Thiết kế máy #09: Chọn cơ cấu truyền động dùng motor – Không chỉ nhìn vào lực và tốc độ
Thiết kế máy #09: Chọn cơ cấu truyền động dùng motor – Đừng chỉ nhìn vào lực và tốc độ
Khi thiết kế một cơ cấu chạy bằng motor, nhiều khi mình không bắt đầu từ câu hỏi “dùng motor gì”, mà bắt đầu từ câu đơn giản hơn:
Cái này cần di chuyển cái gì?
Nghe hơi bình thường, nhưng thực tế đây là chỗ rất dễ chọn sai.
Cùng là một trục chạy ngang, nhưng kéo một cụm camera nhẹ vài kg sẽ khác hoàn toàn với kéo một cụm jig nặng vài chục kg. Cùng là hành trình 1 mét, nhưng nếu chỉ cần đưa sản phẩm từ A sang B thì khác, còn nếu cần dừng đúng vị trí để đo kiểm thì lại là câu chuyện khác.
Vì vậy khi chọn giữa vít me bi, timing belt, rack & pinion hay chain, tôi nghĩ không nên nhìn riêng lực và tốc độ. Phải nhìn cả hành trình, độ chính xác, độ lệch tâm, môi trường, bảo trì và cả chuyện khi máy lỗi thì cơ cấu đó sẽ dừng lại như thế nào.
Nhiều cơ cấu trên bản vẽ nhìn rất ổn. Nhưng khi lắp lên máy thật, chạy một thời gian mới thấy tiếng ồn, rung, giãn belt, rơ răng, thiếu che chắn, hoặc tải lệch làm guide nhanh xuống cấp.
Bài này tôi ghi lại theo góc nhìn thực tế khi chọn cơ cấu truyền động dùng motor trong máy tự động.
Trước khi chọn cơ cấu, nên hỏi vài câu trước
Trong thiết kế máy, nếu ngay từ đầu đã nghĩ “chỗ này dùng actuator là được” hoặc “chỗ này cứ vít me bi cho chắc” thì hơi nguy hiểm.
Không phải vì những lựa chọn đó sai, mà vì mình đang chọn linh kiện trước khi hiểu rõ bài toán.
Trước khi chọn cơ cấu truyền động, tôi thường muốn làm rõ mấy điểm sau:
- Tải cần di chuyển nặng bao nhiêu?
- Hành trình bao nhiêu?
- Muốn đi hết hành trình trong bao lâu?
- Có cần dừng chính xác không?
- Có lặp lại vị trí nhiều lần không?
- Tải có bị lệch tâm không?
- Trục đặt ngang hay đặt đứng?
- Môi trường sạch hay có bụi, dầu, nhiệt, nước?
- Có yêu cầu ít ồn không?
- Khi mất điện hoặc lỗi điều khiển thì có nguy hiểm không?
- Sau này bảo trì, thay thế, chỉnh lại có dễ không?
Chỉ cần thay đổi một vài điều kiện trong này, phương án truyền động có thể đổi hoàn toàn.
Ví dụ cùng là kéo một vật đi 1 mét. Nếu vật nhẹ, môi trường sạch, cần chạy nhanh, timing belt có thể rất hợp. Nhưng nếu vật nặng, môi trường nhiều bụi, không cần chính xác cao, rack & pinion hoặc chain lại thực tế hơn.
Thiết kế máy không phải là chọn cơ cấu “xịn nhất”. Thiết kế máy là chọn cơ cấu phù hợp nhất với điều kiện thật của máy.
Vít me bi – Rất mạnh về độ chính xác, nhưng không phải lúc nào cũng nên dùng
Khi nói đến chuyển động thẳng có điều khiển vị trí, cơ cấu dễ nghĩ tới nhất là:
motor + vít me bi
Đây là cơ cấu rất quen thuộc trong máy tự động. Motor tạo chuyển động quay, vít me bi chuyển nó thành chuyển động thẳng.
Ưu điểm của vít me bi là hiệu suất cao, ma sát nhỏ, tạo được lực đẩy lớn và điều khiển vị trí tốt. Vì vậy nó hay được dùng cho các cơ cấu cần dừng chính xác, ví dụ như trục ép, trục nâng hạ nhỏ, cơ cấu căn chỉnh, cụm camera, cụm đo kiểm hoặc các trục chuyển động trong máy kiểm tra.
