Bộ truyền động điện được thiết kế để thay thế hệ thống truyền động bằng chất lỏng: Hướng dẫn thực tiễn về tự động hóa công nghiệp

Trong nhiều thập kỷ, xi lanh khí nén và bộ truyền động thủy lực đã chi phối lĩnh vực điều khiển chuyển động công nghiệp. Sự phổ biến của chúng bắt nguồn từ phương pháp điều khiển đơn giản, lực đầu ra mạnh mẽ và việc lắp đặt dễ dàng. Van được cấp điện, chất lỏng di chuyển, rồi bộ truyền động duỗi ra hoặc thu vào. Khái niệm này dễ hiểu và việc bảo trì thậm chí còn đơn giản hơn.

Tuy nhiên, các cơ sở sản xuất hiện đại đang chịu áp lực ngày càng lớn trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm yêu cầu bảo trì, loại bỏ rò rỉ và đạt độ chính xác định vị cao hơn. Những yêu cầu này đã thúc đẩy việc áp dụng bộ truyền động điện trong các ngành từ đóng gói và lắp ráp đến sản xuất chất bán dẫn và tự động hóa quy trình.

Không giống các hệ thống truyền động bằng chất lỏng truyền thống, bộ truyền động điện cung cấp khả năng điều khiển vị trí chính xác, cấu hình biên dạng chuyển động, chuyển động có tính lặp lại và khả năng chẩn đoán theo thời gian thực. Kỹ sư có thể điều khiển gia tốc, vận tốc, giảm tốc và vị trí dừng mà không cần dựa vào bộ điều áp, bộ điều khiển lưu lượng hoặc các điều chỉnh cơ khí.

Trong lịch sử, những ưu điểm này đi kèm với một nhược điểm đáng kể. Các hệ thống chuyển động điện thường yêu cầu bộ điều khiển servo, lập trình PLC, mạng truyền thông, phần mềm tinh chỉnh, hệ thống phản hồi encoder và chuyên môn chuyên biệt về điều khiển chuyển động.

Đối với nhiều cơ sở, đặc biệt là những nơi thay thế các xi lanh khí nén đơn giản, sự phức tạp này đã tạo ra rào cản lớn đối với việc áp dụng.

Các nền tảng bộ truyền động điện tích hợp hiện đại hướng đến việc loại bỏ thách thức này bằng cách kết hợp cơ cấu bộ truyền động, thiết bị điện tử điều khiển động cơ và phần mềm cấu hình trong một gói duy nhất. Kết quả là một hệ thống mang lại những lợi ích của chuyển động điện, đồng thời duy trì sự đơn giản trong vận hành vốn khiến hệ thống khí nén trở nên phổ biến.

Bài viết này tìm hiểu nền tảng e-Actuator của SMC và phân tích cách các hệ thống chuyển động điện tích hợp đang giúp các nhà sản xuất chuyển đổi khỏi các công nghệ truyền động bằng chất lỏng truyền thống.

Đối với các cơ sở đang hiện đại hóa hạ tầng tự động hóa, những công nghệ này ngày càng bổ trợ cho Hệ thống PLC & PAC, Nền tảng HMI công nghiệp và Giải pháp điều khiển chuyển động tiên tiến được sử dụng trong các hoạt động sản xuất hiện đại.

Hình 1. Dòng e-Actuator trong một thiết bị trình diễn của SMC.

Vì sao các nhà sản xuất đang thay thế bộ truyền động khí nén và thủy lực

Hệ thống khí nén vẫn là một trong những công nghệ chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong tự động hóa công nghiệp. Khí nén luôn sẵn có tại hầu hết các nhà máy, và xi lanh khí nén vận hành đáng tin cậy trong nhiều ứng dụng.

Hệ thống thủy lực vẫn chiếm ưu thế trong các ứng dụng yêu cầu lực đầu ra cực lớn, bao gồm máy ép, máy móc hạng nặng, thiết bị tạo hình kim loại và các cơ cấu chấp hành công nghiệp lớn.

Mặc dù có những ưu điểm này, công nghệ năng lượng chất lỏng vẫn đặt ra một số thách thức trong vận hành.

Hệ thống khí nén vốn dĩ kém hiệu quả. Tổn thất năng lượng đáng kể xảy ra trong quá trình nén, phân phối, lưu trữ và xả khí. Rò rỉ khí thường phát triển trong các cơ sở đã cũ, làm tăng chi phí năng lượng mà không tạo ra công việc hữu ích.

Hệ thống thủy lực đặt ra những mối lo ngại khác. Nhiễm bẩn chất lỏng, suy giảm phớt, rò rỉ, các yếu tố môi trường và yêu cầu bảo trì liên tục làm tăng chi phí trong suốt vòng đời.

Cơ cấu chấp hành điện giải quyết trực tiếp nhiều vấn đề trong số này.

• Không tiêu thụ khí nén
• Không cần bảo trì dầu thủy lực
• Không lo rò rỉ
• Độ ồn khi vận hành thấp hơn
• Độ chính xác định vị được cải thiện
• Biên dạng chuyển động có thể lập trình
• Chẩn đoán tích hợp
• Hiệu quả năng lượng cao hơn

Có lẽ quan trọng nhất, cơ cấu chấp hành điện cho phép kiểm soát chính xác chuyển động thay vì chỉ di chuyển giữa hai điểm cuối cố định.

