Chương 2: Các hệ thống chấp hành trong Cơ Điện tử

Chương 2: Các hệ thống chấp hành trong Cơ Điện tử, GV: Đỗ Đức Nam, ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 1

CÁC HỆ THỐNG CHẤP HÀNH

TRONG CƠ ĐIỆN TỬ

Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot,

Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đỗ Đức Nam

Trang 2

Chương 1 Chương 2 Chương 3 Chương 4 Chương 5 Tổng kết

Trang 3

Là các hệ thống tích hợp trong một sản phẩm Cơ điện tử

• Hệ thống Cơ khí

• Hệ thống Điện, Điện tử

• Hệ thống Điều khiển

• Hệ thống Thủy khí

• Hệ thống Vi cơ điện tử (MEMS)

Hệ thống chấp hành trong Cơ điện tử:

Cơ khí

Điện Điện tử

Điều khiển

Trang 4

Robotics

Robot công nghiệp (Industrial robots)

(Humanoid robots)

Chương 2

Trang 5

Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, tích hợp CIM

Swinburne University of Technology (Australia)

Berufsforderungswerk Graf Bismark, Gelsenkirchen (Germany)

University of Wisconsin at Madison (USA)

Kyushu Institute of Tech (Japan)

Trang 6

Trang 7

Thể hiện kết cấu hình dáng cơ sở của sản phẩm Cơ điện tử:

Các chi tiết cơ khí Các cụm cơ khí Các khung bệ lắp ráp cho các mô đun khác Các chi tiết sử dụng làm vật liên kết, trung gian ghép nối

Hệ thống Cơ khí

Ví dụ:

Hệ thống cơ khí

Trang 8

Thiết kế gia công chế tạo hệ thống cơ khí

Thực tế là gia công các chi tiết cơ khí và cụm chi tiết cơ khí:

Trang 9

Truyền động khí nén

Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực Cơ điện tử Thường sử dụng dưới dạng các hệ truyền động kẹp giữ, vận chuyển, nâng hạ, phanh hãm, các cơ cấu tự động hóa, Tbị đo…

Hệ thống thủy khí: Khí nén và thủy lực

Đặc thù

Ưu điểm

Kết cấu đơn giản: trong sử dụng và điều khiển

Độ tin cậy làm việc cao

Độ an toàn cao với các môi trường dễ cháy, nổ, các môi trường khắc nghiệt: phóng xạ, hóa chất

Nhược điểm

Khả năng tác động nhanh và điều khiển từ xa kém hơn hệ thống điện-điện

tử, nhưng vẫn tốt hơn hệ thống thủy lực (có thể dùng kết hợp các HT) Kích thước lớn hơn hệ thống thủy lực cùng công suất

Tính nén được của không khí khá lớn nên ảnh hưởng chất lượng của HT Vận tốc của cơ cấu chấp hành lớn nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình Điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở giữa hành trình là khó hơn so vơi HT thủy lực

Làm việc ồn hơn HT thủy lực

Hệ thống thủy khí

Trang 10

Truyền động khí nén

Tính toán thiết kế hệ truyền động khí nén:

- Tổng hợp phân tích ĐH & ĐLH

Chương 2

Chọn lựa sơ đồ theo yêu cầu công việc: điều kiện

làm việc, trình tự làm việc của các cơ cấu chấp hành

Xác định thông số hình học & kích thước các cơ cấu khí nén: đường kính, chiều dài ống dẫn, kích

thước pitong, xylanh,

XĐ các thông số động học và động lực học và tác động nhanh… của HT khí nén

- Phân tích cấu trúc hệ thống

Đơn giản hóa kết cấu Giải bài toán tổng hợp điều khiển

Trang 11

Truyền động thủy lực

Hệ thống bao gồm 2 khâu chính:

- Bơm thủy lực: biến cơ năng thành thủy năng

- Động cơ thủy lực: biến thủy năng thành cơ năng của khâu ra củ TĐ Ngoài ra: - HT đường ống, cơ cấu lọc chất lỏng

- Các phần tử thủy lực : cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn, điều chỉnh

- Các thiết bị kiểm tra: thông số, to, áp suất, mức chất lỏng …

Phân loại:

- TĐ thủy lực thể tích (bơm và đ/cơ trong HT máy TL thể tĩnh)

- TĐ thủy động (bơm và đ/cơ trong HT máy TL cánh dẫn)

Đặc tính: Cơ năng được truyền thông qua môi chất là chất lỏng (nước , dầu…)

Đặc thù

Trang 12

Tính chính xác phụ thuộc vào chất lượng của dầu thủy lực, khí hậu, môi trường,

Khó khăn trong bảo trì, vấn đề chống ăn mòn, chống xuống cấp của dầu

Gây ô nhiễm môi trường

Trang 13

Hệ thống Điện-Điện tử

Hệ truyền động điện Động cơ điện và các đặc tính cơ bản của động cơ điện Động cơ điện phổ biến khác dùng trong lĩnh vực cơ điện tử Các linh kiện điện tử dùng trong các sản phẩm cơ điện tử Các mạch vi điện tử

Trang 14

Chương 1 Chương 2 Chương 3 Chương 4 Chương 5 Tổng kết Chương 2

Hệ thống truyền động điện (TĐĐ)

Hệ thống truyền động lực cho một máy, một dây truyền sản xuất mà dùng năng lượng điện gọi là hệ TĐĐ

HT TĐĐ bao gồm: - Các t/bị dùng biến đổi điện năng thành cơ năng (bộ biến đổi+đ/cơ điện)

- Các t/bị điều khiển quá trình biến đổi này (phần điều khiển)

L- Lưới điện

1- Bộ biến đổi

2- Động cơ điện

3- Thiết bị truyền lực

4- Cơ cấu sản xuất

5- Thiết bị điều khiển

Trang 15

• Bộ biến đổi (1): - dùng biến đổi loại dòng điện(1 chiều xoay chiều)

- dùng để biến đổi loại nguồn (nguồn áp nguồn dòng)

- dùng để biến đổi mức điện áp hoặc dòng điện, số pha, tần số

VD: Máy pháp điện, hệ máy phát-động cơ, chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển,

các bộ biến tần…

• Động cơ điện (2): - biến đổi điện năng thành cơ

năng/cơ năng thành điện năng (khi hãm điện)

Các loại động cơ điện:

- Đ/c điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ rotor lồng

sóc hay dây quấn

- Đ/c điện 1 chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp,

hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

- Đ/c điện xoay chiều ba pha có cổ góp

Trang 16

• Khối điều khiển (5): - là các thiết bị dùng để điều

khiển bộ biến đổi, động cơ điện, cơ cấu truyền lực

Các thiết bị điền khiển:

- Các khí cụ đóng cắt mạch có tiếp điểm (rơ le, công tắc

tơ…); không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn)

- Các bộ khuếch đại, các bộ điều chỉnh (regulator)

- Máy tính, bộ vi xử lý (microprocessor)

- Các bộ điều khiển theo chương trình, CPU, PLC, CNC …

- Các thiết bị đo lường cảm biến (sensor) dùng để lấy tín hiệu

phản hồi; các loại đông hồ đo, cảm biến từ, cơ, quang…

• Khâu truyền lực (3): - dùng để truyền lực từ trục đ/cơ đến cơ cấu sản xuất; dùng biến

đổi dạng chuyển động (quay, tịnh tiến, lắc…) hoặc làm phù hợp về tốc độ moomen, lực…

Các thiết bị truyền lưc:

- bánh răng, thanh răng, trục vít-bánh vít, vít me đại ốc, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hay điện từ…

• Cơ cấu sản xuất (4): - thực hiện các thao tác sản

xuất và công nghệ: g/c chi tiết, nâng hạ tải trọng, dịch

Trang 18

4- Theo chiều quay động cơ

a) Truyền động có đảo chiều (quay)

b) Truyền động không đảo chiều (quay)

3- Theo chế độ làm việc

a) Chế độ làm việc liên tục b) Chế độ làm việc gián đoạn

5- Theo loại dòng điện

a) Truyền động điện xoay chiều b) Truyền động điện 1 chiều

6- Theo đặc điểm thay đổi thông số điện

a) Truyền động không điều chỉnh: đ/c nối thẳng với nguồn điện và kéo máy với 1 tốc

độ nhất định, thông số điện của hệ thay đổi là do nhiễu bên ngoài

b) Truyền động không đảo chiều (quay): Thông số điện của hệ thay đổi được nhờ các thiết bị điều khiển (điều chỉnh tốc độ, vị trí, lực hay mômen)

7- Theo thiết bị biến đổi

a) Hệ máy phát-động cơ (F-Đ)

b) Hệ chỉnh lưu-động cơ (CL-Đ)

Trang 19

- Đặc tính cơ của TĐĐ = Đặc tính cơ của CCSX+ Đặc tính cơ của động cơ điện

- Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay ()và mô men quay (M)

=f(M) hoặc n=f(M)

• Đặc tính cơ của CCSX:

Công thức tổng quát:

Trong đó: Mc– mô men cản của CCSX ở tốc độ  nào đó

Mco – mô men cản của CCSX ở tốc độ  =0;

Mcđm – mô men cản của CCSX ở tốc độ  = đm;

k – số mũ đặc trưng của phụ tải (k=0, ±1,2)

(1)

Trang 20

Đặc tính cơ của: các cc nâng-hạ (máy trục, thang máy)

Cơ cấu ăn dao máy cắt gọt KL

• T/h k=1, PT (1) =>

-> mô men cản không phụ thuộc tốc độ

-> Đg (2)-> mô men cản tỷ lệ bậc 1 theo tốc độ

Đặc tính cơ của: Máy phát điện 1 chiều với tải thuần trở

• T/h k=2, PT (1) =>

-> mô men cản tỷ lệ bậc 2 theo tốc độ

Đặc tính cơ của: Máy thủy khí: bơm, quạt, chân vịt tàu thủy

Trang 21

• Đặc tính cơ của động cơ điện

- Đặc tính cơ tự nhiên: là quan hệ giữa tốc độ quay  và mô men quay M khi các thông số điện: điện áp, tần số…là định mức theo chế độ được thiết kế chế tạo

mà ko nối thêm điện trở, trở kháng

- Đặc tính cơ nhân tạo: là quan hệ giữa  và M khi các thông số điện là ko đúng định mức hoặc mạch nối thêm điện trở, trở kháng

Trang 22

Động cơ điện và các đặc tính cơ bản của động cơ điện

• Động cơ điện một chiều

- Phân loại:

1 Kích từ độc lập

2 Kích từ song song

3 Kích từ nối tiếp

Trang 23

cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác

dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm

dây dẫn chuyển động Chiều lực từ xđ theo quy tắc bàn

tay trái

Trang 24

Ưu điểm

Moment mở máy lớn, do vậy kéo được tải nặng khi khởi động

Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với

hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi mịn tốc độ

Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp và đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên

Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp - chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ

Do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cần cho máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một

Trang 26

• Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ

- Cấu tạo: (kiểu rotor dây quấn)

Trang 27

• Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ

Nguyên lý làm việc:

Trang 28

• Động cơ điện xoay chiều một pha

-Nguyên lý làm việc: Cho dòng điện xoay

chiều hình sin vào cuộn cảm một pha ở stator

đ/cơ, trong cuộn dây sinh ra từ trường biến thiên

cũng theo luận hình sin hướng dọc trục cuộn

cảm Đó là từ trường đập mạch, chậm pha hơn

điên áp góc p/2

- Từ trường đập mạch không tạo mô men quay

ban đầu (nhược điểm)

Ngoài ra…

Trang 29

• Động cơ điện đồng bộ

-Nguyên lý làm việc: trong từ trường quay tạo bởi

dòng điện xoay chiều 3 pha qua 3 cuộn dây đặt lệch

nhau 120o , đặt một kim nam châm có trục quay, thì

kim nam châm quay cùng tốc độ từ trường (do các

cực từ khác dấu hút nhau)

-Động cơ đồng bộ là đ/c xoay chiều, có stator như

của đ/c không đồng bộ để tạo từ trường quay, con

rotor thực chất là một nam châm vĩnh cửu hoặc nam

châm điện 1 chiều

Trang 30

• Động cơ bước là động cơ điện không có bộ phận đảo mạch

Hình： Phân biệt động cơ bước và động cơ điện thông thường

• Động cơ bước

Cấu tạo： động cơ bước có thể được coi là

tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một

chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm

tốc công suất nhỏ

Trang 31

-Nguyên lý làm việc: Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

• Động cơ bước

- Ứng dụng: Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số

- Ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, trong các thiết bị cần điều khiển chính xác: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các

hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

-Trong công nghệ máy tính: động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in

Trang 32

Phân loại (Dựa vào cấu tạo):

a) Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

b) Động cơ bước biến từ trở

Trang 33

• Động cơ servo

- Cấu tạo:

1 Động cơ chính

2 Board điều khiển tín hiệu hồi tiếp

3 Dây nguồn (red)

4 Dây tín hiệu vào (yellow and white )

5 Dây mass (Black)

Trang 34

Hoạt động của servo:

- Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành

mạch hồi tiếp vòng kín Cả mạch điều khiển và động cơ

đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V)

- Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều

khiển Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi

bánh răng, nối với vôn kế Vị trí của trục vôn kế cho biết

vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt được vị trí mong

muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ

- Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn

- Công dụng chính của động cơ servo là đạt được

góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o

Ứng dụng:

- Trong các robot, trong mô hình máy bay và xe hơi

-Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến

được gọi là động cơ servo R/C (radiocontrolled)

Tiêu đề	Các hệ thống chấp hành trong Cơ Điện tử
Tác giả	Đỗ Đức Nam
Trường học	Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ Điện Tử
Thể loại	Chương
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	4,12 MB