Nếu chọn đúng, lắp đúng và dùng đúng tải, vít me bi chạy rất ổn.
Nhưng điểm dễ bị hiểu nhầm là: vít me bi không phải cứ đưa vào là thiết kế sẽ chắc chắn hơn.
Khi nào vít me bi hợp?
Vít me bi thường hợp với các trường hợp như:
- Cần độ chính xác vị trí tương đối tốt
- Hành trình không quá dài
- Tải không quá lệch tâm
- Cần lực đẩy lớn
- Tốc độ không quá cao
- Cần chuyển động ổn định
- Không gian máy cho phép bố trí vít me, gối đỡ, coupling, motor
Trong máy tự động, nếu là cơ cấu ép nhẹ, căn chỉnh vị trí, nâng hạ tải vừa phải, hoặc trục chạy để đưa cụm đo tới vị trí cố định thì vít me bi là lựa chọn rất mạnh.
Nhưng vít me bi cũng có giới hạn
Vấn đề đầu tiên là tốc độ.
Vít me bi biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Nếu muốn chạy nhanh, motor phải quay nhanh. Nếu vít me có lead nhỏ để lấy lực lớn hoặc lấy độ phân giải tốt, motor càng phải quay nhanh hơn để đạt cùng tốc độ tuyến tính.
Đến một mức nào đó, motor không còn phù hợp nữa, hoặc bản thân vít me cũng bị giới hạn bởi tốc độ nguy hiểm, rung, cộng hưởng.
Vấn đề thứ hai là hành trình dài.
Hành trình càng dài thì vít me càng dài. Vít me dài thì dễ võng, khó căn đồng tâm, khó lắp chính xác, dễ rung khi quay nhanh, và chi phí cũng tăng. Lúc đó, cơ cấu nhìn trên CAD thì đơn giản, nhưng khi lắp thật sẽ thấy khó chịu.
Ngoài ra còn phải để ý backlash, preload, cấp chính xác, cách cố định hai đầu, bôi trơn, che bụi và tuổi thọ của nut.
Nói ngắn gọn, vít me bi rất tốt cho chuyển động chính xác và lực lớn. Nhưng nếu hành trình dài, tốc độ cao hoặc môi trường xấu thì chưa chắc là lựa chọn đẹp.
Rack & pinion – Đi xa tốt, kết cấu rõ, nhưng phải chấp nhận rơ và tiếng ồn
Rack & pinion là cơ cấu dùng bánh răng ăn khớp với thanh răng để tạo chuyển động thẳng.
Cơ cấu này nhìn rất dễ hiểu: bánh răng quay thì nó chạy trên thanh răng, hoặc thanh răng di chuyển tùy cách bố trí.
Ưu điểm lớn nhất của rack & pinion là dễ làm hành trình dài. Nếu cần chạy 2 mét, 3 mét hoặc hơn, rack & pinion thường thực tế hơn vít me bi. Thanh răng có thể nối dài, kết cấu cũng khá rõ ràng, dễ hình dung, dễ kiểm tra.
Trong các cơ cấu như gantry, bàn trượt dài, cơ cấu kéo tải lớn, thiết bị vận chuyển trong xưởng, rack & pinion là một phương án rất đáng cân nhắc.
Điểm mạnh của rack & pinion
Rack & pinion hợp khi:
- Hành trình dài
- Tải tương đối nặng
- Không yêu cầu độ chính xác quá cao
- Cần kết cấu khỏe
- Muốn cơ cấu dễ hiểu, dễ bảo trì
- Không gian máy cho phép bố trí thanh răng
Một điểm hay nữa là có thể chọn layout khá linh hoạt. Có thể cố định rack và cho motor di chuyển, hoặc cố định motor và cho rack di chuyển.
Nhưng nếu motor di chuyển theo trục, phải nghĩ thêm chuyện dây điện, dây encoder, dây power, ống khí, cable carrier và bảo vệ dây. Chỗ này trên bản vẽ nhiều khi bị xem nhẹ, nhưng ra máy thật thì lại rất phiền.
Điểm yếu của rack & pinion
Nhược điểm lớn nhất là backlash giữa răng và răng.
