Đề cương bài giảng Kỹ thuật điều khiển khí nén - Đào Chí Cường

146 trang ngocly 1030

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề cương bài giảng Kỹ thuật điều khiển khí nén - Đào Chí Cường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

de_cuong_bai_giang_ky_thuat_dieu_khien_khi_nen_dao_chi_cuong.pdf

Nội dung text: Đề cương bài giảng Kỹ thuật điều khiển khí nén - Đào Chí Cường

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MễN CƠ ĐIỆN LẠNH VÀ ĐIỀU HềA KHễNG KHÍ Tă”ng tttt ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG ff KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN KHÍ NẫN TRèNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ CHUYấN NGÀNH: CễNG NGHỆ CƠ ĐIỆN & BẢO TRè, CễNG NGHỆ CƠ ĐIỆN LẠNH VÀ ĐIỀU HềA KHễNG KHÍ GIẢNG VIấN: TS. ĐÀO CHÍ CƯỜNG Năm 2015
kỹ thuật điều khiển khí nén Ch•ơng 1: những vấn đề chung về khí nén và công nghệ khí nén 1.1. Vài nét về sự phát triển của kỹ thuật khí nén. ứng dụng khí nén bắt đầu từ tr•ớc công nguyên. Ví dụ: nhà triết học ng•ời Hi Lạp Ktesibios (năm 140, tr•ớc Công nguyên) và học trò của ông là Heron (năm 100, tr•ớc Công nguyên) đã chế tạo ra thiết bị bắn tên hay ném đá khí nén (hình l.l). Dây cung đ•ợc căng bằng áp suất khí trong 2 xilanh thông qua 2 đòn bẩy nối với 2 Piston của 2 xilanh đó. Khi buông dây cung ra, áp suất của không khí nén làm tăng vận tốc bay của mũi tên. Sau đó một số phát minh sáng chế của Klesibios và Heron nh•: thiết bị đóng, mở cửa bằng khí nén; Bơm súng phun lửa cũng đ•ợc sáng chế trong thời kỳ này. Khái niệm ''Pneumatica'' cũng đ•ợc dùng trong thập kỷ này. Từ "Pneumatic" xuất phát từ tiếng cổ Hy Lạp có nghĩa là "gió", "hơi thở", còn trong triết học có nghĩa là "linh hồn". Thuật ngữ "Pneuma" để chỉ một ngành khoa học về khí động học và các hiện t•ợng liên quan đã đ•ợc đúc Hình 1.1. Thiết bị bắn tên kết. Tuy nhiên sự phát triển của khoa học kĩ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lí, vật liệu còn thiếu, cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế. Mãi cho đến thế kỷ 17, kĩ s• chế tạo ng•ời Đức Otto von Guerike (1602-1686), nhà toán học và triết học ng•ời Pháp Blaise Pascal (1623-1662), cũng nh• nhà vật lí ng•ời Pháp Denis Papin (1647-1712) đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng khí nén. Trong thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng l•ợng khí nén lần l•ợt đ•ợc phát minh, nh•. th• vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835) của Josef Ritter (Austria), phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861). Trong lĩnh vực xây dựng đ•ờng hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy Sĩ (1857) lần đầu tiên ng•ời ta sử dụng khí nén với công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụng năng l•ợng khí nén lớn với công suất 7350kW. Khí nén đ•ợc vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đ•ờng ống với đ•ờng kính 500 mm và dài nhiều km. Tại đó khí nén đ•ợc nung nóng lên nhiệt độ từ 500 C đến 1500 C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi GV: Đào Chớ Cường Trang 1
kỹ thuật điều khiển khí nén Với sự phát triển mạnh mẽ của năng l•ợng điện, vai trò sử dụng năng l•ợng bằng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên việc sử dụng năng l•ợng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực, mà khi sử dụng năng l•ợng điện sẽ nguy hiểm, sử dụng năng l•ợng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nh•ng truyền động với vận tốc lớn, sử dụng năng l•ợng bằng khí nén ở những thiết bị nh• búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh và nhiều nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy. Thời gian sau chiến tranh Thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng l•ợng bằng khí nén trong kĩ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ. Với những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới đ•ợc sáng chế và đ•ợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp khí nén với điện-điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kĩ thuật điều khiển trong t•ơng lai. Hãng FESTO (Đức) có những ch•ơng trình phát triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng, không những phục vụ cho công nghiệp, mà còn phục vụ cho sự phát triển các ph•ơng tiện dạy học (Didactic). 1.2. Khả năng ứng dụng của khí nén 1.2.1. Trong lĩnh vực điều khiển Sau chiến tranh Thế giới thứ 2, nhất là vào những năm 50 và 60 của thế ký 20 này, là thời gian phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật điều khiển bằng khí nén. giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất đ•ợc phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở Cộng hòa Liên bang Đức dã có 60 hãng chuyên sản xuất các phân tử điều khiển bằng khí nén. Hệ thống điều khiển bằng khí nén đ•ợc sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó dễ xảy ra các vụ cháy nổ, các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là đ•ợc sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì các thiết bị khí nén có thể đảm bảo điều kiện vệ sinh môi tr•ờng rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén đ•ợc sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động; trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. 1.2.2. Hệ thống truyền động  Các dụng cụ, thiết bị máy va đập Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác, nh• khai thác đá, khai thác than; trong các công trình xây dựng, nh• xây dựng hầm mỏ, đ•ờng hầm,  Truyền động quay Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng l•ợng khí nén giá thành rất cao. Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng GV: Đào Chớ Cường Trang 2
kỹ thuật điều khiển khí nén năng l•ợng khí nén và một động cơ điện có cùng một công suất, thì giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng l•ợng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện. Nh•ng ng•ợc lại thể tích và trọng l•ợng nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng công suất. Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan, công suất khoảng 3,5 kw; máy mài, công suất khoảng 2,5 kw, cũng nh• những láy mài với công suất nhỏ, nh•ng với số vòng quay cao 100.000 vòng/phút thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp.  Truyền động thẳng Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đông gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh, cũng nh• trong hệ thống phanh hãm của ô tô.  Trong các hệ thống đo và kiểm tra. Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất l•ợng sản phẩm. 1.3. •u nh•ợc điểm của hệ thống truyền động khí nén a) •u điểm - Do khả năng chịu nén của không khí, cho nên có thể tích chứa khí nén một cách thuận lợi. Nh• vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm tích chứa khí nén. - Có khả năng truyền tải năng l•ợng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đ•ờng dẫn ít. - Đ•ờng dẫn khí nén ra (thải ra) không cần thiết (ra ngoài không khí). - Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đ•ờng dẫn khí nén đã có sẵn. - Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đ•ợc đảm bảo. b) Nh•ợc điểm - Lực truyền tải trọng thấp. - Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi, bởi vì khả năng đần hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển động thẳng hoặc quay đều. - Dòng khí nén thoát ra ở đ•ờng dẫn ra gây nên tiếng ồn. Hiện nay, trong Lĩnh vực điều khiển, ng•ời ta th•ờng kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện, điện tử. Cho nên rất khó xác định một cách chính xác rõ ràng •u nh•ợc điểm của từng hệ thống điều khiển. GV: Đào Chớ Cường Trang 3
kỹ thuật điều khiển khí nén 1.4. Đặc điểm, tính chất của không khí nén. - Số l•ợng: có thể coi là vô tận. - Việc vận chuyển: có thể đ•ợc l•u thông dễ dàng trong các đ•ờng ống dẫn, với một khoảng cách nhất định. Đ•ờng hồi về không cần thiết vì khí nén sau khi công tác đ•ợc thoát ra ngoài môi tr•ờng. - L•u trữ: Máy nén khí không nhất thiết phải hoạt động liên tục. Không khí nén đ•ợc l•u trữ trong các bình chứa, đ•ợc lắp nối trong hệ thống ống dẫn để cung cấp cho sử dụng khi cần thiết. - Nhiệt độ: Không khí nén ít bị thay đổi theo nhiệt độ. - Chống cháy nổ: Không có nguy cơ gây cháy bởi khí nén nên không tốn phí về phòng cháy. Hoạt động với áp suất khoảng 6 - 7 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp. - Mức độ sạch: Không khí nén sạch ngay cả trong tr•ờng hợp l•u thông trong các đ•ờng ống hay thiết bị. Không một nguy cơ gây bẩn nào phải lo tới. Điều này đặc biệt cần thiết trong các ngành công nghiệp thực phẩm, vải sợi, lâm sản, thuộc da - Cấu tạo trang thiết bị: Đơn giản nên có giá thành thấp. - Vận tốc: Không khí nén có thể l•u thông với tốc độ rất cao. Vận tốc công tác của các xilanh khí nén th•ờng trong khoảng 1 đến 2 m/s, trong một số tr•ờng hợp có thể đạt 5 m/s. - Tính dễ điều chỉnh: Vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác dùng khí nén đ•ợc điều chỉnh một cách vô cấp. - Vấn đề quá tải: Các công cụ và thiết bị khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi chúng dừng hẳn, cho nên sẽ không xảy ra quá tải. Để phân định một cách cặn kẽ các lĩnh vực áp dụng kỹ thuật khí nén, cần phải biết các tính chất không thể không chú trọng đến sau đây: - Cách xử lý: Không khí nén phải đ•ợc chuẩn bị sao cho không chứa bụi bẩn, tạp chất và n•ớc vì chúng làm cho các phần tử khí nén chóng mòn. - Tính chịu nén: Không khí có tính nén đ•ợc, cho phép thay đổi và điều chỉnh vận tốc của Piston. - Lực tác dụng: Không khí đ•ợc nén sẽ không kinh tế nếu ch•a đạt đ•ợc một công suất nhất định, áp suất làm việc th•ờng đ•ợc chấp nhận là 7 bar. Lực tác dụng đ•ợc giới hạn trong khoảng 20000 đến 30000 N (2000 đến 3000 kp). Độ lớn của lực tác dụng còn phụ thuộc vào vận tốc và hành trình. GV: Đào Chớ Cường Trang 4
kỹ thuật điều khiển khí nén - Thoát khí: Không khí nén xả ra ngoài tạo âm thanh gây ồn, nh•ng nhờ các bộ giảm thanh gắn ở từng đ•ờng thoát nên vấn đề này đã đ•ợc giải quyết. - Giá thành: Không khí nén là một nguồn năng l•ợng dồi dào, đơn giản và sẵn có nên hệ thống sử dụng có giá thành thấp. 1.5. Các đại l•ợng vật lý và đơn vị đo. Không khí trong bầu khí quyển là một hỗn hợp các khí nh•: - Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích - ôxy chiếm khoảng 21% còn lại là một số khí nh•: Cacbonic, Acgông, Hyđrô, Nêông, Hêli, Criptông, Xênon, Để hiểu rõ thêm các định luật về động lực học và trạng thái của không khí, d•ới đây liệt kê các thông số vật lý và các hệ thống đo l•ờng. Trong thực tế ng•ời ta th•ờng dùng hai hệ thống đo l•ờng thuận lợi trong việc nghiên cứu và ứng dụng là hệ kỹ thuật và hệ SI. a. Các thông số cơ bản: Thông số Ký hiệu Hệ kỹ thuật Hệ SI Chiều dài L mét (m) mét (m) Khối l•ợng m kp.s2/m kg Thời gian t giây (s) giây (s) Nhiệt độ T 0C K C•ờng độ dòng điện I Ampe A C•ờng độ ánh sáng Candela (Cd) b- Các thông số dẫn xuất: Thông số Ký hiệu Hệ kỹ thuật Hệ SI Lực F kp = kg.f = 9,8 N 1 N = 1 kg.m/s2 Diện tích A m2 m2 Thể tích V m3 m3 L•u l•ợng Q m3/s m3/s áp suất p at (kỹ thuật) Pa (1 Pa = 1 N/m2) kp/cm2 bar (1 bar = 105 Pa) GV: Đào Chớ Cường Trang 5
kỹ thuật điều khiển khí nén Công thức Niutơn: F = m . a (1-1) ở đây: m - Khối l•ợng. a - Gia tốc g - Gia tốc trọng tr•ờng (g = 9,81 m/s2). Quan hệ giữa các thông số trên nh• sau: Khối l•ợng 1 kg = 1 kp.s2/9,81.m Lực 1 kp = 9,81 N Để đơn giản tính toán ta lấy 1 kp = 10 N. Nhiệt độ ở điểm 0: 00C = 2730 K nghĩa là T = 273,15 + t ở nhiệt độ khác: 10C = 1 K c. Đơn vị đo áp suất Đơn vị cơ bản của áp suất theo Hệ đo l•ờng SI lâ Pascal. áp suất là lực tác dụng của các phân tử theo ph•ơng pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình chứa khí hoặc chất lỏng đó. áp suất đ•ợc kí hiệu là: p F p ; N/m2 (1-2) A Trong đó: F - Lực tác dụng của các phân tử khí hoặc chất lỏng (N) A – Diện tích thành bình (m2) (Một Pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton “N”) - Đơn vị đo áp suất là N/m2 hoặc Pa (Pascal) và bar, ta có: l Pascal (Pa) = l N/m2 1 Pa = 1 kg m/s2/m2 =1 kg/ms2 Trong thực tế ng•ời ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa). 1MPa = l.000.000 Pa = 106 Pa Ngoài ra còn dùng đơn vị bar: 1 bar = 105 Pa = 100.000 Pa và đơn vị kp/cm2 (theo DIN - Tiêu chuẩn của Càng hòa Liên bang Đức) 1 kp/cm2 = 0,980665 bar = 0,981 bar 1 bar = 1,01972Kp/cm2 = 1,02 kp/cm2 GV: Đào Chớ Cường Trang 6
