Thiết kế máy #12: Cách dùng xy lanh khí nén trong thiết kế máy – Những điểm dễ bị bỏ qua

Trong máy tự động, xy lanh khí nén là một trong những cơ cấu được dùng nhiều nhất.

Đẩy phôi ra. Kéo cụm cơ khí về. Chặn sản phẩm. Nâng hạ nhẹ. Kẹp tạm. Mở đóng cửa che. Ép nhẹ một chi tiết vào vị trí.

Những chuyển động như vậy nhìn qua thì đơn giản. Chọn đường kính xy lanh, chọn hành trình, gắn van điện từ, chỉnh speed controller, thêm sensor hành trình là máy có thể chạy được.

Nhưng khi đi vào thiết kế thật, xy lanh khí nén có khá nhiều điểm cần để ý.

Có những lỗi ban đầu không thấy ngay. Máy chạy thử vẫn được. Nhưng sau vài tháng, khi áp khí trong nhà máy không ổn định, giảm chấn bắt đầu yếu, rod bị tải ngang, ống khí dài hơn dự kiến, hoặc người vận hành chỉnh speed controller khác đi… thì lỗi mới xuất hiện.

Bài này ghi lại những điểm cơ bản khi dùng xy lanh khí nén trong thiết kế máy.

Không phải để làm phức tạp vấn đề. Mà để tránh những lỗi rất hay gặp khi thiết kế cơ cấu khí nén.

Nếu đang phân vân giữa khí nén và điện, có thể đọc thêm bài này: Thay xy lanh khí nén bằng xy lanh điện – những điểm cần kiểm tra trước khi chọn.

1. Đừng chọn lực đẩy theo áp suất quá đẹp

Khi chọn xy lanh khí nén, nhiều người sẽ nhìn áp suất khí trong nhà máy rồi tính lực đẩy.

Công thức cơ bản là:

Lực = áp suất × diện tích piston

Nếu nhà máy đang dùng khí khoảng 0.5 đến 0.7 MPa thì nhìn catalog sẽ thấy lực đẩy khá ổn.

Nhưng thiết kế máy không nên chỉ nhìn lúc điều kiện đẹp.

Trong nhà máy thực tế, áp khí có thể tụt xuống vì nhiều lý do:

Nhiều line chạy cùng lúc
Có rò khí ở đâu đó
Công nhân dùng thêm air blow
Đường ống cấp khí dài
Bộ lọc hoặc van bị nghẹt
Máy nén khí không còn ổn định như ban đầu

Vì vậy khi thiết kế cơ cấu quan trọng, không nên chọn sát lực theo 0.5 hoặc 0.6 MPa.

Một cách an toàn hơn là kiểm tra xem ở khoảng 0.3 MPa cơ cấu còn đủ lực hay không.

Không phải lúc nào cũng bắt buộc thiết kế ở 0.3 MPa, nhưng ít nhất nên kiểm tra. Nếu ở áp thấp một chút mà cơ cấu đã không chạy nổi, sau này khả năng lỗi hiện trường sẽ cao.

Điểm này rất thực tế.

Máy mới lắp trong xưởng thử có thể chạy tốt. Nhưng khi đưa vào nhà máy khách hàng, hệ thống khí khác, đường ống khác, cách dùng khí khác, kết quả có thể khác.

2. Lực đẩy ra và lực kéo về không giống nhau

Một điểm dễ bị quên là lực phía đẩy ra và lực phía kéo về của xy lanh không giống nhau.

Lý do là phía có cần piston sẽ bị mất một phần diện tích do rod chiếm chỗ.

Nói đơn giản:

Phía đẩy ra thường có diện tích tác dụng lớn hơn
Phía kéo về thường có diện tích tác dụng nhỏ hơn

Vì vậy cùng một áp suất, lực đẩy ra và lực kéo về có thể khác nhau.

Nếu cơ cấu chỉ đẩy nhẹ thì không sao. Nhưng nếu dùng xy lanh cho cả hai chiều đều có tải, hoặc chiều kéo về cũng cần lực lớn, phải kiểm tra lực ở cả hai phía.