Nếu cơ cấu chỉ chạy một chiều hoặc dừng không cần quá chính xác, backlash có thể chấp nhận được. Nhưng nếu đảo chiều nhiều, hoặc cần dừng vị trí tốt, backlash sẽ hiện ra rất rõ.
Ngoài ra cần chú ý:
- Độ chính xác lắp đặt rack
- Độ song song giữa rack và rail
- Độ ăn khớp của bánh răng
- Bôi trơn
- Mài mòn răng
- Tiếng ồn
- Cover che bụi, che dầu mỡ
- Stopper cơ khí và sensor giới hạn hành trình
Rack & pinion chạy dài nên phải đặc biệt để ý overrun. Nếu sensor lỗi hoặc điều khiển sai, cơ cấu có thể chạy quá giới hạn. Vì vậy không nên chỉ tin vào software limit. Nên có sensor giới hạn và stopper cơ khí rõ ràng.
Rack & pinion là cơ cấu tốt, nhưng không phải cứ hành trình dài là dùng được ngay. Nếu chưa quen thiết kế, phần lắp đặt, bôi trơn và an toàn hành trình dễ bị thiếu.
Timing belt – Nhanh, êm, nhẹ, nhưng đừng bắt nó làm việc quá sức
Timing belt là cơ cấu rất hay gặp trong máy tự động hiện đại. Nhiều actuator hành trình dài bán sẵn cũng dùng belt bên trong.
Điểm mạnh của timing belt là nhẹ, chạy êm, ít ồn, không cần bôi trơn như chain hoặc rack, và dễ đạt tốc độ cao. Với các trục tải nhẹ hoặc trung bình, timing belt là lựa chọn khá đẹp.
Ví dụ các cơ cấu như trục camera, cơ cấu gắp nhẹ, trục XY tải nhỏ, cơ cấu phân loại sản phẩm, bàn trượt nhẹ… timing belt thường rất phù hợp.
Khi timing belt rất hợp
Timing belt hợp với các bài toán như:
- Tải nhẹ hoặc trung bình
- Hành trình tương đối dài
- Cần tốc độ cao
- Cần chuyển động êm
- Không muốn có dầu mỡ bôi trơn
- Không yêu cầu lực đẩy quá lớn
Một cụm belt actuator nếu chọn đúng có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian thiết kế. Không cần tự thiết kế pulley, tensioner, cover, rail, sensor quá nhiều. Nhà sản xuất đã chuẩn hóa sẵn khá tốt.
Nhưng dù là actuator mua sẵn, mình vẫn phải hiểu bên trong nó là belt. Mà belt thì vẫn có giới hạn của belt.
Cẩn thận với giãn belt, tải nặng và trục đứng
Timing belt có thể bị giãn, bị rung nếu hành trình dài, hoặc bị trượt răng nếu chọn sai. Với tải nặng và tăng tốc lớn, lực tác dụng lên belt không nhỏ.
Một lỗi cũng hay gặp là dùng belt cho trục đứng nhưng chưa nghĩ kỹ đến tình huống mất điện hoặc đứt belt. Nếu tải rơi xuống thì không chỉ hỏng máy, mà còn nguy hiểm cho người thao tác.
Với trục đứng, cần kiểm tra kỹ:
- Motor có phanh không?
- Khi mất điện tải có rơi không?
- Belt đứt thì cơ cấu dừng bằng gì?
- Có stopper hoặc cơ cấu chống rơi không?
- Sensor có phát hiện được bất thường không?
Timing belt rất tốt nếu dùng đúng chỗ. Nhưng nếu bắt nó kéo tải quá nặng, chịu va đập lớn, hoặc làm cơ cấu an toàn cho trục đứng mà không có bảo vệ phụ thì không ổn.
Chain – Khỏe và bền, nhưng ồn, bẩn và cần bảo trì
Chain drive là cơ cấu quen thuộc trong các hệ vận chuyển tải nặng. So với belt, chain chịu tải tốt hơn, bền hơn trong môi trường xấu hơn, và thường được dùng cho conveyor, cơ cấu kéo pallet, cơ cấu nâng hạ lớn hoặc thiết bị vận chuyển trong xưởng.
Ưu điểm của chain là khỏe. Nếu chỉ cần kéo tải nặng, chạy một chiều, không cần độ chính xác cao, chain là lựa chọn rất thực tế.