kỹ thuật điều khiển khí nén Trong thực tế ng•ời ta coi: 1 bar = 1 kp/cm2 = 1 at (1 at = 0,98 bar = 735,5 mm Hg = 10 mm H2O) - Các quy đổi trên đúng trong tr•ờng hợp chiều cao cột chất lỏng ở 00C. Ngoài ra một sô n•ớc (Anh, Mỹ) còn sử dụng đơn vị đo áp suất: Pound (0,45336kg) per Square Inch (6,4521 cm2) Kí hiệu Ibf/in2 (psi). 1 bar = 14,5 psi 1psi = 0,06895 bar - ở Việt nam quen dùng đơn vị kG/cm2 t•ơng đ•ơng với kp/cm2. - áp suất thật của chất khí đ•ợc gọi là áp suất tuyệt đối (Hình 1 2), kí hiệu là p và nó là một thông số trạng thái. áp suất tuyệt đối của khí quyển kí hiệu là p. Phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất khí quyển gọi là áp suất d•, kí hiệu là pd và áp suất khí quyển là po ta có: pd p p0 (1-3) - Phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là áp suất chân không, kí hiệu là pck. p pd pck (1-4) - Thông th•ờng trong khí nén các đại l•ợng (nhiệt độ, áp suất) đ•ợc quy chuẩn theo DIN 1343 nh• sau:  Trạng thái chuẩn kỹ thuật: - Nhiệt độ: T 293,15K ; t 20 0 C . - áp suất: p 98066 ,5Pa 98066 ,5N / m2 0,980665 bar . GV: Đào Chớ Cường Trang 7
kỹ thuật điều khiển khí nén  Trạng thái chuẩn vật lý: - Nhiệt độ: T 273,15K ; t 00 C . - áp suất: p 101.325 Pa 101325 N / m2 1,01325 bar . - Dụng cụ đo áp suất gọi chung là áp kế. Có nhiều loại áp kế: áp kế chất lỏng, áp kế lò xo áp kế dùng để đo áp suất tuyệt đối của khí quyển gọi là baromet, áp kế dùng để đo áp suất d• gọi là manomet, áp kế dùng đo độ chân không gọi là chân không kế. - áp suất sử dụng trên tất cả các thiết bị là áp suất d•. 1.6. Các tính chất và các định luật cơ bản của chất khí a) Không khí có tính chịu nén. Không khí là một hỗn hợp khí xác định gồm nhiều thành phần nh• ôxy, hyđrô, nitơ, hơi nước, nên có thể nén và giãn nở được. Định luật Boyle Mariotte. Định luật Boyle – Mariotte đã phát biểu: Một l•ợng khí nhất định ở nhiệt độ không thay đổi thì áp suất tuyệt đối tỉ lệ nghịch với thể tích (V) hoặc thể tích riêng (v). t(T) =Const (1-5) ta có: p.V = Const hoặc p .v = Const (1-6) Điều đó có nghĩa là tích giữa áp suất và thể tích là hằng số đối với một l•ợng khí xác định (p tăng thì V giảm). p1.V1 = p2.V2 = p3.V31 = Const (1-7) b) Thể tích không khí thay đổi theo nhiệt độ. Với một l•ợng áp suất d• không đổi và nhiệt độ tăng 1 K thì thể tích không khí tăng thêm 1/273 thể tích của chính nó. Định luật Gay – Lussac 1: Định luật: Một l•ợng khí nhất định ở điều kiện áp suất không đổi thì thể tích (V) hay thể tích riêng (v) và nhiệt độ tuyệt đối (T) tỉ lệ thuận với nhau. p = Const (1-8) V V1 T1 Ta có: = Const hay = (1-9) T V2 T2 GV: Đào Chớ Cường Trang 8
kỹ thuật điều khiển khí nén Sự thay đổi thể tích V là: (T2 T1 ) V V2 V2 V1. T1 V1 Ta có: V2 V1 V V1 (T2 T1 ) (1-10) T1 Định luật Gay – Lussac 2: Định luật: Một l•ợng khí nhất định ở điều kiện thể tích (V) không đổi thì áp suất (p) và nhiệt độ tuyệt đối (T) tỉ lệ thuận với nhau (p tăng thì T tăng). V = Const (1-11) p p1 T1 Ta có: = Const hay = (1-12) T p2 T2 Ví dụ: Trong bình chứa khí có thể tích 2 m3 đ•ợc nén lên áp suất 7 bar, ở nhiệt độ 298K (250C). Hãy xác định thể tích khí ban đầu là bao nhiêu? Giải : - V1: Thể tích tại áp suất p1. - p1 = 1 bar (áp suất khí quyển). 3 - V2 = 2 m . - p2 = 7 bar (áp suất tuyệt đối). áp dụng định luật Boy – Mariotte và coi T1 = T2 = const 0 Tại nhiệt độ 25 C: p1.V1 p2 .V2 3 p2 .V2 7bar.2m 3 V1 14m p1 1bar 0 Sau khi làm lạnh xuống nhiệt độ 0 C (T1≠ T2): áp dụng định luật Guy Lusac ta có : 3 V1 3 14m 3 V0 V1 (T2 T1 ) 14m .(273K 298 K) 12,7m T1 273K Vậy khối khí đó ở nhiệt độ 250C là 14m3 và ở 00C là 12,7m3. GV: Đào Chớ Cường Trang 9
kỹ thuật điều khiển khí nén c) Ph•ơng trình trạng thái của chất khí. - Ph•ơng trình trạng thái của chất khí thể hiện mối quan hệ giữa các thông số trạng thái (p, v, T) - Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần nh• là khí lý t•ởng: Ph•ơng trình trạng thái tổng quát là: p.v R.T (1-13) 2 Trong đó: p (N/m ) - áp suất tuyệt đối. 1 v (m3/kg) - Thể tích riêng. ρ = kg/m3 v (kg/m3) - khối l•ợng riêng của chất khí. R (J/kgK) – Hằng số khí (của không khí là 29,27) T (K) - Nhiệt độ tuyệt đối (độ Kelvin) Đối với khối khí có khối l•ợng là G kg, sau khi nhân hai vế của ph•ơng trình (1-12) với G, ta có: p.v.G = G.R.T hay p.V = G.R.T Trong đó: G (kg) - Khối l•ợng (v.G = V) V (m3) - Thể tích của khối khí Vậy ph•ơng trình trạng thái đối với chất khí có khối l•ợng khí G bất kỳ, có dạng: (1-14) d) Các tổn thất trong hệ thống khí nén. + Tổn thất cơ khí C: Là tổn thất do ma sát giữa các chi tiết cơ khí trong khi chuyển động t•ơng đối với nhau. + Tổn thất thể tích V: Là tổn thất rò rỉ không khí khi di chuyển qua các chỗ (chi tiết) ghép nối. 2 + Tổn thất áp suất  : p 10. v (N/m2) (1-15) P 2g Trong đó: - Khối l•ợng riêng (kg/m3) v - Vận tốc trung bình (m/s)  - Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc vào thực nghiệm, số ReynoldRe, nhiệt độ, vận tốc, h•ớng chảy, hình dạng, tiết diện. g - Gia tốc trọng tr•ờng. GV: Đào Chớ Cường Trang 10
kỹ thuật điều khiển khí nén 1.7. Hệ thống kí hiệu mạch khí nén. 1.7.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển khí nén theo tiêu chuẩn DIN - Xi lanh khí nén Cơ cấu chấp hành - Động cơ khí nén - Bộ phận hiểm thị - Van đảo chiều Phần tử điều khiển - Van tiết l•u - Van Logic Phần tử xử lý tín hiệu - Van rơle thời gian - Van đảo chiều Phần tử tạo tín hiệu - Cảm biến Phần tử cung cấp - Máy nén khí năng l•ợng - Thiết bị xử lí khí nén Cấu trúc của mạch điều khiển và các phần tử Cơ cấu chấp hành Phần tử điều khiển Phần tử xử lí tín hiệu Phần tử tạo tín hiệu Phần tử cung cấp năng l•ợng GV: Đào Chớ Cường Trang 11
kỹ thuật điều khiển khí nén Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển ngoại trừ phần tử cung cấp năng l•ợng, nó bao gồm các phần tử. - Phần tử tạo tín hiệu: Nhân những giá trị của đại l•ợng vất lí nh• là đại l•ợng vào, là phần tử đấu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ nh•: Van đảo chiều, rơ le áp suất - Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ nh•: Van tiết l•u, van đảo chiều, van logic - Phần tử điều khiển: Điều khiển dòng năng l•ợng theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành. - Cơ cấu chấp hành: Thay đổi trạng thái của đối t•ợng điều khiển, là đại l•ợng ra của mạch điều khiển. Ví dụ nh• xilanh, động cơ 1.7.2. Kí hiệu trong mạch khí nén (DIN ISO 1219) 1.7.2.1. Nguồn khí nén. Nguồn khí nén - Máy nén khí - Bình chứa khí - Nguồn áp suất - Lọc khí - Bộ tách n•ớc xả n•ớc bằng tay - Bộ tách n•ớc xả n•ớc tự động - Bộ phận bôi trơn - Bộ phận điều áp Nhóm thiết bị xử lý khí nén - Lọc khí - Điều chỉnh áp suất - Đồng hồ báo áp suất - Bôi trơn. - Nhóm thiết bị xử lý khí nén có bôi trơn. - Nhóm thiết bị xử lý khí nén không bôi trơn GV: Đào Chớ Cường Trang 12
kỹ thuật điều khiển khí nén 1.7.2.2. Van điều khiển. - Hình vuông biểu diễn vị trí của van - Số l•ợng ô vuông biểu diễn số vị trí của van. - Mũi tên chỉ h•ớng đi của dòng khí. - Một gạch dọc và ngang bên trong hình vuông biểu diễn dòng khí bị ngăn. - Đ•ờng ống dẫn đ•ợc biểu diễn bằng gạch phía ngoài hình vuông. a) Kí hiệu một số loại van thông dụng Số cổng (số đ•ờng ống nối) Số vị trí của van 2/2 - Van 2/2 th•ờng mở 3/2 - Van 3/2 th•ờng đóng 3/2 - Van 3/2 th•ờng mở 4/2 - Van 4/2 5/2 - Van 5/2 5/3 - Van 5/3 vị trí giữa đóng GV: Đào Chớ Cường Trang 13
kỹ thuật điều khiển khí nén b) Kí hiệu điều khiển van (theo DIN ISO 1219). Tác động bằng tay - Kí hiệu chung - Nút bấm - Cần gạt - Cần gạt đảo chiều có định vị. - Bàn đạp Tác dộng bằng cơ khí - Chốt điều khiển - Cữ chặn bằng con lăn, tác dụng 2 chiều. - Cữ chặn bằng con lăn, tác dụng 1 chiều. - Tác động bằng lò xo - Lò xo định vị trung gian Tác động bằng khí nén - Trực tiếp bằng khí nén - Gián tiếp bằng khí nén có van phụ trợ. Tác động bằng điện từ - Van điện từ đơn (1 đầu) - Van điện từ đôi (2 đầu) Tác động hỗn hợp - Điện, khí, tay 1.7.2.3. Van tiết l•u. - Van tiết l•u - Van tiết l•u một chiều GV: Đào Chớ Cường Trang 14
kỹ thuật điều khiển khí nén 1.7.2.4. Van chắn. - Van một chiều - Van một chiều có lò xo - Van logic “OR” - Van logic “AND” - Van xả khí nhanh 1.7.2.5. Van áp suất. - Van an toàn không có cửa xả - Van an toàn có cửa xả - Van áp suất điều khiển từ xa - Van tràn - Van áp suất điều khiển từ xa tác động gián tiếp qua van tràn. GV: Đào Chớ Cường Trang 15
kỹ thuật điều khiển khí nén 1.7.2.6. Cơ cấu chấp hành. a) Xi lanh khí nén. - Xi lanh tác động đơn hồi vị bằng lò xo. - Xi lanh tác động kép không có giảm chấn. - Xi lanh tác động kép hai đầu đòn. - Xi lanh tác động kép, giảm chấn một chiều không điều chỉnh đ•ợc. - Xi lanh tác động kép, giảm chấn một chiều điều chỉnh đ•ợc. - Xi lanh tác động kép, giảm chấn hai chiều điều chỉnh đ•ợc. - Xi lanh có bộ li hợp bằng nam châm, giảm chấn hai chiều điều chỉnh đ•ợc. b) Cơ cấu chấp hành dạng quay. - Động cơ khí nén quay một chiều, không điều chỉnh đ•ợc. - Động cơ khí nén quay một chiều, điều chỉnh đ•ợc. - Động cơ khí nén quay hai chiều, điều chỉnh đ•ợc. - Xi lanh quay hai chiều. GV: Đào Chớ Cường Trang 16
kỹ thuật điều khiển khí nén 1.7.2.7. Một số kí hiệu khác. - Cửa xả khí cố định. - Cửa xả khí không cố định. - Cửa xả khí có giảm thanh. - Đ•ờng nối - Đ•ờng cắt qua không nối. - Đồng hồ báo áp suất. - Thiết bị báo (đèn, cửa sổ ). 1.7.3. Quy định đánh số kí hiệu trong mạch khí nén. a) Đánh số các phần tử. Loại phần tử DIN ISO 1219-2 Kí hiệu bằng số Phần tử cung cấp năng l•ợng 0Z1, 0Z2 0.1, 0.2, 0.3 Phần tử tạo tín hiệu 1S1, 1S2 1.2, 1.3, 2.2, 2.3 Phần tử xử lý tín hiệu 1V1, 1V2 1.01, 1.02, 2.01, 2.02 Phần tử điều khiển 1V1, 1V2 1.1, 2.1, 3.1 Cơ cấu chấp hành 1A, 2A 1.0, 2.0, 3.0 Chú ý: - Các công tắc hành trình 1S1, 2S1 đặt phía trong của xi lanh 1A, 2A - Các công tắc hành trình 1S2, 2S2 đặt phía ngoài của xi lanh 1A, 2A Các kí tự kí hiệu các phần tử đ•ợc quy định nh• sau: P - Máy nén khí. A - Cơ cấu chấp hành. M - Động cơ dẫn động. S - Cảm biến. V - Van. Z – Nguồn khí nén. Y - Cuộn dây điện từ van (thông th•ờng ở đức dùng kí hiệu là Y, quốc tế dùng là M). GV: Đào Chớ Cường Trang 17
kỹ thuật điều khiển khí nén Cách đọc kí hiệu: Số thứ tự hệ thống Số thứ tự nhánh trong hệ thống Kí hiệu loại phần tử (*) Số thứ tự của phần tử trong nhánh b) Kí hiệu các cổng nối của các phần tử. Biểu diễn Loại ISO 5599-3 Tên cửa hoặc đ•ờng nối bằng kí tự 1 P Cửa nối với nguồn năng l•ợng Đ•ờng 2, 4 A, B Các cửa nối với đ•ờng công tác làm việc 3, 5 R, S Các cửa nối với đ•ờng thoát Tín hiệu mạch điều khiển đóng cửa 1 10 Z nối với cửa khác. Đ•ờng điều 12 Y, Z Tín hiệu nối cửa 1 và 2 khiển 14 Z Tín hiệu nối cửa 1 và 4 81, 91 Pz Đ•ờng khí phụ màng điều khiển Ví dụ: GV: Đào Chớ Cường Trang 18
kỹ thuật điều khiển khí nén Ch•ơng 2: Nguồn cung cấp và thiết bị xử lý khí nén 2.1. Máy nén khí. áp suất khí đ•ợc tạo ra từ máy nén khí, ở đó năng l•ợng cơ học của động cơ điện hoặc của động cơ đốt trong đ•ợc chuyển đổi thành năng l•ợng khí nén và nhiệt năng. Hình 2.1. Nguồn cung cấp khí nén điển hình 2.1.1. Phân loại máy nén khí áp suất và l•u l•ợng không khí cung cấp là những tiêu chuẩn chính để chọn máy nén khí. Máy nén khí có thể phân theo các loại nh• sau: - Máy nén kiểu Piston tịnh tiến: Không khí đ•ợc dẫn vào buồng chứa, Piston dịch chuyển tịnh tiến, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ thay đổi. Nh• vậy theo định luật Boyle - Mariotte áp suất trong buồng chứa thay đổi theo, ví dụ nh• máy nén khí kiểu Piston, màng. - Máy động năng: Không khí đ•ợc dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén đ•ợc tạo ra bằng động năng của bánh dẫn. Nguyên tắc hoạt động này tạo ra khí nén với l•u l•ợng và công suất rất lớn. Máy nén khí hoạt động theo nguyên lí này, ví dụ nh• máy nén kiểu li tâm, chiều trục. - Loại Piston quay: Không khí đ•ợc dẫn vào và nhờ các cánh roto quay tạo nên áp suất. Ví dụ nh•: Loại cánh gạt, loại Trục vít, Kiểu root. Ngoài ra ng•ời ta có thể phân theo áp suất cung cấp: - Máy nén áp suất thấp, - Máy nén áp suất trung bình - Máy nén áp suất cao. GV: Đào Chớ Cường Trang 19
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.1.2. Máy nén khí kiểu Piston. Máy nén khí kiểu Piston đ•ợc Van nạp Van xả sử dụng rất phổ biến. L•u l•ợng cung cấp có thể đạt 10 m3/phút với áp suất cung cấp từ 6 bar trở lên. Loại máy nén khí một cấp và 2 cấp Piston thích hợp cho hệ thống điều khiển bằng khí nén trong công nghiệp. Thanh truyền Máy nén khí kiểu Piston đ•ợc phân loại theo số cấp nén, loại truyền động và ph•ơng thức làm nguội khí nén. Hình 2.2. Sơ đố máy nén khí kiểu Piston Máy nén khí kiểu Piston nhiều cấp Để có thể tạo ra đ•ợc nguồn cung cấp khí nén áp suất cao hơn ng•ời ta thiết kế máy nén khí nhiều cấp (nối tiếp). Tr•ớc hết không khí đ•ợc hút và nén bởi một máy nén Piston, sau khi đ•ợc làm nguội sẽ đ•ợc đ•a vào nén tiếp ở máy nén Piston thứ hai sau đó khí nén sẽ đ•ợc đ•a sang bình chứa, qua thiết bị xử lý qua hệ thống đ•ờng ống cung cấp Hình 2.3. Máy nén khí kiểu Piston nhiều cấp khí nén cho các thiết bị sử dụng. Khi nén khí ở áp suất cao luôn có một l•ợng nhiệt rất lớn tỏa ra, do đó nhất thiết phải có bộ làm nguội trung gian. Những máy nén khí kiểu Piston nhiều cấp có thể làm nguội bằng quạt gió hoặc n•ớc. Tùy thuộc vào áp suất cần thiết có thể phân ra: - Một cấp duy nhất, áp suất có thể đạt 12 bar. - Hai cấp, áp suất đạt 30 bar. - Ba cấp và hơn, áp suất có thể đạt hàng trăm bar. Không khí sau khi qua bộ phận lọc khí (1) đ•ợc nén ở thân máy nén khí (2), sau đó khí nén đ•ợc đẩy vào bình chứa trung gian (3). Sau khi đ•ợc làm mát ở bộ phận làm mát (4), khí nén vào bình chứa khí nén (5). Bình chứa khí nén (5) Van điện từ (6) làm thông khí bằng ống dẫn nằm ở giữa thân máy nén khí (2) và van một chiều gắn tr•ớc bình chứa khí nén (5), sau khi áp suất trong bình chứa (5) đã đạt mức quy định. GV: Đào Chớ Cường Trang 20
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 2.4. Sơ đố cấu tạo máy nén khí kiểu Piston nhiều cấp Truyền động cho thân máy nén khí (2) là truyền động đai (7) từ động cơ điện (8) với quạt gió (9). Quạt gió (9) cùng với bánh đai truyền (10) có tác dụng nh• là bộ phận tạo ra luồng không khí làm mát. Động cơ điện (8) và thân máy nén khí (2) đ•ợc đặt trên khung giảm chấn (11), giàn khung (12) cùng với bộ phận giảm chấn (13). Độ căng của đai truyền đ•ợc điều chỉnh bằng bộ phận (14). Công tắc tự chọn (15) có thể thực hiện đ•ợc 2 chức năng điều khiển. Ngừng hoạt động khi đạt đ•ợc phạm vi của áp suất yêu cầu và ngừng hoạt động khi chạy không tải. Tr•ờng hợp ngừng hoạt động khi đạt đ•ợc phạm vi áp suất yêu cầu bằng rơ le áp suất (16), trong đó phạm vi áp suất yêu cầu, ví dụ từ 6,5 bar - 8,5 bar. Khi áp suất trong bình chứa (5) đạt đ•ợc mức 8,5 bar thì động cơ điện (8) ngừng hoạt dộng và khi áp suất trong bình chứa giảm xuống mức 6,5 bar thì động cơ điện (8) lại tiếp tục hoạt động. Trong tr•ờng hợp điều khiển mà động cơ điện (8) đóng, mở trên 12 lần/giờ, thì tốt nhất nên sử dụng bình chứa phụ. Tr•ờng hợp ngừng hoạt động khi chạy không tải: Khi áp suất trong bình chứa (5) đạt đ•ợc 8,5 bar, thì động cơ vẫn chạy không tải, nhờ điều chỉnh rơ le thời gian (ví dụ thời gian chạy không tải là 3 phút) sau 3' thì động cơ điện mới ngừng hẳn. Sau khi áp suất trong bình chứa giảm xuống 6,5 bar thì động cơ điện tiếp tục hoạt động. GV: Đào Chớ Cường Trang 21
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.1.3. Máy nén khí kiểu màng: Đây là một bộ phận trong nhóm những máy nén khí kiểu Piston. Một màng riêng biệt cùng với Piston và buồng hút. Nh• vậy không khí không tiếp xúc với các chi tiết chuyển động cho nén khí nén tuyệt đối không bị nhiễm bẩn dầu. Kiểu máy này tr•ớc hết đ•ợc sử dụng trong những ngành công nghệ cấp liệu, bào chế và hóa học. Hình 2.5. Máy nén khí kiểu màng 2.1.4. Máy nén khí kiểu cánh gạt: Thân máy (1), mặt bích thân máy (2), mặt bích trục (3), rô to (5) lắp trên trục. trục và rô to (5) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển động (4). Khi rô to (5) quay tròn, d•ới tác dụng của lực li tâm, các cánh gạt (6) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rô to (5) và đầu các cánh gạt (6) tì vào bánh dẫn chuyển động (4) Thể tích giới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi. Nh• vậy quá trình hút và nén đ•ợc thực hiện. Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn n•ớc vào làm mát. Bánh dẫn (4) đ•ợc bôi trơn và quay tròn tựa trên thân máy (1) để giảm Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý máy nén khí kiểu cánh gạt bớt sự mòn, khi đầu các cánh gạt tựa vào. Hình 2.7. Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt GV: Đào Chớ Cường Trang 22
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.1.5. Máy nén khí kiểu trục vít: Đ•ờng khí vào Đ•ờng khí ra Truyền động từ động cơ Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý máy nén khí kiểu trục vít Hai trục vít ăn khớp với nhau theo các prôfil lồi và lõm của chúng, Trong quá trình quay các rãnh răng tăng thể tích ở một phía và giảm thể tích ở một phía dồn đẩy không khí vào theo h•ớng trục. 2.1.6. Máy nén khí kiểu khí động. Là máy nén khí dòng liên tục, hoạt động theo nguyên lý "động lực học" của các dòng khí và đặc biệt là nó cung cấp những l•u l•ợng lớn. Có hai kiểu là dọc trục và h•ớng tâm. Tốc độ của dòng khí rất lớn. Có thể tăng tốc bằng cách dùng một hay nhiều bánh turbin. Trong máy nén khí này, sự tăng tốc đ•ợc thực hiện bởi số l•ợng các cánh turbin, đ•a dòng khí theo chiều dọc trục. Hình 2.9. Máy nén tuabin 2.2. Thiết bị xử lý khí nén. 2.2.1. Yêu cầu về khí nén. Khí nén đ•ợc tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể ở những mức độ khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm của không khí đ•ợc hút vào; những phần tử chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa, trong quá trình nén, nhiệt độ khí nén tăng lên, cô thể gây nên quá trình ô xi hóa một số phần tử đ•ợc kể trên. Nh• vậy khí nén bao gồm chất bẩn đó đ•ợc tải đi trong những ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển. Nh• vậy khí nén đ•ợc sử dụng trong kĩ thuật phải xử lí. Mức độ xử lí khí nén tùy thuộc vào ph•ơng pháp xử lí cụ thể. GV: Đào Chớ Cường Trang 23
kỹ thuật điều khiển khí nén Khí nén đ•ợc tải từ máy nén khí gồm những chất bẩn thô: Những hạt bụi, chất cặn bã của dầu bôi trên và truyền động cơ khí, phần lớn những chất bẩn này đ•ợc xử lí trong thiết bị, gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau khi khí nén đ•ợc đẩy ra từ máy nén khí. Sau đó khí nén đ•ợc dẫn vào bình làm hơi n•ớc ng•ng tụ, ở đó độ ẩm của khí nén l•ợng hơi n•ớc phần lớn sẽ đ•ợc ng•ng tụ ở đây. Giai đoạn xử lí này gọi là giai đoạn xử lí thô. Nếu nh• thiết bị để thực hiện xử lí khí nén giai đoạn này tốt, hiện đại, thì khí nén có thể đ•ợc sử dụng, ví dụ những dụng cụ dùng khí nén cầm tay, những thiết bị, đồ gá đơn giản dùng khí nén Tuy nhiên sử dụng khí nén trong hệ thống điều khiển và một số thiết bị khác, đòi hỏi chất l•ợng của khí nén caơ hơn. Để đánh giá chất l•ợng của khí nén, Hội đồng các xí nghiệp châu Âu PNEUROP - 6611 (European Commitee of Manufacturel's of Co11pressol's, Vacuumpumps an Pneunlatic tools) phân ra thành 5 loại, trong đó có tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hóa s•ơng, l•ợng dầu trong khí nén đ•ợc xác định. Cách phân loại này nhằm định h•ớng cho những nhà máy, xí nghiệp chọn đúng chất l•ợng khí nén t•ơng ứng với thiết bị sử dụng. 2.2.2. Sấy khô khí nén. - Hơi n•ớc có trong khí nén sẽ làm ảnh h•ởng xấu đến quá trình làm việc của trang thiết bị. Vậy cần phải tách n•ớc ra khỏi khí nén. Ngày nay ng•ời ta th•ờng dùng các biện pháp sau: - Sấy khô bằng làm lạnh. - Sấy khô bằng hút ẩm. 2.2.2.1. Sấy khô bằng môi chất làm lạnh. Nguyên tắc hoạt động của sấy khô bằng làm lạnh đ•ợc thể hiện trên sơ đồ (hình 2.10). - Sau khi đ•ợc làm lạnh sơ bộ ở “bộ phận trao đổi nhiệt” (bằng khí), khí nén đổi chiều chuyển động, một phần hơi n•ớc bị kết tủa tại bình ng•ng thứ nhất. Khí nén tiếp tục đi vào bộ phận làm lạnh “dàn lạnh”, tại đây nhiệt độ hoá s•ơng khoảng từ +2 đến +50C. Nh• vậy Hình 2.10. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị n•ớc đ•ợc kết tủa, nhỏ giọt sấy khô bằng làm lạnh. GV: Đào Chớ Cường Trang 24
kỹ thuật điều khiển khí nén và tích tụ tại bình ng•ng cùng một số tạp chất khác nh• cặn bẩn, dầu bôi trơn Dầu, n•ớc cùng cặn bẩn sẽ đ•ợc xả ra ngoài qua van xả tại bình ng•ng. - Tr•ớc khi khí nén đi cung cấp cho mạng khí nén thì nó đ•ợc dẫn qua bộ trao đổi nhiệt một lần nữa để làm mát cho khí mới, đồng thời tăng nhiệt độ. - Chu kì hoạt động của môi chất làm lạnh đ•ợc máy làm lạnh cung cấp luân chuyển trong quá trình làm việc. 2.2.2.2. Sấy khô bằng hấp thụ. - Ph•ơng pháp này đ•ợc sử dụng có thể là quá trình vật lý hay quá trình hoá học. a) Sấy khô bằng quá trình vật lý. - Với loại này ng•ời ta sử dụng hai bình hút ẩm mắc song song với nhau, chúng thay hoạt động. Chất hút ẩm th•ờng đ•ợc dùng là SiO2. - Khí ẩm đ•ợc đ•a qua bầu lọc, tại đây dầu và tạp chất đ•ợc lọc sạch. Khí nén tiếp tục đi vào bình hút ẩm thứ nhất, tại đây n•ớc đ•ợc giữ lại, khí nén khô đ•a qua bầu lọc thứ cấp rồi đi cung cấp cho thiết bị. Trong khi đó tại phía bình hút Hình 2.11. Nguyên tắc hoạt động của ẩm thứ hai đang đ•ợc xấy khô thiết bị sấy khô bằng hấp thụ. bằng không khí nóng. b) Sấy bằng quá trình hoá học. - Thiết bị gồm một bình chứa, phía trong có chứa chất hấp thụ băng quá trình hoá học, chất hấp thụ thông th•ờng là NaCl. - Không khí nén đ•ợc đ•a vào khi đi qua chất hấp thụ sẽ kết hợp tạo thành giọt, lằng xuống và đ•ợc xả ra nhờ van xả n•ớc. Khí nén khô, sạch đ•ợc dẫn ra ngoài qua phía trên của thiết bị. Hình 2.12. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị hấp thụ bằng phản ứng hoá học. GV: Đào Chớ Cường Trang 25
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.2.3. Bầu lọc Nhiệm vụ: loại trừ tất cả các phần tử tạp chất và ng•ng tụ hơi n•ớc. Nguyên lý: Không khí đ•ợc nén vào trong bình chứa, qua cửa xiên phát sinh ra một chuyển động xoáy và lực ly tâm có tác dụng làm lắng các phần tử nhỏ chất lỏng, chất rắn. Các tạp chất đ•ợc thải ra ở đáy bình chứa và cần phải đ•ợc xả ra khỏi bình tr•ớc khi đạt tới mức cao nhất (nhìn vạch chỉ thị trên bình chứa). Những phần tử rắn có kích th•ớc lớn hơn lỗ lọc sẽ bị giữ lại, chúng gây nguy cơ lấp kín vòng l•ới lọc làm cản trở quá trình lọc, cho nên cần làm sạch hay thay vòng Hình 2.13. Bầu lọc không khí l•ới lọc theo định kỳ. Kích th•ớc lỗ lọc th•ờng trong khoảng từ 30 đến 70 micromet, đặc biệt có thể đạt 0,01 micromet. Khi l•ợng n•ớc ng•ng tụ đến vạch mức giới hạn thì thải ra bằng vít xả hoặc xả tự động. Nguyên lý xả tự động: Hơi n•ớc ng•ng tụ tĩnh trong bộ lọc qua cửa (6) vào trong khoang của các đệm kín (1) và (2). L•ợng n•ớc này tăng làm cho phao (3) dâng dần lên cao. Khi tới giới hạn, miệng ống (7) mở ra, khí nén trong bình chứa của bộ lọc thoát qua đ•ờng ống và đẩy Piston điều khiển (5) mang đệm kín (1) tịnh tiến sang phải hình thành khe hở làm cho n•ớc thoát ra ngoài. Khí nén có thể thoát ra từ từ nhờ miệng ống (4), do đó lối đi qua lúc này đ•ợc hở ra một lúc, rồi sau đó miệng ống (7) đ•ợc đóng kín (xem hình 2.12). Hình 2.14. Cơ cấu xả n•ớc tự động GV: Đào Chớ Cường Trang 26
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.2.4. Bộ điều chỉnh áp suất Bộ điều chỉnh áp suất dùng để duy trì áp suất làm việc (áp suất thứ cấp) ở một giá trị không đổi khi có sự thay đổi áp suất trong mạng phân phối (áp suất sơ cấp) hoặc nơi làm việc. Hình 2.15. Bộ điều chỉnh áp suất có cửa xả áp suất sơ cấp phải luôn luôn cao hơn áp suất thứ cấp. áp suất đ•ợc giữ ổn định bởi màng, màng này bị tác động ở một phía bởi áp suất thứ cấp, phía kia bởi lò xo. Lực lò xo có thể điều chỉnh đ•ợc nhờ vít chỉnh. Khi áp suất sơ cấp tăng thì con tr•ợt đi xuống giảm tiết diện l•u thông, nhờ đó giữ cho áp suất thứ cấp không đổi. Khi áp thứ cấp giảm, lò xo đẩy con tr•ợt đi lên cung cấp thêm khí cho phía thứ cấp, kết quả là áp suất thứ cấp vẫn không đổi. Nếu nh• áp suất phía thứ cấp tăng mạnh, màng sẽ bị nén mạnh van xả mở và khí nén thoát qua hai cửa xả Hình 2.16. Bộ điều chỉnh áp bên d•ới giúp ổn định áp suất. suất không có cửa xả Hình 2.17. Cấu tạo bộ điều chỉnh áp suất GV: Đào Chớ Cường Trang 27
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.2.5. Thiết bị cung cấp dầu bôi trơn. Thiết bị bôi trơn dùng để bôi trơn các bộ phận truyền dẫn khí nén khác nhau. Dầu bôi trơn làm giảm sự mài mòn của các chi tiết tiếp xúc lúc làm việc, giảm đáng kể lực ma sát và bảo vệ các chi tiết khỏi bị ăn mòn. Thiết bị bôi trơn th•ờng làm việc theo nguyên lý “họng khuếch tán”. Hiệu số áp suất giữa áp suất ở tr•ớc “họng khuếch tán” và áp suất ở phần ống thắt hút dầu bôi trơn hòa vào không khí. Chú ý: - Thiết bị bôi trơn chỉ làm đúng chức năng của nó khi l•u l•ợng đạt đủ độ lớn. - Do đó cần l•u ý các quy định về l•u l•ợng của Nhà chế tạo. Nguyên lý hoạt động: Trong thiết bị bôi trơn, khí đi từ đ•ờng vào qua van giới hạn của dòng khí. Một ống dẫn xiên nối từ bình chứa dẫn dầu đến buồng dầu, nhờ sự giảm áp ở họng khuếch tán nơi lắp van, dầu đ•ợc hút ra và hoà trộn với không khí. Những hạt dạng s•ơng hỗn hợp khí dầu đ•ợc trộn Hình 2.18. Van tra dầu dẫn qua đ•ờng ống về phía cửa ra. 2.2.6. Sử dụng và bảo quản nhóm thiết bị xử lý khí nén: Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị xử lý khí nén GV: Đào Chớ Cường Trang 28
kỹ thuật điều khiển khí nén Hai điểm quan trọng cần chú ý khi sử dụng là: - Việc chọn nhóm phụ thuộc vào chức năng l•u l•ợng (m3/h). Khi l•ợng sử dụng quá lớn, có thể không đáp ứng khả năng làm việc của hệ thống, vì vậy cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy định của Nhà sản xuất. - áp suất cung cấp không đ•ợc v•ợt quá giá trị biểu thị trên nhóm. Nhiệt độ môi tr•ờng không đ•ợc v•ợt quá 600C (là nhiệt độ lớn nhất có thể chấp nhận đ•ợc cho vật liệu tổng hợp của bình chứa). Loại có bộ phận cấp dầu Loại không có bộ phận cấp dầu Hình 2.20. Ký hiệu thiết bị xử lý khí nén Bảo quản: Là việc làm cần thiết và đều đặn để duy trì các hoạt động đi liền theo sau: * Bộ lọc khí: Mức n•ớc ng•ng tụ đ•ợc kiểm tra một cách hợp lý theo điều kiện làm việc và môi tr•ờng để nó không v•ợt quá vạch chỉ thị cho phép trên bình chứa. Nếu mực n•ớc v•ợt quá giới hạn cho phép thì sẽ xảy ra nguy cơ nó xâm nhập vào mạng phân phối khí nén. Để tháo n•ớc ra, ng•ời ta mở vít xả ở phía d•ới bộ lọc. Vòng l•ới của bộ lọc cần đ•ợc làm sạch không bị đóng cáu bẩn. * Bộ điều chỉnh áp suất: Tr•ớc nó cần thiết phải có bộ lọc khí. * Thiết bị bôi trơn: Cần thiết phải đ•ợc kiểm tra mức dầu đầy đủ cho đến vạch chỉ thị. Thân bộ lọc và bình chứa của thiết bị bôi trơn đ•ợc chế tạo bằng nhựa dẻo, không đ•ợc dùng trichlorethylene để làm sạch. Dầu bôi trơn th•ờng đ•ợc sử dụng là dầu khoáng. Chú ý: Cần thận trọng khi chọn nhóm thiết bị xử lý khí nén, l•ợng khí nén tiêu thụ cần phải đ•ợc tính tr•ớc. Tr•ờng hợp khi mà nó không đ•ợc tính tr•ớc thì ta phải xét mức tiêu thụ lớn nhất trong một đơn vị thời gian. GV: Đào Chớ Cường Trang 29
kỹ thuật điều khiển khí nén 2.3. mạng cung cấp khí nén. 2.3.1. Khái quát chung. Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ vận chuyển không khí nén từ máy nén khí đến thiết bị sử dụng. Truyền tải không khí nén đ•ợc thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén. ở đây hệ thống đ•ờng ống dẫn đ•ợc lắp đ•ợc cố định. Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất p, l•u l•ợng Q và chất l•ợng của không khí nén cho thiết bị tiêu thụ. Việc lựa chọn tiết diện ống dẫn cũng nh• cách bố trí mạng khí nén cần phải đ•ợc chú trọng để đảm bảo tính kinh tế cũng nh• yêu cầu sử dụng. Yêu cầu tổn thất áp suất của hệ thống không đ•ợc lớn hơn 1 bar, cụ thể là: - Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính 0.1 bar. - Tổn thất áp suất trong ống nối 0.1 bar. - Tổn thất áp suất trong thiết bị sử lý khí nén (tách n•ớc, bình ng•ng ) 0.1 bar. - Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc 0.6 bar. Hình 2.21. Sơ đồ nguồn cung cấp 2.3.2. Mạng đ•ờng ống dẫn khí nén. Mạng đ•ờng ống dẫn khí nén thông th•ờng đ•ợc chia làm 2 loại: - Mạng cố định (ví dụ là mạng khí nén trong nhà máy). - Mạng di động (mạng khí nén trong dây chuyền sản xuất). a) Mạng lắp ráp cố định. Khi lắp đặt và thiết kế mạng khí nén cần phải quan tâm các thông số sau: - L•u l•ợng: Phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, vận tốc dòng chảy càng lớn thì tổn thất càng nhiều. GV: Đào Chớ Cường Trang 30
kỹ thuật điều khiển khí nén - Vận tốc dòng chảy: Đ•ợc chọn nằm trong khoảng vận tốc từ 6 đến 10 m/s. Vận tốc dòng chảy khi qua các cút nối sẽ tăng lên, hoặc vận tốc sẽ tăng tức thời khi vận hành thiết bị. - Tổn thất áp suất: Tổn thất trên đ•ờng ống cho phép là 0.1% và nó cho phép sai số 5% áp suất yêu cầu. Nếu trong hệ thống có lắp các cút nối thì tổn thất sẽ tăng lên. Để xác định tổn thất của cút nối, van ta tra theo bảng sau (bảng 2.1): Bảng 2.1: Hệ số cản  của phụ tùng nối tính theo chiều dài ống dẫn. Chiều dài đ•ờng ống dẫn t•ơng đ•ơng (m) Phụ tùng nối Đ•ờng kính trong của ống dẫn (mm) 25 40 50 80 100 125 150 Van kiểu màng 1,2 2,0 3 4,5 6 8 10 mỏng Van khoá 6 10 15 25 30 50 60 Van mở một phần 3 5 7 10 15 20 25 Van chắn 0,3 0,5 0,7 1 1.5 2 2,5 Nối vuông góc 1.5 2.5 3.5 5 7 10 15 Độ cong R = d 0,3 0,5 0,6 1 1,5 2 2,5 Độ cong R = 2d 0,15 0,25 0,3 0,5 0,8 1 1,5 ống nối T 2 3 4 7 10 15 20 ống nối thu nhỏ 0,5 0,7 1 2 2,5 3,5 4 Trong thực tế để xác định các thông số cho mạng đ•ờng ống lắp ráp cố định ng•ời ta dùng biểu đồ sau (Hình 2.22): GV: Đào Chớ Cường Trang 31
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 2.22. Biểu đồ sự phụ thuộc các thông số của đ•ờng ống cố định. Ví dụ: - áp suất yêu cầu p = 8 bar - Chiều dài ống dẫn L = 200 m - L•u l•ợng qv = 170 lít/s - Tổn thất áp suất cho phép p = 0.1 bar Theo biểu đồ ta có đ•ờng kính trong của ống là:  70 mm - Đ•ờng ống th•ờng đ•ợc lắp nghiêng một góc 10 đến 20 so với mặt phẳng ngang và lắp bình ng•ng tụ để n•ớc trong đ•ờng ống tích tụ tại đó (hình 2.21). - Mạng đ•ờng ống lắp cố định trong nhà máy th•ờng đ•ợc lắp ở dạng vòng tròn (hình 2.23). GV: Đào Chớ Cường Trang 32
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 2.23. Sơ đồ mạng khí nén cố định trong nhà máy, lắp kiểu vòng tròn. GV: Đào Chớ Cường Trang 33
kỹ thuật điều khiển khí nén Ch•ơng 3: Các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành 3.1. Phần tử điều khiển khí nén 3.1.1. Van đảo chiều Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng l•ợng bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi h•ớng của dòng năng l•ợng. Nguyên lí hoạt động của van đảo chiều (dùng van 3/2): Khi ch•a có tác động vào nút ấn thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3), Piston bị lò xo đẩy về phía trái khí trong xi lanh thoát ra cửa số (3). Khi có tác động vào nút ấn thì nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (l) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn. Tr•ờng hợp ngừng tác Hình 3.1. Điều khiển xi lanh đơn động vào nút ấn, d•ới tác động của lực với van đảo chiều 3/2. lò xo, nòng van trở về vị trí ban đầu. Van đảo chiều dùng để điều khiển các thiết bị xi lanh tác động đơn hay để cấp tín hiệu cho các bộ phận điều khiển khác. Van có thể nhận tín hiệu tác động bằng tay, bằng cơ, điện hay khí nén. Hình 3.2. Điều khiển xi lanh kép với van đảo chiều 5/2. Ký hiệu đảo chiều. - Van đảo chiều đ•ợc thể hiện bởi số cửa nối và số vị trí của van. Mô tả một cách đầy đủ các chức năng, các thông tin khác nh• ph•ơng án điều khiển của van và thông số về các đ•ờng dẫn trong van. - Mỗi vị trí của van đ•ợc thể hiện bằng một ô vuông. Việc thể hiện các cửa (cổng) là rất quan trọng để giải thích sơ đồ và lắp đặt van vào hệ thống. Thể hiện các van điều khiển là theo tiêu chuẩn DIN ISO 1219. Tr•ớc kia ng•ời ta sử dụng hệ thống chữ cái, nh•ng hiện nay sử dụng cả hai hệ thống (chữ cái và số – Xem phần 1.7.3). Ph•ơng pháp điều khiển van khí nén tùy theo ứng dụng, bao gồm: Bằng tay, bằng cơ khí, bằng khí nén, bằng điện, tổ hợp. GV: Đào Chớ Cường Trang 34
kỹ thuật điều khiển khí nén Các ký hiệu ph•ơng pháp tác động đ•ợc chi tiết hóa theo tiêu chuẩn DIN ISO 1219. Khi sử dụng van điều khiển khí nén, cần chú ý cách tác động và cách hồi phục. Các ký hiệu của cả hai cách tác động đ•ợc thể hiện bên cạnh các ô vuông ký hiệu vị trí. Có thể có thêm tác động trực tiếp bằng tay, đ•ợc thể hiện bằng ký hiệu thêm vào (Xem phần 1.7.2.2). 3.1.1.1. Van đảo chiều 3/2. a) Van 3/2 điều khiển bằng nút ấn - đầu dò. Hình 3.3. Van đảo chiều 3/2 (loại van cầu). Van 3/2 th•ờng mở: Khi không có tác động, cửa 1 (P) thông với cửa 2 (A) tạo tín hiệu khí nén. Khi có tác động, cửa 1 (A) thông với 3 (R) xả khí ra ngoài. Van 3/2 th•ờng đóng: Ng•ợc với van th•ờng mở, khi không có tác động thì cửa 1 (P) bị đóng (chặn) còn cửa 2 (A) thông với cửa đ. Khi có tác động, cửa 1 (A) tạo tín hiệu khí nén. Một số loại van 3/2 thông dụng th•ờng gặp: Hình 3.4. Van 3/2 loại dùng đĩa van, th•ờng đóng GV: Đào Chớ Cường Trang 35
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 3.5. Van 3/2 loại dùng đĩa van, th•ờng mở b) Van tr•ợt 3/2 tác động bằng tay Hình 3.6. Van tr•ợt 3/2 tác động bằng tay c) Van 3/2 tác động bằng khí nén Hình 3.7. Van 3/2 th•ờng đóng điều khiển bằng khí nén, hồi vị băng lò xo - Loại này đ•ờng tín hiệu khí nén điều khiển đi vào đ•ợc kí hiệu là 10. Vì khi có tín hiệu 10 đi vào thì van đóng. Hình 3.8. Van 3/2 th•ờng mở điều khiển bằng khí nén, hồi vị băng lò xo. GV: Đào Chớ Cường Trang 36
kỹ thuật điều khiển khí nén d) Van 3/2 tác động bằng con lăn (van hành trình). Chức năng chính của van hành trình là cung cấp tín hiệu khi cơ cấu chấp hành đạt đến vị trí đã định của hành trình, để điều khiển nh• đảo chiều chuyển động, điều chỉnh tốc độ, điều khiển các bộ phận khác. Loại th•ờng đóng Loại th•ờng mở Hình 3.9. Van 3/2 th•ờng đóng điều khiển bằng khí nén, hồi vị băng lò xo, có van phụ trợ. Nguyên lý hoạt động (với loại th•ờng đóng): Van hành trình 3/2 đ•ợc nối với nguồn qua cửa 1 (P). Khi con lăn bị tác động, khí nén tràn về phía màng đẩy con tr•ợt đi xuống làm đóng đ•ờng dẫn khí giữa 2 (A) và 3 (R) và mở đ•ờng dẫn nối 2 (A) với 1 (P). Khi con lăn không còn bị tác động nữa thì đ•ờng dẫn khí nén tới màng bị đóng lại, lò xo đẩy con tr•ợt đi lên trở về vị trí ban đầu làm đóng cửa 1 (P), khí nén sẽ đi từ cửa 2 (A) thoát ra ở cửa 3 (R). * Chú ý: bằng cách đổi chỗ các nhánh 1 (P), 3 (R) và quay cần gạt con lăn đi một góc 1800 ta sẽ đổi đ•ợc chức năng của van (th•ờng đóng hay th•ờng mở). Hình 3.10. Van phụ trợ GV: Đào Chớ Cường Trang 37
kỹ thuật điều khiển khí nén - Với loại van này thì chỉ có một hành trình tác động mà thôi, hành trình còn lại con lăn sẽ không tác động. Hình 3.11. Van hành trình tác dụng một chiều. 3.1.1.2. Van điều khiển 4/2. Van điều khiển 4/2 làm việc theo nguyên lý một mặt tựa phẳng. Là một tổ hợp 2 van đảo chiều 3/2. Bộ phân phối đ•ợc đóng ở vị trí có lò xo và một đ•ờng mở khác cũng ở vị trí này. Hình 3.12. Van điều khiển 4/2 tác động lò xo một đầu. Trong hình trên, đ•ờng dẫn từ 1 (P) đến 2 (B) và từ 4 (A) đến 3 (R) thông nhau. D•ới tác động bằng lực đồng thời của cả hai trục ấn, nó đóng sự v•ợt qua từ 1 (P) đến 2 (B) và từ 4 (A) về 3 (R). Khi tác động với áp suất đủ lớn lên cả hai trục ấn sẽ làm cho lò xo hồi phục lại, tức mở đ•ờng đi qua từ 1 (P) đến 4 (A) và từ 2 GV: Đào Chớ Cường Trang 38
kỹ thuật điều khiển khí nén (B) về 3 (R). Bộ phân phối này không có đ•ờng thoát và mở đ•ờng trùng lặp nhau. Nó đ•ợc truyền dẫn nhờ vào lò xo ở vị trí đầu. Các bộ phân phối này đ•ợc dùng để điều khiển thiết bị xi lanh tác động kép. "Trong thực tế ít dùng van điều khiển 4/2 mà th•ờng dùng van 5/2". D•ới đây là van 4/2 tác động bằng khí nén. Hình 3.13. Van đảo chiều xung 4/2 3.1.1.3. Van xoay đảo chiều 4/3. Van xoay đảo chiều 4/3 trong mạch là loại có vị trí đóng ở chính giữa, thông th•ờng nó đ•ợc liên động với cơ cấu chấp hành để dừng cơ cấu chấp hành. Nó đóng vai trò là một van hành trình. Hình 3.14. Van 4/3 tác động bằng cơ khí GV: Đào Chớ Cường Trang 39
kỹ thuật điều khiển khí nén 3.1.1.4. Van điều khiển 5/2. Bộ phân phối 5/2 đ•ợc trình bày trên hình 2.35 là dựa trên nguyên lý ổn kép (ổn định ở hai vị trí). Bộ phân phối này đ•ợc đảo vị trí ở một phía này hay một phía khác nhờ vào khí nén, và ở vị trí còn lại cho tới khi nhận đ•ợc xung tác động (tức là cứ ở chỗ đó chừng nào ch•a có xung tác động). Hình 3.15. Van 5/2 tác động bằng khí nén D•ới tác động của áp suất, Piston điều khiển sự dịch chuyển của con tr•ợt dọc. Đoạn giữa Piston di chuyển là một trụ tròn có gắn doăng làm kín. Khi có tín hiệu xung 12 (Y) tác động vào phía phải thì cửa 1 (P) nối với cửa 2 (A), cửa 4 (B) nối với cửa 5 (S) và cửa 3 (R) bị chặn. Khi xung 12 (Y) mất đi, van vẫn giữ nguyên vị trí đó. Khi có tín hiệu xung 14 (X) tác động vào phía trái thì cửa 2 (B) nối với cửa 3 (R), cửa 1 (P) nối với cửa 4 (B) và cửa 5 (S) bị chặn. Khi xung 14 (X) mất đi, van vẫn giữ nguyên vị trí đó. D•ới đây là van 5/2 dùng van đĩa. GV: Đào Chớ Cường Trang 40
kỹ thuật điều khiển khí nén Khi nhận xung 12 Khi nhận xung 14 Hình 3.16. Van 5/2 dùng van đĩa 3.1.1.5. Van điều khiển 5/3. Van điều khiển 5/3 có 5 cổng, 3 vị trí và vị trí giữa th•ờng đóng. Với van này thì xi lanh tác động kép có thể dừng ở bất kì vị trí nào trong hành trình làm việc. Nó luôn đ•ợc định vị ở vị trí chính giữa, muốn nó hoạt động phải duy trì tín hiệu điều khiển lên một trong hai đầu của nó. Hình 3.17. Van 5/3 th•ờng đóng GV: Đào Chớ Cường Trang 41
kỹ thuật điều khiển khí nén 3.1.2. Van chắn Van chắn là loại van chỉ cho khí nén đi theo một chiều, chiều ng•ợc lại nó chặn. áp suất tác động lên bộ phận chặn của van làm van đóng lại. 3.1.2.1. Van một chiều Van một chiều chỉ cho l•u l•ợng chảy theo một chiều, chiều ng•ợc lại nó chặn. Sự che kín ở một phía có thể thực hiện đ•ợc bởi một mặt côn, một viên bi, hay một cái đĩa hoặc bởi một màng. Van đ•ợc đóng kín bởi lực tác động ở trên bộ phận che kín (thông th•ờng là lò xo). Hình 3.18. Van một chiều 3.1.2.2. Van xả nhanh. Van xả nhanh là một thiết bị phụ dùng để tăng thêm tốc độ Piston của xi lanh, nh• vậy ta tránh đ•ợc sự mất thời gian ở hành trình ng•ợc (chạy không), nhất là đối với xilanh tác động đơn. Van bao gồm một đ•ờng ống dẫn áp suất 1 (P), một đ•ờng thoát 3 (R) và một đ•ờng ra 2 (A). Khi có áp suất vào ở 1 (P), đệm đĩa che lấp đ•ờng thoát 3 (R), khí nén đi qua 2 (A). Khi áp suất bị ngắt ở đ•ờng 1 (P), khí đi từ 2 (A) tác động lên đĩa đệm cản lại đ•ờng đến từ 1 (P), cửa 1 (P) đóng kín. Đ•ờng ra của khí có thể thoát một cách trực tiếp ra bên ngoài. Vì thế đ•ờng ra của khí không cần đi qua một quãng đ•ờng dài và không qua ống dẫn điều khiển dẫn đến cơ cấu phân phối. Van xả nhanh có thể lắp thẳng lên trên xi lanh. Hình 3.19. Van xả nhanh GV: Đào Chớ Cường Trang 42
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 3.20. Mạch điều khiển với van xả nhanh 3.1.2.3. Van tiết l•u. Van tiết l•u có nhiệm vụ điều chỉnh l•u l•ợng dòng chảy, tức là điều chỉnh vận tốc hay thời gian chạy của cơ cấu chấp hành. Ngoài ra nó còn đ•ợc sử dụng để điều chỉnh thời gian chuyển đổi vị trí của van đảo chiều. a) Van tiết l•u có tiết diện thay đổi Van tiết l•u có tiết diện thay đổi điều chỉnh đ•ợc l•u l•ợng dòng chảy qua van. Loại van này tiết l•u đ•ợc cả hai chiều, tiết diện thay đổi bằng cách chỉnh vít điều chỉnh. Thông th•ờng van tiết l•u đ•ợc lắp ở đ•ờng ra, vào của cơ cấu chấp hành (Hình 3.21). Hình 3.21. Van tiết l•u có tiết diện thay đổi. b) Van tiết l•u một chiều điều chỉnh bằng tay Loại van này ng•ời ta lắt kết hợp giữa hai van là: Van tiết l•u có tiết diện thay đổi và Van một chiều (Hình 3.22). Theo chiều đóng của van một chiều, dòng khí chỉ có thể đi qua tiết diện tiết l•u. Theo chiều ng•ợc lại, dòng khí có thể di chuyển tự do qua van một chiều. Nh• vậy dòng khí chỉ bị tiết l•u ở một chiều của dòng chảy. GV: Đào Chớ Cường Trang 43
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 3.22. Van tiết l•u một chiều điều chỉnh bằng tay. c) Van tiết l•u một chiều điều chỉnh bằng cữ chặn Với ph•ơng pháp điều chỉnh van tiết l•u bằng tay có nh•ợc điểm là không thay đổi đ•ợc tuỳ thuộc vào mỗi hành trình khác nhau sẽ có vận tốc khác nhau. Vậy ng•ời ta sử dụng van tiết l•u một chiều điều chỉnh bằng cữ chặn (Hình 3.23). Hình 3.23. Van tiết l•u một chiều điều chỉnh bằng cữ chặn. Tuỳ theo cách lắp đặt van tiết l•u trên sơ đồ mà ng•ời ta phân ra là van tiết l•u đ•ờng vào hay là van tiết l•u đ•ờng ra. . Tiết l•u đ•ờng vào (tiết l•u sơ cấp): Trong tr•ờng hợp tiết l•u đ•ờng cung cấp (đ•ờng vào), van tiết l•u một chiều đ•ợc lắp ở đ•ờng vào và hạn chế l•ợng khí nén cung cấp cho xi lanh (hình 3.24), trong khi khí có thể thoát ra từ xi lanh một cách tự do. Tiết l•u đ•ờng cung cấp đ•ợc sử dụng trong các xi lanh tác động đơn có thể tích nhỏ. GV: Đào Chớ Cường Trang 44
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 3.24. Tiết l•u đ•ờng vào. Hình 3.25. Tiết l•u đ•ờng ra. . Tiết l•u đ•ờng ra (tiết l•u thứ cấp): Tr•ờng hợp này ng•ợc lại, khí nén cung cấp một cách tự do cho xi lanh và bị tiết l•u ở đ•ờng ra (hình 3.25). Thông th•ờng trong hệ thống khí nén, để điều chỉnh tốc độ cơ cấu chấp hành, ng•ời ta sử dụng ph•ơng pháp tiết l•u đ•ờng ra. 3.1.2.4. Van AND Còn đ•ợc gọi là phần tử logic chức năng AND (hình 3.26). Bộ chọn này có hai đ•ờng vào 1 (X) và 3 (Y) và một đ•ờng ra duy nhất 2 (A). Tín hiệu khí nén ở 2 (A) chỉ có khi cả hai tín hiệu cùng tồn tại. Một tín hiệu vào 1 (X) hoặc vào 3 (Y) sẽ che kín đ•ờng đi qua bởi một lực tác động lên một trong hai bề mặt của lá van. Khi tín hiệu thứ nhất vào không có sự đi qua, đến tín hiệu sau vào ở đ•ờng kia lúc này mới có sự đi qua ở đ•ờng 2 (A). Trong tr•ờng hợp áp suất khác nhau ở các tín hiệu đ•ờng vào thì áp suất nào lớn hơn sẽ đóng kín cửa van, còn áp suất nhỏ hơn sẽ đi ra ở 2 (A). Hình 3.26. Van Logic AND. GV: Đào Chớ Cường Trang 45
kỹ thuật điều khiển khí nén Thiết bị này đ•ợc chủ yếu sử dụng trong các mạch logic, mạch an toàn để thực hiện chức năng điều khiển và mối liên hệ logic (hình 3.27). Hình 3.27. Mạch điều khiển sử dụng van Logic AND trong mạch. 3.1.2.5. Van OR. - Ta có thể gọi nó là bộ chọn mạch, van điều khiển kép hay van một chiều kép. Hình 3.28. Van Logic OR. (loại con tr•ợt) Chế độ làm việc của van một chiều kép này gồm hai cửa vào 1(X), 3(Y) và một cửa ra duy nhất 2(A) (hình 3.28). - Khi khí nén đến cửa vào 1(X), thì viên bi di chuyển đến đóng cửa 3(Y), khí nén đi qua từ 1(X) đến 2(A). Ng•ợc lại, khi khí nén đến bằng cửa 3(Y), nó sẽ đi đến 2(A) và cửa vào 1(X) sẽ đ•ợc đóng kín. Lúc dòng ng•ợc về thì viên bi vẫn còn ở vị trí nh• tr•ớc của nó. Hình 3.29. Van OR loại bi GV: Đào Chớ Cường Trang 46
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 3.30. Mạch điều khiển sử dụng van Logic OR có 3 tín hiệu đầu vào. 3.1.3. Van áp suất. a) Van an toàn. Van an toàn có nhiệm vụ là giữ áp suất lớn nhất của hệ thống có thể tải đ•ợc. Khi áp suất lớn hơn giá trị cho phép của hệ thống, thì dòng áp suất khí nén (chất lỏng) sẽ thắng sức căng lò xo và tự xả ra ngoài đảm bảo an toàn cho hệ thống . Hình 3.31. Sơ đồ nguyên tắc của van an toàn. b) Van tràn. Van tràn có chung nguyên tắc làm việc nh• van an toàn. Nh•ng chỉ khác ở điểm là khi áp suất đạt giá trị tới hạn thì nó sẽ mở để cấp khí cho mạch ngoài. GV: Đào Chớ Cường Trang 47
kỹ thuật điều khiển khí nén Kí hiệu: c) Van áp suất điều khiển từ xa tác động gián tiếp qua van tràn Nguyên tắc hoạt động của van nà t•ơng tự nh• van tràn. Khi có tín hiệu tác động cảo cửa điều khiển 12 (Z) của van, nếu tín hiệu đạt giá trị tiêu chuẩn thì van sẽ mở ra. Hình 3.32. Sơ đồ nguyên tắc của van an toàn. Hình 3.33. Mạch điều khiển sử dụng van tràn điều khiển từ xa. GV: Đào Chớ Cường Trang 48
kỹ thuật điều khiển khí nén 3.1.4. Van điều chỉnh thời gian (DELAY). Đây là tổ hợp của van điều khiển 3/2 bằng khí nén, van tiết l•u một chiều và một bình chứa khí nhỏ. Thời gian có tác dụng thông th•ờng trong khoảng từ 0 đến 30 giây. a) Van DELAY thời gian th•ờng đóng. Hình 3.34. Van DELAY thời gian th•ờng đóng. Nguyên lý hoạt động: Nguồn khí nén cung cấp cho van qua cửa 1 (P). Dòng khí điều khiển qua cửa vào 12 (Z) đi qua van tiết l•u một chiều, tùy theo sự điều chỉnh của vít tiết l•u mà sẽ làm tăng thêm hay giảm bớt một l•ợng khí vào trong bình chứa nhỏ. Khi áp suất điều khiển trong bình chứa đạt đủ độ lớn cần thiết nó sẽ tác động đẩy con tr•ợt đi xuống làm đóng kín sự liên thông từ 2 (A) đến 3 (R). Lúc này bề mặt tựa của van đ•ợc mở ra và khí nén có thể đi từ 1 (P) sang 1 (A). Khoảng thời gian cần để thiết lập áp suất trong bình chứa có tác dụng làm chậm trễ sự điều khiển của van phân phối 3/2. Bộ làm trễ bắt đầu lại ở vị trí ban đầu khi cửa điều khiển 12 (Z) trở thành cửa thoát khí, khí nén sẽ đ•ợc thoát từ bình chứa một cách tự do qua van tiết l•u một chiều và đ•ờng thoát của van 3/2 lại có tín hiệu. Lực lò xo sẽ đẩy con tr•ợt đi lên đóng kín cửa 1 (P), nối 2 (A) với 3 (R). GV: Đào Chớ Cường Trang 49
kỹ thuật điều khiển khí nén b) Van thời gian th•ờng mở: Hình 3.35. Van DELAY thời gian th•ờng mở. Nguyên lý hoạt động: Giống nh• trên, khí nén điều khiển đi vào cửa 1 vào bình chứa. Khi áp suất trong bình đạt đủ mức cần thiết, van 3/2 đ•ợc chỉnh l•u, đóng kín đ•ờng 1 sang 2 và nối đ•ờng làm việc 2 đ•ợc thông sang 3. Sự trễ t•ơng ứng với thời gian thiết lập đủ áp suất trong bình. Khi cắt nguồn khí điều khiển tác động vào cửa 12, bộ làm trễ bắt đầu lại ở vị trí ban đầu. Hình 3.36. Mạch điều khiển với van delay thời gian. GV: Đào Chớ Cường Trang 50
kỹ thuật điều khiển khí nén Thời gian phản ứng của rơ le thời gian trong mạch đ•ợc biểu diễn nh• sau: Loại tác dụng trễ Loại ngắt trễ Loại thu ngắn tín hiệu Loại kéo dài tín hiệu 3.1.5. Van chân không. Van chân không có nhiệm vụ tạo ra chân không cung cấp cho đĩa hút chân không để hút và giữa chi tiết. Van chân không th•ờng dùng là loại tạo chân không bằng họng khuếch tán (theo nguyên lý dùng ống Ventury). Khi không khí đi qua tiết diện hẹp thì tại đó vận tốc của dòng khí tăng lên, tại tiết diện hẹp đó sẽ tạo ra độ chân không. Hình 3.37. Van chân không. GV: Đào Chớ Cường Trang 51
kỹ thuật điều khiển khí nén 3.2. Cơ cấu chấp hành 3.2.1. Xi lanh khí nén a) Xi lanh tác động đơn. Xi lanh tác động đơn chỉ đ•ợc cung cấp khí nén từ một phía do đó chỉ tạo ra hành trình làm việc theo một chiều. Hành trình ng•ợc lại của Piston đ•ợc thực hiện bởi lò xo. Việc xác định kích cỡ lò xo tùy thuộc kiểu có thể đ•a Piston đi (hay về) vị trí khởi động một cách nhanh chóng. Hình 3.38. Xi lanh tác động đơn (loại piston). Trong xi lanh có lò xo hồi vị, hành trình của Piston là một hàm theo chiều dài của lò xo. Thông th•ờng hành trình này không quá 100 mm. Loại này đ•ợc sử dụng cho các công việc đơn giản: đẩy vào, đẩy ra, nâng lên, đ•a chi tiết vào, cung cấp chuyển động Độ kín khít đ•ợc bảo đảm bởi vật liệu nhựa dẻo hoặc vật liệu mềm đ•ợc lắp vào trong một Piston kim loại. Chuyển động ở mép Piston là chuyển động tr•ợt kín trong bề mặt trụ của xi lanh. Thứ hai là loại xi lanh mà lò xo thực hiện hành trình làm việc, còn khí nén thực hiện hành trình ng•ợc lại. Th•ờng trong tr•ờng hợp này ng•ời ta sử dụng khí nén để dừng, hãm (xe tải, xe con, toa xe) để bảo đảm sự chắc chắn phanh hãm. Xi lanh kiểu màng. Màng có thể là cao su, nhựa dẻo hay cũng có thể bằng kim loại, đảm nhận vai trò của Piston. Cần Piston đ•ợc cố định ở trung tâm của màng, không có đệm kín. Hành trình về đ•ợc thực hiện bởi tính đàn hồi của vật liệu màng. GV: Đào Chớ Cường Trang 52
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 3.39. Xi lanh tác động đơn (loại màng). b. Xi lanh tác động kép. Hành trình đi và về của Piston đều có tác động bởi khí nén. Sử dụng trong tr•ờng hợp đòi hỏi phải có chuyển động hai chiều có điều khiển. Độ kín giữa xi lanh và Piston đ•ợc bảo đảm nhờ có các đệm ở mép Piston hoặc của màng. Hình 3.40. Xi lanh tác động kép (loại không có giảm chấn). . Xi lanh có giảm chấn ở cuối hành trình. Thực chất của việc giảm chấn cho Piston ở cuối hành trình là sự bố trí đ•ờng thoát bằng van một chiều có tiết l•u. ở đây khối dẫn h•ớng đóng vai trò quan trọng. Để tránh va đập có thể dẫn tới h• hỏng, ng•ời ta lắp một bộ phận giảm chấn điều chỉnh đ•ợc ở cuối hành trình của xi lanh. Cần có bộ phận này bởi vì Piston phải đ•ợc giảm chấn một cách đáng GV: Đào Chớ Cường Trang 53
kỹ thuật điều khiển khí nén kể khi nó đến cuối hành trình. Bộ phận giảm chấn có một đ•ờng thoát khí nhỏ có thể điều chỉnh đ•ợc, tạo ra hiệu ứng giảm chấn. Hình 3.41. Xi lanh tác động kép có giảm chấn hai đầu. Khí đ•ợc tích chứa trong phần cuối buồng chứa của xi lanh sau mỗi lần nén. Lúc bấy giờ áp suất d• phát sinh sẽ thoát qua van tiết l•u và hiệu ứng giảm chấn bắt đầu xảy ra (do phải đi qua tiết diện hẹp). Sự nén này của khí qua đ•ờng tiết l•u bổ sung thêm cho việc hấp thụ một phần năng l•ợng, Piston hãm chuyển động và đi tới chậm dần cho tới cuối hành trình. ở hành trình ng•ợc lại tiếp theo sau thì vì tiết l•u là một chiều nên Piston chuyển động không bị hãm. Ngoài ra còn có các kiểu giảm chấn khác: - Giảm chấn không điều chỉnh đ•ợc, ở hai phía - Giảm chấn không điều chỉnh đ•ợc, ở một phía - Giảm chấn điều chỉnh đ•ợc, ở một phía của Piston. . Xi lanh kép nối nhau. Hình 3.42. Xi lanh kép nối nhau (tandem). - Với xi lanh này có lực tác động lên cán Piston là lực tổng của cả 2 xi lanh. GV: Đào Chớ Cường Trang 54
kỹ thuật điều khiển khí nén . Xi lanh kép hai đầu đòn. Hình 3.43. Xi lanh kép hai đầu đòn, có giảm chấn hai đầu, điều chỉnh đ•ợc. . Xi lanh b•ớc (nhiều vị trí). - Xi lanh b•ớc này tạo ra đ•ợc nhiều vị trí dịch chuyển. Cấu tạo bao gồm 2 xi lanh kép nối với nhau. Bằng cách cấp khí vào các cửa mà ta co các vị trí khác nhau của Piston. Cửa nối 1 2 3 4 0 + - - + 1 + - + - Vị trí 2 - + - + 3 - + + - Hình 3.44. Xi lanh b•ớc. . Xi lanh va đập. Lực tác dụng của xi lanh khí nén bị hạn chế. Vì vậy ng•ời ta sử dụng một loại xi lanh có thể sinh ra lực lớn, đó là xi lanh va đập. Loại này tăng vận tốc của Piston lên cao khoảng 7,5 m/s đến 10,5 m/s (hình 3.45). Hình 3.45. Xi lanh va đập. GV: Đào Chớ Cường Trang 55
kỹ thuật điều khiển khí nén - Khi khí nén đ•ợc cấp vào khoang A nó sẽ tác dụng lên diện tích Piston C làm cho Piston dịch chuyển theo chiều Z. Khi Piston dịch chuyển van C mở ra và khí nén tác dụng vào toàn bộ đỉnh Piston sinh ra lực lớn. - . Xi lanh quay. - Nguyên lý tạo chuyển động quay nhờ bánh răng thanh răng, góc quay có thể là: 900; 1800; 3600. Thông th•ờng nó đ•ợc dùng để dẫn động các đĩa hút chân không kẹp giữ chi tiết hoặc hút chi tiết. Hình 3.46. Xi lanh quay. . Xi băng đai. - Loại này sử dụng băng đai và bàn tr•ợt, thông qua chuyển động của Piston sẽ kéo băng đai làm cho bàn tr•ợt chuyển động qua lại. Một số xi lanh loại này có thể phanh tại một vị trí nhất định nào đó nhờ cơ cấu phanh. Hình 3.47. Xi lanh băng đai. . Xi lanh từ. - Với loại xi lanh này bàn tr•ợt gắn ở phía ngoài và liên động với Piston bên trong nhờ lực từ của nam châm. Hình 3.48. Xi lanh từ (dùng ly hợp nam châm). GV: Đào Chớ Cường Trang 56
kỹ thuật điều khiển khí nén  Tính toán xi lanh. * Tính lực đẩy của xi lanh. Lực đẩy phát sinh khi xi lanh hoạt động phụ thuộc vào nguồn áp suất, đ•ờng kính xilanh và lực ma sát của các đệm. * Lực đẩy lý thuyết đ•ợc xác định theo công thức sau: Flt A.p Trong đó: Flt - Lực đẩy lý thuyết (N) A - Diện tích bề mặt làm việc của Piston (m2) A = .D2/4 p - áp suất cung cấp (Pa) Thực tế, lực đẩy lý thuyết có sai số so với lực đẩy thật. Để xác định lực đẩy thật, cần tính đến các sai số do sức cản, ma sát. Trong các điều kiện làm việc bình th•ờng (phạm vi áp suất 400 – 800 kPa, 4 – 8 bar), có thể giả định lực ma sát bằng 10% lực lý thuyết. * Lực đẩy thực tế nh• sau: + Xi lanh tác động đơn: Ftt (A.p) (Fms Flx ) + Xi lanh tác động kép: - Hành trình thuận: FR (A.p) Fms - Hành trình ng•ợc: FV (A'.p) Fms Trong đó: A’ - Bề mặt làm việc của Piston, phía cán (m2): A = .(D2 – d2)/4 Fms - Lực ma sát, bằng 10% Flt (N) Flx - Lực phản hồi của lò xo (lực lò xo) (N) D - Đ•ờng kính xi lanh (m) d - Đ•ờng kính cán Piston (m). . Ví dụ tính toán: Các số liệu ban đầu: D = 50 mm; d = 12 mm; Fms 10%; P = 6 bar. Tính toán: - Tiết diện làm việc của Piston: A = 3,1416.52/4 = 19,625 (cm2) GV: Đào Chớ Cường Trang 57
kỹ thuật điều khiển khí nén - Tiết diện bề mặt làm việc của Piston phía có cần: A’ = 3,1416.(52 – 1,22)/4 = 18,5 cm2 - Lực đẩy lý thuyết hành trình tới: 4 2 5 2 Flt = 19,625.10 (m ). 6.10 (N/m ) = 1177,5 N Lực ma sát: Fms = 117,75 N - Lực đẩy thực tế của hành trình tới (thuận): Ftt = 1177,5 – 117,75 = 1060 (N) - Lực đẩy lý thuyết của hành trình về (ng•ợc): 4 2 5 2 Fth = A’.P = 18,5.10 (m ).6.10 (N/m ) = 1110 N Lực ma sát: Fms = 111 N - Lực đẩy thực tế của hành trình về (nghịch): 4 5 Ftt = A.P.FR = 18,5.10 .6.10 – 111 = 999 N. Thông th•ờng ng•ời ta có thể xác định lực đẩy của Piston thông qua biểu đồ quan hệ sau: Hình 3.49. Biểu đồ xác định lực đầy của Piston. * Độ dài của hành trình: GV: Đào Chớ Cường Trang 58
kỹ thuật điều khiển khí nén Độ dài hành trình của một xi lanh khí nén th•ờng không quá 2m. Khi hành trình quá dài, đ•ờng kính xi lanh quá lớn thì việc ứng dụng khí nén sẽ không kinh tế. Khi hành trình v•ợt quá một giới hạn nhất định, độ mỏi cơ học của trục Piston và của bạc sẽ giảm quá độ. Để tránh mọi nguy cơ xảy ra uốn dọc, ng•ời ta tăng đ•ờng kính của cần Piston lên khi hành trình dài, vả lại hành trình dài làm tăng khoảng cách giữa các cửa nhờ đó cải thiện tính dẫn h•ớng của cần. Hình 3.50. Biểu đồ quan hệ giữa các thông số của cán Piston và lực đẩy. * Vận tốc của Piston xilanh khí nén. Tốc độ của một Piston xi lanh khí nén là một hàm của sức cản, áp suất khí, chiều dài mạng phân phối, tiết diện trong của các cơ cấu phân phối điều khiển và các thiết bị làm việc, l•u l•ợng của các bộ phân phối điều khiển. Ngoài ra, tốc độ còn bị ảnh h•ởng bởi giảm chấn ở cuối hành trình. Vận tốc trung bình của Piston thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1,5 m/s. Với các xilanh đặc biệt có thể đạt tới 10 m/s. Có thể điều chỉnh đ•ợc vận tốc của Piston nhờ có các loại van đặc biệt nh• van một chiều có tiết l•u hay van thoát khí nhanh (van xả nhanh). * L•ợng tiêu thụ không khí nén. GV: Đào Chớ Cường Trang 59
kỹ thuật điều khiển khí nén Việc chuẩn bị một l•ợng không khí cần thiết hay thống kê sự tổn hao năng l•ợng khí nén đúng với l•ợng không khí đã chuẩn bị là một việc quan trọng. - Với một áp suất cung cấp xác định, đ•ờng kính Piston và hành trình cho tr•ớc, sự tiêu thụ không khí có thể đ•ợc tính nh• sau: L•ợng khí nén tiêu thụ = Tỷ số nén Tiết diện bề mặt làm việc Piston Hành trình số hành trình trên phút p + p Q = A.S.n. d 0 (l/ph) p0 Trong đó tỷ số nén  đ•ợc tính theo công thức sau: pd p0 (kPa) 101,3 p0 (kPa)  p0 101,3 Trong đó: Q - L•ợng khí tiêu thụ trên phút (l/ph , 1 lít = 1000 cm3). Pd - áp suất d• của không khí (trạng thái chuẩn vật lý T = 273,15K = 00C, p =101,325 Pa = 101325 N/m2 = 1,01325 bar). S - Hành trình của Piston (cm) n – Số hành trình dịch chuyển trên phút (lần /ph). Ví dụ: Một xi lanh đơn, có đ•ờng kính D = 50 mm và hành trình là 120mm đ•ợc hoạt động với áp suất là 6 bar trong 100 hành trình. Hãy xác định l•ợng khí tiêu thụ của xi lanh. Giải: D = 50mm = 5 cm. S = 120 mm = 12 cm. Pd = 6 bar. n = 100 lần áp dụng công thức ta có: 3,14.5(cm) 2 6bar 1bar Q .12cm.100. 4 1bar 164933 ,6cm3 / ph 165l / ph Thông th•ờng trong tính toán nếu không cần độ chính xác cao lắm ng•ời ta dùng ph•ơng pháp xác định bằng biểu đồ. GV: Đào Chớ Cường Trang 60
kỹ thuật điều khiển khí nén Với xi lanh đơn: Q = S.n.q Với xi lanh kép: Q = 2.S.n.q Trong đó: q - L•ợng tiêu thụ riêng trên một cm hành trình (l/cm), nó đ•ợc tra bảng hoặc đồ thị. Hình 3.51. Biểu đồ xác định l•ợng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q. Bảng 2: L•ợng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q. áp suất d• (bar) Đ•ờng kính xilanh 4 6 8 L•ợng tiêu thụ khí riêng q (l/cm) 12 0,006 0,008 0,01 25 0,024 0,033 0,043 35 0,047 0,066 0,084 50 0,096 0,14 0,18 70 0,19 0,26 0,34 100 0,39 0,54 0,69 GV: Đào Chớ Cường Trang 61
kỹ thuật điều khiển khí nén 3.2.2. Động cơ khí nén Động cơ khí nén chuyển đổi năng l•ợng khí nén thành chuyển động quay cơ học, có thể thực hiện một chuyển động quay không hạn chế góc quay và đ•ợc sử dụng nh• một thiết bị khí nén. Đặc điểm của động cơ khí nén: - Có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ quay - Kích th•ớc choán chỗ nhỏ - Không bị ảnh h•ởng bởi bụi, hơi n•ớc, nóng lạnh - Chống cháy nổ tốt - Dải tốc độ rộng - Không đòi hỏi bảo quản chu đáo - Quay đ•ợc hai chiều thuận nghịch. Theo cấu tạo ng•ời ta phân thành các thiết bị sau: - Động cơ kiểu bánh răng - Động cơ kiểu Piston - Động cơ kiểu cánh gạt - Động cơ kiểu turbin a) Động cơ kiểu bánh răng. Có tốc độ quay lớn nhất khoảng 5000 v/ph. Đối với kiểu động cơ này, cặp ngẫu lực quay phát sinh khi áp suất của khí nén tác động trên bề mặt của hai bánh răng ăn khớp nhau. Bánh răng dẫn đ•ợc bắt chặt với trục động cơ. Động cơ bánh răng cho phép đạt công suất khá cao, tới 44 kW (60 hp). Hình 3.52. Động cơ khí nén kiểu bánh răng. GV: Đào Chớ Cường Trang 62
kỹ thuật điều khiển khí nén - Động cơ bánh răng răng thẳng: Mô men quay đ•ợc tạo ra bởi áp suất khí nén lên mặt bên răng, ống thải khí đ•ợc thiết kế dài để có nhiệm vụ giảm tiếng ồn. - Động cơ bánh răng răng nghiêng: Nguyên lí hoạt động nh• động cơ bánh răng thẳng, điểm chú ý là ổ lăn phải chọn để khử đ•ợc lực h•ớng trục và lực dọc trục. - Động cơ bánh răng chữ V: Có •u điểm là giảm đ•ợc tiếng ồn. b) Động cơ kiểu Piston Khí nén dẫn động các cơ cấu trung gian của những Piston nhờ chuyển động qua lại của Piston. Cơ cấu trung gian là một thanh truyền và trục khuỷu. Cần có nhiều xi lanh để đảm bảo một hành trình không thay đổi. Công suất của động cơ phụ thuộc vào áp suất cung cấp từ bên ngoài, phụ thuộc vào các bề mặt làm việc, các khoảng chạy và vận tốc của các Piston thông th•ờng 1,5 đến 19kW (2 đến 25 hp). Hình 3.53. Động cơ khí nén kiểu Piston. c) Động cơ kiểu cánh gạt. Do cấu trúc và trọng l•ợng nhỏ gọn nên động cơ kiểu cánh gạt đ•ợc dùng nhiều trong các thiết bị cầm tay (hand tools). Không khí nén đ•ợc dẫn vào động cơ qua đ•ờng vào, d•ới tác động của áp suất sẽ tác động lên các cánh làm cho roto quay. Khí nén sau khi sinh công đ•ợc thải tại đ•ờng ra. Để động cơ có thể khởi động đ•ợc, cánh Hình 3.54. Động cơ cánh gạt. gạt phải ép sát vào thành roto nên một số động cơ có thiết kế thêm lò xo đẩy để cánh gạt tiếp xúc tốt với vách. Tốc độ roto khoảng từ 3000 đến 8500 v/ph và công suất từ 0,1 đến 17 kW (0,14 đến 24 hp). GV: Đào Chớ Cường Trang 63
kỹ thuật điều khiển khí nén d) Động cơ turbine. Động cơ turbine hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi động năng của dòng khí nén qua vòi phun thành năng l•ợng cơ học. Tốc độ của loại động cơ này rất cao, nhiều khi lên đến 500000 v/ph. Tùy theo h•ớng của dòng khí đi vào động cơ mà đó đ•ợc phân thành các loại: Động cơ h•ớng trục, dọc trục, tiếp tuyến Hình 3.55. Động cơ tuabine. GV: Đào Chớ Cường Trang 64
kỹ thuật điều khiển khí nén Ch•ơng 4: Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén 4.1. Khái niệm về kỹ thuật điều khiển. "Điều khiển" là một quá trình của một "hệ thống", trong đó một hay nhiều đại l•ợng đầu vào (tín hiệu vào) sẽ làm ảnh h•ởng đến một hay nhiều đại l•ợng đấu ra (tín hiệu ra). Tín hiệu vào Điều khiển Tín hiệu ra XE1 XS1 Hệ XE2 thống X S2 XE3 Một hệ thống điều khiển hở có thể biểu diễn nh• sau: Tín hiệu nhiễu X 1 Dòng năng l•ợng Đối t•ợng điều khiển (ĐTĐK) Tín hiệu điều khiển Tiến trình điều khiển Thiết bị điều khiển (TBĐK) Đại l•ợng điều chỉnh Z Tín hiệu vào X 1 GV: Đào Chớ Cường Trang 65
kỹ thuật điều khiển khí nén 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén 4.2.1. Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển Trong một hệ thống điều khiển gồm nhiều mạch điều khiển. Hơn nữa trong quá trình điều khiển, nhiều hệ thống điều khiển đ•ợc kết hợp với nhau, ví dụ: điều khiển bằng khí nén kết hợp với điện, thủy lực Để đơn giản quá trình điều khiển, phần tiếp theo sẽ trình bày cách biểu diễn các chức năng của quá trình điều khiển theo tiêu chuẩn của Cộng hòa Liên bang Đức bao gồm: - Biểu đồ trạng thái theo tiêu chuẩn VDI 3260. - Sơ đồ chức năng theo tiêu chuẩn DIN/EN 40719/6. - L•u đồ tiến trình theo tiêu chuẩn DIN 66 001. 4.2.2. Biểu đồ trạng thái - Kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái theo VDI 3260. Công tắc ngắt khi nguy hiểm P Phần tử áp suất 6bar Nút đóng t Phần tử thời gian 1s Nút đóng và ngắt Nút ngắt Tín hiệu rẽ nhánh Công tắc chọn chế độ làm việc (bằng tay hoặc tự động) Liên kết OR Nút tự động Liên kết AND Nút bấm Tín hiệu tác động bằng Đèn báo cơ khí (van hành trình). S3 Liên kết OR có một Nút ấn tác động đồng thời nhánh phủ định. Hình 4.1. Các kí hiệu th•ờng dùng trên biểu đồ trạng thái. GV: Đào Chớ Cường Trang 66
kỹ thuật điều khiển khí nén Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. - Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay ) - Trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các b•ớc thực hiện hoặc là thời gian hành trình. - Hành trình làm việc đ•ợc chia thành các b•ớc. Sự thay đổi trạng thái trong các b•ớc đ•ợc biểu diễn bằng đ•ờng đậm. - Sự liên kết các tín hiệu đ•ợc biểu diễn bằng đ•ờng nét nhỏ và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên. Ví dụ: Thiết kế biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển sau: Xi lanh tác dụng hai chiều 1A sẽ đi ra ở b•ớc 1 và sau đó xi lanh 2A đi ra b•ớc 2. ở b•ớc 3 xi lanh 1A đi vào và b•ớc 4 xi lanh 2A đi vào. B•ớc 5 quay trở lại b•ớc 1. - Khi xi lanh đi ra kí hiệu là (+) và đi vào kí hiệu là (-). Và ở đây ta có: Hình 4.2. Sơ đồ bố trí hệ thống 1A + 2A + 1A – 2A - Hình 4.3. Biểu đồ trạng thái các xi lanh theo b•ớc hoạt động. GV: Đào Chớ Cường Trang 67
kỹ thuật điều khiển khí nén Ngoài ra ng•ời ta còn dùng biểu đồ trạng thái theo thời gian: Hình 4.4. Biểu đồ trạng thái các xi lanh theo thời gian. Để biểu diễn trạng thái của bộ phận tạo tín hiệu và điều khiển ng•ời ta cũng dùng biểu đồ trạng thái. Tín hiệu điều khiển là tín hiệu nhị phân (mang các giá trị “0” và “1”). T•ơng tự biểu đồ trạng thái đối với các bộ phận điều khiển đ•ợc biểu diễn nh• sau: Hình 4.5. Biểu đồ trạng thái các bộ phận điều khiển. Qua các biểu đồ trạng thái của cơ cấu chấp hành và bộ phận điều khiển ghép lại ta đ•ợc biểu đồ trạng thái của cả hệ thống (hình 4.6). Để biểu diễn sự liên kết giữa các tín hiệu điều khiển ta dùng các nét mảnh có mũi tên chỉ vị trí tác động (hình 4.7). GV: Đào Chớ Cường Trang 68
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.6. Biểu đồ trạng thái hệ thống. Sự liên kết các tín hiệu của hệ thống đ•ợc biểu diễn nh• sau: Hình 4.7. Cách biểu diễn sự liên kết trong biểu đồ trạng thái. Biểu đồ trạng thái trên có nghĩa nh• sau: Khi tác độ vào nút ấn khởi động “1S1” và “2S1” được tác động thì xi lanh 1A đi ra (1A+). Xi lanh 1A+ sẽ tác động vào “1S3” và “1S3” điều khiển cho 2A+. Khi 2A+ sẽ tác động vào “2S2” làm cho 1A trở về (1A-) và khi 1A- tác động 1S2 làm 2A-. 2A- lại tác động “2S1” đóng. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển nh• (hình 4.8). GV: Đào Chớ Cường Trang 69
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.8. Sơ đồ mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ trạng thái (hình4.7). 4.2.3. Sơ đồ chức năng. Sơ đồ chức năng cho ta một cái nhìn tổng quát về hoạt động của hệ thống, nó bao gồm các b•ớc thực hiện và các lệnh. Các b•ớc thự hiện đ•ợc kí hiệu theo số thứ tự và các lệnh gồm tên lệnh và vị trí ngắt lệnh. Thứ tự b•ớc và tên b•ớc Tín hiệu vào từ 1 đến n Loại lệnh Tên lệnh Vị trí ngắt lệnh Hình 4.9. Sơ đồ chức năng. GV: Đào Chớ Cường Trang 70
kỹ thuật điều khiển khí nén Kí hiệu các lệnh thực hiện nh• sau: S - Loại lệnh nhớ. NS - Loại lệnh không nhớ. SH - Loại lệnh nhớ, mặc dùng dòng năng l•ợng trong hệ thống mất đi. T - Loại lệnh có giới hạn thời gian. D - Loại lệnh bị chậm trễ. SD - Loại lệnh nhớ và bị chậm trễ. NSD - Loại lệnh không nhớ nh•ng chậm trễ. ST - Loại lệnh nhớ và giới hạn thời gian. Ví dụ: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo sơ đồ chức năng ở trên (1A+ 2A+ 2A- 1A-). Hình 4.10. Mạch điều khiển. GV: Đào Chớ Cường Trang 71
kỹ thuật điều khiển khí nén 4.3. Phân loại ph•ơng pháp điều khiển Tiêu chuẩn DIN 19 237 phân loại nh• sau: - Điều khiển bằng tay - Điều khiển tùy động theo thời gian - Điều khiển tùy động theo hành trình - Điều khiển theo ch•ơng trình bằng cơ cấu chuyển mạch - Điều khiển theo tầng - Điều khiển theo nhịp - Điều khiển bằng bộ chọn b•ớc 4.3.1. Điều khiển bằng tay Ph•ơng pháp này đ•ợc ứng dụng phần lớn đối với những mạch điều khiển bằng khí nén đơn giản, ví dụ nh• các đồ gá kẹp chi tiết. a) Điều khiển trực tiếp. Có đặc điểm là chức năng đ•a tín hiệu (tạo tín hiệu) và xử lý tín hiệu do một phần tử đảm nhiệm. Ví dụ: Mạch điều khiển xi lanh tác dụng kép hình 3.11. 1 2 3 4 5=1 1 1A 0 1 1S 0 Hình 4.11. Mạch điều khiển trực tiếp với van 5/2 và 4/2. GV: Đào Chớ Cường Trang 72
kỹ thuật điều khiển khí nén b) Mạch điều khiển gián tiếp Mạch điều khiển gián tiếp xi lanh tác động kép các hành trình tiến và lùi của xi lanh đ•ợc điều khiển bằng phần tử 1S thông qua van 1V. Hình 4.12. Mạch điều khiển gián tiếp với van 5/2 và 4/2. c) Mạch điều khiển xi lanh tác động kép với phần tử logic. Hình 4.13. Mạch điều khiển gián tiếp với van AND. GV: Đào Chớ Cường Trang 73
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.14. Mạch điều khiển gián tiếp với van OR. 4.3.2. Điều khiển tuỳ động theo thời gian. Sơ đồ đ•ợc biểu diễn nh• d•ới đây. Mạch sẽ hoạt động khi ta ấn nút 1S3 và đồng thời khi đó 1S1 bị tì. Piston đi ra và dừng lại trong khoảng thời gian t sau đó mới quay trở về. Hình 4.15. Sơ đồ bố trí hệ thống và biểu đồ trạng thái. GV: Đào Chớ Cường Trang 74
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.16. Mạch điều khiển tuỳ động theo thời gian. * Điều khiển vận tốc bằng van tiết l•u một chiều. Vận tốc của Piston đ•ợc van tiết l•u điều khiển. Nh• vậy khi Piston dịch chuyển để hết hành trình cần mất một khoảng thời gian. VD: Piston đi ra trong khoảng thời gian 3 giây, đi vào mất khoảng thời gian là 2,5 giây. Hình 4.17. biểu đồ trạng thái. GV: Đào Chớ Cường Trang 75
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.18. Sơ đồ bố trí hệ thống và mạch điều khiển. * Điều khiển vận tốc bằng van xả khí nhanh. Vận tốc hồi vị của Piston đ•ợc van xả nhanh điều khiển. Hình 4.19. Biểu đồ trạng thái và mạch điều khiển. GV: Đào Chớ Cường Trang 76
kỹ thuật điều khiển khí nén 4.3.3. Điều khiển tùy động theo hành trình Cơ sở của điều khiển tuỳ động theo hành trình chính là sử dụng hành trình của các Piston thông qua các van hành trình (đặt tại các vị trí trong, ngoài) để điều khiển. Nếu một b•ớc thực hiện trong mạch mà bị lỗi thì mạch sẽ ngừng hoạt động. Ví dụ 1: Hai xi lanh đ•ợc sử dụng để vân chuyển phôi liệu từ thùng chứa đến một máng tr•ợt. Khi ấn nút khởi động thì xi lanh 1A sẽ đẩy phôi ra khỏi thùng chứa và xi lanh 2A tiếp tục đẩy phôi xuống máng tr•ợt. Hình 4.20. Điều khiển tuỳ động theo hành trình 2 xilanh. Hình 4.21. Mạch điều khiển tuỳ động theo hành trình 2 xilanh. Nguyên tắc hoạt động của mạch đ•ợc thể hiện qua các sơ đồ mạch d•ới đây: GV: Đào Chớ Cường Trang 77
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.22. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển tuỳ động theo hành trình. GV: Đào Chớ Cường Trang 78
kỹ thuật điều khiển khí nén Ví dụ 2: Nguyên lý hoạt động của một máy khoan. Sau khi sản phẩm cần gia công đ•ợc xi lanh 1A đẩy ra khỏi giá chứa phôi và kẹp chặt lại, bầu khoan bắt đầu đi xuống thực hiện việc khoan chi tiết nhờ xi lanh 2A. Sau khi khoan xong xi lanh 2A mang bầu khoan quay trở về và xi lanh 1A thôi kẹp chi tiết lùi trở về thì sản phẩm đ•ợc tháo ra (ở ví dụ này có sự trùng tín hiệu điều khiển). Hình 4.23. Sơ đồ hoạt động của máy khoan và biểu đồ trạng thái. Hình 4.24. Sơ đồ mạch điều khiển máy khoan. GV: Đào Chớ Cường Trang 79
kỹ thuật điều khiển khí nén 4.3.4. Điều khiển theo ch•ơng trình bằng cơ cấu chuyển mạch Điều khiển theo ch•ơng trình bằng cơ cấu chuyển mạch có đặc điểm là ch•ơng trình đ•ợc thực hiện bởi các cam lắp trên trục phân phối. Vị trí (độ nâng) của cam tác động lên nòng van để thay đổi trạng thái của các van đảo. Trục phân phối có chiều dài bất kỳ về mặt lý thuyết, tốc độ quay từ 0,5 đến 75vg/ph. Số b•ớc thực hiện có thể tới 20. Hình 4.25. Điều khiển theo ch•ơng trình bằng trục phân phối. 4.3.5. Điều khiển theo tầng a) Nguyên tắc chung Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các b•ớc thực hiện thành từng tầng riêng. Phần tử cơ bản dùng để điều khiển chuyển tầng là các van đảo chiều nhớ 4/2 hoặc 5/2. Nó đ•ợc thực hiện theo các nguyên tắc sau: - Mỗi tầng chỉ điều khiển cho một hành trình ra hoặc về của 1 xilanh. Nh•ng có thể điều khiển cho 1 hành trình của nhiều xilanh cùng lúc. - Để mạch điều khiển đơn giản, nên phân chia sao cho số tần là nhỏ nhất. - Van hành trình làm nhiệm vụ điều khiển chuyển tầng thì tầng tiếp theo sẽ điều khiển cho hành trình của xi lanh. - Van hành trình làm nhiệm vụ điều khiển xilanh nằm ở tầng nào sẽ lấy nguồn từ tầng đó. GV: Đào Chớ Cường Trang 80
kỹ thuật điều khiển khí nén b) Mạch phân tầng Nguyên tắc thiết kế mạch là chia các b•ớc thực hiện có cùng chức năng thành từng tầng riêng. Phần tử cơ bản của điều khiển theo tầng là phần tử nhớ – van đảo 4/2 hoặc 5/2.  Mạch điều khiển cho 2 tầng - Nguyên tắc hoạt động là tầng I có khí nén thì tầng II không có (a1 = L thì a2 = 0). Không tồn tại tr•ờng hợp cả hai tầng cùng có khí nén một lúc (hình 4.26). I - e1, e2 tín hiệu điều khiển vào. II - a1, a2 tín hiệu điều khiển ra. a1 a2 - I tầng thứ nhất. e1 e2 - II tầng thứ hai. 1 3 Hình 4.26. Mạch điều khiển 2 tầng.  Mạch điều khiển cho 3 tầng: - Nguyên tắc hoạt động là tầng I có khí nén thì tầng II và III không có (hình 4.27) I II III - e1, e2, e3 tín hiệu điều khiển vào. a1 a2 a3 - a1, a2, a3 tín hiệu điều khiển ra. e2 - I tầng thứ nhất. 1 - II tầng thứ hai. - III tầng thứ ba. e1 e3 1 Hình 4.27. Mạch điều khiển 3 tầng.  Mạch điều khiển cho 4 tầng: - Nguyên lý hoạt động cũng t•ơng tự nh• trên (hình 4.28). Nếu số tầng là n thì số van đảo cần dùng bằng n -1 - Điều khiển theo tầng là sự hoàn thiện của điều khiển tùy động theo hành trình. GV: Đào Chớ Cường Trang 81
kỹ thuật điều khiển khí nén I II III - e1, e2, e3, e4 tín hiệu điều khiển vào. IV a3 a4 - a1, a2, a3, a4 tín hiệu điều khiển ra. a1 a2 - I tầng thứ nhất. e2 - II tầng thứ hai. 1 - III tầng thứ ba. e3 - IV tầng thứ t•. 1 e1 e4 Hình 4.28. Mạch điều khiển 3 tầng. 1 Ví dụ 1: Nguyên lý hoạt động của một máy khoan. Sau khi sản phẩm cần gia công đ•ợc xi lanh 1A đẩy ra khỏi giá chứa phôi và kẹp chặt lại, bầu khoan bắt đầu đi xuống thực hiện việc khoan chi tiết nhờ xi lanh 2A. Sau khi khoan xong xi lanh 2A mang bầu khoan quay trở về và xi lanh 1A thôi kẹp chi tiết lùi trở về thì sản phẩm đ•ợc tháo ra. Hình 4.29. Sơ đồ hoạt động của máy khoan và biểu đồ trạng thái. GV: Đào Chớ Cường Trang 82
kỹ thuật điều khiển khí nén Theo biểu đồ trạng thái ta có cách chia tầng sau: Van hành trình 1S3 và 2S1 đ•ợc biểu diễn nằm phía trên đ•ờng biểu diễn các tầng, bởi vì không có sự thay đổi của tầng. Van hành trình 1S3 và 2S1 sẽ điều khiển trực tiếp vị trí của van đảo chiều trong b•ớc thực hiện. 1S3 2S1 2A+ 2A- 1A- 1A+ 2S2 1S2 ^ Nút khởi động 1S1 I II Van hành trình 2S2 và 1S2 đ•ợc biểu diễn nằm phía d•ới đ•ờng biểu diễn các tầng, bởi vì có sự thay đổi của tầng. Van hành trình 2S2 và 1S2 sẽ điều khiển trực tiếp vị trí thay đổi của tầng. Hình 4.30. Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị khoan. GV: Đào Chớ Cường Trang 83
kỹ thuật điều khiển khí nén Ví dụ 2: Tại trạm phân phối, hai xi lanh đ•ợc sử dụng để vận chuyển phôi liệu từ thùng chứa đến một máng tr•ợt. Khi ấn nút khởi động thì xi lanh 1A sẽ đẩy phôi ra khỏi thùng chứa và xi lanh 2A tiếp tục đẩy phôi xuống máng tr•ợt. Để đảm bảo có thể nạp đ•ợc phôi thì Piston của xi lanh 1A phải ở vị trí trong cùng thì hệ thống mới khởi động đ•ợc. Trong quá trình hoạt động, để tăng năng suất của dây chuyền ng•ời ta bố trí đồng thời cho xi lanh 1A đi về và xi lanh 2A đi ra. Hình 4.31. Sơ đồ bố trí hệ thống và biểu đồ trạng thái trạm phân phối. GV: Đào Chớ Cường Trang 84
kỹ thuật điều khiển khí nén Dựa vào biểu đồ trạng thái trên ta có thể chia tầng nh• sau: Hình 4.32. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển theo tầng của trạm phân phối. GV: Đào Chớ Cường Trang 85
kỹ thuật điều khiển khí nén Ví dụ 3: Các phôi kim loại vuông đ•ợc xếp trong giá chứa của máy khoan để chờ gia công. Xilanh tác động kép đ•ợc điều khiển thông qua van tiết l•u 1A sẽ đẩy phôi liệu ra khỏi giá chứa và kẹp chặt phôi tại vị trí gia công. Khi áp suất làm việc của xilanh 1A đạt 4 bar thì xilanh 2A bắt đầu hoạt động để khoan chi tiết. Xilanh 2A đ•ợc giảm chấn bằng một xi lanh thuỷ lực với van tiết l•u. Lực cắt, tốc độ cắt đ•ợc điều chỉnh và giới hạn bởi áp suất làm việc của xi lanh 2A đ•ợc ổn định là 5 bar. Chiều sâu của lỗ khoan đ•ợc giới hạn và điều chỉnh bởi van hành trình. Quá trình hồi vị của 2A không cần phải giảm chấn và điều chỉnh tốc độ. Quá trình gia công hoàn tất, khi xi lanh 1A trở về thì phôi đ•ợc đẩy ra khay chứa hàng bằng xi lanh đơn 3A. Sau thời gian t = 6 giây thì xi lanh 3A quay trở về và tác động lên van hành trình cho phép hệ thống hoạt động một chu kì mới. Đồng hồ báo áp suất đ•ợc lắp để kiểm tra áp suất làm việc của 1A và một cái trên đ•ờng P2. Hệ thống đ•ợc khởi động bằng nút “Start”. Để hệ thống hoạt động liên tục ta sử dụng nút ấn có cữ chặn. Hình 4.33. Sơ đồ bố trí máy khoan. Hình 4.34. Biểu đồ quá trình hoạt động của các xi lanh và biểu đồ trạng thái. GV: Đào Chớ Cường Trang 86
kỹ thuật điều khiển khí nén Hình 4.35. Sơ đồ mạch khí nén (A). GV: Đào Chớ Cường Trang 87
kỹ thuật điều khiển khí nén 4.3.6. Điều khiển theo nhịp Các ph•ơng pháp điều khiển trình bày ở những phần tr•ớc có một đặc điểm là, khi thay đổi quy trình công nghệ hay yêu cầu đề ra thì đòi hỏi phải thiết kế lại mạch điều khiển làm tốn công sức và thời gian. Ph•ơng pháp điều khiển theo nhịp khắc phục đ•ợc nh•ợc điểm đó. a) Cấu tạo khối điều khiển theo nhịp - Cấu tạo khối của nhịp điều khiển gồm có 3 phần tử: phần tử AND, phần tử nhớ và phần tử OR (hình 4.36). Hình 4.36. Modul điều khiển theo nhịp (Ký hiệu theo DIN ISO 1219). Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp là: các b•ớc thực hiện lệnh xảy ra tuần tự, nghĩa là khi các lệnh trong một nhịp đ•ợc thực hiện xong thì nhịp tiếp theo sẽ đ•ợc thông báo để thực hiện, đồng thời các lệnh của nhịp tr•ớc sẽ đ•ợc xóa đi. Tín hiệu vào Yn đ•ợc tác động (chẳng hạn tín hiệu khởi động), tín hiệu điều khiển A1 nhận giá trị L, đồng thời sẽ tác động vào nhịp tr•ớc đó Zn-1 để xóa lệnh thực hiện tr•ớc đó, và cũng đồng thời sẽ chuẩn bị cho nhịp tiếp theo cùng với tín hiệu vào X1 (hình 4.37). Hình 4.37. Mạch logic của chuỗi điều khiển nhịp theo DIN 40 700. GV: Đào Chớ Cường Trang 88
kỹ thuật điều khiển khí nén Nh• vậy, khối của nhịp điều khiển bao gồm các chức năng sau: - Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo - Xóa các lệnh của nhịp tr•ớc đó - Thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển L•ợc đồ chuỗi điều khiển theo nhịp. Nhịp thứ nhất Zn sẽ đ•ợc xóa bởi nhịp cuối Zn+1. Hình 4.38. Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp. Trong thực tế có 3 loại khối điều khiển theo nhịp.  Khối điều khiển loại A (TAA): Với loại này khi cổng Yn có giá trị L, van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí. - Tín hiệu ở cổng A có giá trị L. - Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu X. - Đèn tín hiệu sáng. - Phần tử nhớ của nhịp tr•ớc đó trở về vị trí RESET. Hình 4.39. Khối điều khiển loại A. A  Khối điều khiển loại B (TAB): Ng•ợc lại với kiểu A thì ở kiểu B phần tử OR nối với cổng Yn. Khi cổng L có tín Yn+1 hiệu thì toàn bộ các khối của chuỗi điều Yn khiển (trừ khối cuối cùng) sẽ trở về vị trí ban đầu. Nh• vậy khối kiểu B có chức năng P P nh• chuẩn bị khởi động của mạch điều Zn Zn+1 khiển và nó thông th•ờng đ•ợc đặt ở vị trí L L cuối cùng trong chuỗi điều khiển theo nhịp. X Hình 4.40. Khối điều khiển loại B. GV: Đào Chớ Cường Trang 89
kỹ thuật điều khiển khí nén Khối B cũng có nguyên tắc nh• khối kiểu A. Khi cổng Yn có giá trị L thì van đảo chiểu phần tử nhớ đổi vị trí. - Tín hiệu ở cổng A có giá trị L. - Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu ở cổng X. - Đèn tín hiệu sáng. - Phần tử nhớ của nhịp tr•ớc đó trở về vị trí RESET.  Khối điều khiển loại C: A Với loại C thì không có phần tử nhớ và phần tử OR. Nó có chức năng là trong nhịp điều khiển tiếp theo, khi tín hiệu ở Yn+1 cổng X của nhịp tr•ớc đó vẫn còn giá trị L Yn nên đèn tín hiệu vẫn sáng ở nhịp tiếp theo. P P Zn Zn+1 L L X Hình 4.41. Khối điều khiển loại C. b) Các ví dụ ứng dụng Ví dụ 1: Xem ví dụ về thiết bị khoan (đề bài phần 4.3.3. VD 2). - Biểu đồ trạng thái đ•ợc thể hiện S t a r t 1 S 1 1 2 3 4 5 = 1 1 1 A 1 S 3 0 1 S 2 2 S 2 1 2 A 2 S 1 0 Hình 4.42. Sơ đồ hệ thống khoan và biểu đồ trạng thái. Quy trình thực hiện - Từ biểu đồ trạng thái ta lập quy trình thực hiện cho các nhịp. - Theo quy trình thực hiện các nhịp, ta thiết kế đ•ợc mạch điều khiển. GV: Đào Chớ Cường Trang 90
kỹ thuật điều khiển khí nén Start 1S1 1 2 3 4 5=1 1 1A 1S3 Nhịp thực hiện 1 2 3 4 0 1S2 Piston 1A+ 2A+ 2A- 1A- 2S2 1 2A Vị trí hành 2S1 1S3 2S2 2S1 1S2 0 trình Hình 4.43. Biểu đồ trạng thái. Hình 4.44. Quy trình thực hiện. 3 L Yn+1 P Zn+1 2 1 2S2 12 2 3 A4 2S1 1 4 5 Định h•ớng 14 2 V 1 2A 3 X4 2 1 1S2 A3 3 X3 2 1 2S1 Mạch điều khiển. điều Mạch A2 . 45 . 4 3 Hình 2 1 1S3 12 X2 2 3 1S2 2S2 1 4 5 A1 1 V 1 14 3 1A 2 1 1S3 2 1 X1 0 Z3 L P Zn Yn 0 S 1 2 3 1 1 2 1 0V GV: Đào Chớ Cường Trang 91
kỹ thuật điều khiển khí nén c) Chọn chế độ làm việc Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển đ•ợc biểu diễn nh• sau: Đối t•ợng điều khiển Cơ cấu chấp hành (Tín hiệu ra) Thiết bị điều khiển Phần tử xử lí tín hiệu Phần tử đ•a tín hiệu (Tín hiệu vào) Hình 4.46. Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển. Trong kỹ thuật khí nén thì tín hiệu đầu vào là áp suất (thông th•ờng 6.5 bar) hoặc là áp suất chân không (p = 0,15 bar). Chọn chế độ làm việc khi đ•a tín hiệu vào đ•ợc biểu diễn nh• sau: Xử lí tín hiệu Tự động nhiều chu kì Tự động một chu kì Điều kiện ban đầu Bằng tay Tự động (vị trí các van hành trình) Khởi động - START Dừng - STOP Hình 4.47. Chọn chế độ làm việc Các chế độ làm việc theo tiêu chuẩn VDI – 3260: - Đóng, ngắt: Bằng công tắc tổng để đóng/mở hệ thống phân phối khí nén. - Khởi động: Bằng nút khởi động START. - Chọn chế độ làm việc: Bằng công tắc chọn chế độ làm việc (bằng tay hay tự động). - Chế độ tự động: Một chu kỳ và nhiều chu kỳ. - Chế độ tự động một chu kỳ: Sau khi khởi động, ch•ơng trình thực hiện một lần rồi dừng lại. GV: Đào Chớ Cường Trang 92
kỹ thuật điều khiển khí nén - Chế độ tự động nhiều chu kỳ: Sau khi khởi động, ch•ơng trình thực hiện liên tục nhiều lần cho đến khi có tín hiệu dừng thì thôi. - Chế độ dừng: Bằng nút ấn dừng, chế độ tự động sẽ trở về vị trí ban đầu. - Chế độ định h•ớng: Bằng nút ấn, thì ở một vị trí bất kỳ, ch•ơng trình quay trở về vị trí ban đầu. - Điều kiện ban đầu: Các công tắc hành trình, sự có mặt của chi tiết trên dây chuyền - Công tắc ngắt khi có nguy hiểm. Trong thực tế, ng•ời ta chế tạo thành khối để điều khiển cách chọn chế độ làm việc Chức năng của khối điều khiển nh• sau: Hình 4.48. Khối điều khiển chọn chế độ làm việc (Festo) P - Nguồn khí nén ST - Cổng vào cho nút khởi động DL - Cổng vào cho chế độ tự động SH - Cổng ra cho tín hiệu duy trì quá trình tự động nhiều chu kỳ SO - Cổng vào cho chế độ dừng NS - Cổng vào cho điều kiện ban đầu Yn+1 - Cổng vào cho vị trí ban đầu của thiết bị Yn - Cổng ra cho tín hiệu điều khiển A - Cổng ra cho tín hiệu trung gian GV: Đào Chớ Cường Trang 93
kỹ thuật điều khiển khí nén Ví dụ 1: Chọn chế độ làm việc bao gồm: - Khởi động: bằng nút khởi động START - tín hiệu tự duy trì. - Chế độ làm việc: bằng công tắc chọn chế độ làm việc (bằng tay hay tự động). - Chế độ tự động: một chu kỳ và nhiều chu kỳ. - Chế độ tự động một chu kỳ: sau khi khởi động, ch•ơng trình thực hiện một lần rồi dừng lại. - Chế độ tự động nhiều chu kỳ: sau khi khởi động, ch•ơng trình thực hiện liên tục nhiều lần cho đến khi có tín hiệu dừng thì thôi. - Chế độ dừng: bằng nút ấn dừng, chế độ tự động sẽ trở về vị trí ban đầu. - Chế độ định h•ớng: bằng nút ấn, thì ở một vị trí bất kỳ, ch•ơng trình quay trở về vị trí ban đầu. - Điều kiện ban đầu: các công tắc hành trình, sự có mặt của chi tiết trên dây chuyền - Vị trí ban đầu của thiết bị. Từ những yêu cầu trên, ta biểu diễn đ•ợc sơ đồ mạch chọn chế độ làm việc nh• ở hình Theo sơ đồ là sự thể hiện việc chọn chế độ làm việc bằng tay. Hình 4.49 Sơ đồ mạch chọn chế độ làm việc Qua đó ta có thể thực hiện đ•ợc chế độ định h•ớng và những tín hiệu cho các công việc phụ. Khi chuyển sang chế độ tự động, cổng P (nguồn khí nén) sẽ có khí nén. Khi bấm nút khởi động, van đảo 0.1 đổi vị trí. Nếu vị trí ban đầu của thiết bị nhận giá trị L thì van đảo 0.3 đổi vị trí, và nh• vậy cổng Yn sẽ nhận giá trị L. GV: Đào Chớ Cường Trang 94
kỹ thuật điều khiển khí nén Nếu chọn chế độ tự động một chu kỳ, cổng ra Yn có giá trị L chỉ trong thời gian nhấn nút khởi động. Nếu chọn chế độ tự động nhiều chu kỳ, sau khi nhấn nút khởi động, van 0.1 đổi vị trí và đ•ợc duy trì nhờ van OR. Tr•ờng hợp không có điều kiện ban đầu, van đảo 0.2 đổi vị trí và do đó cổng Yn nhận giá trị 0. Hệ thống điều khiển sẽ bị ngắt. GV: Đào Chớ Cường Trang 95
kỹ thuật điều khiển điện khí nén Ch•ơng 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NẫN 5.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển điện khí nén. Cơ cấu chấp hành Thực hiện lệnh - Các xilanh khí nén. - Động cơ phần tử điều khiển Tín hiệu đầu Ra - Các van đảo chiều phần tử xử lý tín hiệu Xử lý Tín hiệu - Rơ le, khởi động từ. - Ch•ơng trình PLC phần tử tạo tín hiệu Tín hiệu đầu vào - Nút bấm, công tắc. - Cảm biến Hình 5.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển điện khí nén. 5.2. Bộ phận cấp nguồn. - Bộ phận cấp nguồn điện có nhiệm vụ cung cấp năng l•ợng điện cho mạch điện của hệ thống đảm bảo đúng yêu cầu. Cấu tạo của nó gồm 3 bộ phận chính sau (hình 5.2). - Máy biến thế: Biến đổi điện thế đầu vào cao ra điện thế thấp theo yêu cầu sử dụng của mạch điện (230V xuống 24V). - Bộ chỉnh l•u: Chỉnh l•u dòng điện xoay chiều AC thành dòng điện một chiều DC, tụ điện đóng vai trò là tụ lọc nguồn. - Bộ ổn áp: ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ điện. GV Đào Chớ Cường Trang 96
kỹ thuật điều khiển điện khí nén Hình 5.2. Bộ nguồn. 5.3. Nút bấm, công tắc điều khiển. 5.3.1. Nút bấm th•ờng mở. 1 Hình 5.3. Nút bấm tr•ờng mở - 2 cấu tạo và ký hiệu 4 3 1 - Nút bấm. 2 - Tiếp điểm động. 3, 4 - Tiếp điểm tĩnh.  Khi ch•a tác động thì ch•a có dòng điện chạy qua, mạch hở khi có tác động thì cực 3 và 4 nối với nhau. 5.3.2. Nút bấm th•ờng đóng. 4 Hình 5.4. Nút bấm tr•ờng đóng - cấu tạo và ký hiệu 1 2 3 1, 2 - Tiếp điểm tĩnh. 3 - Tiếp điểm động. 4 - Nút bấm.  Khi ch•a tác động thì có dòng điện đi qua 1 – 2 khi có tác động thì mạch hở. GV Đào Chớ Cường Trang 97
kỹ thuật điều khiển điện khí nén 5.3.3. Công tắc. Hình 5.5. Công tắc. 4 - Tiếp điểm động. 3 - Nút bấm. 5.3.4. Nút bấm chuyển đổi. 5 1 2 Hình 5.6. Nút bấm chuyển đổi. 3 4 1, 2, 4 - Tiếp điểm tĩnh. 3 - Tiếp điểm động. 5 - Nút bấm  Khi ch•a tác động thì có dòng điện đi qua 1 và 2, khi có tác động thì dòng điện đi qua 1 và 4. 5.4. Cảm biến Cảm biến là bộ phận chuyển đổi tín hiệu, bộ này chuyển đổi các tín hiệu khác nhau (áp suát, nhiệt độ, ánh sáng, mùi vị ) thành tín hiệu điện. Sự chuyển đổi có thể thực hiện thông qua tín hiệu số, tín hiệu t•ơng tự hoặc tín hiệu nhị phân.  Cảm biến t•ơng tự (Analog): Cảm biến t•ơng tự đo các đại l•ợng vật lý và chuyển đổi đại l•ợng này bằng tác dụng của một hiệu ứng vật lý thành các đại l•ợng điện t•ơng ứng. Ng•ời ta sử dụng hiệu ứng vật lý này vào mục đích đo đạc. Nhiệt độ, ánh sáng, lực tác động chuyển động có thể tạo ra các hiệu điện thế, nếu ta sử dụng các thiết bị chuyển đổi hoặc biến trở phù hợp. GV Đào Chớ Cường Trang 98
kỹ thuật điều khiển điện khí nén Tín hiệu đầu ra phụ ) V ( 12 thuộc vào cấu tạo của cảm p á biến với hiệu điện thế từ n 10 ệ i đ 0V 10V hoặc c•ờng độ u 8 ệ i h 6 dòng điện từ 0mA  20mA. n í T 4 2 0 1 2 3 4 5 Thời gian (phút) Hình 5.7. Tín hiệu t•ơng tự.  Cảm biến số (Digital): Cảm biến số các giá trị đo sẽ đ•ợc chuyển đỏi thành các dãy số đ•ợc xếp lớp hoặc xếp số thứ tự. Một tín hiệu số (không đ•ợc xếp lớp) sẽ đuợc chuyển thành một dãy số (gọi là số hóa). Các hệ thống đo đ•ờng đi và góc quay trong ngành công nghiệp th•ờng dùng cảm biến số. Một trong những ứng dụng rộng rãi nhất là máy CNC. Hiển thị 300 250 200 3 áp suất 150 100 50 1 2 3 4 5 Thời gian (phút) Tín hiệu số Hình 5.8. Tín hiệu số.  Cảm biến nhị phân: Cảm biến nhị phân chuyển đổi các đại l•ợng vật lý thành các tín hiệu nhị phân t•ơng ứng. Việc mạch đ•ợc đóng hay ngắt mà cảm biến đ•a ra các tín hiệu này. ở thiết bị báo nhiệt độ của một lò n•ớng trong bài số 8 ĐKN thì dùng một đèn báo. Cảm biến dùng trong tr•ờng hợp này kết cấu là một thanh l•ỡng kim. Tấm l•ỡng kim này sẽ cong theo sự thay đổi nhiệt độ và sẽ mở mạch khi nhiệt độ đạt đến một giá trị nào đó. Khi nhiệt độ giảm xuống thì thanh l•ỡng kim sẽ đóng mạch lại. GV Đào Chớ Cường Trang 99
kỹ thuật điều khiển điện khí nén 1 0 1 2 3 4 5 Thời gian (phút) Hình 5.9. Tín hiệu nhị phân. * Các chỉ tiêu quan trọng của cảm biến là: - Tính chính xác. - Độ nhạy. - Tuổi thọ. - Không bảo trì, không bảo d•ỡng. 5.4.1. Công tắc hành trình điện – cơ. - Công tắc hành trình điện cơ đ•ợc dùng để xác định vị trí của cơ cấu chấp hành hoặc vị trí của phôi liệu. Kí hiệu Hình 5.10. Công tắc hành trình điện – cơ. 1 – Chốt dẫn h•ớng. 3 – Vỏ. 7, 9 – Tiếp điểm tĩnh. 2 – Đòn mở. 4, 5, 6 – Lò xo. 8 – Tiếp điểm động. - Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện - cơ đ•ợc biểu diễn: Khi con lăn chạm vào cữ hành trình, thì tiếp điểm 1 đ•ợc nối với 4. GV Đào Chớ Cường Trang 100
kỹ thuật điều khiển điện khí nén Công tắc chuyển đổi Tiếp điểm th•ờng đóng Tiếp điểm th•ờng mở 5.4.2. Cảm biến hành trình nam châm. - Cảm biến hành trình nam châm thuộc loại công tắc hành trình không tiếp xúc. Cấu tạo của cảm biến bao gồm một cặp tiếp điểm l•ỡi gà đ•ợc đặt trong buồng chân không. Một nam châm đ•ợc gắn trên Piston sẽ tác động làm cho tiếp điểm đóng khi Piston dịch chuyển tới gần cảm biến. Buồng chân không Cảm biến từ + Vỏ xilanh bằng vật liệu Vòng nam châm không nhiễm từ ở Piston a) b) d) c) Hình 5.11. Cảm biến hành trình nam châm. a) Sơ đồ cấu tạo. b) Sơ đồ bố trí chung. c) Sơ đồ nguyên lý. d) Kí hiệu GV Đào Chớ Cường Trang 101
kỹ thuật điều khiển điện khí nén 5.4.3. Cảm biến điện từ. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình d•ới. Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi có vật cản bằng kim loại nằm trong vùng cảm ứng từ của từ tr•ờng, trong kim loại đó sẽ hình thành dòng điện xoáy. Nh• vậy năng l•ợng của bộ dao động sẽ giảm. dòng điện xoáy sẽ tăng, khi vật cản càng gần cuộn cảm ứng. Qua đó biên độ giao động của bộ dao động sẽ giảm. Qua bộ so đảo, tín hiệu ra đ•ợc khuếch đại chuyển thành tín hiệu của mạch. Kim loại Bộ tạo dao động Khuếch đại Kí hiệu Nâu Đen Xanh Cuộn cảm ứng Bộ đảo Hình 5.12. Cảm biến điện từ. 5.4.4. Cảm biến điện dung. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung biểu diễn nh• sau: Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi có vật cản bằng kim loại hoặc phi kim loại nằm trong vùng đ•ờng sức của điện tr•ờng, điện dung tụ điện thay đổi. Nh• vậy tần số riêng của bộ giao động. Qua bộ so đảo, tín hiệu ra đ•ợc khuếch đại. Trong tr•ờng hợp tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân, Mạch đảo sẽ đảm nhận nhiệm vụ này. Bộ tạo dao động Khuếch đại Kí hiệu Nâu Đen Xanh Bộ đảo Điện cực Hình 5.13. Cảm biến điện dung. GV Đào Chớ Cường Trang 102