Không nên chỉ nhìn một con số lực trong catalog rồi nghĩ hai chiều đều như nhau.

Ngoài ra, cùng đường kính xy lanh và cùng áp suất, lực thực tế giữa các hãng cũng có thể hơi khác do cấu tạo, ma sát, hiệu suất và cách ghi catalog. Khi thiết kế máy sản xuất thật, tốt nhất nên dùng dữ liệu catalog của đúng hãng đang chọn.

3. Khi dùng để ép hoặc đẩy chạm, không nên dùng hết hành trình

Nếu dùng xy lanh khí nén cho thao tác đẩy chạm, ép nhẹ hoặc đẩy chi tiết vào vị trí, không nên dùng hết toàn bộ hành trình của xy lanh.

Ví dụ cần đẩy khoảng 100 mm.

Nếu chọn xy lanh 100 stroke rồi dùng hết đúng 100 mm, khi tới cuối hành trình, phần cơ khí bên trong xy lanh có thể trở thành điểm chặn. Lúc đó xy lanh không còn vùng dư để tiếp tục tạo lực theo cách mình mong muốn.

Thiết kế nên để dư hành trình.

Ví dụ:

Cần đẩy thực tế 100 mm
Không nên chọn 100 stroke và dùng hết
Nên chọn 125 stroke hoặc hành trình lớn hơn một chút
Dùng khoảng 100 mm, còn lại để dư cho cơ cấu ép / sai số / điều chỉnh

Một kinh nghiệm dễ nhớ là khi dùng xy lanh cho thao tác đẩy chạm, nên để dư khoảng vài mm, thường khoảng 5 mm trở lên tùy cơ cấu.

Không phải con số 5 mm dùng cho mọi trường hợp, nhưng tư duy là đúng: đừng để xy lanh chết cứng ở cuối hành trình nếu vẫn cần lực làm việc.

4. Hành trình quá nhỏ thì sensor cũng có thể gây vấn đề

Xy lanh khí nén thường dùng sensor gắn trên thân để xác nhận vị trí ra / vào.

Với hành trình đủ dài thì không vấn đề gì lớn.

Nhưng nếu chuyển động quá nhỏ, ví dụ chỉ vài mm, có trường hợp sensor vẫn đang trong vùng ON, hoặc không tách được rõ trạng thái trước và sau khi chạy.

Điều này hay gặp ở:

Xy lanh hành trình ngắn
Cơ cấu kẹp bằng air chuck
Cơ cấu chỉ nhích nhẹ để định vị
Cơ cấu có sai số lắp ráp làm sensor khó chỉnh
Vị trí sensor quá gần nhau

Khi đó, PLC có thể không đọc được trạng thái rõ ràng. Máy tưởng là đã chạy, hoặc tưởng là chưa chạy, trong khi cơ cấu thật chỉ di chuyển rất ít.

Vì vậy khi thiết kế, không chỉ xem “xy lanh có đi được hành trình đó không”, mà còn phải xem sensor có xác nhận được chuyển động đó một cách ổn định không.

Nếu hành trình quá nhỏ, đôi khi nên dùng cảm biến ngoài, stopper riêng, hoặc đổi cách xác nhận vị trí.

5. Giảm chấn: đừng nghĩ có cushion là xong

Xy lanh khí nén khi chạy nhanh hoặc mang tải sẽ có va đập ở cuối hành trình.

Cách xử lý thường có vài kiểu:

Dùng stopper cơ khí bên ngoài
Dùng stopper cơ khí kết hợp shock absorber
Dùng stopper option của xy lanh
Dùng cushion bên trong xy lanh như rubber cushion hoặc air cushion

Nhưng cần hiểu rõ một điểm.

Nếu cơ cấu không dùng hết hành trình xy lanh, hoặc điểm dừng nằm ở stopper bên ngoài, thì cushion bên trong xy lanh chưa chắc đã phát huy tác dụng.

Nhiều cơ cấu thực tế dừng bằng stopper riêng. Khi đó shock absorber bên ngoài mới là phần chịu va đập chính.

Và shock absorber cũng có tuổi thọ.

Nó không phải món gắn vào rồi quên luôn.

Khi chọn shock absorber, cần xem:

Khối lượng tải
Tốc độ va chạm
Năng lượng hấp thụ
Tần suất va chạm
Nhiệt độ môi trường
Hướng lắp
Dầu, bụi, nước, mạt kim loại
Tuổi thọ dự kiến
Khả năng thay thế khi bảo trì

Có những cơ cấu lúc chạy thử rất êm, nhưng sau một thời gian shock absorber yếu đi, máy bắt đầu va đập mạnh, gây lệch vị trí, lỏng bulong hoặc nứt chi tiết nhựa.

Đây là lỗi khá khó chịu vì ban đầu thiết kế nhìn vẫn đúng.

6. Tải ngang là nguyên nhân làm hỏng xy lanh rất nhiều

Xy lanh khí nén không thích chịu tải ngang.

Nhiệm vụ chính của nó là đẩy / kéo theo trục của rod. Nếu rod bị lực ngang tác động nhiều, lâu ngày sẽ dễ sinh vấn đề.

Một số lỗi có thể gặp:

Rod bị cong
Seal nhanh mòn
Xy lanh bị rò khí
Chuyển động bị nặng
Cơ cấu bị kẹt
Rod bị xước
Trường hợp xấu có thể bị buckling

Đặc biệt với xy lanh hành trình dài, rủi ro tải ngang càng lớn.

Nếu đầu rod kéo một cụm cơ khí có guide không tốt, hoặc workpiece tác dụng lực lệch tâm, rod rất dễ bị ép ngang.

Khi có tải ngang, không nên bắt xy lanh tự chịu một mình.

Nên dùng:

Linear guide
Guide shaft
Xy lanh có guide
Slide table
Cơ cấu dẫn hướng riêng
Floating joint nếu cần bù lệch nhỏ

Một nguyên tắc đơn giản:

Xy lanh tạo lực. Guide chịu tải ngang.

Đừng bắt rod của xy lanh làm luôn nhiệm vụ dẫn hướng chính, nhất là với hành trình dài hoặc tải lệch.

7. Cẩn thận với single-acting cylinder và xy lanh 2 đoạn hành trình

Tùy ứng dụng, xy lanh một chiều lò xo hồi vẫn có chỗ dùng. Nhưng trong máy tự động sản xuất liên tục, nếu không có lý do rõ ràng, tôi thường không ưu tiên loại này.

Lý do là lực hồi phụ thuộc vào lò xo. Sau thời gian dài, trạng thái hồi có thể không còn ổn định như ban đầu. Ngoài ra, khi có bụi, ma sát tăng hoặc cơ cấu bị nặng hơn, chuyển động hồi dễ sinh lỗi.

Với xy lanh 2 đoạn hành trình cũng vậy.

Nghe thì tiện, nhưng khi đưa vào thiết kế máy, đôi khi lại làm cơ cấu khó hiểu hơn, khó mua hơn, thời gian giao hàng dài hơn và bảo trì khó hơn.

Nếu thật sự cần 2 vị trí trung gian, nhiều trường hợp dùng 2 xy lanh riêng hoặc chuyển sang actuator điện sẽ dễ kiểm soát hơn.

Không phải xy lanh 2 đoạn là không dùng được. Nhưng không nên chọn chỉ vì “nhìn có vẻ gọn”.

Phải xem cả thời gian mua hàng, phụ tùng thay thế và khả năng người bảo trì hiểu cơ cấu đó sau vài năm.

8. Cơ cấu trượt bị kẹt có thể làm xy lanh chạy rất nguy hiểm

Một lỗi thực tế khá nguy hiểm là cơ cấu trượt bị kẹt nhẹ.