Nhưng chain cũng có cái giá của nó.
Chain thường ồn hơn, rung hơn, cần bôi trơn, có mài mòn, có độ rơ và cần bảo trì định kỳ. Nếu máy đặt trong môi trường sạch hoặc gần khu vực cần ít bụi dầu, dùng chain có thể không đẹp.
Khi nào chain hợp?
Chain hợp với các cơ cấu như:
- Vận chuyển tải nặng
- Conveyor
- Cơ cấu kéo sản phẩm hoặc pallet
- Môi trường có bụi, dầu, hoặc gần ngoài trời
- Chuyển động không cần quá chính xác
- Cần cơ cấu khỏe, dễ thay thế
Trong nhiều máy, chain không cần điều khiển vị trí phức tạp. Chỉ cần motor quay, chain kéo sản phẩm đi. Vì vậy nó hợp với các chuyển động dạng vận chuyển hơn là định vị chính xác.
Thiết kế chain không chỉ là chọn đúng tải
Khi thiết kế chain, không nên chỉ nhìn catalog rồi chọn chain theo tải kéo. Phần xung quanh chain cũng quan trọng không kém.
Cần để ý sprocket, guide, tensioner, cover, bôi trơn, mài mòn guide, độ chùng chain và cả an toàn khi chain đứt hoặc tuột.
Nhiều cơ cấu chain chạy được lúc đầu, nhưng sau một thời gian thì ồn, rung, chùng, mòn guide hoặc dầu mỡ bám lung tung. Nếu từ đầu không tính chuyện bảo trì thì sau này hiện trường sẽ rất vất vả.
Chain mạnh và thực tế, nhưng không phải lựa chọn hợp cho cơ cấu sạch, êm, chính xác hoặc muốn ít bảo trì.
Cam – Cơ khí rất hay, nhưng không linh hoạt
Cam là cơ cấu tạo chuyển động theo biên dạng đã thiết kế sẵn. Một vòng quay của cam có thể tạo ra một chu kỳ chuyển động nhất định.
Ngày nay, trong nhiều máy tự động, cam không còn phổ biến như trước vì servo, actuator và robot đã tiện hơn nhiều. Nhưng nói vậy không có nghĩa cam kém. Nếu dùng đúng chỗ, cam vẫn rất mạnh.
Cam có thể cho chuyển động nhanh, ổn định, lặp lại tốt và đồng bộ cơ khí rất đẹp. Với máy sản xuất số lượng lớn, model ít thay đổi, cam có thể là phương án rất hiệu quả.
Vấn đề là cam khó thiết kế, khó chế tạo hơn, và khi muốn thay đổi chuyển động thì không dễ. Một khi đã thiết kế cam và các cơ cấu liên động xung quanh, việc sửa đổi thường khá nặng.
Cam hợp với sản xuất ổn định, chu kỳ lặp lại, tốc độ cao. Cam không hợp lắm với máy thường xuyên đổi model, đổi hành trình, đổi sản phẩm.
Link mechanism – Hay, gọn, nhưng phải hiểu lực đi qua cơ cấu
Link mechanism là dạng cơ cấu mà người thích cơ khí thường rất thích. Chỉ cần vài thanh link, vài khớp quay là có thể tạo ra chuyển động khá thú vị: đẩy, kéo, lắc, nâng, gập, mở, kẹp…
Ưu điểm của link là có thể tạo chuyển động lặp lại bằng cơ khí, đôi khi rất gọn và không cần actuator riêng cho từng chuyển động. Trong một số máy, link giúp giảm số lượng motor hoặc xy lanh.
Nhưng link không dễ như nhìn trên mô phỏng.
Lực đi qua từng khớp, từng thanh link thay đổi theo góc. Có vị trí lực rất đẹp, nhưng cũng có vị trí cơ cấu gần như bị kẹt hoặc cần lực rất lớn. Ngoài ra còn phải tính tải hướng tâm, tải dọc trục, độ rơ khớp, bạc, bearing, bôi trơn và độ cứng của thanh link.
Một điểm khó nữa là điều chỉnh.