Khả năng này cho phép kỹ sư tạo ra các hệ thống sản xuất linh hoạt, có khả năng hỗ trợ nhiều sản phẩm, công thức và chế độ vận hành mà không cần điều chỉnh cơ khí.

Sự phức tạp truyền thống của các hệ thống chuyển động điện

Mặc dù cơ cấu chấp hành điện mang lại những lợi thế đáng kể về hiệu suất, các hệ thống chuyển động truyền thống dựa trên servo thường đòi hỏi nhiều nỗ lực kỹ thuật hơn đáng kể so với các hệ thống lắp đặt khí nén.

Một giải pháp chuyển động điện thông thường thường bao gồm:

• Động cơ servo
• Bộ truyền động servo
• Bộ điều khiển chuyển động
• Phản hồi bộ mã hóa
• Mạng truyền thông
• Phần mềm lập trình
• Phần cứng phân phối điện
• Tích hợp an toàn

Tại nhiều cơ sở công nghiệp, kỹ sư chỉ đơn giản cần một xi lanh di chuyển từ Vị trí A đến Vị trí B. Lắp đặt một hệ thống servo hoàn chỉnh cho yêu cầu đơn giản như vậy có thể làm phát sinh sự phức tạp và chi phí không cần thiết.

Thách thức này giải thích tại sao xi lanh khí nén vẫn được sử dụng phổ biến dù có những hạn chế.

Nỗ lực kỹ thuật cần thiết để cấu hình, đưa vào vận hành và bảo trì một hệ thống điều khiển chuyển động truyền thống thường lớn hơn lợi ích mà hệ thống mang lại đối với các ứng dụng chuyển động tuyến tính đơn giản.

Cơ cấu chấp hành điện tích hợp cố gắng thu hẹp khoảng cách này bằng cách cung cấp khả năng định vị ở cấp độ servo, đồng thời duy trì sự đơn giản của các phương pháp điều khiển truyền thống bằng năng lượng chất lỏng.

Tìm hiểu khái niệm cơ cấu chấp hành điện SMC

Dòng cơ cấu chấp hành điện SMC EQFS tiếp cận việc điều khiển chuyển động theo hướng thực tiễn.

Thay vì yêu cầu kỹ sư mua riêng động cơ, bộ truyền động, hệ thống phản hồi và bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành tích hợp các thành phần này thành một cụm nhỏ gọn.

Kiến trúc này làm giảm đáng kể độ phức tạp khi lắp đặt.

Bộ điều khiển tích hợp tự động quản lý:

• Điều khiển vị trí
• Chuyển mạch động cơ
• Điều khiển tăng tốc
• Điều khiển giảm tốc
• Phản hồi vị trí
• Trình tự chuyển động
• Giám sát lỗi

Do đó, người dùng tương tác với bộ chấp hành gần giống như với một xi lanh khí nén.

Các đầu vào kỹ thuật số đơn giản ra lệnh chuyển động, trong khi bộ điều khiển bên trong đảm nhiệm các phép tính phức tạp và thuật toán điều khiển vận hành ở phía sau.

Hình 2. Bộ điều khiển tích hợp với các giao diện nguồn, I/O và cấu hình chuyên dụng.

Bộ điều khiển tích hợp: Đơn giản hóa việc triển khai chuyển động điện

Một trong những rào cản lớn nhất đối với việc ứng dụng bộ chấp hành điện trong lịch sử là sự phức tạp của bộ điều khiển.

Các hệ thống servo truyền thống thường yêu cầu cấu hình phức tạp và chuyên môn chuyên biệt.

Kiến trúc bộ điều khiển tích hợp đơn giản hóa việc triển khai bằng cách tích hợp trực tiếp chức năng điều khiển chuyển động vào cụm bộ chấp hành.

Xét từ góc độ lắp đặt, kỹ sư chủ yếu tương tác với ba kết nối:

• Đầu vào nguồn 24 VDC
• Giao diện I/O kỹ thuật số
• Giao diện cấu hình

Thiết kế này loại bỏ phần lớn sự phức tạp về đi dây thường gắn với các hệ thống điều khiển chuyển động độc lập.

Các nhà chế tạo máy được hưởng lợi nhờ yêu cầu ít không gian tủ điện hơn, tài liệu đơn giản hơn và quy trình chạy thử nhanh hơn.

Nhân viên bảo trì cũng được hưởng lợi vì việc khắc phục sự cố trở nên dễ dàng hơn đáng kể khi bộ truyền động và bộ chấp hành hoạt động như một hệ thống thống nhất.

Ưu điểm của hạ tầng điện so với các hệ thống chất lỏng

Một trong những lợi ích thường bị bỏ qua của bộ chấp hành điện liên quan đến hạ tầng cơ sở.

Các hệ thống khí nén cần nhiều thiết bị hỗ trợ trước khi một bộ chấp hành duy nhất có thể vận hành.

Hạ tầng này có thể bao gồm:

• Máy nén khí
• Máy sấy
• Bộ lọc
• Bộ điều áp
• Bồn chứa
• Đường ống phân phối
• Chương trình quản lý rò rỉ

Các hệ thống thủy lực cũng đòi hỏi khoản đầu tư hạ tầng đáng kể tương tự.

