Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề Cơ điện tử Trình độ CĐTC)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG Giáo trình NHẬP MƠN CƠ ĐIỆN TỬ NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP & CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG - 2020 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử PHẦN I TỔNG QUAN HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ CHƢƠNG CƠ ÐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ I CƠ ÐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ 1.1 Mechantronic gì? Cơ điện tử hệ thống cấu máy có thiết bị điều khiển đƣợc lập trình có khả hoạt động cách linh hoạt Ứng dụng sinh hoat, công nghiệp, lĩnh vực nghiên cứu nhƣ; máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, máy chụp hình, modul sản xuất linh hoạt, tự động hóa q trình sản xuất thiết bị hỗ trợ nghiên cứu nhƣ thiết bị đo, hệ thống kiểm tra … Một số nhà khoa hoc nhà nghiên cúu định nghĩa điện tử nhƣ sau: Khái niệm điện tử đƣợc mó từ định nghĩa ban đầu cúa công ty Yasakawa Electric: “thuật ngữ Mechantronics (Cơ điện tử) đƣợc tạo (Mecha) Mechanism (trong Cơ Cấu) tronics electronics (Ðiện Tử) Nói cách khác, công nghệ sản phẩm ngày đƣợc phát triển ngày đƣợc kết hợp chặt chẽ hữu thành phần điện tử vào cấu khó ranh giới chúng Một định nghĩa khác điện tử thƣờng hay nói tói Harashima, Tomizukava Fuduka đƣa năm 1996: “ Cơ điện tử tích hợp chặt chẽ cúa kỹ thuật khí với điện tử điều khiển máy tính thơng minh thiết kế chế tạo sản phẩm qui trình cơng nghiệp.” Cùng năm dó Auslander Kempf đƣa định nghĩa khác nhƣ sau: “ Cơ điện tử áp dụng tổng hợp định tao nên hoạt động cúa hệ vật lý.” Năm 1997, Shetty lại quan niệm: “ Cơ điện tử phƣơng pháp luận đƣợc dùng để thiết kế Tối Ƣu Hóa sản phẩm điện.” Và gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa: “ Một hệ điện tử không kết hợp chặt chẽ hệ khí điện khơng chí đơn hệ khiển, tích hợp đầy đủ cúa tất hệ trên.” 2 Giáo Trình Nhập Môn Cơ Ðiện Tử Tất định nghĩa phát biểu Cơ điện tử xác đáng giàu thông tin, nhiên thân chúng, đứng riêng lẽ lại không định nghĩa đƣợc đầy đủ thuật ngữ Cơ điện tử.” Hình 1.1: Cơ điện tử kết hợp robot tin hoc (giaoducvn.net/ /001hand_mechatronics.jpg) Hình 1.2: Robot tự động làm việc phịng thí nghiệm (iel.ucdavis.edu/ /chrobot/figures/workcell.png) Hệ thống điện tử lĩnh vực đa ngành khoa hoc kỹ thuật hình thành từ ngành kinh điển nhƣ: Cơ khí , kỹ Thuật Ðiện – Ðiện tử khoa học tính tốn tin hoc Trong tổng họp hệ thống mơn hoc nhƣ Truyền Ðộng Ðiện, Truyền Ðộng Cơ, Thủy-Khí, Ðo Lƣòng Cảm Biến, Kỹ Thuật Vi Xử Lý, Lập 3 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Trình PLC, kết hợp vói khí chế tạo máy, Khoa Hoc Tính Tốn Tin Học, Kỹ Thuật Ðiện-Ðiện Tử, Mạng Truyền Thơng Cơng Nghiệp… Hình 1.3: Cơ Ðiện Tử Khảo sát thực tiễn mối quan hệ dạy học, học ứng dụng ngành điện tử công nghiệp nhƣ sau: Qua Khan Sát Thực Tiễn -> Nhu Cầu -> Nhân Lực Làm Gì (Hoạt Ðộng Nghe) Ðối Tƣợng Làm Việc Cơng Việc Cần Biết Gì Và Ðào Tạo Gì? Hình 1.4: Ðịnh hƣớng đào tạo ngành Cơ Ðiện Tử 4 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử 1.2 Hệ thống Cơ điện tử gì? Cũng giống nhƣ điện tử, có nhiều khái niệm khác hệ thống điện tử Chúng ta khảo sát số quan điểm sau cúa Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty Sự thành công ngành công nghiệp sản xuất bán hàng thị trƣờng giới phụ thuộc nhiều vào khả kết hợp cúa Ðiện-Ðiện Tử công nghệ tin học vào sản phẩm khí phƣơng thức sản xuất khí Ðặc tính làm việc cúa nhiều sản phẩm tại-xe ô tô, máy giặt, robot, máy công cụ… nhƣ việc sản xuất chúng phụ thuộc nhiều khả cúa ngành công nghiệp ứng dụng kỹ thuật vào việc sản xuất sản phẩm qui trình sản xuất Kết tạo hệ thống rẽ hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy linh hoạt so với hệ thống trƣớc Ranh giới điện điện tử , máy tính vá khí bị thay kết hợp chúng Sự kết hợp tiến tới hệ thống : Hệ thống điện tử Trên thực tế hệ thống điện tử khơng có định nghĩa rõ ràng Nó đƣợc tách biệt hoàn toàn phần riêng biệt nhƣng đƣợc kết hợp trình thực Sự kết hợp đƣợc trình bày hình 5, bao gồm phần riêng biệt Ðiện-điện tử, khí máy tính liên kết chúng lại lĩnh vực giáo dục đào tạo, công việc thực tế , ngành cơng nghiệp sản xuất thị trƣịng Cơ khí Ðiện – điện tử Máy tính GD & ÐT Hình 1.5: Sự liên kết thành phần Hệ Thống Cơ Ðiện 6 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Theo quan điểm cúa Okyay Kaynak, giáo sƣ Thỗ Nhị Kỳ định nghĩa Hệ Thống Cơ Ðiện Tử nhƣ sau: Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống điện tử theo Okyay Kaynak  Quan điểm cúa Bolton: Theo Bolton điện tử thuật ngữ cúa hệ thống Một hế thống đƣợc xem nhƣ hộp đen mà chúng có đầu vào đầu Nó hộp đen chúng gồm phần tử chứa đựng bên hộp, để thực chức liên hệ đầu vào đầu Ví dụ nhƣ: mơtơ điện có đầu vào nguồn điện đầu quay cúa trục động Ngõ vào Ngõ Ðộng quay Hình 1.7: Cấu trúc Hệ Thống Cơ Ðiện Tử theo Bolton 7 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử 1.3 Cấu trúc hệ thống điện tử Các phần tử cấu thành nên hệ thống điện tử:  Hệ thống thông tin  Hệ thống điện  Hệ thống khí  Hệ thống máy tính  Cảm biến  Cơ cấu tác động  Giao tiếp thời gian thực Giao tiếp thời gian Mơ hình hóa Mơ Cơ Tử = Ðiều khiển Tự động + Hệ Thống Cơ Động Cảm biến Hệ Thống D/A Hệ Thống Máy tính A/D Hình 1.8: Các thành phần cúa Hệ Thống Cơ Ðiện Tử Giải pháp modun, thiết kế sản phẩm điện tử: Giái pháp điện tử thiết kế kĩ thuật liên quan đến việc cung cấp cấu trúc có tích hợp thành hệ thống thống cúa công nghệ khác đƣợc thiết lập đánh giá Sơ đồ khối hệ thống toàn ( sản phẩm điện tử) nhƣ sở khối xây dựng modun thành phần đƣợc thể hình 1.9 8 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Modun Giao Diện Interface module Modun Phần Mềm Software module Modun Xử Lý Processor module Modun Truyền Thông Comunication module Modun Ðo Kiểm Mesurement module Module Kích Truyền Ðộng Actuation module Module Tập Hợp Assembly module Modun Mơi Trƣịng Environment module Hình 1.9: Sản phẩm Cơ Ðiện Tử theo module II HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ ÐƢỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY 2.1 Phân loại theo lĩnh vực sử dụng Sau số ví dụ phân loại sản phẩm điện tử theo lĩnh vực sử dụng: 2.2 Trong y hoc: Các loại thiết bị cắt lớp, thiết bị thí nghiệm AND, nhân phôi, máy chiếu loại tia chụp: X, laser, thiết bị mổ nội soi,… 2.3 Trong công nghiệp: Các loai máy công nghiệp tự động đƣợc điều khiển theo chƣơng trình, FMS (hệ thống sản xuất linh hoạt), CAD-CAM, ngƣời máy, 9 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử hệ thống tự động, kho hàng tự động, công cụ vận chuyển thơng minh… 2.4 Trong văn phịng: Ðây hệ thống mạng cơng tác, có sử dụng máy tính (nhƣ hệ thơng tin qn lí), thiết bị văn phịng (máy tính, máy fax, máy in laser)… 2.5 Trong sinh hoạt gia dình: Hệ thống thơng tin nhà cửa, sản phẩm tiêu dùng (audio, thiết bị nghe nhìn, máy giặt…) hệ thông bảo vệ nhà cửa, loại robot phục vn, ô tô, gara, ô tô tự động… 2.6 Phân loại theo kỹ thuật hệ thống: Sản phẩm đơn sản phẩm linh hoạt, thực chức đứng nhƣ máy CNC, thiết bị vận chuyển thơng minh, vật gia dụng thông minh… 2.7 Hệ thống tổ hợp: Các sản phẩm điện tử trình có quan hệ cụ thể dó nhƣ:  Dây chuyền lắp ráp đồng hồ, lắp vỏ hộp động cơ, đóng bao gói…  Dây chuyền sản xuất ti vi, máy nén khí … 2.8 Hệ thống tích hợp: sản phẩm điện tử thành phần có quan hệ mật thiết nhƣ:  Tự động hóa sản xuất: hệ thống gia công linh hoat (FMS), hệ thống sản xuất tích hợp vi tính (CIM)…  Tự động hóa cơng nghiệp dân dụng: thiết bị sản xuất lắp ráp ô tô, tàu thông minh, tòa nhà thông minh… Nhƣ thể trên, nội dung cúa Cơ Ðiện Tử rộng vấn đề điện tử quan điểm khí đƣợc cho mở rộng bổ sung sensor cho hệ thống cơ, thành phần kích hoạt ( Cơ Cấu Chấp Hành) tiên tiến so với hệ khí truyền thơng đƣợc điều khiển máy tính Khả truyền thông hệ thống thành phần làm tăng cƣờng đáng kể tính cúa sản phẩm điện tử Ðể thiết kế chế tạo sản phẩm hệ mới, ngƣời thiết kế cần nắm rõ đƣợc thành phần cúa sản phẩm điện tử III NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM CƠ ÐIỆN TỬ 3.1 Sản phẩm điện tử dân dụng Những sản phẩm công nghiệp nhƣ robot thơng minh, robot vƣợt 10 10 Giáo Trình Nhập Môn Cơ Ðiện Tử chƣớng ngại vật, robot lau ho bơi, robot lau kính… Hình 1.10: Các sản phẩm h tệhống điện tử 3.2 Sản phẩm điện tử lĩnh vực chuyên dụng Trong y hoc, giải trí nghiên cứu khoa học có nhiều ứng dụng hệ thống điện tử Ví dn nhƣ: robot cơng nghiệp, hệ thống phục vụ y học, robot làm việc nơi nguy hiểm Hình 1.11: Những ứng dụng hệ thống điện tử IV CÂU HỎI ÔN TẬP Theo bạn nhƣ hệ thống điện tử? Hãy trình bày ứng dụng hệ thống điện tử? 11 11 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử  Loại phát thành phần (sensor kiện): sensor phát việc xảy kiện cụ thể (ví dụ, diện hay vắng mặt vật thể đƣợc đặt vị trí định) biểu thị kiện với tín hiệu số đầu (ON/OFF) Các sensor loại luôn số (digital) theo nghĩa chúng OFF ON  Tiếp theo sensor đo loại đo trực tiếp gián tiếp, sensor phát thành phần loại tiếp xúc khơng