Hộp Số Servo

Hộp số servo là hộp giảm tốc lắp thẳng vào mặt bích động cơ servo. Hộp giảm tốc độ quay và tăng mô-men ra trục máy. Servo quay nhanh, thường 3.000 vòng/phút, nhưng mô-men định mức nhỏ. Một servo 750W chỉ có khoảng 2,4 N.m.

Lắp thêm hộp số giảm tốc servo tỉ số 1/10, trục ra còn 300 vòng/phút. Mô-men tăng lên khoảng 22 N.m. Servo nhỏ khi đó kéo được bàn xoay, băng tải, tay gắp nặng hơn nhiều lần. Phần dưới đây giúp chọn đúng loại hộp, đúng mặt bích và tỉ số cho từng công suất servo, từ 100W đến 3kW. Đây là một nhánh của nhóm hộp số giảm tốc, dành riêng cho động cơ servo.

1. Hộp số servo là gì?

Hộp số servo (servo gearbox – hộp số dùng cho servo) là bộ truyền bánh răng đặt giữa động cơ servo và máy. Người dùng còn gọi là hộp giảm tốc servo, hộp giảm tốc motor servo, hộp số cho động cơ servo. Tất cả cùng chỉ một loại thiết bị.

So với hộp giảm tốc gắn motor 3 pha thường, hộp giảm tốc cho động cơ servo khác ở 4 điểm:

• Mặt bích vào theo servo: bích nối làm theo vành định vị, vòng lỗ bắt vít và đường kính trục của từng hãng servo.
• Kẹp trục vào: trục servo thường là trục trơn hoặc có cavet nhỏ. Hộp dùng vòng kẹp ôm trục, có bạc lót khi trục nhỏ hơn lỗ.
• Chịu tốc độ vào cao: servo chạy 3.000 vòng/phút, đỉnh tới 5.000–6.000 vòng/phút. Hộp cho motor thường tính theo 1.400–1.500 vòng/phút.
• Độ rơ thấp: servo dùng để định vị. Khe hở bánh răng lớn làm mất độ chính xác mà encoder đã đo được.

2. Vì sao động cơ servo cần lắp hộp giảm tốc servo?

Servo tự chạy chậm được. Nhưng chạy chậm không làm tăng mô-men. Hộp số giải quyết 4 việc mà riêng servo không làm tốt:

• Tăng mô-men: mô-men ra xấp xỉ mô-men servo × tỉ số × hiệu suất hộp.
• Giảm quán tính quy đổi: quán tính tải quy về trục motor giảm theo bình phương tỉ số. Tỉ số 10 làm quán tính giảm 100 lần. Servo đáp ứng nhanh, ít rung, dễ chỉnh thông số.
• Tăng độ phân giải vị trí: encoder 17 bit đọc 131.072 xung/vòng motor. Qua tỉ số 10, mỗi vòng trục ra có 1.310.720 xung.
• Dùng servo nhỏ hơn: thay vì mua servo 2kW để có mô-men lớn, dùng servo 400W–750W kèm hộp số. Tiết kiệm cả motor lẫn driver.

Ví dụ quán tính: bàn xoay có quán tính 50 × 10⁻⁴ kg.m². Nối thẳng vào servo 400W (quán tính rotor khoảng 0,3 × 10⁻⁴ kg.m²), tỉ lệ quán tính lên tới khoảng 170 lần. Servo khó chỉnh, dễ rung. Qua hộp tỉ số 10, quán tính quy đổi còn 0,5 × 10⁻⁴ kg.m². Tỉ lệ giảm còn khoảng 1,7 lần, nằm trong vùng servo chạy êm.

3. Thông số cần biết khi chọn hộp số servo

Tỉ số truyền

• Hộp đồng trục một cấp thường có tỉ số 3–10. Hai, ba cấp lên tới vài trăm.
• Chọn tỉ số theo tốc độ trục máy cần: tỉ số = tốc độ servo ÷ tốc độ trục ra.
• Servo 3.000 vòng/phút, trục máy cần 60 vòng/phút → tỉ số 50.

Mô-men định mức và mô-men đỉnh

• Mô-men định mức servo (N.m) = 9.550 × công suất (kW) ÷ tốc độ định mức (vòng/phút).
• Mô-men đỉnh servo thường gấp khoảng 3 lần định mức, xuất hiện khi tăng tốc và dừng gấp.
• Hộp phải chịu được mô-men đỉnh × tỉ số, hoặc phải giới hạn mô-men trên driver.

Tốc độ đầu vào

• Hộp hành tinh dành cho servo chịu được 3.000–6.000 vòng/phút tùy cỡ.
• Hộp trục vít, bánh răng công nghiệp thường tính theo khoảng 1.400 vòng/phút. Chạy servo ở 3.000 vòng/phút liên tục làm hộp nóng, nhanh mòn.

Độ rơ (backlash)

• Độ rơ là góc trục ra xoay tự do khi trục vào bị giữ. Đơn vị arcmin (phút cung), 1 độ = 60 arcmin.
• Hộp hành tinh có độ rơ vài arcmin đến khoảng 15 arcmin, tùy cấp chính xác và số cấp.
• Hộp trục vít, cyclo, bánh răng công nghiệp có độ rơ lớn hơn. Hợp cho tải chạy liên tục, ít đảo chiều.

Mặt bích và trục vào

• Đo 4 số trên motor: đường kính vành định vị, đường kính vòng lỗ bắt vít, cỡ lỗ vít, đường kính và chiều dài trục.
• Bích hộp phải khớp cả 4 số. Sai một số là không lắp được hoặc lắp lệch tâm.

Tải hướng tâm, dọc trục và hiệu suất

• Tải hướng tâm sinh ra khi trục ra kéo dây đai, nhông xích, bánh răng. Tải dọc trục sinh ra khi đẩy vít me, bánh răng nghiêng.
• Hiệu suất hộp bánh răng, hành tinh thường trên 90%. Hộp trục vít thấp hơn, giảm dần khi tỉ số tăng.

4. Chọn hộp số servo theo công suất

Bảng dưới là mô-men định mức tính theo công thức 9.550 × P ÷ n, cùng mặt bích và trục motor thường gặp. Kích thước bích, trục khác nhau giữa các hãng. Luôn đo lại trên motor thật hoặc bản vẽ motor.

Bảng thông số hộp số servo 100W–3kW theo công suất motor

• Servo 100W–750W gần như luôn có tốc độ định mức 3.000 vòng/phút.
• Từ 1kW trở lên có cả loại 2.000 vòng/phút, mô-men lớn hơn và trục to hơn. Đọc tem trước khi đặt bích.
• Cỡ hộp hành tinh thường đặt tên theo cạnh bích: hộp cỡ 60 cho bích 60 mm, cỡ 80–90 cho bích 80 mm, cỡ 120–130 cho bích 100–130 mm.
• Động cơ bước (step motor) bích 57 mm, 86 mm cũng dùng được hộp số servo nếu đặt đúng bích nối.

Ví dụ tính nhanh với servo 750W

• Servo 750W, 3.000 vòng/phút, mô-men định mức 2,39 N.m, mô-men đỉnh khoảng 7,2 N.m.
• Hộp tỉ số 10, hiệu suất khoảng 95%: trục ra 300 vòng/phút, mô-men định mức khoảng 2,39 × 10 × 0,95 ≈ 22,7 N.m.
• Lúc tăng tốc, mô-men đỉnh trên trục ra khoảng 7,2 × 10 × 0,95 ≈ 68 N.m. Hộp chọn phải chịu được con số này.
• Nếu dùng hộp trục vít tỉ số 10, hiệu suất có thể chỉ khoảng 80–85%. Mô-men ra thấp hơn, cần tính dư.

5. Các loại hộp giảm tốc servo

Hộp giảm tốc servo chia theo hướng trục và kiểu bánh răng. Mỗi loại hợp với một kiểu máy.

Ảnh dưới tổng hợp 15 kiểu hộp số servo gắn động cơ servo thực tế: trục vít WPWDA, WPWDO, WPWDS, NMRV, cyclo, hành tinh, GHM, GVM, KAB, K, TKM và R.

a) Hộp giảm tốc servo hành tinh

Bánh răng mặt trời ở giữa, các bánh răng hành tinh quay quanh, ăn khớp với vành răng trong. Tải chia đều cho nhiều bánh răng nên hộp gọn mà mô-men lớn. Đây là loại phổ biến nhất trên servo 100W–3kW. Tỉ số một cấp thường 3, 4, 5, 8, 10; hai cấp từ 9 đến 64; ba cấp tới vài trăm. Có bản trục vào vuông góc cho máy chật chỗ.

b) Hộp số servo trục vít bánh vít

Trục vít trên trục vào quay bánh vít trên trục ra, đổi hướng 90°. Bản vỏ nhôm nhẹ, hợp servo nhỏ. Bản vỏ gang chịu mô-men lớn hơn, có chân đế. Ưu điểm là giá thấp, tỉ số lớn chỉ với một cấp. Nhược điểm là hiệu suất thấp ở tỉ số lớn và nóng khi chạy nhanh. Thuộc nhóm hộp giảm tốc trục vít.

c) Hộp số servo cyclo

Đĩa cycloid lăn trên vòng chốt, nhiều điểm cùng chịu tải. Hộp chịu va đập tốt, tỉ số một cấp lớn. Có bản chân đế và mặt bích. Hợp máy khuấy, máy ép, băng tải có tải giật. Cùng nguyên lý với nhóm hộp số giảm tốc cycloid cyclo.

d) Hộp giảm tốc servo bánh răng côn cốt ngang

Cặp bánh răng côn xoắn đổi hướng 90°, sau đó các cấp bánh răng trụ giảm tiếp. Hiệu suất cao, mô-men lớn. Trục ra nằm ngang, có bản trục âm lồng thẳng vào trục máy và bản trục dương. Hợp băng tải con lăn, máy cán, cơ cấu di chuyển. Bản trục âm thuộc nhóm hộp giảm tốc cốt âm.

e) Hộp số servo vuông góc hypoid vỏ nhôm

Bánh răng hypoid đổi hướng 90° với hiệu suất cao hơn trục vít. Vỏ nhôm gọn, nhẹ. Hợp các máy trước đây dùng trục vít nhưng cần đỡ nóng, đỡ tốn điện. Xem thêm nhóm hộp số vuông góc.

f) Hộp giảm tốc servo bánh răng trụ trục thẳng

Bánh răng trụ răng nghiêng, trục vào và trục ra cùng hướng. Bản chân đế chịu tải nặng, chạy liên tục. Bản mặt bích bắt thẳng vào thân máy. Cùng kết cấu với nhóm hộp giảm tốc R và hộp giảm tốc RF.

6. Ứng dụng của hộp số servo

• Máy CNC, máy phay gỗ: trục quay, bàn xoay chia độ. Cần độ rơ thấp.
• Robot gắp, tay máy: khớp quay cần gọn, nhẹ, mô-men lớn.
• Máy đóng gói, máy cắt bao bì: dao cắt bay, trục kéo màng. Đảo chiều liên tục, cần đáp ứng nhanh.
• Băng tải định vị: dừng đúng vị trí từng sản phẩm. Servo 400W–1kW qua hộp tỉ số 10–30 là phổ biến.
• Máy in, máy dán nhãn: đồng bộ tốc độ giữa các trục.
• Cơ cấu nâng hạ, vít me: servo qua hộp kéo vít me, nâng bàn máy đúng hành trình.

7. Chọn hộp số giảm tốc servo theo 5 bước

Năm bước dưới đây áp dụng cho mọi loại hộp giảm tốc servo. Ví dụ đi kèm là băng tải định vị: rulo đường kính 100 mm, băng chạy 0,5 m/s, lực kéo băng 300 N.

Bước 1 – Tính tốc độ trục máy

• Tốc độ rulo = vận tốc ÷ (π × đường kính) = 0,5 ÷ (3,14 × 0,1) ≈ 1,59 vòng/giây ≈ 95 vòng/phút.

Bước 2 – Tính mô-men trục máy

• Mô-men = lực × bán kính = 300 × 0,05 = 15 N.m.
• Nhân hệ số làm việc 1,5 cho băng tải dừng – chạy liên tục: 15 × 1,5 = 22,5 N.m.

Bước 3 – Chọn tỉ số

• Servo 3.000 vòng/phút ÷ 95 vòng/phút ≈ 31,6. Chọn tỉ số chuẩn gần nhất là 30.
• Tốc độ thật trục ra 100 vòng/phút, băng chạy khoảng 0,52 m/s. Driver chỉnh lại tốc độ cho đúng 0,5 m/s.

Bước 4 – Chọn công suất servo

• Mô-men servo cần = 22,5 ÷ (30 × 0,92) ≈ 0,82 N.m, lấy hiệu suất hộp hai cấp khoảng 92%.
• Servo 400W có 1,27 N.m định mức, đủ và còn dư khoảng 50% cho tăng tốc. Không cần lên 750W.

Bước 5 – Kiểm tra hộp số

• Mô-men đỉnh trên trục ra ≈ 3,8 × 30 × 0,92 ≈ 105 N.m. Hộp số giảm tốc servo chọn phải chịu được mức này, hoặc giới hạn mô-men đỉnh trên driver.
• Kiểm tra bích 60 mm, trục 14 mm của servo 400W khớp bích nối của hộp.
• Kiểm tra tải hướng tâm nếu rulo nối qua nhông xích hoặc dây đai.

Cùng một băng tải, nếu chọn hộp trục vít tỉ số 30 với hiệu suất khoảng 70%, mô-men servo cần lên khoảng 1,07 N.m. Servo 400W vẫn đủ nhưng gần sát định mức, hộp cũng nóng hơn. Đây là lý do hộp giảm tốc cho động cơ servo nên được chọn cùng lúc với servo, không chọn tách rời.

8. Sai lầm thường gặp khi chọn hộp số servo

• Chọn theo công suất, quên mô-men đỉnh: hộp chịu được mô-men định mức nhưng gãy răng khi servo tăng tốc gấp.
• Dùng hộp cho motor thường ở 3.000 vòng/phút: hộp nóng, phớt chảy dầu, tuổi thọ giảm mạnh.
• Không đo bích và trục trước khi đặt: cùng 750W nhưng mỗi hãng một kiểu bích. Lắp không vừa phải gia công lại.
• Chọn tỉ số quá nhỏ: quán tính tải lớn, servo rung, phải giảm hệ số điều khiển, máy chạy chậm.
• Chọn tỉ số quá lớn: tốc độ trục ra không đủ, servo luôn chạy hết tốc độ, nóng và ồn.
• Dùng hộp số để giữ tải đứng: khi mất điện tải có thể trôi. Trục đứng cần servo có phanh.

9. Câu hỏi thường gặp về hộp số servo

• Hộp số servo khác hộp giảm tốc thường ở điểm nào? Hộp số servo có bích nối theo đúng servo, kẹp trục vào bằng vòng kẹp, chịu tốc độ vào cao và độ rơ thấp hơn. Bánh răng bên trong có thể giống hộp thường, phần khác chủ yếu ở đầu vào và cấp chính xác.
• Có lắp hộp giảm tốc thường cho motor servo được không? Được, nếu làm được bích nối đúng và giới hạn tốc độ servo quanh 1.500 vòng/phút. Khi đó servo chỉ dùng một nửa tốc độ, nên mô-men ra phải tính lại theo tốc độ thật.
• Tỉ số truyền bao nhiêu là phù hợp cho servo? Bắt đầu từ tốc độ trục máy cần: tỉ số = tốc độ servo ÷ tốc độ trục ra. Sau đó kiểm tra quán tính: quán tính tải ÷ bình phương tỉ số nên nhỏ hơn khoảng 10 lần quán tính rotor để servo chạy êm.
• Servo 400W lắp hộp số cỡ nào? Servo 400W thường có bích 60 mm, trục 14 mm. Hộp hành tinh cỡ 60 lắp vừa với đa số loại. Vẫn cần đo vành định vị và vòng lỗ bắt vít vì mỗi hãng có thể khác.
• Servo 750W lắp hộp số cỡ nào? Servo 750W thường có bích 80 mm, trục 19 mm. Hộp hành tinh cỡ 80–90 là phổ biến. Mô-men đỉnh trên trục ra ở tỉ số 10 vào khoảng 68 N.m, cỡ hộp phải chịu được mức này.
• Servo 1kW đến 2kW lắp hộp số cỡ nào? Nhóm này có bích 100–130 mm, trục 19–24 mm. Hộp cỡ 120–130 thường dùng. Servo 2.000 vòng/phút có mô-men lớn hơn bản 3.000 vòng/phút cùng công suất, nên chọn hộp theo mô-men chứ không theo kW.
• Độ rơ hộp số servo bao nhiêu là đủ? Tính sai lệch ở đầu công tác. Bàn xoay bán kính 200 mm, độ rơ 10 arcmin cho sai lệch khoảng 0,58 mm trên mép bàn. Nếu máy cần sai số dưới 0,1 mm thì độ rơ phải nhỏ hơn khoảng 1,7 arcmin, hoặc phải luôn tiếp cận vị trí từ một chiều.
• Hộp số servo có thay được phanh để giữ tải đứng không? Không. Kể cả hộp trục vít tỉ số lớn cũng có thể trôi khi rung hoặc khi mòn. Trục đứng, cơ cấu nâng cần servo có phanh.
• Mô-men đỉnh của servo ảnh hưởng gì đến hộp số? Khi tăng tốc hoặc dừng gấp, servo có thể ra gấp khoảng 3 lần mô-men định mức. Mô-men này nhân với tỉ số đi thẳng vào bánh răng. Hộp chọn sát mô-men định mức dễ mẻ răng. Có thể giới hạn mô-men đỉnh trên driver để bảo vệ hộp.
• Chạy servo 3.000 vòng/phút qua hộp trục vít có sao không? Hộp trục vít công nghiệp tính theo khoảng 1.400 vòng/phút. Chạy 3.000 vòng/phút liên tục làm dầu nóng, mòn bánh vít nhanh. Nếu dùng trục vít, nên giới hạn tốc độ servo hoặc chỉ chạy ngắt quãng.
• Mỗi hãng servo có cần bích nối riêng không? Có. Delta, Mitsubishi, Panasonic, Yaskawa và servo Trung Quốc cùng công suất vẫn có thể khác vành định vị, vòng lỗ bắt vít hoặc đường kính trục. Hộp số dùng bích nối và bạc lót trục để khớp từng loại.
• Hộp số servo đồng trục hay vuông góc thì tốt hơn? Không loại nào tốt hơn tuyệt đối. Đồng trục gọn theo chiều ngang, hiệu suất cao. Vuông góc giúp motor nằm dọc thân máy, tiết kiệm chiều dài. Chọn theo chỗ lắp trên máy trước, rồi mới chọn kiểu bánh răng.
• Động cơ servo giảm tốc liền khối khác servo ghép hộp rời thế nào? Bộ liền khối được hãng ghép sẵn, gọn, ít chi tiết nối. Servo ghép hộp rời linh hoạt hơn: đổi được tỉ số, đổi được hãng servo, thay riêng hộp hoặc motor khi hỏng.
• Hiệu suất hộp số ảnh hưởng gì khi chọn servo? Hiệu suất thấp thì mô-men ra thấp. Với hộp hiệu suất 95%, servo 750W tỉ số 10 cho khoảng 22,7 N.m. Với hộp hiệu suất 80%, chỉ còn khoảng 19 N.m. Phần hao hụt biến thành nhiệt trong hộp.
• Hộp số servo có lắp được động cơ bước không? Được, nếu bích nối đặt đúng cỡ động cơ bước, thường là 57 mm hoặc 86 mm, và đúng đường kính trục. Động cơ bước mất mô-men nhanh khi tăng tốc độ, nên tỉ số hộp thường chọn lớn hơn so với servo.

Các nhóm hộp số giảm tốc cùng cấp với hộp số servo:

• Hộp giảm tốc trục vít
• Hộp giảm tốc cốt âm
• Hộp số vuông góc
• Hộp số giảm tốc cycloid cyclo
• Hộp giảm tốc R
• Hộp giảm tốc RF
• Hộp giảm tốc 1 cấp
• Hộp giảm tốc 2 cấp
• Hộp số giảm tốc mini
• Hộp giảm tốc vít me nâng hạ SWL
• Hộp số giảm tốc size 60
• Hộp số giảm tốc size 70
• Hộp số giảm tốc size 80
• Hộp số giảm tốc size 100
• Hộp số giảm tốc size 120
• Hộp số giảm tốc size 135
• Hộp số giảm tốc size 155
• Hộp số giảm tốc size 175
• Hộp số giảm tốc size 200