Các hệ thống này thường bao gồm máy bơm, bể chứa, van, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống lọc và mạng lưới đường ống rộng khắp.

Bộ truyền động điện loại bỏ nhiều yêu cầu trong số này.

Hạ tầng phân phối điện đã tồn tại ở hầu hết các cơ sở công nghiệp. Việc kéo dài kết nối điện đến các vị trí xa thường dễ hơn đáng kể so với lắp đặt các mạng lưới khí nén hoặc thủy lực mới.

Ưu điểm này đặc biệt quan trọng trong các dự án mở rộng và hiện đại hóa cơ sở.

Kỹ sư có thể triển khai các hệ thống chuyển động tại những địa điểm không có khí nén hoặc chi phí lắp đặt khí nén quá cao.

Tìm hiểu về các kết nối nguồn và I/O

e-Actuator sử dụng phương pháp đấu dây đơn giản, phù hợp với các thông lệ tự động hóa công nghiệp phổ biến.

Đầu nối nguồn tiếp nhận nguồn điều khiển 24 VDC tiêu chuẩn, cho phép tương thích với các hệ thống nguồn công nghiệp hiện có.

Hầu hết các nền tảng tự động hóa hiện đại đã sử dụng kiến trúc nguồn 24 VDC cho cảm biến, bộ điều khiển, HMI và thiết bị truyền thông.

Khả năng tương thích này giúp đơn giản hóa việc tích hợp hệ thống.

Hình 3. Sơ đồ chân nguồn và I/O kỹ thuật số được sử dụng bởi bộ điều khiển tích hợp.

Kiến trúc đầu vào kỹ thuật số có đôi chút khác biệt so với nhiều mô-đun đầu vào PLC thông thường.

Vì bộ truyền động tham chiếu điện áp nguồn ở bên trong, các thiết bị bên ngoài phải dùng chung một tham chiếu điện.

Việc hiểu mối quan hệ này trở nên quan trọng trong quá trình tích hợp hệ thống.

Việc nối đất đúng cách và quản lý tham chiếu chung giúp đảm bảo vận hành đáng tin cậy, đồng thời giảm thiểu nhiễu điện và các vấn đề về truyền thông.

Các kỹ sư tích hợp bộ truyền động điện với hệ thống Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 hoặc Schneider Modicon Quantum nên xác minh các quy tắc đấu nối tham chiếu nguồn điện chung trong quá trình lắp đặt.

Các ứng dụng công nghiệp hưởng lợi nhiều nhất từ bộ truyền động điện

Không phải mọi ứng dụng khí nén hoặc thủy lực đều nên tự động chuyển đổi sang chuyển động điện.

Tuy nhiên, một số ứng dụng nhất định có thể hưởng lợi đáng kể từ công nghệ bộ truyền động điện.

Các ví dụ bao gồm:

• Máy móc đóng gói
• Hệ thống gắp và đặt
• Thiết bị lắp ráp
• Sản xuất thiết bị điện tử
• Gia công dược phẩm
• Sản xuất thực phẩm và đồ uống
• Tự động hóa phòng thí nghiệm
• Thiết bị bán dẫn

Các ứng dụng này thường yêu cầu khả năng định vị lặp lại, biên dạng chuyển động linh hoạt và giảm nhu cầu bảo trì.

Bộ truyền động điện mang lại những ưu điểm khó đạt được bằng các hệ thống truyền động chất lỏng truyền thống.

Khi các môi trường sản xuất tiếp tục áp dụng chiến lược nhà máy thông minh, các hệ thống chuyển động điều khiển bằng điện ngày càng phù hợp với các mục tiêu của Công nghiệp 4.0, tập trung vào khả năng kết nối, chẩn đoán, hiệu suất và khả năng quan sát hoạt động.

Cấu hình phần mềm: Nơi chuyển động điện trở nên thiết thực

Đối với nhiều kỹ sư, cấu hình phần mềm là mối quan ngại lớn nhất khi chuyển từ xi lanh khí nén sang bộ truyền động điện.

Các nền tảng điều khiển chuyển động truyền thống thường yêu cầu thiết lập tham số chuyên sâu, ánh xạ truyền thông, cấu hình trục, quy trình hiệu chỉnh và chuyên môn lập trình.

Mục tiêu của nền tảng e-Actuator về cơ bản là khác biệt.

Thay vì hiển thị hàng trăm tham số chuyển động, phần mềm chỉ tập trung cấu hình những cài đặt cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp thông dụng.

Phương pháp này rút ngắn đáng kể thời gian chạy thử mà vẫn duy trì các ưu điểm về hiệu suất của chuyển động điện.

Phần mềm cấu hình tự động nhận diện mẫu bộ chấp hành được kết nối và chỉ hiển thị các tham số liên quan để điều chỉnh.

Nhờ đó, kỹ sư dành ít thời gian hơn cho việc điều hướng các menu phức tạp và có nhiều thời gian hơn để tối ưu hiệu suất máy.

Kết nối với Công cụ thiết lập e-Actuator

Việc cấu hình được thực hiện bằng Công cụ thiết lập e-Actuator chuyên dụng do SMC cung cấp.

Phần mềm giao tiếp thông qua cổng cấu hình M12 chuyên dụng nằm trên bộ điều khiển tích hợp.

Sau khi thiết lập kết nối, phần mềm tự động phát hiện:

• Loại bộ chấp hành
• Chiều dài hành trình
• Phiên bản bộ điều khiển
• Các chế độ vận hành hiện có
• Cài đặt tham số hiện tại

Quy trình tự động phát hiện này loại bỏ nhiều thao tác thiết lập thủ công vốn thường gắn liền với các hệ thống servo.

Đối với các nhà chế tạo máy triển khai nhiều bộ chấp hành, khả năng này có thể rút ngắn đáng kể thời gian khởi động.

Kỹ thuật viên chạy thử có thể nhanh chóng kiểm tra cấu hình, điều chỉnh cài đặt và xác nhận hoạt động mà không cần có kiến thức lập trình chuyên sâu.

Hình 4. Các chế độ vận hành hiện có trong Công cụ thiết lập e-Actuator.

Giải thích các chế độ vận hành

Một trong những điểm sáng tạo nhất của nền tảng là khả năng mô phỏng hoạt động quen thuộc của van khí nén.

Kỹ thuật viên bảo trì và người vận hành máy đã quen với cách hoạt động của van đảo chiều khí nén.

Bằng cách tái tạo các phương pháp điều khiển này, thời gian làm quen với chuyển động điện được rút ngắn đáng kể.

Nền tảng cung cấp ba chế độ vận hành chính.

Chế độ van điện từ đơn

Chế độ này hoạt động tương tự như van khí nén hồi bằng lò xo.

Khi đầu vào kỹ thuật số được kích hoạt, bộ chấp hành di chuyển đến vị trí được chỉ định.

Khi tín hiệu bị ngắt, bộ chấp hành sẽ tự động trở về vị trí ban đầu.

Chế độ vận hành này lý tưởng cho:

• Hệ thống đẩy chi tiết
• Thiết bị định vị đơn giản
• Cơ cấu kẹp
• Cửa loại bỏ
• Trạm nạp

Nhiều ứng dụng xi lanh khí nén có thể được thay thế trực tiếp bằng phương pháp điều khiển này.

Chế độ van điện từ kép

Chế độ van điện từ kép mô phỏng hoạt động của van đảo chiều khí nén hai van điện từ thường được sử dụng trong tự động hóa khí nén.

Một đầu vào kỹ thuật số điều khiển chuyển động mở rộng, trong khi đầu vào thứ hai điều khiển chuyển động thu về.

Bộ chấp hành giữ nguyên vị trí cho đến khi nhận được lệnh mới.

Phương pháp này mang lại khả năng điều khiển linh hoạt hơn và gần giống với thiết kế máy công nghiệp truyền thống.

Các ứng dụng bao gồm:

• Hệ thống chuyển tải
• Thiết bị xử lý vật liệu
• Trạm lắp ráp tự động
• Cơ cấu phân bước
• Thiết bị đóng gói

Chế độ trung tâm đóng

Chế độ trung tâm đóng cung cấp một khả năng mà hầu hết các xy lanh khí nén thông thường không có.

Ngoài các vị trí duỗi ra và thu vào, bộ truyền động có thể di chuyển đến một vị trí trung gian.

Điều này cho phép điều khiển ba vị trí chỉ bằng hai đầu vào kỹ thuật số.

Khả năng dừng tại một vị trí trung tâm có thể cấu hình mở ra cơ hội vận hành máy phức tạp hơn mà không cần bộ điều khiển chuyển động servo hoàn chỉnh.

Các ứng dụng bao gồm:

• Xử lý chi tiết tại nhiều vị trí
• Hệ thống phân loại
• Trạm kiểm tra
• Cơ cấu chuyển tải
• Hệ thống định vị sản phẩm

Chức năng này làm nổi bật một trong những ưu điểm chính của bộ truyền động điện so với các công nghệ năng lượng chất lưu truyền thống.

Thu hẹp khoảng cách giữa khí nén và điều khiển servo

Các chế độ vận hành thể hiện một xu hướng quan trọng đang diễn ra trong toàn ngành tự động hóa công nghiệp.

Các nhà sản xuất ngày càng tìm kiếm những giải pháp kết hợp sự đơn giản của tự động hóa truyền thống với tính linh hoạt của công nghệ kỹ thuật số hiện đại.

Bộ truyền động điện giữ một vị trí độc đáo trong quá trình chuyển đổi này.

Chúng cung cấp chức năng lớn hơn đáng kể so với xy lanh khí nén, đồng thời tránh được phần lớn sự phức tạp liên quan đến các nền tảng chuyển động servo hoàn chỉnh.

Sự cân bằng này đặc biệt hấp dẫn đối với các nhà chế tạo máy phát triển thiết bị cho những khách hàng có thể không có chuyên môn chuyên sâu về điều khiển chuyển động.

Các lệnh kỹ thuật số đơn giản vẫn quen thuộc với nhân viên bảo trì, trong khi các biên dạng chuyển động nâng cao vẫn sẵn có cho các nhóm kỹ thuật.

Ưu điểm của các biên dạng chuyển động tích hợp

Một trong những hạn chế lớn nhất của xy lanh khí nén là thiếu khả năng kiểm soát chuyển động chính xác.

Mặc dù bộ điều khiển lưu lượng có thể tác động đến tốc độ, việc đạt được các biên dạng gia tốc và giảm tốc có tính lặp lại vẫn rất khó.

Xy lanh khí nén thường di chuyển nhanh đến mức mà áp suất hệ thống và điều kiện tải cho phép.

Điều này thường gây ra:

• Sốc cơ học
• Hư hỏng sản phẩm
• Phát sinh tiếng ồn
• Mài mòn linh kiện
• Độ chính xác định vị giảm

Bộ truyền động điện giải quyết các vấn đề này thông qua các biên dạng chuyển động có thể lập trình.

Bộ điều khiển liên tục điều chỉnh công suất đầu ra của động cơ để đạt được chuyển động có kiểm soát trong suốt hành trình.

Điều này giúp vận hành êm hơn, khả năng lặp lại tốt hơn và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Trong môi trường sản xuất tốc độ cao, việc giảm lực va đập có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy của máy và chất lượng sản phẩm.

Chỉ riêng lợi ích này thường đã đủ để biện minh cho việc chuyển đổi từ hệ thống khí nén sang công nghệ chuyển động điện.

Cấu hình các tham số tốc độ, gia tốc và vị trí

Có lẽ ưu điểm lớn nhất của bộ truyền động điện so với các hệ thống chạy bằng chất lưu là khả năng kiểm soát hoàn toàn các đặc tính chuyển động.

Với xi lanh khí nén, các kỹ sư thường điều chỉnh van điều khiển lưu lượng và cài đặt bộ điều áp để tác động đến tốc độ. Mặc dù phương pháp này hiệu quả với nhiều ứng dụng, hiệu suất có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện tải, biến động áp suất không khí và độ hao mòn của linh kiện.

Bộ truyền động điện loại bỏ những biến số này bằng cách cho phép xác định trực tiếp các thông số chuyển động trong bộ điều khiển.

Thay vì dựa vào các hạn chế về áp suất và lưu lượng, các kỹ sư có thể thiết lập các giá trị chính xác cho:

• Tốc độ gia tốc
• Tốc độ hành trình tối đa
• Tốc độ giảm tốc
• Các vị trí mục tiêu
• Các vị trí trung gian
• Thời gian di chuyển

Mức độ kiểm soát này cải thiện đáng kể tính nhất quán giữa các chu kỳ sản xuất.

Mọi chuyển động đều tuân theo cùng một biên dạng bất kể những biến động nhỏ về môi trường hoặc điều kiện vận hành.

Hình 5. Có thể cấu hình các cài đặt về vị trí, tốc độ, gia tốc và giảm tốc thông qua phần mềm thiết lập.

Tại sao biên dạng chuyển động lại quan trọng trong sản xuất hiện đại

Chất lượng chuyển động ngày càng trở nên quan trọng khi các hệ thống sản xuất phát triển.

Thiết bị sản xuất cũ thường ưu tiên tốc độ lên trên mọi yếu tố khác. Miễn là xi lanh duỗi ra và thu vào nhanh chóng, hệ thống đã đạt được mục tiêu.

Môi trường sản xuất ngày nay đòi hỏi nhiều hơn thế.

Các dây chuyền sản xuất hiện nay xử lý những sản phẩm dễ hư hỏng, vật liệu nhẹ, cụm lắp ráp chính xác và các biến thể sản phẩm được tùy chỉnh cao.

Lực va đập quá mức có thể làm hỏng sản phẩm, giảm chất lượng và đẩy nhanh quá trình hao mòn thiết bị.

Các biên dạng chuyển động có thể lập trình giúp loại bỏ những vấn đề này.

Thay vì va đập đột ngột vào các cữ chặn cơ khí, bộ truyền động điện có thể tăng tốc dần, duy trì tốc độ hành trình được kiểm soát và giảm tốc êm trước khi đạt đến vị trí mục tiêu.

Các lợi ích bao gồm:

• Giảm va đập cơ khí
• Mức độ rung thấp hơn
• Chất lượng sản phẩm được cải thiện
• Tuổi thọ máy dài hơn
• Chi phí bảo trì thấp hơn
• Độ chính xác định vị cao hơn

Những ưu điểm này đặc biệt quan trọng trong các ngành như sản xuất điện tử, sản xuất dược phẩm, chế tạo chất bán dẫn và vận hành lắp ráp tự động.

Định vị có thể cấu hình vượt ngoài cữ chặn cuối cơ khí

Xi lanh khí nén truyền thống thường hoạt động giữa hai giới hạn cơ khí cố định.

Nếu cần một vị trí khác, các kỹ sư thường phải lắp các cữ chặn cơ khí, thiết kế lại phần cứng hoặc chọn bộ truyền động có chiều dài hành trình khác.

Bộ truyền động điện mang lại tính linh hoạt cao hơn đáng kể.

Phần mềm cho phép các kỹ sư xác định các vị trí vận hành độc lập với giới hạn hành trình vật lý của bộ truyền động.

Điều này có nghĩa là một bộ truyền động duy nhất có thể hỗ trợ nhiều cấu hình máy mà không cần sửa đổi cơ khí.

Các ví dụ bao gồm:

• Công thức riêng cho từng sản phẩm
• Nhiều kích thước bao bì
• Vận hành lắp ráp linh hoạt
• Chuyển đổi tự động
• Hệ thống sản xuất thích ứng

Khi các nhà sản xuất ngày càng theo đuổi các chiến lược sản xuất linh hoạt, khả năng này trở thành một lợi thế cạnh tranh đáng kể.

Thay vì điều chỉnh máy móc theo cách thủ công giữa các đợt sản xuất, người vận hành chỉ cần chọn công thức mới thông qua giao diện máy.

Cơ cấu chấp hành tự động di chuyển theo các tham số cấu hình mới.

Lợi ích của Công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh

Việc chuyển đổi từ truyền động thủy khí sang chuyển động điện phù hợp chặt chẽ với các sáng kiến rộng hơn của Công nghiệp 4.0.

Các nhà máy hiện đại ngày càng phụ thuộc vào thiết bị kết nối có khả năng cung cấp khả năng quan sát vận hành, thông tin chẩn đoán và phân tích hiệu suất.

Xi lanh khí nén thường cung cấp thông tin phản hồi hạn chế.

Trong trường hợp tốt nhất, kỹ sư có thể lắp đặt các cảm biến bên ngoài để xác định vị trí duỗi ra và thu vào.

Cơ cấu chấp hành điện vốn tạo ra dữ liệu vận hành phong phú hơn nhiều.

Các ví dụ bao gồm:

• Phản hồi vị trí
• Trạng thái chuyển động
• Số chu kỳ
• Điều kiện lỗi
• Thời gian di chuyển
• Xu hướng hiệu suất
• Lịch sử vận hành

Thông tin này có thể hỗ trợ các sáng kiến bảo trì dự đoán và cải thiện hiệu quả thiết bị tổng thể.

Khi được tích hợp với Mạng truyền thông công nghiệp hiện đại và Nền tảng máy tính công nghiệp, cơ cấu chấp hành điện trở thành nguồn dữ liệu có giá trị trong môi trường sản xuất kết nối.

So sánh hiệu suất năng lượng: Hệ thống điện và khí nén

Hiệu suất năng lượng vẫn là một trong những lý do thuyết phục nhất để áp dụng cơ cấu chấp hành điện.

Khí nén thường được mô tả là một trong những tiện ích đắt đỏ nhất trong một cơ sở sản xuất.

Việc tạo ra khí nén đòi hỏi lượng điện năng đáng kể.

Các tổn thất bổ sung xảy ra qua:

• Hiệu suất nén thấp
• Tổn thất trong đường ống phân phối
• Sụt áp
• Rò rỉ khí
• Tổn thất ở van
• Tổn thất do xả khí

Các nghiên cứu trong ngành thường ước tính rằng một tỷ lệ đáng kể khí nén được sản xuất trong nhà máy không bao giờ thực hiện công việc hữu ích.

Cơ cấu chấp hành điện chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành chuyển động cơ học.

Quy trình chuyển đổi trực tiếp này thường đạt hiệu suất tổng thể của hệ thống cao hơn nhiều.

Đối với các cơ sở vận hành hàng trăm cơ cấu chấp hành trên nhiều dây chuyền sản xuất, tổng mức tiết kiệm năng lượng có thể trở nên đáng kể.

Các khoản tiết kiệm này thường giúp cải thiện phép tính tổng chi phí sở hữu khi so sánh công nghệ điện và khí nén.

Giảm yêu cầu bảo trì

Các yếu tố cần cân nhắc khi bảo trì không chỉ giới hạn ở mức tiêu thụ năng lượng.

Hệ thống truyền động thủy khí cần được chú ý thường xuyên để duy trì hoạt động đáng tin cậy.

Các hoạt động bảo trì phổ biến bao gồm:

• Phát hiện rò rỉ
• Thay thế gioăng kín
• Bảo dưỡng bộ lọc
• Điều chỉnh áp suất
• Quản lý bôi trơn
• Giám sát chất lượng không khí
• Thay dầu thủy lực

Bộ truyền động điện loại bỏ nhiều yêu cầu trong số này.

Mặc dù các bộ phận cơ khí vẫn cần được kiểm tra định kỳ, việc không sử dụng khí nén và chất lỏng thủy lực giúp đơn giản hóa chiến lược bảo trì dài hạn.

Nhiều cơ sở đang triển khai các chương trình bảo trì tập trung vào độ tin cậy ngày càng xem hệ thống chuyển động điện là một phương pháp giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch và khối lượng công việc bảo trì.

Hình 6. Các tham số chuyển động có thể được ghi trực tiếp vào bộ truyền động, giúp đơn giản hóa quá trình chạy thử và những thay đổi cấu hình trong tương lai.

Các ứng dụng công nghiệp mà bộ truyền động điện mang lại giá trị lớn nhất

Mặc dù bộ truyền động điện có thể thay thế nhiều xi lanh khí nén, lợi tức đầu tư lớn nhất thường đạt được trong các ứng dụng yêu cầu tính linh hoạt, độ chính xác và tính lặp lại.

Không phải máy móc nào cũng hưởng lợi như nhau từ chuyển động điện.

Các ứng dụng đẩy và thu đơn giản, vận hành liên tục ở tốc độ cao, vẫn có thể ưu tiên công nghệ khí nén nhờ chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn.

Tuy nhiên, các ứng dụng yêu cầu định vị có kiểm soát, chuyển đổi sản phẩm hoặc nhiều chế độ vận hành thường hưởng lợi từ các giải pháp điện.

Một số ứng dụng triển khai thành công nhất bao gồm:

• Hệ thống lắp ráp tự động
• Máy móc đóng gói
• Thiết bị đóng gói thùng
• Trạm kiểm tra sản phẩm
• Hệ thống chuyển tải bằng robot
• Dây chuyền sản xuất điện tử
• Sản xuất thiết bị y tế
• Thiết bị xử lý chất bán dẫn

Trong các môi trường này, khả năng thay đổi các tham số chuyển động bằng phần mềm thay vì điều chỉnh phần cứng mang lại những lợi thế đáng kể về vận hành.

Hiện đại hóa máy móc đóng gói

Thiết bị đóng gói là một trong những lĩnh vực có tiềm năng lớn nhất để ứng dụng bộ truyền động điện.

Các hệ thống đóng gói truyền thống thường có hàng chục xi lanh khí nén đảm nhiệm:

• Định vị sản phẩm
• Xử lý thùng carton
• Vận hành cổng
• Loại bỏ sản phẩm lỗi
• Nạp thùng
• Định vị nhãn

Khi chủng loại sản phẩm tăng lên, các nhà sản xuất thường gặp khó khăn với những quy trình chuyển đổi kéo dài.

Việc điều chỉnh cơ khí trở nên cần thiết mỗi khi kích thước bao bì thay đổi.

Bộ truyền động điện cho phép thực hiện các điều chỉnh này một cách tự động.

Thay vì định vị lại các cữ chặn và thanh dẫn hướng theo cách thủ công, người vận hành chỉ cần chọn công thức sản phẩm mới.

Sau đó, máy sẽ tự động điều chỉnh vị trí bộ truyền động theo các tham số cấu hình đã lưu.

Khả năng này giúp giảm đáng kể thời gian chuyển đổi đồng thời cải thiện tính lặp lại.

Nhiều OEM trong ngành đóng gói hiện kết hợp bộ truyền động điện với hệ thống HMI công nghiệp để tạo ra các giao diện thiết lập thân thiện với người dùng, giúp đơn giản hóa việc vận hành máy.

Hệ thống lắp ráp tự động

Các hoạt động lắp ráp thường đòi hỏi độ chính xác định vị cao hơn đáng kể so với mức mà xi lanh khí nén có thể cung cấp một cách đáng tin cậy.

Các linh kiện phải được căn chỉnh chính xác trước khi thực hiện các quy trình lắp vào, siết chặt, hàn hoặc kiểm tra.

Cơ cấu chấp hành điện mang lại hiệu suất định vị có tính lặp lại, hỗ trợ:

• Lắp linh kiện
• Lắp ráp ép khít
• Định vị chi tiết liên kết
• Lắp đặt đầu nối
• Thao tác chuyển linh kiện

Vì vị trí được xác định bằng phần mềm, kỹ sư có thể dễ dàng sửa đổi các biên dạng chuyển động khi sản phẩm phát triển.

Tính linh hoạt này ngày càng trở nên có giá trị trong các môi trường sản xuất nhiều biến thể sản phẩm trên cùng thiết bị sản xuất.

Sản xuất thực phẩm và đồ uống

Các cơ sở sản xuất thực phẩm tiếp tục tìm kiếm các giải pháp thay thế hệ thống khí nén vì cả lý do vận hành lẫn phát triển bền vững.

Khí nén vẫn được sử dụng phổ biến trong các nhà máy chế biến thực phẩm, nhưng việc giảm tổng mức tiêu thụ khí có thể cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng.

Cơ cấu chấp hành điện còn mang lại các lợi ích bổ sung, bao gồm:

• Giảm mức tiêu thụ năng lượng
• Cải thiện độ nhất quán khi định vị
• Giảm yêu cầu bảo trì
• Đơn giản hóa quy trình vệ sinh
• Cải thiện độ lặp lại của quy trình

Các ứng dụng như chiết rót, phân loại, đóng gói và xử lý vật liệu thường hưởng lợi từ các đặc tính điều khiển chính xác do hệ thống chuyển động điện mang lại.

Lợi thế trong thiết kế dành cho nhà chế tạo máy và OEM

Các nhà chế tạo máy luôn chịu áp lực phải giảm công sức kỹ thuật đồng thời cải thiện hiệu suất máy.

Cơ cấu chấp hành điện tích hợp giúp đạt được cả hai mục tiêu.

Các hệ thống chuyển động truyền thống thường yêu cầu sự phối hợp giữa nhiều nhà cung cấp, bao gồm nhà sản xuất cơ cấu chấp hành, nhà cung cấp bộ truyền động, nhà cung cấp cáp và nhà cung cấp hệ thống điều khiển.

Nền tảng cơ cấu chấp hành tích hợp giúp hợp nhất phần lớn sự phức tạp này.

Các lợi ích dành cho OEM bao gồm:

• Giảm số lượng linh kiện
• Đơn giản hóa thiết kế điện
• Lắp ráp nhanh hơn
• Giảm yêu cầu về không gian tủ điện
• Đơn giản hóa tài liệu
• Rút ngắn thời gian chạy thử

Những ưu điểm này có thể giảm đáng kể chi phí phát triển máy, đồng thời cải thiện tính tiêu chuẩn hóa giữa các nền tảng thiết bị.

Tích hợp với các nền tảng PLC hiện đại

Một lý do khiến cơ cấu chấp hành điện ngày càng được ưa chuộng là khả năng tương thích với các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại.

Kiến trúc đầu vào số đơn giản cho phép tích hợp dễ dàng với hầu như mọi nền tảng PLC.

Các nền tảng tích hợp phổ biến bao gồm:

• Allen-Bradley ControlLogix
• Allen-Bradley CompactLogix
• Siemens SIMATIC S7
• Mitsubishi MELSEC iQ-R
• Omron CJ Series
• Schneider Modicon Quantum

Vì bộ điều khiển cơ cấu chấp hành tự xử lý các phép tính chuyển động, PLC chỉ cần cung cấp các tín hiệu lệnh đơn giản.

Kiến trúc này giảm thiểu yêu cầu lập trình trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích với hạ tầng tự động hóa hiện có.

Khi nào hệ thống khí nén vẫn là lựa chọn phù hợp

Mặc dù bộ truyền động điện có nhiều ưu điểm, công nghệ khí nén vẫn rất hiệu quả đối với nhiều ứng dụng công nghiệp.

Các kỹ sư nên đánh giá yêu cầu một cách khách quan thay vì mặc định rằng công nghệ mới hơn luôn mang lại giải pháp tốt nhất.

Xi lanh khí nén thường vẫn có lợi thế khi:

• Yêu cầu tốc độ chu kỳ cực cao
• Độ chính xác vị trí không mang tính then chốt
• Có sẵn hạ tầng khí nén
• Chi phí ban đầu là mối quan tâm hàng đầu
• Điều kiện môi trường khắc nghiệt
• Chuyển động đơn giản từ đầu đến cuối là đủ

Những quyết định kỹ thuật thành công nhất bắt nguồn từ việc đánh giá tổng chi phí trong suốt vòng đời thay vì chỉ tập trung vào giá mua ban đầu.

Tại nhiều cơ sở, sự kết hợp giữa công nghệ chuyển động khí nén, thủy lực và điện mang lại giải pháp tối ưu.

Tương lai của điều khiển chuyển động công nghiệp

Tương lai của tự động hóa công nghiệp có khả năng sẽ chứng kiến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống chuyển động điện thông minh.

Một số xu hướng trong ngành tiếp tục thúc đẩy quá trình chuyển đổi này:

• Các sáng kiến Công nghiệp 4.0
• Các chương trình bảo trì dự đoán
• Mục tiêu nâng cao hiệu suất năng lượng
• Yêu cầu sản xuất linh hoạt
• Các dự án chuyển đổi số
• Thiếu hụt kỹ năng nhân lực

Bộ truyền động điện tích hợp giải quyết đồng thời nhiều thách thức trong số này.

Chúng mang lại khả năng chẩn đoán nâng cao, vận hành có thể cấu hình bằng phần mềm, hiệu suất năng lượng tốt hơn và bảo trì đơn giản hơn, trong khi vẫn dễ tiếp cận với các kỹ thuật viên quen thuộc với những hệ thống tự động hóa truyền thống.

Khi công nghệ bộ điều khiển tiếp tục phát triển, bộ truyền động điện có khả năng sẽ trở nên dễ triển khai hơn nữa, đồng thời cung cấp các khả năng ngày càng tinh vi.

Kết luận

Bộ truyền động điện không còn bị giới hạn trong các ứng dụng phức tạp điều khiển bằng servo. Những giải pháp tích hợp hiện đại như nền tảng SMC e-Actuator cho thấy chuyển động điện có thể đạt được sự đơn giản vốn gắn liền với các hệ thống khí nén, đồng thời mang lại những ưu thế về độ chính xác, tính linh hoạt và hiệu suất năng lượng của công nghệ điều khiển động cơ hiện đại.

Bằng cách tích hợp bộ điều khiển trực tiếp vào cụm bộ truyền động, đơn giản hóa yêu cầu đi dây và cung cấp các công cụ cấu hình phần mềm trực quan, những hệ thống này loại bỏ nhiều rào cản từng khiến việc ứng dụng chuyển động điện trở nên kém hấp dẫn.

Đối với các nhà sản xuất theo đuổi hiệu suất cao hơn, giảm nhu cầu bảo trì, độ chính xác định vị được nâng cao và tính linh hoạt sản xuất lớn hơn, bộ truyền động điện là một giải pháp thay thế hấp dẫn cho các hệ thống truyền động bằng chất lưu truyền thống. Mặc dù công nghệ khí nén và thủy lực sẽ tiếp tục đảm nhiệm những vai trò công nghiệp quan trọng, các giải pháp chuyển động điện tích hợp đang trở thành lựa chọn ngày càng hấp dẫn cho các hệ thống tự động hóa thế hệ mới.