tiếp xúc Dựa theo nguyên lý chuyển đổi, cảm biến  Chuyển đổi điện trở: đại lƣợng không điện biến đổi làm thay đổi điện trở  Chuyển đổi điện tử chuyển đổi dựa quy luật lực điện từ đại lƣợng không điện làm thay đổi thông số mạch từ nhƣ: điện cảm I hỗ cảm M, độ từ thẫm µ, từ thơng  Chuyển đổi tĩnh điện chuyển đổi làm việc dựa tƣợng tĩnh điện Ðai lƣợng không điện làm thay đổi điện dung C hay điện tích  Chuyển đổi hóa điện chuyển đổi dựa vào tƣợng hóa điện Ðại lƣợng khơng điện làm thay đổi điện dẫn, điện cảm, sức điện động, hóa điện…  Chuyển đổi nhiệt điện chuyển đổi dựa tƣợng nhiệt điện Ðại lƣợng không điện làm thay đổi sức điện động, nhiệt điện hay điện trở cúa  Chuyển đổi điện tử ion: đại lƣợng khơng điện làm thay đổi dịng điện tử hay dòng ion chạy qua  Chuyển đổi điện tử dựa tƣợng cộng hƣởng từ hạt nhân cộng hƣởng từ điện tử  Cảm biến thông minh: chuyển đổi sơ cấp sở công nghệ vi điện tử có khả chuyển đổi nhiều đại lƣợng khác với khoảng đo khác có khả chƣơng trình hóa tự động xử lí kết Dựa sở đại lượng đầu  Các phép đo khí thƣờng chuyển vị tốc độ, lực áp suất, lƣu 34 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử lƣợng, mực chất lỏng, nhiệt độ Cảm biến đo lực Ðo lực xác định qua đại lƣợng trung gian nhƣ khoảng dịch chuyển dùng tế bào lực Cảm biến đo áp suất Thông qua biến dạng dẻo chênh lệch áp hai phía màng ngăn (hình ) đầu chặn ống nhờ số sensor chuyển dịch Hình 3.5: Ngun lí đo tốc độ Cảm biến đo lưu lượng Loai cảm biến đƣợc sử dụng đo chất lỏng khí Theo cơng nghệ đƣọc chia thành nhóm Trong đó, áp vi sai ( differential pressure flowmeter), diện tích biến đổi (variable area flowmeter), chuyển dƣơng ( positive displacement flowmeter), turbin (turbin flowmeter) thuộc loại công nghệ truyền thông, dao động (oscillatry flowmeter) Khối lƣợng (mass flower) thuộc kỹ thuật Những cảm biến thƣờng đƣợc dùng dạng có lỗ thơng qua biến trung gian áp suất (differential pressure flowmeter ) dạng tuabin thông qua quay cúa roto có vận tốc góc tỉ lệ thuận với tốc độ lƣu lƣợng (tuabin flowmeter) Cảm biến đo mức chất lỏng có ngun lí kiểm sốt chuyển động cúa phao chênh lệch áp lnc Cảm biến nhiệt Cảm biến nhiệt dây tay dổi nhiệt dộ dẩn dến giản co vật chất rắn, lỏng khí, tạo nên thay dổi diện trở dây dẫn bán dẫn 35 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử cảm biến nhiệt sử dụng nguyên lý bimetal, cảm biến nhiệt diện trở, diện trở nhiệt, cặp nhiệt ngẫu… Cảm biến đo khoảng cách Cảm biến đo khoảng cách sensor đƣợc sử dụng để đo khoảng cách từ điểm chuẩn đến vật thể Một số công nghệ đƣợc sử dụng để phát triển loại sensor ánh sáng quang hoc (light/optics) nhìn bảng máy tính (computer vision), sóng cực ngắn (microware) siêu âm (ultrasonic) Các sensor tiếp xúc khơng tiếp xúc Ða số sensor không tiếp xúc loại hoạt động sở vật lý truyền sóng Một sóng đƣợc phát điểm chuẩn, thang đo đƣợc định thời gian truyền từ điểm chuẩn đến điểm đích giảm cƣờng sóng truyền đến đích phản hồi điểm chuẩn thời gian truyền đƣợc đo phƣơng pháp thời gian bay (Time-Of-Flight, TOF) điều biến tần số Cảm biến nhận dạng Cảm biến nhận dạng thành phần đƣợc sử dụng để xác định tƣơng quan vật tƣơng đối so với vật khác, đạt đến vị trí cụ thể, vật có/khơng có mặt vị trí cụ thể Ðó cảm biến tiếp xúc ho¾ặc khơng tiếp xúc Sensor phãn xa (reflex sensor) Hình 3.10: Cảm biến phản xa Sensor phản xạ (reflex sensor) hình nhận dạng đối tƣợng nhờ phản xạ tia khí thơng qua tín hiệu áp cổng diều khiển, khoảng cách dến dối tƣợng cần dƣợc nhận dạng (khoàng 4-15 mm), áp cấp loại sensor dƣợc sử dụng dể giám sát dụng cụ dột dập kiễm tra kho dụng cụ dếm chi tiết Cảm biến nhận dạng quang điện Cảm biến nhận dạng quang điện ( photoeletric proximity sensor) sử dụng để phát vật chùm ánh sáng tia hồng ngoại chiếu phần phát phần 36 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử nhận bị ngắt vật thiết bị nhạy ánh sáng thƣòng đƣợc sử dụng phototranzito, photodiot photoresistor Hai phận phát nhận, tùy theo thiết kế mà đƣợc đặt hai buong riêng biệt, loại cảm biến với chùm qua (throughbeam sensor, hình3.11) Loại đƣợc sử dụng để phát vật khoảng cách lớn, đến 100 m đƣợc đặt chung buồng cảm biến phản xa ngƣợc (retro-reflective sensor sử dụng phát đến 10m) cảm biến khuếch tán (difuse sensor, phát đến m) Hình 3.11: Cảm biến quang điện III CÂU HỎI ÔN TẬP Hãy nêu số ứng dụng công nghiệp thiết kế cấu thuộc hệ thống điện tử có sử dụng cảm biến cấu chấp hành mà em biết 37 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử CHƢƠNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ CẤU TRUYỀN ÐỘNG Hệ thống kích truyền động – Các chi tiết thƣờng đóng vai trị hệ thống thiết bị, việc thể kết cấau hình dáng sở cúa sản phẩm, khung lắp ráp cho thành phần chi tiết khác, làm vật liên kết, vật trung gian ghép nối vv… chi tiet khí thƣịng đƣợc sử dụng hệ kích truyền động (cơ cấu chấp hành) Hệ thống khí Hệ thống khí cịn có thuật ngữ gọi “máy móc” theo nghĩa khí truyền thơng, đƣợc sử dụng để truyền thay đổi hoạt động cúa lúc momen để thực cơng hữu ích “Máy móc” đƣợc định nghĩa hệ thống cúa thành phần, đƣợc xếp để truyền chuyển động lƣợng từ dạng dó sang dạng theo yêu cầu, cấu kích truyền động (actuation) đƣợc định nghĩa hệ thống cúa thành phần, đƣợc xếp để truyền chuyển động theo yêu cầu, nhƣ cấu kích động tƣơng tự nhƣ máy móc nhƣng mục đích u cầu để tạo chuyển động xảy “máy móc” Các loại chuyển động máy móc Một vật rắn có chuyển động phức tạp Tuy nhiên chuyển động cúa vật thể rắn qui kết hợp cúa chuyển động tịnh tiến chuyển động xoay tròn Khi xem xét không gian chiều, chuyển động tịnh tiến có the dƣoc coi nhƣ m®t d%ch chuyen doc theo trục không gian chiều chuyển động trịn có theể xoay trịn theo trục không gian chiều A Chuổi động học Thuật ngữ động học đƣợc sử dụng để nghiên cúu chuyen động mà không để ý đến lực việc xem xét chuyển động mà không quan tâm đến lực lƣợng đồng nghĩa vói việc phân tích động hoc cúa cấu 38 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Một cấu coi nhƣ chuỗi liên kết đơn Mỗi chi tiết cúa cấu có chuyển