nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để điều khiển hệ thống pistong –xylanh khí nén trên mô hình

Môc lôc
5.1. Kh¸i niÖm
7.3. BiÓu diÔn phÇn tö logic cña khÝ nÐn 37
Danh mục các chữ viết tắt
TT Chữ viết tắt GiảI nghĩa
1 OR
Hoặc
2 And
Và
3 Not
Phủ định
4 Nand (Not and)
Phủ định của Và
5
NOR (Not or) Phủ định của hoặc
6 XOR (EXCLUSIVE-OR)
Loại trừ-hoặc
7
PLC (Programmable Logic Controller) Thiết bị điều khiển logic lập trình đợc
8
CPU (Pentral Procesing Unit) Khối sử lý trung tâm
9
X Tín hiệu vào PLC
10
Y Tín hiệu điều khiển
11
M Vùng nhớ phụ
12
STL (Step Ladder) Sơ đồ hình thang
13
V DC (Voltage-Direct current) Điện áp một chiều

14
C (Counter) Bộ đếm
15
K Giá trị bộ đếm
16
RST (Reset) Thiết lập lại
17
Đ/C Động cơ
18
CTHT1,2,3,4 Công tắc hành trình 1,2,3,4.
Mở đầu
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử,
tự động hoá, việc ứng dụng các công nghệ điện tử, tự động hoá vào điều khiển
trong công nghiệp và hệ thống khí nén trong các dây truyền sản xuất là rất quan
trọng. Nó đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của các ngành công
nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất lợng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao
động cho con ngời, năng xuất lao động nhờ thế mà đợc nâng cao, thúc đẩy sự
phát triển của nền kinh tế nói chung. Việc áp dụng tự động hoá vào quá trình
điều chỉnh hệ thống khí nén nhờ các chơng trình phần mềm đợc cài đặt sẵn theo
yêu cầu của công nghệ sản xuất. Để điều khiển hoạt động của các hệ thống đó,
ngời ta sử dụng kết hợp những bộ điều khiển dùng các vi mạch điện tử, các bộ vi
xử lý, bộ điều khiển PLC và máy tính điều khiển.
Trong những năm gần đây, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đợc sử dụng
ngày càng rộng rãi trong công nghiệp nh là một giải pháp lý tởng cho việc tự
động hóa quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ
điều khiển logic khả trình đã đạt đợc những u thế cơ bản trong những ứng dụng
điều khiển công nghiệp, đó là dễ dàng lập trình và lập trình lại, nhanh chóng
thay đổi chơng trình điều khiển, độ tin cậy cao trong môi trờng công nghiệp, cấu
tạo nhỏ gọn và giá thành thấp so với hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơle.
Vì vậy việc học tập, nghiên cứu và ứng dụng PLC trong các hệ thống điều khiển

là một nhu cầu rất cần thiết.
Mục đích là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để
điều khiển hệ thống Pistong Xylanh khí nén trên mô hình.
Nội dung đồ án gồm các chơng:
Chơng 1: Tổng quan về Khí nén và thiết bị khí nén.
Trong chơng này sẽ tìm hiểu về Lịch sử hình thành và phát triển, các u nh-
ợc điểm, các ứng dụng và các loại máy nén khí thông dụng đang đợc sử dụng
rộng rãi, các phần tử trong hệ thống khí nén nh là các loại van, các cơ cấu chấp
hành nh: Pistong-Xylanh.
Chơng 2: Tổng quan về Động cơ một chiều.
Chơng này giới thiệu về u, nhợc điểm của động cơ 1 chiều so với động cơ
xoay chiều. Nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần tĩnh, phần động của động cơ 1
chiều, một số động cơ một chiều thông dụng trên thị trờng.
1
Chơng 3: Bộ điều khiển logic khả trình PLC
Chơng này nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động, u điểm ứng dụng của bộ điều
khiển logic khả trình. Trong chơng này cũng giới thiệu về bộ điều khiển logic
khả trình PLC nói chung và bộ PLC: Fx2N-64MR của Mitsubishi đợc sử dụng
trong đồ án, phơng thức hoạt động và phơng pháp lập trình.
Chơng 4: ứng dụng PLC để điều khiển và thiết kế cụm xylanh khí nén.
Chơng này đã nghiên cứu và xây dựng đợc sơ đồ mạch điện ghép nối vào ra
với thiết bị logic khả trình PLC, mà cụ thể là sử dụng bộ CPU của hãng
Mitsubishi làm bộ xử lý trung tâm. Từ sơ đồ mạch điện này ta xây dựng đợc các
lu đồ thuật toán để điều khiển hệ thống Pistong - Xylanh khí nén trên mô hình
thực tế.
Chơng 5: Kết quả và bàn luận
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo, GS.TS.
Nguyễn Doãn ý Bộ môn Máy và Dụng cụ Công nghiệp - Trờng Đại học Bách
Khoa - Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án.
Hà nội, ngày 10 tháng 09 năm

2008
Học viên thực hiện
Ngô Anh Trờng
Chơng 1
Tổng quan về khí nén và các thiết bị khí nén
1. Hệ thống khí nén
Vào khoảng thế kỷ 17 các nhà khoa học Blaise Pascal, Denis Papin, Otto
von Guerike đã xây dựng nền tảng cho việc ứng dụng khí nén. Trong thời kỳ
cách mạng công nghiệp hiện nay, sự phát triển về điều khiển bằng khí nén không
ngừng đợc áp dụng. Nó đợc sử dụng trong các hệ thống nh: giá kẹp chi tiết, các
thiết bị nâng hạ trong các máy đúc, máy CNC, máy khoan, máy va đập dùng
trong làm đờng, hệ thống phanh ôtô và đặc biệt là trong các dây truyền sản xuất
nh dây truyền hàn, dây chuyền đóng hộp, và trong các ngành khai thác than, dầu
2
khí
1.1. Với các u điểm
- Không gây ô nhiễm môi trờng
- Có khả năng chuyền tải đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn
thất trên dọc đờng truyền thấp.
- Khả năng kẹp dữ vật và nâng vật có khối lợng lớn tốt.
- Trọng lợng trên một đơn vị công suất nhỏ.
- Khí thải ra môi trờng không gây ô nhiễm.
1.2. Nhợc điểm
- Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn.
- Khi tải trọng thay đổi, vận tốc chuyền cũng thay đổi.
- Giá thành còn đắt do công nghệ chế tạo phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao.
2. Máy nén khí
Là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lợng cơ học của động cơ điện
hoặc động cơ đốt trong đợc chuyển đổi thành năng lợng khí nén. Máy nén khí đ-
ợc phân loại:

2.1. Theo áp suất
- Máy nén khí áp suất thấp p 15 bar
- Máy nén khí áp suất cao p 15 bar
- Máy nén khí áp suất rất cao p 300 bar
2.2. Theo nguyên lý hoạt động
Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông,
máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí kiểu tuabin:
máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
Máy nén khí kiểu Pisston
Máy nén khí kiểu cánh gạt
Máy nén khí kiểu root
Hình 2.1a Các loại máy nén khí.
3
Hình 2.1b máy nén khí kiểu trục vít.
+Máy nén khí tuabin: máy nén khí li tâm (Hình 2.2a) và máy nén khí theo
chiều trục (Hình 2.2b).
Hình 2.2 Máy nén khí tuabin
a. Máy nén khí li tâm
b. Máy nén khí chiều trục
3. Thiết bị xử lí khí nén.
3.1. Yêu cầu về khí nén
Khí nén đợc tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn
có thể ở những mức khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm không khí đợc hút
vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn
nữa trong quá trình nén, nhiệt độ không khí tăng lên, có thể gây nên quá trình oxy
hóa một số phần tử đợc kể trên. Nh vậy khí nén bao gồm chất bẩn

đó đợc tải đi
trong 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 đợc sử dụng trong kĩ thuật phải xử lí. Mức độ xử

lí khí nén còn tùy thuộc vào phơng pháp xử lí, từ đó xác định chất lợng của khí
nén tơng ứng cho từng trờng hợp vận dụng cụ thể.
3.2. Quá trình xử lí khí nén.
Khí nén đợc tải từ máy nén khí bao gồm những chất bẩn thô: những hạt
bụi , chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, phần lớn những chất
bẩn này đợc xử lí trong thiết bị, gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau khi khí nén
đợc đẩy ra từ máy khí nén. Sau đó khí nén đợc dẫn vào bình làm hơi nớc ngng tụ,
ở đó độ ẩm của khí nén (lợng hơi nớc) phần lớn sẽ đợc ngng tụ tại đây. Giai đoạn
4
b
a
xử lí này gọi là giai đoạn xử lí thô. Nếu thiết bị để xử lí khí nén ở giai đoạn này
tốt, hiện đại thì khí nén có thể đợc sử dụng, ví dụ những dụng cụ khí nén cầm
tay, những thiết bị, đồ gá đơn giản dùng khí nén
Tuy nhiên sử dụng khí nén trong hệ thông điều khiển và một số thiết bị
khác đòi hỏi chất lợng khí nén cao hơn. Để đánh giá chất lợng của khí nén Hội
đông các xí nghiệp châu Âu PNEUROP 6611 phân ra thành 5 loại trong đó có
tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hoá sơng, lợng dầu trong khí nén đợc
xác định. Cách phân loại này nhằm định hớng cho những nhà máy, xí nghiệp
chọn đúng chất lợng khí nén với thiết bị sử dụng.
Hình 3.1 Các phơng pháp sử lý khí nén
Hệ thống xử lí khí nén đợc phân loại thành 3 giai đoạn, đợc mô tả ở hình 3.1:
- lọc thô : làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩn
bụi. Sau đó khí nén đợc đa vào bình ngng tụ, để tách hơi nớc.
Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lí khí nén.
- phơng pháp sấy khô: giai đoạn này xử lí tuỳ theo chất lợng yêu cầu của
khí nén
- lọc tinh : xử lí khí nén trong giai đoạn này, trợc khi đa vào sử dụng. Giai
đoạn này rất cần thiết cho hệ thống diều khiển.
4. Hệ thống thiết bị phân phối khí nén

Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ
máy nén khí đến khâu cuối cùng để sử dụng, ví dụ nh động cơ khí nén, máy ép
5
Giai đoạn xử lí khí nén
Lọc thô
Sấy khô Lọc tinh
Làm lạnh
Tách n ớc Ng ng tụ Hấp thụ Bộ lọc Cụm bảo d ỡng
Lọc chất bẩn
Lọc bụi
Sấy khô bằng
chất làm lạnh
Hấp thụ khô bằng
chất làm lạnh
Bộ lọc
Điều chỉnh áp suất
Bộ tra dầu
dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khí
nén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và hệ thống điều khiển bằng không
khí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển ).
Truyền tải không khí nén đợc thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, cần
phân biệt ở đây mạng đờng ống đợc lắp ráp cố định (nh trong nhà máy) và mạng
đờng ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy (hình 4.1).
Bình trích
chứa trung gian
Máy nén khí
Bình trích
chứa chính
Độ nghiêng đ ờng ống 1-2%
Bình trích chứa

