Cơ sở tính toán
Thành phần hóa học của khí nén
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị khí nén dựa trên việc hút và nén không khí từ khí quyển vào máy nén Sau đó, áp suất khí nén từ máy nén sẽ được đưa vào hệ thống khí nén Không khí trong hệ thống này là một hỗn hợp bao gồm các thành phần chính.
Hình 1.1 Phần trăm các chất khí của không khí
Hơi nước và các loại khí khác: 1%
Ngoài hơi nước không khí còn có bụi, chính nhưng thành phần đó gây ra cho các thiết bị khí nén bị ăn mòn, sự gỉ,
Vì vậy phải có những biện pháp hay thiết bị để loại trừ hoặc giới hạn đến mức thấp nhất những thành phần đó trong hệ thống.
Đơn vị đo trong hệ thống
1.2.1 Định nghĩa các loại áp suất
- Áp suất khí quyển: là áp suất không khí tại mực nước biển đơn vị đo: 760mmhg = 1,013 bar
- Áp suất tương đối: là áp suất chất khí so với áp suất khí quyển (p=0)
- Áp suất tuyệt đối: là áp suất chất khí có kể đến áp suất khí quyển
(p,5 psi) ptuyệt đối = p tương đối + pkhí quyển
1.2.2 Các đơn vị đo áp suất không khí theo tiêu chuẩn iso
Phương trình trạng thái nhiệt động học
Định luật Boyle- Mariotte
Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình nhiệt tổng quát (1-1) ta có: pabs.V = hằng số (1-2)
V1(m 3 ) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p1
Tại thời điểm áp suất p2 (p1abs) bar, thể tích khí nén là V2, trong khi thể tích khí nén tại áp suất tuyệt đối p2abs là V1.
Theo phương trình 1-2 ta có:
Hình 1.2: Biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ thay đổi là đường cong parabol.
Định luật 1 Gay – Lussac
Khi áp suất không thay đổi (p = hằng số), theo phương trình 1-1 ta có:
T1: nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1 (K)
Hình 1.2: Sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ không đổi
Hình 1.3: Sự thay đổi thể tích khi áp suất là hằng số
T2: nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2 (K)
Hình 1.3: Biểu diễn sự thay đổi thể tích khi áp suất là hằng số Năng lương nén và năng lượng giãn nở không khí được tính theo phương trình:
Định luật 2 Gay – Lussac
Khi thể tích V thay đổi, theo phương trình
Biểu đồ 1.4 minh họa sự biến đổi áp suất trong điều kiện thể tích không đổi Khi thể tích V giữ nguyên, năng lượng nén và năng lượng giãn nở trở nên tương đương nhau.
- Phương trình trạng thái nhiệt khi cả 3 đại lượng áp suất, nhiệt độ và thể tích thay đổi
Theo phương trình (1-1) ta có: hay:
Khả năng ứng dụng của khí nén
3.1 Trong lĩnh vực điều khiển:
Hệ thống điều khiển khí nén đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực tiềm ẩn nguy hiểm như cháy nổ, thường được ứng dụng trong các thiết bị phun sơn, đồ gá, và kẹp chi tiết trong sản xuất điện tử Ngoài ra, nó còn được sử dụng rộng rãi trong dây chuyền rửa xe tự động, thiết bị vận chuyển, kiểm tra lò hơi, mạ điện, đóng gói bao bì và trong ngành công nghiệp hóa chất.
3.2 Trong hệ thống truyền động:
- Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: Máy khai thác đá, khai thác than, xây dựng hầm mỏ, đường hầm…
- Trong truyền động quay: Các động cơ quay với công suất lớn, mặc dù giá thành gấp
Động cơ khí nén có hiệu suất cao gấp 10 đến 15 lần so với động cơ điện cùng công suất, nhưng lại có thể tích và trọng lượng nhỏ hơn 30% Ví dụ, các dụng cụ như vít M4 đến M30, máy khoan với công suất khoảng 3,5 kW và máy mài khoảng 2,5 kW cho thấy tính ưu việt của động cơ khí nén Đặc biệt, những máy mài công suất nhỏ nhưng có tốc độ cao lên đến 100.000 vòng/phút rất phù hợp với việc sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén.
Truyền động thẳng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như đồ gá kẹp, máy đóng gói, máy gia công gỗ, thiết bị làm lạnh và hệ thống phanh ô tô.
Hình 1.4: Sự thay đổi áp suất khi thể tích là hằng số
- Trong các hệ thống đo và kiểm tra, trong các hệ thống vận chuyển xi măng, kiểm tra chất lượng sản phẩm
* Một số ứng dụng của khí nén:
Hình 1.6: Hệ thống lắp ráp ôtô Hình 1.7: Hệ thống điều khiển động
Hình 1.8: Dụng cụ cầm tay khoan tay
Ưu- nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
Không khí có khả năng chịu nén đàn hồi cao, cho phép tích trữ áp suất nén hiệu quả Điều này mở ra cơ hội ứng dụng để xây dựng các trạm chứa khí nén.
- Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít
- Đường dẫn khí ra (khí thải) không cần thiết
- Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén
- Hệ thống phòng ngừa quá tải áp suất giới hạn được đảm bảo
- Lực truyền tải trọng nhỏ
Khi tải trọng hệ thống thay đổi, vận tốc truyền cũng sẽ thay đổi do khả năng đàn hồi của khí rất lớn, dẫn đến việc không thể thực hiện các chuyển động quay đều.
- Khí thoát ra nhanh gây ra tiếng ồn
Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, việc kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ khí hoặc điện, điện tử trở nên phổ biến Điều này dẫn đến việc khó xác định chính xác ưu và nhược điểm của từng hệ thống điều khiển.
CÂU HỎI BÀI TẬP BÀI MỞ ĐẦU
1 Khí nén là gì? Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích gì? Hãy nêu một số ứng dụng của hệ thống điều khiển khí nén?
2 Nêu các định luật của khí nén?
3 Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển khí nén?
4 Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khí nén có bị lạc hậu không? Vì sao?
CUNG CẤP VÀ XỬ LÝ KHÍ NÉN
Máy nén khí
Máy nén khí phân ra làm 2 loại: (theo nguyên lý hoạt động)
Nguyên lý thay đổi thể tích:
Khi không khí được dẫn vào buồng chứa, thể tích của buồng này sẽ giảm, dẫn đến việc áp suất trong buồng tăng lên theo định luật Boyle – Mariotte.
Không khí được đưa vào buồng chứa, nơi áp suất khí nén được tạo ra nhờ động năng của bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động này cho phép tạo ra lưu lượng và công suất lớn.
1.1 Máy nén khí kiểu piston:
Trong doanh nghiệp, máy nén piston là thiết bị phổ biến cho việc nén khí và làm lạnh Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như bơm xe đạp, nổi bật với khả năng duy trì lưu lượng ổn định khi áp suất thay đổi Năng suất của máy nén piston tỷ lệ thuận với tốc độ hoạt động, mặc dù công suất của máy có thể thay đổi.
Hình 2.1: Mặt cắt của máy nén piston
Máy nén piston có nhiều cấu tạo khác nhau, trong đó bốn loại phổ biến nhất bao gồm: máy nén thẳng đứng, máy nén nằm ngang, máy nén nối tiếp và máy nén nằm ngang cân bằng - đối xứng.
- Máy nén piston trục đứng được sử dụng trong khoảng công suất từ 50 – 150 cfm (foot khối/ phút)
- Máy nén nằm ngang cân bằng đối xứng sử dụng trong khoảng công suất từ 200–
5000 cfm (foot khối/ phút) được sử dụng với nhiều cấp và lên tới 10.000cfm với các thiết kế một cấp
Máy nén khí piston là thiết bị nén khí hoạt động theo cơ chế tác động đơn khi chỉ sử dụng một phía của piston Ngược lại, nếu máy nén sử dụng cả hai phía của piston, nó được gọi là máy nén tác động kép.
- Máy nén một cấp là máy nén có quá trình thực hiện bằng một xylanh đơn hoặc một số xylanh song song
Hình 2.2 Máy nén khí kiểu piston
Không khí sau khi được lọc và nén tại máy nén khí nhờ vào các van trên đầu piston sẽ được đưa vào bình chứa Để đạt áp suất khoảng 15 bar, thường sử dụng máy nén khí kiểu piston 2 cấp hoặc nhiều cấp Tuy nhiên, do không khí phải trải qua nhiều lần nén, nên cần có bộ phận làm mát trung gian bằng nước hoặc không khí.
- Gây ra các hiện tượng dao động đáng kể như: tiếng ồn lớn
- Tạo ra khí nén theo xung và thường có dầu
* Một số máy nén khí kiểu pittông được sử dụng trong thực tế:
1.2 Máy nén khí kiểu cánh gạt:
1.2.1 Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt
Máy nén khí kiểu cánh gạt bao gồm các bộ phận chính như thân máy, mặt bích, mặt biwchs trục và rôto lắp trên trục Rôto được lắp lệch tâm so với bánh dẫn truyền động, khi quay, lực ly tâm khiến các bánh gạt di chuyển tự do trong rãnh trên rôto, tạo ra sự thay đổi thể tích giữa các bánh gạt, từ đó thực hiện quá trình hút và nén khí Để làm mát khí nén, thân máy có các rãnh dẫn nước vào, trong khi bánh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy, giúp giảm thiểu sự hao mòn khi các cánh tiếp xúc với nhau.
Hình 2.3: Máy nén piston công nghiệp Hình 2.4: Máy nén piston áp suất thấp
Hình 2.5: Máy nén piston bơm dầu Hình 2.6: Máy nén khí xylanh đơn
1.2.2 Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh gạt:
Không khí được nén vào buồng hút nhờ sự chênh lệch giữa rotor và stator Khi rotor quay, không khí sẽ được hút vào buồng nén và sau đó được đẩy vào buồng đẩy dưới dạng khí nén.
- Không dao động do đó êm hơn máy nén khí kiểu piston
- Lưu lượng và hằng số khí không bị xung
- Hiệu suất nhiệt động học kém hơn kiểu piston
- Khí nén thông thường bị nhiễm dầu
Hình 2.7: Mặt cắt của máy nén khí kiểu cánh gạt
Hình 2.7: Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh gạt
* Một số máy nén khí kiểu cánh gạt được sử dụng trong thực tế:
1.3 Máy nén khí kiểu trục vít:
1.3.1 Cấu tạo máy nén kiểu trục vít
Máy nén khí trục vít, ra đời vào khoảng năm 1950, đã trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp nén khí Loại máy này có thiết kế đặc biệt với vỏ bọc quanh hai trục vít, bao gồm một trục lồi và một trục lõm, giúp tối ưu hóa hiệu suất nén khí.
Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích, bao gồm hai trục: trục chính và trục phụ Hai trục vít này có các răng ăn khớp với nhau, trong đó số răng của trục vít lồi ít hơn số răng của trục vít lõm từ 1 đến 2 răng Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, hai trục vít cần quay đồng bộ.
Hình 2.9: Máy nén khí kiểu trục vít
Hai rotor có trục song song, với một rotor có 4 răng và rotor còn lại có 6 rãnh, hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích Khi trục vít quay một vòng, thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi, tạo ra quá trình hút khi thể tích tăng lên, quá trình nén khi thể tích giảm, và cuối cùng là quá trình đẩy.
- Không khí sạch và không bị xung
- Rất tin cậy: tuổi thọ của máy cao ( 15.10 3 đến 40.10 3 h)
Hình 2.8: Máy nén khí kiểu cánh gạt
- Không sinh ra dao động
- Tỷ số nén bị hạn chế bởi tầng
* Một số máy nén khí kiểu trục vít được sử dụng trong thực tế:
1.4 Máy nén khí kiểu Root:
Máy nén khí kiểu root gồm có 2 hoặc 3 cánh quạt (Pittông có dạng hình số 8)
Hình 2.11: Máy nén khí kiểu root
Các piston trong máy được quay đồng bộ thông qua bộ truyền động bên ngoài, và trong quá trình quay, chúng không tiếp xúc với nhau Do đó, khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa hai piston và khe hở giữa phần quay và thân máy.
- Khí nén tạo ra không bị xung và ít bị nhiễm dầu
- Ít tạo ra dao động
- Có độ mòn giữa các răng và xy lanh
Hình 2.10: Máy nén khí kiểu trục vít lưu động
1.5 Máy nén khí kiểu Turbin:
1.5.1 Cấu tạo của máy nén khí kiểu ly tâm:
Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để nén khí, tăng tốc độ khí tại rìa bánh đẩy Bộ phận khuếch tán chuyển đổi năng lượng tốc độ thành áp suất, giúp máy hoạt động hiệu quả Loại máy này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp nặng và môi trường làm việc liên tục, thường lắp cố định với công suất từ hàng trăm đến hàng ngàn mã lực Khi kết hợp nhiều máy nén khí ly tâm, áp lực đầu ra có thể được tăng cường đáng kể.
Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng máy nén khí ly tâm, có thể hoạt động bằng động cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin Máy nén này thường được áp dụng trong động cơ tua-bin gas nhỏ hoặc như là tầng nén khí cuối cùng của động cơ tua-bin gas cỡ trung bình.
Hình 2.12: Máy nén khí kiểu Turbin
Máy nén khí dòng liên tục có lưu lượng lớn, bao gồm hai loại là dọc trục và hướng tâm Tốc độ dòng chảy khí rất cao và có thể được tăng cường bằng cách tăng số lượng cánh Turbin.
- Khí nén có lưu lượng tốt
- Các răng trên stator di động cho phép chỉnh được lưu lượng
- Tuổi thọ cao ít đòi hỏi bảo trì
- Làm việc với tốc độ cao nên rất nhạy với ăn mòn
Thiết bị xử lý khí nén
2.1 Yêu cầu về khí nén:
Khí nén từ máy nén khí thường chứa nhiều chất bẩn với mức độ khác nhau, bao gồm bụi, độ ẩm không khí và cặn bã từ chất bôi trơn Trong quá trình nén, nhiệt độ khí nén tăng lên, có thể dẫn đến ôxy hóa các thành phần này Do đó, khí nén mang theo những chất bẩn này khi di chuyển qua ống dẫn, gây ra hiện tượng ăn mòn và rỉ sét trong hệ thống ống dẫn và các phần tử điều khiển.
Khí nén trong kỹ thuật cần phải được xử lý để đảm bảo hiệu quả sử dụng Mức độ xử lý khí nén phụ thuộc vào phương pháp xử lý và phạm vi ứng dụng của nó.
2.2 Phương pháp xử lý khí nén:
Hình 2.13: Các giai đoạn xử lý khí nén
2.2.1 Bình ngưng tụ- làm lạnh bằng không khí (bằng nước):
Khí nén sau khi rời khỏi máy nén sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ, nơi áp suất khí nén được làm lạnh Tại đây, phần lớn hơi nước có trong không khí sẽ được ngưng tụ và tách ra.
Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được
22 trong khoảng từ 30 0 C đến 35 0 C Làm lạnh bằng nước (nước làm lạnh có nhiệt độ10 0 C) thì nhiệt độ trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là 20 0 C
Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước
2.2.2 Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh:
Phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý khí nén đi qua bộ trao đổi nhiệt khí-khí Tại bộ phận này, dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bởi dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ ngưng tụ.
Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén sẽ được đưa vào bộ phận trao đổi nhiệt khí-chất làm lạnh Quá trình làm lạnh diễn ra khi dòng khí nén chuyển động đảo chiều trong các ống dẫn, với nhiệt độ hóa sương ở mức 20°C Do đó, lượng hơi nước trong dòng khí nén sẽ được ngưng tụ hiệu quả.
Sau khi tách dầu, nước và chất bẩn khỏi dòng khí nén, chúng sẽ được xả ra ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động Dòng khí nén sạch và lạnh sau đó được chuyển đến bộ phận trao đổi nhiệt để nâng nhiệt độ lên khoảng 60°C đến 80°C trước khi đưa vào sử dụng.