Nếu link đã liên động với nhiều cụm khác, khi muốn chỉnh một vị trí nhỏ có thể kéo theo rất nhiều thứ. Vì vậy khi thiết kế link, cần nghĩ trước chỗ nào sẽ điều chỉnh được, chỗ nào cố định, chỗ nào cần slot, chỗ nào cần stopper.
Link rất hay, nhưng nếu dùng không cẩn thận thì sau này chỉnh máy rất mệt.
Actuator mua sẵn – Tiện thật, nhưng không được dùng theo cảm giác
Hiện nay, trong thiết kế máy tự động, việc dùng actuator mua sẵn rất phổ biến. Ví dụ electric cylinder, robot cylinder, linear actuator, ball screw actuator, belt actuator…
Đây là xu hướng hợp lý. Thay vì tự thiết kế motor, coupling, vít me, rail, gối đỡ, cover, sensor… mình có thể mua một cụm đã chuẩn hóa. Việc này giúp giảm thời gian thiết kế, giảm lỗi lắp ráp và dễ bảo trì hơn.
Nhưng có một điểm cần nói rõ:
Actuator mua sẵn không thay thế được tư duy thiết kế cơ khí.
Bên trong actuator vẫn là vít me, belt, pulley, rail, bearing hoặc các cơ cấu tương tự. Nếu không hiểu bản chất của nó, rất dễ chọn sai.
Ví dụ, một actuator vít me có thể chịu lực dọc trục tốt, nhưng nếu tải đặt lệch tâm quá lớn thì moment tác dụng lên guide sẽ làm giảm tuổi thọ.
Một actuator belt có thể chạy nhanh và hành trình dài, nhưng không phù hợp nếu tải nặng, lực đẩy lớn hoặc cần độ cứng cao.
Một electric cylinder có thể rất tiện, nhưng nếu dùng cho trục đứng thì phải kiểm tra phanh, tải rơi, mất điện và cơ cấu an toàn.
Actuator giúp mình làm nhanh hơn, nhưng không có nghĩa là khỏi tính toán. Ít nhất vẫn phải kiểm tra tải, moment, tốc độ, hành trình, duty, độ chính xác, hướng lắp và tuổi thọ.
Ví dụ thực tế khi chọn cơ cấu
Giả sử cần di chuyển một khối thép khoảng 100 kg đi 2 mét trong khoảng 3 giây.
Nếu chỉ nhìn đơn giản, mình có thể nghĩ: dùng motor lớn hơn là được. Nhưng thực tế không đơn giản vậy.
Với tải 100 kg, hành trình 2 mét, thời gian 3 giây, cơ cấu cần tăng tốc, giảm tốc, chịu quán tính và chịu lực tương đối lớn. Nếu dùng vít me bi, hành trình dài và tốc độ có thể làm cơ cấu trở nên không đẹp. Lúc này rack & pinion hoặc chain có thể thực tế hơn, tùy yêu cầu độ chính xác và môi trường.
Nếu môi trường gần ngoài trời, có bụi, sản phẩm là thép, không cần dừng quá chính xác, chain hoặc rack & pinion đáng để cân nhắc.
Ngược lại, nếu chỉ di chuyển một cụm nhựa 1 kg đi 1 mét trong nhà, yêu cầu chạy êm, không tải nặng, thì timing belt actuator có thể rất hợp. Nếu cần dừng chính xác hơn, ball screw actuator cũng là ứng viên.
Cùng là “di chuyển 1 vật từ A sang B”, nhưng điều kiện khác nhau thì cơ cấu khác nhau.
Phần dễ bị quên: tải lệch tâm và moment
Trong catalog actuator, thông số tải cho phép nhìn rất dễ. Nhưng khi đưa vào máy thật, vấn đề thường không nằm ở tải thẳng đứng hay tải dọc trục đơn giản.
Vấn đề hay nằm ở moment do tải lệch tâm.
Ví dụ gắn một cụm jig lên actuator. Trọng lượng có thể không lớn, nhưng trọng tâm nằm lệch xa khỏi tâm guide. Khi chạy nhanh hoặc dừng đột ngột, moment tác dụng lên guide tăng lên. Nếu chỉ nhìn “tải nặng bao nhiêu kg” thì sẽ dễ chọn thiếu.
Đây là lỗi khá thực tế. Máy vẫn chạy, nhưng chạy một thời gian thì guide rơ, actuator phát tiếng lạ, độ chính xác giảm hoặc tuổi thọ ngắn hơn dự kiến.
