lại cao, nên xem xét chuyển sang xy lanh điện.

Xy lanh điện dùng servo motor hoặc stepper motor để điều khiển chuyển động. Vì vậy, vị trí, tốc độ và gia tốc có thể được điều khiển bằng tham số số.

Nếu dùng bộ điều khiển nhiều trục, hai trục có thể được đồng bộ tốt hơn rất nhiều so với khí nén.

Ưu điểm của xy lanh điện:

Điều khiển được vị trí.
Điều khiển được tốc độ.
Điều khiển được gia tốc.
Có thể dừng ở nhiều vị trí.
Dễ thay đổi theo recipe.
Có dữ liệu vị trí để giám sát.
Ít phụ thuộc vào áp suất khí.
Giảm thời gian chỉnh máy.
Phù hợp với cơ cấu yêu cầu độ ổn định cao.

Nhược điểm là chi phí ban đầu cao hơn, cần cấp điện, cần controller, và phải chú ý môi trường sử dụng như bụi, nước, nhiệt hoặc nhiễu điện.

Tuy nhiên, không nên chỉ so sánh giá linh kiện ban đầu.

Với khí nén, chi phí ban đầu có thể rẻ. Nhưng nếu máy cần chỉnh nhiều, hay lệch, hay kẹt, tốn thời gian bảo trì, tiêu hao khí nén lớn hoặc ảnh hưởng sản xuất, tổng chi phí thực tế có thể cao hơn rất nhiều.

Tiêu chí đánh giá	Xy lanh khí nén	Xy lanh hydro-air	Xy lanh điện
Độ chính xác đồng bộ	Khoảng ±2.0 mm, không ổn định	Khoảng ±0.5 ～ ±1.0 mm	Có thể dưới ±0.01 mm
Độ cứng truyền động	Thấp, do không khí có tính đàn hồi	Trung bình	Cao
Khả năng chịu môi trường	Tốt với nhiệt, nước, môi trường phòng nổ	Cần chú ý rò dầu	Cần bảo vệ linh kiện điện
Độ khó khi điều chỉnh	Cao, thường phải chỉnh thực tế	Trung bình	Thấp, chỉnh bằng tham số
Dừng nhiều vị trí	Không phù hợp	Hạn chế	Phù hợp
Chi phí ban đầu	Thấp	Trung bình	Cao
Chi phí dài hạn	Có thể tăng do chỉnh máy và rò khí	Trung bình	Tốt nếu cần độ ổn định cao

Nguồn tham khảo: IAI Corporation https://www.iai-robot.co.jp/download/catalog/pdf/RC-SOUGOU/CJ0159-4A-1/RC_2010-10_SHIRYOU(CJ0159-4A-1).pdf

Nếu chỉ cần chuyển động đơn giản giữa hai điểm, xy lanh khí nén vẫn là giải pháp tốt.

Nhưng nếu cần kiểm soát chính xác, cần đồng bộ chắc chắn, hoặc máy chạy sản xuất ổn định trong thời gian dài, xy lanh điện là phương án nên được cân nhắc ngay từ đầu.

12. Cách chọn phương án thiết kế cho cơ cấu 2 trục

Khi gặp một cơ cấu cần đẩy, nâng hoặc kéo ở hai điểm, không nên lập tức đặt 2 xy lanh vào hai bên.

Nên suy nghĩ theo thứ tự sau.

Bước 1: Có thể dùng một nguồn truyền động không?

Nếu có thể dùng một xy lanh, một motor, một trục chính rồi chia lực bằng cơ cấu link, trục, cam hoặc tay đòn, đây thường là hướng tốt hơn.

Một nguồn truyền động giúp loại bỏ vấn đề đồng bộ ngay từ gốc.

Bước 2: Nếu cần hai điểm truyền lực, có thể khóa bằng cơ khí không?

Nếu bắt buộc phải truyền lực ở hai bên, hãy xem có thể dùng rack & pinion, timing belt, trục liên kết hoặc parallel link không.

