NGHIÊN cứu NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG điều KHIỂN bám QUỸ đạo của PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG NGẦM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NCS. VŨ VĂN QUANG
TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN:
“NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CỦA PHƯƠNG TIỆN
CHUYỂN ĐỘNG NGẦM”

ĐỀ CƯƠNG DỰ TUYỂN NGHIÊN CỨU SINH

Hải Phòng - 2016


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NCS. VŨ VĂN QUANG

“NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CỦA PHƯƠNG TIỆN
CHUYỂN ĐỘNG NGẦM”

ĐỀ CƯƠNG DỰ TUYỂN NGHIÊN CỨU SINH
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa;

Mã số: 62520216
Chuyên ngành: Tự động hóa;

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS.Đinh AnhTuấn
2. PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp

Hải Phòng - 2016


LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay, các hệ thống tự động
hoá phát triển mạnh mẽ cả về bề rộng và chiều sâu. Các hệ thống tự động hoá ứng
dụng trong thực tế sản xuất rất đa dạng và phong phú với nhiều mức độ khác nhau.
Trong đó các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng trong nhiều lĩnh vực
công nghệ và kỹ thuật vì nó các ưu điểm như đơn giản trong kết cấu, trong sử dụng
và cả trong điều khiển, độ tin cậy làm việc cao có độ an toàn cao đối với các môi
trường làm việc cháy nổ và có thề làm việc ở các môi trường khắc nhiệt (phóng xạ,
hoá chất...)
Tuy nhiên trong hệ thống điều khiển khí nén có các nhược điểm như độ tác
động nhanh thấp, kích thước hệ thống lớn, gây tiếng ồn...Một giải pháp để hạn chế
các nhược điểm đó mà hiện nay thường sử dụng là kết hợp các thiết bị khí nén với
các thiết bị điện và sử dụng bộ điều khiển bằng chương trình ( PLC ) để điều khiển
sự hoạt động của hệ thống.
Với đề tài nghiên cứu khoa học là " Nghiên cứu, xây dựng một số mô hình
mẫu sử dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thực hành "
Đề tài được thực với mục đích tìm hiểu thêm về các thiết bị điện khí nén và
phương pháp điều khiển. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên đề tài không tránh
khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy
cô để đề tài nghiên cứu khoa học được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn.


Ch¬ng I
tæng quan vÒ kü thuËt ®iÒu khiÓn khÝ nÐn
1.1. Khái niệm chung
Hệ thống điều khiển các hệ thống truyền động khí nén phải đảm bảo việc
đóng mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việc cho. Các phương
pháp cho điều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp hiện thực chúng rất
đa dạng. Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc
thường được cho dưới dạng các chu trình (biểu đồ) làm việc. Đó là một dạng đồ thị
quy ước biểu diễn sự phụ. thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp
hành.
Các hệ truyền động - tự động khí nén làm việc theo chu trình được chia theo
kiểu điều khiển thành ba nhóm
1 : Điều khiển theo vị trí
2 : Điều khiển theo thời gian
3 : Điều khiển theo áp suất
Trong nhóm 1 các vị trí tận cùng của các cơ cấu chấp hành được kiểm tra
bằng các cảm biến vị trí a0 , a1

a0

a1

h
X

X

Hình 1.1 Hệ truyền động - tự động khí nén
Từ các cảm biến vị trí a0 và a1 các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu chấp
hành được báo tới hệ điều khiển.Trên cơ sở đó , tạo lập các lệnh điều khiển X và


X.Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí thường là các van hành trình
3/2 thường ngắt (ở vị trí đầu cửa ra của van nèi với đường xả ) hoặc thường mở (ở
vị trí đầu cửa ra của van nối với áp suất nguồn).Hệ điều khiển có thể còn bao gồm
các công tắc khí nén, công tắc khởi động h , các thiết bị giữ chậm, các phần tử
logic…
Số các cơ cấu chấp hành được điều khiển trong hệ thống có thể là 1,2,3…
hoặc hơn nữa. Để điều khiển các hệ có số cơ cấu chấp hành lớn có thể sử dụng các
thiết bị điều khiển dạng bước hoặc số.
Hệ điều khiển theo thời gian có thể thực hiện nhờ các cơ cấu cam

ω
1

h0

hình 2
Thời gian thực hiện một chu trình và đường phân các chu kỳ riêng biệt của
nó ở đây được xác định bởi profin của cam (1) và vận tốc quay của nó (ω).Thời
gian của từng bước hoặc cả chu trình làm việc có thể điều khiển bằng các rơle thời
gian
Hệ điều khiển theo áp suất có thể coi như các biến thể của hệ diều khiển theo
vị trí.Chúng được sử dụng trong các trường hợp khi cần pittông chuyển dịch những
khoảng khác nhau phụ thuộc vào kích thước của chi tiết được gia công hoặc do khó
khăn trong việc lắp đặt các công tắc
1 cuối hành trình với cần pittông vươn dài. Để

điều khiển các van phân phối trong từng trường hợp này cần sử dụng các van nối
liên tục (hình 3)

3
2
5
4


Hình 3
Nguyên lý làm việc của nó như sau :
Van 5 làm việc ở cuối hành trình của pittông do hiệu áp suất trong các
khoang xi lanh1 .Khi nó làm việc có 1 xung áp suất tới van 2 , chuyển nó về vị trí
ban đầu và vị trí đầu được kiểm tra bằng công tắc hành trình 3. Để pittông dịch
chuyển về phía trước ta khởi động 4.
Nhược điểm của cách điều khiển theo thời gian và cách điều khiển theo áp
suất là khi thay đổi tải đột ngột hoặc khi các thông số khí thay đổi chuyển động của
cơ cấu chấp hành cớ thể xảy ra trước.Bởi vậy các hệ điều khiển theo vị trí trong đó
chuyển động của cơ cấu chấp hành chỉ có thể bắt đầu theo một trình tự vị trí xác
định của tất cả các cơ cấu chấp hành còn lại là phổ biến nhất trong các hệ truyền
động -tự động khí nén.
Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ để đưa tín hiệu tới đổi
vị trí các van phân phối , ngoài vị trí của cơ cấu chấp hành , cần tính đến một loạt
các thông tin về đối tượng được gia công , dụng cụ, các vấn đề về an toàn lao
động….Ngoài ra hệ điều khiển cần tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyển
động của các cơ cấu chấp hành , sự can thiệp của người điều khiển tại từng công
đoạn bất kỳ của chu trình làm việc và các yếu tố khác.


§2. Giới thiệu về các hệ điều khiển logic

Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế-trong đó kể cả hệ truyền
động tự động khí nén , thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt quãng.Hệ điều
khiển của các hệ thống này được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết điều khiển
logic(hay rơle)
X1
X2

ThiÕt bÞ
®iÒu khiÓn
r¬ le

Xm

Z1
Z2

X1
X2

Zn

Xm

a

HÖ ®iÒu
khiÓn
l«gic

Zn

b

X1
X2
XM
y1
y2

Z1
Z2
HÖ ®iÒu
khiÓn l«gic

ys

Zn
u1
u2
uq

M¹ch nhí
l«gic
c
H×nh 4: S¬ ®å khèi cña hÖ ®iÒu khiÓn l«gic
a. S¬ ®å tæng qu¸t

Z1
Z2

b. S¬ ®å hÖ ®iÒu khiÓn ®¬n bíc
c. S¬ ®å hÖ ®iÒu khiÓn ®a bíc
Trên hình 4a là sơ đồ khối tổng quát của hệ điều khiển logic.Các tín hiệu đầu
vào : X1 , X2 , ….Xm và các tín hiệu đầu ra Z1 , Z2,…Zn đều là các tín hiệu nhị
phân ( có hai giá trị 0 và 1 ) các phép tính thực hiện trên các tín hiệu này đều dựa
trên các quy tắc và tính chất của đại số logic.Giá trị đầu vào và giá trị đầu ra của
thiết bị điều khiển logic là tổ hợp tương ứng của tất cả các tín hiệu vào {Xm} và
tín hiệu ra {Zn} tại cùng một thời điểm xét.
Như vậy tại một thời điểm bất kỳ thiết bị điều khiển logic luôn luôn được
đặc trưng bởi những giá trị xác định các tín hiệu vào và tín hiệu ra.Nếu như ta khảo
sát làm việc của hệ điều khiển tại một dãy các thời điểm ta sẽ nhận thấy tương ứng
với một dãy các tín hiệu đầu vào {Xm} sẽ có một dãy các tín hiệu đầu ra {Zn} xác
định.Mối quan hệ giữa {Zn} và {Xm} được thể hiện bằng lời văn hoặc bằng các
công thức quy ước được gọi là các điều kiện làm việc của các hệ điều khiển logic
( hay rơle).
Hệ điều khiển logic được gọi là đơn bước ( khi quan hệ {Zn}-{Xm} là quan
hệ đơn trị ) và đa bước (nếu quan hệ {Zn} và {Xm} là đa trị -tức ứng với một giá
trị {Xm} có thê có nhiều giá trị của {Zn}
Sơ đồ khối của các hệ điều khiển đơn bước và đa bước tương ứng được trình
bày trên hình 4b và 4c.Như trên hình vẽ ta thấy trong hệ điều khiên đa bước ngoài
khối logic có như trong hệ đơn bước còn có khối điều khiển nhớ (Ys) tại cùng một
thời điểm sẽ xác định trạng thái bên trong của thiết bị điều khiển.Cũng tại thời
điểm xét tổ hợp toàn bộ các tín hiệu đầu vào {Xm} và trạng thái trong của thiết bị
điều khiển logic (Ys) sẽ là trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển.Như vậy tại
từng thời điểm ra luôn có mối quan hệ đơn trị giữa các tín hiệu đầu ra {Zn} và
trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển : {Xm} ; {Zn} . Ở đây ta thấy hệ đơn
bước chỉ là một trường hợp riêng của hệ đa bước.Khi (Ys) không hiện diện trong
hệ thống điều khiển.