Khi xy lanh đang chạy mà phần trượt bị mắc, áp suất trong buồng xy lanh có thể tăng lên. Khi điểm kẹt bất ngờ thoát ra, cơ cấu có thể phóng đi rất nhanh và va đập mạnh.

Nói đơn giản là nó bị “nín lực” rồi bật ra.

Điều này không tốt cho cả người và máy.

Nguyên nhân có thể đến từ:

Guide lắp lệch
Bề mặt trượt bị bẩn
Có mạt kim loại
Cụm cơ khí bị siết quá chặt
Tải lệch tâm
Không có floating joint
Sai số lắp ráp làm rod bị ép ngang
Thiếu bôi trơn
Phôi kẹt vào vùng chạy

Với cơ cấu khí nén, không nên chỉ nhìn lực xy lanh đủ hay không. Phải xem đường trượt có mượt không.

Khi chạy thử bằng tay, nên cảm nhận cơ cấu trước khi cấp khí. Nếu kéo tay đã nặng, cấp khí vào sẽ không tự nhiên trở thành cơ cấu tốt.

9. Xy lanh nâng hạ cần kiểm tra cả chiều lên và chiều xuống

Khi dùng xy lanh khí nén cho cơ cấu nâng hạ, nhiều người chỉ xem lực nâng có đủ không.

Nhưng chiều xuống cũng quan trọng.

Với tải đứng, chiều xuống có thể bị trọng lực kéo theo. Nếu chỉ chỉnh bằng speed controller, đôi khi rất khó để làm chuyển động xuống vừa nhanh, vừa êm, vừa ổn định.

Một số điểm cần xem:

Tải nặng bao nhiêu?
Khi mất khí tải có rơi không?
Chiều xuống có bị rơi tự do không?
Speed controller có chỉnh ổn định không?
Có cần counterbalance không?
Có cần lock cylinder không?
Có cần van giữ tải không?
Có cần stopper cơ khí không?
Có nguy cơ kẹp tay hoặc rơi sản phẩm không?

Đặc biệt, nếu muốn cấp áp thấp cho chiều xuống để chuyển động êm hơn, phần điều chỉnh sẽ không đơn giản. Khí nén không phải lúc nào cũng dễ kiểm soát mượt trong chuyển động đứng.

Với trục đứng có rủi ro rơi tải, nên xem thêm bài: Thiết kế chống rơi cho xy lanh khí nén trục đứng.

10. Cơ cấu có người thao tác phải nghĩ tới an toàn trước

Nếu xy lanh chạy trong khu vực có người thao tác, không thể chỉ nghĩ “nhấn nút là chạy”.

Đặc biệt với các máy bán tự động, jig thao tác tay hoặc cơ cấu ép đơn giản, người vận hành có thể đưa tay vào vùng nguy hiểm.

Nếu chỉ dùng một nút nhấn một tay để kích hoạt xy lanh, rủi ro kẹp tay là rất lớn.

Tùy mức độ nguy hiểm, cần cân nhắc:

Nút nhấn hai tay
Cửa che an toàn
Area sensor
Light curtain
Interlock
Guard cover
Van xả áp khi mở cửa
Tốc độ an toàn khi setup
Chế độ manual riêng cho bảo trì

Đây là phần thiết kế nhiều người mới dễ xem nhẹ.

Máy chạy được chưa đủ. Máy phải chạy trong điều kiện người dùng thật mà vẫn an toàn.

Nếu người vận hành phải đặt sản phẩm bằng tay rồi nhấn nút cho xy lanh ép xuống, thì ít nhất phải xem lại nguy cơ kẹp tay, vùng nguy hiểm và cách ngăn máy chạy khi tay còn ở trong vùng đó.

11. Treo vật nặng bằng xy lanh khí nén thì phải nghĩ tới mất khí

Khi dùng xy lanh khí nén để nâng hạ cụm nặng, cần nghĩ tới trường hợp xấu: mất khí, tụt áp, mất điện, van lỗi hoặc ống khí bị tuột.

Nếu tải đang treo mà áp suất giảm, lực giữ có thể không còn đủ. Khi đó cụm cơ khí hoặc workpiece có thể rơi xuống.