động tƣơng đối so vói chi tiết khác dƣoc goi mật Mật không thiết thân cứng, nhƣng bắt buộc thân bền, có truyền lực yêu cầu mà không bị biến dạng lí khâu thƣịng đƣợc thể than rắn có hai nhiều hai khớp nối để kết nối vói khâu khác Mỗi khâu có khả chuyển động tƣơng đối khâu bên canh Ðòn bẩy, tay quay, kết nối tay kéo – piston, trƣot , puli ròng rọc, đai trục ví dụ khâu Sự nối tiếp khớp nối-các khâu đƣợc đinh nghĩa chuỗi động để chuỗi động truyền động, khâu phải đƣợc cố định Khi chuyển động cúa khâu sinh chuyển động tƣơng đối (theo dự tính) khâu khác Một chuỗi động học biến đổi cấu thay đổi khâu cố định Thiết kế cúa nhiều loại máy dựa chuỗi động học cúa: cấu khâu lề, tay quay – trƣot culit lac II KHÍ NÉN – ÐIỆN KHÍ NÉN Tổng quan hệ thống khí nén Hệ thống khí nén (Pneumatic Systems) đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ mơi trƣịng độc hại Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc dây chuyền sản xuất tự động; Trong cơng nghiệp gia cơng khí; cơng nghiệp khai thác khống sán… ➢ Các dạng truyền đơng sử dụng khí nén: Truyền động thẳng ƣu cúa hệ thống khí nén kết cấu đơn giản linh hoạt cúa cấu chấp hành, chúng đƣợc sử dụng nhiều thiết bị gá kẹp chi tiết gia công, thiết bị đặt dập, phân loại đóng gói sản phẩm… Truyền động quay: nhiều trƣờng hợp yêu cầu tốc độ truyền động cao, công suất không lớn gọn nhẹ tiện lợi nhiều so vói dạng truyền động sử dụng lƣợng khác, ví dụ cơng cụ vặn ốc vít sửa chữa lắp ráp chi tiết, máy khoan, mài công suất dƣới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn vịng/phút Tuy nhiên, hệ truyền động quay cơng suất lớn, chi phí cho hệ 39 Giáo Trình Nhập Môn Cơ Ðiện Tử thống se cao so với truyền động điện ➢ Những ƣu nhƣợc điểm bản:  Ƣu điểm: Do khơng khí có khả chịu nén (đàn hồi) nên nén trích chứa bình chứa vói áp suất cao thuận lợi, xem nhƣ kho chứa lƣợng Trong thực tế vận hành, ngƣời ta thƣờng xây dựng trạm nguồn khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhƣ cơng việc làm sạch, truyền động máy móc… Có truyền tải xa hệ thống đƣòng ống với tổn thật nhỏ; Khí nén sau sinh cơng học thái ngồi mà khơng gây tổn hại cho mơi trƣịng ▪ Tốc độ truyền động cao, linh hoạt; ▪ Dễ điều khiển với độ tin cậy xác; ▪ Có giải pháp thiết bị phòng ngừa tải, áp suất hiệu  Nhƣợc điểm: Công suất truyền động không lớn nhu cầu cơng suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén cao 10-15 lần so với truyền động điện công suất, nhiên kích thƣớc trọng lƣợng lai 30% so với truyền động điện Khi tải trọng thay đổi vận tốc truyền động ln có xu hƣớng thay đổi khả đàn hồi khí nén lớn, khả trì chuyển động thẳng quay thƣờng khó thực Dịng khí nén đƣợc giái phóng mơi trƣờng gây tiếng ổn Ngày nay, để nâng cao khả ứng dụng hệ thống khí nén, ngƣời ta thƣờng kết hợp linh hoạt chúng với hệ thống điện khác ứng dụng sâu rộng giái pháp điều khiển khác nhƣ điều khiển điều khiển lập trình, máy tính… 2.Cấu trúc hệ thống khí nén (The structure of Pneumatic Systems) A.Hệ thống khí nén thƣờng bao gồm khối thiết bị:  Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, thiết bị an tồn, thiết bị xử lý khí nén ( lọc bụi, lọc nƣớc, sấy khô… 40 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử  Khối điều khiển gồm: phần tử xử lý tín hiệu điều khiển phần tử điều khiển đảo chiều cấu chấp hành  Khối thiết bị chấp hành: Xilanh, động khí nén, giác hút… Dựa vào dạng lƣợng cúa tín hiệu điều khiển, ngƣời ta chia hai dạng hệ thống khí nén: Hệ thống điều khiển hồn tồn khí nén, tín hiệu điều khiển khí nén kéo theo phần tử xử lý điều khiển tác động khí nén Gọi Hệ thống điều khiển khí nén (Hình 5.1a) Hệ thống điều khiển điện – khí nén - phần tử điều khiển hoat động tín hiệu điện kết hợp tín hiệu điện – khí nén (Hình 5.1b) Hình 5.1a: Cấu trúc hệ thống điều khiển khí nén 41 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Hình 5.1b: Hệ thống điện – khí nén A Một vài ví dụ hệ thống khí nén: Hình 5.2 a mơ tả thiet bị nạp phôi Thiết bị phải đƣợc điều khiển cho xi lanh 1A1, 1A2 không che cặp hai phôi đƣợc chuyển qua Số lƣợng tốc độ nạp phôi đƣợc điều khiển theo ý muốn Hình 5.2a Mơ tả cơng nghệ Hình 5.2b mơ tả thiết bị khoan chi tiết tự động xi lanh đƣợc điều khiển theo chu kỳ khép kín liên tục nhiều chu trình Xi lanh 1A cặp phơi từ kho nạp phôi kẹp chặt xi lanh 2A dẫn tiện khoan, độ sâu lỗ khoan đƣợc kiểm soát cữ chặn độ sâu lỗ khoan đạt giá trị cần gia công, 2A tự động rút lên Khi 2A rút tói vị trí ban đầu, 1A đƣợc rút 3A đẩy sản phẩm vào thùng chứa Qua ví dụ trên, nhiêm vụ cúa ngƣịi làm kỹ thuật hệ thống khí nén 42 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Ðọc phân tích đƣợc ngun lý hoạt động cúa h¾ thong thơng qua sơ do; Mô tả đƣợc nguyên lý cấu tạo, nguyên tắc làm việc, thông số bán phần tử hợp thành hệ thống; III CÔNG NGHỆ ÐIỀU KHIỂN ÐIỆN – KHÍ NÉN Các phần tử hệ thống Cấu trúc điều khiển điện khí nén Hình 5.27: Hệ thống điện khí nén Hệ thống điều khiển Ðiện- Khí nén (hình 5.27) so với hệ thống điều khiển hồn tồn khí nén có điểm khác biệt là: tín hiệu điều khiển tín hiệu điện, theo phần tử đƣa tín hiệu, phần tử xử lý tín hiệu van đảo chiều làm việc theo nguyên lý điện, điện – từ trƣờng 43 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Hình 5.3: Sơ đồ kết nối cơng tắc hành trình từ tiệm cận Rơ le thời gian Rơle thời gian gọi định thời (Timer) thực khí nén đƣợc trình bày chƣơng Trong cấu trúc hệ điều khiển điện- khí nén, ngƣịi ta sử dụng timer thực điện tử, điện tử hay kết hợp linh kiện điện tử với rơle điện từ, dƣói trình bày hai kiểu rơle thịi gian loại này: Hình 5.43 rơ le trễ đóng (delay on) 44 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Hình 5.43: Biểu diễn rơ le trễ đóng (delay on) Hình 5.44: Biểu diễn rơ le trễ ngắt (delay off) Nguồn cung cấp Trong thực tế, phần lớn phần tử điện- khí nén hệ thống đƣợc chế tạo với nguồn cung cấp nguồn chiều có điện áp 24V (hình 5.45) Hình 5.45: Nguồn cung cấp 2.Một số cấu trúc điều khiển điện – khí nén a Cách biểu diễn sơ đồ hệ thống (hình 5.46) 45 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Hình 5.46: Hệ thống điều khiển điện khí nén Hình 5.46 mơ tả sơ đồ hệ thống điều khiển điện – khí nén Trong đó, phần mạch lực khí nén: thƣịng bao gồm mạch cung cấp, đảo chiều khơng chế lƣu lƣợng khí nén cho cấu chấp hành, đƣợc thiết kế tƣơng tự nhƣ hệ thống điều khiển khí nén Cịn mạch điều khiển đƣợc quy ƣớc từ xuống theo thứ tự: lớp dựa tín hiệu vào; lớp xử lý tín hiệu dƣới lớp tín hiệu ( cuộn dây điện từ cúa van đảo chiều) IV CÁC BÀI TẬP ỨNG DỤNG Bài tập 1: Thiết kế hệ thống điều khiền điện khí nén theo yêu cầu cho theo biểu đồ hành trình bƣớc (hình vẽ bên) Hệ thống điều khiển tay M (manual) điều 46 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử Khiển tự động (Automation) Giá trị áp suất cần điều chỉnh thời gian t tùy chọn theo yêu cầu công nghệ Tùy ý lựa chọn cấu trúc điều khiển Bài tập 2: Hình 5.47: Sơ đồ hành trình bƣóc Thiết bị Phân phối phơi vật liệu, sơ đồ cơng nghệ biểu đo hành trình bước cho hình vẽ Thời gian t2 Hình 5.48: Mơ tả cơng nghệ biểu đồ trạng thái Hệ điều khiển + Thời gian t1 đƣợc hiệu chỉnh đủ cho hai khối vật liệu lăn qua vùng chặn; thời Đƣợc hiệu chỉnh theo u cầu kích thƣóc số lƣợng phơi cần cấp + Các điều kiện khác đƣợc mô tá biểu đo hành trình bƣóc + Có thể làm việc tự động nhiều chu trình dùng cơng tac + Tốc độ vào piston cần đƣợc điều chỉnh nhƣ Nhiệm vụ: * Thiết kế hệ thống điều khiển điện- khí nén ( Tìm cấu trúc điều khiển phù hợp nhất) 47 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS.Nguyễn Ngọc Phƣơng, Hệ thống điều khiển khí nén – NXB Giáo dục – 2000 [2] Ts Nguyễn Thị Xuân Thu, Ts Nhữ Phƣơng Mai – Hệ thống thủy lực khí nén – NXB Lao động – 2001 [3] PGS TS Hồ Đắc Thọ - Cơng nghệ khí nén, NXB KH &KT 2004 [4] TS.Nguyễn Ngọc Phƣơng, Huỳnh Nguyễn Hoàng – Hệ thống điều khiển thuỷ lực – NXB Giáo dục – 2005 [5] Ts Nguyễn Ngọc Phƣơng – Hệ Thống điều khiển điện – thuỷ lực – NXB Giáo dục – 2007 [6] Nguyễn Ngọc Phƣơng, Phạm Bạch Dƣơng, Hệ thống Cơ điện tử - ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh, 2007 [7] Tài liệu Training hãnh Siemens_ Siemens Courses [8] Tài liệu Manual hang Siemens: Getting Startted S7-300, CPU 31XC and CPU 31X, LAD Programming for S7-300, Help phần mềm Step 7_ Simatic Manager [9] Giáo trình “Lập trình PLC Siemens” Th Sĩ Phạm Phú Thọ 48 .. .Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử PHẦN I TỔNG QUAN HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ CHƢƠNG CƠ ÐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ I CƠ ÐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ÐIỆN TỬ 1.1 Mechantronic gì? Cơ điện tử hệ thống... Tƣợng Làm Việc Cơng Việc Cần Biết Gì Và Ðào Tạo Gì? Hình 1.4: Ðịnh hƣớng đào tạo ngành Cơ Ðiện Tử 4 Giáo Trình Nhập Mơn Cơ Ðiện Tử 1.2 Hệ thống Cơ điện tử gì? Cũng giống nhƣ điện tử, có nhiều khái... TẬP Câu hỏi : Theo bạn nhƣ hệ thống điện tử? Hãy trình bày ứng dụng hệ thống điện tử? Hãy thiết kế hệ thống điện tử mà em biết? 28 Giáo Trình Nhập Môn Cơ Ðiện Tử CHƢƠNG CẢM BIẾN VÀ ÐO LƢỜNG I GIỚI