§3. Mô tả hoạt động của hệ truyền động khí nén bằng biểu đồ trạng thái làm
việc
Hệ truyền dẫn của máy và dây truyền tự động là một tập hợp của các hệ dẫn
động cơ sở mà từng hệ đó tương ứng với một bộ phận công tác xác định.
Hệ dẫn động cơ sở đặc trưng bởi các tín hiệu đầu vào ( nhận từ hệ điều khiển
tới ) và các tín hiệu đầu ra xác định vị trí các bộ phận công tác.
Các tín hiệu ở đầu vào và đầu ra chỉ có thể nhận một trong hai tín hiệu quy
ước là 0 và 1 (0 ở áp suất khí quyển Pa );( 1 ở áp suất nguồn Pn)
Một hệ cơ sở như vậy bao gồm :
-

1 cơ cấu chấp hành khí nén

-

1 van phân phôi khí nén

-

Các phần tử điều khiển

Các máy và dây chuyền tự động thường cho phép thực hiện các chế độ hoạt
động như sau :
-

Chế độ tự động

-

Chế độ bán tự động

-

Chế độ hiệu chỉnh

Trong chế độ tự động sau khi khởi động chu trình làm việc của máy (được
định sẵn ) sẽ được thực hiện một cách tuần tự , nhắc lại liên tục.Máy chỉ dừng lại
khi có tín hiệu báo dừng.
Để mô tả hoạt động của từng hệ truyền động khí nén cơ sở và toàn bộ hệ dẫn
động nói chung người ta sử dụng một dạng đồ thị quy ước được gọi là biểu đồ
trạng thái làm việc.
Biểu đồ trạng thái làm việc cho phép mô tả trình tự thay đổi trạng thái và
chuyển động của các cơ cấu chấp hành … trong suốt cả thời gian chu trình làm
việc của nó.
Để thuận tiện cho việc mô tả này chu trình làm việc của hệ dẫn động khí nén
được chia thành nhiều khoảng được gọi là các bước trong đó diễn ra sự thay đổi
trạng thái hệ thống hoặc chuyển động của các cơ cấu chấp hành khí nén.Chuyển


động của các cơ cấu chấp hành khí nén trên biểu đồ được thể hiện bằng các đường
nghiêng, ví trí đứng yêu (không chuyển động) bằng các đường bằng (nằm ngang)
Trạng thái tín hiệu điều khiển của các phần tử điều khiển ( cảm biến vị trí ,
phần tử phản hồi ) được thể hiện trong từng bước bằng hai mức :
1 : có tín hiệu
0 : không có tín hiệu
tương ứng với các đường bằng trên và đường bằng dưới.Trên biểu đồ còn
thể hiện trạng thái trong từng bước của từng tín hiệu điều khiển các van phân phối ,
trị số hàm trạng thái và hàm cấu trúc của hệ thống.
Như vậy mỗi một bước trong biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động
khí nén được đặc trưng bởi những giá trị xác định của các tín hiệu ở đầu vào của

từng hệ truyền động cơ sở.Sự thay đổi ( giá trị ) của các tín hiệu này đồng nghĩa
với sự chuyển trạng thái của hệ truyền động khí nén sang bước tiếp theo.Ranh giới
giữa các bước trên biểu đồ trạng thái làm việc được đánh dấu bằng các đường
thẳng đứng – phân cách các bước với nhau được gọi là các biên của các bước.Vậy
biên của các bước chính là thời điểm mà tại đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của hệ
dẫn động khí nén, ví dụ : bắt đầu chuyển động của cơ cấu chấp hành , chuyển vận
tốc của chúng sang vận tốc khác , bắt đầu quá trình hãm …
Nếu như ở đây có nhiều hệ truyền động cơ sở đồng thời cùng làm việc thì ta
quy ước coi bắt đầu chuyển động của các cơ cấu chấp hành của chúng là đồng bộ
thuận lợi hơn cho việc xét hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Một đặc điểm cơ bản của biểu đồ trạng thái làm việc của hệ thống truyền
động khí nén là sự thực hiện tuần tự các bước của một cơ cấu chấp hành khí nén
bất kỳ trong hệ truyền động : chúng chỉ có thể bắt đầu khi các chuyển dịch có thể
có của toàn bộ hệ truyền động đã kết thúc tại bước trước đó. Điều này trong các hệ
truyền động khí nén được kiểm soát bởi các phần tử điều khiển kiểu công tắc hành
trình.Nếu như điều này không được kiểm soát trong hệ thống nhất thiết phải có
thêm các điều kiện phụ đảm bảo chắc chắn rằng các dịch chuyển đó đã kết thúc ở


thời điểm bắt đầu một bước tiếp theo của hệ truyền động khí nén. Đây là điều kiện
cần thiết để đảm bảo loại trừ các sự cố kỹ thuật và tai nạn có thể xảy ra.
a1

1

2

3

4

A

B

a0
b1

b0
aA0 1

B1
a1

st

B0
a1
b1

A0
a1
b0

b0
Hình 5: biểbu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động tự động khí nén
0
Trên hình 5 là ví dụ về biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động khí
nén của một máy tự động.
Việc thực hiện hoá các biểu đồ trạng thái làm việc như trên gắn liền với việc

kiểm tra tại từng thời điểm xác định ( các bước ) các điều kiện bổ xung ta ký hiệu
là Pi (i= 1,2,3 ..)
Nếu điều kiện được thực hiện => Pi =1 , còn nếu điều kiện làm việc không
được thực hiện => Pi = 0.
Phân biệt hai trường hợp :
1.Các điều kiện logic được kiểm tra tại thời điểm đầu mỗi bước – ta gọi là
các điều kiện logic cho phép làm việc.Nếu điều kiện này được thực hiện -bước tiếp
theo sẽ diễn ra .Nếu điều kiện này không được thực hiện - hệ truyền động khí nén
sẽ giữ nguyên trạng thái mà nó có trước đó
2. Các điều kiện logic được kiểm tra tại các thời điểm trong mỗi bước – ta
gọi là các điều kiện khẳng định làm việc , nếu điều kiện này được thực hiện -hệ


truyền động giữ nguyên trạng thái có với các chuyển động của các cơ cấu chấp
hành tương ứng với hưóng được quy định trong bước đang xét trên biểu đồ trạng
thái làm việc, nếu điều kiện logic khẳng định không được thực hiện - chuyển động
tiếp tục của cơ cấu chấp hành bị cấm- nó hoặc là phải dừng lại tại chỗ hoặc là phải
quay trở lại vị trí có tại thời điểm bắt đầu của bước được xét hoặc sẽ diễn ra sự
thay đổi trạng thái của toàn bộ hệ truyền động khí nén và hệ truyền động khí nén
có thể bắt đầu làm việc theo biểu đồ trạng thái biến đổi mới khác với biểu đồ ban
đầu.
§4. Cấu trúc của hệ điều khiển các hệ truyền động-tự động khí nén làm việc
theo chu trình

A

A

Tõ c¶m biÕn
K§L K§L

P1

Pn x1

xm
TR

HÖ ®iÒu khiÓn l«gic
Z1

Zn

V10 V11

TR

Vs0 Vs1

a
P1

x1

Pn

xm

y1

ys

TR

HÖ ®iÒu khiÓn l«gic
U11

U10 Un1
TR
Z1

V10 V11

Un0

TR

Vs0 Vs1

TR
Zn

b

Hình 6: Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền dần điều khiển khí nén của máy
và dây chuyền tự động làm việc theo chu trình.
Hình 6a: Sơ đồ khối tổng quát.


Hình 6b: Sơ đồ khối hệ điều khiển rút gọn.
Hệ thống bao gồm (hình 6a) : các hệ truyền động khí nén cơ sở phần chính
của hệ điều khiển là khối điều khiển logic đa bước với các đầu vào là : P 1 , P2 , …

Pk ; X1, X2…Xm và các đầu ra : Z1, Z2,…Zn ; các bộ thiết bị giữ chậm và phần tử
như dạng Trigơ có các đầu vào riêng biệt : U 10, U11…Us1 và các đầu ra : Y1, Y2…
Ys - tổ hợp giá trị của các tín hiệu trong ( chúng sẽ xác định trạng thái trong của
khối điều khiển logic ) ; X1, X2 …Xm được đưa tới khối điều khiển logic từ các
cảm biến vị trí, còn các tín hiệu P1, P2…Pk từ các sở đồ kiểm tra đặc biệt - gọi là
các khối kiểm tra điều kiện logic.Tại đầu của một bước bất kỳ trong chu trình làm
việc, từng bộ phận công tác ( gắn với các hệ truyền động cơ sở ) sẽ đè lên công tắc
hành trình tương ứng.Nói cách khác vị trí của chúng được định bởi các công tắc
hành trình đó.
Các tín hiệu vào tương ứng (X 1, X2…Xm ) sẽ có những giá cụ thê xác
định.Tiếp theo trong quá trình chuyển động của một bộ phận công tác nào đó tới vị
trí xác định mới sẽ có ít nhất một công tắc hành trình được giải phóng ( không bị
đè ) tức là có giá trị không xác định.Các tín hiệu chính ở đầu vào của bộ phận điều
kiện logic do vậy cũng có giá trị không xác định tuy nhiên ở trạng thái này - bộ
phận công tác của hệ truyền động cơ sở vẫn phải tiếp tục giữ nguyên chuyển động
theo hưóng đã có cho đến tận cuối bước.Vì vậy khối điều khiển logic vẫn phải
đảm bảo các tín hiệu đầu ra với các giá trị không đổi đã có trước đó, tương ứng với
đầu bước chuyển động tức là tưong ứng với các giá trị xác định của các tín hiệu
chính ở đầu bước đây chính là một trong những yêu cầu xác định cấu trúc của hệ
điều khiển logic.
Sơ đồ của hệ điều khiển logic có tính chất đặc điểm vừa nêu của hệ truyền
dẫn khí nén được trình bày trên hình 6b.Trên sơ đồ ta thấy trước các kênh đầu ra (:
Z1, Z2,…Zn ) có bố trí các mạch điều khiển ( kiểu trigơ ) làm việc bởi các tín hiệu
từ khối điều khiển logic ( U11 , U10…Us1, Us0 )


Cách xây dựng hệ điều khiển như vậy cho phép giảm được số phần tử dùng
trong khối điều khiển logic chính, đơn giản hoá được các mô tả điều kiện làm việc
và tổng hợp hệ điều khiển chung.
§5.Tổng hợp hệ điều khiển các hệ truyền động- tự động khí nén theo biểu đồ

trạng thái làm việc
Theo điều kiện làm việc, các hệ điều khiển thường được chia làm hai nhóm:
-Đơn bước
-Đa bước
Các hệ đơn ước là các hệ mà trong đó tại bất cứ thời điểm nào tổ hợp giá trị
các tín hiệu đầu ra cũng được xác định đơn trị bằng tổ hợp các giá trị tín hiệu ở đầu
vào và hoàn toàn không phụ thuộc vào tổ hợp giá trị các tín hiệu đầu vào ở bước
trước đó.Tức là tín hiệu ra của các hệ đơn bước hoàn toàn được xác định bởi trạng
thái của các tín hiệu vào ở thời điểm xét. Đối với các hệ đa bước tổ hợp các tín
hiệu ra được xác định không chỉ bằng trạng thái đầu vào tại thời điểm xét mà còn
phụ thuộc vào cả tổ hợp giá trị các tín hiệu vào ở các bước trước đó.
Để tổng hợp hệ điều khiển đơn bước ta chỉ cần sử dụng các phần tử tự động
logic cơ bản, còn đối với các hệ đa bước ngoài ra chúng ta còn phải sử dụng cả các
loại phần tử nhớ phản hồi khác nhau nữa.
Trong các hệ điều khiển theo vị trí được kiểm soát bằng công tắc hành trình,
lệnh để thực hiện từng bước chuyển động chỉ được phát đi sau khi đã nhận được
tín hiệu của các cảm biến vị trí báo đã kết thúc bước chuyển động trước đó.
Hoạt động của các loại hệ vừa nêu có thể tả bằng biểu đồ trạng thái làm việc
và trên cơ sở đó có thể tiến hành tổng hợp sơ đồ nguyên lý điều khiển khí nén cho
toàn bộ hệ thống truyền động.
Việc tổng hợp các hệ điều khiển phụ thuộc vào loại phần tử tự động khí nén
được chọn vào kiểu van phân phối khí nén được dùng để điều khiển các hệ truyền
động . Trong trường hợp sử dụng các van phân phối điều khiển bằng khí nén một
phía cần phải tính đến rằng khi không có tín hiệu điều khiển van phân phối ở vị trí
làm việc ban đầu của mình.Bởi thế cùng một bài toán tổng hợp hệ điều khiển cho


một hệ truyền động với những yêu cầu và điều kiện làm việc cho trước ta thu được
một sơ đồ điều khiển logic nhưng lại có thể có nhiều sơ đồ nguyên lý khí nén khác
nhau cùng đáp ứng được các yêu cầu và điều kiện làm việc đã cho của hệ truyên

động - tự động khí nén.


CHƯƠNG ii
NGUYÊN Lý HOạT Động của các thiết bị khí nén cơ
bản và sự hiện thực hoá hệ thống điều khiển khí nén

Đ1. Cỏc phn t chp hnh
1. Xi lanh mt chiu:
a Ký hiu

b Mt ct nguyờn lý

c Nguyờn lý hot ng
Vi cỏc xi lanh khớ nộn mt chiu thỡ khớ nộn ch tỏc ng lờn b mt pittụng
theo mt phớa nht nh.Phớa cũn li c thụng vi khụng khớ bờn ngoi ( qua l
thụng khớ )
Xi lanh ch cú tỏc ng iu khin mt chiu nht nh.Chiu chuyn ng
ngc li ca pittụng c thc hin do lc n hi ca lũ xo bờn trong xi lanh
hoc do mt lc bờn ngoi tỏc ng.
Lc n hi ca lũ xo tỏc ng lm pittụng tr li v trớ ban u vi mt tc
tng i cao m khụng cn mt iu kin no.
Bỡnh thng khi khụng cú khớ nộn tỏc ng ( cng ni vi ngun khớ nộn b
khoỏ) thỡ lc n hi ca lũ xo s y pittụng v mt u ca hnh trỡnh v pittụng
s gi nguyờn u hnh trỡnh ú.


Khi có khí nén tác động ( cổng nối với nguồn khí nén thông ) thì do áp lực
của nguồn khí nén tác động lên bề mặt pittông sẽ thắng lực đàn hồi của lò xo làm
cho pittông bị đẩy ngược lại với hành trình ban đầu. Đến cuối hành trình pittông bị

giữ ở vị trí đó cho đến khi ta cắt nguồn khí ( lúc đó chỉ còn lại lực đàn hồi của lò
xo đang bị nén) lò xo sẽ đẩy pittông trở lại vị trí ban đầu . Hành trình sẽ lặp đi lặp
lại nếu ta liên tục đóng ngắt nguồn khí. Tuy nhiên hành trình của xi lanh 1 chiều bị
giới hạn bởi chiều dài tự nhiên của lò xo. Vì thế các xi lanh khí nén 1 chiều chỉ có
tác dụng trong chiều dài hành trình của nó tối đa là 80mm.
2. Xi lanh hai chiều
a Ký hiệu

b Mặt cắt nguyên lý

c Nguyên lý làm việc
Đối với xi lanh hai chiều thì cấu trúc cũng tương tự như xi lanh một chiều
nhưng nó không có lò xo mà nó lại có hai cổng khí . Hai cổng khí này thực hiện
chức năng như một cổng khí nguồn và một cổng khí xả . Hai cổng khí này có thể
điều khiển thay đổi chức năng cho nhau một cách dễ dàng , linh hoạt tức là ta có
thể điều khiển cả hai chiều chuyển động của pittông một cách dễ dàng . Đó chính
là ưu điểm của nó so với xi lanh một chiều .
Khi cổng khí phải được nối với nguồn khí , còn cổng khí trái thông với van
xả thì pittông sẽ chuyển dịch sang phía trái.


Muốn pittông chuyển dịch theo hướng ngược lại ( tức là từ trái sang phải )
ta chỉ việc đảo chức năng hai cổng khí cho nhau tức là ta điều khiển cho cổng khí
trái được thông với nguồn khí nén còn cổng khí phải thông với van xả.
Trong trường hợp cả hai cổng khí đều được thông với nguồn khí nén hoặc cả
hai cổng khí đều thông với van xả thì pittông đều không chuyển động được vì lực
tác dụng lên nó cân bằng nhau.

§2. Các phần tử điều khiển
1. Van điều khiển trực tiếp bằng khí

a. Kiểu 4/2
- Ký hiệu

4 2
14

12
1

3

- Mặt cắt nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động
Van 4/2 gồm có hai cổng khí ra 4 và 2 . Trong đó luôn có một cổng khí
thông với nguồn và một cổng khí thông với cổng xả.


Các cổng khí 12 và 14 thực hiện chức năng điều khiển trạng thái của các
cổng khí ra 4 và 2 .
Trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 quyết định bởi vị trí dừng của pittông
trong van.Nếu pittông dừng ở bên trái thì cổng 4 thông với cổng xả 3 , cổng khí 2
thông với nguồn khí 1.
Nếu pittông dừng ở bên phải thì cổng khí 4 thông với cổng khí nguồn 1 và
cổng khí 2 thông với cổng khí xả 3.
Trên hình mặt cắt nguyên lý là trường hợp pittông dừng bên trái.Dễ thấy
cổng khí 2 thông với cổng khí nguồn 1 cổng khí 4 thông với cổng khí xả 3.
Muốn đảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 cho nhau ta tác động
vào các cổng khí điều khiển như sau: ta cắt nguồn khí ở cổng 12 và đóng nguồn
khí cho cổng 14 . Khi đó áp lực của khí nén tác động lên bề mặt của pittông

( thắng lực ma sát ) sẽ đẩy pittông chạy sang bên phải . Khi pittông dừng ở bên
phải thì cổng khí 4 lúc này sẽ thông với cổng khí nguồn 1 và cổng 2 sẽ thông với
cổng xả 3.
Sau đó nếu ta cắt nguồn khí ở cổng 14 và đóng nguồn khí ở cổng 12 thì
pittông sẽ quay về vị trí ban đầu ( bên trái ) và trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2
sẽ phục hồi ( cổng 4 thông với cổng 3 , cổng 2 thông với cổng 1 )
Chú ý : nếu ta cắt hoặc đóng nguồn cho các cổng khí 14 và 12 cùng một lúc
thì trạng thái các cổng khí 4,2 không đổi
b. Van kiểu 5/2
- Ký hiệu


- Mặt cắt nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động
Van 5/2 có hai cổng khí ra 4 và 2 trong đó luôn có một cổng khí thông với
nguồn và một cổng thông với van xả đồng thời hai cổng khí này có thể đảo ngược
trạng thái cho nhau.
Cổng khí 1 đóng vai trò cổng khí nguồn còn cổng 3 và 5 là các cổng khí xả .
Trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 được điều khiển bằng các cổng khí 12
và 14 .
Vị trí của pittông bên trong van sẽ quyết định trạng thái của các cổng khí ra
4 và 2.Nếu pittông dừng bên trái như mặt cắt nguyên lý ta thấy cổng khí 4 thông
với cổng xả 5, cổng 2 thông với cổng khí nguồn 1.Nếu pittông dừng bên phải thì
khi đó cổng khí 4 thông với nguồn 1 và cổng khí 2 thông với cổng xả 3.
Muốn van chuyển từ trạng thái pittông ở bên trái sang trạng thái pittông ở
bên phải thì ta tác động vào các cổng khí điều khiển bằng cách cắt nguồn khí ở
cổng 12 và cấp nguồn khí cho cổng 14. Ngược lại muốn van chuyển từ trạng thái ở
pittông ở bên phải sang trạng thái mặt cắt 1 thì ta cắt nguồn ở cổng 14 và cấp
nguồn khí cho cổng 12.

Như vậy bằng tác động vào các cổng khí điều khiển ta dễ dàng thay đổi
trạng thái các cổng khí ra theo như mong muốn và van 5/2 thường được dùng để
điều khiển hoạt động của các xi lanh khí nén.


2. Van điều khiển trực tiếp bằng điện khí nén
a .Van 5/2 có một cuộn dây điều khiển (van tự phục hồi)
- Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý


- Nguyên lý hoạt động
Van có các cổng khí ra 4 và 2 , cổng khí nguồn 1 và các cổng khí xả 5,3.
Trong các cổng khí ra 4 ,2 thì luôn có một cổng khí nối với nguồn và một
cổng khí thông với nguồn xả.Cuộn dây bên trái van có tác dụng để điều khiển sự
đảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 .
Ta có thể mô tả hoạt động của van như sau:
- Ở vị trí ban đầu pittông của van dừng bên trái ( như trên mặt cắt 1 ) ta thấy
cổng khí 4 thông với cổng xả 5 , cổng 2 thông với nguồn 1.
- Nếu cuộn dây được cấp điện thì pittông sẽ chuyển dịch sang phải và dừng
ở bên phải , ở vị trí này cổng khí 2 sẽ thông với cổng khí xả 3 còn cổng khí 4 thông
với cổng khí nguồn 1 ( mặt cắt 2 ) .
- Nếu cuộn dây bị cắt điện thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy pittông quay trở
lại vị trí ban đầu ( như mặt cắt 1 )
- Cổng 84 là cổng thông khí trong quá trình pittông chuyển động thay đổi
trạng thái.
b. Van 5/2 cã hai cuén d©y ®iÒu khiÓn.
- Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý


- Nguyên lý hoạt động

Nhìn các mặt cắt ta dễ thấy có hai cuộn dây ở bên trái và bên phải của van.
Các cuộn dây này có chức năng điều khiển trạng thái ra của các cổng khí 4 và 2.
Hoạt động của van có thể tóm tắt như sau :
- Nếu pittông của van dừng ở phía bên trái như trên mặt cắt 1 thì cổng khí 4
thông với cổng xả 5 còn cổng khí 2 thông với cổng khí nguồn.
- Nếu cuộn dây phía bên trái được cấp điện thì pittông sẽ chuyển dịch sang
bên phải như trên mặt cắt 2.Lúc đó cổng khí 2 sẽ thông với cổng xả 3 còn cổng khí
4 thông với nguồn khí 1.
- Muốn van đang ở trạng thái như mặt cắt 2 trở về trạng thái ban đầu ( mặt
cắt 1 ) thì ta phải cắt điện ở cuộn dây bên trái đồng thời cấp điện cho cuộn dây bên
phải.


- Nếu hai cuộn dây đều không được cấp điện thì lực ma sát sẽ giữ pittông
đứng yên và trạng thái của van không thay đổi .Còn nếu hai cuộn dây được cấp
điện đồng thời thì van cũng không thay đổi trạng thái vì các lực tác dụng lên
pittông cân bằng nhau.
3. Van điều khiển lưu lượng
a. Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý

b. Nguyên lý hoạt động
Van tiết lưu mà ta xét là một loại van điều khiển lưu lượng khí nén khá
thông dụng vì nó có thể điều chỉnh lưu lượng khí nén phóng qua nó theo cả hai
chiều .
Cấu trúc của van cũng đơn giản như ta thấy trên mặt cắt.Muốn điều chỉnh
lưu lượng khí phóng qua ta phải tác động vào bộ phận điều chỉnh lưu lượng của


van . Van tiết lưu cũng có thể đặt ở trạng thái khoá ( không cho khí phóng qua ) tức
là ta có thể điều khiển lưu lượng khí phóng qua van từ giá trị max giảm dần đến

trạng thái khoá hoặc ngược lại.
Van tiết lưu thường được dùng để điều khiển tốc độ chuyển động của các xi
lanh khí nén.

4. Van một chiều
a. Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý

b Nguyên lý hoạt động
Van một chiều là thiết bị chỉ cho phép dòng khí nén phóng qua nó theo một
chiều nhất định và ngăn chặn dòng khí nén phóng qua nó theo chiều ngược lại.
Bình thường không có khí nén tác động lực đàn hồi của lò xo ép pittông bịt
kín van.
Khi có dòng khí phóng qua van theo chiều thuận áp lực khí nén đẩy pittông
về phía trước ( lực khí nén lớn hơn lực đàn hồi của lò xo ) . Kết quả làm cho van
mở thông và khí phóng qua dễ dàng ( xem mặt cắt nguyên lý ) Nếu dòng khí nén