Đây không chỉ là lỗi máy. Đây là vấn đề an toàn.

Một số cách xử lý thường gặp:

Dùng lock cylinder
Dùng cơ cấu stopper cơ khí
Dùng van giữ tải
Dùng perfect block hoặc van chống tụt phù hợp
Dùng lò xo kéo phụ để giảm nguy cơ rơi
Dùng đối trọng nếu cơ cấu phù hợp
Thiết kế vị trí home an toàn
Không để tải treo tự do trên đầu người thao tác

Điểm quan trọng là phải thiết kế theo giả định: nếu mất khí thì chuyện gì xảy ra?

Nếu câu trả lời là “cụm sẽ rơi xuống”, thì cơ cấu đó chưa ổn.

12. Đừng dùng 2 xy lanh khí nén để đồng bộ nếu cần chuyển động chính xác

Có những cơ cấu nhìn qua rất dễ thiết kế bằng 2 xy lanh khí nén chạy song song.

Ví dụ nâng một plate dài bằng 2 xy lanh hai bên.

Nhưng thực tế, hai xy lanh khí nén không thể đảm bảo đồng bộ chính xác.

Lý do là mỗi xy lanh có ma sát riêng, tải hai bên có thể khác nhau, chiều dài ống khí khác nhau, van khác nhau, speed controller chỉnh khác nhau, áp suất và lưu lượng cũng thay đổi theo thời điểm.

Dù lúc đầu chỉnh được tương đối giống nhau, sau một thời gian nó vẫn có thể lệch.

Nếu cơ cấu chỉ cần đẩy tương đối, không yêu cầu song song chính xác, có thể vẫn dùng được. Nhưng nếu cần nâng một mặt phẳng, ép đều, giữ song song, hoặc tránh kẹt guide, thì phải cẩn thận.

Các phương án tốt hơn có thể là:

Một xy lanh kéo qua cơ cấu liên kết cơ khí
Dùng trục đồng bộ
Dùng rack & pinion
Dùng guide đủ cứng
Dùng actuator điện nếu cần điều khiển vị trí
Dùng cơ cấu cam hoặc linkage tùy mục đích

Riêng vấn đề này tôi đã tách thành một bài riêng: Đồng bộ 2 trục bằng xy lanh khí nén – vì sao nên cẩn thận?.

13. Đường ống khí và cụm điều áp cũng ảnh hưởng rất nhiều

Một cơ cấu khí nén chạy ổn hay không không chỉ phụ thuộc vào xy lanh.

Đường khí cũng rất quan trọng.

Khi thiết kế, nên để ý:

Có bộ lọc khí phù hợp không?
Có regulator cho từng cụm cần điều chỉnh không?
Có cần lubricator không?
Đường ống chính có đủ lớn không?
Ống cấp tới xy lanh có quá dài không?
Có bị đi từ ống nhỏ sang ống lớn rồi lại về ống nhỏ không?
Van đặt quá xa xy lanh không?
Có xả khí nhanh khi cần tốc độ cao không?
Có dễ kiểm tra áp suất tại cụm máy không?

Một nguyên tắc đơn giản là đường khí nên đi theo hướng hợp lý:

Ống chính lớn → nhánh nhỏ hơn → van / cụm khí → xy lanh

Nếu thiết kế đường khí kiểu chắp vá, lúc đầu có thể vẫn chạy. Nhưng khi máy chạy nhiều cơ cấu cùng lúc, tốc độ có thể không ổn định.

Với máy có nhiều cụm, nên chia nhóm khí rõ ràng. Mỗi nhóm quan trọng nên có air combination hoặc ít nhất là filter / regulator phù hợp để bảo trì dễ hơn.

14. Bảo trì: nên thiết kế sao cho người sau nhìn vào vẫn hiểu

Thiết kế khí nén không chỉ là chọn thiết bị và vẽ mạch.

Còn phải nghĩ tới người bảo trì sau này.

