Bài giảng Nhập môn cơ điện tử: Chương 3 - Cơ cấu chấp hành được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Các khái niệm; Phân loại; Một số phần tử cơ bản của cơ cấu chấp hành. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
10/27/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nhập môn Cơ điện tử Introduction to Mechatronics Giảng viên: TS Nguyễn Anh Tuấn Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà Nội Email: bktuan2000@gmail.com Content Chương Tổng quan Cơ điện tử Chương Cảm biến Chương Cơ cấu chấp hành Chương Thiết bị điều khiển Chương Thị giác máy Chương Xử lý tín hiệu Chương Rơ bốt cơng nghiệp Chương Phần mềm 1 10/27/2018 Chương 3- Cơ cấu chấp hành 3.1 Các khái niệm 3.2 Phân loại 3.3 Một số phần tử cấu chấp hành 3.1 Khái niệm Cơ cấu chấp hành phần “cơ bắp” hệ thống điện tử Nó đóng vai trị “động cơ” có nhiệm vụ kích hoạt/ dẫn động (actuator) cho máy/ hệ thống Cơ cấu nhận lệnh điều khiển (chủ yếu tín hiệu điện) tạo thay đổi (theo yêu cầu) hệ vật lý cách tạo lực, chuyển động,… Cơ cấu chấp hành thường sử dụng kết hợp nguồn cung cấp lượng phụ trợ (điện, cơ, khí nén, thủy lực,…) với cấu chuyển đổi lượng, cấu biến đổi chuyển động Cơ cấu chấp hành thường bố trí thiết bị điều khiển hệ 10/27/2018 3.1 Khái niệm Cơ cấu chấp hành Tín hiệu điều khiển Năng lượng phụ trợ z Bộ chuyển đổi lượng, biến đổi chuyển động Chuyển động theo yc Ví dụ minh họa Tín hiệu đầu từ điều khiển chuyển thành chuyển động dụng cụ máy phay CNC để thực cắt tạo hình chi tiết Cơ cấu chấp hành Tín hiệu điều khiển (lập trình) Bộ chuyển đổi z lượng (điện - cơ) Chuyển động theo yc đầu dao 3.1 Khái niệm Ví dụ minh họa phận cấu chấp hành - Bộ chuyển đổi lượng Điện → Cơ Gió → Điện Máy phát điện Cơ → điện 10/27/2018 3.1 Khái niệm Ví dụ minh họa - Bộ biến đổi chuyển động Tịnh tiến ↔ Quay Quay → Quay 3.1 Khái niệm Ví dụ minh họa - Năng lượng phụ trợ Công tắc đèn - Không cần lượng phụ trợ - Đóng ngắt trực tiếp, điều khiển trực tiếp Hệ thống phanh ABS xe ôtô - Cần lượng phụ trợ - Điều khiển hệ thống phanh gián tiếp 10/27/2018 3.1 Khái niệm Ví dụ: Cơ cấu chấp hành xe ơtơ Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) Hệ thống phanh khí 3.2 Phân loại Phân loại theo dạng lượng a Cơ cấu chấp hành điện – điện tử - Điốt, transistor, rơle nhận tín hiệu điều khiển mức lượng thấp từ điều khiển để đóng, ngắt thiết bị điện động cơ, van, phần tử nhiệt … Ví dụ: Transistor hiệu ứng trường 10/27/2018 3.2 Phân loại b Cơ cấu chấp hành – điện - Cơ cấu chấp hành cơ-điện điển hình động điện Cơ cấu chuyển điện thành Cụ thể có: động điện mơt chiều, xoay chiều, động bước Ví dụ: Động điện Động bước 3.2 Phân loại c Cơ cấu chấp hành điện từ - Solenoid cấu chấp hành điện từ phổ biến Cơ cấu chấp hành Solenoid DC bao gồm lõi thép quấn bao quanh vòng dây dẫn Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn xuất từ trường lòng ống Cường độ từ trường sinh phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua dây, số vòng dây đơn vị đo chiều dài ống dây phụ thuộc vào kích thước ống dây Ví dụ Solenoid điều khiển van 