Chu kỳ hoạt động của chất làm lạnh bắt đầu từ máy nén, nơi chất làm lạnh được nén và nhiệt độ tăng lên Sau đó, bình ngưng tụ làm nhiệm vụ làm nguội chất làm lạnh thông qua quạt gió Van điều chỉnh lưu lượng và rơle nhiệt độ có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh dòng lưu lượng chất làm lạnh, đảm bảo hoạt động hiệu quả trong các chế độ tải, không tải và hơi quá nhiệt.
2 – Hệ thống ống dẫn nước lạnh
3 – Nước làm lạnh được dẫn vào
4 – Khí nén sau khi được làm lạnh
5 – Tách nước chứa trong khí nén
6 – Nước làm lạnh đi ra
7 – Khí nén được dẫn vào từ máy nén khí
Hình 2.15 Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh
2.2.3 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ
Sấy khô bằng chất hấp thụ có thể là quá trình vật lý hay quá trình hóa học
Quá trình vật lý của chất sấy khô, hay còn gọi là chất háo nước, diễn ra khi nó hấp thụ hơi nước từ không khí ẩm Thiết bị sấy khô bao gồm hai bình: bình thứ nhất chứa chất sấy khô để hút ẩm, trong khi bình thứ hai tái tạo khả năng hấp thụ của chất này Silicagen SiO2 là một loại chất sấy khô thường được sử dụng, với nhiệt độ điểm sương đạt -50 độ C và khả năng tái tạo ở nhiệt độ từ 120 đến 180 độ C.
Hình 2.16 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ
Nguyên lý hấp thụ bằng quá trình vật lý:
Quá trình hóa học: Thiết bị gồm 1 bình chứa chất hấp thụ (thường dùng là NaCl)
Không khí ẩm đi vào qua cửa (1) và tiếp xúc với chất hấp thụ (2), từ đó hơi nước trong không khí kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nước lắng xuống đáy bình Nước ngưng tụ sẽ được dẫn ra ngoài qua van (5), trong khi không khí khô sẽ được đưa vào hệ thống qua cửa (4).
1 – Bộ phận trao đổi nhiệt khí – khí
2 – Bộ phận trao đổi nhiệt khí – chất làm lạnh
4 – Van thoát nước ngung tụ tự động
5 – Máy nén của bộ phận làm lạnh
7 – Rơ le điều chỉnh nhiệt độ
8 – Van điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnh
Hình 2.17 Nguyên lý hấp thụ bằng phản ứng hóa học
2.3 Bộ lọc (cụm bảo dưỡng):
Van lọc có nhiệm vụ tách các thành phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén Có
- Chuyển động xoáy của dòng áp suất khí nén trong van lọc
- Phần tử lọc xốp làm bằng các chất như: vảy dây kim loại, giấy thấm ướt, kim loại thiêu kết hay là vật liệu tổng hợp
2.3.2 Van điều chỉnh áp suất:
Hình 2.19 Van điều chỉnh áp suất
Van điều chỉnh áp suất giúp duy trì áp suất ổn định, bất chấp sự biến động của tải trọng ở phía đầu ra hoặc sự dao động áp suất ở phía đầu vào.
2.3.3 Van tra dầu: Để giảm ma sát, sự ăn mòn và sự gỉ của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén, trong thiết bị lọc có thêm van tra dầu.( Nguyên tắc tra dầu thực hiện theo nguyên lý tra dầu Venturi)
CÂU HỎI BÀI TẬP BÀI 1
1 Máy nén khí hoạt động chủ yếu theo nguyên lý nào?
2 Hãy kể tên một số máy nén khí đã học, trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động Ưu nhược điểm của từng loại?
3 Tại sao khí nén cho ra từ máy nén khí lại không đêm sử dụng trực tiếp được mà phải qua quá trình xử lý?
CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN
Kiến thức lý thuyết
Một hệ thống điều khiển thông thường bao gồm các phần tử sau:
- Nguồn: đây là nguồn khí nén với áp suất làm việc ( 6- 8 bar)
Phần tử đưa tín hiệu vào là thành phần đầu tiên trong mạch, có nhiệm vụ nhận giá trị của tín hiệu vào Những thiết bị này bao gồm nút nhấn, công tắc hành trình và cảm biến, đóng vai trò quan trọng trong việc khởi động quá trình điều khiển.
Phần tử xử lý tín hiệu đảm nhận vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu đầu vào theo các quy tắc logic nhất định, từ đó làm thay đổi trạng thái của các phần tử điều khiển như van tiết lưu, van logic AND hoặc OR.
- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu, thay đổi trang thái của cơ cấu chấp hành như: Van đảo chiều, ly hợp
- Cơ cấu chấp hành: làm thay đổi trang thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra của mạch điều khiển như; xy lanh, động cơ
- Xy lanh tác động một phía phục hồi bằng lò xo (xy lanh tác động đơn phục hồi bằng lò xo)
Hình 3.1 Cấu tạo và ký hiệu của xy lanh tác động đơn phục hồi bằng lò xo
- Xy lanh tác động 2 phía, piston có một trục
Hình 3 2 Cấu tạo và ký hiệu Xy lanh tác động 2 phía, piston có một trục
2.2 Động cơ khí nén: Động cơ quay một chiều Động cơ quay hai chiều
Hình 3 3 Động cơ khí nén
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng – mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng của dòng năng lượng
Hình 3 4 Ký hiệu van đảo chiều 2/2
- Chỉ số đầu chỉ số cổng
- Chỉ số thứ 2 chỉ số vị trí (số ô vuông)
Sự chuyển đổi nòng van được thể hiện qua các ô vuông liên tiếp, cho thấy dòng năng lượng di chuyển theo hướng mũi tên và sẽ bị ngăn chặn khi gặp ký hiệu chữ T.
3.1 Van đảo chiều không duy trì 3/2:
Hình 3 5 Cấu tạo và ký hiệu Van đảo chiều không duy trì 3/2
3.2 Van đảo chiều duy trì 5/2:
Hình 3 6 Cấu tạo và ký hiệu Van đảo chiều duy trì 5/2
- Nút nhấn 3/2 thường đóng không duy trì:
Hình 3 7 Ký hiệu nút nhấn 3/2 thường đóng không duy trì
- Nút nhấn 3/2 thường mở không duy trì :
Hình 3 8.Ký hiêu nút nhấn 3/2 thường mở không duy trì
Nút nhấn 5/2 không duy trì
Hình 3 9 Ký hiệu Nút nhấn 5/2 không duy trì
- Nút nhấn 5/2 duy trì.( công tắc )
Hình 3 10 Ký hiệu nút nhấn 5/2 duy trì
- Công tắc hành trình tác động hai chiều:
Hình 3 11 Công tắc hành trình tác động hai chiều
Hình 3 12 Ký hiệu công tắc hành trình tác động hai chiều thường đóng
Hình 3 13 Ký hiệu công tắc hành trình tác động hai chiều thường mở
- Công tắc hành trình tác động một chiều
Hình 3 14 Công tắc hành trình tác động một chiều
Hình 3 15 Ký hiệu công tắc hành trình tác động một chiều thường đóng
Hình 3 16 Ký hiệu công tắc hành trình tác động một chiều thường mở
Hình 3 17 Cấu tạo và ký hiệu van tiết lưu 2 chiều
Hình 3 18 Cấu tạo và ký hiệu van tiết lưu 1 chiều
Van tiếc lưu có chức năng điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, ảnh hưởng đến vận tốc hoặc thời gian hoạt động của cơ cấu chấp hành Nguyên lý hoạt động của van này dựa vào việc thay đổi tiết diện, từ đó tác động đến lưu lượng dòng chảy qua van.
