LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén được biên soạn dành cho sinh viên cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa SCTBTĐH của Trường Cao Đẳng Dầu Khí và thu
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỦY LỰC KHÍ NÉN
CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢ N
1.1.1 Áp suất a Định nghĩa: Áp suất (P) là một đại lượng vật lý, được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt của vật thể Trong hệ SI, đơn vị của áp suất bằng
Newton trên mét vuông (N/m2), được gọi là Pascal (Pa) mang tên nhà toán học và vật lý người Pháp Blaise Pascal Áp suất 1 Pa là rất nhỏ.
Hình 1.1: Biểu diễn áp suất b Các đơn vị áp suất thông dụng:
Bảng 1.1: Bảng qui đổi các đơn vị áp suất c Phân loại áp suất:
Áp suất tương đối là áp suất so với áp suất khí quyển, vốn có giá trị chuẩn là 1 atm Thường được ký hiệu bằng chữ "g" sau đơn vị hoặc không có ký hiệu, ví dụ như áp suất khí quyển (1 atm) được dùng làm mốc để đo áp suất tương đối Hiểu rõ về áp suất tương đối giúp chúng ta dễ dàng xác định mức độ chênh lệch so với áp suất khí quyển trong các thí nghiệm và ứng dụng kỹ thuật.
Áp suất tuyệt đối là áp suất đo so với chân không tuyệt đối, môi trường không có không khí hoặc khí bị hút hết Ký hiệu bằng chữ "a" phía sau đơn vị đo, ví dụ như 1 psia a Áp suất tuyệt đối là khái niệm quan trọng trong các lĩnh vực kỹ thuật và khoa học để xác định chính xác trạng thái của khí và chất lỏng trong hệ thống Việc hiểu rõ về áp suất tuyệt đối giúp đảm bảo tính chính xác trong các phép đo và quy trình công nghiệp.
- Áp suất chênh áp: Chênh lệch giữa 2 nguồn áp suất (Hiệu áp suất), có phân biệt dấu ±.
Pa bar KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi
KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi
ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THỦ Y L ỰC KHÍ NÉN
1.1.2 Lực: Áp lực là lực tác động lêndiện tích bề mặt của một vật Lực ép vuông góc với diện tích bề mặt chịu lực Áp lực là đại lượng véc-tơ, tuy nhiên vì đã xác định được phương (vuông góc với bề mặt chịu lực) và chiều (hướng vào mặt chịu lực) nên khi nói về áp lực, người ta có thể chỉ nóivề độ lớn (cường độ) Đơnvị đo của áp lực là Newton (N),
Khi một lực không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc α, thì công thực hiện bởi lực đó được tính theo công thức: A = F s cos(α) Công của lực được đo bằng đơn vị Joule (J), trong đó 1 Joule tương ứng với công sinh ra khi một lực 1 Newton tác dụng để dịch chuyển vật thể một quãng đường 1 mét.
Công suất là đại lượng được đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian P A
= t , đơn vị của công là Joule/giây (J/s) hoặc Watt (W).
1.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM HỆTHỐNG THỦY LỰC KHÍ NÉN:
1.2.1 Ưu nhược điểm hệthống điều khiển bằng khí nén: a Ưu điểm:
Khoảng áp suất coõng nghieọp mở rộng Áp suất thấp
Khoảng áp suất thường sử dụng
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Áp suất khí quy ể n Chân không tuyệt đối Áp suất dư Áp suất tuyệt đối
- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít.
- Do khả năng chịu nén lớn của không khí vì vậy khả năng tích chứa áp suất khí nén một cách thuận lợi
- Khí nén có thể thải ra dễ dàng ngoài không khí nên đường dẫn khí thải ra không cần thiết.
- Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén.
- Hệ thống khí nén sạch sẽ, cho dù có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn cũng không tồn tại mối đe dọa nhiễm bẩn.
- Dễ điều khiển với độ chính xác cao. b Nhược điểm:
- Lực truyền tải trọng thấp
- Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi.
- Khả năng đàn hồi của khí nén lớn do đó không thể thực hiện những chuyển động thẳng hay quay đều.
- Khí thoát ra gây tiếng ồn.
1.2.2 Ưu nhược điểm hệthống điều khiển bằng thủy lực: a Ưu điểm:
- Truyền động công suất lớn
- Khả năng điều khiển vị trí chính xác
- Có thể khởi động với tải trọng nặng
- Hoạt động êm, trơn không phụ thuộc vào tải trọng vì chất lỏng hầu như không chịu nén
- Điều khiển, điều chỉnh tốt. b Nhược điểm:
- Có thể gây bẩn, ô nhiễm môi trường
- Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảmhiệusuất và hạn chế phạm vi sử dụng.
- Nguy hiểm khi áp suất vượt quá mức an toàn (đặc biệt với ống dẫn)
TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 1:
1.1 Các đại lượng cơ bản
1.2 Ưu nhược điểm hệ thống thủy lực, khí nén
CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 1:
Câu 1: Ưu điểm nào là của hệ thống truyền động bằng Thủy lực?
A.Truyền động công suất lớn, có thể khởi động với tải trọng nặng
Câu 2: Nhược điểm nào là của hệ thống truyền động bằng thủy lực?
A.Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi
B.Hệ thống hoạt động sạch sẽ, rò rỉ cũng không tồn tại mối đe dọa nhiễm bẩn
C.Lực truyền tải trọng thấp
D.Khả năng chịu nén lớn
B.Lực truyền tải trọng thấp
C.Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệusuất và hạn chế phạm vi sử dụng.
Câu 3:Trong các đơn vị sau, đơn vị nào là đơn vị của áp suất?
Câu 4: Phát biểu nào sau đây về áp suất dư là đúng?
A Áp suất dư là áp suất so với áp suất chân không.
B Áp suất dư là khối lượng khí quyển chịu tác dụng của lực hút trái đất tạo ra áp suất trên tất cả các bộ phận của trái
C.Áp suất dư nhỏ hơn áp suất khí quyển, đất. lớn hơn áp suất chân không
D.Áp suất dư là áp suất so với áp suất khí quyển.
Câu 5: Áp suất chân không tuyệt đối có giá trị bằng?
Câu 6: Cho vật có khối lượng 1 kg tác dụng lên diện tích 14,6cm 2 Khi đó áp suất tác dụng sẽ bằng…
D.Cả 3 đáp án còn lại đều sai
Câu 7:Cho lực 1N tác dụng lên diện tích
1 m 2 Khi đó áp suất tác dụng sẽ bằng…
D.Cả 3 đáp án còn lại đều sai.
Phương trình trạng thái nhiệt động học mô tả mối quan hệ giữa áp suất (P), nhiệt độ (T) và thể tích (V) khi chúng đều thay đổi Khi cả áp suất, nhiệt độ và thể tích đều thay đổi từ trạng thái ban đầu (P1, T1, V1) đến trạng thái cuối cùng (P2, T2, V2), phương trình này giúp xác định các đặc tính của hệ thống Nhiệt độ và thể tích là hai yếu tố quan trọng trong quá trình biến đổi nhiệt động học, ảnh hưởng lớn đến trạng thái của chất Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa các yếu tố này là cơ sở để phân tích các quá trình nhiệt động học và áp dụng vào kỹ thuật.
Câu 9:Áp suất dư là áp suất…
A.Lớn hơn so với áp suất khí quyển.
B.Nhỏ hơn áp suất khí quyển.
