Actuator: Cấu Tạo, Nguyên Lý, Các Loại Và Ứng Dụng

Actuator là một trong những bộ phận quan trọng nhất, đóng vai trò biến đổi năng lượng thành chuyển động cơ học để thực hiện các thao tác như đóng, mở, nâng, hạ, quay, tịnh tiến. Actuator được ứng dụng rộng rãi trong thủy lực, khí nén, tự động hóa, robot công nghiệp, máy ép, dây chuyền sản xuất và nhiều lĩnh vực khác.

Actuator là gì?

Actuator (hay còn gọi là bộ truyền động chấp hành) là thiết bị có nhiệm vụ nhận năng lượng đầu vào và chuyển đổi thành chuyển động cơ học để điều khiển các cơ cấu trong hệ thống.

Nói một cách đơn giản, van điều khiển quyết định dòng năng lượng, còn actuator sẽ thực hiện chuyển động.

Chuyển động của actuator có thể là các chuyển động tịnh tiến đẩy, kéo, chuyển động quay, hoặc chuyển động kết hợp vừa quay vừa tịnh tiến.

Actuator

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của actuator

Tùy theo từng loại actuator, cấu tạo sẽ khác nhau, tuy nhiên về cơ bản gồm các thành phần chính:

• Bộ phận nhận năng lượng: dầu thủy lực, khí nén hoặc dòng điện
• Cơ cấu biến đổi năng lượng: piston, cánh gạt, bánh răng, motor
• Cơ cấu truyền động ra ngoài: trục, cần piston, khớp nối
• Vỏ bảo vệ và gioăng làm kín

Ngoài ra, ngay phía trên thân actuator được lắp đặt khối van, bao gồm các loại van như van phân phối, van tỷ lệ, van servo và cụm manifold tích hợp nhiều van trên một block.

Cấu tạo của 1 actuator thủy lực

Nguyên lý hoạt động của actuator

Về bản chất, actuator hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng đầu vào thành chuyển động cơ học có kiểm soát. Năng lượng đầu vào có thể là áp suất dầu, áp suất khí hoặc tín hiệu điện, tùy theo từng loại actuator.

Quá trình hoạt động chung gồm 3 bước:

• Nhận tín hiệu hoặc nguồn năng lượng từ hệ thống điều khiển (van, PLC, bộ nguồn).
• Biến đổi năng lượng thành lực đẩy, lực kéo hoặc mô-men xoắn thông qua piston, cánh gạt, bánh răng hoặc motor.
• Truyền chuyển động ra tải (xi lanh, trục quay, cánh tay robot, cơ cấu đóng/mở van).

Điểm khác nhau cốt lõi giữa các loại actuator nằm ở cách tạo lực, mức độ kiểm soát chuyển động và khả năng chịu tải.

Các loại actuator phổ biến hiện nay

Actuator được chia thành 3 loại là actuator thủy lực, khí nén và điện. Trong đó, actuator thủy lực phổ biến nhất trong các nhà máy công nghiệp nặng do khả năng tạo ra lực mạnh, độ bền cao và dùng cho tải lớn. 

Trong khi đó, actuator khí nén hoạt động nhanh hơn, giá thành rẻ hơn và thường dùng cho những hệ thống yêu cầu tải nhẹ. Còn actuator điện có độ chính xác cao, dễ điều khiển. 

Mỗi loại sẽ phù hợp với hệ thống đặc thù có yêu cầu về lực, độ chính xác, môi trường làm việc và chi phí đầu tư.

Actuator thủy lực 

Actuator thủy lực sử dụng áp suất dầu thủy lực làm nguồn năng lượng để tạo ra lực hoặc mô-men xoắn. Nhờ đặc tính dầu gần như không nén được, actuator thủy lực có khả năng truyền lực rất lớn và ổn định, đặc biệt phù hợp với các hệ thống tải nặng và làm việc liên tục. Đặc điểm nổi bật: 

• Khả năng tạo lực lớn: Lực tạo ra tỷ lệ trực tiếp với áp suất dầu và diện tích piston, có thể đạt từ vài tấn đến hàng trăm tấn, vượt trội so với actuator khí nén và điện.
• Khả năng làm việc bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt: Actuator thủy lực hoạt động ổn định trong điều kiện bụi bẩn, rung động mạnh, nhiệt độ cao hoặc môi trường ngoài trời.
• Kiểm soát chuyển động chính xác: Khi kết hợp với van tỷ lệ hoặc van servo, actuator thủy lực có thể điều khiển mượt mà chính xác theo vị trí, tốc độ và lực tác động, phù hợp cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao dù tải rất lớn.
• Giữ tải tốt, an toàn cao: Trên thân actuator thường được lắp đặt nhiều van, và tích hợp van khóa, van cân bằng giúp giữ tải đứng yên, chống tụt khi dừng máy hoặc mất áp.

Actuator thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống nâng hạ tải trọng lớn, các loại máy ép, máy dập kim loại, máy công trình hạng nặng, thiết bị công nghiệp nặng và trong hệ thống thủy lực của các nhà máy công nghiệp.

Actuator thủy lực

 

Xem thêm: Dịch vụ bảo dưỡng, sửa chữa actuator cho các nhà máy công nghiệp

 

Actuator khí nén

Actuator khí nén sử dụng áp suất khí nén (thường từ 5–8 bar) để tạo chuyển động. Nhờ khí nén dễ tạo và xả nhanh, actuator khí nén có ưu điểm về giá thành, cấu tạo đơn giản và tốc độ nhanh. Một số đặc điểm nổi bật như:

• Tốc độ phản hồi nhanh: Khí nén cho phép actuator di chuyển nhanh, phù hợp cho các chu kỳ đóng, mở liên tục với tần suất cao.
• Cấu tạo đơn giản, dễ bảo trì: Ít chi tiết phức tạp, dễ lắp đặt, thay thế và sửa chữa.
• Chi phí đầu tư thấp: So với thủy lực và điện, hệ thống khí nén có chi phí ban đầu và chi phí vận hành thấp hơn.

Tuy nhiên, actuator khí nén bị hạn chế về lực làm việc. Do áp suất khí nén thấp và khí có tính đàn hồi, lực sinh ra nhỏ hơn nhiều so với actuator thủy lực.

Actuator khí nén được dùng nhiều trong các dây chuyền đóng gói, máy lắp ráp tự động, hệ thống kẹp, đẩy, phân loại trong nhà máy và sử dụng để điều khiển van công nghiệp cỡ nhỏ và trung bình.

Actuator khí nén

Actuator điện

Actuator điện sử dụng động cơ điện để tạo chuyển động, thông qua vít me, bánh răng hoặc hộp số. Đây là loại actuator phù hợp nhất cho các hệ thống tự động hóa hiện đại và điều khiển chính xác. Một số đặc điểm nổi bật như:

• Điều khiển chính xác cao: Có thể kiểm soát chính xác vị trí, tốc độ nhờ tín hiệu điện và bộ điều khiển tích hợp.
• Dễ tích hợp hệ thống điều khiển: Kết nối trực tiếp với PLC, SCADA, biến tần, servo drive, thuận tiện cho tự động hóa thông minh.
• Vận hành sạch sẽ, không lo rò rỉ: Không sử dụng dầu hay khí, phù hợp môi trường yêu cầu sạch như thực phẩm, dược phẩm, phòng sạch.

Tuy nhiên, actuator điện bị giới hạn về lực và tải. So với thủy lực, loại actuator này khó đáp ứng các ứng dụng tải nặng hoặc chịu va đập lớn.

Actuator điện thường được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa nhà máy, để điều khiển van điện, trong robot công nghiệp và các cơ cấu định vị chính xác, bàn trượt, cơ cấu nâng nhẹ.

Actuator điện

 

 

Xem thêm: Chế tạo đế van thủy lực (manifold) theo yêu cầu uy tín giá tốt

Ứng dụng thực tế của actuator trong công nghiệp

Actuator xuất hiện trong hầu hết các hệ thống cơ khí – tự động hóa hiện nay, đóng vai trò chuyển tín hiệu điều khiển thành chuyển động cơ học thực tế. Tùy theo yêu cầu lực, tốc độ và độ chính xác, actuator được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

Điều khiển đóng / mở van công nghiệp

Actuator được gắn trực tiếp lên các loại van như van bi, van bướm, van cổng để đóng/mở van tự động theo tín hiệu điều khiển, điều khiển van từ xa, thay thế thao tác thủ công và đảm bảo an toàn và độ chính xác trong các hệ thống áp suất cao

Ứng dụng này phổ biến trong hệ thống dầu khí, hóa chất, xử lý nước, hơi, nhiệt.

Truyền động cho xi lanh ép, kẹp, nâng hạ

Trong các máy móc sản xuất, actuator tạo ra lực ép lớn cho máy ép, máy dập, tạo ra các chuyển động kẹp, giữ phôi trong máy gia công và nâng hạ bàn máy, khuôn, tải nặng. Đây là nhóm ứng dụng yêu cầu lực lớn, độ ổn định cao và làm việc liên tục.

Điều khiển băng tải, bàn xoay, cánh tay robot

Actuator giúp tạo ra các chuyển động tịnh tiến đẩy, kéo cho băng tải, cơ cấu trượt, các chuyển động quay cho bàn xoay, bộ chia phôi và chuyển động đa trục cho robot công nghiệp

Trong các hệ thống này, actuator đóng vai trò là khâu chấp hành cuối, quyết định độ chính xác và tốc độ của toàn bộ dây chuyền.

Một loại actuator trong nhà máy công nghiệp

Máy ép nhựa, máy dập, máy CNC

Trong các hệ thống máy công nghiệp chính xác cao, actuator điều khiển đóng mở khuôn, ép phôi, giữ áp, giúp đảm bảo chuyển động ổn định, lặp lại chính xác và phối hợp nhịp nhàng với hệ điều khiển tự động. Đặc biệt ở máy CNC và máy ép nhựa, actuator thường yêu cầu điều khiển mượt, chính xác và phản hồi nhanh.

Ngành công nghiệp nặng

Trong môi trường làm việc khắc nghiệt, Actuator vận hành các cơ cấu tải lớn, áp suất cao, có khả năng làm việc liên tục trong điều kiện nhiệt độ, bụi, rung động, và đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống.

Các ngành này gần như bắt buộc sử dụng actuator thủy lực nhờ lực lớn và độ bền cao, phổ biến nhất trong các nhà máy thép, xi măng, sản xuất vật liệu xây dựng, thủy điện, nhiệt điện và dầu khí.

Trên đây là tổng hợp tất cả thông tin về các loại actuator và ứng dụng thực tế trong công nghiệp. Trong thực tế, việc lựa chọn đúng loại actuator và cụm van điều khiển phù hợp sẽ quyết định trực tiếp đến hoạt động, độ an toàn và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống. Vì vậy, các hệ thống công nghiệp hiện đại luôn ưu tiên giải pháp actuator được thiết kế và tích hợp đồng bộ ngay từ đầu.

Nếu bạn đang cần tư vấn nâng cấp, sửa chữa hệ thống actuator hiện có, hãy liên hệ Công ty Kỹ thuật Nam Hải để được tư vấn giải pháp kỹ thuật phù hợp, tối ưu chi phí và đáp ứng đúng yêu cầu vận hành thực tế của nhà máy.