Nghiên cứu hệ thống điều khiển thuỷ lợi và khí nén trong máy điều khiển số (CNC)

Để điều khiển hoạt động của hệ thống thủy lực, khí nén theo mục đích định trước thì có rất nhiều phương án, phương án được sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng các phần tử tham gia điều khiể

LỜI CAM ĐOAN

Tác giải xin cam đoan các kết quả và các số liệu nêu trong luận văn là do bản

thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Tiến Lưỡng, Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội Ngoài phần tài liệu tham khảo đã liệt kê các số liệu và kết quả thu

được là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phạm Quốc Việt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

: Độ nhớt động học m2

/s=104cm2/s=106mm2/s=106cSt

E0 - Độ nhớt Engler

p1: Tổng tổn hao áp suất do trở thủy lực

p2: Tổng tổn hao áp suất do trở quán tính

pd, p0: Tổng tổn hao áp suất do gây biến dạng dầu vào ống, trở biến dạng

C1, C2: Tổng dung kháng của dầu và ống dẫn

 : Dịch chuyển tương đối

: Khe hở hướng tâm tương đối

Tt, Tr: Hằng số thời gian ở chế độ chảy tầng, chảy rối

Kt, Kr: Hệ số khuếch đại ở chế độ chảy tầng, chảy rối

LHN: Liên hệ ngược

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Máy tiện 15

Hình 1.2: Máy phay 16

Hình 1.3: Truyền dữ liệu trong vòng kín 18

Hình 1.4: Sơ đồ khối của CPU 19

Hình 1.5: Hệ thống liên lạc BUS 20

Hình 1.6: Vị trí của chương trình CNC 21

Hình 1.7: Động cơ bước 22

Hình 1.8: Động cơ servo 23

Hình 1.9: Hệ thống điều khiển động cơ servo thủy lực 25

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát truyền dẫn thủy khí 27

Hình 2.2 Mạch điều khiển 28

Hình 2.3 Đồ thị biểu thị tốc độ dòng chảy trong ống 30

Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát tính hiệu suất thể tích và hiệu suất áp suất 35

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền dẫn bằng khí nén 41

Hình 3.1 Ký hiệu bơm dầu 43

Hình 3.2 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài 43

Hình 3.3 Bơm bánh răng ăn khớp trong 43

Hình 3.4 Bơm trục vít 44

Hình 3.5 Bơm bánh răng điều chỉnh 44

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý bơm cánh gạt đơn 44

Hình 3.7 Một số loại bơm cánh gạt 44

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bơm cánh gạt kép 45

Hình 3.9 Xilanh truyền lực 47

Hình 3.10 Một số loại xilanh 47

Hình 3.11 Phương pháp dẫn dầu 47

Hình 3.12 Xilanh nhiều bậc 48

Hình 3.13 Xilanh truyền lực cánh gạt 48

Hình 3.14 Ký hiệu van lọc 49

Hình 3.15 Ký hiệu van chỉnh áp 49

Hình 3.16 Ký hiệu van tra dầu 49

Hình 3.17 Cách mắc bộ lọc 49

Hình 3.18 Động cơ xilanh hướng kính 51

Hình 3.19 Động cơ tuabin 51

Hình 3.20 Xilanh màng tác dụng 1 chiều 52

Hình 3.21 Nguyên lý làm việc và cấu tạo của xilanh va đập 52

Hình 3.22 Sơ đồ van an toàn và van tràn 53

Hình 3.23 Van tràn 53

Hình 3.24 Van an toàn 54

Hình 3.25 Van an toàn bi - piston 55

Hình 3.26 Van phân áp 55

Hình 3.27 Van cản 56

Hình 3.28 Ký hiệu van tiết lưu 57

Hình 3.29 Van tiết lưu điều chỉnh dọc trục 57

Hình 3.30 Sơ đồ tính toán tiết diện chảy của van tiết lưu 58

Hình 3.31 Van tiết lưu điều chỉnh quanh trục 59

Hình 3.32 Van một chiều 60

Hình 3.33 Van 1 chiều điều khiển được hướng chặn 60

Hình 3.34 Sơ đồ nâng hạ tải khi dùng van một chiều điều khiển được hướng chặn 60

Hình 3.35 Van 2/2 61

Hình 3.36 Van 3/2 61

Hình 3.37 Sơ đồ dùng van 4/2 62

Hình 3.38 Sơ đồ van 4/3 62

Hình 3.39 Van 5/3 63

Hình 3.40 Ký hiệu một số loại van 4/2 63

Hình 3.41 Ký hiệu một số loại van 4/3 63

Hình 3.42 Nắp điều chỉnh van bằng cơ khí 64

Hình 3.43 Nắp điều khiển bằng điện từ 65

Hình 3.44 Nắp điều khiển bằng dầu ép 66

Hình 3.45 Cấu tạo và ký hiệu van đảo chiều điều khiển trực tiếp 67

Hình 3.46 Cấu tạo và ký hiệu van đảo chiều điều khiển gián tiếp 67

Hình 3.47 Bộ đảo chiều cơ khí trực tiếp 68

Hình 3.48 Bộ đảo chiều điện – dầu ép 68

Hình 3.49 Bộ đảo chiều van xoay 69

Hình 3.50 Một số ký hiệu cho dòng khí nén điều khiển 70

Hình 3.51 Van xả 70

Hình 3.52 Kết cấu van 3/2 đơn giản 70

Hình 3.53 Van 3/2 điều khiển điều khiển điện từ - khí nén 71

Hình 3.54 Van đảo chiều 4/2 71

Hình 3.55 Van đảo chiều 5/2 71

Hình 3.56 Van điều chỉnh áp suất 72

Hình 3.57 Van tiết lưu một chiều điều khiển bằng tay 72

Hình 3.58 Điều chỉnh tốc độ cả hai chiều bằng tiết lưu trên đường khí ra 73

Hình 3.59 Rơle thời gian đóng chậm 73

Hình 3.60 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đảo chiều bằng rơle thời gian đóng chậm 73

Hình 3.61 Van logic OR 73

Hình 3.62 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hai vị trí 73

Hình 3.63 Van logic AND 74

Hình 3.64 Kết cấu và ký hiệu van xả khí nhanh 74

Hình 3.65 Ứng dụng của van xả khí nhanh 74

Hình 3.66 Van chân không 74

Hình 3.67 Truyền dẫn servo chuyển động thẳng liên hệ ngược cơ khí theo vị trí 75

Hình 3.68 Liên hệ ngược cơ khí – thủy lực theo vị trí 75

Hình 3.69 Truyền dẫn servo chuyển động thẳng LHN điện thủy lực theo vị trí 76

Hình 3.70 Truyền dẫn servo chuyển động thẳng với van servo điện - thủy lực liên hệ ngược điện theo tốc độ 76

Hình 3.71 Sơ đồ nguyên lý truyền dẫn servo chuyển động quay với van servo điện - thủy lực liên hệ ngược điện theo tốc độ 76

Hình 3.72 Điều chỉnh tốc độ động cơ với liên hệ ngược điện - thủy lực 77

Hình 3.73 Sơ đồ truyền dẫn chuyển động quay liên hệ ngược điện thủy lực liên hệ ngược theo tốc độ với điều chỉnh lưu lượng bơm 77

