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.
CHƯƠNG 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH (Actuators) I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN II XI LANH KHÍ NÉN III ĐỘNG CƠ KHÍ NÉN IV THIẾT BỊ HÚT CHÂN KHƠNG V BÀI TẬP CHƯƠNG I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu chấp hành- Actuators) NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÍ NÉN – THUỶ LỰC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu tác động (OUPUT) PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU (PROCESSING) PHẦN TỬ NHẬN TÍN HIỆU (INPUT) II XILANH KHÍ NÉN Cơng dụng: Cơ cấu chấp hành (actuator) có nhiệm vụ biến đổi áp suất khí nén thành lượng học Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xi lanh), hoặc chuyển động quay (động khí nén, xi lanh quay,…), Phân loại: Xi lanh khí nén chế tạo với nhiều kiểu dáng, kích cỡ khác bao gồm: a Xi lanh tác đợng mợt chiều có/khơng có lị xo phục hồi (Single acting with and without spring return) b Xi lanh tác động hai chiều (Double acting) - Khơng có vịng đệm vịng đệm giảm chấn cố định (cao su) - Vòng đệm giảm chấn điều chỉnh ( khí) - Vịng đệm từ trường c Xy lanh vị trí (3 position cylinder) d Xy lanh không trục dẫn hướng (Rodless) e Một số dạng Xy lanh khác - Xy lanh quay (Rotary) - Tay kẹp (Clamping) - Xy lanh màng (Bellows) Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1CGKb50SVOoexFQ0 b7ckwyO3JNhcQF3qw/view?usp=sharing Các loại xi lanh 3.1 Xy lanh tác động một chiều (Single acting Cylinder) Xi lanh chuyển động tịch tiến áp lực khí nén (để nâng hoặc đẩy vật) lùi lại khối lượng tạo lên lực trọng trường vật hoặc lị xo lắp bên xi lanh Có loại: Loại lùi lò xo, loại lùi ngoại lực Loại lùi lò xo Loại lùi ngoại lực Ký hiệu Ký hiệu Ký hiệu 3.2 Xy lanh tác động hai chiều (Double acting Cylinder) Áp suất khí nén tác động phía piston a Loại khơng có giảm chấn (non- cushioning) Ký hiệu b Loại có giảm chấn (cushioning) : Giảm chấn thiết kế cuối xi lanh có tác dụng vịng đệm hoặc van tiết lưu , xi lanh chạy gần hết hành trình nhằm làm giảm tốc độ xi lanh hạn chế va đập - Giảm chấn vòng đệm vòng đệm (cao su) Ký hiệu - Giảm chấn van tiết lưu Ký hiệu van tiết lưu c Nguyên lý giảm chấn van tiết lưu Có thể hãm pittông cuối hành trình cách sử dụng xy lanh giảm chấn Ở cuối hành trình xy lanh, đặt van tiết lưu- xem hình vẽ Tại thời điểm piston đến vị trí hình b, Thể tích khí V1 bắt buộc phải qua tiết lưu – thực hiện trình giảm chấn Quá trình giảm chấn cần phải điều chỉnh van tiết lưu cho phù hợp để trình giảm chấn là tốt b Thể tích khí V1 phải qua tiết lưu a Van tiết lưu Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1a9yylDtMPrif_zqbUee qbNiIpAyKn3OU/view?usp=sharing 3.3 Xy lanh vị trí (3 position cylinder) Xem Video minh họa: Ký hiệu https://drive.google.com/file/d/1OVyOP1dgA80xP5jbJ 5OgWwomse_znTEc/view?usp=sharing 3.4 Xy lanh không trục (Rodless cylinder) Xy lanh không có trục pittông có ưu điểm so với xy lanh có trục pittông là chiều dài thiết kế một nửa so với xy lanh có trục pittông Có số ứng dụng tạo chuyển động hai chiều vào giống và lực tạo cũng Vật cần di chuyển gắn pittông di chuyển bên xy lanh Điều khiển hướng và tốc độ xy lanh cũng tương tự xy lanh truyền thống khác Xy lanh không có trục pittông được chia làm loại: - Xy lanh kiểu đai phẳng với ống xi lanh kiểu trượt (Sealing band cylinder) Ký hiệu - Xy lanh kiểu dây đai hoặc băng đai (Band Cylinder) Ký hiệu - Xy lanh với ly hợp từ (cylinder with magnetic coupling) Ký hiệu a Xy lanh kiểu đai phẳng với ống xi lanh kiểu trượt (Sealing band cylinder) Xy lanh này có kết cấu sau: vỏ xy lanh (1) và hai phần pittông (2, 3) liên kết qua nối (4) Hai mặt nối (5, 6) có hai cửa để nối với ống cấp và xả khí Khe (7) vỏ tạo hai lớp đai phẳng(8) nối với hai đầu mặt bích đặt phía xy lanh Thanh nối kết nối với bàn trượt (10) bên ngoài thông qua (9) Ký hiệu Xem Video minh họa: High speed rodless cylinder (32m/sec) https://drive.google.com/file/d/19S5bqagwGW7zyBwxkkJp_F4XG7FxYE3j/view?usp=sharing b Xy lanh kiểu dây đai hoặc băng đai (Band Cylinder) Xy lanh băng đai là loại xy lanh khí nén không trục đầu tiên, hai sợi băng đai (1, 2) gắn vào hai phía của pittông (3) Các sợi đai này qua vòng làm kín (4, 5) hai đầu xy lanh (6, 7) và puly (8, 9) tới bàn trượt (10) Bàn trượt này chuyển động theo chiều ngược lại với pittông Ngoài ra, số loại xy lanh có thể thay thế băng đai sợi cáp Ký hiệu c Xy lanh với bộ ly hợp từ (cylinder with magnetic coupling) Xy lanh này sử dụng nam châm vĩnh cửu pittông để tạo từ trường liên kết với bàn trượt thông qua lớp vỏ xy lanh, bàn trượt di chuyển phía ngoài vỏ xy lanh Cấu trúc bao gồm: vỏ xy lanh (1) và hai mặt bích đầu xy lanh (2, 3) với hai cửa để cấp khí nén và khí xả Pittông (4) và bàn trượt (5) có nam châm (6, 7) tạo thành cặp liên kết từ trường giữa bàn trượt và pittông Pittông (4) có hai vòng làm kín (8, 9), bàn trượt (9) có hai vòng dẫn hướng (10, 11) bao phủ bên ngoài vỏ xy lanh (1) Ký hiệu Tính tốn lực tác đợng xi lanh a Lực tác động xi lanh chiều F 𝐅𝐅 Lực lò xo A 𝐅𝐑 Lực ma sát 𝐩𝐞 F = A pe – (FR + FF ) Trong đó: F [N] - Lực tác động lên piston A [m2] - Diện tích piston pe [Pa] - Áp suất dầu xi lanh FR [N] - Lực ma sát giữa piston xi lanh - FR 0,15 A.pe FF [N] - Lực lị xo b Lực tác đợng xi lanh chiều 𝐅𝐑 F A1 d D A2 𝐩𝐞 𝐩𝐞 - Lực tác động (lực tĩnh) cần piston : FA = A1 Pe - FR - Lực tác động (lực tĩnh) cần piston lùi : FB = A2 Pe - FR + Lưu ý: Khi cho ma sát làm kín tương đương với độ giảm áp suất pG Như lực ma sát FR tính là: F =A *p R G +Lưu ý: Khi cho hiệu suất xi lanh (lực ma sát giữa piston xi lanh ) Như lực tác động lên xi lanh tính là: FA = A1 pe FB = A2 pe Trong đó: FA [N] - Lực tác động lên pitông FB [N] - Lực tác động lên pitơng lùi A1 [m2] - Diện tích pitơng có đường kính D: A1 = 𝜋 𝐷2 /4 A2 [m2] - Diện tích vịng xuyến pitơng: A2 = 𝜋 (𝐷2 − 𝑑2)/4 pe [Pa] - Áp suất dầu xi lanh; - Hiệu suất xi lanh (lực ma sát giữa piston xi lanh ), Lưu ý: Lực tác đợng đợng (lực đợng) FAĐ thơng thường có giá trị tính theo: FAĐ = 0,9 FA (lực tác động tĩnh) c Lực tác động xi lanh vị trí nằm nghiêng - Lực tác đợng xi lanh vị trí nằm nghiêng ta có: Lực ma sát FR = m.g. cos Lực nâng FH = m.g.sin Lực gia tốc FB = m.a m kg g m/s2 - Grad a m/s2 v m/s s0 m A [m2] P [pa] Khối lượng chuyển động Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2 Hệ số ma sát Mặt phẳng nghiêng Gia tốc a = v2/2.s Vận tốc pittông Quảng đường có gia tốc Diện tích xi lanh Áp suất vào xi lanh Lực áp suất F2 = A p = FR + FH + FB [N] - Lực tác động lên xi lanh xi lanh đạt được chuyển động đều, ta tính lực sau: F2 = FH + FR - Khi xi lanh khởi động hay cuối hành trình có gia tốc a: v Thời gian có gia tốc a: t0= a a t02 Quảng đường có gia tốc a: s0 = v t0 v2 s0= 2.a a= v s0 d Sự phụ thuộc lực, áp suất đường kính piston III ĐỘNG CƠ KHÍ NÉN Cơng dụng Đợng khí nén