Nếu hai bên được khóa bằng cơ khí, độ ổn định sẽ cao hơn nhiều so với việc chỉ chỉnh khí.

Bước 3: Nếu vẫn dùng 2 xy lanh độc lập, sai lệch có được phép không?

Nếu hai bên lệch vài mm mà cơ cấu vẫn an toàn, có thể dùng 2 xy lanh khí nén.

Nhưng cần có:

Guide đủ cứng.
Floating joint.
Tải phân bố đều.
Meter-out.
Đường ống khí cân bằng.
Sensor kiểm tra hai bên.
External stopper nếu cần vị trí cuối chính xác.
Logic báo lỗi khi hai bên lệch thời gian.
Cơ cấu chống rơi nếu là nâng hạ.

Nếu thiếu các điều kiện này, thiết kế rất dễ gặp lỗi khi đưa vào thực tế.

Bước 4: Nếu cần chính xác, nên dùng xy lanh điện hoặc servo

Nếu yêu cầu là đồng bộ chính xác, dừng nhiều vị trí, thay đổi theo recipe hoặc cần dữ liệu vị trí, nên chuyển sang truyền động điện.

Không nên cố ép xy lanh khí nén làm việc như servo.

13. Những lỗi thiết kế thường gặp

Dưới đây là các lỗi rất hay gặp khi thiết kế cơ cấu 2 xy lanh khí nén.

Lỗi 1: Hai xy lanh bắt cứng trực tiếp vào một plate lớn

Khi hai xy lanh không chạy đều, plate bị vặn. Nếu không có floating joint hoặc guide đủ cứng, ty xy lanh sẽ chịu lực ngang.

Lỗi 2: Không tính trọng tâm tải

Bố trí xy lanh đối xứng trên bản vẽ nhưng tải thực tế lại lệch. Một bên chịu tải lớn hơn, chạy chậm hơn, gây nghiêng.

Lỗi 3: Không dùng external stopper

Để hai xy lanh tự dừng bằng stroke riêng. Sai số hành trình làm plate bị ép ở cuối hành trình.

Lỗi 4: Chỉ chỉnh speed controller để đồng bộ

Ban đầu có thể chỉnh được, nhưng sau khi điều kiện thay đổi, hai bên lại lệch. Đây là cách xử lý không ổn định.

Lỗi 5: Xy lanh kiêm luôn nhiệm vụ dẫn hướng

Không có linear guide hoặc guide shaft đủ cứng. Khi có moment, toàn bộ lực ngang đi vào ty xy lanh.

Lỗi 6: Không có logic phát hiện lệch

Một bên kẹt nhưng bên còn lại vẫn tiếp tục đẩy. Đây là lỗi có thể phá cơ cấu rất nhanh.

Lỗi 7: Chọn xy lanh vừa đủ lực

Tỷ lệ tải quá cao làm hệ thống nhạy với ma sát, dao động áp suất và tải lệch. Với 2 trục cần đồng bộ, nên có dư lực hợp lý.

Kết luận: Thiết kế đồng bộ 2 xy lanh khí nén cần nhìn từ cả khí nén và cơ khí

Dùng 2 xy lanh khí nén để đồng bộ 2 trục là phương án có thể sử dụng trong một số trường hợp, nhưng không nên xem là giải pháp mặc định.

Không khí có tính nén, xy lanh có ma sát, đường ống có độ trễ, tải thực tế có thể lệch, và hành trình từng xy lanh cũng có dung sai. Tất cả những yếu tố này làm cho hai xy lanh rất khó chạy hoàn toàn giống nhau.

Nếu cơ cấu chỉ cần chuyển động đơn giản và cho phép sai lệch nhỏ, có thể dùng 2 xy lanh khí nén. Nhưng cần thiết kế đầy đủ guide, floating joint, meter-out, đường ống cân bằng, external stopper và cảm biến kiểm tra hai bên.