Hình 3.74 Truyền dẫn servo chuyển động thẳng liên hệ ngược theo tải trọng 78

Hình 3.75 Truyền dẫn servo chuyển động thẳng với van servo điện thủy lực có liên hệ ngược theo áp suất và vận tốc 78

Hình 3.76 Nguồn áp suất với bơm không điều chỉnh 78

Hình 3.77 Nguồn điều chỉnh áp suất và lưu lượng không đổi 79

Hình 3.78 Sơ đồ điều chỉnh áp suất bơm không đổi 79

Hình 3.79 Ký hiệu sơ đồ điều khiển bơm để lưu lượng không đổi 80

Hình 3.80 Điều chỉnh thủy lực để công suất bơm không đổi 80

Hình 3.81 Đồng bộ liên hệ cơ khí 80

Hình 3.82 Đồng bộ bằng phối hợp 2 bơm 81

Hình 3.83 Dùng 2 van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng vào 2 xilanh lực 81

Hình 3.84: Sơ đồ đồng bộ làm việc cả hai chiều của hai xilanh lực bằng van tiết lưu lắp trên đường ra 82

Hình 3.85 Đồng bộ làm việc bằng liên hệ ngược cơ khí theo vị trí 82

Hình 3.86 Đồng bộ làm việc bằng liên hệ ngược điện theo vị trí hoặc tốc độ 83

Hình 3.87 Đồng bộ làm việc nối tiếp của xilanh lực 84

Hình 3.88 Đồng bộ làm việc của 4 xilanh lực 84

Hình 3.89 Sơ đồ khối mạch điều khiển tự động thủy khí 85

Hình 3.90 Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực dùng cơ khí 85

Hình 3.91 Sơ đồ điều khiển dùng tiếp điểm tự duy trì và công tắc hành trình 86

Hình 3.92 Sơ đồ điều khiển dùng tiếp điểm tự duy trì và cảm biến 86

Hình 3.93 Điều khiển hai chiều chuyển động của một xilanh 87

Hình 3.94 Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy CNC SL-153 88

Hình 3.95 Sơ đồ hệ thống thủy lực trong máy tiện CNC SL-153 89

Hình 3.96 Sơ đồ hệ thống thủy lực trong máy phay CNC GV - 503 90

Hình 3.97 Sơ đồ hệ thống thủy lực trong máy DECKEL MAHO 91

Hình 3.98 Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO 92

Hình 3.99 Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO 93

Hình 3.100 Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO 93

Hình 3.101 Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO 94

Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm của Raynol 96

Hình 4.2: Sơ đồ van trượt bốn mép điều khiển không có LHN 98

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ( f ,  p) 101

Hình 4.4: Biểu diễn các thông số dùng trong tính toán 102

Hình 4.5: Đồ thị phụ thuộc của p theo d 103

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhạy lớn nhất vào  104

Hình 4.7: Sơ đồ cấu tạo con trượt hai mép điều khiển không có LHN 109

Hình 4.8 : Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của Δp vào Δf 111

Hình 4.9 : Sơ đồ tiết lưu điều khiển dạng vòi phun – lá chắn 114

Hình 4.10: Con trượt một mép điều khiển với liên hệ ngược 126

Hình 4.11 Đường cong biểu diễn quan hệ p với   129

Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo van trượt bốn mép điều khiển 137

Hình 4.13: Sơ đồ cấu tạo van trượt hai mép điều khiển 138

Hình 4.14 Sơ đồ khối cấu trúc bộ khuyếch đại thủy lực theo liên hệ ngược 139

Hình 4.15 Phần so sánh bộ tăng áp liên hệ ngược và lưu lượng kế 140

Hình 5.1 Mô hình toán học tổng quát 145

Hình 5.2: Sơ đồ khối phần tử (hệ thống) điều khiển 146

Hình 5.3 Sơ đồ khối phần tử phụ thuộc tuyến tính theo thời gian 148

Hình 5.4 Sơ đồ khối biểu diễn hàm truyền 150

Hình 5.5 Sơ đồ điều khiển điện – khí – thủy lực 151

Hình 5.6 Mô hình toán học cho truyền dẫn Servo điện – thủy lực 152

Hình 5.7 Sơ đồ khối truyền dẫn Servo điện thuy lực 154

Hình 5.8 Sơ đồ Servo thủy lực 157

Hình 5.9 Sơ đồ khối tương đương 157

Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn quan hệ PM/PS và QM/QS 161

Hình 5.11 Đồ thị quan hệ áp suất và độ dịch chuyển của một số con trượt 163

Hình 5.12 Sơ đồ mạch cầu của con trượt lý tưởng 164

Hình 5.13 Sơ đồ khối cho (5.53) 166

Hình 5.14 Biểu diễn sơ đồ khối (5.56) 166

Hình 5.15 Biểu diễn sơ đồ khối (5.57) 167

Hình 5.16 Sơ đồ khối thiết lập theo các ma trận chuyển với con trượt lý tưởng 167

Hình 5.17 Sơ đồ cấu tạo môtơ chuyển động quay với cơ cấu Servo thủy lực 168

Hình 5.18 Sơ đồ cấu tạo và các thông số của môtơ thủy lực 172

Hình 5.19 Sơ đồ khối biểu diễn hàm truyền khớp nối cứng của tải trọng bên ngoài 176 Hình 5.20 Sơ đồ cấu tạo tải trọng nối mềm với mô tơ 178

Hình 5.21 Sơ đồ biểu diễn hàm truyền với khớp nối mềm ở chế độ có tải 179

Hình 5.22 Đồ thị biểu diễn trị số logarit biên độ và tần số trong trường hợp nối cứng không tải trọng 184

Hình 5.23 Đồ thị biểu diễn trị số logarit biên độ và tần số trong trường hợp nối cứng có tải trọng 188

Hình 5.24 Đồ thị logarit biên độ và tần số của hàm FZ(s) 192

Hình 5.25 Đồ thị logarit biên độ và tần số của hàm FM(s) 195

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống điều khiển khác nhau 38

Bảng 2.2 Chiều dài tương đương của các phụ tùng nối 39

Bảng 3.1 Ký hiệu cửa nối van 61

Bảng 3.2 Ký hiệu phương tiện điều khiển van 61

Bảng 4.1: Biểu diễn quan hệ giữa p và f 128

Bảng 5.1 : Các thông số của Servo điện thủy lực của một số hãng 171

Bảng 5.2 Môtơ thủy lực 175

Bảng 5.3 Thông số logarit biên độ trong trường hợp nối cứng không tải trọng 183

Bảng 5.4: Thông số logarit biên độ tần số trong trường hợp nối cứng có tải trọng 187

Bảng 5.5: Trị số biên độ pha của hàm FZ(s) 191

Bảng 5.6 Trị số đặc tính biên độ pha của hàm FM(s) 194

LỜI NÓI ĐẦU

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tiến Lưỡng Viện Cơ khí, Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội là người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng

đến quá trình thực hiện hoàn chỉnh luận văn này

Tác giả bày lòng cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo đã giảng dạy trong Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo Viện Cơ Khí, đã tạo điều kiện cho tác giả làm tốt luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi khiếm khuyết tác giả rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp để đề tài được tốt hơn