Một vài điểm nhỏ nhưng rất có ích:

Tập trung đồng hồ áp suất ở vị trí dễ nhìn
Ghi nhãn ống khí rõ ràng
Phân màu ống nếu cần
Ghi chú áp suất cài đặt
Dùng cùng hãng xy lanh / van nếu có thể
Chừa không gian thay sensor
Chừa không gian chỉnh speed controller
Chừa không gian thay shock absorber
Không để fitting ở vị trí quá khó tháo
Không để ống khí bị gập hoặc kéo căng khi cụm chuyển động

Nhiều máy không hỏng vì thiết kế nguyên lý sai, mà hỏng vì bảo trì quá khó.

Một speed controller đặt sâu trong máy, muốn chỉnh phải tháo cover, tháo dây, tháo jig… thì sau này rất dễ bị bỏ qua hoặc chỉnh sai.

Thiết kế tốt là người khác cũng có thể bảo trì được, không chỉ người thiết kế ban đầu mới hiểu.

15. Khi nào nên giữ khí nén, khi nào nên xem phương án khác?

Xy lanh khí nén vẫn rất tốt nếu cơ cấu:

Chỉ chạy 2 điểm
Không cần dừng nhiều vị trí
Không cần kiểm soát lực chính xác
Không cần lưu dữ liệu
Tải không quá nặng
Tốc độ không quá nhạy
Không có yêu cầu định vị cao
Bảo trì cần đơn giản
Chi phí cần thấp

Nhưng nên xem lại phương án nếu cơ cấu:

Cần nhiều vị trí
Cần đổi vị trí theo model
Cần kiểm soát lực ép
Cần ghi dữ liệu OK / NG
Cần đồng bộ nhiều trục
Có tải đứng nguy hiểm
Tải ngang lớn
Va đập cuối hành trình nhiều
Cần takt time rất ổn định
Thường xuyên phải chỉnh ngoài hiện trường

Không có câu trả lời cố định cho mọi máy.

Khí nén không xấu. Điện cũng không phải lúc nào cũng tốt hơn.

Quan trọng là cơ cấu đó đang làm nhiệm vụ gì, yêu cầu tới đâu và rủi ro sau khi chạy thực tế nằm ở chỗ nào.

Kết luận

Xy lanh khí nén là cơ cấu rất dễ dùng, nhưng không nên thiết kế theo kiểu quá đơn giản.

Khi dùng xy lanh khí nén, cần kiểm tra ít nhất các điểm sau:

Áp suất khí thực tế trong nhà máy
Lực đẩy ra và lực kéo về
Hệ số an toàn khi áp suất giảm
Hành trình dư khi dùng để ép / đẩy chạm
Sensor có xác nhận được hành trình nhỏ không
Va đập cuối hành trình và tuổi thọ shock absorber
Tải ngang tác dụng lên rod
Guide cho cơ cấu trượt
Rủi ro kẹt cơ cấu rồi bật ra đột ngột
Chuyển động đứng và nguy cơ rơi tải
An toàn khi người thao tác ở gần vùng chạy
Khả năng đồng bộ nếu dùng nhiều xy lanh
Đường ống khí, regulator, filter và vị trí bảo trì

Nếu các điểm này được xem kỹ từ đầu, xy lanh khí nén vẫn là một lựa chọn rất thực dụng trong thiết kế máy tự động.

Rẻ, dễ mua, dễ thay, dễ hiểu.

Nhưng nếu bỏ qua tải ngang, hành trình dư, chống rơi, giảm chấn, áp suất thực tế và an toàn thao tác, thì cơ cấu khí nén rất dễ trở thành nguồn lỗi sau khi máy đi vào vận hành.

Thiết kế máy không chỉ là làm cho cơ cấu chạy được trong lúc thử.

Thiết kế tốt là sau vài năm, khi máy chạy ở nhà máy thật, người vận hành thật, điều kiện khí thật và bảo trì thật, cơ cấu đó vẫn còn dễ hiểu, dễ chỉnh và đủ an toàn.

Bài liên quan

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA