Xi lanh điện còn được gọi là thiết bị truyền động tuyến tính công nghiệp, là một trong những giải pháp chuyển động tuyến tính cần truyền động tốc độ cao với lực lớn. Thiết kế một xi lanh điện cho máy ép bao gồm một số cân nhắc chính, bao gồm các yêu cầu về lực, chiều dài hành trình, tốc độ, độ chính xác và khả năng kiểm soát. Dưới đây là hướng dẫn từng bước để thiết kế xi lanh điện cho ứng dụng ép:
1. Xác định yêu cầu ứng dụng
Force (kN hoặc lbs): Xác định lực ép tối đa cần thiết.
Chiều dài hành trình (mm hoặc inch): Xi lanh phải kéo dài/rút lại bao xa.
Tốc độ (mm/s hoặc in/s): Tốc độ tuyến tính mong muốn trong quá trình vận hành.
Chu kỳ hoạt động: Hoạt động liên tục hoặc gián đoạn.
Độ chính xác (mm hoặc inch): Độ chính xác định vị bắt buộc (ví dụ: ± 0,01mm).
Môi trường: Nhiệt độ, bụi, độ ẩm, v.v.
2. Chọn loại xi lanh điện
Xi lanh điện có nhiều cấu hình khác nhau:
Ball Vít Driven: Độ chính xác cao, lực cao, tốc độ vừa phải.
Dẫn động trục vít me: Chi phí thấp hơn, hiệu suất thấp hơn, phù hợp với tải trọng nhẹ hơn.
Dẫn động bằng dây đai: Tốc độ cao, khả năng chịu lực thấp hơn.
Động cơ tuyến tính: Tốc độ và độ chính xác cực cao, đắt tiền.
Đối với máy ép, xi lanh điện điều khiển bằng vít bi thường được sử dụng do lực và độ chính xác cao.
Động cơ servo: Độ chính xác cao, điều khiển động, lý tưởng cho các ứng dụng ép.
Động cơ bước: Chi phí thấp hơn, phù hợp với các ứng dụng đơn giản hơn với điều khiển vòng hở.
Động cơ AC/DC có bộ mã hóa: Để điều khiển tốc độ/vị trí cơ bản.
Thông số động cơ chính:
Mô-men xoắn (Nm hoặc lb-in) – Phải đáp ứng yêu cầu về lực.
Tốc độ (RPM) – Phải phù hợp với tốc độ tuyến tính yêu cầu.
Công suất (kW hoặc HP) – Phụ thuộc vào lực và tốc độ.
Tính toán lực:
F=2π×Mô-men xoắn động cơ×Hiệu suất/Chì vít
Ở đâu:
F= Lực tuyến tính (N)
Đầu vít = Khoảng cách di chuyển trên mỗi vòng quay (mm/vòng)
Hiệu suất (~90% đối với vít bi)
4. Cân nhắc thiết kế cơ khí
Khung & Vỏ: Phải chịu được lực ép mà không bị lệch.
Đường ray dẫn hướng: Vòng bi tuyến tính hoặc đường ray định hình để chuyển động trơn tru.
Điểm dừng cuối: Giới hạn cơ học để bảo vệ hành trình quá mức.
Khớp nối & lắp đặt: Đảm bảo sự liên kết thích hợp giữa động cơ và vít.
5. Hệ thống điều khiển
PLC hoặc Bộ điều khiển chuyển động: Dành cho chu trình ép tự động.
Phản hồi lực và vị trí: Cảm biến tải trọng hoặc cảm biến áp suất để điều khiển vòng kín.
Giao diện HMI: Dành cho người vận hành nhập liệu và giám sát.
Ví dụ về trình tự nhấn:
Tiếp cận nhanh (tốc độ cao, lực thấp).
Nhấn (kiểm soát lực/tốc độ).
Thời gian dừng (lực giữ).
Rút lại.
6. Tính năng an toàn
Bảo vệ quá tải: Giới hạn mô-men xoắn trong bộ truyền động servo.
Dừng khẩn cấp: Cắt điện trong trường hợp có sự cố.
Phanh cơ học: Ngăn chặn hiện tượng lùi xe trong các ứng dụng dọc.
7. Tính toán ví dụ
Kịch bản:
Lực yêu cầu: 10 kN
Chiều dài hành trình: 200 mm
Tốc độ: 50mm/giây
Đầu vít bi: 10 mm/vòng
Độ chính xác định vị mong muốn: ± 0,02 mm
Các bước:
Tính toán mômen động cơ:
Mô-men xoắn=F×Chì/2π×Hiệu suất=10.000N×0,01m/2π×0,9≈17,7Nm(Thêm giới hạn an toàn 20-30% → yêu cầu ~22 Nm.)
Vòng tua động cơ:
RPM=Tốc độ tuyến tính (mm/s)×60/Dẫn (mm/vòng)=50×60/10=300RPMRPM=Dẫn (mm/vòng)Tốc độ tuyến tính (mm/s)×60=1050×60=300RPMLựa chọn động cơ:
Một động cơ servo có Mô-men xoắn ≥22 Nm và ≥300 vòng/phút (ví dụ: 400W-750W động cơ servo với hộp số nếu cần).
8. Ưu điểm của xi lanh điện trong máy ép
Kiểm soát lực và vị trí chính xác (so với thủy lực/khí nén).
Tiết kiệm năng lượng (không cần áp suất chất lỏng không đổi).
Sạch sẽ và ít bảo trì (không rò rỉ dầu hoặc máy nén khí).
Có thể lập trình (cấu hình báo chí linh hoạt).
9. Những thách thức tiềm ẩn
Chi phí ban đầu cao hơn thủy lực/khí nén.
Sinh nhiệt trong chu trình hoạt động cao (có thể cần làm mát).
Lực hạn chế so với các hệ thống thủy lực lớn.
Kết luận
Một xi lanh điện cho máy ép phải được thiết kế dựa trên:
• Yêu cầu về lực, tốc độ và hành trình.
• Nhu cầu chính xác và kiểm soát.
• Lựa chọn động cơ và vít phù hợp.
• Tích hợp với hệ thống an toàn và phản hồi.
Đối với các ứng dụng nặng (ví dụ: >50 kN), hệ thống thủy lực vẫn có thể thích hợp hơn, nhưng xi lanh điện vượt trội về khả năng ép chính xác (ví dụ: lắp ráp điện tử, sản xuất thiết bị y tế).