Tính ưu việt của hệ thống thủy lực khí nén như truyền dẫn vô cấp về tốc độ, vô cấp về tải trọng, làm việc trong môi trường khắc nghiệt … đã góp phần đáng kể trong

tự động hóa ở các máy CNC

Máy CNC nói riêng hay các máy công cụ nói chung đều phải đảm bảo các yêu cầu cần thiết, đảm bảo độ tin cậy, tuổi thọ, an toàn đối với người và các thiết bị xung quang, giảm giá thành chế tạo, bảo trì Mỗi bộ phận hay phần tử cấu thành hệ thống truyền dẫn, điều khiển đều phải thể hiện nhiệm vụ nhất định Dù đơn giản hay phức tạp thì trong nó luôn tồn tại hai dòng năng lượng cho mạch động lực và mạch điều khiển Để điều khiển hoạt động của hệ thống thủy lực, khí nén theo mục đích định trước thì có rất nhiều phương án, phương án được sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng các phần tử tham gia điều khiển điều chỉnh: cơ cấu điều chỉnh áp suất, cơ cấu điều chỉnh lưu lượng và cơ cấu điều chỉnh hướng Chính việc hiểu rõ tính năng, công dụng, ưu nhược điểm của các cơ cấu điều chỉnh này giúp cho người thiết kế, vận hành, sửa chữa các máy móc trang thiết bị sẽ hoạt động chính xác hơn, tin cậy hơn và năng suất hơn Trong các mạch điều khiển nói chung hay mạch điều khiển thủy lực khí nén nói riêng bao giờ cũng có những thông số tác động để tạo nên sự điều khiển đó là các thông số đầu vào, và các đối tượng chịu tác động điều khiển đó là đầu ra Từ đó, nghiên cứu các phần tử thủy lực khí nén một cách tổng hợp để có thể miêu tả hệ thống điều khiển dưới dạng toán học Nhằm xây dựng phương án tối ưu cho hệ thống điều khiển thủy lực khí nén

Từ những lý do trên tác giả đã lựa chọn: “Nghiên cứu hệ thống thủy lực và khí

nén cho máy điều khiển số (CNC)” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của mình

Mục đích nghiên cứu:

- Tầm quan trọng của hệ thống điều khiển thủy lực khí nén trong máy CNC

- Tìm hiểu cơ sở truyền dẫn thủy lực khí nén, cấu trúc tổng quát về mạch điều khiển dùng thủy lực khí nén, các phần tử chức năng trong hệ thống điều khiển thủy – khí: cơ cấu biến đổi năng lượng, cơ cấu chỉnh áp, chỉnh lưu, chỉnh hướng

- Nghiên cứu một số sơ đồ về liên hệ ngược trong điều khiển như: liên hệ ngược theo vị trí, theo tốc độ, theo tải trọng, theo công suất, các vấn đề về tự động điều chỉnh bơm đảm bảo áp suất lưu lượng không đổi và đồng bộ hóa làm việc của nhiều cơ cấu chấp hành như: đồng bộ liên hệ ngược cơ khí, liên hệ ngược điện, đồng bộ bằng tiết lưu…

- Nghiên cứu về động học và tĩnh học của van trượt điều khiển, bản chất là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số chế tạo như khe hở hướng tâm, chuyển động dọc trục, đường kính của con trượt điều khiển… đến độ nhạy điều khiển, hằng số thời gian, hệ số khuếch đại điều khiển trong trường hợp chảy tầng và chảy rối

- Xây dựng mô hình toán học hệ điều khiển thủy lực – khí nén

Đối tượng nghiên cứu:

- Cơ cấu biến đổi năng lượng trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén

- Phần tử chức năng điều khiển trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu các phần tử, cơ cấu trong hệ thống thủy lực khí nén

- Khảo sát đặc trưng động học và tĩnh học của bộ khuếch đại thủy lực có và không có liên hệ ngược trong trường hợp chảy tần và chảy rối

- Xây dựng mô hình toán học hệ điều khiển thủy lực – khí nén

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với xây dựng khảo sát

trên mô hình toán

Với đề tài: “Nghiên cứu hệ thống thủy lực và khí nén cho máy điều khiển số (CNC)” Tác giả đã hoàn thành được đề tài và đạt được kết quả sau:

- Các cơ cấu biến đổi năng lượng, các phần tử chức năng điều khiển trong hệ thống thủy lực khí nén

- Xây dựng mô hình tính toán đặc trưng động học và tĩnh học của bộ khuếch đại

thủy lực có và không có liên hệ ngược trong trường hợp chảy tần và chảy rối

- Xây dựng mô hình toán học hệ điều khiển thủy lực – khí nén Một vài bài toán

cụ thể như: giải bài toán khuếch đại điện – vòi phun – lá chắn đến phân phối servo thủy lực, mô hình toán học khảo sát con trượt điều khiển, mô hình toán học khảo sát khớp nối có tải và không tải

Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế về năng lực cũng như thời gian thực hiện nên đề tài không tránh khỏi những sai sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo, các nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Lịch sử phát triển

CNC (Computer Numerical Control) có tiền thân là máy NC (Numerical Control)

là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh được mã hoá bởi các con số, các chữ cái, các ký tự mà bộ xử lý trung tâm có thể hiểu được Những lệnh này được điều chế thành các xung áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ cấu chấp hành, tạo thành các thao tác của máy Những con số, chữ cái, ký tự trong tập lệnh dùng để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu và thao tác trên phôi

NC được sớm sử dụng trong cách mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các máy dệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo Năm 1863, máy chơi piano đầu tiên ra đời Nó dùng các cuộn giấy đục lỗ sẵn, dựa vào các lỗ thủng đó

để tự động điều khiển các phím ấn Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, được phát triển bởi Eli Whitney, đã chuyển đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dựa trên kĩ năng của thợ thủ công nay được làm trên máy Khi nhiều máy chính xác hơn ra đời, hệ thống sản xuất hàng loạt nhanh chóng được nền công nghiệp chấp nhận và đưa vào để sản xuất một số lượng lớn các chi tiết giống hệt nhau Ở nửa sau thế kỉ 19, một lượng lớn các máy công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại như máy cắt, máy khoan, máy cán, máy mài Cùng với nó, các công nghệ điều khiển bằng thuỷ lực, khí nén, bằng điện cũng được phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính xác trở nên dễ dàng hơn Năm 1947, không lực Hoa Kỳ thấy rằng sự phức tạp trong thiết kế và hình dạng của các chi tiết máy bay, như cánh quạt của trực thăng hay các chi tiết của đầu phóng tên lửa chính là nguyên nhân khiến cho các nhà sản xuất không giao hàng đúng hẹn Khi đó, John Parsons, Parsons Corporation, ở thành phố Traverse, bang Michigan đã bắt đầu nghiên cứu với ý tưởng về một chiếc máy công cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy Năm