7.1 Van OR (van con thoi):
Hình 3 19 Cấu tạo và ký hiệu Van OR (van con thoi)
Van này có hai cổng vào E1 và E2, cùng một cổng ra A Khi cổng E1 hoạt động, cổng E2 sẽ đóng lại do dòng khí nén đẩy viên bi hoặc màng chắn Khí nén từ E1 sẽ được dẫn đến cổng A và sau đó đến các cơ cấu điều khiển Ngược lại, khi cổng E2 hoạt động, cổng E1 sẽ đóng lại và khí nén sẽ từ E2 chảy đến cổng A rồi đến các cơ cấu điều khiển.
Van này dùng để điều khiển các tín hiệu từ các vị trí khác nhau
7.2 Van AND (van 2 áp lực)
Hình 3.20 Cấu tạo và ký hiệu Van AND (van 2 áp lực)
Van này có hai cổng vào E1 và E2, cùng với một cổng ra A Để khí nén được phát ra từ cổng A, cần phải tác động đồng thời vào cả hai cổng E1 và E2 Nếu áp suất tại hai cổng khác nhau, dòng khí nén sẽ chảy từ cổng có áp suất thấp hơn, trong khi cổng có áp suất cao hơn sẽ bị khóa lại Van này được sử dụng để điều khiển tín hiệu, đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.
2.8 Van trì hoãn thời gian:
2.8.1 Van trì hoãn thời gian thường đóng:
Hình 3 21 Cấu tạo và ký hiệu Van hoãn thời gian thường đóng
Van này bao gồm van 3/2 kết nối với bình chứa khí và van tiết lưu một chiều, với thời gian trì hoãn được cài đặt từ 0 đến 30 giây Bình chứa khí giúp tăng thời gian trì hoãn Khi dòng khí nén đi vào van tiết lưu một chiều và bình chứa khí, áp suất đạt mức điều chỉnh sẽ tác động vào van 3/2, mở cổng 1 với cổng 2 và cho phép khí vào xy lanh điều khiển Kết quả là cổng 2 và cổng 3 sẽ bị ngắt sau thời gian trì hoãn đã cài đặt.
2.8.2 Van trì hoãn thời gian thường mở:
Van 3/2 thường mở hoạt động tương tự như van trì hoãn thời gian 3/2 thường đóng, với sự khác biệt là dòng khí nén đi qua van tiết lưu vào bình chứa khí Khi đạt được áp suất điều chỉnh, khí nén sẽ tác động vào van 3/2, làm cho cổng 2 và cổng 3 thông nhau, cho phép khí thoát ra ngoài Kết quả là sau một khoảng thời gian trì hoãn, cổng 1 và cổng 2 sẽ bị ngắt kết nối.
Hình 3 22 Ký hiệu Van trì hoãn thời gian thường mở
Van an toàn có nhiệm vụ giữ cho áp suất lớn nhất mà hệ thống có thể tải
Khi áp suất vượt quá mức cho phép của hệ thống, dòng khí nén sẽ vượt qua lực lò xo, dẫn đến việc khí nén thoát ra ngoài qua cửa R.
Hình 3 23 Cấu tạo van an toàn
- Ký hiệu van an toàn:
Hình 3 24 Ký hiệu van an toàn
Van tràn hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như van an toàn, nhưng điểm khác biệt là khi áp suất tại cửa P đạt đến giá trị xác định, cửa P sẽ kết nối với cửa A và hệ thống điều khiển.
Hình 3 25 Ký hiệu van tràn
9.3 Van điều chỉnh áp suất:
Van điều chỉnh áp suất có chức năng duy trì áp suất ổn định, ngay cả khi có sự thay đổi đột ngột của tải trọng ở đầu ra hoặc sự biến động áp suất ở đầu vào.
Nguyên lý làm việc: khi điều chỉnh trục vít, tức là điều chỉnh vị trí của đĩa van
Khi áp suất đầu ra tăng so với mức đã được điều chỉnh, khí nén sẽ tác động lên màng qua lỗ thông, dẫn đến sự thay đổi vị trí của kim van và khí nén sẽ được xả ra ngoài Khi áp suất đầu ra giảm xuống bằng mức điều chỉnh, kim van sẽ trở lại vị trí ban đầu.
Hình 3 26 Ký hiệu van điều chỉnh áp suất
Hình 3 27 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh áp suât
Rơle áp suất có nhiệm vụ đóng mở công tắc điện, khi áp suất trong hệ thống vượt quá mức yêu cầu
Trong hệ thống điều khiển điện-khí nén, rơ le áp suất đóng vai trò là phần tử chuyển đổi tín hiệu giữa điện và khí nén Công tắc điện sẽ mở hoặc đóng tương ứng với các mức áp suất khác nhau, và mức áp suất này có thể được điều chỉnh thông qua vít điều chỉnh.
Hình 3 28 Cấu tạo và ký hiệu của Rơ le áp suất
Hình 3 29 Cấu tạo và ký hiệu của van xả nhanh
Van này có 2 cổng vào 1, 2 và 1 cổng xả 3, cho phép khí nén đi vào cổng 1 để đẩy viên bi hoặc màng ngăn đóng cổng 3 Khi đó, dòng khí nén qua cổng 2 tác động đến xy lanh, đẩy piston duỗi ra Khi piston thụt vào, áp lực khí nén sẽ đóng cổng 1 bằng cách đẩy viên bi, khiến cổng 2 và 3 thông nhau, cho phép khí thoát ra ngoài Van này được thiết kế để xả lượng khí lớn ra ngoài nhanh chóng, giúp tăng tốc độ thụt vào của piston.
Van chân không là một thiết bị quan trọng giúp hút và giữ các chi tiết bằng lực chân không Lực chân không này được tạo ra thông qua bơm chân không hoặc nguyên lý ống venturi.
Hình 3 30 Cấu tạo và ký hiệu của van chân không
Ta có lực hút chân không:
Giới thiệu van chân không:
Thực hành
Hình 3 36 Sơ đồ mạch khí nén dùng công tắc điều khiển trực tiếp xy lanh
- Nguyên lý hoạt động: Cấp nguồn cho mạch
+ Khi chưa nhấn nút nhấn, khí nén tại cổng 1 bị chặn lại
+ Khi nhấn nút nhấn PE, nòng van dịch chuyển từ trái sang phải 1 ô, khí nén đi từ cổng
1 sang cổng 2 qua van tiết lưu 1 chiều piston duỗi ra chậm, cổng3 bị chặn
Khi công tắc PE được mở, lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy nòng van trở về vị trí ban đầu, chặn nguồn khí Kết quả là khí từ piston sẽ thoát ra từ vị trí 2 đến 3, khiến piston tự động thụt vào.
1.2 Thiết bị: Các phần tử khí nén
1.3 Vật tư: Ống dẫn khí
1.4 Dụng cụ: Kéo cắt ống dẫn khí
2.1 Lựa chọn các phần tử khí nén:
- Xy lanh tác động đơn: 1 cái
- Công tắc khí nén 3/2 thường đóng: 1 cái
- Van tiết lưu 1 chiều: 1 cái
2.2 Bố trí các phần tử:
Bố trí các phần tử trên bảng mạch phải chắc chắn, gọn đẹp đồng thời dễ đấu mạch và sửa chữa
- Nối ống dẫn khí từ xy lanh đến van tiết lưu
- Từ van tiết lưu nối ống dẫn khí đến cổng 2 của nút nhấn
- Nối ống dẫn khí từ nguồn đến cổng 1 của van
* Chú ý: phải được cắm sâu trong các đầu nối để đảm bảo khí nén từ đầu nối đi qua ống
- Kiểm tra nguồn khí nén có cấp đúng cổng 1 hay không
- Kiểm tra dây nối phải cấp đúng từ cổng 2 của van đến xy lanh
- Kiểm tra áp suất khí nén phải đúng áp suất yêu cầu
- Mở nguồn cấp khí cho mạch
- Bậc công tắc cho mạch vận hành
CÂU HỎI BÀI TẬP BÀI 2
1 Một hệ thống điều khiển khí nén gồm có những phần tử nào?
2 Cho biết chức năng, nhiệm vụ các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén?
3 Vẽ và trình bày nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 3/2, 5/2 và các tín hiệu tác động?
4 Có mấy loại van tiết lưu, van trì hoãn thời gian? Hãy vẽ kí hiệu và trình bày nguyên lý hoạt động của chúng?
THIẾT KẾ MẠCH KHÍ NÉN
Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển
Hình 4.1: Ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái
1.1.2 Thiết kế biểu đồ trạng thái:
- 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 dứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, góc quay, áp suât…)
- Trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc là thời gian hành trình
Hành trình làm việc được phân chia thành nhiều bước, trong đó sự thay đổi trạng thái giữa các bước được thể hiện bằng nét đậm Các tín hiệu liên kết được minh họa bằng đường nét nhỏ, trong khi chiều tác động được biểu diễn qua các mũi tên.
Ví dụ 1: Thiết kế biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển sau:
Xy lanh tác dụng 2 chiều A sẽ duỗi ra khi tác động vào nút ấn 1.2 hoặc 1.4 Muốn xylanh thụt về thì phải tác động đồng thời nút ấn 1.6 và 1.8
Biểu đồ trạng thái của xylanh A được biểu diễn trên hình 4.2
- Nút ấn 1.2 và nút ấn 1.4 là liên kết OR
- Nút ấn 1.6 và 1.8 là liên kết AND
- Xy lanh duỗi ra ký hiệu dấu “+”, xylanh lùi vào ký hiệu “- “
Hình 4.2: Biểu đồ trạng thái của xylanh A
Hình 4 3 Sơ đồ mạch khí nén của quy trình điều khiển xy lanh A
Sơ đồ chức năng là một công cụ quan trọng bao gồm các bước thực hiện và các lệnh cần thiết Mỗi bước thực hiện được đánh số thứ tự rõ ràng, trong khi các lệnh được trình bày với tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt tương ứng.
Ký hiệu bước thực hiện được minh họa trong hình 4.4, trong đó tín hiệu ra a1 điều khiển các lệnh như van đảo chiều và xylanh động cơ Tín hiệu này được thể hiện bằng những đường thẳng nằm bên phải và phía dưới ký hiệu các bước thực hiện.
Hình 4.4: Ký hiệu các bước và các lệnh thực hiện sơ đồ chức năng
Tín hiệu vào được thể hiện qua các đường thẳng nằm ở phía trên và bên trái của ký hiệu bước thực hiện Bước thực hiện thứ n chỉ có hiệu lực khi lệnh của bước thực hiện thứ (n-1) trước đó đã hoàn thành và đạt được vị trí ngắt Bước n sẽ bị xóa khi các bước thực hiện tiếp theo trở nên có hiệu lực.
Hình 4.5: Ký hiệu bước thực hiện
Ký hiệu lệnh thực hiện bao gồm ba phần chính: tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt lệnh Tín hiệu ra của lệnh có thể không cần phải được biểu diễn trong ô vuông bên phải của ký hiệu.
Tín hiệu ra A1 sẽ điều khiển van đảo chiều V1 thông qua lệnh SH (lệnh nhớ), áp dụng khi dòng năng lượng trong hệ thống bị mất Đồng thời, tín hiệu từ A1 cũng sẽ điều khiển pittong duỗi ra bằng lệnh NS (lệnh không nhớ).
1.2.2 Ví dụ thiết kế sơ đồ chức năng:
Nguyên lý hoạt động của máy khoan bắt đầu khi chi tiết được kẹp chặt (xylanh 1.0 duỗi ra) Sau đó, đầu khoan (xylanh 2.0) sẽ di chuyển xuống và tiến hành khoan chi tiết Khi quá trình khoan hoàn tất, đầu khoan sẽ tự động thụt trở lại.
Hình 4.6: Ký hiệu lệnh thực hiện
Hình 4.7: Nguyên lý làm việc của máy khoan
48 về thì chi tiết được tháo ra(xylanh 1.0 thụt về)
Hình 4.8 Sơ đồ mạch khí nén của máy khoan
Sơ đồ chức năng được thiết kế:
Lệnh thực hiện đầu tiên sẽ tác động trực tiếp lên cơ cấu chấp hành, cụ thể là xylanh 1.0 duỗi ra Sau khi lệnh này hoàn thành, vị trí ngắt lệnh thực hiện thứ nhất sẽ là công tắc hành trình S2, từ đó bước thực hiện thứ hai mới có hiệu lực Theo quy trình, lệnh thứ nhất cần được ghi nhớ để đảm bảo sự chính xác trong các bước tiếp theo.
Hình 4.9: Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra của lệnh trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành
Lệnh thực hiện đầu tiên sẽ gửi tín hiệu đến van đảo chiều, khiến xylanh 1.0 duỗi ra Tín hiệu từ van đảo chiều sẽ tác động lên cơ cấu chấp hành, cụ thể là xylanh 1.0 Sau khi quá trình này hoàn tất, công tắc hành trình S sẽ ngắt lệnh thứ nhất, cho phép bước thứ hai bắt đầu có hiệu lực.
Hình 4.10: Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra của ký hiệu lệnh trực tiếp tác động lên van đảo chiều
Lệnh thao tác bằng tay
Ghi chú Hình 4.11: Ký hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình
- Lưu đồ tiến trình biểu diễn phương pháp giải của một quá trình điều khiển
- Lưu đồ tiến trình không biểu diễn những thông số và phần tử điều khiển
Lưu đồ tiến trình giúp xác định hướng tổng quát của quá trình điều khiển, đồng thời đóng vai trò là công cụ thông tin quan trọng giữa người sản xuất phần tử điều khiển và kỹ thuật viên sử dụng.
1.3.2 Ví dụ thiết kế lưu đồ tiến trình:
* Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển được thực hiện như sau:
- Bước 1: Khi pittong ở vị trí ban đầu (E1 = 1; E2 = 0), nút ấn khởi động E0 tác động, pittong duỗi ra (Z1 +)
- Bước 2: Khi pittong duỗi ra cuối hành trình, chạm vào công tắc hành trình E2, pittong sẽ thụt về
- Bước 3: Tại vị trí ban đầu, pittong chạm vào công tắc hành trình E1, quá trình điều khiển kết thúc
Hình 4.12: Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Hình 4.13: Lưu đồ tiến trình
Các phương pháp điều khiển
- Điều khiển tùy động theo thời gian
- Điều khiển tùy động theo hành trình
Giáo trình không đề cập đến phương pháp điều khiển tùy động theo hành trình và theo nhịp, vì hai phương pháp này ít được áp dụng hơn so với phương pháp điều khiển theo tầng.
2.1 Điều khiển bằng tay Điều khiển bằng tay được ứng dụng phần lớn ở những mạch điều khiển bằng khí nén đơn giản như gá kẹp chi tiết, khoan…
2.1.1 Điều khiển trực tiếp: Điều khiển trực tiếp có đặc điểm là chức năng đưa tín hiệu do một phần tử đảm nhận hoặc hai phần tử riêng biệt
Ví dụ 1: mạch điều khiển trực tiếp sử dụng một phần tử
Hình 4.14: Mach điều khiển trực tiếp sử dụng một phần tử điều khiển
Ví dụ 2: Mạch điều khiển trực tiếp sử dụng hai phần tử
Hình 4.15: Mạch điều khiển trực tiếp sử dụng hai phần tử
- Pittong duỗi ra và thụt về được điều khiển bằng phần tử nhớ 1.3(Hình vẽ 4.16)
Hình 4.16: Mạch điều khiển gián tiếp sử dụng hai phần tử
Hình 4.17: Mạch điều khiển gián tiếp xylanh tác động 2 chiều
2.2 Điều khiển tùy động theo thời gian
- Điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tự động (Hình 4.19)
54 Hình 4.18: Điều khiển tùy động theo thời gian
Hình 4.19: Sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tự động
- Điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu một chiều (Hình 4.20)
Khi nhấn nút 1.1, tốc độ duỗi ra của xylanh 1.0 bị ảnh hưởng bởi độ mở của van tiết lưu Khi thả nút, tốc độ thụt vào của xylanh sẽ tăng lên do khí nén thoát qua hai đường van tiết lưu và van một chiều.
Hình 4.20: Điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu
- Điều khiển vận tốc bằng van thoát khí nhanh (Hình 4.21)
Khi nhấn nút 1.1, vận tốc di chuyển ra của xylanh 1.0 sẽ giảm Ngược lại, khi nhả nút, vận tốc di chuyển vào của xylanh sẽ tăng do khí nén thoát ra nhanh chóng qua van xả khí.
2.3 Điều khiển theo tầng: Đặc điểm:
Phương pháp thiết kế theo tầng trong hệ thống khí nén được phân chia thành nhiều nhóm nhỏ để tránh tín hiệu đối lập Trong mỗi thời điểm, chỉ có một nhóm hoạt động, và thứ tự hoạt động của hệ thống khí nén phụ thuộc vào sơ đồ mạch thiết kế.
Các bước thiết kế mạch điều khiển theo tầng trên mạch khí nén
1 Bước: Vẽ sơ đồ bước dịch chuyển hoạt động theo tuần tự các piston trong các xy lanh
Hình 4.21: Điều khiển vận tốc bằng van thoát khí nhanh
2 Bước 2: Chia tầng sao cho không xuất hiện hai kí tự giống nhau trong cùng một tầng
3 Bước 3: Vẽ sơ đồ tác động (hoạt động) tuần tự đến các van điều khiển, các cảm biến hay công tắc hành trình thể hiện bằng dấu mũi tên
4 Bước 4: Vẽ các sơ đồ dẫn động, các van điều khiển và các công tắc hành trình (mạch động lực)
5 Bước 5: Hoàn thành sơ đồ mạch điều khiển theo tầng cho từng tầng (mạch điều khiển)
Ví dụ 1: Hoàn thành sơ đồ mạch khí nén điều khiển hoạt động hai xy lanh A, B theo tuần tự: A + B + B – A –
Bước 1: Sơ đồ hành trình bước hoạt động của hai xy lanh A và B:
A : Chỉ sự hoạt động của piston A
B : Chỉ sự hoạt động của piston B
Số 1: Chỉ vị trí piston duỗi ra
Số 0: Chỉ vị trí piston thụt vào
1,2,3,4: Chỉ 4 bước hoạt động của 2 piston trong 2 xy lanh A và B
Hình 4 22 Sơ đồ hành trình bước máy Khoan
3 Bước 3: Sơ đồ tác động đến các van (sơ đồ hành trình hoạt động tuần tự):
Bước 4: Vẽ mạch động lực và cụm đảo tầng:
Hình 4 23 Mạch động lực và cụm đảo tầng
Bước 5: Vẽ mạch điều khiển:
Hình 4.24: Mạch khí nén 2 tầng điều khiển 2 xylanh
Hình 4.25: Cụm đảo tầng của 2 tầng
Ví dụ 2: Thiết kế mạch Khí nén hoạt động theo trình tự sau: A+ A- B+ B-
- Sơ đồ hành trình hoạt động tuần tự:
Hình 4.26: Cụm đảo tầng của 3 tầng
Hình 4.27: Cụm đảo tầng của 4 tầng
Hình 4.28 Sơ đồ khí nén 3 tầng điều khiển 2 xylanh với chu kỳ tự động lặp lại
Một số kí hiệu trong hệ thống khí nén
Kí hiệu các thiết bị khí nén:
2 Thiết bị xử lý khí: (Bộ bảo dưỡng)
4 Đồng hồ đo áp suất:
7 Xy lanh tác động đơn phục hồi bằng lò xo:
8 Xy lanh tác động kép có đệm giảm chấn:
10 Van đảo chiều 3/2 thường đóng:
11 Van đảo chiều 3/2 thường mở:
14 Van điều chỉnh áp suất:
Kí hiệu các tín hiệu tác động:
3.1 Tác động do con người: Động cơ quay một chiều Động cơ quay hai chiều
3.2 Tác động bằng cơ khí:
3.3 Tác động bằng khí nén:
3.4 Tác động bằng nam châm điện:
CÂU HỎI BÀI TẬP BÀI 3
Hãy thiết kế mạch điều khiển khí nén hoạt động lặp lại theo tuần tự sau:
Xy lanh A đẩy các chi tiết dạng trụ vào một thùng kiểm tra thông qua sự dịch chuyển tới lui của piston, làm việc như sau:
- Nhấn một nút nhấn piston đi ra hết hành trình khoảng 0,6s đến cuối hành trình piston dừng lại 1s
- Sau đó piston sẽ tự quay về trong thời gian 0,4s
- Chu trình sẽ tiếp tục hoạt động khi trong thùng chứa còn chi tiết, nếu không còn thì chu trình sẽ ngừng hoạt động
Thiết bị ép nóng bao bì gồm một piston A mang thanh gia nhiệt để hàn dính vật liệu bao bì làm việc như sau:
Khi bậc công tắc, piston sẽ hạ thanh gia nhiệt xuống từ từ để thực hiện quá trình ép nóng Quá trình này diễn ra cho đến khi áp suất đạt 3 bar trong khoảng thời gian khoảng 3 giây, sau đó piston sẽ tự động quay về nhanh chóng.
Xy lanh phải chờ 2s, sau đó bắt đầu chu kỳ tiếp theo
- Khi nhấn nút thì mạch chỉ hoạt động một chu kỳ
- Khi bậc công tắc thì thiết bị hoạt động liên tục
- Bậc công tắc piston duỗi ra thụt vào liên tục để cho băng tải hoạt động
- Mở công tắc thì piston dừng
Bài tập 4: Máy lắp ráp bắt đầu bằng việc ấn nút Start, cho phép chi tiết (1) được lắp vào chi tiết (2) qua piston A với tốc độ chậm Tiếp theo, chi tiết (3) được lắp vào chi tiết (1) và (2) bằng piston B cũng với tốc độ chậm Sau đó, piston A sẽ thụt vào nhanh, tiếp theo là piston B thụt vào nhanh Quá trình lắp ráp này sẽ lặp lại cho đến khi ấn lại nút Start, và mạch sẽ dừng khi hoạt động hết hành trình.
Bài tập 5: Máy lắp khoan hoạt động bằng cách ấn nút Start để piston A duỗi ra chậm, kẹp chặt chi tiết và chạm công tắc hành trình a1 Công tắc a1 điều khiển piston B duỗi ra chậm để khoan chi tiết Sau khi khoan xong, công tắc hành trình b1 tác động, điều khiển piston B thụt vào nhanh và gặp công tắc hành trình b0 Công tắc b0 sẽ điều khiển piston A thụt vào nhanh để lấy chi tiết ra Quá trình này lặp lại cho đến khi nhấn nút Start để dừng chu trình Nếu ấn nút Set, piston A và B sẽ luôn thụt vào ở bất kỳ vị trí nào.
Bài tập 5: Máy đóng dấu chi tiết
Các xy lanh A, B, C được sắp xếp theo ba phương trong không gian Xy lanh A có nhiệm vụ kẹp chi tiết, trong khi xy lanh B thực hiện việc đóng dấu và xy lanh C đảm nhận việc đẩy chi tiết ra khỏi vị trí gia công.
- Xy lanh A đẩy chi tiết và kẹp chi tiết
- Sau khi kẹp xong thì xy lanh B đóng dấu lên chi tiết
- Đóng dấu xong xy lanh B trở về vị trí ban đầu, xy lanh A mở chi tiết ra
- Xy lanh C đẩy chi tiết vào thùng chứa và trở về vị trí ban đầu
Bài tập 6: Thiết bị uốn
Thiết bị bao gồm ba xy lanh trên một mặt phẳng, trong đó xy lanh A và B được sắp xếp vuông góc với nhau Phôi dạng tấm được đưa vào bằng tay và được xử lý bằng xy lanh A.
B mang 2 đầu định hình và khối định vị
- Xy lanh A đi vào kẹp chi tiết lại
- Xy lanh B uốn sơ chi tiết và trở về vị trí ban đầu
- Xy lanh C đi và uốn hoàn chỉnh chi tiết và trở về vị trí ban đầu
- Xy lanh A thụt vào tháo chi tiết ra
Bài tập 7: Máy Khoan – Doa
Sau khi nhấn nút Start, xy lanh A bắt đầu khoan chi tiết Khi xy lanh B đẩy chi tiết sang vị trí doa và hoàn tất quá trình doa lỗ, xy lanh C sẽ thụt vào Tiếp theo, xy lanh B trở về vị trí ban đầu, và cuối cùng, chi tiết được lấy ra bằng tay.
Bài tập 8: Thiết bị cắt
Thiết bị này bao gồm 4 xy lanh được sắp xếp theo hai hướng khác nhau Phôi dạng thanh được nạp tự động thông qua xy lanh A và B Xy lanh C có chức năng kẹp phôi, trong khi xy lanh D đảm nhận nhiệm vụ cắt bằng dao.
- Xy lanh A đi xuống kẹp phôi
- Xy lanh B duỗi ra đẩy cơ cấu mang xy lanh A đã kẹp phôi, đưa phôi vào vị trí cắt
- Xy lanh C đi xuống kẹp phôi
- Xy lanh A thụt vào đồng thời xy lanh D đi xuống để cắt và tự động thụt về
- Sau khi xy lanh A thụt về, xy lanh B,D thụt về trong khi xy lanh C vẫn kẹp giữ phôi
- Cuối cùng xy lanh C đi về kết thúc việc kẹp phôi
CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN-KHÍ NÉN
Nút nhấn
Có các loại nút nhấn:
2.1 Nút ấn đóng thường mở: Khi chưa có tác động thì chưa có dòng điện chạy qua, khi tác động thì có dòng điện đi qua
Hình 5 2 Nút nhấn thường mở và ký hiệu
2.2 Nút ấn đóng thường đóng: Khi chưa có tác động thì có dòng điện chạy qua, khi tác động thì không có dòng điện đi qua
Hình 5 3 Nút nhấn thường đóng và ký hiệu
2.3 Nút ấn chuyển mạch sẽ chuyển trạng thái của mạch:
Hình 5 4 Nút nhấn chuyển mạch và ký hiệu
Một số hình ảnh nút ấn:
2.4 Công tắc( nút nhấn duy trì):
Khi công tắc trạng thái được kích hoạt, tiếp điểm (3-4) đóng lại và cho phép dòng điện đi qua Sau khi ngừng tác động, công tắc vẫn giữ nguyên trạng thái hiện tại Khi tác động vào công tắc một lần nữa, trạng thái sẽ trở về ban đầu và tiếp điểm (3-4) sẽ mở ra.
Nút ấn đóng- mở Nút ấn khẩn cấp
Hình 5.5 Một số hình ảnh của nút nhấn trong thực tế
Rơ le
3.1 Rơ le đóng mạch ( công tắc tơ):
Trong kỹ thuật điều khiển, rơle đóng vai trò là phần tử xử lý tín hiệu quan trọng Có nhiều loại rơle khác nhau tùy thuộc vào công dụng cụ thể của chúng Nguyên tắc hoạt động của rơle dựa vào từ trường của cuộn dây, và trong quá trình đóng mở, hiện tượng tự cảm sẽ xảy ra.
Nguyên lý hoạt động của rơle đóng mạch được biểu diễn ở hình vẽ:
Khi dòng điện đi qua cuộn dây cảm ứng, lực từ trường sẽ hút lõi sắt có gắn các tiếp điểm Các tiếp điểm này bao gồm tiếp điểm chính để điều khiển mạch chính và tiếp điểm phụ để điều khiển mạch điều khiển Rơle đóng mạch được sử dụng cho các mạch có công suất lớn từ 1 kW đến 500 kW.
Công tắc chuyển mạch Hình 5.6 Công tắc và ký hiệu của công tắc
Hình 5.7 Ký hiệu của cuộn dây và tiếp điểm công tắc tơ
3.2 Rơle điều khiển ( rơle trung gian):
Rơle điều khiển hoạt động tương tự như rơle đóng mạch, nhưng khác biệt ở chỗ nó được sử dụng để đóng mở cho mạch có công suất nhỏ Thời gian đóng và mở các tiếp điểm của rơle điều khiển rất ngắn, chỉ từ 1ms đến 10ms.
3.3 Rơle thời gian tác động muộn( Timer ON):
Rơle tác động muộn hoạt động tương tự như rơle thời gian tác động muộn của phần tử khí nén, với điốt đóng vai trò như van một chiều và tụ điện như bình trích chứa Biến trở R1 hoạt động như van tiết lưu, trong khi tụ điện giúp giảm điện áp quá tải khi ngắt.
3.4 Rơle thời gian nhả muộn (Timer OFF):
Rơle thời gian nhả muộn hoạt động tương tự như rơle thời gian nhả muộn trong hệ thống khí nén, với điốt đóng vai trò như van một chiều và tụ điện như bình chứa điện Biến trở R1 hoạt động như van tiết lưu, đồng thời tụ điện giúp giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt.
Hình 5.8 Rơle trung gian và ký hiệu của cuộn dây và tiếp điểm Rơle trung gian
Hình 5.9: Timer ON và Ký hiệu
Một số hình ảnh về rơle trung gian, rơle thời gian:
Khi một cuộn dây chịu tác động của dòng điện, nó sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng và từ trường trong cuộn dây Từ trường này tạo ra lực từ, di chuyển lõi thép bên trong cuộn dây Trong quá trình đóng mở, hiện tượng tự cảm xảy ra, và lực điện từ tác động làm thay đổi trạng thái nòng van, dẫn đến sự thay đổi hướng di chuyển của dòng năng lượng khí nén.
Rơ le thời gian Rơle trung gian
Hình 5.10: Timer OFF và Ký hiệu
Hình 5.11: Một số hình ảnh của Timer và Rơ le trung gian
4.1.Van điện từ 3/2 không duy trì ( một trạng thái):
Khi cuộn dây van điện từ (Solenoid) được cấp điện, lực từ sinh ra sẽ tác động vào ống sắt, kéo nó lên Điều này khiến dòng khí đi xuống qua khe hở nhỏ, đẩy nòng van trượt xuống và chặn cổng số 3 bằng vòng đệm Đồng thời, lò xo bị ép lại, cho phép cổng số 1 thông với cổng số 2.
Hình 5.12: Ký hiệu và cấu tạo Van điện từ 3/2 không duy trì (một trạng thái)
Hình 5.13: Nguyên lý hoạt động Van điện từ 3/2 không duy trì (một trạng thái)
+ Tạo ra tín hiệu điện cho tín hiệu khí nén
+ Điều khiển xy lanh tác động 1 phía
+ Điều khiển động cơ khí nén
+ Điều khiển van đảo chiều
4.2 Van điện từ 5/2 không duy trì ( một trạng thái):
1 - Hai chấu kết nối với nguồn
2 - Hộp nam châm điện có chứa cuộn dây van điện từ
- Nguyên lý hoạt động: Khi cuộn dây van điện từ có điện, trạng thái của van:
Khi cuộn dây van điện từ được cấp điện, lực từ tạo ra sẽ tác động lên ống sắt từ, kéo ống này sang bên trái Đồng thời, dòng khí qua khe hở nhỏ sẽ đi xuống, đẩy nòng van trượt sang bên phải và ép lò xo lại.
+ Vị trí của nòng van lúc này làm cho cổng số 1 thông với cổng số 4, dẫn khí lên, cổng số 2 thông với cổng số 3, còn cổng số 5 bị chặn
Hình 5.14: Cấu tạo và kí hiệu Van điện từ 5/2 không duy trì (một trạng thái)
Hình 5.15: Nguyên lý hoạt động Van điện từ 5/2 không duy trì (một trạng thái)
- Ứng dụng: Điều khiển xylanh tác động kép
4.3 Van điện từ 5/2 duy trì ( hai trạng thái):
1- Hai chấu kết nối với nguồn điện
2- Nam châm điện có chứa cuộn dây van điện từ
- Nguyên lý hoạt động: Khi cuộn dây van điện từ có điện, trạng thái của van:
Cuộn dây van điện từ 14 khi có điện sẽ tạo ra lực từ, tác động vào ống sắt từ (3) và kéo nó sang bên trái Đồng thời, dòng khí đi qua khe hở nhỏ sẽ đẩy nòng van (4) trượt sang bên phải.
+ Vị trí của nòng van lúc này làm cho cổng số 1 thông với cổng số 4, dẫn khí lên, cổng số 2 thông với cổng số 3, còn cổng số 5 bị chặn
+ Điều khiển xy lanh tác động 2 phía
Hình 5.16: Ký hiệu và cấu tạo Van điện từ 5/2 duy trì (hai trạng thái)
Hình 5.17: Nguyên lý hoạt động Van điện từ 5/2 duy trì (hai trạng thái)
Sử dụng xy lanh tác động đơn trong cơ cấu kẹp mang lại lợi ích nổi bật, đó là nguồn điện cung cấp cho van điện từ không cần duy trì liên tục trong suốt quá trình kẹp.
5.1 Công tác hành trình điện – Cơ:
Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện - cơ được biểu diễn trong hình
Hình 5.18 Công tắc hành trình điện – cơ và ký hiệu
Khi con lăn chạm cữ hành trình thì tiếp điểm 1 nối với 4
Cần phân biệt các trường hợp công tắc thường đóng và thường mở khi lắp công tắc hành trình điện - cơ trong mạch
Một số hình ảnh của công tắc hành trình
5.2 Công tắc hành trình nam châm ( công tắc lưỡi gà):
Công tắc hành trình nam châm thuộc loại công tắc hành trình không tiếp xúc
- Hai lò xo lá còn gọi là lưỡi gà được gắn trong một ống nhỏ Với 2 đầu của 2 lá này xếp chồng lên nhau và gần chạm nhau
Khi từ trường đi qua ống, lưỡi gà với hai cực đối nghịch sẽ tiếp xúc mà không cần tiếp xúc vật lý, cho phép công tắc lưỡi gà hoạt động hiệu quả.
Công tắc lưỡi gà được thiết kế với ống chứa đầy khí nhằm hạn chế mài mòn và bụi bẩn Các lưỡi gà chồng lên nhau thường có dạng phẳng, giúp giảm điện trở tiếp xúc Nhờ vào cấu trúc này, công tắc lưỡi gà có khả năng hoạt động lâu dài, lên đến khoảng 100 triệu lần.
Hình 5.19: Một số hình ảnh về công tắc hành trình
Trong hệ thống khí nén, công tắc lưỡi gà được gắn trên vỏ xy lanh từ, đóng vai trò là công tắc hành trình để điều khiển hệ thống Khi piston di chuyển qua công tắc, nó sẽ đóng tiếp điểm và cho phép dòng điện đi qua.
Cảm biến
6.1 Cảm biến cảm ứng từ:
Hình 5.21 Cấu tạo cảm biến cảm ứng từ Hình 5.20: Công tắc hành trình nam châm
Một bộ cảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính:
+ Cuộn dây và lõi ferit
Một cuộn cảm tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua, và dòng điện sẽ lưu thông trong mạch chứa cuộn cảm khi từ trường biến đổi Hiện tượng này cho phép phát hiện các vật kim loại tương tác với từ trường, trong khi các chất phi kim loại như chất lỏng hoặc bụi bẩn không ảnh hưởng đến nó Do đó, cảm biến từ có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường ẩm ướt hoặc bẩn.
Cảm biến cảm ứng từ hoạt động dựa trên nguyên lý mạch dao động tạo ra dao động điện từ Từ trường biến thiên từ lõi sắt sẽ tác động lên vật kim loại đặt trước cảm biến, tạo ra hiệu ứng cảm ứng.
Khi có đối tượng lại gần, xuất hiện dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng điện, giảm biên độ tín hiệu dao động
Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON
+ Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc
+ Không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm
+ Tốc độ đáp ứng nhanh
+ Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
+ Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi
+ Khoảng phát hiện vật còn hơi nhỏ
+ Chỉ phát hiện được các vật bằng kim loại
Cảm biến tiệm cận điện dung hoạt động tương tự như cảm biến điện cảm, nhưng điểm khác biệt chính là cảm biến điện cảm tạo ra vùng tĩnh điện, trong khi cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng từ điện.
Hình 5.23 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn bộ phận chính:
+ Cảm biến (các bản cực cách điện)
Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các bản cực
Cảm biến điện dung hoạt động dựa trên việc đo lường sự thay đổi điện dung của tụ điện khi có vật thể đi qua vùng nhạy Sự gia tăng điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng số điện môi của vật liệu.
Bên trong thiết bị, mạch sử dụng nguồn DC để tạo dao động cho cảm biến dòng Cảm biến này sẽ cung cấp một dòng điện tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai tấm cực.
+ Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim
+ Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh
+ Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ
+ Phạm vi cảm nhận lớn
+ Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi
* Nhược điểm: Chịu ảnh hưởng của bụi và độ ẩm
Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang gồm hai phần:
Bộ phận phát sử dụng điốt phát quang để phát ra tia hồng ngoại Khi tia hồng ngoại gặp vật cản, nó sẽ phản hồi trở lại bộ phận nhận Tại bộ phận nhận, tia hồng ngoại phản hồi được xử lý qua mạch và sau đó được khuếch đại để tạo ra tín hiệu đầu ra.
Hình 5.24 Cấu tạo cảm biến quang phản xạ khuếch tán
1.1 Nghiên cứu sơ đồ mạch:
- Mạch điện sử dụng công tắc hành trình:
Hình 5.25 Mạch điện khí nén dùng công tắc hành trình cơ
Mạch điện – khí nén dùng cảm biến để giới hạn hành trình của piston:
Khi nhấn nút PB, cuộn dây của van điện từ được cấp điện, khiến piston A duỗi ra Khi đến cuối hành trình, piston A tác động lên A1, làm van điện từ ngắt điện và nòng van tự phục hồi, dẫn đến piston A thụt vào.
- Xy lanh tác động đơn
2.1 Lựa chọn thiết bị, kiểm tra thiết bị:
Kiểm tra van điện từ và rơ le trung gian là bước quan trọng trong hệ thống điện khí nén Để kiểm tra cảm biến điện dung, cần cấp nguồn cho cảm biến và xác định khả năng nhận biết kim loại cũng như phi kim Nếu cảm biến được kết nối với đèn và đèn sáng, điều này cho thấy cảm biến hoạt động tốt.
Hình 5.26 Mạch điện khí nén dùng cảm biến
Kiểm ra cảm biến điện cảm cũng tương tự, nhưng cảm biến điện cảm chỉ phát hiện kim loại
Việc lắp đặt thiết bị cần phải đảm bảo chắc chắn và gọn gàng, với hành trình và cảm biến được bố trí hợp lý, giúp cho việc đấu dây và sửa chữa trở nên dễ dàng hơn.
2.3 Đấu mạch điện – khí nén:
- Lắp mạch điều khiển dùng công tắc hành trình
- Kiểm tra dây dẫn khí phải được nối từ nguồn đến cổng 1 và từ cổng 2 của van điện từ nối lên xy lanh
- Dùng Vom để thang đo điện trở để kiểm tra mạch điều khiển
2.5 Cấp nguồn cho mạch vận hành:
Sau khi mạch điện khí nén hoạt động hiệu quả với công tắc hành trình, chúng ta thay thế công tắc này bằng cảm biến để giới hạn hành trình của piston Việc này cho phép so sánh hiệu quả giữa công tắc hành trình cơ học và cảm biến trong việc kiểm soát chuyển động.
CÂU HỎI BÀI TẬP BÀI 4
1 Vẽ ký hiệu và trình bày nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian, Timer ON, Timer OFF?
2 Trình bày nguyên lý hoạt động, đặc điểm, của cảm biến điện dung, điện cảm,cảm biến quang?
3 Trình bày trình tự lắp đặt một mạch điện khí nén?