10/27/2018 3.2 Phân loại d Cơ cấu chấp hành thủy lực, khí nén - - Thường mô tơ quay, xi lanh chuyển động tịnh tiến van điều khiển Cơ cấu chấp hành khí nén sử dụng áp suất khí, phù hợp với cấu chịu lực nhỏ trung bình, hành trình nhỏ vận tốc cao Cơ cấu chấp hành thủy lực sử dụng áp suất dầu Chúng tạo lực lớn kết hợp với chuyển động lớn Nhược điểm cấu phức tạp cần thường xuyên báo dưỡng Biến mô (ly hợp) thủy lực 3.2 Phân loại e Cơ cấu chấp hành sử dụng vật liệu thơng minh - Có thể kể loại vật liệu: Vật liệu nhớ hình, vật liệu PZT Vật liệu nhớ hình Vật liệu PZT 10/27/2018 3.2 Phân loại Phân loại theo dạng làm việc số tương tự - Loại làm việc số: Làm việc với hai trạng thái ổn định đóng ngắt Ví dụ: Rơle - Loại tương tự: Động bước coi làm việc tương tự với đầu với gia số chuyển động nhỏ 3.3 Một số phần tử 3.3 Một số phần tử cấu chấp hành Phần tử khí a Cơ cấu, khâu, khớp • Khâu phận có chuyển động tương đối xác định với phận khác máy • Khớp chỗ nối động khâu nhằm hạn chế số bậc tự tương đối chúng • Chuỗi động tập hợp khâu liên kết với khớp • Cơ cấu chuỗi động có khâu cố định gọi giá cịn khâu khác có quy luật chuyển động xác định Cơ cấu khâu lề Cơ cấu tay quay-con trượt 10/27/2018 3.3 Một số phần tử 3.3 Một số phần tử b Cơ cấu bánh • Bánh cấu sử dụng phổ biến để truyền chuyển động quay tròn Làm việc dựa nguyên lý ăn khớp • Chúng sử dụng cần thay đổi tốc độ, momen 10/27/2018 3.3 Một số phần tử b Cơ cấu bánh 3.3 Một số phần tử b Cơ cấu bánh 10 10/27/2018 3.3 Một số phần tử c Cơ cấu cam C B ω1 C A B ω1 A 1 • Cơ cấu cam sử dụng nhiều chế tạo máy, với cánh tay đòn trục khuỷu tạo nên chuỗi động học máy cơng cụ chép hình cổ điển sử dụng phổ biến cho van động 3.3 Một số phần tử c Cơ cấu cam 11 10/27/2018 3.3 Một số phần tử d Cơ cấu động chữ V g Emax Cmax E C D β ω1 S2 B A φ1 3.3 Một số phần tử e Cơ cấu máy bào ngang 12 10/27/2018 3.3 Một số phần tử f Cơ cấu máy dệt go ϕ1 A ω1 C S2 B Sợi Vải a S3 O1 O Mc E γ3 D b 3.3 Một số phần tử g Truyền động đai, xích • Truyền động đai: Truyền chuyển động, mô men hai trục xa nhờ lực ma sát Tỉ số truyền: u = n1/n2 = d2/d1(1-ε) • Truyền động xích: Truyền chuyển động, mô men hai trục xa nhờ ăn khớp => u = n1 z = n2 z1 13 10/27/2018 3.3 Một số phần tử g Truyền động đai, xích 3.3 Một số phần tử Phần tử điện a Điốt (diode) Diode (Si) phân cực thuận – Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim mức 0,6V Tiếp giáp P-N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống => tạo thành lớp Ion trung hoà điện => lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn Đường đặc tuyến điện áp thuận qua Diode Phân cực thuận cho Diode Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) , tác dụng tương tác điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) 0,2V ( với Diode loại Ge ) diện tích miền cách điện giảm không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn dịng qua Diode tăng nhanh chênh lệch điện áp hai cực Diode không tăng (vẫn giữ mức 0,6V ) 14 10/27/2018 3.3 Một số phần tử Phần tử điện a Điốt (diod) Phân cực ngược cho Diode Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), tương tác điện áp ngược, miền cách điện rộng ngăn cản dòng điện qua mối tiếp giáp, Diode chiu điện áp ngược lớn khoảng 1000V diode bị đánh thủng Chỉnh lưu nửa sóng Diode bị cháy áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V 3.3 Một số phần tử b Transistor Cấu tạo Transistor Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N, ghép theo thứ tự PNP ta Transistor thuận, ghép theo thứ tự NPN ta Transistor ngược; phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực, lớp gọi cực gốc ký hiệu B ( Base ), lớp bán dẫn B mỏng có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter ) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector ) viết tắt C, vùng bán dẫn E C có loại bán dẫn (loại N hay P ) có kích thước nồng độ tạp chất khác nên khơng hốn vị cho 15 10/27/2018 3.3 Một số phần tử b Transistor Hoạt động Transistor NPN Dịng IC hồn tồn phụ thuộc vào dịng IB theo cơng thức IC = β IB Trong IC dịng chạy qua mối CE IB dòng chạy qua mối BE β hệ số khuyếch đại Transistor • Sự hoạt động Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN cực tính nguồn điện UCE UBE ngược lại Dòng IC từ E sang C dòng IB từ E sang B 3.3 Một số phần tử c Thyristo Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ nối ba chân: A : anode : cực dương K : Cathode : cực âm G : Gate : cực điều khiển (cực cổng) Thyristor xem tương đương hai BJT gồm BJT loại NPN BJT loại PNP ghép lại Cấu tạo Hoạt động Kí hiệu 16 10/27/2018 3.3 Một số phần tử c Thyristo Hoạt động •Ban đầu cơng tắc K2 đóng, Thyristor phân cực thuận khơng có dịng điện chạy qua, đèn khơng sáng • Cơng tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm Q2 dẫn => kéo theo Q1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 qua Thyristor làm đèn sáng Kí hiệu •Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt đèn sáng, Q1 dẫn, điện áp chân B Q2 tăng làm Q2 dẫn, Q2 dẫn làm áp chân B Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , hai đèn định thiên cho trì trạng thái dẫn điện 3.3 Một số phần tử d Solenoid - Solenoid cuộn dây Khi có dịng AC hay DC qua cuộn tạo trường lực từ Lực mạnh tâm cuộn dây,vì vật liệu từ có xu hướng bị kéo vào tâm solenoid - Ví dụ ứng dụng solenoid máy đề xe oto, xe máy 17 10/27/2018 3.3 Một số phần tử e Động chiều (DC motor) - Stator: hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện - Rotor: cuộn dây quấn nối với nguồn điện chiều - Bộ phận chỉnh lưu: nhiệm vụ đổi chiều dòng điện, phận gồm có cổ góp chổi than - Dòng điện chạy qua cuộn dây, theo quy tắc bàn tay trái, lực điện từ làm quay roto Điều chỉnh tốc độ động điện chiều -Thay đổi điện áp phần ứng -Thay đổi điện trở mạch rotor -Thay đổi từ thông Trên thực tế phương pháp sử dụng nhiều thay đổi điện áp phần ứng 3.3 Một số phần tử f Động xoay chiều pha (AC motor) Stato Đc khơng đồng pha Roto - Dịng điện pha vào cuộn dây đặt lệch 120o stato, tạo từ trường quay Roto khung dây kín có trục quay trùng với trục stato Roto quay không đồng theo từ trường quay - Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều pha - Điện áp - Số đôi cực p - Tần số f 18 10/27/2018 3.3 Một số phần tử g Động bước (Stepper Motor) Thực chất động đồng bộ, dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung thành chuyển động góc quay theo yêu cầu Ứng dụng: - Nhiều ngành Tự động hoá - Các thiết bị cần điều khiển xác: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc… -Trong công nghệ máy tính: động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in 3.3 Một số phần tử • Động bước Phân loại (Dựa vào cấu tạo): a) Động bước nam châm vĩnh cửu b) Động bước biến từ trở c) Động bước hỗn hợp (Chúng khác cấu tạo việc dùng rotor nam châm vĩnh cửu và/hoặc lõi sắt với thép stato.) 19 10/27/2018 3.3 Một số phần tử h Động servo - Động servo AC: điều khiển qua tần số - Động DC: điều khiển qua điện áp (sử dụng nhiều công nghiệp) 3.3 Một số phần tử Phần tử thủy lực – khí nén Truyền động khí nén Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đặc biệt lĩnh vực Cơ điện tử Thường sử dụng dạng hệ truyền động kẹp giữ, vận chuyển, Đặc thù nâng hạ, phanh hãm, cấu tự động hóa, thiết bị đo… Ưu điểm Nhược điểm Kết cấu đơn giản sử dụng điều khiển Độ tin cậy làm việc cao Độ an tồn cao với mơi trường dễ cháy, nổ, mơi trường khắc nghiệt: phóng xạ, hóa chất Khả tác động nhanh điều khiển từ xa hệ thống điệnđiện tử, tốt hệ thống thủy lực (có thể dùng kết hợp HT) Kích thước lớn hệ thống thủy lực cơng suất Tính nén khơng khí lớn nên ảnh hưởng chất lượng HT Vận tốc cấu chấp hành lớn nên dễ xảy va đập cuối hành trình Điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước dừng hành trình khó so vơi HT thủy lực Làm việc ồn HT thủy lực 20 10/27/2018 3.3 Một số phần tử Truyền động thủy lực Ưu điểm Cơng suất truyền động lớn, truyền động êm, phịng tải Độ nhạy độ xác cao Truyền động vô cấp cho phép đảo chiều chuyển động Hiệu suất TĐ cao (ngang TĐ điện TĐ Cơ khí), đặc biệt có ưu việt hiệu st khoảng cách truyền lớn Nhược điểm Tính xác phụ thuộc vào chất lượng dầu thủy lực, khí hậu, mơi trường, Khó khăn bảo trì, vấn đề chống ăn mòn, chống xuống cấp dầu Gây ô nhiễm môi trường 3.3 Một số phần tử Sơ đồ thủy lực 21 10/27/2018 3.3 Một số phần tử Cấu trúc hệ điều khiển khí nén 3.3 Một số phần tử Ký hiệu van-động 22 10/27/2018 3.3 Một số phần tử a Truyền động thẳng: Xi lanh nén (thủy lực) chiều Lực sinh xi lanh thủy lực F= p.A Xi lanh nén (thủy lực) chiều 3.3 Một số phần tử b Truyền động quay: Ly hợp (hoặc biến mô) thủy lực 23 ...10/27/2018 Chương 3- Cơ cấu chấp hành 3. 1 Các khái niệm 3. 2 Phân loại 3. 3 Một số phần tử cấu chấp hành 3. 1 Khái niệm Cơ cấu chấp hành phần ? ?cơ bắp” hệ thống điện tử Nó đóng vai trị “động cơ? ?? có nhiệm... thiết bị điện động cơ, van, phần tử nhiệt … Ví dụ: Transistor hiệu ứng trường 10/27/2018 3. 2 Phân loại b Cơ cấu chấp hành – điện - Cơ cấu chấp hành c? ?- điện điển hình động điện Cơ cấu chuyển điện. .. → Điện Máy phát điện Cơ → điện 10/27/2018 3. 1 Khái niệm Ví dụ minh họa - Bộ biến đổi chuyển động Tịnh tiến ↔ Quay Quay → Quay 3. 1 Khái niệm Ví dụ minh họa - Năng lượng phụ trợ Cơng tắc đèn -