cho thiết bị, máy
Thiết bị lọc
Van xả n ớc
Bình ng ng
tụ hơi n ớc
Hình 4.1: Hệ thống thiết bị phân phối khí nén
Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất p, lu
lợng Q và chất lợng của khí nén cho nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị máy móc.
Ngoài tiêu chuẩn chọn hợp lí máy nén khí, tiêu chuẩn chọn đúng thông số của hệ
thống ống dẫn (ví dụ: đờng kính ống dẫn, vật liệu ống dẫn) cách lắp đặt hệ thống
ống dẫn, bảo hành hệ thống thiết bị phân phối khí nén cũng đóng vai trò quan
trọng về phơng diện kinh tế cũng nh về yêu cầu kĩ thuật cho hệ thống điều khiển
bằng khí nén. Yêu cầu về tổn thất áp suất đối với hệ thống thiết bị phân phối khí
nén (từ bình tích áp chính cho đến nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị máy móc)
không vợt quá 1,0 bar, cụ thể nh sau:
- 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 xử lí
khí nén (trong bình ngng tụ, tách nớc) 0,1 bar
- Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc tinh 0,1 bar
4.1. Bình trích chứa khí nén
6
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và đợc sử lý thì cần có một bộ phận
lữu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí từ
máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngng tụ và tách nớc.
Kích thớc bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và
công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thớc này còn phụ thuộc
vào phơng pháp sử dụng (sử dụng liên tục hay gián đoạn).
Các thiết bị lu trữ, lọc sạch phải đủ dung tích và có chất lợng cao để đảm
bảo lợng không khí nén đầy đủ và đợc lọc sạch, cũng nh là đủ lợng dầu bôi trơn

để tăng tuổi thọ làm việc cho các cơ cấu dẫn động và các van của hệ thống.
b.
c.
Đồng hồ đo áp suất
(áp kế)
Đ ờng khí nén vào
Đ ờng khí nén ra
a.
Hình 4.2: Các loại bình trích áp khí nén
a. Loại bình trích áp thẳng đứng
b. Loại bình trích áp nằm ngang
c. Loại bình trích áp nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí
Bình tích áp có thể lắp ráp theo những vị trí khác nhau (hình 4.2). Đờng ống
nối khí nén ra thờng nằm ở vị trí cao nhất của bình tích áp.
4.2. Mạng đờng ống dẫn khí nén
Là thiết bị chuyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến
các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. Đờng ống sẽ nối
những thiết bị hệ thống khác nhau, cung cấp đờng dẫn công suất cho không khí
nén ở trạng thái chuyển động hoặc trạng thái tĩnh. Đờng ống dẫn khí nén đợc
trang bị cho phép tháo lắp dễ dàng và nhanh chóng. Nối hệ thống đến các thiết bị
7
bằng cách đơn giản là đẩy vào cổng vào hoặc cổng ra. Tháo ống ra bằng cách
một tay đè vào vành tỳ, tay kia kéo ống ra.
5. Các phần tử trong hệ thống điều khiển
5.1. Khái niệm
Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển (open-
loop control system). Mạch điều khiển theo DIN 19266 (Tiêu chuẩn của Cộng
hoà Liên Bang Đức) gồm các phần tử đợc mô tả ở hình 5.1.
8
R

P
A
A
P
1.1
0.2
0.1
A
1.2
21
A
B
R
P
A
1.4
1.3
PP
RP
R
Đại l ợng vào
(Đại l ợng vật lí)
L u l ợng, áp suất
Phần tử xử lí tín hiệu
Phần tử đ a tín hiệu
Phần tử điều khiển
1.5
Đại l ợng ra
(dịch chuyển đòn bẩy)
Đối t ợng điều khiển

Cơ cấu chấp hành
Hình 5.1: Cấu trúc của mạch điều khiển và các phần tử
- Phần tử đa tín hiệu: nhận những giá trị của đại lợng vật lí nh là đại lợng
vào, là những phần tử đầu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, rơ le
áp suất.
- Phần tử xử lí tín hiệu: xử lí tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác
định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van
tiết lu, van lôgic OR hoặc AND.
- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lợng (lu lợng) theo yêu cầu,
thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành. Ví dụ: van đảo chiều, li hợp
- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tợng điều khiển, là đại lợng
ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xylanh, động cơ.
5.2. Van tiết lu và van áp suất
Có chức năng điều khiển mức độ công suất đợc sản sinh ra trên các cơ cấu
dẫn động và các motor khí nén. Có các loại van nh là:
9
Tên thiết bị Ký hiệu
Van tiết lu có tiết diện không đổi:
Khe hở van có tiết diện không đổi, do đó lu lợng
dòng chảy không thay đổi.


Van tiết lu có tiết diện thay đổi:
Lu lợng dòng chảy qua van thay đổi đợc nhờ vào một
vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện của khe hở.
Ký hiệu chung:
Có mối ren nối:
Không có mối ren nối:

Van tiết lu một chiều điều chỉnh bằng tay:
Nguyên lý hoạt động tơng tự nh van tiết lu một chiều
điều chỉnh bằng tay, tuy nhiên dòng khí nén chỉ có
thể đi một chiều từ A qua B, chiều ngợc lại bị chặn
lại.

Van tiết lu một chiều điều khiển bằng cữ chặn:
Dòng khí chỉ có thể đi một chiều từ A sang B, tuỳ
thuộc vào vị trí cữ chặn mà tiết diện của khe hở van
thay đổi, làm cho lu lợng dòng chảy thay đổi.

10
Van an toàn:
Bình thờng khi áp suất nhỏ hơn hoặc bằng áp suất
cho phép, cửa R bị chặn, nhng khí áp suất lớn hơn áp
suất cho phép thì cửa R sẽ mở ra, khí nén từ cửa P
theo cửa R thoát ra ngoài.
Van tràn:
Nguyên tắc hoạt động tơng tự nh áp suất, nhng khi
áp suất bằng hoặc lớn hơn áp suất cho phép thì cửa P
nối với cửa A.
Van áp suất điều khiển từ xa:
Nguyên lý hoạt động của van áp suất điều khiển từ
xa: Khi có tín hiệu áp suất Z tác động gián tiếp qua
van tràn, cửa P nối với cửa A.

11
5.3. Van Chắn
Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều, chiều ngợc lại
bị chặn. Van chắn gồm các loại sau:
Tên thiết bị Ký hiệu
Van một chiều:
Van một chiều có tác dụng chỉ cho dòng
khí nén đi qua một chiều từ A sang B,
chiều ngợc lại bị chặn.


Van logic OR:
Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì cửa P2
bị chặn và của P1 nối với cửa A. Ngợc lại
dòng khí nén đi vào cửa P2 thì cửa P1 bị
chặn lại, cửa P2 nối với cửa A.


Van logic AND:
Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1 bị chặn
lại, ngợc lại khi có dòng khí nén và P2 thì
P2 bị chặn lại. Chỉ khi nào cả hai cửa P1
và P2 đều có khí đi vào thì mới có khí nén
đi qua cửa A.


Van xả khí nhanh:
Khi có dòng khí nén vào cửa P, chắn cửa

R, cửa P nối với cửa A. Khi có dòng khí
nén đi vào cửa A, cửa P bị chặn lại, cửa A
nối với cửa R, khí đợc xả nhanh ra ngoài.


5.4. Van đảo chiều
Có nhiệm vụ điều khiển hớng của dòng lu chất đến cơ cấu dẫn động bằng
cách đóng, mở hay thay đổi vị trí cửa van để thay đổi hớng của dòng chất lỏng,
hoặc xử lý các chức năng phát tín hiệu logic để thực hiện việc điều khiển theo
trình tự của các cơ cấu dẫn động khí nén.
12
Ký hiệu của cửa nối van theo các tiêu chuẩn
ISO 5599 ISO 1219
Cửa nối với nguồn (từ bộ lọc khí)
1 P
Cửa nối làm việc
2 , 4, 6 A , B , C
Cửa xả khí
3 , 5 , 7 R , S , T
Cửa nối tín hiệu điều khiển
12 , 14 X , Y
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đờng mũi tên biểu diễn hớng
chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì đợc biểu diễn bằng
dấu gạch ngang. Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2, trong đó 5 là chỉ số
cửa 2 là chỉ số vị trí, có các loại van đảo chiều nh là:
Tên thiết bị Kí hiệu
Van đảo chiều 2/2


Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2
Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là:
Tác động bằng tay
Tên kiểu tác động Kí hiệu
Nút bấm

Tay gạt

13
Cửa xả khí không có mối nối ống dẫn
2(A)
4(B)
5(S)
1(P)
3(R)
Nối với nguồn khí
Cửa xả khí có mối
nối ống dẫn
14(R
)
Cửa nối điều khiển
12(Y)
Cửa nối điều khiển
Cửa 1 nối với cửa 2
Cửa 1 nối với cửa
Bàn đạp

Tác động bằng khí nén:

Tên kiểu tác động Kí hiệu
Trực tiếp bằng dòng khí nén vào

Trực tiếp bằng dòng khí nén ra

Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với đờng
kính hai đầu van khác nhau

Gián tiếp bằng dòng khí nén ra qua van
phụ trợ

Tác động bằng cơ:
Tên kiểu tác động Kí hiệu
Đầu dò

Cữ chặn con lăn tác động hai chiều

Cữ chặn con lăn tác động một chiều

14
Lò xo

Nút nhấn có rãnh định vị

Tác động bằng nam châm điện
Tên kiểu tác động Kí hiệu
Trực tiếp

Bằng nam châm điện và van phụ trợ

Van đảo chiều 5/2 của hãng Airtac, một đầu tác động bằng nam châm điện
và van phụ trợ, một đầu tác động bằng lò xo. Van sử dụng cuộn hút một chiều
điện áp 24VDC. Công suất tiêu thụ 3W kích thớc đờng ống đầu vào và đầu ra là
1/4 inch, đầu xả là 1/8 inch. Vùng áp suất cho phép hoạt động là 1,5 ~ 8 Bar
(Kgf/cm
2
). áp suất lớn nhất chịu đợc là 12 bar. Nhiệt độ môi trờng cho phép hoạt
động tốt nhất là -5
0
C ~ 60
0
C. Sai số điện áp cho phép là -15% ~ 10% điện áp
định mức. Thời gian đáp ứng tối thiểu 0,05s. Trọng lợng 220g.
Hình 5.2 Hình chụp thực tế van khí Hình vẽ ký hiệu chế độ hoạt động
15
Hình 5.3 Hình chụp cấu tạo van khí
ý nghĩa của các ký hiệu mã số của van khí
6. Cơ cấu chấp hành.
6.1. Yêu cầu
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biển đổi năng lợng khí nén thành năng lợng
cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xylanh), hoặc chuyển động
quay(động cơ khí nén).
Tên thiết bị Kí hiệu
Xylanh tác dụng một chiều
áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của
xylanh, phía còng lại là do ngoại lực hoặc lò
xo tác dụng
Chiều tác dụng ngợc lại do ngoại lực
Chiều tác dụng ngợc lại do lò xo

16
Xylanh tác dụng hai chiều
áp suất khí nén đợc dẫn vào hai phía của
xylanh, do yêu cầu điều khiển mà xylanh sẽ
đi vào hay đi ra tùy thuộc vào áp lực khí nén
vào phía nào nhiều hơn.

Xylanh trợt:
Là loại xylanh không cần pittông, có chiều
dài chỉ bằng nửa so với xylanh có cần
pittông
Cán pittông tạo ra lực đẩy F đợc tính bằng tích của bề mặt pittông A và áp
suất trong xylanh p
e
. Đơn vị thứ nguyên của lực đợc tính theo (bảng 6.1)

Số TT
áp suất x diện tích =lực
p
e
x A = F
1
a
p
M
2
N
2 N/m
2
M

2
N
3 kg.m/s
2
.m
2
M
2
kg.m/s
2
4 Bar Cm
2
daN
5 10
5
Pa 10
-4
.m
2
10N
Bảng 6.1 Đơn vị thứ nguyên tính lực
6.2. Xylanh
6.2.1. Xylanh tác dụng đơn (xylanh tác dụng một chiều)
Khoảng chạy
F
z2
F
z1
F
r1

F
r2
F
17
Hình 6.1 Lực tác động lên xylanh tác dụng đơn.
áp lực tác động vào xylanh đơn chỉ một phía, phía còn lại do lò xo tác
động hay ngoại lực tác động (hình 6.1). Lực tác động lên pittông đợc tính
theo công thức:
F
Z
=A.p
e
- F
R
- F
F
Trong đó:
F
Z
(daN) : Lực tác động lên pittông.
2
2
.
( )
4
D
A cm

=
: Diện tích pittông.

D(cm) : Đờng kính pittông.
P
e
(bar) : áp suất khí nén trong xylanh .
F
R
: Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lợng bề mặt giữa pittông và xylanh,
vận tốc chuyển động của pittông, loại vòng đệm. Trạng thái vận hành bình thờng
theo(15), lực ma sát F
R
0,15.Ap.
F
Z
: Lực lò xo.
Xylanh tác dụng đơn đợc sử dụng cho thiết bị,đồ gá kẹp chi tiết.
Trình bày ký hiệu xylanh tác dụng đơn.
Hình 6.2 Kí hiệu xylanh tác dụng đơn
a. Chiều tác động ngợc lại do ngoại lực tác động
b. Chiều tác động ngợc lại do lò xo tác động
6.2.2. Xylanh tác dụng hai chiều (xylanh tác dụng kép)
Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng hai chiều là áp suất đợc dẫn từ
cả hai phía (hình 6.3).
18
1
8 5 6 7 9
3 4 2
Hình 6.3 Xylanh tác dụng hai chiều.
1. Cữa nối mặt đáy pittông 2. Cữa nối mặt trớc pittông
3. Mặt đáy pittông 4. Mặt trớc pittông 5. Bề mặt xylanh
6. Bề mặt pittông 7. Diện tích cần pittông 8. Đáy xylanh 9. Nắp xylanh

1 - Xylanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn
Xylanh tác dụng hai chiều không có bộ giảm chấn ở cuối khoảng chạy, (hình 6.4)
Hình 6.4 Xylanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn.
Các loại đồ gá lắp thêm với xylanh tác dụng hai chiều đợc trình bày ở (hình
6.5)
Hình 6.5các loại kết cấu đồ gá lắp thêm với xylanh tác dụng 2 chiều.
2 - Xylanh tác dụng hai chiều có giảm chấn
Nhiệm vụ của các cơ cấu giảm chấn là ngăn chặn sự va đập của pittông vào
19
thành xylanh ở vi trí cuối khoảng chạy. Nguyên lý hoạt động của xylanh tác
dụng hai chiều có giảm chấn cuối khoảng chạy (hình 6.6). Ngời ta sử dụng van
tiết lu một chiều đã thực hiện nhiệm vụ giảm chấn .
Van tiết luu một chiều
Vòng đệm kín xilanh
Giảm chấn cuối
khoảng chạy
Vòng đệm kín cần
pitông
Vòng chắn
2(B)
4(A)
Hình 6.6 Xylanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn
điều chỉnh đợc ở cuối khoảng chạy.
Sự phụ thuộc thời gian hãm và vận tốc ở cuối vị trí khoảng chạy đợc biểu
diễn ở( hình 6.7). Nhờ van tiết lu một chiều có thể điều chỉnh đợc sự phụ thuộc
đó.
Giảm chấn mạnh
Thời gian
Giảm chấn tối u
Giảm chấn yếu

Vận tốc
Hình 6.7 Biểu đồ vận tốc thời gian hãm ở vị trí cuối khoảng chạy
Biểu diễn xylanh tác dụng 2 chiều và kí hiệu (Hình 6.8).
20
Hình 6.8 xylanh tác dụng 2 chiều có giảm chấn (hãng Bosch).
a.xylanh tác dụng 2 chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh đợc.
b. Xylanh tác dụng 2 chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh đợc.
a. Tính toán xylanh tác dụng hai chiều.
- Lực tác động lên cần pittông:
Khi tính toán lực cần chú ý đến chiều chuyển động của cán pittông.
+ Lực tác động khi cần pittông đi ra: F
A
= A
1
.p
e2
.

(5.2)
F
A
(daN) Lực tác động khi cán pittông đi ra
A
1
(cm
2
) Diện tích mặt đáy pittông A
1
=
2

.
4
D

D (cm) Đờng kính mặt đáy pittông
p
e
(bar) áp suất khí nén trong xylanh

Hiệu suất xylanh, thông thờng

=0,8
+ Lực tác động khi cán pittông đi vào F
A
= A
2
p
e2
.

(5.3)
F
A
(daN) Lực tác động khi cán pittông đi vào
A
1
(cm
2
) Diện tích vòng găng pittông A
1

=
2 2
.( )
4
D d


D (cm) Đờng kính mặt đáy pittông
d (cm) Đờng kính cán pittông
p
e
(bar) áp suất khí nén trong xylanh

- Hiệu suất xylanh, thông thờng

=0,8
Lực tác động khi xylanh ở vị trí nằm nghiêng:
Theo sơ đồ hình 5.11 ta có:
Lực ma sát F
R
=m.g.
à
.cos

Lực nâng F
H
=m.g.sin

Lực gia tốc F
B

=m.a
Trong đó:
21
m(kg) : Khối lợng chuyển động
g (m/s
2
) : Gia tốc trọng trờng g=9,81(m/s
2
)
à
: Hệ số ma sát

: Mặt phẳng nghiêng
a (m/s
2
) : Gia tốc a=

2
/2s.

(m/s) : Vận tốc của pittông
s (m) : Quãng đờng có gia tốc
Hình 6.9 Tính toán lực tác động lên xylanh
22
Hình 6.10 Biểu đồ áp suất ở đờng vào và đờng ra khi pittông chuyển động
a. Biểu đồ áp suất- thời gian.
b. Sơ đồ lắp với các điểm áp suất
0: chuyển đổi vị trí van đảo chiều từ b sang a
1: bắt đầu chuyển động
2: gia tốc đạt lớn nhất

3: bắt đầu chuyển động đều
4: kết thúc chuyển động
5: áp suất trong xylanh đạt lớn nhất hoặc nhỏ nhất.
p
0
: áp suất không khí
p
1
: áp suất nguồn
p
2
: áp suất khí nén sau thiết bị lọc
p
3
: áp suất trong xylanh ở đờng vào
p
4
: áp suất trong xylanh ở đờng ra
Thay phơng trình (5.9) vào phơng trình (5.8) ta có:
F
2
=A
1
.p
e3
- A
1
.p
e3
.0,15-A

2
.p
e4
- A
2
.p
e4
.0,15 = 0.85.A
1
.p
e3
1,15.A
2
.p
e4
Hoặc F
2
= A
1
.p
e3
.

Trong đó hiệu suất


0,6
F
2
: Lực tác động lên xylanh, khi vận tốc hằng số

A
1
: Diện tích mặt đáy pitôn
A
1
: Diện tích mặt đáy pittông, xem phơng trình(5.2)
A
2
: Diện tích vòng găng pittông, xem phơng trình (5.3)
P
e3
: áp suất của xylanh trong đờng vào
23