1949, USAMC giao cho Parsons một hợp đồng phát triển NC và phương pháp tăng tốc trong sản xuất Parsons sau đó đã chuyển thầu lại cho phòng thí nghiệm Servomechanism – đại học Massachusetts Institute of Technology (MIT) Năm 1952,

họ đã thành công với chiếc máy có đầu cắt chuyển động 3 chiều Rất nhanh sau đó,

hầu hết các nhà sản xuất máy công cụ đều cho ra các máy NC Năm 1960, tại triển lãm máy công cụ ở Chicago, hơn 100 máy NC đã được trưng bày Hầu hết các máy này đều giống nhau ở nguyên tắc điều khiển vị trí điểm - điểm Nguyên lý của máy NC được thiết lập một cách vững chãi Từ đây, NC được cải tiến nhanh chóng trong công nghiệp điện tử để phát triển các sản phẩm mới Các bộ điều khiển trở nên nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và rẻ hơn Sự phát triển của các máy công cụ, các bộ điều khiển khiến cho chúng được sử dụng nhiều hơn Cho tới năm 1976, những máy NC điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình mà các thông tin viết dưới dạng số đã được

sử dụng rộng rãi Cũng vào năm đó, người ta đã đưa một máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy, các máy này được gọi là các máy CNC (Computer Numerical Control) Và sau đó, các chức năng trợ giúp cho quá trình gia công ngày càng phát triển Vào năm 1965, hệ thống thay dao tự động được đưa vào sử dụng, năm 1975 thì hệ thống CAD – CAM – CNC ra đời Năm 1984 thì đồ họa máy tính phát triển, được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy công cụ điều khiển số Năm 1994, Hệ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diện phần mềm CAD cho phép mô phỏng được xác

bề mặt nội suy phức tạp trên màn hình, đồng thời nó cho phép tính toán và đưa ra các phương trình toán học mô phỏng các bề mặt phức tạp, từ đó tính toán chính xác đường nội suy với độ mịn, độ sắc nét cao Cho đến ngày nay, người ta còn ứng dụng công nghệ nano vào hệ thống điều khiển máy CNC Năm 2001 hãng FANUC đã chế tạo hệ điều khiển nano cho máy CNC, mở ra một trang mới về công nghệ chế tạo máy công

cụ

1.2 Phân loại và công dụng

Với những chiếc máy công cụ trước đây, luôn phải có người đứng bên máy để điều khiển các hoạt động của máy Những loại này đã mất dần ưu thế khi máy NC ra đời, khi thêm phần điều khiển điện tử thì thời gian gia công đã tăng lên 80%, thậm chí cao hơn Trước đây, các máy công cụ được sản xuất sao cho càng đơn giản càng tốt để giảm giá thành Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tốt hơn với các bo điều khiển điện tử ra đời, khiến cho nền công nghiệp có thể cho ra những sản phẩm có hình dạng chính xác hơn, phức tạp hơn, thời gian gia công nhanh hơn, với giá cả phải

chăng NC được sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy phay, trung tâm tiện, trung tâm cơ khí đa năng

1.2.1 Máy khoan thẳng đơn trục

Một trong những máy NC đơn giản nhất là máy khoan đơn trục Hầu hết các máy khoan đều được lập trình trên 3 trục

a) Trục X điều khiển bàn máy di chuyển ngang

b) Trục Y điều khiển bàn máy di chuyển dọc

c) Trục Z điều khiển mũi khoan di chuyển lên xuống

1.2.2 Máy tiện

Là một trong những máy có hiệu quả nhất, đặc biệt khi gia công các khối tròn xoay Máy tiện được lập trình trên 2 trục:

a)Trục X điều khiển chuyển động dọc của bàn dao

b)Trục Z điều khiển chuyển động ngang của bàn dao

Hình 1.1: Máy tiện 1.2.3 Máy phay

Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất được dùng trong công nghiệp Các tính năng như phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay có thể đảm nhiệm Máy phay thường được lập trình trên 3 trục:

a)Trục X điều khiển bàn máy chuyển động ngang

b)Trục Y điêu khiển bàn máy chuyển động dọc

c)Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao

Hình 1.2: Máy phay 1.2.4 Trung tâm gia công tiện

Trung tâm gia công tiện (Turning Center) ra đời vào giữa thập niên 60 sau khi nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng: phương pháp tiện chiếm đến 40% khối lượng công việc khi gia công chi tiết bằng kim loại Chiếc máy NC này có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, hiệu suất cao hơn so với chiếc máy tiện thông thường Trung tâm gia công tiện cơ bản chỉ thao tác trên 2 trục:

a)Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm cặp

b)Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm cặp

1.2.5 Trung tâm cơ khí đa năng

Cỗ máy này cũng ra đời cũng vào thập niên 60 Được tích hợp nhiều tính năng tại cùng một địa điểm Nhiều thao tác gia công khác nhau trên mẫu vật có thể thực hiện chỉ với một lần cài đặt duy nhất Nhờ vậy mà tốc độ, năng suất máy tăng lên đáng kể

so với những máy điều khiển số thông thường

1.3 Những khái niệm cơ bản và phân loại hệ điều khiển

1.3.1 Khái niệm cơ bản

1.3.1.1 Khái niệm CNC (Computer Numerical Control)

CNC là một dạng máy NC điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng

và kích thước yêu cầu

1.3.1.2 Trục máy CNC

Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công Mối quan hệ này có thể được thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ tọa độ Hệ tọa độ Đề Các được sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC Khi đó, không gian được giới hạn bởi ba kích thước của hệ tọa độ Đề Các gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công Từ đây, người ta định nghĩa :

- Chuyển động thẳng của dụng cụ song song với trục hệ tọa độ gắn với máy được gọi là trục thẳng của máy

- Chuyển động của dụng cụ quay xung quanh trục hệ tọa độ gắn với máy được gọi là trục quay của máy Qua những nghiên cứu cho thấy, chỉ cần tối đa 14 trục (trục chuyển động) để mô tả bất kỳ một máy CNC phức tạp nào 14 trục chuyển động này được chia thành: 5 trục quay và 9 trục thẳng

1.3.2 Hệ điều khiển của máy CNC

Về mặt tổng quát, các máy CNC trong công nghiệp đều được điều khiển theo một nguyên tắc nhất định Dữ liệu điều khiển được đọc vào từ các vật mang tin (băng

từ, đĩa từ, băng đục lỗ…) hoặc từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người

sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím trên máy Các dữ liệu này được giải mã và hệ thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người sử dụng Trong khi các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh đó, kết quả về việc thực hiện được mã hóa ngược lại và phản hồi về hệ điều khiển

máy, các kết quả này được so sánh với các tập lệnh được gửi đi Sau đó, hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin được gửi

đi Như vậy, ta có thể nói hệ điều khiển máy CNC trong công nghiệp là một hệ điều khiển kín (dữ liệu lưu thông theo một vòng kín) Để tiện cho việc trình bày, hệ thống điều khiển máy CNC có thể được chia ra là hai phần: phần cứng và phần mềm

Hình 1.3: Truyền dữ liệu trong vòng kín

1.3.2.1 Dữ liệu điều khiển

- Dữ liệu số được mã hoá bao gồm: Các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một

số ký tự đặc biệt

- Các chữ số và ký tự đặc biệt biểu hiện đặc tính gia công như: kích thước của chi tiết, dụng cụ được yêu cầu, dung dịch trơn nguội, tốc độ vòng quay, tốc độ chạy dao được tổng hợp thành câu lệnh

Điều khiển số trong máy công cụ là một phương thức của tự động hoá, trong đó các chức năng khác nhau của máy được điều khiển bởi các chữ số và các ký hiệu

- Phương pháp mã hoá thông tin: Con người giao tiếp với máy thông qua một ngôn ngữ, ngôn ngữ này phải được mã hoá để máy có thể đọc và hiểu được và thực thi chương trình đó

+ Mã thập phân: Cơ sở của hệ (mã) thập phân là cơ số 10 ký tự

+ Mã nhị phân: Cơ sở của mã nhị phân là số 2 Bất kỳ một số nào trong mã nhị phân đều là tổng của nhiều số mà số hạng của nó là số 2 với cấp số mũ khác nhau Các

số trong hệ nhị phân là tổ hợp của các số 1 và 0

+ Mã ISO:

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu để thống nhất các ngôn ngữ lập trình Công việc này do hội đồng tiêu chuẩn hoá quốc tế (Internation Standart Ogranization – ISO) chỉ đạo và được gọi là ngôn ngữ ISO Hầu hết các máy CNC hiện nay đều dùng mã ISO

1.3.2.2 Phần cứng hệ điều khiển máy CNC

Bộ xử lý trung tâm (CPU) là một máy tính nhỏ hoặc là thành phần chính của máy tính nào đó (16 bit hoặc 32 bit) và mạch điện tích hợp Cấu trúc của CPU bao gồm các phần tử cơ bản sau: Phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy cập nhanh

Hình 1.4: Sơ đồ khối của CPU

Phần tử điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển các phần tử của nó và của CPU Xung nhịp đồng hồ đưa vào điều khiển thực hiện đồng bộ hoạt động của các phần tử Phần tử số học làm nhiệm vụ hình thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở số liệu đưa vào Kiểu thuật toán số học là cộng trừ nhân chia, cộng logic và các chức năng khác theo yêu cầu của chương trình Khối logic số thực hiện các phép so sánh, phân nhánh, lập, lựa chọn và phân vùng bộ nhớ

Bộ nhớ truy nhập nhanh là bộ nhớ trong CPU dùng để lưu trữ tạm thời các thông tin đang được phẩn tử số học xử lý hoặc các chương trình điều khiển từ ROM và RAM gửi tới

Bộ nhớ chính ROM - RAM B

US

Số liệu vào

Số liệu

ra

Hình 1.5: Hệ thống liên lạc BUS

Hệ điều khiển máy công cụ, cần thiết biến đổi xung điều khiển được tạo ra từ cụm điều khiển thành các tính hiệu cho động cơ các trục Nhiệm vụ này được thực hiện nhờ hai mạch: Mạch điều khiển servo và mạch phản hồi

Trên đây là các phần cứng chủ yếu của máy CNC, ngoài ra còn có các phần cứng

cơ bản của một máy điều khiển số thông thường như: điều khiển tốc độ trục chính, điều khiển trình tự và các mạch biến vào – ra (input – output)

1.3.2.3 Phần mềm

Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống như những chiếc máy tính chuyên dụng dùng để điều khiển máy công cụ Cũng như những chiếc máy tính khác, NC cần một hệ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mềm hệ thống Chúng được thiết

kế riêng cho một loại máy, mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động học và điều khiển của mỗi loại này là khác nhau Phần mềm này điều khiển mọi chức năng hệ thống, những chương trình con, đồ họa giả lập hay quá trình gia công nếu có

Nối ghép đọc

băng từ

Máy tính

Nối ghép với máy tính BUS

Hình 1.6: Vị trí của chương trình CNC

Chương trình CNC bao gồm chuỗi chỉ thị di chuyển dao, đóng gắt các phụ trợ cần thiết để điều khiển máy tự động thực hiện chương trình gia công Công việc xác lập tiến trình di chuyển dao cùng các chỉ thị lập trình cụ thể và lưu trữ các thông tin này vào hệ điều khiển hay trên thiết bị mang tin dưới dạng mã lệnh phục vụ cho quá trình đọc dữ liệu tự động bởi hệ điều khiển gọi là lập trình CNC

Cấu trúc của chương trình CNC đã được tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO CODE) Hai chức năng quan trọng của mã ISO dùng trong các hệ điều khiển CNC là chức năng dịch chuyển hình học G (Geometric Function) và chức năng phụ M (Miscellaneous Function)

* Đặc trưng và ưu điểm của máy điều khiển số CNC:

- Tự động hoá cao

- Tốc độ dịch chuyển và tốc độ quay lớn

- Độ chính xác cao

- Năng suất gia công cao

- Tính linh hoạt cao (thích nghi nhanh với đối tượng gia công thay đổi, thích nghi với sản xuất loạt nhỏ)

- Tập trung nguyên công cao (gia công nhiều nguyên công trong một lần gá phôi)

- Chuẩn bị công nghệ khác với máy thường là phải lập trình điều khiển máy (chương trình gia công )

- Máy công cụ CNC có giá trị kinh tế lớn

1.4 Các loại động cơ dùng trong máy CNC

1.4.1 Động cơ 1 chiều

- Ưu điểm

+ Mômen khởi động lớn,dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ

Lập trình CNC

- Nhược điểm

+ Dải tốc độ điều khiển hẹp

+ Phải có mạch nguồn riêng

1.4.2 Động cơ xoay chiều

- Ưu điểm

+ Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều

+ Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ

S1, S2 là các khóa đóng mở để cấp từ trường vào các cực của nam châm

SM là cơ cấu chấp hành biến năng lượng điện thành năng lượng cơ học đặc tính chuyển động rời rạc (chuyển động theo bước)

SM có thể điều khiển cả vị trí và tốc độ (0 ÷ 300 v/ph) Tần số cấp cho động cơ

là vùng tần số thấp, độ chính xác vị trí góc thường dùng là: 1.80, 7.50, 150, 300, 900

Có 3 kiểu động cơ bước thường gặp:

- SM N0 1: SM nam châm vĩnh cửu < PM_ Permanent Metric>

- SM N0 2: SM có từ và trở biến thiên <VR_ Viriable Reluetance>

- SM N0 3: Động cơ sai, kết hợp cả 2 loại trên < PM + VR = Hybride>

1.4.4 Động cơ servo

Hình 1.8: Động cơ servo

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kì lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau từ máy tiện điều khiển bằng máy tính đến các mô hình máy bay, xe hơi Ứng dụng mới nhất là sử dụng trong robot Những ứng dụng này là tiền đề cho việc đưa vào quá trình sản xuất những thành tựu như điều khiển máy CNC, trung tâm gia công

Đối với chuyển động chất lượng cao ta buộc phải sử dụng động cơ servo xoay chiều ba pha, loại là động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc hay đồng bộ kích thích

- Đạt được động học hệ thống với mức cao nhất, đồng thời loại được các chuyển động xoắn tiềm ẩn trong chuyển động của trục vít

Trong một số máy phay, trục chính (trục quay dao) đòi hỏi tốc độ quay rất cao Khi đấy thậm chí ta có thể sử dụng một loại động cơ chuyên việt, được tích hợp sẵn trong trục chính và sử dụng ổ bi từ

Loại động cơ chuyên việt này có đặc điểm sau:

- Tốc độ tối đa đạt được là 40.000 vòng/phút với công suất cắt 40 kW

- Ổ bi quay và ổ bi dọc trục có từ 2÷4 cặp nam châm

Bên việc sử dụng động cơ tuyến tính, có thể nói việc sử dụng ổ bi từ là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ được loại trừ mòn do ma sát ) gia công với các trục chính cao tốc Tuy nhiên lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt các phương pháp sử dụng

- Có đặc tính hệ số khuếch đại cao

- Dễ làm trơn quá trình chuyển động

- Có khả năng chống quá tải

Nhược điểm:

- Cần phải giữ môi trường dầu luôn sạch, không có tạp chất

- Lực và quá trình chuyển động phụ thuộc nhiều vào độ nhớt của dầu

- Độ nhớt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Do đó cần có hệ thống lọc dầu và làm mát dầu

Sơ đồ khối:

Hình 1.9: Hệ thống điều khiển động cơ servo thủy lực

Van Servo: điều khiển lưu lượng và áp suất: nhận tín hiệu ngoài và lưu lượng áp

suất từ bơm Thủy lực Cung cấp 1 áp suất và lưu lượng hợp lý từ động cơ Thủy lực tới bàn máy và cuối cùng tới vị trí cần đến

Kết cấu van Servo: mục đích để điều khiển lưu lượng và áp suất, đóng mở các

van điều chỉnh, điều tiết lưu lượng động cơ nhận tín hiệu ngoài 1 số vòng nào đó thông qua đai ốc Vitme bi để tạo ra chuyển động tịnh tiến của con trượt để thay đổi nguồn cung cấp ( lưu lượng )

1.5 Kết luận

Qua lịch sử phát triển của máy công cụ CNC ta đã thấy được sự phát triển mạnh

mẽ của loại máy này Máy CNC ngày càng phức tạp hơn, gia công được nhiều loại chi

tiết hơn và đặc biệt là khả năng có thể chế tạo được những bề mặt phức tạp mà những máy công cụ thông thường rất khó có thể gia công được Đi kèm theo đó là hệ thống mạch động lực, hệ thống điều khiển ngày càng hoàn thiện hơn tạo cho máy CNC có công suất lớn, gia công được chính xác ngay cả những bề mặt phức tạp nhất, làm giảm công sức lao động của người đứng máy, nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm

Hệ thống điều khiển trên máy CNC người ta sử dụng nhiều loại khác nhau, có thể dùng riêng rẽ từng loại mà cũng có những máy người ta kết hợp nhiều loại để điều khiển Nhưng phổ biến nhất trong các máy CNC hiện nay là sử dụng hệ thống thủy lực khí nén Vậy dựa trên cơ sở nào để người ta có thể tạo ra được các hệ thống thủy lực khí nén, sử dụng dạng năng lượng nào, tính toán được công suất truyền động, hiệu suất của hệ thống và những tổn hao công suất trên đường truyền Chương 2 sẽ trình bày về

cơ sở truyền dẫn thủy lực và khí nén

Chương II CƠ SỞ TRUYỀN DẪN THỦY LỰC VÀ KHÍ NÉN

2.1 Khái quát chung

Máy CNC nói riêng hay các máy công cụ nói chung đều phải đảm bảo các yêu cầu cần thiết, đảm bảo độ tin cậy, tuổi thọ, an toàn đối với người và các thiết bị xung quanh, giảm giá thành chế tạo, bảo trì Mỗi bộ phận hay phần tử cấu thành hệ thống truyền dẫn đều phải thể hiện nhiệm vụ nhất định Dù đơn giản hay phức tạp thì trong

nó luôn tồn tại hai dòng năng lượng cho mạch động lực và mạch điều khiển

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát truyền dẫn thủy khí

1 Trung tâm xử lý điều khiển 2 Động cơ điện

3 Bơm dầu hoặc máy nén khí 4 Cơ cấu điều khiển điều chỉnh

5 Động cơ dầu hoặc khí chuyển

động quay

6 Động cơ dầu hoặc khí chuyển động thẳng

7 Cơ cấu chấp hành trong trường

hợp chuyển động quay hoặc thẳng

Đặc trưng về kỹ thuật cho các cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền dẫn phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Về động học: Tốc độ nmin  nmax(đối với chuyển động quay) hoặc vmin vmax(đối với chuyển động thẳng)

- Về động học: Tải trọng lớn nhất Pmax cho chuyển động thẳng, Mômen truyền

Mx cho chuyển động quay hoặc công suất truyền động N

- Về mức độ tự động hóa: chủ yếu do hệ thống điều khiển quyết định

2.1.2 Mạch điều khiển

Mạch điều khiển phải đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của các cơ cấu chấp hành về động học, động lực học cũng như chế độ làm việc kể đến mức độ tự động của toàn hệ thống

Tín hiệu X đầu vào qua trung tâm xử lý điều khiển 1 đến các cơ cấu hoặc bộ phận chấp hành điều khiển (đơn lẻ hoặc kết hợp điều khiển) động cơ điện 2 bơm 3 cơ cấu điều khiển điều chỉnh 4 qua động cơ 5 hoặc 6 đến cơ cấu chấp hành 7 Cơ cấu chấp hành 7 coi đại lượng ra là Y Đại lượng đầu ra Y có thể là: tốc độ, thời gian, vị trí, lực, công suất truyền… Sơ đồ khối của mạch điều khiển kín cho hệ thống thủy lực, khí nén được nêu ra như hình dưới đây:

Hình 2.2 Mạch điều khiển

X là tín hiệu vào, thường là các đại lượng vật lý như hành trình dịch chuyển hoặc tốc độ, thời gian, lực hoặc áp suất tác dụng, điện từ kể cả ánh sáng… được chuyển đến vật mang tin (dưỡng, đĩa từ, bìa đục lỗ…), qua bộ phận xử lý tín hiệu đến khuếch đại (KĐ), sau đó đến bộ phận chấp hành điều khiển (CHĐK) như các van, rơle, … và cuối cùng đến cơ cấu chấp hành Y Kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu chấp hành với điều khiển mạch kín cần phải dùng các cảm biến 8 (cảm biến hành trình, tốc độ, thời

gian, lực hoặc áp suất…) chuyển qua bộ phận liên hệ ngược (LHN) xử lý và gửi về bộ phận nhận tín hiệu để đảm bảo cho tương thích với yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu chấp hành

Hình 2.2 mô tả mô hình toán học chung cho hệ điều khiển với nhiều tín hiệu vào

và ra được sử dụng tham số thời gian t Phương trình để giải quyết có thể dưới dạng hàm tường Y(t) = F(Xt) hoặc ẩn F(X,Y)=0

Truyền dẫn bằng chất lỏng hoặc chất khí, hai dạng truyền dẫn này về bản chất là như nhau tức là dùng năng lượng áp suất (thế năng) biến thành cơ năng để quay hoặc tịnh tiến cho cơ cấu chấp hành Về hình thức, kết cấu và chức năng của các phần tử trong hệ truyền dẫn bằng chất lỏng hay chất khí là gần giống nhau Song về công dụng, ưu nhược điểm có khác nhau Các công thức tính toán cho truyền dẫn là gần giống nhau, chỉ khác nhau về hệ số phản ánh bản chất vật lý của dầu và khí

2.2 Cơ sở về truyền dẫn thủy lực

Ở trong những máy công cụ đơn giản, để truyền chuyển động đến cơ cấu chấp hành thường sử dụng các hệ dẫn động cơ khí như: bộ truyền đai, xích, bánh răng, bánh

ma sát, trục, khớp nối… Còn trong một số máy, thiết bị phức tạp hơn người ta hay dùng truyền dẫn bằng chất lỏng, chất khí

Truyền dẫn năng lượng bằng chất lỏng có thể được thực hiện dưới các dạng sau đây:

2.2.1 Thế năng

Trong truyền dẫn thủy lực, người ta sử dụng thế năng dưới dạng áp suất p Nếu thể tích chất lỏng là V(m3) với áp suất là p (N/m2) thì sẽ tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng có độ lớn sẽ là:

Trong đó: Q – gọi là lưu lượng (m3

/s) Nếu dòng chất lỏng có áp suất p, chuyển động với lưu lượng là Q thì công suất thực hiện được là :

Trong đó:  – khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3)

Trong truyền dẫn ở các máy, khối lượng chất lỏng và vận tốc chuyển động không cao nên khi tính toán truyền dẫn cho mạch động lực bỏ qua năng lượng này

Khi nguồn chất lỏng có áp suất là p và lưu lượng là Q chảy qua một ống có kích thước hạn chế Do hiện tượng bám thành, lớp chất lỏng tiếp giáp với thành không chuyển động, còn lớp chất lỏng ở chính giữa tâm ống thì chuyển động với tốc độ lớn nhất Qua đây, ta thấy được có sự trượt tương đối giữa các lớp chất lỏng trong ống Sự trượt tương đối sẽ sinh ra lực ma sát giữa các lớp Độ nhớt của chất lỏng được đặc trưng bởi nội ma sát trong chất lỏng khi nó chuyển động

b Độ nhớt động lực

Theo công thức Newton

n

dv dy

t, 50 là độ nhớt động học của dầu ở nhiệt độ t0C và 500C

n: chỉ số phụ thuộc vào độ nhớt của từng loại dầu

Chính vì vậy, nhất là đối với các máy CNC, người ta luôn mong muốn nhiệt độ trong quá trình làm việc tăng càng ít càng tốt để độ nhớt của dầu ít thay đổi để cho hệ thống thủy lực làm việc ổn định hơn

Để đánh giá sự thay đổi này thường theo chỉ số độ nhớt k= 50/100 Người ta luôn mong muốn chỉ số độ nhớt k1 Để đạt được điều đó, người ta cho thêm chất phụ gia vào dầu khoáng, dầu tổng hợp

2.2.5.2 Ảnh hưởng của áp suất

Áp suất tăng, độ nhớt của dầu cũng tăng theo quan hệ: p=0a

Trong đó: p, 0: Độ nhớt ở áp suất khí quyển, áp suất p

a = 1,0021,004

Hoặc: p=0(1+kp)

Trong đó: p,0: độ nhớt động học ở áp suất khí quyển, áp suất p

k: hệ số phụ thuộc vào độ nhớt của dầu 5015cSt thì k=0,02

50>15cSt thì k=0,003

Ta thấy rằng độ nhớt này tăng không nhiều, khi tính toán trong truyền dẫn cho thiết bị và máy móc thường lấy cố định theo tiêu chuẩn ghi cho mỗi loại dầu

2.2.5.3 Ảnh hưởng của độ đàn hồi của dầu

Khi dầu chịu áp suất cao sẽ bị biến dạng, thể tích giảm Trong hệ thống dầu ép, đặc biệt khi áp suất thay đổi, sự biến dạng đó luôn thay đổi sẽ gây ra rung động và truyền động trong hệ thống không ổn định

2.2.5.4 Ảnh hưởng của không khí lẫn trong dầu

Thông thường, trong hệ thống chuyển động bằng dầu ép, lượng không khí lẫn trong dầu chiếm từ 0,5 – 5% thể tích của dầu, có khi đến 15-20% Khí lẫn trong dầu làm giảm môđun đàn hồi khi làm việc, giảm độ ổn định truyền động của cơ cấu, làm chuyển động bị đứt quãng, rung động, chậm truyền tín hiệu cho cơ cấu, làm thay đổi

độ nhớt của dầu (chất lỏng không đổng nhất) có quan hệ:

1 0, 015

h d

n

b

n  

b: tỷ lệ phần trăm lượng khí lẫn trong dầu

h, d: độ nhớt động lực của hỗn hợp dầu lẫn không khí và dầu không lẫn không khí

Mặt khác, việc giảm lượng không khí lẫn trong dầu cũng đồng nghĩa với việc giảm các chất bụi bẩn lẫn vào dầu Các hạt bẩn làm tắc dòng chảy của van tiết lưu, van phân phối, làm gián đoạn màng dầu, ảnh hưởng xấu tới bôi trơn, làm rung động cho hệ thống, gây xước, mòn bề mặt làm việc của piston, xilanh, van… Do vậy, việc lọc sạch dầu trước khi sử dụng là rất quan trọng

2.2.6 Các vấn đề về lựa chọn dầu bôi trơn

- Độ nhớt phải phù hợp với điều kiện làm việc

+ Hệ thống làm việc với vận tốc cao phải chọn loại dầu có độ nhớt thấp để làm giảm ma sát, sinh nhiệt, làm hiệu suất giảm

+ Hệ thống làm việc với áp suất cao phải chọn loại dầu có độ nhớt cao để giảm

+ Đối với hệ thống làm việc với:

Áp suất từ 30 – 70 bar thì dùng dầu có độ nhớt 30 – 50cSt,

Áp suất từ 70 – 175bar thì dùng dầu có độ nhớt 60 – 100cSt

Áp suất >175bar thì dầu có độ nhớt từ 100 – 200 cSt

- Đối với hệ thống làm việc trong giới hạn nhiệt độ khá rộng (200C – 700C) có thể dùng dầu có độ nhớt 20 – 30cSt

- Độ nhớt ít thay đổi theo nhiệt độ K1: vì khi nhiệt độ thay đổi, độ nhớt thay đổi dẫn đến điều kiện làm việc các hệ thống không ổn định

- Đảm bảo tính bôi trơn tốt, không bị phá hủy (oxy hóa, cong vênh, mòn…) các

Là tổn thất do ma sát giữa các chi tiết chuyển động tương đối với nhau

Tổn thất cơ khí trong bơm được biểu thị bằng hiệu suất cơ khí của bơm:

0

cb

N n N

p: áp suất của dầu, N/m2

N0: công suất thực tế đo trên trục bơm Hiệu suất cơ khí của động cơ dầu:

0

d cb

d

N n N



Nd: công suất đo trên trục động cơ dầu

Nod: công suất tương ứng với lưu lượng dầu Qd thực tế chảy qua động

cơ và áp suất để quay động cơ

Tổn thất thể tích của bơm được thể hiện bằng hiệu suất thể tích của bơm:

0

b tb

Q Q

 

Qb: lưu lượng thực tế của bơm khi làm việc với áp suất p

Q0: lưu lượng danh nghĩa của bơm, lấy bằng trị số lưu lượng khi p=0 Trong động cơ dầu, hiệu suất thể tích được tính

d tb Q Q

 

Q: lưu lượng vào động cơ

Qd: lưu lượng qua động cơ để tạo thành số vòng thực nd của bơm Mômen tải trọng M (chuyển động quay) và lực P (chuyển động thẳng) tăng lên thì sự rò rỉ càng lớn Nếu không kể đến dò dầu trên đường truyền thì tổn thất thể tích trên hệ thống được xác định theo hiệu suất thể tích là: t=tbtd

2.2.7.3 Tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất là sự giảm áp do sức cản trên đường truyền động từ bơm đến động cơ dầu Sức cản này phụ thuộc vào nhiều yếu tố do: chiều dài ống dẫn, thay đổi tiết diện ống dẫn, thay đổi hướng chuyển động, tốc độ và loại dầu hay độ nhớt của dầu Hiệu suất áp suất được tính:

p: tổn thất áp suất trên đường truyền dẫn

2.2.7.4 Hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống

Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát tính hiệu suất thể tích và hiệu suất áp suất

Trong đó:

p1: tổng tổn hao áp suất do trở thủy lực

p2: tổng tổn hao áp suất do trở quán tính

pd, p0: tổng tổn hao áp suất do biến dạng dầu vào ống, trở biến dạng

C1, C2: tổng dung kháng của dầu và ống dẫn

Hiệu suất của truyền dẫn thủy lực là:  = bơm truyền dẫn động cơ =b td dc

Khi thiết kế mạch, người ta thường bỏ qua tổn hao áp suất thắng quán tính và các biến dạng nếu ống dẫn cứng tuyệt đối Với mạch điều khiển dùng thủy lực thì phải chú

ý đến cả 3 loại tổn hao trên vì ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển, đặc biệt khi dùng ống mềm dễ bị biến dạng

2.3 Cơ sở về truyền dẫn khí nén

2.3.1 Truyền dẫn năng lượng bằng khí nén

Nhìn chung, về nguyên lý truyền dẫn thủy lực và truyền dẫn khí nén là như nhau Song do tính chất của dầu và khí khác nhau, nên trong quá trình tính toán và kết cấu của các phần tử chức năng cũng như phạm vi sử dụng có khác nhau chút ít Sự khác nhau cơ bản giữa dầu và chất khí dùng trong truyền dẫn ở chỗ: khả năng đàn hồi (môdun đàn hồi), khối lượng riêng, độ nhớt, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất đến các tính chất cơ lý khác

* Ưu điểm chung khi sử dụng dòng truyền dẫn thủy lực hoặc khí nén

+ Thực hiện chuyển động thẳng với hành trình dài

- Hầu hết các phần tử trong hệ thống đều được tiêu chuẩn hóa

* Nhược điểm chung khi sử dụng dòng truyền dẫn khí nén

Vì truyền dẫn chất khí có đàn hồi nên tốc độ thường khó ổn định khi tải trọng

thay đổi và có hiện tượng chạy giật cục khi chuyển động với tốc độ quá chậm

* So sánh các thông số khác giữa truyền dẫn thủy lực và truyền dẫn khí nén:

- Khả năng đàn hồi của không khí lớn hơn của dầu nên tích chứa khí nén vào các bình hoặc chạm dễ dàng hơn Ưu điểm này rất phù hợp cho các trường hợp dùng khi cần lưu lượng khí nhiều với thời gian ngắn như tháo kẹp nhanh, tháo vặn vít hay thiết

bị cần va đập trong xây dựng, khai thác…, hệ thống phanh

- Độ nhớt động học của không khí nhỏ hơn của dầu nên có khả năng truyền tải xa hơn vì tổn thất áp suất trên đường dẫn ít hơn Nhưng lại có nhược điểm là rò rỉ trên đường dẫn lớn hơn

- Tốc độ truyền động trong truyền dẫn khí nén rất phù hợp với tốc độ cao

- Truyền dẫn khí nén phù hợp với công suất truyền nhỏ

- Truyền dẫn khí nén không cần bề chứa cấp khí cũng như thải

- Không khí có nhiều tạp chất nên xử lý làm sạch phức tạp hơn khi dùng dầu

- Khí nén thường dùng trong các môi trường, vị trí làm việc dễ bị cháy nổ

2.3.2 Một số đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén

- Độ an toàn khi quá tải: Do tính chất đàn hồi của không khí, nên khi hệ thống đạt được áp suất làm việc tới hạn thì truyền động vẫn an toàn, không có sự cố hư hỏng xảy ra Tính năng này thì hơn hẳn so với truyền động điện cơ, truyền động cơ

- Sự truyền tải năng lượng: Tổn thất năng lượng và giá thành đầu tư cho mạng truyền tải bằng khí nén tương đối thấp Tính năng này thì truyền tải bằng khí nén thích hợp hơn so với truyền tải bằng thủy lực và truyền tải bằng cơ

- Tuổi thọ và bảo dưỡng: Hệ thống điều khiển và truyền động bằng khí nén hoạt động tốt khi mạng đạt tới áp suất tới hạn và không gây ảnh hưởng tới môi trường Tuy nhiên hệ thống lại đòi hỏi rất cao về lọc chất bụi bẩn của không khí trong hệ thống

- Khả năng thay thế những phần tử và thiết bị: Trong hệ thống điều khiển, truyền động bằng khí nén thì khả năng thay thế các phần tử thiết bị là dễ dàng

- Vận tốc truyền động: Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, do khả năng giãn nở của khí lớn nên truyền động có thể đạt được vận tốc, gia tốc rất cao

- Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất: Truyền động bằng khí nén có

khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất dòng một cách đơn giản Tuy nhiên với sự thay đổi của tải trọng thì vận tốc cũng bị thay đổi

- Vận tốc truyền tải: Vận tốc truyền tải và xử lý tín hiệu tương đối chậm

Bảng 2.1 Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống điều khiển khác nhau

STT Trường hợp ứng dụng điều khiển Khí

nén

Điện – khí nén

X: khả năng ứng dụng thích hợp

C: có thể ứng dụng

Đ: có thể ứng dụng trong trường hợp đặc biệt

K: không thể ứng dụng

2.3.3 Tính công suất truyền

2.3.3.1 Tổn hao công suất trong hệ thống truyền dẫn khí nén

- Các dạng tổn hao áp suất trong truyền động khí nén

+ Tổn hao áp suất ống dẫn

+ Tổn hao áp suất cục bộ (khi tiết diện thay đổi chuyển hướng chuyển động)

+ Tổn hao áp suất trong các van

Bảng 2.2 Chiều dài tương đương của các phụ tùng nối

p

kg m p

  khối lượng riêng của khối khí

  khối lượng riêng khối khí ở điều kiện tiêu chuẩn

pn = 1,013 (bar) - áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn

pabs (bar) – áp suất tuyệt đối

v (m/s) – vận tốc trung bình của dòng chảy

d (m) – đường kính đường ống

64Re

 - hệ số ma sát khí chảy trong ống trơn và chảy tầng (Re<2230)

ε – hệ số giãn nở

Ax – diện tích mặt cắt qua khe hở (m2)

p = (p1-p2) – hiệu áp trước và sau khe hở (N/m2)

ρ1 – khối lượng riêng của không khí (kg/m3)

3 1