Vì vậy khi chọn cơ cấu truyền động, không nên chỉ hỏi “nặng bao nhiêu kg”. Nên hỏi thêm:
- Trọng tâm nằm ở đâu?
- Tải có nhô ra xa không?
- Khi tăng tốc, moment tăng bao nhiêu?
- Có lực ngoài tác dụng vào không?
- Cơ cấu có bị kẹp, bị ép, bị va chạm không?
Nhiều khi chỉ cần đổi layout để trọng tâm gần guide hơn, cơ cấu đã khỏe hơn rất nhiều mà không cần tăng size actuator.
Đừng quên chuyện bảo trì
Một cơ cấu tốt trên bản vẽ nhưng khó bảo trì thì khi đưa vào sản xuất vẫn gây khó chịu.
Ví dụ, vị trí bơm mỡ quá khó tiếp cận. Sensor bị che, muốn chỉnh phải tháo cover. Belt muốn căng lại phải tháo nửa cụm máy. Chain có dầu mỡ nhưng không có khay hứng hoặc cover. Rack cần bôi trơn nhưng lại nằm ngay khu vực dễ bám bụi.
Những thứ này lúc thiết kế 3D có thể không thấy nghiêm trọng. Nhưng khi máy chạy mỗi ngày, nó trở thành vấn đề thật.
Tôi nghĩ khi chọn cơ cấu truyền động, nên nhìn luôn cả việc sau này ai sẽ bảo trì nó, bảo trì bằng cách nào, mất bao lâu, có cần tháo cụm khác không.
Thiết kế tốt không chỉ là chạy được. Thiết kế tốt là chạy ổn và người sau này bảo trì không bị khổ.
Không có cơ cấu nào luôn đúng
Nếu hỏi cơ cấu nào tốt nhất, câu trả lời thường là: còn tùy.
Vít me bi tốt cho độ chính xác và lực đẩy, nhưng không đẹp cho hành trình quá dài hoặc tốc độ quá cao.
Timing belt nhanh, êm, nhẹ, nhưng không hợp với tải quá nặng hoặc cơ cấu cần độ cứng cao.
Rack & pinion đi xa tốt, chịu tải khá, nhưng có backlash, tiếng ồn và cần chú ý bôi trơn.
Chain khỏe, bền, chịu môi trường xấu, nhưng ồn, bẩn và cần bảo trì.
Cam và link rất hay cho chuyển động lặp lại, nhưng không linh hoạt khi thay đổi sản phẩm.
Actuator mua sẵn rất tiện, nhưng vẫn phải hiểu cơ cấu bên trong và kiểm tra tải thực tế.
Cho nên khi chọn cơ cấu truyền động, không nên đi theo kiểu “cái này lúc nào cũng đúng”. Trong thiết kế máy, nhiều lúc phương án đúng nhất không phải là phương án xịn nhất, mà là phương án hợp với điều kiện sản xuất nhất.
Kết luận
Chọn cơ cấu truyền động dùng motor không phải chỉ là chọn motor, chọn vít me hay chọn actuator.
Nó là quá trình cân bằng giữa tải trọng, tốc độ, hành trình, độ chính xác, độ cứng, tuổi thọ, chi phí, không gian lắp đặt, môi trường sử dụng, bảo trì và an toàn.
Một cơ cấu chạy được trên CAD chưa chắc đã chạy ổn ngoài hiện trường. Một cơ cấu tính toán đủ lực chưa chắc đã dễ lắp. Một actuator catalog ghi chịu tải được chưa chắc đã sống lâu nếu tải bị lệch tâm.
Vì vậy, trước khi chọn cơ cấu, nên quay lại câu hỏi ban đầu:
Mình đang muốn di chuyển cái gì, trong điều kiện nào, và nếu máy lỗi thì chuyện gì sẽ xảy ra?
Trả lời được câu đó rõ ràng thì việc chọn giữa vít me bi, timing belt, rack & pinion, chain, cam, link hay actuator mua sẵn sẽ dễ hơn rất nhiều.
Trong thiết kế máy, biết nhiều loại cơ cấu là cần thiết. Nhưng quan trọng hơn là biết dùng đúng cơ cấu vào đúng chỗ.
Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA