Xi lanh xoay khí nén là gì? Nguyên lý hoạt động, thông số và ứng dụng

Trong phần lớn hệ thống khí nén, xi lanh được sử dụng để tạo chuyển động thẳng. Tuy nhiên, nhiều cơ cấu máy lại cần xoay, lật, chuyển hướng hoặc định vị chi tiết theo một góc xác định. Trong những trường hợp này, xi lanh xoay khí nén (pneumatic rotary actuator hoặc rotary table cylinder) là một giải pháp phù hợp.

Bài viết này giới thiệu nguyên lý hoạt động, các thông số quan trọng và ứng dụng của xi lanh xoay, với AirTAC HRQ Series làm ví dụ minh họa.

1. Xi lanh xoay khí nén là gì?

Xi lanh xoay khí nén là cơ cấu chấp hành sử dụng năng lượng của khí nén để tạo ra chuyển động quay thay vì chuyển động tịnh tiến thông thường.

AirTAC HRQ thuộc nhóm rotary table cylinder – xi lanh bàn xoay. Phía trên cơ cấu là một bàn làm việc có thể xoay để gắn trực tiếp chi tiết, đồ gá hoặc cơ cấu của máy.

HRQ Series sử dụng cơ cấu thanh răng – bánh răng (rack and pinion) và kết cấu xi lanh kép. Đây là phương pháp biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của bàn xoay.

2. Nguyên lý hoạt động của xi lanh xoay

Nguyên lý có thể hiểu theo chuỗi chuyển động:

Khí nén → piston chuyển động thẳng → thanh răng di chuyển → bánh răng quay → bàn xoay quay.

Khi khí nén được cấp vào một phía của xi lanh, piston và thanh răng chuyển động. Các răng trên thanh răng ăn khớp với bánh răng ở trục trung tâm, làm trục và bàn phía trên quay.

Khi đảo chiều cấp khí, piston chuyển động theo hướng ngược lại và bàn xoay cũng quay ngược lại.

Nhờ nguyên lý này, hệ thống khí nén có thể tạo chuyển động xoay mà không cần sử dụng động cơ điện cho những cơ cấu xoay giới hạn góc.

3. Video minh họa nguyên lý hoạt động

Video dưới đây của SMC minh họa hoạt động của một rotary table cylinder sử dụng nguyên lý rack-and-pinion. Cấu tạo chi tiết giữa các hãng có thể khác nhau, nhưng video giúp hình dung trực quan cách chuyển động của piston được biến đổi thành chuyển động quay của bàn xoay.

Lưu ý: Video sử dụng sản phẩm SMC để minh họa nguyên lý hoạt động. AirTAC HRQ có thiết kế và thông số riêng theo tài liệu của nhà sản xuất.

4. Cấu tạo và đặc điểm của AirTAC HRQ Series

Theo tài liệu kỹ thuật của AirTAC, HRQ Series có một số đặc điểm đáng chú ý:

• Sử dụng cơ cấu rack and pinion.
• Kết cấu xi lanh kép giúp tạo mô-men xoắn ở hai phía.
• Bàn làm việc được gia công với độ chính xác cao, thuận tiện cho lắp đặt và định vị.
• Giữa bàn làm việc có lỗ xuyên, cho phép bố trí đường ống hoặc chi tiết đi qua tâm.
• Thân xi lanh có các lỗ định vị hỗ trợ lắp đặt.
• Có phương án giảm chấn bằng vít điều chỉnh và, ở các cấu hình phù hợp, giảm chấn tích hợp.

5. Thông số kỹ thuật chính của AirTAC HRQ

6. Mô-men xoắn của AirTAC HRQ

Mô-men xoắn là một trong những thông số quan trọng nhất khi lựa chọn xi lanh xoay. Theo dữ liệu AirTAC, mô-men lý thuyết tại áp suất 0,5 MPa của HRQ Series như sau:

Lưu ý: Không nên lựa chọn xi lanh chỉ dựa trên mô-men lý thuyết. Tải thực tế, bán kính đặt tải, mô-men quán tính, tốc độ quay và năng lượng động học đều cần được xem xét khi chọn model.

7. Ứng dụng của xi lanh xoay

Xi lanh xoay được sử dụng khi máy cần thực hiện một chuyển động quay có giới hạn góc và lặp lại theo chu kỳ. Một số ứng dụng điển hình gồm:

• Xoay và chuyển hướng sản phẩm trên dây chuyền.
• Đảo hướng chi tiết trước công đoạn tiếp theo.
• Cơ cấu pick-and-place kết hợp chuyển động xoay.
• Xoay đồ gá hoặc bàn gá.
• Định vị chi tiết theo hai hoặc nhiều hướng.
• Cơ cấu phân loại sản phẩm.
• Cơ cấu chuyển sản phẩm giữa hai vị trí.
• Các máy lắp ráp và thiết bị tự động hóa cần chuyển động xoay lặp lại.

8. Khi nào nên dùng xi lanh xoay thay cho xi lanh thẳng?

Nếu cơ cấu chỉ cần đẩy, kéo, nâng hoặc hạ theo đường thẳng thì xi lanh khí nén thông thường thường đơn giản hơn.

Xi lanh xoay phù hợp hơn khi đầu ra của cơ cấu cần:

• Quay một góc xác định.
• Đổi hướng chi tiết.
• Xoay bàn gá.
• Thực hiện chuyển động qua lại giữa hai vị trí góc.

Ưu điểm của rotary table cylinder là bàn xoay đã được tích hợp trong cụm chấp hành, giúp thiết kế cơ khí gọn hơn so với việc sử dụng xi lanh thẳng kết hợp với một cơ cấu chuyển đổi chuyển động bên ngoài.

9. Những thông số cần quan tâm khi chọn xi lanh xoay

Khi lựa chọn xi lanh xoay cho máy, không nên chỉ chọn theo kích thước bên ngoài. Các thông số quan trọng gồm:

• Mô-men xoắn yêu cầu.
• Góc xoay cần thiết.
• Khối lượng và vị trí của tải.
• Mô-men quán tính của tải.
• Tốc độ hoặc thời gian xoay.
• Năng lượng động học khi dừng.
• Tải hướng kính và tải dọc trục tác dụng lên bàn xoay.
• Kiểu giảm chấn.
• Áp suất khí nén thực tế của hệ thống.
• Không gian và phương án lắp đặt.

Đặc biệt với cơ cấu quay nhanh hoặc tải có mô-men quán tính lớn, cần kiểm tra năng lượng động học cho phép của từng model. Vượt quá giới hạn này có thể ảnh hưởng đến độ bền của cơ cấu bên trong.

10. Các model AirTAC HRQ

HRQ Series có các kích cỡ:

HRQ2 – HRQ3 – HRQ7 – HRQ10 – HRQ20 – HRQ30 – HRQ50 – HRQ70 – HRQ100 – HRQ200.

Khi chọn model, nên xác định tải, mô-men, góc xoay và tốc độ chuyển động trước, sau đó mới lựa chọn kích cỡ HRQ phù hợp.

11. Kết luận

Xi lanh xoay khí nén là giải pháp hữu ích cho các cơ cấu cần chuyển động xoay lặp lại trong máy tự động. Với cơ cấu rack-and-pinion, chuyển động tuyến tính của piston được biến đổi thành chuyển động quay, cho phép thực hiện các thao tác như xoay, chuyển hướng, phân loại và định vị sản phẩm.

AirTAC HRQ Series tích hợp bàn xoay trực tiếp trên cơ cấu chấp hành và có nhiều kích cỡ từ HRQ2 đến HRQ200, phù hợp với nhiều mức mô-men và tải khác nhau.

Việc lựa chọn model cần dựa trên điều kiện vận hành thực tế, đặc biệt là mô-men xoắn, tải, mô-men quán tính, tốc độ quay và năng lượng động học, thay vì chỉ dựa vào kích thước của xi lanh.

Liên hệ TKC để được hỗ trợ lựa chọn xi lanh xoay phù hợp với yêu cầu của máy và hệ thống khí nén.