là loại động chuyển đổi lượng khí nén (ở áp suất cao, tầm 3.000 ~ 3.600 psi tạo ra) thành để quay rotor Động khí nén ứng dụng rộng rãi nhiều thiết bị, máy móc khác Ví dụ thiết bị mở, vặn vít Ngun lý đợng cánh gạt áp suất khí p, Cửa nối khí nén vào 1 2 Rãnh vòng 3 Lỗ dẫn khí nén vào 4 Rôto 5 Cánh gạt 6 Stato 7 Lỗ dẫn khí 8 Lỗ dẫn khí nén thoaùt Ký hiệu Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1-CxOZgy8RzyziK0XeziElE2Tcl0cTC6r/view?usp=sharing .10-3 Tính tốn đợng khí nén a Thơng số khí nén: Lưu lượng Q, áp suất p b Thơng số đợng cơ: Lưu lượng riêng/thể tích dịch chuyển V, Số vòng quay n0, Mô ment M0 , Công suất P0 Q, p Q = n0 V Lưu lượng: M0 n0 Theo định luật Pascal ta có: V M0 p= Áp suất p: V Cơng suất động khí nén: Trong đó: Q: V: n0: p: M0 P0 Po= 2.𝝅.no.Mo Lưu lượng [ m3/s] Lưu lượng riêng động khí nén (thể tích dịch chuyển) [m3/vịng] Số vịng quay động khí nén [vg/s] Áp suất vào động khí nén [pa] Mơ ment trục động [N.m] Cơng suất động khí nén [W] Cơng suất max: 3/8 HP - Tốc độ max: 3000 rpm moto khí model CY-0706 3/8 HP - Momen max: 4.0 N/m Xuất xứ: Đài Loan - Trọng lượng: 3.33 kg THÔNG SỐ KĨ THUẬT CHÍNH IV THIẾT BỊ HÚT CHÂN KHƠNG Khái niệm: Chân không hiểu đơn giản áp suất thấp áp suất khí quyển, đó lấy giá trị áp suất khí làm chuẩn, áp suất chân khơng có giá trị âm Nguyên lý: Khí hút từ thể tích kín dựa vào sự chênh lệch áp suất buồng kín xung quanh Nếu thể tích kín giới hạn bề mặt phễu hút chi tiết, áp suất khơng khí làm cho hai vật dính lại với Công dụng: - Hệ thống phễu hút chân không để hút di chuyển loại thùng Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1MmDLNtrJWTDNEVJ9 y5GWIbEc4Bv_cFQi/view?usp=sharing - Dây chuyền gắp di chuyển loại đá Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1eUaI9v11_su7sUTfl ZY47C4SAgK5d6A3/view?usp=sharing - Dây chuyền gắp di chuyển kính, chi tiết lắp ráp tơ Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1eQWqI2nHzmym9ejE e0Oby7wkBlhA1n3x/view?usp=sharing Phương pháp tạo chân không - Nguyên lý bơm chân không - Nguyên lý tạo chân không ống Venturi a Nguyên lý hút bơm chân không Nguồn chân không từ bơm chân không - xem video minh hoa, qua đường phân phối, đầu nối, van điều khiển đến phễu hút chân khơng, thực hiện qua trình hút chi tiết Phễu hút chân không Chi tiết cần hút Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1LZ2Ld2mP-L0bffrkzcZU9ND5l7z8bqml/view?usp=sharing b Nguyên lý tạo chân khơng ống Venturi Khí nén với áp suất dư (máy nén khí) vào cửa A, khí vào ngang qua cửa tiết lưu khe hẹp B làm cho dịng khí tăng vận tốc, áp suất giảm xuống làm cho cửa C tạo chân không Lúc lượng áp suất chuyển đổi thành động biểu hiện qua vận tốc, vận tốc tăng áp suất giảm đó tạo nên sự hút chân khơng đẩy khí ngồi Dịng khí xả khí thơng qua cửa xả D Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1IDynM3kZhhyDHYH4DOi8J7Ae82GS3UPa/view?usp=sharing Van hút chân không nguyên lý ống Venturi a Nguyên lý: Khí nén với áp suất p khoảng 1,5 bar - 10 bar qua ống Venturi theo cửa R ngồi Tại phần cuối ống Venturi chân không được tạo thành Như cửa nối U tạo chân không Ký hiệu P R P R U U Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1zDETWNHO2Im7LilVs eK8PGMbv6R-YeE9/view?usp=sharing b Van hút chân khơng có dịng khí nén để tách chi tiết Được ứng dụng trường hợp, chi tiêt hút có trọng lượng nhỏ, mềm Khơng thể tách khỏi phiễu hút cửa U, cửa U khơng cịn chân khơng Hình a: van đảo chiều mở