C.Nhỏ hơn áp suất chân không tuyệt đối.
D.Cả 3 đáp án còn lại đều sai.
Câu 10: Cho lực 1N tác dụng lên diện tích
1 m 2 Khi đó áp suất tác dụng sẽ bằng…
D.Cả 3 đáp án còn lại đều sai.
CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC KHÍ NÉN
PHẦ N T Ử CUNG CẤP NĂNG LƯỢ NG
Trong công nghiệp tùy theo quy mô sản xuất, người ta thường xây dựng các trạm khí nén phục vụ sản xuất với cácmục đích khác nhau.
Yêu cầu tối thiểu, khí néncũng phải đảm bảo các tiêu chuẩn:
Việc chọn máy nén khí cần dựa trên yêu cầu về áp suất làm việc của các cơ cấu chấp hành như xilanh, động cơ, giác hút, phù hợp với yêu cầu công nghệ Các yếu tố khác như kích thước, trọng lượng và mức độ gây tiếng ồn của máy nén khí cũng ảnh hưởng tới quyết định lựa chọn Nguyên lý hoạt động của máy nén khí là quá trình nén khí để đáp ứng các mục đích công nghiệp, đảm bảo hiệu suất cao và ổn định trong vận hành.
- Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ nhỏlại, như vậy áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên.
Nguyên lý động năng trong hệ thống dẫn khí cho biết không khí được dẫn vào buồng chứa nhờ vào động năng của bánh dẫn, tạo ra áp suất và lực đẩy lớn Nguyên tắc hoạt động này giúp sản sinh lưu lượng khí và công suất vượt trội, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống Ngoài ra, hệ thống còn được phân loại dựa trên áp suất hoạt động, phù hợp với các ứng dụng và yêu cầu khác nhau trong ngành công nghiệp khí nén.
- Máy nén khí áp suất thấp: P ≤ 15 bar
- Máy nén khí áp suất cao: P > 15 bar
- Máy nén khí siêu cao áp: P ≥ 300 bar c Phân loại theo nguyên lý hoạt động:
- Máy nén khí kiểu Pittông:Hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích, bao gồm
2 chu kỳ hoạt động “chu kỳ hút và chu kỳ nén” dựa theo chuyển động tịnh tiến của pittông và các van 1 chiều:
Hình 2.2: Chu kỳ hoạt động máy nén khí Pittông
Máy nén khí kiểu cánh gạt hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích, sử dụng rotor lệch tâm với các cánh gạt theo các rãnh hướng tâm để nén khí Quá trình nén khí diễn ra khi thể tích của buồng chứa khí bị thu nhỏ nhờ chuyển động của các cánh gạt, giúp tạo ra khí nén hiệu quả và ổn định.
Hình 2.3: Máy nén khí kiểu cánh gạt
- Máy nén khí kiểu root:Hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích, khí được hút và nén dựa theo chuyển động của các cánh cam, các cánh cam chuyển động ngược nhau và không va chạm Khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa các cánh cam, khe hởgiữa hai phần quay và thân máy
Hình 2.4: Máy nén khí kiểu Root
- Máy nén khí kiểu trục vít:Hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích, khí được nén dựa trên hoạt động của 2 rãnh xoắn quay khít và ngược chiều nhau.
Hình 2.5: Máy nén khí kiểu trục vít
Máy nén khí kiểu ly tâm hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi động năng, trong đó khí được dẫn vào buồng chứa và gia tốc bởi bộ phận quay với tốc độ cao Áp suất khí được tạo ra nhờ sự chênh lệch vận tốc giữa khí và bộ phận quay, giúp nâng cao hiệu quả nén khí Đây là loại máy nén khí phổ biến trong các ngành công nghiệp cần lưu lượng khí lớn và áp suất ổn định.
Hình 2.6: Máy nén khí ly tâm
2.1.2 Hệthống bểdầu, bơm thủy lực:
Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống thủy lực, bộ nguồn thủy lực đơn giản bao gồm (Hình 2.7):
Bơm thủy lực E được truyền động bằng động cơ điện M, chuyển đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực Dầu thủy lực trong bể chứa được bơm hút và tải vào buồng nén, nơi dầu tích lũy năng lượng áp suất Áp suất dầu thủy lực sau đó được truyền tới các phần tử trong hệ thống để tạo ra các chuyển động tại cơ cấu chấp hành, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và chính xác hơn.
- Bộ điều chỉnh áp suất (van an toàn) nhằm bảo vệ bơm khi quá áp suất.
- Dụng cụ chỉ thỉ áp suất làm viêc A (đồng hồ áp suất).
- Cổng cung áp P và đường dầu hồi về T.
Hình 2.7: Bồn dầu thủy lực
Một khối nguồn tiêu chuẩn bao gồm các phần tử quan trọng như bộ lọc dầu, bộ làm mát dầu, bộ kiểm tra dầu tràn và cảm biến nhiệt độ dầu, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống.
Dầu thủy lực hầu như không chịu nén, khiến bình tích chứa ít hiệu quả trong hệ thống thủy lực Chính vì vậy, để đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định, hệ thống thủy lực cần phải vận hành bơm thủy lực chính xác Việc sử dụng bơm thủy lực giúp duy trì áp lực và lưu lượng dầu phù hợp, đảm bảo hiệu quả cho quá trình vận hành của hệ thống Đây là các yếu tố quan trọng cần lưu ý để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống thủy lực trong các ứng dụng công nghiệp.
Khí nén được tạo ra từ máy nén khí thường chứa nhiều chất bẩn như bụi, độ ẩm, cặn bã dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất hệ thống Quá trình nén khiến nhiệt độ khí tăng cao, dễ dẫn đến ôxy hóa các thành phần trong hệ thống khí nén Việc xử lý khí nén là bắt buộc để tránh gây hư hỏng hoặc làm giảm hiệu quả hoạt động của các thiết bị khí nén Đặc biệt, trong hệ thống điều khiển sử dụng khí nén, yêu cầu chất lượng khí nén phải đạt tiêu chuẩn cao để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác.
Trong thực tế người ta hay sử dụng bộ lọc (Hình 2.8) Để xử lý khí nén:
Hình 2.8: Bộ lọc khí nénCấu tạo của bộ lọc có thể bao gồm các phần tử sau:
Van lọckhínén (Hình 2.9) dùng để làm sạch các chất bẩn và ngưng tụ hơi nước trong hệ thống khí nén, đảm bảo chất lượng khí đạt yêu cầu Khí nén sẽ tạo chuyển động xoắn qua lá xoắn kim loại, giúp các chất bẩn bị tách ra rồi bám vào màng lọc Các chất bẩn cùng phân tử nước sau đó sẽ tích tụ tại đáy của bầu lọc, giữ cho khí thoát ra sạch hơn Tùy vào mục đích sử dụng và yêu cầu chất lượng khí nén, người dùng có thể chọn phần tử lọc phù hợp, với độ lớn từ 20µm đến 50µm để tối ưu hiệu quả làm sạch.
Hình 2.9: Van lọc khí nén
Van điều chỉnh áp suất, còn gọi là van điều áp, có nhiệm vụ duy trì áp suất ổn định nhằm đảm bảo hệ thống vận hành trơn tru bất chấp những biến động bất thường của áp suất đầu vào hoặc sự dao động của áp suất tại đầu ra Trong quá trình hoạt động, áp suất đầu vào luôn lớn hơn áp suất đầu ra, giúp van kiểm soát và điều chỉnh áp suất phù hợp, đảm bảo hiệu quả và độ an toàn cho hệ thống.
Van tra dầu là thành phần thiết yếu trong hệ thống điều khiển khí nén, có nhiệm vụ cung cấp dầu bôi trơn để giảm ma sát, ngăn ngừa sự ăn mòn và gỉ sét trên các thiết bị Việc sử dụng van tra dầu giúp duy trì hoạt động trơn tru của hệ thống khí nén, đảm bảo hiệu suất làm việc ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị Hình 2.11 minh họa rõ vai trò của van tra dầu trong quá trình bảo trì và vận hành hệ thống.
PHẦ N T Ử TÍN HIỆU VÀO
Trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén, các phần tử đưa tín hiệu được chia làm hai nhóm:
- Nhóm phần tử giao tiếp người – hệ thống như: nút nhấn, công tắc, bàn đạp, núm xoay…
- Nhóm phần tử giao tiếp trong hệ thống như: công tắc hành trình, cảm biến…
Hình 2.12: Nút nhấn thường đóng
2.2.2 Cảm biến. a Cảm biến tiệm cận điện cảm:
Khi vật thể kim loại tiếp xúc với cảm biến, dòng điện xoáy xuất hiện trong vật thể gây suy giảm năng lượng của bộ tạo dao động (Oscillator) Sự suy giảm này làm thay đổi dòng điện tiêu thụ của cảm biến, tạo ra hai trạng thái khác nhau: có hoặc không có dòng điện suy giảm Chính sự thay đổi này giúp cảm biến chuyển đổi trạng thái, xác định sự hiện diện của vật thể kim loại trong vùng tác dụng.
“không” bằng mức xung điện áp ra.
- Đối tượng phát hiện: kim loại sắt từ.
- Khoảng cách phát hiện: 0,8 ÷ 10mm
Hình2.13: Cảm biến tiệm cận điện cảm b Cảm biến tiệm cận điện dung:
Khi vật thể được đưa vào vùng ảnh hưởng của cảm biến, điện dung của tụ điện (được hình thành giữa vật thể và bản cực của cảm biến) sẽ thay đổi Điện dung này tham gia vào mạch cộng hưởng RC của cảm biến, khiến trạng thái cộng hưởng biến đổi Sự thay đổi này dẫn đến sự điều chỉnh dòng điện tiêu thụ của cảm biến, phản ánh chính xác sự có mặt hoặc vắng mặt của vật thể trong vùng phát hiện.
- Phát hiện được các vật thể bất kỳ (chất liệu chế tạo khác nhau: kim loại, gỗ, đá )
Hình2.13: Kí hiệu cảm biến tiệm cận điện dung c Cảm biến tiệm cận quang:
Bộ phận phát tia hồng ngoại sử dụng điốt phát quang để tạo ra chùm tia hồng ngoại Khi gặp vật chắn, tia hồng ngoại phản hồi lại bộ phận nhận, giúp cảm biến hoạt động chính xác Cảm biến quang bao gồm hai loại chính dựa trên cách thiết lập vị trí của bộ phận phát và bộ phận nhận: cảm biến quang phản hồi và cảm biến quang 1 chiều, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong tự động hóa và đo lường.
Hình2.15:Cảm biến tiệm cận quang
Hình2.16: Công tắc hành trình
Kí hiệu của các phần tử tín hiệu vào trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén như
Bảng 2.1 (Kí hiệu phần tử tín hiệu vào thông dụng)
Hệ thống điều khiển khí nén
Công tắc hành trình tác động 2 chiều
Công tắc hành trình tác động 1 chiều
Hệ thống điều khiển điện khí nén
Nút nhấn thường hở Công tắc thường hở
Nút nhấn thường đóng Công tắc thường đóng
Bảng 2.1: Kí hiệu phần tử tín hiệu vào thông dụng
2.3 PHẦN TỬ XỬLÝ TÍN HIỆU:
Van áp suất là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén, giúp điều chỉnh, cố định, hoặc thay đổi áp suất nhằm đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như van an toàn, van tràn, và van giảm áp để duy trì áp suất phù hợp, tránh quá tải hoặc rủi ro thất thoát khí nén Việc chọn lựa van áp suất phù hợp giúp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống, đồng thời đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành.
Van tràn và van an toàn là các thiết bị quan trọng trong hệ thống thủy lực, giúp kiểm soát áp suất của chất lỏng bằng cách giới hạn việc tăng áp suất vượt quá giới hạn cho phép Van tràn hoạt động liên tục để duy trì áp lực ổn định trong hệ thống, trong khi van an toàn chỉ hoạt động khi xảy ra quá tải, đảm bảo an toàn và tránh hỏng hóc Việc sử dụng đúng van tràn và van an toàn góp phần nâng cao hiệu suất vận hành và bảo vệ các thiết bị trong hệ thống thủy lực.
Hình 2.14: Kí hiệuvan tràn, van an toàn
Hình 2.15: Cấu tạo van an toàn, kiểu bi
Van giảm áp là thiết bị cần thiết trong hệ thống cung cấp năng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, bơm thường vận hành ở áp suất cao nhất, sau đó sử dụng van giảm áp đặt trước các cơ cấu chấp hành để giảm áp suất xuống mức cần thiết Việc này giúp duy trì áp suất phù hợp, tăng tuổi thọ thiết bị và đảm bảo hiệu quả làm việc của hệ thống.
Hình 2.16: Kí hiệu van giảm áp
2.3.2 Van Logic: a Van Logic AND:
Van Logic AND được sử dụng để thỏa mãn các điều kiện tác động đồng thời từ 2 ngõ vào (Hình 2.12).
- Tín hiệu được đưa vào của 1 và 1(3) để tạo ra tín hiệu ở cửa 2.
- Chỉ khi có cả 2 tín hiệu tác động ở của 1 và 1(3) thì mới có tín hiệu ngõ ra ở của
Hình 2.20: Cấu tạo, kí hiệu van AND b Van Logic OR:
Van Logic OR được sử dụng để tạo tín hiệu ngõ ra khi một trong hai ngõ vào hoặc cả hai ngõ đều tác động, giúp hệ thống phản hồi chính xác trong quá trình điều khiển (Hình 2.13) Đây là loại van logic phổ biến trong các mạch điều khiển tự động do khả năng hoạt động linh hoạt và đáng tin cậy.
- Tín hiệu ngõ ra 2 tác động khi một trong 2 ngõ vào tác động.
- Khi tín đồng thời ở cả hai ngõ vào thì tín hiệu ngõ ra 2 sẽ là tín hiệu có giá trị áp suất lớn hơn.
Hình2.21: Cấu tạo, kí hiệu van OR
PHẦ N T Ử ĐIỀU KHIỂ N
2.4.1 Nguyên lý hoạt độngcủa phần tửđiều khiển:
Trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén, van đảo chiều là phần tử điều khiển phổ biến nhất Các van đảo chiều có chức năng chính là thay đổi chiều dòng chảy áp suất, giúp điều chỉnh quá trình nén khí hoặc dầu thủy lực một cách linh hoạt và hiệu quả Việc sử dụng van đảo chiều đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động của hệ thống thủy lực khí nén, đảm bảo vận hành chính xác và an toàn.
