Thiết kế máy #13: Mạch khí nén cơ bản – Nhìn tổng thể trước khi đọc từng ký hiệu
Trong thiết kế máy tự động, khí nén là một trong những hệ thống được dùng rất nhiều.
Một xy lanh đẩy sản phẩm. Một cơ cấu kẹp phôi. Một stopper chặn pallet. Một cơ cấu gạt NG ra ngoài.
Nhìn bên ngoài thì khá đơn giản, nhưng nếu đi vào bản vẽ thì sẽ thấy có nhiều phần nối tiếp nhau: máy nén khí, bình chứa, bộ xử lý khí, van điều khiển, van chỉnh tốc và xy lanh.
Bài này là phần mở đầu của series khí nén cơ bản. Mục tiêu không phải là đi sâu vào từng loại van hay từng công thức tính lực, mà là nắm được một hệ thống khí nén cơ bản gồm những gì và cách nhìn một sơ đồ mạch khí nén từ trái sang phải. 
1. Một hệ thống khí nén cơ bản gồm những phần nào?
Một hệ thống khí nén dùng trong máy tự động thường có thể chia thành 4 nhóm chính.
Nguồn tạo khí nén
→ Thiết bị xử lý khí
→ Thiết bị điều khiển
→ Thiết bị chấp hành
Trong đó:
- Nguồn tạo khí nén: máy nén khí, bình chứa khí.
- Thiết bị xử lý khí: bộ làm mát, bộ tách nước, máy sấy khí, bộ FRL.
- Thiết bị điều khiển: van điều khiển hướng, van điện từ, van chỉnh tốc.
- Thiết bị chấp hành: xy lanh khí nén hoặc cơ cấu dùng khí để tạo chuyển động.
Nói đơn giản, khí được tạo ra ở máy nén, được làm sạch và điều chỉnh áp suất, sau đó đi qua van điều khiển để làm xy lanh tiến hoặc lùi.
2. Dòng khí đi như thế nào?
Với một mạch cơ bản, dòng khí thường đi theo thứ tự sau.
Không khí ngoài trời
→ Máy nén khí
→ Bộ làm mát / tách nước
→ Bình chứa khí
→ Máy sấy khí
→ Bộ FRL
→ Van điều khiển hướng
→ Van chỉnh tốc
→ Xy lanh khí nén
→ Cơ cấu làm việc
Ở đây, phần cần chú ý là khí sau khi nén không nên đưa thẳng vào xy lanh.
Khí nén có thể chứa hơi nước, bụi, dầu hoặc tạp chất trong đường ống. Nếu không xử lý, về lâu dài có thể làm van bị kẹt, xy lanh chạy không ổn định hoặc làm giảm tuổi thọ thiết bị.
Vì vậy, trước khi khí đi đến van và xy lanh, thường cần đi qua các thiết bị xử lý khí.
3. FRL là gì?
Trong mạch khí nén, cụm FRL xuất hiện rất thường xuyên.
F = Filter = Bộ lọc
R = Regulator = Bộ điều áp
L = Lubricator = Bộ bôi trơn
Trong thực tế, không phải hệ thống nào cũng dùng đủ cả 3 phần. Nhiều thiết bị hiện nay không cần cấp dầu thêm, nên phần bôi trơn có thể không dùng.
Tuy vậy, bộ lọc và bộ điều áp gần như là phần rất quan trọng.
Bộ lọc giúp loại nước và tạp chất trong khí. Bộ điều áp giúp chỉnh áp suất cấp vào máy hoặc từng cụm cơ cấu.
Nếu áp suất quá thấp, xy lanh có thể không đủ lực. Nếu áp suất quá cao, cơ cấu có thể va đập mạnh, ồn hơn và nhanh mòn hơn.
4. Van điều khiển và van chỉnh tốc
Sau khi khí đã được xử lý và điều áp, khí sẽ đi đến van điều khiển.
Van điều khiển hướng có nhiệm vụ quyết định khí đi vào bên nào của xy lanh. Với xy lanh tác động kép, khi van đổi trạng thái, một bên xy lanh được cấp khí và bên còn lại xả khí ra ngoài. Nhờ vậy xy lanh có thể tiến hoặc lùi.
Van chỉnh tốc dùng để điều chỉnh tốc độ chuyển động của xy lanh.
Trong máy thực tế, van chỉnh tốc là chi tiết nhỏ nhưng ảnh hưởng khá lớn đến cảm giác chạy của cơ cấu. Nếu mở quá nhiều, xy lanh có thể chạy nhanh và va đập mạnh. Nếu siết quá nhiều, xy lanh chạy chậm hoặc không ổn định.
5. Vì sao cần đọc được ký hiệu JIS?
Trong bản vẽ máy, mạch khí nén thường không được vẽ theo hình dáng thật của thiết bị. Thay vào đó, người ta dùng ký hiệu tiêu chuẩn. 
Ví dụ:
- Máy nén khí có ký hiệu riêng.
- Bộ lọc có ký hiệu riêng.
- Bộ điều áp có ký hiệu riêng.
- Van điều khiển hướng có ký hiệu riêng.
- Van chỉnh tốc có ký hiệu riêng.
- Xy lanh khí nén có ký hiệu riêng.
Ở môi trường thiết kế máy tại Nhật, các ký hiệu này thường dựa trên tiêu chuẩn JIS.
Ban đầu nhìn có thể hơi khó, nhưng nếu hiểu được cách đi của dòng khí thì việc đọc sơ đồ sẽ dễ hơn nhiều.
Khi nhìn một sơ đồ khí nén, trước hết nên đọc theo thứ tự:
Nguồn khí ở đâu?
Khí được xử lý như thế nào?
Van nào điều khiển xy lanh nào?
Xy lanh tiến/lùi bằng đường khí nào?
Tốc độ được chỉnh ở vị trí nào?
Khí xả ra ở đâu?
Chỉ cần đọc được các điểm này là đã nắm được phần khung của mạch khí nén cơ bản.
6. Kết luận
Bài này chỉ là phần mở đầu để nhìn tổng thể hệ thống khí nén.
Trong thiết kế máy, khí nén không chỉ là “gắn một cái xy lanh vào là xong”. Cần nhìn cả đường đi của khí: từ lúc tạo khí, xử lý khí, điều áp, điều khiển hướng, chỉnh tốc cho đến khi xy lanh thực hiện công việc.
Ở các bài tiếp theo, mình sẽ tách từng phần ra để dễ đọc hơn, ví dụ như:
- Ký hiệu JIS cơ bản trong mạch khí nén.
- Van 3/2, 5/2, 5/3 khác nhau thế nào.
- Cách chọn xy lanh khí nén.
- Cách tính lực xy lanh.
- Meter-in và meter-out trong chỉnh tốc xy lanh.
- Những lỗi thường gặp khi dùng xy lanh khí nén trong máy tự động.
Nắm được phần tổng thể trước, sau đó đi vào từng chi tiết sẽ dễ hơn nhiều.
Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA