Chuong 1_Tong quan pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
O0O
TPHCM, THÁNG 2/2010
Cán bộ giảng dạy: TS.Nguyễn
Trường Thịnh
Bộ mơn Cơ điện tử - Khoa cơ khí
máy
Email:

Mục đích của môn học

Hiểu chức năng, nguyên lý làm việc của các phần tử khí
nén, điện -khí nén, thủy lực, điện thủy lực.

Có kiện thức để thiết kế mạch điều khiển khí nén, điện khí
nén, thủy lực, điện thủy lực.

Đọc và phân tích được các hệ thống điều khiển bằng khí
nén, thủy lực, điện thủy lực trong thực tế.

Phát hiện lỗi cúa các phần tử và hệ thống, sữa chữa và bảo
dưỡng hệ thống.
Tài liệu tham khảo

Tài li u tham kh o chính: ệ ả
[1] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí
nén, NXB Giáo dục, 1999.
[2] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống đêều khiển bằng thủy
lực, NXB Giáo dục, 2000


Các tài li u khácệ
[1] Andrew A. Parr, Hydraulics and Pneumatics, Elsevier
Science & Technology Books
Phương pháp đánh giá

Quiz 10%

Midterm Exam 40%

Final Exam 50%

If you are interested in Automation & Robotics
Research at all, it is worth Coming to talk to me !
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1. Tổng quan
1.1.1. Lòch sử
1.1.2. Ứng dụng
1.1.3. Ưu và nhược điểm
1.2. Cơ sở lý thuyết
1.2.1. Đơn vò sử dụng
1.2.2. Áp suất
1.2.3. Lực
1.2.4. Lưu lượng
1.2.5. Các đònh luật khí
1.3. Cấu trúc cơ bản của HT điều khiển tự động khí nén
1.4. Các phương pháp điều khiển tự động trong HT khí nén
TỔNG QUAN

Khí nén là một phần của lưu chất với không khí hoặc
các loại khí khác được nén lại.

Pneumatics: xuất phát từ tiếng Hy Lạp là Pneuma có nghóa là
khí, gió hoặc hơi thở.

Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích hướng
dòng chảy của khí nén theo các mạch để điều khiển cơ
cấu chấp hành.

Các dòng chảy dưới dạng năng lượng khí nén sẽ điều
khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tònh
tiến hay quay.
LỊCH SỬ

Cuối thế kỷ XVII, Torricelli, Mariotte và sau đó là Bernoulli đã tiến
hành nghiên cứu các lý thuyết và ứng dụng liên quan đến áp suất và
lực đi ra từ các lỗ trên các thùng chứa nước và các đường dẫn. Blaise
Pascal đưa ra các đònh luật nền tảng của khoa học thủy lực.

Cuối những năm 1930 và đặc biệt là trong khoảng thời gian chiến
tranh TG thứ II, các hệ thống điều khiển bằng lưu chất được sử dụng
rộng rãi và phát triển khá mạnh, được ứng dụng rộng rãi trong các
máy móc sản xuất.

Vào năm 1951 các ứng dụng trong công nghiệp tăng rất nhanh, các
hội nghò được tổ chức như Detrit, Michigan với mục đích hình thành
nên một tiêu chuẩn cho các thiết bò khí nén và thủy lực.

Vào năm 1966, một hệ thống ký hiệu được đưa ra bởi Viện tiêu chuẩn
Hoa Kỳ (United States America Standards Institute). Khi chúng ta sử
dụng các ký hiệu này, người bảo trì dễ dàng thay thế và sửa chữa các
thiết bò trong hệ thống, dễ dàng phán đoán các lỗi hư hỏng của hệ

thống bằng cách tham khảo các catalogue của nhà sản xuất.
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

Các dây chuyền tự động: đóng gói, vận chuyển,
cấp phôi, gá đặt… sản xuất dược phẩm, hoá chất,
nước giải khát,….

Có thể sử dụng ở trong những môi trường khắc
nghiệt, lónh vực nguy hiểm.

Sản xuất, lắp ráp các thiết bò điện tử & chế biến
thực phẩm vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt
và độ an toàn cao.
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

Máy cắt giấy và hệ thống cấp dung dòch vào chai
bằng hệ thống khí nén
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
Xy lanh A
Xy lanh B
S1
S2
S3
S4
B1
Quy trình đẩy chi tiết với hai xy lanh
ƯU VÀ NHƯC ĐIỂM


ƯU ĐIỂM
•
Độ an toàn làm việc cao trong môi trường dễ
cháy nổ và có thể làm việc trong môi trường
khắc nghiệt như phóng xạ hoặc hoá chất.
•
Độ tin cậy làm việc cao.
•
Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản.
•
Dễ dàng tự động hoá.
•
Thời gian đáp ứng nhanh, tác động nhanh và có
thể làm việc từ xa.
•
Giá thành thiết kế hệ thống rẻ.
ƯU VÀ NHƯC ĐIỂM

NHƯC ĐIỂM
•
Kích thước lớn hơn so với hệ thống thủy lực có
cùng công suất.
•
Tính nén được của khí ảnh hưởng tới chất lượng
làm việc của hệ thống.
•
Do khí xả ra qua các cửa tạo nên âm thanh khá ồn.
•
Do vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén lớn

nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình.
•
Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và
dừng lại ở vò trí trung gian cũng khó thực hiện được
chính xác như đối với các hệ thống khác.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ

Khí là một trong ba trạng thái cơ bản của vật
chất. Khí cũng có đặc tính tương tự với chất lỏng
là không có hình dạng xác đònh mà có hình dạng
phụ thuộc vào hình dạng của vật chứa và áp suất
truyền theo mọi hướng.

Khí khác với chất lỏng là không có thể tích cố
đònh. Khí có thể được nén ở áp suất cao còn chất
lỏng thì chỉ nén được với một thể tích rất nhỏ (có
thể được xem như không nén được).
TỶ TRỌNG
Các thí nghiệm ban đầu về các trạng thái khí và
không khí được thực hiện bởi các nhà khoa học như
Boyle và Charles. Các kết quả của các thí nghiệm
chỉ ra đặc tính của khí theo các quy luật sau, quy
luật này được biết như là đònh luật khí lý tưởng.
1 1 2 2
1 2
. . .P V P V P V
T T T
= =
= R = const (hằng số)

P: Áp suất tuyệt đối (bar).
V: Thể tích (m
3
).
T: nhiệt độ (
0
K).
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ĐƠN VỊ SỬ DỤNG
Có 3 hệ thống đơn vò thường được sử dụng là:
•
Hệ thống đơn vò Metric: mét, kilôgram và giây
•
Hệ thống Imperial System: foot, pound, giây
•
Hệ thống đơn vò SI: mét, newton, giây
ÁP SUẤT

Áp suất khí quyển: Đây là áp suất tạo ra trên bề mặt trái đất
bằng khối lượng không khí bao quanh trái đất là 14,7 psi
(Pound/inch). Áp suất khí quyển là áp suất không khí bao quanh
chúng ta (1 bar)

Áp suất dư (Áp suất tương đối): áp suất sẽ được đo với mức
chuẩn là áp suất khí quyển. Áp suất dư bằng 0 chính là áp suất
khí quyển.

Áp suất tuyệt đối:
Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển.
Áp suất khí quyển có thể đo bằng chiều cao của cột dung dòch

trong chân không (1013 mbar = 1000 mbar)

ÁP SUẤT

Áp suất khí nén: áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vò diện tích.

F
P
A
=
(N/m
2
)
Chuyển đổi giữa các đơn vò đo áp suất
LỰC

Khí nén tạo thành lực với giá trò bằng áp suất tác dụng lên bề mặt nhân với diện tích tác dụng.

Dung dòch trong bình được cung cấp áp suất và chuyển thành lực.
.F P A=
Như vậy lực đẩy ra của piston sinh ra bởi áp
suất khí được tính bằng cách nhân diện tích
hiệu dụng với áp suất.
2
. .
4
D P
F
π
=

Với :
F : Lực đẩy ra của piston (N).
D : Đường kính piston (m).
P : Áp suất khí nén cấp lên xy lanh (N/m
2
).
D m
P bar
LƯU LƯNG

Lưu lượng được đo là một thể tích không khí tự do đi qua trong
một đơn vò thời gian. Đơn vò thường sử dụng:
Lít hoặc dm
3
trên giây : l/s hoặc dm
3
/s.
Thể tích trên phút : m
3
/ph.
Thể tích đo trên đơn vò feet trên 1 phút : scfm.
Lưu lượng thường được tính bằng
lít khí tự do trên một đơn vò thời gian.
- 1 m
3
/s = 35.31 scfm.
- 1 dm
3
/s = 2.1 scfm.
- 1 scfm = 0.472 l/s.

- 1 scfm = 0.0283 m
3
/phút.
Mối tương quan giữa áp suất và thể tích khí
CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ

Đònh luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa
áp suất, thể tích và nhiệt độ. Khi áp dụng các đònh
luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ
tuyệt đối.
1 1 2 2 2 1
PV T PV T=
V
const
T
=
P
const
T
=
Đẳng áp :
Đẳng tích :
Đẳng nhiệt :
P.V = const
0
2 4 6 8
16
0
2
4

6
8
10
12
Volume V
P (bar)
P1.V1 = P2.V2 = constant
10 12 14
14
16
0
2 4 6 8
16
0
2
4
6
8
10
12
10 12 14
14
16
V
P1.V1 = P2.V2 = constant
P (bar)
0
2 4 6 8
16
0

2
4
6
8
10
12
10 12 14
14
16
V
P1.V1 = P2.V2 = constant
P (bar)
0
2 4 6 8
16
0
2
4
6
8
10
12
10 12 14
14
16
V
P (bar)
P1.V1 = P2.V2 = constant
ĐẲNG NHIỆT
Đònh luật Boyle-:

Tích của áp suất tuyệt đối
và thể tích của khối khí
luôn là hằng số nếu nhiệt
độ của khí không thay đổi.
Biểu đồ đẳng nhiệt
CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ
CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ
ĐẲNG TÍCH
0
5
10 20
-60
-40
-20
0
20
40
60
Nhiệt độ
Celsius
15
80
100
0
2
4
6
8
bar
10

12
14
16
P1 P2
T1(K) T2(K)
= c=
P (bar)
0
5
10 20
-60
-40
-20
0
20
40
60
15
80
100
0
2
4
6
8
bar
10
12
14
16

P1 P2
T1(K) T2(K)
= c=
Nhiệt độ
Celsius
P (bar)
0
5
10 20
-60
-40
-20
0
20
40
60
Nhiệt độ
Celsius
15
80
100
0
2
4
6
8
bar
10
12
14

16
P1 P2
T1(K) T2(K)
= c=
P (bar)
Nhiệt độ
Celsius
0
5
10
-60
-40
-20
0
20
40
60
P (bar)
15
80
100
0
2
4
6
8
bar
10
12
14

16
P1 P2
T1(K) T2(K)
= c=

Từ đònh luật Boyle và
Charles chúng ta có thể
nhận thấy rằng nếu thể
tích của một khối khí được
giữ ở một giá trò không đổi
thì áp suất sẽ tỷ lệ với
nhiệt độ tuyệt đối
0
K.

Đònh luật Gay-Lussac: Áp
suất tuyệt đối của khí tỷ lệ
thuận với nhiệt độ tuyệt
đối của nó (thể tích khí
không đổi V = const).

0
0
C = 273
0
K.
CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ
0
0.25 0.5 0.75
1 2

-60
-40
-20
0
20
40
60
V
Nhiệt độ (Celsius)
1.25 1.5 1.75
80
100
293K
V1 V2
T1(K) T2(K)
= c=
0
0.25 0.5 0.75
1 2
-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
Nhiệt độ (Celsius)
1.25 1.5 1.75
80

100
366.25K
V1 V2
T1(K) T2(K)
= c=
0
0.25 0.5 0.75
1 2
-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
Nhiệt độ (Celsius)
1.25 1.5 1.75
80
100
219.75K
V1 V2
T1(K) T2(K)
= c=
0
0.25 0.5 0.75
1 2
-60
-40
-20

0
20
40
60
Volume
Nhiệt độ (Celsius)
1.25 1.5 1.75
80
100
366.25K
219.75K
293K
V1 V2
T1(K) T2(K)
= c=
Biểu đồ đẳng áp
ĐẲNG ÁP
Đònh luật Charles: Với một khối
khí ở áp suất không đổi thì thể
tích sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt
đối.
Như vậy theo đònh luật Charles:
Thể tích của khí trong bình chứa
sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt
độ tuyệt đối (áp suất không thay
đổi )
CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ
ĐỊNH LUẬT KHÍ TỔNG QUÁT
Đònh luật khí tổng quát là sự kết hợp giữa các đònh
luật Boyle và Charles với áp suất, thể tích và nhiệt

độ có thể thay đổi giữa các trạng thái khí và chúng
có mối liên hệ với giá trò hằng số.
1 1 2 2
1 2
. .P V P V
const
T T
= =
Biểu đồ biểu diễn
đònh luật khí tổng quát
CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KHÍ NÉN
Sơ đồ cấu tạo chức năng của hệ thống
điều khiển khí nén- điện