Động cơ điện chiếm gần hết robot hiện đại, nhưng hai công nghệ cũ hơn vẫn tồn tại vì chúng làm được những việc mà điện làm kém. Biết ranh giới đó tránh được cả hai loại sai lầm.
Khí nén — nhanh, đơn giản, thô
Nguyên lý. Khí nén đẩy piston trong xi lanh. Van điều khiển đóng mở dòng khí.
Điểm mạnh. Rất nhanh ở chuyển động hai điểm. Đơn giản, ít linh kiện. Rẻ. An toàn về điện, dùng được nơi dễ cháy nổ. Tự nhường khi gặp cản vì khí nén được.
Điểm yếu. Khó điều khiển vị trí trung gian — khí nén được nên vị trí không cứng. Không giữ chính xác dưới tải thay đổi. Ồn. Hiệu suất năng lượng thấp.
Chỗ dùng nhiều nhất. Cơ cấu kẹp. Kẹp và nhả là chuyển động hai điểm, cần nhanh, cần lực vừa, và độ mềm tự nhiên của khí nén là ưu điểm khi cầm vật.
Chỗ dùng thứ hai. Giác hút chân không, cũng chạy bằng khí nén. Cực kỳ phổ biến trong đóng gói và kho vận.
Yêu cầu hạ tầng. Cần máy nén khí, bình chứa, bộ lọc, bộ tách nước. Ở Việt Nam độ ẩm cao nên tách nước là chi tiết quan trọng — nước trong đường khí làm hỏng van và xi lanh nhanh chóng.
Thuỷ lực — lực rất lớn
Nguyên lý. Dầu được bơm áp suất cao đẩy piston. Dầu gần như không nén được nên vị trí cứng.
Điểm mạnh. Tỷ lệ lực trên kích thước cao nhất trong các công nghệ. Giữ tải nặng mà không tốn năng lượng liên tục. Vị trí cứng dưới tải.
Điểm yếu. Nặng và cồng kềnh vì cần bơm, bình dầu, ống chịu áp. Rò rỉ dầu là vấn đề thường trực. Ồn. Bảo trì phức tạp. Đắt.
Chỗ dùng. Máy xây dựng, thiết bị nâng hạ, và một số robot chân cỡ lớn cần lực rất mạnh trong thời gian ngắn.
Vì sao ít dùng trong robot hiện đại. Động cơ điện đã cải thiện nhiều về tỷ lệ công suất trên khối lượng, và chúng sạch hơn, êm hơn, dễ điều khiển hơn. Xu hướng chung là chuyển từ thuỷ lực sang điện.
Chỗ thuỷ lực vẫn chưa thay được. Khi cần lực rất lớn trong không gian rất nhỏ, hoặc khi phải giữ tải nặng lâu mà không tiêu điện.
So sánh trực tiếp với truyền động điện
Đặt cạnh nhau theo các tiêu chí thực tế.
Điều khiển vị trí chính xác. Điện thắng rõ. Thuỷ lực làm được nhưng phức tạp. Khí nén kém.
Lực trên khối lượng. Thuỷ lực thắng. Điện đang thu hẹp khoảng cách. Khí nén ở giữa.
Tốc độ chuyển động hai điểm. Khí nén thường nhanh nhất và rẻ nhất cho việc này.
Hiệu suất năng lượng. Điện thắng lớn. Khí nén rất kém — phần lớn năng lượng mất khi nén và khi rò rỉ.
Độ ồn. Điện êm nhất.
Chi phí ban đầu cho hệ thống nhỏ. Khí nén rẻ nếu đã có sẵn hệ thống khí trong xưởng.
Bảo trì. Điện ít nhất. Khí nén cần lọc và tách nước định kỳ. Thuỷ lực cần thay dầu, kiểm rò rỉ, thay gioăng.
An toàn. Khí nén an toàn về điện nhưng ống bung ở áp suất cao rất nguy hiểm. Thuỷ lực có rủi ro tia dầu áp suất cao.
Hệ thống lai
Cách phổ biến nhất trong thực tế và ít được nói tới.
Cấu hình điển hình. Cánh tay chạy bằng động cơ điện, cơ cấu kẹp chạy bằng khí nén. Kết hợp độ chính xác của điện với tốc độ và độ mềm của khí nén.
Vì sao hợp lý. Cánh tay cần định vị chính xác ở mọi điểm; cơ cấu kẹp chỉ cần hai trạng thái. Dùng đúng công nghệ cho từng yêu cầu.
Vấn đề đi kèm. Ống khí phải chạy dọc cánh tay và chịu được uốn lặp lại hàng triệu lần. Ống nứt là hỏng hóc phổ biến.
Giải pháp. Dùng ống chuyên dụng cho chuyển động, đi trong xích cáp, tránh bán kính uốn nhỏ hơn quy định.
Cân nhắc khác. Nếu cơ sở chưa có hệ thống khí nén thì thêm máy nén chỉ để chạy cơ cấu kẹp có thể không đáng — cơ cấu kẹp điện là lựa chọn hợp lý hơn.
Xu hướng. Cơ cấu kẹp điện ngày càng phổ biến vì điều chỉnh được lực kẹp và hành trình, thứ mà khí nén khó làm. Nhưng khí nén vẫn rẻ hơn và nhanh hơn.
Vận hành hệ khí nén trong điều kiện Việt Nam
Lưu ý riêng cho khí hậu nóng ẩm.
Nước ngưng tụ là vấn đề số một. Không khí ẩm bị nén thì nước ngưng ra. Nước vào van và xi lanh gây kẹt, gỉ và hỏng gioăng.
Cần bộ tách nước và sấy khí. Không phải tuỳ chọn mà là bắt buộc. Xả nước từ bình chứa theo lịch.
Bộ lọc phải thay định kỳ. Bụi trong không khí xưởng vào hệ thống làm mòn van.
Dầu bôi trơn. Một số xi lanh cần khí có dầu, một số không được có dầu. Nhầm lẫn ở đây làm hỏng thiết bị.
Rò rỉ tốn tiền âm thầm. Hệ thống khí nén rò rỉ mười phần trăm là bình thường ở cơ sở không bảo trì. Máy nén chạy nhiều hơn cần thiết và hoá đơn điện tăng mà không ai để ý.
Cách kiểm rò rỉ. Tắt hết thiết bị, đóng van chính, xem áp suất trong đường ống có tụt không. Đơn giản và nên làm định kỳ.
Nhiệt độ. Máy nén ở nơi nóng thì hiệu suất giảm và tuổi thọ ngắn. Đặt ở chỗ thoáng và tránh nắng trực tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Khí nén dùng nhiều nhất ở đâu trong robot?
Cơ cấu kẹp và giác hút chân không. Kẹp nhả là chuyển động hai điểm cần nhanh, và độ mềm tự nhiên của khí nén là ưu điểm khi cầm vật.
Vì sao thuỷ lực ít dùng trong robot hiện đại?
Vì động cơ điện đã cải thiện nhiều về tỷ lệ công suất trên khối lượng, lại sạch hơn, êm hơn và dễ điều khiển hơn. Thuỷ lực chỉ còn ưu thế khi cần lực rất lớn trong không gian rất nhỏ.
Cấu hình lai phổ biến nhất là gì?
Cánh tay chạy bằng động cơ điện, cơ cấu kẹp chạy bằng khí nén — kết hợp độ chính xác của điện với tốc độ và độ mềm của khí nén.
Vấn đề lớn nhất của hệ khí nén ở Việt Nam?
Nước ngưng tụ do độ ẩm cao. Nước vào van và xi lanh gây kẹt, gỉ và hỏng gioăng, nên bộ tách nước và sấy khí là bắt buộc chứ không phải tuỳ chọn.
Đọc thêm trong Chip & bo điều khiển và Pin & quản lý năng lượng.
