Tìm hiểu và xây dựng sơ đồ nguyên lý của bộ phận chấp hành bài tập tự động hóa khí nén

Vũ Văn Tâm
Chương 1 :
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN TRONG CÔNG NGHIỆP
I.Tổng quan
1 .Những đặc điểm cơ bản
- Hệ thống khí nén (Pneumatic Systems) được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần
phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc hại.
Ví dụ: lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; các khâu
phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động.
Trong công nghiệp gia công cơ khí; trong công nghiệp khai thác
khoáng sản…
- Các dạng truyền động sử dụng khí nén:
+ Truyền động thẳng: Là ưu thế của hệ thống khí nén do
kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử
dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, các thiết
bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm…
+ Truyền động quay: Trong nhiều trường hợp khi yêu cầu
tốc độ truyền động rất cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi
hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác.
1
Vũ Văn Tâm
Ví dụ: Các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa và lắp ráp chi tiết,
các máy khoan, mài công suất dưới 3KW, tốc độ yêu cầu tới hàng
chục
nghìn vòng/phút. Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất
lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện.
2
Vũ Văn Tâm
- Những ưu nhược điểm cơ bản:
Ưu điểm:

+ Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể
nén và tích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như
một kho chứa năng lượng.
+ Nguồn năng lượng là không khí, có sẵn trong tự nhiên,
sạch và an toàn.
+ Chịu đựng tương đối tốt với môi trường nóng ẩm và bụi.
+ An toàn trong môi trường cháy nổ
+ Hoạt động ít bị hư hỏng
+ Vận hành, bảo dưỡng sửa chữa đơn giản chi phí thấp.
+ Trong thực tế vận hành, người ta thường xây dựng trạm
nguồn khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau như công
việc làm sạch, truyền động trong các máy móc…
+ Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với
tổn thất nhỏ.
3
Vũ Văn Tâm
+ Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà
không gây tổn hại cho môi trường.
+Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin
cậy và chính xác.
+ Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất
hiệu quả.
+ Các động cơ khí nén có thể đạt tốc độ cao 15m/s khi
chuyển động thẳng, vài trăm ngàn phút khi chuyển động quay.
4
Vũ Văn Tâm
Nhược điểm:
+ Công suất truyền động không lớn. Ở nhu cầu công suất
truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần
so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng

lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện.
+ Thời gian đáp ứng không nhanh như điện và điện tử,
những linh kiện khi nén có tốc độ đáp ứng nhanh nhất cũng phải mất
vài chục ms. Do vậy trong trường hợp yêu cầu thực hiện số lượng lớn
các phép xử lý thong tin điều khiển và thực hiện với tốc độ nhanh thì
công nghệ khí nén không thể đáp ứng được.
+ Khí nén không thể dung ở áp suất cao vì rất nguy hiểm,
dễ xảy ra nổ. Thông thường chỉ dùng áp suất từ 6 - 8 bar. Do vậy động
lực do các động cơ khí nén tạo ra không lớn bằng các động cơ thủy
lực.
+ Do tính chất nén được của khí nén, làm cho chuyển động
của cơ cấu không đều và định vị thiếu chính xác. Gần đây, với những
cải thiện về kỹ thuật, ứng dụng công nghệ servo khí nén, nhiều hang
đã cho ra đời nhiều sản phẩm đạt độ chính xác đến ± 0,1 mm.
+ Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu
hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả
5
Vũ Văn Tâm
năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường là khó thực
hiện.
+ Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây
tiếng ồn.
+ Giá thành khí nén đắt hơn vài lần thậm chí vài chục lần
so với nguồn điện do phải tạo ra một cách gián tiếp từ nguồn điện qua
động cơ điện hoặc nguồn nhiệt qua động cơ nhiệt để kéo máy nén khí.
+ Ngày nay, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống
khí nén, người ta thường kết hợp linh hoạt chúng với các hệ thống
điện cơ khác và ứng dụng sâu rộng các giải pháp điều khiển khác
nhau như điều khiển bằng các bộ điều khiển lập trình, máy tính…
2. Cấu trúc của hệ thống khí nén(The structure of Pneumatic

Systems)

- Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bị:
+ Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết
bị an toàn, các thiết bị xử lý khí nén (lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô…)
+ Khối điều khiển gồm: các phần tử xử lý tín hiệu điều
khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành.
+ Khối các thiết bị chấp hành: Xilanh, động cơ khí nén,
giác hút…
6
Vũ Văn Tâm
+ Dựa vào dạng năng lượng của tín hiệu điều khiển,
người ta chia ra hai dạng hệ thống khí nén:
- Hệ thống điều khiển hoàn toàn bằng khí nén, trong đó tín
hiệu điều khiển bằng khí nén và do đó kéo theo các phần tử
xử lý và điều khiển sẽ tác động bởi khí nén – Gọi là Hệ
thống điều khiển bằng khí nén và Hệ thống điều khiển điện
– khí nén - các phần tử điều khiển hoạt động bằng tín hiệu
điện hoặc kết hợp tín hiệu điện – khí nén.
Một số hình ảnh về ứng dụng khí nén:
7
Vũ Văn Tâm
Hình 1-1: Xe hơi chạy bằng khí nén
8
Vũ Văn Tâm
Hình 1-2: Máy cuộn và xén giấy gói hàng chạy bằng khí nén
Hình 1-3: Máy khoan chạy bằng khí nén
9
Vũ Văn Tâm
Đề tài: UỐN TÔN TỰ ĐỘNG

Xy
lanh
Hành trình
(mm) Lực (N)
Thời gian tiến hoặc
lùi(S)
A 600 600 02
B 200 500 02
C 130 700 02
HOẠT ĐỘNG:
- Xy lanh A đẩy tôn vào vị trí uốn.
- Xy lanh B ép chặt tôn vào đế.
- Xy lanh C uốn tôn.
YÊU CẦU: Chu trình tự động lặp lại.
10
Vũ Văn Tâm
CHƯƠNG II:
PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA BỘ PHẬN CHẤP HÀNH
I.Mô tả hoạt động của hệ thống
1.1. Hoạt động:
11
Vũ Văn Tâm
Lúc đầu hệ thống đang ở trạng thái như đề bài
o Bước 1: Xy lanh tiến A đẩy tôn vào vị trí uốn.
o Bước 2: Xy lanh B tiến ép chặt tôn vào vị trí uốn.
o Bước 3: Xy lanh C tiến đến để uốn tôn.
o Bước 4: Xy lanh A lùi.
o Bước 5: Xy lanh B lùi.
o Bước 6: Xy lanh C lùi.

1.2.Trình tự hoạt động của các xy lanh:
2.1.Giản đồ Stroke Step:
12
Vũ Văn Tâm
Chu trình làm việc của các xy lanh:
A
+
=> B
+
=> C
+
=> A
-
=> B
-
=> C
-
13
Vũ Văn Tâm
1.3. Xây dựng giản đồ GRAFECT
Vị trí chuyển
tiếp
Trạng thái chuyển Trạng thái xy lanh
m Từ trạng thái 0 đến 1 A
+
a
1
Từ trạng thái 1 đến 2 B
+
b

1
Từ trạng thái 2 đến 3 C
+
c
1
Từ trạng thái 3 đến 4 A
-
a
0
Từ trạng thái 4 đến 5 B
-
b
0
Từ trạng thái 5 đến 6 C
-
c
0
Từ trạng thái 6 đến 0 Trở về trạng thái
chuẩn bị
14
Vũ Văn Tâm
Kí hiệu các quy ước trong đồ án:
Kí hiệu Ý nghĩa
m0
Nút nhấn khởi động
Y1 Xy lanh A tiến
Y2 Xy lanh A lùi
Y3 Xy lanh B tiến
Y4 Xy lanh B lùi
Y5 Xy lanh C tiến

Y6 Xy lanh C lùi
a
0
,a
1
Cảm biến cuối hành trình tiến, lùi
của xy lanh A
b
0
,b
1
Cảm biến cuối hành trình tiến, lùi
của xy lanh B
c
0
,c
1
Cảm biến cuối hành trình tiến, lùi
15
Vũ Văn Tâm
của xy lanh C
II.Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động:
1.Xác định loại kĩ thuật điều khiển theo yêu cầu hoạt động
của thiết bị.
Sử dụng 3 loại điều khiển: thuần khí, relay, PLC.
Tất cả các phần tử đều dùng khí nén (điều khiển
thuần khí) cho các trường hợp:
- Môi trường nóng ẩm, bụi
- Môi trường cháy nổ (khí đốt, thuốc nổ)
- Hoạt động của thiết bị đơn giản

- Hoạt động của thiết bị riêng rẽ, không nối kết với các thiết
bị khác.
Dùng relay cho các trường hợp sau:
- Môi trường ít ẩm, bụi
- Môi trường không cháy nổ
16
2
1 3
2
1 3
Vũ Văn Tâm
- Thiết bị hoạt động đơn giản
- Không yêu cầu nối kết các thiết bị khác
Dùng bộ điều khiển lập trình PLC cho các trường
hợp sau:
- Môi trường ít nóng ẩm, bụi
- Môi trường không cháy nổ
- Thiết bị hoạt động phức tạp
- Có yêu cầu nối kết với các thiết bị khác
2.1. Xác định loại thiết bị cho các trường hợp:
Nếu dùng kiểu thuần khí để điểu khiển
- Cảm biến vị trí xy lanh: van 3/2 tác động bằng cơ khí
17
2
1 3
4 2
5
1
3
Vũ Văn Tâm

- Cảm biến vị trí xy lanh: van 3/2 tác động bằng khí
- Van phân phối cho xy lanh: van 5/2 tác động kép bằng khí nén
18
4 2
1 3
Vũ Văn Tâm
+ Nếu dùng kiểu điều khiển bằng tay:
- Van 4/2 tác động bằng điện:
19
1
Vũ Văn Tâm
- Cuộn dây solenoid:
- Cảm biến vị trí xy lanh:
+ Dùng điều khiển bằng bộ PLC và các relay
- Cảm biến vị trí xy lanh cảm biến điện VDC
20
Vũ Văn Tâm
- Van phân phối van 5/2 tác động kép bằng dòng PC (van solenoid)
21
Vũ Văn Tâm
III. Vẽ sơ đồ nguyên lý:
Sơ đồ nguyên lý theo thứ tự từ trên xuống dưới
- Dãy xy lanh A, B, C cùng với các cảm biến vị trí cuối hành
trình tương ứng với các xy lanh đó.
- Dãy các van phân phối tương ứng để phân phối khí nén cho
các xy lanh đó.
- Dãy các đường tín hiệu khí nén (đối với hình vẽ cho sơ độ
nguyên lý thuần khí và điện cho hình vẽ sơ đồ nguyên lý
dùng PLC và relay).
- Bộ điều khiển thuần khí Quickstepper cho hình vẽ sơ đồ điều

khiển thuần khí, PLC cho hình vẽ sơ đồ điều khiển bằng
PLC và mạch điều khiển cùng với mạch động lực cho hình
vẽ bằng sơ đồ điều khiển dùng mạch relay.
- Dãy các van biến khí nén cho hình vẽ sơ đồ điều khiển thuần
khí nén.
- Bộ cấp khí F - R - L
22
4 2
1 3
Y1 Y2
4 2
1 3
Y3 Y4
4 2
1 3
Y5 Y6
C0 C1B0 B1A0 A1
70%
70%
70%
70%
70%
70%
OFF
K
K
K
A1
Y1 Y3
B1

Y5
Y2
C1C0
K
A0
Y4
B0
Y6
ON
1 2 3 4
5 7 11
14
3
4
9
Vũ Văn Tâm
Trong hành trình của các bước ta thấy không có bước nào trùng
+ Phương pháp điều khiển bằng relay:

23
Vũ Văn Tâm
+
Phương pháp điều khiển bằng thuần khí:
24
Vũ Văn Tâm
CHƯƠNG III:
XÁC ĐỊNH PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG
I.Xy lanh khí nén
1.Cấu tạo xy lanh khí nén thông dụng
Chú thích:

1. Miếng đệm đầu trục
2. Nam châm
3. Đệm ống ngoài
4. Vỏ ngoài
5. Ống dẫn thanh
6. Miếng đệm
7. Vỏ bọc mặt trước
8. Mặt dẫn khí
9. Công tắc từ
10. Cần Pittông
11. Vỏ chống mòn
12. Đệm Pittông
II.Xác định loại xy lanh khí nén
1. Loại xy lanh
- Làm việc cả hai chiều, tác động kép.
- Có giảm chấn cuối hành trình.
25