Các hệ thống khí nén được sử dụng trong công nghiệp thường được cung cấp bởi khí nén hoặc khí trơ nén. Máy nén khí đặt ở vị trí trung tâm và máy phát điện cung cấp cho các xy lanh, động cơ không khí và các thiết bị khí nén khác. Một hệ thống khí nén được điều khiển bằng van điều khiển bằng tay hoặc tự động được lựa chọn khi nó cung cấp chi phí thấp hơn, linh hoạt hơn hoặc an toàn hơn động cơ điện và thiết bị truyền động. Khí nén học cũng có ứng dụng trong nha khoa, xây dựng, khai thác mỏ, và các khu vực khác.
Trang 1CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
Trang 2NGUỒN NĂNG LƯỢNG
KHÍ NÉN
Chuyển động tịnh tiến Cơ cấu hút chân không Chuyển động quay
Trang 3Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển tự động khí nén- khí nén
Trang 4Ký hiệu
Trang 51 Mạch logic AND (Phép nhân)
&
S1 S2
0 0 1 1
0 0 0 1
1 0 1
0 0 1 1
0 1 1 1
S2
3 Mạch logic NOT (phủ định)
A
P S
1 0
Bảng sự thật:
4 Phương trình logic rút gọn: Y = K1 v (K1 K2) = (K1 K2)
Trang 6a Van đảo chiều 3/2 -2 phía tác động bằng khí nén X, Y ( 2 trạng thái)
S R
Y X
A
A S
5 Phần tử nhớ – RS flipflop ( Van 2 trạng thái)
b Van đảo chiều 5/2 -2 phía tác động bằng khí nén X, Y ( 2 trạng thái)
Van hai trạng thái không có một vị trí ưu tiên và giữ nguyên ở một trong hai vị trí cho
đến khi có một trong hai xung tín hiệu tác động.
Trang 7II PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THEO TẦNG -(CASCADE)
C PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
1 Nguyên tắc:
2 Cách tạo tầng
3 Các bước thiết kế theo tầng
I BIỂU DIỄN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1 Phân loại hệ thống điều khiển theo tín hiệu
2 Biểu diễn hệ thống điều khiển
Trang 8I BIỂU DIỄN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1 Phân loại hệ thống điều khiển theo tín hiệu
Tín hiệu dùng để biểu diễn thông tin trong các hệ thống kỹ thuật Mỗi tín hiệu tương ứng
với một đại lượng vật lý của hệ thống, như điện áp, áp suất, mức, …
a Tín hiệu nhị phân (Binary): Loại tín hiệu chỉ có hai giá trị, biểu thị hai trạng thái đối nghịch như
đóng/mở, có/không, sáng/tối, mức cao/thấp… gọi là tín hiệu nhị phân
b Tín hiệu tương tự(Analogue): Trong mạch khí nén, áp suất được đo và hiển thị giá trị liên tục trên
đồng hồ áp suất.Loại tín hiệu này gọi là tín hiệu tương tự hay tín hiện liên tục
c Tín hiệu kỹ thuật số là tín hiệu thời gian rời rạc.
Trang 92 Biểu diễn hệ thống điều khiển
- Biểu đồ trạng thái - theo tiêu chuẩn VDI 3260
2.1 Biểu đồ trạng thái:
Trục toạ độ thẳng đứng biểu diễn trạng
thái (hành trình chuyển động, vận tốc,áp
suất, lực, nút ấn ).
a 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 toạ độ nằm ngang biểu diễn các
bước thực hiện hoặc thời gian hành trình.
Hành trình làm việc được chia thành các
bước Sự thay đổi trạng thái trong các
bước được biểu diễn bằng đường đậm
Sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn
bằng đường nét nhỏ và chiều tác động
biểu diễn bằng mũi tên.
- Sơ đồ chức năng - theo tiêu chuẩn DIN 40 719
-0.40 0 0.40 0.80
XI LANH A
Velocity m/s
0
a NUT AN 1
Switching position
0
a NUT AN 2
Switching position
Designation Quantity v alue
Sơ đồ hành trình bước : là Biểu đồ trạng
thái chỉ biểu diễn hành trình của xi lanh.
Trang 10Ví dụ qui trình công nghệ: máy phay tự động:
Một cơ cấu kẹp thực hiện công việc kẹp chặt phôi trong khi
máy phay làm việc và sẽ nhả ra khi máy đã hoàn tất chi tiết
phay Người ta dùng hai xy lanh A và B, xy lanh A sẽ thực
hiện kẹp giữ phôi và xy lanh B thực hiện phay.
b Ví dụ: biểu diễn sơ đồ hành trình bước
Xi lanh A
Xi lanh B
S2 S1 S4 S3
Bước thưc hiện
Bước 1: Xi lanh A+: kẹp giữ phôi
Bước 2: Xi lanh B+: Phay tới
Bước 3: Xi lanh B-: lùi về
Bước 4: Xi lanh A-: Nhả phôi
Mạch khí nén:
5 1 3
Trang 11Ví dụ nhấn nút Start bước (lệnh) 1 thực
Bước (lệnh) 3 Đầu phay lùi về Bước (lệnh) 4
Đồ gá - tháo chi tiết
2.2 Sơ đồ chức năng
Sơ đồ chức năng được thiết kế theo tín
hiệu ra (cuối) của bước (lệnh) thực hiện.
tín hiệu vào của Bước (lệnh) 4
Công tắc hành trình S 1 - tín hiệu cuối
của Bước (lệnh) 4 là tín hiệu vào bắt
đầu của chu kỳ mới.
Ví dụ qui trình công nghệ: máy phay tự động:
Trang 12II PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THEO TẦNG (CASCADE)
1 Nguyên tắc:
Trong thiết kế mạch điều khiển theo tầng cần thỏa mãn 2 nguyên tắc:
- Ký hiệu đối tượng điều khiển (xi lanh, động cơ ) không trùng lặp trong 1 tầng:
B Để tạo ra 3 tầng người ta dùng 02 phần tử nhớ - Flipflop): 02 van đảo chiều 5/2
C Để tạo ra 4 tầng người ta dùng 03 phần tử nhớ - Flipflop): 03 van đảo chiều 5/2
D Mạch có n- tầng, người ta dùng (n-1) phần tử nhớ - Flipflop): (n-1) van đảo chiều 5/2
Trang 13Taàng I
Taàng II
E2 E1
1
2
3 Start
Tầng 1
Tầng 2
Tín hiệu E1 được nối khí nén của tầng 2 (L2 ) Tín hiệu E2 được nối khí nén của tầng 1 ( L1 )
a Mạch khí nén với sơ đồ hành trình bước có 2 tầng: cần 1 phần tử nhớ: van 5/2
A Tín hiệu đầu tầng: mạch khí nén có 2 tầng
b Có 2 tín hiệu đầu tầng E1, E2 được thiết kế như sau:
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1 ) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 ( L2 ) không hoạt
động ( không có khí nén).
Trang 14Taàng I Taàng II Taàng III
E2
E3 E1
Tín hiệu E1 được nối khí nén của tầng 3 (L3)
Tín hiệu E2 được nối
khí nén của tầng 1 (L1)
Tín hiệu E3 được nối khí nén của tầng 2 (L2)
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1 ) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 ( L2 ) và tầng 3 ( L3 ) không hoạt động ( không có khí nén).
a Mạch khí nén với sơ đồ hành trình bước có 3 tầng: cần 2 phần tử nhớ: van 5/2
b Có 3 tín hiệu đầu tầng E1, E2, E3 được thiết kế như sau:
B Tín hiệu đầu tầng: mạch khí nén có 3 tầng
Trang 15Taàng I Taàng II Taàng III Taàng IV
E2
E3
E4 E1
Tín hiệu E1 được nối
a Mạch khí nén với sơ đồ hành trình bước có 4 tầng: cần 3 phần tử nhớ: van 5/2
b Có 4 tín hiệu đầu tầng E1, E2, E3, E4 được thiết kế như sau:
C Tín hiệu đầu tầng: mạch khí nén có 4 tầng
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1 ) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 ( L2 ), tầng 3 ( L3 ) và
tầng ( L4 ) không hoạt động ( không có khí nén).
Trang 16Một qui trình công nghệ có thể được diễn đạt bằng một trong 4 phương thức sau:
Bước 1: Xi lanh A+: kẹp giữ phôi
Bước 2: Xi lanh B+: Phay
Bước 3: Xi lanh B-: lùi về
Bước 4: Xi lanh A-: Nhả phôi
c Sơ đồ hành trình bước máy phay tự động:
Bước thưc hiện
b Qui trình công nghệ: máy phay tự động: a Máy phay tự động (video):
3.1 Các bước thiết kế mạch 2 tầng Xem VIDEO 01
3 Các bước thiết kế theo tầng
Xy lanh A thực hiện kẹp giữ phôi.
Xy lanh B thực hiện phay.
Trang 17B A
P S
Xy lanh B
A+
A-R
B A
P S
Xy lanh A
Hiển thị tín hiệu ra Y Hiển thị tín hiệu vào S
Trang 18Bước 3: Lập bảng điều khiển qui trình
a Chia tầng: Ký hiệu xi lanh không trùng lặp trong 1 tầng:
A+B+B-A-c Xác định tín hiệu đầu tầng:
b Phần tử đảo tầng: R-S Flipflop khí nén: 01
• Tín hiệu đầu tầng I = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng 2 hoặctín hiệu kết thúc chu kỳ
kết hợp với nút nhấn Start.
E1 = S1^ Start
Taàng I Taàng II
E2 E1
Tầng 1: A+B+
Tầng 2: B-
A-• Tín hiệu đầu tầng II = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng I
E2 = S4
Trang 19Bước 3: Xi lanh B- Y4 = L2 Bước 4: Xi lanh A- Y2 = L2 ^ S3
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 (L2) không hoạt động ( không có khí nén).
Yêu cầu a: Van đảo chiều 5/2: 2 phía điều khiển khí nén
Trang 20Tín hiệu vào trong tầng: tầng 1 ( L1 ): S2, tầng 2( L2 ): S3
Phương trình tín hiệu ra Y :
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 (L2) không hoạt động ( không có khí nén).
Yêu cầu b: Van đảo chiều 5/2: 1 phía lò xo 5
Bước 1: A+ Y1 = L1 Bước 2: B+ Y3 = L1 ^ S2
Bước 3: B- Chuyển tầng Y3 = 0
Y1 = L2 Bước 4: A- Y1 = L2 ^ S3 =0
S3 Y1 = L2 ^
S3 Y1 = L1 v (L2 ^ ) Rút gọn Y:
Trang 21Taàng I
Taàng II
E2 E1
1
2
3 Start
Tầng 1
Tầng 2
Tín hiệu E1 được nối khí nén của tầng 2 (L2 ) Tín hiệu E2 được nối khí nén của tầng 1 ( L1 )
Mạch khí nén 2 tầng với 2 tín hiệu đầu tầng E1, E2 được thiết kế như sau:
Yêu cầu a: Van đảo chiều 5/2: 2 phía điều khiển khí nén và Yêu cầu b: Van đảo chiều 5/2: 1 phía lò xo có mạch tín hiệu đầu tầng giống nhau:
Trang 22Bước 4: Thiết kế và mô phỏng mạch khí nén
State Diagram PROGRAM: /A+B+B-A-/
0 2 4 6 8 10 12 14
200 400 600 800 1000
Xi lanh A
Position mm
200 400 600 800 1000
Xi lanh B
Position mm Designation Quantity v alue
5 1 3
Y 1
5 1 3
2
1 3 S1
2
1 3
S2 2
1 3 S3
Tang 1 (L1) Tang 2 (L2)
START
2
Yêu cầu: Van đảo chiều 5/2:
1 phía điều khiển lò xo
2
1 3 S1
2
1 3
S2 2
1 3 S3
Tang 1 (L1) Tang 2 (L2)
START
Yêu cầu: Van đảo chiều 5/2:
2 phía điều khiển khí nén
Trang 23A Ví dụ 01: Qui trình máy dập phôi tự động – van 5/2: 2 phía khí nén
a Trình tự dập thực hiện như sau:
3.2 Các bước thiết kế mạch 3 tầng
Bước 1: A+ đi ra đẩy chi tiết từ phễu cấp phôi vào vị
trí gá đặt chi tiết và thực hiện kẹp chặt.
Bước 2: B+ đi ra tiến hành dập chi tiết
Bước 3: Khi dập xong thì Pittông B- sau đó quay về
Bước 4: Sau đó Pittông A- quay về để tháo chi tiết
Bước 5: C+ đi ra tiến hành đẩy chi tiết vào máng chứa
Bước 6: C- quay về.Kết thúc 1 chu kỳ làm việc.
Xem VIDEO 02
CHI TIẾT GIA CÔNG
Trang 24Bước 1: Phác thảo mạch khí nén – van 5/2: 2 phía đk khí nén
Bước 2: Lập sơ đồ hành trình bước
5 1 3
S3
S5S6
Trang 25Bước 3: Lập bảng điều khiển qui trình
a Chia tầng: Ký hiệu xi lanh không trùng lặp trong 1 tầng:
b Phần tử đảo tầng: R-S Flipflop khí nén: 02
Tầng 1: A+ B+
Tầng 2: B- A- C+
Tầng 3:
C-Taàng I Taàng II Taàng III
E2
E3 E1
Tầng 1 Tầng 2 Tầng 3
c Xác định tín hiệu đầu tầng:
• Tín hiệu đầu tầng 1 = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng 3 (hoặc tín hiệu kếtthúc chu kỳ) kết hợp với nút nhấn Start: E1 = S5 ^ Start
• Tín hiệu đầu tầng 2 = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng 1: E2 = S4
• Tín hiệu đầu tầng 3 = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng 2: E3 = S6
Trang 2602 – van đảo chiều 5/2
Tín hiệu vào trong tầng: S2 (tầng 1); S3, S1 (tầng 2)
Program /A+B+B-A-C+C-/
Tín hiệu ra Y (OUTPUT): Tầng 1 (L1):
Bước 1: A+ Y1 = L1 Bước 2: B+ Y3 = L1 ^ S2
Bước 3: B- Y4 = L2 Bước 4: A- Y2 = L2 ^ S3 Bước 5: C+ Y5 = L2 ^ S1
Bước 6: C- Y6 = L3 Tầng 2 (L2):
Tầng 3 (L3):
Trang 27Taàng I Taàng II Taàng III
E2
E3 E1
Tín hiệu E1 được nối khí nén của tầng 3 (L3)
Tín hiệu E3 được nối khí nén của tầng 2 (L2)
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1 ) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 ( L2 ) và tầng 3 ( L3 ) không hoạt động ( không có khí nén).
Mạch khí nén 3 tầng với 3 tín hiệu đầu tầng E1, E2 , E3 được thiết kế như sau:
Trang 284 2
5 1 3
2
1 3 S4
2
1 3
S2 2
1 3
S3
2
1 3 S1
2
1 3 S6
2
1 3 S5
XI LANH A
Position mm
20 40 60 80 100
XI LANH B
Position mm
40 60 80 100
XI LANH C
Position mm Designation Quantity v alue
Bước 4: Thiết kế và mô phỏng mạch khí nén
Program /A+B+B-A-C+C-/
Trang 29B Ví dụ 02: Qui trình máy dập phôi tự động – van 5/2: 1 phía lò xo
a Trình tự dập thực hiện như sau:
Bước 1: A+ đi ra đẩy chi tiết từ phễu cấp phôi vào vị trí
gá đặt chi tiết và thực hiện kẹp chặt.
Bước 2+3: B+ đi ra tiến hành dập chi tiết,dừng thời gian T=1s
Bước 3: Pittông B- sau đó quay về
Bước 4: Sau đó Pittông A- quay về để tháo chi tiết
Bước 5: C+ đi ra tiến hành đẩy chi tiết vào máng chứa
Bước 6: C- quay về.Kết thúc 1 chu kỳ làm việc.
Xem VIDEO 03
CHI TIẾT GIA CÔNG
Trang 30Y 5
50% 51%
XI LANH B XI LANH C
Hiển thị tín hiệu vào S
Hiển thị tín hiệu vào S cuối bước
S3
S5 S6
S1 S4 ^ T
S6
S5 Bước
Trang 3102 – van đảo chiều 5/2
Tín hiệu ra Y:
Tầng 1 (L1):
Bước 1: A+ Y1 = L1 Bước 2: B+ Y3 = L1 ^ S2 Bước 3: A+ Y1 = L2 Tầng 2 (L2):
Rút gọn của tín hiệu ra Y :
Tín hiệu ra: Y1 = L1 v (L2 ^ S3) Tín hiệu ra: Y3 = L1 ^ S2
Tín hiệu ra: Y5 = L2 ^ S1
Trang 32Taàng I Taàng II Taàng III
E2
E3 E1
Tín hiệu E1 được nối khí nén của tầng 3 (L3)
Tín hiệu E2 được nối
khí nén của tầng 1 (L1)
Tín hiệu E3 được nối khí nén của tầng 2 (L2)
Nguyên tắc: khi tầng 1 (L1 ) hoạt động (có khí nén), thì tầng 2 ( L2 ) và tầng 3 ( L3 ) không hoạt động ( không có khí nén).
S4 ^ T Mạch khí nén 3 tầng với 3 tín hiệu đầu tầng E1, E2 , E3 được thiết kế như sau:
Trang 33Bước 4: Thiết kế và mô phỏng mạch khí nén
5 1 3
4 2
5 1 3
2
1 3 S4
2
1 3
S2 2
1 3 S3
2
1 3 S1
2
1 3 S6
2
1 3 S5
XI LANH A
Position mm
20 40 60 80 100
XI LANH B
Position mm
40 60 80 100
XI LANH C
Position mm
Designation Quantity v alue
State Diagram
Program /A+B+(T)B-A-C+C-/
Trang 34a YÊU CẦU QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
Qui trình máy khoan 2 lỗ tự động
Bước 1: Xi lanh A+ kẹp chi tiết
Bước 2: Xi lanh B+ Khoan lỗ thứ 1
Bước 3: Xi lanh B-Luì về
Bước 4: Xi lanh C+ Dịch chuyển sang vị trí khoan lỗ 2
Bước 5: Xi lanh B+ Khoan lỗ thứ 2
Bước 6: Xi lanh B-Luì về
Bước 7: Xi lanh C-Luì về
Bước 8: Xi lanh A-Luì về
Chi tiết được lấy ra bằng tay Kết thúc chu kỳ làm việc.
Xem VIDEO 04
CHI TIẾT GIA CÔNG
Trang 354 2
5
1 3
Bước 2: Biểu đồ trạng thái
Hiển thị tín hiệu vào S cuối bước
tín hiệu kết thúc chu kỳ
Program /A+B+B-C+B+B-C-A-/
0
10
10
Xi lanh A
Xi lanh B
Xi lanh C
S1 Bước
Trang 36Bước 3: Bảng điều khiển qui trình
Tín hiệu vào đầu tầng:
E1, E2, E3, E4
Phương trình của tín hiệu ra Y:
Y2 = L4 ^ S5
Y3 = (L1 ^ S2) v L3 Y4 = L2 v L4
Y5 = L2 ^ S3 Y6 = L4 ^ S3
Tín hiệu vào đầu tầng E: S4 ( tầng 2 ); S4 ( tầng 4) trùng nhau, cho nên ta lắp kết hợp với L1 để có
tín hiệu đầu tầng 2: E2 = S4 ^ L1 và lắp kết hợp vớiL3 để có tín hiệu đầu tầng 4: E4 = S4 ^ L3
Trang 37
Taàng I Taàng II Taàng III Taàng IV
E2
E3
E4 E1
Tín hiệu E2 được nối
Trang 38Program /A+B+B-C+B+B-C-A-/
20 40 60 80 100
XI LANH A
Position mm
20 40 60 80 100
XI LANH B
Position mm
20 40 60 80 100
XI LANH C
Position mm Designation Quantity v alue
Bước 4: Thiết kế và mô phỏng mạch khí nén
S3 S4
4 2
5 1 3
S5 S6
4 2
5 1 3
4 2
5 1 3
2
1 3 S6
2
1 3
S2 2
1 3 S5
2 S4
2
1 3 S1
Trang 39I BÀI TẬP P.P THIẾT KẾ THEO TẦNG KHÍ NÉN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:
1 Phác thảo mạch khí nén;
2 Biểu đồ hành trình bước;
3 Lập bảng điều khiển qui trình;
4 Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm: Simulation Pneumatics FluidSim 4.2
(Khi mô phỏng cho hiển thị State diagram)
Nhóm 1: Tên của Sinh viên từ A- K: Bài: 1,2 Nhóm 2: Tên của Sinh viên từ L- Z: Bài: 3,4
D BÀI TẬP CHƯƠNG 5:
THIẾT KẾ KHÍ NÉN THEO TẦNG
Lưu ý: Bước 1 và bước 2 của qui trình công nghệ đã cho biết
Sinh viên thực hiện Bước 3 và Bước 4
Sau khi mô phỏng xong, mạch hoạt động Sinh viên thực hiện:
- Copy dưới dạng Object “mạch khí nén, mạch điện điều khiển và State Diagram” trong FluidSim
- Chuyển sang Word và dán vào
- Lưu bài tập làm được dưới dạng File Word hoặc PDF
II BÀI TẬP THAM KHẢO THÊM: ( 03 BÀI )
Trang 40Hệ thống gồm 2 xy lanh:
- Xy lanh 1A dùng để định lượng theo thể
tích nguyên liệu vào chai, khi đi ra và dừng
thời gian T;
- Xy lanh 2A dùng để định vị chai trong
quá trình chiết rót và định lượng
1 Ví dụ 01: Qui trình chiết rót - định lượng tự động
- Khi mô phỏng cho hiển thị trạng thái: Xi
lanh A, B Thời gian dừng T
CÁC QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHO BÀI TẬP
NHÓM 1: Bài 1,2
Trang 414 2
5 1 3
5 1 3
Xi lanh 1A
Position mm
200 400 600 800 1000
Xi lanh 2A
Position mm Designation Quantity v alue
Xi lanh 1A
Xi lanh 2A
S2S1S4S3
Trang 422 Ví dụ 02: Hệ thống đóng gói tự động
- Một hệ thống tự động trong dây chuyền đóng gói
sản phẩm, mỗi hộp chứa 4 chi tiết, các chi tiết này
được cung cấp từ băng tải.
- Xy lanh A có nhiệm vụ tạo chuyển động quay của
mâm xoay, mâm xoay này chỉ xoay một chiều thông
qua cơ cấu cóc (quá trình xy lanh A đi ra thì mâm
sẽ xoay 90 0 , quá trình đi về không làm di chuyển
xoay).
- Xy lanh B mang 4 phễu hút chân không di chuyển
theo hướng lên hoặc xuống để hút chi tiết bỏ vào
hộp.
- Xy lanh C có nhiệm vụ tạo chuyển động di chuyển
theo hướng ngang của xy lanh B để di chuyển chi
tiết từ băng tải tới hộp chứa Các chi tiết được
băng tải di chuyển theo 2 hàng.
- Các phễu hút chân không được di chuyển lên
hoặc xuống để hút hoặc nhả vật vào hộp.