Van đảo chiều được gọi tên dựa trên số lượng cổng vào/ra trên các vị trí làm việc, phù hợp với quy ước các van đảo chiều (Hình 2.22) Tên gọi của van phản ánh chính xác số lượng cổng và vị trí hoạt động của chúng, giúp dễ dàng nhận diện và lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng điều khiển thủy lực Việc hiểu rõ cách đặt tên theo thứ tự số lượng cổng là yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống thủy lực.
Ví dụ về van đảo chiều ngày 4/2 bao gồm 4 cổng vào/ra được ký hiệu lần lượt là 1 đến 4 Hai vị trí làm việc chính được đánh dấu bằng hai ô vuông theo ký hiệu, với đường đi của dòng chảy được bố trí khác nhau tương ứng với từng vị trí làm việc Sơ đồ này giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát và điều chỉnh luồng chất lỏng trong hệ thống Việc hiểu rõ cách hoạt động của van đảo chiều giúp nâng cao hiệu quả vận hành và tính linh hoạt của hệ thống thủy lực.
Vị trí ban đầu của van đảo chiều 4/2 có dòng chảy từ các cổng vào/ra là 1 → 2 và 3 → 4 Khi tác động thay đổi vị trí làm việc của van, dòng chảy sẽ chuyển đổi phù hợp với vị trí mới, giúp điều chỉnh hướng dòng chảy theo yêu cầu hệ thống Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 4/2 là yếu tố quan trọng để đảm bảo vận hành chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng thủy lực và khí nén.
Hình 2.22: Quy ước van đảo chiều
Có 2 loại van đảo chiều chính: van đảo chiều duy trì và van đảo chiều không duy trì, tên gọi của các loại van này được gọi theo quy ước.
Van đảo chiều không duy trì trạng thái cố định, chỉ sử dụng một cổng điều khiển duy nhất và lò xo để trả về vị trí ban đầu Khi cổng điều khiển tác động, van sẽ thay đổi vị trí để thực hiện chức năng mong muốn, còn khi không còn tác động, lò xo sẽ tự động đẩy van trở về vị trí ban đầu, giúp hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.
Hình 2.17: Trạng thái ban đầu van đảo chiều không duy trì 3/2
Hình2.18: Trạng thái khi cổng điều khiển tác động
Van đảo chiều duy trì hoạt động nhờ vào hai cổng điều khiển, trong đó khi một cổng tác động, van sẽ thay đổi vị trí; còn khi cổng kia không tác động, van vẫn giữ nguyên vị trí ban đầu Các cổng điều khiển hoạt động luân phiên, và khi cả hai cùng tác động, van vẫn duy trì vị trí ổn định Điều này đảm bảo quá trình điều khiển van diễn ra chính xác và an toàn trong hệ thống thủy lực.
Hình 2.19: Trạng thái ban đầu van đảo chiều duy trì 3/2
Hình 2.20: Trạng thái khí 12 tác động, 14 không tác động
Hình2.21: Trạng thái khi 14 tác động, 12 không tác động
2.4.2 Các phần tửđiều khiển được sửdụng trong mạch điều khiển:
Thông qua việc điều khiển các van đảo chiều bằng khí nén hoặc điện khí nén, chúng ta có thể kiểm soát hiệu quả hệ thống tự động hóa Các thành phần điều khiển phổ biến được ký hiệu rõ ràng trong bảng biểu, giúp dễ dàng nhận biết và lựa chọn phù hợp cho từng ứng dụng Việc sử dụng van đảo chiều điều khiển khí nén và điện khí nén là giải pháp tối ưu để đảm bảo hoạt động chính xác, ổn định và tiết kiệm năng lượng trong hệ thống tự động.
Hệ thống điều khiển khí nén
Van đảo chiều không duy trì 3/2
Van đảo chiều duy trì 3/2
Van đảo chiều không duy trì 4/2
Van đảo chiều duy trì 4/2
Van đảo chiều không duy trì 5/2
Van đảo chiều duy trì 5/2
Hệ thống điều khiển điện khí nén
Van điện từ không duy trì 3/2
Van điện từ duy trì 3/2
Van điện từ không duy trì 4/2
Van điện từ duy trì 4/2
Van điện từ không duy trì 5/2
Van điện từ duy trì 5/2
Cuộn dây solenoid (điện từ)
Bảng 2.2: Kí hiệu các phần tử điều khiển thông dụng
Ngoài ra chúng ta có thể phân biệt các dạng tác động khác nhau khi dùng van đảo chiều (Hình 2.25 đến Hình 2.28)
Hình 2.22: Tín hiệu tác động bằng tay
Hình 2.23: Tín hiệu tác động bằng cơ
Hình 2.30: Tín hiệu tác động bằng khí nén
Hình 2.31: Tín hiệu tác động bằng điện khí nén
PHẦ N T Ử CHẤP HÀNH
Cơ cấu chấp hành có chức năng chuyển đổi năng lượng lưu trữ trong khí nén và thủy lực thành động năng, giúp điều khiển các chuyển động của máy móc Nó bao gồm các loại chuyển động thẳng như xilanh tác động đơn và xilanh tác động kép, cũng như các chuyển động quay như động cơ khí nén và xilanh quay Các cơ cấu này đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tự động hóa, nâng cao hiệu suất vận hành và độ chính xác của các thiết bị công nghiệp.
- Xi lanh tác động đơn: Khí nén chỉ được sử dụng để sinh công ở một phía của
Piston, Piston lùi về bằng lực của lò xo hay lực tác dụng từ bên ngoài:
Hình 2.32: Xilanh tác động đơn
- Xilanh tác động kép: Khí nén được sử dụng để sinh công ở hai phía của Piston, thường được điều khiển bằng các van đảo chiều:
Hình 2.24: Xilanh tác động kép
Xi lanh màng hoạt động dưới dạng xi lanh tác động đơn, có hành trình di chuyển lớn nhất trong các loại xi lanh, nhờ vào khả năng điều chỉnh chính xác Thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động nhờ vào ưu điểm hoạt động linh hoạt và chính xác Việc sử dụng khí nén để điều chỉnh giúp đảm bảo hiệu suất ổn định và tin cậy trong quá trình vận hành Vì vậy, xi lanh màng là lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu hành trình lớn và kiểm soát chính xác.
- Xilanh quay: Cần Piston có thanh răng chuyển động tới bánh răng quay:
Ngoài ra, còn có một số loại xilanh đặc biệt như: xi lanh lồng (Hình 2.33), xi lanh có hãm cuối khoảng chạy (Hình 2.34) và xi lanh có vị trí pit-tông trung gian (Hình 2.35), giúp đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau trong quá trình sử dụng.
Hình 2.29: Xilanh có vị trí pit - tông trung gian
Chuyển đổi năng lượng của khí nén, thủy lực sang chuyển động quay thông qua cơ cấu chuyển động dạng bánh răng, cánh gạthoặc pittông.
Hình 2.30: Ký hiệu động cơ khí nén. a Động cơ bánh răng: Được chia thành 3 loại, động cơ bánh răng thẳng, động cơ bánh răng nghiêng và động cơbánh răng hình chữ V.
Hình2.40: Động cơ bánh răng hình chữ V b Động cơ cánh gạt:
Lưu chất được đưa vào qua cửa 1, đi qua rãnh vòng 2 và chảy vào lỗ lưu chất 3, đảm bảo quá trình vận chuyển hiệu quả Dưới tác dụng của áp lực lên cánh gạt, roto quay và gây ra sự di chuyển của lưu chất Cuối cùng, lưu chất được thải ra qua cửa số 8, hoàn chỉnh quá trình xử lý đạt hiệu quả cao.
Động cơ pit-tông có khả năng làm kín tốt hơn so với động cơ cánh gạt và bánh răng, nhờ đó được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén khi làm việc ở áp suất cao.
Phụ thuộc vào vị trí của pit-tông với roto, phân biệt thành động cơ pit-tông hướng kính và hướng trục (Hình 2.42)
Hình2.42: Động cơ pit-tông hướng trục d Động cơ trục vít:
Hai trục quay của động cơ trục vít có bánh răng ăn khớp với nhau, số răng củatrục lồi ít hơn số răng của trục vít lõm từ 1-2 răng Để 2 trục vít quay ăn khớp với nhau là hai trục phải quay đồng bộ.
Hình 2.31: Động cơ trục vít
CÁC PHẦ N T Ử KHÁC
Cấu tạo bao gồm van tiết lưu 1 chiều, bình tích chứa khí nén và van đảo chiều 3/2 không duy trì, (Hình 2.44).
Hình 2.32: Timer khí nén T-ON
Nguyên lý hoạt động bắt đầu khi một tín hiệu khí nén không đổi áp suất được gửi vào cửa (12) tại thời điểm t=0 để khởi động bộ định thời Khí nén qua khe hẹp của tiết lưu nạp vào bình trích chứa, điều chỉnh mức lưu lượng và thời gian trễ ∆t cần thiết Khi áp suất trong bình đạt đến mức yêu cầu, van 3/2 sẽ chuyển đổi trạng thái, mở ra cung cấp tín hiệu ra tại cửa (2) Quá trình này diễn ra tự nhiên khi tín hiệu tại cửa (12) bị xóa bỏ, khí nén trong bình xả nhanh qua cửa này, giảm áp suất đột ngột Lò xo hồi vị của van 3/2 sẽ tác động khóa van sau khi áp suất giảm, đảm bảo quá trình hoạt động theo đúng chu kỳ.
- Van một chiều: Chỉ do dòng khí nén chạy qua theo 1 chiều (hướng) do lực khí nén lớn hơn lực của lò xo.
- Van tiết lưu 1 chiều và 2 chiều: dùng điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành thông qua việc điều chỉnh lưu lượng dòng chảy khí nén.
Hình 2.34: Van tiết lưu 1 chiều
- Van thoát (xả)nhanh: Khi có van xả nhanh, khí trong buồng xilanh không chạy qua van đảo chiều mà xả ra ngoài môi trường (tác động nhanh hơn).
Van áp suất tuần tự:
Van tuần tự áp suất được sử dụng trong hệ thống để giám sát tín hiệu áp suất nhằm điều khiển các bước tiếp theo trong quá trình làm việc Trong thiết bị gia công chi tiết, van này giúp theo dõi áp suất cần thiết để kẹp chặt chi tiết gia công, và khi đạt yêu cầu, nó gửi tín hiệu điều khiển cho cơ cấu chấp hành tiếp theo hoạt động Cấu tạo và ký hiệu của van tuần tự áp suất được thể hiện rõ trong Hình 2.48, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành hệ thống tự động.
Hình 2.36 mô tả van áp suất tuần tự, trong đó áp suất cần giám sát được đặt vào cửa 12 Khi áp suất này vượt quá mức đặt trước, van 3/2 sẽ mở ra để nén khí qua cửa làm việc 2, đảm bảo kiểm soát áp suất chính xác theo yêu cầu công nghệ Van 3/2 sẽ tự đóng lại khi áp suất tại cửa 12 giảm xuống dưới giá trị đã đặt, giúp duy trì áp suất ổn định và an toàn trong hệ thống khí nén.
Bộ ổn tốc là cơ cấu giúp duy trì hiệu áp không đổi khi giảm áp, đảm bảo lưu lượng dòng chảy ổn định trong hệ thống Thiết bị này đảm bảo một lưu lượng không đổi, từ đó giữ cho tốc độ dịch chuyển của piston trong xilanh luôn ổn định Nhờ đó, bộ ổn tốc góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống thủy lực, giảm thiểu sự biến động không mong muốn Công dụng chính của bộ ổn tốc là duy trì ổn định dòng chảy để đảm bảo quá trình làm việc trơn tru và chính xác.
Relay được sử dụng như một phần tử xử lý tín hiệu, với nhiều loại khác nhau dựa trên công dụng Hoạt động của relay dựa trên tác động của từ trường sinh ra bởi cuộn dây Trong đó, rơle đóng mạch là loại phổ biến, có khả năng mở hoặc đóng kết nối điện khi nhận tín hiệu điều khiển.
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, lực từ trường sẽ hút lõi sắt và tác động vào các tiếp điểm, gây ra sự chuyển đổi trạng thái của chúng Các tiếp điểm này có thể là thường hở hoặc thường đóng, tùy thuộc vào cơ cấu của mạch điện Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các tiếp điểm khi có dòng điện chạy qua giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của thiết bị điện tử.
Hình 2.38: Rơ le đóng mạch b Relayđiều khiển:
Rơ-le đóng mạch dành cho các mạch điều khiển có công suất nhỏ, với thời gian đóng mở tiếp điểm rất ngắn, từ 1 đến 10ms Loại rơ-le này phù hợp để điều khiển các thiết bị yêu cầu phản hồi nhanh và chính xác trong hệ thống tự động hóa Nó hoạt động tương tự như rơ-le đóng mạch, nhưng chỉ chuyên dụng cho các ứng dụng có công suất thấp và đòi hỏi thời gian phản hồi nhanh chóng.
Hình 2.39: Rơ le điều khiển c Relay thời gian:
Các phần tử cơ bản trong mạch điện bao gồm diod — hoạt động như van một chiều để điều chỉnh dòng điện, tụ điện đóng vai trò như bình chứa năng lượng giúp ổn định điện áp, và điện trở R như van tiết lưu điều chỉnh dòng chảy Ngoài ra, tụ điện còn có nhiệm vụ giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt mạch, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện.
Hình2.40: Rơ le đóng chậm
Hình 2.41: Rơ le mở chậm
Khai báo phần tửkhí nén:
Khai báo phần tử khí nén theo hướng dẫn thông qua hình ảnh minh họa bên dưới, như sau:
- Khai báo Công tắc hành trình 2 chiều Hình 2.54
- Khai báo Công tắc hành trình 1 chiều Hình 2.55
- Khai báo Van đảo chiều không duy trì Hình 2.56
- Khai báo Van đảo chiều duy trì Hình 2.57
- Khai báo Công tắc hành trình Hình 2.58
- Khai báo Công tắc áp suất Hình 2.59
- Khai báo Giác hút chân không Hình 2.60
Hình 2.42: Cách khai báo Công tắc hành trình 2 chiều
Hình 2.43: Cách khai báo Công tắc hành trình 1 chiều
Hình2.44: Cách khai báo Van đảo chiều không duy trì
Hình 2.45: Cách khai báo Van đảo chiều duy trì
Hình 2.46 Cách khai báo Công tắc hành trình
Hình2.47: Cách khai báo Công tắc áp suất
Hình 2.48: Cách khai báo Giác hút chân không
Hình 2.49: Cách khai báo Timer
Hình 2.50: Cách khai báo Counter
Khai báo phần tửđiện khí nén:
Khai báo phần tử điện khí nén theo hướng dẫn thông qua hình ảnh minh họa bên dưới, như sau:
- Khai báo Công tắc hành trình Hình 2.63
- Khai báoVan điện từ duy trì Hình 2.64
- Khai báo Van điện từ không duy trì Hình 2.65
- Khai báo Cuộn dây van điện từ Hình 2.66
- Khai báo Bộ đếm Hình 2.68
- Khai báo Cảm biến tiệm cận Hình 2.69
Hình2.51: Cách khai báo công tắc hành trình
Hình2.52: Cách khai báo van điện từ duy trì
Hình2.53: Cách khai báo van điện từ không duy trì
Hình2.54: Cách khai báo cuộn dây van điện từ
Hình2.55: Cách khai báo Relay
Hình2.56: Cách khai báo bộ đếm
Hình2.57: Cách khai báo cảm biến tiệm cận
TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 2:
2.1 Phần tử cung cấp năng lượng
2.2 Phần tử tín hiệu vào
2.3 Phần tử xử lý tín hiệu
CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 2:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khai báo các mạch điều khiển thủy lực, khí nén và điện khí nén dựa trên các sơ đồ mẫu và phân tích nguyên lý hoạt động của từng mạch Các mạch bao gồm: mạch điều khiển trực tiếp hai phần tử, giúp điều khiển các thiết bị đơn giản; mạch điều khiển xi lanh tác động hai chiều có phần tử nhớ, phù hợp cho các ứng dụng đảo chiều dễ dàng; mạch điều khiển tùy động theo thời gian, cho phép chỉnh thời gian hoạt động của hệ thống linh hoạt; mạch điều khiển tùy động theo hành trình, sử dụng cảm biến để giới hạn hành trình của xi lanh; điều khiển vận tốc bằng van khí thoát nhanh, giúp điều chỉnh tốc độ của xi lanh nhanh chóng; mạch điều khiển tùy động theo hành trình với một xi lanh có phần tử thời gian giới hạn dừng pittông ở cuối hành trình, đảm bảo an toàn và chính xác; hệ thống gồm nhiều xi lanh, như mạch điều khiển 3 xi lanh để thực hiện các quá trình phức tạp hơn; mạch điều khiển điện khí nén một xi lanh tác động kép, tối ưu cho các nhiệm vụ đòi hỏi lực lớn và di chuyển chính xác; cuối cùng, sử dụng cảm biến tiệm cận để tự động hóa quá trình điều khiển, nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống tự động.
BÀI 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP
Bài 3 là bài giới thiệu tổng quan về phương pháp điều khiển theo nhịp: phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo nhịp hệ thống thủy lực, khí nén, phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo nhịp hệ thống điện khí nén Qua bài học này học sinh có khả năng thiết kế, phân tích mạch điều khiển theo nhịp
MỤC TIÊU CỦA BÀI 3LÀ:
Trình bày được nguyên lý mạch điều khiển theo nhịp.
Thiết kế, phân tích mạch điều khiển theo nhịp.
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
Phát huy khả năng sáng tạo;
Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn trong hệ thống thủy lực khí nén.
Phương pháp giảng dạy và học bài 3 hướng đến việc sử dụng phương pháp giảng tích cực như diễn giảng, vấn đáp, và dạy học theo vấn đề để nâng cao hiệu quả tiếp thu kiến thức Người dạy cần yêu cầu học sinh thực hiện các câu hỏi thảo luận và bài tập bài 3 theo cả cá nhân và nhóm, nhằm thúc đẩy sự chủ động và tương tác trong quá trình học Người học nên chủ động đọc trước giáo trình bài 3 để chuẩn bị cho buổi học và hoàn thành đầy đủ các câu hỏi thảo luận cùng bài tập tình huống theo thời gian quy định, đảm bảo quá trình học tập diễn ra hiệu quả và đúng tiến độ Các điều kiện thực hiện bài 3 cần được tuân thủ để đảm bảo chất lượng học tập và đạt được mục tiêu đề ra.
Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng thủy lực – khí nén.
Trang thiết bị máy móc: Máy tính, máy chiếu và các thiết bị dạy học khác
Chương trình học bao gồm các học liệu, dụng cụ và nguyên vật liệu cần thiết như giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh và các tài liệu liên quan để hỗ trợ quá trình học tập hiệu quả Ngoài ra, các thiết bị thủy lực, khí nén, bàn gá đặt thiết bị, dây và ống nối, kìm cắt, cờ lê, đồng hồ số cùng các công cụ, dụng cụ khác đều góp phần chuẩn bị đầy đủ cho các hoạt động thực hành và nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Các điều kiện khác: không có
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 3
Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm:Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.
+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.
Phương pháp: Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệnghoặc kiểm tra viết dưới 30 phút.)
Kiểm tra định kỳ thực hành: 1 điểm kiểm tra (hình thức: đánh giá kết quả thực hành từ
SƠ ĐỒ HÀNH TRÌNH BƯỚC:
Trong lĩnh vực thiết kế hệ thống thủy lực – khí nén, việc xác định rõ đối tượng điều khiển, nhiệm vụ điều khiển và các thống số cần điều khiển là rất quan trọng Để thể hiện các yếu tố này một cách rõ ràng và trực quan, người ta thường sử dụng các dạng biểu đồ phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển Tùy theo đặc điểm của từng nhiệm vụ, có thể lựa chọn các dạng biểu đồ khác nhau nhằm tối ưu hóa quá trình thiết kế hệ thống và đảm bảo hiệu quả điều khiển cao nhất.
- Biểu đồ chuyển động: biểu đồ chỉ mang thông tin về hành trình bước của các xilanh.
Hình 3.58: Chuyển đổi biểu đồ chuyển động
- Biểu đồ hành trình theo thời gian: Ngoài thông tin về hành trình còn biểu diễn thời gian thực hiện cho các bước.
Hình 3.59: Biểu đồ hành trình thời gian
- Biểu đồ điều khiển: mô tả thêm trạng thái đóng mở của một số phần tử điều khiển: van đảo chiều, công tắc hành trình
Hình 3.60: Biểu đồ điều khiển
- Biểu đồ chức năng: Kết hợp biểu đồ chuyển động hoặc biểu đồ hành trình thời gian với biểu đồ điều khiển.
Hình 3.61: Biểu đồ chức năng
Biểu đồ hành trình bước là công cụ đơn giản và phù hợp cho các bài toán điều khiển không quá phức tạp, giúp biểu diễn trình tự hoạt động của các phần tử chấp hành trong hệ thống Nó thể hiện mối quan hệ giữa các bước theo trình tự thông qua các tín hiệu điều khiển, trong đó hành trình xilanh đi ra được gọi là hành trình cộng (+), còn hành trình xilanh đi vào được gọi là hành trình trừ (-).
Hình 3.62: Biểu đồ hành trình bước
Biểu đồ trạng thái thể hiện rõ các trạng thái của các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa chúng và trình tự chuyển mạch Trục tọa độ dọc biểu diễn các trạng thái như hành trình chuyển động, góc quay hay áp suất, trong khi trục ngang thể hiện các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình Hành trình làm việc của hệ thống được chia thành các bước rõ ràng, trong đó sự thay đổi trạng thái giữa các bước được biểu diễn bằng nét đậm, còn các liên kết tín hiệu và tác động của chúng được thể hiện bằng các đường nét nhỏ, với chiều tác động được minh họa bằng mũi tên để dễ theo dõi quá trình hoạt động.
Hình 3.63: Kí hiệu biểu đồ trạng thái
3.1 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP HỆ THỐNG THỦY LỰC, KHÍ NÉN:
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN
GI ỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP THIẾ T K Ế THEO TẦ NG
Trong một tầng, xilanh không thể đồng thời thực hiện hành trình đi ra và hành trình đi vào, do đó không thể vừa mở vừa đóng cùng lúc Tầng có thể được chia thành hai cách, trong đó có thể chia trực tiếp trên sơ đồ hành trình bằng cách xác định rõ các bước di chuyển của xilanh để đảm bảo hoạt động chính xác và tránh xung đột.
Chọn một hoặc nhiều bước liên tiếp trên biểu đồ hành trình để tạo thành các tầng riêng biệt, đảm bảo không vi phạm quy tắc chia tầng và phân chia tầng một cách đơn giản nhất Quá trình này giúp phân đoạn hành trình khách hàng rõ ràng, tạo điều kiện tối ưu hóa các chiến lược tiếp cận và tăng trải nghiệm người dùng Xem ví dụ minh họa trong Hình 4.1 để hiểu rõ hơn về cách chia tầng hiệu quả.
Hình4.1: Chia tầng trực tiếp trên sơ đồ HTB
Nếu tầng đầu và tầng cuối không vi phạm quy tắc chia tầng thì có thể gộp thành 1 tầng và tầng gộp sẽ là tầng cuối.
Hình4.2: Ví dụ gộp tầng b Chia tầng theo chu trình kín:
Phương pháp này xem một chu trình điều khiển là một hệ thống kín và bắt đầu phân tích dựa trên biểu đồ hành trình bước Trong quá trình này, biểu đồ hành trình bước được biểu diễn dưới dạng một vòng tròn khép kín, giúp dễ dàng hình dung và phân tích các trạng thái của hệ thống Điều này hỗ trợ tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống tự động.
- Chia vòng tròn thành n phần bằng nhau, với n là số hành trình của toàn bộ cơ cấu chấp hành.
- Theo một chiều tùy chọn, đặt liên tiếp các hành trình theo tuần tự mà bài toán điều khiển yêu cầu.
- Chọn điểm khởi đầu để chia tầng sao cho số tầng là ít nhất (gộp tầng).
Hình4.3: Chia tầng theo chu trình kín
THIẾ T K Ế M ẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁC CƠ CẤU/ MÁY THỰC TẾ BẰ NG PHƯƠNG PHÁP CHIA TẦ NG
Trong hệ thống điều khiển theo tầng, từng tầng được xem như một nguồn điều khiển độc lập nhưng chỉ có một tầng hoạt động tại một thời điểm Giả sử biểu đồ hành trình bước được chia thành n tầng, nguồn khí nén bắt đầu từ tầng cuối cùng (tầng n), và qua các tín hiệu điều kiện, nguồn khí nén sẽ lần lượt được kích hoạt bắt đầu từ tầng thứ n trở về tầng đầu.
1, tầng 2, , tầng n-1 và cuối cùng là tầng n. Để thiết kế mạch điều khiển theo tầng chúng ta sử dụng các mạch điều khiển theo tầng chuẩn.
Hình4.4: Mạch điều khiển khí nén 2 tầng
Hình4.5: Mạch điều khiển khí nén 3 tầng
Hình4.6: Mạch điều khiển khí nén 4 tầng
Trong trường hợp trùng hành trình chúng ta sử dụng thêm các van AND hoặc van OR để điều khiển:
- Mạch trùng hành trình 2 tầng:
Hình4.7: Mạch ĐK KN 2 tầng – trùng hành trình
- Mạch trùng hành trình 3 tầng:
Hình4.8: Mạch ĐK KN 3 tầng – trùng hành trình
- Mạch trùng hành trình 4 tầng:
Hình 4.9: Mạch ĐK KN 4 tầng – trùng hành trình
Ví dụ với sơ đồ hành trình bước như bên dưới (Hình 4.10), chúng ta có sơ đồ mạch điều khiển tương ứng (Hình 4.11 và 4.12)
Hình4.10: Ví dụ chia tầng KN
Hình4.11: Thiết kế phương trình chia tầng KN
Hình 4.12: Sơ đồ mạch điều khiển
Quy trình khai báo dựa trên sơ đồ hành trình bước sau (Hình 4.13)
Hình4.13: Sơ đồ ví dụ ĐK theo tầng KN
- Thiết kế mạch điều khiển theo tầng:
- Vẽ mạch chia tầng (2 tầng):
- Xác định các phần tử điều khiển đầu cuối:
- Kết nối lần lượt các điều kiện theo như mạch thiết kế:
TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 4:
4.1 Giới thiệu phương pháp thiết kế theo tầng
4.2 Thiết kế mạch điều khiển các cơ cấu/máy thực tế bằng phương pháp chia tầng
CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 4:
Bài tập 1:Cho hệ thống in nhãn chi tiết bán tự động như hình bên Piston của xi lanh A và B ban đầu ở phía trong Nhấn
START Piston của xilanh A đẩy chi tiết đi ra, đến cuối hành trình Piston của xy lanh B đi xuống để in nhãnchi tiết sau đó
Piston quay về sau khi xilanh A hoạt động thành công, với chi tiết được lấy ra bằng tay để hoàn tất quá trình Để kiểm soát chuyển động của piston một cách chính xác và linh hoạt, cần thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý tầng khí nén Hệ thống điều khiển khí nén này giúp đảm bảo hoạt động trơn tru, an toàn và đáp ứng yêu cầu về tự động hóa trong quy trình sản xuất Thiết kế mạch khí nén phù hợp sẽ tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống cơ khí, đồng thời nâng cao hiệu quả công việc.
Bài tập 2:Cho hệ thống khoan lỗ chi tiết như hình bên
Ban đầu, piston của xilanh 1A, 2A và 3A đều ở vị trí trong Khi nhấn nút START, piston của xilanh 1A sẽ di chuyển ra để đẩy chi tiết vào vị trí gia công và cùng lúc kẹp chặt chi tiết Tiếp theo, piston của xilanh 2A được gắn với đầu khoan, thực hiện chuyển động chạy dao để tiến hành gia công Sau khi hoàn thành, piston tự quay trở về vị trí ban đầu, chuẩn bị cho các chu trình tiếp theo.
1A quay về đến cuối hành trình thì Piston của xilanh 3A đira để đẩy chi tiết vào thùng chứa sau khi thực hiện xong
Piston quay về Hoàn tất một chu trình Hãy thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén theo yêu cầu trên.
Bài tập 3:Các kiện hàng chuyền trên băng tải đặt trên trục lăn được đưa lên bằng một xi lanh khí nén và được xilanh thứ 2 đẩy xang một bảng tải khác theo sơ đồ hình bên Xong mỗi quá trình thì 2 xilanh lại trở về vị trí ban đầu chuẩn bị cho quá trình tiếp theo Hãy thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén theo yêu cầu trên.
Bài tập 4 yêu cầu thiết kế mạch điều khiển theo hệ thống khí nén cho các vật hình chữ nhật được đóng dấu trên máy đặc biệt Các vật liệu này được lấy ra từ kho, sau đó đẩy vào khu vực đóng dấu nhờ xi lanh A, dán nhãn bằng xi lanh B và cuối cùng đẩy ra bằng xi lanh C Hệ thống này gồm các thành phần chính: xi lanh A, xi lanh B, và xi lanh C, phối hợp hoạt động theo thứ tự để thực hiện quy trình đóng dấu chính xác Việc thiết kế mạch điều khiển dựa trên nguyên tắc khí nén giúp đảm bảo quá trình hiệu quả, an toàn và chính xác cho quá trình xử lý các vật thể hình chữ nhật trong nhà máy.
Trong bài tập 5, các tấm kim loại được uốn mép trên dụng cụ khí nén Quá trình này bắt đầu bằng việc kẹp chặt chi tiết gia công bằng xi lanh A Sau đó, chi tiết được uốn cong ban đầu bằng xi lanh B, và cuối cùng, hoàn chỉnh quá trình uốn cong bằng xi lanh C để đạt được hình dáng mong muốn.
Khởi động hệ thống làm việc bằng nút nhấnbằng tay Hãy thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén với yêu cầu trên.
Trong bài tập 6, sắt thanh được cắt thành từng đoạn dài trên máy cố định, giúp dễ dàng thao tác và kiểm soát quá trình gia công Quá trình này sử dụng năng lượng được cung cấp vào xilanh A, góp phần tạo lực đẩy để thực hiện công đoạn cắt Đồng thời, xilanh A tác động vào xilanh B trong quá trình đưa động lực, đảm bảo quá trình cắt diễn ra chính xác và an toàn Các bước này hướng đến việc nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Quá trình thực hiện bắt đầu khi vật liệu được đưa sát vào vị trí và giữ cố định nhờ xi lanh C Sau đó, xi lanh D tiến hành cắt vật liệu theo hình dạng mong muốn Đồng thời, các xi lanh trở về vị trí ban đầu, khởi động quá trình cắt bằng nút nhấn thủ công Đề xuất thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén phù hợp với yêu cầu này để đảm bảo quá trình diễn ra chính xác và hiệu quả.
Trong bài tập này, hệ thống điều khiển thiết bị cấp liệu bao gồm các tấm ván từ kho vào trạm gia công được điều khiển bằng xilanh A và B Xilanh A đẩy các tấm ván tới trạm, trong khi xilanh B sẽ quay trở về sau khi xilanh A đã hoàn thành vị trí cuối cùng của hành trình Hệ thống sẽ ngừng hoạt động và phát ra tín hiệu thông báo khi không còn tấm gỗ trong kho Chương trình điều khiển hoạt động dựa trên một chu kỳ, và yêu cầu thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén, phù hợp với sơ đồ hành trình bước đã cho.
Bài tập 8:Thiết bị gá, đúc với yêu cầu chi tiết cần in được đặt vào bộ phận kẹp chặt và xilanh sẽ đưa bộ phận in vào vị trí in
Nhấn nút Start xi lanh A đưa chi tiết in vào vị trí in Tại cuối hành trì tác động công tắc hành trình đưa xilanh
B xuống đóng dấu Hãy thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén theo sơ đồ hành trình bước (hình bên)
Bài tập 9 yêu cầu thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén cho quy trình lắp ráp tự động các chi tiết khối đựng trong hộp rơi tự do xuống Quá trình bắt đầu khi xi lanh A đẩy chi tiết đến vị trí lắp đồng thời kẹp chặt, sau đó xi lanh B ra ép chốt trụ thứ nhất vào khối, tiếp theo xi lanh C đi ra để ép chốt thứ hai Sau khi hoàn thành, xi lanh A và xi lanh C trở về vị trí ban đầu, rồi cuối cùng xi lanh B quay về, kết thúc quá trình lắp ráp và sản phẩm rơi xuống băng tải Thiết kế mạch điều khiển theo sơ đồ hành trình bước phải đảm bảo phối hợp chính xác các hoạt động của các xi lanh theo thứ tự này.
Trong bài tập 10, quá trình gia công chi tiết bằng máy khoan tự động bắt đầu khi chi tiết được kẹp bằng tay lên bàn khoan và ấn nút khởi động, khiến xi lanh A hoạt động để khoan lỗ Sau đó, chi tiết cần được doa, cũng được kẹp bằng tay và chọn chương trình phù hợp để thực hiện quá trình doa Khi khoan kết thúc, xi lanh B di chuyển để định vị lỗ vào vị trí doa, tiếp theo xi lanh C đi xuống để doa lỗ khoan Sau khi xi lanh C quay trở về vị trí ban đầu, xi lanh B cũng quay lại, cho phép lấy chi tiết gia công ra Thiết kế mạch điều khiển theo tầng khí nén cần có sơ đồ hành trình rõ ràng phù hợp với trình tự hoạt động này.
Dụng cụ kẹp mài sử dụng chi tiết gia công là thanh trượt dẫn hướng đã được gia công bào qua và đưa lên máy mài bằng tay, sau đó dùng khí nén để kẹp chặt Quá trình mài gồm mài vai bên trái và bên phải của chi tiết, với xi lanh A di chuyển đến vị trí ngoài cùng và trong cùng để giữ áp suất kẹp, giúp bộ dẫn tiến dọc B chuyển động đi lại, hoàn tất quá trình mài vai bên phải Tiếp đó, xi lanh tiến ngang C di chuyển ra, kéo theo bộ dẫn tiến dọc đi ra và về, trong khi đó vai bên trái đã được mài xong Khi xi lanh C quay về vị trí ban đầu, xi lanh A sẽ nhả chi tiết mài ra, kết thúc hành trình mài Cần thiết kế mạch điều khiển theo nhịp phù hợp với sơ đồ hành trình bước đã đề ra để đảm bảo quá trình gia công chính xác và hiệu quả.
BÀI 5: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG HỆTHỐNG ĐIỆN
KHÍ NÉN GIỚI THIỆU BÀI5:
Bài 5 là bài giới thiệu về phương pháp điều khiển theo tầng hệ thống điện khí nén: giới thiệu phương pháp thiết kế theo tầng,thiết kế mạch điều khiển các cơ cấu/máy thực tế bằng phương pháp chia tầng Qua bài học này người học có khả năng thiết kế, phân tích mạch điều khiển theo tầng cho các cơ cấu điều khiểnđiện khí nén trong thực tế.
MỤC TIÊU CỦA BÀI 5LÀ:
Trình bày được nguyên lý mạch điều khiển theo theotầng trong hệ thống điện - khí nén;
Thiết kế, phân tích mạch điều khiển theo tầng cho các cơ cấu điều khiển trong thực tế;
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
Phát huy khả năng sáng tạo;
Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn trong hệ thống thủy lực khí nén.
Trong phương pháp giảng dạy và học tập bài 5, người dạy nên sử dụng các phương pháp tích cực như diễn giảng, vấn đáp và giảng dạy theo vấn đề để nâng cao hiệu quả truyền đạt kiến thức Người học cần chủ động đọc trước giáo trình bài 5, hoàn thành đầy đủ các câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống theo cá nhân hoặc nhóm, rồi nộp đúng hạn cho người dạy Điều kiện để thực hiện bài 5 bao gồm sự chuẩn bị kỹ lưỡng của người học và phương pháp giảng dạy phù hợp từ phía người dạy.
Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng thủy lực – khí nén.
Trang thiết bị máy móc: Máy tính, máy chiếu và các thiết bị dạy học khác