cho khí nén từ cửa P vào ống venturi, cửa U tạo chân khơng Hình b: Khi van đảo chiều ngắt khơng cho khí nén vào ống Venturi, cửa U khơng cịn chân khơng , chi tiết khơng tách ra, mà bị dính liền với đĩa hút Hãng SMC: dùng van đảo chiều để dịng khí đến cửa U, để tách chi tiết cần hút khỏi phiễu cửa U hình b hình a van đảo chiều cửa P van đảo chiều ống Venturi van đảo chiều cửa P cửa R Xem Video minh họa: cửa U cửa U https://drive.google.com/file/d/1ajwnaGd3HtTm0s3SN0j3YKmzFRYeXEH-/view?usp=sharing c Các dạng loại phễu hút chân không Phễu hút chân khơng có nhiều hình dạng: hình trịn, hình elíp, hình vng, hình chữ nhật, có nhiều kết cấu khác Có ba kiểu phễu hút chân khơng thơng dụng: loại tiêu chuẩn, loại rút, loại vành xếp Xem Video minh họa: https://drive.google.com/file/d/1VWeLH5Gdy0pjWe9mBO6VxucYY2laeBz/view?usp=sharing d Tính lực hút chân khơng F Lực hút chân khơng F tính theo Hãng SMC: F = 0,1 𝐩 𝐒 𝟏 𝐭 Trong đó: F Lực hút chân khơng [N] S Diện tích đĩa hút [cm2] Pu áp suất chân khơng cửa U [kPa] t - Hệ số an tồn: tính đến mức độ kín khít mặt tiếp xúc, vị trí đặt đĩa hút, vật liệu hút… a Bề mặt nằm ngang, hướng chuyển động chi tiết theo hướng thẳng đứng Chọn t = – Xem Video minh họa: 𝐒 = 𝛑𝐫 𝟐 D b Bề mặt thẳng đứng, hướng chuyển động chi tiết theo hướng thẳng đứng Chọn t = lớn https://drive.google.com/file/d/1_FEyPk5Re3fOdxhc 4SlSKgLxfYRFaT_j/view?usp=sharing V BÀI TẬP CHƯƠNG A TRA BẢNG THÔNG SỐ XI LANH: Tải bảng ghi thông số kỹ thuật xi lanh Hãng sản xuất ( Hãng FESTO, SMC, AIRTAC, NORGEN, TPC) giải thích ý nghĩa thơng số bảng B BÀI TẬP TÍNH TỐN Ví dụ 01: Xi lanh tác động chiều có thông số kỹ thuật sau: 80/25 – 160 [mm] Tần số làm việc xi lanh n = 10 chu kỳ/phút Áp suất làm viêc (áp suất dư) pe = bar Tính lưu lượng máy nén khí Q [lít/phút] Tính lực tác động cần pitông FA [N] Tính lực tác động cần pitông lùi FB [N] Tính vận tốc cần pitông vA [dm/ph] Tính vận tốc cần pitông lùi vb [dm/ph] Giả thiết: = Hiệu suất xi lanh (lực ma sát giữa piston xi lanh ); amt = bar = 105 Pa Kết chọn độ xác 0.1 vA vB Ví dụ 02: Thiết bị để nâng, hạ hàng hóa có khối lượng m = 50 kg theo phương thẳng đứng, người ta dùng xi lanh tác động chiều đặt song song, có kích thước Lưu lượng vào xi lanh Q = 50 lít/phút, áp suất p = bar Tính đường kính xi lanh và chọn kích thước xi lanh theo hãng Festo D, d [m] Tính vận tốc nâng vA [m/s] Giả thiết: m=80 kg = Hiệu suất xi lanh (lực ma sát giữa piston xi lanh ); bar = 105 Pa ; g = 9.81 Kết chọn độ xác 0.1 Ví dụ 03: Tính số phễu hút chân khơng n tối thiểu cần thiết để nâng chi tiết có khối lượng m = kg Cho biết đường kính phễu hút D = cm áp suất chân không cửa U hiển thị : pu = - 62 Kpa Giả thiết: Chọn t= 5; g = 9.81 Kết chọn n số nguyên D M = kg ... suất động khí nén [W] Công suất max: 3/ 8 HP - Tốc độ max: 30 00 rpm moto khí model CY-0706 3/ 8 HP - Momen max: 4.0 N/m Xuất xứ: Đài Loan - Trọng lượng: 3. 33 kg THƠNG SỐ KĨ THUẬT CHÍNH IV THIẾT... qbNiIpAyKn3OU/view?usp=sharing 3. 3 Xy lanh vị trí (3 position cylinder) Xem Video minh họa: Ký hiệu https://drive.google.com/file/d/1OVyOP1dgA80xP5jbJ 5OgWwomse_znTEc/view?usp=sharing 3. 4 Xy lanh...I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu chấp hành- Actuators) NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÍ NÉN – THUỶ LỰC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu tác động (OUPUT) PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU (PROCESSING)