Nếu hai bên bắt buộc phải đi cùng vị trí, nên dùng cơ cấu khóa đồng bộ bằng cơ khí như rack & pinion, trục liên kết, timing belt hoặc cơ cấu link.

Nếu cần độ chính xác cao, dừng nhiều vị trí, thay đổi theo recipe hoặc cần kiểm soát chuyển động mềm, nên cân nhắc xy lanh điện hoặc servo actuator.

Các điểm quan trọng cần nhớ

Về nguyên nhân gây lệch

Không khí có tính nén, nên gần như không thể làm 2 xy lanh khởi động hoàn toàn cùng lúc như trục servo.
Sự khác nhau về ma sát của seal và packing có thể gây hiện tượng stick-slip, làm một xy lanh bắt đầu chạy trước xy lanh còn lại.
Dung sai hành trình của từng xy lanh có thể tạo ra sai lệch vị trí cuối, dù hai xy lanh cùng model và cùng stroke danh nghĩa.
Tải trọng lệch và trọng tâm workpiece không cân bằng có thể làm một bên xy lanh chịu tải lớn hơn và chạy chậm hơn.

Về thiết kế khí nén

Với cơ cấu cần đồng bộ, tỷ lệ tải không nên chọn quá sát. Nên giữ khoảng 0.3 đến 0.5 để có dư lực và giảm ảnh hưởng của tải lệch.
Meter-out giúp tiết lưu khí xả, tạo back pressure và làm chuyển động ổn định hơn, nhưng không phải là giải pháp đồng bộ tuyệt đối.
Đường ống khí hai bên nên được thiết kế cùng chiều dài, cùng đường kính, cùng loại fitting để giảm sai lệch thời gian tăng áp.
Không nên phụ thuộc hoàn toàn vào việc chỉnh speed controller để đồng bộ hai xy lanh, vì điều kiện thực tế sẽ thay đổi theo thời gian.

Về thiết kế cơ khí

Nếu cần đồng bộ vị trí chắc chắn, nên dùng ràng buộc cơ khí như rack & pinion, timing belt, trục liên kết hoặc cơ cấu link.
Thiết kế lý tưởng trong nhiều trường hợp là dùng một nguồn truyền động duy nhất, sau đó chia lực sang hai bên bằng cơ cấu cơ khí.
Guide phải đủ cứng để chịu moment và lực ngang, không được để xy lanh kiêm luôn vai trò dẫn hướng.
Floating joint nên được dùng để hấp thụ sai lệch lắp ráp và tránh lực ngang có hại tác động lên ty xy lanh.
External stopper nên được dùng để tạo vị trí dừng chung, thay vì để mỗi xy lanh tự dừng bằng stopper bên trong.

Về an toàn và lựa chọn actuator

Cần có cảm biến và logic PLC để phát hiện trường hợp một bên tới vị trí trước, một bên chưa tới hoặc bị kẹt.
Với cơ cấu nâng hạ, cần xem xét thêm rủi ro mất khí, mất điện, dừng khẩn cấp và cơ cấu chống rơi nếu có nguy cơ rơi tải.
Nếu yêu cầu độ chính xác dưới mức mm, dừng nhiều vị trí hoặc đồng bộ theo profile chuyển động, nên chuyển sang xy lanh điện hoặc servo actuator.
Khi so sánh phương án, không nên chỉ nhìn chi phí ban đầu. Cần tính cả thời gian chỉnh máy, rủi ro kẹt cơ cấu, bảo trì, rò khí và độ ổn định sản xuất.

Điểm quan trọng nhất khi thiết kế không phải chỉ là:

Hai xy lanh này có đủ lực không?

Mà phải hỏi sâu hơn:

Nếu hai bên chạy lệch nhau, cơ cấu có còn an toàn không?

Đây mới là cách nhìn đúng khi thiết kế cơ cấu 2 trục trong máy tự động FA.

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA